CN204203718U - 基于Arduino的PLC无线控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于Arduino的PLC无线控制系统，包括PLC控制柜、若干个分段接线盒，以及若干个与分段接线盒匹配的终端设备，PLC控制柜内设有PLC，PLC控制柜内还设有控制智能模块，分段接线盒内设有若干个分段智能模块；PLC的控制信号传输端与控制智能模块的控制信号传输端导线连接；分段智能模块的控制信号传输端与终端设备的传输端导线连接；该控制智能模块用于给分段智能模块发送无线信号和用于接收来自分段智能模块的无线信号。本实用新型减少了PLC和终端元件之间连接的导线数量，降低系统安装、运行维护、系统改造等各个环节的成本、安装灵活方便，能长期稳定可靠工作，具有抗干扰、易维护的特点。

Description

基于Arduino的PLC无线控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种PLC控制系统，尤其涉及一种PLC无线控制系统。

背景技术

目前，生产线控制系统多以PLC为中心，辅以低压控制电器(如交流接触器、转换开关、行程开关、控制按钮等)，实现对生产过程的准确控制和有效管理。

传统的PLC与终端元件的连接主要以导线连接的方式。但是,传统的 PLC 为中心的控制系统存在以下问题：

一、PLC 与终端元件接线数量庞大，使检查维护或者增加、减少接线等相应操作非常繁琐、工作量大，难以开展。系统调整或者修改的灵活性差。 生产工艺的改进、导入自动化设备等情况下，原来的系统接线常常不能适应新的控制需求。

二、 PLC 输入输出点数量不足，导入新设备时 PLC 输入输出点数量不足在 PLC 控制系统使用的过程中，常常通过扩展原有的端子数量来满足新增设备的输入输出点需求。新设备导入的时候，往往用尽全部的冗余输入输出点仍然不足以让设备运行。而扩充PLC 输入输出点又常常受到控制屏空间或者 PLC 运算能力的限制。维护时 PLC 输入输出点不足PLC 在长期运行过程中，常常会出现输入输出点损坏的情况。维护人员处理故障时在 PLC 程序中先用冗余点的标号替换损坏点的标号，然后将损坏触点上的接线端子接到对应的冗余点上，快速有效地解决了问题，减少了因为停线而带来的经济损失。当 PLC 的冗余点被用尽之后，这样能快速解决问题的方法便无法使用，这往往令维护人员伤透脑筋。

三、中继汇流盒接线没有信号指示，PLC 的输入输出点经过中继接线盒，再从中继盒出线连接到终端的元件。输入输出信号经过了中继盒两端的导线。而中继接线盒内使用没有信号指示功能的普通端子排。实际操作中，至少需要两个人操作才能确定是器件故障还是连线断路。其中一人在元件上制造输入信号（如遮住光电传感器、拨动行程开关等），另一人在距离终端元件在十几米甚至数十米外的控制屏旁边观察 PLC输入输出指示灯的变化。如果指示灯跟随信号变化，就说明连线是正常的，从而排除断路的可能。

四、品牌多样的 PLC 互不兼容，生产线上往往同时运行几个品牌的 PLC，这些不同品牌的 PLC 被应用在不同的设备上，它们的软件和硬件互不兼容。互不兼容的 PLC 提高了对维护人员的技术要求。

五、输入输出点扩充困难，任何型号的 PLC 都不可能无限扩展输入输出点数量。PLC 内置 CPU 的运算能力,以及有限的控制屏空间都是制约 PLC 输入输出点数的原因。

此外，在控制屏内安装了扩展模块后，用电缆连接中继盒的过程中，面临拆卸天花，在桥架里增加电缆等一系列繁琐的施工问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是提供一种可减少了PLC和终端元件之间连接的导线数量，降低系统安装、运行维护、系统改造等各个环节的成本、安装灵活方便，能长期稳定可靠工作，具有抗干扰、易维护的方案。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的方案如下：

