基于西門子PLC網絡化實驗平臺的設計

崔桂梅， 顧婧弘， 劉丕亮

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

?

基于西門子PLC網絡化實驗平臺的設計

崔桂梅， 顧婧弘， 劉丕亮

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

針對本校PLC實驗室存在設備分散，通用性、集成性和開放性不高的問題，對實驗室進行改造。在整合實驗室現有資源的基礎上，采用PROFIBUS-DP和工業以太網通信方式，搭建一種功能強大、應用廣泛的網絡化實驗平臺。該平臺實現了現場總線技術和工業組態技術相結合的網絡過程控制，為教學科研與開發應用提供一個面向工業過程的實驗平臺。

PLC； 網絡控制； PROFIBUS-DP； 工業以太網； 組態

0 引 言

PLC網絡控制技術在實際現場中的應用越來越廣泛，尤其在現代工業自動化和過程自動化的控制系統中，工業過程控制系統已趨于網絡化。傳統的PLC控制系統多數沒有建立網絡或網絡結構單一，導致缺乏信息資源的共享和出現生產過程沒有統一管理的“自動化孤島效應”現象，無法滿足現代工業對生產的要求[1]。為解決此問題，學校利用實驗室現有設備，整合實驗資源，搭建基于西門子PLC的工業控制網絡平臺，以工業以太網和PROFIBUS-DP網絡為主，搭建多層網絡結構。使智能傳感器和執行器通過工業控制網絡交換數據，實現資源共享。解決了傳統PLC實驗室網絡分散、孤立的問題，為學生提供良好的學習和開發的平臺，使學生的實踐與創新能力得到提高[2-4]。

1 網絡平臺介紹

流程工業綜合自動化系統的工業網絡控制平臺，以典型的實驗掛件和復雜過程控制實驗室裝置為主要被控對象。真實地模擬工業領域控制系統運行環境，為本科生由淺入深、由上到下的掌握西門子PLC技術及應用，提供一個教學實施平臺。該實驗平臺可以使學生更加系統化的了解西門子PLC網絡控制的結構和功能，為培養出適應自動化發展的應用型人才做出貢獻。本實驗平臺的網絡結構圖如圖1所示。

該實驗平臺包含S7-400、S7-300、S7-200、ET200M、觸摸屏、計算機、MM420變頻器和5個被控對象，各部分通過工業以太網和PROFIBUS-DP網絡連接起來，實現三層網絡控制系統。現代網絡控制系統一般劃分三級：管理級、控制級、現場級。第一層管理級以PC機、S7-400和觸摸屏為主，用于企業的上層管理，采用具有傳輸速度快和傳輸數據量大的以太網通信方式；第二層控制級以S7-300為主，采用PROFIBUS-DP通信方式；第三層現場級直接連接現場的各種設備。該實驗平臺把實驗室分散的控制對象組合起來進行網絡控制，有邏輯控制的被控對象交通燈及皮帶傳送裝置，運動控制的被控對象電機，過程控制的被控對象水箱及加熱裝置等。被控對象的選取具有典型性和代表性,充分利用實驗室資源，模擬工業控制現場，為學生提供很好的平臺去了解網絡控制系統。

2 網絡平臺搭建

2.1 PROFIBUS-DP通信

PROFIBUS-DP由于數據的實時性較好，通常用于連接控制級與現場級，并進行數據傳輸[5-7]。在PROFIBUS-DP網絡結構中，搭建了以S7-300為主站，ET200M、S7-200和MM420變頻器為從站的兩層網絡結構，硬件組態圖如圖2所示。

圖2 PROFIBUS-DP網絡的硬件組態圖

2.1.1 S7-300與遠程I/O裝置通信

S7-300與遠程I/O裝置通信，遠程I/O裝置采用帶有DP口的IM153-2裝置。將ET200M撥碼器上的地址設為8，S7-300與ET-200之間通過PROFIBUS-DP總線連接，ET-200M的I/O模塊與被控對象交通燈模塊相連接，控制程序在S7-300中實現。交通燈的硬件接線圖如圖3所示。

2.1.2 S7-300與S7-200通信

在S7-300與S7-200進行通信時，由于S7-300與S7-200的通信接口不兼容，需要EM277模塊進行連接，其通信結構圖如圖4所示。

溫度是工業中必不可少的被控量，因此選擇實驗室的溫度控制模塊作為被控對象。S7-200與溫度模塊相連接，溫度變送器把反饋的溫度送到PLC中，加熱器驅動模塊與PLC的輸出模塊連接，實現對模塊溫度的控制，通過WinCC對溫度控制進行監控，并進行PID參數調節。

