基于4G/5G＋PLC的遠(yuǎn)程門禁控制系統(tǒng)研究與運(yùn)用

[摘 要]基于4G/5G數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)和PLC技術(shù)，通過云端技術(shù)、DTU技術(shù)和SCADA軟件實(shí)現(xiàn)有效遠(yuǎn)程控制，控制對象幾乎可涵蓋所有自動化執(zhí)行對象。這樣的控制方式，利用了既有的設(shè)備及基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到了對門禁設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)視控制的目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]4G/5G+PLC；遠(yuǎn)程門禁；控制系統(tǒng)

[中圖分類號]TP311.56 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0009–04

Research and Application of Remote Access Control System Based on 4G/5G+PLC

WANG Yushan，WANG Xin，CUI Shuang，LI Jinman

[Abstract]Through the global Internet + 4G/5G digital communication network， the technology between industrial automation PLCs is correlated， and effective remote control is carried out through cloud technology， DTU technology and SCADA software. Control objects can cover almost all automation execution objects. This control mode makes use of the existing equipment and the basic Internet to achieve the goal of remote monitoring and control of the access door.

[Keywords]4G/5G+PLC； remote access control； control system

1 遠(yuǎn)程門禁控制系統(tǒng)方案

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為信息技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)融合的產(chǎn)物，不僅有效地將人、機(jī)、物、系統(tǒng)聯(lián)系起來，而且通過高度的數(shù)據(jù)集成和智能化分析，極大地提高了生產(chǎn)效率和靈活性。其利用先進(jìn)的傳感器、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人以及系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的實(shí)時通信和協(xié)同工作。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動下，制造業(yè)正在經(jīng)歷一場深刻的變革。傳統(tǒng)的生產(chǎn)線演變?yōu)橹悄苌a(chǎn)線，能夠自動調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)以適應(yīng)不斷變化的需求和環(huán)境條件。本系統(tǒng)方案也是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

系統(tǒng)方案如圖1所示，遠(yuǎn)程電腦上鼠標(biāo)操作信號通過4G/5G通訊發(fā)送至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器再將這些信號通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的4G/5G數(shù)據(jù)傳輸送至被控制設(shè)備連接的4G DTU上，DTU和PLC之間通過通訊電纜連接，將接收到的數(shù)字形式的操作命令解析為PLC的輸出信號，經(jīng)過接觸器后再控制執(zhí)行電機(jī)完成啟停、旋轉(zhuǎn)等動作，實(shí)現(xiàn)對門禁的操作。

2 門禁系統(tǒng)終端設(shè)計及選型

門禁系統(tǒng)操作終端包括三菱的可編程控制器FX3U-32MT，F(xiàn)X3U-485-ADP通訊卡，采用FBox的繁易無線通訊終端DTU，及移動的4G/5G物聯(lián)卡。方案涉及的DTU、三菱PLC、執(zhí)行接觸器如圖2所示。

2.1 DTU

數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，簡稱DTU）是網(wǎng)絡(luò)通信中的一個基本概念。其指在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)時，一次能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的大小。這個大小通常由網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件共同決定。

DTU最基本的用法為在網(wǎng)絡(luò)通信中作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝?。例如，?dāng)在網(wǎng)上瀏覽網(wǎng)頁時，瀏覽器會向服務(wù)器發(fā)送請求，請求獲取網(wǎng)頁的HTML代碼。這個請求即通過DTU傳輸。服務(wù)器接收到請求后，會將HTML代碼分割成多個DTU，然后逐個發(fā)送給瀏覽器。瀏覽器接收到這些DTU后，會將其重新組合成完整的HTML代碼，然后顯示出網(wǎng)頁的內(nèi)容，如圖3所示。DTU數(shù)據(jù)連接涉及了無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，因特網(wǎng)寬帶供應(yīng)商，用戶公司的網(wǎng)絡(luò)情況，以及用戶的電腦配置等環(huán)節(jié)，因此要建立該連接需要將各部分都配置好。

本質(zhì)上，DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）和數(shù)據(jù)處理中心建立的是SOCKET連接。這種連接是一種基于網(wǎng)絡(luò)的通信方式，其允許兩個設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和接收。

