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MCGS软件系统的组态环境和运行环境
MCGS软件系统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，用来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，以用户的制定方式运行，并进行各种处理，完成用户组态用户设计的目标和功能。组态环境和运行环境的关系如下图所示：
由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成。如下图所示
MCGS的五大组成部分
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构成，每一部分分别进行组态操作，可以完成不同的工作，且具有不同的特性。
（1）主控窗口
主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓、运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等内容，是应用系统的主框架。在主窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，主控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，编制工程菜单，设计封面图形，确定启动的窗口，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
设备窗口是连接和驱动外部设备的工作环境。设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗口通过设备构件吧外部设备的数据采集进来，送人实时数据库中的数据输出到外部设备。一个应用系统只有一个设备窗口，运行时，系统自动打开设备窗口来管理和调度所有设备构件正常工作，并在后台独立运行。
（3）用户窗口
用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面。其中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。图元和图符对象为用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画显示与操作模块，用户可以直接使用。通过在用户窗口内放置不同的图形对象来搭建多个窗口，用户可以构件各种复杂的图形界面，以便用不同的方式实现数据和流程的可视化。
组态工程中的用户窗口，多可以定义512个。所以的用户窗口均位于窗口内，其打开时窗口可见，关闭时窗口不可见。允许多个用户窗口同时处于打开状态，其位置、大小和边界等属性可以随意改变或设置。
（4）实时数据库
实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心，是MCGS系统的核心。它将MCGS工程各个部分连接成有机的整体。本窗口内定义的不同类型和名称的变量，将作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
MCGS用实时数据来管理所有的实时数据。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据的报警处理和存盘处理。因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特征参数（属性）以及对该变量的操作方法（设置报警性、报警处理、存盘处理等）。这种将数值、属性和方法封装在一起的数据称为数据对象。实时数据库采用面向对象的技术，不仅仅为其他部分提供服务，还为系统各个功能部件提供数据共享。
（5）运行策略
运行策略是对系统运行的流程实现有效控制的手段。本窗口主要完成对工程运行流程的控制。包括编程控制程序（if……then脚本程序）和选用各种功能构件，例如数据提取、定时器、配方操作和多媒体输出等。
运行策略本身是系统提供的一个框架，里面放置有策略条件构件和由策略构件组成的策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭并确定设备构件的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的jingque控制。
一个应用系统有三个固定的运行策略：启动、循环策略、和退出策略，用户也可以根据具体需要创建新的用户策略、循环策略、报警策略、事件策略、热键策略，并且用户多可创建521个用户策略。启动策略在应用系统开始运行时调用，退出策略在应用系统退出运行时调用，循环策略由系统在运行过程中定时循环调用，用户策略供系统中的其他部件调用
西门子PLC的常用数制有：
1.二进制数，二进制数的1位（bit）只能取0和1这两个不同的值，可以用来表示开关量（数字量）的两种不同的状态。
2.十六进制数，多位二进制数的书写和阅读很不方便，为了解决这一问题，可以用十六进制数来取代二进制数，每个十六进制数对应于4位二进制数。十六进制数的16个数字是0~9和A~F（对应于十进制数10~15）。
STEP7的基本数据类型有：
一、位(bit)的数据类型为BOOL布尔型，在编程软件中BOOL变量的值是1和0，用英语单词TRUE(真)和FALSE(假)表示。位存储单元的地址由字节地址和位地址组成，如I1.2中区域标识符I表示输入字节地址为3位地址为2.