基于Arduino的PLC无线控制系统，包括PLC控制柜、若干个分段接线盒，以及若干个与分段接线盒匹配的终端设备， PLC控制柜内设有PLC， PLC控制柜内还设有控制智能模块，分段接线盒内设有若干个分段智能模块； PLC的控制信号输出端与控制智能模块的控制信号输入端导线连接， PLC的采集信号输入端与控制智能模块的采集信号输出端导线连接；分段智能模块的控制信号输出端与终端设备的控制信号输入端导线连接，分段智能模块的采集信号输入端与终端设备的采集信号输出端导线连接；该控制智能模块用于给分段智能模块发送无线信号和用于接收来自分段智能模块的无线信号。

优选的，控制智能模块包括第一信号隔离与转换子模块、Arduino控制器、第一无线通信子模块、第一接线端子模块、扩展接线端子模块、扩展接口和电源模块； Arduino控制器、接线端子模块、扩展接线端子模块、扩展接口均与信号隔离与转换子模块连接；扩展接口还与Arduino控制器连接； Arduino控制器还与无线通信子模块连接，电源模块给Arduino控制器、第一无线通信子模块以及第一信号隔离与转换子模块供电。

优选的，分段智能模块包括第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块； PLC的控制信号输出端与控制智能模块的控制信号输入端导线连接，控制信号在控制智能模块的控制信号输入端、第一信号隔离与转换子模块、第一无线通信子模块依次传递；第二无线通信子模块接收来自第一无线通信子模块发送的无线信号后，控制信号又在第二无线通信子模块、第二信号隔离与转换子模块、分段智能模块的控制信号输出端依次传递；分段智能模块的控制信号输出端与终端设备的控制信号输入端导线连接。

优选的，分段智能模块包括第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块；分段智能模块的采集信号输入端与终端设备的采集信号输出端导线连接，采集信号在分段智能模块的采集信号输入端、第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块中依次传递；第一无线通信子模块接收来自第二无线通信子模块发送的无线信号后，采集信号又在第一无线通信子模块、第一信号隔离与转换子模块、控制智能模块的采集信号输出端依次传递； PLC的采集信号输入端与控制智能模块的采集信号输出端导线连接。

本实用新型实现了一种可减少了PLC和终端元件之间连接的导线数量，降低系统安装、运行维护、系统改造等各个环节的成本、安装灵活方便，能长期稳定可靠工作，具有抗干扰、易维护的方案。

附图说明

图1为本实用新型的无线系统架构图；

图2为本实用新型的控制智能模块硬件结构图；

图3为本实用新型的分段智能模块硬件结构图；

图4为本实用新型的PLC发送控制信号流程图；

图5为本实用新型的PLC接收采集信号流程图；

图6为本实用新型的APC200-43与Arduino连接电路图；

图7为本实用新型的信号隔离与变换模块输入接口电路图；

图8为本实用新型的信号隔离与变换模块继电器输出电路图；

其中：1、PLC控制柜； 2、为分段接线盒；3、PLC； 4、控制智能模块； 5、分段智能模块； 6、终端设备； 7、Arduino控制板；8、APC220-43无线通信模块。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：

请参见图1，本实用新型的基于Arduino的PLC无线控制系统装置，包括PLC控制柜1、若干个分段接线盒2，以及若干个与分段接线盒2匹配的终端设备6，PLC控制柜1内设有PLC 3，该PLC控制柜1内增设有控制智能模块4，分段接线盒2内增设有分段智能模块5；PLC 3与控制智能模块4导线连接，分段智能模块5与终端设备6用短导线连接，具体的，PLC 3的控制信号输出端与控制智能模块4的控制信号输入端导线连接，PLC 3的采集信号输入端与控制智能模块4的采集信号输出端导线连接；而分段智能模块5的控制信号输出端与终端设备6的控制信号输入端导线连接，分段智能模块5的采集信号输入端与终端设备6的采集信号输出端导线连接；该控制智能模块4用于给分段智能模块5传递无线信号和用于接收来自分段智能模块5的无线信号，使得控制智能模块4与各分段智能模块5通过无线串行通信进行数据传输。

