CN215416307U - 基于工作过程系统化的现场总线实训平台 - Google Patents

Abstract

本新型涉及物理实验仪器技术领域，特别是一种基于工作过程系统化的现场总线实训平台，包括主体机架、感知层模块、网络层模块和应用层模块；所述主体机架由上下两部分构成，下部分为上开门柜子，上部分桌面，上半部从左到右分别为感知层模块、网络层模块和应用层模块，其中上半部的最左边为接线端子，将感知层模块的设备输入输出信号与外部的被控对象连接，主体机架供电为五相插头，为感知层模块、网络层模块和应用层模块，以及电机供电。与传统的工业网络实训设备相比，增加了应用层，可设计与工业网络系统人机界面、服务器端相关的实训项目。

Description

基于工作过程系统化的现场总线实训平台

技术领域

本新型涉及物理实验仪器技术领域，特别是一种基于工作过程系统化的现场总线实训平台。

背景技术

《工业控制网络》是自动化专业的一门重要课程，对于应用型本科的学生，特别需要强调动手能力。而实验实训平台能够帮助学生在掌握理论知识的基础上，锻炼动手能力，增强分析问题、解决问题的能力。然而考查现有市面上的实验实训设备，绝大部分还是基于传统的学科体系理念构造，具备缺点如下：1、实验实训设备的设计并未考虑与相关工作岗位之间的联系；2、实验实训设备侧重于理论、原理的验证，缺乏对相关工作岗位的技能培养；3、实验实训设备的功能过于单一，无法灵活设置难易程度不同的实验实训项目，以提高学生的知识迁移能力；更无法培养与本门课程相关的工作岗位的技能；并且一旦授课内容发生变化，实验实训设备存在无法进行相应实验实训内容更新的风险；4、实验实训设备与现今企业的技术主流趋势存在一定的距离。现今企业的工业网络，不单单覆盖了位于现场的感知层，并且延伸到了网络层和应用层，而现有的实验实训设备主要还是以位于感知层的现场总线为主。

实用新型内容

本新型为了有效的解决上述背景技术中的问题，提出了一种基于工作过程系统化的现场总线实训平台，具体技术方案如下：

一种基于工作过程系统化的现场总线实训平台，其特征在于，包括主体机架、感知层模块、网络层模块和应用层模块；所述主体机架由上下两部分构成，下部分为上开门柜子，上部分桌面，上半部从左到右分别为感知层模块、网络层模块和应用层模块，其中上半部的最左边为接线端子，将感知层模块的设备输入输出信号与外部的被控对象连接，主体机架供电为五相插头，为感知层模块、网络层模块和应用层模块，以及电机供电；

所述感知层模块的前面板由网孔板组成，在前面板任意位置安装设备，包括S7-300/400PLC、KTP1000 DP/PN触摸屏、ET200M远程I/O和MM440/SINAMICS 变频器；

所述网络层模块的前面板由网孔板组成，在前面板任意位置安装设备，包括工业交换机和协议转换设备；

应用层模块的前面板由金属板组成，其中服务器的机箱嵌入前面板，仅留出机箱的接口部分；工业APP的PAD采取外置挂在前面板的形式，服务器和PAD 都可通过RJ-45接口连接至工业交换机；若工业交换机有连接无线WIFI路由器，则服务器和PAD通过无线形式进行通讯。

优选地，电源模块设置上部分的后侧，包括空气开关、电源、24V继电器、 380V继电器和插座。

优选地，在主体机架的中间设有桌面，桌面左侧放置一个带金属网罩的电机，右侧放置应用层模块的显示器。

与现有技术相比，本新型的有为益效果是：基于工作过程系统化范式进行实训平台设计，将学生的能力培养与实际工作岗位紧密结合起来，增强学生的就业竞争力。基于模块化设计理念的实训平台，可根据不同的项目需求灵活构建不同的组合，从而进行难易程度不同的学习情境设计，提高了学生的知识迁移能力；同时基于模块化的设计，降低对实训平台的升级改造的难度和成本。

本专利具有的优点和积极效果是：

1、与实际工作岗位联系紧密，提高了学生的就业竞争力。

2、基于模块化设计，可根据需求灵活构建出难易程度不同的工业网络，从而实现难易程度不同的学习情境设计，提高了学生的知识迁移能力。

3、基于模块化设计，降低了实训平台升级改造的难度和成本。

4、均采用市面占有率高的设备，提高了学生的就业竞争力。

5、三层网络架构，贴近目前业界技术的最前沿，提高了学生的就业竞争力。

6、与传统的工业网络实训设备相比，增加了网络层，可设计与工业网络协议转换有关的实训项目。

7、与传统的工业网络实训设备相比，增加了应用层，可设计与工业网络系统人机界面、服务器端相关的实训项目。

附图说明

图1为本实用新型的整体示意图；

图2为本实用新型的背面示意图；

图3为本实用新型中课程开发流程图；

图4为本本实用新型中基于工业交换机的网络结构图(不带应用层模块)；

图5为本本实用新型中基于工业交换机的网络结构图(带应用层模块)；

图6为本实用新型中基于工业交换机和协议转换设备的网络结构图(不带应用层模块)；

图7为本实用新型中基于工业交换机和协议转换设备的网络结构图(带应用层模块)。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本新型的具体实施方式。如图1-图2 所示，一种基于工作过程系统化的现场总线实训平台，硬件部分主体机架、感知层模块、网络层模块和应用层模块。

