基于现代工业通讯技术的电气控制实训装置的开发与应用

◎尤向阳

（三门峡职业技术学院 电气工程学院，河南 三门峡 472000）

基于现代工业通讯技术的电气控制实训装置的开发与应用

◎尤向阳

（三门峡职业技术学院 电气工程学院，河南 三门峡 472000）

介绍了基于以太网通讯的西门子现代电气控制实训装置的开发思路，改变了单一以PLC为基础进行电气控制系统装调的实训模式，通过PROFIBUS、PROFINET等工业通讯网络的配置，把PLC技术与工控网络技术融合在一起，并结合实际的控制对象，使学生能够在该实训装置上模拟工业自动化领域实际的现代电气控制系统，为高职电气自动化技术专业学生提供了良好的现代电气控制技术安装与调试实践教学平台。实践教学证明，该装置组合方便，实现了需要的控制系统配置方案，满足了实践教学的需要。

PLC；工控网络；电气控制；实训装置

随着可编程控制技术和现代工业通讯技术的发展，现代电气控制系统的功能从简单的数字量控制领域扩展到复杂过程控制领域，尤其是在现场总线技术的出现，不仅解决了控制系统底层的现场设备之间的通讯问题，也使得生产现场设备与处于控制系统顶层的各种外界设备实现了信息的交换。[1]随着高等学校创新创业教育活动的不断开展，对电气自动化技术专业学生核心职业能力培养的途径和效果提出了更高的要求，因此，无论从专业建设角度或创新创业型人才培养需要及工业控制新技术学习体验方面来看，现代电气控制综合性实训装置及实训项目的开发都是电气自动化技术专业当前教学改革中一项非常重要的工作。

1 开发方案

1.1 开发思路

本实训平台开发的目标是构建综合性电气控制系统安装与调试实训平台。具体开发思路应主要遵循以下两点：

（1）以现代电气控制技术职业能力培养为主，依据硬件设计与软件编程相结合，以实验室模拟训练与现场工程控制的真实需求相融合。

（2）以工业控制网络技术为手段，连接工控机、编程控制器，变频器、触摸屏、伺服电机及其驱动器工控单元为一体，实现传统控制技术与工业通讯技术的融合。

1.2 开发原则

（1）功能开放性

即能满足校内高职学生职业技能实训、师生科技研发的需要，又能对外开放为社会提供如创新创业培训、职业资格鉴定等多方位服务，成为社会服务的窗口和基地。

（2）操作实用性

采用网孔板结构，底座带有滚轮，各模块相对独立又可以互相组合，在确保设备使用安全的前提下，可根据教学需要灵活进行开发。

（3）技术先进性

控制器除采用西门子公司当前主流的S7-200系列和S7-300中规模控制器以外，更是增加S7-1200和S7-1500两类新型控制器，未来这两类控制器将逐步取代前面两种类型。

（4）工作环境真实性

该实训装置按照工作的真实环境布局，全部采用真实的生产设备，完全按照企业的生产流程来组织教学，使学生“零距离”地完成工作任务，有效地提升了学生的职业能力。

1.3 开发方案综述

基于现代工业通讯技术的电气控制实训装置以工业以太网为主干网实现各工控设备间数据交换，PROFIBUS-DP和Profinet高可靠性的现场数据总线既能对现场不同的设备进行快速编程、寻址下载，又能保证数据的安全性。该实训装置的结构原理图如图1所示，装置由主站控制器、从站控制器、人机界面、光纤交换机、变频器、控制电机等部分组成。各部分由现场总线连接，通过工业以太网实现数据通信。根据市场主流控制器的不同，实训装置有如下两种配置：

（1）以西门子S7-300控制器为主站，包含有S7-300控制器，S7-200控制器，触摸屏一套，整体以工业以太网、PROFIBUS-DP现场总线网络相连，S7-200系统通过IO点或者USS通讯方式控制V20变频器，G120变频器接入PROFIBUS-DP现场总线。

（2）以西门子S7-1500控制器为主站，包含有S7-1500控制器，S7-1200控制器，触摸屏一套，整体以工业以太网、Profinet现场总线网络相连。S7-1200系统通过脉冲方式控制V90伺服，G120变频器接入Profinet现场总线。

