崔桂梅， 顧婧弘， 劉丕亮

(內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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基于西門子PLC網(wǎng)絡化實驗平臺的設計

崔桂梅， 顧婧弘， 劉丕亮

(內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院，內(nèi)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(xiàn)有資源的基礎上，采用PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，搭建一種功能強大、應用廣泛的網(wǎng)絡化實驗平臺。該平臺實現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)組態(tài)技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡過程控制，為教學科研與開發(fā)應用提供一個面向工業(yè)過程的實驗平臺。

PLC； 網(wǎng)絡控制； PROFIBUS-DP； 工業(yè)以太網(wǎng)； 組態(tài)

0 引 言

PLC網(wǎng)絡控制技術(shù)在實際現(xiàn)場中的應用越來越廣泛，尤其在現(xiàn)代工業(yè)自動化和過程自動化的控制系統(tǒng)中，工業(yè)過程控制系統(tǒng)已趨于網(wǎng)絡化。傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)多數(shù)沒有建立網(wǎng)絡或網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)單一，導致缺乏信息資源的共享和出現(xiàn)生產(chǎn)過程沒有統(tǒng)一管理的“自動化孤島效應”現(xiàn)象，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)對生產(chǎn)的要求[1]。為解決此問題，學校利用實驗室現(xiàn)有設備，整合實驗資源，搭建基于西門子PLC的工業(yè)控制網(wǎng)絡平臺，以工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡為主，搭建多層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。使智能傳感器和執(zhí)行器通過工業(yè)控制網(wǎng)絡交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源共享。解決了傳統(tǒng)PLC實驗室網(wǎng)絡分散、孤立的問題，為學生提供良好的學習和開發(fā)的平臺，使學生的實踐與創(chuàng)新能力得到提高[2-4]。

1 網(wǎng)絡平臺介紹

流程工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)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(yè)領(lǐng)域控制系統(tǒng)運行環(huán)境，為本科生由淺入深、由上到下的掌握西門子PLC技術(shù)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(tǒng)化的了解西門子PLC網(wǎng)絡控制的結(jié)構(gòu)和功能，為培養(yǎng)出適應自動化發(fā)展的應用型人才做出貢獻。本實驗平臺的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)三層網(wǎng)絡控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)一般劃分三級：管理級、控制級、現(xiàn)場級。第一層管理級以PC機、S7-400和觸摸屏為主，用于企業(yè)的上層管理，采用具有傳輸速度快和傳輸數(shù)據(jù)量大的以太網(wǎng)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(xiàn)場級直接連接現(xiàn)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(wǎng)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(yè)控制現(xiàn)場，為學生提供很好的平臺去了解網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。

2 網(wǎng)絡平臺搭建

2.1 PROFIBUS-DP通信

PROFIBUS-DP由于數(shù)據(jù)的實時性較好，通常用于連接控制級與現(xiàn)場級，并進行數(shù)據(jù)傳輸[5-7]。在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，硬件組態(tài)圖如圖2所示。

圖2 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡的硬件組態(tài)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(xiàn)。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(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

溫度是工業(yè)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(qū)動模塊與PLC的輸出模塊連接，實現(xiàn)對模塊溫度的控制，通過WinCC對溫度控制進行監(jiān)控，并進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)。

2.1.3 S7-300與變頻器通信

利用DP通信實現(xiàn)速度閉環(huán)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(diào)用SFC14和SFC15完成對變頻器數(shù)據(jù)的讀寫，同時調(diào)用FB41完成速度閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)趨勢圖見圖5。

WinCC是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA的軟件平臺工具，利用WinCC對速度閉環(huán)調(diào)節(jié)過程進行監(jiān)控，實現(xiàn)對變頻器參數(shù)的讀寫與主頻率的給定[8]。

圖5 PID調(diào)節(jié)趨勢

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)通信

工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速度非?？?，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(jiān)控。在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，搭建了以S7-400為主站，兩個S7-300為智能從站的以太網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡組態(tài)如圖6所示。

