基于S7-1200PLC與NetToPLCsim的交通燈控制系統(tǒng)虛擬仿真調(diào)試

俞宗薏，范然然，劉正坤

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545005）

0 引言

PLC（Programmable Logic Controller）控制器在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中有較為廣泛的應(yīng)用，在交通運輸控制方面的應(yīng)用多是基于單片機技術(shù)開發(fā)的[1]。但是單片機開發(fā)周期長，后期維護(hù)困難大等是有諸多不利因素的。PLC控制系統(tǒng)開發(fā)周期短，維護(hù)成本較低，后期升級便捷等優(yōu)勢具有較高的使用前景而優(yōu)于單片機控制系統(tǒng)[2]。西門子S7-1200系列PLC是目前各大企業(yè)工業(yè)自動化領(lǐng)域使用頻率較高的控制器，其憑借性能穩(wěn)定，編程便捷等優(yōu)勢應(yīng)用范圍非常廣泛，但是由于近期國內(nèi)外芯片緊缺，造成PLC價格水漲船高，對于工程技術(shù)人員前期設(shè)備功能開發(fā)形成較大阻礙[3]。另外，目前國內(nèi)很多企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，選用S7-1200與MCGS（Monitor and Control Generated System）觸摸屏組成控制系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。S7-1200系列PLC使用博圖軟件進(jìn)行編程開發(fā)，MCGS系列觸摸屏使用MCGS嵌入版軟件進(jìn)行人機操作界面開發(fā)，二者皆可以獨立地在自己的仿真軟件中進(jìn)行虛擬調(diào)試[4]。但是如何在沒有PLC硬件和觸摸屏的硬件情況下，將二者進(jìn)行耦合虛擬調(diào)試是目前工程領(lǐng)域和專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域急需解決的問題。

本案例以交通燈控制系統(tǒng)為載體，采用S7-1200系列PLC編程軟件TIA15.1進(jìn)行交通燈控制程序的設(shè)計與編寫，在MCGS嵌入版軟件中建立交通燈控制與監(jiān)控畫面，借助于NetToPLCsim通信工具，實現(xiàn)在沒有PLC硬件與觸摸屏硬件的情況下進(jìn)行S7-1200系列PLC控制程序與MCGS監(jiān)控畫面的耦合虛擬仿真調(diào)試設(shè)計，進(jìn)而為在沒有PLC實物與MCGS觸摸屏實物的情況下的工程項目開發(fā)，以及專業(yè)教學(xué)實踐提供可靠的技術(shù)解決途徑與參考方法。在工程技術(shù)領(lǐng)域，可以在設(shè)備開發(fā)前期驗證程序與觸摸屏畫面的準(zhǔn)確性并能縮短開發(fā)周期，在專業(yè)教學(xué)領(lǐng)域可以實現(xiàn)無須購置價格昂貴的工業(yè)自動化控制產(chǎn)品，又能達(dá)到較好的實踐教學(xué)效果。

1 交通燈控制系統(tǒng)

根據(jù)目前國內(nèi)十字路口交通燈的控制現(xiàn)狀，設(shè)計了本案例中的交通燈控制系統(tǒng)要求為：分別設(shè)置一個啟動按鈕、停止按鈕、強制按鈕以及循環(huán)選擇開關(guān)。當(dāng)按下啟動按鈕之后，交通燈控制系統(tǒng)開始工作，首先是南北方向紅燈亮、東西方向綠燈亮；運行25s后東西方向綠燈滅，東西方向黃燈以亮0.5s滅0.5s進(jìn)行閃爍5次；5s后東西方向黃燈滅、南北方向紅燈滅、東西方向紅燈亮、南北方向綠燈亮；運行25s后南北方向綠燈滅，南北方向黃燈以亮0.5s滅0.5s進(jìn)行閃爍5次；5s后南北方向黃燈滅、東西方向紅燈滅，此時記為一個循環(huán)周期時間，如此循環(huán)運行。按下停止按鈕后，信號控制系統(tǒng)停止，所有信號燈滅。按下強制按鈕，東西南北方向黃、綠燈均滅，同時紅燈亮。循環(huán)選擇開關(guān)可以用來設(shè)定系統(tǒng)單次運行（一個循環(huán)周期時間）或者連續(xù)循環(huán)運行。交通燈系統(tǒng)運行時序圖如圖1所示。

圖1 交通燈控制系統(tǒng)時序圖Fig.1 Timing diagram of traffic light control system

2 系統(tǒng)程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，綜合考慮系統(tǒng)的功能運行和穩(wěn)定性，選用西門子S7-1200中的CPU1214CDC/DC/DC型號的PLC，其板載DI14×24VDC漏型/源型DQ10×24VDC，滿足編程的需要，同時該PLC還支持PROFINET接口，用于編程、HMI以及PLC間數(shù)據(jù)通信。本案例是使用觸摸屏聯(lián)合PLC進(jìn)行仿真運行，針對于輸入控制信號例如啟動、停止等均使用PLC內(nèi)部中間繼電器M來規(guī)劃地址，系統(tǒng)的輸入輸出變量表見表1。按照上述設(shè)計方案，主要設(shè)計流程有以下幾點：分配PLC內(nèi)I/O點，對PLC組態(tài)以及編程調(diào)試，MCGS觸摸屏對PLC數(shù)據(jù)的監(jiān)視與控制界面的繪制等。

