现场总线技术实验室建设

田 莉，王志凌

(南京航空航天大学金城学院，江苏南京211156)

现场总线作为继DCS系统之后的新一代网络控制系统，代表着现代过程控制的前沿方向，具有强大的优势以及毋庸置疑的生命力[1]。相对于DCS的分散管理，采用集中控制的现场总线系统实现了真正的分散控制，具有高度可靠性。它采用开放的协议标准，按此协议标准生产的设备都可以方便地集成到现场总线系统中，从而提高了产品的互换性和互操作性，正越来越多地用于制造业、流程工业、交通、楼宇和电力等领域中。作为未来的自动控制工程技术人员，不懂现场总线的知识，将无法适应新时代对自动控制人才的需求。

1 教学现状

由于现场总线是新兴技术，目前国产化程度依然不高。导致其理论课程并未在我国高校中普遍推广，仅有部分工科院校开设了此课程。而且，课程不同程度地存在理论与实践脱节现象，主要表现在以下几个方面[2]。

(1)教学内容方面:教师授课内容很大程度上受到了教材的局限。由于现场总线技术发展迅速，教材跟不上变化，这样使得单纯用课本教学会导致一定的滞后性。

(2)教学手段方面:目前大多数教学仍停留在采用多媒体进行授课，幻灯片呈现的主要为课本内容，很多教师并没有扩展教材之外的内容并做到实用技术上的更新。

(3)教学模式方面:以教师为中心的授课的方式会使学生觉得这门课理论性太强，抽象并空洞。

解决上述这些问题的最好的方法莫过于理论联系实践。我校基于培养应用性人才的目标，本着锻炼学生的动手能力、创新能力，提高学生就业竞争力的思想，创办了现场总线技术实验室，为现场总线这门课程注入了血液，也为学生、教师以及校外人员开展相关的培训、科研和创新提供了一个平台。

2 现场总线控制实验室的构成

实验室以西门子S7-200PLC和S7-300PLC系列产品为基础搭建了由Profibus现场总线通讯网络、工业以太网通讯网络以及WinCC上位机监控系统组成的系统，为工业现场数据的采集和监控提供了完整的解决方案[3]。整个系统可分为三个结构层次，如图1所示。

图1 现场总线控制系统结构图

第一层为计算机监控管理层:工控机为主机，运行在WinCC组态软件环境下，对整个实验系统进行监控和调度，实现了管控一体化。

第二层为S7-300PLC现场主控制层(主站):选用西门子的中型可编程控制器S7-300系列PLC为主站，配置PN/DP通讯模块。采用工业以太网与第一层进行通讯。与下一层采用Profibus-DP通讯方式连接，此外还在PC上配了5611卡，也可以作为Profibus总线的主站;另外还配置了西门子的触摸屏，作为二类主站实现强大的人机交换功能。

第三层为从站设备，在这一层上可以实现开关量的输入输出控制和模拟量的输入输出控制;为了让学生见识和熟悉各种现场控制对象，在这一层配备了各种各样的从站:包括西门子的分布式I/O(ET200M)，实现了对温度和直流电机的模拟量控制;西门子公司具有Profibus-DP通讯接口的MM440变频器，实现三相交流异步电机的总线控制。此外还有西门子的小型可编程控制器S7-200PLC以及自动门系统、立体仓库系统和机械手系统等对象。为了使S7-200PLC有DP通讯功能，增加了EM277模块，为了使S7-200PLC具有以太网通讯的功能，增加了CP243-1模块，整个系统充分展现了全集成自动化系统组成的先进性、复杂性、多变性和总线通讯方式的灵活性。

3 实践教学体系

实践教学体系分为三个层次:基础型实验，综合设计型实验和研究创新型实践。学生通过基础型实验，可以巩固课堂理论学习效果，掌握基本软硬件的操作及使用方法，为进行综合设计型实验打下基础。综合设计型实验能让学生将多个对象互联起来，构建一个综合性的实验对象，通过组态软件，实现上位机对下位机的远程监控，进一步加强学生的综合知识运用能力。学生通过研究创新型实践，最终能内化为自己的知识，做到活学活用，对总线运用能力达到一个比较高的层次，为日后从事相关工作奠定坚实基础。

