基于現(xiàn)代工業(yè)通訊技術(shù)的電氣控制實訓(xùn)裝置的開發(fā)與應(yīng)用

◎尤向陽

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

基于現(xiàn)代工業(yè)通訊技術(shù)的電氣控制實訓(xùn)裝置的開發(fā)與應(yīng)用

◎尤向陽

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

介紹了基于以太網(wǎng)通訊的西門子現(xiàn)代電氣控制實訓(xùn)裝置的開發(fā)思路，改變了單一以PLC為基礎(chǔ)進行電氣控制系統(tǒng)裝調(diào)的實訓(xùn)模式，通過PROFIBUS、PROFINET等工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的配置，把PLC技術(shù)與工控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起，并結(jié)合實際的控制對象，使學(xué)生能夠在該實訓(xùn)裝置上模擬工業(yè)自動化領(lǐng)域?qū)嶋H的現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)，為高職電氣自動化技術(shù)專業(yè)學(xué)生提供了良好的現(xiàn)代電氣控制技術(shù)安裝與調(diào)試實踐教學(xué)平臺。實踐教學(xué)證明，該裝置組合方便，實現(xiàn)了需要的控制系統(tǒng)配置方案，滿足了實踐教學(xué)的需要。

PLC；工控網(wǎng)絡(luò)；電氣控制；實訓(xùn)裝置

隨著可編程控制技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)通訊技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)的功能從簡單的數(shù)字量控制領(lǐng)域擴展到復(fù)雜過程控制領(lǐng)域，尤其是在現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，不僅解決了控制系統(tǒng)底層的現(xiàn)場設(shè)備之間的通訊問題，也使得生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備與處于控制系統(tǒng)頂層的各種外界設(shè)備實現(xiàn)了信息的交換。[1]隨著高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育活動的不斷開展，對電氣自動化技術(shù)專業(yè)學(xué)生核心職業(yè)能力培養(yǎng)的途徑和效果提出了更高的要求，因此，無論從專業(yè)建設(shè)角度或創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)需要及工業(yè)控制新技術(shù)學(xué)習(xí)體驗方面來看，現(xiàn)代電氣控制綜合性實訓(xùn)裝置及實訓(xùn)項目的開發(fā)都是電氣自動化技術(shù)專業(yè)當前教學(xué)改革中一項非常重要的工作。

1 開發(fā)方案

1.1 開發(fā)思路

本實訓(xùn)平臺開發(fā)的目標是構(gòu)建綜合性電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試實訓(xùn)平臺。具體開發(fā)思路應(yīng)主要遵循以下兩點：

（1）以現(xiàn)代電氣控制技術(shù)職業(yè)能力培養(yǎng)為主，依據(jù)硬件設(shè)計與軟件編程相結(jié)合，以實驗室模擬訓(xùn)練與現(xiàn)場工程控制的真實需求相融合。

（2）以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為手段，連接工控機、編程控制器，變頻器、觸摸屏、伺服電機及其驅(qū)動器工控單元為一體，實現(xiàn)傳統(tǒng)控制技術(shù)與工業(yè)通訊技術(shù)的融合。

1.2 開發(fā)原則

（1）功能開放性

即能滿足校內(nèi)高職學(xué)生職業(yè)技能實訓(xùn)、師生科技研發(fā)的需要，又能對外開放為社會提供如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培訓(xùn)、職業(yè)資格鑒定等多方位服務(wù)，成為社會服務(wù)的窗口和基地。

（2）操作實用性

采用網(wǎng)孔板結(jié)構(gòu)，底座帶有滾輪，各模塊相對獨立又可以互相組合，在確保設(shè)備使用安全的前提下，可根據(jù)教學(xué)需要靈活進行開發(fā)。

（3）技術(shù)先進性

控制器除采用西門子公司當前主流的S7-200系列和S7-300中規(guī)?？刂破饕酝?，更是增加S7-1200和S7-1500兩類新型控制器，未來這兩類控制器將逐步取代前面兩種類型。

（4）工作環(huán)境真實性

該實訓(xùn)裝置按照工作的真實環(huán)境布局，全部采用真實的生產(chǎn)設(shè)備，完全按照企業(yè)的生產(chǎn)流程來組織教學(xué)，使學(xué)生“零距離”地完成工作任務(wù)，有效地提升了學(xué)生的職業(yè)能力。

