基于Arduino的PLC無線控制系統(tǒng)設計與實現

邢婭莉，廖 海

（1.廣東交通職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510800；2.緯創(chuàng)資通（中山）有限公司，廣東 中山 528437）

基于Arduino的PLC無線控制系統(tǒng)設計與實現

邢婭莉1，廖 海2

（1.廣東交通職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510800；2.緯創(chuàng)資通（中山）有限公司，廣東 中山 528437）

為解決生產線可編程邏輯系統(tǒng)（PLC）接線數量多、維修復雜等問題，設計基于Arduino的無線PLC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)核心部件為控制智能模塊、分線智能模塊，分別采用Arduino Mega 2560控制板與Arduino UNO控制板，利用該智能系統(tǒng)在PLC和生產線終端之間進行數據無線傳輸。測試結果表明：設計系統(tǒng)無線數據傳輸準確、可靠，可有效實現控制邏輯，且有效減小控制柜與分段接線盒間接線端子數量，有效降低系統(tǒng)安裝、維護難度，提高系統(tǒng)可擴展性。

PLC控制系統(tǒng)；Arduino控制板；智能模塊；無線通信

0 引 言

可編程邏輯控制系統(tǒng)（programmable logic controller，PLC），作為自動化領域三大技術支柱之一，具有實時性高、可靠性好、抗干擾能力強等優(yōu)點[1]。傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)以PLC為中心，輔以低壓控制器，實現生產過程的準確控制和管理[2]。沈凱明[3]設計、實現應用于電機與變壓器數字化測試平臺的PLC控制系統(tǒng)，利用Profibus總線連接電氣設備形成單主機控制網絡；Dai等[4]設計分布式PLC控制系統(tǒng)，并提出面向對象轉換、對象重用和面向類3種設計方法。傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)輸入輸出與終端采用一對一連接，終端越多，連接線越多，造成控制柜與分段接線盒間導線數量龐大[5]；同時，分段接線盒數量與生產線長度呈正比，各分段接線盒引出大量導線，給系統(tǒng)安裝、維護造成不便，降低系統(tǒng)可靠性。近年來，PLC無線控制系統(tǒng)越來越受重視[6-10]，Guo等[6]分析PLC與計算機通信原理，利用nRF2401實現PLC和計算機之間的無線通信；蔣林杰[7]構建分布式PLC控制系統(tǒng)，通過無線通信技術實現現場控制站點和中控室站點間數據傳輸，解決砂石加工現場布線難的問題。

本文提出基于Arduino的PLC無線控制系統(tǒng)，在控制柜與分段接線盒中分別增加控制智能模塊、分段智能模塊，智能模塊負責PLC與生產線終端無線通信，有效減少控制柜和分段接線盒間導線數量，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)兼容性、靈活性。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)架構設計

圖1為基于Arduino的PLC無線控制系統(tǒng)架構圖。該系統(tǒng)在控制柜中增加一個控制智能模塊，與PLC端子通過短導線連接；在生產線原分段接線盒中增加分段智能模塊，分別與對應終端子通過導線連接；控制智能模塊與各分段智能模塊之間通過無線串行通信進行數據傳輸。

圖1 基于Arduino的PLC控制無線系統(tǒng)架構圖

1.2 系統(tǒng)工作過程

圖2為PLC無線控制系統(tǒng)工作流程圖。圖2（a）中PLC輸出控制信號通過導線傳輸至控制智能模塊，控制智能模塊將接收到的控制信號進行轉換，并加入目標分段智能模塊編號，送入無線通信子模塊，以無線方式發(fā)送出去。生產線上所有分段接線盒中分段智能模塊的無線通信子模塊均會接收到該控制信號，智能模塊對無線信號進行處理、轉換，識別自身是否為目標分段智能模塊；若為目標分段智能模塊，則將控制信息轉換為終端輸出單元能識別的控制信息，并通過導線傳輸至相應終端單元進行動作控制，否則放棄該控制信號。圖2（b）中終端輸入單元（如傳感器、按鈕、行程開關等）將采集的信息傳輸至分段智能模塊，分段智能模塊將信息轉換并加上自身編號，通過無線通信子模塊以無線方式發(fā)送至控制柜中控制智能模塊?？刂浦悄苣K將信息重現并提取相應分段智能模塊及通道編號，通過導線傳輸至PLC輸入點，由PLC進行數據處理。