二、字节(Byte)，8位二进制数组成1个字节，其中第0位为低位(LSB)，第7位为高位(MSB)。
三、字(Word)相邻的两个字节组成1 个字，字用来表示无符号数。MW10是由MB10和MB11组成的1 个字。用组成字的小的字节MB10的编号作为字MW10的编号，小字节MB10为字的高位字节，大的字节MB11为字的低位字节。
四、双字(Double Word),两个字(或四个字节)组成1个双字，双字用来表示无符号数。双字MD10由MB10至MB13组成。
五、16位整数(INT)是有符号数，整数的高位为符号位，高位为0时为正数，为1时为负数，取值范围为-32768~32767。32位整数(DINT)的高位为符号位，取值范围为-2147483648~2147483647。
六、32位浮点数(REAL)为称实数，可以表示为1.mX2^E，其中尾数m和指数E均为二进制数，E可能是正数，也可能是负数。浮点数的优点是用很小的存储空间（4B）可以表示非常大的和非常小的数。在编程软件中，一般并不直接使用二进制格式或十六进制格式的浮点数，而是用十进制小数来输入或显示浮点数，例如在编程软件中，10是整数，而10.0为浮点数。
PLC，字节的数据类型是用十六进制数表示，请问“字节”可以用二进制数或十进制数表示吗？
答：CPU以二进制数存储的，对于二进制、十进制、十六进制也是在内部自动进行转换的，请参考上传图片。
字节可以用二进制数或十六进制数表示。
常数可以是字节，字，或双字，常数也可以用十进制、十六进制ASCII码或浮点数表示。
B#16#，W#16#，DW#16#分别表示十六进制字节，字和双字常数。
2#用来表示二进制常数，例如2#1111 0110 1001 0001是16位二进制常数。
L#用来表示32位双整数常数，例如L# +5.
P#用来表示地址指针常数，例如P#M2.0是M2.0的地址。
数制转换
用单片机构成的PLC，实际上就是一个单片机测控系统。用这样一个程序控制的计算机系统去执行继电控制的梯形图程序，由于继电控制梯形图中各被控电器之间是并行关系，而计算机程序控制中，各被控电器之间在时间上是串行关系，二者显然不协调。若简单地像一般单片机测控系统一样，对梯形图各程序行依次实时采集输入端子状态，进行处理后实时输出，是达不到控制目的的。为此，必须采用一次性采集全部输入端子状态，并将其存入输入缓冲区。然后，按梯形图程序行的逻辑关系，从输入缓冲区读取相应输入端子状态，处理后将待输出的结果存入输出缓冲区。后,待梯形图程序行全部执行完毕，一次性将输出缓冲区的值输出到相应的输出端子，从而完成一个程序执行周期。如此往复，自动进行下一轮的采集输入端子状态……。这种工作方式即称为扫描方式，它将串行程序工作和电器并行工作两种关系协调了起来。另外，单片机执行一条指令的时间是μs级，执行一个扫描周期的时间为几ms乃至几十ms。相对于电器的动作时间而言，扫描周期是短暂的，可以认为在一个扫描周期内输入端子的状态是不变的，而对其状态变化的采集和处理也是实时的，从而满足了实时控制的要求。
系统硬件配置以AT89C51(以下简称51)单片机为核心，如图1所示。该单片机有4 KB闪存，不必扩展程序存储器，其4个I/O口共32个I/O引脚，都可供用户使用，其中P0.7~0.0，P2.4~2.0共13个脚经光耦隔离后连到相应的输入端子X07~X00，X14~X10。可以用行程开关、液位开关、霍耳开关和手动按钮等进行输入。开关接通时，相应引脚为"0"，取反后存入输入缓冲区。
P1.7~1.0共8个引脚用于输出控制：P1.i为"0"时，相应的PNP管导通，继电器Ji线圈通电，其触点Y5i接通，可驱动220 V/3 A的负载。
