吳 鴻，王益斌，余秋軍

(西南科技大學(xué) 城市學(xué)院，四川 綿陽 621000)

PLC控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于現(xiàn)代工作生產(chǎn)中，是自動(dòng)化生產(chǎn)的重要前提，作為工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，控制復(fù)雜工業(yè)流程，隨著PLC控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，系統(tǒng)管理能力和控制能力不斷增強(qiáng)，成為工業(yè)化生產(chǎn)的支柱，為自動(dòng)化生產(chǎn)加工提供重要保障[1]。PLC控制系統(tǒng)具備多層次抗干擾功能，具有功能多、速度快、存儲(chǔ)大的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)環(huán)境下，也可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，能夠與電力設(shè)備一起工作[2]。當(dāng)PLC工作環(huán)境過于惡劣時(shí)，例如沖擊振動(dòng)過強(qiáng)、電磁干擾嚴(yán)重、溫度濕度過高，系統(tǒng)可靠性會(huì)有所降低，甚至產(chǎn)生系統(tǒng)故障，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)造成影響，因此，對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，保證系統(tǒng)安全、功能完善，具有重要意義[3-4]。

現(xiàn)階段，PLC控制系統(tǒng)相關(guān)研究已較為成熟，將系統(tǒng)分為信息采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)控制3個(gè)部分，利用開門信號(hào)激活PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定程序，令系統(tǒng)執(zhí)行開門動(dòng)作，完成計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)等操作，自動(dòng)化控制機(jī)械生產(chǎn)環(huán)節(jié)[5]。針對(duì)控制系統(tǒng)一些學(xué)者也給出了較好的方法：文獻(xiàn)[6]采用基于異構(gòu)處理架構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)，開發(fā)PLC系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)組件，在PLC控制系統(tǒng)的單一處理器上，組成集成安全架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)處理的機(jī)器基本邏輯控制，但該系統(tǒng)組態(tài)開發(fā)移植性能較差，系統(tǒng)功耗較大。文獻(xiàn)[7]采用基于嵌入式的PLC控制系統(tǒng)，配置一個(gè)RISC輔助處理器，通過全功能遙控，實(shí)現(xiàn)邏輯指令控制處理功能，對(duì)掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但該系統(tǒng)集成安全機(jī)制不全面，系統(tǒng)功耗同樣較大。

針對(duì)以上問題，結(jié)合以上理論，提出基于ZigBee無線通信技術(shù)的PLC控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)，優(yōu)化ZigBee無線通信擴(kuò)展板，采用ZigBee無線通信技術(shù)，規(guī)范系統(tǒng)信息傳輸。

1 PLC控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

采用模塊式PLC，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。將PLC每個(gè)硬件單元制成獨(dú)立模塊，所有模塊都安插在母板上，選取一個(gè)中央處理單元CPU作為核心，得到一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的PLC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 PLC control system overall structure

利用中央處理器CPU，對(duì)工作環(huán)境的機(jī)械設(shè)備請(qǐng)求產(chǎn)生響應(yīng)，讀取生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，CPU型號(hào)選擇微電腦控制的CP1L型，通過存儲(chǔ)器接口，擴(kuò)展系統(tǒng)容量[8]。利用輸入/輸出接口，連接中央處理器和網(wǎng)關(guān)處理器，將生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)信息讀入CPU，根據(jù)CPU處理結(jié)果，驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備，利用I/O接口，擴(kuò)展系統(tǒng)輸入/輸出單元，對(duì)PLC進(jìn)行安全保護(hù)。經(jīng)由I/O接口安裝PLC外部設(shè)備，通過編程器接口，連接編程設(shè)備和CPU，通過打印機(jī)，以文字形式輸出生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，通過顯示器，顯示PLC控制系統(tǒng)信息，選擇F940-GOT型觸摸屏，作為系統(tǒng)顯示單元，發(fā)送系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、控制指令。系統(tǒng)電源選擇直流電源，在電源輸入端輸入電壓范圍很大的交流電流，采用單相橋式整流電路，配置具備單向?qū)щ娞匦缘脑骷呀涣麟娏鬓D(zhuǎn)換為直流電源，配置脈沖吸收電路，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境的抗干擾能力，令輸入/輸出設(shè)備使用24 V電源，PLC內(nèi)部則使用5 V電源，采用WCS2702型電流傳感器，集成電子線路，保護(hù)系統(tǒng)電路的電流[9]。選取RS-485通信擴(kuò)展板、CAB-1通信電纜、RS-422通信接口，組成ZigBee無線模塊，在通信擴(kuò)展板上安裝一個(gè)通信功能適配器，發(fā)送和接收通信數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)，使用通信電纜線，連接通信擴(kuò)展板和網(wǎng)關(guān)，再利用電纜屏蔽線，連接通信端口和通信擴(kuò)展板的相應(yīng)端子，實(shí)現(xiàn)ZigBee無線模塊的串行通信。網(wǎng)關(guān)接收所有傳感器的匯總信息，采用ARM處理器作為核心芯片，內(nèi)帶一個(gè)RJ45標(biāo)準(zhǔn)連接器插入接口，連接通信電纜[10]。至此完成PLC控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.2 優(yōu)化ZigBee無線通信擴(kuò)展板

