基于ZigBee無線通信技術的PLC控制系統設計與實現

吳 鴻，王益斌，余秋軍

(西南科技大學 城市學院，四川 綿陽 621000)

PLC控制系統主要應用于現代工作生產中，是自動化生產的重要前提，作為工業控制的計算機，控制復雜工業流程，隨著PLC控制系統的更新換代，系統管理能力和控制能力不斷增強，成為工業化生產的支柱，為自動化生產加工提供重要保障[1]。PLC控制系統具備多層次抗干擾功能，具有功能多、速度快、存儲大的優點，在工業環境下，也可以保證系統運行的穩定性，能夠與電力設備一起工作[2]。當PLC工作環境過于惡劣時，例如沖擊振動過強、電磁干擾嚴重、溫度濕度過高，系統可靠性會有所降低，甚至產生系統故障，對工業生產造成影響，因此，對PLC控制系統進行研究，保證系統安全、功能完善，具有重要意義[3-4]。

現階段，PLC控制系統相關研究已較為成熟，將系統分為信息采集、遠程監控、自動控制3個部分，利用開門信號激活PLC控制系統，根據設定程序，令系統執行開門動作，完成計數、存儲等操作，自動化控制機械生產環節[5]。針對控制系統一些學者也給出了較好的方法：文獻[6]采用基于異構處理架構的PLC控制系統，開發PLC系統驅動組件，在PLC控制系統的單一處理器上，組成集成安全架構，實現異構處理的機器基本邏輯控制，但該系統組態開發移植性能較差，系統功耗較大。文獻[7]采用基于嵌入式的PLC控制系統，配置一個RISC輔助處理器，通過全功能遙控，實現邏輯指令控制處理功能，對掘進機狀態進行實時監測，但該系統集成安全機制不全面，系統功耗同樣較大。

針對以上問題，結合以上理論，提出基于ZigBee無線通信技術的PLC控制系統，設計系統模塊結構，優化ZigBee無線通信擴展板，采用ZigBee無線通信技術，規范系統信息傳輸。

1 PLC控制系統

1.1 系統整體結構

采用模塊式PLC，設計PLC控制系統整體結構。將PLC每個硬件單元制成獨立模塊，所有模塊都安插在母板上，選取一個中央處理單元CPU作為核心，得到一個結構完整的PLC控制系統。系統內部結構如圖1所示。

圖1 PLC控制系統整體結構Fig.1 PLC control system overall structure

利用中央處理器CPU，對工作環境的機械設備請求產生響應，讀取生產設備狀態數據，CPU型號選擇微電腦控制的CP1L型，通過存儲器接口，擴展系統容量[8]。利用輸入/輸出接口，連接中央處理器和網關處理器，將生產設備的狀態信息讀入CPU，根據CPU處理結果，驅動輸出設備，利用I/O接口，擴展系統輸入/輸出單元，對PLC進行安全保護。經由I/O接口安裝PLC外部設備，通過編程器接口，連接編程設備和CPU，通過打印機，以文字形式輸出生產設備運行參數，通過顯示器，顯示PLC控制系統信息，選擇F940-GOT型觸摸屏，作為系統顯示單元，發送系統運行參數、控制指令。系統電源選擇直流電源，在電源輸入端輸入電壓范圍很大的交流電流，采用單相橋式整流電路，配置具備單向導電特性的元器件，把交流電流轉換為直流電源，配置脈沖吸收電路，增強系統對工作環境的抗干擾能力，令輸入/輸出設備使用24 V電源，PLC內部則使用5 V電源，采用WCS2702型電流傳感器，集成電子線路，保護系統電路的電流[9]。選取RS-485通信擴展板、CAB-1通信電纜、RS-422通信接口，組成ZigBee無線模塊，在通信擴展板上安裝一個通信功能適配器，發送和接收通信數據，將生產設備狀態數據發送到智能網關，使用通信電纜線，連接通信擴展板和網關，再利用電纜屏蔽線，連接通信端口和通信擴展板的相應端子，實現ZigBee無線模塊的串行通信。網關接收所有傳感器的匯總信息，采用ARM處理器作為核心芯片，內帶一個RJ45標準連接器插入接口，連接通信電纜[10]。至此完成PLC控制系統整體結構的設計。

1.2 優化ZigBee無線通信擴展板

圖2 ZigBee通信擴展板外圍電路結構Fig.2 Peripheral circuit structure of ZigBeecommunication expansion board

