一种工业网络控制实训系统的设计与实现

◎葛笑寒

一种工业网络控制实训系统的设计与实现

◎葛笑寒

（三门峡职业技术学院 电气工程学院，河南 三门峡 472000）

提出一种基于网络的多模式PLC实训系统。该系统采用西门子公司新型控制器1200、1500、S7-200SMART和传统的S7-400、S7-300、S7-200控制集成，采用工业以太网和PROFIBUS-DP的通信模式，实现现场级、控制级、管理级的三层网络系统的信息传递。可以用以太网完全实现三层网络控制，也能实现各种控制器之间的以太网、PROFIBUS-DP、PPI和USS协议等通信模式。系统端口开放，具有扩展和级联其他设备的功能。该实训系统对提高师生解决复杂工程问题的能力有积极作用。

工业控制；以太网；通信；设计；实现

可编程控制器技术（简称PLC）是工业控制领域的主流之一[1]。因此，PLC应用技术已成为各高职院校电气自动化专业必设的专业技术课程，具有很强的实践性，各院校也都纷纷建立了与之配套的实训室或实训中心。随着PLC技术的发展和功能的提高，PLC实训装置经历了普通实验台、网孔板式的实训台、自动化生产线、全集成自动化等四个阶段。早期控制实验箱，内部设备全部封闭，展现在学生面前的只是各种插线接口和指示灯，学生通过插接线操作即可完成实验，这种操作与实际工程严重脱节；网孔版式的实训台，在操作中将各种电气元件安装在网孔板上进行接线，虽然元器件可见可测，但其功能单一，只能完成单项技能训练；自动化生产线是完全模拟工业生产实际，集成上位机、通信、PLC和传感器等的一个复杂系统。它功能强大，但是只能服务于这个系统的硬件结构，灵活性和柔性不足[2]；集成自动化是符合时代发展和工业发展的控制系统，它以现场总线为基础实现网络控制。本文使用西门子S7-1200、S7-1500、S7-200SMART、S7-200、S7-300、S7-400 控制器， 采用以太网、PROFIBUS-DP 等通信方式实现多种模式网络自动控制。该系统提供了多种模式操作设计方法，满足多元化的实训项目，真正实现了学生毕业后在PLC技术应用领域“零距离上岗”的最终教育目的。

1.工业网络控制实训系统的网络拓扑结构

结合工业现场和教学实际，本系统实行三个层级的网络拓扑结构，分为管理层，控制层和现场层，如图1所示。各部分的功能如下：

（1）管理层：处于网络的顶层，负责网络资源的配置。本系统以工控机和S7-400为核心，能够实时监控现场设备和整个网络的管理。S7-400PLC是上位机控制器，用于集中监视和管理功能[3]。工业现场要求大量的数据处理，一般都采用以太网通信。

（2）控制层：完成整个网络优化。多采用PROFIBUS或者以太网协议，支持AS-I等总线协议。本网络系统的中间层控制以PLC-300中CPU315-2PN/DP和新型控制器1500为核心，配合博图软件集成的WINCC软件为平台实现工业现场数据的采集，动画显示，报警显示，历史数据，实时曲线等监控和控制功能。该层控制器以S7-200SMART,200PLC,1200等设备做从站，实现系统的资源和通信配置。整个系统采用总线通讯的拓扑结构，使整个系统处于开放、全数字、全分散的分布式系统。

（3）现场层：该层设备可以实现小型自动化控制，做系统的从站，可以直接连接各种仪器设备。该设备包括远程I/O设备、V20变频器、配有以太网口及DP口的G120变频器和支持以太网通信的V90伺服控制系统。

2.工业网络控制实训系统硬件选型

工业网络控制实训系统由PLC控制系统、运动控制系统、远程I/O系统、网络控制系统、人机交互系统分组成。

PLC控制系统控制器是核心。S7系列PLC（S7-400、S7-300、S7-200）已经在国内广大自动化领域应用。而西门子1200和1500PLC是新一代的产品，处理速度更快，安全性能更好，具有良好的操作界面。因此，一方面是采用西门子公司的S7系列PLC（S7-400、S7-300、S7-200）进行；另一方面采用西门子1200和1500进行。其中S7-400的功能强大，能够进行复杂的工厂自动控制和过程控制，处于网络的管理层，需要交换大量数据，故而选择经济型CPU412-2PN，它自带两个网口，实现以太网通信，能完成高速的数据交换；S7-300功能灵活，处于控制层，主要用于中型工厂自动化系统。目前，工业控制PROFIBUS-DP有大的市场占有率，但速度比以太网慢。故选择经济型CPU314C-2PN/DP，它集成1个RS485、2个以太网接口能够实现以太网和PROFIBUS-DP通信；S7-200是小型PLC，完成小型系统，本身仅支持PPI和USS协议，这里采用CPU226AC/DC/继电器。要实现DP和以太网协议需配置专用的EM277模块和CP-243-1以太网模块。实际使用中，以太网模块昂贵，所以200的小型自动化方案一般不采用以太网通信。1500是300和400的更新换代产品，将来会逐步替代300和400成为工业控制的主流产品，它具有高效组态、工艺集成、集成显示面板、集成系统诊断等优越性能。所有CPU模块均支持以太网通信。选择CPU1511-1PN，它具有1xPROFINET（2端口交换机）能够实现系统控制层的连接。1200是针对低端离散式自动化系统和单机自动化系统的紧凑型模块化控制器，S7-200PLC的更新换代产品，选择经济型CPU1211C。另外，考虑到小型自动化系统以太网通信，采用西门子新产品S7-200SMART，选用CPU ST40 DC/DC/DC。这些控制器都被组建在网络中，形成一个强大的网络体系。

