呂繼東，陳嵐萍，馬正華

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州212164)

“PLC技術(shù)及應(yīng)用”課程是我院電氣、電子以及自動(dòng)化等專業(yè)一門必修的專業(yè)課。該課程實(shí)用性強(qiáng)，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，所以它的實(shí)踐環(huán)節(jié)是該課程的重要組成部分[1-3]。

然而許多高校的PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通常缺少自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。即使有，功能實(shí)現(xiàn)也比較單一，不能組網(wǎng)，只能基于某一種通信協(xié)議進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)，學(xué)生難以對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)通信有一個(gè)整體深刻的理解，對(duì)本課程缺乏興趣。為解決以上問題，基于PLC教學(xué)的實(shí)際需求，我們構(gòu)建了PLC自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“PLC技術(shù)及應(yīng)用”課程中，“自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)”一章主要介紹PLC的通信功能并使用各種通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PLC與計(jì)算機(jī)、其他PLC和變頻器通信的編程、組態(tài)和實(shí)驗(yàn)方法[4]?；诖怂O(shè)計(jì)的PLC自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由一臺(tái)裝有視窗控制中心WinCC(Windows Control Center)的PC機(jī)作為上位機(jī)來(lái)監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。WinCC是由德國(guó)西門子公司和美國(guó)微軟公司共同開發(fā)的組態(tài)軟件，是結(jié)合西門子在自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟軟件強(qiáng)大功能的產(chǎn)物。采用該軟件來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控界面，能夠加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)化控制過程的感性認(rèn)識(shí)，更好地培養(yǎng)學(xué)生對(duì)PLC學(xué)習(xí)的興趣。

圖1 PLC通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1為兩層控制網(wǎng)絡(luò)，包括監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)控制層，其中監(jiān)控層上位計(jì)算機(jī)通過MPI(Multi-point Interface)電纜下連現(xiàn)場(chǎng)控制層的一臺(tái)西門子S7-300 PLC。該P(yáng)LC自身具有MPI接口和Profibus-DP接口，所以無(wú)需另外的通訊接口單元就可把該P(yáng)LC連接到網(wǎng)絡(luò)上與其通訊。我們把該P(yáng)LC作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主站，負(fù)責(zé)發(fā)送控制信息，讀取從站狀態(tài)。另一臺(tái)S7-300 PLC作為從站，它可以控制一些開關(guān)量，加裝模擬量模塊也可以控制模擬量。西門子的S7-200 PLC其自帶有RS485接口，通過該接口與西門子的MICROMASTER VECTOR變頻器相連，它們之間的通訊使用串行接口協(xié)議USS(Universal Serial Interface Protocol)。同時(shí)該P(yáng)LC還另配有過程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus(Process Field Bus)通訊模塊，通過它使PLC與網(wǎng)絡(luò)通訊。西門子的交流調(diào)速器6SE70和直流調(diào)速器6RA70加上各自的CBP通訊板連接到網(wǎng)絡(luò)上。EMERSON公司的變頻器EV2000，通過TDS-PA01(Profibus-DP適配器)連接到網(wǎng)絡(luò)上。此外，直流調(diào)速器6RA70還下接一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。交流調(diào)速器6SE70、變頻器MICROMASTER VECTOR和EV2000也分別下接一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，籍此來(lái)實(shí)現(xiàn)交流變頻調(diào)速控制。

2 網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)

一旦上位機(jī)上運(yùn)行S7-300 PLC的編程軟件包SIMATIC STEP7進(jìn)入硬件組態(tài)狀態(tài)，就開始對(duì)各站點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)首先對(duì)主站S7-300 PLC進(jìn)行組態(tài)。在STEP7新建工程Project中加入站點(diǎn)SIMATIC 300 Station，然后在該站點(diǎn)的硬件配置窗口里對(duì)S7-300和PLC的機(jī)架、電源、CPU和信號(hào)模件等按其實(shí)際配置類型和物理地址進(jìn)行組態(tài)，其中在CPU模塊的組態(tài)中設(shè)置Profibus、MPI地址及通訊時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率。從站S7-300 PLC的組態(tài)和主站S7-300PLC基本相同，只是Profibus地址設(shè)置有所不同。從站S7-300 PLC組態(tài)完后，在主站S7-300 PLC硬件配置窗口中的Hardware catalog硬件配置表里尋找并將其拖入到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中，然后雙擊打開其屬性對(duì)話框，在configuration子菜單下設(shè)置主從站S7-300 PLC數(shù)據(jù)交換的地址。

