- 31 - 以MCGS 组态软件为平台的虚拟实验教学改革 刘尹霞 訾贵昌 邵淑华 (辽宁工程技术大学职业技术学院,辽宁 阜新 123000) 【摘要】根据自动化实验室建设的需要,分析了目前 PLC 实验教学中存在的问题,提出利用组态软件组建虚拟实验室的 全新概念,实现了自动化专业教学改革和实验室改造.介绍了 MCGS 监控程序的开发过程及其在 PLC 教学中的作用,重点介 绍了参数的设置以及与 PLC 之间的通讯连接. 【关键词】MCGS 组态软件;可编程控制器;实验教学 【中图分类号】TP311.5 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)07-0031-02 (一)序言 随着工业自动化的高速发展,更多的智调节仪表、PLC 以及由这些数字仪表组建的 DCS 系统、 FCS 系统已经走上了工 业控制的舞台,我系对自动化专业的课程也做了相应的调整, 增加了 PLC、变频技术、组态控制、传感器技术和计算机数 字控制等作为现代工业控制系统中主要控制技术的重要专业 课程.强化这些课程的实践教学尤为重要,这是培养技能型 人才的重要途径,也是高职教育的特色所在.但是我系自动 化专业实验室由于硬件设施跟不上呈现落后状况,教学和实 验不能很好的配套,对自动化专业实践教学改革是一项系统 工程,需要不断地探索、思考、创新与发展,需要不断地探 索出更多的实践资源与实践途径,进行全方位的立体改革. 基于此认识,在抓紧基础理论教学和素质教育的同时,将实 践教学的改革作为专业教学改革的重中之重,加大学生实践 能力及创新能力的培养,把传统的基于理论验证的实验教学 模式转变为基于职业技能培养的实践教学新模式.通过实际 调研,将工业组态控制技术引入到现有的 JPF 电气控制综合 实验(实训)装置,挑选实训内容,参照实际工程项目,建 立基于 MCGS 组态控制技术的虚拟实验室,开发仿真工业过程 控制. (二)MCGS 组态控制技术 北京昆仑通态计算机研究所开发出的 MCGS(Monitor and Control Generated System 通用监控系统)是国内比较流行且 运行比较可靠的几种工控组态软件之一.该软件是基于 WIN95/98/NT 视窗结构、 能够快速构造和生成数据管理、 报警 处理、流程控制、动画显示、报表输出等界面,轻松实现各 种工程曲线、报表、数据浏览、远程通讯、远程采集、远程 诊断等功能的先进软件,是一套用于快速构造和生成上位机 监控系统的组态软件.MCGS 软件包括组态环境和运行环境两 个部分.组态环境相当于一套完整的工具软件,帮助用户设 计和构造自己的应用系统.运行环境则按照组态环境中构造 的组态工程, 以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完 成用户组态设计的目标和功能.两部分互相独立又紧密相关. MCGS 体系结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据 库和运行策略五部分组成.实时数据库是 MCGS 工程的数据交 换和数据处理核心.MCGS 组态软件的最突出特点是实时多任 务,并具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能和高 可靠性等特点,在自动化领域有着广泛的应用. (三)MCGS 组态技术在 PLC 虚拟实验教学中的应用 1.传统 PLC 实验教学存在的问题 PLC 是以微处理器为核心, 综合计算机技术、 自动控制技 术和通信技术发展起来的一种新型工业自动化控制装置,在 工业生产中获得极其广泛的应用.PLC 实验装置性能的好坏 关系到学生对知识的理解能力和实践能力.PLC 实验装置通 常包括 PLC 设备和相关的实验操作面板,实验模块上包括了 按钮和指示灯,其最大的缺陷是指示灯只能表示触点当前状 态,而具体的运行过程无法体现,缺乏直观性,没有文字显 示和图形显示功能,缺少人性化.而且,PLC 实验被控对象大 多采用硬件电路搭建,存在以下几个缺点: (1)硬件设备占 用大量实验室空间; (2)硬件设备价格昂贵; (3)硬件设备 一旦被设计成型,就很难进行修改和模块的扩充; (4)根据 课程特点,专业课程实验的硬件设备利用率很低,导致设备 资产闲置; (5)硬件设备维护困难,难于升级换代,进一步 扩大了高校教学和社会生产需要的差距,阻碍教学改革.