基于S7-1200PLC与NetToPLCsim的交通灯控制系统虚拟仿真调试

俞宗薏，范然然，刘正坤

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545005）

0 引言

PLC（Programmable Logic Controller）控制器在工业自动化控制系统中有较为广泛的应用，在交通运输控制方面的应用多是基于单片机技术开发的[1]。但是单片机开发周期长，后期维护困难大等是有诸多不利因素的。PLC控制系统开发周期短，维护成本较低，后期升级便捷等优势具有较高的使用前景而优于单片机控制系统[2]。西门子S7-1200系列PLC是目前各大企业工业自动化领域使用频率较高的控制器，其凭借性能稳定，编程便捷等优势应用范围非常广泛，但是由于近期国内外芯片紧缺，造成PLC价格水涨船高，对于工程技术人员前期设备功能开发形成较大阻碍[3]。另外，目前国内很多企业为了降低生产成本，选用S7-1200与MCGS（Monitor and Control Generated System）触摸屏组成控制系统进行作业。S7-1200系列PLC使用博图软件进行编程开发，MCGS系列触摸屏使用MCGS嵌入版软件进行人机操作界面开发，二者皆可以独立地在自己的仿真软件中进行虚拟调试[4]。但是如何在没有PLC硬件和触摸屏的硬件情况下，将二者进行耦合虚拟调试是目前工程领域和专业教学领域急需解决的问题。

本案例以交通灯控制系统为载体，采用S7-1200系列PLC编程软件TIA15.1进行交通灯控制程序的设计与编写，在MCGS嵌入版软件中建立交通灯控制与监控画面，借助于NetToPLCsim通信工具，实现在没有PLC硬件与触摸屏硬件的情况下进行S7-1200系列PLC控制程序与MCGS监控画面的耦合虚拟仿真调试设计，进而为在没有PLC实物与MCGS触摸屏实物的情况下的工程项目开发，以及专业教学实践提供可靠的技术解决途径与参考方法。在工程技术领域，可以在设备开发前期验证程序与触摸屏画面的准确性并能缩短开发周期，在专业教学领域可以实现无须购置价格昂贵的工业自动化控制产品，又能达到较好的实践教学效果。

1 交通灯控制系统

根据目前国内十字路口交通灯的控制现状，设计了本案例中的交通灯控制系统要求为：分别设置一个启动按钮、停止按钮、强制按钮以及循环选择开关。当按下启动按钮之后，交通灯控制系统开始工作，首先是南北方向红灯亮、东西方向绿灯亮；运行25s后东西方向绿灯灭，东西方向黄灯以亮0.5s灭0.5s进行闪烁5次；5s后东西方向黄灯灭、南北方向红灯灭、东西方向红灯亮、南北方向绿灯亮；运行25s后南北方向绿灯灭，南北方向黄灯以亮0.5s灭0.5s进行闪烁5次；5s后南北方向黄灯灭、东西方向红灯灭，此时记为一个循环周期时间，如此循环运行。按下停止按钮后，信号控制系统停止，所有信号灯灭。按下强制按钮，东西南北方向黄、绿灯均灭，同时红灯亮。循环选择开关可以用来设定系统单次运行（一个循环周期时间）或者连续循环运行。交通灯系统运行时序图如图1所示。

图1 交通灯控制系统时序图Fig.1 Timing diagram of traffic light control system

2 系统程序设计

根据系统控制的要求，综合考虑系统的功能运行和稳定性，选用西门子S7-1200中的CPU1214CDC/DC/DC型号的PLC，其板载DI14×24VDC漏型/源型DQ10×24VDC，满足编程的需要，同时该PLC还支持PROFINET接口，用于编程、HMI以及PLC间数据通信。本案例是使用触摸屏联合PLC进行仿真运行，针对于输入控制信号例如启动、停止等均使用PLC内部中间继电器M来规划地址，系统的输入输出变量表见表1。按照上述设计方案，主要设计流程有以下几点：分配PLC内I/O点，对PLC组态以及编程调试，MCGS触摸屏对PLC数据的监视与控制界面的绘制等。

表1 输入输出变量表Table 1 Input and output variables table

交通灯控制系统的PLC程序设计开发平台，选用Siemens系列PLC的专属开发平台TIA PROTALV15.1（博途）软件进行交通灯控制系统的PLC程序编写。TIA PROTAL软件界面操作简单，学习起来容易上手。此外，其集成有STEP7和PLCSIM仿真功能，可以在不连接PLC的情况下，借助PLCSIM仿真功能对编写好的PLC程序进行下载和调试运行。

交通灯控制系统中需要有循环选择开关，可以用来设定系统单次运行或者连续循环运行。此功能需要在MCGS触摸屏上实现转换开关控制效果，因此通过编程设计了以下的PLC控制程序，可以实现在系统启动状态下，通过循环选择M0.3的控制实现单次运行（一个60s内的计时周期）和连续循环运行。首先，是单击M0.0“启动”后，将“1”传送到MW10“时间循环步”中去，同时前序程序置位了M1.0作为启动的标记，此功能可以保证后续的程序运行都是在启动功能下进行的。当MW10中的结果为“1”时，利用比较等于指令实现“60s”的周期及时功能，同时为了做到在HMI上监控剩余时间，建立全局背景数据块DB6，将“T0”剩余计时时间存放到DB6.DBD0中去，“T0”计时时间到则记为一个周期循环，用M20.0来寄存。满足本次周期计时时间后将“2”传送到MW10中，则程序继续执行。当MW10为2的比较等于指令所在的程序段，此时如若在HMI中选择循环选择置位1，则继续将“1”传送到MW10中并且复位掉“周期计时标记”，M20.0从而实现连续循环运行；如若在HMI中选择循环置位0，则无法继续将“1”传送到MW10中从而无法进行连续循环运行，可以实现系统单次运行。梯形图程序如图2所示。

