一種工業網絡控制實訓系統的設計與實現

◎葛笑寒

一種工業網絡控制實訓系統的設計與實現

◎葛笑寒

（三門峽職業技術學院 電氣工程學院，河南 三門峽 472000）

提出一種基于網絡的多模式PLC實訓系統。該系統采用西門子公司新型控制器1200、1500、S7-200SMART和傳統的S7-400、S7-300、S7-200控制集成，采用工業以太網和PROFIBUS-DP的通信模式，實現現場級、控制級、管理級的三層網絡系統的信息傳遞。可以用以太網完全實現三層網絡控制，也能實現各種控制器之間的以太網、PROFIBUS-DP、PPI和USS協議等通信模式。系統端口開放，具有擴展和級聯其他設備的功能。該實訓系統對提高師生解決復雜工程問題的能力有積極作用。

工業控制；以太網；通信；設計；實現

可編程控制器技術（簡稱PLC）是工業控制領域的主流之一[1]。因此，PLC應用技術已成為各高職院校電氣自動化專業必設的專業技術課程，具有很強的實踐性，各院校也都紛紛建立了與之配套的實訓室或實訓中心。隨著PLC技術的發展和功能的提高，PLC實訓裝置經歷了普通實驗臺、網孔板式的實訓臺、自動化生產線、全集成自動化等四個階段。早期控制實驗箱，內部設備全部封閉，展現在學生面前的只是各種插線接口和指示燈，學生通過插接線操作即可完成實驗，這種操作與實際工程嚴重脫節；網孔版式的實訓臺，在操作中將各種電氣元件安裝在網孔板上進行接線，雖然元器件可見可測，但其功能單一，只能完成單項技能訓練；自動化生產線是完全模擬工業生產實際，集成上位機、通信、PLC和傳感器等的一個復雜系統。它功能強大，但是只能服務于這個系統的硬件結構，靈活性和柔性不足[2]；集成自動化是符合時代發展和工業發展的控制系統，它以現場總線為基礎實現網絡控制。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、PROFIBUS-DP 等通信方式實現多種模式網絡自動控制。該系統提供了多種模式操作設計方法，滿足多元化的實訓項目，真正實現了學生畢業后在PLC技術應用領域“零距離上崗”的最終教育目的。

1.工業網絡控制實訓系統的網絡拓撲結構

結合工業現場和教學實際，本系統實行三個層級的網絡拓撲結構，分為管理層，控制層和現場層，如圖1所示。各部分的功能如下：

（1）管理層：處于網絡的頂層，負責網絡資源的配置。本系統以工控機和S7-400為核心，能夠實時監控現場設備和整個網絡的管理。S7-400PLC是上位機控制器，用于集中監視和管理功能[3]。工業現場要求大量的數據處理，一般都采用以太網通信。

（2）控制層：完成整個網絡優化。多采用PROFIBUS或者以太網協議，支持AS-I等總線協議。本網絡系統的中間層控制以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軟件為平臺實現工業現場數據的采集，動畫顯示，報警顯示，歷史數據，實時曲線等監控和控制功能。該層控制器以S7-200SMART,200PLC,1200等設備做從站，實現系統的資源和通信配置。整個系統采用總線通訊的拓撲結構，使整個系統處于開放、全數字、全分散的分布式系統。

（3）現場層：該層設備可以實現小型自動化控制，做系統的從站，可以直接連接各種儀器設備。該設備包括遠程I/O設備、V20變頻器、配有以太網口及DP口的G120變頻器和支持以太網通信的V90伺服控制系統。

