隨著科學技術的發(fā)展，可編程控制器朝著多功能化、集成化、智能化、標準化、開放化、網絡化的方向發(fā)展，因此僅掌握PLC的編程是不夠的，必須了解和掌握綜合的PLC控制技術。對此本文提出了一種基于模塊化的柔性組合多功能大綜合PLC實驗平臺的方案，該平臺融合了PLC、變頻器調速控制、步進電機驅動控制、單片機控制和數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場總線、工業(yè)組態(tài)軟件、通信及聯(lián)網、人機接口,以及Ethernet和基于Web遠程監(jiān)控等技術領域，而且具有控制層、監(jiān)控管理層、遠程監(jiān)控層三層完整的網絡結構，改變了傳統(tǒng)的單一實驗模式，以學生為本，注重提高學生綜合實驗能力，構建個性化、多元化和開放式的教學實驗，既能適應綜合性課程設計、畢業(yè)設計，也可以作為課外創(chuàng)新實踐和各種學科競賽的訓練平臺，使學生綜合應用所學知識,發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，在該實驗平臺上進行跨課程甚至跨學科的系統(tǒng)設計，開展工程訓練，有利于現(xiàn)代工程師的培養(yǎng)[1]。

1 模塊化的大綜合PLC實驗平臺整體構架
    本綜合實驗平臺的架構引用了科研中根據(jù)項目需求構建研究平臺的思想，采用模塊化設計思路和組件式架構原則，使系統(tǒng)可靈活重組、擴展，以滿足課程的知識綜合、系統(tǒng)設計、創(chuàng)新研究、自主發(fā)揮的教學需求。
    實驗平臺整體架構如圖1所示。整個系統(tǒng)由多種被控對象、輸入輸出通道、控制器、上位監(jiān)控與遠程監(jiān)控構成。在數(shù)據(jù)交互模式上多樣化，也形成了多層次的控制網絡結構。

    (1)底層對象:有基于變頻器的調速系統(tǒng)、基于步進電機的運動系統(tǒng)、標準的TM2運動機構、溫度試驗箱、液位槽等現(xiàn)場被控對象；
    (2)控制層：以PLC為核心的多模式控制，有基于單片機的電話遠程控制器、模擬系統(tǒng)和邏輯控制系統(tǒng)、有線或無線控制系統(tǒng)，并采用了RS485進行聯(lián)網，以及基于現(xiàn)場總線CC-Link的控制網；
    (3)上位監(jiān)控層：觸摸屏完成現(xiàn)場的上位監(jiān)控功能，基于MCGS、易控、組態(tài)王等工業(yè)組態(tài)軟件實現(xiàn)綜合的上位監(jiān)控，基于LabVIEW的上位監(jiān)控主要用于數(shù)據(jù)處理較多的場合，亦可用高級語言VB直接編寫的上位監(jiān)控界面，可展示具有獨特風格的有自主知識產權的上位監(jiān)控實現(xiàn)。
    (4)遠程監(jiān)控層：采用基于組態(tài)軟件的Web功能實現(xiàn)遠程監(jiān)控，同時提供通過公用電話網絡實現(xiàn)的遠程監(jiān)控，目前還完成了基于網際組態(tài)軟件WebAccess的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
2 模塊化的大綜合PLC實驗平臺單元模塊設計[2]
    大綜合PLC實驗平臺由實驗臺和實驗對象組成。實驗臺上下分為實驗柜和實驗箱，實驗柜支持十個單元掛箱。按照掛箱的功能可以分為基本模塊、運動對象及驅動模塊、模擬量采集模塊、無線控制幾個典型模塊，有多種掛箱可安裝在試驗臺上，試驗臺還可以和標準的控制對象如機械手、溫度箱、液位槽等連接。其框圖如圖2所示。