2.1.3 S7-300與變頻器通信

利用DP通信實現速度閉環控制，其中S7-300做主站，配有DP通信卡的變頻器做從站。S7-300通過PROFIBUS-DP與MM420變頻器連接，在OB1中調用SFC14和SFC15完成對變頻器數據的讀寫，同時調用FB41完成速度閉環控制。PID調節趨勢圖見圖5。

WinCC是數據采集監控系統SCADA的軟件平臺工具，利用WinCC對速度閉環調節過程進行監控，實現對變頻器參數的讀寫與主頻率的給定[8]。

圖5 PID調節趨勢

2.2 工業以太網通信

工業以太網的傳輸速度非常快，通常用于連接管理級與控制級，PC機作為上位機對下位機進行監控。在工業以太網網絡結構中，搭建了以S7-400為主站，兩個S7-300為智能從站的以太網網絡結構，網絡組態如圖6所示。

圖6 以S7-400為主站的網絡組態圖

2.2.1 S7-400與智能從站通信

如圖6所示，S7-400與S7-300進行通信，在主從站硬件組態后，再進行網絡組態。并且插入新連接。采用發送數據模塊SFB12、接收數據模塊SFB13，使S7-300與S7-400進行以太網通信。PG/PC口設置為TCP/IP->Broadcom NetLink。下面介紹下SFB12、SFB13的功能。

SFB12是發送分段數據模塊，SFB13是接收分段數據模塊。其中REQ控制參數請求，在上升沿激活數據交換。R控制參數復位，當繼續進行數據交換時，將在上升沿處激活中止的數據交換。ID參見用于S7通信的SFB/FB和SFC/FC的公共參數。R_ID尋址參數R_ID，參見用于S7通信的SFB/FB和SFC/FC的公共參數使用通過CP 441到S5或輔助設備的連接，R_ID包含了遠程設備的地址信息。DONE，DONE狀態參數：0：作業還未啟動或仍然在運行；1：作業已經無錯地執行完畢。ERROR和STATUS狀態參數，出錯顯示：ERROR=0 STATUS的數值：0000H：既不是警告也不是出錯；不等于0000H：警告，STATUS提供詳細信息ERROR = 1出錯[9-10]。

圖7 SFB12、SFB13圖

2.2.2 S7-300與遠程I/O裝置通信

S7-300與遠程I/O裝置通信，遠程I/O裝置均采用帶有PN口的IM153-4裝置。硬件組態圖見圖8。

圖8 以S7-300為主站的硬件組態圖

被控對象的選擇具有代表性，一個是數字量控制的被控對象皮帶傳送裝置，常應用于工業現場。另一個是過程控制的被控對象水箱，它有內控和外控兩種控制方式，調節水泵的轉速控制管道中水的流量，進而調節水箱的液位。將S7-300的模擬量信號送到變頻器控制端，將液位信號連接到S7-300的AI1+和AI1-上。有時為了避免擾動，通常要把輸入端AI1-和公共端MANA連接起來。下圖是給一個階躍信號，液位的變化圖如圖9所示。

圖9 液位曲線圖

3 網絡平臺的功能

本文所描述的網絡就是模擬工業控制網絡環境下的小型網絡平臺。PLC網絡化已經深入到工業自動化的各個層次，從現場設備、可編程控制器、I/O設備等硬件組件到操作系統、驅動設備以及人機接口、網絡應用無處不在。在這個網絡平臺上可以實現十字路口交通燈控制；液體自動混合控制；郵件分揀機控制；裝配流水線控制；軋鋼機控制；電機控制；機械手控制；水塔水位控制；電梯控制；加工中心控制；自動售貨機控制；自動配料/四節傳送帶控制。所開設的實驗可以更好地培養學生的興趣，擴展網絡平臺系統開放和應用。

由于西門子PLC在工業控制領域應用非常廣泛，市場占有率非常高，它的網絡通訊技術是非常先進的，能夠提供從管理級、控制級到現場級的完善的網絡解決方案。這充分體現了網絡的靈活性和開放性，我校PLC網絡化實驗室開設“可編程邏輯控制器”、“電氣控制技術”等本科課程相關實驗，以及本科畢業設計和自動化專業的PLC課程設計任務。實驗室以培養動手能力為主要目的，強化分析和解決實際問題的能力，我校選擇了西門子公司生產的S7-200、S7-300、S7-400系列PLC進行教學，通過PROFIBUS數據鏈路層協議或ISO工業以太網協議，利用它們的通信服務進行數據交換。這樣就把地理位置不同的計算機和PLC及其他數字設備連接起來，可高效率地完成數據的傳送、信息交換和通信處理等三項任務[8]。提出一套網絡化的教學模式，使學生基礎扎實，技術全面，綜合系統設計能力強，知識遷移能力好，后勁足，將實踐性、實用性和與時俱進的先進性有機結合起來，能更好地適應工業控制領域的變化。

