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摘 要：借助广西大學行健文理学院控制工程实验室中的过程控制实验装置，设计过程控制实验远程控制平台的网络系统。通过搭建一个这样的网络系统，能够实现通过网络对过程控制实验设备的“读”、“写”功能。让学生了解工业组网，融合通信和网络控制技术等知识，向学生展示网络发展的新成果及工业网络控制系统的灵活性与多样性。
关键词：过程控制；远程控制；网络结构
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）29-0045-02
1 引 言
为开阔学生视野，让学生掌握网络控制的相关技术，借助广西大学行健文理学院控制工程实验室中的过程控制实验装置，构建一个基于工业网络化的过程控制综合实验教学平台。在该实验平台上集成自动化领域的检测、数据采集、控制、网络等相关技术。通过这个平台，让学生了解工业组网，融合通信和网络控制技术等知识，向学生展示网络发展的新成果及工业网络控制系统的灵活性与多样性。
2 过程控制实验远程控制平台研究现状
远程控制是指通过互联网（局域网或广域网）传输控制信息，在任意时间内对异地的机器设备（如变频器、观测仪等）进行控制[2]。按控制方式远程控制分为手动远程控制和自动远程控制两类；按系统构架可分为客户端/服务器和浏览器/服务器两种模式。
目前，国内外有不少基于远程控制实验的研究和应用，被控对象主要包括机器人系统、过程控制实验装置和其他控制系统等。有的高校开发了在自动化和机器人工程领域的远程实验室，通过网络，工学专业的学生可以在实验室的机械臂教学平台上进行仿真试验，通过试验机器人的路径跟踪证明他们的理论结构。还有高校开放了基于网页的双容水箱控制系统，通过网络可以在该系统上进行PID控制，模糊控制等实验。也有高校针对倒立摆设计了一个远程控制实验系统，主要为校内学生提供远程实验。
3 过程控制综合实验平台总体介绍
以实验室的软硬件设备和实验装置作为平台，构建一个基于工业网络化的自动化专业综合实验教学平台。通过以太网把过程控制的多套实验装置接入实验室内的局域网中，并通过一台服务器对实验设备进行数据采集和控制。局域网内的其他PC机可通过该服务器对实验设备进行监控。通过搭建这样一个集远程控制、监测、管理为一体的实验平台，不仅可以实现网络化远程控制与监控管理，还将能够向学生展示工业控制系统发展的新成果和网络控制系统的多样性和灵活性。
4 过程控制综合实验平台的硬件结构
（1）SMPT-1000设备是一套集多种实验功能于一体的半实物仿真实验装置，其“现场工况”为全数字仿真与实物外观模拟相结合的工业锅炉或加热炉流程系统，控制系统平台则采用工程实际应用的DCS系统。该装置模拟锅炉和蒸发器组成的水汽热能全流程，可拆分成非线性储罐与离心泵单元、动力除氧单元、高阶换热单元、加热炉单元、锅炉单元、蒸发器单元，提供由简到难的各个层次的过程控制被控对象。可由内部控制器控制，也可通过西门子S7-400 PLC作为控制器对各个单元进行控制。该实验设备网络框架如图1所示。
（2）M801 MPS模块化生产制造实训装置由供料传输单元、机械手单元、加工单元、旋转缸搬运单元、传输检测单元、搬运单元、装配单元、立体库单元组成，模拟实际工业生产现场。实训装置的每个单元均由西门子S7-200控制，通过Profibus-DP总线可实现“单机/联机”运行。上层由一台S7-300作为Profibus-DP主站，在联机模式时负责汇总各个从站的传感器数据并协调各个从站S7-200控制执行器动作。该装置的单元可以进行组合，具有较好的柔性，是学习控制、编程、装配和调试技术的实践平台。该实验设备网络框架如图2所示。
5 完成过程控制综合实验平台的网络构建
5.1 实验设备与监控平台的组网
为构建基于工业网络化的自动化专业综合实验教学平台，首先要完成实验室设备接入局域网。即通过以太网把实验室内过程控制实验装置和运动控制实验装置接入实验室内的局域网。这部分已经通过网线进行安装配置。
5.2 确定过程控制综合实验平台网络结构
因SMPT-1000实验设备由仿真模拟实物实验平台及西门子S7-400PLC组成，两者之间通过Profibus总线相连。用于对PLC进行编程的PC机通过PLC的Profinet总线与PLC相连进行控制，根据这个情况，可直接把该Profinet总线通过交换机引出接入实验室内的局域网中。
模块化生产制造实训装置中的S7-300作为Profibus-DP主站，通过Profibus控制从站的S7-200。用于编程的PC机通过USB转PPI通信电缆对以上PLC进行编程。经过分析，S7-300同样支持Profinet总线协议，且PLC自身已含有Profinet总线的RJ45以太网接口，可直接插入网线接入局域网中。
通过以上对实验室主要实验设备结构的分析，对它们进行组网主要的途径是通过实验设备的上层PLC（S7-400、S7-300）。由于各种设备对于网络的要求不同，所以必须对网络进行分层，常见的工业网络结构主要分为4层，并确定每一层的网络。即将实验室设备分为以下四层，如图3所示。
6 小 结
两种实验设备的上层PLC接入到局域网中，把从实验设备上各个IO点采集的数据通过网络共享，供其他局域网内PC或工控机查看，同时也接收PC或工控机发送的IO点写入数据，并把这些数据写入到实际的实验设备IO点上，实现通过网络对实验设备的“读”、“写”功能。实现了过程控制综合实验平台的网络结构的搭建，实现了集远程控制、监测、管理为一体。通过该平台，不仅可以实现网络化远程控制与监控管理，还将能够向学生展示工业控制中网络控制系统的多样性与灵活性。
参考文献
[1]熊瑞平，殷国富.网络控制环境下的远程控制系统研究.计算机集成制造系统，2006，12（11）：1848～1852.
