基于無線通信的PLC 控制系統設計與實現

魏書豪，董曉春

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250100）

0 引 言

傳統的有線可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統布線復雜，維護困難，無法滿足靈活移動控制的需求，因此基于無線通信技術的PLC 控制系統應運而生。文章在介紹無線通信技術和PLC 控制系統的基礎上，詳細探討該系統的設計與實現路徑，并通過實驗驗證其控制性能，為無線PLC 控制系統的工程應用提供參考。

1 技術基礎

1.1 無線通信技術的概念

無線通信技術是利用無線電波或其他電磁波在不依賴線性媒質的情況下實現信息傳輸和交換的技術。相比有線通信，無線通信以其制約少、移動靈活的特點在工業過程控制領域展現巨大應用前景。無線通信系統由發射機、信道和接收機3 個部分組成[1]。發射機調制信息載波為射頻信號，并通過天線將其發送出去，該信號在空間傳播的過程中會衰減、衍射、反射等，信道負責對傳播特性進行描述。接收機天線接收的信號先被放大濾波，然后進行解調以恢復原信息。

1.2 PLC 控制系統的的內涵及特征

PLC 控制系統作為一種數字化、智能化、模塊化的自動控制設備，相比傳統的繼電器控制系統，具有編程靈活性強、抗干擾能力強及高可靠性等顯著優點[2]。PLC 的工作原理是不斷掃描和執行用戶編制的控制邏輯程序，主要組成部分包括中央處理器、存儲系統、輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口模塊等。例如，Siemens S7-300 PLC 集成了針對邏輯和算術運算以及計數、計時及比例運算優化的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊。工作過程中，PLC 根據控制指令循環地檢測輸入信號，根據內部邏輯關系運算并生成相應的輸出信號，實時連續控制外圍被控設備，起到可編程的自動操縱機構作用[3]。

2 融合無線通信技術的PLC 控制系統設計與實現

2.1 系統總體設計

結合無線通信技術與PLC 控制系統的優勢，設計基于無線通信的PLC 過程控制系統。系統總體采用分散控制結構，由中央控制站、現場無線通信子站和分散布置的PLC 局部控制站構成。

中央控制站由工業計算機服務器和遠程無線通信終端組成，負責實現整體系統的監控與運維。中央站系統軟件建立于Windows Server 2008 和SQL Server數據庫平臺，采用瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構，通過IE 瀏覽器實現對下位機PLC 和從站通信模塊的遠程參數配置、控制邏輯下裝和運行狀態監測等功能。考慮無線網絡信號被遮蔽的影響，在現場設備布置區域設置了多個無線通信子站，采用Siemens SIMATIC S7-1200 系列PLC 作為子站控制核心；配備SIMATIC RF160R 標準無線通信模塊，工作在2.4 GHz ISM 頻段；采用IEEE 802.15.4 規范設計的無線傳輸協議，傳輸速率可達250 kb/s，理論覆蓋范圍超過350 m，且支持128 位高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）加密，以保證無線通信安全性[4]。

2.2 無線通信模塊設計

系統中的核心無線通信模塊選用SIMATIC RF160R 設備。該模塊提供非專用無線電信道，適用于在瞬時發射大量數據的應用場合。RF160R 采用IEEE 802.15.4 標準的物理層（Physical Layer，PHY）層和媒體存取控制地址（Media Access Control Address，MAC）子層協議，PHY 層使用DSSS 直接序列擴頻技術，芯片數據速率可達250 kb/s。此外，模塊集成多進多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）功能，支持天線分集，可以有效擴展無線范圍，抵抗多徑信道的影響。

SIMATIC RF160R 在2.4 GHz（2 400 ～2 480 MHz）ISM 頻段工作，發射功率為50 mW，用戶無線信道和出廠默認信道均可設置。模塊提供自動路由選擇能力和頻率跳變機制，可在不同子網中進行網絡搜索，自動選擇最佳網絡節點連接。考慮安全因素，支持采用AES對無線數據鏈路層進行128 位加密。

SIMATIC RF160R 無線模塊可直接與Siemens S7系列PLC 相連，將無線與線控集成在一個控制系統中。無線數據通過PROFINET/工業以太網接口直接與PLC 的數據區進行匹配訪問，實現便捷而高效的互聯互通。該系統將無線模塊與S7-1200 PLC 集成，模塊以PROFINET 從站的身份與PLC 通信[5]。其中主站－從站通信采用Token 方式，令牌輪轉時間TTR的公式為

式中：N為從站數量；C為信道數據速率。

2.3 PLC 控制模塊設計

系統中采用Siemens S7-1200 系列PLC 作為局部控制站和從站控制模塊。該系列PLC 集成CPU、信號I/O、PROFINET 接口以及高速計數器，組態靈活，適用于處理邏輯控制、斷點續傳、本地I/O 信號等任務。

S7-1200 CPU 的工作原理基于連續循環，不斷讀取輸入值，執行用戶編寫的程序，然后連續輸出結果。S7-1200 CPU 是一款強大的32 位微處理器，用戶程序存儲于可插拔微型安全數字存儲器（Micro Secure Digital memory，Micro SD）卡，通過PROFINET 接口有效地與上位機和其他智能設備進行通信。同時，配備6 個高速計數器，最高可處理100 KHz 的頻率，并支持模擬值處理和比例、積分和微分（Proportion Integral Differential，PID）控制等高級指令。為適應不同現場控制站的需求，該CPU 可以配置在較高的周期時間下運行，以確保系統運行的確定性。例如，可以將掃描時間設定為50 ms，以達到理想的性能表現。

