第２６卷 第６期 Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．６ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１８年３月 Ｍａｒ．２０１８ 基才Ｍ Ｃ ＧＳ和ＰＬＣ的虚实结合实验模型设计与实现 胡兵 （新疆工程学院电气与信息工程系，新疆乌鲁木齐８３００１１） 摘要：鉴于教学过程中缺乏实际的工业对象，提出一种虚实结合的实验模型，该模型模拟工业原料 加工、搬运及交通运输的过程。构建以ＭＣＧＳ为监控界面、ＰＬＣ为控制器，温度、液位传感器、开关、 指示灯为实物的工业原料加工、搬运系统实验模型，构建以ＭＣＧＳ脚本程序编程为基础的虚拟交通 运输模型。实际运行表明，系统能够很好满足控制要求，可以实现分散控制，也可通过网络实现集 中控制。系统的应用，实现了教学过程中理论实践相结合，具有开放性、灵活性、可视化、成本低廉 的特点，对教学和实际工程应用均有较好的参考价值。 关键词：ＭＣＧＳ；ＰＬＣ；机械手搬运；交通灯控制；实验模型 中图分类号：ＴＮ８０５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１８）０６—０１３３—０５ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｒｔｕａ１．ｒｅａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＧＳ ａｎｄ ＰＬＣ ＨＵ Ｂｉｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆＥｎｇｉｏｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｒｕｍｑｉ ８３００１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｌａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｏｂｊｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｖｉｒｔｕａｌ— ｒｅａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＭＣＧＳ ｍｏｎｉｔｏｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＰＬＣ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｓｅｎｓｏｒ， ｓｗｉｔｃｈ，ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｌｉｇｈｔ ａｓ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｓ，ｖｉｒｔｕａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＭＣＧＳ ｍｏｎｉｔｏｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｗｅｌｌ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｏｐｅｎｎｅｓｓ， ｌｅｘｉｆｂｉｌｉｔｙ，ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ａｎｄ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＣＧＳ；ＰＬＣ；ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｃａｒｒｙ；ｔｒａｆｆｉｃ ｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌ 在工业、农业等行业的生产过程中，存在大量的 有助于学生学习组态技术、ＰＬＣ等工业控制及过程 自动控制系统，这些控制系统采用组态和控制器相 控制的相关知识，有助于适应将来的工作岗位，同 结合的控制方式较为常见。