單片機(jī)和PLC實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

孫傳旗 李文峰 張 兵

（山東能源肥城礦業(yè)集團(tuán) 白莊煤礦，山東 肥城 271623）

0 引言

在現(xiàn)在工廠控制系統(tǒng)中，PLC 作為過程控制的核心部件，工作穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、強(qiáng)大的控制能力和成熟的技術(shù)使其具有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但PLC 也有其不足之處，操作過程缺乏交互性。現(xiàn)場(chǎng)工作人員無法直觀地對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，修改運(yùn)行參數(shù)必須由專業(yè)人員使用專用的編程器來完成，不但成本高昂，而且極為不便。對(duì)于一些需要經(jīng)常更改工藝參數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合控制系統(tǒng)，這些不足尤為突出。各PLC 公司專用的觸摸屏交互性雖好，但價(jià)格較貴，兼容性差。

針對(duì)目前應(yīng)用的問題，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的PLC 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。單片機(jī)利用PLC 必備的編程接口與之進(jìn)行通信，采用LED顯示PLC 程序執(zhí)行狀態(tài)，使用按鍵來設(shè)置工藝參數(shù)。

1 AT89 系列單片機(jī)介紹

AT89 系列單片機(jī)是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的8 位Flash 系列單片機(jī)，與INTEL 公司生產(chǎn)的MCS-51 單片機(jī)兼容，是市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。其特點(diǎn)如下：

1）片內(nèi)含有Flash 程序存儲(chǔ)器，開發(fā)編程方便；

2）全面兼容8051，引腳完全相同可直接取代8751；

3）具有靜態(tài)時(shí)鐘方式、降低系統(tǒng)功耗，適合便攜式系統(tǒng)；

4）Flash 程序存儲(chǔ)器可以多次快速擦寫，適合學(xué)習(xí)、開發(fā)。

2 PLC 的介紹

可編程序控制器(Programmable Logic Controller),簡(jiǎn)稱PLC,是一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng).它采用可編程序的存儲(chǔ)器,在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算操作的指令,并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出,控制各種類型的生產(chǎn)過程.PLC 具有編程簡(jiǎn)單,使用方便,抗干擾能力強(qiáng),在特殊的環(huán)境中仍能可靠地工作,故障修復(fù)時(shí)間短,維護(hù)方便,接口功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

3 單片機(jī)和PLC 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 單片機(jī)的硬件的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖中可以看出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，采用單片機(jī)的最小系統(tǒng)即可滿足要求，整個(gè)系統(tǒng)可以分為電源電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，按鍵電路，顯示電路，RS-232 通信電路等部分。

電源電路為單片機(jī)提供5V 電壓，并保證從內(nèi)部ROM 開始執(zhí)行程序。

時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供正確的時(shí)鐘頻率，確保單片機(jī)正常工作。復(fù)位電路保證單片機(jī)執(zhí)行程序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，能夠回到初始狀態(tài)重新執(zhí)行程序。

按鍵電路和顯示電路是單片機(jī)的輸入輸出部分，使用戶可以和單片機(jī)進(jìn)行交互。

通信部分利用了MAX-232 芯片，使單片機(jī)和PLC 可以以RS-232 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。

3.2 通信接口電路及設(shè)置硬件連接

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 主程序流程圖

PLC 通過Host Link 協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行1:1 上位鏈接通信，單片機(jī)作為上位機(jī)發(fā)送讀寫命令，實(shí)現(xiàn)的功能有：讀寫PLC 的運(yùn)行狀態(tài)，讀寫繼電器區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)DM 的內(nèi)容，讀寫定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的設(shè)定值和當(dāng)前值，對(duì)指定點(diǎn)或通道強(qiáng)迫置位/復(fù)位。上位機(jī)與PLC 通信，單片機(jī)是主動(dòng)的，PLC 是被動(dòng)的，每次通信由單片機(jī)主動(dòng)發(fā)起，PLC 不需編寫通信程序，但用戶應(yīng)遵循通信協(xié)議即命令幀、響應(yīng)幀的要求，在單片機(jī)上設(shè)計(jì)通信程序。為了保證單片機(jī)與PLC 的正常通信，通信前，應(yīng)保證單片機(jī)的通信參數(shù)(如幀格式、波特率、較驗(yàn)方法等) 必須和PLC 設(shè)置一致。

