基于無(wú)線通信的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏書(shū)豪，董曉春

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引 言

傳統(tǒng)的有線可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)布線復(fù)雜，維護(hù)困難，無(wú)法滿足靈活移動(dòng)控制的需求，因此基于無(wú)線通信技術(shù)的PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。文章在介紹無(wú)線通信技術(shù)和PLC 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)路徑，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其控制性能，為無(wú)線PLC 控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供參考。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 無(wú)線通信技術(shù)的概念

無(wú)線通信技術(shù)是利用無(wú)線電波或其他電磁波在不依賴線性媒質(zhì)的情況下實(shí)現(xiàn)信息傳輸和交換的技術(shù)。相比有線通信，無(wú)線通信以其制約少、移動(dòng)靈活的特點(diǎn)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域展現(xiàn)巨大應(yīng)用前景。無(wú)線通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)3 個(gè)部分組成[1]。發(fā)射機(jī)調(diào)制信息載波為射頻信號(hào)，并通過(guò)天線將其發(fā)送出去，該信號(hào)在空間傳播的過(guò)程中會(huì)衰減、衍射、反射等，信道負(fù)責(zé)對(duì)傳播特性進(jìn)行描述。接收機(jī)天線接收的信號(hào)先被放大濾波，然后進(jìn)行解調(diào)以恢復(fù)原信息。

1.2 PLC 控制系統(tǒng)的的內(nèi)涵及特征

PLC 控制系統(tǒng)作為一種數(shù)字化、智能化、模塊化的自動(dòng)控制設(shè)備，相比傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，具有編程靈活性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)及高可靠性等顯著優(yōu)點(diǎn)[2]。PLC 的工作原理是不斷掃描和執(zhí)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(chǔ)系統(tǒng)、輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口模塊等。例如，Siemens S7-300 PLC 集成了針對(duì)邏輯和算術(shù)運(yùn)算以及計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)及比例運(yùn)算優(yōu)化的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊。工作過(guò)程中，PLC 根據(jù)控制指令循環(huán)地檢測(cè)輸入信號(hào)，根據(jù)內(nèi)部邏輯關(guān)系運(yùn)算并生成相應(yīng)的輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)連續(xù)控制外圍被控設(shè)備，起到可編程的自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)作用[3]。

2 融合無(wú)線通信技術(shù)的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)與PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)基于無(wú)線通信的PLC 過(guò)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體采用分散控制結(jié)構(gòu)，由中央控制站、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通信子站和分散布置的PLC 局部控制站構(gòu)成。

中央控制站由工業(yè)計(jì)算機(jī)服務(wù)器和遠(yuǎn)程無(wú)線通信終端組成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的監(jiān)控與運(yùn)維。中央站系統(tǒng)軟件建立于Windows Server 2008 和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，通過(guò)IE 瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)PLC 和從站通信模塊的遠(yuǎn)程參數(shù)配置、控制邏輯下裝和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)被遮蔽的影響，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置區(qū)域設(shè)置了多個(gè)無(wú)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(biāo)準(zhǔn)無(wú)線通信模塊，工作在2.4 GHz ISM 頻段；采用IEEE 802.15.4 規(guī)范設(shè)計(jì)的無(wú)線傳輸協(xié)議，傳輸速率可達(dá)250 kb/s，理論覆蓋范圍超過(guò)350 m，且支持128 位高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）加密，以保證無(wú)線通信安全性[4]。

2.2 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的核心無(wú)線通信模塊選用SIMATIC RF160R 設(shè)備。該模塊提供非專(zhuān)用無(wú)線電信道，適用于在瞬時(shí)發(fā)射大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合。RF160R 采用IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)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(xié)議，PHY 層使用DSSS 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，芯片數(shù)據(jù)速率可達(dá)250 kb/s。此外，模塊集成多進(jìn)多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）功能，支持天線分集，可以有效擴(kuò)展無(wú)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(fā)射功率為50 mW，用戶無(wú)線信道和出廠默認(rèn)信道均可設(shè)置。模塊提供自動(dòng)路由選擇能力和頻率跳變機(jī)制，可在不同子網(wǎng)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索，自動(dòng)選擇最佳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接。考慮安全因素，支持采用AES對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行128 位加密。

