基于工业以太网的生产物流控制系统实训平台的开发

摘 要：随着我国装备制造业的发展，工业自动化培训的质量需求日益增加。文章分析了目前我国工业自动化技术培训存在的问题，设计了一种基于工业以太网的生产物流培训系统。单套培训系统采用S7-1200 PLC和Simatic KTP700触摸屏作为主要控制部件，涵盖了多项工业自动化相关技术，技术培训点全面。特别是当多套培训系统结合使用时，采用模块化和网络化的思想，可以实现多个PLC控制多个被控对象的效果，使用效果良好。

关键词：控制系统；工业以太网；自动化培训；S7-1200

1 概述

随着社会经济的不断发展，人们对物质文化的质量需求日益提高，这就需要社会生产力能够快速发展，而我国社会生产力发展的核心是装备制造业的发展。据了解，目前我国装备制造业主要存在着“加工能力强、创新能力弱”“单机制造能力强、系统集成能力弱”[1]等等一系列问题。制约我国装备制造业发展的因素有很多，其中之一就是当前工业自动化技术的迅速发展与相关专业技术人才的日益缺乏之间的矛盾。因而工业自动化技术培训变得非常有必要。工业自动化技术一般由三部分构成，分别是工业自动化硬件设备、工业自动化软件设备与工业自动化系统[2]。本文介绍了一种基于S7-1200 PLC的生产物流培训系统，属于工业自动化系统培训领域。

2 目前工业自动化技术培训存在的问题

一般地，对于工业自动化相关技术的培训，包含以下内容：常用低压电器、电机与驱动技术、传感器与检测技术、可编程控制器、上位机监控、工业网络通信技术等，其中又以可编程控制器（PLC）为核心技术。这一点我们从一个典型的PLC控制系统结构框图（如图1所示）就可以得出。

随着我国工业生产自动化领域的扩大，国外PLC厂商纷纷进入中国，尤其是近几年运动控制（速度、位置等控制）得到了飞速发展[3]，很多运动控制产品甚至试图将控制部分和驱动部分逐步融合。为了让用户更好地了解最新的控制技术和熟练地使用自动化产品，各职业院校、产品厂商、培训机构都开设了自动化系统培训课程。由于缺乏良好的试验设施，其培训质量受到了影响。

目前市场上相关的培训系统大致分两类：一类是单项技术培训系统；另一类是综合技术培训系统。培训机构或者培训学员在选择培训系统时，如果选择第一类培训系统，往往不能保证技术培训的全面性，而只能是多次选择不同的单项技术培训系统，最终培训成本很高，且培训效率低下；如果选择第二类培训系统，则系统本身成本较高，而且在使用时不可能同时将整个培训装置的所有组成部分都利用起来，因而利用率低，此外，由于设备集成了太多的相关技术，造成了学员不知道从哪儿下手，最终容易产生望而却步的思想。此外，由于需要对可编程控制器以及触摸屏等进行编程，所以一般都是一套培训系统配置一台计算机。因此为了保证培训效果，也只能是一名学员使用一套培训系统，这样培训成本昂贵。

由于以上各个因素，最终造成了目前许多培训机构及培训院校在对学员进行工业自动化技术培训时，过多的进行“纸上谈兵”：即讲授过多，学员练习过少。即使是练习，也只能是少数人动手练习，多数人只能看看，这种情况培训效果极差，完全不能保证工业自动化技术的发展对相关技术人员的技术技能需求，因而不利于整个社会的生产力发展。

3 基于工业以太网的生产物流培训系统的网络结构设计

为了解决工业自动化技术培训领域中昂贵的培训费用与低下的培训效率之间的矛盾，关键问题在于如何实现一套培训装置同时被多名学员练习使用。为了能够实现一套培训装置同时被多名学员练习使用的目的，采用以下思路实现：

（1）首先将所有的工业自动化相关技术进行划分，然后再将相关技术进行有机重组，然后设计出一种生产物流培训系统，将所有的相关技术融入到不同的培训模块中去，即首先保证了相关技术的全面性。

