工业计算机网络教学与实践系统的架构与实现

工业计算机网络教学与实践系统的架构与实现
The Construction and Realization of Industrial computer network Teaching and Practice System
(黄石理工学院)
汤立刚   Lang,LiGang
摘要: 为使学生了解并学会使用工业计算机网络, 在市场充分调查的基础上, 选用了工业以太网与现场总线 Profibus-DP、Profibus-PA。本文较为详细地介绍了西门子数字工厂（SIMATIC PCS7）的系统架构, 同时, 更为详细地介绍了组建工业计算机网络实验的目的以及组态方法。该实验室的建立可以提高电信以及自动化专业学生对工业计算机网络的理解以及在工业生产过程中的具体应用, 克服了以往工业计算机网络课程重理论轻实践的弊端, 对工业计算机网络的应用以及教学具有特定的意义。
关键词: 工业计算机网络；Profibus；工业以太网；教学；实践
中图分类号:TP 271.5          文献标识码: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 工业计算机网络实践教学的需求概述
 在自动控制专业的本科生高年级培养阶段, 为了培育学生对现代化工厂的网络架构以及现场总线的了解和应用能力, 自动化专业的学生须开设一门专业课“工业计算机网络”。PLC 是工业自动化控制领域应用最为广泛且可靠性较高的一种主控制器, 是架构工厂的计算机网络以及现场总线的核心设备, 因此, 开设基于 PLC 控制系统的工业计算机网络应用实践课程必将大大的提高学生的现场应用能力。
 西门子的S7-300系列、S7-200系列 PLC、ET-200系列远程I/O模块、现场总线仪表、变频器以及工业以太网交换机在中国的钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、环保等各个领域中已得到广泛的应用, 不失普遍性。因此，经过再三考虑，在“工业计算机网络”实践课教学中将以这些设备为平台，引入工业以太网和Profibus-DP、Profibus-PA现场总线；目的是为了使学生通过对工业以太网和 Profibus现场总线的学习和使用，了解工业以太网和Profibus 的特点以及它们在工厂的计算机控制系统中作用，并掌握它们的使用方法、应用技巧以及网络配置技术等。
 西门子数字化工厂的系统架构如图1所示，整个工厂的自动化网络架构分为三级即：工厂级、车间级以及现场级。现场级中在控制器和现场设备，现场仪表之间加入现场总线Profibus-DP、Profibus-PA，从而大大提高系统的可靠性和可维护性；在控制器和监控管理计算机之间，具有工业冗余环网，从而具有极高的可靠性和实时性。车间级网络主要完成监视过程各站的信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，历史数据存取等功能；它与现场级网络相比具有更大量的数据传输，但其实时性要求不高；这一级网络中的管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。工厂级即生产管理级是整个网络的最高层次，整个系统的图文显示，管理决策制定与实施，各个子系统间或与外系统的信息花环与交流以及数据库管理等都属于这个网络层次的范畴。同时这里又是广域网的节点，通过TCP/IP协议与Internet连接起来实现资源共享，从而担负起全厂的总体协调管理任务，这一级网络要求更高的数据安全性，而不是实时性。

图1 西门子数字化工厂的系统架构图

2 基于工业计算机网络的教学实践课
2.1 学生实践规划
 本门课程的实践主要考察工业以太网以及Profibus-DP、Profibus-PA现场总线的几个重要特性，包括工业以太网的确定性、实时性、可靠性、安全性；Profibus-DP现场总线兼容性及开放性、远程I/O能力以及Profibus-PA的行规。根据以上内容，安排了五个实验项目。实验系统拓扑图如图2所示。网络按照国际互联网Internet+工厂内部管理控制网Intranet+生产线内现场总线控制网三层网络模式组态。在控制网络的上层干线网络上采用千兆工业以太网交换机互联构成环网，并采用环网冗余技术RapidRingTM，它可以使网络在中断后10ms之内自行恢复；在下层的区域网络上采用了现场总线Profibus-DP，同时，通过DP/PA耦合器引入了Profibus-PA现场总线。在工厂内部车间级管理网络上，采用了带网络管理功能的以太网交换机，用于接入监控计算机、操作站、工程师站以及控制服务器。最后，通过带防火墙功能的路由器将整个实验系统接入互联网Internet。
 

图2 实验系统拓扑图
2.2 系统模块选择
 在控制网络干线上采用三台千兆工业以太网交换机（型号：研华EKI-7654）彼此之间互联构成环网冗余，五台S7-300系列的PLC其CPU模块选择是CPU315-2PN/DP，它带有两个以太网接口和一个DP/MPI接口，分别接于工业以太网和Profibus-DP现场总线上（作为主站）。
 学生第一个实验的目的在于使学生了解 Profibus的兼容性以及开放性。选用的设备为带有Profibus-DP协议的控制设备。这里选者带有Profibus-DP通讯模块的西门子通用变频器MM420。
 学生第二个实验的目的在于使学生了解Profibus-DP的远程 I/O 的功能。选用的设备为带有Profibus-DP协议的远程I/O设备ET-200S（型号IM151-1 BASIC），并配置了相应的I/O模块如模拟量采集模块2AI-I-2Wire，模拟量输出模块2AO-I，数字量输出模块8DO-DC 24V/0.5A，数字量输入模块8DI-DC24V。
 学生第三个实验的目的在于使学生了解Profibus-DP的网络扩展以及网络组态的功能。选用了工业控制中最为常用的 S7-200 系列的PLC（型号CPU224CN），并且每一台PLC都配有Profibus-DP 通讯模块EM277。为了实时显示本地控制参数，还加入了西门子人机界面产品TP 170B。
 学生第四个实验的目的在于使学生了解Profibus-PA的行规。选用的设备为带有Profibus-PA协议的现场总线仪表。实验室配置现场总线仪表如西门子的智能温度变送器TA400、智能压力变送器STRANS P DSⅢ、智能阀门定位器SIPART PS2 PA以及智能电磁流量计SITRANS FM。
 学生第五个实验的目的在于使学生了解以太网的环网冗余技术RapidRingTM以及以太网交换机的配置功能。选用的设备为研华的千兆工业以太网交换机EKI-7654和中兴通讯的带网络管理功能交换机ZXR10 2826A。
 
3 结束语
 该实验室目前正刚刚建设完成,它的建成不仅有处于学生理解现代工厂自动化网络的架构, 更为重要的是它为学生提供了一个实践工厂自动化系统网络架构的场所, 在此基础上可以极大的提高学生工业计算机网络理论与实际相结合的应用水平。
 
参考文献:
[1]阳宪惠著. 现场总线技术及其应用.清华大学出版社.2008:185-272
 [2]崔坚. 西门子工业网络通信指南[M]. 北京: 机械工业出版社,2008.
 [3]侯维岩. PROFIBUS协议分析和系统应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.
[4]北京华晟科技公司.A3000过程控制实验系统用户手册.