基于PLC和單片機(jī)的多模式綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 鴿，鄭 萍，葉建平，張鳳西，彭京平，蔣志軍

（西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039）

基于PLC和單片機(jī)的多模式綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 鴿，鄭 萍，葉建平，張鳳西，彭京平，蔣志軍

（西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039）

為了與工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)一致，使學(xué)生具有綜合的相關(guān)控制知識(shí)與實(shí)踐能力，將不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和單片機(jī)的多模式綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由PC機(jī)、PLC、單片機(jī)和變頻器組成，集PLC技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)于一體，融合了多種通信接口和DDE的數(shù)據(jù)交互模式。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)大大拓展了學(xué)生的視野，為開設(shè)綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了良好的平臺(tái)。

綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；PLC；單片機(jī)；變頻調(diào)速；MCGS組態(tài)軟件

Abstract：Due to the diversity of industrial control，the integrated control system becomes an industrial trend，more and more widely.Currently，most colleges and universities have established the PLC and SCM lab，the design enables students to master the widely used two control modes and system，but most of them simply by the PLC or SCM make up control system，lacking of integrated different control systems of experimental equipment and system.To be consistent with industrial trend，so that students have related integrated control knowledge and practical ability，this paper designs a kind of multi-mode integrated experimental system based on PLC and SCM，which consists of PC，PLC，SCM and inverter，contains PLC technology，SCM technology，frequency control technology，configuration software technology， merges a variety of communication interfaces and DDE data interactive mode.The practice proves that the system can greatly expand the horizons of the students，and provide a good platform for integrated innovation experiment.

Key words：integrated experimental system；PLC；SCM；frequency control；MCGS configuration software

如何培養(yǎng)能適應(yīng)社會(huì)需求、動(dòng)手能力強(qiáng)、具有一定應(yīng)用開發(fā)能力的畢業(yè)生，是應(yīng)用型院校探究人才培養(yǎng)模式的重要課題［1］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要強(qiáng)化工程應(yīng)用，為培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用型高級(jí)人才創(chuàng)造良好的教學(xué)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)是專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系不可缺少的重要組成部分［2］。PLC和單片機(jī)是目前最為常用的兩種控制器件。但在高校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，單片機(jī)和PLC的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是相對(duì)獨(dú)立的，很難將兩者聯(lián)系在一起進(jìn)行綜合的實(shí)訓(xùn)。而在實(shí)際的應(yīng)用中，兩者往往緊密相連，比如分布式控制系統(tǒng)，往往既有PLC，又有單片機(jī)系統(tǒng)。另外，與PLC相聯(lián)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場總線CAN、通信模塊等無不涉及到單片機(jī)的應(yīng)用。PLC和單片機(jī)有各自的控制特點(diǎn)，學(xué)生有必要全面地掌握PLC和單片機(jī)這兩種控制器。

為此，以三相異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，利用PLC、單片機(jī)、變頻器、上位PC機(jī)（MCGS和VB）、光電編碼器構(gòu)建了一個(gè)多模式的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集可編程控制器設(shè)計(jì)、單片機(jī)設(shè)計(jì)、變頻調(diào)速技術(shù)、工業(yè)組態(tài)軟件技術(shù)于一身，系統(tǒng)成本低、柔性強(qiáng)，是一種可以培養(yǎng)學(xué)生綜合學(xué)習(xí)能力、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代綜合實(shí)驗(yàn)的研究性良好平臺(tái)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于PLC和單片機(jī)的多模式綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)整體框架分為控制層、上位監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層?？刂茖邮怯煽删幊炭刂破?、單片機(jī)、變頻器、電機(jī)/運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和光電編碼器構(gòu)成多模式控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)PLC控制的多段速調(diào)速、閉環(huán)PID無極調(diào)速，單片機(jī)控制的多段速調(diào)速、閉環(huán)PID無極調(diào)速多種調(diào)速模式。利用工業(yè)組態(tài)軟件MCGS制作上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，利用VB編寫單片機(jī)的控制系統(tǒng)的上位數(shù)據(jù)采集軟件，通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)與MCGS的數(shù)據(jù)交互，并利用MCGS提供的網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)具有上位監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控的多種調(diào)試控制方式。

2 基于單片機(jī)直接控制的多段速變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻器的輸入信號(hào)包括運(yùn)行∕停止、正轉(zhuǎn)啟動(dòng)∕反轉(zhuǎn)啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）。變頻器通常利用繼電器接點(diǎn)與上位機(jī)連接而得到這些信號(hào)。通過對(duì)變頻器多功能輸入端（RL、RM、RH）進(jìn)行設(shè)定，即可以得到多級(jí)速度頻率［3］。端子與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 端子與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系表