（2）培训系统中的核心控制器（可编程控制器）与上位机（触摸屏）等部件均采用工业以太网通信的方式，这种方式的好处在于系统中的可编程控制器与触摸屏可以与所有的编程计算机连接在一个交换机上，这样可以实现一套培训系统配置多台计算机的配置模式，也可以实现多套培训系统配置多套计算机的模式（如图2所示），从而可以有效提高培训装置的使用效率，降低整个培训装置的成本。

（3）将每套培训装置划分为不同的模块，每个模块再由不同的控制器进行控制，这样各个模块可以分别进行使用，从而可以有效提高各个部件的使用效率。

4 单套培训系统的结构框图

对于一个典型的工业自动化控制系统，小型模块化PLC+触摸屏的组合控制系统无疑是这类工艺系统的最佳控制解决方案[4]。经过反复比选，最终选择的控制器为西门子S7-1200 PLC，人机界面为西门子新一代精简触摸屏KTP700 Basic PN。

Simatic S7-1200 是西门子公司于2009年推出的一款面向中小型自动化的模块化控制器，它具有集成Profinet通信接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性能，为各种工艺任务提供简单的通信和有效的解决方案，可满足控制各种各样设备的自动化需求[5]。S7-1200 PLC的性能可与S7-300系列PLC媲美，而其价格大约只有S7-300系列PLC的2/3，不失为一种高性价比的中小型控制器。而Simatic KTP700 Basic PN是西门子公司于2014年才推出的新一代精简面板，该面板除继续秉承精简系列面板的传统优点外，还新增了USB接口用于将数据存储到U盘中，还可外接鼠标、键盘或条形码读取器，集成Profibus或Profinet接口，其功能更加强大。

图3为生产物流培训系统设计结构框图。

本系统设计包含直流电机、直流电机驱动装置、步进电机1、步进电机1驱动装置、步进电机2、步进电机2驱动装置、入库推送气缸、托盘下放气缸、位置传感器，以上各个部件由S7-1200 PLC1负责控制；包含伺服电机、伺服电机驱动装置、货物推送气缸、机械手、编码器、位置传感器，以上各个部件由S7-1200 PLC2负责控制，触摸屏负责监控PLC1和PLC2中的数据；还包含直流电源24V、交流电源220V、压缩气源等，负责为整个培训系统提供电源和气源。系统中触摸屏与PLC1、PLC2之间通过工业以太网实现通信，工业以太网又可以通过交换机与计算机进行连接。在使用时，PLC1与PLC2既可以分开使用，也可以联机使用，分开使用时一套培训装置就可以当成两套来使用，联机使用时，又可以训练学员的工业网络通信技术应用能力。而且无论是分开使用还是联机使用，系统都可以通过交换机与不同的计算机进行编程控制，也即达到了多个学员同时使用一套培训装置的目的。

5 结束语

本系统采用网络化与模块化的设计理念，模拟现代生产物流系统，在工业自动化专业的实训提高、专业技师培训、教师教学应用等方面有突出的作用，工业自动化的相关核心技术几乎都可以基于此设备进行培訓，目前已经在一些职业院校中有所应用。设备使用时，将所有工业自动化的相关技术进行有机重组，在培训时由浅入深，由简单到复杂，使用效果良好。

参考文献

[1]崔文静.装备制造业振兴可待[J].电气时代，2009（4）.

[2]丁允伟，李明达，何汉文.工业自动化技术的特点及工业自动化的重要性[J].电子技术与软件工程，2017（1）.

[3]汪小澄，袁立宏，张世荣.可编程序控制器运动控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]吕品.PLC和触摸屏组合控制系统的应用[J].自动化仪表，2010（8）.

[5]SIMATIC S7-1200的功能特点与应用[J].可编程序控制器与工厂自动化，2010（8）.

作者简介：范其明（1985-），男，河南新乡人，讲师，硕士，主要从事智能控制和自动化系统集成方向的研究。

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