CN110398943A - 一种多层级立体化控制系统实验平台及其搭建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层级立体化控制系统实验平台，涉及自动控制技术领域，解决了学校现有控制设备控制单一且难以让学生体验到实际工业现场，教学效果不佳的弊端，其技术方案要点是包括有将多个工业控制实验装置子系统的可编程序控制器与所有工控机连接至同一网段的管理级、由各子系统的可编程序控制器构成的各控制子网的控制级、包括有各子系统的运动控制系统、人机交互系统、网络控制系统以及进行调试及网络切换的实验台的现场级，本发明的一种多层级立体化控制系统实验平台，更接近实际工业应用环境，涉及多种网络通讯协议，通过协议转换机制实现不同协议的数据通信，对学生适应智能制造工业现场的能力得到了大大的提高。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制系统，特别涉及一种多层级立体化控制系统实验平台。
背景技术
学校内主要的工业控制实验室装置都选用同一品牌的设备，构成的网络连接也是基于这个品牌设备所支撑的通信协议，而且出于使用安全考虑，学生所接触到的设备部分，大多仅为终端的接线部分，具体的线路控制部分均被封存在实验台内部，而与实际工业的应用环境相差甚远，学生难以接触到工业上的操作情况，在面对实际的工业现场时难以快速适应，还有待改进的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层级立体化控制系统实验平台，更接近实际工业应用环境，对学生适应智能制造工业现场的能力得到了大大的提高。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种多层级立体化控制系统实验平台，包括有
将多个工业控制实验装置子系统的可编程序控制器与所有工控机连接至同一网段的管理级；
由各子系统的可编程序控制器构成的各控制子网的控制级；
包括有各子系统的运动控制系统、人机交互系统、网络控制系统以及进行调试及网络切换的实验台的现场级。
作为优选，管理级采用ETHERNET通信协议和/或工业级无线AP进行IEEE 802.11n协议进行通信。
作为优选，所述子系统包括有西门子子系统和贝加莱子系统。
采用上述方案，采用控制领域典型的两种控制设备，能够让学生在学校实习期间即可接触到智能制造主流的控制系统和控制构架，学习效果及学生的整体实际操作理解及能力也会更高的提高。
作为优选，所述西门子子系统的可编程序控制器通过PROFINET现场总线构成对应控制子网，且通过工业级交换机将所有可编程序控制器呈一个连续的环网结构连接，构成PROFINET环网冗余。
采用上述方案，环网结构在网络连接出现中断的时候能够及时的启用其他健全的通信链路，使得网络通信正常进行，大大提高网络通信的可靠性。
作为优选，所述贝加莱子系统的可编程序控制器通过CAN和POWERLINK现场总线构成控制子网，且CAN和POWERLINK两种现场总线并行共存。
作为优选，现场级的实验台安装有仿真工业现场输入输出设备的I/O调试板卡、进行多种网络切换的切换接口。
采用上述方案，实验台的调试板卡和切换接口，能够供学生直接动手操作，能够更加高效的让学生体验学习，尽可能复现工业现场环境。
作为优选，所述实验平台为半开放式供电系统，包括有封闭的高压部分及开放的低压部分。
采用上述方案，能够保证学生用电的安全，同时也能够让学生了解到设备供电的电路和走线，学习效果更佳。
一种多层级立体化控制系统实验平台搭建方法，具体为：
通过交换机将所有工控机及各子系统的可编程序控制器连接至同一个网段；
将各可编程序控制器通过对应的现场总线构成各控制子网；
通过实验台的切换接口选取所需的通信协议接口耦接于所需的控制子网；
通过实验台的I/O调试板卡模拟工业现场输入输出设备与所需控制子网的可编辑控制器电连接，进行控制及信号的输入输出。
作为优选，多种通信协议之间通过协议转换机制进行相互之间通信，具体步骤如下：
协议包分析：构建对象字典，将多种通信协议的特征信息放入字典中，当有站点需要发送数据时，进行协议包的分析，通过对象字典匹配出发送站和目的站的协议类型；
数据分包：将协议包按照发送站的协议类型拆解出实际数据；