圖2 PLC控制無線系統(tǒng)工作流程圖

2 基于Arduino的智能模塊

控制智能模塊、分段智能模塊是本文PLC無線控制系統(tǒng)的核心，兩者硬件結構基本相同。圖3為智能模塊硬件結構圖，主要包括控制器、無線通信模塊、信號隔離與變換模塊、接線端子模塊、擴展接線端子模塊、擴展接口、電源模塊。從接線端子輸入點輸入的信號經隔離與變換模塊調理、轉換后傳輸至控制器，控制器將信號送入無線通信模塊緩存區(qū)并以無線方式發(fā)送出去。如果無線通信模塊接收到信號，則將數據暫存于緩存區(qū)中，再送入控制器，由控制器信號送隔離與變換模塊，經調理、轉換后發(fā)送至接線端子輸出點。

2.1 Arduino控制器模塊

圖3 智能模塊硬件結構

Arduino控制器模塊是智能模塊核心，它可驅動智能模塊中其他模塊，且具備可編程性。本文的控制智能模塊和分段智能模塊分別選用Arduino Mega2560控制板、Arduino UNO控制板。表1為UNO和Mega2560特性。

表1 UNO和Mega2560特性

2.2 無線通信模塊

Arduino控制板支持Ethernet、RS-485、APC220、ZigBee、Bluetooth、WiFi等通信模式?？紤]到成本及抗干擾能力等因素，本設計選用APC220-43作為無線通信模塊，它是一種多通道無線數據傳輸模塊，可設置多個頻道，工作頻率在418～455 MHz之間（1kHz步進），理論傳輸距離為1 000m，支持1 200，2 400，4 800，9 600，19 200，38 400，57 600 b/s 7種傳輸速率，具有功耗低、抗干擾強、靈敏度高等特性，適合于工業(yè)控制領域。

圖4為APC220-43與Arduino連接電路圖。Arduino控制板發(fā)送數據端TXD、接收數據端RXD分別與APC220-43接收數據端RXD、發(fā)送數據端TXD連接，EN為電源使能端，AUX為收發(fā)數據指示端（低電平接收，高電平發(fā)送），SET在低電平輸入時可設置APC220-43參數。Arduino控制板只需像操作串口一樣操作APC220-43，便可收發(fā)數據。

圖4 APC220-43與Arduino連接電路圖

2.3 信號隔離與變換模塊

信號隔離與變換模塊用于隔離智能模塊接線端子、擴展接線端子及擴展接口連接的外部電路、Arduino控制器，以提高控制器抗干擾能力；同時，該模塊將外部輸入信號電平轉換成適合控制器的電平，并將控制器輸出信號電平轉換成適合現場執(zhí)行機構或PLC的信號電平。圖5為信號隔離與變換模塊主要電路，包括輸入接口電路和繼電器輸出電路。

圖5 信號隔離與變換模塊主要電路

3 系統(tǒng)電磁兼容及抗干擾措施

為了使控制系統(tǒng)能適應工業(yè)現場的惡劣環(huán)境中，在硬件系統(tǒng)設計中采取了如下措施：

1）系統(tǒng)采用APC220-43無線通信模塊。該模塊采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，可以糾正24 bits連續(xù)突發(fā)錯誤，其抗干擾和靈敏度高于同類的數傳模塊，適合于工業(yè)控制領域。

2）系統(tǒng)輸入輸出接口采用光耦隔離和繼電器隔離措施。輸入接口電路采用光耦隔離，有效防止竄入控制器模塊的外部干擾；輸出接口電路的續(xù)流二極管能釋放感應電壓提高接口壽命，繼電器輸出具有隔離系統(tǒng)外部干擾的功能。

3）電源模塊加入了濾波網絡和整流橋。濾波網絡濾去來自開關電源的高頻干擾；整流橋可以防止反接電源導致的電路元件燒壞。另外，Arduino板載的穩(wěn)壓模塊能進一步穩(wěn)定電壓，減少紋波電壓。