根據實際應用的需求復雜度，本地控制站能夠靈活地擴展相應的通信模塊和信號模塊。考慮本系統中的浮動控制站需要變頻調速控制，選用S7-1200 SM1242 模塊執行模擬量輸入和PWM 變頻輸出的控制功能。該模塊提供4 路±10 V/±5 V 雙極量輸入端口；4 路0 ～20 mA 模擬量輸入端口；4 路±10 V模擬量輸出端口。模數轉換分辨率達12 bits，脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出頻率范圍為2 ～1 000 Hz。輸出PWM 占空比與模擬電壓值的轉換可采用積分控制算法，在不產生積分飽和的情況下獲得零穩態誤差。其中，設PWM 周期時間為T，占空比的比例為k，對應的輸出電壓值U公式為

式中：E為電源電壓；t為時間。

2.4 系統集成與調試

在完成系統軟硬件選型及模塊功能定義后，需要進行設備集成與聯調測試。本系統涉及中央監控平臺、多個子站PLC 和現場控制站，因此集成調試需要分級開展。首先，在實驗室條件下，建立由1 個中央監控站、1 個子站和2 個局部控制站構成的小規模測試平臺，所有設備通過以太網交換機連接。其次，利用Siemens STEP 7 工程軟件完成2 個局部控制站S7-1200 PLC 系列的應用程序配置，實現基本的開環控制功能并下載測試；再次，利用STEP 7 的設備配置功能激活無線通信模塊，檢查子站和中央站的無線連接是否正常；最后，在STEP 7 的運行監視窗口和中央站監控界面監測無線通信的實時數據、圖像，完成小規模的聯網測試。在測試通過后，系統搭建可以推廣到工業現場。由于現場條件更為復雜，因此需要優化設備布置，重復節點布放，保證良好的無線連接信號。同時，應用程序中需要加入針對無線通信故障和現場應急情況的處理機制。在現場進行規模化部署后，利用中央站系統的網絡管理功能監測從站和局部控制站的狀態。

3 實驗與性能分析

3.1 實驗環境與設備

為驗證設計的基于無線通信的PLC 控制系統的控制效果，構建實驗平臺進行測試研究。實驗設備如下：1 臺工業計算機（配置為Intel i5-6500 3.2 GHz四核CPU、8 GB 內存、Windows 7 系統及Siemens STEP 7 v5.5 軟件），將其作為空調變量頻控制的中央監控站；2 個S7-1200 系列PLC，分別裝配CPU、數字量I/O 模塊、模擬量I/O 模塊以及RF160R 無線模塊。其中一個PLC 作為子站，另一個PLC 作為控制執行站；1 臺變頻器作為執行機構；若干個溫度傳感器、調光傳感器等模擬輸入模塊，照明燈負載作為PWM 控制輸出。所有智能控制設備通過以太網交換機連接，無線模塊工作在2.4 GHz ISM 頻段，發射功率為20 mW，基于IEEE 802.15.4 標準設計，信道數據速率為250 kb/s，采用16 位PANID 進行網絡標識，網絡層采用Mesh 樹型拓撲，通信距離覆蓋整個實驗室區域。

3.2 實驗方法與步驟

首先，在STEP 7 編程環境中，利用結構化控制語言編寫溫度閉環PID 控制邏輯，通過無線從站S7-1200 的模擬量I/O 口獲取溫度設定值和傳感器反饋，PID控制器的輸出連接至局部控制站的模擬輸出端口，調節變頻器轉速從而控制空調吹風速率。同時，編寫燈光照度的PWM 控制程序，照度反饋通過無線I/O傳輸，PWM 輸出信號控制智能燈的亮度。完成邏輯編寫后，通過PROFINET 工業以太網下裝控制程序至2 個控制站。

其次，在中央監控平臺的實時運行界面中，激活無線通信模塊，建立子站和控制站的無線連接，并在調試狀態下下載控制邏輯至2 個控制站。手動或在監視表中給入模擬量輸入，觀察控制站的輸出狀況，檢查無線通信是否正常，控制程序邏輯是否正確。

最后，連接變頻器、燈光負載，切換兩條控制邏輯到自動模式，通過修改溫度設定值、照度設定值，記錄變頻器輸出轉速、燈光輸出PWM 信號以及現場溫度和照度的變化曲線，分析響應速度、調整時間和穩態控制精度等控制性能指標，從而完成無線通信PLC 控制系統的測試實驗。

3.3 實驗結果分析

系統溫度閉環控制的控制效果如表1 所示，照度閉環控制的控制效果如表2 所示。

表1 溫度閉環控制控制性能測試結果

表2 系統控制性能測試結果

從表1 和表2 中可以看出，溫度和照度的控制響應速度可以達到工程要求，分別為5 s 和2 s；關閉環調整時間也較短；在達到穩態后，溫度的波動控制在±1 ℃以內，照度波動也控制在±5%以內，滿足工業現場對控制精度的要求；溫度和照度的過渡過程中，升降時間和過沖量也較小。由此表明，文章設計的基于無線通信技術和S7-1200 PLC 的過程控制系統可以完成對工業現場過程變量的監控與控制功能，實現對溫度和照度的閉環控制，無線數據鏈路可靠，控制效果滿足設計要求。

4 結 論

隨著工業自動化的不斷進步，無線通信技術在PLC 控制系統中的應用日益廣泛。文章設計基于無線通信的PLC控制系統，通過實驗證實其控制性能穩定可靠。結果表明，系統能高效完成工業現場過程變量的監控與控制，無線數據鏈路穩定，控制效果滿足設計要求。