霓虹灯PLC控制与监控组态设计.docx
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霓虹灯PLC控制与监控组态设计
霓虹灯PLC控制与监控组态设计
摘要
本课题的主要内容为用MCGS组态软件仿真PLC的控制对象—霓虹灯。
此仿真系统由上位机和下位机两部分组成，上位机主要用来完成仿真界面的制作工作，下位机则用来完成PLC程序的编写，最后，进行上位机设计结果与下位机结果的配合，完成整个系统的设计连接。
利用组态软件模拟PLC的控制对象，我们不需要实物而仅通过微机显示器就可以检验所编程序的正确与否和执行结果，为PLC的试验教学提供了一条新途径。
关键词：
MCGS；仿真系统；PLC；
TheNeonLightPLCControlandtheConfiguration
MonitorDesign
Abstract
ThetopicforthemainelementsinMCGSconfigurationsoftwaresimulationPLCcontroltarget-neonlight.ThissimulationsystemiscomposedbyPositionMachineandSubordinateMachinetwoparts.ThePositionMachineusesforcompletethedesignofsimulationinterface,the.SubordinateMachinewillbeusedtocompletetheprogramming.Finally,aPositionMachinedesignresultswiththeresultsofSubordinateMachinewiththecompletionofthedesignoftheentiresystemconnecting.UseofsoftwaresimulationProgrammableControllercontroltargets,weneednotonlythroughphysicalandcomputermonitorscanbepreparedforthecorrectproceduresandtheimplementationoftheoutcomeornot,providinganewwayofteachingforPLCteaching.
KeyWords:
MonitorandControlGeneratedSystem；EmulationSystem;
ProgrammableController;
1绪论
1.1引言
每当夜幕降临，楼宇上、道路旁缤纷夺目的霓虹灯广告，构筑了一道璀灿的城市夜景，作为主角——霓虹灯功不可没，而可编程序控制器是专用于工业控制的工业计算机，是现代化工业的三大支柱之一。
长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用，其主要原因在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。
但在开发传统的工业控制软件时，当被控对象一旦变动，就必须修改控制系统源程序，导致开发周期长。
组态软件的出现解决了这个问题，通过MCGS组态软件仿真PLC的控制对象，（我们不需要实物而通过微机的显示器就可以检验所编程序的正确与否和执行结果。
1.2组态软件的发展
新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统，具有适应性强、开发性好、易于扩展、经济、开发周期短等明显优点。
组态软件指数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法，并同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品。
目前世界上不少专业厂商提供各种组态软件产品。
1.2.1组态软件在我国的发展历程
最早开发的通用组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面、图库、绘图工具箱等基本功能。
随着Windows的广泛应用，Windows环境下的组态软件与DOS环境下的组态软件成为主流。
与DOS环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。
国外很多优秀通用组态软件是在英文状态下开发的，对国内而言，它具有应用时间长，用户界面不理想，不支持国内普遍使用的硬件设备，这些正是国外通用组态软件在国内部能广泛应用的原因。
随着国内计算机水平和工业自动化水平的不断提高，近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。
MCGS组态软件就是其中的一种。
1.2.2流行的组态软件
目前中国市场上的组态软件产品按厂商划分大致可以分为三类：
国外专业软件厂商提供的产品；国外硬件和系统厂商提供的产品；国内自行开发的国产化产品。
近年来国外一些著名硬件或系统厂商亦推出了日趋成熟的组态软件产品，如美国GE公司的Cimplicity,德国西门子公司的WinCC等[1]。
这些软件一改过去仅为其本身硬件配套的OEM形式，通过大力加强对其它硬件产品的驱动支持和软件内部的各种功能，而发展成为专业化的通用组态软件。
1.3本文主要研究内容
课题主要内容为霓虹灯仿真系统的设计，组态软件主要用于实现实时监控；同时编制相应的脚本程序完成控制功能。
仿真系统由上位机和下位机两部分组成。
上、下位机通过串行口进行通信交换数据。
上位机利用PC机，下位机利用三菱的PLC。
上位机内装MCGS组态软件和三菱编程软件。
MCGS组态软件用以制作仿真画面、编写仿真程序并与下位机进行通信。
本界面需实现的控制要求为：
a主要是控制“西安”，“工业”，“大学”，“50”，“周年”5个字形霓虹灯的闪亮过程，具体实现的控制功能为：
5个灯依次点亮后闪三闪，再沿相反的方向依次熄灭；字灯下两个灯轮流闪亮；利用组态设置周围的灯配合闪烁。
5个字灯对应于PLC的5个输出结点Y0～Y4,下面的两个灯对应于Y5，Y6。
每个输出结点的输出值“0”或“1”对应于灯的灭与亮。
b要求按动“开始”按钮时灯按控制要求依次点亮或熄灭，并循环往复，当按动“停止”按钮时霓虹灯全部熄灭。
c当没有连接PLC时，利用脚本程序也可以完成霓虹灯的控制功能。
由于涉及到灯亮灭的时间，所以需要使用组态软件内部的定时器。
1.4课题研究意义
长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需要。
但在开发传统的工业控制软件时，当被控对象一旦变动，就必须修改控制系统源程序，导致开发周期长[2]。
组态软件的出现解决了这个问题，使用户能通过自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动控制目的。
另一方面，组态软件还可以用于教学实验中。
由于条件所限，学校可能无法提供一些实验设备，同学们通过试验只能看到I/O口的输入输出情况，验证程序的正确性。
运用组态软件就可以让同学们看到直观生动的实验结果，使得理论和实际得到了完美的结合。
2MCGS组态软件功能简介
MCGS全中文工业自动化控制组态软件（以下简称MCGS工控组态软件或MCGS）为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。
MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，可稳定运行于Windows95/98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备。
2.1MCGS组态软件的功能和特点
MCGS即"监视与控制通用系统"，英文全称为MonitorandControlGeneratedSystem。
