基于模块化的大综合PLC实验平台的研究与设计

摘  要： 提出了一种基于模块化设计的柔性大综合PLC实验平台。该实验平台以PLC为核心，融合了单片机技术、无线测控技术、多种上位监控技术、基于以太网和电话网的远程控制技术、变频以及步进电机驱动等技术，可灵活组合不同功能模块完成基础性、综合性、开放性和设计性的几十种实验，为PLC大综合实验平台的设计进行了有益的探索。
关键词： 大综合实验； PLC； 模块化设计；多模式控制
       随着科学技术的发展，可编程控制器朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化、网络化的方向发展，因此仅掌握PLC的编程是不够的，必须了解和掌握综合的PLC控制技术。对此本文提出了一种基于模块化的柔性组合多功能大综合PLC实验平台的方案，该平台融合了PLC、变频器调速控制、步进电机驱动控制、单片机控制和数据采集、现场总线、工业组态软件、通信及联网、人机接口,以及Ethernet和基于Web远程监控等技术领域，而且具有控制层、监控管理层、远程监控层三层完整的网络结构，改变了传统的单一实验模式，以学生为本，注重提高学生综合实验能力，构建个性化、多元化和开放式的教学实验，既能适应综合性课程设计、毕业设计，也可以作为课外创新实践和各种学科竞赛的训练平台，使学生综合应用所学知识,发挥想象力和创造力，在该实验平台上进行跨课程甚至跨学科的系统设计，开展工程训练，有利于现代工程师的培养[1]。
1 模块化的大综合PLC实验平台整体构架
     本综合实验平台的架构引用了科研中根据项目需求构建研究平台的思想，采用模块化设计思路和组件式架构原则，使系统可灵活重组、扩展，以满足课程的知识综合、系统设计、创新研究、自主发挥的教学需求。
     实验平台整体架构如图1所示。整个系统由多种被控对象、输入输出通道、控制器、上位监控与远程监控构成。在数据交互模式上多样化，也形成了多层次的控制网络结构。
   
       (1)底层对象:有基于变频器的调速系统、基于步进电机的运动系统、标准的TM2运动机构、温度试验箱、液位槽等现场被控对象；
     (2)控制层：以PLC为核心的多模式控制，有基于单片机的电话远程控制器、模拟系统和逻辑控制系统、有线或无线控制系统，并采用了RS485进行联网，以及基于现场总线CC-Link的控制网；
     (3)上位监控层：触摸屏完成现场的上位监控功能，基于MCGS、易控、组态王等工业组态软件实现综合的上位监控，基于LabVIEW的上位监控主要用于数据处理较多的场合，亦可用高级语言VB直接编写的上位监控界面，可展示具有独特风格的有自主知识产权的上位监控实现。
     (4)远程监控层：采用基于组态软件的Web功能实现远程监控，同时提供通过公用电话网络实现的远程监控，目前还完成了基于网际组态软件WebAccess的远程监控系统。
2 模块化的大综合PLC实验平台单元模块设计[2]
     大综合PLC实验平台由实验台和实验对象组成。实验台上下分为实验柜和实验箱，实验柜支持十个单元挂箱。按照挂箱的功能可以分为基本模块、运动对象及驱动模块、模拟量采集模块、无线控制几个典型模块，有多种挂箱可安装在试验台上，试验台还可以和标准的控制对象如机械手、温度箱、液位槽等连接。其框图如图2所示。
   
