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

賈俊霞

[摘 要] 隨著科技的發(fā)展，將最新科技運(yùn)用到工廠控制系統(tǒng)中，是提高工廠工作效率的重要途徑。在現(xiàn)在的工廠控制系統(tǒng)中人們經(jīng)常采用PLC來進(jìn)行過程控制，但該方式有諸多的缺陷。根據(jù)當(dāng)下的研究趨勢(shì)，探索應(yīng)用最簡(jiǎn)單的控制電路來改變傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所需的功能。通過科學(xué)選用輸入顯示裝置，彌補(bǔ)PLC專用觸摸屏價(jià)格昂貴的缺陷，通過較低的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的有效控制。

[關(guān) 鍵 詞] PLC；MCS-51單片機(jī)；串行通信；實(shí)時(shí)控制

[中圖分類號(hào)] TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）08-0196-02

在現(xiàn)在的工廠控制系統(tǒng)中，PLC是過程控制的核心部件，具有工作穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、控制能力強(qiáng)的特點(diǎn)，這使其在同類產(chǎn)品中具有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。人們?cè)诳吹狡鋬?yōu)勢(shì)的同時(shí)，也應(yīng)看到其存在的不足，操作過程缺乏相互性是其最大的缺點(diǎn)，這導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)工作人員無法對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使其操作中存在諸多不便。就拿修改運(yùn)行參數(shù)來說，現(xiàn)場(chǎng)工作人員無法像操作其他系統(tǒng)一樣，直接在電腦上進(jìn)行操作，而是需要相關(guān)工作人員使用專用的編程器來完成，這樣的設(shè)計(jì)不僅增加了成本，還帶來了許多不便。對(duì)一些經(jīng)常需要修改的工藝參數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合控制系統(tǒng)，這些不足則更加突出。針對(duì)這一現(xiàn)狀，有人主張使用各PLC公司專用的觸摸屏，這種方式雖然具有較強(qiáng)的交互性，但高昂的價(jià)格、較差的兼容性也限制了其應(yīng)用范圍。

針對(duì)目前應(yīng)用中的問題，本文獨(dú)辟蹊徑，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PLC實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的互動(dòng)。在該設(shè)計(jì)中，充分利用了PLC必備的編程接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，PLC程序執(zhí)行狀態(tài)將顯示在LED上，通過按鍵來設(shè)置工藝參數(shù)，以提高工作效率。

一、單片機(jī)概述

（一）單片機(jī)定義

單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，也可以將它稱之為小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，采用的是超大規(guī)模集成電路技術(shù)，通過一定的技術(shù)把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM等功能集中到一塊硅片上。在該硅片上，可能還包括其他的物質(zhì)，如顯示驅(qū)動(dòng)電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等。由于其具備強(qiáng)大的功能，因此被廣泛使用在工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的發(fā)展速度越來越快，從20世紀(jì)80年代起，它已經(jīng)由原來的4位、8位發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。

（二）主要特點(diǎn)

單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支領(lǐng)域，具有自己的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也使其被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)的特點(diǎn)主要包括6點(diǎn)：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、易操作，能實(shí)現(xiàn)模塊化；（2）具有較高的可靠性，可連續(xù)工作無故障；（3）具有強(qiáng)大的處理功能和處理速度；（4）單片機(jī)運(yùn)作時(shí)無需較高的電壓，因此其產(chǎn)生的功效較小，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；（5）擁有較強(qiáng)的控制能力；（6）具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

（三）AT89系列單片機(jī)概述

在眾多的單片機(jī)中，美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列單片機(jī)和INTEL公司生產(chǎn)的MCS-51單片機(jī)能夠很好地兼容，使其成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。因此，想要對(duì)單片機(jī)和PLC實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，離不開對(duì)AT89系列單片機(jī)的研究，這款單片機(jī)具有顯著的特征，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：（1）單片機(jī)內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器，降低了開發(fā)編程的難度，提高了它的便捷性；（2）該單片機(jī)能夠全面兼容8051，與8751相比具有相同的引腳，因此可取而代之；（3）具有靜態(tài)時(shí)鐘方式，對(duì)降低系統(tǒng)功效具有顯著的作用，是一種便捷式的系統(tǒng)；（4）其采用的Flash程序存儲(chǔ)器，可以進(jìn)行多次快速擦寫，適合相關(guān)人員學(xué)習(xí)、開發(fā)。

