基于西门子PLC网络化实验平台的设计

崔桂梅， 顾婧弘， 刘丕亮

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)



基于西门子PLC网络化实验平台的设计

崔桂梅， 顾婧弘， 刘丕亮

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

针对本校PLC实验室存在设备分散，通用性、集成性和开放性不高的问题，对实验室进行改造。在整合实验室现有资源的基础上，采用PROFIBUS-DP和工业以太网通信方式，搭建一种功能强大、应用广泛的网络化实验平台。该平台实现了现场总线技术和工业组态技术相结合的网络过程控制，为教学科研与开发应用提供一个面向工业过程的实验平台。

PLC； 网络控制； PROFIBUS-DP； 工业以太网； 组态

0 引 言

PLC网络控制技术在实际现场中的应用越来越广泛，尤其在现代工业自动化和过程自动化的控制系统中，工业过程控制系统已趋于网络化。传统的PLC控制系统多数没有建立网络或网络结构单一，导致缺乏信息资源的共享和出现生产过程没有统一管理的“自动化孤岛效应”现象，无法满足现代工业对生产的要求[1]。为解决此问题，学校利用实验室现有设备，整合实验资源，搭建基于西门子PLC的工业控制网络平台，以工业以太网和PROFIBUS-DP网络为主，搭建多层网络结构。使智能传感器和执行器通过工业控制网络交换数据，实现资源共享。解决了传统PLC实验室网络分散、孤立的问题，为学生提供良好的学习和开发的平台，使学生的实践与创新能力得到提高[2-4]。

1 网络平台介绍

流程工业综合自动化系统的工业网络控制平台，以典型的实验挂件和复杂过程控制实验室装置为主要被控对象。真实地模拟工业领域控制系统运行环境，为本科生由浅入深、由上到下的掌握西门子PLC技术及应用，提供一个教学实施平台。该实验平台可以使学生更加系统化的了解西门子PLC网络控制的结构和功能，为培养出适应自动化发展的应用型人才做出贡献。本实验平台的网络结构图如图1所示。

该实验平台包含S7-400、S7-300、S7-200、ET200M、触摸屏、计算机、MM420变频器和5个被控对象，各部分通过工业以太网和PROFIBUS-DP网络连接起来，实现三层网络控制系统。现代网络控制系统一般划分三级：管理级、控制级、现场级。第一层管理级以PC机、S7-400和触摸屏为主，用于企业的上层管理，采用具有传输速度快和传输数据量大的以太网通信方式；第二层控制级以S7-300为主，采用PROFIBUS-DP通信方式；第三层现场级直接连接现场的各种设备。该实验平台把实验室分散的控制对象组合起来进行网络控制，有逻辑控制的被控对象交通灯及皮带传送装置，运动控制的被控对象电机，过程控制的被控对象水箱及加热装置等。被控对象的选取具有典型性和代表性,充分利用实验室资源，模拟工业控制现场，为学生提供很好的平台去了解网络控制系统。

2 网络平台搭建

2.1 PROFIBUS-DP通信

PROFIBUS-DP由于数据的实时性较好，通常用于连接控制级与现场级，并进行数据传输[5-7]。在PROFIBUS-DP网络结构中，搭建了以S7-300为主站，ET200M、S7-200和MM420变频器为从站的两层网络结构，硬件组态图如图2所示。

图2 PROFIBUS-DP网络的硬件组态图

2.1.1 S7-300与远程I/O装置通信

S7-300与远程I/O装置通信，远程I/O装置采用带有DP口的IM153-2装置。将ET200M拨码器上的地址设为8，S7-300与ET-200之间通过PROFIBUS-DP总线连接，ET-200M的I/O模块与被控对象交通灯模块相连接，控制程序在S7-300中实现。交通灯的硬件接线图如图3所示。

2.1.2 S7-300与S7-200通信

在S7-300与S7-200进行通信时，由于S7-300与S7-200的通信接口不兼容，需要EM277模块进行连接，其通信结构图如图4所示。

温度是工业中必不可少的被控量，因此选择实验室的温度控制模块作为被控对象。S7-200与温度模块相连接，温度变送器把反馈的温度送到PLC中，加热器驱动模块与PLC的输出模块连接，实现对模块温度的控制，通过WinCC对温度控制进行监控，并进行PID参数调节。

2.1.3 S7-300与变频器通信

利用DP通信实现速度闭环控制，其中S7-300做主站，配有DP通信卡的变频器做从站。S7-300通过PROFIBUS-DP与MM420变频器连接，在OB1中调用SFC14和SFC15完成对变频器数据的读写，同时调用FB41完成速度闭环控制。PID调节趋势图见图5。

WinCC是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具，利用WinCC对速度闭环调节过程进行监控，实现对变频器参数的读写与主频率的给定[8]。

图5 PID调节趋势

2.2 工业以太网通信

工业以太网的传输速度非常快，通常用于连接管理级与控制级，PC机作为上位机对下位机进行监控。在工业以太网网络结构中，搭建了以S7-400为主站，两个S7-300为智能从站的以太网网络结构，网络组态如图6所示。

图6 以S7-400为主站的网络组态图

2.2.1 S7-400与智能从站通信

如图6所示，S7-400与S7-300进行通信，在主从站硬件组态后，再进行网络组态。并且插入新连接。采用发送数据模块SFB12、接收数据模块SFB13，使S7-300与S7-400进行以太网通信。PG/PC口设置为TCP/IP->Broadcom NetLink。下面介绍下SFB12、SFB13的功能。