2 主要配置

2.1 硬件系统配置

2.1.1 控制器

SIMATIC S7系列可编程控制器，具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用。SIMATIC S7-1200 PLC具有良好的可扩展性，可以灵活地与西门子其他工控产品（编程软件、人机界面、伺服控制器等）进行集成，实现了紧凑设计下的高性能。因此，西门子SIMATIC S7-1200特别适合于低性能范围内复杂控制任务的实现，目前正逐步取代市场上S7-200系列PLC，成为西门子综合自动化解决方案中一个常用的中小规模控制器组件[2]。西门子公司新推出的S7-1500包含有诸多新特性，信号处理速度更为快速，特别是S7-1500已经无缝集成到TIA博途中，极大提高了工程组态的高效性和可用性，优化了控制质量并提高了系统性能。目前，S7-1500正逐步取代市场上的S7-300系列PLC，成为西门子综合自动化解决方案中常用的大规模控制器组件。

2.1.2 交换机

SCALANCEX-200系列的工业以太网交换机支持PROFINET网络连接方式，是一种可靠的网络解决方案。SCALANCE X-200交换机具备PROFINET网络诊断功能可以提高工业通信的可靠性，使现场调试和工程设计变得十分方便。[3]本系统所选X204-2，是一种非网管型IE交换机，自身有4个10/100 Mbit/s RJ45端口，2个 100 Mbit/s多模BFOC，自带LED诊断和故障信号接点设置按钮，并集成有冗余管理系统。

2.1.3 分布式I/O

分布式I/O采用ET200S。ET200可连接到PROFIBUS-DP现场总线上作为从站，是一种实现分布式驱动的输入输出配置单元。ET200S有良好的可扩展性，支持与电机启动器、变频器、气动启动元件等控制单元的连接。[4]

2.1.4 人机界面

人机界面采用西门子Smart 700触摸屏，可以轻松与其他控制系统连。

2.1.5 被控对象

被控对象按照实训项目的不同，设置有对象有物料分拣模拟装置，V80变频器，G120变频器，MM420变频器，伺服电机步及其驱动控制器，步进电机及其驱动控制器等。

2.2 通讯网络的配置

2.2.1 PROFIBUS

PROFIBUS是一种广泛应用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的总线技术，通常由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA等3个兼容部分组成[5]。其中PROFIBUS-DP尤其适用于PLC与现场各分布式I/O设备之间的通信。PROFIBUS-DP的传送速度为9.6kbaud~ 12Mbaud，当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。PROFIBUS现场总线技术不仅可以在现场施工中节省大量槽架、线缆和连接件，还可以大大减少系统设计与调试过程中所花费的时间。一方面，可以实现现场控制设备之间的联系；另一方面也可以将控制信息接入公共数据网络，方便现场设备与控制管理层之间的联系。本实训装置可以采用两种方式实现变频器的控制，一种是利用PROFIBUS总线建立PLC和分布式I/O之间的连接来控制变频器；另一种方法是把触摸屏直接挂到PROFIBUS总线上来实现变频器的控制。

2.2.2 PROFINET

PROFINET是一种基于工业以太网技术的通讯标准，可以兼容工业以太网和目前常用的现场总线技术。通过代理服务器可以使通常的现场总线系统与PROFINET连接起来。用这种方法可以方便地把ROFIBUS总线集成到PROFINET网络当中。这样，PROFINET网络也可以实现PROFIBUS总线技术具有的各种设备诊断功能[6]。本实训装置就是使用IE/PB Link服务器将工控机、可编程控制器、分布式输入输出单元、变频器等设备通过现场总线接到PROFINET网络当中，模拟工业现场的实时控制。

图1 实训装置的结构原理

3 实训项目

以PLC可编程控制器为核心的电气控制系统的应用能力是电气自动化技术专业人才需具备的专业核心能力。因此，电气自动化技术专业实训装置及实训项目的开发要紧紧围绕这一专业核心能力的培养而进行，利用本实训装置开发的实训项目包括PLC控制技术、工控网络组建与调试技术以及运动控制技术等内容。

3.1 PLC控制技术实训

PLC控制技术实训的目的是训练学生利用基本编程语言编程，能够独立完成顺序控制工艺的PLC控制系统安装调试的能力。在本实训系统中设计了一套模拟工业现场物料传送及分拣装置作为控制对象，由上料机构、搬运机械手、皮带输送线、物件分拣机构组成，对三种不同的物料（金属铝物料、白色纤维物料、黑色纤维物料）进行上料、搬运、运输和分类分拣。该系统动力由气压供能，PLC通过直接控制电器执行元件和间接控制气动执行元件来实现系统功能，模拟实现了机电一体化。基于PLC的控制可实现系统的自动化和半自动化控制。实践教学中，老师可以根据实际工厂的流水线的控制要求设置实训项目，使学生进行单步运行、自动运行、紧急停止、复位等常见控制功能的训练，从而实现PLC应用技术这一专业核心能力的培养。

