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1、“多现场总线控制系统”实训室建设探索与实践 广西 林勇坚 摘要通过对实训室的建设背景、建设目标、建设方案和建设内容的分析，结合“多现场总线控制系统”实训室建设的探索与实践，给出实训室建设的一些建议，为今后实训室建设提供有益参考。关键词实训室建设；自动化；现场总线；教学作者简介 林勇坚（1971），男，福建省福清市人，广西机电职业技术学院电气工程系讲师，研究生学历， 主要从事电气自动化技术、计算机控制技术专业的教学及研究。The explore and practice of the laboratories establishment of Multifieldbus Control Syst
2、em(LinYongjian)Abstract:The paper explores the laboratories establishment of Multifieldbus Control System combining the analysis of the establishment backgrounds, establishment targets, establishment projects as well as establishment contents, puts forward some suggestions for the laboratories estab
3、lishment and and privides the beneficial reference to the future research.Keywords:the laboratories establishment; Multifieldbus Control System; Automation; teaching1 建设背景随着我国经济的快速发展，自动化仪器仪表、基于工业 PC 的 DDC 系统、PLC 及软 PLC 系统、DCS 系统以及现场总线技术、工业以太网技术、组态技术等先进技术在现代化工业生产过程中起着越来越重要的作用，利用先进的信 息处理技术和控制技术，对生产过程、
4、制造工艺的控制方法及管理手段进行改造、改进以提高劳动生产率和管理水平，是我国从制造业大国转变为制造强国的必由之路。 以下仅介绍始于 2005 年 6 月，我院投资 110 万元建设的作为自动化类专业校内实训基地中的核心实训室-“多现场总线控制系统”实训室建设的探索与实践，供大家参考。2 建设目标（1）实现建设本地区同类院校中功能最全面、技术最先进、内容最丰富的示范自动化技术实训中心。（2）整个实训室建设方向是模拟一个数字化工厂，在系统上体现数字化工厂的总体信息结构（见右图），在设备上应用典型自动化设备。（3）在一个实训室实现多平台要求：为实践教育提供认知控制理论，实践自动化技术的基本实训平台；
5、为创新实践提供可组合的设计性实践平台；为教师科研提供体现当前自动化与信息技术最新发展的软硬件环境。（4）系统方案考虑网络化特征，整个实验室系统建立在统一的工业以太网之上，体现自动化系统的多种网络发展，并为实验室网络信息化管理提供基础。（5）最全面表达现场总线的发展，融合FF、PROFIBUS、CANBUS、DEVICENET等广泛总线；（6）控制系统和控制对象实现多样化。建设一个有示范效果的综合控制实训室必须把工业中获得广泛应用的控制系统纳入到实训室系统中来。 总之，建设方案应保证技术水平的领先性、技术应用的综合性以及技术方案的典型代表性，本项目建设应极大 改变我系原自动化控制系统软硬件在种类
6、上、数量上明显不足的现状，为培养高素质高技能的综合性自动化专业技 术人才提供硬件保障，促使相关专业教师的科研能力和自动化工程实践能力再上一个新台阶，进而提高专业教学水平和参与企业的技术改造、提供技术服务的能力，推进我系产学研建设，提升我院自动化技术应用水平。3 建设原则（1）选用工业控制现场广泛应用并体现先进技术发展方向的典型设备。（2）有尽可能丰富的控制对象和控制参数。（3）实训室设备总成要具有现代化的工艺总体设计，在生产制造上要工艺美观，产品形象与室内布局能够体现 一个现代化的实训科研中心概念。（4）有较完善的实验软环境（包括实验、实训内容、多媒体设备等）；（5）实验室方案采用模块化设计，
