微型PLC系統(tǒng)設計與研究

曹冬梅

(鐘山職業(yè)技術學院工業(yè)與信息化學院，江蘇 南京 210049)

微型PLC系統(tǒng)設計與研究

曹冬梅

(鐘山職業(yè)技術學院工業(yè)與信息化學院，江蘇 南京 210049)

以單片機為核心，通過PLC指令讀入、程序編輯，在進行邏輯處理后采用繼電器輸出方式控制外設，實現微型PLC控制功能。其系統(tǒng)硬件包括IAP15F2K61S2單片機、LCD液晶顯示、鍵盤、系統(tǒng)的存儲器、輸入輸出接口電路和電源等部件，軟件部分主要由存儲器I2C模塊、鍵盤模塊、LCD液晶顯示模塊、menu菜單模塊、主程序和時鐘模塊等構成。系統(tǒng)針對微型PLC完成了邏輯運算、移位、定時等指令的編輯開發(fā)，實現了對數據的輸入、輸出及控制功能。

微型可編程邏輯控制器系統(tǒng);西門子;工業(yè)自動化

隨著微型可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)技術的迅速發(fā)展，應用領域的逐步擴大[1]，其產品結構也在不斷改進，使其具有功能多樣化、可靠性高、價格低等優(yōu)點。微型PLC具有極高的性能價格比，在日常生產中，可以以有限的投入得到超值的效益，因此研究微型PLC系統(tǒng)具有非常重要的經濟和工程意義。

本文設計開發(fā)了一種微型PLC系統(tǒng),該微型PLC系統(tǒng)由程序編輯器和控制執(zhí)行器兩部分組成。程序編輯器主要通過鍵盤操作完成對PLC語句表指令輸入、修改等編輯功能，并在LCD上進行顯示。編輯后，可將輸入的程序保存至存儲器，供微型PLC控制執(zhí)行器使用；控制執(zhí)行器執(zhí)行單元讀取存儲指令后，根據I/O口的輸入信號，進行邏輯處理，處理后通過繼電器控制外設，實現PLC控制功能。

1 系統(tǒng)總體設計

通過對國內外PLC結構組成及工作原理調研發(fā)現，PLC基本組成主要包括中央處理模塊(CPU)、存儲器模塊、輸入/輸出(I/O)模塊、電源模塊及外部設備(如編程器)等[2]。PLC的輸入部分采集輸入信號，輸出部分就是系統(tǒng)的執(zhí)行部分，由輸入采樣刷新、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新這3個階段自身的循環(huán)掃描工作方式實現系統(tǒng)功能[3]。本文微型PLC系統(tǒng)設計方案如圖1所示。

微型PLC程序編輯器主要由硬件和軟件兩部分構成。硬件部分包括單片機模塊、存儲器模塊、鍵盤模塊、LCD液晶顯示模塊[4]；軟件部分主要是在硬件電路基礎上實現程序輸入、編輯與顯示功能。微型PLC系統(tǒng)程序編輯器組成結構如圖2所示，控制執(zhí)行器結構如圖3所示。

單片機的主要作用是對鍵盤、LCD和存儲器的控制；LCD主要用于對程序編輯、保存等人機交互信息進行顯示；鍵盤的主要作用是對編輯器程序的錄入、讀寫與保存操作；存儲器主要用于存儲程序，便于程序在編輯器和控制執(zhí)行器間傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要是圍繞微型PLC系統(tǒng)設計中程序編輯器和控制執(zhí)行器兩大模塊，采用Keil C51進行系統(tǒng)軟件開發(fā)，程序設計模塊化，具有可共享、便于功能擴展及易維護等特點[5]。

2.1程序編輯器軟件設計

主程序(mcu1_main.c)調用各個功能子程序模塊，實現程序輸入、顯示與編輯以及常量定義、變量定義、端口初始化、開機界面顯示、菜單事件處理、按鍵處理和顯示屏刷新等功能，流程圖如圖4所示。

LCD程序模塊(HD61202a.c，LCD_app.c，LCD_asc8.c，LCD_asc16a.c， LCD_ch16.c)實現對HD61202 I/O訪問方式驅動、LCD12864應用及字符顯示(5×8點陣西文字庫、8×16點陣西文字庫、16×16點陣中文字庫)。

menu菜單程序模塊(key_processing.c、lcd_refresh.c、menu.c、menu_processing.c)包含按鍵處理、菜單顯示、菜單程序、菜單處理等，實現菜單不同顯示內容不同、同一按鍵在不同菜單下實現不同操作、菜單內容自動處理等功能。