3.1 基础型实验

基于相关软件和简单硬件的基本操作实验，我们可让学生学会使用相关软件达到操控基本硬件的方法。

(1)STEP7-Micro/WIN软件

STEP7-Micro/WIN软件用来编制S7-200PLC的程序。学生可用此软件对编程去控制自动门、机械手和立体仓库等对象。

(2)STEP7软件

西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站点组态和编程的标准软件包。STEP7标准软件包中提供一系列的应用工具，如:SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态和网络组态等。构成一个Profibus自动化系统需进行硬件组态，并用 IEC61131-3语言编制程序，实现对工业过程对象的联网和控制。

(3)WinCC flexible软件

西门子触摸屏软件WinCC flexible，是一种可视化的面向机器的HMI软件。我们用此软件对触摸屏编程和组态成功后，将触摸屏与PLC及生产过程对象连接起来，操作人员即可通过轻轻触摸屏幕上的按钮实现工况显示和参数设置等功能。

(4)WinCC软件

SIMATIC WinCC是一款运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心。用此组态软件完成的过程监视系统，让用户在PC机上远程监控工业现场的运行。

3.2 综合设计型实验

实验室目前开展了基于WinCC的自动门控制系统、基于WinCC的机械手控制系统、基于触摸屏的变频器控制三相电机和基于触摸屏的立体仓库控制系统等系统性的实验，学生从底层的S7-200PLC实物对象程序编起，直到在PC机或触摸屏上设计生动直观的监控界面。他们通过总线技术，在上位机电脑屏幕上点击，便可控制实物对象的动作，而且对象的状态能实时地显示在屏幕上。

3.3 研究创新型实践

学生在深刻理解协议并完成前面两种实验后，可创新性地设计现场总线产品，如开发现场总线从站，因为只是具有Profibus-DP接口的智能设备才能接入到总线中。我国对于Profibus-DP的应用和研究以国外大公司的成套设备为主，价格昂贵。能按照协议自主开发Proifbus-DP智能从站，把非总线的测控设备接入到总线网络中对该现场总线技术产品的国产化具有非常现实而重大的意义[4]。

本实验室已自主完成基于单片机和VPC3芯片开发的智能从站，并接入到实验室的主站系统中进行了验证。实物如图2所示，用到的主要芯片在图中用圆圈作了标注，这意味着不具备现场总线功能的设备，可以通过在设备上加入此协议接入现场总线系统中，扩展了从站对象的范围。

图2 基于VPC3的智能从站的开发电路板

4 问题及解决措施

作为Proifbus主站的S7-300PLC设备价格较高，模块配置不同时价格会有差异。一个基本的只带总线通讯功能的S7-300PLC主站大约要花费万元左右。如何解决学生人数多经费有限的问题?研究实际情况发现，学生的主要工作如编程和设置等是在电脑上完成的，并非一定要人手一台PLC设备。本实验室只配备了3台S7-300PLC主站，另外配备了30台电脑作为上位机，学生编程后分时下载程序到PLC中，解决了资源短缺的问题，提高了设备的利用率。实验室的配置情况如图3所示。

图3 上下位机配置图

5 结语

市面上Profibus实验类教材较少，且不一定适合实验室现有设备。我们在陆续开展了若干基本型、拓展型和创新型实验后，需要不断完善实验指导书和相关教材的编写，逐步形成具有特色的教材，为学生的综合训练提供指导，同时也可作为对校外技术人员进行培训的以项目为导向的教材。

我校现场总线技术实验室的建设，调动了学生的学习热情。对于加深学生对理论知识的理解，提高学生兴趣，增强学生动手操作能力起到了重要作用。形成了有利于培养学综合素质与创新能力的交互式实验教学新体系。

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用(第2版)[M].北京:清华大学出版社，2008.

[2]陈勇，张昌华，刘群英.“现场总线技术”课程研究型教学方案的探讨[J].北京:中国电力教育，2009，(141):85-87

[3]邱佰平，喻寿益.基于以太网及现场总线的过程控制系统实验装置[J].上海:实验室研究与探索，2005，24(1):43-49

[4]孙鹤旭，粱涛，云利军.Profibus现场总线控制系统的设计与开发[M].北京:国防工业出版社，2007.