基于西门子PLC一体化实验平台的开发与设计

基于西门子ＰＬＣ一体化实验平台的开发与设计　基于西门子ＰＬＣ一体化实验平台的开发与设计　ｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ＰＩａｔｆＯｒｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｉｅｍｅｎｓ　ＰＬＣ　李万军　（西安航空职业技术学院，陕西西安７１００８９）　摘　要　针对电气专业ＰＬＣ课程的实践教学，设计了开放式一体化实验平台。合理运用西门子组态软件ＷｉｎＣＣ、Ｓｔｅｐ７编程软　件开发了实践内容，设计了实验平台的结构，给出了硬件配置。实践表明，该实验平台不仅满足了教学的需求，而且满足了　教师科研的需求。　关键词：一体化，可编程控制器，实验平台　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｕｒｓｅ　ｏｆ　ＰＬＣ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａ１．ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ＆ｏｐｅｎ　ｅｘｐｅｒｉ－　ｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ｗｉｔｈ　Ｓｉｅｍｅｎｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｗ＿ｎＣＣ＆Ｓｔｅｐ７　ｂｅｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｏｎｆｉｇ—　ｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｇｉｖｅｎ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ＰＬＣ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　本文就是结合高职院校自动化一体化课程教学需求，针对　目前ＰＬＣ实验平台的缺点，利用西门子ＰＬＣ进行开发设计。本　ＰＬＣ一体化实验平台有效配置西门子大、中、小型ＰＬＣ资源，在　教学上有两方面优势：一方面可以随时更换不同型号的ＰＬＣ，能　让学生了解不同型号ＰＬＣ的特点。另一方面可以随意设计实验　的内容，可以根据需要针对某些工业控制设计相应的实验。若将　ｉｎＶ４．０编写Ｓ７—２００下位程序，选用Ｓｔｅｐ７　Ｖ５．２编写Ｓ７—３００、　Ｓ７—４００下位程序；上位计算机选用ＤＥＬＬ３４００台式机型，选用　西门子ＷｉｎＣＣ　Ｖ６．０组态软件开发设计良好的人机界面；平台可　以实现以太网通讯、ＰＲＯＢＩＢＵＳ总线通讯、ＭＰＩ通讯以及自由口　开发等西门子提供的现行比较流行的控制通讯方式。系统还可以　通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ扩展用于第三方控制器或智能仪表通讯。　１ｌ２实验平台配置　１－２．１硬件配置　本实验平台应用在工程上。