基于西門子PLC網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

崔桂梅， 顧婧弘， 劉丕亮

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

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基于西門子PLC網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

崔桂梅， 顧婧弘， 劉丕亮

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

針對(duì)本校PLC實(shí)驗(yàn)室存在設(shè)備分散，通用性、集成性和開放性不高的問題，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造。在整合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上，采用PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，搭建一種功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和工業(yè)組態(tài)技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)過(guò)程控制，為教學(xué)科研與開發(fā)應(yīng)用提供一個(gè)面向工業(yè)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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

0 引 言

PLC網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化的控制系統(tǒng)中，工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)已趨于網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)多數(shù)沒有建立網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一，導(dǎo)致缺乏信息資源的共享和出現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程沒有統(tǒng)一管理的“自動(dòng)化孤島效應(yīng)”現(xiàn)象，無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)生產(chǎn)的要求[1]。為解決此問題，學(xué)校利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，整合實(shí)驗(yàn)資源，搭建基于西門子PLC的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)為主，搭建多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。使智能傳感器和執(zhí)行器通過(guò)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)資源共享。解決了傳統(tǒng)PLC實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)分散、孤立的問題，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)和開發(fā)的平臺(tái)，使學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力得到提高[2-4]。

1 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)介紹

流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)，以典型的實(shí)驗(yàn)掛件和復(fù)雜過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室裝置為主要被控對(duì)象。真實(shí)地模擬工業(yè)領(lǐng)域控制系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)用，提供一個(gè)教學(xué)實(shí)施平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以使學(xué)生更加系統(tǒng)化的了解西門子PLC網(wǎng)絡(luò)控制的結(jié)構(gòu)和功能，為培養(yǎng)出適應(yīng)自動(dòng)化發(fā)展的應(yīng)用型人才做出貢獻(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含S7-400、S7-300、S7-200、ET200M、觸摸屏、計(jì)算機(jī)、MM420變頻器和5個(gè)被控對(duì)象，各部分通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)三層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一般劃分三級(jí)：管理級(jí)、控制級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。第一層管理級(jí)以PC機(jī)、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(jí)以S7-300為主，采用PROFIBUS-DP通信方式；第三層現(xiàn)場(chǎng)級(jí)直接連接現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)把實(shí)驗(yàn)室分散的控制對(duì)象組合起來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，有邏輯控制的被控對(duì)象交通燈及皮帶傳送裝置，運(yùn)動(dòng)控制的被控對(duì)象電機(jī)，過(guò)程控制的被控對(duì)象水箱及加熱裝置等。被控對(duì)象的選取具有典型性和代表性,充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，模擬工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，為學(xué)生提供很好的平臺(tái)去了解網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建

2.1 PROFIBUS-DP通信

PROFIBUS-DP由于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性較好，通常用于連接控制級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5-7]。在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)，硬件組態(tài)圖如圖2所示。

圖2 PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的硬件組態(tài)圖

2.1.1 S7-300與遠(yuǎn)程I/O裝置通信

S7-300與遠(yuǎn)程I/O裝置通信，遠(yuǎn)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(shè)為8，S7-300與ET-200之間通過(guò)PROFIBUS-DP總線連接，ET-200M的I/O模塊與被控對(duì)象交通燈模塊相連接，控制程序在S7-300中實(shí)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(jìn)行通信時(shí)，由于S7-300與S7-200的通信接口不兼容，需要EM277模塊進(jìn)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(shí)驗(yàn)室的溫度控制模塊作為被控對(duì)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(dòng)模塊與PLC的輸出模塊連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊溫度的控制，通過(guò)WinCC對(duì)溫度控制進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)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(shí)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(guò)PROFIBUS-DP與MM420變頻器連接，在OB1中調(diào)用SFC14和SFC15完成對(duì)變頻器數(shù)據(jù)的讀寫，同時(shí)調(diào)用FB41完成速度閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)趨勢(shì)圖見圖5。

WinCC是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA的軟件平臺(tái)工具，利用WinCC對(duì)速度閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shì)

2.2 工業(yè)以太網(wǎng)通信

工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸速度非常快，通常用于連接管理級(jí)與控制級(jí)，PC機(jī)作為上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，搭建了以S7-400為主站，兩個(gè)S7-300為智能從站的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖6所示。

