摘 要：借助廣西大學(xué)行健文理學(xué)院控制工程實(shí)驗(yàn)室中的過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)過程控制實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過搭建一個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)過程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的“讀”、“寫”功能。讓學(xué)生了解工業(yè)組網(wǎng)，融合通信和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等知識(shí)，向?qū)W生展示網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新成果及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的靈活性與多樣性。

關(guān)鍵詞：過程控制；遠(yuǎn)程控制；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）29-0045-02

1 引 言

為開闊學(xué)生視野，讓學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)控制的相關(guān)技術(shù)，借助廣西大學(xué)行健文理學(xué)院控制工程實(shí)驗(yàn)室中的過程控制實(shí)驗(yàn)裝置，構(gòu)建一個(gè)基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的過程控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上集成自動(dòng)化領(lǐng)域的檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、控制、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)。通過這個(gè)平臺(tái)，讓學(xué)生了解工業(yè)組網(wǎng)，融合通信和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等知識(shí)，向?qū)W生展示網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新成果及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的靈活性與多樣性。

2 過程控制實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)研究現(xiàn)狀

遠(yuǎn)程控制是指通過互聯(lián)網(wǎng)（局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)）傳輸控制信息，在任意時(shí)間內(nèi)對(duì)異地的機(jī)器設(shè)備（如變頻器、觀測(cè)儀等）進(jìn)行控制[2]。按控制方式遠(yuǎn)程控制分為手動(dòng)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)遠(yuǎn)程控制兩類；按系統(tǒng)構(gòu)架可分為客戶端/服務(wù)器和瀏覽器/服務(wù)器兩種模式。

目前，國內(nèi)外有不少基于遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的研究和應(yīng)用，被控對(duì)象主要包括機(jī)器人系統(tǒng)、過程控制實(shí)驗(yàn)裝置和其他控制系統(tǒng)等。有的高校開發(fā)了在自動(dòng)化和機(jī)器人工程領(lǐng)域的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，通過網(wǎng)絡(luò)，工學(xué)專業(yè)的學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械臂教學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過試驗(yàn)機(jī)器人的路徑跟蹤證明他們的理論結(jié)構(gòu)。還有高校開放了基于網(wǎng)頁的雙容水箱控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)可以在該系統(tǒng)上進(jìn)行PID控制，模糊控制等實(shí)驗(yàn)。也有高校針對(duì)倒立擺設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要為校內(nèi)學(xué)生提供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

3 過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體介紹

以實(shí)驗(yàn)室的軟硬件設(shè)備和實(shí)驗(yàn)裝置作為平臺(tái)，構(gòu)建一個(gè)基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)化專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過以太網(wǎng)把過程控制的多套實(shí)驗(yàn)裝置接入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的局域網(wǎng)中，并通過一臺(tái)服務(wù)器對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。局域網(wǎng)內(nèi)的其他PC機(jī)可通過該服務(wù)器對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。通過搭建這樣一個(gè)集遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)、管理為一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控管理，還將能夠向?qū)W生展示工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的新成果和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的多樣性和靈活性。

4 過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)

（1）SMPT-1000設(shè)備是一套集多種實(shí)驗(yàn)功能于一體的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)裝置，其“現(xiàn)場(chǎng)工況”為全數(shù)字仿真與實(shí)物外觀模擬相結(jié)合的工業(yè)鍋爐或加熱爐流程系統(tǒng)，控制系統(tǒng)平臺(tái)則采用工程實(shí)際應(yīng)用的DCS系統(tǒng)。該裝置模擬鍋爐和蒸發(fā)器組成的水汽熱能全流程，可拆分成非線性儲(chǔ)罐與離心泵單元、動(dòng)力除氧單元、高階換熱單元、加熱爐單元、鍋爐單元、蒸發(fā)器單元，提供由簡到難的各個(gè)層次的過程控制被控對(duì)象?？捎蓛?nèi)部控制器控制，也可通過西門子S7-400 PLC作為控制器對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行控制。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。

