基于Arduino的PLC无线控制系统设计与实现

邢娅莉，廖 海

（1.广东交通职业技术学院，广东 广州 510800；2.纬创资通（中山）有限公司，广东 中山 528437）

基于Arduino的PLC无线控制系统设计与实现

邢娅莉1，廖 海2

（1.广东交通职业技术学院，广东 广州 510800；2.纬创资通（中山）有限公司，广东 中山 528437）

为解决生产线可编程逻辑系统（PLC）接线数量多、维修复杂等问题，设计基于Arduino的无线PLC控制系统。系统核心部件为控制智能模块、分线智能模块，分别采用Arduino Mega 2560控制板与Arduino UNO控制板，利用该智能系统在PLC和生产线终端之间进行数据无线传输。测试结果表明：设计系统无线数据传输准确、可靠，可有效实现控制逻辑，且有效减小控制柜与分段接线盒间接线端子数量，有效降低系统安装、维护难度，提高系统可扩展性。

PLC控制系统；Arduino控制板；智能模块；无线通信

0 引 言

可编程逻辑控制系统（programmable logic controller，PLC），作为自动化领域三大技术支柱之一，具有实时性高、可靠性好、抗干扰能力强等优点[1]。传统PLC控制系统以PLC为中心，辅以低压控制器，实现生产过程的准确控制和管理[2]。沈凯明[3]设计、实现应用于电机与变压器数字化测试平台的PLC控制系统，利用Profibus总线连接电气设备形成单主机控制网络；Dai等[4]设计分布式PLC控制系统，并提出面向对象转换、对象重用和面向类3种设计方法。传统PLC控制系统输入输出与终端采用一对一连接，终端越多，连接线越多，造成控制柜与分段接线盒间导线数量庞大[5]；同时，分段接线盒数量与生产线长度呈正比，各分段接线盒引出大量导线，给系统安装、维护造成不便，降低系统可靠性。近年来，PLC无线控制系统越来越受重视[6-10]，Guo等[6]分析PLC与计算机通信原理，利用nRF2401实现PLC和计算机之间的无线通信；蒋林杰[7]构建分布式PLC控制系统，通过无线通信技术实现现场控制站点和中控室站点间数据传输，解决砂石加工现场布线难的问题。

本文提出基于Arduino的PLC无线控制系统，在控制柜与分段接线盒中分别增加控制智能模块、分段智能模块，智能模块负责PLC与生产线终端无线通信，有效减少控制柜和分段接线盒间导线数量，降低系统成本，提高系统兼容性、灵活性。

1 系统总体设计

1.1 系统架构设计

图1为基于Arduino的PLC无线控制系统架构图。该系统在控制柜中增加一个控制智能模块，与PLC端子通过短导线连接；在生产线原分段接线盒中增加分段智能模块，分别与对应终端子通过导线连接；控制智能模块与各分段智能模块之间通过无线串行通信进行数据传输。

图1 基于Arduino的PLC控制无线系统架构图

1.2 系统工作过程

图2为PLC无线控制系统工作流程图。图2（a）中PLC输出控制信号通过导线传输至控制智能模块，控制智能模块将接收到的控制信号进行转换，并加入目标分段智能模块编号，送入无线通信子模块，以无线方式发送出去。生产线上所有分段接线盒中分段智能模块的无线通信子模块均会接收到该控制信号，智能模块对无线信号进行处理、转换，识别自身是否为目标分段智能模块；若为目标分段智能模块，则将控制信息转换为终端输出单元能识别的控制信息，并通过导线传输至相应终端单元进行动作控制，否则放弃该控制信号。图2（b）中终端输入单元（如传感器、按钮、行程开关等）将采集的信息传输至分段智能模块，分段智能模块将信息转换并加上自身编号，通过无线通信子模块以无线方式发送至控制柜中控制智能模块。控制智能模块将信息重现并提取相应分段智能模块及通道编号，通过导线传输至PLC输入点，由PLC进行数据处理。

图2 PLC控制无线系统工作流程图

2 基于Arduino的智能模块

控制智能模块、分段智能模块是本文PLC无线控制系统的核心，两者硬件结构基本相同。图3为智能模块硬件结构图，主要包括控制器、无线通信模块、信号隔离与变换模块、接线端子模块、扩展接线端子模块、扩展接口、电源模块。从接线端子输入点输入的信号经隔离与变换模块调理、转换后传输至控制器，控制器将信号送入无线通信模块缓存区并以无线方式发送出去。如果无线通信模块接收到信号，则将数据暂存于缓存区中，再送入控制器，由控制器信号送隔离与变换模块，经调理、转换后发送至接线端子输出点。

2.1 Arduino控制器模块

图3 智能模块硬件结构

Arduino控制器模块是智能模块核心，它可驱动智能模块中其他模块，且具备可编程性。本文的控制智能模块和分段智能模块分别选用Arduino Mega2560控制板、Arduino UNO控制板。表1为UNO和Mega2560特性。