由 于自动化行业的特点,自动化控制系统相对较为复杂,需要 新增的实验设备体积庞大、价格昂贵都给实验室建设带来了 非常巨大的困难.这些都是目前 PLC 实验教学中存在的问题. 所以,如何进行新型自动化实验室改造已成为我系面临的迫 在眉睫的问题.利用现代控制技术——工业组态控制技术对 实验室进行改造以适应改革中的课程教学需要势在必行. 2.基于 MCGS 组态软件的虚拟实验室 结合组态控制技术、可编程控制逻辑控制技术和变频器 技术,根据我系自动化实验室建设的需要,提出利用组态控 制技术组建虚拟实验室的全新概念,构筑一个开放的对象平 台,完成工业过程控制.虚拟实验室的本质是用计算机代替 现场设备,将传统实验室的硬件对象通过软件组态的方式来 完成,用软件代替硬件的设计思想,形象直观而且节约成本. 利用组态软件作为虚拟实验室建设的主体,既能控制、又能 做被控制对象,可以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,配置出高性能、 高可靠性、高度专业化的上位机监控系统.组建出具体的被 控制对象,利用相对廉价的软件设计组态出价格昂贵的、占2010 年第 7 期大众科技No.7, 2010 (总第 131 期) DA ZHONG KE JI (Cumulatively No.131) 【收稿日期】2010-03-15 【基金项目】辽宁工程技术大学第六批教育教学改革研究项目(LJg09205) 【作者简介】刘尹霞(1976-) ,女,辽宁工程技术大学职业技术学院电气工程系讲师,硕士研究生,从事智能测试与控制 研究. - 32 - 地面积庞大、系统复杂、可扩充性差的硬件对象.学生通过 自由选择工程项目,完成硬件系统设计与布线、软件编制与 调试、工程组态等操作,在学校内就能感受到强烈的工程项 目生产氛围.实现学生无对象依赖的可编程逻辑控制设计, 解决自动化专业的实验教学、课程设计以及毕业设计等环节, 实现自动化专业教学改革和实验室改造.所以,将传统实验 室结合计算机技术和控制软件技术的发展,从实验效果和实 验成本节省上来看,是实践教学模式的革新,这一全新的实 验模式必将推动我系教学的发展. 3.基于 MCGS 组态软件的 PLC 虚拟实验应用实例 利用 MCGS 开发人机界面,取代价格昂贵的实物模型,监控PLC 实现工程的模拟控制,学生可以进一步掌握 PLC 编程 和程序调试方法,利用组态软件与 PLC 结合实现其整体项目 监控的进步性.根据实验需要,一个具体形象的、直观的对 象是传统硬件实验对象做不到的,但从成本上来讲,这样的 对象是廉价高效的. 除了可以从组态的界面上直观的看到 PLC 的运行情况,还可以获取 PLC 中的相关内存数据,为学生调 试程序和认识 PLC 程序设计提供了非常好的基础.为了使对 象更形象的反映 PLC 控制的变化,要对该界面编写相应的动 画脚本.具体步骤是建立 PLC 的I/O 地址分配表;建立 MCGS 的实时数据库变量;建立用户窗口制作监控画面、输出报表、 连接变量、权限设置等;进入等.以交通灯 PLC 控制为例, 其电气原理图如图 1 所示: 图1交通灯控制电气原理图 具体步骤为: (1)PLC 程序的编写与调试:建立 PLC 的I/O 地址分配 表,运行 PLC 编程软件,编写控制梯形图,运行 PLC 程序, 无误后,转入 MCGS 组态环境. (2)MCGS 组态应用工程与调试:建立 MCGS 的数据库变 量,建立交通灯控制用户窗口,定义属性,制作监控画面, 进行动画连接. (3)通道连接:启动 MCGS 组态软件的设备窗口,调用 驱动程序、添加 PLC 为子设备、定义 PLC 通讯协议、开通 PLC 通道并与实时数据库变量连接.设备调试如图 3 所示: 图2交通灯组态控制设备调试 (4)调试运行:将编制好的梯形图程序传入 PLC,进入 MCGS 运行状态监控系统的工作过程.注意 PLC 编程界面和 MCGS 运行界面不能同时运行. MCGS 设备构件把外部 PLC 同步 采集的实时数据,送入实时数据库,或把实时数据库中的数 据输出到外部 PLC 设备,实现PLC 设备工作状态的实时检 测和过程控制. 建立了虚拟实验室后,不仅仅可以完成机械手控制、水 位水箱控制、十字路口交通灯控制、电机启动、制动及正反 转运行控制、四层电梯控制、供电系统监控等基础实验,还 可将变频器、PLC、触摸屏等技术综合应用起来,开发更多的 如闭环调速实验项目、恒压自动供水控制等仿真实验,还可 以在智能建筑自动化、过程控制自动化、甚至在电子、物理 等多个专业中得到应用,借助可编程逻辑控制器、单片机、 智能仪表等设备仪器就可以完成传统实验实现不了的实验内 容.