葉翠安

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

鍋爐是供生產(chǎn)和生活上使用的一種熱能設(shè)備，如果管理不善或使用不當(dāng)，往往會(huì)引起事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則發(fā)生爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設(shè)備，后果十分嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外都把事故危害較大的鍋爐作為一種特殊的熱能裝置，從設(shè)計(jì)、制造到管理操作都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

文中船舶輔助鍋爐原來(lái)是從船上拆下，已將控制系統(tǒng)改造為PLC控制系統(tǒng)，使用中發(fā)現(xiàn)，每次教學(xué)訓(xùn)練，訓(xùn)練油耗大，也不易于在訓(xùn)練中設(shè)置設(shè)備的臨界危險(xiǎn)狀態(tài)。由于鍋爐的操作管理過(guò)程比較嚴(yán)格，系統(tǒng)復(fù)雜，安全系數(shù)高，若完全采用真實(shí)鍋爐來(lái)訓(xùn)練，除了油耗，直觀性也不好，學(xué)員訓(xùn)練印象難以深刻。為了改善船舶輔助鍋爐教學(xué)裝置的性能和功能，滿足教學(xué)和評(píng)估需要，更好進(jìn)行教學(xué)，添置了一個(gè)MIMIC屏和觸摸屏，利用PLC與單片機(jī)組成新的控制系統(tǒng)，通過(guò)輸入輸出接口和實(shí)物鍋爐結(jié)合，組成一個(gè)帶聲、光多媒體的半實(shí)物連續(xù)仿真系統(tǒng)，使學(xué)員在培訓(xùn)和考核中具有逼真的真實(shí)感，達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果，系統(tǒng)升級(jí)改造后，效果良好。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)成如圖1所示。

1)實(shí)物輔助鍋爐：用于學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)操作訓(xùn)練，培訓(xùn)和考核。

2)測(cè)控系統(tǒng)：是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，采用三菱 FX2N-64MR，F(xiàn)X2N-485BD，F(xiàn)X2N-4AD。

3）觸摸屏：用于鍋爐的參數(shù)設(shè)置和教學(xué)故障設(shè)置與仿真。

4）單片機(jī)控制與顯示系統(tǒng)：采用宏晶STC89C52單片機(jī)，兩路A/D、4路開(kāi)關(guān)量的輸入，通過(guò)串口RS485與 PLC聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置、顯示及報(bào)警。

5）MINI模擬顯示屏：刻畫(huà)了鍋爐系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和流程，安裝了各指示燈、開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)顯示儀表等。用于模擬仿真操作訓(xùn)練與考核，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬屏的控制。

1 PLC通信的設(shè)置與實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，為了可靠發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，通信雙方必須有規(guī)定的數(shù)據(jù)格式、通信格式。串口異步通信通信方式簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)較容易，成本低，這種通信方式廣泛地應(yīng)用在PLC控制系統(tǒng)中。在PLC控制系統(tǒng)中，習(xí)慣上將僅需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式、傳輸速率、起始碼等參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)定即可以實(shí)現(xiàn) PLC與外設(shè)間進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的通信，稱為“無(wú)協(xié)議通信”。無(wú)協(xié)議并非通信雙方不要協(xié)議，只是協(xié)議比較簡(jiǎn)單。大多數(shù)PLC都有一種串行口無(wú)協(xié)議通信指令，如本系統(tǒng)采用三菱FX系列的RS指令，它的組網(wǎng)通信常用有2種方法，一種是通過(guò)編程口，另外用串口通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。最常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)為RS232/RS485，RS232采用的是TTL電平，加之最大有效距離不大于 15 m，通信距離有限制，考慮和單片機(jī)串口通信的匹配，本系統(tǒng)采用了RS485接口通信，最大有效距離為50 m，方便遠(yuǎn)距離通信。

RS無(wú)協(xié)議通信的基本格式及收發(fā)數(shù)據(jù)的順序控制程序如圖2所示。

通信格式由特殊寄存器D8120設(shè)置，其值為H0C81，其意義是 8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，1位停止位，波特率9600，無(wú)幀頭無(wú)幀尾，無(wú)協(xié)議模式，則 D8120=H0C81（H表示16進(jìn)制）（0000 1100 1000 0001B）見(jiàn)表1。

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2 單片機(jī)通信的設(shè)置與實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)功能很強(qiáng)的全雙工串口，是由發(fā)送緩沖寄存器 SBUF、接收緩沖寄存器SBUF、發(fā)送控制寄存器、接收控制寄存器、輸入移位寄存器和輸出移位寄存器組成。寄存器SBUF為發(fā)送和接收所共用，發(fā)送時(shí)，只寫(xiě)不讀；接收時(shí)，只讀不寫(xiě)。在一定條件下，向SBUF寫(xiě)入數(shù)據(jù)就啟動(dòng)了發(fā)送過(guò)程，讀SBUF就啟動(dòng)了接收過(guò)程。串口通信編程有查詢方式和中斷方式兩種。本系統(tǒng)采用主從機(jī)制，采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)PLC與單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送接收。中斷方式是在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU不必連續(xù)查詢接收標(biāo)志RI和發(fā)送標(biāo)志TI，當(dāng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)完成時(shí)，CPU自動(dòng)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，只要在中斷服務(wù)程序中查看RI還是TI來(lái)判斷是接收還是發(fā)送，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理部分。中斷方式可以實(shí)現(xiàn)全雙工串口通信，效率比較高，速度快。

中斷方式通信流程是：當(dāng)串口發(fā)送或接收到數(shù)據(jù)時(shí)，硬件系統(tǒng)將TI或RI置位，觸發(fā)程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序，由中斷服務(wù)程序完成后面的數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收串口數(shù)據(jù)并將其保存到接收緩沖區(qū)。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完成后，TI或 RI自動(dòng)置 1，如果再發(fā)送或接收，必須先用軟件將其清除。其流程圖如圖3和圖4所示。

通信時(shí)單片機(jī)串口初始化參數(shù)應(yīng)與 PLC 相對(duì)應(yīng)，單片機(jī)通信初始化程序如下：

串口接收中斷處理程序：

3 MIMIC模擬屏顯示鍋爐狀態(tài)和參數(shù)的電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)采集與顯示系統(tǒng)是由單片機(jī)STC89C52、參數(shù)數(shù)碼管、狀態(tài)指示燈、MAX485、以及A/D、可調(diào)電位器等組成。圖5 是串行通信與參數(shù)顯示硬件接線圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PLC與單片機(jī)組合的方案，簡(jiǎn)易實(shí)用，成本低廉，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)。PLC可靠穩(wěn)定、抗干擾性能強(qiáng)，但不自帶顯示功能，單片機(jī)便宜、I/O口擴(kuò)展靈活、通信方便。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)改造后穩(wěn)定可靠，使用操作方便。此方案可適用于PLC控制設(shè)備升級(jí)改造，借助單片機(jī)的通信和顯示功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)程信息的監(jiān)視，有著極其重要的實(shí)踐意義。

[1]葉翠安，盧曉春，吳晶.船用輔助鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究 [J].船電技術(shù),2009,08:45-46.

[2]李江全，魏中巖等.單片機(jī)通信與控制應(yīng)用編程實(shí)例[M].北京：中國(guó)電力出版社,2012:40-61.

[3]田書(shū)峰，李 欣.單片機(jī)三菱 PLC 無(wú)協(xié)議串行通訊的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,(10):89-90.

[4]岳秀芳，李建等.基于單片機(jī)與PLC的串口通信研究[J].伺服控制,2013,08:55-56.