   2.1 基本模块设计
     该实验平台的基本模块包含了电源模块、可编程控制器及FGT0904触摸屏模块。电源模块提供多路24 V 0.8 A、5 V 3 A直流开关电源、多路三相220 V、380 V交流电源、交流电压和电流的监测、电源的启停控制以及指示。
     可编程控制器及FGT0904触摸屏挂件面板主要包括三菱PLC-FX2NMR、FGT0940触摸屏、FX2N-16CCL-M以及FX2N-16CCL模块。可编程控制器试验箱所有I/O口采用接插件形式通过接线端子输出，插拔方便、接触可靠、连线快捷，可以反复使用。PLC带有标准的RS-232、RS-422和RS-485串行接口，通过RS-232接口可方便与计算机通信，完成程序下载和上位监控；实验平台还设计了RS-422接口，通过它可连接一个或多个触摸屏实现现场的监控；通过RS-485接口可将多台PLC连接成网络，以实现系统自身以及与底层设备的方便组网；通过现场总线CC-Link模块FX2N-16CCL-M、FX2N-16CCL将PLC组成CC-Link网络。FGT0940触摸屏除了RS-422接口，还带有RS-232接口，用于与PC的连接传送创建的画面数据。
2.2 运动对象及驱动模块设计
     双轴直线运动机械模型分别由步进电机、三相交流电机两个独立的直线运动系统构成，通过实验台上配置，可以完成步进电机、变频电机的直线运动控制。该双轴直线运动系统可展示步进电机和变频系统的控制，可实现位置、转速的控制，特别是可以提供两个运动系统的同步控制，实现了以最少的资源提供尽可能多的综合实验内容。另外，机电一体化的结构设计也使电气专业的同学大大拓展了知识面。
     步进电机、交流变频电机都有相应的驱动器。
     步进电机通过自制步进电机驱动模块进行驱动。PLC作为上位控制器，产生脉冲和方向指令，经过接口电路，送至单片机；单片机测量PLC送来的脉冲频率及识别方向信号，经内部设定函数关系输出三相四拍的环形脉冲，经过光耦隔离后，送至由三极管组成的推挽输出放大电路，将脉冲高电平电压抬升至15 V；脉冲送至H桥驱动电路，控制场效应管的开通和关断，进而驱动步进电机[3]。
     本实验平台还设计了变频器挂箱驱动交流变频电机，组成变频调速系统。变频器挂箱采用嵌入方式安装，电源输入输出接口采用左入右出原则布局，两类端口对称安放于变频器两端。从上下来看，上部分为强电端口，包括电源的输入和变频器的输出；下部分为弱电端口，包括多段速调速控制端子、RS485通信接口、频率电压输出端子等常用控制和测试端子。
2.3  模拟量采集模块设计[4]
     模拟量采集模块包括PLC标准的AD/DA模块和自行设计的基于单片机的PLC模拟I/O模块。本设计中标准的AD/DA分别采用FX-2N2DA和FX-2N2AD模块，模块与PLC之间通过背板总线连接即可。
     为了多通道高性价比地进行模拟量数据采集。融合单片机、CPLD等知识，综合试验台提供了一种基于单片机的PLC模拟I/O模块，它主要以STC12系列单片机为控制核心，实现PLC的模入模出功能。采用RS232总线方式与PLC通信，使用CPLD来实现A/D、D/A的接口时序，并完成两个4×4键盘的自动扫描和两个4位7段数码管的自动扫描功能，使得用户可以对CPLD模拟的I/O端口进行自定义，从而实现8路0～5 V的模拟输入信号转换为数字量、2路数字量转换为0～5 V的模拟量并输出，单片机I/O挂箱框图如图3所示。
   
   


   2.4 多模式无线控制模块设计[5]
     该综合实验台除了能提供有线的网络系统如RS485以及现场总线CC-Link、PLC、单片机等多模式控制外，根据工控的需要还设计了无线控制。无线控制方式包括红外控制、无线调频控制、基于GSM的短信控制等多种无线模块，无线控制结构如图4所示。
   