同时还可以通过一个实际项目构筑一个开放的对象平台, 实现学生无对象依赖的可编程逻辑控制设计,解决自动化专 业的实验教学、课程设计以及毕业设计等环节. (四)结束语 虚拟实验室是实验室本身的一种革新,不管从实验效果 上来看、实验成本节省上来看都有着较明显的优势,这一全 新的实验模式必将推动高校教学的发展.实践证明基于 MCGS 组态软件控制的虚拟实验教学改革,省去了实物模型,与实验 装置配合使用,使多门课程知识相互融合,只需极少的投入 即可得到方便、美观、实用的工业控制,提高了学生们的学 习兴趣和实践能力. 【参考文献】 [1] MCGS 参考手册[Z].北京:昆仑通态公司,2004. [2] MCGS 用户指南[Z].北京:昆仑通态公司,2004. [3] 陈志文.组态控制实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2009. [4] 魏克新,自动控制综合应用技术[M].北京:机械工业出版 社,2007. (上接第 71 页)均固结度分别表述为: ①沉降板(可分层沉降)的监测累计值与推算最终沉降 量的比值,即 ②超静孔隙水压力与所加荷载的比值. 3)固结过程的预测 通过上述推算的沉降固结参数,可以对后面的沉降过程 进行预测推算,并将预测值与后续实测值进行比较,修正关 键参数如 Cv、Cc 等,并用该参数进行下一步的预测推算,不 断重复,即可以得出每块沉降板所在区域的淤泥固结参数, 一般在满载 6 个月后,预测的准确度基本可以满足工程要求. (六)结语 施工监测关系到期整个软基处理成败的关键.而监测质 量则直接影响施工质量.所以必须采用科学、合理的监测方 法,通过科学监测进一步指导设计和施工,以确保施工进度 和安全. 【参考文献】 [1] CTAG 02-97,塑料排水带地基设计规程[S]. [2] JGJ/T 8-97,建筑变形测量规程[S]. [3] JGJ79-2002,建筑地基处理技术规范[S]. [4] 岩土工程试验监测手册[R].
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- 31 - 以MCGS 组态软件为平台的虚拟实验教学改革 刘尹霞 訾贵昌 邵淑华 (辽宁工程技术大学职业技术学院,辽宁 阜新 123000) 【摘要】根据自动化实验室建设的需要,分析了目前 PLC 实验教学中存在的问题,提出利用组态软件组建虚拟实验室的 全新概念,实现了自动化专业教学改革和实验室改造.介绍了 MCGS 监控程序的开发过程及其在 PLC 教学中的作用,重点介 绍了参数的设置以及与 PLC 之间的通讯连接. 【关键词】MCGS 组态软件;可编程控制器;实验教学 【中图分类号】TP311.5 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)07-0031-02 (一)序言 随着工业自动化的高速发展,更多的智调节仪表、PLC 以及由这些数字仪表组建的 DCS 系统、 FCS 系统已经走上了工 业控制的舞台,我系对自动化专业的课程也做了相应的调整, 增加了 PLC、变频技术、组态控制、传感器技术和计算机数 字控制等作为现代工业控制系统中主要控制技术的重要专业 课程.强化这些课程的实践教学尤为重要,这是培养技能型 人才的重要途径,也是高职教育的特色所在.但是我系自动 化专业实验室由于硬件设施跟不上呈现落后状况,教学和实 验不能很好的配套,对自动化专业实践教学改革是一项系统 工程,需要不断地探索、思考、创新与发展,需要不断地探 索出更多的实践资源与实践途径,进行全方位的立体改革. 基于此认识,在抓紧基础理论教学和素质教育的同时,将实 践教学的改革作为专业教学改革的重中之重,加大学生实践 能力及创新能力的培养,把传统的基于理论验证的实验教学 模式转变为基于职业技能培养的实践教学新模式.通过实际 调研,将工业组态控制技术引入到现有的 JPF 电气控制综合 实验(实训)装置,挑选实训内容,参照实际工程项目,建 立基于 MCGS 组态控制技术的虚拟实验室,开发仿真工业过程 控制. (二)MCGS 组态控制技术 北京昆仑通态计算机研究所开发出的 MCGS(Monitor and Control Generated System 通用监控系统)是国内比较流行且 运行比较可靠的几种工控组态软件之一.