基于无线通信的PLC 控制系统设计与实现

魏书豪，董晓春

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250100）

0 引 言

传统的有线可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系统布线复杂，维护困难，无法满足灵活移动控制的需求，因此基于无线通信技术的PLC 控制系统应运而生。文章在介绍无线通信技术和PLC 控制系统的基础上，详细探讨该系统的设计与实现路径，并通过实验验证其控制性能，为无线PLC 控制系统的工程应用提供参考。

1 技术基础

1.1 无线通信技术的概念

无线通信技术是利用无线电波或其他电磁波在不依赖线性媒质的情况下实现信息传输和交换的技术。相比有线通信，无线通信以其制约少、移动灵活的特点在工业过程控制领域展现巨大应用前景。无线通信系统由发射机、信道和接收机3 个部分组成[1]。发射机调制信息载波为射频信号，并通过天线将其发送出去，该信号在空间传播的过程中会衰减、衍射、反射等，信道负责对传播特性进行描述。接收机天线接收的信号先被放大滤波，然后进行解调以恢复原信息。

1.2 PLC 控制系统的的内涵及特征

PLC 控制系统作为一种数字化、智能化、模块化的自动控制设备，相比传统的继电器控制系统，具有编程灵活性强、抗干扰能力强及高可靠性等显著优点[2]。PLC 的工作原理是不断扫描和执行用户编制的控制逻辑程序，主要组成部分包括中央处理器、存储系统、输入/输出（Input/Output，I/O）接口模块等。例如，Siemens S7-300 PLC 集成了针对逻辑和算术运算以及计数、计时及比例运算优化的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）模块。工作过程中，PLC 根据控制指令循环地检测输入信号，根据内部逻辑关系运算并生成相应的输出信号，实时连续控制外围被控设备，起到可编程的自动操纵机构作用[3]。

2 融合无线通信技术的PLC 控制系统设计与实现

2.1 系统总体设计

结合无线通信技术与PLC 控制系统的优势，设计基于无线通信的PLC 过程控制系统。系统总体采用分散控制结构，由中央控制站、现场无线通信子站和分散布置的PLC 局部控制站构成。

中央控制站由工业计算机服务器和远程无线通信终端组成，负责实现整体系统的监控与运维。中央站系统软件建立于Windows Server 2008 和SQL Server数据库平台，采用浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）架构，通过IE 浏览器实现对下位机PLC 和从站通信模块的远程参数配置、控制逻辑下装和运行状态监测等功能。考虑无线网络信号被遮蔽的影响，在现场设备布置区域设置了多个无线通信子站，采用Siemens SIMATIC S7-1200 系列PLC 作为子站控制核心；配备SIMATIC RF160R 标准无线通信模块，工作在2.4 GHz ISM 频段；采用IEEE 802.15.4 规范设计的无线传输协议，传输速率可达250 kb/s，理论覆盖范围超过350 m，且支持128 位高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）加密，以保证无线通信安全性[4]。

2.2 无线通信模块设计

系统中的核心无线通信模块选用SIMATIC RF160R 设备。该模块提供非专用无线电信道，适用于在瞬时发射大量数据的应用场合。RF160R 采用IEEE 802.15.4 标准的物理层（Physical Layer，PHY）层和媒体存取控制地址（Media Access Control Address，MAC）子层协议，PHY 层使用DSSS 直接序列扩频技术，芯片数据速率可达250 kb/s。此外，模块集成多进多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）功能，支持天线分集，可以有效扩展无线范围，抵抗多径信道的影响。

SIMATIC RF160R 在2.4 GHz（2 400 ～2 480 MHz）ISM 频段工作，发射功率为50 mW，用户无线信道和出厂默认信道均可设置。模块提供自动路由选择能力和频率跳变机制，可在不同子网中进行网络搜索，自动选择最佳网络节点连接。考虑安全因素，支持采用AES对无线数据链路层进行128 位加密。

SIMATIC RF160R 无线模块可直接与Siemens S7系列PLC 相连，将无线与线控集成在一个控制系统中。无线数据通过PROFINET/工业以太网接口直接与PLC 的数据区进行匹配访问，实现便捷而高效的互联互通。该系统将无线模块与S7-1200 PLC 集成，模块以PROFINET 从站的身份与PLC 通信[5]。其中主站－从站通信采用Token 方式，令牌轮转时间TTR的公式为

式中：N为从站数量；C为信道数据速率。

2.3 PLC 控制模块设计

系统中采用Siemens S7-1200 系列PLC 作为局部控制站和从站控制模块。该系列PLC 集成CPU、信号I/O、PROFINET 接口以及高速计数器，组态灵活，适用于处理逻辑控制、断点续传、本地I/O 信号等任务。

S7-1200 CPU 的工作原理基于连续循环，不断读取输入值，执行用户编写的程序，然后连续输出结果。S7-1200 CPU 是一款强大的32 位微处理器，用户程序存储于可插拔微型安全数字存储器（Micro Secure Digital memory，Micro SD）卡，通过PROFINET 接口有效地与上位机和其他智能设备进行通信。同时，配备6 个高速计数器，最高可处理100 KHz 的频率，并支持模拟值处理和比例、积分和微分（Proportion Integral Differential，PID）控制等高级指令。为适应不同现场控制站的需求，该CPU 可以配置在较高的周期时间下运行，以确保系统运行的确定性。例如，可以将扫描时间设定为50 ms，以达到理想的性能表现。

