基于可编程控制技术的工业生产模型实训装置设计

王二敏，马前帅

（天津职业技术师范大学工程实训中心，天津 300222）

基于可编程控制技术的工业生产模型实训装置设计

王二敏，马前帅

（天津职业技术师范大学工程实训中心，天津 300222）

针对市场上可编程控制器的模拟控制对象占用空间大、线路复杂、使用不灵活、价格昂贵等缺陷，设计了一种工业生产模型实训装置，应用在PLC、单片机等控制器类实训室，作为相关职业技能实训、社会培训及国家职业资格鉴定等的培训和考核装置。该装置硬件包括主控模块、电源模块、触摸屏、I/O隔离单元、通信模块以及可编程控制器等，软件使用触摸屏显示界面，包括基础训练单元、运动控制训练单元和过程控制训练单元。所有的训练单元都具有动态效果，可模拟实际的运动和过程控制。

工业生产模型；控制对象；可编程序控制；职业技能实训装置

教学模拟控制对象是通过仿真的方式来帮助学生更好地理解和掌握教学内容的装置。目前，各实训室使用的模拟控制对象是由分立的控制单元模块构成的，每个控制模块附加控制单元电路，这在很大程度上加大了系统成本。同时，分立的控制单元模块具有占用空间大、接线复杂等缺点。随着职业技术教育的发展，人们希望模拟控制对象包括多元化的教学内容，具有直观的示教功能以及实现设备的网络化管理。为此，本文研制开发了一套基于可编程控制技术的工业生产模型控制对象，以改进和提升职业技术教育实训教学质量。

1 总体方案设计

工业生产模型控制对象将分立的控制单元模块集成于一体，应用触摸屏技术将训练单元模拟仿真实际的运动和过程控制，实现控制对象的动态化；应用通信技术实现设备的网络化管理。按功能划分整个系统主要由实验模块（PLC或单片机系统）、电源模块、主控模块、触摸屏、I/O隔离端子和通信模块等组成。此外，工业生产模型控制对象设计为箱体式结构，提高了实训室的利用率。

本作品的整体设计框图如图1所示，箱体式工业生产模型控制对象如图2所示。

图1 系统整体设计框图

图2 箱体式工业生产模型控制对象

2 系统的硬件设计

2.1 主控模块

ATmega128单片机作为主控芯片，它主要完成ATmega128与触摸屏之间的数据通信、ATmega128与实验模块之间的数据处理及ATmega128与通信模块之间的数据处理。

在本设计中，考虑实际训练单元，实验模块与控制对象之间留出I/O口适当余量。工业生产模型控制对象设计了48路I/O口、24路输入口和24路输出口。而ATmega128单片机共有64个引脚，其中I/O口有53个，所以ATmega128这种特性给编程带来了很大的方便。

2.2 触摸屏

触摸屏采用北京迪文科技有限公司DMT80600C0 80_02W标准型HMI，它有内置的操作系统、CPU控制器以及专门配置的开发软件。因此，与一般控制对象相比在稳定性和可靠性方面有大幅度提升。

触摸屏显示界面包括各种训练单元，触摸屏图形界面的开发主要依赖于DGUS软件。DGUS软件支持多种图片格式，如.jpg、.bmp；制作时，可将不同的训练单元以图片的格式添加到DGUS软件中，DGUS屏的显示和操作都是基于预先设置好的变量配置文件来工作的。使用DGUS软件进行开发，可对自带存储单元进行数值存取操作以及设置与ATmega128之间的通讯参数，从而可以实现点击触摸屏屏幕来控制系统的运行。

采用触摸屏技术，将训练单元模拟实际运动和过程控制，实现控制对象的动态化。使用DGUS软件开发，内部自带触摸屏输入法、弹出菜单、滑块拖动、增量调节、艺术字和曲线显示等功能，这些功能都是借助PC机来完成的，可大大减少工程师大量的编程工作。

触摸屏与主控芯片ATmega128采用的通信协议是串口通信。用户可以在DGUS软件中设置触控配置，包括通信的波特率、定义数据帧帧头等。DGUS触摸屏通讯原理如图3所示。

图3 HMI通讯原理图

采用触摸屏技术可以直观明了、浅显易懂地掌握工业生产模型控制对象的工作流程。每一个项目训练前有一工艺过程作为训练引导，帮助学习者清晰地掌握整个生产工艺流程。例如图4所示是该实训装置的部分界面图。

图4 触控界面

2.3 通信部分

设备管理的网络化是现代实训室发展的必然趋势，本实训装置设计了无线通信和以太网通信，实现了实训室设备网络化管理。

2.3.1 无线通信

ZM2410系列产品为广州致远电子自主研发的2.4 GHz的Zigbee模块，该模块内置了8051单片机，其中包含了复杂的SNAP无线通讯协议，模块支持UART串口通信。SNAP是由Synapse公司研制并开发的无线mesh网络协议，SNAP为复杂的ZigBee网络提供了一套简单、可靠、完整的智能网方案。同时，由于使用“对等网络”的理念，功耗和冗余明显得到优化。采用无线通信技术实现设备管理网络化的结构示意图如图5所示。Zigbee ZM2410最小系统电路图如图6所示。

