基于無線通信的PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)計(jì)與開發(fā)

皮梁 黃輝

摘? 要：傳統(tǒng)PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，僅能進(jìn)行基本PLC控制實(shí)驗(yàn)的短板，無法滿足當(dāng)前PLC實(shí)訓(xùn)教學(xué)的要求。該設(shè)備是整合PLC、觸摸屏、工業(yè)以太網(wǎng)、無線路由器等技術(shù)的自動控制教學(xué)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PLC無線通信，配合人機(jī)界面及無線通信設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場及無線遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，通過該套設(shè)備可以進(jìn)行從認(rèn)識設(shè)備、選擇設(shè)備、設(shè)備安裝及接線、程序編寫、無線通信及組網(wǎng)到設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行監(jiān)控及維護(hù)等專業(yè)知識學(xué)習(xí)和技能的訓(xùn)練工作。

關(guān)鍵詞：PLC;無線通信;教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

《可編程控制器原理》（PLC）是高等院校及職業(yè)院校自動化相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)必修課，要求學(xué)生除了掌握PLC控制技術(shù)的基本原理外，還要掌握常用PLC自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用及維護(hù)知識。隨著科技的進(jìn)步，自動控制技術(shù)也得到了快速發(fā)展，除傳統(tǒng)的PLC控制技術(shù)外，人機(jī)界面技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)在各行業(yè)的自動化工程中得到普遍應(yīng)用，這些技術(shù)的進(jìn)步對自動化類專業(yè)的PLC教學(xué)提出了更高的要求。傳統(tǒng)操作臺式PLC實(shí)訓(xùn)裝置，僅能進(jìn)行基本的PLC實(shí)驗(yàn)，沒有將觸摸屏、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、無線網(wǎng)等其他自動化設(shè)備和技術(shù)加以整合，不利于實(shí)訓(xùn)者進(jìn)行自動控制領(lǐng)域整體知識理論學(xué)習(xí)及實(shí)踐技能提高，因此在新技術(shù)條件下傳統(tǒng)PLC實(shí)訓(xùn)裝置漸漸不能滿足目前的人才培養(yǎng)需求。同時還存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定、靈活性較差、價(jià)格較高、不利于規(guī)模化采購等缺點(diǎn)。就目前PLC自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢而言，有必要研究制造一種整合PLC、觸摸屏、工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信等交叉技術(shù)于一體，攜帶方便、價(jià)格低的PLC教學(xué)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，以滿足當(dāng)前PLC自動控制人才的培養(yǎng)的需求。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由PLC主機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、觸摸屏、無線路由器、低壓電源、低壓斷路器、步進(jìn)電機(jī)等組成。移動計(jì)算機(jī)通過無線路由器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與PLC主機(jī)實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)，所有設(shè)備以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為各組成設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠校琍LC作為控制核心，控制各自的輸入輸出模塊，利用觸摸屏監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制主機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、觸摸屏、無線路由器等主要設(shè)備均可選用不同品牌的設(shè)備，以滿足模擬應(yīng)用的普遍性。

2.1 系統(tǒng)硬件

2.1.1 PLC主機(jī)

該設(shè)備包括3臺PLC主機(jī)，分別為西門子S7-1200、S7-1500及LOGO型PLC，這是西門子公司3種不同容量的PLC，作用是模擬通過設(shè)備無線監(jiān)控不同類型PLC的運(yùn)行情況。

2.1.2 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)及無線路由器

該設(shè)備包括1臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和2臺無線路由器，由它們構(gòu)建局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS以太網(wǎng)接口，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是整臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袞儯ㄟ^網(wǎng)線與PLC主機(jī)、觸摸屏和無線路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，考慮設(shè)備的小型化，選用西門子SCALANCE X208型。無線路由器采用工業(yè)3G無線路由器（VPN/DTU/Wi-Fi可選）及商用TP-LINK各1臺。

2.1.3 觸摸屏

該設(shè)備采用西門子觸摸屏Smart 700模塊，集成了RS 422/485 通信口，通信更加靈活，可以和市場主流的小型 PLC 建立穩(wěn)定可靠的通信連接。（如三菱FX系列、歐姆龍CP1系列），也可以采用其他品牌的觸摸屏模塊。

