田 莉，王志凌

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京211156)

現(xiàn)場(chǎng)總線作為繼DCS系統(tǒng)之后的新一代網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，代表著現(xiàn)代過程控制的前沿方向，具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)以及毋庸置疑的生命力[1]。相對(duì)于DCS的分散管理，采用集中控制的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制，具有高度可靠性。它采用開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，按此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的設(shè)備都可以方便地集成到現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，從而提高了產(chǎn)品的互換性和互操作性，正越來越多地用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇和電力等領(lǐng)域中。作為未來的自動(dòng)控制工程技術(shù)人員，不懂現(xiàn)場(chǎng)總線的知識(shí)，將無法適應(yīng)新時(shí)代對(duì)自動(dòng)控制人才的需求。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

由于現(xiàn)場(chǎng)總線是新興技術(shù)，目前國產(chǎn)化程度依然不高。導(dǎo)致其理論課程并未在我國高校中普遍推廣，僅有部分工科院校開設(shè)了此課程。而且，課程不同程度地存在理論與實(shí)踐脫節(jié)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]。

(1)教學(xué)內(nèi)容方面:教師授課內(nèi)容很大程度上受到了教材的局限。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展迅速，教材跟不上變化，這樣使得單純用課本教學(xué)會(huì)導(dǎo)致一定的滯后性。

(2)教學(xué)手段方面:目前大多數(shù)教學(xué)仍停留在采用多媒體進(jìn)行授課，幻燈片呈現(xiàn)的主要為課本內(nèi)容，很多教師并沒有擴(kuò)展教材之外的內(nèi)容并做到實(shí)用技術(shù)上的更新。

(3)教學(xué)模式方面:以教師為中心的授課的方式會(huì)使學(xué)生覺得這門課理論性太強(qiáng)，抽象并空洞。

解決上述這些問題的最好的方法莫過于理論聯(lián)系實(shí)踐。我?；谂囵B(yǎng)應(yīng)用性人才的目標(biāo)，本著鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，提高學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的思想，創(chuàng)辦了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，為現(xiàn)場(chǎng)總線這門課程注入了血液，也為學(xué)生、教師以及校外人員開展相關(guān)的培訓(xùn)、科研和創(chuàng)新提供了一個(gè)平臺(tái)。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)室以西門子S7-200PLC和S7-300PLC系列產(chǎn)品為基礎(chǔ)搭建了由Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)以及WinCC上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控提供了完整的解決方案[3]。整個(gè)系統(tǒng)可分為三個(gè)結(jié)構(gòu)層次，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一層為計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理層:工控機(jī)為主機(jī)，運(yùn)行在WinCC組態(tài)軟件環(huán)境下，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了管控一體化。

第二層為S7-300PLC現(xiàn)場(chǎng)主控制層(主站):選用西門子的中型可編程控制器S7-300系列PLC為主站，配置PN/DP通訊模塊。采用工業(yè)以太網(wǎng)與第一層進(jìn)行通訊。與下一層采用Profibus-DP通訊方式連接，此外還在PC上配了5611卡，也可以作為Profibus總線的主站;另外還配置了西門子的觸摸屏，作為二類主站實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的人機(jī)交換功能。

第三層為從站設(shè)備，在這一層上可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的輸入輸出控制和模擬量的輸入輸出控制;為了讓學(xué)生見識(shí)和熟悉各種現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象，在這一層配備了各種各樣的從站:包括西門子的分布式I/O(ET200M)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和直流電機(jī)的模擬量控制;西門子公司具有Profibus-DP通訊接口的MM440變頻器，實(shí)現(xiàn)三相交流異步電機(jī)的總線控制。此外還有西門子的小型可編程控制器S7-200PLC以及自動(dòng)門系統(tǒng)、立體倉庫系統(tǒng)和機(jī)械手系統(tǒng)等對(duì)象。為了使S7-200PLC有DP通訊功能，增加了EM277模塊，為了使S7-200PLC具有以太網(wǎng)通訊的功能，增加了CP243-1模塊，整個(gè)系統(tǒng)充分展現(xiàn)了全集成自動(dòng)化系統(tǒng)組成的先進(jìn)性、復(fù)雜性、多變性和總線通訊方式的靈活性。

3 實(shí)踐教學(xué)體系

實(shí)踐教學(xué)體系分為三個(gè)層次:基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新型實(shí)踐。學(xué)生通過基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，可以鞏固課堂理論學(xué)習(xí)效果，掌握基本軟硬件的操作及使用方法，為進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生將多個(gè)對(duì)象互聯(lián)起來，構(gòu)建一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的綜合知識(shí)運(yùn)用能力。學(xué)生通過研究創(chuàng)新型實(shí)踐，最終能內(nèi)化為自己的知識(shí)，做到活學(xué)活用，對(duì)總線運(yùn)用能力達(dá)到一個(gè)比較高的層次，為日后從事相關(guān)工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.1 基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)

基于相關(guān)軟件和簡單硬件的基本操作實(shí)驗(yàn)，我們可讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用相關(guān)軟件達(dá)到操控基本硬件的方法。

