魏春光， 秦 健， 孫玉梅， 于玉沖

(1. 煙臺(tái)南山學(xué)院 工學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 265713； 2. 山東科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系， 山東 濰坊 261053)

0 引 言

目前的PLC實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多是將控制對(duì)象印刷在面板上，輸入、輸出用小按鈕和指示燈來(lái)代替，由于被控對(duì)象靜止不動(dòng)，梯形圖運(yùn)行過(guò)程中勢(shì)必會(huì)人工輸入變化信號(hào)，輸出用小燈的亮滅代替，使自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程不能完整呈現(xiàn)，同時(shí)這些控制面板固定，不易升級(jí)，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容一成不變，不能適應(yīng)PLC日新月異的發(fā)展，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。一些廠家也推出了動(dòng)態(tài)模型，但是一個(gè)模型只針對(duì)一種控制對(duì)象，體積較大而且價(jià)格昂貴[1]，PLC的控制對(duì)象變化多樣，逐一配備動(dòng)態(tài)模型也不現(xiàn)實(shí)。

利用組態(tài)軟件技術(shù)，對(duì)組態(tài)畫(huà)面中的被控對(duì)象分配地址，通過(guò)通訊的方式對(duì)PLC的內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作的仿真方法在很大程度上解決了PLC實(shí)物模型構(gòu)建困難較大的缺點(diǎn)，這種方法不涉及硬件，簡(jiǎn)單方便。但也正是因?yàn)椴簧婕坝布?，使學(xué)生在PLC的實(shí)踐過(guò)程中掌握的不全面，對(duì)學(xué)生工程能力的培養(yǎng)造成欠缺。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的虛擬負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置，用單片機(jī)設(shè)計(jì)硬件接口，作為電腦和PLC之間的連接媒介。上位機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)的通信軟件向單片機(jī)發(fā)送指令，設(shè)置單片機(jī)端口的某些位電平的高低，這些端口直接與PLC的輸入相連，能夠觸發(fā)輸入信號(hào)改變輸入映像寄存器的值，促使PLC程序按要求運(yùn)行，同時(shí)PLC的輸出信號(hào)也通過(guò)單片機(jī)進(jìn)入到上位機(jī)當(dāng)中，控制畫(huà)面中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行工作。這種方法實(shí)現(xiàn)了軟硬件聯(lián)動(dòng)，不僅畫(huà)面逼真，而且練習(xí)了硬件操作，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心進(jìn)行信號(hào)的傳遞與管理，上位機(jī)采用MCGS組態(tài)軟件，利用其提供的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向?qū)?lái)完成與單片機(jī)的信息交換，PLC與單片機(jī)的信息管理主要由硬件輸入、輸出接口實(shí)現(xiàn)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要涉及單片機(jī)的選用、MAX232電平轉(zhuǎn)換、輸入接口、輸出接口設(shè)計(jì)。

2.1 單片機(jī)的選型

采用STC90C516RD+單片機(jī)，該單片機(jī)是新一代高速、低功耗單片機(jī)，指令代碼與8051單片機(jī)完全兼容，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量大[2]，適合設(shè)計(jì)的需要。

2.2 通信接口的設(shè)計(jì)

STC90C516RD+單片機(jī)與上位機(jī)的通信采用MAX232進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，該芯片采用5V供電，具備雙驅(qū)動(dòng)電路，能夠輕松方便的實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。

2.3 輸入模塊的設(shè)計(jì)

為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，單片機(jī)與PLC的輸入模塊之間采用電隔離，選用TLP521實(shí)現(xiàn)。由于單片機(jī)I/O的驅(qū)動(dòng)能力弱，采用74LS00非門(mén)增大驅(qū)動(dòng)能力。由于PLC輸入端電路一般采用直流24 V電源供電，內(nèi)部以流過(guò)電流的大小來(lái)確定端口的導(dǎo)通、關(guān)斷，為確保不發(fā)生誤判，如圖2所示， PLC導(dǎo)通時(shí)的電流IC應(yīng)大于4.5 mA，關(guān)斷時(shí)的電流IC應(yīng)小于1.5 mA，所以在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算合適的電阻參數(shù)。

