基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張學(xué)輝

(遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院電氣工程系，遼寧 沈陽(yáng) 110036)

基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張學(xué)輝

(遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院電氣工程系，遼寧 沈陽(yáng) 110036)

對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入研究。選擇當(dāng)前工控領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)Profinet及現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP，由上位工控機(jī)PC、控制主站S7-300 PLC、智能從站變頻器MM440、分布式I/O模塊ET200S、觸摸屏TP177B、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、溫濕度變送器、軸流風(fēng)機(jī)等構(gòu)成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。研究了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、通信方式及原理、軟硬件配置、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、硬件組態(tài)、人機(jī)交互(HMI)應(yīng)用、PLC梯形圖程序編制及變頻器參數(shù)設(shè)置等，通過(guò)PLC與變頻器的Profibus總線通信，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。與集散控制系統(tǒng)DCS等半數(shù)字化的控制系統(tǒng)相比，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在職業(yè)教育院校的理論與實(shí)際一體教學(xué)、職工培訓(xùn)和科研工作中具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，值得其他從事自主研制開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的高職院校借鑒。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)； 以太網(wǎng)； 現(xiàn)場(chǎng)總線； PLC； 分布式I/O； 變頻器； 觸摸屏； WinCC； 組態(tài)技術(shù)

0 引言

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)控制領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展形成的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物[1]。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)了企業(yè)信息集成系統(tǒng)和管理控制一體化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與需求，是IT技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域的延伸，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的局域網(wǎng)[2]。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從集成控制系統(tǒng)(in tegrated control system,CCS)到集散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)，再到現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system,FCS)的發(fā)展過(guò)程。

近年來(lái)，以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域后，出現(xiàn)了大量基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)[3]。在控制網(wǎng)絡(luò)的更新?lián)Q代過(guò)程中，既要兼顧大量現(xiàn)有的、基于現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備，又要最終實(shí)現(xiàn)全方位的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化，于是出現(xiàn)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)的混合工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。西門子公司的Profinet和Profibus是目前市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。本文基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線，并最大程度地貼近企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于高職院校的科研與教學(xué)，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)首要考慮的問(wèn)題。

目前，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多研究領(lǐng)域中，定位問(wèn)題的研究是近年來(lái)人們關(guān)注的熱點(diǎn)。按照定位所采用的距離參數(shù)獲得方式，把定位算法分為基于測(cè)距(range-based)和無(wú)需測(cè)距(range-free)兩種算法。無(wú)需測(cè)距定位算法在成本、功耗和擴(kuò)展性等方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，更適用于低功耗、低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文在充分研究了現(xiàn)有無(wú)需測(cè)距定位算法的基礎(chǔ)上，將功率控制技術(shù)應(yīng)用到定位算法中，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了算法的可行性。

1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要基于工業(yè)以太網(wǎng)Profinet和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由上位工控機(jī)PC、控制主站PLC、智能從站變頻器、人機(jī)交互的觸摸屏、分布式I/O模塊和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成。為了使實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)貼近企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，配備了溫濕度變送器(電壓型)等典型模擬量輸入和軸流風(fēng)機(jī)等被控對(duì)象。

1.2 系統(tǒng)軟件及硬件配置

上位工控機(jī)PC安裝了工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡CP1613、西門子組態(tài)和編程軟件STEP 7 Professional、上位機(jī)監(jiān)控軟件WinCC和觸摸屏組態(tài)軟件WinCC Flexible。控制主站選用西門子公司S7-300系列模塊式PLC。PLC的電源選用PS307 5A。CPU選用集成了工業(yè)以太網(wǎng)Profinet和Profibus-DP總線接口的CPU315F-2PN/DP、數(shù)字量輸入/輸出模塊SM32316DI/16DO、模擬量輸入/輸出模塊 SM3344AI/2AO。智能從站選用西門子MM440 0.75 kW變頻器。為設(shè)置變頻器參數(shù)面板并與S7-300 PLC的總線進(jìn)行通信，需配備基本操作面板模塊和Profibus-DP通信模塊。當(dāng)一個(gè)大型設(shè)備或一個(gè)車間中工藝緊密關(guān)聯(lián)的控制信號(hào)較分散且具有局部集中特點(diǎn)時(shí)，可以利用工業(yè)以太網(wǎng)和分布式I/O構(gòu)成分布式控制方式[4]。分布式I/O選用ET200S，ET200S的接口模塊為IM151-3 PN，電源模塊為PM-E,數(shù)字量電子模塊為2DI、2DO，模擬量電子模塊為2AI、2AO。人機(jī)交互界面選用TP177B PN/DP彩色觸摸屏,既支持工業(yè)以太網(wǎng)ProfiNet通信，又支持Profibus-DP總線通信。選用X005工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.3 系統(tǒng)通信方式及原理

