過程控制實驗遠(yuǎn)程控制平臺的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：借助廣西大學(xué)行健文理學(xué)院控制工程實驗室中的過程控制實驗裝置，設(shè)計過程控制實驗遠(yuǎn)程控制平臺的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過搭建一個這樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)對過程控制實驗設(shè)備的“讀”、“寫”功能。讓學(xué)生了解工業(yè)組網(wǎng)，融合通信和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等知識，向?qū)W生展示網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新成果及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的靈活性與多樣性。

關(guān)鍵詞：過程控制；遠(yuǎn)程控制；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）29-0045-02

1 引 言

為開闊學(xué)生視野，讓學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)控制的相關(guān)技術(shù)，借助廣西大學(xué)行健文理學(xué)院控制工程實驗室中的過程控制實驗裝置，構(gòu)建一個基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的過程控制綜合實驗教學(xué)平臺。在該實驗平臺上集成自動化領(lǐng)域的檢測、數(shù)據(jù)采集、控制、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)。通過這個平臺，讓學(xué)生了解工業(yè)組網(wǎng)，融合通信和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等知識，向?qū)W生展示網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新成果及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的靈活性與多樣性。

2 過程控制實驗遠(yuǎn)程控制平臺研究現(xiàn)狀

遠(yuǎn)程控制是指通過互聯(lián)網(wǎng)（局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)）傳輸控制信息，在任意時間內(nèi)對異地的機(jī)器設(shè)備（如變頻器、觀測儀等）進(jìn)行控制[2]。按控制方式遠(yuǎn)程控制分為手動遠(yuǎn)程控制和自動遠(yuǎn)程控制兩類；按系統(tǒng)構(gòu)架可分為客戶端/服務(wù)器和瀏覽器/服務(wù)器兩種模式。

目前，國內(nèi)外有不少基于遠(yuǎn)程控制實驗的研究和應(yīng)用，被控對象主要包括機(jī)器人系統(tǒng)、過程控制實驗裝置和其他控制系統(tǒng)等。有的高校開發(fā)了在自動化和機(jī)器人工程領(lǐng)域的遠(yuǎn)程實驗室，通過網(wǎng)絡(luò)，工學(xué)專業(yè)的學(xué)生可以在實驗室的機(jī)械臂教學(xué)平臺上進(jìn)行仿真試驗，通過試驗機(jī)器人的路徑跟蹤證明他們的理論結(jié)構(gòu)。還有高校開放了基于網(wǎng)頁的雙容水箱控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)可以在該系統(tǒng)上進(jìn)行PID控制，模糊控制等實驗。也有高校針對倒立擺設(shè)計了一個遠(yuǎn)程控制實驗系統(tǒng)，主要為校內(nèi)學(xué)生提供遠(yuǎn)程實驗。

3 過程控制綜合實驗平臺總體介紹

以實驗室的軟硬件設(shè)備和實驗裝置作為平臺，構(gòu)建一個基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的自動化專業(yè)綜合實驗教學(xué)平臺。通過以太網(wǎng)把過程控制的多套實驗裝置接入實驗室內(nèi)的局域網(wǎng)中，并通過一臺服務(wù)器對實驗設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。局域網(wǎng)內(nèi)的其他PC機(jī)可通過該服務(wù)器對實驗設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。通過搭建這樣一個集遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測、管理為一體的實驗平臺，不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控管理，還將能夠向?qū)W生展示工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的新成果和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的多樣性和靈活性。

4 過程控制綜合實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)

（1）SMPT-1000設(shè)備是一套集多種實驗功能于一體的半實物仿真實驗裝置，其“現(xiàn)場工況”為全數(shù)字仿真與實物外觀模擬相結(jié)合的工業(yè)鍋爐或加熱爐流程系統(tǒng)，控制系統(tǒng)平臺則采用工程實際應(yīng)用的DCS系統(tǒng)。該裝置模擬鍋爐和蒸發(fā)器組成的水汽熱能全流程，可拆分成非線性儲罐與離心泵單元、動力除氧單元、高階換熱單元、加熱爐單元、鍋爐單元、蒸發(fā)器單元，提供由簡到難的各個層次的過程控制被控對象。可由內(nèi)部控制器控制，也可通過西門子S7-400 PLC作為控制器對各個單元進(jìn)行控制。該實驗設(shè)備網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。