圖2 輸入模塊結(jié)構(gòu)

為了確保PLC輸入的可靠導(dǎo)通，取電流IF=15 mA，通過(guò)TLP521中IF-UF特性曲線確定發(fā)光二極管的壓降Ud為1.2 V，用電阻R的值計(jì)算公式如下：

R=(5-Ud)/IF

(1)

計(jì)算值為253 Ω，調(diào)整后取300 Ω。將R=300 Ω再帶回式(1)，計(jì)算出IF=12 mA，由于TPL521的電流傳輸比IC/IF<1,查閱IC-IF曲線確定IC為9 mA左右，大于4.5 mA，可以確保PLC輸入端口可靠導(dǎo)通。

關(guān)斷時(shí)由于TTL門(mén)輸出高電平，IF=0 mA，自然IC=0 mA<1.5 mA，PLC輸入端口可以可靠關(guān)斷。

2.4 輸出接口設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的PLC虛擬負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置針對(duì)的是繼電器輸出型PLC，PLC的輸出是開(kāi)關(guān)量，利用這一特點(diǎn)，采用單片機(jī)的獨(dú)立式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，將PLC的輸出點(diǎn)與單片機(jī)的I/O口直接相連，可大大簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輸出接線

3 軟件設(shè)計(jì)

該套虛擬負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置的核心在于單片機(jī)與上位機(jī)的信息交互，MCGS是一款非常優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件，它提供了國(guó)內(nèi)外常用的工控設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，也為其它特殊的設(shè)備提供了開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序向?qū)?，運(yùn)用VB6.0以上的開(kāi)發(fā)環(huán)境，該向?qū)軌驑?gòu)建出設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架，用戶按照自己的需要來(lái)變成和修改設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[3]。

3.1 屬性接口

MCGS提供的接口規(guī)范中有5個(gè)屬性接口,程序可以通過(guò)調(diào)用屬性接口函數(shù)來(lái)設(shè)置設(shè)備屬性。通過(guò)設(shè)定這5個(gè)屬性,可以標(biāo)示設(shè)備的類(lèi)型、類(lèi)別、設(shè)備的通道個(gè)數(shù),設(shè)備所用I/O地址的個(gè)數(shù)以及設(shè)備所用的I/O基地址[4-8]。

依據(jù)接口規(guī)范, 子設(shè)備是不需要占用系統(tǒng)I/O和I/O地址的。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)設(shè)備作為子設(shè)備與串口父設(shè)備對(duì)應(yīng)。本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的對(duì)象是為滿足一般需要設(shè)計(jì)的，PLC的I/O點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)輸入，8點(diǎn)輸出，因此設(shè)定通道個(gè)數(shù)為16個(gè),分別是單片機(jī)P1輸出通道與PLC的輸入點(diǎn)相連，單片機(jī)的P2作為PLC的輸出負(fù)載和輸出口相連。定義設(shè)置如下:

DevType=1 '1為子設(shè)備, 0為獨(dú)立設(shè)備

DevStyle=1 '1和串口父設(shè)備對(duì)應(yīng)的子設(shè)備

DevChannel=16

DevIONumber=0

DevBaseIO=0[9]

3.2 串口操作函數(shù)

在單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過(guò)程中，必須要用到串口父設(shè)備。MCGS把復(fù)雜的對(duì)串行端口的設(shè)置(如波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、停止位位數(shù)、有無(wú)奇偶校驗(yàn)等),初始化和讀寫(xiě)操作全部封裝在串行通訊父設(shè)備中[10]。在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序時(shí),子設(shè)備按通信協(xié)議格式設(shè)定命令并把命令放到一個(gè)固定的字節(jié)數(shù)組中,調(diào)用串行通信父設(shè)備提供的標(biāo)準(zhǔn)串口讀寫(xiě)函數(shù),即可完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送工作。串行端口操作函數(shù)如下:

ComOutDa:t把數(shù)據(jù)寫(xiě)到串行端口輸出到通信設(shè)備的串行口操作函數(shù)。

ComAllInDa:t將當(dāng)前輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部讀回來(lái)的串行口操作函數(shù)。