外圍電路僅安裝少量電子元器件，全部引出S3C2440芯片引腳，通過引腳把外圍電路引至地板，ZigBee通信擴展板的內部時鐘電路，使用32M頻率型號的振蕩器進行調節，外部電路則使用32.846 kHz、32 MHz兩種頻率的振蕩器進行調節。通過多時鐘電路，無功率放大電路信號，包括模擬量、開關量兩種類型，其中模擬量為電解液溫度、電壓、電流等信號，開關量為限位、啟動、急停等信號[12]。選取C4電容、C5電容、R9電阻、Y1晶振，組成振蕩電路，利用晶頻，調頻模擬量信號和開關量信號，利用兩個電容，過濾S3C2440芯片電路波動，采用8位位寬的全速數傳方式，傳輸數字信號，穩定ZigBee通信擴展板外圍電路的電壓。復位電路選擇雙復位方式，包括復位開關、R9電阻、C3電容，當外圍電路出現故障后，按下復位開關，使PLC控制系統執行復位操作，將高電平狀態信號轉換至低電平狀態信號，保護整個外圍電路[13]。

濾波電路使用多個引腳，通過電源引腳接通電源，其余引腳上拉電阻、下拉電阻，控制電源電壓在3.3～5.5 V，使用高速計數器，以波形信號形式，對信號進行兩路脈沖的輸入和輸出，利用光電耦合器，光電隔離一次濾波回路、二次濾波回路，采用三級管元件，作為濾波電路的外部驅動，規定每個引腳數字信號的電平狀態，消除數字信號干擾變化。至此完成ZigBee通信擴展板的優化，實現PLC控制系統硬件設計。

1.3 ZigBee無線通信技術的系統信息通信

通過生產設備狀態數據的誤差優化算法，預處理采集數據，采用ZigBee無線通信技術，規范PLC控制系統信息通信。采用濾波算法，過濾網關采集數據的冗余噪聲，考慮系統工作環境的狀態數據為離散分布，針對這一情況，設定系統控制變量數值穩定，通過卡爾曼濾波，表示離散時域的生產設備狀態數據，表達式如下：

(1)

式中，S(x)、S(x-1)分別為x時刻、x-1時刻的生產設備狀態數據估計值；A、B為系統定義參量；W(x)、V(x)分別為系統和工作環境的噪聲[14]。

計算x時刻、x-1時刻設備狀態數據估計值的協方差P(x/x-1)，公式為：

(2)

式中，H(x-1)、H(x)分別為x時刻、x-1時刻的系統觀測矩陣；R為系統協方差；Q為增益系數。

進一步優化P(x/x-1)，得到系統時刻最優估計值K(x)，表達式為：

其中，N表示中心點x的局部圓形鄰域中像素點的個數（包含x點），D(x,y)表示該鄰域內的像素點y與中心點x之間的歐氏距離，r是局部圓形鄰域的半徑。由上述公式（6）可以看出，計算圓形鄰域權重值時，采用的是平滑算子，一定程度上也控制了噪聲和不均勻灰度帶來的影響。

(3)

式中，K(x-1)為x-1時刻的狀態數據最優估計值；L為K(x-1)值協方差；f為高斯白噪聲。

原始數據完成濾波處理之后，采用PID控制器優化算法，使系統采集的生產設備狀態變量，更加接近工作環境真實值，把每個生產設備狀態數據抽象為一個粒子，根據粒子移動速度和移動慣性，確定粒子空間位置，從而找到降低系統誤差的最優路徑，定義PID控制器加權參數E1、E2，表達式為：

(4)

式中，a1、a2為粒子加速度；e1、e2為隨機參量；I(x)、O(x)分別為時刻粒子、粒子群的位置；D(x)為最優位置；g為慣性參量；v(x)、v(x+1)為速度[15]。

系統方差狀態方程為：

(5)

式中，P′(x/x-1)為優化后的系統方差。

原始數據預處理完畢后，通過4G網絡、5G網絡、WiFi，構建ZigBee無線通信協議，令ZigBee網絡使用Z-Stack協議棧，統一約定通信接口、通信格式、傳輸屬性、字符格式、數據格式等，使其共同遵守同一規范，把生產設備狀態信息傳輸至PC端，設置通信協議如下：無線通信方式為半雙工，最多可連接的變頻器為32臺，無線通信速率為可選擇的19 100、9 700、4 900 bit/s，控制協議為異步，停止位長為可選擇的1位、2位，字符方式為可選擇的7位、8位，通信數據命令、高位、低位為2字節，通信數據幀頭、幀尾、校驗和為1字節，指令類型為復位指令、CPU與生產設備連接指令、生產設備上傳數據指令、CPU對各參數優化設置指令。至此完成基于ZigBee無線通信技術的系統軟件設計，實現PLC控制系統設計。