圖6 以S7-400為主站的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行通信，在主從站硬件組態(tài)后，再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行以太網(wǎng)通信。PG/PC口設(shè)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(qǐng)求，在上升沿激活數(shù)據(jù)交換。R控制參數(shù)復(fù)位，當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，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(guò)CP 441到S5或輔助設(shè)備的連接，R_ID包含了遠(yuǎn)程設(shè)備的地址信息。DONE，DONE狀態(tài)參數(shù)：0：作業(yè)還未啟動(dòng)或仍然在運(yùn)行；1：作業(yè)已經(jīng)無(wú)錯(cuò)地執(zhí)行完畢。ERROR和STATUS狀態(tài)參數(shù)，出錯(cuò)顯示：ERROR=0 STATUS的數(shù)值：0000H：既不是警告也不是出錯(cuò)；不等于0000H：警告，STATUS提供詳細(xì)信息ERROR = 1出錯(cuò)[9-10]。

圖7 SFB12、SFB13圖

2.2.2 S7-300與遠(yuǎn)程I/O裝置通信

S7-300與遠(yuǎn)程I/O裝置通信，遠(yuǎn)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(duì)象的選擇具有代表性，一個(gè)是數(shù)字量控制的被控對(duì)象皮帶傳送裝置，常應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。另一個(gè)是過(guò)程控制的被控對(duì)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(jìn)而調(diào)節(jié)水箱的液位。將S7-300的模擬量信號(hào)送到變頻器控制端，將液位信號(hào)連接到S7-300的AI1+和AI1-上。有時(shí)為了避免擾動(dòng)，通常要把輸入端AI1-和公共端MANA連接起來(lái)。下圖是給一個(gè)階躍信號(hào)，液位的變化圖如圖9所示。

圖9 液位曲線圖

3 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能

本文所描述的網(wǎng)絡(luò)就是模擬工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的小型網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。PLC網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)深入到工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)層次，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、可編程控制器、I/O設(shè)備等硬件組件到操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及人機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無(wú)處不在。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈控制；液體自動(dòng)混合控制；郵件分揀機(jī)控制；裝配流水線控制；軋鋼機(jī)控制；電機(jī)控制；機(jī)械手控制；水塔水位控制；電梯控制；加工中心控制；自動(dòng)售貨機(jī)控制；自動(dòng)配料/四節(jié)傳送帶控制。所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的興趣，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)開放和應(yīng)用。

由于西門子PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，市場(chǎng)占有率非常高，它的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)是非常先進(jìn)的，能夠提供從管理級(jí)、控制級(jí)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的完善的網(wǎng)絡(luò)解決方案。這充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和開放性，我校PLC網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室開設(shè)“可編程邏輯控制器”、“電氣控制技術(shù)”等本科課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以及本科畢業(yè)設(shè)計(jì)和自動(dòng)化專業(yè)的PLC課程設(shè)計(jì)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)室以培養(yǎng)動(dòng)手能力為主要目的，強(qiáng)化分析和解決實(shí)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(jìn)行教學(xué)，通過(guò)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(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣就把地理位置不同的計(jì)算機(jī)和PLC及其他數(shù)字設(shè)備連接起來(lái)，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(xiàng)任務(wù)[8]。提出一套網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)模式，使學(xué)生基礎(chǔ)扎實(shí)，技術(shù)全面，綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力強(qiáng)，知識(shí)遷移能力好，后勁足，將實(shí)踐性、實(shí)用性和與時(shí)俱進(jìn)的先進(jìn)性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，能更好地適應(yīng)工業(yè)控制領(lǐng)域的變化。

4 無(wú)線通信的研究

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)今社會(huì)，越來(lái)越流行，在網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)中，加入無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)不同品牌的PLC之間通信，遠(yuǎn)距離傳輸，PLC利用GRM200G模塊把信號(hào)通過(guò)GPRS傳到服務(wù)器，再由服務(wù)器把信號(hào)通過(guò)GPRS傳給另一個(gè)的GRM200G模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PLC的無(wú)線通信。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)下引入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不但可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，還可以實(shí)現(xiàn)異網(wǎng)同構(gòu)的功能[11-12]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室資源重新整合，搭建具有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)過(guò)程控制平臺(tái)。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，各類負(fù)載在PLC網(wǎng)絡(luò)下可以正常運(yùn)行，現(xiàn)已應(yīng)用于本校的教學(xué)和PLC實(shí)訓(xùn)中，效果良好。該平臺(tái)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(xué)科研與開發(fā)應(yīng)用提供了一個(gè)面向工業(yè)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，也為我國(guó)地方高校的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)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(guó)家質(zhì)量工程項(xiàng)目(教高廳函[2012]7號(hào))；國(guó)家特色專業(yè)(教高廳函[2008]7號(hào))

崔桂梅(1963-)，女，河北保定人，博士，教授，副院長(zhǎng)，研究方向：控制理論與計(jì)算機(jī)控制。

Tel.:13947247729;E-mail:cguimei1@163.com

TP 273.5

A

1006-7167(2015)03-0212-04