西門子工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)有MPI網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)Profinet、現(xiàn)場(chǎng)總線(Profibus)、點(diǎn)到點(diǎn)連接(PtP)和AS-i網(wǎng)絡(luò)[3]。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)選擇了工業(yè)以太網(wǎng)Profinet和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，其中上位工控機(jī)PC、控制主站PLC、觸摸屏、分布式I/O模塊組成了基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，控制主站PLC、觸摸屏和智能從站變頻器組成了基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。這兩種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互為補(bǔ)充。

2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件及通信組態(tài)

硬件組態(tài)的任務(wù)就是在STEP7中生成一個(gè)與實(shí)際硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)，例如要生成網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)站的機(jī)架和模塊，以及設(shè)置各硬件組成部分的參數(shù)，即給參數(shù)賦值。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要對(duì)以太網(wǎng)Profinet、現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP和MPI等網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和通信參數(shù)進(jìn)行組態(tài)，將分布式I/O連接到主站[5]。打開(kāi)軟件STEP7，首先生成項(xiàng)目，添加主站，點(diǎn)擊Hardware圖標(biāo)進(jìn)入HW Config(硬件組態(tài))窗口，選擇機(jī)架RACK；然后在機(jī)架內(nèi)分別插入各個(gè)模塊，插槽1為電源模塊，插槽2為CPU模塊，插槽3為接口模塊，插槽4～11為信號(hào)模塊、功能模塊、通信模塊。以上插槽除插槽2外如果沒(méi)有安裝模塊組態(tài)可以為空；雙擊相應(yīng)模塊進(jìn)行設(shè)置，如信號(hào)模塊的I/O地址設(shè)置等。

在STEP7項(xiàng)目管理器插入Ethernet或Profibus網(wǎng)絡(luò)，雙擊網(wǎng)絡(luò)圖標(biāo)進(jìn)入NETPro(網(wǎng)絡(luò)組態(tài))窗口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。無(wú)論是工業(yè)以太網(wǎng)，還是Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線都需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址。

2.2 WinCC及觸摸屏TP177B應(yīng)用

近年來(lái)，人機(jī)界面在控制系統(tǒng)中起著越來(lái)越重要的作用。人機(jī)界面又稱人機(jī)接口，可以連接PLC、變頻器、直流調(diào)速器、溫控儀表、數(shù)據(jù)采集模塊等工業(yè)控制設(shè)備。用戶通過(guò)人機(jī)界面隨時(shí)了解、觀察并掌握整個(gè)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必要時(shí)還可以通過(guò)人機(jī)界面向控制系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警，進(jìn)行人工干預(yù)[6]。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)選擇了運(yùn)行于PC硬件平臺(tái)、Windows操作系統(tǒng)下的組態(tài)軟件WinCC和觸摸屏TP177B為人機(jī)交互界面。無(wú)論是WinCC還是WinCC flexible，在進(jìn)行人機(jī)界面組態(tài)時(shí)，都基本遵循以下幾個(gè)步驟。①創(chuàng)建項(xiàng)目，進(jìn)行項(xiàng)目管理；②連接設(shè)備，進(jìn)行通信設(shè)置；③新建變量，進(jìn)行變量管理；④創(chuàng)建畫面，確定畫面的相互關(guān)聯(lián)；⑤畫面上開(kāi)關(guān)、按鈕、文本、圖形等對(duì)象的組態(tài)；⑥報(bào)警記錄、趨勢(shì)圖、用戶管理、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)表輸出等高級(jí)功能的組態(tài)；⑦運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)置。

