基于MCGS的S7-1200 PLC仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計

摘要：傳統(tǒng)的PLC實驗設(shè)備體積大、價格高、臺套數(shù)受限，針對此問題，提出了基于MCGS組態(tài)軟件的S7-1200 PLC仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計方案。在組態(tài)軟件中創(chuàng)建虛擬的被控對象，以直觀生動的組態(tài)畫面顯示控制過程，能夠快速判斷PLC控制程序是否正確。以液壓滑臺控制為例，闡述了PLC仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)過程，實驗結(jié)果表明，仿真實驗系統(tǒng)能夠形象直觀地反映被控過程，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：MCGS；PLC；仿真；實驗系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0018-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.005

0? ? 引言

隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和智能制造戰(zhàn)略的實施，PLC技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，PLC的應(yīng)用能力培養(yǎng)也逐漸受到了自動化相關(guān)專業(yè)的重視，因此PLC實驗教學(xué)在PLC教學(xué)中的地位顯得尤為重要。在PLC的教學(xué)過程中，經(jīng)常會采用一些典型控制案例進行講解，如機械手、水塔供水、滑臺鉆床、灌裝生產(chǎn)線等設(shè)備和過程的控制。這些被控對象體積大、價格昂貴、維修困難，在實驗室搭建實物對象困難較大，也無法保證臺套數(shù)[1]。傳統(tǒng)PLC實驗教學(xué)是利用開關(guān)、按鈕等的接通和關(guān)斷來手動模擬被控對象工作狀態(tài)的變化，通過LED的亮滅指示輸出量的變化情況，以此來完成教學(xué)任務(wù)。但該實驗方法直觀性差，在模擬工作狀態(tài)過程中容易產(chǎn)生失誤，影響實驗效果，不能滿足實驗教學(xué)的需要[2-3]。為解決上述問題，本文利用MCGS設(shè)計了西門子S7-1200 PLC的仿真實驗系統(tǒng)，通過組態(tài)軟件模擬被控對象的實際運行過程，PLC控制程序與組態(tài)軟件進行數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)對被控對象的控制，程序執(zhí)行結(jié)果直接動態(tài)顯示在組態(tài)畫面上，整個過程直觀生動。

1? ? MCGS簡介

MCGS（Monitor and Control Generated System）是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司開發(fā)的基于Windows平臺，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。本文所設(shè)計的S7-1200 PLC仿真實驗系統(tǒng)采用MCGS嵌入版組態(tài)軟件進行開發(fā)。MCGS嵌入版組態(tài)軟件是昆侖通態(tài)公司專門為其觸摸屏產(chǎn)品MCGS TPC開發(fā)的組態(tài)軟件。MCGS嵌入版組態(tài)軟件與MCGS觸摸屏結(jié)合，可以快速方便地開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。MCGS嵌入版有兩個環(huán)境，分別是組態(tài)環(huán)境和模擬運行環(huán)境。組態(tài)環(huán)境功能用來設(shè)計及構(gòu)造監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)；模擬運行環(huán)境的使用解決了用戶組態(tài)時必須將PC機和觸摸屏相連的問題，用戶在模擬運行環(huán)境中就可以查看組態(tài)界面的美觀性、功能的實現(xiàn)情況以及性能的合理性。

2? ? 基于MCGS的S7-1200 PLC仿真實驗系統(tǒng)組成

該仿真實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，PC機、S7-1200 PLC和MCGS觸摸屏通過以太網(wǎng)線經(jīng)交換機相連接。PC機上安裝有MCGS嵌入版組態(tài)軟件和西門子博途軟件，主要負責(zé)PLC程序的編寫和組態(tài)畫面的設(shè)計，編寫好的PLC程序和組態(tài)畫面可以通過以太網(wǎng)分別下載到PLC和觸摸屏中。S7-1200 PLC的IP地址設(shè)置為192.168.0.1；MCGS觸摸屏選用具有以太網(wǎng)口的TPC 7602Ti，其IP地址為192.168.0.100。觸摸屏和PLC在同一網(wǎng)段，實驗教學(xué)時兩者可進行數(shù)據(jù)通信，通過PLC程序控制仿真實驗系統(tǒng)，實驗的運行結(jié)果實時直觀地在觸摸屏上顯示。

