基于工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)物流控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺的開發(fā)

范其明+喬佳

摘 要：隨著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)自動化培訓(xùn)的質(zhì)量需求日益增加。文章分析了目前我國工業(yè)自動化技術(shù)培訓(xùn)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)物流培訓(xùn)系統(tǒng)。單套培訓(xùn)系統(tǒng)采用S7-1200 PLC和Simatic KTP700觸摸屏作為主要控制部件，涵蓋了多項(xiàng)工業(yè)自動化相關(guān)技術(shù)，技術(shù)培訓(xùn)點(diǎn)全面。特別是當(dāng)多套培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)合使用時(shí)，采用模塊化和網(wǎng)絡(luò)化的思想，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC控制多個(gè)被控對象的效果，使用效果良好。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；工業(yè)以太網(wǎng)；自動化培訓(xùn)；S7-1200

1 概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對物質(zhì)文化的質(zhì)量需求日益提高，這就需要社會生產(chǎn)力能夠快速發(fā)展，而我國社會生產(chǎn)力發(fā)展的核心是裝備制造業(yè)的發(fā)展。據(jù)了解，目前我國裝備制造業(yè)主要存在著“加工能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力弱”“單機(jī)制造能力強(qiáng)、系統(tǒng)集成能力弱”[1]等等一系列問題。制約我國裝備制造業(yè)發(fā)展的因素有很多，其中之一就是當(dāng)前工業(yè)自動化技術(shù)的迅速發(fā)展與相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才的日益缺乏之間的矛盾。因而工業(yè)自動化技術(shù)培訓(xùn)變得非常有必要。工業(yè)自動化技術(shù)一般由三部分構(gòu)成，分別是工業(yè)自動化硬件設(shè)備、工業(yè)自動化軟件設(shè)備與工業(yè)自動化系統(tǒng)[2]。本文介紹了一種基于S7-1200 PLC的生產(chǎn)物流培訓(xùn)系統(tǒng)，屬于工業(yè)自動化系統(tǒng)培訓(xùn)領(lǐng)域。

2 目前工業(yè)自動化技術(shù)培訓(xùn)存在的問題

一般地，對于工業(yè)自動化相關(guān)技術(shù)的培訓(xùn)，包含以下內(nèi)容：常用低壓電器、電機(jī)與驅(qū)動技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、可編程控制器、上位機(jī)監(jiān)控、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，其中又以可編程控制器（PLC）為核心技術(shù)。這一點(diǎn)我們從一個(gè)典型的PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（如圖1所示）就可以得出。

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域的擴(kuò)大，國外PLC廠商紛紛進(jìn)入中國，尤其是近幾年運(yùn)動控制（速度、位置等控制）得到了飛速發(fā)展[3]，很多運(yùn)動控制產(chǎn)品甚至試圖將控制部分和驅(qū)動部分逐步融合。為了讓用戶更好地了解最新的控制技術(shù)和熟練地使用自動化產(chǎn)品，各職業(yè)院校、產(chǎn)品廠商、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都開設(shè)了自動化系統(tǒng)培訓(xùn)課程。由于缺乏良好的試驗(yàn)設(shè)施，其培訓(xùn)質(zhì)量受到了影響。

目前市場上相關(guān)的培訓(xùn)系統(tǒng)大致分兩類：一類是單項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)；另一類是綜合技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)。培訓(xùn)機(jī)構(gòu)或者培訓(xùn)學(xué)員在選擇培訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)，如果選擇第一類培訓(xùn)系統(tǒng)，往往不能保證技術(shù)培訓(xùn)的全面性，而只能是多次選擇不同的單項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，最終培訓(xùn)成本很高，且培訓(xùn)效率低下；如果選擇第二類培訓(xùn)系統(tǒng)，則系統(tǒng)本身成本較高，而且在使用時(shí)不可能同時(shí)將整個(gè)培訓(xùn)裝置的所有組成部分都利用起來，因而利用率低，此外，由于設(shè)備集成了太多的相關(guān)技術(shù)，造成了學(xué)員不知道從哪兒下手，最終容易產(chǎn)生望而卻步的思想。此外，由于需要對可編程控制器以及觸摸屏等進(jìn)行編程，所以一般都是一套培訓(xùn)系統(tǒng)配置一臺計(jì)算機(jī)。因此為了保證培訓(xùn)效果，也只能是一名學(xué)員使用一套培訓(xùn)系統(tǒng)，這樣培訓(xùn)成本昂貴。

由于以上各個(gè)因素，最終造成了目前許多培訓(xùn)機(jī)構(gòu)及培訓(xùn)院校在對學(xué)員進(jìn)行工業(yè)自動化技術(shù)培訓(xùn)時(shí)，過多的進(jìn)行“紙上談兵”：即講授過多，學(xué)員練習(xí)過少。即使是練習(xí)，也只能是少數(shù)人動手練習(xí)，多數(shù)人只能看看，這種情況培訓(xùn)效果極差，完全不能保證工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展對相關(guān)技術(shù)人員的技術(shù)技能需求，因而不利于整個(gè)社會的生產(chǎn)力發(fā)展。

3 基于工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)物流培訓(xùn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決工業(yè)自動化技術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域中昂貴的培訓(xùn)費(fèi)用與低下的培訓(xùn)效率之間的矛盾，關(guān)鍵問題在于如何實(shí)現(xiàn)一套培訓(xùn)裝置同時(shí)被多名學(xué)員練習(xí)使用。為了能夠?qū)崿F(xiàn)一套培訓(xùn)裝置同時(shí)被多名學(xué)員練習(xí)使用的目的，采用以下思路實(shí)現(xiàn)：