1.3 開發(fā)方案綜述

基于現(xiàn)代工業(yè)通訊技術(shù)的電氣控制實訓(xùn)裝置以工業(yè)以太網(wǎng)為主干網(wǎng)實現(xiàn)各工控設(shè)備間數(shù)據(jù)交換，PROFIBUS-DP和Profinet高可靠性的現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線既能對現(xiàn)場不同的設(shè)備進行快速編程、尋址下載，又能保證數(shù)據(jù)的安全性。該實訓(xùn)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，裝置由主站控制器、從站控制器、人機界面、光纖交換機、變頻器、控制電機等部分組成。各部分由現(xiàn)場總線連接，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。根據(jù)市場主流控制器的不同，實訓(xùn)裝置有如下兩種配置：

（1）以西門子S7-300控制器為主站，包含有S7-300控制器，S7-200控制器，觸摸屏一套，整體以工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，S7-200系統(tǒng)通過IO點或者USS通訊方式控制V20變頻器，G120變頻器接入PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線。

（2）以西門子S7-1500控制器為主站，包含有S7-1500控制器，S7-1200控制器，觸摸屏一套，整體以工業(yè)以太網(wǎng)、Profinet現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連。S7-1200系統(tǒng)通過脈沖方式控制V90伺服，G120變頻器接入Profinet現(xiàn)場總線。

2 主要配置

2.1 硬件系統(tǒng)配置

2.1.1 控制器

SIMATIC S7系列可編程控制器，具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面等特點，適用于多種應(yīng)用。SIMATIC S7-1200 PLC具有良好的可擴展性，可以靈活地與西門子其他工控產(chǎn)品（編程軟件、人機界面、伺服控制器等）進行集成，實現(xiàn)了緊湊設(shè)計下的高性能。因此，西門子SIMATIC S7-1200特別適合于低性能范圍內(nèi)復(fù)雜控制任務(wù)的實現(xiàn)，目前正逐步取代市場上S7-200系列PLC，成為西門子綜合自動化解決方案中一個常用的中小規(guī)模控制器組件[2]。西門子公司新推出的S7-1500包含有諸多新特性，信號處理速度更為快速，特別是S7-1500已經(jīng)無縫集成到TIA博途中，極大提高了工程組態(tài)的高效性和可用性，優(yōu)化了控制質(zhì)量并提高了系統(tǒng)性能。目前，S7-1500正逐步取代市場上的S7-300系列PLC，成為西門子綜合自動化解決方案中常用的大規(guī)?？刂破鹘M件。

2.1.2 交換機

SCALANCEX-200系列的工業(yè)以太網(wǎng)交換機支持PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接方式，是一種可靠的網(wǎng)絡(luò)解決方案。SCALANCE X-200交換機具備PROFINET網(wǎng)絡(luò)診斷功能可以提高工業(yè)通信的可靠性，使現(xiàn)場調(diào)試和工程設(shè)計變得十分方便。[3]本系統(tǒng)所選X204-2，是一種非網(wǎng)管型IE交換機，自身有4個10/100 Mbit/s RJ45端口，2個 100 Mbit/s多模BFOC，自帶LED診斷和故障信號接點設(shè)置按鈕，并集成有冗余管理系統(tǒng)。

2.1.3 分布式I/O

分布式I/O采用ET200S。ET200可連接到PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線上作為從站，是一種實現(xiàn)分布式驅(qū)動的輸入輸出配置單元。ET200S有良好的可擴展性，支持與電機啟動器、變頻器、氣動啟動元件等控制單元的連接。[4]

2.1.4 人機界面

人機界面采用西門子Smart 700觸摸屏，可以輕松與其他控制系統(tǒng)連。

2.1.5 被控對象

被控對象按照實訓(xùn)項目的不同，設(shè)置有對象有物料分揀模擬裝置，V80變頻器，G120變頻器，MM420變頻器，伺服電機步及其驅(qū)動控制器，步進電機及其驅(qū)動控制器等。

2.2 通訊網(wǎng)絡(luò)的配置

2.2.1 PROFIBUS

PROFIBUS是一種廣泛應(yīng)用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的總線技術(shù)，通常由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA等3個兼容部分組成[5]。其中PROFIBUS-DP尤其適用于PLC與現(xiàn)場各分布式I/O設(shè)備之間的通信。PROFIBUS-DP的傳送速度為9.6kbaud~ 12Mbaud，當總線系統(tǒng)啟動時，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)不僅可以在現(xiàn)場施工中節(jié)省大量槽架、線纜和連接件，還可以大大減少系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試過程中所花費的時間。一方面，可以實現(xiàn)現(xiàn)場控制設(shè)備之間的聯(lián)系；另一方面也可以將控制信息接入公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，方便現(xiàn)場設(shè)備與控制管理層之間的聯(lián)系。本實訓(xùn)裝置可以采用兩種方式實現(xiàn)變頻器的控制，一種是利用PROFIBUS總線建立PLC和分布式I/O之間的連接來控制變頻器；另一種方法是把觸摸屏直接掛到PROFIBUS總線上來實現(xiàn)變頻器的控制。

