基于PLC與MCGS組態(tài)軟件的電力拖動仿真實訓系統的研究

王琳輝

摘 要：本文重點介紹了中高職學校電力拖動控制線路課程仿真實訓系統。采用PLC和嵌入式MCGS組態(tài)軟件，可以通過電腦動畫仿真與實際線路聯動來模擬電力拖動實訓項目。與傳統實訓仿真相比，虛實結合、方便可靠、省時省力、效果逼真、界面友好。方便學生學習和掌握電力拖動控制線路的原理和安裝。

關鍵詞：PLC;MCGS;組態(tài)軟件;電力拖動;仿真實訓

【中圖分類號】G【文獻標識碼】B【文章編號】1008-1216（2019）09B-0042-03

目前，中高職機電類、電氣類專業(yè)均開設電力拖動基本控制線路這門實訓課。在講授電機控制線路原理時，教師普遍采用掛圖或黑板畫圖講授的方式。對于電路中電流走向，電器元器件的動作過程，學生很難理解與掌握。根據教學實際情況，在師生中進行了廣泛的調研，利用PLC、觸摸屏和MCGS組態(tài)軟件設計開發(fā)了電力拖動實訓及演示系統。該系統由上位機仿真軟件、下位機控制部分和實訓設備本體組成。上位機采用MCGS組態(tài)軟件設計了所有電力拖動控制線路仿真動畫，下位機采用PLC、觸摸屏、接觸器制作了電力拖動控制線路實訓及演示裝置。采用串口或以太網通訊把上位機與下位機連接起來，從而實現用電腦控制實訓裝置動作，并保證電腦中電力拖動控制線路動畫與實訓裝置中電機動作過程聯動，達到理實一體、“學中做，做中學”的目標。

一、系統總體設計

根據研究的設計要求，本文所研究的電力拖動實訓演示系統總體技術架構如圖1所示。

該系統硬件層包括PLC與人機界面、實訓設備本體組成的人機交互式硬件平臺，介于應用層和硬件層之間的傳輸層用于實現二者的信息交互和數據傳輸，主要有串口轉RS485通訊、以太網通訊。教師或學生通過PC端軟件實現與硬件層實訓設備本體進行交互，從而實現線路動畫仿真軟件近程或遠程與實訓設備的聯動。

二、 下位機設計

（一）實訓設備本體設計

關于電氣控制實訓設備本體部分，目前市場上較成熟的兩種方式是網孔板安裝式和接插線式。這兩種方式各有優(yōu)缺點：網孔板式實訓裝置利于學生提高電氣安裝、操作的技能，但也存在著費時、耗材消耗大，不利于學生學習電路原理的缺點;接插線式實訓裝置采用帶絕緣護套的香蕉插頭、插線方式，具有安全、方便、快捷，利于快速學習電路原理的優(yōu)點，但也存在著無法完成電氣安裝工藝實訓的缺點。本研究設計的實訓裝置本體部分采用了網孔板、接插線相結合的方式，集這兩種方式的優(yōu)點于一身，左側部分為接插線實訓模塊，右側部分為網孔板實訓模塊，這兩個模塊均設計成可拆卸的結構，可以根據實訓項目的不同，安裝不同的模塊。

（二）控制部分設計

下位機控制部分采用三菱FX2N-48MR PLC和TPC7062Ti MCGS觸摸屏組成。主要有兩種通訊與控制方式，用來實現電氣實訓設備的近程和遠程控制。用RS485轉串口電纜把PLC與裝有仿真軟件的電腦直接相連，這種情況適用于近距離通訊、聯動。PLC通過編程口，利用串口通訊與觸摸屏進行連接，觸摸屏與互聯網相連，利用連接互聯網的PC機實現上位機仿真軟件與下位機通訊，二者聯動。

（三）電路設計

本設計結合電力拖動實訓課內容，歸納出電機連續(xù)正轉、電機正反轉、電機降壓啟動、電機制動、電動機變頻控制等幾類電氣線路主回路。

該研究基于人機交互技術，可以通過人機界面與PLC進行信息交互，實現線路仿真與設備聯動功能。為了更加方便學生實訓和教師教學演示，電力拖動線路實訓用到的按鈕、行程開關、熱繼電器輔助觸點、線路動作反饋信號、傳感器信號等輸入信號接到PLC輸入端，實現近端實訓設備、實訓線路控制、遠端設備控制和狀態(tài)監(jiān)測。電氣控制主回路中的交流接觸器KM1～KM7線圈接PLC的Y0～Y6輸出，用于電氣故障設置的中間繼電器KA1～KA9連接到PLC的Y7、Y10～Y17 。變頻器E740分別連接到PLC的Y20～Y24，可以利用PLC實現電動機的多段速控制。

（四）PLC程序設計

該設計下位機控制部分與上位機仿真軟件間控制信息的傳遞靠PLC的寄存器與MCGS組態(tài)中的動態(tài)數據庫建立起的通道。因此，PLC與上位機的通訊程序不需要特殊編制。所有電氣控制線路的PLC程序采用子程序的方式，通過上位機選擇需要聯動的設備，選擇電氣線路后，對應設備的下位機PLC調用對應的PLC子程序，從而實現上位機仿真軟件與下位機設備之間的聯動。

