基于西门子PLC与MCGS的虚拟仿真方法的实现＊
时间：2023-04-25 08:00:04 来源：千叶帆 本文已影响人
马俊强，叶建兰，梁洸强
（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）
PLC是工业控制中一类核心控制器，其具有可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、设计简单等优点，在工业自动化领域占有重要地位。但是在实际的调试现场，因受诸多因素影响，其会给技术人员调试增加很多困难，因此虚拟仿真受到了大家的喜爱。通过虚拟技术，不仅可以让技术人员进行交互实验操作，增加真实性和直观性，而且可以减少设计开发时间并降低成本。对于学习西门子PLC而言，虽然博图软件已包含了仿真软件S7-PLCSIM，但是它采用内部通信协议，只能与西门子HMI触摸屏或博图通信，而无法与外部通信，故其存在弊端。MCGS组态软件基于Windows平台开发，其具有全中文可视化等优点，功能接口完善，不仅符合国内市场需求，而且价格低廉，其在国内市场上占有较大份额，市场应用很广泛。因此，在实际应用中，想要学习西门子PLC软件并建立与MCGS组态软件实时数据通信，就需要搭建相应的硬件设备，这对于没有物理设备的学习爱好者很不方便。
为了突破上述的限制，NetToPLCsim工具通过S7协议与仿真软件S7-PLCSIM建立连接，把西门子仿真软件里面的数据进行截取并对外开放，实现与第三方平台如MCGS上位机进行数据通信，无需任何硬件设备，搭载纯虚拟平台就能达到学习和验证的目的。
鉴于这种情况，本文提出通过西门子PLC和国产MCGS组态软件搭建虚拟仿真平台[1-2]，这对电脑的性能要求也不会增加负担，仅仅依靠一台计算机就可以对程序实现动态调试，可大大降低设备的现场调试时间，同时对于高校的课堂教学也增加了授课方式选择，弥补了设备条件不足的情况，同时也方便了学生课内课外的学习途径。
跨平台的网络虚拟仿真需要使用到博图V15编程软件（PLC设备支持网络通信）、仿真软件S7-PLCSIM、国产MCGS组态软件、NetToPLCsim工具等。虚拟仿真系统结构图如图1所示。
图1 虚拟仿真系统结构图
（1）西门子编程软件博图V15。西门子博图软件是一款专业自动化编程软件，是与PLC搭配使用的硬件接口平台，自带有S7-PLCSIM仿真工具，可以通过虚拟的方式监控输入输出点的状态、数据的存储与交换，但是在程序调试中操作不够直观，对技术人员的操作灵活性要求较高。
（2）NetToPLCsim工具。NetToPLCsim作为一个桥梁工具，搭建了一个外部的以太网通讯平台[3-5]，将不同网关之间的数据进行转发与接收，可以自由实现与S7-PLCSIM仿真软件之间的数据通讯，达到跨平台之间数据的访问，支持西门子S7-300／400／1200／1500 等多种型号 PLC。
（3）组态软件MCGS。MCGS是一款基于Windows平台开发的面向窗口对象的国产软件，可以将以太网接口通过网线与外部硬件相连接，通过图形化的组态模块组合设计快速构建生产线的监控系统，实时的画面状态监控生产设备运行，操作简单、可视性好，在自动化领域中应用十分广泛。
本文系统搭建选用MCGS组态软件，支持以太网通讯协议，借助于NetToPLCsim工具作为桥梁，建立跨平台的广域网数据交换平台，实现了将不同网络频段的数据可以在该平台下进行实时数据的接收、截取、发送并完成数据通信，然后通过博图软件的S7-PLCSIM仿真功能与组态软件MCGS建立通讯连接。其具体连接配置如下：
（1）电脑本地网络IP地址的设置
为建立PLC和MCGS之间的网络连接，首先需要修改电脑本地IP以确保PLC、MCGS、电脑本地均在同一个局域网内，当然，如果PLC和电脑IP不在同一网络段亦可实现。电脑IP设置图如图2所示，本文电脑IP设置为192．168．0．10，子网掩码设置为255．255．255．0（以下雷同）。
图2 电脑IP设置图
（2）博图软件设备组态的网络设置