数据封包和发送：将数据按照目的站的协议类型进行封包，，并将封包好的数据在介质中进行传输发送。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
通过构建多层次立体化的控制系统实验平台，将不同品牌的控制设备连接在一个网段，实现了多种通信协议并存并能进行相互切换的通信方式，同时通过I/O调试板卡的、半开放式电源系统以及多网络切换接口的设计使得实验台更接近实际工业应用环境，对学生适应智能制造工业现场的能力得到了大大的提高。
附图说明
图1为多层级立体化控制系统实验平台结构图；
图2为贝加莱子系统双网并行结构图；
图3为协议转换机制流程图；
图4为西门子子系统环网结构图；
图5为I/O调试板卡原理图；
图6为网络切换接口结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例公开的一种多层级立体化控制系统实验平台，如图1所示，将平台从上到下共分为三个层级：管理级、控制级、现场级。
现场级中，包括西门子子系统和贝加莱子系统，西门子子系统包含由伺服控制器、伺服电机组成的运动控制系统、触摸屏HMI人机交互系统以及远程I/O和工业级交换机构成的网络控制系统。贝加莱子系统包含由伺服控制器、伺服电机、变频器、交流电机组成的运动控制系统、触摸屏HMI人机交互系统。还包括有现场设备，实验台。
控制级中，包括西门子可编程序控制器和贝加莱可编程序控制器，西门子可编程序控制器通过PROFINET现场总线构成西门子子系统的控制子网；贝加莱可编程序控制器通过CAN和POWERLINK现场总线构成贝加莱子系统的控制子网，CAN和POWERLINK这两种现场总线为并行共存状态，如图2所示，两者可根据现场设备对通信速率及通信格式等要求独立使用，也可交叉混合使用。
管理级中，主要为商业级交换机，通过该设备将所有工控机、西门子可编程序控制器、贝加莱可编程序控制器连接到一个网段，采用ETHERNET通信协议进行通信，它们还可以通过工业级无线AP进行IEEE 802.11n协议的通信。
与传统实验台相比，搭建了多品牌多通信协议的立体化多层级实验平台，使学生能够在一个平台上学习到多种设备和协议的使用。
本平台共涉及到五种现场总线，包括ETHERNET、PROFINET、CAN、POWERLINK、IEEE802.11n。通过如下协议转换机制，实现相互之间的通信。如图3所示，具体步骤包括：协议包的分析，数据的分包，数据的封包和发送。在协议包的分析中，构建对象字典，将涉及到五种协议的特征信息都放入字典中，包括起始标志、结束标志、发送地址、目的地址、数据、状态和校验方式等。当有站点要发送数据时，首先进行协议包的分析，通过对象字典，匹配出发送站和目的站的协议类型，然后进行数据的分包，将协议包按照发送站的协议类型拆解出实际数据，其次将数据按照目的站的协议类型进行封包，最后，将封包好的数据在介质中进行传输。
如图4所示，在西门子子系统中，利用工业级交换机，将所有西门子可编程序控制器用一个连续的环连接在一起，构成PROFINET环网冗余。在网络出现线缆连接中断的情况时，激活后备端口，启用另外一条健全的通信链路，使网络通信恢复正常运行，可以大大提高网络通信的可靠性。
工业现场输入输出设备通常包括以下几类：(1)开关按钮，接近开关等，(2)指示灯，(3)传感器，(4)仪表。这些设备对应为可编程序控制器的数字量输入输出信号、模拟量输入输出信号。为能安全操作且更加接近工业现场，在实验台上安装有模仿工业现场输入输出设备的I/O调试板卡，I/O调试板卡采用拨动开关来替代开关按钮或接近开关，实现数字量输入的功能，采用LED指示灯来替代指示灯，实现数字量输出的功能，采用可调变阻器来替代传感器，实现模拟量输入的功能，采用LED显示屏来替代各类仪表，以实现模拟量输出的功能。I/O调试板卡与可编程序控制器之间采用电缆连接，I/O调试板卡安装在实验台的桌面上，这种的方式不但能够方便学生调试，也尽可能复现了工业现场环境。与可编程序控制器的接口设计为统一标准，可以与任何品牌的控制器进行直接连接。其原理图见附图5。
本平台采用封闭与开放相结合的安装方式。将电源进线等高压部分完全封闭，防止学生触碰，将低压部分完全开放，包括设备本体及相应走线，实现半开放的供电。这种设计既能够保证用电安全，又能够让学生了解设备供电的基本电路及走线。
