工業計算機網絡教學與實踐系統的架構與實現

工業計算機網絡教學與實踐系統的架構與實現
The Construction and Realization of Industrial computer network Teaching and Practice System
(黃石理工學院)
湯立剛   Lang,LiGang
摘要: 為使學生了解并學會使用工業計算機網絡, 在市場充分調查的基礎上, 選用了工業以太網與現場總線 Profibus-DP、Profibus-PA。本文較為詳細地介紹了西門子數字工廠（SIMATIC PCS7）的系統架構, 同時, 更為詳細地介紹了組建工業計算機網絡實驗的目的以及組態方法。該實驗室的建立可以提高電信以及自動化專業學生對工業計算機網絡的理解以及在工業生產過程中的具體應用, 克服了以往工業計算機網絡課程重理論輕實踐的弊端, 對工業計算機網絡的應用以及教學具有特定的意義。
關鍵詞: 工業計算機網絡；Profibus；工業以太網；教學；實踐
中圖分類號:TP 271.5          文獻標識碼:A
Abstract: In this paper, the Industrial Ethernet and Profibus-DP、Profibus-PA field bus are selected based on a full marketing survey, so as to help students learn and grasp the use of Industrial computer network. The system architecture of siemens ditgal factory is introduced in detail in the paper, the experimental objective and configuration method of constructing Industrial computer network are also presented more amply. The construction of the lab can improve the understanding on Industrial computer network for the students of telecom and automation, which also dispels the former Industrial computer network course's disadvantage of emphasizing theory and neglecting practice, therefore the lab bears special significance to the application and teaching of Industrial computer network.
Keywords: Industrial computer network;  Profibus；Industrial Ethernet;  teaching;  practice

1 工業計算機網絡實踐教學的需求概述
 在自動控制專業的本科生高年級培養階段, 為了培育學生對現代化工廠的網絡架構以及現場總線的了解和應用能力, 自動化專業的學生須開設一門專業課“工業計算機網絡”。PLC 是工業自動化控制領域應用最為廣泛且可靠性較高的一種主控制器, 是架構工廠的計算機網絡以及現場總線的核心設備, 因此, 開設基于 PLC 控制系統的工業計算機網絡應用實踐課程必將大大的提高學生的現場應用能力。
 西門子的S7-300系列、S7-200系列 PLC、ET-200系列遠程I/O模塊、現場總線儀表、變頻器以及工業以太網交換機在中國的鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、環保等各個領域中已得到廣泛的應用, 不失普遍性。因此，經過再三考慮，在“工業計算機網絡”實踐課教學中將以這些設備為平臺，引入工業以太網和Profibus-DP、Profibus-PA現場總線；目的是為了使學生通過對工業以太網和 Profibus現場總線的學習和使用，了解工業以太網和Profibus 的特點以及它們在工廠的計算機控制系統中作用，并掌握它們的使用方法、應用技巧以及網絡配置技術等。
 西門子數字化工廠的系統架構如圖1所示，整個工廠的自動化網絡架構分為三級即：工廠級、車間級以及現場級。現場級中在控制器和現場設備，現場儀表之間加入現場總線Profibus-DP、Profibus-PA，從而大大提高系統的可靠性和可維護性；在控制器和監控管理計算機之間，具有工業冗余環網，從而具有極高的可靠性和實時性。車間級網絡主要完成監視過程各站的信息，集中顯示操作，控制回路組態和參數修改，歷史數據存取等功能；它與現場級網絡相比具有更大量的數據傳輸，但其實時性要求不高；這一級網絡中的管理計算機主要有監控計算機、操作站、工程師站。工廠級即生產管理級是整個網絡的最高層次，整個系統的圖文顯示，管理決策制定與實施，各個子系統間或與外系統的信息花環與交流以及數據庫管理等都屬于這個網絡層次的范疇。同時這里又是廣域網的節點，通過TCP/IP協議與Internet連接起來實現資源共享，從而擔負起全廠的總體協調管理任務，這一級網絡要求更高的數據安全性，而不是實時性。