为了与PC机进行通信，系统扩展了RS-232C接口电路。51单片机的RXD和TXD信号经RS-232C电平变换后接至9芯插座。由此可与PC机进行串行通信。一方面，在编程状态时，可接收PC机上梯形图汇编程序编译结果的OBJ指令代码，并存入程序存储器;另一方面，在运行状态时，可将I/O口的状态和处理结果实时地发送给上位机。
程序存储器选用有SPI接口的X25045芯片。这是带可编程看门狗和电源监控功能的E2PROM，有512字节，每字节可擦写10万次，数据可保存100年。上电时自动提供200 ms高电平复位脉冲;有三种可编程看门狗周期;电源欠压，VCC降到转折点时，自动提供复位脉冲。E2PROM采用三线总线的串行外设接口SPI，既节省了I/O口线和电路板空间，又降低了系统成本。因此，该芯片是性价比极好的组合芯片。
软件设计分为PC机梯形图汇编程序编译软件和51单片机软件两部分。前者用IBM-PC汇编语言编写，我们称之为PLC编译软件。本机中我们自己设计了一套TD型PLC的梯形图汇编语言指令系统，有LD/LDI、AN/ANI、OR/ORI、TM/TMI、CN/CNI、MA/MAI、OUT、JP/JE和END等16条基本指令和X00~07、X10~14、Y00~07、CN0~1、TM00~07、MA00~07、10~17等器件。用它们来描述继电器梯形图，即设计梯形图汇编程序。用全屏幕编辑软件将其输入到PC机，即建立了源程序文件。然后用PLC编译软件将其编译成PLC目标程序文件(OBJ文件)，并经串行通信口发送到单片机，由单片机将其写入E2PROM。
51单片机软件由编程软件和运行软件组成。编程软件主要有串行通信和写E2PROM两个模块。此时，须将面版上的手动开关设置P2.7="0"，单片机即处于编程状态。当P2.7="1"时，单片机即处于运行状态。运行状态的程序主要有：
(1)输入端子采集模块
该模块两次采集P0口和P1口状态，结果全同时为有效，即将其存入输入缓冲区，否则重新采集。用软件滤波的方法，提高了抗干扰能力。
(2)指令分析模块
该模块从000H地址开始，依次读取E2PROM中的字节内容，先读出操作码，对其分析后转向相应的处理程序;接着读操作数，供处理程序操作，从而完成一条梯形图汇编指令的执行。然后再读取下一条指令的操作码……。遇到OUT指令时，将待输出的数据存入相应的输出缓冲区。
(3)输出模块
当CPU从E2PROM中读到END指令的二进制代码时，表示一次扫描周期结束，即将输出缓冲区的内容一次性输出到P1口，从而完成输出端子的刷新。
该PLC的应用可以用水塔水位控制的例子来说明。
图2(a)是硬件接线图，SB1/SB2是启动/停止按钮;SAC是水池液位开关：水浸到时接通，无水时断开;SAH、SAL分别是水塔的高低液位开关;M是水泵电机。
图2(b)是继电器梯形图，图2(c)是继电器汇编程序，即TD型PLC源程序。其中y50是PLC输出端子，我们将它的软件触点y50作为水位上升或下降的标志：y50="0"，表示电机已停，水位下降，此时SAL虽已接通，但电机不动作;y50="1"，表示电机正在抽水，水位上升，此时SAL接通，电机通电，继续抽水，直到高水位。
总结：系统完成了预期设想的功能目标。基于AT89C51的微型可编程控制器有其自己的优势，广泛用于生产生活中。
双头盲孔钻机是一种在实体材料上进行钻孔加工的常用机床，广泛应用于模具、汽车、机床制造等行业的零件加工生产当中。传统的手工加工，不仅速度慢，而且还极容易出错，导致产品生产率低下。