2 系統測試

將本文系統與基于異構處理架構的PLC控制系統、基于嵌入式的PLC控制系統進行對比實驗，比較系統運行功耗。

2.1 設計系統實現

將基于ZigBee無線通信技術的PLC控制系統及基于異構處理架構的PLC控制系統、基于嵌入式的PLC控制系統應用于鑄件生產過程控制中，生產現場如圖3所示。

圖3 鑄件生產過程Fig.3 Casting production process

在400 m2的封閉式環境內進行系統測試，使用SmartRF04EB仿真器，編譯生產設備狀態數據的誤差優化算法，下載到ZigBee無線通信擴展板，完成生產設備狀態數據采集終端的設置，無線通信擴展板實物如圖4所示。

圖4 ZigBee無線通信擴展板實物Fig.4 Physical figure of ZigBee wirelesscommunication expansion board

由圖4可知，優化后的ZigBee無線通信擴展板，其外圍電路由濾波電路、復位電路等組成。令系統無線通信模塊遵循ZigBee網絡協議，進行生產設備狀態數據的傳輸，把無線通信擴展板的USB接口連接到CPU，設置PLC控制系統的串口接口為COM1，波特率為15 200，結合編輯完成的PLC控制系統程序，調試系統簡單指令和復雜指令，檢查系統功能有無出錯。調試完畢后，啟動系統程序，當通信擴展板指示燈為紅色時，開始采集封閉環境內設備的狀態數據，每隔12 s上傳采集數據至SComAssistant串口助手，由顯示屏顯示采集數據，如圖5所示。顯示界面左上端顯示ZigBee通信協議設置的執行操作，串口界面可以直接觀測生產設備狀態數據的采集情況，以圖片形式保存系統通信數據。

圖5 PLC控制系統數據采集顯示界面Fig.5 Data acquisition and display interface of PLC control system

2.2 測試結果分析

PLC控制系統工作環境惡劣，系統控制和數據采集都要有穩定且充足的電源供應，由于電池功率限制，這就要求系統必須小功率運行，為此在3種系統數據采集過程中分析系統功耗。在測試環境內布置多個信號采集端子，對其進行編號，通過SComAssistant串口助手監測3種系統的運行狀況，PLC控制系統工作1個周期功耗表達式G為：

G=l1k1+l2k2

(6)

式中，l1、l2分別為工作、休眠的消耗電流，k1、k2分別為工作、休眠的時間。

將生產設備采集—采集數據發送作為一個任務，設置3種系統完成一個任務的耗費時間為10 min，在10 min的系統工作周期內，改變工作時間和休眠時間，比較3種系統的消耗電量。

在系統運行環境中加入70～200 dB噪聲，測試噪音環境下的系統功耗，實驗對比結果如圖6所示。

圖6 功耗實驗對比結果(一)Fig.6 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅰ)

由圖6可知，工作周期內的工作時間增加，系統功耗也隨之增加，噪聲環境下，設計系統完成一個數據采集-發送任務后，平均消耗電量為289.7 mAs，基于異構處理架構的PLC控制系統平均功耗為318.8 mAs，基于嵌入式的PLC控制系統平均功耗為328.2 mAs，設計系統運行功耗分別減少了29.1、38.5 mAs。

改變生產設備振動頻率，比較沖擊環境下的系統功耗，結果如圖7所示。由圖7可知，沖擊環境下，設計系統平均功耗為299.1 mAs，另外2種系統平均功耗分別為331.3、356.5 mAs，設計系統運行功耗分別減少了32.2、57.4 mAs。

圖7 功耗實驗對比結果(二)Fig.7 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅱ)

調節封閉環境室內溫度，比較高溫環境下的系統功耗，結果如圖8所示。

圖8 功耗實驗對比結果(三)Fig.8 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅲ)

由圖8可知，高溫環境下，設計系統平均功耗為275.4 mAs，另外兩種系統平均功耗分別為296.8、352.3 mAs，設計系統運行功耗分別減少了21.4、76.9 mAs。綜上所述，本文系統減少了運行功耗，對電源電池起到了節能優化的作用。

3 結語

本文研究充分發揮了ZigBee無線通信技術優勢，改造ZigBee無線通信擴展板，使用ZigBee無線通信協議設計了一種PLC控制系統，數據采集、發送過程中，減少了系統功耗。但本文系統仍存在一定不足，在今后的研究中，會進一步優化ZigBee協議棧的訪問參數，提高ZigBee通信信道的抗干擾能力，使PLC控制系統同時控制同一頻段的生產設備。