基于MCGS的可編程邏輯控制器仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)＊

于廣,韓雪,吳桐

（大連東軟信息學(xué)院 智能與電子工程學(xué)院，遼寧 大連116023）

1 引言

可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)，是繼電器接觸器控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的新發(fā)展，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新型控制裝置，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力和建筑等各個(gè)領(lǐng)域[1]?？删幊踢壿嬁刂破髡n程是電氣、電子、自動(dòng)控制、機(jī)電及智能等專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課。可編程邏輯控制器課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為課程教學(xué)的重要組成部分，因PLC 工程性和綜合性較強(qiáng)，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，對(duì)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)備要求較高[2]?？删幊踢壿嬁刂破髡n程需給學(xué)生開展豐富的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)[3]，而PLC實(shí)踐教學(xué)的核心是PLC 的控制對(duì)象系統(tǒng)平臺(tái)，只有具備直觀形象的控制對(duì)象模型，才能更好的對(duì)控制對(duì)象模型的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制邏輯分析和調(diào)試實(shí)現(xiàn)[4]。

基于MCGS組態(tài)軟件的PLC仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有成本低廉和方便靈活的優(yōu)點(diǎn)，很適合可編程邏輯控制器課程實(shí)驗(yàn)和三級(jí)項(xiàng)目實(shí)踐。

2 目前各高校PLC實(shí)驗(yàn)實(shí)踐模式

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的硬軟件條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置的優(yōu)劣直接影響實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)效果，目前各高校開展PLC 實(shí)踐教學(xué)，主要采用以下2種模式[5]。

2.1 采用實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)箱上裝有PLC 和模塊化的實(shí)踐操作面板，面板上裝有模塊操作按鈕和模擬各種控制對(duì)象的指示燈，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)依據(jù)實(shí)驗(yàn)箱上指示燈的亮滅來觀察控制邏輯是否實(shí)現(xiàn)和控制系統(tǒng)執(zhí)行的結(jié)果是否正確。該種用LED燈模擬顯示PLC 控制對(duì)象的運(yùn)行邏輯，與真實(shí)模型相比成本低，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較單調(diào)，結(jié)果觀察不直觀，模擬度不好，激發(fā)不出學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的興趣。

2.2 采用真實(shí)的控制對(duì)象或控制對(duì)象模型

真實(shí)控制對(duì)象或控制對(duì)象模型運(yùn)行直觀，但造價(jià)高，體積大，維護(hù)難，需要高投入和大的實(shí)驗(yàn)室空間，由于實(shí)驗(yàn)場地經(jīng)費(fèi)限制，一般高校難于引進(jìn)購買成套大型實(shí)驗(yàn)對(duì)象模型，且硬件模型固化，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的柔性差、種類少、難維護(hù)、難擴(kuò)展、創(chuàng)新性和綜合性差。還有控制對(duì)象和控制需求本身也在升級(jí)迭代，從而對(duì)PLC 實(shí)踐教學(xué)建設(shè)提出更高要求。

3 仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及其優(yōu)勢

本文中的仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，能在PC機(jī)或觸摸屏上以動(dòng)畫形象的模擬顯示控制對(duì)象的PLC控制的運(yùn)行過程和狀態(tài)，不但可以克服實(shí)物控制對(duì)象的造價(jià)高、柔性差的缺點(diǎn)，而且可僅利用PLC和學(xué)生電腦觸摸屏，通過仿真對(duì)象的界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的仿真監(jiān)控和靈活變動(dòng)，從而豐富學(xué)生的實(shí)踐內(nèi)容，提高教學(xué)效果，動(dòng)態(tài)畫面逼真形象，能夠激發(fā)學(xué)生實(shí)踐的興趣和理解，同時(shí)具有成本低廉、維護(hù)提升方便、靈活豐富、形象逼真等優(yōu)點(diǎn)[6]。并且在真實(shí)的控制現(xiàn)場，有時(shí)也希望有監(jiān)控系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真畫面，學(xué)生通過組態(tài)軟件的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面的解決方案。

