過程控制實驗遠程控制平臺的網絡系統設計

摘 要：借助廣西大學行健文理學院控制工程實驗室中的過程控制實驗裝置，設計過程控制實驗遠程控制平臺的網絡系統。通過搭建一個這樣的網絡系統，能夠實現通過網絡對過程控制實驗設備的“讀”、“寫”功能。讓學生了解工業組網，融合通信和網絡控制技術等知識，向學生展示網絡發展的新成果及工業網絡控制系統的靈活性與多樣性。

關鍵詞：過程控制；遠程控制；網絡結構

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0045-02

1 引 言

為開闊學生視野，讓學生掌握網絡控制的相關技術，借助廣西大學行健文理學院控制工程實驗室中的過程控制實驗裝置，構建一個基于工業網絡化的過程控制綜合實驗教學平臺。在該實驗平臺上集成自動化領域的檢測、數據采集、控制、網絡等相關技術。通過這個平臺，讓學生了解工業組網，融合通信和網絡控制技術等知識，向學生展示網絡發展的新成果及工業網絡控制系統的靈活性與多樣性。

2 過程控制實驗遠程控制平臺研究現狀

遠程控制是指通過互聯網（局域網或廣域網）傳輸控制信息，在任意時間內對異地的機器設備（如變頻器、觀測儀等）進行控制[2]。按控制方式遠程控制分為手動遠程控制和自動遠程控制兩類；按系統構架可分為客戶端/服務器和瀏覽器/服務器兩種模式。

目前，國內外有不少基于遠程控制實驗的研究和應用，被控對象主要包括機器人系統、過程控制實驗裝置和其他控制系統等。有的高校開發了在自動化和機器人工程領域的遠程實驗室，通過網絡，工學專業的學生可以在實驗室的機械臂教學平臺上進行仿真試驗，通過試驗機器人的路徑跟蹤證明他們的理論結構。還有高校開放了基于網頁的雙容水箱控制系統，通過網絡可以在該系統上進行PID控制，模糊控制等實驗。也有高校針對倒立擺設計了一個遠程控制實驗系統，主要為校內學生提供遠程實驗。

3 過程控制綜合實驗平臺總體介紹

以實驗室的軟硬件設備和實驗裝置作為平臺，構建一個基于工業網絡化的自動化專業綜合實驗教學平臺。通過以太網把過程控制的多套實驗裝置接入實驗室內的局域網中，并通過一臺服務器對實驗設備進行數據采集和控制。局域網內的其他PC機可通過該服務器對實驗設備進行監控。通過搭建這樣一個集遠程控制、監測、管理為一體的實驗平臺，不僅可以實現網絡化遠程控制與監控管理，還將能夠向學生展示工業控制系統發展的新成果和網絡控制系統的多樣性和靈活性。

4 過程控制綜合實驗平臺的硬件結構

（1）SMPT-1000設備是一套集多種實驗功能于一體的半實物仿真實驗裝置，其“現場工況”為全數字仿真與實物外觀模擬相結合的工業鍋爐或加熱爐流程系統，控制系統平臺則采用工程實際應用的DCS系統。該裝置模擬鍋爐和蒸發器組成的水汽熱能全流程，可拆分成非線性儲罐與離心泵單元、動力除氧單元、高階換熱單元、加熱爐單元、鍋爐單元、蒸發器單元，提供由簡到難的各個層次的過程控制被控對象。可由內部控制器控制，也可通過西門子S7-400 PLC作為控制器對各個單元進行控制。該實驗設備網絡框架如圖1所示。

（2）M801 MPS模塊化生產制造實訓裝置由供料傳輸單元、機械手單元、加工單元、旋轉缸搬運單元、傳輸檢測單元、搬運單元、裝配單元、立體庫單元組成，模擬實際工業生產現場。實訓裝置的每個單元均由西門子S7-200控制，通過Profibus-DP總線可實現“單機/聯機”運行。上層由一臺S7-300作為Profibus-DP主站，在聯機模式時負責匯總各個從站的傳感器數據并協調各個從站S7-200控制執行器動作。該裝置的單元可以進行組合，具有較好的柔性，是學習控制、編程、裝配和調試技術的實踐平臺。該實驗設備網絡框架如圖2所示。

5 完成過程控制綜合實驗平臺的網絡構建

5.1 實驗設備與監控平臺的組網

為構建基于工業網絡化的自動化專業綜合實驗教學平臺，首先要完成實驗室設備接入局域網。即通過以太網把實驗室內過程控制實驗裝置和運動控制實驗裝置接入實驗室內的局域網。這部分已經通過網線進行安裝配置。

5.2 確定過程控制綜合實驗平臺網絡結構

因SMPT-1000實驗設備由仿真模擬實物實驗平臺及西門子S7-400PLC組成，兩者之間通過Profibus總線相連。用于對PLC進行編程的PC機通過PLC的Profinet總線與PLC相連進行控制，根據這個情況，可直接把該Profinet總線通過交換機引出接入實驗室內的局域網中。

模塊化生產制造實訓裝置中的S7-300作為Profibus-DP主站，通過Profibus控制從站的S7-200。用于編程的PC機通過USB轉PPI通信電纜對以上PLC進行編程。經過分析，S7-300同樣支持Profinet總線協議，且PLC自身已含有Profinet總線的RJ45以太網接口，可直接插入網線接入局域網中。

通過以上對實驗室主要實驗設備結構的分析，對它們進行組網主要的途徑是通過實驗設備的上層PLC（S7-400、S7-300）。由于各種設備對于網絡的要求不同，所以必須對網絡進行分層，常見的工業網絡結構主要分為4層，并確定每一層的網絡。即將實驗室設備分為以下四層，如圖3所示。

6 小 結

兩種實驗設備的上層PLC接入到局域網中，把從實驗設備上各個IO點采集的數據通過網絡共享，供其他局域網內PC或工控機查看，同時也接收PC或工控機發送的IO點寫入數據，并把這些數據寫入到實際的實驗設備IO點上，實現通過網絡對實驗設備的“讀”、“寫”功能。實現了過程控制綜合實驗平臺的網絡結構的搭建，實現了集遠程控制、監測、管理為一體。通過該平臺，不僅可以實現網絡化遠程控制與監控管理，還將能夠向學生展示工業控制中網絡控制系統的多樣性與靈活性。

參考文獻

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收稿日期：2018-9-3

作者簡介：胡寧峪（1987-），女，實驗師，研究生，主要從事控制工程方向的實驗教學工作。

彭宇寧，女，教授，碩導，從事過程控制、計算機監控技術及應用、虛擬儀器技術、檢測技術與自動控制系統教學工作。