安装在信号中继盒里面的智能模块的功能相当于一个小型PLC 3。该智能模块具有可编程的特性，可以根据生产流程的需要修改程序实现生产线上简单重复的控制功能，与控制屏的PLC 3相比，智能模块的硬件结构和软件编程都更加简单，成本更低廉，虽然智能模块实现的功能也有限，但是它用于控制生产线上简单重复的动作还是游刃有余的。

智能模块单独使用的时候，不再需要控制柜里面PLC 3的配合。这意味着智能模块单独使用时免去了与PLC 3互联的导线，减少了导线数量的同时又节省了PLC 3的输入输出点数。

本实用新型中使用到的控制智能模块4的硬件结构参见图2，具体包括Arduino Mega2560控制器，第一信号隔离与转换子模块、第一无线通信子模块、接线端子模块、扩展接线端子模块、扩展接口和电源模块。

本实用新型中使用到的分段智能模块5的硬件结构参见图3，具体包括Arduino UNO控制器，第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块、接线端子模块、扩展接线端子模块、扩展接口和电源模块。

实施例一：

本实施例是由PLC发送控制信号的流程 ，具体请参见图4，分段智能模块5包括第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块；PLC 3的控制信号输出端与控制智能模块4的控制信号输入端导线连接，控制信号在控制智能模块4的控制信号输入端、第一信号隔离与转换子模块、第一无线通信子模块依次传递；第二无线通信子模块接收来自第一无线通信子模块发送的无线信号后，控制信号又在第二无线通信子模块、第二信号隔离与转换子模块、分段智能模块5的控制信号输出端依次传递；分段智能模块5的控制信号输出端与终端设备6的控制信号输入端导线连接。终端设备6可以是传感器、按钮、行程开关等。

工作时，PLC 3内产生控制信号，并将控制信号通过导线由PLC 3的输出端传输至控制智能模块4，控制智能模块4将接收到的控制信号由第一信号隔离与变换子模块进行隔离和转换，并加入目标分段智能模块5进行编号；然后将控制信号传输至控制智能模块4中的Arduino控制器，控制智能模块4中的Arduino控制器又将控制信号送入第一无线通信子模块缓存区并以无线方式发送出去。生产线上所有分段接线盒2中分段智能模块5的第二无线通信子模块均会接收到该控制信号，信号由分段智能模块5中的Arduino控制器传送至第二信号隔离与变换子模块，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5，若为目标分段智能模块5，则将该控制信号转换为终端设备6能识别的控制信号，并发送至分段智能模块5中的端子模块输出端，并通过导线输出至相应终端设备6进行动作控制；否则放弃该控制信号。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于本实施例是PLC接收采集信号的流程。具体请参见图5，分段智能模块5包括第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块；分段智能模块5的采集信号输入端与终端设备6的采集信号输出端导线连接，采集信号在分段智能模块5的采集信号输入端、第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块中依次传递；第一无线通信子模块接收来自第二无线通信子模块发送的无线信号后，采集信号又在第一无线通信子模块、第一信号隔离与转换子模块、控制智能模块4的采集信号输出端依次传递； PLC 3的采集信号输入端与控制智能模块4的采集信号输出端导线连接。

工作时，终端设备6的输出端将采集的信息通过导线传输至分段智能模块5的第二接线端子模块采集信号输入端，分段智能模块5中的第二信号隔离与变换模块将信息隔离、转换后并加上自身编号后，传输至分段智能模块5中的Arduino控制器，分段智能模块5中的Arduino控制器将信息送入第二无线通信子模块缓存区，并以无线方式发送至控制柜中的控制智能模块4。控制智能模块4中的第一无线通信子模块接收到信号，将数据暂存于缓存区中，再送入控制智能模块4中的Arduino控制器，由第一信号隔离与变换子模块将信息重现并提取相应分段智能模块5及通道编号后，发送至控制智能模块4中的接线端子模块输出端，并通过导线传输至PLC 3的输入端，由PLC 3进行数据处理。

本实用新型中，Arduino控制器是控制智能模块4和分段智能模块5的核心，其可驱动控制智能模块4和分段智能模块5中的其他模块，且具备可编程特性。由于Arduino控制器具有价格低廉，简单易用，兼容性，扩展性强等优点，故控制智能模块4控制器、分段智能模块5控制器分别选用Arduino Mega2560控制板和Arduino UNO控制板。