表1 輸入輸出變量表Table 1 Input and output variables table

交通燈控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計開發(fā)平臺，選用Siemens系列PLC的專屬開發(fā)平臺TIA PROTALV15.1（博途）軟件進(jìn)行交通燈控制系統(tǒng)的PLC程序編寫。TIA PROTAL軟件界面操作簡單，學(xué)習(xí)起來容易上手。此外，其集成有STEP7和PLCSIM仿真功能，可以在不連接PLC的情況下，借助PLCSIM仿真功能對編寫好的PLC程序進(jìn)行下載和調(diào)試運行。

交通燈控制系統(tǒng)中需要有循環(huán)選擇開關(guān)，可以用來設(shè)定系統(tǒng)單次運行或者連續(xù)循環(huán)運行。此功能需要在MCGS觸摸屏上實現(xiàn)轉(zhuǎn)換開關(guān)控制效果，因此通過編程設(shè)計了以下的PLC控制程序，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)啟動狀態(tài)下，通過循環(huán)選擇M0.3的控制實現(xiàn)單次運行（一個60s內(nèi)的計時周期）和連續(xù)循環(huán)運行。首先，是單擊M0.0“啟動”后，將“1”傳送到MW10“時間循環(huán)步”中去，同時前序程序置位了M1.0作為啟動的標(biāo)記，此功能可以保證后續(xù)的程序運行都是在啟動功能下進(jìn)行的。當(dāng)MW10中的結(jié)果為“1”時，利用比較等于指令實現(xiàn)“60s”的周期及時功能，同時為了做到在HMI上監(jiān)控剩余時間，建立全局背景數(shù)據(jù)塊DB6，將“T0”剩余計時時間存放到DB6.DBD0中去，“T0”計時時間到則記為一個周期循環(huán)，用M20.0來寄存。滿足本次周期計時時間后將“2”傳送到MW10中，則程序繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)MW10為2的比較等于指令所在的程序段，此時如若在HMI中選擇循環(huán)選擇置位1，則繼續(xù)將“1”傳送到MW10中并且復(fù)位掉“周期計時標(biāo)記”，M20.0從而實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)運行；如若在HMI中選擇循環(huán)置位0，則無法繼續(xù)將“1”傳送到MW10中從而無法進(jìn)行連續(xù)循環(huán)運行，可以實現(xiàn)系統(tǒng)單次運行。梯形圖程序如圖2所示。

圖2 交通燈控制系統(tǒng)PLC循環(huán)選擇控制程序Fig.2 PLC loop selection control program for traffic light control system

3 MCGS組態(tài)設(shè)計與仿真

MCGS觸摸屏界面繪制軟件MCGS嵌入版可以進(jìn)行HMI畫面的組態(tài)且具備MCGSE模擬運行環(huán)境的仿真功能，但是其仿真僅僅仿真MCGS內(nèi)部的變量間的關(guān)系，而針對于PLC中的變量的監(jiān)控和仿真是無法直接與TIA PROTALV15.1軟件進(jìn)行關(guān)聯(lián)的。因此，需要借助于NetToPLCsim軟件進(jìn)行MCGS組態(tài)環(huán)境與TIA PROTALV15.1軟件的聯(lián)合仿真運行。NetToPLCsim使用運行模擬的PC（個人電腦）的網(wǎng)絡(luò)接口，通過TCP/IP（Iso-On-TCP）通信從網(wǎng)絡(luò)訪問PLC Simulation S7 PLCSIM。它對于測試客戶端應(yīng)用程序（SCADA、HMI等）以及S7 PLCSIM非常有用，而無需真正的PLC[5]。如圖3系統(tǒng)仿真構(gòu)架所示。