根据实际应用的需求复杂度，本地控制站能够灵活地扩展相应的通信模块和信号模块。考虑本系统中的浮动控制站需要变频调速控制，选用S7-1200 SM1242 模块执行模拟量输入和PWM 变频输出的控制功能。该模块提供4 路±10 V/±5 V 双极量输入端口；4 路0 ～20 mA 模拟量输入端口；4 路±10 V模拟量输出端口。模数转换分辨率达12 bits，脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）输出频率范围为2 ～1 000 Hz。输出PWM 占空比与模拟电压值的转换可采用积分控制算法，在不产生积分饱和的情况下获得零稳态误差。其中，设PWM 周期时间为T，占空比的比例为k，对应的输出电压值U公式为

式中：E为电源电压；t为时间。

2.4 系统集成与调试

在完成系统软硬件选型及模块功能定义后，需要进行设备集成与联调测试。本系统涉及中央监控平台、多个子站PLC 和现场控制站，因此集成调试需要分级开展。首先，在实验室条件下，建立由1 个中央监控站、1 个子站和2 个局部控制站构成的小规模测试平台，所有设备通过以太网交换机连接。其次，利用Siemens STEP 7 工程软件完成2 个局部控制站S7-1200 PLC 系列的应用程序配置，实现基本的开环控制功能并下载测试；再次，利用STEP 7 的设备配置功能激活无线通信模块，检查子站和中央站的无线连接是否正常；最后，在STEP 7 的运行监视窗口和中央站监控界面监测无线通信的实时数据、图像，完成小规模的联网测试。在测试通过后，系统搭建可以推广到工业现场。由于现场条件更为复杂，因此需要优化设备布置，重复节点布放，保证良好的无线连接信号。同时，应用程序中需要加入针对无线通信故障和现场应急情况的处理机制。在现场进行规模化部署后，利用中央站系统的网络管理功能监测从站和局部控制站的状态。

3 实验与性能分析

3.1 实验环境与设备

为验证设计的基于无线通信的PLC 控制系统的控制效果，构建实验平台进行测试研究。实验设备如下：1 台工业计算机（配置为Intel i5-6500 3.2 GHz四核CPU、8 GB 内存、Windows 7 系统及Siemens STEP 7 v5.5 软件），将其作为空调变量频控制的中央监控站；2 个S7-1200 系列PLC，分别装配CPU、数字量I/O 模块、模拟量I/O 模块以及RF160R 无线模块。其中一个PLC 作为子站，另一个PLC 作为控制执行站；1 台变频器作为执行机构；若干个温度传感器、调光传感器等模拟输入模块，照明灯负载作为PWM 控制输出。所有智能控制设备通过以太网交换机连接，无线模块工作在2.4 GHz ISM 频段，发射功率为20 mW，基于IEEE 802.15.4 标准设计，信道数据速率为250 kb/s，采用16 位PANID 进行网络标识，网络层采用Mesh 树型拓扑，通信距离覆盖整个实验室区域。

3.2 实验方法与步骤

首先，在STEP 7 编程环境中，利用结构化控制语言编写温度闭环PID 控制逻辑，通过无线从站S7-1200 的模拟量I/O 口获取温度设定值和传感器反馈，PID控制器的输出连接至局部控制站的模拟输出端口，调节变频器转速从而控制空调吹风速率。同时，编写灯光照度的PWM 控制程序，照度反馈通过无线I/O传输，PWM 输出信号控制智能灯的亮度。完成逻辑编写后，通过PROFINET 工业以太网下装控制程序至2 个控制站。

其次，在中央监控平台的实时运行界面中，激活无线通信模块，建立子站和控制站的无线连接，并在调试状态下下载控制逻辑至2 个控制站。手动或在监视表中给入模拟量输入，观察控制站的输出状况，检查无线通信是否正常，控制程序逻辑是否正确。

最后，连接变频器、灯光负载，切换两条控制逻辑到自动模式，通过修改温度设定值、照度设定值，记录变频器输出转速、灯光输出PWM 信号以及现场温度和照度的变化曲线，分析响应速度、调整时间和稳态控制精度等控制性能指标，从而完成无线通信PLC 控制系统的测试实验。

3.3 实验结果分析

系统温度闭环控制的控制效果如表1 所示，照度闭环控制的控制效果如表2 所示。

表1 温度闭环控制控制性能测试结果

表2 系统控制性能测试结果

从表1 和表2 中可以看出，温度和照度的控制响应速度可以达到工程要求，分别为5 s 和2 s；关闭环调整时间也较短；在达到稳态后，温度的波动控制在±1 ℃以内，照度波动也控制在±5%以内，满足工业现场对控制精度的要求；温度和照度的过渡过程中，升降时间和过冲量也较小。由此表明，文章设计的基于无线通信技术和S7-1200 PLC 的过程控制系统可以完成对工业现场过程变量的监控与控制功能，实现对温度和照度的闭环控制，无线数据链路可靠，控制效果满足设计要求。

4 结 论

随着工业自动化的不断进步，无线通信技术在PLC 控制系统中的应用日益广泛。文章设计基于无线通信的PLC控制系统，通过实验证实其控制性能稳定可靠。结果表明，系统能高效完成工业现场过程变量的监控与控制，无线数据链路稳定，控制效果满足设计要求。