3.2.1 PLC 串行通信接口設(shè)置通信前,必須先在PLC 設(shè)置中正確設(shè)置如表1 所示的參數(shù)。

表1 通信參數(shù)設(shè)置

3.2.2 單片機(jī)串口設(shè)置

AT89S51 內(nèi)部有一個(gè)全雙工增強(qiáng)型UART 口，TXD(P3.1)為發(fā)端，RXD(P3.0)為接收端。它主要受兩個(gè)特殊寄存器(SCON 和PCON)的控制，可用軟件設(shè)置的四種工作方式。通信工作方式中,方式1 是標(biāo)準(zhǔn)的異步通信方式,此方式工作時(shí),串行口為8 位異步通信接口,每幀信息包括10 位:1 個(gè)起始位、8 個(gè)數(shù)據(jù)位和1 個(gè)停止位。波特率可變，由定時(shí)器T1 的溢出率和SMOD 的狀態(tài)決定，在CPU 的晶振為11.0592MHz 時(shí)，波特率采用9600bps。通信參數(shù)設(shè)置如下：置SCON 為01010000B（50H）（串口工作方式1，允許接收），置TMOD00100000B（20H）（定時(shí)器1 工作于模式2，做波特率發(fā)生器）。

3.3 通信協(xié)議

上位機(jī)鏈接通信使用的是OMRON 的Host Link 協(xié)議，在一次交換中傳輸?shù)拿罨驊?yīng)答的數(shù)據(jù)被稱為一幀，一幀最多可包含131 個(gè)數(shù)據(jù)字符。當(dāng)PLC 接收到從上位機(jī)發(fā)來的ASCII 碼命令時(shí)，自動(dòng)返回ASCII 碼應(yīng)答。單片機(jī)必須有一個(gè)能控制命令和應(yīng)答的傳送和接收的程序。

當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，塊中無設(shè)備號(hào)和校驗(yàn)碼。一幀最多128 個(gè)字符。命令塊單幀時(shí)的正文內(nèi)容最多124 個(gè)字符，多于一幀時(shí)，由起始幀、中間幀、結(jié)束幀構(gòu)成，起始幀正文內(nèi)容最多125 個(gè)字符，中間幀正文最多127 個(gè)字符，結(jié)束幀正文最多126 個(gè)字符。響應(yīng)塊中包含有兩位響應(yīng)碼，單幀時(shí)的正文內(nèi)容為122 個(gè)字符，在多幀情況下，起始幀含有兩位響應(yīng)碼，正文內(nèi)容最多為123 個(gè)字符，中間幀正文最多127 個(gè)字符，結(jié)束幀正文最多126 個(gè)字符。

3.4 單片機(jī)和PLC 的通信編程

當(dāng)PLC 使用Host Link 協(xié)議與單片機(jī)通信時(shí)，單片機(jī)具有傳送優(yōu)先權(quán)，單片機(jī)總是首先向PLC 發(fā)出命令并啟動(dòng)通信，發(fā)送過程結(jié)束后，PLC 立即作出響應(yīng)，然后將執(zhí)行結(jié)果返回單片機(jī)，單片機(jī)接收由PLC 發(fā)出的響應(yīng)幀，二者以幀為單位輪流交換數(shù)據(jù)。PLC 處于被動(dòng)通信，無需編制通信程序。單片機(jī)需要編制上位機(jī)通信程序，該程序可以發(fā)送命令幀和接收PLC 發(fā)出的應(yīng)答幀。其中包括:發(fā)送命令子程序、接收響應(yīng)子程序。AT89S51 單片機(jī)可以工作在查詢方式也可以工作在中斷方式下，單片機(jī)作為主站不繁忙時(shí)，可以采用查詢方式；當(dāng)主站任務(wù)繁忙時(shí)，則不宜采用查詢方以免影響主站工作效率，需要采用在中斷方式。

其中主程序流程圖如圖2 所示。

4 結(jié)論

PLC 與AT89S51 單片機(jī)之間的串行通信方法應(yīng)用于現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，不僅發(fā)揮了PLC 控制穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而且發(fā)揮單片機(jī)擴(kuò)展靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。該方法簡(jiǎn)易實(shí)用、靈活方便、安全可靠、成本低廉,具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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