SOCKET連接通常包括兩部分，即客戶端和服務(wù)器端。在這種情況下，DTU通常作為客戶端，而數(shù)據(jù)處理中心則作為服務(wù)器端。DTU通過無線或有線的方式連接到網(wǎng)絡(luò)，然后通過SOCKET連接將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心。

數(shù)據(jù)處理中心接收到數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。這可能包括數(shù)據(jù)的解碼、格式轉(zhuǎn)換、存儲、分析等步驟。處理后的數(shù)據(jù)可用于各種應(yīng)用，如遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、決策支持等。

SOCKET連接的優(yōu)點(diǎn)在于其穩(wěn)定性和可靠性。一旦建立了連接，就可保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，即使在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定的情況下也能保持連接。此外，SOCKET連接還支持雙向通信，即不僅可從DTU向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以從數(shù)據(jù)處理中心向DTU發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，SOCKET連接也有其局限性：①建立和維持SOCKET連接需要消耗一定的網(wǎng)絡(luò)資源；②如果數(shù)據(jù)量過大，可能會對網(wǎng)絡(luò)帶寬產(chǎn)生壓力；③SOCKET連接需要采取適當(dāng)?shù)陌踩胧﹣肀Ｗo(hù)數(shù)據(jù)的安全。

2.2 三菱可編程控制器FX3U-32MT

三菱可編程控制器FX3U-32MT主要組成部分為CPU運(yùn)算和控制中心、存儲器、輸入/輸出接口等。

CPU運(yùn)算和控制中心在該P(yáng)LC中起到“心臟”作用。用戶編寫的程序被輸入并存儲在PLC的用戶程序存儲器中。隨后，CPU利用系統(tǒng)功能（即系統(tǒng)程序存儲器內(nèi)的解釋編譯程序）將該程序轉(zhuǎn)換為PLC可識別的編譯代碼。

存儲器是用于存儲的半導(dǎo)體電路，分為系統(tǒng)程序和用戶兩種。系統(tǒng)程序存儲包含管理、監(jiān)控及編譯用戶程序的系統(tǒng)程序，由只讀存儲器構(gòu)成，廠家設(shè)置，內(nèi)容固定且不受斷電影響。

輸入/輸出接口主要是全中文編程界面，采用梯形圖方式，通信方便。采用標(biāo)準(zhǔn)的MC協(xié)議和FBox通信。同時支持ST文本編程和SFC編程，便于本項目的開發(fā)。

2.3 FBox

FBox產(chǎn)品作為繁易工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的關(guān)鍵組件，其被設(shè)計用來在各種工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集和通訊。通過將FBox安裝在生產(chǎn)線上或與機(jī)械設(shè)備相連，企業(yè)能夠?qū)崟r監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度以及環(huán)境參數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)。過與繁易工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的整合，F(xiàn)Box不僅可收集數(shù)據(jù)，還可利用平臺的數(shù)據(jù)分析和可視化工具，為用戶提供深入洞察和智能報告，幫助優(yōu)化運(yùn)營效率和預(yù)測維護(hù)需求?？芍苯永梅币走h(yuǎn)程管理平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置、診斷和管理等功能。FBox產(chǎn)品如圖4所示。

FBox產(chǎn)品功能豐富，支持350+工業(yè)協(xié)議接入，支持絕大部分工業(yè)設(shè)備連接；本地完成數(shù)據(jù)解析，將數(shù)據(jù)推送至云端服務(wù)器；支持邊緣計算，可在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算；支持繁易遠(yuǎn)程管理工具，支持遠(yuǎn)程配置、診斷。

2.3.1 FBox服務(wù)器設(shè)置

筆記本電腦連接互聯(lián)網(wǎng)，打開FBox的服務(wù)器軟件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置通訊參數(shù)，選擇接線的COM1口，設(shè)置通訊設(shè)備為MODBUS RTU，選擇通訊類型RS485-2，設(shè)置通訊協(xié)議波特率9 600，數(shù)據(jù)為8，停止位1，校驗(yàn)位無校驗(yàn)。FBox服務(wù)器設(shè)置如圖5所示。