本实验台也可作为研究控制算法、控　制系统的搭建及自动控制过程提供综合环境，是培养系统设计　人员、科研人员的基本平台。　１　结构设计　根据实验需求，结合工业现场实际，实验平台的硬件配置如　表１所示。　１　１一体化实验平台的硬件集成　ＰＬＣ一体化实验平台由上位机和下位机构成，下位机采用最　流行的西门子Ｓ７系列ＰＬＣ作为下位控制器平台，平台选用西门　子Ｓｔｅｐ７编程环境开发下位控制程序，选用ＳＴＥＰ　７　ＭｉｃｒｏＷ一　表１　西门子模块名称、型号及数量　名称　Ｉ何训　机　１　ｉ　』Ｒ　ＲＡＬＫ　４０７　ＰＯＷＥＲ　ＳＵＰＰＬｌＹ　１＿２ｌ２软件配置　支持西门子ＰＬＣ一体化实验平台的软件主要是利用西门　子过程控制开发软件及人机组态应用软件，这对很好地学习和　掌握自动控制开发、应用及维护至关重要。工程软件具体配置如　表２所示。　表２工程软件配置　’　¨＿　ｑ　ｒ　数晕　ＤＥＬｌ　３４００台式　ｓ７．４００系统　６ｆＥＳ７４００－ｌＪＡ０ｌ－０ＡＡ０　６ＩＥＳ７４０７—０ＤＡ０２－０ＡＡ０　块　块　６　】　ｌ　３　ＣＰＵ４１４—２　ＢＡｌｑＲＥＹ　ＣＩ　４４３一ｌ以太　楼块　ｌ６ＥＳ７４１４—２ＸＫ０５—０ＡＢＯ　６ｌＥＳ７９７１０ＢＡ００　６ＩＧＫ７４４３．１ＥＸ１Ｉ－０ＸＥ０　Ｓ７－３００系统＾　Ｉ／Ｏ模块　６ＥＳ７３０７．１ＥＡ００—０ＡＡ０　６ＥＳ７３ｌ５—２ＡＧｌ０—０ＡＢ０　块　块　块　块　块　ｌ　２　】　２　Ｉ　２控制平台实验项目平台设计　２．１一体化实验平台设计　ｌ　曲Ｉ　Ｊ，ＩＵ测　ＣＰＵ３　Ｉ５—２＿ｊＰ　该一体化实验平台主要设计了ＰＬＣ网络实验平台，实训内　容主要围绕该平台开发，包括西门子大、中、小型ＰＬＣ基本实　３　４　ＭＭＣ存储　ＣＰ３４３—１以Ａ　模块　６ＥＳ７９５３－８Ｌ０ｌ　１．０ＡＡ０　６ＧＫ７３４３—１ＥＸ２１—０ＸＥ０　块　块　坎　】　１　３　验、ＰＬＣ网络组态实训和西门子ＷｉｎＣＣ组态实训。　２．１．１　ＰＬＣ网络实验平台　该实验平台网络主要从工程应用较多的西门子的ＭＰＩ、　ＰＲ０ＦＩＢＵＳ、以太网三种网络人手进行。如图１所示。在工业现　场此三种网络可以根据实际需求进行配置。　（１）ＭＰＩ通讯　８Ａｉ　４．２０ＭＡ，８ＴＣ　２０ＰｌＮＳ　６ＥＳ７３３　Ｉ－７ＫＦ０２—０ＡＢ０　６　７　８　ＩＭＩ　５３远　１／０模块　４Ａ０　４—２ＯＭＡ２０ＰｌＮＳ　８ＲＴＤ　４０Ｐｎ　Ｓ　６ＥＳ７１５３—１　ｉＡＡ０３－０ＸＢ０　６ＥＳ７３３２—５ＨＤＯ１—０ＡＢ０　６Ｅ￥７３３】一ｌＫＩ　ｌ一０ＡＢ０　块　块　块　Ｉ　２　２　９　０　ｌ＿　】６ＤＩ　２４ＶＤＣ２０ＰＩＮＳ　３２ＤＩ　２４ＶＤＣ４０ＰＩＮＳ　８ＤＯ　２４ＶＤＣ２０Ｐ１ＮＳ　６Ｅ￥７３２１—１ＢＨ０２．ＯＡＡ０　６Ｅ￥７３２１．１ＢＬ００—０ＡＢ０　６ＥＳ７３２２－１ＨＨ０１－０ＡＡ０　块　块　块　１　ｌ　２　１２　ｌ３　ｌ４　ＰＲＯＦＩＢＵＳ连接器　４【）计　连接嚣　２０ｔＩ时连接器　６ＥＳ７９７２—０ＢＡｌ２．０ＸＡ０　６Ｅ￥７３９２－１ＡＭ００．