3.1 組態(tài)軟件及其優(yōu)勢

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的組態(tài)軟件是自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層級(jí)的軟件開發(fā)環(huán)境。組態(tài)軟件廣泛應(yīng)用在PLC和DCS等工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程的軟件開發(fā)和圖形化人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)。深圳昆侖通態(tài)科技有限責(zé)任公司MCGS組態(tài)軟件平臺(tái)，其具有豐富的組件、界面設(shè)計(jì)簡便友好等特點(diǎn)，可靈活組態(tài)模擬各種真實(shí)控制對(duì)象的運(yùn)行監(jiān)控界面。

3.2 六層電梯仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

電梯是垂直運(yùn)輸設(shè)備，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高層居民樓商場企業(yè)中，生活中大多人都乘坐過電梯，對(duì)電梯控制對(duì)象都很熟悉。電梯的控制系統(tǒng)可以依據(jù)內(nèi)選請(qǐng)求登記和上下外呼請(qǐng)求登記實(shí)現(xiàn)電梯按自身控制規(guī)律來運(yùn)行，結(jié)合大家坐電梯的體會(huì)也很容易理解電梯的控制邏輯。電梯控制系統(tǒng)具豐富的邏輯控制特性，是PLC 控制程序的邏輯實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練用的非常好的控制對(duì)象，能夠?yàn)镻LC 程序設(shè)計(jì)提供了許多新的思路和方法。

3.3 仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的優(yōu)勢

文中設(shè)計(jì)的虛實(shí)結(jié)合的PLC 仿真實(shí)踐平臺(tái)具有以下優(yōu)勢[7]：

1)將新技術(shù)手段引進(jìn)到實(shí)踐教學(xué)中，讓同學(xué)們接觸到工業(yè)觸摸屏及其組態(tài)軟件界面設(shè)計(jì)。

2)通過觸摸屏組態(tài)軟件虛擬控制對(duì)象監(jiān)控，借助M、V寄存器實(shí)現(xiàn)功能，可減少實(shí)際使用I/O端口數(shù)，故可用微小型PLC實(shí)現(xiàn)中大型高端PLC功能，從而節(jié)省成本。

(1)染色體編碼 本文采用ARMAX模型，參數(shù)部分為實(shí)數(shù)，因此需要對(duì)量子個(gè)體進(jìn)行編碼，根據(jù)參數(shù)的個(gè)數(shù)決定每個(gè)個(gè)體的染色體長度。量子位表示為

3)實(shí)踐項(xiàng)目可以靈活設(shè)計(jì)和進(jìn)行虛擬演示，很方便進(jìn)行實(shí)踐項(xiàng)目的擴(kuò)展和迭代更新。

4 基于組態(tài)軟件的仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于組態(tài)軟件的仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，是以電梯作為被控制對(duì)象模型，利用組態(tài)軟件MCGS 設(shè)計(jì)電梯運(yùn)行仿真監(jiān)控界面，并對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行屬性和變量定義，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，通過PLC程序運(yùn)行控制，組態(tài)界面用其提供的圖形動(dòng)畫來代替真實(shí)電梯硬件的運(yùn)行并通過其觀察PLC控制過程與運(yùn)行結(jié)果[8]。

4.1 設(shè)計(jì)組態(tài)監(jiān)控界面

仿真監(jiān)控界面能夠直觀地反映PLC控制程序運(yùn)行狀態(tài)和執(zhí)行結(jié)果，本文以六層電梯控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)監(jiān)控界面為例，來介紹MCGS 組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。為了形象逼真的仿真監(jiān)控電梯運(yùn)行狀態(tài)，通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)電梯和轎廂的圖形動(dòng)畫來模擬顯示電梯的運(yùn)行狀態(tài)。在MCGS 組態(tài)平臺(tái)用戶窗口中，可以通過MCGS 工具箱中的工具進(jìn)行圖形組合設(shè)計(jì)，選擇工具箱中的對(duì)象元件庫管理項(xiàng)，可見圖形對(duì)象元件列表中提供了生產(chǎn)生活中常見的控制對(duì)象元件、儀器儀表圖形供選擇使用[9]。選擇工具箱中按鈕進(jìn)行電梯內(nèi)選和上下呼按鈕設(shè)計(jì)，選擇指示燈做為內(nèi)選和外呼指示燈。為了更好的模擬電梯的運(yùn)行狀態(tài)，需要借助動(dòng)畫顯示PLC 控制電梯的運(yùn)行狀態(tài)和控制過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的運(yùn)行過程實(shí)時(shí)仿真監(jiān)控的目的。組態(tài)軟件MCGS圖形工具已經(jīng)集成了部分圖形動(dòng)畫功能屬性，文中利用圖形元件本身集成的動(dòng)畫屬性，設(shè)計(jì)電梯轎廂開關(guān)門的動(dòng)態(tài)顯示界面，如圖1所示。