三、上位機仿真軟件設計

（一）MCGS組態(tài)軟件介紹

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺的用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統的組態(tài)軟件系統。 MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網絡等功能。

（二）軟件界面及菜單結構設計

采用三級菜單結構設計，第一級主菜單，第二級、第三級菜單在首頁也可直接進行訪問。軟件中每一個電氣線路均為一個獨立的窗口，點擊線路菜單則跳轉到對應的線路窗口，并關閉當前窗口。同時，所有的變量均會復位。軟件主界面及部分控制界面如圖2所示。

（三）軟件電路仿真、控制功能設計

每一個線路圖均包含有實物接線圖和原理圖，其中圖中的每一個元器件、每一個元器件符號均是一個多位開關或多位動畫組件，當點擊相關的元器件或元器件符號時，根據電路腳本程序所編寫的邏輯關系，相關變量發(fā)生變化，與變量通過設備通道連接的PLC寄存器將發(fā)出相應的動作，與對應PLC的Y寄存器輸出端子相連的繼電器將發(fā)生動作，從而實現了電路邏輯仿真動畫與實訓設備實物聯動的效果。同時，通過合分和按壓實訓設備上的開關、按鈕，PLC的對應輸入端子有輸入，根據PLC程序，PLC的輸出也將發(fā)生變化，與之相連接的上位機仿真軟件的變量將根據腳本程序的邏輯發(fā)生變化，帶動仿真軟件上的電路動畫動作，從而真正做到了仿真軟件與實訓設備實物的聯動。

現以電力拖動雙重互鎖正反轉控制線路為例，腳本程序如下所示：

//電動機正轉啟動程序

if QF_M130=1 and SB1_M101=1 and SB2_M102=0 and FR3=0 then

KM6=1

KM7=0

SB2_M102_XS=2

FR3_XS=1

SB2_XS=2

SB1_XS=0

KM6_XS=1

KM7_XS=2

Endif

//電動機反轉啟動程序

if QF_M130=1 and SB3_M103=1 and SB2_M102=0 and FR3=0 then

KM7=1

KM6=0

SB2_M102_XS=2

FR3_XS=1

SB1_XS=2

SB2_XS=0

KM6_XS=2

KM7_XS=1

endif

//電動機停轉程序

if QF_M130=0 or SB2_M102=1 or FR3=1 then

KM6=0

KM7=0

SB2_M102_XS=0

KM6_XS=0

KM7_XS=0

SB1_XS=0

SB2_XS=0

endif

//熱繼電器動作程序

if FR3=1 then

FR3_XS=2

endif

if FR3=0 and KM6=1 or KM7=1 then

FR3_XS=1

endif

if FR3=0 and KM6=0 and KM7=0 then

FR3_XS=0

endif

//SB1 ，SB3 組件顯示邏輯程序

if SB1_M101=1 then

SB1_XS=1

endif

if SB1_M101=0 then

if KM7=0 then

SB1_XS=0

endif

if KM7=1 then

SB1_XS=2

endif

endif

if SB3_M103=1 then

SB2_XS=1

endif

if SB3_M103=0 then

if KM6=0 then

SB2_XS=0

endif

if KM6=1 then

SB2_XS=2

endif

endif

//SB2組件顯示邏輯程序

if SB2_M102=1 then

SB2_M102_XS=1

endif

if SB2_M102=0 then

if KM6=1 or KM7=1 then

SB2_M102_XS=2

endif

if KM6=0 and KM7 =0 then

SB2_M102_XS=0

endif

endif

//電動機M組件正轉動畫顯示邏輯程序

if KM6=1 or KM7=1 then

M3=1

else

M3=0

endif

if KM1=1 or KM6=1 or KM3=1 then

D1=1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//顯示：正轉

旋轉可見度=1-旋轉可見度

if M3_XS<7 then

M3_XS=M3_XS+1

else

M3_XS=0

endif

endif

//電動機M組件反轉動畫顯示邏輯程序

if KM7=1 then

D1=2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//顯示：反轉

旋轉可見度=1-旋轉可見度

if M3_XS>0 and M3_XS<=7 then

M3_XS=M3_XS-1

endif

if M3_XS<=0 then

M3_XS=7

endif

endif

if KM1=0? AND KM6=0 and KM7=0 AND KM3=0 then

D1=3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//顯示：停轉

Endif

四、 結束語

本研究在考慮了人機工程學的基礎上，對基于RS485轉串口、以太網通訊的模式的下位機實訓裝置的本體進行了設計與實現，同時進行了電路以及PLC程序的設計，基本實現了對下位機的控制性能。同時針對上位機的開發(fā)目標，基于MCGS組態(tài)軟件詳細設計并實現了電力拖動的線路仿真，并通過該上位機仿真軟件與下位機實訓裝置硬件終端人機界面采用線纜或以太網的方式進行連接測試。測試結果表明，本研究正確有效，應用于本學院電力拖動實訓課，取得了良好的教學效果，得到了師生的好評。

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