圖6 以S7-400為主站的網(wǎng)絡組態(tài)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(tài)后，再進行網(wǎng)絡組態(tài)。并且插入新連接。采用發(fā)送數(shù)據(jù)模塊SFB12、接收數(shù)據(jù)模塊SFB13，使S7-300與S7-400進行以太網(wǎng)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(fā)送分段數(shù)據(jù)模塊，SFB13是接收分段數(shù)據(jù)模塊。其中REQ控制參數(shù)請求，在上升沿激活數(shù)據(jù)交換。R控制參數(shù)復位，當繼續(xù)進行數(shù)據(jù)交換時，將在上升沿處激活中止的數(shù)據(jù)交換。ID參見用于S7通信的SFB/FB和SFC/FC的公共參數(shù)。R_ID尋址參數(shù)R_ID，參見用于S7通信的SFB/FB和SFC/FC的公共參數(shù)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(tài)參數(shù)：0：作業(yè)還未啟動或仍然在運行；1：作業(yè)已經(jīng)無錯地執(zhí)行完畢。ERROR和STATUS狀態(tài)參數(shù)，出錯顯示：ERROR=0 STATUS的數(shù)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(tài)圖見圖8。

圖8 以S7-300為主站的硬件組態(tài)圖

被控對象的選擇具有代表性，一個是數(shù)字量控制的被控對象皮帶傳送裝置，常應用于工業(yè)現(xiàn)場。另一個是過程控制的被控對象水箱，它有內(nèi)控和外控兩種控制方式，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速控制管道中水的流量，進而調(diào)節(jié)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(wǎng)絡平臺的功能

本文所描述的網(wǎng)絡就是模擬工業(yè)控制網(wǎng)絡環(huán)境下的小型網(wǎng)絡平臺。PLC網(wǎng)絡化已經(jīng)深入到工業(yè)自動化的各個層次，從現(xiàn)場設備、可編程控制器、I/O設備等硬件組件到操作系統(tǒng)、驅(qū)動設備以及人機接口、網(wǎng)絡應用無處不在。在這個網(wǎng)絡平臺上可以實現(xiàn)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(jié)傳送帶控制。所開設的實驗可以更好地培養(yǎng)學生的興趣，擴展網(wǎng)絡平臺系統(tǒng)開放和應用。

由于西門子PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域應用非常廣泛，市場占有率非常高，它的網(wǎng)絡通訊技術(shù)是非常先進的，能夠提供從管理級、控制級到現(xiàn)場級的完善的網(wǎng)絡解決方案。這充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡的靈活性和開放性，我校PLC網(wǎng)絡化實驗室開設“可編程邏輯控制器”、“電氣控制技術(shù)”等本科課程相關(guān)實驗，以及本科畢業(yè)設計和自動化專業(yè)的PLC課程設計任務。實驗室以培養(yǎng)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(chǎn)的S7-200、S7-300、S7-400系列PLC進行教學，通過PROFIBUS數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議或ISO工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，利用它們的通信服務進行數(shù)據(jù)交換。這樣就把地理位置不同的計算機和PLC及其他數(shù)字設備連接起來，可高效率地完成數(shù)據(jù)的傳送、信息交換和通信處理等三項任務[8]。提出一套網(wǎng)絡化的教學模式，使學生基礎扎實，技術(shù)全面，綜合系統(tǒng)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(jié)合起來，能更好地適應工業(yè)控制領(lǐng)域的變化。

4 無線通信的研究

無線網(wǎng)絡在當今社會，越來越流行，在網(wǎng)絡化平臺中，加入無線通信，實現(xiàn)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(xiàn)兩臺PLC的無線通信。無線通信網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 無線通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

在所設計的網(wǎng)絡控制平臺下引入無線網(wǎng)絡不但可以實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，還可以實現(xiàn)異網(wǎng)同構(gòu)的功能[11-12]。

5 結(jié) 語

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

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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(zhì)量工程項目(教高廳函[2012]7號)；國家特色專業(yè)(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