2.2.2 PROFINET

PROFINET是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的通訊標準，可以兼容工業(yè)以太網(wǎng)和目前常用的現(xiàn)場總線技術(shù)。通過代理服務(wù)器可以使通常的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與PROFINET連接起來。用這種方法可以方便地把ROFIBUS總線集成到PROFINET網(wǎng)絡(luò)當中。這樣，PROFINET網(wǎng)絡(luò)也可以實現(xiàn)PROFIBUS總線技術(shù)具有的各種設(shè)備診斷功能[6]。本實訓(xùn)裝置就是使用IE/PB Link服務(wù)器將工控機、可編程控制器、分布式輸入輸出單元、變頻器等設(shè)備通過現(xiàn)場總線接到PROFINET網(wǎng)絡(luò)當中，模擬工業(yè)現(xiàn)場的實時控制。

圖1 實訓(xùn)裝置的結(jié)構(gòu)原理

3 實訓(xùn)項目

以PLC可編程控制器為核心的電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用能力是電氣自動化技術(shù)專業(yè)人才需具備的專業(yè)核心能力。因此，電氣自動化技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)裝置及實訓(xùn)項目的開發(fā)要緊緊圍繞這一專業(yè)核心能力的培養(yǎng)而進行，利用本實訓(xùn)裝置開發(fā)的實訓(xùn)項目包括PLC控制技術(shù)、工控網(wǎng)絡(luò)組建與調(diào)試技術(shù)以及運動控制技術(shù)等內(nèi)容。

3.1 PLC控制技術(shù)實訓(xùn)

PLC控制技術(shù)實訓(xùn)的目的是訓(xùn)練學(xué)生利用基本編程語言編程，能夠獨立完成順序控制工藝的PLC控制系統(tǒng)安裝調(diào)試的能力。在本實訓(xùn)系統(tǒng)中設(shè)計了一套模擬工業(yè)現(xiàn)場物料傳送及分揀裝置作為控制對象，由上料機構(gòu)、搬運機械手、皮帶輸送線、物件分揀機構(gòu)組成，對三種不同的物料（金屬鋁物料、白色纖維物料、黑色纖維物料）進行上料、搬運、運輸和分類分揀。該系統(tǒng)動力由氣壓供能，PLC通過直接控制電器執(zhí)行元件和間接控制氣動執(zhí)行元件來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，模擬實現(xiàn)了機電一體化?；赑LC的控制可實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和半自動化控制。實踐教學(xué)中，老師可以根據(jù)實際工廠的流水線的控制要求設(shè)置實訓(xùn)項目，使學(xué)生進行單步運行、自動運行、緊急停止、復(fù)位等常見控制功能的訓(xùn)練，從而實現(xiàn)PLC應(yīng)用技術(shù)這一專業(yè)核心能力的培養(yǎng)。

3.2 工控網(wǎng)絡(luò)組建與調(diào)試實訓(xùn)

工控網(wǎng)絡(luò)組建與調(diào)試系列實訓(xùn)項目的目的是讓學(xué)生了解各種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的搭建方法，并能夠通過工控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對控制對象的控制。利用PROFIBUS和PROFINET現(xiàn)場總線對西門變頻器進行控制的實訓(xùn)項目原理圖（圖2）。其中控制器采用西門子S7-1200PLC，觸摸屏使用西門子HMI，變頻器采用西門子MM系列變頻器，PLC與變頻器之間的通信采用PROFIBUS總線，PLC與觸摸屏之間的通信采用PROFINET總線。該實訓(xùn)項目的控制要求為：（1）通過觸摸屏設(shè)置變頻器的頻率；（2）通過觸摸屏實現(xiàn)變頻器的起停控制；（3）通過觸摸屏監(jiān)控變頻器實時輸出頻率。

在以上硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以利用觸摸屏通過PROFINET來控制分布式I/O上的輸入輸出元件。同時可訓(xùn)練學(xué)生使用Wiccflexible組態(tài)軟件對觸摸屏進行控制界面的組態(tài)。進行此類工控網(wǎng)絡(luò)組建與調(diào)試實訓(xùn)時，教師可根據(jù)學(xué)生的實際情況，讓學(xué)生學(xué)習(xí)利用Starter軟件，通過RS232接口實現(xiàn)PC機直接控制變頻器，對交流異步電動機進行調(diào)速。也可以在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生嘗試用觸摸屏通過PROFINET來實現(xiàn)對變頻器的實時控制。