ComOutInDa:t把數(shù)據(jù)寫(xiě)到串行端口輸出到通信設(shè)備,并從串行端口中讀取返回的數(shù)據(jù)的串行口操作函數(shù)[11]。

3.3 程序掛接

限于篇幅，具體的驅(qū)動(dòng)編制不再贅述。編制好的驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)編譯生成*.DLL文件,只要把此文件復(fù)制到MCGSProgram Driver的目錄下,就完成了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的掛接工作[12-13]。

3.4 單片機(jī)中的程序設(shè)計(jì)

對(duì)照著MCGS的驅(qū)動(dòng)程序，在單片機(jī)中開(kāi)辟存儲(chǔ)空間，用來(lái)和MCGS進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。本設(shè)計(jì)中采用的STC90C516RD+單片機(jī)內(nèi)部用1 280個(gè)Byte的存儲(chǔ)空間，可以根據(jù)需要進(jìn)行內(nèi)存分配。為了符合通訊協(xié)議，單片機(jī)的串口設(shè)置如下：

void chuankou_init()

{TMOD=0x20；SCON = 0x50; PCON = 0x00;

TH1 = 0xfd; TL1 = 0xfd; TR1 = 1; }

4 運(yùn)料小車(chē)設(shè)計(jì)實(shí)例

運(yùn)料小車(chē)應(yīng)用廣泛[14]，其控制具有很強(qiáng)的代表性。其控制要求為：系統(tǒng)初始時(shí)，小車(chē)位于 左側(cè)，左限位限位開(kāi)關(guān)為ON。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，小車(chē)上方的料倉(cāng)倉(cāng)門(mén)打開(kāi)，5 s后料倉(cāng)關(guān)閉，小車(chē)向右行駛，到達(dá)右限位位置后小車(chē)停下，打開(kāi)小車(chē)底部卸料門(mén)卸料，10 s后卸料門(mén)關(guān)閉小車(chē)左行，到達(dá)左限位后重復(fù)上述操作，直到按下停止按鈕系統(tǒng)完成一個(gè)循環(huán)后停止。

I/O分配如表1和表2所示。

表1 輸入分配表

表2 輸出分配表

4.1 PLC梯形圖的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)控制要求的分析，運(yùn)用順序功能圖的編程方法[15]可以很輕松設(shè)計(jì)出梯形圖程序，限于篇幅，不再贅述。

4.2 組態(tài)監(jiān)控的設(shè)計(jì)

畫(huà)面設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，在此省略。為了讓車(chē)的水平運(yùn)動(dòng)畫(huà)面逼真，運(yùn)行流暢，同時(shí)左右限位開(kāi)關(guān)的信息能準(zhǔn)確無(wú)誤地通過(guò)單片機(jī)傳遞到PLC中，需要編寫(xiě)腳本程序。在設(shè)備通道中變量左限位與P1.2、右限位與P1.3、小車(chē)右行與P2.0、小車(chē)與左行P2.1關(guān)聯(lián),設(shè)MCGS內(nèi)部數(shù)值型變量位置移動(dòng)，腳本程序如下：

If 位置移動(dòng)<9 Then

左限位=1

Else

左限位=0

End If

If 位置移動(dòng)>172 Then

右限位=1

Else

右限位=0

End If

If P2.0=1 AND 小車(chē)右行=0 Then

位置移動(dòng)=位置移動(dòng)+5

End If

If P2.1=1 AND 小車(chē)左行=0 Then

位置移動(dòng)=位置移動(dòng)-5

End If

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的PLC虛擬負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置，利用開(kāi)發(fā)向?qū)傻膯纹瑱C(jī)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樾碌膶?shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)提供了極大的方便，也為其他設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)提供了很好的思路。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中效果良好，即達(dá)到了PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)調(diào)試的目的，又完成了硬件接線，使學(xué)生對(duì)PLC項(xiàng)目開(kāi)發(fā)有了較為深刻的認(rèn)識(shí)。裝置中存在的不足之處是模擬量、脈沖量等PLC的高級(jí)應(yīng)用尚不完善，在接下來(lái)的工作中將進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化，使裝置更加符合PLC實(shí)踐教學(xué)的需要。