隨著科學技術(shù)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(luò)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(shù),。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(qū)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(shù)領(lǐng)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(luò)結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(shè)計、畢業(yè)設(shè)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(shè)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(gòu)架
    本綜合實驗平臺的架構(gòu)引用了科研中根據(jù)項目需求構(gòu)建研究平臺的思想,，采用模塊化設(shè)計思路和組件式架構(gòu)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(shè)計、創(chuàng)新研究,、自主發(fā)揮的教學需求,。
    實驗平臺整體架構(gòu)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(gòu)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(luò)結(jié)構(gòu)。

    (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(gòu)、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(quán)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(luò)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(shè)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(qū)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(shè)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(guān)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?？刂埔约爸甘尽?br/>     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(jiān)控；實驗平臺還設(shè)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(luò)，以實現(xiàn)系統(tǒng)自身以及與底層設(shè)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(luò)。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(qū)動模塊設(shè)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(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)動器,。
    步進電機通過自制步進電機驅(qū)動模塊進行驅(qū)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(shè)定函數(shù)關(guān)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(qū)動電路，控制場效應管的開通和關(guān)斷,，進而驅(qū)動步進電機[3],。
    本實驗平臺還設(shè)計了變頻器掛箱驅(qū)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(shè)計[4]
    模擬量采集模塊包括PLC標準的AD/DA模塊和自行設(shè)計的基于單片機的PLC模擬I/O模塊。本設(shè)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(zhuǎn)換為數(shù)字量、2路數(shù)字量轉(zhuǎn)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(shè)計[5]
    該綜合實驗臺除了能提供有線的網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)成,。無線發(fā)射遙控器采用PT2262無線編碼芯片和阻容器件構(gòu)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(gòu)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(shè)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(shè)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(qū)動程序設(shè)計等技術(shù)實現(xiàn),，使學生不但懂得上位監(jiān)控的基本技術(shù)，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(luò)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(gòu)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(shù)與PLC技術(shù)相結(jié)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(jié)合的思想，該平臺主要可提供基礎(chǔ)實驗,、應用實驗,、綜合設(shè)計型三個層次?；A(chǔ)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(shè)備配合開設(shè)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(luò)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(shè)計實驗主要是涉及PLC技術(shù)、單片機技術(shù),、工程組態(tài)軟件技術(shù),、計算機技術(shù),、遠程控制技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(zhì)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(jié)合了當前工業(yè)自動化應用技術(shù),，以課程群知識體系為主線,，構(gòu)建入門基礎(chǔ)型、技能拓展型,、綜合設(shè)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(shù)應用能力和創(chuàng)新實踐能力，取得了良好的實驗效果,。
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