图5 采用无线通信技术的网络结构图

图6 Zigbee ZM2410最小系统电路图

ZLGnet是致远电子开发的一套无线路由协议，可实现底层节点路径查找、保存、更新等路由功能，用户可以通过串口调试助手“Zigbee-CEL”设置该模块的工作参数，包括通道号、网络ID、本地网络地址等。

Zigbee无线通讯的实现是通过ATmega128编程，在发送数据之前要先查找本地路由是否有路由表，成功后进行发送数据。本系统设计中，采用SNAP无线通信协议，将PC机的Zigbee模块设置为主机，这样PC主机就可访问任意节点从机设备的信息，从而实现实训设备的网络化管理。

2.3.2 Zigbee的测试参数

经过实际测试，Zigbee无线通讯模块的通信距离结果如表1所示。

表1 Zigbee无线通讯模块的通信距离

由表1测试结果可知，Zigbee模块的最短通信距离符合实训室管理的要求。

2.3.3 以太网通信

W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成全硬件TCP/IP协议栈和16 kB存储器，其中16 kB存储器用于数据传输。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程。W5100提供3种接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线。W5100与MCU接口简单，就像访问外部存储器一样。图7所示为采用以太网通信技术实现的网络结构框图。以太网的工作原理如图8所示。

图7 采用以太网通信技术的网络结构图

在本设计中，ATmega128与W5100采用SPI总线连接方式，应用程序由ATmega128来执行，网络协议的处理与数据的传输则由W5100来实现。其中，ATmega128工作在主机方式，W5100工作在从机方式，ATmega128通过SPI接口对W5100的内部寄存器进行相关操作，从而完成对W5100的控制以及数据的传输通信。通过网络，PC主机可以访问位于任何物理位置的通信口，从而可以集中管理大量的设备，实现实训设备的网络化管理。

图8 以太网的工作原理

3 系统的软件设计

3.1 MCU通讯设计

Atmega128与Zigbee、HMI采用UART串口通信方式。Atmega128串口通讯设计流程如图9所示。

图9 串口通讯流程图

3.2 触摸屏通讯设计及程序总体设计

HMI接口图如图10所示，HMI的波特率设置是在专门配置的软件开发平台上进行参数配置。需要注意的是触摸屏设置的波特率必须和ATmega128的波特率相一致。

图10 HMI接口图

从功能上讲，工业生产模型控制对象其核心是触摸屏与Atmega128之间的数据处理。通过实验证明，为了提高通信数据的安全性和可靠性，在软件编程中采用CRC校验方式。触摸屏Atmega128通信无校验和采用CRC校验的测试结果如表2和表3所示。

表2 触摸屏与Atmega128通信无校验时测试结果

表3 触摸屏与Atmega128通信采用CRC校验时测试结果

CRC即循环冗余校验码，是数据通信领域中最常用的一种差错校验码。迪文DGUS屏的串口数据帧由5个数据块组成，如表4所示。

表4 数据块的组成

通信帧头的设置是用于串口数据帧的识别和同步，DGUS屏出厂通信帧头预设值为0X5A、0XA5。CRC校验不包括帧头和数据长度，仅针对指令和数据，采用ANSI CRC-16（X16+X15+X2+1）格式，即：当启用CRC帧校验应答后，DGUS屏会在CRC校验后自动应答校验情况，帧头+02+（DGUS屏接收的）指令+数据（0XFF表示CRC校验正确，0X00表示CRC校验错误）+CRC。相应的程序如下：

程序总流程图如图11所示。

图11 程序总流程图

4 结束语

本文介绍了工业生产模型控制对象软硬件的整体设计。工业生产模型控制对象采用箱体式结构，不仅降低了购买设备的成本，节省实训室的使用空间，而且具有易维护、易开发的优势，提高了设备的管理和使用效率。触摸屏显示界面包括基础训练单元、过程控制训练单元和运动控制训练单元，实现了多元化的教学内容。采用触摸屏技术可实现示教功能，增加了教学内容的直观性，提高了学生的学习兴趣。采用通信模块，实现了实训设备网络化的管理。目前，中国职业技术教育正在蓬勃发展，各类院校都在建设工程技能实训中心，可编程序控制是工科类院校不可缺少的课题，所以此产品开发应用的发展前景十分可观。

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Design of industrial production model training device based on the programmable control technology

WANG Er-min，MA Qian-shuai
（Engineering Training Center，Tianjin University of Technology and Education Tianjin 300222，China）

Programmable controller in the market of the simulation control objects have the disadvantage such as taking up large space，complex lines，unflexible，high price.A kind of industrial production model of control object is designed in this paper，which can be used in the PLC and single-chip computer controller class training rooms，as relevant professional skills training，social training and national vocational qualification training and test device.The device's hardware includes main control module，power module，touch screen，the I/O segregation unit，communication module and the programmable controller，etc.Software uses the touch screen display interface，including basic training unit，motion control unit and the process control training unit.All the training unit has dynamic effect，which can simulate the actual motion and process control.

industrial production model；control object；programmable control；vocational skills training device

TP273

A

2095－0926（2015）01－0030－05

2014-12-23

王二敏（1988—），女，技师，研究方向为可编程序控制技术.