基于以太网和现场总线的工业控制网络实训系统设计

第３８卷第３期　２０１７年３月　自动化仪表　

ＰＲＯＣＥＳＳ　ＡＵＴＯＭＡⅡＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡ田０Ｎ　Ｖ０１．３８　Ｎｏ．３　

Ｍ８１＂．２０１７　

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）　

摘要：对工业控制网络技术的现状和发展趋势进行了深人研究。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Ｐｍｆｉｂｕｓ—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。　关键词：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　中图分类号：ＴＨ８６；ＴＰ２７３　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．１６０８６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ０００—０３８０．２０１７０３０１１　

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

ＺＨＡＮＧ　Ｘｕｅｈｕｉ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｄａｏｊｉａｏｔｕｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１００３６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：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　ａＦｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｉｅｌｄｓ　Ｉ　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　Ｉ’Ｐｌ７７Ｂ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ，　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ－ａｎｄ　ａｘｉａｌ　ｆａｎｓ，ｅｔｅ．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　ａＩ℃ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｕｌｌｙ　ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＰＬＣ　ａｎｄ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　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．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；Ｆｉｅｌｄｂｕｓ；ＰＬＣ；Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ＶＯ；Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；Ｔｏｕｃｈ　ｓｃｒｅｅｎ；　ＷｉｎＣＣ；Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

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…。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　。　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，以太网进人工业控制领域后，出现了大量　基于以太网的工业控制网络　。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　

修改稿收到日期：２０１６—１１—２１　基金项目：辽宁省财政厅基金资助项目（ＬＮＺＣ２０１４—０ｏ９４）　作者简介：张学辉（１９７８一），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．ｃｏｒｎ。　・４２・　自　动化仪表　第３８卷　备，又要最终实现伞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　卜，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ｌ　系统结构图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｔｍｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　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Ｊ二位工控机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　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一　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　ＰＩ　Ｃ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　。分布式Ｉ／Ｏ选用　ＥＴ２００Ｓ，ＥＴ２００Ｓ的接口模块为ＩＭＩ５１—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¨子工业控制网络有ＭＰＩ网络、工业以太网　Ｐｍｆｉｎｅｔ、现场总线（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）、点剑点连接（ＰｔＰ）和　ＡＳ—ｉＮ络　。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　Ｌ位工控机ＰＣ、控制主站ＰＩ　ｃ、触摸屏、分布式Ｌ／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ＳＴＥＰ－／中生成一个与实　际硬件系统完伞相同的系统，例如要生成网络、网络中　各个站的机架和模块，以及没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连接剑主站　。　打开软件ＳＴＥＷ／，首先生成项目，添ＪＪ口主站，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　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ＩＶＯ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