圖1 西門子數字化工廠的系統架構圖

2 基于工業計算機網絡的教學實踐課
2.1 學生實踐規劃
 本門課程的實踐主要考察工業以太網以及Profibus-DP、Profibus-PA現場總線的幾個重要特性，包括工業以太網的確定性、實時性、可靠性、安全性；Profibus-DP現場總線兼容性及開放性、遠程I/O能力以及Profibus-PA的行規。根據以上內容，安排了五個實驗項目。實驗系統拓撲圖如圖2所示。網絡按照國際互聯網Internet+工廠內部管理控制網Intranet+生產線內現場總線控制網三層網絡模式組態。在控制網絡的上層干線網絡上采用千兆工業以太網交換機互聯構成環網，并采用環網冗余技術RapidRingTM，它可以使網絡在中斷后10ms之內自行恢復；在下層的區域網絡上采用了現場總線Profibus-DP，同時，通過DP/PA耦合器引入了Profibus-PA現場總線。在工廠內部車間級管理網絡上，采用了帶網絡管理功能的以太網交換機，用于接入監控計算機、操作站、工程師站以及控制服務器。最后，通過帶防火墻功能的路由器將整個實驗系統接入互聯網Internet。
 

圖2 實驗系統拓撲圖
2.2 系統模塊選擇
 在控制網絡干線上采用三臺千兆工業以太網交換機（型號：研華EKI-7654）彼此之間互聯構成環網冗余，五臺S7-300系列的PLC其CPU模塊選擇是CPU315-2PN/DP，它帶有兩個以太網接口和一個DP/MPI接口，分別接于工業以太網和Profibus-DP現場總線上（作為主站）。
 學生第一個實驗的目的在于使學生了解 Profibus的兼容性以及開放性。選用的設備為帶有Profibus-DP協議的控制設備。這里選者帶有Profibus-DP通訊模塊的西門子通用變頻器MM420。
 學生第二個實驗的目的在于使學生了解Profibus-DP的遠程 I/O 的功能。選用的設備為帶有Profibus-DP協議的遠程I/O設備ET-200S（型號IM151-1 BASIC），并配置了相應的I/O模塊如模擬量采集模塊2AI-I-2Wire，模擬量輸出模塊2AO-I，數字量輸出模塊8DO-DC 24V/0.5A，數字量輸入模塊8DI-DC24V。
 學生第三個實驗的目的在于使學生了解Profibus-DP的網絡擴展以及網絡組態的功能。選用了工業控制中最為常用的 S7-200 系列的PLC（型號CPU224CN），并且每一臺PLC都配有Profibus-DP 通訊模塊EM277。為了實時顯示本地控制參數，還加入了西門子人機界面產品TP 170B。
 學生第四個實驗的目的在于使學生了解Profibus-PA的行規。選用的設備為帶有Profibus-PA協議的現場總線儀表。實驗室配置現場總線儀表如西門子的智能溫度變送器TA400、智能壓力變送器STRANS P DSⅢ、智能閥門定位器SIPART PS2 PA以及智能電磁流量計SITRANS FM。
 學生第五個實驗的目的在于使學生了解以太網的環網冗余技術RapidRingTM以及以太網交換機的配置功能。選用的設備為研華的千兆工業以太網交換機EKI-7654和中興通訊的帶網絡管理功能交換機ZXR10 2826A。
 
3 結束語
 該實驗室目前正剛剛建設完成,它的建成不僅有處于學生理解現代工廠自動化網絡的架構, 更為重要的是它為學生提供了一個實踐工廠自動化系統網絡架構的場所, 在此基礎上可以極大的提高學生工業計算機網絡理論與實際相結合的應用水平。
 
參考文獻:
[1]陽憲惠著. 現場總線技術及其應用.清華大學出版社.2008:185-272
 [2]崔堅. 西門子工業網絡通信指南[M]. 北京: 機械工業出版社,2008.
 [3]侯維巖. PROFIBUS協議分析和系統應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2006.
[4]北京華晟科技公司.A3000過程控制實驗系統用戶手冊.