1 引言
PLC广泛应用于工业自动化控制领域,具有使用方便、编程简单、可靠性高、稳定性强的特点。因此, PLC技术及应用课程一直是高等院校自动化专业的一门专业核心课程。而作为一种应用性非常强的技术,课程的实践是非常重要的部分。传统的实践教学采用的是实验箱或实验台,但其实质都一样,即用指示灯模拟被控对象的动作,实验者根据指示灯的变化判断系统执行的正确与否。这样的实验现象单调,没有直观的感觉,学生兴趣低,导致实践效果差。但如果采用实际对象的模型进行调试,不仅建设困难,也将大大增加实验实训设备的成本,也由于硬件对象固定,难以开设出具有灵活性、创新性和综合性的现代特色实验。
如果考虑使用软件构件一个PLC的实验实训平台,使之能动态仿真PLC控制对象的动作,则能大大提高设备的利用率,灵活有效地开发更多的实验项目,同时达到综合运用自动控制设备及软件的目的,并能提高学生的学习兴趣,提高教学效果,丰富学生的工程经验。
2 MCGS组态软件
2.1 软件介绍
MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows 平台的,用于快速构造和生成桌面计算机PLC可视化界面监控系统的组态软件系统,可运行于Microsoft Windows95以上的操作系统。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件,具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点,为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案,是目前国内比较优秀的过程控制系统监控软件。它能满足图形显示、参数设置、故障诊断、报警分析、技术统计、历史趋势分析等各种需求,还可对运行流程作动画模拟,使显示更直观,操作更容易。
MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立,又紧密相关。
2.2 MCGS组态软件组成
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行
策略五部分构成,每一部分分别进行组态操作,完成不同的工作,具有不同的特性。
主控窗口:是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口,负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括:定义工程的名称,编制工程菜单,设计封面图形,确定自动启动的窗口,设定动画刷新周期,指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
设备窗口:是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备,注册设备驱动程序,定义连接与驱动设备用的数据变量。
用户窗口:本窗口主要用于设置工程中的人机交互界面,诸如:生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。
实时数据库:是工程各个部分的数据交换与处理中心,它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量,作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略:本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序(if…then脚本程序),选用各种功能构件,如:数据提取、定时器、配方操作、多媒体输出等。
3 PLC仿真实训系统硬件的构建
系统由计算机构成的上位机代替原来的控制对象模拟指示灯系统,PLC作为下位机完成控制功能。在计算机上编写程序,根据PLC控制程序要求在电脑上显示控制对象的动作。上位机MCGS组态软件通过计算机的RS232接口与PLC之间进行通讯,通过建立通道,监控PLC相关器件的动作,并传输到组态软件,从而作出相关的反应,例如电机的旋转,电机运行,控制对象的移动,灯光指示,电压、电流等模拟量值的显示。很显然,由此构成的系统,不仅能完成原实验箱或试验台的功能,而且更直观,功能更丰富。系统构成如图2所示。
4 仿真实训系统软件设计
软件设计的流程是根据系统要求,开发相应的监控界面,设置数据变量,编写程序,设置硬件驱动并进行通道连接。由此可以根据需求完成多个PLC控制系统的模拟仿真界面的开发。下面以常用的送料小车自动往返PLC控制系统为例介绍其开发过程。
4.1 自动送料小车PLC控制要求
送料小车在A、B两地之间往返:
(1) 在任意一点,小车能正向或反向起动运行;
(2) 在任意一点,小车能停止;
(3) 工作过程为:小车原位为A点,按下起动按钮,小车从A点运行至B点,压下行程开关SQ1,小车停止,料斗门打开给小车加料;经过5S后关闭料斗门,小车后退返回至A点,压下SQ2,打开小车底门卸料。5S后结束完成一个周期并循环。
4.2 MCGS仿真画面构建
根据小车动作要求,在工程中建立小车运行监控界面。可以使用MCGS元件库中自带的指示灯、小车、按钮等元件虚拟送料小车、启停按钮和限位开关,用画图工具创建两端的限位开关。为了更直观,再两端加上延时计时指示。虚拟界面如图3所示。
4.3 变量定义和分配
根据PLC控制系统的编程元件定义对应的MCGS数据库对象,小车控制系统实时数据库对象如图4。
4.4 动画组态
动画组态是将界面上的构件与对应的数据变量相连接,并设置一定的关系,使对应的变量值发生变化时,该构件的颜色、大小或位置等发生变化,以模拟实际对象的现场动作。以下是小车前进的动画设置。
当小车前进,水平移动量连续发生变化时,画面上显示的效果是小车匀速前进。
4.5 设备驱动
进行设备驱动设置的目的是将组态工程中的数据变量与实际的PLC设备的编程变量名称对应连接起来,这样,当上位机或PLC内部的器件数据或状态发生改变时,另一方也随之变化。并根据PLC程序达到控制的目的。
设备驱动的设置:在设备窗口中选择串口通讯父设备为选定与设备相匹配的设备构件,并进行属性的设置。选定西门子S7-200PPI为通讯子设备,进行属性设置,父设备与西门子子设备的属性设置如图6。
因为输入继电器只能读,不能写,所以设置了读写通道M0~M3,对应X1~X4。在PLC程序中对于所有起接通作用的输入继电器应并联相应的辅助继电器,对于起断开作用的输入继电器必须串联相应的辅助继电器。
4.6 策略组态
为了使控制系统运行时,工程界面上的小车能模拟实际小车的运行,不需编写运行脚本。脚本的编写在策略中完成。策略也可以实现不同窗口的打开、关闭,报警信息的浏览等功能。以下是送料小车自动往返控制系统的部分脚本,主要功能是实现小车的前进、后退及两端停止。
IF 前进=1 THEN
水平移动量=水平移动量+1
ENDIF
IF 右限位=1 THEN
前进=0
水平移动量=水平移动量
ENDIF
IF 后退=1 THEN
水平移动量=水平移动量-1
ENDIF
IF 左限位=1 THEN
后退=0
水平移动量=水平移动量
ENDIF
4.7 PLC控制程序设计
小车自动往返控制系统的程序编写比较简单,可以用梯形图编写,也可以采用顺序控制功能图设计,在此以梯形图设计。程序设计时编程变量必须与设备驱动中子设备连接通道相对应,这样当PLC程序执行使某些量发生变化时,能通过通道传递给组态工程,使对应的实时数据库变量发生变化,反应在工程界面上即是按钮、指示灯的变化或小车的移动。
将程序下载至PLC后,根据系统要求,操作启动、停止按钮,左、右限位开关,即可在MCGS运行界面上看到小车的运行及限位开关的动作,在界面上设置的定时器可显示定时时间和定时状态。同样在MCGS界面上除了监视系统运行状态外,也可以通过设置的按钮开关进行控制。
5 结束语
MCGS是一款实用的通用软件,在工业监控中使用非常普遍。使用MCGS组态软件,可以很方便地开发机械手控制系统、交通灯控制系统等其它PLC虚拟仿真实训系统,开发的虚拟仿真系统不仅能直观形象地表现控制系统的动作,提高学生学习的兴趣和学习效果,更能有效地解决各院校实训设备建设资金投入大,设备升级困难的问题。
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作者简介:刘小春(1973—), 女,副教授,工程硕士,从事自动控制教学与研究。