基于无线通信的PLC教学实训设备设计与开发

    皮梁 黄辉

    

    摘? 要：传统PLC教学实训设备实验内容单一，仅能进行基本PLC控制实验的短板，无法满足当前PLC实训教学的要求。该设备是整合PLC、触摸屏、工业以太网、无线路由器等技术的自动控制教学设备，实现PLC无线通信，配合人机界面及无线通信设备进行现场及无线远程监控等功能，通过该套设备可以进行从认识设备、选择设备、设备安装及接线、程序编写、无线通信及组网到设备调试、运行监控及维护等专业知识学习和技能的训练工作。

    关键词：PLC;无线通信;教学实训设备

    中图分类号：TP273? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

    0 引言

    《可编程控制器原理》（PLC）是高等院校及职业院校自动化相关专业的一门专业必修课，要求学生除了掌握PLC控制技术的基本原理外，还要掌握常用PLC自动控制系统的设计、使用及维护知识。随着科技的进步，自动控制技术也得到了快速发展，除传统的PLC控制技术外，人机界面技术、触摸屏技术、控制网络技术及计算机监控技术在各行业的自动化工程中得到普遍应用，这些技术的进步对自动化类专业的PLC教学提出了更高的要求。传统操作台式PLC實训装置，仅能进行基本的PLC实验，没有将触摸屏、工业以太网交换机、无线网等其他自动化设备和技术加以整合，不利于实训者进行自动控制领域整体知识理论学习及实践技能提高，因此在新技术条件下传统PLC实训装置渐渐不能满足目前的人才培养需求。同时还存在实验内容固定、灵活性较差、价格较高、不利于规模化采购等缺点。就目前PLC自动控制系统的发展趋势而言，有必要研究制造一种整合PLC、触摸屏、工业以太网、无线通信等交叉技术于一体，携带方便、价格低的PLC教学实训设备，以满足当前PLC自动控制人才的培养的需求。

    1 系统组成

    该系统主要由PLC主机、工业以太网交换机、触摸屏、无线路由器、低压电源、低压断路器、步进电机等组成。移动计算机通过无线路由器、工业以太网交换机与PLC主机实现无线组网，所有设备以工业以太网交换机作为各组成设备数据传输的中枢，PLC作为控制核心，控制各自的输入输出模块，利用触摸屏监控设备运行情况。系统组成如图1所示。

    2 系统设计

    PLC控制主机、工业以太网交换机、触摸屏、无线路由器等主要设备均可选用不同品牌的设备，以满足模拟应用的普遍性。

    2.1 系统硬件

    2.1.1 PLC主机

    该设备包括3台PLC主机，分别为西门子S7-1200、S7-1500及LOGO型PLC，这是西门子公司3种不同容量的PLC，作用是模拟通过设备无线监控不同类型PLC的运行情况。

    2.1.2 工业以太网交换机及无线路由器

    该设备包括1台工业以太网交换机和2台无线路由器，由它们构建局域网，数据传输采用PROFIBUS以太网接口，工业以太网交换机是整台设备数据传输的中杻，通过网线与PLC主机、触摸屏和无线路由器进行数据传输，考虑设备的小型化，选用西门子SCALANCE X208型。无线路由器采用工业3G无线路由器（VPN/DTU/Wi-Fi可选）及商用TP-LINK各1台。

    2.1.3 触摸屏

    该设备采用西门子触摸屏Smart 700模块，集成了RS 422/485 通信口，通信更加灵活，可以和市场主流的小型 PLC 建立稳定可靠的通信连接。（如三菱FX系列、欧姆龙CP1系列），也可以采用其他品牌的触摸屏模块。

    2.1.4 其他硬件配置

    PLC S7-1200CPU上面集成以太网接口、14点数字量输入、10点数字量输出、AC或DC电源形式集成电源（85-264V AC或24V DC）、具有频率高达100 kHz的脉冲序列输出具有频率高达100 kHz的高速计数器，可扩展通信模块。PLC S7-1500带有3个PROFINET接口。

    2.2 系统软件

    2.2.1 PLC编程软件

    采用西门子STEP 7 Basic（包括WinCC Basic）包括以任务为导向，智能和直观的编辑器，使其成为编程控制器和组态HMI基本面板的一个通用工程组态框架。集成工程组态系统 SIMATIC STEP 7 Basic 可直观而快速的实现工程组态功能，用于编程和调试全面的自动化解决方案。

    2.2.2 组态软件

    设备人机界面的编辑采用WinCC flexible 软件，其包括一系列执行各种组态任务的编辑器和工具。可使用多种便捷的功能来组态显示画面，例如缩放、旋转和对齐等功能。在WinCC flexible中，可根据需要设置自己的工作环境。

    2.2.3 通信协议

    支持通信协议有PPI、MPI、PROFIBUS、以太网、S7协议、USS、MODBUS、自由口等协议，每个协议都有对应不同的组态方式。

    3 功能验证

    此套设备用于模拟现代PLC自动控制系统设计、安装调试及运行控制等内容，实训者通过此套设备可以进行从认识设备、选择设备、设备安装及接线、程序编写、无线通信及组网，到设备调试、运行监控及维护等专业知识学习和技能训练。该设备网络模式有2种。1）不接入因特网仅若干由无线路由器组成的局域网。2）接入因特网且带有无线收发器的单位内网。此套设备的工作模式有2种。1）使用移动计算机或智能手机与设备完成无线组网，采用移动计算机或智能手机进行PLC编程，通过无线通信的方式与PLC进行数据通信，实现对系统的无线远程控制与监视。2）使用工业计算机与设备进行有线组网，设备与计算机间通过数据线完成数据通信。同时，2种工作模式下都可以通过触摸屏实现对系统的实时控制与监视，且设备上任意PLC的输出控制均能由现场的任意触摸屏模块实现多地监控。信号覆盖范围决定无线路由器的信号覆盖范围，同时可根据需要增加无线路由器数量来增大信号覆盖范围。

    4 结论

    基于无线通信的PLC教学设备将PLC、触摸屏、无线路由器、工业以太网交换机及移动计算机进行无线组网，具有输入输出接口丰富、功能可拓展性强，可用于模拟新技术条件下基于无线通信的PLC自动控制系统的设计、安装调试及运行控制等内容。根据设备运行情况，设备可以实现无线组网以及移动计算机与设备的无线数据传输、无线监控及现场实时监控功能。根据实训者运用此套设备的实训情况，实训者能较好地掌握关于无线通信的PLC自动控制系统的设计、安装、调试及维护等相关理论知识和实践操作技能。

    参考文献

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    [2]朱梅，陈健伟.基于CIP协议的PLC无线以太网通信[J].电脑知识与技术，2009，5（34）：9661-9664.

    [3]张惠娣，汪昌固，王贤成.基于无线通信和PLC的网箱自动投饵系统设计[J].控制工程，2014，21（4）：520-523.