(1)主体机架采用金属材质，外涂绝缘漆，由上下两部分组成。下半部为双开的柜子，内部可放置通讯线缆等相关耗材；桌面左侧放置一个带金属网罩的电机4(由变频器控制)，右侧放置应用层模块的显示器；上半部从左到右分别为支撑感知层模块、网络层模块和应用层模块的主体结构，其中上半部的最左边为接线端子12，可方便将感知层模块的设备输入输出信号与外部的被控对象连接，提高了扩展性。主体机架供电为五相插头，可为感知层模块、网络层模块和应用层模块，以及电机供电。

(2)感知层模块的前面板由网孔板组成，可在前面板任意位置安装设备，包括但不局限于：S7-300/400PLC 1、KTP1000 DP/PN触摸屏5、ET200M远程 I/O 2、MM440/SINAMICS变频器3和PROFINET通讯模块6，在前面板的背部可根据所采用的PLC型号安装不同的供电单元，如S7-300 PLC则采用西门子300 系列SITOP供电单元，可将380V交流转换为24V直流，通过接入空开，具有短路保护功能。可根据不同的实训项目，在前面板安装不同的设备并进行接线。感知层模块可根据特定的实训项目需求，灵活构建不同的工业网络，主要包括：

单个S7-300/400PLC与分布式I/OET200M的PROFIBUS通讯实训项目， S7-300/400PLC作为主站，ET200M作为从站，S7-300/400PLC通过PROFIBUS 读取ET200M上的16个开关的状态，并根据各个开关的状态分别去设置PLC上 LED灯的亮灭。

单个S7-300/400PLC、分布式I/OET200M与变频器MM440/SINAMICS的通讯实训项目，S7-300/400PLC作为主站，分布式I/O和变频器作为从站。分布式I/O作为控制变频器启停、正反转和调速，以及其他高级功能的控制端。

两个S7-300/400PLC、分布式I/OET200M之间的通讯实训项目，其中一个 S7-300/400PLC作为主站，另一个S7-300/400PLC和分布式I/O作为从站。可作为验证两个S7-300/400PLC之间通讯方法的载体。ET200M上的16个开关的状态，作为控制作为从站的S7-300/400PLC的LED灯的开关。

单个S7-300/400PLC、分布式I/O ET200M与触摸屏KTP1000 DP的通讯实训项目，S7-300/400PLC作为主站，触摸屏KTP1000 DP作为二类主站，分布式 I/O作为从站。在触摸屏上可显示分布式I/O上16个开关的状态。

单个带PROFINET通讯模块的S7-300/400PLC、分布式I/O ET200M、触摸屏KTP1000PN和工业交换机的PROFINET通讯实训项目，通过PROFINET通讯，在触摸屏上可显示分布式I/O上16个开关的状态。

单个带PROFINET通讯模块的S7-300/400PLC、变频器MM440/SINAMICS、触摸屏KTP1000 PN和工业交换机的PROFINET通讯实训项目，通过PROFINET通讯，在触摸屏上可控制变频器的启停、正反转和调速，以及其他高级功能。

网络层模块可根据特定的实训项目需求，灵活构建不同的工业网络，主要包括：

单个工业交换机，可实现感知层的工业以太网(如PROFINET等)设备之间的通讯；也可实现将感知层设备的信息传送至服务器端。

单个工业交换机和其他协议转换器，可实现感知层的不同设备之间的协议转换，也可实现将感知层设备的信息传送至服务器端。

三个模块之间相互独立，根据实际的实训需求，可单独采用一个感知层模块，也可采用感知层模块和网络层模块，也可采用感知层模块、网络层模块和应用层模块。

基于该实训设备，可以完成三个工作岗位的相关技能实训：应用工程师、测试工程师和现场工程师。

(3)网络层模块的前面板由网孔板组成，可在前面板任意位置安装设备，包括但不局限于：工业交换机7、协议转换设备8。可根据不同的实训项目，在前面板安装不同的设备并进行接线。若感知层所组成的网络为主从结构，主设备的通讯接口为RJ-45则直接连接至工业交换机，否则先连接至协议转换设备，再由协议转换设备的RJ-45接口连接至工业交换机。

(4)应用层模块的前面板由金属板组成，其中服务器10的机箱嵌入前面板，仅留出机箱的接口部分，服务器显示屏11设置在桌面最右侧；工业APP的 PAD 9采取外置挂在前面板的形式。服务器和PAD都可通过RJ-45接口连接至工业交换机；若工业交换机有连接无线WIFI路由器，则服务器和PAD也可通过无线形式进行通讯。

一种基于工作过程系统化的现场总线实训平台整体如图1所示，背面图如图2所示。电源模块15设置上部分的后侧，包括空气开关13、插座14、电源 15、380V继电器16、和24V继电器17。

