一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

◎葛笑寒

一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

◎葛笑寒

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

提出一種基于網(wǎng)絡(luò)的多模式PLC實訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用西門子公司新型控制器1200、1500、S7-200SMART和傳統(tǒng)的S7-400、S7-300、S7-200控制集成，采用工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP的通信模式，實現(xiàn)現(xiàn)場級、控制級、管理級的三層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息傳遞。可以用以太網(wǎng)完全實現(xiàn)三層網(wǎng)絡(luò)控制，也能實現(xiàn)各種控制器之間的以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP、PPI和USS協(xié)議等通信模式。系統(tǒng)端口開放，具有擴(kuò)展和級聯(lián)其他設(shè)備的功能。該實訓(xùn)系統(tǒng)對提高師生解決復(fù)雜工程問題的能力有積極作用。

工業(yè)控制；以太網(wǎng)；通信；設(shè)計；實現(xiàn)

可編程控制器技術(shù)（簡稱PLC）是工業(yè)控制領(lǐng)域的主流之一[1]。因此，PLC應(yīng)用技術(shù)已成為各高職院校電氣自動化專業(yè)必設(shè)的專業(yè)技術(shù)課程，具有很強(qiáng)的實踐性，各院校也都紛紛建立了與之配套的實訓(xùn)室或?qū)嵱?xùn)中心。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展和功能的提高，PLC實訓(xùn)裝置經(jīng)歷了普通實驗臺、網(wǎng)孔板式的實訓(xùn)臺、自動化生產(chǎn)線、全集成自動化等四個階段。早期控制實驗箱，內(nèi)部設(shè)備全部封閉，展現(xiàn)在學(xué)生面前的只是各種插線接口和指示燈，學(xué)生通過插接線操作即可完成實驗，這種操作與實際工程嚴(yán)重脫節(jié)；網(wǎng)孔版式的實訓(xùn)臺，在操作中將各種電氣元件安裝在網(wǎng)孔板上進(jìn)行接線，雖然元器件可見可測，但其功能單一，只能完成單項技能訓(xùn)練；自動化生產(chǎn)線是完全模擬工業(yè)生產(chǎn)實際，集成上位機(jī)、通信、PLC和傳感器等的一個復(fù)雜系統(tǒng)。它功能強(qiáng)大，但是只能服務(wù)于這個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，靈活性和柔性不足[2]；集成自動化是符合時代發(fā)展和工業(yè)發(fā)展的控制系統(tǒng)，它以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。本文使用西門子S7-1200、S7-1500、S7-200SMART、S7-200、S7-300、S7-400 控制器， 采用以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP 等通信方式實現(xiàn)多種模式網(wǎng)絡(luò)自動控制。該系統(tǒng)提供了多種模式操作設(shè)計方法，滿足多元化的實訓(xùn)項目，真正實現(xiàn)了學(xué)生畢業(yè)后在PLC技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域“零距離上崗”的最終教育目的。

1.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實訓(xùn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場和教學(xué)實際，本系統(tǒng)實行三個層級的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為管理層，控制層和現(xiàn)場層，如圖1所示。各部分的功能如下：

（1）管理層：處于網(wǎng)絡(luò)的頂層，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)資源的配置。本系統(tǒng)以工控機(jī)和S7-400為核心，能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備和整個網(wǎng)絡(luò)的管理。S7-400PLC是上位機(jī)控制器，用于集中監(jiān)視和管理功能[3]。工業(yè)現(xiàn)場要求大量的數(shù)據(jù)處理，一般都采用以太網(wǎng)通信。

（2）控制層：完成整個網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。多采用PROFIBUS或者以太網(wǎng)協(xié)議，支持AS-I等總線協(xié)議。本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中間層控制以PLC-300中CPU315-2PN/DP和新型控制器1500為核心，配合博圖軟件集成的WINCC軟件為平臺實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，動畫顯示，報警顯示，歷史數(shù)據(jù)，實時曲線等監(jiān)控和控制功能。該層控制器以S7-200SMART,200PLC,1200等設(shè)備做從站，實現(xiàn)系統(tǒng)的資源和通信配置。整個系統(tǒng)采用總線通訊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使整個系統(tǒng)處于開放、全數(shù)字、全分散的分布式系統(tǒng)。

（3）現(xiàn)場層：該層設(shè)備可以實現(xiàn)小型自動化控制，做系統(tǒng)的從站，可以直接連接各種儀器設(shè)備。該設(shè)備包括遠(yuǎn)程I/O設(shè)備、V20變頻器、配有以太網(wǎng)口及DP口的G120變頻器和支持以太網(wǎng)通信的V90伺服控制系統(tǒng)。

2.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實訓(xùn)系統(tǒng)硬件選型

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實訓(xùn)系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)分組成。

