基于MCGS的S7-1200 PLC仿真实验系统设计

摘要：传统的PLC实验设备体积大、价格高、台套数受限，针对此问题，提出了基于MCGS组态软件的S7-1200 PLC仿真实验系统设计方案。在组态软件中创建虚拟的被控对象，以直观生动的组态画面显示控制过程，能够快速判断PLC控制程序是否正确。以液压滑台控制为例，阐述了PLC仿真实验系统的开发过程，实验结果表明，仿真实验系统能够形象直观地反映被控过程，能有效激发学生学习兴趣。

关键词：MCGS；PLC；仿真；实验系统

中图分类号：TP391.9  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0018-03

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

0    引言

随着自动化技术的不断发展和智能制造战略的实施，PLC技术的应用越来越广泛，PLC的应用能力培养也逐渐受到了自动化相关专业的重视，因此PLC实验教学在PLC教学中的地位显得尤为重要。在PLC的教学过程中，经常会采用一些典型控制案例进行讲解，如机械手、水塔供水、滑台钻床、灌装生产线等设备和过程的控制。这些被控对象体积大、价格昂贵、维修困难，在实验室搭建实物对象困难较大，也无法保证台套数[1]。传统PLC实验教学是利用开关、按钮等的接通和关断来手动模拟被控对象工作状态的变化，通过LED的亮灭指示输出量的变化情况，以此来完成教学任务。但该实验方法直观性差，在模拟工作状态过程中容易产生失误，影响实验效果，不能满足实验教学的需要[2-3]。为解决上述问题，本文利用MCGS设计了西门子S7-1200 PLC的仿真实验系统，通过组态软件模拟被控对象的实际运行过程，PLC控制程序与组态软件进行数据交互实现对被控对象的控制，程序执行结果直接动态显示在组态画面上，整个过程直观生动。

1    MCGS简介

MCGS（Monitor and Control Generated System）是由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。本文所设计的S7-1200 PLC仿真实验系统采用MCGS嵌入版组态软件进行开发。MCGS嵌入版组态软件是昆仑通态公司专门为其触摸屏产品MCGS TPC开发的组态软件。MCGS嵌入版组态软件与MCGS触摸屏结合，可以快速方便地开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。MCGS嵌入版有两个环境，分别是组态环境和模拟运行环境。组态环境功能用来设计及构造监控应用系统；模拟运行环境的使用解决了用户组態时必须将PC机和触摸屏相连的问题，用户在模拟运行环境中就可以查看组态界面的美观性、功能的实现情况以及性能的合理性。

2    基于MCGS的S7-1200 PLC仿真实验系统组成

该仿真实验系统的结构组成如图1所示，PC机、S7-1200 PLC和MCGS触摸屏通过以太网线经交换机相连接。PC机上安装有MCGS嵌入版组态软件和西门子博途软件，主要负责PLC程序的编写和组态画面的设计，编写好的PLC程序和组态画面可以通过以太网分别下载到PLC和触摸屏中。S7-1200 PLC的IP地址设置为192.168.0.1；MCGS触摸屏选用具有以太网口的TPC 7602Ti，其IP地址为192.168.0.100。触摸屏和PLC在同一网段，实验教学时两者可进行数据通信，通过PLC程序控制仿真实验系统，实验的运行结果实时直观地在触摸屏上显示。

3    仿真实验设计实例

本文以液压滑台控制实验为例，阐述仿真实验系统的具体设计过程。

3.1    液压滑台控制系统设计要求

当液压滑台在原点位置SQ1时，按下启动按钮SB1后按如下顺序工作：滑台快进→至SQ2后滑台工进→到达SQ3滑台停留2 s→2 s后滑台快退→返回至SQ1停止。若滑台不在原点位置，则按下快退按钮SB2可使滑台返回原点位置。液压滑台的运动是通过3个电磁阀的接通和关断来控制的，仅YV1接通时，滑台快进；YV1和YV2同时接通时，滑台工进；仅YV3接通时，滑台快退。按下停止按钮SB3可以使3个电磁阀全部关断，滑台停止。

3.2    设计组态画面

在MCGS组态软件上建立一个新的工程项目，在设备管理中为项目添加所使用的西门子S7-1200 PLC，在设备编辑窗口中设置本地IP地址为192.168.0.100，设置远端IP地址为192.168.0.1。设备添加好后为项目创建用户窗口，本项目一共需要两个用户窗口：主窗口和报警窗口。主窗口负责实现虚拟实验系统，报警窗口用来显示报警信息。下面主要介绍主窗口的画面组态，依据液压滑台控制要求设计的主窗口组态画面如图2所示。

图2中，采用矩形块作为液压滑台，利用水管图案作为滑台轨道；3个行程开关使用指示灯控件实现，红色表示滑台不在该位置，绿色表示滑台正处于该位置；3个电磁阀同样采用指示灯进行监控，绿色表示电磁阀接通，红色表示电磁阀关断。画面中还按照实验要求添加了3个按钮：启动、停止、快退。除此之外，还专门设计了一个系统复位按钮，利用该按钮可以将实验系统快速还原为初始状态。