（1）首先將所有的工業(yè)自動化相關(guān)技術(shù)進(jìn)行劃分，然后再將相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)重組，然后設(shè)計(jì)出一種生產(chǎn)物流培訓(xùn)系統(tǒng)，將所有的相關(guān)技術(shù)融入到不同的培訓(xùn)模塊中去，即首先保證了相關(guān)技術(shù)的全面性。

（2）培訓(xùn)系統(tǒng)中的核心控制器（可編程控制器）與上位機(jī)（觸摸屏）等部件均采用工業(yè)以太網(wǎng)通信的方式，這種方式的好處在于系統(tǒng)中的可編程控制器與觸摸屏可以與所有的編程計(jì)算機(jī)連接在一個(gè)交換機(jī)上，這樣可以實(shí)現(xiàn)一套培訓(xùn)系統(tǒng)配置多臺計(jì)算機(jī)的配置模式，也可以實(shí)現(xiàn)多套培訓(xùn)系統(tǒng)配置多套計(jì)算機(jī)的模式（如圖2所示），從而可以有效提高培訓(xùn)裝置的使用效率，降低整個(gè)培訓(xùn)裝置的成本。

（3）將每套培訓(xùn)裝置劃分為不同的模塊，每個(gè)模塊再由不同的控制器進(jìn)行控制，這樣各個(gè)模塊可以分別進(jìn)行使用，從而可以有效提高各個(gè)部件的使用效率。

4 單套培訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

對于一個(gè)典型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，小型模塊化PLC+觸摸屏的組合控制系統(tǒng)無疑是這類工藝系統(tǒng)的最佳控制解決方案[4]。經(jīng)過反復(fù)比選，最終選擇的控制器為西門子S7-1200 PLC，人機(jī)界面為西門子新一代精簡觸摸屏KTP700 Basic PN。

Simatic S7-1200 是西門子公司于2009年推出的一款面向中小型自動化的模塊化控制器，它具有集成Profinet通信接口、強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性能，為各種工藝任務(wù)提供簡單的通信和有效的解決方案，可滿足控制各種各樣設(shè)備的自動化需求[5]。S7-1200 PLC的性能可與S7-300系列PLC媲美，而其價(jià)格大約只有S7-300系列PLC的2/3，不失為一種高性價(jià)比的中小型控制器。而Simatic KTP700 Basic PN是西門子公司于2014年才推出的新一代精簡面板，該面板除繼續(xù)秉承精簡系列面板的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)外，還新增了USB接口用于將數(shù)據(jù)存儲到U盤中，還可外接鼠標(biāo)、鍵盤或條形碼讀取器，集成Profibus或Profinet接口，其功能更加強(qiáng)大。

圖3為生產(chǎn)物流培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動裝置、步進(jìn)電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動裝置、步進(jìn)電機(jī)2、步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動裝置、入庫推送氣缸、托盤下放氣缸、位置傳感器，以上各個(gè)部件由S7-1200 PLC1負(fù)責(zé)控制；包含伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動裝置、貨物推送氣缸、機(jī)械手、編碼器、位置傳感器，以上各個(gè)部件由S7-1200 PLC2負(fù)責(zé)控制，觸摸屏負(fù)責(zé)監(jiān)控PLC1和PLC2中的數(shù)據(jù)；還包含直流電源24V、交流電源220V、壓縮氣源等，負(fù)責(zé)為整個(gè)培訓(xùn)系統(tǒng)提供電源和氣源。系統(tǒng)中觸摸屏與PLC1、PLC2之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，工業(yè)以太網(wǎng)又可以通過交換機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。在使用時(shí)，PLC1與PLC2既可以分開使用，也可以聯(lián)機(jī)使用，分開使用時(shí)一套培訓(xùn)裝置就可以當(dāng)成兩套來使用，聯(lián)機(jī)使用時(shí)，又可以訓(xùn)練學(xué)員的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用能力。而且無論是分開使用還是聯(lián)機(jī)使用，系統(tǒng)都可以通過交換機(jī)與不同的計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程控制，也即達(dá)到了多個(gè)學(xué)員同時(shí)使用一套培訓(xùn)裝置的目的。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化與模塊化的設(shè)計(jì)理念，模擬現(xiàn)代生產(chǎn)物流系統(tǒng)，在工業(yè)自動化專業(yè)的實(shí)訓(xùn)提高、專業(yè)技師培訓(xùn)、教師教學(xué)應(yīng)用等方面有突出的作用，工業(yè)自動化的相關(guān)核心技術(shù)幾乎都可以基于此設(shè)備進(jìn)行培訓(xùn)，目前已經(jīng)在一些職業(yè)院校中有所應(yīng)用。設(shè)備使用時(shí)，將所有工業(yè)自動化的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)重組，在培訓(xùn)時(shí)由淺入深，由簡單到復(fù)雜，使用效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1]崔文靜.裝備制造業(yè)振興可待[J].電氣時(shí)代，2009（4）.

[2]丁允偉，李明達(dá)，何漢文.工業(yè)自動化技術(shù)的特點(diǎn)及工業(yè)自動化的重要性[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（1）.

[3]汪小澄，袁立宏，張世榮.可編程序控制器運(yùn)動控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].自動化儀表，2010（8）.

[5]SIMATIC S7-1200的功能特點(diǎn)與應(yīng)用[J].可編程序控制器與工廠自動化，2010（8）.

作者簡介：范其明（1985-），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，碩士，主要從事智能控制和自動化系統(tǒng)集成方向的研究。