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。
MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下：
● 概念简单，易于理解和使用。
普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。
用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。
● 功能齐全，便于方案设计。
MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。
● 实时性与并行处理。
MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。
工程作业中，大量的数据和信息需要及时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等。
另外许多工作则是非实时性的，或称为非时间关键任务，如画面显示，可在主机运行周期时间内插空进行。
而像打印数据一类的工作，可运行于后台，称为脱机作业。
MCGS是真正的32位系统，可同时运行于MicrosoftWindows95，98和MicrosoftWindowsNT平台，以线程为单位进行分时并行处理。
● 建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。
MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。
其中的“实时数据库”是整个系统的核心。
在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。
实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。
各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。
● 设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。
不同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从这一意义上讲，MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备局部改动，而影响整个系统。
● “面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。
以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。
用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。
● 利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。
以图象、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。
用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。
图元、图符对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。
同时，MCGS为用户提供了丰富的动画构件，模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。
每个动画构件都对应一个特定的动画功能。
如：
实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。
● 引入“运行策略”的概念。
复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。
用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。
MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换。
同时，也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。
● MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。
不同的构件有着不同的功能，且各自独立。
三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。
用户也可以根据需要，定制特定类型构件，使MCGS系统功能得到扩充。
这种充分利用“面向对象”的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。
● 支持OLEAutomation技术。
MCGS允许用户在VisualBasic中操作MCGS中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用编制特定的功能构件来扩充系统的功能。
● MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。
组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。
利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。
● 设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。
所谓对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。
组态时，可把制作完好的对象（包括图形对象，窗口对象，策略对象，以至位图文件等等）以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。
随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，组态工作将会变得越来越简单方便。
● 提供对网络的支持。
考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW（DistributedComputerCooperatorWork）技术，即分布式计算机协同工作方式，来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作。
通过MCGS，不同的工作站之间可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。
2.2MCGS组态软件的系统构成
2.2.1MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件（以下简称MCGS）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，又紧密联系。
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。
MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
在运行环境中完成对工程的控制工作。
见图2.1。
图2.1整体结构图
2.2.2MCGS工程的五大部分
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。
见图2.2。
● 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人机交互的界面，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，选用各种功能构件，如：