2.1 基本模塊設計
    該實驗平臺的基本模塊包含了電源模塊、可編程控制器及FGT0904觸摸屏模塊。電源模塊提供多路24 V 0.8 A、5 V 3 A直流開關電源、多路三相220 V、380 V交流電源、交流電壓和電流的監(jiān)測、電源的啟?？刂埔约爸甘?。
    可編程控制器及FGT0904觸摸屏掛件面板主要包括三菱PLC-FX2NMR、FGT0940觸摸屏、FX2N-16CCL-M以及FX2N-16CCL模塊?？删幊炭刂破髟囼炏渌蠭/O口采用接插件形式通過接線端子輸出，插拔方便、接觸可靠、連線快捷，可以反復使用。PLC帶有標準的RS-232、RS-422和RS-485串行接口，通過RS-232接口可方便與計算機通信，完成程序下載和上位監(jiān)控；實驗平臺還設計了RS-422接口，通過它可連接一個或多個觸摸屏實現(xiàn)現(xiàn)場的監(jiān)控；通過RS-485接口可將多臺PLC連接成網絡，以實現(xiàn)系統(tǒng)自身以及與底層設備的方便組網；通過現(xiàn)場總線CC-Link模塊FX2N-16CCL-M、FX2N-16CCL將PLC組成CC-Link網絡。FGT0940觸摸屏除了RS-422接口，還帶有RS-232接口，用于與PC的連接傳送創(chuàng)建的畫面數(shù)據(jù)。
2.2 運動對象及驅動模塊設計
    雙軸直線運動機械模型分別由步進電機、三相交流電機兩個獨立的直線運動系統(tǒng)構成，通過實驗臺上配置，可以完成步進電機、變頻電機的直線運動控制。該雙軸直線運動系統(tǒng)可展示步進電機和變頻系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)位置、轉速的控制，特別是可以提供兩個運動系統(tǒng)的同步控制，實現(xiàn)了以最少的資源提供盡可能多的綜合實驗內容。另外，機電一體化的結構設計也使電氣專業(yè)的同學大大拓展了知識面。
    步進電機、交流變頻電機都有相應的驅動器。
    步進電機通過自制步進電機驅動模塊進行驅動。PLC作為上位控制器，產生脈沖和方向指令，經過接口電路，送至單片機；單片機測量PLC送來的脈沖頻率及識別方向信號，經內部設定函數(shù)關系輸出三相四拍的環(huán)形脈沖，經過光耦隔離后，送至由三極管組成的推挽輸出放大電路，將脈沖高電平電壓抬升至15 V；脈沖送至H橋驅動電路，控制場效應管的開通和關斷，進而驅動步進電機[3]。
    本實驗平臺還設計了變頻器掛箱驅動交流變頻電機，組成變頻調速系統(tǒng)。變頻器掛箱采用嵌入方式安裝，電源輸入輸出接口采用左入右出原則布局，兩類端口對稱安放于變頻器兩端。從上下來看，上部分為強電端口，包括電源的輸入和變頻器的輸出；下部分為弱電端口，包括多段速調速控制端子、RS485通信接口、頻率電壓輸出端子等常用控制和測試端子。
2.3  模擬量采集模塊設計[4]
    模擬量采集模塊包括PLC標準的AD/DA模塊和自行設計的基于單片機的PLC模擬I/O模塊。本設計中標準的AD/DA分別采用FX-2N2DA和FX-2N2AD模塊，模塊與PLC之間通過背板總線連接即可。
    為了多通道高性價比地進行模擬量數(shù)據(jù)采集。融合單片機、CPLD等知識，綜合試驗臺提供了一種基于單片機的PLC模擬I/O模塊，它主要以STC12系列單片機為控制核心，實現(xiàn)PLC的模入模出功能。采用RS232總線方式與PLC通信，使用CPLD來實現(xiàn)A/D、D/A的接口時序，并完成兩個4×4鍵盤的自動掃描和兩個4位7段數(shù)碼管的自動掃描功能，使得用戶可以對CPLD模擬的I/O端口進行自定義，從而實現(xiàn)8路0～5 V的模擬輸入信號轉換為數(shù)字量、2路數(shù)字量轉換為0～5 V的模擬量并輸出，單片機I/O掛箱框圖如圖3所示。

2.4 多模式無線控制模塊設計[5]
    該綜合實驗臺除了能提供有線的網絡系統(tǒng)如RS485以及現(xiàn)場總線CC-Link、PLC、單片機等多模式控制外，根據(jù)工控的需要還設計了無線控制。無線控制方式包括紅外控制、無線調頻控制、基于GSM的短信控制等多種無線模塊，無線控制結構如圖4所示。