０ＡＡ０　６ＦＳ７３９２－１ＡＪ００—０ＡＡ０　个　块　块　６　３　８　ＭＰＩ（Ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）通讯是当通讯速率不高，通讯数　据量不大时，可采用的一种简单经济的通讯方式，ＭＰＩ通讯可使　用与ＰＩＣ一３００／４００、操作面板ＴＰ／ＯＰ及上位机，ＭＰｌ通讯卡，　ｓ７．２００系绩　’　１　２　ＣＰ２４３　１以爪　模块　ＣＩＰＩ　Ｊ２２６ＸＭ　ｌ６ＧＫ７２４３一ＩＥＸ００一ＯＸＥＯ　ｌ６ＥＳ７　２Ｉ６－２ＢＦ２２—０ＸＢ０　块　块　２　２　《工业控制计算机）２０１１年第２４卷第９期　焉　—丁一—］—＿Ｉ　厂一蕊　ｌ　—厂　ｌ　ｌ　（睿户ｘ－计Ｉ．Ｌ，Ｉ　机　ｌ　３）计算机作为服务器与ＰＬＣ之间的以太网通讯，其他计算　机作为客户机与计算机服务器进行数据交换。　表６　ＰＬＣ／计算机ＩＰ地址分配表　序号　命名　ｌＰ地址　由由ｒＲＯＩ￣ＩＢＵＳ￣，兰ｌ宙　　臣　由￥７－　ＭＰｌ　ｌ　２　３　Ｘａｉｄ　Ｉ（服务器）　Ｘａｉｄ　２（客户讣算机）　Ｘａｊｄ　３（客户　算机）　ｌ９２１６８１　ｌ　１９２１６８１　２　１９２ｌ６８１　３　４　５　Ｘａｊｄ　４（客户计算机）　Ｘａｊｄ　５（客户计葬机）　ｌ９２１６８１．４　１９２．１６８ｌ　５　６　Ｘａｉｄ　６（客户训算机）　ｓ７．４４３（４００以太嘲）　ｓ７．３４３（３００以太嘲）　ｓ７．２００．１（２００　太嗍）　ｌ９２１６８１　６　ｌ９２１６８１　７　ｌ９２１６８Ｉ＿８　ｌ９２ｌ６８ｌ１０　图１　实验平台网络拓扑图　７　８　ｌ０　如ＣＰ５６１　１／ＣＰ５６１３等进行数据交换。ＭＰＩ通讯速率一般为　１９．２ｋｂｉＶｓ，通常默认１８７．５ｋｂｉｔ／ｓ，ＭＰＩ网络最多连接３２个节　点，最大通讯距离５０ｍ，但可以通过中继器来扩展长度。本实验　ｌｌ　ｓ７．２００．２（２００以太网）　１９２．１６８ｌ　Ｉ１　２．２实验　『ｌ内容开发　平台主要通过ＭＰＩ口初始化硬件设备和地址分配。表３为具体　本实训平台主要是以ＤＥＬＬ商用计算机为硬件平台，结合　ＭＰＩ地址分配情况。可以实现以下两种功能：　１）Ｓ７—３００／４００与计算机通过ＭＰｌ协议通讯，可以实现数　据交换。　２）Ｓ７—３００／４００之间可以进行ＭＰＩ通讯，可以实现数据共　享和交换。　表３　ＭＰＩ地址分配表　（２）ＰＲ０ＦＩＢＵＳ通讯　ＰＲ０ＦＩＢＵＳ现场总线是总线中比较流行的一种总线方式，　符合欧洲标准和国际标准。可以连接远程ｌ／Ｏ、智能仪表（带　ＰＲＯＦＩＢＵＳ协议）等智能设备。ＰＲ０ＦＩＢＵＳ总线的传输速率　９．６ｋｂｉＶｓ一１２Ｍｂｉｔ／ｓ，传输速率与总线长度有关系，参见表４，如　果需要扩展总线长度和从站的个数需要加中继器。本实验平台　ＰＲ０ＦＩＢＵＳ站地址分配如表５所示，ＰＲ０ＦＩＢＵＳ平台可以实现　以下３种功能：　１）Ｓ７—３００／４Ｏ０与远程Ｉ／Ｏ之间通过ＰＲ０ＦＩＢＵＳ总线通　讯，进行数据交换。　２）Ｓ７—３００与Ｓ７—４００通过ＰＲ０ＦＩＢＵＳ总线通讯，可实现　两者之间主从站的组态。　３）可以通过ＰＲ０ＦＩＢＵＳ与带有ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线智能仪器　仪表进行总线通讯。　表４传输速率与总线长度　传输速率ｋｂｉｔＪｓ　ｌ　９．６　Ｉ８７．５　Ｉ　５００　ｌ　１５００　ｌ　３０００．