SIMATIC RF160R 無(wú)線模塊可直接與Siemens S7系列PLC 相連，將無(wú)線與線控集成在一個(gè)控制系統(tǒng)中。無(wú)線數(shù)據(jù)通過(guò)PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)接口直接與PLC 的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行匹配訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)便捷而高效的互聯(lián)互通。該系統(tǒng)將無(wú)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(zhuǎn)時(shí)間TTR的公式為

式中：N為從站數(shù)量；C為信道數(shù)據(jù)速率。

2.3 PLC 控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(hào)I/O、PROFINET 接口以及高速計(jì)數(shù)器，組態(tài)靈活，適用于處理邏輯控制、斷點(diǎn)續(xù)傳、本地I/O 信號(hào)等任務(wù)。

S7-1200 CPU 的工作原理基于連續(xù)循環(huán)，不斷讀取輸入值，執(zhí)行用戶編寫(xiě)的程序，然后連續(xù)輸出結(jié)果。S7-1200 CPU 是一款強(qiáng)大的32 位微處理器，用戶程序存儲(chǔ)于可插拔微型安全數(shù)字存儲(chǔ)器（Micro Secure Digital memory，Micro SD）卡，通過(guò)PROFINET 接口有效地與上位機(jī)和其他智能設(shè)備進(jìn)行通信。同時(shí)，配備6 個(gè)高速計(jì)數(shù)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(jí)指令。為適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)控制站的需求，該CPU 可以配置在較高的周期時(shí)間下運(yùn)行，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的確定性。例如，可以將掃描時(shí)間設(shè)定為50 ms，以達(dá)到理想的性能表現(xiàn)。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求復(fù)雜度，本地控制站能夠靈活地?cái)U(kuò)展相應(yīng)的通信模塊和信號(hào)模塊。考慮本系統(tǒng)中的浮動(dòng)控制站需要變頻調(diào)速控制，選用S7-1200 SM1242 模塊執(zhí)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(shù)轉(zhuǎn)換分辨率達(dá)12 bits，脈沖寬度調(diào)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(zhuǎn)換可采用積分控制算法，在不產(chǎn)生積分飽和的情況下獲得零穩(wěn)態(tài)誤差。其中，設(shè)PWM 周期時(shí)間為T(mén)，占空比的比例為k，對(duì)應(yīng)的輸出電壓值U公式為

式中：E為電源電壓；t為時(shí)間。

2.4 系統(tǒng)集成與調(diào)試

在完成系統(tǒng)軟硬件選型及模塊功能定義后，需要進(jìn)行設(shè)備集成與聯(lián)調(diào)測(cè)試。本系統(tǒng)涉及中央監(jiān)控平臺(tái)、多個(gè)子站PLC 和現(xiàn)場(chǎng)控制站，因此集成調(diào)試需要分級(jí)開(kāi)展。首先，在實(shí)驗(yàn)室條件下，建立由1 個(gè)中央監(jiān)控站、1 個(gè)子站和2 個(gè)局部控制站構(gòu)成的小規(guī)模測(cè)試平臺(tái)，所有設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)連接。其次，利用Siemens STEP 7 工程軟件完成2 個(gè)局部控制站S7-1200 PLC 系列的應(yīng)用程序配置，實(shí)現(xiàn)基本的開(kāi)環(huán)控制功能并下載測(cè)試；再次，利用STEP 7 的設(shè)備配置功能激活無(wú)線通信模塊，檢查子站和中央站的無(wú)線連接是否正常；最后，在STEP 7 的運(yùn)行監(jiān)視窗口和中央站監(jiān)控界面監(jiān)測(cè)無(wú)線通信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、圖像，完成小規(guī)模的聯(lián)網(wǎng)測(cè)試。在測(cè)試通過(guò)后，系統(tǒng)搭建可以推廣到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。由于現(xiàn)場(chǎng)條件更為復(fù)雜，因此需要優(yōu)化設(shè)備布置，重復(fù)節(jié)點(diǎn)布放，保證良好的無(wú)線連接信號(hào)。同時(shí)，應(yīng)用程序中需要加入針對(duì)無(wú)線通信故障和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急情況的處理機(jī)制。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行規(guī)模化部署后，利用中央站系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理功能監(jiān)測(cè)從站和局部控制站的狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)與性能分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與設(shè)備

