基于ZigBee无线通信技术的PLC控制系统设计与实现

吴 鸿，王益斌，余秋军

(西南科技大学 城市学院，四川 绵阳 621000)

PLC控制系统主要应用于现代工作生产中，是自动化生产的重要前提，作为工业控制的计算机，控制复杂工业流程，随着PLC控制系统的更新换代，系统管理能力和控制能力不断增强，成为工业化生产的支柱，为自动化生产加工提供重要保障[1]。PLC控制系统具备多层次抗干扰功能，具有功能多、速度快、存储大的优点，在工业环境下，也可以保证系统运行的稳定性，能够与电力设备一起工作[2]。当PLC工作环境过于恶劣时，例如冲击振动过强、电磁干扰严重、温度湿度过高，系统可靠性会有所降低，甚至产生系统故障，对工业生产造成影响，因此，对PLC控制系统进行研究，保证系统安全、功能完善，具有重要意义[3-4]。

现阶段，PLC控制系统相关研究已较为成熟，将系统分为信息采集、远程监控、自动控制3个部分，利用开门信号激活PLC控制系统，根据设定程序，令系统执行开门动作，完成计数、存储等操作，自动化控制机械生产环节[5]。针对控制系统一些学者也给出了较好的方法：文献[6]采用基于异构处理架构的PLC控制系统，开发PLC系统驱动组件，在PLC控制系统的单一处理器上，组成集成安全架构，实现异构处理的机器基本逻辑控制，但该系统组态开发移植性能较差，系统功耗较大。文献[7]采用基于嵌入式的PLC控制系统，配置一个RISC辅助处理器，通过全功能遥控，实现逻辑指令控制处理功能，对掘进机状态进行实时监测，但该系统集成安全机制不全面，系统功耗同样较大。

针对以上问题，结合以上理论，提出基于ZigBee无线通信技术的PLC控制系统，设计系统模块结构，优化ZigBee无线通信扩展板，采用ZigBee无线通信技术，规范系统信息传输。

1 PLC控制系统

1.1 系统整体结构

采用模块式PLC，设计PLC控制系统整体结构。将PLC每个硬件单元制成独立模块，所有模块都安插在母板上，选取一个中央处理单元CPU作为核心，得到一个结构完整的PLC控制系统。系统内部结构如图1所示。

图1 PLC控制系统整体结构Fig.1 PLC control system overall structure

利用中央处理器CPU，对工作环境的机械设备请求产生响应，读取生产设备状态数据，CPU型号选择微电脑控制的CP1L型，通过存储器接口，扩展系统容量[8]。利用输入/输出接口，连接中央处理器和网关处理器，将生产设备的状态信息读入CPU，根据CPU处理结果，驱动输出设备，利用I/O接口，扩展系统输入/输出单元，对PLC进行安全保护。经由I/O接口安装PLC外部设备，通过编程器接口，连接编程设备和CPU，通过打印机，以文字形式输出生产设备运行参数，通过显示器，显示PLC控制系统信息，选择F940-GOT型触摸屏，作为系统显示单元，发送系统运行参数、控制指令。系统电源选择直流电源，在电源输入端输入电压范围很大的交流电流，采用单相桥式整流电路，配置具备单向导电特性的元器件，把交流电流转换为直流电源，配置脉冲吸收电路，增强系统对工作环境的抗干扰能力，令输入/输出设备使用24 V电源，PLC内部则使用5 V电源，采用WCS2702型电流传感器，集成电子线路，保护系统电路的电流[9]。选取RS-485通信扩展板、CAB-1通信电缆、RS-422通信接口，组成ZigBee无线模块，在通信扩展板上安装一个通信功能适配器，发送和接收通信数据，将生产设备状态数据发送到智能网关，使用通信电缆线，连接通信扩展板和网关，再利用电缆屏蔽线，连接通信端口和通信扩展板的相应端子，实现ZigBee无线模块的串行通信。网关接收所有传感器的汇总信息，采用ARM处理器作为核心芯片，内带一个RJ45标准连接器插入接口，连接通信电缆[10]。至此完成PLC控制系统整体结构的设计。

1.2 优化ZigBee无线通信扩展板

图2 ZigBee通信扩展板外围电路结构Fig.2 Peripheral circuit structure of ZigBeecommunication expansion board