[2]陆长胜.基于现场总线的工业控制系统（网络）实时性研究武汉大学[D].2005.
[3]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2008.
[4]邹红美，唐红儒.基于Internet的远程过程控制实验系统设计扬州大学报（自然科学版）2009，12（3）.
[5]邵裕森.过程控制及仪表[M].上海：上海交通大学出版社，1995，1.
[6]程 线.现场总线控制系统及其应用凉山大学学报2002，4.
[7]王华忠，程 华，姚 俊.基于Internet的过程控制远程实验系统开发[J].实验室研究与探索，2009，28（7）：72～74.
[8]C C Ko，Ben M Chen，Jianping Chen，et al.Development of a web-based laboratroy for control experiments on a coupled tank apparatus[J].IEEE Transaction on Educationg，2001，44（1）：76～86.
收稿日期：2018-9-3
作者简介：胡宁峪（1987-），女，实验师，研究生，主要从事控制工程方向的实验教学工作。
彭宇宁，女，教授，硕导，从事过程控制、计算机监控技术及应用、虚拟仪器技术、检测技术与自动控制系统教学工作。
关键词：过程控制；远程控制；网络结构
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）29-0045-02
1 引 言
为开阔学生视野，让学生掌握网络控制的相关技术，借助广西大学行健文理学院控制工程实验室中的过程控制实验装置，构建一个基于工业网络化的过程控制综合实验教学平台。在该实验平台上集成自动化领域的检测、数据采集、控制、网络等相关技术。通过这个平台，让学生了解工业组网，融合通信和网络控制技术等知识，向学生展示网络发展的新成果及工业网络控制系统的灵活性与多样性。
2 过程控制实验远程控制平台研究现状
远程控制是指通过互联网（局域网或广域网）传输控制信息，在任意时间内对异地的机器设备（如变频器、观测仪等）进行控制[2]。按控制方式远程控制分为手动远程控制和自动远程控制两类；按系统构架可分为客户端/服务器和浏览器/服务器两种模式。
目前，国内外有不少基于远程控制实验的研究和应用，被控对象主要包括机器人系统、过程控制实验装置和其他控制系统等。有的高校开发了在自动化和机器人工程领域的远程实验室，通过网络，工学专业的学生可以在实验室的机械臂教学平台上进行仿真试验，通过试验机器人的路径跟踪证明他们的理论结构。还有高校开放了基于网页的双容水箱控制系统，通过网络可以在该系统上进行PID控制，模糊控制等实验。也有高校针对倒立摆设计了一个远程控制实验系统，主要为校内学生提供远程实验。
3 过程控制综合实验平台总体介绍
以实验室的软硬件设备和实验装置作为平台，构建一个基于工业网络化的自动化专业综合实验教学平台。通过以太网把过程控制的多套实验装置接入实验室内的局域网中，并通过一台服务器对实验设备进行数据采集和控制。局域网内的其他PC机可通过该服务器对实验设备进行监控。通过搭建这样一个集远程控制、监测、管理为一体的实验平台，不仅可以实现网络化远程控制与监控管理，还将能够向学生展示工业控制系统发展的新成果和网络控制系统的多样性和灵活性。
4 过程控制综合实验平台的硬件结构
（1）SMPT-1000设备是一套集多种实验功能于一体的半实物仿真实验装置，其“现场工况”为全数字仿真与实物外观模拟相结合的工业锅炉或加热炉流程系统，控制系统平台则采用工程实际应用的DCS系统。该装置模拟锅炉和蒸发器组成的水汽热能全流程，可拆分成非线性储罐与离心泵单元、动力除氧单元、高阶换热单元、加热炉单元、锅炉单元、蒸发器单元，提供由简到难的各个层次的过程控制被控对象。可由内部控制器控制，也可通过西门子S7-400 PLC作为控制器对各个单元进行控制。该实验设备网络框架如图1所示。