用單片機(jī)來控制繼電器的通斷［4］，用繼電器的相關(guān)觸點(diǎn)與變頻器的3個(gè)功能端子相連，通過3個(gè)繼電器不同的通斷狀態(tài)，得到變頻器功能端的不同的輸入組合而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制的多段速變頻調(diào)速。單片機(jī)控制多段速變頻調(diào)速原理圖見圖2。

圖2 單片機(jī)控制的多段速系統(tǒng)原理圖

單片機(jī)的P2.0口、P2.1口、P2.2口分別控制與變頻器的3個(gè)功能輸入端（RL、RM、RH）相連的繼電器。通過控制P2.0口、P2.1口、P2.2口輸出的電平來控制3個(gè)繼電器的通斷，進(jìn)而控制變頻器實(shí)現(xiàn)多段速調(diào)速。一般通過單片機(jī)的鍵盤對(duì)所需的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，也可將檢測(cè)的信息送入單片機(jī)，通過單片機(jī)的比較程序得出P2.0口、P2.1口、P2.2的輸出邏輯組合而實(shí)現(xiàn)速度的控制。

3 基于PLC控制的閉環(huán)PID變頻調(diào)速系統(tǒng)

在PLC控制的閉環(huán)PID變頻調(diào)速系統(tǒng)中，上位機(jī)通過RS232-RS422編程電纜與PLC通信，以PLC作為控制器，變頻器作為執(zhí)行器，電機(jī)作為控制對(duì)象，用光電編碼器對(duì)電機(jī)的頻率進(jìn)行采集并送至PLC的高速輸入端形成閉環(huán)控制。由于PLC與變頻器均有RS485接口，PLC的485BD通信模塊用雙絞線直接連到變頻器的PU口上［5］，因此通過RS485通信便可將PLC控制指令送入變頻器?；赑LC控制的閉環(huán)PID變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理圖見圖3。

光電編碼器與PLC的X0、X1輸入端相連，用PLC內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器對(duì)其得到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)［6］。通過脈沖個(gè)數(shù)、時(shí)間和光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)算出電機(jī)的頻率，再將其通過PID指令進(jìn)行PID運(yùn)算，得出較穩(wěn)定的頻率送給變頻器，從而校正電機(jī)速度。閉環(huán)PID變頻調(diào)速PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)框圖見圖4。

圖3 PLC控制的閉環(huán)PID系統(tǒng)原理圖

圖4 閉環(huán)PID調(diào)速PLC程序設(shè)計(jì)框圖

4 基于MCGS工業(yè)組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和過程控制等功能，實(shí)時(shí)性強(qiáng)［7］。MCGS（通用監(jiān)控系統(tǒng)）是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，主要由組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境2個(gè)部分組成。本設(shè)計(jì)以PLC、單片機(jī)控制的變頻調(diào)速構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為對(duì)象，通過組態(tài)軟件完成上位監(jiān)控設(shè)計(jì)，在上位監(jiān)控層中的PC機(jī)運(yùn)行MCGS網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件，可完成上位監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層的監(jiān)控。

4.1 上位監(jiān)控層監(jiān)控設(shè)計(jì)

MCGS工業(yè)組態(tài)軟件與控制層通信最基本的3個(gè)步驟是窗口設(shè)計(jì)、變量設(shè)置、通道連接。上位機(jī)中監(jiān)控畫面的元素必須通過變量這一中間過程將其連接，而通道的配置則實(shí)現(xiàn)了這些變量與PLC的連接。

4.1.1 基于PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控層設(shè)計(jì)步驟如下［8］：

（1）建立系統(tǒng)工程。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)變量，根據(jù)PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際情況，在標(biāo)準(zhǔn)圖形庫選取相應(yīng)的圖形，并用繪圖工具進(jìn)行連接，對(duì)窗口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）進(jìn)行用戶窗口組態(tài)。將用戶窗口中所用圖源與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變量建立相關(guān)性連接。

（3）進(jìn)行設(shè)備窗口組態(tài)。在設(shè)備窗口中建立串口通信的父設(shè)備和0設(shè)備，完成基本屬性、通道連接、設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)處理的設(shè)置，最重要的是完成PLC的通道與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的變量相連接，設(shè)置相應(yīng)的讀寫操作。

（4）為了生動(dòng)地反應(yīng)下位的動(dòng)作情況還編寫了相應(yīng)的動(dòng)畫腳本程序。

系統(tǒng)的上位監(jiān)控界面見圖5。

圖5 PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)上位監(jiān)控界面

4.1.2 基于單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)的上位設(shè)計(jì)