       (1)红外无线控制：由无线发射遥控器、无线接收挂箱和无线控制对象三部分构成。无线发射遥控器采用PT2262无线编码芯片和阻容器件构成无线发射电路；无线接收挂箱内安装有无线接收控制板和12路输出接口，输出控制端口可以控制多类对象，如控制本实验平台上的变频器、PLC的输入端子等，用于距离较短的无线控制。
     (2)无线调频控制：基于nRF905无线调频模式完成PLC系统相对的远距离控制，nRF905由一个完全集成的频率合成器、一个带接收解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调制器组成。无线调频控制可通过继电器与PLC接口，通过单片机与PLC通信接口，通过单片机和RS232与PC机接口。其无线通信发射功率为100 mW，通信距离可达600~800 m，能满足远距离控制的要求。
     (3)基于GSM的短信控制：短信收发模块选用德国Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块TC35，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。GSM的短信控制可通过继电器与PLC接口，通过单片机和RS232与PLC接口，通过PC平台发送短信控制PLC，通过PC平台发送飞信控制PLC。
     (4)PLC无线上位监控系统：采用无线模块构成基于MCGS组态软件的无线监控、基于VB的无线监控和基于飞信的短信监控。
2.5 上位监控与远程监控设计[6-9]
2.5.1上位监控层
     上位监控层采用触摸屏,基于MCGS、易控、组态王等工业组态软件以及LabVIEW实现常规的上位监控，也可采用高级语言VB开发上位监控界面。其中很重要的是给学生展现如何将底层设备与上位软件连接。在与组态软件的数据交互上采用DDE动态数据交换模式、OPC和驱动程序设计等技术实现，使学生不但懂得上位监控的基本技术，并能掌握全面的监控系统建立过程。
2.5.2 远程监控
     工业组态软件、LabVIEW都有Web发布功能，可比较容易地实现远程监控。另外比较有特色的是综合实验台通过公用电话网络和采用基于网际组态软件WebAccess实现的远程监控。
     电话远程控制器部分硬件系统框图如图5所示，以单片机AT89S52为核心,以DTMF解码电路作为核心电路，辅之以振铃检测电路、模拟摘机挂机电路、LCD显示电路、语音提示电路、接口电路等构成。远程控制部分接收电话网发送来的双音多频信号，并对其进行解码，解码后的信号再由中央处理单元采集处理。电话远程控制不但实现了PLC的TeleControl Severs 功能，而且将单片机等技术与PLC技术相结合，为学生提供了PLC和单片机对同一对象的两种控制方式，还提供了VB通过RS232对单片机的数据采集以及DDE数据交互模式，具有很强的综合性。
   
   3 大综合实验平台的效果
     遵照知识的系统性与认知的循序渐进性相结合的思想，该平台主要可提供基础实验、应用实验、综合设计型三个层次。基础实验主要是PLC系统的一些基本的实验操作和实验技能进行严格的训练；应用实验主要是过程控制设备配合开设液位控制、温度控制、同步运动系统实验、PLCRS485以及现场总线CC-Link网络通信实验、无线控制实验、电话远程控制等单项或组合实验项目；综合设计实验主要是涉及PLC技术、单片机技术、工程组态软件技术、计算机技术、远程控制技术、无线网络技术等多方面知识的综合应用，覆盖面广，综合性强，这一阶段以提高学生综合素质为核心，重点加强学生思维能力和创新能力的培养。
     本文所实现的模块化的大综合PLC实验平台结合了当前工业自动化应用技术，以课程群知识体系为主线，构建入门基础型、技能拓展型、综合设计型和研究创新型等多层次、模块化实验教学体系，具有层次性、综合性、灵活性、前瞻性、实用性和先进性，其实验项目丰富，综合性强，并紧跟工业自动化的发展潮流，有效地提高学生的技术应用能力和创新实践能力，取得了良好的实验效果。
参考文献
[1] 仇润鹤,方建安,唐明浩,等,建立培养创新能力的综合实验平台[J].实验室研究与探索,2005(24):252-254.
[2] 高鹏, 安涛, 寇怀成. 电路设计与制版[M].北京：人民邮电出版社，2000.
[3] 殷华文,于兆和,马志刚.PLC对步进电机的控制技术[J].组合机床与自动化加工技术,2003(8):65-67.
[4] 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M]. 北京：电子工业出版社，2005.
[5] 叶建平,郑萍,李建平,等.基于多模式无线控制的PLC设计与研究[J].化工自动化及仪表,2011(8):978-981.
[6] 顾肇基译. GSM网络与GPRS[M]. 北京：电子工业出版社，2002.
[7] 昆仑通态公司. MCGS组态软件用户手册. 2003.
[8] 宋万清,杨建国.LabVIEW实现PC与PLC实时监控[J].制造业自动化, 2005(4):60-78.
[9] 蔡成炜.基于51单片机控制的电话远程控制系统设计[J]. 大众科技, 2010(4):14-16.