2.1.4 其他硬件配置

PLC S7-1200CPU上面集成以太網(wǎng)接口、14點(diǎn)數(shù)字量輸入、10點(diǎn)數(shù)字量輸出、AC或DC電源形式集成電源（85-264V AC或24V DC）、具有頻率高達(dá)100 kHz的脈沖序列輸出具有頻率高達(dá)100 kHz的高速計(jì)數(shù)器，可擴(kuò)展通信模塊。PLC S7-1500帶有3個PROFINET接口。

2.2 系統(tǒng)軟件

2.2.1 PLC編程軟件

采用西門子STEP 7 Basic（包括WinCC Basic）包括以任務(wù)為導(dǎo)向，智能和直觀的編輯器，使其成為編程控制器和組態(tài)HMI基本面板的一個通用工程組態(tài)框架。集成工程組態(tài)系統(tǒng) SIMATIC STEP 7 Basic 可直觀而快速的實(shí)現(xiàn)工程組態(tài)功能，用于編程和調(diào)試全面的自動化解決方案。

2.2.2 組態(tài)軟件

設(shè)備人機(jī)界面的編輯采用WinCC flexible 軟件，其包括一系列執(zhí)行各種組態(tài)任務(wù)的編輯器和工具。可使用多種便捷的功能來組態(tài)顯示畫面，例如縮放、旋轉(zhuǎn)和對齊等功能。在WinCC flexible中，可根據(jù)需要設(shè)置自己的工作環(huán)境。

2.2.3 通信協(xié)議

支持通信協(xié)議有PPI、MPI、PROFIBUS、以太網(wǎng)、S7協(xié)議、USS、MODBUS、自由口等協(xié)議，每個協(xié)議都有對應(yīng)不同的組態(tài)方式。

3 功能驗(yàn)證

此套設(shè)備用于模擬現(xiàn)代PLC自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及運(yùn)行控制等內(nèi)容，實(shí)訓(xùn)者通過此套設(shè)備可以進(jìn)行從認(rèn)識設(shè)備、選擇設(shè)備、設(shè)備安裝及接線、程序編寫、無線通信及組網(wǎng)，到設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行監(jiān)控及維護(hù)等專業(yè)知識學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練。該設(shè)備網(wǎng)絡(luò)模式有2種。1）不接入因特網(wǎng)僅若干由無線路由器組成的局域網(wǎng)。2）接入因特網(wǎng)且?guī)в袩o線收發(fā)器的單位內(nèi)網(wǎng)。此套設(shè)備的工作模式有2種。1）使用移動計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)與設(shè)備完成無線組網(wǎng)，采用移動計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)進(jìn)行PLC編程，通過無線通信的方式與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的無線遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視。2）使用工業(yè)計(jì)算機(jī)與設(shè)備進(jìn)行有線組網(wǎng)，設(shè)備與計(jì)算機(jī)間通過數(shù)據(jù)線完成數(shù)據(jù)通信。同時，2種工作模式下都可以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時控制與監(jiān)視，且設(shè)備上任意PLC的輸出控制均能由現(xiàn)場的任意觸摸屏模塊實(shí)現(xiàn)多地監(jiān)控。信號覆蓋范圍決定無線路由器的信號覆蓋范圍，同時可根據(jù)需要增加無線路由器數(shù)量來增大信號覆蓋范圍。

4 結(jié)論

基于無線通信的PLC教學(xué)設(shè)備將PLC、觸摸屏、無線路由器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)及移動計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線組網(wǎng)，具有輸入輸出接口豐富、功能可拓展性強(qiáng)，可用于模擬新技術(shù)條件下基于無線通信的PLC自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及運(yùn)行控制等內(nèi)容。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)以及移動計(jì)算機(jī)與設(shè)備的無線數(shù)據(jù)傳輸、無線監(jiān)控及現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控功能。根據(jù)實(shí)訓(xùn)者運(yùn)用此套設(shè)備的實(shí)訓(xùn)情況，實(shí)訓(xùn)者能較好地掌握關(guān)于無線通信的PLC自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試及維護(hù)等相關(guān)理論知識和實(shí)踐操作技能。

參考文獻(xiàn)

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