因涉及到五种网络通信协议，为方便地进行不同协议的切换，设计了多种网络切换接口模块，如图6所示。该模块共有四个接口，第一个与PROFINET交换机相连，第二个与POWERLINK交换机相连，第三个与ETHERNET交换机相连，第四个与本地工控机相连。当需要使用某个网络时，将设备与相应接口相连，比如当西门子的设备需要通过PROFINET总线进行通信时，将第一个接口与西门子可编程序控制器进行连接。
传统实验台电源供电与硬件接线的开放性不足，I/O调试板卡、半开放式电源系统以及多网络切换接口，大大提高了实验台的接线开放性。针对采用了半开放式电源供电系统结构和更接近工业现场的I/O调试板卡，可以大大提高实验平台的开放性。
根据设备的使用范围，将设备进行层级分类，分为现场设备、控制设备与管理设备，
现场设备主要负责完成现场信号的输入输出，根据给定的工作程序进行数据处理、控制输出，并且将处理结果进行输出。
控制设备完成现场级检测、控制、保护功能的管理功能。
管理设备完成定期打印生产情况报表备档，接收、存储从控制设备送来的各种实时数据、历史数据。
根据一个或多个实施例，公开了一种多层级立体化控制系统实验平台搭建方法，具体步骤为：
通过交换机将所有工控机及各子系统的可编程控制器至同一个网段；采用ETHERNET通信协议进行通信，或者通过工业级无线AP进行IEEE 802.11n协议的通信。
将各可编程序控制器通过对应的现场总线构成各控制子网；
通过实验台的切换接口选取所需的通信协议接口耦接于所需的控制子网；
通过实验台的I/O调试板卡模拟工业现场输入输出设备与所需控制子网的可编辑控制器电连接，进行控制及信号的输入输出。
本具体实施方案仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.一种多层级立体化控制系统实验平台，其特征是：包括有
将多个工业控制实验装置子系统的可编程序控制器与所有工控机连接至同一网段的管理级；
由各子系统的可编程序控制器构成的各控制子网的控制级；
包括有各子系统的运动控制系统、人机交互系统、网络控制系统以及进行调试及网络切换的实验台的现场级。
2.根据权利要求1所述的多层级立体化控制系统实验平台，其特征是：管理级采用ETHERNET通信协议和/或工业级无线AP进行IEEE802.11n协议进行通信。
3.根据权利要求2所述的多层级立体化控制系统实验平台，其特征是：所述子系统包括有西门子子系统和贝加莱子系统。
4.根据权利要求3所述的多层级立体化控制系统实验平台，其特征是：所述西门子子系统的可编程序控制器通过PROFINET现场总线构成对应控制子网，且通过工业级交换机将所有可编程序控制器呈一个连续的环网结构连接，构成PROFINET环网冗余。
5.根据权利要求3所述的多层级立体化控制系统实验平台，其特征是：所述贝加莱子系统的可编程序控制器通过CAN和POWERLINK现场总线构成控制子网，且CAN和POWERLINK两种现场总线并行共存。
6.根据权利要求5所述的多层级立体化控制系统实验平台，其特征是：现场级的实验台安装有仿真工业现场输入输出设备的I/O调试板卡、进行多种网络切换的切换接口。
7.根据权利要求1至6任一项所述的多层级立体化控制系统实验平台，其特征是：所述实验平台为半开放式供电系统，包括有封闭的高压部分及开放的低压部分。
8.一种多层级立体化控制系统实验平台搭建方法，其特征是，具体为：
通过交换机将所有工控机及各子系统的可编程序控制器连接至同一个网段；
将各可编程序控制器通过对应的现场总线构成各控制子网；
通过实验台的切换接口选取所需的通信协议接口耦接于所需的控制子网；
通过实验台的I/O调试板卡模拟工业现场输入输出设备与所需控制子网的可编辑控制器电连接，进行控制及信号的输入输出。
9.根据权利要求8所述的多层级立体化控制系统实验平台搭建方法，其特征是：多种通信协议之间通过协议转换机制进行相互之间通信，具体步骤如下：
协议包分析：构建对象字典，将多种通信协议的特征信息放入字典中，当有站点需要发送数据时，进行协议包的分析，通过对象字典匹配出发送站和目的站的协议类型；
数据分包：将协议包按照发送站的协议类型拆解出实际数据；
数据封包和发送：将数据按照目的站的协议类型进行封包，，并将封包好的数据在介质中进行传输发送。
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