【工業(yè)自動化與控制網(wǎng)絡實驗平臺】
功能/作用介紹
簡介
工業(yè)控制網(wǎng)絡是近年來發(fā)展形成的自動控制領域的網(wǎng)絡技術，是計算機技術、通信技術與自動控制技術相結(jié)合的產(chǎn)物，其主要包括現(xiàn)場總線技術和工業(yè)以太網(wǎng)技術。
為了使我院自動化專業(yè)的學生能夠加深對工業(yè)控制網(wǎng)絡的理解，直接接觸和操作先進的工業(yè)控制設備，熟悉工業(yè)現(xiàn)場總線的原理和運行機制，使之走上工作崗位后能立即參與解決工程實際問題，我們研制了一套工業(yè)控制網(wǎng)絡綜合實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)模擬工業(yè)現(xiàn)場實際情況，通過PROFIBUS總線和工業(yè)以太網(wǎng)，建立主從站通信系統(tǒng)，實現(xiàn)各類傳感器的實時數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控。同時,該實驗平臺還可以為現(xiàn)場總線技術、工業(yè)自動化與控制網(wǎng)絡、集散控制系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(tǒng)課程設計、過程控制等專業(yè)課程服務。
實驗系統(tǒng)以西門子S7-200為從站、以S7-300PLC為主站，通過I/O、AD/DA、 iCAN總線等模塊，將工業(yè)中常用的各種傳感器和檢測儀器儀表分別連接到PROFIBUS總線和工業(yè)以太網(wǎng)，建立主從站系統(tǒng)，通過總線的通信機制來交換數(shù)據(jù)，及時獲取控制現(xiàn)場儀表或傳感器的測量數(shù)據(jù)，實時向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)并返回控制指令。
該工業(yè)控制網(wǎng)絡綜合實驗系統(tǒng)包含PROFIBUS網(wǎng)絡和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡。在搭建綜合系統(tǒng)時，可以分別搭建子網(wǎng)絡，然后組合成綜合控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。
工業(yè)控制網(wǎng)絡綜合實驗系統(tǒng)模擬工業(yè)現(xiàn)場實際情況，通過PROFIBUS總線和工業(yè)以太網(wǎng)，建立主從站通信系統(tǒng)實驗系統(tǒng)以西門子S7-200為從站、以S7-300PLC為主站，通過I/O、AD/DA、 iCAN總線等模塊，將工業(yè)中常用的各種傳感器和檢測儀器儀表分別連接到PROFIBUS總線和工業(yè)以太網(wǎng)，建立主從站系統(tǒng)，通過總線的通信機制來交換數(shù)據(jù)，及時獲取控制現(xiàn)場儀表或傳感器的測量數(shù)據(jù)，實時向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)并返回控制指令。
PROFIBU總線在工業(yè)現(xiàn)場中以站點為單位，每一個數(shù)據(jù)采集點為一個站點，該站點可以測取數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等數(shù)據(jù)，將測取的數(shù)據(jù)匯總在站點CPU模塊中。將站點掛接到總線上，作為總線上的一個節(jié)點，通過站點地址，該站即可進行數(shù)據(jù)交換。在實驗系統(tǒng)PROFIBUS總線網(wǎng)絡中，主從站系統(tǒng)依靠PROFIBUS協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換;在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡中，主從站的數(shù)據(jù)交換通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)，主站作為客戶端，從站作為服務器端。
基于S7-200從站系統(tǒng)主要由電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊，熱電阻模塊組成。S7-200從站系統(tǒng)的現(xiàn)場設備采用工業(yè)中常用的儀器儀表，包括變頻器、PT100傳感器、溫濕度傳感器、光電傳感器、HMI(4201)監(jiān)視器、繼電器、調(diào)節(jié)閥等。PROFIBU總線在工業(yè)現(xiàn)場中以站點為單位，每一個數(shù)據(jù)采集點為一個站點，該站點可以測取數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等數(shù)據(jù)，將測取的數(shù)據(jù)匯總在站點CPU模塊中。將站點掛接到總線上，作為總線上的一個節(jié)點，通過站點地址，該站即可進行數(shù)據(jù)交換。在實驗系統(tǒng)PROFIBUS總線網(wǎng)絡中，主從站系統(tǒng)依靠PROFIBUS協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換;在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡中，主從站的數(shù)據(jù)交換通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)，主站作為客戶端，從站作為服務器端。