该软件是基于 WIN95/98/NT 视窗结构、 能够快速构造和生成数据管理、 报警 处理、流程控制、动画显示、报表输出等界面,轻松实现各 种工程曲线、报表、数据浏览、远程通讯、远程采集、远程 诊断等功能的先进软件,是一套用于快速构造和生成上位机 监控系统的组态软件.MCGS 软件包括组态环境和运行环境两 个部分.组态环境相当于一套完整的工具软件,帮助用户设 计和构造自己的应用系统.运行环境则按照组态环境中构造 的组态工程, 以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完 成用户组态设计的目标和功能.两部分互相独立又紧密相关. MCGS 体系结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据 库和运行策略五部分组成.实时数据库是 MCGS 工程的数据交 换和数据处理核心.MCGS 组态软件的最突出特点是实时多任 务,并具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能和高 可靠性等特点,在自动化领域有着广泛的应用. (三)MCGS 组态技术在 PLC 虚拟实验教学中的应用 1.传统 PLC 实验教学存在的问题 PLC 是以微处理器为核心, 综合计算机技术、 自动控制技 术和通信技术发展起来的一种新型工业自动化控制装置,在 工业生产中获得极其广泛的应用.PLC 实验装置性能的好坏 关系到学生对知识的理解能力和实践能力.PLC 实验装置通 常包括 PLC 设备和相关的实验操作面板,实验模块上包括了 按钮和指示灯,其最大的缺陷是指示灯只能表示触点当前状 态,而具体的运行过程无法体现,缺乏直观性,没有文字显 示和图形显示功能,缺少人性化.而且,PLC 实验被控对象大 多采用硬件电路搭建,存在以下几个缺点: (1)硬件设备占 用大量实验室空间; (2)硬件设备价格昂贵; (3)硬件设备 一旦被设计成型,就很难进行修改和模块的扩充; (4)根据 课程特点,专业课程实验的硬件设备利用率很低,导致设备 资产闲置; (5)硬件设备维护困难,难于升级换代,进一步 扩大了高校教学和社会生产需要的差距,阻碍教学改革.由 于自动化行业的特点,自动化控制系统相对较为复杂,需要 新增的实验设备体积庞大、价格昂贵都给实验室建设带来了 非常巨大的困难.这些都是目前 PLC 实验教学中存在的问题. 所以,如何进行新型自动化实验室改造已成为我系面临的迫 在眉睫的问题.利用现代控制技术——工业组态控制技术对 实验室进行改造以适应改革中的课程教学需要势在必行. 2.基于 MCGS 组态软件的虚拟实验室 结合组态控制技术、可编程控制逻辑控制技术和变频器 技术,根据我系自动化实验室建设的需要,提出利用组态控 制技术组建虚拟实验室的全新概念,构筑一个开放的对象平 台,完成工业过程控制.虚拟实验室的本质是用计算机代替 现场设备,将传统实验室的硬件对象通过软件组态的方式来 完成,用软件代替硬件的设计思想,形象直观而且节约成本. 利用组态软件作为虚拟实验室建设的主体,既能控制、又能 做被控制对象,可以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,配置出高性能、 高可靠性、高度专业化的上位机监控系统.组建出具体的被 控制对象,利用相对廉价的软件设计组态出价格昂贵的、占2010 年第 7 期大众科技No.7, 2010 (总第 131 期) DA ZHONG KE JI (Cumulatively No.131) 【收稿日期】2010-03-15 【基金项目】辽宁工程技术大学第六批教育教学改革研究项目(LJg09205) 【作者简介】刘尹霞(1976-) ,女,辽宁工程技术大学职业技术学院电气工程系讲师,硕士研究生,从事智能测试与控制 研究. - 32 - 地面积庞大、系统复杂、可扩充性差的硬件对象.学生通过 自由选择工程项目,完成硬件系统设计与布线、软件编制与 调试、工程组态等操作,在学校内就能感受到强烈的工程项 目生产氛围.实现学生无对象依赖的可编程逻辑控制设计, 解决自动化专业的实验教学、课程设计以及毕业设计等环节, 实现自动化专业教学改革和实验室改造.所以,将传统实验 室结合计算机技术和控制软件技术的发展,从实验效果和实 验成本节省上来看,是实践教学模式的革新,这一全新的实 验模式必将推动我系教学的发展. 