曹冬梅

(鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)與信息化學(xué)院，江蘇 南京 210049)

微型PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

曹冬梅

(鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)與信息化學(xué)院，江蘇 南京 210049)

以單片機(jī)為核心，通過(guò)PLC指令讀入、程序編輯，在進(jìn)行邏輯處理后采用繼電器輸出方式控制外設(shè)，實(shí)現(xiàn)微型PLC控制功能。其系統(tǒng)硬件包括IAP15F2K61S2單片機(jī)、LCD液晶顯示、鍵盤、系統(tǒng)的存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路和電源等部件，軟件部分主要由存儲(chǔ)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(shí)鐘模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)針對(duì)微型PLC完成了邏輯運(yùn)算、移位、定時(shí)等指令的編輯開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)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(dòng)化

隨著微型可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大[1]，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也在不斷改進(jìn)，使其具有功能多樣化、可靠性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。微型PLC具有極高的性能價(jià)格比，在日常生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)和工程意義。

本文設(shè)計(jì)開(kāi)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(guò)鍵盤操作完成對(duì)PLC語(yǔ)句表指令輸入、修改等編輯功能，并在LCD上進(jìn)行顯示。編輯后，可將輸入的程序保存至存儲(chǔ)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(chǔ)指令后，根據(jù)I/O口的輸入信號(hào)，進(jìn)行邏輯處理，處理后通過(guò)繼電器控制外設(shè)，實(shí)現(xiàn)PLC控制功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外PLC結(jié)構(gòu)組成及工作原理調(diào)研發(fā)現(xiàn)，PLC基本組成主要包括中央處理模塊(CPU)、存儲(chǔ)器模塊、輸入/輸出(I/O)模塊、電源模塊及外部設(shè)備(如編程器)等[2]。PLC的輸入部分采集輸入信號(hào)，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(gè)階段自身的循環(huán)掃描工作方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能[3]。本文微型PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gòu)成。硬件部分包括單片機(jī)模塊、存儲(chǔ)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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)如圖2所示，控制執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

單片機(jī)的主要作用是對(duì)鍵盤、LCD和存儲(chǔ)器的控制；LCD主要用于對(duì)程序編輯、保存等人機(jī)交互信息進(jìn)行顯示；鍵盤的主要作用是對(duì)編輯器程序的錄入、讀寫(xiě)與保存操作；存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是圍繞微型PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中程序編輯器和控制執(zhí)行器兩大模塊，采用Keil C51進(jìn)行系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，程序設(shè)計(jì)模塊化，具有可共享、便于功能擴(kuò)展及易維護(hù)等特點(diǎn)[5]。

2.1程序編輯器軟件設(shè)計(jì)

主程序(mcu1_main.c)調(diào)用各個(gè)功能子程序模塊，實(shí)現(xiàn)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(kāi)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)HD61202 I/O訪問(wèn)方式驅(qū)動(dòng)、LCD12864應(yīng)用及字符顯示(5×8點(diǎn)陣西文字庫(kù)、8×16點(diǎn)陣西文字庫(kù)、16×16點(diǎn)陣中文字庫(kù))。

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(shí)現(xiàn)菜單不同顯示內(nèi)容不同、同一按鍵在不同菜單下實(shí)現(xiàn)不同操作、菜單內(nèi)容自動(dòng)處理等功能。

時(shí)鐘程序模塊(timer.c)主要是根據(jù)系統(tǒng)晶體振蕩器和定時(shí)器產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)基信號(hào)，提供系統(tǒng)10ms的時(shí)基信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能模塊協(xié)調(diào)工作。

2.2控制執(zhí)行器軟件設(shè)計(jì)

PLC工作過(guò)程一般分為數(shù)據(jù)輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新3個(gè)階段[6]。完成上述3個(gè)階段的工作稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)掃描周期運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段的工作。執(zhí)行器軟件主要分為主程序模塊、存儲(chǔ)器I2C程序模塊、I/O程序模塊、時(shí)鐘程序模塊4大部分。

main主程序(mcu2_main.c)主要包含對(duì)LD、LDN、A、AN、O、ON、=、TON、SHRB、END等指令的定義，對(duì)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(chǔ)器I2C程序模塊主要包含I2C總線驅(qū)動(dòng)程序(I2C_24c16.c)和I2C總線基本應(yīng)用程序(I2C_APP.C)，用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。

I2C信號(hào)是數(shù)據(jù)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(jī)是沒(méi)有I2C硬件總線的，因而使用軟件來(lái)模擬I2C信號(hào)。為了使信號(hào)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(jī)將無(wú)法正常工作。

I/O程序模塊的主要功能是對(duì)輸入通道的信號(hào)進(jìn)行采樣，讀入數(shù)據(jù)，使輸出信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)繼電器控制輸出，實(shí)現(xiàn)微型PLC 對(duì)數(shù)據(jù)輸入輸出采樣和輸出控制功能。

時(shí)鐘模塊程序主要是根據(jù)系統(tǒng)晶體振蕩器和定時(shí)器產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)基信號(hào)，提供系統(tǒng)10ms的時(shí)基信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能模塊協(xié)調(diào)工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)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(shí)現(xiàn)了微型PLC對(duì)數(shù)據(jù)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(xué)生學(xué)習(xí)PLC工作原理及實(shí)驗(yàn)時(shí)使用，也可在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域作為控制器使用。下一步將進(jìn)行全面的產(chǎn)品化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的、物美價(jià)廉的、介于PLC和單片機(jī)之間的工業(yè)控制器產(chǎn)品。

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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(xué)校2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目(201412922001Y)；2012年度江蘇省高校“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)對(duì)象

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

TP36

B

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