圖3 系統(tǒng)仿真構(gòu)架Fig.3 System simulation architecture

3.1 HMI組態(tài)設(shè)計

設(shè)備窗口是MCGS嵌入版系統(tǒng)與作為測控對象的外部設(shè)備建立聯(lián)系的后臺作業(yè)環(huán)境，負(fù)責(zé)驅(qū)動外部設(shè)備，控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)通過設(shè)備與數(shù)據(jù)之間的通道，把外部設(shè)備的運行數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，送入實時數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)其它部分調(diào)用，并且把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備，實現(xiàn)對外部設(shè)備的操作與控制。進(jìn)入設(shè)備窗口，從設(shè)備構(gòu)件工具箱里選擇Siemens-1200，配置到窗口內(nèi)，建立接口與通道的連接關(guān)系，設(shè)置本地IP地址與遠(yuǎn)端IP地址均為PC機的IP地址192.168.0.15，這樣才可以保證MCGS嵌入版系統(tǒng)仿真運行時與NetToPLCsim進(jìn)行匹配。因為MCGS嵌入版仿真運行時是將組態(tài)好的畫面下載到了虛擬機中，而虛擬機就是PC機，并且NetToPLCsim中的Network IP Address也是PC機的IP地址，是將PLC地址為192.168.0.1中的變量映射到了PC機中。所以，本地IP地址、遠(yuǎn)端IP地址與NetToPLCsim中的Network IP Address應(yīng)保持一致。如圖4（a）所示為MCGS設(shè)備窗口參數(shù)設(shè)置，本地IP地址用來設(shè)置觸摸屏下載到虛擬機的地址，此處設(shè)定為電腦的IP地址；遠(yuǎn)端IP地址，用于觸摸屏監(jiān)控和控制的PLC的IP地址。本案例是借助于NetToPLCsim建立了MCGS與S7-PLCSIM的連接，而NetToPLCsim將S7-PLCSIM內(nèi)的變量均映射到了電腦內(nèi)部，故此處設(shè)置為電腦的IP地址。圖4（b）為NetToPLCsim中的參數(shù)設(shè)定，Network IP Address是電腦網(wǎng)卡的IP地址，Plcsim IP Address是S7-PLCSIM中仿真PLC的IP地址。完成設(shè)備窗口的組態(tài)工作后就可以繪制編寫用戶窗口畫面。

圖4（a） MCGS設(shè)備窗口參數(shù)設(shè)置Fig.4(a) MCGS Device window parameter settings

圖4（b） NetToPLCsim窗口參數(shù)設(shè)置Fig.4(b) NetToPLCsim Window parameter settings

交通燈控制與監(jiān)控畫面如圖5所示，畫面分為監(jiān)控區(qū)域和操作區(qū)域。監(jiān)控區(qū)域主要是南北方向和東西方向的12個紅綠燈的監(jiān)控顯示，操作區(qū)域主要是按照控制要求設(shè)置了啟動、停止、強制、循環(huán)選擇以及周期運行時間顯示等功能。

圖5 MCGS中交通燈控制與監(jiān)控畫面Fig.5 Traffic light control and monitoring screen in MCGS

3.2 虛擬仿真結(jié)果

首選，在TIA15.1中啟動S7-PLCSIM仿真功能，將連接機制選擇為允許來自遠(yuǎn)程對象的PUTIGET通信訪問的PLC硬件組態(tài)和程序下載到仿真器S7-PLCSIM中去，啟動仿真器的運行；然后，打開NetToPLCsim按照圖4的要求設(shè)置好運行參數(shù)并啟動運行；最后，將MCGS中設(shè)計好的畫面下載到MCGS模擬運行器中，這樣TIA15.1、S7-PLCSIM以及MCGS模擬運行器中的畫面三者之間就建立起來了仿真關(guān)系。按下觸摸屏中的啟動按鈕，系統(tǒng)開始按照程序控制運行，PLC中的程序運行和觸摸屏中的數(shù)據(jù)運行實時同步進(jìn)行。各個方向指示燈可以按照程序控制要求依次點亮或者閃爍，同時系統(tǒng)的周期運行時間也實時地顯示在了觸摸屏上，并且與PLC運行程序中“T0”的計時時間是一樣的。仿真效果較好，與實際觸摸屏監(jiān)控與控制PLC程序運行效果一致。

圖6 交通燈控制系統(tǒng)虛擬仿真運行Fig.6 Virtual simulation operation of traffic light control system

4 總結(jié)

以交通燈控制系統(tǒng)為設(shè)計案例，在TIA15.1中對系統(tǒng)控制器S7-1200PLC進(jìn)行設(shè)計編程，實現(xiàn)對交通燈控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行控制，使用NetToPLCsim軟件將PLC控制系統(tǒng)與HMI系統(tǒng)畫面鏈接在一起，實現(xiàn)在沒有工業(yè)控制PLC與觸摸屏的情況下對交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行運行調(diào)試的功能。觸摸屏運行結(jié)果顯示系統(tǒng)運行可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)真實觸摸屏監(jiān)控PLC程序的功能，數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定精準(zhǔn)。本方法在TIA15.1與MCGS聯(lián)合開發(fā)控制系統(tǒng)的早期可以進(jìn)行較為真實和詳盡的系統(tǒng)運行與仿真調(diào)試，為整個工業(yè)控制系統(tǒng)的調(diào)試提供了可靠的保障。在沒有工控設(shè)備的前提下，為工控系統(tǒng)開發(fā)提供了重要的參考依據(jù)，同時也為各大高校實訓(xùn)設(shè)備不足的情況下開展PLC相關(guān)教學(xué)課程提供了重要的技術(shù)支持。