同樣，從Hardware catalog硬件配置表中再找到6SE70和6RA70各自的通訊板CBP以及EV2000的通訊適配器TDS-PA01、S7-200的通訊模塊EM277，也將它們拖入到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中去。在拖入過程中出現(xiàn)的對(duì)話框里選擇用戶通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型和設(shè)定它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中的地址，完成之后還要在它們的模塊屬性對(duì)話框中設(shè)定各自與主站數(shù)據(jù)交換的地址。需要說明的是設(shè)置EM277參數(shù)時(shí)沒有用戶通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的選擇，但是要在其屬性對(duì)話框里設(shè)定與主站數(shù)據(jù)交換地址的偏移量。如果在硬件配置表中沒有找到這些設(shè)備，則需要選擇option菜單中的Install New GSD子菜單功能，安裝這些設(shè)備的GSD配置文件(一般有設(shè)備商提供)。

3 網(wǎng)絡(luò)通訊

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議和現(xiàn)場(chǎng)總線

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊主要是指主站S7-300 PLC與各個(gè)從站之間以及它與上位機(jī)組態(tài)軟件WinCC之間的通訊，前者采用的是Profibus-DP通訊協(xié)議，后者采用的是MPI通訊協(xié)議。另外網(wǎng)絡(luò)中S7-200 PLC與MICROMASTER VECTOR變頻器通訊采用的是USS協(xié)議。

Profibus是不依賴于廠家的、開放現(xiàn)場(chǎng)總線，能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠商的自動(dòng)化設(shè)備及其元器件之間的數(shù)據(jù)交換，是目前得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。根據(jù)其應(yīng)用的范圍，Profibus主要有三種模塊組成:Profibus-FMS、Profibus-PA 和 Profibus-DP。Profibus-DP是專門為自動(dòng)化控制系統(tǒng)和設(shè)備分散的I/O之間進(jìn)行通訊而設(shè)計(jì)的，具有高速傳輸、運(yùn)行可靠和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛[5]。

MPI是西門子公司的PLC、HMI和編程器的通信端口使用的通信協(xié)議，允許主/主通信和主/從通信，而USS是用于西門子PLC與其變頻器通信的主從結(jié)構(gòu)協(xié)議，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控傳動(dòng)系統(tǒng)。

3.2 主站S7-300 PLC與從站之間的通訊

主站S7-300 PLC與從站PLC只要通訊接口間的連線正確，站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址參數(shù)設(shè)置無(wú)誤，就能進(jìn)行正常的通訊，而與變頻器通訊除了這些之外，變頻器自身還要設(shè)置多個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置是充分發(fā)揮該變頻器功能以及它與網(wǎng)絡(luò)正常通訊的保證，應(yīng)針對(duì)系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象的運(yùn)行要求和網(wǎng)絡(luò)通訊規(guī)范進(jìn)行設(shè)定。

3.3 S7-200 PLC與變頻器之間的通訊

網(wǎng)絡(luò)中S7-200 PLC與MICROMASTER VECTOR變頻器通訊采用的是USS協(xié)議，該協(xié)議是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議，是Profibus的一個(gè)子集?；谠搮f(xié)議通訊，MICROMASTER VECTOR變頻器可以直接與S7-200 PLC的RS485接口相連，無(wú)須加裝通訊板，但是如果要使該變頻器連入到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中去，則需要一塊CB15通訊板。