時鐘程序模塊(timer.c)主要是根據系統(tǒng)晶體振蕩器和定時器產生系統(tǒng)時基信號，提供系統(tǒng)10ms的時基信號，實現系統(tǒng)各功能模塊協(xié)調工作。

2.2控制執(zhí)行器軟件設計

PLC工作過程一般分為數據輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個階段[6]。完成上述3個階段的工作稱作一個掃描周期。在整個掃描周期運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述3個階段的工作。執(zhí)行器軟件主要分為主程序模塊、存儲器I2C程序模塊、I/O程序模塊、時鐘程序模塊4大部分。

main主程序(mcu2_main.c)主要包含對LD、LDN、A、AN、O、ON、=、TON、SHRB、END等指令的定義，對I、Q、M、T等元器件變量的定義，端口初始化，程序執(zhí)行，輸出和掃描周期的控制等。main主程序的流程圖如圖5所示。

存儲器I2C程序模塊主要包含I2C總線驅動程序(I2C_24c16.c)和I2C總線基本應用程序(I2C_APP.C)，用于實現存儲模塊的數據儲存。

I2C信號是數據通信的一種方式，類似的通信方式還有SPI、UART等常用的通信接口。而IAP15F2K61S2單片機是沒有I2C硬件總線的，因而使用軟件來模擬I2C信號。為了使信號能夠穩(wěn)定傳輸，需要將I/O口的電阻值增加4.7kΩ，否則IAP15F2K61S2單片機將無法正常工作。

I/O程序模塊的主要功能是對輸入通道的信號進行采樣，讀入數據，使輸出信號能夠驅動繼電器控制輸出，實現微型PLC 對數據輸入輸出采樣和輸出控制功能。

時鐘模塊程序主要是根據系統(tǒng)晶體振蕩器和定時器產生系統(tǒng)時基信號，提供系統(tǒng)10ms的時基信號，實現系統(tǒng)各功能模塊協(xié)調工作。

3 結束語

本文設計開發(fā)了一種微型PLC系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)的程序編輯器和控制執(zhí)行器部分，實現了微型PLC對數據的輸入輸出采樣和輸出控制功能。該系統(tǒng)可作為在校大學生學習PLC工作原理及實驗時使用，也可在工業(yè)自動化領域作為控制器使用。下一步將進行全面的產品化設計開發(fā)，目標是開發(fā)出具有工業(yè)應用價值的、物美價廉的、介于PLC和單片機之間的工業(yè)控制器產品。

[1] 臧福海. 高速自動倒角機研制[J]. 機械設計與制造, 2012(6):153-155.

[2] 李秀英.可變過程控制器的特點與組成[J].煤炭技術, 2008(3):33-34.

[3] 馬云峰，樊俊秀.PLC系統(tǒng)設計分析[J].自動化技術與應用，2006(12):15-18.

[4] 陳長春，李誠.可任意編程的時間控制系統(tǒng)的設計與實現[J].吉林化工學院學報,2008(4)：56-59.

[5] 高錳, 谷明月. Keil C51和Proteus在單片機課堂教學中的應用研究[J]. 中國機械, 2014(1):101-102.

[6] 付忠仁.一連鑄切割機PLC控制系統(tǒng)[D].上海:上海交通大學,2006.

Development of the micro PLC system

CAO Dongmei

(Institute of Industry and Information, Zhongshan Vocational and Technical College, Jiangsu Nanjing, 210049, China)

Taking microcontrollers as the core and adding some I/O peripheral circuits to realize program editing, it develops a micro PLC control system, which includes the display and storage as well as logic processing to control peripherals with relay output. It introduces the hardware such as IAP15F2K61S2 microcontroller, LCD, keyboard, storage, I/O interface circuits and power supply, also illustrates the software components such as I2C module, keyboard, LCD, menu, main program and the clock module. This system can complete the logic operations, offset, timing, and be simple, convenient and flexible for user configuration, have wide applications in industrial automation industry.

micro PLC system; Siemens; industrial automation

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.05.015

2015-04-04

江蘇省高等學校2014年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃立項項目(201412922001Y)；2012年度江蘇省高?！扒嗨{工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)對象

曹冬梅(1978—)，女，江蘇通州人，鐘山職業(yè)技術學院副教授，主要從事工業(yè)自動化研究。

TP36

B

2095-509X(2015)05-0065-03