(1)STEP7-Micro/WIN軟件

STEP7-Micro/WIN軟件用來編制S7-200PLC的程序。學(xué)生可用此軟件對(duì)編程去控制自動(dòng)門、機(jī)械手和立體倉庫等對(duì)象。

(2)STEP7軟件

西門子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站點(diǎn)組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。STEP7標(biāo)準(zhǔn)軟件包中提供一系列的應(yīng)用工具，如:SIMATIC管理器、符號(hào)編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等。構(gòu)成一個(gè)Profibus自動(dòng)化系統(tǒng)需進(jìn)行硬件組態(tài)，并用 IEC61131-3語言編制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程對(duì)象的聯(lián)網(wǎng)和控制。

(3)WinCC flexible軟件

西門子觸摸屏軟件WinCC flexible，是一種可視化的面向機(jī)器的HMI軟件。我們用此軟件對(duì)觸摸屏編程和組態(tài)成功后，將觸摸屏與PLC及生產(chǎn)過程對(duì)象連接起來，操作人員即可通過輕輕觸摸屏幕上的按鈕實(shí)現(xiàn)工況顯示和參數(shù)設(shè)置等功能。

(4)WinCC軟件

SIMATIC WinCC是一款運(yùn)行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心。用此組態(tài)軟件完成的過程監(jiān)視系統(tǒng)，讓用戶在PC機(jī)上遠(yuǎn)程監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行。

3.2 綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室目前開展了基于WinCC的自動(dòng)門控制系統(tǒng)、基于WinCC的機(jī)械手控制系統(tǒng)、基于觸摸屏的變頻器控制三相電機(jī)和基于觸摸屏的立體倉庫控制系統(tǒng)等系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從底層的S7-200PLC實(shí)物對(duì)象程序編起，直到在PC機(jī)或觸摸屏上設(shè)計(jì)生動(dòng)直觀的監(jiān)控界面。他們通過總線技術(shù)，在上位機(jī)電腦屏幕上點(diǎn)擊，便可控制實(shí)物對(duì)象的動(dòng)作，而且對(duì)象的狀態(tài)能實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上。

3.3 研究創(chuàng)新型實(shí)踐

學(xué)生在深刻理解協(xié)議并完成前面兩種實(shí)驗(yàn)后，可創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，如開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線從站，因?yàn)橹皇蔷哂蠵rofibus-DP接口的智能設(shè)備才能接入到總線中。我國對(duì)于Profibus-DP的應(yīng)用和研究以國外大公司的成套設(shè)備為主，價(jià)格昂貴。能按照協(xié)議自主開發(fā)Proifbus-DP智能從站，把非總線的測(cè)控設(shè)備接入到總線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)該現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)品的國產(chǎn)化具有非?，F(xiàn)實(shí)而重大的意義[4]。

本實(shí)驗(yàn)室已自主完成基于單片機(jī)和VPC3芯片開發(fā)的智能從站，并接入到實(shí)驗(yàn)室的主站系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)物如圖2所示，用到的主要芯片在圖中用圓圈作了標(biāo)注，這意味著不具備現(xiàn)場(chǎng)總線功能的設(shè)備，可以通過在設(shè)備上加入此協(xié)議接入現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，擴(kuò)展了從站對(duì)象的范圍。

圖2 基于VPC3的智能從站的開發(fā)電路板

4 問題及解決措施

作為Proifbus主站的S7-300PLC設(shè)備價(jià)格較高，模塊配置不同時(shí)價(jià)格會(huì)有差異。一個(gè)基本的只帶總線通訊功能的S7-300PLC主站大約要花費(fèi)萬元左右。如何解決學(xué)生人數(shù)多經(jīng)費(fèi)有限的問題?研究實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的主要工作如編程和設(shè)置等是在電腦上完成的，并非一定要人手一臺(tái)PLC設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)室只配備了3臺(tái)S7-300PLC主站，另外配備了30臺(tái)電腦作為上位機(jī)，學(xué)生編程后分時(shí)下載程序到PLC中，解決了資源短缺的問題，提高了設(shè)備的利用率。實(shí)驗(yàn)室的配置情況如圖3所示。

圖3 上下位機(jī)配置圖

5 結(jié)語

市面上Profibus實(shí)驗(yàn)類教材較少，且不一定適合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備。我們?cè)陉懤m(xù)開展了若干基本型、拓展型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)后，需要不斷完善實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和相關(guān)教材的編寫，逐步形成具有特色的教材，為學(xué)生的綜合訓(xùn)練提供指導(dǎo)，同時(shí)也可作為對(duì)校外技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)的以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教材。

我?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。對(duì)于加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手操作能力起到了重要作用。形成了有利于培養(yǎng)學(xué)綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系。

[1]陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[2]陳勇，張昌華，劉群英.“現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)”課程研究型教學(xué)方案的探討[J].北京:中國電力教育，2009，(141):85-87

[3]邱佰平，喻壽益.基于以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線的過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置[J].上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24(1):43-49

[4]孫鶴旭，粱濤，云利軍.Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007.