二、PLC概述

PLC又被稱作可編程序控制器（Programmable Logic Controller），是一種應(yīng)用廣泛的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)出來的一種系統(tǒng)。它采用的存儲(chǔ)器具有可操作性，通過在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行各種操作指令，如常見的指令包括邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算操作等。通過進(jìn)行數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，對(duì)各種類型的生產(chǎn)過程進(jìn)行多方面控制。PLC作為一種電子系統(tǒng)，具有許多優(yōu)勢(shì)，如編程簡(jiǎn)單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)等，這些優(yōu)勢(shì)使其在特殊的環(huán)境中仍能持續(xù)工作，并保持較高的可靠性，出現(xiàn)故障時(shí)，修復(fù)時(shí)間較短，維護(hù)起來也非常方便，除此之外，還具有接口功能強(qiáng)的特點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)使其在工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

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

（一）單片機(jī)硬件的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

單片機(jī)和PLC實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)各有利弊，通過對(duì)兩者進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其兼具這兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力求對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單化處理，通過使用單片機(jī)最小系統(tǒng)滿足要求。在整個(gè)系統(tǒng)中，電路是其重要的組成部分，其類型主要包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、按鍵電路、顯示電路和RS-232通信電路等部分。每個(gè)電路性質(zhì)不同，其功能也不盡相同。如電源電路為單片機(jī)提供5V電壓，在開始執(zhí)行程序時(shí)從內(nèi)部ROM開始；復(fù)位電路的功效是當(dāng)單片機(jī)發(fā)生執(zhí)行程序錯(cuò)誤時(shí)，能夠重回初始狀態(tài)，并開始重新執(zhí)行程序；時(shí)鐘電路則是發(fā)揮時(shí)鐘的功效，為其提供正確的時(shí)鐘頻率，為單片機(jī)正常工作奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)；按鍵電路和顯示電路在單片機(jī)上就是它的輸入輸出部分，通過這兩個(gè)電路可以使用戶和單片機(jī)進(jìn)行交互；通信電路則通過使用MAX-232芯片，使單片機(jī)和PLC具有了通信標(biāo)準(zhǔn)。其采用的標(biāo)準(zhǔn)為RS-232。

（二）對(duì)通信接口電路及設(shè)置硬件進(jìn)行科學(xué)連接

PLC與單片機(jī)之間能進(jìn)行1：1上位鏈接通信，但需要通過Host Link 協(xié)議，建立通信聯(lián)系之后，單片機(jī)就可以作為上位機(jī)來發(fā)送讀寫命令，并實(shí)現(xiàn)多重功能。主要功能包括：PLC的運(yùn)行狀態(tài)、繼電器區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)DM的內(nèi)容、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的設(shè)定值和當(dāng)前值等都可以進(jìn)行讀寫。上位機(jī)與PLC通信，主動(dòng)的一方是單片機(jī)，相應(yīng)的PLC就屬于被動(dòng)的一方，作為主動(dòng)方，擔(dān)負(fù)著主動(dòng)通信的任務(wù)，用戶可以在單片機(jī)上設(shè)計(jì)通信程序，無需在PLC上編寫通信程序，但應(yīng)該遵守通信協(xié)議即命令幀、響應(yīng)幀的要求。在通信前，應(yīng)對(duì)單片機(jī)的通信參數(shù)如幀格式、波特率等進(jìn)行檢查，使其與PLC設(shè)置一致，從而使單片機(jī)與PLC能夠正常通信。