7、既能集成目前已有的 PLC 实验台及模块化模拟生产实训系统，也应为将来实 现更丰富、更高层次的实践教学与教师科研创造良好的基础平台，实现实验室设备的可组合性、开放性、可发展性。4 建设方案2005年7 月成立项目小组，经过近三个月的调研及论证，初步确定实训室整体框架应包括“常规仪表控制系统”、“基于 ProfitBus 现场总线的控制系统”、“基于 FF 现场总线的控制系统”、“基于 DeviceNet 现场总线的控制系统”、“基于 CAN 现场总线的控制系统”等，各系统控制对象应尽可能丰富，包括以温度、压力、流量、液位等模拟量为主的过程控制对象和以开关量为主的其他控制对象，仪表方面应包含现场
8、总线型的仪表。以此编写了竞争性谈判采购条件书。2005 年 10 月，项目小组经校内两轮竞争性谈判，评选出了中标方，最终建设方案如下图： （1）本次竞争性谈判购买的设备控制系统包括：一套基于 ProfitBus 的和利时 DCS、一套基于 FF 的美国 SMAR 公司的 DCS、一套基于 DeviceNet 的罗克韦尔 PLC、基于 ProfitBus 的德国西门子 S7-300 和 S7-200 各一套、一套基于 CAN 总线的研华 PC_Based 控制系统、一套包含研华工控机及相关 I/O 控制卡的 WINAC 控制系统等安装在共 5 个标准工业控制机柜上，相应配备 5 张标准工业操作台
9、，每套机柜系统均配置智能调节仪表系统和无纸记录仪，用于实现常规控制系统功能。控制对象包括：三套（含锅炉单元、三容水箱单元、大滞后单元、工业换热机组单元、液位非线性实验单元、 阻尼系数研究实验单元、变容实验研究单元、双动力系统、管路及储水箱等）过程控制对象，安装有涡轮流量计、 电磁流量计、温度计、压力变送器、液位开关、电动调节阀、变频器、不锈钢增压泵、电磁阀、电加热功率调节等常规仪器仪表，此外，三套对象还分别带有输出 ProfitBus DP信号、FF 信号、DeviceNet 信号的现场总线型仪表；一套恒压供水控制对象（含水箱供水、主水泵、调压水泵、备用泵），安装有多个压力开关、液位、压力、流
10、量传 感器、变频器等）一套立体仓储控制对象（水平和垂直方向的运动控制分别采用交流伺服和直流伺服电机）。（2）原有可纳入本系统集成方案的设备30 套采用德国西门子 S7-200 的 PLC 实验台。本次购买 10 块 EM277 ProfitBus-Dp 从站接口板，将原中的10 套 PLC 接入 S7-300PLC 主机，构建一定规模的 ProfitBus 现场总线控制网络。一套含上料检测、搬运、加工、装配、装配搬运、分拣共6个工作站的模块化模拟生产实训系统，各站采用欧姆龙 PLC 控制，六个 PLC 通过研华多串口卡接入一台管理计算机。一套用两台三菱 PLC 控制的双联群控电梯，通过串口接入
11、一台管理计算机。 此外，通过公开招标购买了 24 套用于操作站和组态软件教学用的计算机。（3）系统集成方案分析如何将多种现场总线控制系统进行集成，项目小组查阅了大量资料，经研究决定在目前现场总线的协议尚未取得完全一致的情况下，针对现场总线的现场级、车间级、工厂级三层模型结构中，现场级的实时性要求高，管理级（车间级）的数据处理量大的特点，决定采取设置相应的服务器，以满足系统不同层次的通信、控制要求。避免追求单纯的统一导致各层次之间协议的不匹配、数据传输速率的差异而导致通信的失败。针对这些特点，最终形成了“在车间级之间采用工业以太网，而现场设备级与车间级之间应用 OPC 技术、通过设定或设计合适的