2.3.2 FBox數(shù)據(jù)監(jiān)視

建立數(shù)據(jù)監(jiān)控，可通過互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)視三菱控制器采集到的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

2.3.3 FBox遠(yuǎn)程控制

PLC程序?qū)⒌刂稤1的前8個位賦予輸出的Y0到Y(jié)7，通過下發(fā)指令，改變地址1的第一個位，由0變?yōu)?，PLC對應(yīng)輸出點(diǎn)Y0動作，達(dá)到遠(yuǎn)程控制接觸器，從而實(shí)現(xiàn)啟停電機(jī)或其他執(zhí)行設(shè)備的目的?？刂茖ο竽軌蛲ㄟ^接觸器進(jìn)行控制，不僅可控制門禁系統(tǒng)，也可控制語音、消防、廣播等各個控制對方。而且通過其他的通信方式，例如，ModbusRTU或TCP等，還可傳輸數(shù)據(jù)量，如溫度、濕度、壓力、水位等非電量，起到完全監(jiān)測的目的。相關(guān)控制方式如圖7所示。

2.4 SCADA系統(tǒng)

SCADA組態(tài)王KingView 6.55是亞控科技針對工業(yè)自動化領(lǐng)域推出的一款專業(yè)軟件，其集成了數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、控制以及數(shù)據(jù)分析等多項功能，旨在為用戶提供一個可靠、高效且經(jīng)濟(jì)的自動化解決方案。該軟件以其友好的用戶界面和強(qiáng)大的系統(tǒng)集成能力，使得工程技術(shù)人員能夠輕松地對各種工業(yè)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和管理。

為面向低端自動化市場及應(yīng)用的產(chǎn)品，KingView 6.55特別注重易用性和經(jīng)濟(jì)性，其支持多種通訊協(xié)議，可與不同品牌和型號的PLC、DCS、智能儀表等設(shè)備無縫對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和控制指令的準(zhǔn)確下達(dá)。此外，其還提供了豐富的圖形庫和靈活的報表功能，幫助用戶快速構(gòu)建直觀的監(jiān)控界面和生成詳細(xì)的生產(chǎn)報告。KingView 6.55還具備良好的擴(kuò)展性和兼容性，可與企業(yè)資源計劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等上層管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，從而幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營成本，增強(qiáng)市場競爭力。

SCADA系統(tǒng)分為控制層、監(jiān)控層、管理層。監(jiān)控層連接上下兩層，負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測和控制，并發(fā)揮上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的作用。設(shè)計時需考慮畫面、數(shù)據(jù)、動畫。使用組態(tài)王軟件設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，提供可視化監(jiān)控，利用Windows圖形功能創(chuàng)建監(jiān)控畫面，展示設(shè)備狀態(tài)的動畫，具備報警、趨勢曲線等功能，方便生成報表。軟件支持多種設(shè)備驅(qū)動，組態(tài)靈活，數(shù)據(jù)鏈接能力強(qiáng)。SCADA系統(tǒng)如圖8所示。

本項目借助組態(tài)王軟件，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程可全球操作相關(guān)的PLC控制器，實(shí)現(xiàn)本項目的開發(fā)目的。同時若編程專業(yè)能力強(qiáng)，可采用C#、QT或VS等相關(guān)的界面編程。

3 結(jié)束語

本項目旨在搭建一套遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可通過公共通訊網(wǎng)絡(luò)建立操作人員到設(shè)備的鏈路，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程操作?？蓪?shí)現(xiàn)只要有網(wǎng)絡(luò)即可完成相關(guān)的授權(quán)操作。

通過項目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了這一預(yù)期目標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)后臺組態(tài)軟件的鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作，一直鏈接到PLC控制的接觸器動作和復(fù)歸這一目標(biāo)。其創(chuàng)新點(diǎn)在于后臺組態(tài)軟件到4G/5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器再通過4G DTU設(shè)備到PLC控制的執(zhí)行組件的通訊鏈路構(gòu)建。適用于一些非接觸的應(yīng)用環(huán)境。

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