基于以太網和現(xiàn)場總線的工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)設計

張學輝

(遼寧軌道交通職業(yè)學院電氣工程系，遼寧 沈陽 110036)

基于以太網和現(xiàn)場總線的工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)設計

張學輝

(遼寧軌道交通職業(yè)學院電氣工程系，遼寧 沈陽 110036)

對工業(yè)控制網絡技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了深入研究。選擇當前工控領域應用十分廣泛的工業(yè)以太網Profinet及現(xiàn)場總線Profibus-DP，由上位工控機PC、控制主站S7-300 PLC、智能從站變頻器MM440、分布式I/O模塊ET200S、觸摸屏TP177B、工業(yè)以太網交換機、溫濕度變送器、軸流風機等構成工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)。研究了工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)的整體結構、通信方式及原理、軟硬件配置、網絡組態(tài)、硬件組態(tài)、人機交互(HMI)應用、PLC梯形圖程序編制及變頻器參數設置等，通過PLC與變頻器的Profibus總線通信，實現(xiàn)了全數字化的工業(yè)控制網絡。與集散控制系統(tǒng)DCS等半數字化的控制系統(tǒng)相比，工業(yè)控制網絡具有網絡化的優(yōu)勢。工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)在職業(yè)教育院校的理論與實際一體教學、職工培訓和科研工作中具有實際的應用價值，值得其他從事自主研制開發(fā)實訓設備的高職院校借鑒。

工業(yè)控制網絡； 以太網； 現(xiàn)場總線； PLC； 分布式I/O； 變頻器； 觸摸屏； WinCC； 組態(tài)技術

0 引言

工業(yè)控制網絡是自動控制領域近年來發(fā)展形成的網絡技術，是計算機網絡、通信技術與自動控制技術結合的產物[1]。工業(yè)控制網絡適應了企業(yè)信息集成系統(tǒng)和管理控制一體化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與需求，是IT技術在自動控制領域的延伸，是自動控制領域的局域網[2]。工業(yè)控制網絡經歷了從集成控制系統(tǒng)(in tegrated control system,CCS)到集散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)，再到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system,FCS)的發(fā)展過程。

近年來，以太網進入工業(yè)控制領域后，出現(xiàn)了大量基于以太網的工業(yè)控制網絡[3]。在控制網絡的更新?lián)Q代過程中，既要兼顧大量現(xiàn)有的、基于現(xiàn)場總線的設備，又要最終實現(xiàn)全方位的工業(yè)控制網絡化，于是出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線和以太網的混合工業(yè)控制網絡。西門子公司的Profinet和Profibus是目前市場上應用廣泛的工業(yè)以太網和現(xiàn)場總線技術。本文基于以太網和現(xiàn)場總線，并最大程度地貼近企業(yè)生產現(xiàn)場，設計了工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)，并將其應用于高職院校的科研與教學，取得了良好的社會和經濟效益。降低網絡能量消耗已成為無線傳感器網絡設計首要考慮的問題。

目前，在無線傳感器網絡的諸多研究領域中，定位問題的研究是近年來人們關注的熱點。按照定位所采用的距離參數獲得方式，把定位算法分為基于測距(range-based)和無需測距(range-free)兩種算法。無需測距定位算法在成本、功耗和擴展性等方面具有很強的優(yōu)勢，更適用于低功耗、低成本的應用領域。

本文在充分研究了現(xiàn)有無需測距定位算法的基礎上，將功率控制技術應用到定位算法中，并通過仿真分析驗證了算法的可行性。

1 實訓系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)結構

工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

實訓系統(tǒng)主要基于工業(yè)以太網Profinet和Profibus-DP現(xiàn)場總線的網絡結構，由上位工控機PC、控制主站PLC、智能從站變頻器、人機交互的觸摸屏、分布式I/O模塊和工業(yè)以太網交換機組成。為了使實訓系統(tǒng)貼近企業(yè)生產現(xiàn)場，配備了溫濕度變送器(電壓型)等典型模擬量輸入和軸流風機等被控對象。