图2 交通灯控制系统PLC循环选择控制程序Fig.2 PLC loop selection control program for traffic light control system

3 MCGS组态设计与仿真

MCGS触摸屏界面绘制软件MCGS嵌入版可以进行HMI画面的组态且具备MCGSE模拟运行环境的仿真功能，但是其仿真仅仅仿真MCGS内部的变量间的关系，而针对于PLC中的变量的监控和仿真是无法直接与TIA PROTALV15.1软件进行关联的。因此，需要借助于NetToPLCsim软件进行MCGS组态环境与TIA PROTALV15.1软件的联合仿真运行。NetToPLCsim使用运行模拟的PC（个人电脑）的网络接口，通过TCP/IP（Iso-On-TCP）通信从网络访问PLC Simulation S7 PLCSIM。它对于测试客户端应用程序（SCADA、HMI等）以及S7 PLCSIM非常有用，而无需真正的PLC[5]。如图3系统仿真构架所示。

图3 系统仿真构架Fig.3 System simulation architecture

3.1 HMI组态设计

设备窗口是MCGS嵌入版系统与作为测控对象的外部设备建立联系的后台作业环境，负责驱动外部设备，控制外部设备的工作状态。系统通过设备与数据之间的通道，把外部设备的运行数据采集进来，送入实时数据库，供系统其它部分调用，并且把实时数据库中的数据输出到外部设备，实现对外部设备的操作与控制。进入设备窗口，从设备构件工具箱里选择Siemens-1200，配置到窗口内，建立接口与通道的连接关系，设置本地IP地址与远端IP地址均为PC机的IP地址192.168.0.15，这样才可以保证MCGS嵌入版系统仿真运行时与NetToPLCsim进行匹配。因为MCGS嵌入版仿真运行时是将组态好的画面下载到了虚拟机中，而虚拟机就是PC机，并且NetToPLCsim中的Network IP Address也是PC机的IP地址，是将PLC地址为192.168.0.1中的变量映射到了PC机中。所以，本地IP地址、远端IP地址与NetToPLCsim中的Network IP Address应保持一致。如图4（a）所示为MCGS设备窗口参数设置，本地IP地址用来设置触摸屏下载到虚拟机的地址，此处设定为电脑的IP地址；远端IP地址，用于触摸屏监控和控制的PLC的IP地址。本案例是借助于NetToPLCsim建立了MCGS与S7-PLCSIM的连接，而NetToPLCsim将S7-PLCSIM内的变量均映射到了电脑内部，故此处设置为电脑的IP地址。图4（b）为NetToPLCsim中的参数设定，Network IP Address是电脑网卡的IP地址，Plcsim IP Address是S7-PLCSIM中仿真PLC的IP地址。完成设备窗口的组态工作后就可以绘制编写用户窗口画面。

图4（a） MCGS设备窗口参数设置Fig.4(a) MCGS Device window parameter settings

图4（b） NetToPLCsim窗口参数设置Fig.4(b) NetToPLCsim Window parameter settings

交通灯控制与监控画面如图5所示，画面分为监控区域和操作区域。监控区域主要是南北方向和东西方向的12个红绿灯的监控显示，操作区域主要是按照控制要求设置了启动、停止、强制、循环选择以及周期运行时间显示等功能。

图5 MCGS中交通灯控制与监控画面Fig.5 Traffic light control and monitoring screen in MCGS

3.2 虚拟仿真结果

首选，在TIA15.1中启动S7-PLCSIM仿真功能，将连接机制选择为允许来自远程对象的PUTIGET通信访问的PLC硬件组态和程序下载到仿真器S7-PLCSIM中去，启动仿真器的运行；然后，打开NetToPLCsim按照图4的要求设置好运行参数并启动运行；最后，将MCGS中设计好的画面下载到MCGS模拟运行器中，这样TIA15.1、S7-PLCSIM以及MCGS模拟运行器中的画面三者之间就建立起来了仿真关系。按下触摸屏中的启动按钮，系统开始按照程序控制运行，PLC中的程序运行和触摸屏中的数据运行实时同步进行。各个方向指示灯可以按照程序控制要求依次点亮或者闪烁，同时系统的周期运行时间也实时地显示在了触摸屏上，并且与PLC运行程序中“T0”的计时时间是一样的。仿真效果较好，与实际触摸屏监控与控制PLC程序运行效果一致。

图6 交通灯控制系统虚拟仿真运行Fig.6 Virtual simulation operation of traffic light control system

4 总结

以交通灯控制系统为设计案例，在TIA15.1中对系统控制器S7-1200PLC进行设计编程，实现对交通灯控制系统设备进行控制，使用NetToPLCsim软件将PLC控制系统与HMI系统画面链接在一起，实现在没有工业控制PLC与触摸屏的情况下对交通灯控制系统进行运行调试的功能。触摸屏运行结果显示系统运行可靠，能够实现真实触摸屏监控PLC程序的功能，数据传送稳定精准。本方法在TIA15.1与MCGS联合开发控制系统的早期可以进行较为真实和详尽的系统运行与仿真调试，为整个工业控制系统的调试提供了可靠的保障。在没有工控设备的前提下，为工控系统开发提供了重要的参考依据，同时也为各大高校实训设备不足的情况下开展PLC相关教学课程提供了重要的技术支持。