微型PLC系统设计与研究.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 4卷 第 5 期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e r i n g Ma v ． 201 5 V0 1 ． 4 4 No ． 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 1 5 微型 P L C系统设计 与研 究 曹冬梅 钟山职业技术学院工业与信息化学院， 江苏 南京2 1 0 0 4 9 摘要 以单片机为核心 ， 通过 P L C指令读入、 程序编辑 ， 在进行逻辑处理后采用继电器输 出方式控 制外设， 实现微型 P L C控制功能。其 系统硬件 包括 I A P 1 5 F 2 K 6 1 S 2单片机、 L C D液 晶显示、 键盘、 系统的存储器、 输入输 出接 口电路和 电源等部件， 软件部分主要 由存储 器 I c模 块、 键盘模块、 L C D液晶显示模块、 m e n u菜单模块 、 主程序和时钟模块等构成。 系统针对微型 P L C完成 了逻辑 运算、 移位、 定时等指令的编辑开发 ， 实现 了对数据的输入 、 输 出及控制功能。 关键词 微型可编程逻辑控制器系统 ； 西门子 ； 工业 自动化 中图分类号 I P 3 6 文献标志码 B 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 5 0 5 0 0 6 5 0 3 随着微 型 可编 程逻 辑控 制 器 P r o g r a m ma b l e L o g i c C o n t r o l l e r ， P L C 技术 的迅速发展 ， 应 用领域 的逐步扩大⋯ ， 其产品结构也在不断改进 ， 使其具 有功能 多样 化、 可靠 性高 、 价 格低 等优 点。微型 P L C具有极高的性能价格 比， 在 日常生产 中， 可 以 以有限的投入得到超值 的效益 ， 因此研究微型 P L C 系统具有非常重要的经济和工程意义。 本文设计开发 了一种微 型 P L C系统 ， 该微 型 P L C系统由程序编辑器和控制执行器两部分组成。 程序编辑器主要通过键盘操作完成对 P L C语句表 指令输入 、 修改等 编辑功 能， 并 在 L C D上进行 显 示。编辑 后， 可将输入的程序保存至存储器 ， 供微 型 P L C控制执行 器使用 ； 控制执行器执行 单元读 取存储指令后， 根据 I ／ O口的输入信号， 进行逻辑 处理 ， 处理后通过继电器控制外设 ， 实现 P L C控制 功能 。 1 系统总体设计 通过对国内外 P L C结构组成及工作原理调研 发 现， P L C 基 本 组 成 主 要 包 括 中 央 处 理 模 块 C P U 、 存储器模块 、 输 输 出 I ／ O 模块 、 电源 模块及外部设备 如编程器 等 J 。P L C的输入部 分采集输入信号 ， 输 出部分就是系统的执行部分 ， 由输入采样刷新、 用户程序执行和输出刷新这 3个 阶段 自身的循环扫描工 作方式实现系统 功能 。 本文微型 P L C系统设计方案如 图 1 所示。 | 嚣 毫i ≈ ＼键盘 ＼ 储 } 器} ■ f { 里 皇 l 纛 I 接 2 2 0 V 电 源1 图 1 微型 P L C系统设计方案 微型 P L C程序编辑器主要 由硬件和软件两部 分构成。硬件部分包括单 片机模块 、 存储器模块 、 键盘模块 、 L C D液晶显示模块 ； 软件部分主要是 在硬件电路基 础上实现程序输 入、 编辑与 显示功 能。微型 P L C系统程序编辑器组成结构如 图 2所 示 ， 控制执行器结构如图 3所示 。 | 阍 一 - 、 臣 亟 圜 图2 程序编辑器组成结构图 收稿 日期 2 0 1 5 0 404 基金项目 江苏省高等学校2 0 1 4 年大学生创新创业训练计划立项项 目 2 0 1 4 1 2 9 2 2 0 0 1 Y ； 2 0 1 2年度江苏省高校“ 青蓝工程” 优秀青年骨干 教师培养对象 作者简介 曹冬梅 1 9 7 8 一 ， 女 ， 江苏通州人 ， 钟 山职业技术学 院副教授 ， 主要从事工业 自动化研究。 65 2 0 1 5年第 4 4卷 机械设计与制造工程 罂 [ 臣 固 图 3控制执行 器结构组 成 单片机 的主要 作用是对键盘 、 L C D和存 储器 的控制 ； L C D主要用于对程 序编辑 、 保存 等人机交 互信息进行显示； 键盘的主要作用是对编辑器程序 的录入、 读写与保存操作； 存储器主要用于存储程 序， 便于程序在编辑器和控制执行器间传输。 2系统软件设计 系统软件设计主要是 围绕微 型 P L C系统设计 中程序编辑器和控制执行器两大模块， 采用 K e i l C 5 1进行系统软件开发 ， 程序设计模块化 ， 具有 可 共享、 便于功能扩展及易维护等特点 【 5 J 。 