2.3 變頻器與PLC的總線通信

電梯上行、下行PLC程序如圖2所示。

圖2 電梯上行、下行PLC程序圖

圖2中，I0.1和I0.2為近地上行、下行按鈕；M1.1和M1.2為觸摸屏上的上行、下行按鈕；PQW264為控制字地址；PQW266為設(shè)定值地址、變頻器的運(yùn)行頻率由觸摸屏輸入到PLC的存儲(chǔ)字MW10內(nèi)容確定。

現(xiàn)在許多變頻器都帶有現(xiàn)場(chǎng)總線接口，西門子的MM440變頻器通過(guò)通信模塊CBP板實(shí)現(xiàn)了與帶有DP口的S7-300 PLC的Profibus-DP的總線通信。在智能從站MM440變頻器與主站PLC之間的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信中，采用過(guò)程參數(shù)對(duì)象(parameter process objects,PPO)類型作為數(shù)據(jù)傳遞格式[7-10]。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用PPO1類型，PPO1為4PKW+2PZD，共由6個(gè)字組成。PKW為參數(shù)接口，是變頻器運(yùn)行時(shí)要定義的一些功能碼，如最大頻率、基本頻率、加/減速時(shí)間等；PZD為過(guò)程數(shù)據(jù)接口，用來(lái)傳輸控制字和設(shè)定值(主站-變頻器)或狀態(tài)字和實(shí)際值(變頻器-主站)等輸入/輸出的數(shù)據(jù)值。在進(jìn)行硬件組態(tài)時(shí)，選中“4PKW，2PZD(PPO1)”，主站PLC接收智能從站MM440變頻器的數(shù)據(jù)地址為PIW256～PIW266，發(fā)送地址為PQW256～PQW266。

3 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)兼顧現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，學(xué)生可以在該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)上完成工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和組態(tài)、PLC編程、傳感器應(yīng)用、WinCC和觸摸屏組態(tài)、變頻器通信和參數(shù)設(shè)置等操作。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)既適用于高職學(xué)生的理論與實(shí)際一體模式教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和校內(nèi)實(shí)習(xí)，又適用于職業(yè)技術(shù)院校教師和自動(dòng)化企業(yè)員工的培訓(xùn)和科研工作。

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Design of the Industrial Control Network Training System Based on Ethernet and Fieldbus

ZHANG Xuehui

(Department of Electrical Engineering,Guidaojiaotong Polytechnic Institute,Shenyang 110036,China)

The current status and development trend of industrial control network technology are research.By selecting the industrial Ethernet Profinet and field bus Profibus-DP that are widely used in industrial control fields,the industrial control training system is constructed with the compositions of IPC as host computer,master control station S7-300 PLC,intelligent slave station frequency converter MM440,distributed I/O module ET200S,touch screen TP177B,industrial Ethernet switches,temperature/humidity transmitters,and axial fans,etc.The overall structure,communication mode and principle,configurations of hardware and software,network configuration,human machine interface (HMI) application,programming of ladder logic diagram,and parameters setting for frequency converter,etc.,of this training system are researched.The fully digitized industrial control network is realized through the Profibus communication between PLC and frequency converter.Comparing with the distributed control system and semi-digitized control system,this industrial control network features networking superiority. The training system based on industrial control network possesses practical applicable values for integrated theory and practice education in vocational education colleges,staff training,and scientific research work,it is worth to be referenced for researching and developing training devices in higher professional colleges.

Industrial control network； Ethernet; Fieldbus； PLC； Distributed I/O； Frequency converter； Touch screen； WinCC； Configuration technology

遼寧省財(cái)政廳基金資助項(xiàng)目(LNZC2014-0094)

張學(xué)輝(1978—)，男，碩士，講師，主要從事系統(tǒng)集成及工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的研究。E-mail：zxh_52@126.com。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703011

修改稿收到日期：2016-11-21