为了使的学生快速而有效 时，该实验平台的建立，可以充分培养学生的灵活性 地适应社会生产，学习组态技术和典型控制器的基 和创新性，发挥其自主性学习的能力，也为实际工程 本原理及其应用显得尤为必要，而教学过程中缺乏 实际的工业对象，所以根据工业实际应用的需要，设 应用提供了参考。 计一种能够贴近实际生产的虚实结合的实验模型”。。１， 收稿日期 ：２０１７—０３—２０ １实验模型的构建 系统模拟工业原料加工、搬运及交通运输的环 稿件编号：２０１７０３２０９ 基金项目 ：２０１６年度新疆工程学院科研基金项目（２０１６ｘｇｙ１４１８１２） 作者简介 ：胡兵（１９８５一），男，湖北孝感人，硕士研究生，讲师。研究方向：计算机控制技术。 一Ｉ３３— 《电子设计工程｝２０１８年第６期 节，构建以ＭＣＧＳ组态软件为上位机，Ｓ７—２００ＰＬＣ为 控制器，反应罐、气动机械手、指示灯为现场设备的 虚实结合对象 ，系统结构图如图１所示： ＤＰ总线Ｌ＿————厂—一下，关闭泄放阀和排气阀。系统恢复到原始状态准 备下一个循环。 ２．１．２系统硬软件设计 根据工作过程的需要，设计中用到一个反应罐、 ３个压力传感器、一个温度传感器，三者在控制器运 ｌ上位机监控（ＭＣＧＳ）ｌ ＤＰ总线 ＰＬＣ￣Ｉｌ ｌ ＰＬＣ￣２ｌ ｌ ＰＬＣ￣３ 算控制下，使系统运行在最合理状态，保证每罐都生 产出最优质的成品工业原料。通过分析控制对象， 确定控制器选用西门子Ｓ７—２００ＰＬＣ ＣＰＵ２２４带 工业原料加工系统ｌＩ机械手搬运系统ｌＩ交通灯控制系统 图１系统的结构图 实验平台由工业原料加工系统、机械手搬运系 统和交通灯控制系统组成，共分３个阶段，其工作过 程从第一阶段的工业原料加工阶段开始，在工业原 料加工阶段完成原料送料、加热反应控制和泄放控 制３个任务，完成由原料到成品的加工过程，之后进 入机械手搬运阶段，当机械手检测有成品时，机械手 经过下降、夹紧、上升、右行、下降、放松、上升、左行 ＥＭ２３１、ＥＭ２３１ ＲＴＤ模拟量扩展模块，选用ＭＣＧＳ组 态做上位机监控，液位、压力、温度传感器做检测装 置，电磁阀做执行装置，共同构成闭环控制系统 ，闭 环控制系统方框图如图２所示。 共８个动作，完成成品的搬运工作，之后进人第三阶 段，由小车运输，经过十字路口交通灯完成实验平台 中的整个工作过程。３个系统均可独立运行，通过采 用西门子Ｓ７—２００的带编程口的网络连接器ＲＳ４８５ 图２被控系统的结构图 １）ＰＬＣ程序设计 在原料加工系统中，ＰＬＣ既是Ｉ／Ｏ接口，也是控 制器，系统的控制任务由ＰＬＣ来完成，根据系统的控制 要求，确定原料加工系统的ＰＬＣ Ｉ／Ｏ分配如表１所示。 表１工业原料加工系统ＰｋＣ Ｉ／Ｏ分配表 通信，系统也可以联机运行，构成一个分散控制、集 中管理的分布式控制系统。 ２实验模型的设计 ２．１工业原料加工系统 工业原料加工系统设计模拟工业原料加工具体 过程，完成从原料到成品的生产加工。 ２．１．１工作过程 原料加工系统分为３个过程，分别为送料、加热 反应和泄放 。 由于系统要实现ＰＬＣ与组态的连接，ＰＬＣ的输 入只能读取，不能写人，所以启动停止按钮使用内部 变量Ｍ１０．０，系统中液位、压力、温度等模拟量需要经 １）送料过程首先检查反应罐中液位是否小于设 定值，若小于设定值，则开启排气阀和进料阀，开始 进料，当液位上升到上液位时，关闭排气阀和进料 过工程量的变换，变换后的实际量存储在ＰＬＣ的变 阀；之后检测反应罐中的压力是否小于设定值，若小 量存储器中，ＰＬＣ变量分配如表２所示。于设定值，则开启氮气阀，氮气进入反应炉，炉内压 力上升，当压力上升到设定值时，关闭氮气阀，结束 送料过程。 表２原料加工系统ＰＬＣ内部变量分配表 名称 下液位 上液位 压力 变量地址 ＶＤ１ｏｏ ２）加热反应过程首先检测温度是否小于设定温 度，若小于设定温度，则接通加热炉进行加热，当温 度上升到设定值时，切断加热电源，结束加热过程。 ３）泄放过程是在加热过程结束之后进行的，首 ＶＤ１Ｏ４ ＶＤ１Ｏ８ 温度 ＶＤ１１２ ＶＤ１２０ 下液位设定值 上液位设定值 压力设定值 ＶＤ１２４ ＶＤｌ２８ ＶＤｌ３２ 先延时ｌＯ秒，打开排气阀，使炉内压力降到设定定 值以下，之后打开泄放阀，当炉内溶液降到下液面以 一温度设定值 １３４一 胡兵基于ＭＣＧＳ和ＰＬＣ的虚实结合实验模型设计与实现 一日 Ｉ幢 谭 ” ｇ 卿ｓＩ■ 工岍Ｈ ＝ ％｝ｔ ≈Ｉ： ‘ 根据工作过程的要求，ＰＬＣ工作时，需要完成原 料加Ｔ的送料、加热反应和泄放３个过程的控制，其 控制功能流程罔如图３所示。 ￡手 ｉｏ！ 训 进ｆ｝＝阀遄０料 坛 受通运输 Ｓ＇ｑ０．０一 匝 开始 加热 力 莲器－００，．＇－－－－－ 臣 臣 延时 １０Ｓ 臣 翘 臣 ．传逛感器 ＿口－ —一 鏊｝泄 －苜一 放阀 图４ １二业原料加１二系统控制界面图 露 ” … 。 ０ 开始 泄放 臣 －１＝ 开召 闻 罔３ Ｆ．Ｊ＇ｋ原料加Ｔ系统控制功能流程图 原点开始，当检测工作台有成品，按下启动按钮时， 机械手依次开始完成下降、夹紧、上升、右移、下降、 放松、上升、左移等等动作，在此期间，机械手夹紧和 放松动作均需要２秒时间，其他动作均南限位开关 实现限位 ”。 ２）ＭＣＧＳ上位机监控界面设计 ＭＣＧＳ组态界面要完成原料加＿Ｔ系统界面的制 作，变量的建立，属性的设置，且在设备窗口完成设 备组态及ＭＣＧＳ与 ｃ之间的变量的连接 ，其中变 量及与ＰＬＣ之间的连接如表３所示。 表３ 工业原料加工系统ＭＣＧＳ变量与ＰＬＣ变量连接表 ２．２．２系统硬软件设计 搬运系统采用气动机械手，机械手上安装有光 电检测开关、磁性限位开关，由电磁阀控制，气缸完 成操作任务。通过分析被控对象，确定选用西门子 ｓ７—２００ＰＬＣ ＣＰＵ２２４作为控制器，选用光电开关、限 位开关做检测装置，电磁阀做执行装置，共同构成『才】 环控制系统，如图２所示” 。 １）ＰＬＣ程序设计 根据 作过程的要求，确定机械手搬运系统的 Ｉ／０分配如表４所示。 表４机械手搬运系统ＰＬＣ Ｉ／０分配表 ＭＣＧＳ的设备窗口，添加通 串口父设备，西 门子一Ｓ７２００ＰＰＩ，设置参数，连接变量即可调试，具体 凋试方法见 ·。凋试成功的１一业原料加二ｆ一系统控制 的界面如图４所示，图中系统处于送料阶段。 ２．２机械手搬运系统 机械手搬运系统设计模拟工业产品搬运过程， 完成成品的搬运。 根据控制系统的Ｔ作过程，确定机械手搬运系 统的功能流程图如图５所示。 ２）ＭＣＧＳ上位机监控界面设计 ＭＣＧＳ上位机监控界面设计基本与原料加Ｔ系 ２．２．１ 工作过程 机械手搬运系统选择气动机械手，工作过程从 统的设汁相同，其ＭＣＧＳ与ＰＬＣ之间的变量连接如 表５所示。 一１３Ｓ一 《电子设计工程》２（）ｌ８年第６期 过交通 的过 ， 近牛活实际，没计巾川剑４组交 立 至十＋ Ｍｌｌ 通灯、４辆卜 ． ２．３．１ 工作过程 交通灯的指示情况卡１ 有序的 Ｉｃ】【】 ¨Ｉ，、，、 过ｆ‘ 路ｌ Ｉ的Ｉ 作过程。 成。１ｆ 运输过 的模拟设汁足荩于组态的交通灯 ｑＯ．０］ ； １ Ｍ‘ 囱互Ⅱ卫 Ｉ Ｍ（＿ 求 现．ｊ㈠ 作过 为：首先南北方向绿灯亮ｌ ６ Ｓ， ］＜ 灯 Ｅ ４ ｓ．之 红灯亮２０ Ｓ，在南Ｊ匕灯亮的同时尔两 Ｉ Ｗ 匝 ＿＝互习一： ’办向乡Ｊ：灯一凫２（）ｓ，绿灯亮ｌ６ ｓ，之 黄灯亮４ Ｓ．小年 依照灯的指爪｛ｉ－＇Ｊ￣，依此循环 ２．３．２系统硬软件设计 成 运输过 『Ｉｌ，【＿｝ｊ剑３辆年，４个交通指示灯 ｆ ｉ ５ ｆＪ【做 拍 运系统 ｊ Ｊ Ｊ＿ＪＪ能 缸ｆｆＩ ｆｇＩ 表５机械手搬运系统ＭＣＧＳ变量与ＰＬＣ变量连接表 ．…ｒ系统 安”ｑ ： －＂ｌ： ｌ合较为 椎，采用指示灯代替 交迎灯术十Ｉｌ拟此过 ， 此系统巾，Ｐ１．Ｃ只进行１／０ 数 的传递，Ｍ【：（ Ｓ 念既进行监视 负责控 ，确 定系统力‘１：ＩＩ Ｉ ７昕示 翌 ＿ １）Ｆ＇Ｉ Ｃ 序没汁 Ｈ 美 奎 ７ 交通运输控制系统的结构 成 运输过 ｒｆ１，ＰＩ Ｃ只进行１／０数据传递， 小 ＾ 做仟ｆｌＪ』编 ，’Ｆ载空程序即町 ２）Ｍ（：（； ｌ：化机临拎界面没计 成．Ｉ＾运输过 中，ＭＣＣＳ组念既进行监视也 负责 制． 