基于以太网和现场总线的工业控制网络实训系统设计

张学辉

(辽宁轨道交通职业学院电气工程系，辽宁 沈阳 110036)

基于以太网和现场总线的工业控制网络实训系统设计

张学辉

(辽宁轨道交通职业学院电气工程系，辽宁 沈阳 110036)

对工业控制网络技术的现状和发展趋势进行了深入研究。选择当前工控领域应用十分广泛的工业以太网Profinet及现场总线Profibus-DP，由上位工控机PC、控制主站S7-300 PLC、智能从站变频器MM440、分布式I/O模块ET200S、触摸屏TP177B、工业以太网交换机、温湿度变送器、轴流风机等构成工业控制网络实训系统。研究了工业控制网络实训系统的整体结构、通信方式及原理、软硬件配置、网络组态、硬件组态、人机交互(HMI)应用、PLC梯形图程序编制及变频器参数设置等，通过PLC与变频器的Profibus总线通信，实现了全数字化的工业控制网络。与集散控制系统DCS等半数字化的控制系统相比，工业控制网络具有网络化的优势。工业控制网络实训系统在职业教育院校的理论与实际一体教学、职工培训和科研工作中具有实际的应用价值，值得其他从事自主研制开发实训设备的高职院校借鉴。

工业控制网络； 以太网； 现场总线； PLC； 分布式I/O； 变频器； 触摸屏； WinCC； 组态技术

0 引言

工业控制网络是自动控制领域近年来发展形成的网络技术，是计算机网络、通信技术与自动控制技术结合的产物[1]。工业控制网络适应了企业信息集成系统和管理控制一体化系统的发展趋势与需求，是IT技术在自动控制领域的延伸，是自动控制领域的局域网[2]。工业控制网络经历了从集成控制系统(in tegrated control system,CCS)到集散控制系统(distributed control system,DCS)，再到现场总线控制系统(fieldbus control system,FCS)的发展过程。

近年来，以太网进入工业控制领域后，出现了大量基于以太网的工业控制网络[3]。在控制网络的更新换代过程中，既要兼顾大量现有的、基于现场总线的设备，又要最终实现全方位的工业控制网络化，于是出现了基于现场总线和以太网的混合工业控制网络。西门子公司的Profinet和Profibus是目前市场上应用广泛的工业以太网和现场总线技术。本文基于以太网和现场总线，并最大程度地贴近企业生产现场，设计了工业控制网络实训系统，并将其应用于高职院校的科研与教学，取得了良好的社会和经济效益。降低网络能量消耗已成为无线传感器网络设计首要考虑的问题。

目前，在无线传感器网络的诸多研究领域中，定位问题的研究是近年来人们关注的热点。按照定位所采用的距离参数获得方式，把定位算法分为基于测距(range-based)和无需测距(range-free)两种算法。无需测距定位算法在成本、功耗和扩展性等方面具有很强的优势，更适用于低功耗、低成本的应用领域。

本文在充分研究了现有无需测距定位算法的基础上，将功率控制技术应用到定位算法中，并通过仿真分析验证了算法的可行性。

1 实训系统简介

1.1 系统结构

工业控制网络实训系统的结构如图1所示。

图1 系统结构图

实训系统主要基于工业以太网Profinet和Profibus-DP现场总线的网络结构，由上位工控机PC、控制主站PLC、智能从站变频器、人机交互的触摸屏、分布式I/O模块和工业以太网交换机组成。为了使实训系统贴近企业生产现场，配备了温湿度变送器(电压型)等典型模拟量输入和轴流风机等被控对象。