3.3    建立变量和关联通道

为了使画面构件能够和PLC完成数据交互，需要在MCGS的实时数据库中建立相关的变量[4]。一方面，这些变量与PLC的相关通道进行连接，PLC通道建立以及与MCGS变量的连接在设备编辑窗口中完成；另一方面，MCGS变量还可以通过组态设置和脚本程序编写同窗口的画面构件相关联。液压滑台控制仿真实验系统的变量表如表1所示，其中，Pos变量用于控制滑台矩形块水平移动，和滑台矩形块的水平移动属性相关联，Pos的范围设置在-20～600；AMsg变量为报警信息文本，在报警窗口中使用。

3.4    滑台动画和行程开关信息刷新

当PLC控制程序驱动3个电磁阀时，在仿真实验系统中的滑台矩形块应根据电磁阀的状态进行快进、工进、快退等动画演示，同时根据滑台矩形块的位置变量Pos的大小决定3个行程开关SQ1、SQ2、SQ3的状态，行程开关通过数据交互传递给PLC控制程序，从而起到仿真被控对象实际动作过程的目的。要实现这一目的，脚本程序的编写是必不可少的[5]。脚本程序在MCGS的循环策略中编写，循环时间设置为100 ms。循环策略脚本程序如下：

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 = "滑台位置已超左限！！"

IF Pos >= 550 THEN AMsg = "滑台位置已超右限！！"

IF Pos<=-10 OR Pos>=550 THEN 用户窗口.报警窗口.Open（ ）

脚本程序一开始通过IF语句判断电磁阀的状态，满足快进条件时，滑台矩形块的位置增加4，即每100 ms移动4个像素，从而形成滑台快速向右移动的动画效果；满足工进状态时，滑台矩形块的位置增加2，即每100 ms移动2个像素，从而形成滑台慢速向右移动的动画效果；快退的实现过程类似。接下来的程序是通过滑台位置Pos来刷新行程开关的状态，当Pos值在-5～5时，SQ1变量为1，表示滑台到达原点，否则为0；其他行程开关的判断方法类似。如果PLC控制程序没有编写正确，导致滑台一直向右运行，当Pos值超出550时，认为滑台到达右限位，此时弹出报警窗口并显示“滑台位置已超右限！！”的报警信息；超出左限的处理过程类似。

3.5    系统复位功能

在使用液压滑台实验系统进行实验教学时，会遇到因程序编写的原因造成系统并未按照预计方式动作或在运行过程中按下了停止键的情况，这时整个系统会随机停止在某个工作状态，此时只要按下系统复位按钮，就可以使系统瞬时回到初始状态，方便进行下一次调试。系统的复位功能是通过对画面中复位按钮编写脚本程序实现的。复位按钮的按下脚本程序如下：

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

按下复位按钮后，3个电磁阀的值均复位为0，同时Pos变量被赋值为0，滑台矩形块回到原点，在下一個循环策略执行过后，3个行程开关值分别为SQ1=1、SQ2=0、SQ3=0，系统回到初始状态。

3.6    仿真实验系统的运行调试

打开MCGS软件，点击“工具”→“下载配置”，将组态好的项目文件下载到触摸屏后启动运行，此时的触摸屏画面就相当于一个虚拟的液压滑台实验系统。在西门子的博途软件中进行PLC控制程序的编写，注意PLC程序中的变量应与预先约定的通道一致，即按照表1来定义PLC的变量，将编写好的PLC控制程序下载到S7-1200 PLC中。点击触摸屏上的启动按钮，就能观察到液压滑台能够按照设计要求进行运行，3个电磁阀和3个行程开关也均能实时更新通断状态，如果所编写的程序不能正确运行，可以很直观地从运行过程中找出程序存在的问题，及时进行修改。

4    结论

基于MCGS的S7-1200 PLC仿真实验系统能够形象直观地反映PLC控制程序的控制效果，有助于快速判断PLC控制程序编写是否正确。仿真实验系统解决了PLC实验教学中设备缺乏、可操作性差、台套数受限等问题，有利于激发学生学习兴趣，提升教师教学质量。

[参考文献]

[1] 周美兰，张宇，吴晓刚，等.基于西门子PLC虚拟仿真实验系统的设计[J].高师理科学刊，2022，42（5）：90-94.

[2] 张晓萍.基于工业组态软件的PLC虚拟实验控制系统研究[J].中外企业家，2018（34）：165-166.

[3] 于广，韩雪，吴桐.基于MCGS的可编程逻辑控制器仿真实训平台设计[J].自动化技术与应用，2022，41（2）：125-129.

[4] 靳雷，薛韶烨.基于MCGS的PLC虚拟监控系统平台[J].电气传动自动化，2021，43（3）：33-36.

[5] 宋珂，罗婕，杨林丰，等.基于MCGS和PLC的仿真实验教学设计[J].工业控制计算机，2019，32（3）：21-23.

收稿日期：2023-02-22

作者简介：李国柱（1976—），男，山西长治人，硕士，副教授，研究方向：电气控制。