Arduino控制板7支持Ethernet、RS-485、APCC220、Zigbee、Bluetooth、Wifi等通信模式。而APC220-43无线通信模块8作为无线通信模块，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418-455MHZ直接，理论传输距离为1000m，支持1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps七种传输速率，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，因此优选APC220-43无线通信模块8。参见图6，图6为APC200-43与Arduino连接电路图。Arduino控制板7发送数据端TXD、接收数据端RXD分别与APC220-43无线通信模块8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无线通信模块8参数。Arduino控制板7只需像操作串口一样操作APC220-43无线通信模块8，便可收发数据。

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 3的信号电平。图7为信号隔离与变换模块输入接口电路、图8为信号隔离与变换模块继电器输出电路。其中，图7信号隔离与变换模块输入接口电路中的X1为信号输入端，电阻R1阻值为2KΩ，电阻R2阻值为1KΩ，电阻R3阻值为2KΩ，电阻R1阻值为1KΩ，电容C1、C2的值均为104pF，D1、D2为LED发光二极管，D3为二极管， Q1为NPN型三极管，OUT为输出端。图8信号隔离与变换模块继电器输出电路中采用APA3319功率继电器，OP1为选择端，D4、D5是型号为IN4148二极管，K1为继电器APA3319控制的开关， COM为公共端，Y1为输出端。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于Arduino的PLC无线控制系统，包括PLC控制柜、若干个分段接线盒，以及若干个与分段接线盒匹配的终端设备，所述PLC控制柜内设有PLC，其特征在于：所述PLC控制柜内还设有控制智能模块，分段接线盒内设有若干个分段智能模块；所述PLC的控制信号输出端与控制智能模块的控制信号输入端导线连接，所述PLC的采集信号输入端与控制智能模块的采集信号输出端导线连接；所述分段智能模块的控制信号输出端与终端设备的控制信号输入端导线连接，所述分段智能模块的采集信号输入端与终端设备的采集信号输出端导线连接；该控制智能模块用于给分段智能模块发送无线信号和用于接收来自分段智能模块的无线信号。

2.如权利要求1所述的基于Arduino的PLC无线控制系统，其特征在于：所述控制智能模块包括第一信号隔离与转换子模块、Arduino控制器、第一无线通信子模块、接线端子模块、扩展接线端子模块、扩展接口和电源模块；所述Arduino控制器、接线端子模块、扩展接线端子模块、扩展接口均与信号隔离与转换子模块连接；所述扩展接口还与Arduino控制器连接；所述Arduino控制器还与无线通信子模块连接，电源模块给Arduino控制器、第一无线通信子模块以及第一信号隔离与转换子模块供电。

3.如权利要求2所述的基于Arduino的PLC无线控制系统，其特征在于：所述分段智能模块包括第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块；所述PLC的控制信号输出端与控制智能模块的控制信号输入端导线连接，所述控制信号在控制智能模块的控制信号输入端、第一信号隔离与转换子模块、第一无线通信子模块依次传递；所述第二无线通信子模块接收来自第一无线通信子模块发送的无线信号后，所述控制信号又在第二无线通信子模块、第二信号隔离与转换子模块、分段智能模块的控制信号输出端依次传递；所述分段智能模块的控制信号输出端与终端设备的控制信号输入端导线连接。

4.如权利要求2所述的基于Arduino的PLC无线控制系统，其特征在于：所述分段智能模块包括第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块；所述分段智能模块的采集信号输入端与终端设备的采集信号输出端导线连接，所述采集信号在分段智能模块的采集信号输入端、第二信号隔离与转换子模块、第二无线通信子模块中依次传递；所述第一无线通信子模块接收来自第二无线通信子模块发送的无线信号后，所述采集信号又在第一无线通信子模块、第一信号隔离与转换子模块、控制智能模块的采集信号输出端依次传递；所述PLC的采集信号输入端与控制智能模块的采集信号输出端导线连接。