需 州试方法例原料『儿１ ｌ 系统， 试ｂ 功的机械 搬运系统 圳的 ｆｍｆｕ１ ６所，Ｊ 完成 向制作、变龟建 、属性设置， 成Ｍ（：（ ｓ ｊ Ｓ７—２００变 之问的连接，其 ＭＣＧＳ Ｉ ｌＪ（：之ｍＪ的变量连接如表６所尔 表６ 交通运输控制系统ＭＣＧＳ变量与ＰＬＣ变量连接表 ◇Ｏ ０ Ｏ ６饥饿ｒ搬运系统控制 ２．３交通运输控制系统 成 交通土耋输系统没汁．使拟成品运送过 经 一１ ３６－ 胡兵基于ＭＣＧＳ和ＰＬＣ的虚实结合实验模型设计与实现 个系统可以组网联机运行，实现集中控制。组网控 制时，需要对每个Ｓ７—２００ ＣＰＵ没置唯一的地址，通 由于ＭＣＧＳ作为控制器，所以需要编写控制程 序，ＭＣＧＳ提供脚本程序编写文本，可以进行程序的 ＭＣＧＳ脚本程序的流程 如图８所示。 编写，根据成品运输过程中交通灯的Ｔ作过程，设计 过网络连接器将３台ＰＬＪｃ连接成ＲＳ４８５通信网络，地 址及通信网络连接如图９所示 ０ ０ 网ｌ０ ３台ＰＬＣ通信网络连接罔 ３个系统组网运行时，各个系统通过相互之间制 约信息的交换，达到彼此之问的配合运行，当原料加 工系统完成成品的加］ 时，发出请求搬运信号，待机 械手搬运系统接收到搬运信号后，机械手开始搬运， 搬运完成，启动成品运输系统。在此通信过程｜｝】， 图８交通运输控制系统功能流程图 ＰＰＩ网络通信通过指令向导来配置，由于ＰＰＩ通信采 用主／从通信方式，多个ＰＬｃ之间通信时，必须预先 合理规划整个系统的通信数据信息” 。 在上位机监控界而设计时，需要在ＭＣＧＳ的没 根据流程图编写控制语句，即可完成交通灯的 控制。为了使小车能够根据交通灯的变化运动，东 西方向的小车连接变量一东西小车，南北方向的小车 连接变量一南北小车．且两个小车均要设置可见度， 使南北小车在０～１６秒内可见，东西小车在２０～３６秒 内可见，根据以上内容，适当调整小车位置即可完成 渊试，系统控制界面图如图９所示。 备窗口里添加通用串口父没备．设置通信参数，在通 用串口父设备下面添加３个西门子一Ｓ７２００ＰＰＩ，对于 ＰＬＣ地址分别为ｌ、２、３，没置各个ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ通道，完 成通道连接并渊试即可完成联网监控。 ４结束语 将ＰＬＣ技术、组态技术和网络技术融为一体，构 建虚实结合的实验平台，这种实验平台可以连接现 场设备运行控制，也可以不连接现场设备，采用 ＭＣＧＳ组态的脚步程序模拟仿真系统的运行控制， 做到实验模型的虚实结合。系统成功应用在教学过 程中，具有很好的灵活性、创新性和可视化的功能， 系统的组态、ＰＬＣ编程及网络通信等等技术对实际 生产过程中系统的控制、培训具有重要意义。 参考文献： 【Ｉ】邵子惠，郑萍，李世伟，等．虚实结合的ＰＬＣ远程 综合网络实验控制系统的设计ｆＪ１．实验室研究与 探索，２００７，２６（１２）：７ｌ－７４． ９交通运输控制系统控制界面 【２１丁金华，李明颖，王德权，等．虚实结合的机电设 备控制仿真平台『Ｊ１．实验技术与管理，２０１５，３２ （２）：ｌｌ９一ｌ２２． ３系统网络通信 实验平台中各个系统叮以独立运行，构成分散 【３１赖忠喜，张安洁，张占军．ＭＣＧＳ组态软件在ＰＬＣ 控制．通过使用ｓ７—２００ ＣＰＵ的ＰＰＩ网络通信” ，３ （下转第ｌ４２页） 一ｌ３７— 《电子设计工程｝２０１８年第６期 ４结束语 利用串行总线ＲＳ一４８５和无线射频，可以方便地 ［７］赵亮，张吉礼．提高ＲＳ４８５总线通信可靠性的优 化设计方法ｆＪ］．大连理工大学学报，２０１５（４）： ３９３—３９８． ８］夏继强．现场总线工业控制网络技术ｆＭ１．北京：北 构建起智能供暖行业的通讯主干网络。同时，作为 ［京航空航天大学出版社，２００５． 现场总线ＲＳ一４８５网络的一个设备节点，数据集中器 通过ＧＰＲＳ与以太网实现互联互通，从而将现场总线 ｆ９１沈晓峰．基于ＣＡＮ和ＲＳ一４８５总线的机舱监测综 接入无处不在的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络，运行数据实现异地采 合报警系统设计［Ｄ］．南京：南京￣２＿Ｙ－大学，２０１２． １０］黄青涛．基于现场总线的自动化控制实验装置设 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