基于現代工業通訊技術的電氣控制實訓裝置的開發與應用

◎尤向陽

（三門峽職業技術學院 電氣工程學院，河南 三門峽 472000）

基于現代工業通訊技術的電氣控制實訓裝置的開發與應用

◎尤向陽

（三門峽職業技術學院 電氣工程學院，河南 三門峽 472000）

介紹了基于以太網通訊的西門子現代電氣控制實訓裝置的開發思路，改變了單一以PLC為基礎進行電氣控制系統裝調的實訓模式，通過PROFIBUS、PROFINET等工業通訊網絡的配置，把PLC技術與工控網絡技術融合在一起，并結合實際的控制對象，使學生能夠在該實訓裝置上模擬工業自動化領域實際的現代電氣控制系統，為高職電氣自動化技術專業學生提供了良好的現代電氣控制技術安裝與調試實踐教學平臺。實踐教學證明，該裝置組合方便，實現了需要的控制系統配置方案，滿足了實踐教學的需要。

PLC；工控網絡；電氣控制；實訓裝置

隨著可編程控制技術和現代工業通訊技術的發展，現代電氣控制系統的功能從簡單的數字量控制領域擴展到復雜過程控制領域，尤其是在現場總線技術的出現，不僅解決了控制系統底層的現場設備之間的通訊問題，也使得生產現場設備與處于控制系統頂層的各種外界設備實現了信息的交換。[1]隨著高等學校創新創業教育活動的不斷開展，對電氣自動化技術專業學生核心職業能力培養的途徑和效果提出了更高的要求，因此，無論從專業建設角度或創新創業型人才培養需要及工業控制新技術學習體驗方面來看，現代電氣控制綜合性實訓裝置及實訓項目的開發都是電氣自動化技術專業當前教學改革中一項非常重要的工作。

1 開發方案

1.1 開發思路

本實訓平臺開發的目標是構建綜合性電氣控制系統安裝與調試實訓平臺。具體開發思路應主要遵循以下兩點：

（1）以現代電氣控制技術職業能力培養為主，依據硬件設計與軟件編程相結合，以實驗室模擬訓練與現場工程控制的真實需求相融合。

（2）以工業控制網絡技術為手段，連接工控機、編程控制器，變頻器、觸摸屏、伺服電機及其驅動器工控單元為一體，實現傳統控制技術與工業通訊技術的融合。

1.2 開發原則

（1）功能開放性

即能滿足校內高職學生職業技能實訓、師生科技研發的需要，又能對外開放為社會提供如創新創業培訓、職業資格鑒定等多方位服務，成為社會服務的窗口和基地。

（2）操作實用性

采用網孔板結構，底座帶有滾輪，各模塊相對獨立又可以互相組合，在確保設備使用安全的前提下，可根據教學需要靈活進行開發。

（3）技術先進性

控制器除采用西門子公司當前主流的S7-200系列和S7-300中規模控制器以外，更是增加S7-1200和S7-1500兩類新型控制器，未來這兩類控制器將逐步取代前面兩種類型。

（4）工作環境真實性

該實訓裝置按照工作的真實環境布局，全部采用真實的生產設備，完全按照企業的生產流程來組織教學，使學生“零距離”地完成工作任務，有效地提升了學生的職業能力。

1.3 開發方案綜述

基于現代工業通訊技術的電氣控制實訓裝置以工業以太網為主干網實現各工控設備間數據交換，PROFIBUS-DP和Profinet高可靠性的現場數據總線既能對現場不同的設備進行快速編程、尋址下載，又能保證數據的安全性。該實訓裝置的結構原理圖如圖1所示，裝置由主站控制器、從站控制器、人機界面、光纖交換機、變頻器、控制電機等部分組成。各部分由現場總線連接，通過工業以太網實現數據通信。根據市場主流控制器的不同，實訓裝置有如下兩種配置：

（1）以西門子S7-300控制器為主站，包含有S7-300控制器，S7-200控制器，觸摸屏一套，整體以工業以太網、PROFIBUS-DP現場總線網絡相連，S7-200系統通過IO點或者USS通訊方式控制V20變頻器，G120變頻器接入PROFIBUS-DP現場總線。

（2）以西門子S7-1500控制器為主站，包含有S7-1500控制器，S7-1200控制器，觸摸屏一套，整體以工業以太網、Profinet現場總線網絡相連。S7-1200系統通過脈沖方式控制V90伺服，G120變頻器接入Profinet現場總線。