    (1)紅外無線控制：由無線發(fā)射遙控器、無線接收掛箱和無線控制對象三部分構成。無線發(fā)射遙控器采用PT2262無線編碼芯片和阻容器件構成無線發(fā)射電路；無線接收掛箱內安裝有無線接收控制板和12路輸出接口，輸出控制端口可以控制多類對象，如控制本實驗平臺上的變頻器、PLC的輸入端子等，用于距離較短的無線控制。
    (2)無線調頻控制：基于nRF905無線調頻模式完成PLC系統(tǒng)相對的遠距離控制，nRF905由一個完全集成的頻率合成器、一個帶接收解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體震蕩器和一個調制器組成。無線調頻控制可通過繼電器與PLC接口，通過單片機與PLC通信接口，通過單片機和RS232與PC機接口。其無線通信發(fā)射功率為100 mW，通信距離可達600~800 m，能滿足遠距離控制的要求。
    (3)基于GSM的短信控制：短信收發(fā)模塊選用德國Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊TC35，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(Short Message Service)和傳真。GSM的短信控制可通過繼電器與PLC接口，通過單片機和RS232與PLC接口，通過PC平臺發(fā)送短信控制PLC，通過PC平臺發(fā)送飛信控制PLC。
    (4)PLC無線上位監(jiān)控系統(tǒng)：采用無線模塊構成基于MCGS組態(tài)軟件的無線監(jiān)控、基于VB的無線監(jiān)控和基于飛信的短信監(jiān)控。
2.5 上位監(jiān)控與遠程監(jiān)控設計[6-9]
2.5.1上位監(jiān)控層
    上位監(jiān)控層采用觸摸屏,基于MCGS、易控、組態(tài)王等工業(yè)組態(tài)軟件以及LabVIEW實現(xiàn)常規(guī)的上位監(jiān)控，也可采用高級語言VB開發(fā)上位監(jiān)控界面。其中很重要的是給學生展現(xiàn)如何將底層設備與上位軟件連接。在與組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)交互上采用DDE動態(tài)數(shù)據(jù)交換模式、OPC和驅動程序設計等技術實現(xiàn)，使學生不但懂得上位監(jiān)控的基本技術，并能掌握全面的監(jiān)控系統(tǒng)建立過程。
2.5.2 遠程監(jiān)控
    工業(yè)組態(tài)軟件、LabVIEW都有Web發(fā)布功能，可比較容易地實現(xiàn)遠程監(jiān)控。另外比較有特色的是綜合實驗臺通過公用電話網絡和采用基于網際組態(tài)軟件WebAccess實現(xiàn)的遠程監(jiān)控。
    電話遠程控制器部分硬件系統(tǒng)框圖如圖5所示，以單片機AT89S52為核心,以DTMF解碼電路作為核心電路，輔之以振鈴檢測電路、模擬摘機掛機電路、LCD顯示電路、語音提示電路、接口電路等構成。遠程控制部分接收電話網發(fā)送來的雙音多頻信號，并對其進行解碼，解碼后的信號再由中央處理單元采集處理。電話遠程控制不但實現(xiàn)了PLC的TeleControl Severs 功能，而且將單片機等技術與PLC技術相結合，為學生提供了PLC和單片機對同一對象的兩種控制方式，還提供了VB通過RS232對單片機的數(shù)據(jù)采集以及DDE數(shù)據(jù)交互模式，具有很強的綜合性。

3 大綜合實驗平臺的效果
    遵照知識的系統(tǒng)性與認知的循序漸進性相結合的思想，該平臺主要可提供基礎實驗、應用實驗、綜合設計型三個層次。基礎實驗主要是PLC系統(tǒng)的一些基本的實驗操作和實驗技能進行嚴格的訓練；應用實驗主要是過程控制設備配合開設液位控制、溫度控制、同步運動系統(tǒng)實驗、PLCRS485以及現(xiàn)場總線CC-Link網絡通信實驗、無線控制實驗、電話遠程控制等單項或組合實驗項目；綜合設計實驗主要是涉及PLC技術、單片機技術、工程組態(tài)軟件技術、計算機技術、遠程控制技術、無線網絡技術等多方面知識的綜合應用，覆蓋面廣，綜合性強，這一階段以提高學生綜合素質為核心，重點加強學生思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
    本文所實現(xiàn)的模塊化的大綜合PLC實驗平臺結合了當前工業(yè)自動化應用技術，以課程群知識體系為主線，構建入門基礎型、技能拓展型、綜合設計型和研究創(chuàng)新型等多層次、模塊化實驗教學體系，具有層次性、綜合性、靈活性、前瞻性、實用性和先進性，其實驗項目豐富，綜合性強，并緊跟工業(yè)自動化的發(fā)展潮流，有效地提高學生的技術應用能力和創(chuàng)新實踐能力，取得了良好的實驗效果。
參考文獻
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