基于MCGS和PLCSim的虛擬教學(xué)實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

馮軍磊 王艷平

摘要：設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于MCGS和PLCSim的虛擬教學(xué)實驗平臺，給學(xué)生提供無需硬件PLC即可學(xué)習(xí)PLC和MCGS組態(tài)技術(shù)的教學(xué)實訓(xùn)平臺。經(jīng)過實際運行驗證，該平臺運行良好，可以適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需要。

關(guān)鍵詞：PLCSim;MCGS;虛擬;教學(xué)實驗平臺

0? ? 引言

隨著“中國制造2025”計劃的實施，國家制造業(yè)正在由粗放式、人工操作的模式轉(zhuǎn)向信息化、智能化，學(xué)生對PLC（可編程邏輯控制器）技術(shù)的需求日益增強。PLC使用靈活的軟件編程語言替代了接線和設(shè)備種類繁雜的控制電路，在各行業(yè)中應(yīng)用廣泛。作為機電一體化、自動化、現(xiàn)代電氣工程及其自動化、機械工程及其自動化的核心專業(yè)，PLC的系統(tǒng)學(xué)習(xí)是重中之重。

本文設(shè)計了一種基于MCGS和PLCSim的虛擬教學(xué)實驗平臺，使用PLCSim代替硬件PLC，達到學(xué)習(xí)PLC編程、界面組態(tài)等核心內(nèi)容的目的。此系統(tǒng)可以降低學(xué)校在相關(guān)實訓(xùn)設(shè)備方面的大量投入，提高學(xué)生學(xué)習(xí)PLC編程和組態(tài)技術(shù)的效果。

1? ? 虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)總體設(shè)計

本虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)使用軟件PLC（PLCSim，PLC仿真軟件）代替硬件PLC，實現(xiàn)以往必須有硬件PLC才能進行的程序運行、程序調(diào)試等工作。設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)主要由PLC開發(fā)運行平臺和MCGS開發(fā)和運行環(huán)境組成。PLC開發(fā)運行平臺由SIMATIC Manager和PLCSim組成。其中，SIMATIC Manager主要完成PLC的硬件組態(tài)[1]、網(wǎng)絡(luò)組建、控制程序編寫、程序的監(jiān)控和調(diào)試任務(wù);PLCSim來實現(xiàn)PLC功能，模擬運行PLC程序。MCGS開發(fā)和運行環(huán)境由MCGSE組態(tài)環(huán)境和MCGSE模擬運行環(huán)境組成。其中，MCGSE組態(tài)環(huán)境用來開發(fā)MCGS程序，MCGSE模擬運行環(huán)境來運行MCGS程序。

2? ? 虛擬系統(tǒng)搭建

2.1? ? SIMATIC Manager平臺

SIMATIC Manager是西門子公司開發(fā)的S7-300和S7-400系列可編程控制器進行組態(tài)、編程和程序調(diào)試的軟件。安裝時建議采用默認(rèn)的安裝路徑（C：＼Program Files＼Siemens），安裝類型可采用默認(rèn)安裝類型。

2.2? ? PLCSim平臺

S7-PLCSim是可以對編寫的PLC程序進行仿真運行的虛擬邏輯控制器（虛擬PLC），可以在沒有硬件PLC的情況下，對編寫的代碼進行運行、調(diào)試。PLCSim提供了可以監(jiān)控程序運行、模擬硬件輸入/輸出端口數(shù)據(jù)的功能，可以對PLC的運行進行數(shù)據(jù)交互，對程序在線仿真調(diào)試完后，可以直接切換到真實的PLC上進行運行。

2.3? ? MCGS開發(fā)和運行環(huán)境

MCGS開發(fā)軟件分為三個版本：嵌入式版、通用版和網(wǎng)絡(luò)版。由于嵌入式版必須配合觸摸屏使用，網(wǎng)絡(luò)版的通用控件相對較少，通用版運行在PC端，本設(shè)計選用通用版MCGS作為組態(tài)開發(fā)軟件。通用版安裝包含有MCGSE組態(tài)環(huán)境和MCGSE模擬運行環(huán)境兩部分，MCGSE組態(tài)環(huán)境進行PLC設(shè)備組態(tài)、通信配置、界面組態(tài)和數(shù)據(jù)交互設(shè)計，MCGSE運行環(huán)境用來運行MCGSE組態(tài)環(huán)境開發(fā)好的組態(tài)程序。