1.2 系統(tǒng)軟件及硬件配置

上位工控機PC安裝了工業(yè)以太網網卡CP1613、西門子組態(tài)和編程軟件STEP 7 Professional、上位機監(jiān)控軟件WinCC和觸摸屏組態(tài)軟件WinCC Flexible。控制主站選用西門子公司S7-300系列模塊式PLC。PLC的電源選用PS307 5A。CPU選用集成了工業(yè)以太網Profinet和Profibus-DP總線接口的CPU315F-2PN/DP、數字量輸入/輸出模塊SM32316DI/16DO、模擬量輸入/輸出模塊 SM3344AI/2AO。智能從站選用西門子MM440 0.75 kW變頻器。為設置變頻器參數面板并與S7-300 PLC的總線進行通信，需配備基本操作面板模塊和Profibus-DP通信模塊。當一個大型設備或一個車間中工藝緊密關聯(lián)的控制信號較分散且具有局部集中特點時，可以利用工業(yè)以太網和分布式I/O構成分布式控制方式[4]。分布式I/O選用ET200S，ET200S的接口模塊為IM151-3 PN，電源模塊為PM-E,數字量電子模塊為2DI、2DO，模擬量電子模塊為2AI、2AO。人機交互界面選用TP177B PN/DP彩色觸摸屏,既支持工業(yè)以太網ProfiNet通信，又支持Profibus-DP總線通信。選用X005工業(yè)以太網交換機，構成工業(yè)以太網星形拓撲結構。

1.3 系統(tǒng)通信方式及原理

西門子工業(yè)控制網絡有MPI網絡、工業(yè)以太網Profinet、現(xiàn)場總線(Profibus)、點到點連接(PtP)和AS-i網絡[3]。工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)選擇了工業(yè)以太網Profinet和Profibus-DP現(xiàn)場總線通信方式，其中上位工控機PC、控制主站PLC、觸摸屏、分布式I/O模塊組成了基于以太網的工業(yè)控制網絡，控制主站PLC、觸摸屏和智能從站變頻器組成了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的工業(yè)控制網絡。這兩種工業(yè)控制網絡互為補充。

2 實訓系統(tǒng)軟件設計

2.1 硬件及通信組態(tài)

硬件組態(tài)的任務就是在STEP7中生成一個與實際硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)，例如要生成網絡、網絡中各個站的機架和模塊，以及設置各硬件組成部分的參數，即給參數賦值。對于網絡系統(tǒng)，需要對以太網Profinet、現(xiàn)場總線Profibus-DP和MPI等網絡的結構和通信參數進行組態(tài)，將分布式I/O連接到主站[5]。打開軟件STEP7，首先生成項目，添加主站，點擊Hardware圖標進入HW Config(硬件組態(tài))窗口，選擇機架RACK；然后在機架內分別插入各個模塊，插槽1為電源模塊，插槽2為CPU模塊，插槽3為接口模塊，插槽4～11為信號模塊、功能模塊、通信模塊。以上插槽除插槽2外如果沒有安裝模塊組態(tài)可以為空；雙擊相應模塊進行設置，如信號模塊的I/O地址設置等。

在STEP7項目管理器插入Ethernet或Profibus網絡，雙擊網絡圖標進入NETPro(網絡組態(tài))窗口進行網絡組態(tài)。無論是工業(yè)以太網，還是Profibus-DP現(xiàn)場總線都需要設置網絡地址。

2.2 WinCC及觸摸屏TP177B應用

近年來，人機界面在控制系統(tǒng)中起著越來越重要的作用。人機界面又稱人機接口，可以連接PLC、變頻器、直流調速器、溫控儀表、數據采集模塊等工業(yè)控制設備。用戶通過人機界面隨時了解、觀察并掌握整個控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必要時還可以通過人機界面向控制系統(tǒng)發(fā)出故障報警，進行人工干預[6]。工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)選擇了運行于PC硬件平臺、Windows操作系統(tǒng)下的組態(tài)軟件WinCC和觸摸屏TP177B為人機交互界面。無論是WinCC還是WinCC flexible，在進行人機界面組態(tài)時，都基本遵循以下幾個步驟。①創(chuàng)建項目，進行項目管理；②連接設備，進行通信設置；③新建變量，進行變量管理；④創(chuàng)建畫面，確定畫面的相互關聯(lián)；⑤畫面上開關、按鈕、文本、圖形等對象的組態(tài)；⑥報警記錄、趨勢圖、用戶管理、歷史數據和報表輸出等高級功能的組態(tài)；⑦運行系統(tǒng)設置。