3.2 工控网络组建与调试实训

工控网络组建与调试系列实训项目的目的是让学生了解各种工业控制网络的搭建方法，并能够通过工控网络实现对控制对象的控制。利用PROFIBUS和PROFINET现场总线对西门变频器进行控制的实训项目原理图（图2）。其中控制器采用西门子S7-1200PLC，触摸屏使用西门子HMI，变频器采用西门子MM系列变频器，PLC与变频器之间的通信采用PROFIBUS总线，PLC与触摸屏之间的通信采用PROFINET总线。该实训项目的控制要求为：（1）通过触摸屏设置变频器的频率；（2）通过触摸屏实现变频器的起停控制；（3）通过触摸屏监控变频器实时输出频率。

在以上硬件网络组态的基础上，学生可以利用触摸屏通过PROFINET来控制分布式I/O上的输入输出元件。同时可训练学生使用Wiccflexible组态软件对触摸屏进行控制界面的组态。进行此类工控网络组建与调试实训时，教师可根据学生的实际情况，让学生学习利用Starter软件，通过RS232接口实现PC机直接控制变频器，对交流异步电动机进行调速。也可以在此基础上让学生尝试用触摸屏通过PROFINET来实现对变频器的实时控制。

3.3 运动控制技术实训

运动控制技术实训的目的是通过项目训练使学生掌握S7-1200运动控制工艺对象的使用方法，能够使用这些工艺对象控制驱动器的脉冲输出，完成伺服电机和步进电机运动控制系统的安装与调试。SIMATIC S7-1200控制器是西门子全集成自动化的重要组成部分，与之配套开发的博途软件也是一款具备组态功能的工程工具。尤其博途根据CPU S7-1200的“运动控制”功能，可以通过脉冲接口对步进电机和伺服电机的控制，故利用此功能可开展运动控制技术实训项目。开展运动控制技术实训时系统的基本配置及其连接示意图（图3）。

学生可以在博途（TIA Portal）中组态“轴”和“命令表“工艺对象，CPU S7-1200可以使用这些工艺对象控制驱动器的脉冲和方向。学生可以通过运动控制指令编写程序实现控制任务。

图2 基于工控网络的变频器控制系统

图3 运动控制系统连接

以本实训可以开展的主要实训项目及实训效果如下表所示：

开展的实训项目一览表

4 应用效果

图4是按照本文方案所开发的基于以太网通讯的电气控制系统安装与调试实训装置实物图。

该装置改变了传统单一以PLC为基础进行电气控制系统装调的实训模式，通过PROFIBUS、PROFINET等工业通讯网络的配置，把PLC技术与工控网络技术融合在一起，并结合实际的控制对象，充分利用资源，将该装置应用于电气自动化技术专业的多门专业核心技能课程中。在电气自动化技术专业实践教学中发挥了如下效果：

1.在专业核心课程的实训教学中发挥了重要的作用，学生通过在该装置进行项目化训练，较好地掌握了PLC控制技术、工控网络组建技术以及运动控制技术等专业核心技能；2.为学有余力的学生提供了一个创新创意研发的平台，我院专业学生社团电气自动化协会利用该实训设备开展社团活动，进行创意创新，在三门峡市青年创新创意大赛取得了优异的成绩；3.为学生参加高职技能大赛“自动化生产线按专业与调试”赛项和“现代电气控制系统安装与调试”赛项提供了训练平台，学生在河南省第九届和第十届高职技能大赛以上两个赛项中均取得了团体二等奖的好成绩；4.利用该实训平台，可开展社会技术培训服务。

图4 实训装置实物

[1]廖常初.S7-1200 PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社，2010:23-25.

[2]陈尚文.现场总线标准的发展与工业以太网技术[J].通信电源技术，2016（7）:150-151.

[3]邹志励.基于工业以太网的多台西门子PLC与DCS的通信系统[J].电工技术，2016（7）：32-33.

[4]李方园.工业以太网模块在西门子PLC系统中的应用[J].自动化博览，2016（9）:58-60.

[5]李海波，杨国华，付琛.高职院校PLC课程综合应用能力培养之途径研究[J].延安职业技术学院学报，2013（2）:40-41.

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

（责任编辑 卞建宁）

TM762

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1671-9123（2017）02-0128-05

2017-02-20

三门峡职业技术学院教改项目课题（SZY—2016—001）

尤向阳（1980-），男，河南洛阳人，三门峡职业技术学院电气工程学院副教授，主要从事电气自动化技术研究。