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于無(wú)線通信的PLC 控制系統(tǒng)的控制效果，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如下：1 臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)（配置為Intel i5-6500 3.2 GHz四核CPU、8 GB 內(nèi)存、Windows 7 系統(tǒng)及Siemens STEP 7 v5.5 軟件），將其作為空調(diào)變量頻控制的中央監(jiān)控站；2 個(gè)S7-1200 系列PLC，分別裝配CPU、數(shù)字量I/O 模塊、模擬量I/O 模塊以及RF160R 無(wú)線模塊。其中一個(gè)PLC 作為子站，另一個(gè)PLC 作為控制執(zhí)行站；1 臺(tái)變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；若干個(gè)溫度傳感器、調(diào)光傳感器等模擬輸入模塊，照明燈負(fù)載作為PWM 控制輸出。所有智能控制設(shè)備通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)連接，無(wú)線模塊工作在2.4 GHz ISM 頻段，發(fā)射功率為20 mW，基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，信道數(shù)據(jù)速率為250 kb/s，采用16 位PANID 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，網(wǎng)絡(luò)層采用Mesh 樹(shù)型拓?fù)洌ㄐ啪嚯x覆蓋整個(gè)實(shí)驗(yàn)室區(qū)域。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

首先，在STEP 7 編程環(huán)境中，利用結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言編寫(xiě)溫度閉環(huán)PID 控制邏輯，通過(guò)無(wú)線從站S7-1200 的模擬量I/O 口獲取溫度設(shè)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(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂瓶照{(diào)吹風(fēng)速率。同時(shí)，編寫(xiě)燈光照度的PWM 控制程序，照度反饋通過(guò)無(wú)線I/O傳輸，PWM 輸出信號(hào)控制智能燈的亮度。完成邏輯編寫(xiě)后，通過(guò)PROFINET 工業(yè)以太網(wǎng)下裝控制程序至2 個(gè)控制站。

其次，在中央監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)運(yùn)行界面中，激活無(wú)線通信模塊，建立子站和控制站的無(wú)線連接，并在調(diào)試狀態(tài)下下載控制邏輯至2 個(gè)控制站。手動(dòng)或在監(jiān)視表中給入模擬量輸入，觀察控制站的輸出狀況，檢查無(wú)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(fù)載，切換兩條控制邏輯到自動(dòng)模式，通過(guò)修改溫度設(shè)定值、照度設(shè)定值，記錄變頻器輸出轉(zhuǎn)速、燈光輸出PWM 信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)溫度和照度的變化曲線，分析響應(yīng)速度、調(diào)整時(shí)間和穩(wěn)態(tài)控制精度等控制性能指標(biāo)，從而完成無(wú)線通信PLC 控制系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)溫度閉環(huán)控制的控制效果如表1 所示，照度閉環(huán)控制的控制效果如表2 所示。

表1 溫度閉環(huán)控制控制性能測(cè)試結(jié)果

表2 系統(tǒng)控制性能測(cè)試結(jié)果

從表1 和表2 中可以看出，溫度和照度的控制響應(yīng)速度可以達(dá)到工程要求，分別為5 s 和2 s；關(guān)閉環(huán)調(diào)整時(shí)間也較短；在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，溫度的波動(dòng)控制在±1 ℃以內(nèi)，照度波動(dòng)也控制在±5%以內(nèi)，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制精度的要求；溫度和照度的過(guò)渡過(guò)程中，升降時(shí)間和過(guò)沖量也較小。由此表明，文章設(shè)計(jì)的基于無(wú)線通信技術(shù)和S7-1200 PLC 的過(guò)程控制系統(tǒng)可以完成對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程變量的監(jiān)控與控制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和照度的閉環(huán)控制，無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路可靠，控制效果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷進(jìn)步，無(wú)線通信技術(shù)在PLC 控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。文章設(shè)計(jì)基于無(wú)線通信的PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)其控制性能穩(wěn)定可靠。結(jié)果表明，系統(tǒng)能高效完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程變量的監(jiān)控與控制，無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定，控制效果滿足設(shè)計(jì)要求。