西门子全集成工业网络实训室设计与实现

沈灿钢， 孙晓明

(江阴职业技术学院 电子信息工程系， 江苏 江阴 214405)



职业技术教育

西门子全集成工业网络实训室设计与实现

沈灿钢， 孙晓明

(江阴职业技术学院 电子信息工程系， 江苏 江阴 214405)

针对单PLC为基础的传统实训方式，采用模拟现代化工厂的设计思路构建西门子全集成工业网络实训室。将工业以太网、PROFIBUS-DP等组网通信技术与西门子PLC控制技术相结合，组成先进的PLC应用技术实践平台，并配备异步电机、伺服电机、气动手爪等实际控制对象，能够模拟实际工厂自动化生产线的控制。该实训室的设备可以根据网络配置方案组合，提高解决较复杂工程问题的能力。

可编程逻辑控制器； 工业网络； 实训室； 西门子

自2013年起，江阴市政府、西门子(中国)自动化与驱动集团、江阴职业技术学院共建江阴市高技能人才公共实训基地，其中西门子全集成工业网络实训室主要采用西门子技术及产品。西门子PLC及其相关电气产品可靠性高、功能丰富、编程灵活,尤其是组网通信功能强大，因而广泛应用于工业自动控制系统中[1-2]。西门子全集成工业网络实训室采用模拟现代化工厂的设计思路[3-4]，综合集成自动控制技术，具有现代化工厂所具备的先进性、集成性、网络化，能满足高技能人才职业技能培训及高职院校教学科研需求。

1 实训室工业网络设计

西门子全集成工业网络实训室由1个总控调度平台和14个车间组成。使用的西门子PLC产品主要有S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等；采用的通信方式有以太网、PROFIBUS-DP、USS、MPI、PPI等；涉及PLC控制、伺服控制、变频调速、气动控制、传感器检测等技术；控制对象主要有异步电机、伺服电机、气动手爪等。

每个车间可以作为独立的实训平台，也可以将一个车间拆解成子单元，或者将子单元组装成一个车间，然后将车间整合并配置总控调度平台，形成西门子全集成工业网络实训室。该平台采用以太网、PROFIBUS-DP等通信方式实现数据交换[5-6]，总控调度平台通过无线通信对各个车间进行远程监控与操作[7-8]。

1.1 总控调度平台

总控调度平台主要由主控台、交换数据无线路由器、西门子CPU 414-3PN/DP、计算机和投影显示仪组成，主要实现车间监控、数据处理、调度等。图1为总控调度平台网络拓扑图，对车间工作过程的监控组态设计采用WINCC[9-10]。

图1 总控调度平台网络拓扑图

1.2 1—8号车间自动化生产线

1—8号车间的设备是相似的，图2为1号车间网络拓扑图。该生产线主要实现供料、加工、装配、输送和分拣等功能，涉及气动驱动、变频驱动和伺服控制等技术。车间自动化生产线由1个主站和5个从站组成，主站采用CPU315-2PN/DP，从站采用S7-200系列PLC，主从站间通过CP243-1以太网模块连接。总控调度平台与主站通过无线以太网通信。该装置还有其他组网通信方式，通过EM277 PROFIBUS-DP模块用PROFIBUS专用电缆和DP插头组成PROFIBUS-DP网络。

1.3 9号车间小型自动化系统

9号车间为小型自动化系统，其网络拓扑见图3。相关设备都采用以太网连接，配置S7-1200-CPU1214C、CM1243-5、CSM1277，G120、HMI等设备。图4为西门子小型自动化系统。

图2 1号车间网络拓扑图图3 9号车间网络拓扑图图4 西门子小型自动化系统

1.4 10—11号车间精密加工装置

10—11号车间主要由伺服电机及伺服控制器、高精度丝杆传动机构、传感器、铝合金导轨式支架及PLC等组成，是一种将PLC、伺服电机控制、传感器检测有机结合的实训装置。该装置的三轴机构由3台交流伺服电机分别控制高精度滚珠丝杆及滚珠式双滑块平面直线线性导轨，构成x、y、z三轴定位装置。在直线导轨上安装异步电机模拟加工刀具，x、y轴之间在水平方向相互垂直形成平面加工面，z轴垂直于平面加工面。整个机构具有高精度定位、平面复杂轨迹运动功能。图5为11号车间网络拓扑图，CPU317T-2DP配CP343-1 Lean以太网模块组网通信，同时配IM174接口模块对伺服电机进行精密运动控制。