可编程逻辑控制器(PLC)具有稳定性好，控制精度高等优点，常被当作控制器来使用；而触摸屏的加入，即增强了人机交互的空间，还能在一定程度上减少PLC的外部I／O点的使用以及减轻系统连线复杂程度，由二者组合在一起的控制系统越来越广泛地应用在工业生产的各个领域。
这里采用松下PLC(FP—X(260T)与威纶触摸屏(Weinview MT506)设计一个控制系统。实践效果表明，完全能够达到双头盲孔钻机的没计要求。
1工艺控制要求与控制系统组成
双头盲孔钻机机械图如图1所示，它主要由6个气缸，4个步进电机，2个主轴电机组成。其中，气缸1起到压紧加工件的作用；气缸2用于定位作用，使得刀具与加工点处在同一水平线上；气缸3起紧固加工件的作用，防止加工时加工件因外力松动滑离加工位置；气缸4用于旋转工件，当一个表面加工完成，需要进行第二个表面加工，进行第二次加工时，需要将加工件旋转一次；气缸5，6起到对准加工件中心位置的作用。
4个步进电机分别控制4个轴向运动，左右移动电机向加工平台方向移动，将搭载有主轴电机的两个左右钻电机靠近加工平台；左右钻电机负责推送主轴电机前进进行钻孔加工，主轴电机安装有刀具。在加工过程中，如果一次性加工完成，则因加工深度太深，冷却液难以进入，导致刀具温度过高而被烧坏，铁屑也难以排出，进而导致加工失误，影响加工精度及生产效率，因此，在加工过程中，需要周期性地从待加工件中退出刀具，起到退屑、散热的作用。
1．1 系统工艺控制要求
双头盲孔钻机的控制动作主要分为气缸动作和电机控制动作。其中，气缸动作完成加工件的夹紧、推料到位等工作；电机动作完成电机的自动加工动作。主要的控制要求有：
(1)具有手／自动功能状态。手动时，要求可以对工序中气缸动作与电机动作的每个步骤进行独立操作，以便于试机调试。自动方式运行时，需严格按照工艺步骤时序要求运行。
(2)左右钻电机必须是在左右移电机动作完成之后才能开始动作，以保证刀具不会碰到其他部件而被损坏。
(3)钻孔时，要求左右钻电机周期性地前进后退，推送主轴电机及刀具完成整个加工动作，即需将一个加工分成多个小线段加工，保证每次前进加工后都能使得刀具从待加工件中退出，起到退屑和冷却的作用效果。
(4)需要有急停保护措施。急停按钮一按，产生报警信号，同时机床所有部件动作均停止，只能回零操作有效。回零操作启动的同时报警取消。
(5)需要有换刀、对刀功能。当发现刀具不利时，换完刀具之后，要进行自动对刀操作。
1．2 系统体系结构
控制系统采用松下PLC与威纶触摸屏相结合的方式：威纶触摸屏主要用于加工工艺参数的设置以及对PLC发送控制信号和显示PLC的状态信息(比如报警信息，正在进行的工序号信息等)，通过触摸屏软件编程，将触摸屏中的变量直接映射到PLC中，使得在触摸屏上的各个动作能够直接反映在PLC中；PLC通过读取现场的输入信号以及触摸屏的控制信号，按照预先编好的程序进行程序扫描之后，输出控制信号到机床，以控制电机或者气缸动作；现场传感器输入信号由左右移电机极限位置、原点传感器与左右钻电机极限位置、原点传感器和主轴电机电流传感器等输入信号组成。
2 硬件设计
综合考虑系统工艺要求，选用松下公司生产的FP—X C60T PLC。该PLC具有4个脉冲输出，由于每个脉冲输出均有一个脉冲输出口和脉冲方向输出口以及原点位置和极限位置输入口，故需占用4×4=16个I／O口；再根据系统的其他控制要求，需设定4个输入口(主轴超限电流和急停、启动输入)和10个输出口(包括对5个气缸的控制输出和报警信号、油泵信号，主轴电机过流输出信号等)。
触摸屏选用威纶Weinview MT506触摸屏，其开发软件是Easy Builder，简单易学。3 软件设计
3．1 PLC软件设计
