1 MCGS简介
MCGS (Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套基于Microsoft的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。
MCGS的主要特点和基本功能如下： ❖ 简单灵活的可视化早做界面 ❖ 实时性强、良好的并行处理性能
❖ 开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能 ❖ 实时数据库为用户分部组态提供极大方便 ❖ 支持多种硬件设备，实现“设备无关” ❖ 方便控制复杂的运行流程 ❖ 良好的可维护性和可扩充性
❖ 用数据库来管理数据存储，系统可靠性高 ❖ 设立对象元件库，组态工作简单方便 ❖ 实现对工控系统的分布式控制和管理
1.1 MCGS组态软件的系统构成
1.1.1 MCGS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，又紧密相关。
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，它由可执行程序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” 。
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1.1.2 MCGS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。 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。
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。
4、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。
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、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。
1.2 MCGS组态软件的工作方式
1.2.1 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。 1.2.2 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
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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。 1.2.3 MCGS如何实施远程多机监控
MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。 1.2.4 如何对工程运行流程实施有效控制
MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。
1.3 组建工程的一般过程
1.工程项目系统分析：
分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和测控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，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动画显示的。 2.工程立项搭建框架：
MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，
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设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。 3.设计菜单基本体系：
为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。 4.制作动画显示画面：
动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。 5.编写控制流程程序：
在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。 6.完善菜单按钮功能：
包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。 7.编写程序调试工程：
利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。 8.连接设备驱动程序：
选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。 9.工程完工综合测试：
最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。
2 PLC简介
2.1 PLC的介绍
在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有
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着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求， 即：
1） 编程简单方便，可在现场修改程序； 2） 硬件维护方便，最好是插件式结构； 3） 可靠性要高于继电器控制装置； 4） 体积小于继电器控制装置； 5） 可将数据直接送入管理计算机； 6） 成本上可与继电器柜竞争； 7） 输入可以是交流115V；
8） 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀； 9） 扩展时，原有系统只需做很小的改动； 10 用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。
根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP—14型 ），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且，在工业发达国家发展很快。
在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（Programmable Controller），英文缩写为PC，并作如下定义：“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。”
其特点有以下几点：1、高可靠性；2、丰富的I/O接口模块；3、采用模块化结构； 4、编程简单易学 ；5、安装简单，维修方便；
2.2 PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC
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的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
3 交通信号灯监控系统设计
3.1控制要求
信号灯受一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。
南北红灯亮维持25秒，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20秒。到20秒时，东西绿灯闪亮，闪亮3秒后熄灭。在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮，并维持2秒。到2秒时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时，南北红灯熄灭，绿灯亮。
东西红灯亮维持30秒。南北绿灯亮维持25秒，然后闪亮3秒后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。周而复始。
3.2 I/O分配表
输入信号 输出信号 启动按钮SD 停止按钮SB2 南北红灯 东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 南北绿灯 南北黄灯 表3.1 I/O分配表
I0.0 I0.1 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 3.3 程序设计
根据控制要求编写如下控制程序：
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将以上程序下载到PLC中，使PLC正常运行。然后退出编程界面，但使PLC继续运行。
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3.4 交通灯人机界面设计
3.4.1 建立工程
进入组态环境之后，单击“用户窗口”，“新建窗口”,则新建一个窗口0，此时界面如图3.1所示：
图 3.1 MCGS组态环境