博图软件是针对S7-1200／1500系列专用的PLC设计软件，包含了PLC编程和触摸屏HMI组态的绘制和虚拟仿真器S7-PLCSIM，但是因为通信协议的问题导致HMI组态需要搭载西门子公司的触摸屏才可以下载，不能够适应现场设备多样化的需要。本文主要在博图软件上进行设备组态，以及按照控制功能要求编写PLC程序并仿真下载。设备组态后PLC 硬件设置 IP 地址为 192．168．0．1，PLC 硬件IP设置图如图3所示。因为西门子PLC需要与第三方设备MCGS组态软件进行通信和数据交换，采用的是S7的通信协议，PLC和MCGS分别是作为客户端（Client）和服务器端（Server），实时地不断发送通信请求和被动接收数据，所以需要在PLC硬件配置属性中选择“防护与安全”，并勾选“允许来自远程对象的PUT／GET通信访问的功能”，这样才能保证以太网数据通信的正常，否则将无法发送和接收数据。
图3 PLC硬件IP设置图
（3）NetToPLCsim工具建立通信网络
在S7通信协议中，电脑的102端口必须作为消息传输代理机制使用，将该端口接收的数据包转发到指定IP设备，不允许进行修改和占用。因此需要在管理员身份下启动运行NetToPLCsim工具[6]，判断102端口是否被占用，从系统中获取102TCP端口为可用状态。然后点击“Add”按钮，选择Network IP Address（电脑IP地址）为192．168．0．10，Plcsim Rack／Slot（PLC安装机架和插槽）分别为0和1，选中Enable TSAP check（允许传输服务访问检查），Name可以自由命名。在此值得注意的是，Plcsim IP Address的设置需要启动博图软件的S7-PLCSIM仿真功能后方可选择PLC的IP地址，NetToPLCsim工具参数设置如图4所示，然后点击“OK”按钮完成设置。最后点击“Start Server”按钮，如果底部出现“Port102OK”和“Status”状态显示为“RUNNING”即表示博图软件上建立的设备组态可以与外部网络设备进行以太网通讯[7]，服务器允许状态监控界面如图5所示。
图4 NetToPLCsim工具参数设置
图5 服务器允许状态监控界面
如出现设置错误需要修改，只需要点击“Stop Server”按钮，再点击“Modify”按钮对相应参数修改即可。
（4）MCGS组态软件网络设置
创建MCGS工程，打开设备组态窗口，首先在设备工具箱中的“设备管理”里面添加Siemens_1200，如图6所示，双击该设备，启用设备编辑窗口，然后将设备属性值的“本地 IP 地址”条目设置为192．168．0．11（本地IP不是唯一，只需要和电脑本地的IP为同一网络段即可），“远程IP地址”条目设置为192．168．0．10，“远程端口号”条目设置为102，MCGS以太网设置如图7所示。最后点击“确认”按钮即可，至此，西门子PLC和MCGS组态软件之间的局域网平台建立完成，可实现跨平台数据的通信[8]。
图6 设备调用Siemens_1200
图7 MCGS以太网设置
为验证该虚拟仿真系统的真实有效，本文通过模拟花式喷泉的案例，圆周分布40颗灯珠，周向均布由A到H，径向内环1到外环5等间距分布，监控画面如图8所示。按下开始按钮后，水柱呈放射状喷出，经过一定时间后，水柱按逆时针方向旋转循环向外喷射；
按下停止按钮后，不论喷泉在什么状态，应立即停止。
图8 MCGS监控画面
首先根据控制要求编写PLC程序，然后绘制MCGS组态画面，如图8所示。在实时数据库中创建监控画面的变量并与监控指示灯、按钮进行关联，变量关联图如图9所示。最后将监控工程下载并模拟启动运行，下载画面如图10所示。
图9 变量关联图
图10 下载画面
在NetToPLCsim工具的辅助下，通过西门子PLC的在线监控和MCGS画面监控联合仿真，按下“启动”按钮，实现触点M10．0的状态由0变为1，同时对应的触点M22．0及其他指示灯变量状态也可以自动实现由0变为1，满足控制要求实现指示灯有序的亮灭，仿真出虚拟的花式喷泉，联合仿真监控界面如图11所示，实现了西门子PLC S7-1200／1500与国产MCGS组态软件的实时数据通信。由此可知，西门子PLC与第三方的以太网设备（如MCGS组态软件）联合仿真的方法是可行的。
图11 联合仿真监控界面
本文仿真平台系统采用了上位机NetToPLCsim工具、下位机博图V15编程软件和第三方设备MCGS组态软件为载体进行搭建，实现了西门子PLC和第三方设备以太网软件MCGS进行实时虚拟在线通讯，无需PLC硬件和控制实物即可实现各种复杂PLC控制系统的在线仿真与监控。实验结果表明，该仿真平台具有完全开放性和操作简易性，为在校教师、学生和工程师们进行系统在线验证、调试、学习等提供了一种全新的思路，值得进一步推广应用。
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