如何使用梯形邏輯構(gòu)建無線PLC與實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

雖然工業(yè) IoT 正在快速發(fā)展，但傳統(tǒng)可編程邏輯控制器 (PLC) 提供的定制靈活性和連接性，卻無法滿足工業(yè)工程師的需求。然而，構(gòu)建定制解決方案可能成本昂貴，而且非常耗時(shí)，同時(shí)在基于微控制器實(shí)現(xiàn)真正嵌入式解決方案方面，幾乎沒有工業(yè)工程師擁有相關(guān)的操作經(jīng)驗(yàn)。

本文對 PLC進(jìn)行了簡要介紹，然后說明了開發(fā)人員如何創(chuàng)建自己的無線 PLC，從而能夠使用梯形邏輯來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

可編程邏輯控制器 (PLC) 簡介

PLC 是一種耐用的計(jì)算機(jī)，用于在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特定流程的自動(dòng)化。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的流程非常廣泛，從制造工廠的裝配線到物聯(lián)網(wǎng)建筑照明控制系統(tǒng)，以及中間涉及到的所有流程。

典型 PLC 架構(gòu)包括（圖 1）：

帶有內(nèi)部 RAM 和 ROM 的中央處理單元

數(shù)字和模擬輸入

數(shù)字和模擬輸出

工業(yè)級電源

用于執(zhí)行所需特性的邏輯應(yīng)用程序

圖 1：典型 PLC 架構(gòu)包括一系列模擬和數(shù)字輸入，這些輸入按照邏輯應(yīng)用程序處理和執(zhí)行，然后驅(qū)動(dòng)其用于模擬和數(shù)字輸出的特性。（圖片來源：Unitronics）

雖然市場上有很多傳統(tǒng) PLC 可供選擇，但開發(fā)人員可能還是希望定制 PLC 特性，或者定制構(gòu)建他們自己的器件。目前，多種不同的方式可用于實(shí)現(xiàn)此目的；但是，傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)工程師可以采用其中一種非常有趣的簡單方式，也就是使用 STM32 開放式開發(fā)環(huán)境 (ODE)。

構(gòu)建無線 PLC

要構(gòu)建自己的無線 PLC，開發(fā)人員需要三個(gè)主要硬件組件：

CPU

輸入/輸出信號調(diào)節(jié)

Wi-Fi 模塊

開發(fā)人員可以從頭重新設(shè)計(jì)所有這些組件，或者也可以利用現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)。STMicroelectronics 推出了 STM32 開發(fā)人員工具包，包括所有這些組件，從而簡化了 PLC 創(chuàng)建過程，另外還提供了用于開發(fā)梯形邏輯應(yīng)用程序的基本軟件。

現(xiàn)在，我們將探討這些主要組件，以及讓它們在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行必須達(dá)到的條件。

我們要探討的第一個(gè)組件是 CPU，本例中的 CPU 為 STM32F401RE，來自 STMicroelectronics。STM32F401RE 是一款 32 位 Arm? Cortex?-M4 處理器，并具有以下特點(diǎn)：工作頻率 84 MHz、應(yīng)用代碼閃存空間 512 MB、RAM 96 KB。Nucleo-401RE 評估板上提供了 STM32F401RE，還包括用于連接其他硬件的 Arduino 針座，以及用于為嵌入式軟件編程的 ST-Link。所有 PLC 代碼將在 Nucleo-401RE 上執(zhí)行。

圖 2：Nucleo-401RE 開發(fā)板構(gòu)成了 PLC 控制器的基礎(chǔ)，它包含 512 MB 的應(yīng)用代碼空間，以及用于存儲數(shù)據(jù)的 96 KB RAM。（圖片來源：STMicroelectronics）

構(gòu)建 PLC 所必需的第二個(gè)組件是用于輸入和輸出的信號調(diào)節(jié)板。開發(fā)人員可以從兩種信號調(diào)節(jié)板中進(jìn)行選擇，或者如果應(yīng)用需要，也可以組合使用。

