毕业设计（论文）-基于MCGS的节日彩灯的设计.doc

1 摘要摘要 随着计算机技术和网络技术的飞速发展，为工业自动化开辟了广阔的发展 空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控 及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠，在这方面，MCGS 工程组 态软件将为您提供强有力的软件支持。 MCGS 是一套32位工控组态软件，可稳定运行于 Windouws95/98/Me/NT/2000 等多种操作系统，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，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、 冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加 工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。 本课题的主要内容为基于 MCGS 的四台电动机的顺序起、停的 PLC 的控制 实训。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。 关键词关键词：MCGS ；仿真系统 ；PLC ；四台电机顺序启停 2 目录目录 1 绪论.1 1.1 引言 .1 1.2 组态软件的发展 .1 1.2.1 组态软件在我国的发展历程.1 1.2.2 流行的组态软件.1 2 MCGS 组态软件功能简介 .2 2.1 MCGS 组态软件.2 2.2 MCGS 组态软件组成部分.3 2.3 MCGS 组态软件的功能和特点.4 2.4 MCGS 组态软件的工作方式.5 3 仿真画面的设计 .6 3.1 新建工程.6 3.2 用户窗口的组态 .7 3.2.1 建立画面 .7 3.2.2 编辑画面.7 3.2.3 主画面的编辑 .8 3.3 定义数据对象.10 3.4 动画连接.11 4 下位机程序的编写.13 4.1 可编程控制器的概况.13 4.2 程序的编写.13 5 连接调试.16 5.1 设备连接.16 5.2 串口设备属性设置 .16 6 结束语.19 7 参考文献.20 3 1 1 绪论绪论 1.11.1 引言引言 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 。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 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。 1.21.2 组态软件的发展组态软件的发展 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。 1.2.11.2.1 组态软件在我国的发展历程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。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。 1.2.21.2.2 流行的组态软件流行的组态软件 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。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。 4 2 2 MCGSMCGS 组态软件功能简介组态软件功能简介 2.12.1 MCGSMCGS 组态软件组态软件 MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是 一套基于 Windows 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系 统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp 等操作系统。 MCGS 是一套基于 Windows 操作系统可用来快速构造和生成上位机监控系统 的组态软件包，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、 动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS 组态软 件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用 VC+编程，通过 OLE 技术向用户 提供 VB 编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随 时方便地扩展系统的功能。 系统结构图： 图 2.1 MCGS 体系结构图 MCGS 组态软件系统包括组态环境和运行环境两大部分，用户所有组态配置 过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库”文 件。MCGS 运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库”中的 组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。 MCGS 系统整体框图： 5 图 2.2 MCGS 系统整体框图 2.22.2 MCGSMCGS 组态软件组成部分组态软件组成部分 MCGS 组态软件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 行策略五部分都成，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。 1.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：定义工程名称，编制工程名单，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。 2.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。 3.用户窗口：本窗口主要用于设置工程中的人机交互界面，诸如：生成各 种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。 4.实时数据库：是工程各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的类型和名称的变量，作为数 据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。 5.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 （if.then 脚本程序） ，选用各种功能构件，如：数据提取、定时器、配方操 作、多媒体输出等。 6 图 2.3 MCGS 组态软件组成 2.32.3 MCGSMCGS 组态软件的功能和特点组态软件的功能和特点 1.延续性和可扩充性。使用 MCGS 工控组态软件开发的应用程序，当现场 （包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便 地完成软件的更新和升级； 2.封装性（易学易用） ，MCGS 工控软件所能完成的功能都用一种方便用户 使用的方法包装起来，对于用户，不需要掌握太多的编程语言技术（甚至不需 要编程技术） ，就能很好的完成一个复杂工程所要求的所有功能； 3.通用性和可扩充性，每个用户根据工程实际情况，利用 MCGS 工控组态软 件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、饭卡、变频器等）的设备驱动、 开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、 历史数据和曲线并存、具有网络功能的工程，不受行业限制。 4.全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活，完善的中文在线 帮助系统和多媒体教程，真正的 32 位程序，支持多任务、多线程，运行于 Win95/98/NT/2000 平台。 5.提供近百种绘图工具和基本图符，快速构造图形界面，提供渐进色、旋 转动画、透明位图、流动块等多种动画方式，可以达到良好的动画效果，上千 个精美的图库元件，保证快速的构建精美的动画效果 。 6.支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等 700 多种国内外众多常用设备；支持温控曲线、计划曲线、实时曲线、历史曲 线、XY 曲线等多种工控曲线；支持 ODBC 接口，可与 SQL Server、Oracle、Access 等关系型数据库 互联；支持 OPC 接口、DDE 接口和 OLE 技术，可方便的与其他各种程序和设备互联。 