１２０００　总线欧度ｍ　Ｊ　１０００　ｌ　４００　Ｊ　２００　ｌ　１００　表５　ｐｒｏｆｉｂｕｓ地址分配配表　序号ｌ　设备　ｌ　地址　１　Ｉ　ＣＰＵ４１４．２ＤＰ（ＭＰＩ／ＤＰ）　Ｉ　３　２　ｌ　ＣＰＵ４１４．２ＤＰ　ＤＰ　ｎ　ｌ　２　３　ｌ　ＣＰＵ３１５－２ＤＰ　ＤＰ口　ｌ　５　４　ｌ　１５３．１远程１／Ｏ　Ｉ　４　（３）工业以态网通讯　工业以态网从灵活性、稳定性、扩展性等方面考虑，选用西　门子以太网模块。通过以太网模块可对ＰＬＣ进行编程、下载、调　试、联网等。表６为计算机／ＰＬＣ　ＩＰ地址分配表。以太网平台实　现了以下三种功能：　１）ＰＬＣ之间的以太网通讯，用于实现下位机之间的以太网　数据交换。如Ｓ７—４００与Ｓ７—３００之间以太网数据交换。　２）计算机分别与Ｓ７系列ＰＬＣ之间的以太网通讯，用于实　现计算机与ＰＬＣ之间的数据交换。如工程师站与Ｓ７—３００之间　以太网通讯。　Ｓ７—２００、Ｓ７—３００、Ｓ７—４００，以Ｓｔｅｐ７编程软件、组态软件　ＷｉｎＣＣ　Ｖ６．２为开发环境进行实训项目开发，实验　『ｌ项目为：　（１）ＷｉｎＣＣ组态软件实训　１）监控界面与动态图形设计，包括界面制作、组态变量、报　表、编辑画面、变量连接；　２）ＷｉｎＣＣ与ＰＬＣ通讯的连接，包括以太网、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、ＭＰＩ；　３）报警、报表、冗余、生产趋势曲线设计、历史曲线查询设计；　４）通过ＷｉｎＣＣ控件实现通讯诊断、脚本运行和归档状态等。　（２）西门子大、中、小型ＰＬＣ基本实验　１）西门子大、中、小型ＰＬＣ结构认识与编程软件的应用；　２）基本指令实验；　３）８１￣转指令实验；　４）常用功能指令实验；　５）艺术灯的ＰＬＣ控制；　６）交通信号灯的自动控制；　７）电机的星／三角启动控制；　８）四层电梯的ＰＬＣ控制；　９）物料混合控制；　１Ｏ）水塔水位控制。　（３）ＰＬＣ网络组态实训　１）西门子ＰＬＣ以太网组态；　２）西门子ＰＬＣＭＰＩ组态；　３）西门子ＰＬＣ　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线组态。　３结束语　该实验开发平台的设计以工程实际中的西门子ＰＬＣ为核心，　以配套工程软件为开发环境，与实际工程相联系，把比较枯燥的　ＰＬＣ、ＷｉｎＣＣ组态软件理论知识工程化、实践化，使学生不但可以　进行基本实验　Ｉｆ，而且也可以根据新功能、新工艺的要求进行全　新的独立设计，制成产品进行调试，让学生在熟悉整个工程设计流　程的基础上，激发他们的创新潜力，使学生能够掌握先进的控制技　术和手段，增强学生的感性认识，提高学生现场调试程序的能力。　参考文献　［１］刘美兰ＰＬＣ控制教学实验系统的设计［Ｊ］．实验室研究与探索，　２００４，２３（２）：２６－２７　［２］姚兴军，叶理平．ＰＬＣ控制系统的计算机仿真研究［Ｊ］．机电一体化，　２００２．８（３）：２６—２８　［３］陈波，尹志强，等．ＨＦＵＴ－１型机电一体化实验平台的研制［Ｊ］．机电　工程技术，２００６，３５（９）：６６—６８　［４］崔坚．西门子工业网络通信指南［Ｍ］北京：机械工业出版社，２００５　［收稿日期：２０１１．５．３Ｏ］