PLC控制系統(tǒng)控制器是核心。S7系列PLC（S7-400、S7-300、S7-200）已經(jīng)在國內(nèi)廣大自動化領(lǐng)域應(yīng)用。而西門子1200和1500PLC是新一代的產(chǎn)品，處理速度更快，安全性能更好，具有良好的操作界面。因此，一方面是采用西門子公司的S7系列PLC（S7-400、S7-300、S7-200）進(jìn)行；另一方面采用西門子1200和1500進(jìn)行。其中S7-400的功能強(qiáng)大，能夠進(jìn)行復(fù)雜的工廠自動控制和過程控制，處于網(wǎng)絡(luò)的管理層，需要交換大量數(shù)據(jù)，故而選擇經(jīng)濟(jì)型CPU412-2PN，它自帶兩個網(wǎng)口，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，能完成高速的數(shù)據(jù)交換；S7-300功能靈活，處于控制層，主要用于中型工廠自動化系統(tǒng)。目前，工業(yè)控制PROFIBUS-DP有大的市場占有率，但速度比以太網(wǎng)慢。故選擇經(jīng)濟(jì)型CPU314C-2PN/DP，它集成1個RS485、2個以太網(wǎng)接口能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP通信；S7-200是小型PLC，完成小型系統(tǒng)，本身僅支持PPI和USS協(xié)議，這里采用CPU226AC/DC/繼電器。要實現(xiàn)DP和以太網(wǎng)協(xié)議需配置專用的EM277模塊和CP-243-1以太網(wǎng)模塊。實際使用中，以太網(wǎng)模塊昂貴，所以200的小型自動化方案一般不采用以太網(wǎng)通信。1500是300和400的更新?lián)Q代產(chǎn)品，將來會逐步替代300和400成為工業(yè)控制的主流產(chǎn)品，它具有高效組態(tài)、工藝集成、集成顯示面板、集成系統(tǒng)診斷等優(yōu)越性能。所有CPU模塊均支持以太網(wǎng)通信。選擇CPU1511-1PN，它具有1xPROFINET（2端口交換機(jī)）能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制層的連接。1200是針對低端離散式自動化系統(tǒng)和單機(jī)自動化系統(tǒng)的緊湊型模塊化控制器，S7-200PLC的更新?lián)Q代產(chǎn)品，選擇經(jīng)濟(jì)型CPU1211C。另外，考慮到小型自動化系統(tǒng)以太網(wǎng)通信，采用西門子新產(chǎn)品S7-200SMART，選用CPU ST40 DC/DC/DC。這些控制器都被組建在網(wǎng)絡(luò)中，形成一個強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)體系。

圖1 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實訓(xùn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

運(yùn)動控制系統(tǒng)，以變頻調(diào)流系統(tǒng)和伺服運(yùn)動為主，選擇西門子公司生產(chǎn)的V20、G120變頻器和V90伺服驅(qū)動器。V20變頻器可以通過PLC的外部端子控制，也可以采用USS協(xié)議直接控制；G120變頻器則可以通過外部端子和以太網(wǎng)通信控制。而V90伺服驅(qū)動器集成有DP和PN口能夠?qū)崿F(xiàn)DP和以太網(wǎng)通信控制。

遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)主要以ET200M為核心，能夠以DP和以太網(wǎng)通信接入網(wǎng)絡(luò)?？梢院?00、400、1200、1500等進(jìn)行通信。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要有緊湊型交換機(jī)模塊、以太網(wǎng)線和PROFIBUS總線連接器及PROFIBUS總線構(gòu)成。CSM1277是一款應(yīng)用西門子工業(yè)以太網(wǎng)控制的結(jié)構(gòu)緊湊和模塊化設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，能夠被用來增加SIMATIC以太網(wǎng)接口以便實現(xiàn)與操作員面板，編程設(shè)備，其他控制器，或者辦公環(huán)境的同步通信。

人機(jī)交互系統(tǒng)，主要有工控機(jī)、人機(jī)界面和1500顯示屏。工控機(jī)裝有STEP7(TIA Portal)軟件，機(jī)界面采用TP700精智面板。

3.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制軟件系統(tǒng)

該實訓(xùn)系統(tǒng)，集成了西門子家族主流產(chǎn)品和更新?lián)Q代產(chǎn)品。故而需要多種軟件支持。其中STEP7(TIA Portal)主要用于組態(tài)SIMATIC S7-1200和S7-1500，也支持S7-300/400和WinAC控制器系列的工程組態(tài)軟件，但考慮工程實際，STEP7已經(jīng)被廣大工程技術(shù)人員熟知，且對電腦配置要求低。用于系統(tǒng)沒有S7-1200和S7-1500的工程中特別簡單快捷。西門子200已經(jīng)國產(chǎn)化，在一定時間內(nèi)仍舊有大的市場占有率，STEP7-Micro/WIN軟件支持該系統(tǒng)，TEP7-Micro/WIN SMART支持近幾年新出產(chǎn)品S7-200SMART，具體特征見下表。

