1 引言
項目應(yīng)用背景為實現(xiàn)職業(yè)學(xué)校的電工專業(yè)技能實訓(xùn)設(shè)備的自動化控制和管理，通過成熟的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實驗室主控柜與各分控柜之間通訊交換數(shù)據(jù)。設(shè)計時遵循設(shè)備可靠，技術(shù)先進，功能完備，應(yīng)用靈活，易于組態(tài)，易于擴展的原則。系統(tǒng)節(jié)點對象為40臺套實驗電控柜電氣控制系統(tǒng)。
2 控制系統(tǒng)構(gòu)成及功能
2.1 單柜系統(tǒng)配置(見表1)
表1配置按每個控制柜24點輸出信號配置，4個控制柜由一個plc控制輸出。因為有40個柜子，故控制系統(tǒng)配置一樣，同上配置需要10套。若控制要求有所更改，西門子的擴展性可以滿足客戶隨時調(diào)整輸入輸出和通訊的要求。
40個柜具有plc可連接的擴展模塊、程序和數(shù)據(jù)存儲空間、ppi通訊協(xié)議、mpi通訊協(xié)議、自由方式通訊能力，具有pid控制器，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)和上位機進行通訊。
(1) 為防止短路，采用固態(tài)繼電器進行和控制信號隔離，后端為20a電流；
(2) 具有各種安全保護措施(如照明燈上加裝透明有機玻璃保護，可靠接地、需更換拉手等)；
(3) 各實訓(xùn)柜通過控制臺可進行快速的無線布控故障信號，既可以單獨布控，也可以統(tǒng)一控制；可以隨機或者指定方案；
(4) 可以把結(jié)果存儲到計算機統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫并進行自動打分記錄、打印結(jié)果。
2.2 總控制臺配置(見表2)
中央計算機總控制臺和每一個分控臺通過無線以太網(wǎng)相連；可實時監(jiān)視和控制每一臺控制柜的狀態(tài)；能隨機或者指定方案，并可以在主控的計算機里對實訓(xùn)電路進行快速的無線布控；可以把結(jié)果存儲到計算機統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫并進行自動打分記錄；上位機軟件具備擴展的瀏覽器功能，即連接到internet之后，可以通過標準的瀏覽器進行瀏覽等。
2.3 分控制臺配置(見表3)
表3分控臺系統(tǒng)一共為5套，主要實現(xiàn)如下功能：
(1) 可在分控臺里對控制柜進行快速的無線布控故障信號，既可以單獨布控，也可以統(tǒng)一控制；
(2) 可以隨機或者指定方案；
(3) 可以把結(jié)果存儲到計算機統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫并進行自動打分記錄；
(4) 分控臺可以通過無線以太網(wǎng)對每一套plc進行上下載程序；
(5) 對于無線以太網(wǎng)和plc的電源供應(yīng)，采用工業(yè)專用電源模塊，直流電源電壓為24vdc，電流為4a以上；
(6) 控制中心站采用穩(wěn)定可靠的工控機作為監(jiān)控中心，并采用西門子的組態(tài)軟件wincc。
2.4 電源柜控制系統(tǒng)(見表4)
3 無線以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)控制要求，要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場的設(shè)備控制等功能，具體的系統(tǒng)流程為控制柜的信息需要通過無線的發(fā)送方式發(fā)送到中央計算機，無線通訊采用西門子的scalan -ce-w的無線以太網(wǎng)模塊scalance w 744-1，在plc端將系統(tǒng)采用以太網(wǎng)接入scalance-w，另外中央計算機可以通過以太網(wǎng)的方式將現(xiàn)場采集的信號接入scalance-w，在集中監(jiān)控中心顯示。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
(1) 采用標準的scalance w的天線功率為7dbi，平面無遮擋的可以達到300米左右，室內(nèi)覆蓋距離可達30 m～60m；
(2) 工業(yè)無線訪問點設(shè)備具有強抗干擾能力；
(3) 無線以太網(wǎng)的頻帶為2.4ghz或5ghz，速度可以達至54mbps，遠遠高于其他的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，而且采用的頻段在2.4ghz，不容易受到干擾；
(4) 固的金屬外殼，防水、防塵，防護等級；也可戶外使用，-20℃- +60℃ (防冷凝)；
(5) 現(xiàn)場所有設(shè)備的控制采用plc的控制形式，plc主要負責(zé)輸出的通斷，結(jié)合其他的控制要求，plc選用采用的是西門子公司的s7-226控制器和cp243-1以太網(wǎng)模塊和unimat高密度輸出模塊。結(jié)合實際情況，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 無線以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
信息顯示主要通過組態(tài)軟件，集中監(jiān)控的上位機采用應(yīng)用非常普遍、功能強大的西門子公司的wincc，可以完成集中控制信息。通過控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)事先將各種控制的方案存儲在計算機中，當(dāng)需要選擇測試方案時候，可以隨機或者指定方案。
3.2 plc無線系統(tǒng)配置
