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(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院,武漢 430033)

集中控制系統(tǒng)是艦船自動化領(lǐng)域的一個重要組成部分。目前模擬艦艇上的集中控制系統(tǒng)的技術(shù)方案多種多樣，文中采用PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，利用PLC與外設(shè)的串口通訊和邏輯量控制來實現(xiàn)控制功能，并著重介紹PLC與單片機串行通信的設(shè)計，具有經(jīng)濟性能好、硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠性高的特點。

1 集中控制系統(tǒng)PLC控制總體設(shè)計及通訊方式的實現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計

針對集中控制系統(tǒng)的要求，它包含大量的控制開關(guān)和相對應(yīng)的指示燈以及顯示潛艇狀態(tài)的四塊指針儀表，PLC可以對大量的邏輯量輸入輸出進(jìn)行控制，同時可以通過串口通訊與驅(qū)動儀表的單片機之間的信息傳遞[1]。

整個網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備為：一臺OMRON CJ1M CPU13 PLC、一臺微型機作為軟件設(shè)計和監(jiān)控平臺、網(wǎng)絡(luò)交換機、RS-232電纜。

PLC通訊口出來的總線分別通過RS-232電纜和以太網(wǎng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動儀表的單片機以及計算機通訊[2]。PLC與控制系統(tǒng)儀表之間通過RS-232總線進(jìn)行協(xié)議通訊[3]，PLC和計算機終端通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

1.2 單片機的電路設(shè)計

驅(qū)動儀表的單片機主要由MAX232CPE模塊接收和發(fā)送由串口輸入的信號；AT89C52PI、82C55A模塊初始化通信端口和編寫程序；M-S X12017模塊接收8255輸出的數(shù)據(jù)并控制儀表轉(zhuǎn)動。

1.3 通訊協(xié)議的設(shè)定和調(diào)試

在OMRON CJ1M PLC網(wǎng)絡(luò)通訊中，由于只有一個通訊口，波特率只支持9 600 b，因此波特率設(shè)置為9 600 b。主程序流程圖見圖1。RS-232通信程序流程圖見圖2。

圖1 主程序流程

圖2 RS-232通信程序流程

用Visual C++語言實現(xiàn)儀表驅(qū)動，程序主要分為兩部分，在第一部分中定義由8255輸出的數(shù)據(jù)類型和寄存地址，初始化單片機接收的數(shù)據(jù)并設(shè)置串口通信協(xié)議；第二部分為單片機主程序即儀表指針正、反轉(zhuǎn)的控制及指針指示數(shù)據(jù)的反饋校對控制。在應(yīng)用過程中指針指示數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是極為關(guān)鍵的，這部分程序中主要引用了數(shù)據(jù)寄存器SBUF，單片機將目標(biāo)數(shù)據(jù)存放在SBUF寄存器中，儀表指針?biāo)甘镜妮敵鰯?shù)據(jù)也反饋到SBUF中與目標(biāo)值進(jìn)行比較，如果數(shù)值相同，則中指程序，清空SBUF寄存器，如果數(shù)值不同，則根據(jù)比較結(jié)果的大(小)自動加(減)一，知道數(shù)據(jù)相同，完成輸出。由于篇幅原因，以下只介紹初始化和通信部分的程序：

#define COM8255_1 XBYTE[0x8003]

#define PA8255_1 XBYTE[0x8000]

#define PB8255_1 XBYTE[0x8001]

#define PC8255_1 XBYTE[0x8002]

//定義8255輸出端口及地址PA為8000H,PB為8001H,PC為8002H,全輸出為8003H

uchar rece_data[25];

uchar r_in=0,rr;

uchar data0=0xff,data1=0xff;

//向8255先后輸入0和1啟動8255

int num[8]={0},mynum0=0,mynum1=0,mynum2=0,mynum3=0,mynum4=0,mynum5=0,

mynum6=0,mynum7=0;

bit flag=1,cr=0;

//數(shù)據(jù)初始化

void check_num(void);

void init_8255(void)

{

COM8255_1=0x80;;

}

//初始化8255

void init_com(void) //設(shè)置串口通訊協(xié)議

{

TMOD=TMOD|0x20;

TL1=0xfd; //設(shè)置9600bit/s

TH1=0xfd;

PCON=0x00; //SMOD=0

TR1=1; //奇校驗

EA=1; //8數(shù)據(jù)位

ES=1; //設(shè)定1個停止位

SCON=0x50; //選擇串行方式

}

2 集中控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 儀表部分的控制設(shè)計

本設(shè)計是通過PLC向驅(qū)動儀表的單片機寫入脈沖指令來控制儀表。

1) 數(shù)據(jù)傳遞格式

從RS-232傳輸來看，CJ1M PLC只是傳送文字碼，所以確定以下寫入單片機的數(shù)據(jù)格式：

“@” +“F”或“S”+數(shù)據(jù)字符串+ “！

起始字頭+ 標(biāo) 志 + 數(shù) 據(jù) +結(jié)束標(biāo)志

按照要求設(shè)置PLC上位機鏈接端口欄內(nèi)的通信設(shè)置的波特率和格式，通信模式以及傳遞信息的初始碼和結(jié)束碼，見圖4。

圖3 PLC上位機鏈接端口設(shè)置

系統(tǒng)儀表部分包含3個儀表4個指針，上位機向驅(qū)動儀表的單片機寫數(shù)據(jù)，將4個指針分為兩組，故分組發(fā)送指令：

第一組數(shù)據(jù)：標(biāo)志為F(46H)