1.2 系统软件及硬件配置

上位工控机PC安装了工业以太网网卡CP1613、西门子组态和编程软件STEP 7 Professional、上位机监控软件WinCC和触摸屏组态软件WinCC Flexible。控制主站选用西门子公司S7-300系列模块式PLC。PLC的电源选用PS307 5A。CPU选用集成了工业以太网Profinet和Profibus-DP总线接口的CPU315F-2PN/DP、数字量输入/输出模块SM32316DI/16DO、模拟量输入/输出模块 SM3344AI/2AO。智能从站选用西门子MM440 0.75 kW变频器。为设置变频器参数面板并与S7-300 PLC的总线进行通信，需配备基本操作面板模块和Profibus-DP通信模块。当一个大型设备或一个车间中工艺紧密关联的控制信号较分散且具有局部集中特点时，可以利用工业以太网和分布式I/O构成分布式控制方式[4]。分布式I/O选用ET200S，ET200S的接口模块为IM151-3 PN，电源模块为PM-E,数字量电子模块为2DI、2DO，模拟量电子模块为2AI、2AO。人机交互界面选用TP177B PN/DP彩色触摸屏,既支持工业以太网ProfiNet通信，又支持Profibus-DP总线通信。选用X005工业以太网交换机，构成工业以太网星形拓扑结构。

1.3 系统通信方式及原理

西门子工业控制网络有MPI网络、工业以太网Profinet、现场总线(Profibus)、点到点连接(PtP)和AS-i网络[3]。工业控制网络实训系统选择了工业以太网Profinet和Profibus-DP现场总线通信方式，其中上位工控机PC、控制主站PLC、触摸屏、分布式I/O模块组成了基于以太网的工业控制网络，控制主站PLC、触摸屏和智能从站变频器组成了基于Profibus-DP现场总线的工业控制网络。这两种工业控制网络互为补充。

2 实训系统软件设计

2.1 硬件及通信组态

硬件组态的任务就是在STEP7中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统，例如要生成网络、网络中各个站的机架和模块，以及设置各硬件组成部分的参数，即给参数赋值。对于网络系统，需要对以太网Profinet、现场总线Profibus-DP和MPI等网络的结构和通信参数进行组态，将分布式I/O连接到主站[5]。打开软件STEP7，首先生成项目，添加主站，点击Hardware图标进入HW Config(硬件组态)窗口，选择机架RACK；然后在机架内分别插入各个模块，插槽1为电源模块，插槽2为CPU模块，插槽3为接口模块，插槽4～11为信号模块、功能模块、通信模块。以上插槽除插槽2外如果没有安装模块组态可以为空；双击相应模块进行设置，如信号模块的I/O地址设置等。

在STEP7项目管理器插入Ethernet或Profibus网络，双击网络图标进入NETPro(网络组态)窗口进行网络组态。无论是工业以太网，还是Profibus-DP现场总线都需要设置网络地址。

2.2 WinCC及触摸屏TP177B应用

近年来，人机界面在控制系统中起着越来越重要的作用。人机界面又称人机接口，可以连接PLC、变频器、直流调速器、温控仪表、数据采集模块等工业控制设备。用户通过人机界面随时了解、观察并掌握整个控制系统的工作状态，必要时还可以通过人机界面向控制系统发出故障报警，进行人工干预[6]。工业控制网络实训系统选择了运行于PC硬件平台、Windows操作系统下的组态软件WinCC和触摸屏TP177B为人机交互界面。无论是WinCC还是WinCC flexible，在进行人机界面组态时，都基本遵循以下几个步骤。①创建项目，进行项目管理；②连接设备，进行通信设置；③新建变量，进行变量管理；④创建画面，确定画面的相互关联；⑤画面上开关、按钮、文本、图形等对象的组态；⑥报警记录、趋势图、用户管理、历史数据和报表输出等高级功能的组态；⑦运行系统设置。

2.3 变频器与PLC的总线通信

电梯上行、下行PLC程序如图2所示。

图2 电梯上行、下行PLC程序图

图2中，I0.1和I0.2为近地上行、下行按钮；M1.1和M1.2为触摸屏上的上行、下行按钮；PQW264为控制字地址；PQW266为设定值地址、变频器的运行频率由触摸屏输入到PLC的存储字MW10内容确定。

