基于工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)物流控制系統(tǒng)實訓平臺的開發(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)培訓存在的問題，設(shè)計了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的生產(chǎn)物流培訓系統(tǒng)。單套培訓系統(tǒng)采用S7-1200 PLC和Simatic KTP700觸摸屏作為主要控制部件，涵蓋了多項工業(yè)自動化相關(guān)技術(shù)，技術(shù)培訓點全面。特別是當多套培訓系統(tǒng)結(jié)合使用時，采用模塊化和網(wǎng)絡(luò)化的思想，可以實現(xiàn)多個PLC控制多個被控對象的效果，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；S7-1200

1 概述

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(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、創(chuàng)新能力弱”“單機制造能力強、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)物流培訓系統(tǒng)，屬于工業(yè)自動化系統(tǒng)培訓領(lǐng)域。

2 目前工業(yè)自動化技術(shù)培訓存在的問題

一般地，對于工業(yè)自動化相關(guān)技術(shù)的培訓，包含以下內(nèi)容：常用低壓電器、電機與驅(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)。這一點我們從一個典型的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)域的擴大，國外PLC廠商紛紛進入中國，尤其是近幾年運動控制（速度、位置等控制）得到了飛速發(fā)展[3]，很多運動控制產(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、培訓機構(gòu)都開設(shè)了自動化系統(tǒng)培訓課程。由于缺乏良好的試驗設(shè)施，其培訓質(zhì)量受到了影響。

目前市場上相關(guān)的培訓系統(tǒng)大致分兩類：一類是單項技術(shù)培訓系統(tǒng)；另一類是綜合技術(shù)培訓系統(tǒng)。培訓機構(gòu)或者培訓學員在選擇培訓系統(tǒng)時，如果選擇第一類培訓系統(tǒng)，往往不能保證技術(shù)培訓的全面性，而只能是多次選擇不同的單項技術(shù)培訓系統(tǒng)，最終培訓成本很高，且培訓效率低下；如果選擇第二類培訓系統(tǒng)，則系統(tǒng)本身成本較高，而且在使用時不可能同時將整個培訓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行編程，所以一般都是一套培訓系統(tǒng)配置一臺計算機。因此為了保證培訓效果，也只能是一名學員使用一套培訓系統(tǒng)，這樣培訓成本昂貴。

由于以上各個因素，最終造成了目前許多培訓機構(gòu)及培訓院校在對學員進行工業(yè)自動化技術(shù)培訓時，過多的進行“紙上談兵”：即講授過多，學員練習過少。即使是練習，也只能是少數(shù)人動手練習，多數(shù)人只能看看，這種情況培訓效果極差，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)物流培訓系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

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

（2）培訓系統(tǒng)中的核心控制器（可編程控制器）與上位機（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算機連接在一個交換機上，這樣可以實現(xiàn)一套培訓系統(tǒng)配置多臺計算機的配置模式，也可以實現(xiàn)多套培訓系統(tǒng)配置多套計算機的模式（如圖2所示），從而可以有效提高培訓裝置的使用效率，降低整個培訓裝置的成本。

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

4 單套培訓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

對于一個典型的工業(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、強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性能，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，而其價格大約只有S7-300系列PLC的2/3，不失為一種高性價比的中小型控制器。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、鍵盤或條形碼讀取器，集成Profibus或Profinet接口，其功能更加強大。

圖3為生產(chǎn)物流培訓系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。

本系統(tǒng)設(shè)計包含直流電機、直流電機驅(qū)動裝置、步進電機1、步進電機1驅(qū)動裝置、步進電機2、步進電機2驅(qū)動裝置、入庫推送氣缸、托盤下放氣缸、位置傳感器，以上各個部件由S7-1200 PLC1負責控制；包含伺服電機、伺服電機驅(qū)動裝置、貨物推送氣缸、機械手、編碼器、位置傳感器，以上各個部件由S7-1200 PLC2負責控制，觸摸屏負責監(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，負責為整個培訓系統(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)實現(xiàn)通信，工業(yè)以太網(wǎng)又可以通過交換機與計算機進行連接。在使用時，PLC1與PLC2既可以分開使用，也可以聯(lián)機使用，分開使用時一套培訓裝置就可以當成兩套來使用，聯(lián)機使用時，又可以訓練學員的工業(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)機使用，系統(tǒng)都可以通過交換機與不同的計算機進行編程控制，也即達到了多個學員同時使用一套培訓裝置的目的。

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)的實訓提高、專業(yè)技師培訓、教師教學應(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)備進行培訓，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，將所有工業(yè)自動化的相關(guān)技術(shù)進行有機重組，在培訓時由淺入深，由簡單到復(fù)雜，使用效果良好。

參考文獻

[1]崔文靜.裝備制造業(yè)振興可待[J].電氣時代，2009（4）.

[2]丁允偉，李明達，何漢文.工業(yè)自動化技術(shù)的特點及工業(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.可編程序控制器運動控制技術(shù)[M].北京：機械工業(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。