圖1 六層電梯控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

4.2 組態(tài)策略腳本程序設(shè)計(jì)

有些需真實(shí)逼真的反映控制對(duì)象運(yùn)行的復(fù)雜實(shí)時(shí)控制的動(dòng)畫效果，還需要在運(yùn)行策略中通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)。文中要模擬仿真電梯轎廂運(yùn)行的動(dòng)畫設(shè)計(jì)，轎廂的運(yùn)動(dòng)需要在組態(tài)策略中編寫腳本程序。電梯的轎廂位置設(shè)定一個(gè)數(shù)值型變量，來表示與當(dāng)前位置的垂直偏移距離，通過設(shè)定和檢測變量值，來控制和仿真轎廂的上下運(yùn)動(dòng)[10]。設(shè)M26和M27分別表示電梯轎廂上行和下行操作，轎廂門的打開關(guān)閉通過設(shè)置一個(gè)數(shù)值型變量來表示轎廂門矩形縮放的百分比，通過對(duì)縮放百分比與數(shù)值量的對(duì)應(yīng)設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)轎廂門的控制。組態(tài)人機(jī)界面可依據(jù)PLC 控制程序的控制邏輯和執(zhí)行結(jié)果，組態(tài)運(yùn)行策略依據(jù)控制腳本程序?qū)崿F(xiàn)電梯監(jiān)控界面的動(dòng)畫顯示轎廂門打開關(guān)閉和轎廂的上下運(yùn)行。轎廂向上運(yùn)行的組態(tài)運(yùn)行策略的腳本程序?yàn)椋?/p>

IF M26(Move up)=1 THEN ElevaCab=ElevaCab+1

IF M27(Move Down)=1 THEN ElevaCab=ElevaCab-1

程序代碼表示，如果轎廂滿足向上運(yùn)行條件，則每經(jīng)過一個(gè)循環(huán)掃描周期，轎箱向上移動(dòng)1像素。

IF M22=1(Open Door)THEN door=door+1

IF M23=1(Close Door)THEN door=door-1

轎箱移動(dòng)的速度和轎廂門的打開快慢，可通過像素值和循環(huán)策略掃描周期來設(shè)定。

4.3 連接變量設(shè)計(jì)和組態(tài)界面下載

1)建立連接變量和數(shù)據(jù)通道定義

仿真監(jiān)控界面中對(duì)象圖形的動(dòng)畫運(yùn)行顯示是受不斷刷新其對(duì)象屬性的數(shù)據(jù)變量的動(dòng)態(tài)值所控制的，變量值通過PLC 控制程序運(yùn)行而改變，故數(shù)據(jù)變量為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本構(gòu)成元素。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是組態(tài)界面和可編程邏輯控制器程序運(yùn)行結(jié)果交換和數(shù)據(jù)處理中心，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程既為定義數(shù)據(jù)變量的過程[11]。同時(shí)組態(tài)界面中定義的變量要和PLC的中間變量和輸出變量建立對(duì)應(yīng)聯(lián)系，同時(shí)為了PLC 外接器件和組態(tài)界面都可以實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的控制，需建組態(tài)控制的中間變量和PLC 輸入口之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于PLC 程序?qū)崟r(shí)進(jìn)行處理。以內(nèi)選按鈕及登記顯示和層中信號(hào)變量定義為例，I/O和變量定義如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)變量定義和I/O分配表