軟件系統(tǒng)及要求表

4.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實訓(xùn)系統(tǒng)的項目設(shè)計及實現(xiàn)

PLC技術(shù)實訓(xùn)按層次高低通常分為PLC基礎(chǔ)應(yīng)用實訓(xùn)、驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用實訓(xùn)和PLC高級應(yīng)用實訓(xùn)［4-5］。其中，基礎(chǔ)應(yīng)用實訓(xùn)主要完成PLC基本技能項目，包括S7-300、400和S7-1200/1500等的單機(jī)組態(tài)和編程等；驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用實訓(xùn)主要完成變頻調(diào)速，伺服控制和步進(jìn)電機(jī)控制等項目；PLC高級應(yīng)用主要完成以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP等組網(wǎng)通信項目，利用各種型號的PLC和驅(qū)動裝置連接成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行信息的傳遞。通過本實訓(xùn)系統(tǒng)的升級，不僅可以完成PLC基礎(chǔ)應(yīng)用、驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用等傳統(tǒng)實訓(xùn)，還可實現(xiàn)PLC高級應(yīng)用實訓(xùn)。

圖2 小型通信系統(tǒng)的硬件組態(tài)

圖3 HMI人機(jī)界面設(shè)計

系統(tǒng)能完成的PLC高級應(yīng)用項目有S7-300、400和 1500PLC通過集成DP、PN與ET200M的Profibus DP、Profinet通信；S7-400 與 S7-300、1500 的 Profibus DP、Profinet通信；S7-300 通過EM277與 S7200的 Profibus DP通信，S7-200SMART、200通過集成RS485口的USS協(xié)議控制V20變頻器；S7300和1500通過集成DP、PN口的控制G120伺服控制器；S7-300、1200、1500、200SMART之間的通信等。

基于以太網(wǎng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試過程如下：首先，建立系統(tǒng)硬件組態(tài)，如圖2所示，實現(xiàn)HMI、1500、1200和 300PLC 控制 G120變頻調(diào)速的以太網(wǎng)連接。其次對各個控制器分別進(jìn)行編程。然后建立HMI人機(jī)界面，如圖3所示。最后，聯(lián)機(jī)系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行。結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。能夠在HMI上進(jìn)行伺服電機(jī)的啟停操作，同時PLC的輸出端口顯示數(shù)據(jù)的傳遞。

5.結(jié)論

該工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制實訓(xùn)系統(tǒng)能夠改變功能單一、內(nèi)部封閉傳統(tǒng)訓(xùn)練模式，把工業(yè)現(xiàn)代化的自動控制系統(tǒng)和教學(xué)實際相結(jié)合。體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)自動生產(chǎn)系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度管理、分布式、分層控制的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)集成西門子公司的主流產(chǎn)品，實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)中的多種組網(wǎng)技術(shù)和控制技術(shù)。特別是系統(tǒng)中集成西門子公司最新的S7-1200、1500控制器和集成管理軟件博圖，緊跟工業(yè)技術(shù)的發(fā)展潮流，該系統(tǒng)為高素質(zhì)技能人才技能提升和教學(xué)科研提供了優(yōu)越的平臺。

[1]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：11.

[2]許建鳳，傅永鋒.多模式PL實訓(xùn)平臺設(shè)計與研制[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（11）：65-67.

[3]陶權(quán).高職工業(yè)控制PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)平臺的研發(fā)[J].化工職業(yè)技術(shù)教育，2010（4）：47-49.

[4]沈燦鋼,孫曉明.西門子全集成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)室設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（2）：170-172.

[5]趙杰，李春華，徐益民，等.自動化專業(yè)實踐教學(xué)體系的研究與探索[J].實驗室研究與探索，2012(7)：340-341+360.

Anindustrialnetwork controlthedesignand implementationof trainingsystem

GEXiaohan
（Sanmenxia polytechnic，Sanmenxia472000，China）

In this paper,a multiple model based on network PLC training system was researched.The system adopts the new controller 1200,1500,Siemens S7-200 smart and traditional S7-400,S7-300,S7-200 control integration,using industrial Ethernet and PROFIBUS-DP communication mode，which implement the information transmission among site level,control level and management level.The system not only realize the three layer network control,but aslo can realize the commumication among the ethernet,PPI and uss protocol.System port is open,and have the function of extension and cascade of other equipment.The training system for improving the ability of the teachers and students to solve complex engineering problems plays apositive role.

Industrial control;Ethernet communication;Communication;Design;Realize

TP273

B

1671-9123（2017）03-0144-04

2017-03-21

三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技創(chuàng)新項目（SZY-2016-012）

葛笑寒（1983-），男，河南三門峽人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院教師。

（責(zé)任編輯 卞建寧）