圖2 ZigBee通信擴(kuò)展板外圍電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Peripheral circuit structure of ZigBeecommunication expansion board

外圍電路僅安裝少量電子元器件，全部引出S3C2440芯片引腳，通過引腳把外圍電路引至地板，ZigBee通信擴(kuò)展板的內(nèi)部時(shí)鐘電路，使用32M頻率型號(hào)的振蕩器進(jìn)行調(diào)節(jié)，外部電路則使用32.846 kHz、32 MHz兩種頻率的振蕩器進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過多時(shí)鐘電路，無功率放大電路信號(hào)，包括模擬量、開關(guān)量兩種類型，其中模擬量為電解液溫度、電壓、電流等信號(hào)，開關(guān)量為限位、啟動(dòng)、急停等信號(hào)[12]。選取C4電容、C5電容、R9電阻、Y1晶振，組成振蕩電路，利用晶頻，調(diào)頻模擬量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)，利用兩個(gè)電容，過濾S3C2440芯片電路波動(dòng)，采用8位位寬的全速數(shù)傳方式，傳輸數(shù)字信號(hào)，穩(wěn)定ZigBee通信擴(kuò)展板外圍電路的電壓。復(fù)位電路選擇雙復(fù)位方式，包括復(fù)位開關(guān)、R9電阻、C3電容，當(dāng)外圍電路出現(xiàn)故障后，按下復(fù)位開關(guān)，使PLC控制系統(tǒng)執(zhí)行復(fù)位操作，將高電平狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)換至低電平狀態(tài)信號(hào)，保護(hù)整個(gè)外圍電路[13]。

濾波電路使用多個(gè)引腳，通過電源引腳接通電源，其余引腳上拉電阻、下拉電阻，控制電源電壓在3.3～5.5 V，使用高速計(jì)數(shù)器，以波形信號(hào)形式，對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩路脈沖的輸入和輸出，利用光電耦合器，光電隔離一次濾波回路、二次濾波回路，采用三級(jí)管元件，作為濾波電路的外部驅(qū)動(dòng)，規(guī)定每個(gè)引腳數(shù)字信號(hào)的電平狀態(tài)，消除數(shù)字信號(hào)干擾變化。至此完成ZigBee通信擴(kuò)展板的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

1.3 ZigBee無線通信技術(shù)的系統(tǒng)信息通信

通過生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的誤差優(yōu)化算法，預(yù)處理采集數(shù)據(jù)，采用ZigBee無線通信技術(shù)，規(guī)范PLC控制系統(tǒng)信息通信。采用濾波算法，過濾網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)的冗余噪聲，考慮系統(tǒng)工作環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù)為離散分布，針對(duì)這一情況，設(shè)定系統(tǒng)控制變量數(shù)值穩(wěn)定，通過卡爾曼濾波，表示離散時(shí)域的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，表達(dá)式如下：

(1)

式中，S(x)、S(x-1)分別為x時(shí)刻、x-1時(shí)刻的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)估計(jì)值；A、B為系統(tǒng)定義參量；W(x)、V(x)分別為系統(tǒng)和工作環(huán)境的噪聲[14]。

計(jì)算x時(shí)刻、x-1時(shí)刻設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)估計(jì)值的協(xié)方差P(x/x-1)，公式為：

