基于無線通信的PLC教學實訓設備設計與開發

皮梁 黃輝

摘? 要：傳統PLC教學實訓設備實驗內容單一，僅能進行基本PLC控制實驗的短板，無法滿足當前PLC實訓教學的要求。該設備是整合PLC、觸摸屏、工業以太網、無線路由器等技術的自動控制教學設備，實現PLC無線通信，配合人機界面及無線通信設備進行現場及無線遠程監控等功能，通過該套設備可以進行從認識設備、選擇設備、設備安裝及接線、程序編寫、無線通信及組網到設備調試、運行監控及維護等專業知識學習和技能的訓練工作。

關鍵詞：PLC;無線通信;教學實訓設備

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

《可編程控制器原理》（PLC）是高等院校及職業院校自動化相關專業的一門專業必修課，要求學生除了掌握PLC控制技術的基本原理外，還要掌握常用PLC自動控制系統的設計、使用及維護知識。隨著科技的進步，自動控制技術也得到了快速發展，除傳統的PLC控制技術外，人機界面技術、觸摸屏技術、控制網絡技術及計算機監控技術在各行業的自動化工程中得到普遍應用，這些技術的進步對自動化類專業的PLC教學提出了更高的要求。傳統操作臺式PLC實訓裝置，僅能進行基本的PLC實驗，沒有將觸摸屏、工業以太網交換機、無線網等其他自動化設備和技術加以整合，不利于實訓者進行自動控制領域整體知識理論學習及實踐技能提高，因此在新技術條件下傳統PLC實訓裝置漸漸不能滿足目前的人才培養需求。同時還存在實驗內容固定、靈活性較差、價格較高、不利于規模化采購等缺點。就目前PLC自動控制系統的發展趨勢而言，有必要研究制造一種整合PLC、觸摸屏、工業以太網、無線通信等交叉技術于一體，攜帶方便、價格低的PLC教學實訓設備，以滿足當前PLC自動控制人才的培養的需求。

1 系統組成

該系統主要由PLC主機、工業以太網交換機、觸摸屏、無線路由器、低壓電源、低壓斷路器、步進電機等組成。移動計算機通過無線路由器、工業以太網交換機與PLC主機實現無線組網，所有設備以工業以太網交換機作為各組成設備數據傳輸的中樞，PLC作為控制核心，控制各自的輸入輸出模塊，利用觸摸屏監控設備運行情況。系統組成如圖1所示。

2 系統設計

PLC控制主機、工業以太網交換機、觸摸屏、無線路由器等主要設備均可選用不同品牌的設備，以滿足模擬應用的普遍性。

2.1 系統硬件

2.1.1 PLC主機

該設備包括3臺PLC主機，分別為西門子S7-1200、S7-1500及LOGO型PLC，這是西門子公司3種不同容量的PLC，作用是模擬通過設備無線監控不同類型PLC的運行情況。

2.1.2 工業以太網交換機及無線路由器

該設備包括1臺工業以太網交換機和2臺無線路由器，由它們構建局域網，數據傳輸采用PROFIBUS以太網接口，工業以太網交換機是整臺設備數據傳輸的中杻，通過網線與PLC主機、觸摸屏和無線路由器進行數據傳輸，考慮設備的小型化，選用西門子SCALANCE X208型。無線路由器采用工業3G無線路由器（VPN/DTU/Wi-Fi可選）及商用TP-LINK各1臺。

2.1.3 觸摸屏

該設備采用西門子觸摸屏Smart 700模塊，集成了RS 422/485 通信口，通信更加靈活，可以和市場主流的小型 PLC 建立穩定可靠的通信連接。（如三菱FX系列、歐姆龍CP1系列），也可以采用其他品牌的觸摸屏模塊。

2.1.4 其他硬件配置

PLC S7-1200CPU上面集成以太網接口、14點數字量輸入、10點數字量輸出、AC或DC電源形式集成電源（85-264V AC或24V DC）、具有頻率高達100 kHz的脈沖序列輸出具有頻率高達100 kHz的高速計數器，可擴展通信模塊。PLC S7-1500帶有3個PROFINET接口。

2.2 系統軟件

2.2.1 PLC編程軟件

采用西門子STEP 7 Basic（包括WinCC Basic）包括以任務為導向，智能和直觀的編輯器，使其成為編程控制器和組態HMI基本面板的一個通用工程組態框架。集成工程組態系統 SIMATIC STEP 7 Basic 可直觀而快速的實現工程組態功能，用于編程和調試全面的自動化解決方案。

2.2.2 組態軟件

設備人機界面的編輯采用WinCC flexible 軟件，其包括一系列執行各種組態任務的編輯器和工具。可使用多種便捷的功能來組態顯示畫面，例如縮放、旋轉和對齊等功能。在WinCC flexible中，可根據需要設置自己的工作環境。

2.2.3 通信協議

支持通信協議有PPI、MPI、PROFIBUS、以太網、S7協議、USS、MODBUS、自由口等協議，每個協議都有對應不同的組態方式。

3 功能驗證

此套設備用于模擬現代PLC自動控制系統設計、安裝調試及運行控制等內容，實訓者通過此套設備可以進行從認識設備、選擇設備、設備安裝及接線、程序編寫、無線通信及組網，到設備調試、運行監控及維護等專業知識學習和技能訓練。該設備網絡模式有2種。1）不接入因特網僅若干由無線路由器組成的局域網。2）接入因特網且帶有無線收發器的單位內網。此套設備的工作模式有2種。1）使用移動計算機或智能手機與設備完成無線組網，采用移動計算機或智能手機進行PLC編程，通過無線通信的方式與PLC進行數據通信，實現對系統的無線遠程控制與監視。2）使用工業計算機與設備進行有線組網，設備與計算機間通過數據線完成數據通信。同時，2種工作模式下都可以通過觸摸屏實現對系統的實時控制與監視，且設備上任意PLC的輸出控制均能由現場的任意觸摸屏模塊實現多地監控。信號覆蓋范圍決定無線路由器的信號覆蓋范圍，同時可根據需要增加無線路由器數量來增大信號覆蓋范圍。

4 結論

基于無線通信的PLC教學設備將PLC、觸摸屏、無線路由器、工業以太網交換機及移動計算機進行無線組網，具有輸入輸出接口豐富、功能可拓展性強，可用于模擬新技術條件下基于無線通信的PLC自動控制系統的設計、安裝調試及運行控制等內容。根據設備運行情況，設備可以實現無線組網以及移動計算機與設備的無線數據傳輸、無線監控及現場實時監控功能。根據實訓者運用此套設備的實訓情況，實訓者能較好地掌握關于無線通信的PLC自動控制系統的設計、安裝、調試及維護等相關理論知識和實踐操作技能。

參考文獻

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