2 主要配置

2.1 硬件系統配置

2.1.1 控制器

SIMATIC S7系列可編程控制器，具有模塊化、結構緊湊、功能全面等特點，適用于多種應用。SIMATIC S7-1200 PLC具有良好的可擴展性，可以靈活地與西門子其他工控產品（編程軟件、人機界面、伺服控制器等）進行集成，實現了緊湊設計下的高性能。因此，西門子SIMATIC S7-1200特別適合于低性能范圍內復雜控制任務的實現，目前正逐步取代市場上S7-200系列PLC，成為西門子綜合自動化解決方案中一個常用的中小規模控制器組件[2]。西門子公司新推出的S7-1500包含有諸多新特性，信號處理速度更為快速，特別是S7-1500已經無縫集成到TIA博途中，極大提高了工程組態的高效性和可用性，優化了控制質量并提高了系統性能。目前，S7-1500正逐步取代市場上的S7-300系列PLC，成為西門子綜合自動化解決方案中常用的大規模控制器組件。

2.1.2 交換機

SCALANCEX-200系列的工業以太網交換機支持PROFINET網絡連接方式，是一種可靠的網絡解決方案。SCALANCE X-200交換機具備PROFINET網絡診斷功能可以提高工業通信的可靠性，使現場調試和工程設計變得十分方便。[3]本系統所選X204-2，是一種非網管型IE交換機，自身有4個10/100 Mbit/s RJ45端口，2個 100 Mbit/s多模BFOC，自帶LED診斷和故障信號接點設置按鈕，并集成有冗余管理系統。

2.1.3 分布式I/O

分布式I/O采用ET200S。ET200可連接到PROFIBUS-DP現場總線上作為從站，是一種實現分布式驅動的輸入輸出配置單元。ET200S有良好的可擴展性，支持與電機啟動器、變頻器、氣動啟動元件等控制單元的連接。[4]

2.1.4 人機界面

人機界面采用西門子Smart 700觸摸屏，可以輕松與其他控制系統連。

2.1.5 被控對象

被控對象按照實訓項目的不同，設置有對象有物料分揀模擬裝置，V80變頻器，G120變頻器，MM420變頻器，伺服電機步及其驅動控制器，步進電機及其驅動控制器等。

2.2 通訊網絡的配置

2.2.1 PROFIBUS

PROFIBUS是一種廣泛應用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的總線技術，通常由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA等3個兼容部分組成[5]。其中PROFIBUS-DP尤其適用于PLC與現場各分布式I/O設備之間的通信。PROFIBUS-DP的傳送速度為9.6kbaud~ 12Mbaud，當總線系統啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。PROFIBUS現場總線技術不僅可以在現場施工中節省大量槽架、線纜和連接件，還可以大大減少系統設計與調試過程中所花費的時間。一方面，可以實現現場控制設備之間的聯系；另一方面也可以將控制信息接入公共數據網絡，方便現場設備與控制管理層之間的聯系。本實訓裝置可以采用兩種方式實現變頻器的控制，一種是利用PROFIBUS總線建立PLC和分布式I/O之間的連接來控制變頻器；另一種方法是把觸摸屏直接掛到PROFIBUS總線上來實現變頻器的控制。

2.2.2 PROFINET

PROFINET是一種基于工業以太網技術的通訊標準，可以兼容工業以太網和目前常用的現場總線技術。通過代理服務器可以使通常的現場總線系統與PROFINET連接起來。用這種方法可以方便地把ROFIBUS總線集成到PROFINET網絡當中。這樣，PROFINET網絡也可以實現PROFIBUS總線技術具有的各種設備診斷功能[6]。本實訓裝置就是使用IE/PB Link服務器將工控機、可編程控制器、分布式輸入輸出單元、變頻器等設備通過現場總線接到PROFINET網絡當中，模擬工業現場的實時控制。

圖1 實訓裝置的結構原理

3 實訓項目

以PLC可編程控制器為核心的電氣控制系統的應用能力是電氣自動化技術專業人才需具備的專業核心能力。因此，電氣自動化技術專業實訓裝置及實訓項目的開發要緊緊圍繞這一專業核心能力的培養而進行，利用本實訓裝置開發的實訓項目包括PLC控制技術、工控網絡組建與調試技術以及運動控制技術等內容。

3.1 PLC控制技術實訓

PLC控制技術實訓的目的是訓練學生利用基本編程語言編程，能夠獨立完成順序控制工藝的PLC控制系統安裝調試的能力。在本實訓系統中設計了一套模擬工業現場物料傳送及分揀裝置作為控制對象，由上料機構、搬運機械手、皮帶輸送線、物件分揀機構組成，對三種不同的物料（金屬鋁物料、白色纖維物料、黑色纖維物料）進行上料、搬運、運輸和分類分揀。該系統動力由氣壓供能，PLC通過直接控制電器執行元件和間接控制氣動執行元件來實現系統功能，模擬實現了機電一體化。基于PLC的控制可實現系統的自動化和半自動化控制。實踐教學中，老師可以根據實際工廠的流水線的控制要求設置實訓項目，使學生進行單步運行、自動運行、緊急停止、復位等常見控制功能的訓練，從而實現PLC應用技術這一專業核心能力的培養。