第二組數(shù)據(jù)：標(biāo)志為S(53H)

數(shù)據(jù)：脈沖指令，絕對位置脈沖，由高位向低位順序發(fā)送。(5個字節(jié)，5個ASCII碼)

例如：1234 發(fā)送字節(jié)為“+”“1”“2”“3”“4”

-1234發(fā)送字節(jié)為“-”“1”“2”“3”“4”

2) 軟件調(diào)試

CX-Programmer軟件是專門用來進(jìn)行OMRON系列PLC編程、調(diào)試、診斷和監(jiān)控的，它具有制作程序、對可編成控制器CPU的寫入/讀出、監(jiān)視、調(diào)試等功能。

由于儀表指針是通過PLC向單片機傳遞脈沖量而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的，要保證儀表“零位”在脈沖“0”左右有限區(qū)間內(nèi)，因此，在調(diào)試過程中，將要發(fā)送到單片機的脈沖量強制設(shè)置在數(shù)據(jù)寄存器D000-D005(共6個字節(jié)的ASCII碼)中，通過CX-Programmer的串行通信(發(fā)送)指令傳遞到單片機中以調(diào)試儀表指針的狀態(tài)。

數(shù)據(jù)傳送程序如下：

LD P-On

TXD(236) D0 D200 6

END

其中TXD(236)指令為串口通信發(fā)送指令，它有三個參數(shù)，第一個為原起始字，第二個為控制字，第三個為字節(jié)數(shù)，程序表示把從D0開始到D5的六個字節(jié)通過串口傳送。

2.2 PLC選型及邏輯量控制

本模擬系統(tǒng)絕大多數(shù)控制是采用邏輯量的控制，根據(jù)開關(guān)量輸入160點，開關(guān)量輸出252點，考慮到I/O留10%的余量。因此確定采用CJ1M CPU13可帶640點的PLC。

本模擬系統(tǒng)的主要特點是連鎖關(guān)系多而復(fù)雜，尤為關(guān)鍵的是操縱潛艇是不允許有一點錯誤出現(xiàn)的。舉例說明：兩個相同的開關(guān)打開的順序不同，在信號顯示區(qū)會顯示截然不同的結(jié)果，有的開關(guān)命令會在某些操縱進(jìn)行中不能執(zhí)行。所以在設(shè)計系統(tǒng)過程中不僅要考慮到正確執(zhí)行操縱者輸入的指令，而且要考慮如何拒絕執(zhí)行操縱者輸入的誤操作指令，即讓操作者知道此次操作是錯誤的，達(dá)到糾錯的目的，從而使受訓(xùn)學(xué)員進(jìn)一步了解系統(tǒng)。所以在系統(tǒng)邏輯量控制中使用大量的工作位來記錄不能保持狀態(tài)的開關(guān)以及延時指令(TIM)實現(xiàn)指示燈延時開關(guān)，部分程序內(nèi)容舉例如下：

LD 0.12 (打開開關(guān)A)

SET w0.00 (記錄開關(guān)A打開的狀態(tài))

LD 0.11 (關(guān)閉開關(guān)A)

AND w0.00

TIM 0015 #30 (延時30秒)

LD T0015

AND 1.01 (打開開關(guān)B)

SET 12.15 (打開指示燈C)

RSET w0.00 (清除打開開關(guān)A狀態(tài)的記錄)

3 結(jié)束語

結(jié)合對集中控制系統(tǒng)的要求，提出一種相對簡單且易于實現(xiàn)、編程容易且功能全面的集中控制系統(tǒng)設(shè)計及實施方案。系統(tǒng)采用一臺OMRON CJ1M CPU13 PLC與一臺計算機構(gòu)成集中控制系統(tǒng)的基本框架，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)PLC與上位機通信并分別利用串行通訊和邏輯量控制實現(xiàn)了對各個被控系統(tǒng)的控制，該方案目前已經(jīng)在實驗室環(huán)境下完成了系統(tǒng)的設(shè)計以及調(diào)試。

[1] 吳 震.中小型船舶主機遙控系統(tǒng)中PLC的應(yīng)用[J].廣東造船,2001(3):26-29.

[2] 郭宗仁.可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].,北京:人民郵電出版社,2000.

[3] 范逸之，廖錦棋.Visual Basic.NET 自動化系統(tǒng)監(jiān)控——RS-232串行通信[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.