基于4G/5G＋PLC远程门禁控制系统的研究与运用

基于4G/5G＋PLC远程门禁控制系统的研究与运用

王昱姗 王新 崔爽 李金曼

沈阳理工大学中俄学院 辽宁沈阳 110159

Research and application of remote access control system based on 4G/5G+PLC

摘  要：通过全球互联网+4G/5G数字通信网络的方式将工业自动化PLC之间的技术进行关联，有效的通过云端技术、DTU技术和SCADA软件之间进行有效远程控制。控制对象几乎可以涵盖所有自动化执行对象。这样的控制方式，利用了既有的设备，利用基础的互联网，达到了对门禁设备远程监视控制的目标。

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.

关键词：4G/5G＋PLC；远程门禁；控制系统

Keyword:4G/5G＋PLC;remote access control; control system;

0 引言

2020年初，一场新冠肺炎疫情袭来，给人们的生活带来了诸多不便，比如要保持社交距离等，中国政府推行“早发现、早报告、早隔离、早治疗”的“四早”方针，特别是奥密克戎毒株传染性强，密接和次密接都要进行隔离，在隔离酒店、隔离场所，为了防止次生感染，让工作人员和被隔离人员不发生空间上的交集，隔离场所设计了许多电器设备，如门禁、家用电器等，目前国内尚未有针对疫情防控研究的此类远程控制系统，通过深度研究，利用现有4G/5G通信技术、DTU技术、PLC控制技术等，通过远程控制实现对部分设备的控制和监视，通过减少人员现地操作、减少直接接触的方法，降低成本的同时又达到安全操作的目标。

本文依托的4G/5G网络通信技术、工业互联网技术、DTU技术、PLC控制技术、SCADA技术等[1]-[5]，旨在实现远程门禁控制，解决远程控制并且不接触的门禁开关系统，以达到类似于疫情防控等应用场景。

1 系统方案图

工业互联网（Industrial Internet）是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。当前，工业互联网融合应用向国民经济重点行业广泛拓展，形成平台化设计、智能化制造、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、数字化管理六大新模式，本系统方案也是基于工业互联网的应用。

项目系统方案如图1所示，远程电脑上鼠标操作信号通过4G/5G通讯发送到云端服务器，云端服务器再把这些信号通过工业互联网的4G/5G数据传输送至被控制设备连接的4G DTU上，DTU和PLC之间通过通讯电缆连接，把接收到的数字形式的操作命令解析为PLC的输出信号，经过接触器后再控制执行电机完成启停、旋转等动作，实现对门禁的操作。

图1 系统方案图

Fig.1 System schematic diagram

2 门禁系统终端设计及选型

操作系统终端由三菱的可编程控制器FX3U-32MT，通讯卡FX3U-485-ADP，繁易的无线通讯终端DTU采用FBOX，移动的4G/5G物联卡。方案相关涉及到的DTU、三菱PLC、执行接触器如图2所示：

图2 系统操作终端组成

Fig.2 System schematic diagram

2.1 DTU

DTU最基本的用法是：在DTU中放入一张开通GPRS功能的SIM卡，DTU上电后先注册到GPRS网络，然后通过GPRS网络和数据处理中心建立连接，如图3所示。这条连接涉及了无线网络运营商，因特网宽带供应商，用户公司的网络情况，以及用户的电脑配置等环节，因此要建立这条连接需要把各部分都配置好。

图3 DTU数据连接

Fig.3 DTU data connection

在本质上，DTU和数据处理中心建立的是SOCKET连接。DTU是SOCKET客户端，数据处理中心是SOCKET的服务端。SOCKET连接有TCP协议和UDP协议之分，DTU和中心要使用相同的协议，这个一般都有配置软件进行配置。给DTU配置好中心的IP地址和端口号后，则把DTU通过串口和用户的设备相连。在如图所示中，DTU和水文、电力、气象、环保等设备连起来放置在现场。DTU上电后首先注册到移动的网络，然后发送建立SOCKET的请求包给移动，移动把这个请求发送到因特网。

中心的服务端软件接收到请求后建立连接，并发送应答信息。DTU发送的请求信息是因特网上的数据包，有一些原因会阻止中心收到连接请求包，这样也就不能建立连接。最常见的有中心的电脑上有杀毒软件、防火墙等把这些数据包给屏蔽了。另一是中心电脑是通过路由器上网的，在路由器上要设置数据转发。SOCKET连接建立后就可以双向通信了。