现在许多变频器都带有现场总线接口，西门子的MM440变频器通过通信模块CBP板实现了与带有DP口的S7-300 PLC的Profibus-DP的总线通信。在智能从站MM440变频器与主站PLC之间的Profibus-DP现场总线通信中，采用过程参数对象(parameter process objects,PPO)类型作为数据传递格式[7-10]。工业控制网络实训系统采用PPO1类型，PPO1为4PKW+2PZD，共由6个字组成。PKW为参数接口，是变频器运行时要定义的一些功能码，如最大频率、基本频率、加/减速时间等；PZD为过程数据接口，用来传输控制字和设定值(主站-变频器)或状态字和实际值(变频器-主站)等输入/输出的数据值。在进行硬件组态时，选中“4PKW，2PZD(PPO1)”，主站PLC接收智能从站MM440变频器的数据地址为PIW256～PIW266，发送地址为PQW256～PQW266。

3 结束语

工业控制网络实训系统兼顾现场总线控制系统及工业以太网技术，学生可以在该实训系统上完成工业控制网络组网和组态、PLC编程、传感器应用、WinCC和触摸屏组态、变频器通信和参数设置等操作。实训系统既适用于高职学生的理论与实际一体模式教学、毕业设计和校内实习，又适用于职业技术院校教师和自动化企业员工的培训和科研工作。

[1] 徐皑冬,王宏,杨志家.基于以太网的工业控制网络[J].信息与控制，2000，29(2)：182-186.

[2] 王振力.工业控制网络[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[3] 胡毅,于冬,刘明烈.工业控制网络的研究现状及发展趋势[J].计算机科学,2010,37(1):23-27.

[4] 陶权.S7-300/400 PLC基础及工业网络控制技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

[5] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[6] 席巍.人机界面组态与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[7] 葛锁良，许瑾.基于Profibus-DP的变频控制实验系统的研制与应用[J].实验室研究与探索，2008，27(3)：22-25.

[8] 王如松.组态软件应用技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[9] 李方园.零起点学西门子S7-300/400 PLC[M].北京：机械工业出版社，2012.

[10]陶飞.一步一步学PLC编程(西门子STEP7)[M].北京：中国电力出版社，2013.

Design of the Industrial Control Network Training System Based on Ethernet and Fieldbus

ZHANG Xuehui

(Department of Electrical Engineering,Guidaojiaotong Polytechnic Institute,Shenyang 110036,China)

The current status and development trend of industrial control network technology are research.By selecting the industrial Ethernet Profinet and field bus Profibus-DP that are widely used in industrial control fields,the industrial control training system is constructed with the compositions of IPC as host computer,master control station S7-300 PLC,intelligent slave station frequency converter MM440,distributed I/O module ET200S,touch screen TP177B,industrial Ethernet switches,temperature/humidity transmitters,and axial fans,etc.The overall structure,communication mode and principle,configurations of hardware and software,network configuration,human machine interface (HMI) application,programming of ladder logic diagram,and parameters setting for frequency converter,etc.,of this training system are researched.The fully digitized industrial control network is realized through the Profibus communication between PLC and frequency converter.Comparing with the distributed control system and semi-digitized control system,this industrial control network features networking superiority. The training system based on industrial control network possesses practical applicable values for integrated theory and practice education in vocational education colleges,staff training,and scientific research work,it is worth to be referenced for researching and developing training devices in higher professional colleges.

Industrial control network； Ethernet; Fieldbus； PLC； Distributed I/O； Frequency converter； Touch screen； WinCC； Configuration technology

辽宁省财政厅基金资助项目(LNZC2014-0094)

张学辉(1978—)，男，硕士，讲师，主要从事系统集成及工业自动化技术的研究。E-mail：zxh_52@126.com。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703011

修改稿收到日期：2016-11-21