图1 工业网络控制实训系统的网络拓扑结构

运动控制系统，以变频调流系统和伺服运动为主，选择西门子公司生产的V20、G120变频器和V90伺服驱动器。V20变频器可以通过PLC的外部端子控制，也可以采用USS协议直接控制；G120变频器则可以通过外部端子和以太网通信控制。而V90伺服驱动器集成有DP和PN口能够实现DP和以太网通信控制。

远程I/O系统主要以ET200M为核心，能够以DP和以太网通信接入网络。可以和300、400、1200、1500等进行通信。

网络控制系统主要有紧凑型交换机模块、以太网线和PROFIBUS总线连接器及PROFIBUS总线构成。CSM1277是一款应用西门子工业以太网控制的结构紧凑和模块化设计的工业以太网交换机，能够被用来增加SIMATIC以太网接口以便实现与操作员面板，编程设备，其他控制器，或者办公环境的同步通信。

人机交互系统，主要有工控机、人机界面和1500显示屏。工控机装有STEP7(TIA Portal)软件，机界面采用TP700精智面板。

3.工业网络控制软件系统

该实训系统，集成了西门子家族主流产品和更新换代产品。故而需要多种软件支持。其中STEP7(TIA Portal)主要用于组态SIMATIC S7-1200和S7-1500，也支持S7-300/400和WinAC控制器系列的工程组态软件，但考虑工程实际，STEP7已经被广大工程技术人员熟知，且对电脑配置要求低。用于系统没有S7-1200和S7-1500的工程中特别简单快捷。西门子200已经国产化，在一定时间内仍旧有大的市场占有率，STEP7-Micro/WIN软件支持该系统，TEP7-Micro/WIN SMART支持近几年新出产品S7-200SMART，具体特征见下表。

软件系统及要求表

4.工业网络控制实训系统的项目设计及实现

PLC技术实训按层次高低通常分为PLC基础应用实训、驱动技术应用实训和PLC高级应用实训［4-5］。其中，基础应用实训主要完成PLC基本技能项目，包括S7-300、400和S7-1200/1500等的单机组态和编程等；驱动技术应用实训主要完成变频调速，伺服控制和步进电机控制等项目；PLC高级应用主要完成以太网、PROFIBUS-DP等组网通信项目，利用各种型号的PLC和驱动装置连接成网络，进行信息的传递。通过本实训系统的升级，不仅可以完成PLC基础应用、驱动技术应用等传统实训，还可实现PLC高级应用实训。

图2 小型通信系统的硬件组态

图3 HMI人机界面设计

系统能完成的PLC高级应用项目有S7-300、400和 1500PLC通过集成DP、PN与ET200M的Profibus DP、Profinet通信；S7-400 与 S7-300、1500 的 Profibus DP、Profinet通信；S7-300 通过EM277与 S7200的 Profibus DP通信，S7-200SMART、200通过集成RS485口的USS协议控制V20变频器；S7300和1500通过集成DP、PN口的控制G120伺服控制器；S7-300、1200、1500、200SMART之间的通信等。

基于以太网的变频调速系统调试过程如下：首先，建立系统硬件组态，如图2所示，实现HMI、1500、1200和 300PLC 控制 G120变频调速的以太网连接。其次对各个控制器分别进行编程。然后建立HMI人机界面，如图3所示。最后，联机系统调试运行。结果表明，该网络系统能够正常运行。能够在HMI上进行伺服电机的启停操作，同时PLC的输出端口显示数据的传递。

5.结论

该工业网络控制实训系统能够改变功能单一、内部封闭传统训练模式，把工业现代化的自动控制系统和教学实际相结合。体现了现代工业自动生产系统的统一调度管理、分布式、分层控制的工业网络的发展趋势。该系统集成西门子公司的主流产品，实现工业控制系统中的多种组网技术和控制技术。特别是系统中集成西门子公司最新的S7-1200、1500控制器和集成管理软件博图，紧跟工业技术的发展潮流，该系统为高素质技能人才技能提升和教学科研提供了优越的平台。

[1]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2014：11.

[2]许建凤，傅永锋.多模式PL实训平台设计与研制[J].实验技术与管理，2012，29（11）：65-67.

[3]陶权.高职工业控制PROFIBUS现场总线网络实训平台的研发[J].化工职业技术教育，2010（4）：47-49.

[4]沈灿钢,孙晓明.西门子全集成工业网络实训室设计与实现[J].实验技术与管理，2015，32（2）：170-172.

[5]赵杰，李春华，徐益民，等.自动化专业实践教学体系的研究与探索[J].实验室研究与探索，2012(7)：340-341+360.

Anindustrialnetwork controlthedesignand implementationof trainingsystem

GEXiaohan
（Sanmenxia polytechnic，Sanmenxia472000，China）

In this paper,a multiple model based on network PLC training system was researched.The system adopts the new controller 1200,1500,Siemens S7-200 smart and traditional S7-400,S7-300,S7-200 control integration,using industrial Ethernet and PROFIBUS-DP communication mode，which implement the information transmission among site level,control level and management level.The system not only realize the three layer network control,but aslo can realize the commumication among the ethernet,PPI and uss protocol.System port is open,and have the function of extension and cascade of other equipment.The training system for improving the ability of the teachers and students to solve complex engineering problems plays apositive role.

Industrial control;Ethernet communication;Communication;Design;Realize

TP273

B

1671-9123（2017）03-0144-04

2017-03-21

三门峡职业技术学院科技创新项目（SZY-2016-012）

葛笑寒（1983-），男，河南三门峡人，三门峡职业技术学院电气工程学院教师。

（责任编辑 卞建宁）