2)組態(tài)界面下載

通過設(shè)備窗口，利用設(shè)備工具箱的設(shè)備管理添加可編程邏輯控制器型號(hào)，西門子Smart200。在設(shè)備編輯界面進(jìn)行IP 地址設(shè)置，界面中本地IP 地址為觸摸屏地址，遠(yuǎn)端IP地址為PLC地址，觸摸屏地址需和PLC地址在同一網(wǎng)段，如圖2所示。觸摸屏通過以太網(wǎng)連接到PC，PC上完成組態(tài)界面的編寫后進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境，選擇ICP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，目標(biāo)機(jī)名為觸摸屏IP地址，如圖3所示。下載配置完成后便可連機(jī)運(yùn)行，通訊測試和工程下載，從而完成組態(tài)界面下載。

圖2 設(shè)備窗口配置界面

圖3 下載窗口配置界面

5 設(shè)計(jì)可編程邏輯控制器控制程序

電梯控制系統(tǒng)反映了可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用，又帶有典型的順序、邏輯控制等多種特征，故以電梯控制系統(tǒng)做實(shí)踐教學(xué)具有代表性，適合各高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽培訓(xùn)等。

文中以內(nèi)選按鈕登記及響應(yīng)程序?yàn)槔齺黻U述電梯控制程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)乘客進(jìn)入轎廂后，根據(jù)乘客欲前往的目的樓層，由乘客或司機(jī)按下轎廂內(nèi)的選層按鈕，便完成了內(nèi)選登記，并點(diǎn)亮內(nèi)選按鈕登記指示燈，電梯控制程序控制電梯運(yùn)行到達(dá)乘客的目的層，便完成登記的響應(yīng)，同時(shí)內(nèi)選登記得到滿足時(shí)應(yīng)能自動(dòng)取消。主要應(yīng)用自鎖原理，將呼梯信號(hào)登記保持，直到電梯到達(dá)目的層，觸發(fā)平層行層開關(guān)斷開登記保持，清除登記信號(hào)[12]，完成內(nèi)選的登記和響應(yīng)。同時(shí)為了便于程序?qū)崿F(xiàn)和功能集中調(diào)試，把內(nèi)選功能封裝在子程序中實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 內(nèi)選登記控制程序

電梯的上行控制，假設(shè)電梯在一樓，則二樓到六層的內(nèi)選，和二層到五層的上下呼和六層的下呼都應(yīng)能控制電梯上行，同時(shí)電梯運(yùn)行到任何一層，都會(huì)取消該層以下的內(nèi)選和該層呼叫信號(hào)。電梯需先完成上行的所有響應(yīng)，電梯才可以去響應(yīng)下行登記申請(qǐng)。本段程序?qū)崿F(xiàn)電梯控制的定向運(yùn)行功能。電梯下行控制實(shí)現(xiàn)思想與上層控制控制相似，同時(shí)利用互鎖實(shí)現(xiàn)電梯不能同時(shí)上下行[13]，如圖5所示。

圖5 電梯上下行控制程序

6 結(jié)束語

基于MCGS的PLC仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，借助MCGS組態(tài)軟件生成仿真控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)組態(tài)界面仿真監(jiān)控PLC 控制程序所控制的控制對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以仿真界面動(dòng)畫代替實(shí)物模型，這一教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不但節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，又具有安全性，且不需過多的維護(hù)，即可以實(shí)現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)的仿真，還可以在借助仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)自由編制多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，來豐富實(shí)踐教學(xué)。智能與電子工程學(xué)院電子信息工程系和智能與科學(xué)技術(shù)系共10個(gè)教學(xué)班，通過該仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開展三級(jí)項(xiàng)目實(shí)踐，培養(yǎng)了學(xué)生綜合設(shè)計(jì)開發(fā)能力。同時(shí)控制對(duì)象的動(dòng)畫運(yùn)行控制顯示，便于調(diào)試自己實(shí)現(xiàn)程序和驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)想法，也有效的提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)樂趣，加深了學(xué)生對(duì)課程的理解，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，提高了實(shí)踐教學(xué)的效果。