(2)

式中，H(x-1)、H(x)分別為x時(shí)刻、x-1時(shí)刻的系統(tǒng)觀測(cè)矩陣；R為系統(tǒng)協(xié)方差；Q為增益系數(shù)。

進(jìn)一步優(yōu)化P(x/x-1)，得到系統(tǒng)時(shí)刻最優(yōu)估計(jì)值K(x)，表達(dá)式為：

其中，N表示中心點(diǎn)x的局部圓形鄰域中像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)（包含x點(diǎn)），D(x,y)表示該鄰域內(nèi)的像素點(diǎn)y與中心點(diǎn)x之間的歐氏距離，r是局部圓形鄰域的半徑。由上述公式（6）可以看出，計(jì)算圓形鄰域權(quán)重值時(shí)，采用的是平滑算子，一定程度上也控制了噪聲和不均勻灰度帶來的影響。

(3)

式中，K(x-1)為x-1時(shí)刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)最優(yōu)估計(jì)值；L為K(x-1)值協(xié)方差；f為高斯白噪聲。

原始數(shù)據(jù)完成濾波處理之后，采用PID控制器優(yōu)化算法，使系統(tǒng)采集的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)變量，更加接近工作環(huán)境真實(shí)值，把每個(gè)生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)抽象為一個(gè)粒子，根據(jù)粒子移動(dòng)速度和移動(dòng)慣性，確定粒子空間位置，從而找到降低系統(tǒng)誤差的最優(yōu)路徑，定義PID控制器加權(quán)參數(shù)E1、E2，表達(dá)式為：

(4)

式中，a1、a2為粒子加速度；e1、e2為隨機(jī)參量；I(x)、O(x)分別為時(shí)刻粒子、粒子群的位置；D(x)為最優(yōu)位置；g為慣性參量；v(x)、v(x+1)為速度[15]。

系統(tǒng)方差狀態(tài)方程為：

(5)

式中，P′(x/x-1)為優(yōu)化后的系統(tǒng)方差。

原始數(shù)據(jù)預(yù)處理完畢后，通過4G網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)、WiFi，構(gòu)建ZigBee無線通信協(xié)議，令ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用Z-Stack協(xié)議棧，統(tǒng)一約定通信接口、通信格式、傳輸屬性、字符格式、數(shù)據(jù)格式等，使其共同遵守同一規(guī)范，把生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)信息傳輸至PC端，設(shè)置通信協(xié)議如下：無線通信方式為半雙工，最多可連接的變頻器為32臺(tái)，無線通信速率為可選擇的19 100、9 700、4 900 bit/s，控制協(xié)議為異步，停止位長為可選擇的1位、2位，字符方式為可選擇的7位、8位，通信數(shù)據(jù)命令、高位、低位為2字節(jié)，通信數(shù)據(jù)幀頭、幀尾、校驗(yàn)和為1字節(jié)，指令類型為復(fù)位指令、CPU與生產(chǎn)設(shè)備連接指令、生產(chǎn)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)指令、CPU對(duì)各參數(shù)優(yōu)化設(shè)置指令。至此完成基于ZigBee無線通信技術(shù)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)測(cè)試

將本文系統(tǒng)與基于異構(gòu)處理架構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)、基于嵌入式的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，比較系統(tǒng)運(yùn)行功耗。

2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將基于ZigBee無線通信技術(shù)的PLC控制系統(tǒng)及基于異構(gòu)處理架構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)、基于嵌入式的PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用于鑄件生產(chǎn)過程控制中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 鑄件生產(chǎn)過程Fig.3 Casting production process

在400 m2的封閉式環(huán)境內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，使用SmartRF04EB仿真器，編譯生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的誤差優(yōu)化算法，下載到ZigBee無線通信擴(kuò)展板，完成生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)置，無線通信擴(kuò)展板實(shí)物如圖4所示。

圖4 ZigBee無線通信擴(kuò)展板實(shí)物Fig.4 Physical figure of ZigBee wirelesscommunication expansion board

