隨著科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方案，該平臺(tái)融合了PLC、變頻器調(diào)速控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、單片機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)組態(tài)軟件、通信及聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)接口,以及Ethernet和基于Web遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑詫W(xué)生為本，注重提高學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，?gòu)建個(gè)性化、多元化和開放式的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，既能適應(yīng)綜合性課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，也可以作為課外創(chuàng)新實(shí)踐和各種學(xué)科競(jìng)賽的訓(xùn)練平臺(tái)，使學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí),發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行跨課程甚至跨學(xué)科的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開展工程訓(xùn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體構(gòu)架
    本綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)引用了科研中根據(jù)項(xiàng)目需求構(gòu)建研究平臺(tái)的思想，采用模塊化設(shè)計(jì)思路和組件式架構(gòu)原則，使系統(tǒng)可靈活重組、擴(kuò)展，以滿足課程的知識(shí)綜合、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新研究、自主發(fā)揮的教學(xué)需求。
    實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由多種被控對(duì)象、輸入輸出通道、控制器、上位監(jiān)控與遠(yuǎn)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(duì)象:有基于變頻器的調(diào)速系統(tǒng)、基于步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)的TM2運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、溫度試驗(yàn)箱、液位槽等現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象；
    (2)控制層：以PLC為核心的多模式控制，有基于單片機(jī)的電話遠(yuǎn)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(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，以及基于現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link的控制網(wǎng)；
    (3)上位監(jiān)控層：觸摸屏完成現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(chǎng)合，亦可用高級(jí)語言VB直接編寫的上位監(jiān)控界面，可展示具有獨(dú)特風(fēng)格的有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的上位監(jiān)控實(shí)現(xiàn)。
    (4)遠(yuǎn)程監(jiān)控層：采用基于組態(tài)軟件的Web功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)提供通過公用電話網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，目前還完成了基于網(wǎng)際組態(tài)軟件WebAccess的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
2 模塊化的大綜合PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單元模塊設(shè)計(jì)[2]
    大綜合PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)臺(tái)和實(shí)驗(yàn)對(duì)象組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)上下分為實(shí)驗(yàn)柜和實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)柜支持十個(gè)單元掛箱。按照掛箱的功能可以分為基本模塊、運(yùn)動(dòng)對(duì)象及驅(qū)動(dòng)模塊、模擬量采集模塊、無線控制幾個(gè)典型模塊，有多種掛箱可安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)還可以和標(biāo)準(zhǔn)的控制對(duì)象如機(jī)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(jì)
    該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(cè)、電源的啟?？刂埔约爸甘?。
    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?？删幊炭刂破髟囼?yàn)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(fù)使用。PLC帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232、RS-422和RS-485串行接口，通過RS-232接口可方便與計(jì)算機(jī)通信，完成程序下載和上位監(jiān)控；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還設(shè)計(jì)了RS-422接口，通過它可連接一個(gè)或多個(gè)觸摸屏實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控；通過RS-485接口可將多臺(tái)PLC連接成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)對(duì)象及驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
    雙軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械模型分別由步進(jìn)電機(jī)、三相交流電機(jī)兩個(gè)獨(dú)立的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)上配置，可以完成步進(jìn)電機(jī)、變頻電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)控制。該雙軸直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可展示步進(jìn)電機(jī)和變頻系統(tǒng)的控制，可實(shí)現(xiàn)位置、轉(zhuǎn)速的控制，特別是可以提供兩個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的同步控制，實(shí)現(xiàn)了以最少的資源提供盡可能多的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。另外，機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也使電氣專業(yè)的同學(xué)大大拓展了知識(shí)面。
    步進(jìn)電機(jī)、交流變頻電機(jī)都有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。
    步進(jìn)電機(jī)通過自制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(jī)；單片機(jī)測(cè)量PLC送來的脈沖頻率及識(shí)別方向信號(hào)，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(dòng)電路，控制場(chǎng)效應(yīng)管的開通和關(guān)斷，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)[3]。