4 系統(tǒng)性能測試

圖6為控制智能模塊和分段智能模塊實物圖?？刂葡到y(tǒng)中，PLC的輸入輸出信號不再直接通過并行的導線連接到分段接線盒，而是經過通信信道到達智能模塊。分段智能模塊的信息也通過通信信道傳遞到控制屏內的PLC中，成功將控制柜與分段接線盒間接線端子數量減少40%。對智能模塊及PLC無線控制系統(tǒng)各方面性能進行測試，包括輸入輸出信號傳輸測試、故障檢測功能測試、可編程邏輯控制功能測試。

圖6 控制智能模塊和分段智能模塊實物圖

1）信號傳輸測試。輸入信號傳輸測試在控制智能模塊與分段智能模塊不同通信距離情況下，通過PLC對不同執(zhí)行機構發(fā)出控制命令，測試對應執(zhí)行機構是否接收到該信號并執(zhí)行相應動作；輸出信號傳輸測試與輸入信號傳輸測試類似，不同之處僅在于由終端向PLC傳輸信號，檢測PLC是否正確接收到該信號。表2、表3分別為輸入、輸出信號傳輸測試結果，其中APC220-43工作頻率為455MHz，結果顯示在50，100，200，400 m無線通信距離下，輸入、輸出信號測試的信號電平轉換正確，傳輸成功率達100%，均能正確傳輸數據。

2）斷線故障測試。將配對的一個智能模塊斷電，檢測另一個智能模塊錯誤信號引腳是否顯示錯誤信號，若錯誤信號引腳電平由0 V變?yōu)? V，說明智能模塊故障檢測功能正常實現。因Arduino控制板具有可編程特性，智能模塊單獨使用時，可將其作為簡單開源PLC使用。Arduino控制板對工位控制邏輯進行測試，以檢測智能模塊可編程邏輯控制功能，并采用按鈕模擬輸入信號及LED顯示輸出信號。測試結果表明智能模塊可有效實現控制邏輯，說明本設計基于Arduino的智能模塊可作為可編程邏輯控制器使用。

由此可見，基于Arduino的PLC無線控制系統(tǒng)可正確輸入、輸出信號并正確傳輸信號，還可檢測智能模塊斷線、斷電故障，可作為簡單開源PLC使用進行邏輯控制。

5 結束語

1）提出一種基于Arduino的PLC無線控制系統(tǒng)，在控制柜和分段接線盒中分別增加控制智能模塊、分段智能模塊，PLC與生產線終端之間通過控制智能模塊與分段智能模塊進行無線數據傳輸，智能模塊負責信號電平轉換與隔離等。

表2 輸入信號傳輸測試結果

表3 輸出信號傳輸測試結果

2）控制智能模塊、分段智能模塊是PLC無線控制系統(tǒng)的核心部件，智能模塊的核心控制器采用成本低、簡單易用、兼容性強、擴展性強的Arduino控制板，其無線通信采用成本低、抗干擾能力強的APC220-43通信模塊，測試結果表明該系統(tǒng)數據傳輸可靠。

3）基于Arduino的PLC無線控制系統(tǒng)以無線通信方式代替生產線控制系統(tǒng)中PLC與分段接線盒之間的導線，將控制柜與分段接線盒間接線端子數量減少40%，降低系統(tǒng)初次投資成本，減少系統(tǒng)維護工作量和成本，增強系統(tǒng)的可擴展性。

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Design and realization of PLC wireless control systems based on Arduino

XING Yali1，LIAO Hai2
（1.Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510800，China；2.Wistron（Zhongshan）Corporation，Zhongshan 528437，China）

To solve complex wiring and difficult maintenance of existing PLC control systems of production lines，a PLC wireless control system was designed based on an Arduino control board. The system used control intelligent modules and branching intelligent modules to realize wireless communication between PLC and the production line terminal.The test results show that the wireless communication of this system is accurate and reliable and has reduced wiring terminals between the control cabinet and the segment junction box，effectively lowering the difficulty in system installation and maintenance and promoting system extensibility.

PLC control system；Arduino control board；intelligent module；wireless communication

A

：1674-5124（2015）07-0104-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.024

2014-09-17；

：2014-11-23

廣東省科技計劃項目（2012B010300023）

邢婭莉（1979-），女，河南開封市人，講師，碩士，研究方向為控制理論與控制工程。