由圖4可知，優(yōu)化后的ZigBee無線通信擴(kuò)展板，其外圍電路由濾波電路、復(fù)位電路等組成。令系統(tǒng)無線通信模塊遵循ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，把無線通信擴(kuò)展板的USB接口連接到CPU，設(shè)置PLC控制系統(tǒng)的串口接口為COM1，波特率為15 200，結(jié)合編輯完成的PLC控制系統(tǒng)程序，調(diào)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單指令和復(fù)雜指令，檢查系統(tǒng)功能有無出錯(cuò)。調(diào)試完畢后，啟動(dòng)系統(tǒng)程序，當(dāng)通信擴(kuò)展板指示燈為紅色時(shí)，開始采集封閉環(huán)境內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，每隔12 s上傳采集數(shù)據(jù)至SComAssistant串口助手，由顯示屏顯示采集數(shù)據(jù)，如圖5所示。顯示界面左上端顯示ZigBee通信協(xié)議設(shè)置的執(zhí)行操作，串口界面可以直接觀測(cè)生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集情況，以圖片形式保存系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)。

圖5 PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集顯示界面Fig.5 Data acquisition and display interface of PLC control system

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

PLC控制系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集都要有穩(wěn)定且充足的電源供應(yīng)，由于電池功率限制，這就要求系統(tǒng)必須小功率運(yùn)行，為此在3種系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中分析系統(tǒng)功耗。在測(cè)試環(huán)境內(nèi)布置多個(gè)信號(hào)采集端子，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，通過SComAssistant串口助手監(jiān)測(cè)3種系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，PLC控制系統(tǒng)工作1個(gè)周期功耗表達(dá)式G為：

G=l1k1+l2k2

(6)

式中，l1、l2分別為工作、休眠的消耗電流，k1、k2分別為工作、休眠的時(shí)間。

將生產(chǎn)設(shè)備采集—采集數(shù)據(jù)發(fā)送作為一個(gè)任務(wù)，設(shè)置3種系統(tǒng)完成一個(gè)任務(wù)的耗費(fèi)時(shí)間為10 min，在10 min的系統(tǒng)工作周期內(nèi)，改變工作時(shí)間和休眠時(shí)間，比較3種系統(tǒng)的消耗電量。

在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中加入70～200 dB噪聲，測(cè)試噪音環(huán)境下的系統(tǒng)功耗，實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 功耗實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果(一)Fig.6 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅰ)

由圖6可知，工作周期內(nèi)的工作時(shí)間增加，系統(tǒng)功耗也隨之增加，噪聲環(huán)境下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成一個(gè)數(shù)據(jù)采集-發(fā)送任務(wù)后，平均消耗電量為289.7 mAs，基于異構(gòu)處理架構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)平均功耗為318.8 mAs，基于嵌入式的PLC控制系統(tǒng)平均功耗為328.2 mAs，設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行功耗分別減少了29.1、38.5 mAs。

改變生產(chǎn)設(shè)備振動(dòng)頻率，比較沖擊環(huán)境下的系統(tǒng)功耗，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，沖擊環(huán)境下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)平均功耗為299.1 mAs，另外2種系統(tǒng)平均功耗分別為331.3、356.5 mAs，設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行功耗分別減少了32.2、57.4 mAs。

圖7 功耗實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果(二)Fig.7 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅱ)

調(diào)節(jié)封閉環(huán)境室內(nèi)溫度，比較高溫環(huán)境下的系統(tǒng)功耗，結(jié)果如圖8所示。

圖8 功耗實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果(三)Fig.8 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅲ)

由圖8可知，高溫環(huán)境下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)平均功耗為275.4 mAs，另外兩種系統(tǒng)平均功耗分別為296.8、352.3 mAs，設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行功耗分別減少了21.4、76.9 mAs。綜上所述，本文系統(tǒng)減少了運(yùn)行功耗，對(duì)電源電池起到了節(jié)能優(yōu)化的作用。

3 結(jié)語

本文研究充分發(fā)揮了ZigBee無線通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)，改造ZigBee無線通信擴(kuò)展板，使用ZigBee無線通信協(xié)議設(shè)計(jì)了一種PLC控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、發(fā)送過程中，減少了系統(tǒng)功耗。但本文系統(tǒng)仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化ZigBee協(xié)議棧的訪問參數(shù)，提高ZigBee通信信道的抗干擾能力，使PLC控制系統(tǒng)同時(shí)控制同一頻段的生產(chǎn)設(shè)備。