    本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還設(shè)計(jì)了變頻器掛箱驅(qū)動(dòng)交流變頻電機(jī)，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(duì)稱安放于變頻器兩端。從上下來看，上部分為強(qiáng)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(cè)試端子。
2.3  模擬量采集模塊設(shè)計(jì)[4]
    模擬量采集模塊包括PLC標(biāo)準(zhǔn)的AD/DA模塊和自行設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的PLC模擬I/O模塊。本設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)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(jià)比地進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)采集。融合單片機(jī)、CPLD等知識(shí)，綜合試驗(yàn)臺(tái)提供了一種基于單片機(jī)的PLC模擬I/O模塊，它主要以STC12系列單片機(jī)為控制核心，實(shí)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(shí)現(xiàn)A/D、D/A的接口時(shí)序，并完成兩個(gè)4×4鍵盤的自動(dòng)掃描和兩個(gè)4位7段數(shù)碼管的自動(dòng)掃描功能，使得用戶可以對(duì)CPLD模擬的I/O端口進(jìn)行自定義，從而實(shí)現(xiàn)8路0～5 V的模擬輸入信號(hào)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(jī)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(jì)[5]
    該綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)除了能提供有線的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如RS485以及現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link、PLC、單片機(jī)等多模式控制外，根據(jù)工控的需要還設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)象，如控制本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(duì)的遠(yuǎn)距離控制，nRF905由一個(gè)完全集成的頻率合成器、一個(gè)帶接收解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)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(jī)與PLC通信接口，通過單片機(jī)和RS232與PC機(jī)接口。其無線通信發(fā)射功率為100 mW，通信距離可達(dá)600~800 m，能滿足遠(yuǎn)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(guó)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)(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(jī)和RS232與PLC接口，通過PC平臺(tái)發(fā)送短信控制PLC，通過PC平臺(tái)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(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)[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(shí)現(xiàn)常規(guī)的上位監(jiān)控，也可采用高級(jí)語言VB開發(fā)上位監(jiān)控界面。其中很重要的是給學(xué)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換模式、OPC和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使學(xué)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外比較有特色的是綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
    電話遠(yuǎn)程控制器部分硬件系統(tǒng)框圖如圖5所示，以單片機(jī)AT89S52為核心,以DTMF解碼電路作為核心電路，輔之以振鈴檢測(cè)電路、模擬摘機(jī)掛機(jī)電路、LCD顯示電路、語音提示電路、接口電路等構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制部分接收電話網(wǎng)發(fā)送來的雙音多頻信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行解碼，解碼后的信號(hào)再由中央處理單元采集處理。電話遠(yuǎn)程控制不但實(shí)現(xiàn)了PLC的TeleControl Severs 功能，而且將單片機(jī)等技術(shù)與PLC技術(shù)相結(jié)合，為學(xué)生提供了PLC和單片機(jī)對(duì)同一對(duì)象的兩種控制方式，還提供了VB通過RS232對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集以及DDE數(shù)據(jù)交互模式，具有很強(qiáng)的綜合性。

3 大綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的效果
    遵照知識(shí)的系統(tǒng)性與認(rèn)知的循序漸進(jìn)性相結(jié)合的思想，該平臺(tái)主要可提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型三個(gè)層次?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是PLC系統(tǒng)的一些基本的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行嚴(yán)格的訓(xùn)練；應(yīng)用實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、PLCRS485以及現(xiàn)場(chǎng)總線CC-Link網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)、無線控制實(shí)驗(yàn)、電話遠(yuǎn)程控制等單項(xiàng)或組合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要是涉及PLC技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、工程組態(tài)軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多方面知識(shí)的綜合應(yīng)用，覆蓋面廣，綜合性強(qiáng)，這一階段以提高學(xué)生綜合素質(zhì)為核心，重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
    本文所實(shí)現(xiàn)的模塊化的大綜合PLC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合了當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)，以課程群知識(shí)體系為主線，構(gòu)建入門基礎(chǔ)型、技能拓展型、綜合設(shè)計(jì)型和研究創(chuàng)新型等多層次、模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，具有層次性、綜合性、靈活性、前瞻性、實(shí)用性和先進(jìn)性，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目豐富，綜合性強(qiáng)，并緊跟工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展潮流，有效地提高學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。
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