基于S7-200從站系統(tǒng)主要由電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊，熱電阻模塊組成。S7-200從站系統(tǒng)的現(xiàn)場設備采用工業(yè)中常用的儀器儀表，包括變頻器、PT100傳感器、溫濕度傳感器、光電傳感器、HMI(4201)監(jiān)視器、繼電器、調(diào)節(jié)閥等。
基于S7-300的主站系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：電源模塊、CPU模塊、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊。S7-300主站的各模塊所接的現(xiàn)場設備為：開關、LED指示燈、調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥等。
實驗系統(tǒng)利用西門子的Micro-Win、STEP7、WINCC等軟件工具完成主從站的配置、硬件組態(tài)、PLC控制程序和上位機監(jiān)控程序的編寫，建立PROFIBUS總線和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡主從站系統(tǒng)。
本綜合實驗系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP通信協(xié)議。系統(tǒng)可建立多主站系統(tǒng)，以包含3個1類DP主站、1個2類DP主站、6個DP從站為例。
3個S7-300主站分別作為1類DP主站，PC機通過CP5611通信卡作為2類DP主站，6個S7-200從站作為DP從站。由于S7-200不含PROFIBUS-DP接口，要實現(xiàn)S7-200與PROFIBUS網(wǎng)絡的掛載，需添加EM277通信模塊。EM277 PROFIBUS-DP模塊是專門用于PROFIBUS-DP協(xié)議通信的智能擴展模塊。EM277機殼上有一個RS-485接口，通過接口可將S7-200系列CPU連接至PROFIBUS網(wǎng)絡，支持PROFIBUS和MPI從站協(xié)議。其地址選擇開關可進行地址設置，地址范圍為0—99。與許多DP站不同的是，EM277模塊不僅是傳輸I/O數(shù)據(jù)，還能讀寫S7-200 CPU中定義的變量數(shù)據(jù)塊，使用戶能與主站交換任何類型的數(shù)據(jù)。
本實驗系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡以3個主站、6個從站組成系統(tǒng)為例。
通過工業(yè)以太網(wǎng)，S7系列產(chǎn)品可以作為一個節(jié)點連接到局域網(wǎng)上，但是需要通信處理器才能實現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)上的通信，S7-200系列PLC設計的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器是CP243-1系列，S7-300系列PLC的以太網(wǎng)通信處理器是CP343-1系列。通過工業(yè)以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)站點間的通信，并且支持使用STEP7-Micro/WIN 32軟件，對S7-200、S7-300進行遠程組態(tài)、編程和診斷。同時也可以將其他網(wǎng)絡，如PROFIBUS網(wǎng)絡、AS-interface等互聯(lián)到一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，使各種網(wǎng)絡得到有效的統(tǒng)一。
工業(yè)控制網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)的監(jiān)控界面可采用wincc等組態(tài)軟件作為上位監(jiān)控軟件，該軟件具有使用簡單、組態(tài)方便、性能可靠、功能齊全等特點。
點擊每個站點所對應的監(jiān)控界面按鈕，進入該站點的現(xiàn)場監(jiān)控界面，可以很方便地看到現(xiàn)場設備的運行情況。
業(yè)自動化與控制網(wǎng)絡課程設計就是基于該實驗平臺完成的，建立了S7-200的從站系統(tǒng)，S7-300的主站系統(tǒng)，實現(xiàn)PROFIBUS-DP及以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)。
該實驗平臺主要為現(xiàn)場總線技術、工業(yè)自動化與控制網(wǎng)絡、集散控制系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(tǒng)課程設計、過程控制等專業(yè)課程服務。
作品名稱：工業(yè)自動化與控制網(wǎng)絡實驗平臺
完成單位：北京郵電大學自動化學院