选中窗口0之后，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。 将窗口名称改写成为“交通灯监控系统”；窗口标题改为：“交通灯监控系统” ；窗口位置选中“任意位置”，则如图3.2的窗口所示，单击“确认”。
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图3.2 窗口属性设置
3.4.2 定义数据对象 返回图3.1所示界面
1、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。
2、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）。 3、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。 4、以南北红灯为例：将对象名称改为Q1；对象类型选择“开关型”；在对象内容注释输入框内输入：“南北红灯”，单击“确认”。
按照此方法依次定义其它变量则最后定义结束后如图3、3所示
图3.3 变量定义窗口
3.4.3 界面设计
工程效果图如图3、4所示：
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图3.4 交通灯监控系统效果图
文字添加方法
1、单击工具条中的“工具箱”按钮，打开绘图工具箱。
2、 选择“工具箱”内的“标签”按钮，鼠标的光标呈“十字”形，在窗口中需要添加文字的地方，根据需要拉出一个一定大小的矩形。
3、在光标闪烁位置输入文字例如“北”，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下，文字输入完毕。选择没有填充没有边线则文字输入完成。 交通灯画面制作：
利用工具箱中的图形控件椭圆制作出交通灯，利用长方形和直线制作出斑马线及道路模型。并从“插入元件”按钮中找到树木以美化界面。最后达到与效果图一样的界面。 3.4.4 构件属性设置 南北红灯属性设置
选中界面中南北红灯，单击右键，选择属性。在基本属性设置中，填充颜色选择红色，颜色动画连接选择填充颜色。则生成窗口如图3.5所示：
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图3.5 构件属性设置
点击填充颜色选项卡，表达式填Q1，填充颜色连接0为灰色，1为红色，如图3.6所示：
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图3.6 南北红灯属性设置
其它交通灯的属性设置与南北红灯设置的区别为表达式和填充颜色连接项的内容不同，则需要根据控制要求分别对其进行属性设置。 3.4.5 设备连接
返回图3.1的界面，按照下列步骤进行设置
在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。点击工具条中的“工具箱” 图标，打开“设备工具箱”。单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出如图3.7所示窗口：
图3.7 设备管理窗口
4、将通用串口父设备和西门子_S7200PPI设备添加到选定设备窗口中，点击确认。通过设备管理窗口将这两个设备添加到设备组态窗口。
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图3.8 设备组态窗口
5、设备组态完成后，双击“通用串口父设备0”进入通用串口父设备属性编辑界面，对其基本属性进行设置。按图3.9所示进行设置。单击“确认”设置完毕。
图3.9通用串口父设备属性设置
6、返回设备组态窗口，（图3.8所示窗口），双击“设备0—【西门子S7—200PPI】”进入设备属性设置窗口，首先按照下图所示对其基本属性进行设置，如图3.10
图3.10 设备属性设置
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7、基本属性设置完之后，单击“设置内部属性” ，此时内部属性后面会出现一个选项按钮，单击此按钮，对内部属性进行设置。点击增加通道按钮，出现图3.11所示窗口
图3.11 增加通道窗口
8、选择Q寄存器，通道数量改为8，则可以增加八个输出通道，操作方式选择读写 单击确认则通道属性变为图3.12所示
图3.12 通道属性
9、单击确认，然后对通道进行设置，按图3.13设置：通道类型前面填入对应的数据对象
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图3.13 通道连接窗口
3.4.6设备调试
1、单击图3.13中的设备调试选项卡，在调试之前确保plc处于正常运行状态。
图 3.14设备调试窗口
此时通讯状态显示为0则表示通讯正常，如果显示其它数据则表示通讯状态不正常，需要继续进行调试，直至达到图3.14中的通讯状态栏显示为0.
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2、回到图3.1所示界面，选择“主控窗口”单击右键，选择属性，选择“内存属性”选项卡，在用户窗口列表中选择“交通灯监控系统”，按“增加”按钮，则将其移入“装入内存窗口”如图3.15所示，按“确认”键。
图3.15 主控窗口属性设置
3、则人机界面设置完成。点击“进入运行环境”按钮，即可进入监控运行界面，如图3.16
图3.16 运行监控界面
此系统可以对交通灯的工作状态进行时时监控，以便及时发现工作时出现的故障。
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4 水位控制系统的设计
4.1控制要求
应用MCGS组态软件建立一个比较简单的水位控制系统。此设计涉及到动画制作、控制流程的编写、模拟设备的连接、报警输出、报表曲线显示与打印等多项组态操作。 水位控制需要采集二个模拟数据： 液位1（最大值10 米） 液位2（最大值6 米）
三个开关数据：水泵、调节阀、出水阀。
4.2 水位控制人机界面设计
按照交通灯人机界面的设计方法，对水位控制人机界面进行设置： 1、建立工程
在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，即：
选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：水位控制；将“窗口标题”改为：水位控制；其它不变，单击“确认”。
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选中刚创建的“水位控制”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。
2、定义数据对象
变量名称 类 型 注 释 水泵 开 关 型 控制水泵“启动”、“停止”的变量 调节阀 开 关 型 控制调节阀“打开”、“关闭”的变量 出水阀 开 关 型 控制出水阀“打开”、“关闭”的变量
液位 1 数 值 型 水罐1 的水位高度，用来控制1#水罐水位的变化 液位2 数 值 型 水罐2 的水位高度，用来控制2#水罐水位的变化 液位1上限 数 值 型 用来在运行环境下设定水罐1 的上限报警值 液位1下限 数 值 型 用来在运行环境下设定水罐1 的下限报警值 液位2上限 数 值 型 用来在运行环境下设定水罐2 的上限报警值 液位2下限 数 值 型 用来在运行环境下设定水罐2 的下限报警值 液位组 组 对 象 用于历史数据、历史曲线、报表输出等功能构件 3、界面设计
按照交通灯监控系统的设计，最后生成的画面如下图所示：
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4、设备连接
同样按照交通灯的监控设计进行设计 5、设备调试
对参数及属性等进行设置后，人机界面设置完成。点击“进入运行环境”按钮，即可进入监控运行界面
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结束语
此次实训历经了三个星期的时间，实训的目的就是要培养我们自己的动手实践能力，熟练掌握MCGS组态软件的使用，通过对液位控制系统的设计及交通灯监控系统的设计，基本掌握了MCGS的使用，并在此基础上又进一步了解了PLC，培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
通过三个星期的努力，终于可以自己独立完成一个项目的设计，这无疑是对自己实践能力的一个较大提高。当然这离不开的老师的帮助，实训只是我们自己实践的一个开始，要较好的掌握一门技术就必须要踏踏实实的去自己实践，只有运用到实践中的知识才是有用的。我们要不断在实践中巩固理论知识，用知识武装自己，提高自身价值。
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参考文献
1 吴中俊、黄永红.可编程序控制器原理及应用. 北京：机械工业出版社， 2003 2 王永华.现代电气控制及PLC应用技术. 北京：北京航空航天大学出版社， 2003 3 张万忠、刘明芹. 电器与PLC控制技术. 北京：化学工业出版社 ，2003 4 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术.北京：北京航天航空大学出版社，2007.1 5汪志锋.工控组态软件.电子工业出版社，2007
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