第一個(gè)是 X-Nucleo-PLC01A1 工業(yè) I/O 擴(kuò)展板（圖 3）。X-Nucleo-PLC01A1 包含通過 CLT01-38SQ7 高速數(shù)字輸入限流器的八個(gè)經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸入。CLT01-38SQ7 可限制輸入引腳能夠消耗的電流，從而為 PLC 提供數(shù)字輸入保護(hù)。另外，還有采用 VNI8200XP 單片式 8 通道驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行調(diào)節(jié)的八個(gè)工業(yè)輸出。這種驅(qū)動(dòng)器具有極低供電電流、集成 SPI 接口和高能效 100 mA 微功耗降壓型開關(guān)。VNI8200XP 提供八個(gè)片載固態(tài)繼電器，每個(gè)繼電器能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 0.7 安培的電流。X-Nucleo-PLC01A1 還包括 LED 指示燈，以便從直觀地查看每個(gè)輸入和輸出的狀態(tài)，以及三個(gè)報(bào)警燈用于指示超溫和其他板故障。X-Nucleo-PLC01A1 通過 SPI 通信鏈路與 Nucleo-401RE 進(jìn)行通信。

圖 3：X-Nucleo-PLC01A1 是一款工業(yè)級擴(kuò)展板，可提供具有八個(gè)數(shù)字輸入和八個(gè)數(shù)字輸出的 PLC 應(yīng)用。（圖片來源：STMicroelectronics）

PLC 可能還需要能夠控制高電流和模擬信號。X-Nucleo-PLC01A1 專為數(shù)字信號設(shè)計(jì)。為了控制其他信號，開發(fā)人員可以使用 X-Nucleo-OUT01A1（圖 4）。X-Nucleo-OUT01A1 包含 STMicroelectronics 的 ISO8200BQ 電位隔離八通道高壓側(cè)智能電源固態(tài)繼電器。在將這些輸出與 PLC01A1 進(jìn)行比較時(shí)，一個(gè)很大差異是該擴(kuò)展板能夠在 10.5 至 33 伏特的電壓范圍內(nèi)工作，實(shí)現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間的電位隔離。此外，該擴(kuò)展板上還有幾個(gè) LED 指示燈，可用于指示是否發(fā)生了通信故障或熱保護(hù)事件。

圖 4：X-Nucleo-OUT01A1 是一款工業(yè)級擴(kuò)展板，可提供具有八個(gè)繼電器輸出的 PLC 應(yīng)用，其中這些輸出能夠處理高達(dá) 0.7 安培的電流。（圖片來源：STMicroelectronics）

最后一個(gè)組件是無線芯片，可用于提供無線編程機(jī)制，或用于創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)連接的 PLC。開發(fā)人員可以使用 X-Nucleo-IDW01M1，它是一款符合 802.11 b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)的 Wi-Fi 擴(kuò)展模塊，同樣來自 STMicroelectronics（圖 5）。X-Nucleo-IDW01M1 經(jīng)過 FCC、IC 和 CE 認(rèn)證，帶有集成天線，因而可隨時(shí)直接用于生產(chǎn)系統(tǒng)。

圖 5：X-Nucleo-IDW01M1 是一款工業(yè)級 Wi-Fi 模塊，能夠集成到 PLC 中以提供無線連接。（圖片來源：STMicroelectronics）

借助上述所有三個(gè)組件，開發(fā)人員可以按照圖 ６ 所示的順序組裝硬件 PLC。雖然也可以按照相反順序組裝開發(fā)板，這不會造成損壞，但將需要一些額外調(diào)試。萬一需要將任何定制硬件添加到 PLC（例如 RS-485 芯片），開發(fā)人員可以使用 Arduino 原型開發(fā)擴(kuò)展板，例如 Proto Shield（來自 Olimex）或 Adafruit Proto Shield。

圖 6：組裝 STMicroelectronics 開發(fā)板以構(gòu)建功能 PLC 的順序。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

設(shè)置 PLC 軟件

我們需要使用多個(gè)軟件來設(shè)置 PLC。其中包括：

PLC 嵌入式軟件

嵌入式編譯器

梯形邏輯應(yīng)用程序

PLC 嵌入式軟件 FP_IND_PLCWIFI1 由 STMicroelectronics 開發(fā)，可從 STM 網(wǎng)站下載。它包含讓 STM32F401RE 投入運(yùn)行所需的全部代碼，還包含多種預(yù)設(shè)配置，具體取決于需要哪些硬件堆棧。該嵌入式軟件附帶了已針對 STM System Workbench、IAR Workbench 和 Keil MDK 設(shè)置的三個(gè)項(xiàng)目，并且可從 http://www.st.com/en/embedded-software/fp-ind-plcwifi1.html 下載（圖 7）。開發(fā)人員可以使用其中任何一種設(shè)置，以便在 PLC 上編譯和部署嵌入式軟件。

圖 7：運(yùn)行 PLC 必需的嵌入式 PLC 應(yīng)用程序包（圖片來源：Beningo Embedded Group）

下載嵌入式應(yīng)用程序之后，可將其導(dǎo)入所需的編譯器 IDE 并進(jìn)行編譯。開發(fā)人員應(yīng)該確保代碼編譯沒有問題。然后，可通過與 PC 的標(biāo)準(zhǔn) USB 連接，將編譯的應(yīng)用程序下載到 PLC。