2.工業網絡控制實訓系統硬件選型

工業網絡控制實訓系統由PLC控制系統、運動控制系統、遠程I/O系統、網絡控制系統、人機交互系統分組成。

PLC控制系統控制器是核心。S7系列PLC（S7-400、S7-300、S7-200）已經在國內廣大自動化領域應用。而西門子1200和1500PLC是新一代的產品，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）進行；另一方面采用西門子1200和1500進行。其中S7-400的功能強大，能夠進行復雜的工廠自動控制和過程控制，處于網絡的管理層，需要交換大量數據，故而選擇經濟型CPU412-2PN，它自帶兩個網口，實現以太網通信，能完成高速的數據交換；S7-300功能靈活，處于控制層，主要用于中型工廠自動化系統。目前，工業控制PROFIBUS-DP有大的市場占有率，但速度比以太網慢。故選擇經濟型CPU314C-2PN/DP，它集成1個RS485、2個以太網接口能夠實現以太網和PROFIBUS-DP通信；S7-200是小型PLC，完成小型系統，本身僅支持PPI和USS協議，這里采用CPU226AC/DC/繼電器。要實現DP和以太網協議需配置專用的EM277模塊和CP-243-1以太網模塊。實際使用中，以太網模塊昂貴，所以200的小型自動化方案一般不采用以太網通信。1500是300和400的更新換代產品，將來會逐步替代300和400成為工業控制的主流產品，它具有高效組態、工藝集成、集成顯示面板、集成系統診斷等優越性能。所有CPU模塊均支持以太網通信。選擇CPU1511-1PN，它具有1xPROFINET（2端口交換機）能夠實現系統控制層的連接。1200是針對低端離散式自動化系統和單機自動化系統的緊湊型模塊化控制器，S7-200PLC的更新換代產品，選擇經濟型CPU1211C。另外，考慮到小型自動化系統以太網通信，采用西門子新產品S7-200SMART，選用CPU ST40 DC/DC/DC。這些控制器都被組建在網絡中，形成一個強大的網絡體系。

圖1 工業網絡控制實訓系統的網絡拓撲結構

運動控制系統，以變頻調流系統和伺服運動為主，選擇西門子公司生產的V20、G120變頻器和V90伺服驅動器。V20變頻器可以通過PLC的外部端子控制，也可以采用USS協議直接控制；G120變頻器則可以通過外部端子和以太網通信控制。而V90伺服驅動器集成有DP和PN口能夠實現DP和以太網通信控制。

遠程I/O系統主要以ET200M為核心，能夠以DP和以太網通信接入網絡。可以和300、400、1200、1500等進行通信。

網絡控制系統主要有緊湊型交換機模塊、以太網線和PROFIBUS總線連接器及PROFIBUS總線構成。CSM1277是一款應用西門子工業以太網控制的結構緊湊和模塊化設計的工業以太網交換機，能夠被用來增加SIMATIC以太網接口以便實現與操作員面板，編程設備，其他控制器，或者辦公環境的同步通信。

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

3.工業網絡控制軟件系統

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

軟件系統及要求表

4.工業網絡控制實訓系統的項目設計及實現

PLC技術實訓按層次高低通常分為PLC基礎應用實訓、驅動技術應用實訓和PLC高級應用實訓［4-5］。其中，基礎應用實訓主要完成PLC基本技能項目，包括S7-300、400和S7-1200/1500等的單機組態和編程等；驅動技術應用實訓主要完成變頻調速，伺服控制和步進電機控制等項目；PLC高級應用主要完成以太網、PROFIBUS-DP等組網通信項目，利用各種型號的PLC和驅動裝置連接成網絡，進行信息的傳遞。通過本實訓系統的升級，不僅可以完成PLC基礎應用、驅動技術應用等傳統實訓，還可實現PLC高級應用實訓。

圖2 小型通信系統的硬件組態

圖3 HMI人機界面設計

系統能完成的PLC高級應用項目有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。

基于以太網的變頻調速系統調試過程如下：首先，建立系統硬件組態，如圖2所示，實現HMI、1500、1200和 300PLC 控制 G120變頻調速的以太網連接。其次對各個控制器分別進行編程。然后建立HMI人機界面，如圖3所示。最后，聯機系統調試運行。結果表明，該網絡系統能夠正常運行。能夠在HMI上進行伺服電機的啟停操作，同時PLC的輸出端口顯示數據的傳遞。

5.結論

該工業網絡控制實訓系統能夠改變功能單一、內部封閉傳統訓練模式，把工業現代化的自動控制系統和教學實際相結合。體現了現代工業自動生產系統的統一調度管理、分布式、分層控制的工業網絡的發展趨勢。該系統集成西門子公司的主流產品，實現工業控制系統中的多種組網技術和控制技術。特別是系統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，緊跟工業技術的發展潮流，該系統為高素質技能人才技能提升和教學科研提供了優越的平臺。

[1]廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2014：11.

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

[3]陶權.高職工業控制PROFIBUS現場總線網絡實訓平臺的研發[J].化工職業技術教育，2010（4）：47-49.

[4]沈燦鋼,孫曉明.西門子全集成工業網絡實訓室設計與實現[J].實驗技術與管理，2015，32（2）：170-172.

[5]趙杰，李春華，徐益民，等.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(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

三門峽職業技術學院科技創新項目（SZY-2016-012）

葛笑寒（1983-），男，河南三門峽人，三門峽職業技術學院電氣工程學院教師。

（責任編輯 卞建寧）