2.4? ? 數(shù)據(jù)的橋接

NetToPLCsim使用官方的PLCSim接口文件S7ProSim-

COM-object實現(xiàn)PLCSim的數(shù)據(jù)交互。由于PLCSim無法和外界程序直接通信，需要使用橋接軟件完成MCGS和PLCSim的通信。本系統(tǒng)選用NetToPLCsim作為PLCSim和MCGS運行環(huán)境的橋接工具。NetToPLCsim運行界面如圖2所示。

3? ? 調(diào)試與運行

為了驗證虛擬教學(xué)平臺的可行性，本設(shè)計以交通燈為例調(diào)試該虛擬教學(xué)平臺。

3.1? ? PLC程序的編制

3.1.1? ? 交通燈工作原理

使用SIMATIC Manager開發(fā)紅綠燈控制程序。按照交通燈功能，此例功能為：東西向綠燈亮4 s→黃燈亮1 s→紅燈亮5 s，南北向紅燈亮5 s→綠燈亮4 s→黃燈亮1 s。

交通燈的PLC程序可以簡化為5個狀態(tài)。其中S1狀態(tài)為初始狀態(tài)，PLC上電后，沒有信號輸入的情況下一直工作在此狀態(tài)下;S2狀態(tài)為東西向綠燈亮4 s、南北向紅燈亮4 s狀態(tài);S3狀態(tài)為東西向黃燈亮1 s、南北向紅燈亮1 s狀態(tài);S4狀態(tài)為東西向紅燈亮4 s、南北向綠燈亮4 s;S5狀態(tài)為東西向紅燈亮1 s、南北向黃燈亮1 s。設(shè)計的交通燈PLC程序狀態(tài)如表1所示。

PLC上電執(zhí)行S1狀態(tài)，啟動信號出現(xiàn)后，切入S2狀態(tài)。S2狀態(tài)切換到S3狀態(tài)的條件為定時4 s時間到;S3狀態(tài)切換到S4狀態(tài)的條件為定時1 s時間到;S4狀態(tài)切換到S5狀態(tài)的條件為定時4 s時間到;S5狀態(tài)切換到S2狀態(tài)的條件為定時1 s時間到，如此反復(fù)執(zhí)行。

3.1.2? ? 編制PLC程序

根據(jù)交通燈工作原理設(shè)計的交通燈程序如圖3所示。

3.2? ? MCGS界面組態(tài)

MCGS組態(tài)分為三大部分：設(shè)備組態(tài)、數(shù)據(jù)連接、界面組態(tài)。

3.2.1? ? 設(shè)備組態(tài)

設(shè)備窗口中，添加“所有設(shè)備”→“PLC設(shè)備”→“西門子”→“S7CP343&443TCP”。設(shè)備組態(tài)還需要完成本機IP地址的設(shè)置、遠程IP地址的設(shè)置，其中本機IP地址是運行MCGS組態(tài)環(huán)境的電腦IP地址。

3.2.2? ? 數(shù)據(jù)連接

在MCGS進行界面設(shè)計時，PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的采集和界面顯示動畫連接的數(shù)據(jù)不是同一個變量。因此，在進行MCGS的界面設(shè)計前，需要將MCGS界面用到的數(shù)據(jù)和PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)進行采集和連接。PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)和MCGS變量連接關(guān)系如表2所示。

3.2.3? ? 界面組態(tài)

按照交通燈需要進行界面組態(tài)，界面元件放置好后，將信號燈與數(shù)據(jù)對象綁定。交通燈界面元件和數(shù)據(jù)綁定關(guān)系圖如表3所示。

3.3? ? 運行結(jié)果

程序編制完成后設(shè)置SIMATIC Manager的通信方式為“PLCSIM（TCP/IP）”，運行PLCSim，將SIMATIC Manager編制的程序下載到PLCSim中，將PLCSim中CPU狀態(tài)置為RUN-P，啟動交通燈的MCGS程序。設(shè)計的虛擬教學(xué)實驗平臺運行效果如圖4所示。

4? ? 結(jié)語

本文通過對交通燈控制程序的調(diào)試和運行，設(shè)計的基于MCGS和PLCSim的虛擬教學(xué)實驗平臺運行正常，可以滿足PLC程序設(shè)計、運行，MCGS界面組態(tài)、調(diào)試、運行等現(xiàn)代化教學(xué)和學(xué)習(xí)需要。

[參考文獻]

[1] 湯曉華，蔣正炎.現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

收稿日期：2020-01-06

作者簡介：馮軍磊（1989—），男，河南西平人，助教，研究方向：計算機檢測與控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

王艷平（1992—），女，貴州畢節(jié)人，助教，研究方向：電氣工程及其自動化、機電一體化。