松下FP—X C60T采用FPWIN GR Ver．2．72软件进行编程设计，可采用梯形图语言和顺序功能图语言进行编程，本设计采用梯形图编程。
软件设计包括手动方式和自动方式设计，其中手动方式要求对各个动作都能单独独立运行，自动方式操作时需要严格按照工艺要求的操作流程来完成整套动作。软件设计流程如图2所示。
3．1．1 自动方式设计
双头盲孔钻机自动方式下的工作流程如图2所示。由于自动方式具有较严格的工艺流程要求，编程时采用松下PLC的步进转移指令：SSTP，NSTL，NSTP，CSTP，STPE等5条指令。而对于步进电机的控制，则直接采用松下PLC中的脉冲输出指令F171(SPDH)，F172(PLSH)指令。通过设置脉冲输出指令控制字，还可以调节步进电机的低速，高速以及加速时间，脉冲个数等。使用松下PLC，对步进电机的控制很方便。
3．1．2 手动方式设计
手动方式一般用于试机运行及调试阶段。设计有6个气缸单步运行，4个步进电机单步执行，2个主轴电机单步执行。对于步进电机控制，采用调用子函数的方法来对各个步进电机进行单步运行。除此之外，换刀对刀功能也需要在手动下完成。
3．1．3 步进电机控制技巧
针对步进电机控制，采用松下PLC的特殊指令F171与F172。其中，针对F171有两种不同的控制，一种是梯形图控制，另外一种是原点返回控制。两种控制通过设定数据表来选择。这个指令可以用在自动方式下的步进电机控制。对于指令172(PLSH)是JOG控制，可以用于手动方式的电机控制。
3．1．4 急停功能设计
当发生任何故障或者紧急情况时，需要有急停保护措施。一旦按下急停按钮，对于气缸来说，则保持原状态不变；对步进电机来说，则需要将其脉冲输出停止，使得电机停止转动。这可以通过设置脉冲输出的控制命令字来完成。一旦出现紧急情况，则触发急停按钮，关闭脉冲输出指令，步进电机停止，同时报警信号产生。等按下回零按钮时，报警信号关闭，各步进电机回到原点。同时，还需要对PLC系统中的一些内部数据进行初始化，以备报警信号消除之后，钻床能够继续进行加工，而不是在故障发生时的状况下继续运作。
3．2 触摸屏设计
触摸屏设计包括创建人机界面和实现与PLC主机之间的通信两个方面的设计。
3．2．1 触摸屏人机界面设计
使用Easy BuiIder软件设计人机界面。该软件提供了多种控制器件库、图形空间和功能组件。根据系统工艺要求，配置有主画面、手动1、手动2、手动3和参数界面共4个界面。其中，主界面配置的部件有回零点、换刀对刀按钮，手／自动切换按钮、主轴电机按钮、气缸油泵按钮、启动按钮还有急停按钮；手动1、手动2是分别对左右移电机、左右钻电机进行手动单独控制，均设有快／慢速切换按钮、左右前进按钮和左右后退按钮、同时前进、同时后退按钮等；手动3界面是对6个气缸的单独手动控制，分别为各个气缸分配了一个按钮；参数界面主要设定工件加工初始位置、钻孔深度、进刀量等参数。图3为双头盲孔钻机人机界面的结构图。
3．2．2 触摸屏与PLC的通信
设定人机界面中的变量，使其与PLC中的相应I／O点或存储单元之间建立联系，实现触摸屏对PLC的控制及参数的输入，控制PLC的运行状态。
除此之外，还需要设定触摸屏与PLC之间的通讯参数，实现触摸屏与PLC之间的通讯。
在钻机系统中，采用PLC控制，使得系统硬件电路设计简单可靠，而触摸屏的设计，即增强了人机交互能力，同时也大大减少了传统控制方法中的开关、按钮、指示灯、仪表等电子器件的使用，还间接地减少了PLC外部I／O点的使用，简化了系统的硬件设计。两者的结合，综合了各自的优点，不但操作方便，系统性能也更加安全可靠，具有广阔的应用前景。
