西門子全集成工業網絡實訓室設計與實現

沈燦鋼， 孫曉明

(江陰職業技術學院 電子信息工程系， 江蘇 江陰 214405)

?

職業技術教育

西門子全集成工業網絡實訓室設計與實現

沈燦鋼， 孫曉明

(江陰職業技術學院 電子信息工程系， 江蘇 江陰 214405)

針對單PLC為基礎的傳統實訓方式，采用模擬現代化工廠的設計思路構建西門子全集成工業網絡實訓室。將工業以太網、PROFIBUS-DP等組網通信技術與西門子PLC控制技術相結合，組成先進的PLC應用技術實踐平臺，并配備異步電機、伺服電機、氣動手爪等實際控制對象，能夠模擬實際工廠自動化生產線的控制。該實訓室的設備可以根據網絡配置方案組合，提高解決較復雜工程問題的能力。

可編程邏輯控制器； 工業網絡； 實訓室； 西門子

自2013年起，江陰市政府、西門子(中國)自動化與驅動集團、江陰職業技術學院共建江陰市高技能人才公共實訓基地，其中西門子全集成工業網絡實訓室主要采用西門子技術及產品。西門子PLC及其相關電氣產品可靠性高、功能豐富、編程靈活,尤其是組網通信功能強大，因而廣泛應用于工業自動控制系統中[1-2]。西門子全集成工業網絡實訓室采用模擬現代化工廠的設計思路[3-4]，綜合集成自動控制技術，具有現代化工廠所具備的先進性、集成性、網絡化，能滿足高技能人才職業技能培訓及高職院校教學科研需求。

1 實訓室工業網絡設計

西門子全集成工業網絡實訓室由1個總控調度平臺和14個車間組成。使用的西門子PLC產品主要有S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等；采用的通信方式有以太網、PROFIBUS-DP、USS、MPI、PPI等；涉及PLC控制、伺服控制、變頻調速、氣動控制、傳感器檢測等技術；控制對象主要有異步電機、伺服電機、氣動手爪等。

每個車間可以作為獨立的實訓平臺，也可以將一個車間拆解成子單元，或者將子單元組裝成一個車間，然后將車間整合并配置總控調度平臺，形成西門子全集成工業網絡實訓室。該平臺采用以太網、PROFIBUS-DP等通信方式實現數據交換[5-6]，總控調度平臺通過無線通信對各個車間進行遠程監控與操作[7-8]。

1.1 總控調度平臺

總控調度平臺主要由主控臺、交換數據無線路由器、西門子CPU 414-3PN/DP、計算機和投影顯示儀組成，主要實現車間監控、數據處理、調度等。圖1為總控調度平臺網絡拓撲圖，對車間工作過程的監控組態設計采用WINCC[9-10]。

圖1 總控調度平臺網絡拓撲圖

1.2 1—8號車間自動化生產線

1—8號車間的設備是相似的，圖2為1號車間網絡拓撲圖。該生產線主要實現供料、加工、裝配、輸送和分揀等功能，涉及氣動驅動、變頻驅動和伺服控制等技術。車間自動化生產線由1個主站和5個從站組成，主站采用CPU315-2PN/DP，從站采用S7-200系列PLC，主從站間通過CP243-1以太網模塊連接。總控調度平臺與主站通過無線以太網通信。該裝置還有其他組網通信方式，通過EM277 PROFIBUS-DP模塊用PROFIBUS專用電纜和DP插頭組成PROFIBUS-DP網絡。

1.3 9號車間小型自動化系統

9號車間為小型自動化系統，其網絡拓撲見圖3。相關設備都采用以太網連接，配置S7-1200-CPU1214C、CM1243-5、CSM1277，G120、HMI等設備。圖4為西門子小型自動化系統。

圖2 1號車間網絡拓撲圖圖3 9號車間網絡拓撲圖圖4 西門子小型自動化系統

1.4 10—11號車間精密加工裝置

10—11號車間主要由伺服電機及伺服控制器、高精度絲桿傳動機構、傳感器、鋁合金導軌式支架及PLC等組成，是一種將PLC、伺服電機控制、傳感器檢測有機結合的實訓裝置。該裝置的三軸機構由3臺交流伺服電機分別控制高精度滾珠絲桿及滾珠式雙滑塊平面直線線性導軌，構成x、y、z三軸定位裝置。在直線導軌上安裝異步電機模擬加工刀具，x、y軸之間在水平方向相互垂直形成平面加工面，z軸垂直于平面加工面。整個機構具有高精度定位、平面復雜軌跡運動功能。圖5為11號車間網絡拓撲圖，CPU317T-2DP配CP343-1 Lean以太網模塊組網通信，同時配IM174接口模塊對伺服電機進行精密運動控制。

圖5 11號車間網絡拓撲圖

1.5 12—14號車間自動化網絡拓展平臺

12—14號車間是自動化網絡拓展平臺，主要由CPU315-2PN/DP、CPU314C-2DP、CPU1214C、CM1241 RS485、CPU224XP 、CP243-1、CPU226CN、EM277、MM420、HMI組成，其網絡拓撲圖如圖6所示。該車間應用多種組網通信方式，CPU314C-2DP與總控調度平臺用無線以太網連接，與CPU1214C、CPU224XP、HMI工業以太網連接；CPU314C-2DP、CPU315-2PN/DP、CPU226CN、MM420、HMI以PROFIBUS-DP現場總線方式連接組網；CPU315-2PN/DP與CPU226CN、CPU224XP采用MPI通信方式；CPU226CN與CPU224XP之間采用PPI通信；CPU1214C與MM420采用USS通信。在自動化網絡拓展平臺上，以太網、PROFIBUS-DP、USS、MPI、PPI等通信方式都有體現，但設備、通信方式都不是固定的，可以根據實際工程需求配備控制對象合理采用設備組網通信控制。