表1 UNO和Mega2560特性

2.2 无线通信模块

Arduino控制板支持Ethernet、RS-485、APC220、ZigBee、Bluetooth、WiFi等通信模式。考虑到成本及抗干扰能力等因素，本设计选用APC220-43作为无线通信模块，它是一种多通道无线数据传输模块，可设置多个频道，工作频率在418～455 MHz之间（1kHz步进），理论传输距离为1 000m，支持1 200，2 400，4 800，9 600，19 200，38 400，57 600 b/s 7种传输速率，具有功耗低、抗干扰强、灵敏度高等特性，适合于工业控制领域。

图4为APC220-43与Arduino连接电路图。Arduino控制板发送数据端TXD、接收数据端RXD分别与APC220-43接收数据端RXD、发送数据端TXD连接，EN为电源使能端，AUX为收发数据指示端（低电平接收，高电平发送），SET在低电平输入时可设置APC220-43参数。Arduino控制板只需像操作串口一样操作APC220-43，便可收发数据。

图4 APC220-43与Arduino连接电路图

2.3 信号隔离与变换模块

信号隔离与变换模块用于隔离智能模块接线端子、扩展接线端子及扩展接口连接的外部电路、Arduino控制器，以提高控制器抗干扰能力；同时，该模块将外部输入信号电平转换成适合控制器的电平，并将控制器输出信号电平转换成适合现场执行机构或PLC的信号电平。图5为信号隔离与变换模块主要电路，包括输入接口电路和继电器输出电路。

图5 信号隔离与变换模块主要电路

3 系统电磁兼容及抗干扰措施

为了使控制系统能适应工业现场的恶劣环境中，在硬件系统设计中采取了如下措施：

1）系统采用APC220-43无线通信模块。该模块采用高效的循环交织纠检错编码，可以纠正24 bits连续突发错误，其抗干扰和灵敏度高于同类的数传模块，适合于工业控制领域。

2）系统输入输出接口采用光耦隔离和继电器隔离措施。输入接口电路采用光耦隔离，有效防止窜入控制器模块的外部干扰；输出接口电路的续流二极管能释放感应电压提高接口寿命，继电器输出具有隔离系统外部干扰的功能。

3）电源模块加入了滤波网络和整流桥。滤波网络滤去来自开关电源的高频干扰；整流桥可以防止反接电源导致的电路元件烧坏。另外，Arduino板载的稳压模块能进一步稳定电压，减少纹波电压。

4 系统性能测试

图6为控制智能模块和分段智能模块实物图。控制系统中，PLC的输入输出信号不再直接通过并行的导线连接到分段接线盒，而是经过通信信道到达智能模块。分段智能模块的信息也通过通信信道传递到控制屏内的PLC中，成功将控制柜与分段接线盒间接线端子数量减少40%。对智能模块及PLC无线控制系统各方面性能进行测试，包括输入输出信号传输测试、故障检测功能测试、可编程逻辑控制功能测试。

图6 控制智能模块和分段智能模块实物图

1）信号传输测试。输入信号传输测试在控制智能模块与分段智能模块不同通信距离情况下，通过PLC对不同执行机构发出控制命令，测试对应执行机构是否接收到该信号并执行相应动作；输出信号传输测试与输入信号传输测试类似，不同之处仅在于由终端向PLC传输信号，检测PLC是否正确接收到该信号。表2、表3分别为输入、输出信号传输测试结果，其中APC220-43工作频率为455MHz，结果显示在50，100，200，400 m无线通信距离下，输入、输出信号测试的信号电平转换正确，传输成功率达100%，均能正确传输数据。

2）断线故障测试。将配对的一个智能模块断电，检测另一个智能模块错误信号引脚是否显示错误信号，若错误信号引脚电平由0 V变为5 V，说明智能模块故障检测功能正常实现。因Arduino控制板具有可编程特性，智能模块单独使用时，可将其作为简单开源PLC使用。Arduino控制板对工位控制逻辑进行测试，以检测智能模块可编程逻辑控制功能，并采用按钮模拟输入信号及LED显示输出信号。测试结果表明智能模块可有效实现控制逻辑，说明本设计基于Arduino的智能模块可作为可编程逻辑控制器使用。

由此可见，基于Arduino的PLC无线控制系统可正确输入、输出信号并正确传输信号，还可检测智能模块断线、断电故障，可作为简单开源PLC使用进行逻辑控制。

5 结束语

1）提出一种基于Arduino的PLC无线控制系统，在控制柜和分段接线盒中分别增加控制智能模块、分段智能模块，PLC与生产线终端之间通过控制智能模块与分段智能模块进行无线数据传输，智能模块负责信号电平转换与隔离等。

表2 输入信号传输测试结果

表3 输出信号传输测试结果

2）控制智能模块、分段智能模块是PLC无线控制系统的核心部件，智能模块的核心控制器采用成本低、简单易用、兼容性强、扩展性强的Arduino控制板，其无线通信采用成本低、抗干扰能力强的APC220-43通信模块，测试结果表明该系统数据传输可靠。

3）基于Arduino的PLC无线控制系统以无线通信方式代替生产线控制系统中PLC与分段接线盒之间的导线，将控制柜与分段接线盒间接线端子数量减少40%，降低系统初次投资成本，减少系统维护工作量和成本，增强系统的可扩展性。

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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

广东省科技计划项目（2012B010300023）

邢娅莉（1979-），女，河南开封市人，讲师，硕士，研究方向为控制理论与控制工程。