S7-200 PLC要與MICROMASTER VECTOR變頻器通訊，該變頻器自身也需要內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置。在S7-200 PLC的編程軟件STEP7-Micro/WIN32的工具包里有專為USS協(xié)議通信而設(shè)計(jì)的預(yù)配置子程序和中斷程序，這些程序在STEP7-Micro/WIN32指令樹的庫(kù)文件夾中作為指令出現(xiàn)。使用這些指令可控制變頻器和讀/寫變頻器的參數(shù)，能夠更方便地與變頻器通訊。

3.4 組態(tài)軟件WinCC與主站之間的通訊

組態(tài)軟件WinCC能夠很方便地生成人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)與S7-300 PLC之間的通訊。我們打開WinCC建立新WinCC項(xiàng)目，在變量管理模塊中添加名稱為SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驅(qū)動(dòng)程序，然后在其中的MPI項(xiàng)下建立PLC連接并設(shè)置MPI地址等參數(shù)，MPI地址必須與PLC中設(shè)置相同，接著在組態(tài)完成的S7-300 PLC下設(shè)置標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽有標(biāo)簽名、數(shù)據(jù)類型和地址3個(gè)設(shè)置項(xiàng)。

WinCC與S7-300 PLC之間需要通信的數(shù)據(jù)一一定義標(biāo)簽后打開WinCC的圖形編輯器，利用基本元件或圖形庫(kù)中的對(duì)象(也可以導(dǎo)入外部圖形)制作控制網(wǎng)絡(luò)畫面，并將變量標(biāo)簽與相應(yīng)的對(duì)象連接，即畫面中的對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，如此就實(shí)現(xiàn)了WinCC與S7-300 PLC之間的數(shù)據(jù)通訊并可以在上位機(jī)屏幕上控制、監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備了。

在控制界面中，上位機(jī)可以控制網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)的起停和正反轉(zhuǎn)，還可以設(shè)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)外部手動(dòng)控制電機(jī)時(shí)，開關(guān)按鈕的起停狀態(tài)和電機(jī)轉(zhuǎn)速也能在控制畫面中顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)視雙重功能。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在PLC自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中有許多設(shè)備，學(xué)生可以通過不同通信協(xié)議將其連起來(lái)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。其設(shè)計(jì)目的是為了完善PLC教學(xué)的實(shí)踐體系，在實(shí)踐中提高學(xué)生動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用PLC知識(shí)的能力。他們可以在此系統(tǒng)上能夠完成以下實(shí)驗(yàn)。

1)總線網(wǎng)絡(luò)組態(tài)實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用MPI、Profibus-DP的組網(wǎng)技術(shù)而設(shè)計(jì)。通過STEP7軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件組態(tài)，掌握網(wǎng)絡(luò)主/從站間的組網(wǎng)技術(shù)。學(xué)生可以據(jù)此組成需要的網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面示如圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)畫面

2)網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)驗(yàn)

學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘莆沼?jì)算機(jī)與PLC，PLC與PLC，PLC與變頻器等不同設(shè)備間基于不同通信協(xié)議(MPI、Profibus-DP、USS等)的數(shù)據(jù)傳輸與控制。學(xué)生可以設(shè)置相應(yīng)參數(shù)完成不同設(shè)備間的通信。

3)組態(tài)軟件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)，能夠熟悉WinCC組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境，掌握組態(tài)軟件中提供的各種動(dòng)畫形式及使用方式，掌握組態(tài)軟件中變量等數(shù)據(jù)的使用。在此基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)設(shè)備可以基于不同的應(yīng)用背景來(lái)設(shè)計(jì)監(jiān)控界面。其中可設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面如圖3所示，能夠?qū)崟r(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備狀態(tài)。

圖3 監(jiān)控畫面

4)設(shè)備擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，可以連接更多不同的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生可以通過該實(shí)驗(yàn)掌握不同設(shè)備的擴(kuò)展方法和應(yīng)用方法，比如觸摸屏、智能電磁閥、過程控制設(shè)備等。

5 結(jié)語(yǔ)

PLC自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)是“PLC技術(shù)及應(yīng)用”課程的重要內(nèi)容，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了PLC自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)通信，并擬定了系統(tǒng)所能開設(shè)的實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)所開展實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)再現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生掌握后在工作中可以直接采用。

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