2.3 變頻器與PLC的總線通信

電梯上行、下行PLC程序如圖2所示。

圖2 電梯上行、下行PLC程序圖

圖2中，I0.1和I0.2為近地上行、下行按鈕；M1.1和M1.2為觸摸屏上的上行、下行按鈕；PQW264為控制字地址；PQW266為設定值地址、變頻器的運行頻率由觸摸屏輸入到PLC的存儲字MW10內容確定。

現(xiàn)在許多變頻器都帶有現(xiàn)場總線接口，西門子的MM440變頻器通過通信模塊CBP板實現(xiàn)了與帶有DP口的S7-300 PLC的Profibus-DP的總線通信。在智能從站MM440變頻器與主站PLC之間的Profibus-DP現(xiàn)場總線通信中，采用過程參數對象(parameter process objects,PPO)類型作為數據傳遞格式[7-10]。工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)采用PPO1類型，PPO1為4PKW+2PZD，共由6個字組成。PKW為參數接口，是變頻器運行時要定義的一些功能碼，如最大頻率、基本頻率、加/減速時間等；PZD為過程數據接口，用來傳輸控制字和設定值(主站-變頻器)或狀態(tài)字和實際值(變頻器-主站)等輸入/輸出的數據值。在進行硬件組態(tài)時，選中“4PKW，2PZD(PPO1)”，主站PLC接收智能從站MM440變頻器的數據地址為PIW256～PIW266，發(fā)送地址為PQW256～PQW266。

3 結束語

工業(yè)控制網絡實訓系統(tǒng)兼顧現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及工業(yè)以太網技術，學生可以在該實訓系統(tǒng)上完成工業(yè)控制網絡組網和組態(tài)、PLC編程、傳感器應用、WinCC和觸摸屏組態(tài)、變頻器通信和參數設置等操作。實訓系統(tǒng)既適用于高職學生的理論與實際一體模式教學、畢業(yè)設計和校內實習，又適用于職業(yè)技術院校教師和自動化企業(yè)員工的培訓和科研工作。

[1] 徐皚冬,王宏,楊志家.基于以太網的工業(yè)控制網絡[J].信息與控制，2000，29(2)：182-186.

[2] 王振力.工業(yè)控制網絡[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[3] 胡毅,于冬,劉明烈.工業(yè)控制網絡的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].計算機科學,2010,37(1):23-27.

[4] 陶權.S7-300/400 PLC基礎及工業(yè)網絡控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[5] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6] 席巍.人機界面組態(tài)與應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[7] 葛鎖良，許瑾.基于Profibus-DP的變頻控制實驗系統(tǒng)的研制與應用[J].實驗室研究與探索，2008，27(3)：22-25.

[8] 王如松.組態(tài)軟件應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[9] 李方園.零起點學西門子S7-300/400 PLC[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[10]陶飛.一步一步學PLC編程(西門子STEP7)[M].北京：中國電力出版社，2013.

Design of the Industrial Control Network Training System Based on Ethernet and Fieldbus

ZHANG Xuehui

(Department of Electrical Engineering,Guidaojiaotong Polytechnic Institute,Shenyang 110036,China)

The current status and development trend of industrial control network technology are research.By selecting the industrial Ethernet Profinet and field bus Profibus-DP that are widely used in industrial control fields,the industrial control training system is constructed with the compositions of IPC as host computer,master control station S7-300 PLC,intelligent slave station frequency converter MM440,distributed I/O module ET200S,touch screen TP177B,industrial Ethernet switches,temperature/humidity transmitters,and axial fans,etc.The overall structure,communication mode and principle,configurations of hardware and software,network configuration,human machine interface (HMI) application,programming of ladder logic diagram,and parameters setting for frequency converter,etc.,of this training system are researched.The fully digitized industrial control network is realized through the Profibus communication between PLC and frequency converter.Comparing with the distributed control system and semi-digitized control system,this industrial control network features networking superiority. The training system based on industrial control network possesses practical applicable values for integrated theory and practice education in vocational education colleges,staff training,and scientific research work,it is worth to be referenced for researching and developing training devices in higher professional colleges.

Industrial control network； Ethernet; Fieldbus； PLC； Distributed I/O； Frequency converter； Touch screen； WinCC； Configuration technology

遼寧省財政廳基金資助項目(LNZC2014-0094)

張學輝(1978—)，男，碩士，講師，主要從事系統(tǒng)集成及工業(yè)自動化技術的研究。E-mail：zxh_52@126.com。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703011

修改稿收到日期：2016-11-21