3.基于 MCGS 组态软件的 PLC 虚拟实验应用实例 利用 MCGS 开发人机界面,取代价格昂贵的实物模型,监控PLC 实现工程的模拟控制,学生可以进一步掌握 PLC 编程 和程序调试方法,利用组态软件与 PLC 结合实现其整体项目 监控的进步性.根据实验需要,一个具体形象的、直观的对 象是传统硬件实验对象做不到的,但从成本上来讲,这样的 对象是廉价高效的. 除了可以从组态的界面上直观的看到 PLC 的运行情况,还可以获取 PLC 中的相关内存数据,为学生调 试程序和认识 PLC 程序设计提供了非常好的基础.为了使对 象更形象的反映 PLC 控制的变化,要对该界面编写相应的动 画脚本.具体步骤是建立 PLC 的I/O 地址分配表;建立 MCGS 的实时数据库变量;建立用户窗口制作监控画面、输出报表、 连接变量、权限设置等;进入等.以交通灯 PLC 控制为例, 其电气原理图如图 1 所示: 图1交通灯控制电气原理图 具体步骤为: (1)PLC 程序的编写与调试:建立 PLC 的I/O 地址分配 表,运行 PLC 编程软件,编写控制梯形图,运行 PLC 程序, 无误后,转入 MCGS 组态环境. (2)MCGS 组态应用工程与调试:建立 MCGS 的数据库变 量,建立交通灯控制用户窗口,定义属性,制作监控画面, 进行动画连接. (3)通道连接:启动 MCGS 组态软件的设备窗口,调用 驱动程序、添加 PLC 为子设备、定义 PLC 通讯协议、开通 PLC 通道并与实时数据库变量连接.设备调试如图 3 所示: 图2交通灯组态控制设备调试 (4)调试运行:将编制好的梯形图程序传入 PLC,进入 MCGS 运行状态监控系统的工作过程.注意 PLC 编程界面和 MCGS 运行界面不能同时运行. MCGS 设备构件把外部 PLC 同步 采集的实时数据,送入实时数据库,或把实时数据库中的数 据输出到外部 PLC 设备,实现PLC 设备工作状态的实时检 测和过程控制. 建立了虚拟实验室后,不仅仅可以完成机械手控制、水 位水箱控制、十字路口交通灯控制、电机启动、制动及正反 转运行控制、四层电梯控制、供电系统监控等基础实验,还 可将变频器、PLC、触摸屏等技术综合应用起来,开发更多的 如闭环调速实验项目、恒压自动供水控制等仿真实验,还可 以在智能建筑自动化、过程控制自动化、甚至在电子、物理 等多个专业中得到应用,借助可编程逻辑控制器、单片机、 智能仪表等设备仪器就可以完成传统实验实现不了的实验内 容.同时还可以通过一个实际项目构筑一个开放的对象平台, 实现学生无对象依赖的可编程逻辑控制设计,解决自动化专 业的实验教学、课程设计以及毕业设计等环节. (四)结束语 虚拟实验室是实验室本身的一种革新,不管从实验效果 上来看、实验成本节省上来看都有着较明显的优势,这一全 新的实验模式必将推动高校教学的发展.实践证明基于 MCGS 组态软件控制的虚拟实验教学改革,省去了实物模型,与实验 装置配合使用,使多门课程知识相互融合,只需极少的投入 即可得到方便、美观、实用的工业控制,提高了学生们的学 习兴趣和实践能力. 【参考文献】 [1] MCGS 参考手册[Z].北京:昆仑通态公司,2004. [2] MCGS 用户指南[Z].北京:昆仑通态公司,2004. [3] 陈志文.组态控制实用技术[M].北京:机械工业出版社, 2009. [4] 魏克新,自动控制综合应用技术[M].北京:机械工业出版 社,2007. (上接第 71 页)均固结度分别表述为: ①沉降板(可分层沉降)的监测累计值与推算最终沉降 量的比值,即 ②超静孔隙水压力与所加荷载的比值. 3)固结过程的预测 通过上述推算的沉降固结参数,可以对后面的沉降过程 进行预测推算,并将预测值与后续实测值进行比较,修正关 键参数如 Cv、Cc 等,并用该参数进行下一步的预测推算,不 断重复,即可以得出每块沉降板所在区域的淤泥固结参数, 一般在满载 6 个月后,预测的准确度基本可以满足工程要求. (六)结语 施工监测关系到期整个软基处理成败的关键.而监测质 量则直接影响施工质量.所以必须采用科学、合理的监测方 法,通过科学监测进一步指导设计和施工,以确保施工进度 和安全. 【参考文献】 [1] CTAG 02-97,塑料排水带地基设计规程[S]. [2] JGJ/T 8-97,建筑变形测量规程[S]. [3] JGJ79-2002,建筑地基处理技术规范[S]. [4] 岩土工程试验监测手册[R].