圖6 12-14號車間網絡拓撲圖

2 實訓項目設計與管理

西門子全集成工業網絡實訓室的相關設備屬于PLC控制技術的高級應用，在培訓及教學中注意循序漸進[11-12]，可以將實訓項目拆分為PLC基礎、傳感器檢測、伺服控制、變頻調速、氣動應用、組網通信、精密加工等項目。以上項目都可以在西門子全集成工業網絡實訓室完成。考慮到該實訓室資源緊張，可以將這些項目分為PLC基礎應用、驅動技術應用和PLC高級應用等3個層次[13-14]，其中PLC基礎應用、驅動技術應用項目也可以安排在其他實訓室進行。

PLC基礎應用主要涉及PLC基礎實訓項目，可以在S7-200、S7-300、S7-1200實訓室培訓，讓學生熟悉單機PLC、輸入輸出模塊、STEP7硬件組態、WINCC組態監控、觸摸屏等。驅動技術應用主要涉及傳感器檢測、伺服控制、變頻調速、氣動應用等項目，可以安排在伺服控制實訓室、電機調速實訓室、氣動應用實訓室，讓學生熟悉各類傳感器、編碼器、伺服電機、伺服控制器、異步電機、變頻器、PLC、微型氣缸、氣動手爪等相關設備，熟悉伺服控制系統、變頻調速系統和氣動驅動系統的工作過程。PLC高級應用主要涉及組網通信，包括自動化生產線、精密加工、工程拓展等項目，須在西門子全集成工業網絡實訓室完成。特別是自動化網絡拓展平臺，它可以針對實際工程項目建立控制網絡，并進行調試。

3 結束語

建設西門子全集成工業網絡實訓室的目的在于改變單一、分散的PLC可編程控制器實訓模式，符合現代自動控制系統的集中管理、分散控制的工業網絡控制發展趨勢，最重要的是在自動控制系統中整合PLC控制技術與多種工業組網通信控制技術，為高技能人才職業技能培訓及教學科研提供先進的平臺。

References)

[1] 王豐.PLC控制系統方案配置中的網絡選擇與工程實現[J].電氣應用,2005,24(7):116-118.

[2] 廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2012.

[3] 陳博通,龍洪勝,史運濤.西門子SIMATIC網絡控制實驗室的設計與實現[J].實驗室研究與探索,2008,27(8):257-259.

[4] 余朝剛,劉啟中,高飛.西門子工業網絡控制實驗系統研究[J].制造業自動化,2007,29(7):56-58.

[5] 崔堅.西門子工業網絡通訊指南[M].北京:機械工業出版社,2005.

[6] 田海,崔桂梅,王曉紅,等.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.

[7] 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(7):1407-1409.

[8] 關新平,閆文凱,袁亞洲,等.PLC自由口模式下的工業無線監控系統設計[J].自動化儀表,2012,33(7):66-68.

[9] 孫蓉,呂淑平,蘇麗,等.基于西門子PLC的遠程實驗平臺建立與實現[J].實驗技術與管理,2013,30(10):87-89.

[10] 施一萍,趙敏媛,劉啟中,等.基于現場總線的PLC監控網絡及組態軟件設計[J].計算機應用與軟件,2006,23(3):31-32.

[11] 馮劉中,肖陽柳,楊波,等.基于PLC的開放式綜合實驗系統設計[J].實驗科學與技術,2007,5(4):153-155.

[12] 苗紅霞,齊本勝.PLC控制技術實驗教學改革研究與實踐[J].實驗技術與管理,2010,27(3):136-139.

[13] 郎朗,陳躍東,陳欣.PLC課程體系的多層次實驗結構的研究[J].電氣電子教學學報,2010,32(2):70-72.

[14]石崗.PLC綜合性實驗設計[J].實驗室科學,2013,16(4):7-10.

Design and implementation of Siemens totally integrated industrial network laboratory

Shen Cangang, Sun Xiaoming

(Department of Electronic Information Engineering, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214405,China)

In view of the traditional training mode based on single PLC, Siemens totally integrated industrial network laboratory was constructed by using the design idea of simulation of modern chemical plant. The network communication technology of Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP， etc., and PLC control technology of Siemens were integrated, at the same time, the actual control object of asynchronous motor, servo motor, pneumatic gripper. etc., were provided, and the control of actual factory automatic production line could be simulated. The advanced practice platform of Siemens PLC application technology was constituted. The equipment in the laboratory could be disassembled and assembled according to configuration scheme of network control. The ability to solve more complex engineering problems can be improved.

programmable logic controller; industrial network; laboratory; Siemens

2014- 06- 06

江蘇省教育科學“十二五”規劃專項課題資助項目(C-b/2013/03/008)；江蘇省高等教育教改立項課題(2013JSJG341)

沈燦鋼(1981—)，男，江蘇靖江，碩士，講師，研究方向為電氣自動化控制技術.

E-mail：cannonsun@163.com

TP273

A

1002-4956(2015)2- 0170- 03