(1) 西門子s7-200cn系列plc，主要是由于其強大的網(wǎng)絡(luò)功能，以及在擴展和指令集比較有優(yōu)勢。在通訊上采用cp243-1 以太網(wǎng)通訊處理器，通過該處理器，可以實現(xiàn)如下功能：使用step7-mirco/win通過工業(yè)以太網(wǎng)配置和遠程編程服務(wù)(上載、下載程序，監(jiān)視狀態(tài))。通過s7-opc在計算機上處理數(shù)據(jù)。在工業(yè)無線以太網(wǎng)從技術(shù)性能以及技術(shù)內(nèi)涵來說與工業(yè)以太網(wǎng)是基本一致的，所遵從的協(xié)議也基本一樣，僅僅在物理層有些區(qū)別。以太網(wǎng)是未來系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的骨干技術(shù)，無線以太網(wǎng)是無線通訊的主要解決方案，工業(yè)無線以太網(wǎng)存在的必要性就如同工業(yè)以太網(wǎng)存在的必要性：現(xiàn)場總線優(yōu)點突出，在未來很長時間內(nèi)有很強的生命力，但工業(yè)以太網(wǎng)將成為未來趨勢已是無庸置疑；藍牙等新技術(shù)有其獨特優(yōu)勢，如果只是單點信號傳輸，數(shù)據(jù)量不大，它也是無線系統(tǒng)的有益補充，但對于一個無線網(wǎng)絡(luò)開放性和系統(tǒng)整合，工業(yè)無線以太網(wǎng)的優(yōu)勢是不可比擬的。
(2) scalance w是西門子工業(yè)無線局域網(wǎng)產(chǎn)品系列，如圖3所示。它基于無線局域網(wǎng)(wlan)技術(shù)國際標準ieee802.11，幫助用戶實現(xiàn)移動設(shè)備與固定網(wǎng)絡(luò)的通訊，也可以實現(xiàn)移動設(shè)備間的通訊，堅固、可靠、安全。它適用于各種工業(yè)環(huán)境，即使在極惡劣的情況下也能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。scalance w788-1/ wc88-2接入點模塊，用于搭建無線局域網(wǎng)，scalance w744-1客戶端模塊，用于將plc等設(shè)備接入無線局域網(wǎng)。對于多個無線以太網(wǎng)系統(tǒng)的抗干擾性能，同類型的通訊設(shè)備有可能產(chǎn)生干擾，比如在2.4ghz的情況下，無線以太網(wǎng)技術(shù)和藍牙使用的頻段是一樣的，如果藍牙的波形、信號是規(guī)則的話，在理論上藍牙有可能干擾它，但實際情況并不如此，因為信號的數(shù)據(jù)鏈路層包括識別幀、數(shù)據(jù)幀的情況都完全不一樣，通過連路程的校驗即可克服這個干擾問題，而其他頻率的干擾，比如工頻干擾或手機信號的干擾信號，因為這些信號所使用的頻率與wlan 使用的頻段相距比較遠，所以基本可以忽視這種型號的干擾因素。
圖3 scalance w無線以太網(wǎng)
4 wincc操作和監(jiān)視系統(tǒng)
wincc即bbbbbbs control center(視窗控制中心)。wincc是西門子的監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺，功能強大的全面開放便捷的人機對話接口并且使用簡單方便。
圖4 屏顯實驗電氣圖
在屏幕上將顯示學(xué)生要做實驗的電氣圖，如圖4所示，老師可以在兩個端子間給學(xué)生設(shè)置線路故障，作為考察學(xué)生檢查電路圖故障的實驗科目，當(dāng)選中其中一個或幾個線號時，線路斷路。當(dāng)學(xué)生正確接線后，此電氣圖正常顯示，若學(xué)生接線錯誤，則顯示報警，并可將結(jié)果保存以便為學(xué)生打分記錄。
wincc通過opc方式實現(xiàn)和以太網(wǎng)的通訊。在軟件上必須加裝pc access，用于做opc server。硬件上cp243-1來實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。
實現(xiàn)cpu s7-200和wincc之間交換數(shù)據(jù)步驟：在與wincc連接之前，您應(yīng)該先完成s7-200和opc server之間的通訊。用鼠標右鍵點擊tag management ；在快捷菜單中點擊add new driver 。在文件目錄中選擇opc.chn ；點擊open按鈕。鼠標右鍵點擊opc groups ；在快捷菜單中點擊system bbbbbeter 。點擊opc.simaticnet ；點擊browse server按鈕。在變量列表中選擇所需要的變量； 點擊add items按鈕。
由此將40個柜子中不同的電氣線路通斷做出不同的方案，老師直接在上位機上選擇各種方案來考察學(xué)生，減少了重復(fù)操作的麻煩。
wincc的報表提供學(xué)生的成績信息，報表可完成或根據(jù)操作員的要求隨時在打印機上輸出或以表格的形式顯示在屏幕上，顯示在屏幕上的表格主要提供給操作人員一個快速的信息。評分結(jié)果保存在短期文檔中，可以用曲線、棒圖、數(shù)字和報表等形式顯示。
5 結(jié)束語
本工業(yè)無線以太網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用在國內(nèi)教育行業(yè)的控制柜教學(xué)系統(tǒng)中還是比較超前的，系統(tǒng)的實施不僅極大的簡化了老師的工作，提高了效率，而且為實時的記錄學(xué)生的成績歸檔，為教學(xué)環(huán)節(jié)信息化提供了一個強有力的武器。在原來的控制系統(tǒng)中多采用的plc其聯(lián)網(wǎng)功能十分的有限，所以要實現(xiàn)信息化相當(dāng)困難。通過西門子的小型plc s7-200的強大聯(lián)網(wǎng)功能，采用最新的穩(wěn)定高速的工業(yè)無線以太網(wǎng)，讓我校師生享受到了極大的便利。同時，也讓廣大學(xué)生通過實際動手操作練習(xí)，加深了對西門子強大的網(wǎng)絡(luò)功能印象。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