数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。
2.3MCGS组态软件的工作方式
● MCGS如何与设备进行通讯：
MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。
包括数据采集和发送设备指令。
设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。
MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。
每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。
图2.2功能图
● MCGS如何产生动画效果：
MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：
一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。
所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。
然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？
方法是：
图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。
当工业现场中测控对象的状态（如：
储油罐的液面高度等）发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形的状态产生相应的变化（如大小变化）。
现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果（如储油罐的液面的升高和降低）。
用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。
3仿真画面的设计
在清楚霓虹灯运行工作的基础上，制定出设计方案。
确定任务目标，以设计出合理的仿真系统。
仿真系统由上位机和下位机两部分组成。
现在我们先着手于上位机的设计工作—仿真界面的设计工作。
对工程设计人员来说，使用MCGS首先要了解整个工程的系统构成和工艺流程，弄清测控对象的特征，明确主要的监控要求和技术要求等问题。
在此基础上，拟定组建工程的总体规划和设想，主要包括系统应实现哪些功能，控制流程如何实现，需要什么样的用户窗口界面，实现何种动画效果以及如何在实时数据库中定义数据变量等环节，同时还要分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及用于实现动画显示的等问题。
作好工程的整体规划，在项目的组态过程中能够尽量避免一些无谓的劳动，快速有效地完成工程项目。
3.1工程的建立
进入MCGS组态环境后，单击工具条上的“新建”按钮，或执行“文件”菜单中的“新建工程”命令，系统自动创建一个名为“新建工程X.MCG”的新工程（X为数字，表示建立新工程的顺序，如1、2、3等）。
由于尚未进行组态操作，新工程只是一个“空壳”，一个包含五个基本组成部分的结构框架，接下来要逐步在框架中配置不同的功能部件，构造完成特定任务的应用系统。
3.1.1工程功能分析
本课题是利用PLC来控制霓虹灯的闪烁及工作过程。
本界面需实现的控制要求为：
a主要是控制“西安”，“工业”，“大学”，“50”，“周年”5个字形霓虹灯的闪亮过程，具体实现的控制功能为：
5个灯依次点亮后闪三闪，再沿相反的方向依次熄灭；字灯下两个灯轮流闪亮；利用组态设置周围的灯配合闪烁。
5个字灯对应于PLC的5个输出结点Y0～Y4,下面的两个灯对应于Y5，Y6。
每个输出结点的输出值“0”或“1”对应于灯的灭与亮。
b要求按动“开始”按钮时灯按控制要求依次点亮或熄灭，并循环往复，当按动“停止”按钮时霓虹灯全部熄灭。
c当没有连接PLC时，利用脚本程序也可以完成霓虹灯的控制功能。
由于涉及到灯亮灭的时间，所以需要使用组态软件内部的定时器。
3.1.2工程的定义
a选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。
b在文件名一栏内输入“霓虹灯演示工程”，点击“保存”按钮，工程创建完毕
3.2用户窗口的组态
3.2.1建立画面
在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。
如图3.1
图3.1窗口的建立
3.2.2编辑画面
设置用户窗口属性：
选择待定义的用户窗口图标，点鼠标右键选择属性，弹出“用户窗口属性设置”对话框，按所列款项设置有关属性。
用户窗口的属性包括基本属性、扩充属性和脚本控制（启动脚本、循环脚本、退出脚本），由用户选择设置。
窗口的基本属性包括窗口名称、显示标题、背景颜色、窗口位置、窗口边界、窗口大小等项内容。
窗口的扩充属性包括窗口的外观、位置坐标和视区大小等项内容。
窗口的视区是指实际可用的区域，与屏幕上所见的区域可以不同，当选择视区大于可见区时，窗口侧边附加滚动条，操作滚动条可以浏览窗口内所有的图形对象。
脚本控制包括启动脚本，循环脚本和退出脚本，启动脚本在用户窗口打开时，循环脚本是在窗口打开期间以指定的间隔循环执行，退出脚本则是在用户窗口关闭时执行。
具体操作步骤为：
双击“窗口0”窗口图标，进入动画组态窗口，开始编辑画面;双击画面，弹出设置窗口。
见图3.2。
图3.2窗口属性
按上图将“窗口名称”设置为“霓虹灯主画面；“窗口位置”选中最大化显示；“窗口边界”设定为可变边，其余不变。
3.2.3主画面的编辑
MCGS提供了三类图形对象供用户选用，即图元对象、图符对象和动画构件。
这些图形对象位于常用符号工具箱和动画工具箱内，用户从工具箱中选择所需要的图形对象，配置在用户窗口内，可以创建各种复杂的图形。
图形对象创建完成后，要对图形对象进行各种编辑工作，如：
改变图形的颜色和大小，调整图形的位置和排列形式，图形的旋转及组合分解等项操作，MCGS提供了完善的编辑工具，使用户能快速制作各种复杂的图形界面，以图形方式精确表示外部物理对象。
具体操作步骤如下：
a 单击工具条中的“工具箱”
按钮，打开绘图工具箱。
b选择“工具箱”内的“标签”按钮
，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口
顶端中心位置拖拽鼠标，根据需要拉出一个一定大小的矩形。
c在光标闪烁位置输入文字“西安”，按回车键或在窗口任意位置用鼠标
一下，文字输入完毕。
d选中文字框，作如下设置：
点击
（填充色）按钮，设定文字框的背景颜色为：
黑色
点击
（填线色）按钮，设置文字框的边线颜色为：
没有边线。
点击
（字符字体）按钮，设置文字字体为：
System；字型为：
粗体；大小为：
小四；
点击
（字符颜色）按钮，将文字颜色设为：
粉色；
e按照以上步骤分别输入“工业”，“大学”，“50”，“周年”的字样，设置相应的颜色。
f单击绘图工具箱中的
（插入元件）图标，弹出对象元件管理对话框。
如图
3.3。
从“按钮”中选择“按钮39”，点确定。
图3.3元件管理对话框
g选中工具箱中的“常用符号”的按钮就会出现一个常用符号工具栏，如图3.3。
选中其中的“五角星”图形和“向日葵”图形来做彩灯。
只需按自己所需大小拉出相应的形状，并且设置为相应得颜色。
方法为双击图形，有静态属性一栏，即可设置。
h另外还可以从外部环境寻找合适的图片用于画面中。
操作时只需点击工具箱中的位图按钮
，拉成一定大小。
按鼠标右键，点装载位图，就可以把外部的图贴在自己所做的画面中。
i最后我们可以把几个单元图形合并为一个整体图形。
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