图5 11号车间网络拓扑图

1.5 12—14号车间自动化网络拓展平台

12—14号车间是自动化网络拓展平台，主要由CPU315-2PN/DP、CPU314C-2DP、CPU1214C、CM1241 RS485、CPU224XP 、CP243-1、CPU226CN、EM277、MM420、HMI组成，其网络拓扑图如图6所示。该车间应用多种组网通信方式，CPU314C-2DP与总控调度平台用无线以太网连接，与CPU1214C、CPU224XP、HMI工业以太网连接；CPU314C-2DP、CPU315-2PN/DP、CPU226CN、MM420、HMI以PROFIBUS-DP现场总线方式连接组网；CPU315-2PN/DP与CPU226CN、CPU224XP采用MPI通信方式；CPU226CN与CPU224XP之间采用PPI通信；CPU1214C与MM420采用USS通信。在自动化网络拓展平台上，以太网、PROFIBUS-DP、USS、MPI、PPI等通信方式都有体现，但设备、通信方式都不是固定的，可以根据实际工程需求配备控制对象合理采用设备组网通信控制。

图6 12-14号车间网络拓扑图

2 实训项目设计与管理

西门子全集成工业网络实训室的相关设备属于PLC控制技术的高级应用，在培训及教学中注意循序渐进[11-12]，可以将实训项目拆分为PLC基础、传感器检测、伺服控制、变频调速、气动应用、组网通信、精密加工等项目。以上项目都可以在西门子全集成工业网络实训室完成。考虑到该实训室资源紧张，可以将这些项目分为PLC基础应用、驱动技术应用和PLC高级应用等3个层次[13-14]，其中PLC基础应用、驱动技术应用项目也可以安排在其他实训室进行。

PLC基础应用主要涉及PLC基础实训项目，可以在S7-200、S7-300、S7-1200实训室培训，让学生熟悉单机PLC、输入输出模块、STEP7硬件组态、WINCC组态监控、触摸屏等。驱动技术应用主要涉及传感器检测、伺服控制、变频调速、气动应用等项目，可以安排在伺服控制实训室、电机调速实训室、气动应用实训室，让学生熟悉各类传感器、编码器、伺服电机、伺服控制器、异步电机、变频器、PLC、微型气缸、气动手爪等相关设备，熟悉伺服控制系统、变频调速系统和气动驱动系统的工作过程。PLC高级应用主要涉及组网通信，包括自动化生产线、精密加工、工程拓展等项目，须在西门子全集成工业网络实训室完成。特别是自动化网络拓展平台，它可以针对实际工程项目建立控制网络，并进行调试。

3 结束语

建设西门子全集成工业网络实训室的目的在于改变单一、分散的PLC可编程控制器实训模式，符合现代自动控制系统的集中管理、分散控制的工业网络控制发展趋势，最重要的是在自动控制系统中整合PLC控制技术与多种工业组网通信控制技术，为高技能人才职业技能培训及教学科研提供先进的平台。

References)

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Design and implementation of Siemens totally integrated industrial network laboratory

Shen Cangang, Sun Xiaoming

(Department of Electronic Information Engineering, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214405,China)

In view of the traditional training mode based on single PLC, Siemens totally integrated industrial network laboratory was constructed by using the design idea of simulation of modern chemical plant. The network communication technology of Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP， etc., and PLC control technology of Siemens were integrated, at the same time, the actual control object of asynchronous motor, servo motor, pneumatic gripper. etc., were provided, and the control of actual factory automatic production line could be simulated. The advanced practice platform of Siemens PLC application technology was constituted. The equipment in the laboratory could be disassembled and assembled according to configuration scheme of network control. The ability to solve more complex engineering problems can be improved.

programmable logic controller; industrial network; laboratory; Siemens

2014- 06- 06

江苏省教育科学“十二五”规划专项课题资助项目(C-b/2013/03/008)；江苏省高等教育教改立项课题(2013JSJG341)

沈灿钢(1981—)，男，江苏靖江，硕士，讲师，研究方向为电气自动化控制技术.

E-mail：cannonsun@163.com

TP273

A

1002-4956(2015)2- 0170- 03