实训课程设计方式基于工作过程系统化课程开发范式，如图3所示。

基于工作过程系统化的课程开发流程为：首先，以本门课程的大纲为基础，通过市场调研和走访企业确定工作岗位；其次，针对工作岗位调研其真实工作过程；然后，将真实工作过程归纳总结为典型工作过程(学习场)；最后，针对每个典型工作过程，由易到难设置三个学习情境，提高学生的知识迁移能力；每个学习情境采用“资讯-计划-决策-实施-检查-评价”六步教学法。

针对本门课程进行工作岗位分析，确定相关工作岗位为应用工程师、现场工程师和测试工程师。针对各个工作岗位调研其真实工作过程；然后，将真实工作过程归纳总结为典型工作过程(学习场)，针对每个典型工作过程，由易到难设置三个学习情境，每个学习情境采用“资讯-计划-决策-实施-检查-评价”六步教学法。

其中，应用工程师的典型工作过程为：需求分析->网络结构图设计->流程图绘制->硬件组态->触摸屏界面设计->梯形图编程->在线调试。

现场工程师的典型工作过程为：阅读网络结构图->系统接线->终端电阻设置->网络地址设置->程序下载。

测试工程师的典型工作过程为：功能测试文档编制->功能测试->测试结果记录->故障诊断与修复。

按照项目开发流程设计实训案例，学生根据职业兴趣测试进行分岗分组，在项目中分工合作，进行各自的能力培养，其中应用工程师主要为网络系统设计和实现的能力、现场工程师主要为系统安装的能力、测试工程师主要为系统测试、故障诊断和修复的能力。

根据实际项目需求，选择实训设备的模块构建工业网络系统，可以有三种组合方式：

单独一个感知层模块

感知层模块和网络层模块

感知层模块、网络层模块和应用层模块

感知层中的设备可以根据项目实际需求进行任意组合，包含但不局限于以下组合：

一个PLC主站(S7-300/400PLC)和一个从站(ET200M)

两个PLC主站(S7-300/400PLC)和一个从站(ET200M)

一个PLC主站(S7-300/400PLC)和两个不同类型的从站(ET200M、MM440)

一个PLC主站(S7-300/400PLC)、两个不同类型的从站(ET200M、MM440) 和一个二类主站(KTP1000 DP、KTP1000 PN)

网络层中的设备可以根据项目实际需求进行任意组合，包含但不局限于以下组合：

工业交换机，适用于从感知层出来的信号为工业以太网协议或以太网协议，采用RJ-45接头，可直接连接到工业交换机。此时可不连接应用层相关设备，基于工业交换机构建工业网络，如图4所示。也可连接到应用层，由应用层对感知层的进行信息采集和控制，如图5所示。

工业交换机和协议转换设备，适用于从感知层出来的信号为非工业以太网协议或以太网协议，采用非RJ-45接头(比如RS-485接头)，此时需要连接到协议转换设备，统一转换成采用RJ-45接头的工业以太网协议或以太网协议。此时可不连接应用层相关设备，基于工业交换机构建工业网络，如图6所示。也可连接到应用层，由应用层对感知层的进行信息采集和控制，如图7所示。

若选用应用层模块，则服务器和客户端缺一不可。服务器和客户端采用专用平台进行开发，包括客户端界面及程序、服务器端程序，可实现对感知层的信息采集和控制。

可根据不同的感知层、网络层和应用层组合，以及感知层、网络层中采用不同的设备组合，设计难易程度不同的学习情境，培养应用工程师、现场工程师和测试工程师相应的能力。

以上所述仅是本新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于工作过程系统化的现场总线实训平台，其特征在于，包括主体机架、感知层模块、网络层模块和应用层模块；所述主体机架由上下两部分构成，下部分为上开门柜子，上部分桌面，上半部从左到右分别为感知层模块、网络层模块和应用层模块，其中上半部的最左边为接线端子，将感知层模块的设备输入输出信号与外部的被控对象连接，主体机架供电为五相插头，为感知层模块、网络层模块和应用层模块，以及电机供电；

所述感知层模块的前面板由网孔板组成，在前面板任意位置安装设备，包括：S7-300/400PLC、KTP1000 DP/PN触摸屏、ET200M远程I/O和MM440/SINAMICS变频器；

所述网络层模块的前面板由网孔板组成，在前面板任意位置安装设备，包括工业交换机和协议转换设备；

应用层模块的前面板由金属板组成，其中服务器的机箱嵌入前面板，仅留出机箱的接口部分；工业APP的PAD采取外置挂在前面板的形式，服务器和PAD都可通过RJ-45接口连接至工业交换机；若工业交换机有连接无线WIFI路由器，则服务器和PAD通过无线形式进行通讯。

2.根据权利要求1所述的基于工作过程系统化的现场总线实训平台，其特征在于，电源模块设置上部分的后侧，包括空气开关、电源、24V继电器、380V继电器和插座。

3.根据权利要求1所述的基于工作过程系统化的现场总线实训平台，其特征在于，在主体机架的中间设有桌面，桌面左侧放置一个带金属网罩的电机，右侧放置应用层模块的显示器。

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