3.2 工控網絡組建與調試實訓

工控網絡組建與調試系列實訓項目的目的是讓學生了解各種工業控制網絡的搭建方法，并能夠通過工控網絡實現對控制對象的控制。利用PROFIBUS和PROFINET現場總線對西門變頻器進行控制的實訓項目原理圖（圖2）。其中控制器采用西門子S7-1200PLC，觸摸屏使用西門子HMI，變頻器采用西門子MM系列變頻器，PLC與變頻器之間的通信采用PROFIBUS總線，PLC與觸摸屏之間的通信采用PROFINET總線。該實訓項目的控制要求為：（1）通過觸摸屏設置變頻器的頻率；（2）通過觸摸屏實現變頻器的起停控制；（3）通過觸摸屏監控變頻器實時輸出頻率。

在以上硬件網絡組態的基礎上，學生可以利用觸摸屏通過PROFINET來控制分布式I/O上的輸入輸出元件。同時可訓練學生使用Wiccflexible組態軟件對觸摸屏進行控制界面的組態。進行此類工控網絡組建與調試實訓時，教師可根據學生的實際情況，讓學生學習利用Starter軟件，通過RS232接口實現PC機直接控制變頻器，對交流異步電動機進行調速。也可以在此基礎上讓學生嘗試用觸摸屏通過PROFINET來實現對變頻器的實時控制。

3.3 運動控制技術實訓

運動控制技術實訓的目的是通過項目訓練使學生掌握S7-1200運動控制工藝對象的使用方法，能夠使用這些工藝對象控制驅動器的脈沖輸出，完成伺服電機和步進電機運動控制系統的安裝與調試。SIMATIC S7-1200控制器是西門子全集成自動化的重要組成部分，與之配套開發的博途軟件也是一款具備組態功能的工程工具。尤其博途根據CPU S7-1200的“運動控制”功能，可以通過脈沖接口對步進電機和伺服電機的控制，故利用此功能可開展運動控制技術實訓項目。開展運動控制技術實訓時系統的基本配置及其連接示意圖（圖3）。

學生可以在博途（TIA Portal）中組態“軸”和“命令表“工藝對象，CPU S7-1200可以使用這些工藝對象控制驅動器的脈沖和方向。學生可以通過運動控制指令編寫程序實現控制任務。

圖2 基于工控網絡的變頻器控制系統

圖3 運動控制系統連接

以本實訓可以開展的主要實訓項目及實訓效果如下表所示：

開展的實訓項目一覽表

4 應用效果

圖4是按照本文方案所開發的基于以太網通訊的電氣控制系統安裝與調試實訓裝置實物圖。

該裝置改變了傳統單一以PLC為基礎進行電氣控制系統裝調的實訓模式，通過PROFIBUS、PROFINET等工業通訊網絡的配置，把PLC技術與工控網絡技術融合在一起，并結合實際的控制對象，充分利用資源，將該裝置應用于電氣自動化技術專業的多門專業核心技能課程中。在電氣自動化技術專業實踐教學中發揮了如下效果：

1.在專業核心課程的實訓教學中發揮了重要的作用，學生通過在該裝置進行項目化訓練，較好地掌握了PLC控制技術、工控網絡組建技術以及運動控制技術等專業核心技能；2.為學有余力的學生提供了一個創新創意研發的平臺，我院專業學生社團電氣自動化協會利用該實訓設備開展社團活動，進行創意創新，在三門峽市青年創新創意大賽取得了優異的成績；3.為學生參加高職技能大賽“自動化生產線按專業與調試”賽項和“現代電氣控制系統安裝與調試”賽項提供了訓練平臺，學生在河南省第九屆和第十屆高職技能大賽以上兩個賽項中均取得了團體二等獎的好成績；4.利用該實訓平臺，可開展社會技術培訓服務。

圖4 實訓裝置實物

[1]廖常初.S7-1200 PLC編程及應用[M].北京:機械工業出版社，2010:23-25.

[2]陳尚文.現場總線標準的發展與工業以太網技術[J].通信電源技術，2016（7）:150-151.

[3]鄒志勵.基于工業以太網的多臺西門子PLC與DCS的通信系統[J].電工技術，2016（7）：32-33.

[4]李方園.工業以太網模塊在西門子PLC系統中的應用[J].自動化博覽，2016（9）:58-60.

[5]李海波，楊國華，付琛.高職院校PLC課程綜合應用能力培養之途徑研究[J].延安職業技術學院學報，2013（2）:40-41.

[6]廖常初.使用S7-1200的體會[DB/OL].http://blog.gkong.com/liaochangchu_115264.ashx.2010/5/18.

（責任編輯 卞建寧）

TM762

B

1671-9123（2017）02-0128-05

2017-02-20

三門峽職業技術學院教改項目課題（SZY—2016—001）

尤向陽（1980-），男，河南洛陽人，三門峽職業技術學院電氣工程學院副教授，主要從事電氣自動化技術研究。