（2）M801 MPS模塊化生產(chǎn)制造實(shí)訓(xùn)裝置由供料傳輸單元、機(jī)械手單元、加工單元、旋轉(zhuǎn)缸搬運(yùn)單元、傳輸檢測(cè)單元、搬運(yùn)單元、裝配單元、立體庫單元組成，模擬實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)訓(xùn)裝置的每個(gè)單元均由西門子S7-200控制，通過Profibus-DP總線可實(shí)現(xiàn)“單機(jī)/聯(lián)機(jī)”運(yùn)行。上層由一臺(tái)S7-300作為Profibus-DP主站，在聯(lián)機(jī)模式時(shí)負(fù)責(zé)匯總各個(gè)從站的傳感器數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)各個(gè)從站S7-200控制執(zhí)行器動(dòng)作。該裝置的單元可以進(jìn)行組合，具有較好的柔性，是學(xué)習(xí)控制、編程、裝配和調(diào)試技術(shù)的實(shí)踐平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)框架如圖2所示。

5 完成過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與監(jiān)控平臺(tái)的組網(wǎng)

為構(gòu)建基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)化專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，首先要完成實(shí)驗(yàn)室設(shè)備接入局域網(wǎng)。即通過以太網(wǎng)把實(shí)驗(yàn)室內(nèi)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置和運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置接入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的局域網(wǎng)。這部分已經(jīng)通過網(wǎng)線進(jìn)行安裝配置。

5.2 確定過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

因SMPT-1000實(shí)驗(yàn)設(shè)備由仿真模擬實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及西門子S7-400PLC組成，兩者之間通過Profibus總線相連。用于對(duì)PLC進(jìn)行編程的PC機(jī)通過PLC的Profinet總線與PLC相連進(jìn)行控制，根據(jù)這個(gè)情況，可直接把該P(yáng)rofinet總線通過交換機(jī)引出接入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的局域網(wǎng)中。

模塊化生產(chǎn)制造實(shí)訓(xùn)裝置中的S7-300作為Profibus-DP主站，通過Profibus控制從站的S7-200。用于編程的PC機(jī)通過USB轉(zhuǎn)PPI通信電纜對(duì)以上PLC進(jìn)行編程。經(jīng)過分析，S7-300同樣支持Profinet總線協(xié)議，且PLC自身已含有Profinet總線的RJ45以太網(wǎng)接口，可直接插入網(wǎng)線接入局域網(wǎng)中。

通過以上對(duì)實(shí)驗(yàn)室主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)它們進(jìn)行組網(wǎng)主要的途徑是通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備的上層PLC（S7-400、S7-300）。由于各種設(shè)備對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的要求不同，所以必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，常見的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為4層，并確定每一層的網(wǎng)絡(luò)。即將實(shí)驗(yàn)室設(shè)備分為以下四層，如圖3所示。

6 小 結(jié)

兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的上層PLC接入到局域網(wǎng)中，把從實(shí)驗(yàn)設(shè)備上各個(gè)IO點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)共享，供其他局域網(wǎng)內(nèi)PC或工控機(jī)查看，同時(shí)也接收PC或工控機(jī)發(fā)送的IO點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)寫入到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備IO點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的“讀”、“寫”功能。實(shí)現(xiàn)了過程控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的搭建，實(shí)現(xiàn)了集遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)、管理為一體。通過該平臺(tái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控管理，還將能夠向?qū)W生展示工業(yè)控制中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的多樣性與靈活性。

參考文獻(xiàn)

[1]熊瑞平，殷國富.網(wǎng)絡(luò)控制環(huán)境下的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12（11）：1848～1852.

[2]陸長勝.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)）實(shí)時(shí)性研究武漢大學(xué)[D].2005.

[3]陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4]鄒紅美，唐紅儒.基于Internet的遠(yuǎn)程過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)州大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2009，12（3）.

[5]邵裕森.過程控制及儀表[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1995，1.

[6]程 線.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)及其應(yīng)用涼山大學(xué)學(xué)報(bào)2002，4.

[7]王華忠，程 華，姚 俊.基于Internet的過程控制遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（7）：72～74.

[8]C C Ko，Ben M Chen，Jianping Chen，et al.Development of a web-based laboratroy for control experiments on a coupled tank apparatus[J].IEEE Transaction on Educationg，2001，44（1）：76～86.

收稿日期：2018-9-3

作者簡介：胡寧峪（1987-），女，實(shí)驗(yàn)師，研究生，主要從事控制工程方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

彭宇寧，女，教授，碩導(dǎo)，從事過程控制、計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用、虛擬儀器技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)工作。