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(wǎng)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(diào)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(wǎng)、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(wǎng)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(wǎng)絡結構。

    (1)底層對象:有基于變頻器的調(diào)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(wǎng)，以及基于現(xiàn)場總線CC-Link的控制網(wǎng)；
    (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(chǎn)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(wǎng)絡實現(xiàn)的遠程監(jiān)控，目前還完成了基于網(wǎng)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(wǎng)絡，以實現(xiàn)系統(tǒng)自身以及與底層設備的方便組網(wǎng)；通過現(xiàn)場總線CC-Link模塊FX2N-16CCL-M、FX2N-16CCL將PLC組成CC-Link網(wǎng)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(nèi)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(chǎn)生脈沖和方向指令，經(jīng)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(jīng)內(nèi)部設定函數(shù)關系輸出三相四拍的環(huán)形脈沖，經(jīng)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(diào)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(diào)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(wǎng)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(diào)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(nèi)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(diào)頻控制：基于nRF905無線調(diào)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(diào)器的接收器、一個功率放大器、一個晶體震蕩器和一個調(diào)制器組成。無線調(diào)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(wǎng)絡和采用基于網(wǎng)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(wǎng)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?；A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(wǎng)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(wǎng)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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