4 無線通信的研究

無線網絡在當今社會，越來越流行，在網絡化平臺中，加入無線通信，實現不同品牌的PLC之間通信，遠距離傳輸，PLC利用GRM200G模塊把信號通過GPRS傳到服務器，再由服務器把信號通過GPRS傳給另一個的GRM200G模塊，進而實現兩臺PLC的無線通信。無線通信網絡的結構圖如圖10所示。

圖10 無線通信網絡結構圖

在所設計的網絡控制平臺下引入無線網絡不但可以實現遠距離的數據傳輸和監控，還可以實現異網同構的功能[11-12]。

5 結 語

本系統是對現有實驗室資源重新整合，搭建具有三層網絡結構的網絡過程控制平臺。通過系統調試，各類負載在PLC網絡下可以正常運行，現已應用于本校的教學和PLC實訓中，效果良好。該平臺的開發不僅滿足本校卓越工程師人才培養的要求，而且為教學科研與開發應用提供了一個面向工業過程的實驗平臺。同時，也為我國地方高校的網絡化實驗室建設提供一定的借鑒。

[1] 崔 堅.西門子工業網絡通信指南[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 崔桂梅，賈玉瑛.自動化專業應用型人才培養模式的改革和實踐[J].實驗室研究與探索，2009,28(11):114-116.

[3] 趙 杰，李春華.自動化專業實踐教學體系的研究與探索[J].實驗室研究與探索，2012,31(7):328-330.

[4] 田 海,崔桂梅. 西門子PLC控制網絡的配置策略與應用[J].電氣傳動，2010,40(1):76-80.

[5] 李世偉.基于Q系列PLC的三層網絡實驗控制系統的研究，2007

[6] 夏繼強.現場總線工業控制網絡技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.

[7] 施光林,劉 釗.可編程序控制器通信與網絡[M].北京:機械工業出版社,2006：1-17.

[8] 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[9] 劉建昌.S7-300/400PLC工業網絡通信技術指南[M].北京：機械工業出版社，2009.

[10] 王德吉，陳智勇.西門子工業網絡通信技術詳解[M].北京:機械工業出版社，2012.

[11] 吉 濤，荊學東.PLC網絡的無線通信方式研究[J].計算機測量與控制，2009(17)：1407-1409.

[12] 孫利民，李建中.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[13] 王永華，A.Verwer(英).現場總線技術及應用教程[M].北京：機械工業出版社.2012.

[14] 李 俊.薄翠梅.卓越工程師培養創新實驗平臺建設[J].電氣電子教學學報，2012,34(3):81-83.

[15] 潘再平，黃 進，趙榮祥，等.全面優化本科教學平臺，培養電氣工程創新人才[J].電氣電子教學學報，2010,32(S2)：20-23.

[16] 崔桂梅,龍剛領,劉丕亮. 網絡控制綜合集成實驗平臺[J].實驗室研究與探索，2013,32(12):112-114.

The Design and Research of Networked Experiment Platform Based on Siemens PLC

CUIGui-mei,GUJing-hong,LIUPi-liang

(School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

According to the problems that the PLC laboratory of Inner Mongolia University of Science and Technology faced, such as dispersed equipment, low level of universality, integration and openness, the laboratory is transformed. Thus, based on the integration of experimental resources, a powerful and wildly used network control platform was built through the two communication forms of PROFIBUS-DP and industrial Ethernet. The platform realizes combination control of the network process field bus technology and industrial configuration technology, provides an industrial process experimental platform for the application of teaching and scientific research.

PLC; network control; PROFIBUS-DP; industrial Ethernet; configuration

2014-03-19

國家質量工程項目(教高廳函[2012]7號)；國家特色專業(教高廳函[2008]7號)

崔桂梅(1963-)，女，河北保定人，博士，教授，副院長，研究方向：控制理論與計算機控制。

Tel.:13947247729;E-mail:cguimei1@163.com

TP 273.5

A

1006-7167(2015)03-0212-04