由于MCGS組態(tài)軟件沒有單片機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序，因此采用DDE“軟通道”的方式實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控軟件MCGS與單片機(jī)控制系統(tǒng)的通信［9］。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（dynamic data exchange，DDE）協(xié)議是一種開放的、與語言無關(guān)的、基于消息的協(xié)議，它允許多個(gè)應(yīng)用程序以任何人為約定的格式交換數(shù)據(jù)或命令［10］。兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的程序間通過DDE方式交換數(shù)據(jù)時(shí)是Client和Server的關(guān)系，通過DDE方式建立的數(shù)據(jù)連接通道是雙向的，即Client不但能讀取Server中的數(shù)據(jù)，且可對(duì)其進(jìn)行修改。MCGS軟件提供了強(qiáng)有力的DDE客戶和服務(wù)器支持，DDE客戶支持允許把來自其他應(yīng)用程序的信息傳遞到MCGS軟件中，用于數(shù)據(jù)庫和畫面；服務(wù)器支持把MCGS軟件的過程信息傳遞到其他應(yīng)用程序中去處理。

VB把與串行通信有關(guān)的操作封裝在MSComm控件里，用戶通過屬性和事件來控制串口通信［11］，VB通過串口控件與單片機(jī)通信，采集單片機(jī)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)的通信。VB通過DDE的方式與工業(yè)組態(tài)軟件MCGS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，從而實(shí)現(xiàn)MCGS上位組態(tài)軟件對(duì)基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的上位監(jiān)控。其數(shù)據(jù)交互的原理框圖如圖6所示。

圖6 單片機(jī)控制系統(tǒng)與MCGS數(shù)據(jù)交互原理圖

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控層監(jiān)控設(shè)計(jì)

MCGS組態(tài)軟件提供了一套完善的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，可將多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過TCP∕IP網(wǎng)連接在一起，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)庫同步和網(wǎng)絡(luò)事件處理［12］。同時(shí)，通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)功能，可在工作站上直接對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作。在上位機(jī)運(yùn)行MCGS網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件，在主控窗口的HTTP的參數(shù)寫上本計(jì)算機(jī)的IP地址，然后進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行此工程。遠(yuǎn)程用戶打開IE瀏覽器，在地址欄輸入上位監(jiān)控層計(jì)算機(jī)的IP，就實(shí)現(xiàn)了基于MCGS網(wǎng)絡(luò)版的聯(lián)網(wǎng)功能，就能實(shí)時(shí)地瀏覽中間監(jiān)控的組態(tài)畫面。MCGS同時(shí)可以設(shè)置訪問權(quán)限，保證遠(yuǎn)程控制的安全性。其遠(yuǎn)程連接如圖7所示。

5 結(jié)束語

圖7 建立遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接

本文構(gòu)建的基于PLC和單片機(jī)雙系統(tǒng)控制的變頻調(diào)速綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以變頻調(diào)速系統(tǒng)為載體，成功地實(shí)現(xiàn)了在同一教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)PLC和單片機(jī)雙系統(tǒng)、多模式的綜合控制，并結(jié)合RS485的通信技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)、DDE數(shù)據(jù)交互技術(shù)，為學(xué)生開設(shè)分別以PLC或單片機(jī)為中心的高水平系列實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生可了解、對(duì)比單片機(jī)和PLC各種不同的控制特點(diǎn)，掌握先進(jìn)的各類技術(shù)，其知識(shí)點(diǎn)多，覆蓋面廣，綜合性強(qiáng)。另外，基于PLC與單片機(jī)雙系統(tǒng)控制的綜合實(shí)驗(yàn)還大大地節(jié)約了實(shí)驗(yàn)資源［13］，對(duì)于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)有積極的意義。

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Design of multi-mode integrated experimental system based on PLC，SCM

Yang Ge，Zheng Ping，Ye Jianping，Zhang Fengxi，Peng Jingping，Jiang Zhijun
（School of Electrical and Information Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

G642.423；TP273

A

1002-4956（2013）10-0083-04

2013-02-23修改日期：2013-03-25

四川省精品課程建設(shè)項(xiàng)目“可編程控制器原理及應(yīng)用”（XHJP060102）；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（Ycjj201256）

楊鴿（1987—），男，四川射洪，碩士，主要研究方向?yàn)楣I(yè)過程控制與綜合自動(dòng)化

E-mail：yang1022ge＠126.com

鄭萍（1957—），女，四川自貢，教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與儀表技術(shù).

E-mail：zp5757＠126.com