隨著科學技術的發展，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、單片機控制和數據采集、現場總線、工業組態軟件、通信及聯網、人機接口,以及Ethernet和基于Web遠程監控等技術領域，而且具有控制層、監控管理層、遠程監控層三層完整的網絡結構，改變了傳統的單一實驗模式，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、畢業設計，也可以作為課外創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,發揮想象力和創造力，在該實驗平臺上進行跨課程甚至跨學科的系統設計，開展工程訓練，有利于現代工程師的培養[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，使系統可靈活重組、擴展，以滿足課程的知識綜合、系統設計、創新研究、自主發揮的教學需求。
    實驗平臺整體架構如圖1所示。整個系統由多種被控對象、輸入輸出通道、控制器、上位監控與遠程監控構成。在數據交互模式上多樣化，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、基于步進電機的運動系統、標準的TM2運動機構、溫度試驗箱、液位槽等現場被控對象；
    (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、模擬系統和邏輯控制系統、有線或無線控制系統，并采用了RS485進行聯網，以及基于現場總線CC-Link的控制網；
    (3)上位監控層：觸摸屏完成現場的上位監控功能，基于MCGS、易控、組態王等工業組態軟件實現綜合的上位監控，基于LabVIEW的上位監控主要用于數據處理較多的場合，亦可用高級語言VB直接編寫的上位監控界面，可展示具有獨特風格的有自主知識產權的上位監控實現。
    (4)遠程監控層：采用基于組態軟件的Web功能實現遠程監控，同時提供通過公用電話網絡實現的遠程監控，目前還完成了基于網際組態軟件WebAccess的遠程監控系統。
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測、電源的啟停控制以及指示。
    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。可編程控制器試驗箱所有I/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現場的監控；通過RS-485接口可將多臺PLC連接成網絡，以實現系統自身以及與底層設備的方便組網；通過現場總線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的連接傳送創建的畫面數據。
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可展示步進電機和變頻系統的控制，可實現位置、轉速的控制，特別是可以提供兩個運動系統的同步控制，實現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，經內部設定函數關系輸出三相四拍的環形脈沖，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。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據采集。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8路0～5 V的模擬輸入信號轉換為數字量、2路數字量轉換為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如RS485以及現場總線CC-Link、PLC、單片機等多模式控制外，根據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。無線發射遙控器采用PT2262無線編碼芯片和阻容器件構成無線發射電路；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系統方案中的數據、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平臺發送短信控制PLC，通過PC平臺發送飛信控制PLC。
    (4)PLC無線上位監控系統：采用無線模塊構成基于MCGS組態軟件的無線監控、基于VB的無線監控和基于飛信的短信監控。
2.5 上位監控與遠程監控設計[6-9]
2.5.1上位監控層
    上位監控層采用觸摸屏,基于MCGS、易控、組態王等工業組態軟件以及LabVIEW實現常規的上位監控，也可采用高級語言VB開發上位監控界面。其中很重要的是給學生展現如何將底層設備與上位軟件連接。在與組態軟件的數據交互上采用DDE動態數據交換模式、OPC和驅動程序設計等技術實現，使學生不但懂得上位監控的基本技術，并能掌握全面的監控系統建立過程。
2.5.2 遠程監控
    工業組態軟件、LabVIEW都有Web發布功能，可比較容易地實現遠程監控。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軟件WebAccess實現的遠程監控。
    電話遠程控制器部分硬件系統框圖如圖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對單片機的數據采集以及DDE數據交互模式，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、同步運動系統實驗、PLCRS485以及現場總線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新能力的培養。
    本文所實現的模塊化的大綜合PLC實驗平臺結合了當前工業自動化應用技術，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，并緊跟工業自動化的發展潮流，有效地提高學生的技術應用能力和創新實踐能力，取得了良好的實驗效果。
參考文獻
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