MCGS 工控组态软件 主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略 菜单设计 设置工程属 性 添加工程设 备 连接设备变 量 注册设备驱 动 创建动画显 示 设置报警窗 口 人机交互界 面 定义数据变 量 编写控制流 程 使用功能构 件 7 7.功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建，保证多个系统完美结 合，完善的网络体系结构 ，可以支持最新流行的各种通讯方式，包括电话通讯 网，宽带通讯网，ISDN 通讯网，GPRS 通讯网和无线通讯网 。 2.2.4 4 MCGSMCGS 组态软件的工作方式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。 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。 8 3 3 仿真画面的设计仿真画面的设计 3.13.1 新建工程新建工程 在 Windows 系统桌面上，通过以下三种方式中的任一种，都可以进入 MCGS 组态环境：鼠标双击 Windows 桌面上的“Mcgs 组态环境”图标； 选择“开始”“程序”“MCGS 组态软件”“MCGS 组态环境”命令； 按快捷键“Ctrl + Alt + G” 。 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，如图所 示： 图 3.1 新建工程 9 3.23.2 用户窗口的组态用户窗口的组态 3.2.13.2.1 建立画面建立画面 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 3.2.23.2.2 编辑画面编辑画面 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，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 10 按上图将“窗口名称”设置为“节日彩灯”； “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。 3.2.33.2.3 主画面的编辑主画面的编辑 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。 11 图 3.3 元件管理对话框 g 选中工具箱中的“其他”的按钮就会出现一个常用符号工具栏，图形来做装 饰。 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。最后的画面如图 3.4： 图 3.4 霓虹灯主画面 12 3.33.3 定义数据对象定义数据对象 数据对象是实时数据库的基本单元。在 MCGS 生成应用系统时，应对实际工 程问题进行简化和抽象化处理，将代表工程特征的所有物理量，作为系统参数 加以定义，定义中不只包含了数值类型，还包括参数的属性及其操作方法，这 种把数值、属性和方法定义成一体的数据就称为数据对象。构造实时数据库的 过程，就是定义数据对象的过程。在实际组态过程中，一般无法一次全部定义 所需的数据对象，而是根据情况需要逐步增加。 MCGS 中定义的数据对象的作用域是全局的，像通常意义的全局变量一样， 数据对象的各个属性在整个运行过程中都保持有效，系统中的其它部分都能对 实时数据库中的数据对象进行操作处理。为了方便用户对数据变量的统计， MCGS 组态软件提供了计数检查功能。通过使用计数检查，用户可清楚的掌握各 种类型数据变量的数量及使用情况。具体操作方法极其简单，只需单击工具栏 中 “工具”菜单中的“使用计数检查”选项即可。定义数据对象的过程，就是 构造实时数据库的过程。定义数据对象时，在组态环境工作台窗口中，选择 “实时数据库”标签，进入实时数据库窗口页，显示已定义的数据对象。见图 3.5 图 3.5 实时数据库 开关型数据对象：开关信号（0 或非 0）的数据对象称为开关型数据对象， 通常与外部设备的数字量输入输出通道连接，用来表示某一设备当前所处的状 态。 由于本画面是仿真节日彩灯灯的闪亮情况，所以只需将灯都定义为开关型 数据下面以数据对象“灯 1”为例，介绍一下定义数据对象的步骤： 单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页 a 单击“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象， 系统缺省定义的名称为“Data1” 、 “Data2” 、 “Data3”等（多次点击该按钮，则 可增加多个数据对象） 。 b 选中对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象 属性设置” 窗口。 13 c 将对象名称改为：灯 1；对象类型选择：开关型；在对象内容注释输入框 内输入：“控制灯 1 的点亮、熄灭的变量” ，单击“确认” 。 按照此步骤，根据上面列表，设置其他 10 个开关型的数据对象。根据需要以后 还可以增加实时数据,见图 3.6 图 3.6 建立实时数据 需要注意的是，数据对象的名称中不能带有空格，否则会影响对此数据对 象存盘数据的读取。 3.43.4 动画连接动画连接 到现在为止，我们由图形对象搭制而成的图形界面是静止的，需要我们对 这些图形对象进行动画属性设置，使它们“动”起来，真实地描述外界对象的 状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS 实现图形动画设计的主要方法是将 用户窗口中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相 应的动画属性，这样在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，就会由 数据对象的实时采集结果进行驱动，从而实现图形的动画效果，使图形界面 “动”起来。 所谓动画连接，实际上是将用户窗口内创建的图形对象与实时数据库中定 义的数据对象，建立起对应的关系，在不同的数值区间内设置不同的图形状态 属性（如颜色、大小、位置移动、可见度、闪烁效果等） ，将物理对象的特征参 数以动画图形方式来进行描述，这样在系统运行过程中，用数据对象的值来驱 动图形对象的状态改变，进而产生形象逼真的动画效果。 灯的点亮和熄灭: 灯的点亮和熄灭效果是通过特殊动画连接中的可见度实现的。设置步骤如 下：以灯 1 的设置为例 ： 双击灯 1，弹出单元属性设置窗口。选中特殊动画连接标签中的可见度 选中标题栏的“可见度” 。如图 3.8 表达式一栏填“灯 1” ，选“对应图符可见” 。 14 按此方法设置其余的八个灯。 图 3.7 属性设置 15 4 4 下位机程序的编写下位机程序的编写 4.14.1 可编程控制器的概况可编程控制器的概况 本设计使用的 PLC 型号为：西门子 s7-200。不同的 PLC 的编程指令是不同 的，使用的继电器名称也有所区别。所以在编程以前首先要对这种型号的 plc 编程指令有所熟悉。 可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称 PC） 。与个人计算机的 PC 相区别，用 PLC 表示。PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、 计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的 是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控 系统。LC 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编 程简单等特点。可以预料：在工业控制领域中，PLC 控制技术的应用必将形成 世界潮流。 PLC 程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统 程序提供运行平台，同时，还为 PLC 程序可靠运行及信息与信息转换进行必要 的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。 图 4.1 结构框图 4.24.2 程序的编写程序的编写 16 17 18 5 5 连接调试连接调试 5.15.1 设备连接设备连接 1 在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。 2 点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱” 。 3 点击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮。 如图所示： 图 5.1 设备连接 4 在可选设备列表中，双击“通用串口父设备” 。 5 在可控设备列表中，双击“PLC 设备” ，选择西门子 S7-200。