（2）M801 MPS模块化生产制造实训装置由供料传输单元、机械手单元、加工单元、旋转缸搬运单元、传输检测单元、搬运单元、装配单元、立体库单元组成，模拟实际工业生产现场。实训装置的每个单元均由西门子S7-200控制，通过Profibus-DP总线可实现“单机/联机”运行。上层由一台S7-300作为Profibus-DP主站，在联机模式时负责汇总各个从站的传感器数据并协调各个从站S7-200控制执行器动作。该装置的单元可以进行组合，具有较好的柔性，是学习控制、编程、装配和调试技术的实践平台。该实验设备网络框架如图2所示。
5 完成过程控制综合实验平台的网络构建
5.1 实验设备与监控平台的组网
为构建基于工业网络化的自动化专业综合实验教学平台，首先要完成实验室设备接入局域网。即通过以太网把实验室内过程控制实验装置和运动控制实验装置接入实验室内的局域网。这部分已经通过网线进行安装配置。
5.2 确定过程控制综合实验平台网络结构
因SMPT-1000实验设备由仿真模拟实物实验平台及西门子S7-400PLC组成，两者之间通过Profibus总线相连。用于对PLC进行编程的PC机通过PLC的Profinet总线与PLC相连进行控制，根据这个情况，可直接把该Profinet总线通过交换机引出接入实验室内的局域网中。
模块化生产制造实训装置中的S7-300作为Profibus-DP主站，通过Profibus控制从站的S7-200。用于编程的PC机通过USB转PPI通信电缆对以上PLC进行编程。经过分析，S7-300同样支持Profinet总线协议，且PLC自身已含有Profinet总线的RJ45以太网接口，可直接插入网线接入局域网中。
通过以上对实验室主要实验设备结构的分析，对它们进行组网主要的途径是通过实验设备的上层PLC（S7-400、S7-300）。由于各种设备对于网络的要求不同，所以必须对网络进行分层，常见的工业网络结构主要分为4层，并确定每一层的网络。即将实验室设备分为以下四层，如图3所示。
6 小 结
两种实验设备的上层PLC接入到局域网中，把从实验设备上各个IO点采集的数据通过网络共享，供其他局域网内PC或工控机查看，同时也接收PC或工控机发送的IO点写入数据，并把这些数据写入到实际的实验设备IO点上，实现通过网络对实验设备的“读”、“写”功能。实现了过程控制综合实验平台的网络结构的搭建，实现了集远程控制、监测、管理为一体。通过该平台，不仅可以实现网络化远程控制与监控管理，还将能够向学生展示工业控制中网络控制系统的多样性与灵活性。
参考文献
[1]熊瑞平，殷国富.网络控制环境下的远程控制系统研究.计算机集成制造系统，2006，12（11）：1848～1852.
[2]陆长胜.基于现场总线的工业控制系统（网络）实时性研究武汉大学[D].2005.
[3]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2008.
[4]邹红美，唐红儒.基于Internet的远程过程控制实验系统设计扬州大学报（自然科学版）2009，12（3）.
[5]邵裕森.过程控制及仪表[M].上海：上海交通大学出版社，1995，1.
[6]程 线.现场总线控制系统及其应用凉山大学学报2002，4.
[7]王华忠，程 华，姚 俊.基于Internet的过程控制远程实验系统开发[J].实验室研究与探索，2009，28（7）：72～74.
[8]C C Ko，Ben M Chen，Jianping Chen，et al.Development of a web-based laboratroy for control experiments on a coupled tank apparatus[J].IEEE Transaction on Educationg，2001，44（1）：76～86.
收稿日期：2018-9-3
作者简介：胡宁峪（1987-），女，实验师，研究生，主要从事控制工程方向的实验教学工作。
彭宇宁，女，教授，硕导，从事过程控制、计算机监控技术及应用、虚拟仪器技术、检测技术与自动控制系统教学工作。