SFB12是发送分段数据模块，SFB13是接收分段数据模块。其中REQ控制参数请求，在上升沿激活数据交换。R控制参数复位，当继续进行数据交换时，将在上升沿处激活中止的数据交换。ID参见用于S7通信的SFB/FB和SFC/FC的公共参数。R_ID寻址参数R_ID，参见用于S7通信的SFB/FB和SFC/FC的公共参数使用通过CP 441到S5或辅助设备的连接，R_ID包含了远程设备的地址信息。DONE，DONE状态参数：0：作业还未启动或仍然在运行；1：作业已经无错地执行完毕。ERROR和STATUS状态参数，出错显示：ERROR=0 STATUS的数值：0000H：既不是警告也不是出错；不等于0000H：警告，STATUS提供详细信息ERROR = 1出错[9-10]。

图7 SFB12、SFB13图

2.2.2 S7-300与远程I/O装置通信

S7-300与远程I/O装置通信，远程I/O装置均采用带有PN口的IM153-4装置。硬件组态图见图8。

图8 以S7-300为主站的硬件组态图

被控对象的选择具有代表性，一个是数字量控制的被控对象皮带传送装置，常应用于工业现场。另一个是过程控制的被控对象水箱，它有内控和外控两种控制方式，调节水泵的转速控制管道中水的流量，进而调节水箱的液位。将S7-300的模拟量信号送到变频器控制端，将液位信号连接到S7-300的AI1+和AI1-上。有时为了避免扰动，通常要把输入端AI1-和公共端MANA连接起来。下图是给一个阶跃信号，液位的变化图如图9所示。

图9 液位曲线图

3 网络平台的功能

本文所描述的网络就是模拟工业控制网络环境下的小型网络平台。PLC网络化已经深入到工业自动化的各个层次，从现场设备、可编程控制器、I/O设备等硬件组件到操作系统、驱动设备以及人机接口、网络应用无处不在。在这个网络平台上可以实现十字路口交通灯控制；液体自动混合控制；邮件分拣机控制；装配流水线控制；轧钢机控制；电机控制；机械手控制；水塔水位控制；电梯控制；加工中心控制；自动售货机控制；自动配料/四节传送带控制。所开设的实验可以更好地培养学生的兴趣，扩展网络平台系统开放和应用。

由于西门子PLC在工业控制领域应用非常广泛，市场占有率非常高，它的网络通讯技术是非常先进的，能够提供从管理级、控制级到现场级的完善的网络解决方案。这充分体现了网络的灵活性和开放性，我校PLC网络化实验室开设“可编程逻辑控制器”、“电气控制技术”等本科课程相关实验，以及本科毕业设计和自动化专业的PLC课程设计任务。实验室以培养动手能力为主要目的，强化分析和解决实际问题的能力，我校选择了西门子公司生产的S7-200、S7-300、S7-400系列PLC进行教学，通过PROFIBUS数据链路层协议或ISO工业以太网协议，利用它们的通信服务进行数据交换。这样就把地理位置不同的计算机和PLC及其他数字设备连接起来，可高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理等三项任务[8]。提出一套网络化的教学模式，使学生基础扎实，技术全面，综合系统设计能力强，知识迁移能力好，后劲足，将实践性、实用性和与时俱进的先进性有机结合起来，能更好地适应工业控制领域的变化。

4 无线通信的研究

无线网络在当今社会，越来越流行，在网络化平台中，加入无线通信，实现不同品牌的PLC之间通信，远距离传输，PLC利用GRM200G模块把信号通过GPRS传到服务器，再由服务器把信号通过GPRS传给另一个的GRM200G模块，进而实现两台PLC的无线通信。无线通信网络的结构图如图10所示。

图10 无线通信网络结构图

在所设计的网络控制平台下引入无线网络不但可以实现远距离的数据传输和监控，还可以实现异网同构的功能[11-12]。

5 结 语

本系统是对现有实验室资源重新整合，搭建具有三层网络结构的网络过程控制平台。通过系统调试，各类负载在PLC网络下可以正常运行，现已应用于本校的教学和PLC实训中，效果良好。该平台的开发不仅满足本校卓越工程师人才培养的要求，而且为教学科研与开发应用提供了一个面向工业过程的实验平台。同时，也为我国地方高校的网络化实验室建设提供一定的借鉴。

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The Design and Research of Networked Experiment Platform Based on Siemens PLC

CUIGui-mei,GUJing-hong,LIUPi-liang

(School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)

According to the problems that the PLC laboratory of Inner Mongolia University of Science and Technology faced, such as dispersed equipment, low level of universality, integration and openness, the laboratory is transformed. Thus, based on the integration of experimental resources, a powerful and wildly used network control platform was built through the two communication forms of PROFIBUS-DP and industrial Ethernet. The platform realizes combination control of the network process field bus technology and industrial configuration technology, provides an industrial process experimental platform for the application of teaching and scientific research.

PLC; network control; PROFIBUS-DP; industrial Ethernet; configuration

2014-03-19

国家质量工程项目(教高厅函[2012]7号)；国家特色专业(教高厅函[2008]7号)

崔桂梅(1963-)，女，河北保定人，博士，教授，副院长，研究方向：控制理论与计算机控制。

Tel.:13947247729;E-mail:cguimei1@163.com

TP 273.5

A

1006-7167(2015)03-0212-04