最后，STMicro 還創(chuàng)建了簡單的 PLC 應(yīng)用程序，可用于創(chuàng)建梯形邏輯應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序適用于 iOS 和 Android。通過在移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用商店中搜索“ST PLC App”，可將該應(yīng)用程序下載到移動(dòng)設(shè)備上。

簡單的應(yīng)用程序示例

一旦 PLC 的嵌入式軟件運(yùn)行之后，開發(fā)人員便可以專注于使用 ST PLC 應(yīng)用程序開發(fā)他們的應(yīng)用代碼。應(yīng)用代碼將使用梯形邏輯來開發(fā)。開發(fā)人員可以啟動(dòng)應(yīng)用程序，并基于他們選擇要包括在硬件堆棧中的開發(fā)板來創(chuàng)建新項(xiàng)目（圖 8）。

圖 8：通過使用 ST PLC 應(yīng)用程序，開發(fā)人員可以創(chuàng)建新項(xiàng)目（左圖紅色突出顯示），選擇項(xiàng)目名稱（右圖橙色），然后配置將要使用的硬件（右圖綠色）。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

配置項(xiàng)目之后，開發(fā)人員即可為應(yīng)用程序創(chuàng)建梯級。第一個(gè)項(xiàng)目不妨簡單地測試是否能夠讀取輸入，以及基于該輸入能否設(shè)置輸出。開發(fā)人員可以通過如下方法來創(chuàng)建此測試：單擊“Add rung”（添加梯級），然后實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序中必需的邏輯。一旦完成此操作之后，開發(fā)人員應(yīng)該會創(chuàng)建一個(gè)類似圖 9 左側(cè)所示的梯級。

圖 9：通過使用 ST PLC 應(yīng)用程序，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)自己的邏輯，以便根據(jù)他們的需求來控制設(shè)備（左）。一旦創(chuàng)建應(yīng)用程序之后，便可通過單擊發(fā)送應(yīng)用程序按鈕（右），將其無線推送至 PLC。（圖片來源：Beningo Embedded Group）

保存梯級之后，開發(fā)人員將返回到主項(xiàng)目屏幕。在該屏幕上，他們可以在應(yīng)用程序中編輯梯級或創(chuàng)建更多梯級。如果準(zhǔn)備部署應(yīng)用程序，請單擊圖 9 右側(cè)所示的無線傳輸按鈕，這樣可進(jìn)行連接并傳輸 PLC 應(yīng)用程序。請注意，開發(fā)人員必須將移動(dòng)設(shè)備連接到 PLC 接入點(diǎn)，并配置端口和 IP 地址，這樣才能成功傳輸應(yīng)用程序。

構(gòu)建無線 PLC 的技巧和訣竅

在創(chuàng)建自己的定制無線 PLC 時(shí)，開發(fā)人員可以遵循一些技巧和訣竅。其中包括：

如果無線開發(fā)板不工作，請確認(rèn)開發(fā)板在堆棧上的方向正確。（即按正確的方向放置）

通過為 SSID 添加安全密鑰，提升系統(tǒng)安全性。

將默認(rèn)無線特性更改為站模式，并僅在更新過程中切換到接入點(diǎn)，從而更新 PLC。

考慮添加工業(yè)通信協(xié)議，例如 RS-485 和 Modbus。

快速構(gòu)建 PLC 的最佳方式是將它視為一個(gè)有趣的問題，然后嘗試使用 PLC 解決該問題。

使用 IAR Embedded Workbench for Arm 來編譯 PLC 嵌入式軟件。該工具鏈在 30 天內(nèi)代碼不受限。

結(jié)論

構(gòu)建定制 PLC 不一定就那么困難。如本文所示，STMicroelectronics 提供的生態(tài)系統(tǒng)讓開發(fā)人員能夠開發(fā)基本 PLC 軟件，并且極其快速地運(yùn)行該軟件。然后，開發(fā)人員還能夠輕松地修改和定制該應(yīng)用程序，以滿足各種應(yīng)用的需求和應(yīng)對各種挑戰(zhàn)。

雖然主要目標(biāo)是使用梯形邏輯來創(chuàng)建最終應(yīng)用代碼，但如果開發(fā)人員擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識，他們可以輕松地對嵌入式軟件進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)建更加強(qiáng)大和靈活的混合系統(tǒng)。