外围电路仅安装少量电子元器件，全部引出S3C2440芯片引脚，通过引脚把外围电路引至地板，ZigBee通信扩展板的内部时钟电路，使用32M频率型号的振荡器进行调节，外部电路则使用32.846 kHz、32 MHz两种频率的振荡器进行调节。通过多时钟电路，无功率放大电路信号，包括模拟量、开关量两种类型，其中模拟量为电解液温度、电压、电流等信号，开关量为限位、启动、急停等信号[12]。选取C4电容、C5电容、R9电阻、Y1晶振，组成振荡电路，利用晶频，调频模拟量信号和开关量信号，利用两个电容，过滤S3C2440芯片电路波动，采用8位位宽的全速数传方式，传输数字信号，稳定ZigBee通信扩展板外围电路的电压。复位电路选择双复位方式，包括复位开关、R9电阻、C3电容，当外围电路出现故障后，按下复位开关，使PLC控制系统执行复位操作，将高电平状态信号转换至低电平状态信号，保护整个外围电路[13]。

滤波电路使用多个引脚，通过电源引脚接通电源，其余引脚上拉电阻、下拉电阻，控制电源电压在3.3～5.5 V，使用高速计数器，以波形信号形式，对信号进行两路脉冲的输入和输出，利用光电耦合器，光电隔离一次滤波回路、二次滤波回路，采用三级管元件，作为滤波电路的外部驱动，规定每个引脚数字信号的电平状态，消除数字信号干扰变化。至此完成ZigBee通信扩展板的优化，实现PLC控制系统硬件设计。

1.3 ZigBee无线通信技术的系统信息通信

通过生产设备状态数据的误差优化算法，预处理采集数据，采用ZigBee无线通信技术，规范PLC控制系统信息通信。采用滤波算法，过滤网关采集数据的冗余噪声，考虑系统工作环境的状态数据为离散分布，针对这一情况，设定系统控制变量数值稳定，通过卡尔曼滤波，表示离散时域的生产设备状态数据，表达式如下：

(1)

式中，S(x)、S(x-1)分别为x时刻、x-1时刻的生产设备状态数据估计值；A、B为系统定义参量；W(x)、V(x)分别为系统和工作环境的噪声[14]。

计算x时刻、x-1时刻设备状态数据估计值的协方差P(x/x-1)，公式为：

(2)

式中，H(x-1)、H(x)分别为x时刻、x-1时刻的系统观测矩阵；R为系统协方差；Q为增益系数。

进一步优化P(x/x-1)，得到系统时刻最优估计值K(x)，表达式为：

其中，N表示中心点x的局部圆形邻域中像素点的个数（包含x点），D(x,y)表示该邻域内的像素点y与中心点x之间的欧氏距离，r是局部圆形邻域的半径。由上述公式（6）可以看出，计算圆形邻域权重值时，采用的是平滑算子，一定程度上也控制了噪声和不均匀灰度带来的影响。

(3)

式中，K(x-1)为x-1时刻的状态数据最优估计值；L为K(x-1)值协方差；f为高斯白噪声。

原始数据完成滤波处理之后，采用PID控制器优化算法，使系统采集的生产设备状态变量，更加接近工作环境真实值，把每个生产设备状态数据抽象为一个粒子，根据粒子移动速度和移动惯性，确定粒子空间位置，从而找到降低系统误差的最优路径，定义PID控制器加权参数E1、E2，表达式为：

(4)

式中，a1、a2为粒子加速度；e1、e2为随机参量；I(x)、O(x)分别为时刻粒子、粒子群的位置；D(x)为最优位置；g为惯性参量；v(x)、v(x+1)为速度[15]。

系统方差状态方程为：

(5)

式中，P′(x/x-1)为优化后的系统方差。

原始数据预处理完毕后，通过4G网络、5G网络、WiFi，构建ZigBee无线通信协议，令ZigBee网络使用Z-Stack协议栈，统一约定通信接口、通信格式、传输属性、字符格式、数据格式等，使其共同遵守同一规范，把生产设备状态信息传输至PC端，设置通信协议如下：无线通信方式为半双工，最多可连接的变频器为32台，无线通信速率为可选择的19 100、9 700、4 900 bit/s，控制协议为异步，停止位长为可选择的1位、2位，字符方式为可选择的7位、8位，通信数据命令、高位、低位为2字节，通信数据帧头、帧尾、校验和为1字节，指令类型为复位指令、CPU与生产设备连接指令、生产设备上传数据指令、CPU对各参数优化设置指令。至此完成基于ZigBee无线通信技术的系统软件设计，实现PLC控制系统设计。