3? ? 仿真實驗設(shè)計實例

本文以液壓滑臺控制實驗為例，闡述仿真實驗系統(tǒng)的具體設(shè)計過程。

3.1? ? 液壓滑臺控制系統(tǒng)設(shè)計要求

當液壓滑臺在原點位置SQ1時，按下啟動按鈕SB1后按如下順序工作：滑臺快進→至SQ2后滑臺工進→到達SQ3滑臺停留2 s→2 s后滑臺快退→返回至SQ1停止。若滑臺不在原點位置，則按下快退按鈕SB2可使滑臺返回原點位置。液壓滑臺的運動是通過3個電磁閥的接通和關(guān)斷來控制的，僅YV1接通時，滑臺快進；YV1和YV2同時接通時，滑臺工進；僅YV3接通時，滑臺快退。按下停止按鈕SB3可以使3個電磁閥全部關(guān)斷，滑臺停止。

3.2? ? 設(shè)計組態(tài)畫面

在MCGS組態(tài)軟件上建立一個新的工程項目，在設(shè)備管理中為項目添加所使用的西門子S7-1200 PLC，在設(shè)備編輯窗口中設(shè)置本地IP地址為192.168.0.100，設(shè)置遠端IP地址為192.168.0.1。設(shè)備添加好后為項目創(chuàng)建用戶窗口，本項目一共需要兩個用戶窗口：主窗口和報警窗口。主窗口負責(zé)實現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)，報警窗口用來顯示報警信息。下面主要介紹主窗口的畫面組態(tài)，依據(jù)液壓滑臺控制要求設(shè)計的主窗口組態(tài)畫面如圖2所示。

圖2中，采用矩形塊作為液壓滑臺，利用水管圖案作為滑臺軌道；3個行程開關(guān)使用指示燈控件實現(xiàn)，紅色表示滑臺不在該位置，綠色表示滑臺正處于該位置；3個電磁閥同樣采用指示燈進行監(jiān)控，綠色表示電磁閥接通，紅色表示電磁閥關(guān)斷。畫面中還按照實驗要求添加了3個按鈕：啟動、停止、快退。除此之外，還專門設(shè)計了一個系統(tǒng)復(fù)位按鈕，利用該按鈕可以將實驗系統(tǒng)快速還原為初始狀態(tài)。

3.3? ? 建立變量和關(guān)聯(lián)通道

為了使畫面構(gòu)件能夠和PLC完成數(shù)據(jù)交互，需要在MCGS的實時數(shù)據(jù)庫中建立相關(guān)的變量[4]。一方面，這些變量與PLC的相關(guān)通道進行連接，PLC通道建立以及與MCGS變量的連接在設(shè)備編輯窗口中完成；另一方面，MCGS變量還可以通過組態(tài)設(shè)置和腳本程序編寫同窗口的畫面構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。液壓滑臺控制仿真實驗系統(tǒng)的變量表如表1所示，其中，Pos變量用于控制滑臺矩形塊水平移動，和滑臺矩形塊的水平移動屬性相關(guān)聯(lián)，Pos的范圍設(shè)置在-20～600；AMsg變量為報警信息文本，在報警窗口中使用。

3.4? ? 滑臺動畫和行程開關(guān)信息刷新

當PLC控制程序驅(qū)動3個電磁閥時，在仿真實驗系統(tǒng)中的滑臺矩形塊應(yīng)根據(jù)電磁閥的狀態(tài)進行快進、工進、快退等動畫演示，同時根據(jù)滑臺矩形塊的位置變量Pos的大小決定3個行程開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3的狀態(tài)，行程開關(guān)通過數(shù)據(jù)交互傳遞給PLC控制程序，從而起到仿真被控對象實際動作過程的目的。要實現(xiàn)這一目的，腳本程序的編寫是必不可少的[5]。腳本程序在MCGS的循環(huán)策略中編寫，循環(huán)時間設(shè)置為100 ms。循環(huán)策略腳本程序如下：

IF YV1 = 1 AND YV2 = 0 AND YV3 = 0 THEN Pos = Pos +4

IF YV1 = 1 AND YV2 = 1 AND YV3 = 0 THEN Pos = Pos +2

IF YV1 = 0 AND YV2 = 0 AND YV3 = 1 THEN Pos = Pos -4

IF Pos >= -5 AND Pos <= 5 THEN

SQ1 = 1

ELSE

SQ1 = 0

ENDIF

IF Pos >= 280 AND Pos <= 290 THEN

SQ2 = 1

ELSE

SQ2 = 0

ENDIF

IF Pos >= 448 AND Pos <= 452 THEN

SQ3 = 1

ELSE

SQ3 = 0

ENDIF

IF Pos <= -10 THEN AMsg = "滑臺位置已超左限??！"