12、 OPC 服务器解决现场总线的融合问题”的方案。 所谓工业以太网是指在技术上与商用以太网兼容，但是在产品设计、材料的选用、产品的强度和适用性方面能 满足工业现场的需要的计算机网络。通过采取快速以太网技术和交换式以太网技术，给解决原商用以太网通信的非 确定性带来了希望，还通过采用交换式集线器、使用全双工通信模式（Full-Duples）、采用虚拟局域网（VLAN）、质量服务（QOS）等方式，以满足通信的实时性要求。OPC（OLE for process control）技术是实现控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互、实现系统开放 性的关键技术。OPC 是一套在基于 windows 操作平台
13、的工业应用程序之间提供高效信息集成和交互功能的组件对象模 型接口标准。它以微软的分布式组件对象模型 COM/DCOM/COM+技术为基础，采用 client/server 模式。其中，server 是数据的供应方，client 是数据的使用方。OPC 客户端（client）与 OPC 服务器（server）的联接都通过接口来实 现。OPC 服务器需要具体实现接口的功能，需要具体确定可以存取的设备和数据，数据单元以何种方式命名以及具体 物理设备读写数据的细节，并通过 OPC 标准接口开放给外部程序，各个 OPC 客户程序通过 OPC 标准接口对各服务管 理设备进行操作，而无需关心服务器内部实现的
14、细节问题。而目前每种重要的现场总线，包括 ProfitBus、DeviceNet、FF 等都有自己的以太网网关，所以只要设定或设计合适的 OPC 服务器就解决了现场总线及工业以太网的集成问题。一个 OPC 客户可以用标准的方式从任何一个 OPC 服务器访问数据，却不用了解底层的协议。5 结 语由于实训室建设方案采用了模块化的设计，随着广西经济的发展，工业化进程的加快，自动控制技术的更新、 学院招生规模的扩大、订单式的人才培养模式等各种因素，推动着我们不断充实、升级各种面向不同行业应用的控 制系统和控制设备，如控制系统可考虑补充浙大中控的 DCS 系统，还可进一步自主开发针对实际生产工艺的控制流
15、 程或控制对象等。多现场总线控制系统实验室已经建设完成并运行了一年多，总结建设经验，主要有以下几点体会：（1）实训室建设是一项系统工程，对建设投入、项目招投标、技术的发展及应用、教学组织、教师队伍建设、 科研及对外技术服务等方方面面应总体构思、多方充分调研、充分论证，吸收行业专家和一线教师的意见，形成符 合当时各项条件的最佳建设方案和工作方案，并不断修正、完善。（2）重视实训室建设对培养专业教师的重要作用，项目组教师充分参与实训室的方案设计、招投标、设备安装 及调试、实训项目开发等全程建设工作，形成了“完成一个项目，培养一批教学和科研骨干”。（3）重视家具、环境氛围等对实训室综合水平的提升作用
16、。项目建设中除了关注实训设备总成的工艺水平外， 项目组还十分注重考虑计算机外观、家具工艺结构、设备介绍标牌、多媒体投影内容制作等常人认为微不足道的一 些因素。例如，本实训室除 5 台放置于标准工业操作台的管理计算机外，还配置了二十几台的操作站，经充分讨论， 根据实训室内布局，决定不采用常规的一机一桌的家具方案，而采取每四套计算机共一个小会议桌形式，直接向厂 家订做了 6 张工作台，由项目组根据室内设备布局自主设计工作台结构、选择面板花色等，极大地提升了实训室作 为教学、科研、培训基地的氛围。（4）加强与院领导和各职能部门的沟通，争取更大的支持，保证项目建设的顺利进行。（5）重视实训项目的开发，有了先进的实训系统平台，还应充分开展校企合作，组织企业技术能手、专家和校 内教师根据人才培养目标定位和课程大纲要求开发工学结合的配套实训项目，充分发挥实训室对学生专业核心能力 形成的重要作用。参考文献1 孙柏林.对“十一五”我国自动化技术发展的思考J.自动化博览，2006，（2）.2 谢又成等. 集散控制系统实验室的建设J.实验室研究与探索，2007，（5）.3 付华，华明.关于多现场总线集成的研究J.微电子学与计算机，2007，（1）.基金项目：广西教育厅科研项目多现场总线系统的集成成果。（项目编号：桂教科研200626号)