3.3 運動控制技術(shù)實訓(xùn)

運動控制技術(shù)實訓(xùn)的目的是通過項目訓(xùn)練使學(xué)生掌握S7-1200運動控制工藝對象的使用方法，能夠使用這些工藝對象控制驅(qū)動器的脈沖輸出，完成伺服電機和步進電機運動控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試。SIMATIC S7-1200控制器是西門子全集成自動化的重要組成部分，與之配套開發(fā)的博途軟件也是一款具備組態(tài)功能的工程工具。尤其博途根據(jù)CPU S7-1200的“運動控制”功能，可以通過脈沖接口對步進電機和伺服電機的控制，故利用此功能可開展運動控制技術(shù)實訓(xùn)項目。開展運動控制技術(shù)實訓(xùn)時系統(tǒng)的基本配置及其連接示意圖（圖3）。

學(xué)生可以在博途（TIA Portal）中組態(tài)“軸”和“命令表“工藝對象，CPU S7-1200可以使用這些工藝對象控制驅(qū)動器的脈沖和方向。學(xué)生可以通過運動控制指令編寫程序?qū)崿F(xiàn)控制任務(wù)。

圖2 基于工控網(wǎng)絡(luò)的變頻器控制系統(tǒng)

圖3 運動控制系統(tǒng)連接

以本實訓(xùn)可以開展的主要實訓(xùn)項目及實訓(xùn)效果如下表所示：

開展的實訓(xùn)項目一覽表

4 應(yīng)用效果

圖4是按照本文方案所開發(fā)的基于以太網(wǎng)通訊的電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試實訓(xùn)裝置實物圖。

該裝置改變了傳統(tǒng)單一以PLC為基礎(chǔ)進行電氣控制系統(tǒng)裝調(diào)的實訓(xùn)模式，通過PROFIBUS、PROFINET等工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的配置，把PLC技術(shù)與工控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起，并結(jié)合實際的控制對象，充分利用資源，將該裝置應(yīng)用于電氣自動化技術(shù)專業(yè)的多門專業(yè)核心技能課程中。在電氣自動化技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)中發(fā)揮了如下效果：

1.在專業(yè)核心課程的實訓(xùn)教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用，學(xué)生通過在該裝置進行項目化訓(xùn)練，較好地掌握了PLC控制技術(shù)、工控網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù)以及運動控制技術(shù)等專業(yè)核心技能；2.為學(xué)有余力的學(xué)生提供了一個創(chuàng)新創(chuàng)意研發(fā)的平臺，我院專業(yè)學(xué)生社團電氣自動化協(xié)會利用該實訓(xùn)設(shè)備開展社團活動，進行創(chuàng)意創(chuàng)新，在三門峽市青年創(chuàng)新創(chuàng)意大賽取得了優(yōu)異的成績；3.為學(xué)生參加高職技能大賽“自動化生產(chǎn)線按專業(yè)與調(diào)試”賽項和“現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試”賽項提供了訓(xùn)練平臺，學(xué)生在河南省第九屆和第十屆高職技能大賽以上兩個賽項中均取得了團體二等獎的好成績；4.利用該實訓(xùn)平臺，可開展社會技術(shù)培訓(xùn)服務(wù)。

圖4 實訓(xùn)裝置實物

[1]廖常初.S7-1200 PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010:23-25.

[2]陳尚文.現(xiàn)場總線標準的發(fā)展與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[J].通信電源技術(shù)，2016（7）:150-151.

[3]鄒志勵.基于工業(yè)以太網(wǎng)的多臺西門子PLC與DCS的通信系統(tǒng)[J].電工技術(shù)，2016（7）：32-33.

[4]李方園.工業(yè)以太網(wǎng)模塊在西門子PLC系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化博覽，2016（9）:58-60.

[5]李海波，楊國華，付琛.高職院校PLC課程綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)之途徑研究[J].延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013（2）:40-41.

[6]廖常初.使用S7-1200的體會[DB/OL].http://blog.gkong.com/liaochangchu_115264.ashx.2010/5/18.

（責(zé)任編輯 卞建寧）

TM762

B

1671-9123（2017）02-0128-05

2017-02-20

三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改項目課題（SZY—2016—001）

尤向陽（1980-），男，河南洛陽人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院副教授，主要從事電氣自動化技術(shù)研究。