IF Pos >= 550 THEN AMsg = "滑臺位置已超右限！！"

IF Pos<=-10 OR Pos>=550 THEN 用戶窗口.報警窗口.Open（ ）

腳本程序一開始通過IF語句判斷電磁閥的狀態(tài)，滿足快進條件時，滑臺矩形塊的位置增加4，即每100 ms移動4個像素，從而形成滑臺快速向右移動的動畫效果；滿足工進狀態(tài)時，滑臺矩形塊的位置增加2，即每100 ms移動2個像素，從而形成滑臺慢速向右移動的動畫效果；快退的實現(xiàn)過程類似。接下來的程序是通過滑臺位置Pos來刷新行程開關(guān)的狀態(tài)，當Pos值在-5～5時，SQ1變量為1，表示滑臺到達原點，否則為0；其他行程開關(guān)的判斷方法類似。如果PLC控制程序沒有編寫正確，導(dǎo)致滑臺一直向右運行，當Pos值超出550時，認為滑臺到達右限位，此時彈出報警窗口并顯示“滑臺位置已超右限！！”的報警信息；超出左限的處理過程類似。

3.5? ? 系統(tǒng)復(fù)位功能

在使用液壓滑臺實驗系統(tǒng)進行實驗教學(xué)時，會遇到因程序編寫的原因造成系統(tǒng)并未按照預(yù)計方式動作或在運行過程中按下了停止鍵的情況，這時整個系統(tǒng)會隨機停止在某個工作狀態(tài)，此時只要按下系統(tǒng)復(fù)位按鈕，就可以使系統(tǒng)瞬時回到初始狀態(tài)，方便進行下一次調(diào)試。系統(tǒng)的復(fù)位功能是通過對畫面中復(fù)位按鈕編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)的。復(fù)位按鈕的按下腳本程序如下：

YV1 = 0; YV2 = 0; YV3 = 0; Pos = 0

按下復(fù)位按鈕后，3個電磁閥的值均復(fù)位為0，同時Pos變量被賦值為0，滑臺矩形塊回到原點，在下一個循環(huán)策略執(zhí)行過后，3個行程開關(guān)值分別為SQ1=1、SQ2=0、SQ3=0，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

3.6? ? 仿真實驗系統(tǒng)的運行調(diào)試

打開MCGS軟件，點擊“工具”→“下載配置”，將組態(tài)好的項目文件下載到觸摸屏后啟動運行，此時的觸摸屏畫面就相當于一個虛擬的液壓滑臺實驗系統(tǒng)。在西門子的博途軟件中進行PLC控制程序的編寫，注意PLC程序中的變量應(yīng)與預(yù)先約定的通道一致，即按照表1來定義PLC的變量，將編寫好的PLC控制程序下載到S7-1200 PLC中。點擊觸摸屏上的啟動按鈕，就能觀察到液壓滑臺能夠按照設(shè)計要求進行運行，3個電磁閥和3個行程開關(guān)也均能實時更新通斷狀態(tài)，如果所編寫的程序不能正確運行，可以很直觀地從運行過程中找出程序存在的問題，及時進行修改。

4? ? 結(jié)論

基于MCGS的S7-1200 PLC仿真實驗系統(tǒng)能夠形象直觀地反映PLC控制程序的控制效果，有助于快速判斷PLC控制程序編寫是否正確。仿真實驗系統(tǒng)解決了PLC實驗教學(xué)中設(shè)備缺乏、可操作性差、臺套數(shù)受限等問題，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教師教學(xué)質(zhì)量。

[參考文獻]

[1] 周美蘭，張宇，吳曉剛，等.基于西門子PLC虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計[J].高師理科學(xué)刊，2022，42（5）：90-94.

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[5] 宋珂，羅婕，楊林豐，等.基于MCGS和PLC的仿真實驗教學(xué)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2019，32（3）：21-23.

收稿日期：2023-02-22

作者簡介：李國柱（1976—），男，山西長治人，碩士，副教授，研究方向：電氣控制。