2.2 三菱可编程控制器FX3U-32MT

三菱可编程控制器FX3U-32MT其主要组成部分为：CPU运算和控制中心、存储器、输入/输出接口等。

CPU运算和控制中心在该PLC起到“心脏”作用。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。

存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。

输入/输出接口主要是全中文编程界面，采用梯形图方式，通信方便。采用标准的MC协议和FBOX通信。同时也支持ST文本编程和SFC编程，非常方便本项目的开发。如图4所示。

图4 编程界面

Fig.4 programming interface

2.3 FBOX

FBox产品是繁易推出的工业物联网平台中的现场智能数据采集终端，可以方便地实现现 场设备的远程数据采集、远程下载和远程维护。支持 350+的工业设备驱动协议，多路通讯接口， 可满足绝大部分工业控制器设备的联网需求。支持多种上网方式，支持繁易云服务器。可直接利用 繁易远程管理平台实现远程配置、诊断和管理等功能.如图5所示。

图5 FBOX

Fig.5 FBOX

其功能丰富，支持350+工业协议接入，支持绝大部分工业设备连接；本地完成数据解析，将数据推送至云端服务器；支持边缘计算，可在本地进行数据运算；支持繁易远程管理工具，支持远程配置、诊断；

2.3.1 FBOX服务器设置

笔记本电脑连接互联网，打开FBOX的服务器软件进行设置，设置通讯参数，选择接线的COM1口，设置通讯设备为MODBUS RTU，选择通讯类型RS485-2，设置通讯协议波特率9600，数据为8，停止位1，校验位无校验。

图6 FBOXFBOX服务器设置

Fig6 FBOX server setting

2.3.2 FBOX数据监视

建立数据监控，可以通过互联网监视三菱控制器采集到的数据，如图7所示。

图7 数据监视

Fig7 data monitoring

2.3.3 FBOX远程控制

PLC程序里将地址D1的前8个位赋予输出的Y0到Y7，通过下发指令，改变地址1的第一个位，由0变为1，PLC对应输出点Y0动作，达到远程控制接触器，从而实现启停电机或其它执行设备的目的。控制对象能够通过接触器进行控制，不仅仅可以控制门禁系统，也可以控制语音、消防、广播等各个控制对方。而且通过其他的通信方式，例如：ModbusRTU或者TCP等，还可以传输数据量，例如温度、湿度、压力、水位等非电量，起到完全监测的目的。相关控制方式如图8所示。

图8 远程控制数据监视

Fig 8 remote control

2.4 SCADA系统

SCADA组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用

Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

本项目借助组态王软件，实现通过4G/5G网络远程可全球操作相关的PLC控制器，实现本项目的开发目的。同时如果具备编程专业能力强的，可以采用C#、QT或者VS等相关的界面编程。

图9 SCADA系统

Fig9 scada systemn

3 结语

本项目旨在搭建一套远程控制系统，能通过公共通讯网络建立操作人员到设备的链路，实现对设备的远程操作。可以实现只要有网络的地方，无论是处在何时何地均可完成相关的授权操作。

通过项目实施，实现了这一预期目标，可以实现后台组态软件的鼠标点击操作，一直链接到PLC控制的接触器动作和复归这一目标。其创新点在于后台组态软件到4G/5G网络服务器再通过4G DTU设备到PLC控制的执行组件的通讯链路构建。适用于一些非接触的应用环境、解决了疫情防控过程中非接触的远程门禁控制系统。

参考文献：

[1].杜育杰等．一体化智能门禁控制系统设计[J].数字技术与应用，2024，42:166－168．

[2].蒋欣．智能管控一体化系统在化工企业管理中的应用_蒋欣[J].技术与信息，2024，2:93－95．

[3].韩雪峰等．医院多场景融合智能门禁系统的设计与实现[J].医院信息化，2024，4:111－115．

[4].李润光等．基于单片机的小区智能门禁管理系统设计[J].电子学，2024，53:14－15．

[5].吴倩等．基于多模态生物特征识别的高校门禁系统设计与实现[J].现代电子技术，2024，47:37－43．

一、作者简介

1.王昱姗（2002.8.28），女，贵州，沈阳理工大学中俄学院本科生，研究方向：自动化

2.王新（），女，贵州，沈阳理工大学中俄学院本科生，研究方向：机械设计制造及其自动化

3.崔爽（），女，贵州，沈阳理工大学中俄学院本科生，研究方向：机械设计制造及其自动化

4.李金曼（），女，贵州，沈阳理工大学中俄学院本科生，研究方向：俄语