2 系统测试

将本文系统与基于异构处理架构的PLC控制系统、基于嵌入式的PLC控制系统进行对比实验，比较系统运行功耗。

2.1 设计系统实现

将基于ZigBee无线通信技术的PLC控制系统及基于异构处理架构的PLC控制系统、基于嵌入式的PLC控制系统应用于铸件生产过程控制中，生产现场如图3所示。

图3 铸件生产过程Fig.3 Casting production process

在400 m2的封闭式环境内进行系统测试，使用SmartRF04EB仿真器，编译生产设备状态数据的误差优化算法，下载到ZigBee无线通信扩展板，完成生产设备状态数据采集终端的设置，无线通信扩展板实物如图4所示。

图4 ZigBee无线通信扩展板实物Fig.4 Physical figure of ZigBee wirelesscommunication expansion board

由图4可知，优化后的ZigBee无线通信扩展板，其外围电路由滤波电路、复位电路等组成。令系统无线通信模块遵循ZigBee网络协议，进行生产设备状态数据的传输，把无线通信扩展板的USB接口连接到CPU，设置PLC控制系统的串口接口为COM1，波特率为15 200，结合编辑完成的PLC控制系统程序，调试系统简单指令和复杂指令，检查系统功能有无出错。调试完毕后，启动系统程序，当通信扩展板指示灯为红色时，开始采集封闭环境内设备的状态数据，每隔12 s上传采集数据至SComAssistant串口助手，由显示屏显示采集数据，如图5所示。显示界面左上端显示ZigBee通信协议设置的执行操作，串口界面可以直接观测生产设备状态数据的采集情况，以图片形式保存系统通信数据。

图5 PLC控制系统数据采集显示界面Fig.5 Data acquisition and display interface of PLC control system

2.2 测试结果分析

PLC控制系统工作环境恶劣，系统控制和数据采集都要有稳定且充足的电源供应，由于电池功率限制，这就要求系统必须小功率运行，为此在3种系统数据采集过程中分析系统功耗。在测试环境内布置多个信号采集端子，对其进行编号，通过SComAssistant串口助手监测3种系统的运行状况，PLC控制系统工作1个周期功耗表达式G为：

G=l1k1+l2k2

(6)

式中，l1、l2分别为工作、休眠的消耗电流，k1、k2分别为工作、休眠的时间。

将生产设备采集—采集数据发送作为一个任务，设置3种系统完成一个任务的耗费时间为10 min，在10 min的系统工作周期内，改变工作时间和休眠时间，比较3种系统的消耗电量。

在系统运行环境中加入70～200 dB噪声，测试噪音环境下的系统功耗，实验对比结果如图6所示。

图6 功耗实验对比结果(一)Fig.6 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅰ)

由图6可知，工作周期内的工作时间增加，系统功耗也随之增加，噪声环境下，设计系统完成一个数据采集-发送任务后，平均消耗电量为289.7 mAs，基于异构处理架构的PLC控制系统平均功耗为318.8 mAs，基于嵌入式的PLC控制系统平均功耗为328.2 mAs，设计系统运行功耗分别减少了29.1、38.5 mAs。

改变生产设备振动频率，比较冲击环境下的系统功耗，结果如图7所示。由图7可知，冲击环境下，设计系统平均功耗为299.1 mAs，另外2种系统平均功耗分别为331.3、356.5 mAs，设计系统运行功耗分别减少了32.2、57.4 mAs。

图7 功耗实验对比结果(二)Fig.7 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅱ)

调节封闭环境室内温度，比较高温环境下的系统功耗，结果如图8所示。

图8 功耗实验对比结果(三)Fig.8 Experimental comparison results of system power consumption(Ⅲ)

由图8可知，高温环境下，设计系统平均功耗为275.4 mAs，另外两种系统平均功耗分别为296.8、352.3 mAs，设计系统运行功耗分别减少了21.4、76.9 mAs。综上所述，本文系统减少了运行功耗，对电源电池起到了节能优化的作用。

3 结语

本文研究充分发挥了ZigBee无线通信技术优势，改造ZigBee无线通信扩展板，使用ZigBee无线通信协议设计了一种PLC控制系统，数据采集、发送过程中，减少了系统功耗。但本文系统仍存在一定不足，在今后的研究中，会进一步优化ZigBee协议栈的访问参数，提高ZigBee通信信道的抗干扰能力，使PLC控制系统同时控制同一频段的生产设备。