（2）M801 MPS模塊化生產(chǎn)制造實訓(xùn)裝置由供料傳輸單元、機(jī)械手單元、加工單元、旋轉(zhuǎn)缸搬運單元、傳輸檢測單元、搬運單元、裝配單元、立體庫單元組成，模擬實際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。實訓(xùn)裝置的每個單元均由西門子S7-200控制，通過Profibus-DP總線可實現(xiàn)“單機(jī)/聯(lián)機(jī)”運行。上層由一臺S7-300作為Profibus-DP主站，在聯(lián)機(jī)模式時負(fù)責(zé)匯總各個從站的傳感器數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)各個從站S7-200控制執(zhí)行器動作。該裝置的單元可以進(jìn)行組合，具有較好的柔性，是學(xué)習(xí)控制、編程、裝配和調(diào)試技術(shù)的實踐平臺。該實驗設(shè)備網(wǎng)絡(luò)框架如圖2所示。

5 完成過程控制綜合實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

5.1 實驗設(shè)備與監(jiān)控平臺的組網(wǎng)

為構(gòu)建基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的自動化專業(yè)綜合實驗教學(xué)平臺，首先要完成實驗室設(shè)備接入局域網(wǎng)。即通過以太網(wǎng)把實驗室內(nèi)過程控制實驗裝置和運動控制實驗裝置接入實驗室內(nèi)的局域網(wǎng)。這部分已經(jīng)通過網(wǎng)線進(jìn)行安裝配置。

5.2 確定過程控制綜合實驗平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

因SMPT-1000實驗設(shè)備由仿真模擬實物實驗平臺及西門子S7-400PLC組成，兩者之間通過Profibus總線相連。用于對PLC進(jìn)行編程的PC機(jī)通過PLC的Profinet總線與PLC相連進(jìn)行控制，根據(jù)這個情況，可直接把該Profinet總線通過交換機(jī)引出接入實驗室內(nèi)的局域網(wǎng)中。

模塊化生產(chǎn)制造實訓(xùn)裝置中的S7-300作為Profibus-DP主站，通過Profibus控制從站的S7-200。用于編程的PC機(jī)通過USB轉(zhuǎn)PPI通信電纜對以上PLC進(jìn)行編程。經(jīng)過分析，S7-300同樣支持Profinet總線協(xié)議，且PLC自身已含有Profinet總線的RJ45以太網(wǎng)接口，可直接插入網(wǎng)線接入局域網(wǎng)中。

通過以上對實驗室主要實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)的分析，對它們進(jìn)行組網(wǎng)主要的途徑是通過實驗設(shè)備的上層PLC（S7-400、S7-300）。由于各種設(shè)備對于網(wǎng)絡(luò)的要求不同，所以必須對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，常見的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要分為4層，并確定每一層的網(wǎng)絡(luò)。即將實驗室設(shè)備分為以下四層，如圖3所示。

6 小 結(jié)

兩種實驗設(shè)備的上層PLC接入到局域網(wǎng)中，把從實驗設(shè)備上各個IO點采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)共享，供其他局域網(wǎng)內(nèi)PC或工控機(jī)查看，同時也接收PC或工控機(jī)發(fā)送的IO點寫入數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)寫入到實際的實驗設(shè)備IO點上，實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)對實驗設(shè)備的“讀”、“寫”功能。實現(xiàn)了過程控制綜合實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的搭建，實現(xiàn)了集遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測、管理為一體。通過該平臺，不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控管理，還將能夠向?qū)W生展示工業(yè)控制中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的多樣性與靈活性。

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收稿日期：2018-9-3

作者簡介：胡寧峪（1987-），女，實驗師，研究生，主要從事控制工程方向的實驗教學(xué)工作。

彭宇寧，女，教授，碩導(dǎo)，從事過程控制、計算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用、虛擬儀器技術(shù)、檢測技術(shù)與自動控制系統(tǒng)教學(xué)工作。