基于PLC 對(duì)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(無(wú)錫技師學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214000)

溫度是與人類(lèi)生產(chǎn)、生活密切相關(guān)的一個(gè)物理量,因此對(duì)溫度的測(cè)量及控制也就非常有意義。如空調(diào)系統(tǒng)的溫度檢測(cè),電力、通訊設(shè)備之過(guò)熱故障預(yù)知檢測(cè)等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了PLC、單片機(jī)、觸摸屏的優(yōu)勢(shì),解決了PLC與單片機(jī)多機(jī)之間通信數(shù)據(jù)處理的難題。能有效克服惡劣的工業(yè)環(huán)境,保證溫度監(jiān)控系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集顯示與預(yù)警提醒,使多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)得到了大大優(yōu)化。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件上主要由可編程邏輯控制器、單片機(jī)、觸摸屏、溫度測(cè)量模塊等構(gòu)成,如圖1所示。其中主機(jī)PLC與從機(jī)單片機(jī)之間通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,從機(jī)單片機(jī)溫度采集系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展,理論上最多可擴(kuò)展247個(gè)從站。PLC與HMI之間是以太網(wǎng)通信方式,單片機(jī)與DS18B20之間是單總線(xiàn)通信方式。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System hardware structure block diagram

2 單片機(jī)測(cè)溫程序的設(shè)計(jì)

用于溫度采集控制系統(tǒng)的核心是單時(shí)鐘的STC15F2K 60S2單片機(jī),它屬于高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的增強(qiáng)型51單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機(jī),但速度快8～12倍。采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20組成多點(diǎn)分布式溫度測(cè)量系統(tǒng),具有測(cè)量溫度范圍寬、分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn),且獨(dú)特的接口方式與單片機(jī)連接時(shí)僅需要一根線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)雙向通信[1],單片機(jī)與DS18B20連接的電路原理圖如圖2所示,基于單片機(jī)和DS18B20的溫度測(cè)量程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。

圖2 單片機(jī)與DS18B20 連接的電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the circuit connecting the single-chip microcomputer and DS18B20

圖3 溫度測(cè)量程序流程圖Fig.3 Flow chart of temperature measurement program

3 單片機(jī)與PLC之間通信程序的設(shè)計(jì)

Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議,控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其它設(shè)備之間可以通信,它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它,不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行集中監(jiān)控[2]。

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)正常傳輸,并確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性,硬件上采用RS485轉(zhuǎn)TTL電平互轉(zhuǎn)模塊,如圖4所示,工作溫度為-40℃至+85℃,傳輸距離可達(dá)千米,解決了單片機(jī)的串口與PLC的RS485接口之間電平匹配問(wèn)題。

圖4 RS485 轉(zhuǎn)TTL 電平互轉(zhuǎn)模塊Fig.4 RS485 to TTL level conversion module

本次設(shè)計(jì)軟件上開(kāi)發(fā)完成Modbus RTU通信協(xié)議的程序代碼,實(shí)現(xiàn)了讀取、預(yù)置寄存器(功能碼03,16)的功能。程序中定義各單片機(jī)為從機(jī)工作模式,并且配置為不同的從站地址,單片機(jī)與單片機(jī)從站之間不可以通信。主機(jī)PLC端讀取(功能碼03)從機(jī)單片機(jī)端3組溫度數(shù)據(jù)的寄存器地址映射圖如圖5 所示。

圖5 PLC 與單片機(jī)端寄存器的地址映射圖Fig.5 Address mapping diagram between PLC and MCUside registers

單片機(jī)端Modbus RTU通信協(xié)議的部分程序代碼如圖6所示。

圖6 Modbus RTU 通信協(xié)部分程序代碼Fig.6 Modbus RTU communication protocol part of the program code

4 PLC控制程序的設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)核心選用的是CPU ST20,是一款高性?xún)r(jià)比小型PLC。由于PLC綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù),可以綜合完成邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字運(yùn)算等功能。利用硬件上自帶的一個(gè)RS485接口,軟件上通過(guò)編程調(diào)用Modbus RTU庫(kù)功能[3],可以方便快捷地通過(guò)RS485接口與外圍設(shè)備建立Modbus RTU通信?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)中將PLC配置為主站,主要完成對(duì)各個(gè)從站單片機(jī)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的采集和高低溫報(bào)警監(jiān)控功能,PLC控制功能流程圖如圖7所示。程序調(diào)試中CPU ST20成功讀取STC15F2K60S2端數(shù)據(jù)的運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖7 PLC 控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 PLC control system flow chart

圖8 PLC 端讀取數(shù)據(jù)運(yùn)行結(jié)果圖Fig.8 The results of reading data from the PLC

5 HMI組態(tài)設(shè)計(jì)

SMART 700IE支持與CPU ST20之間進(jìn)行以太網(wǎng)的通信,為便于人機(jī)交互,在觸摸屏界面上組態(tài)有三組溫度數(shù)據(jù)顯示窗口,組態(tài)變量表如圖9 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境溫度需要可手動(dòng)設(shè)置高、低溫的閾值,屏幕上通過(guò)不同顏色的指示燈監(jiān)控每一組溫度值的狀態(tài)。

圖9 觸摸屏組態(tài)的變量表Fig.9 Variable table of touch screen configuration

例如在觸摸屏上設(shè)置報(bào)警上限溫度為30℃,下限溫度為10℃。即當(dāng)從站采集到的溫度值高于10℃且低于30℃時(shí),觸摸屏上的綠燈指示燈常亮,表示環(huán)境溫度正常。而當(dāng)從站采集到的溫度值超過(guò)30℃或低于10℃時(shí),觸摸屏上的高、低報(bào)警指示燈就會(huì)閃亮發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)仿真運(yùn)行如圖10所示。

圖10 基于PLC 對(duì)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)仿真運(yùn)行圖Fig.10 Simulation operation diagram of multi-point temperature monitoring system based on PLC for single-chipmicrocomputer

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)主要由PLC系統(tǒng)上位機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)下位機(jī)兩大部分組成,結(jié)合了Modbus RTU通信技術(shù),增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性。使用HMI組態(tài)界面靈活,易于升級(jí)滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化的需求。系統(tǒng)測(cè)溫準(zhǔn)確度高、可擴(kuò)展性強(qiáng),稍加改進(jìn)即可推廣應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚、生產(chǎn)車(chē)間和儲(chǔ)物倉(cāng)庫(kù)等環(huán)境的多點(diǎn)溫度監(jiān)控中,具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。