2 ． 1 程序编辑器软件设计 主程序 m c u l ma i n ． C 调用各个功 能子程序 模块 ， 实现程序输入 、 显示与编辑以及常量定义 、 变 量定义、 端 口初始化、 开 机界面显示 、 菜单 事件处 理 、 按键处理和显示 屏刷新 等功 能， 流程 图如 图 4 所示 。 开机初始化 L C D 屏初始化 l广 显示屏刷新 显示开机界面 f l } 按键处理 编辑 内初始化 菜单事件处理 图 4 主程序模块 流程 图 L C D程 序 模 块 HD 6 1 2 0 2 a ． c ， L C Da p p ． C ， LCD a s c 8． C， LCD a s c l 6 a ． c ，L C Dc h 1 6 ． c 实现对 HD 6 1 2 0 2 I ／ O访 问方 式驱动、 L C D l 2 8 6 4应 用及字 符显示 5 x 8点阵西 文字 库 、 81 6点 阵西 文字 库 、 1 61 6点阵中文字库 。 me n u菜单程序模块 k e y p r o c e s s i n g ． C 、 l c d r e f r e s h． C、me n u．C、 me n u p r o c e s s i n g ． C 包 含按键 处 理 、 菜单显示 、 菜单程 序、 菜单处理等 ， 实现菜单不 同显示内容不同 、 同一按键在不同菜单下实现不同 操作 、 菜单内容 自动处理等功能 。 时钟程序模块 t i m e r ． e 主要是根据系统 晶体 6 6 振荡 器 和定 时 器 产生 系 统 时基 信号 ， 提供 系 统 1 0 m s 的时基信号 ， 实现系统各功能模块协调工作。 2 ． 2控制执 行 器软件 设 计 P L C工作过程一般分为数据输入采样 、 用户程 序执行和输 出刷新 3个阶段 。完成上述 3个阶 段的工作称作一个扫描周期。在整个扫描周期运 行期间， P L C的 C P U 以一定 的扫描速度 重复执行 上述 3个阶段的工作。执行 器软件 主要分为主程 序模块 、 存储器 1 2 C程序模块 、 I ／ O程序模块 、 时钟 程序模块 4大部分。 ma i n主程序 m c u 2 一 m a i n ． C 主要包 含对 L D、 L D N、 A、 A N、 0、 O N、 、 T O N、 S H R B、 E N D等指令 的 定义 ， 对 I 、 Q、 M、 T等元器件变量的定义 ， 端 口初始 化， 程序执行 ， 输出和扫描周期的控制等。m a i n主 程序的流程图如图 5所示 。 图 5 m a i n主程序 流程图 存储器 I 。 C程 序模块 主要包含 I C总线驱动 程序 I 2 C一 2 4 c 1 6 ． C 和 I c总 线 基本 应用 程 序 I 2 C _A P P ． C ， 用于实现存储模块 的数据储存 。 1 2 C信号是数据通信的一种方式 ， 类似 的通信 方式 还 有 S P I 、 U AR T等 常 用 的通 信 接 口。而 I A P 1 5 F 2 K 6 1 s 2单片机是没有 I 2 C硬件 总线 的 ， 因 而使用软件来模拟 I c信号。为了使信号能够稳 定传输 ， 需要将 I ／ 0口的电阻值 增加 4 ． 7 k n， 否则 I A P 1 5 F 2 K 6 1 s 2单片机将无法正常工作。 I ／ 0程序模块 的主要功 能是对输入通道 的信 号进行采样， 读人数据， 使输出信号能够驱动继电 器控制输 出， 实现微 型 P L C对数据输 入输 出采样 和输出控制功能。 时钟模块程序主要是根据系统晶体振荡器和 定时器产生系统时基信号 ， 提供 系统 l O m s的时基 信号 ， 实现系统各功能模块协调工作。 3 结束语 本文设计 开发了一种微型 P L C系统 ， 研究 了 2 0 1 5年第 5期 曹冬梅 微型 P L C系统设计与研究 系统的程序编辑器和控制执行器部分 ， 实现了微型 P L C对数据的输人输 出采样和输 出控制 功能。该 系统可作为在校大学生学习 P L C工作原理及实验 时使用 ， 也可在工业 自动化领域作为控制器使用。 下一步将进行全面的产品化设计开发 ， 目标是开发 出具有工业应用价值的、 物美价廉的 、 介于 P L C和 单片机之间的工业控制器产品。 参考文献 [ 1 ] 臧福海． 高速自动倒角机研制[ J ] ．机械设计与制造， 2 0 1 2 [ 2 ] [ 3] [ 4] [ 5 ] [ 6 ] 6 1 5 31 5 5 。 李秀英． 可变过程控制器的特点与组成[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 8 3 3 3 3 4 ． 马云峰， 樊俊秀 ． P L C系统设 计分析[ J ] ． 自动化技术 与应用 ， 2 0 0 6 1 2 1 51 8 ． 陈长春， 李诚． 可任意编程 的时间控制系统的设计与实现 [ J ] ． 吉林化工学 院学报 ， 2 0 0 8 4 5 6 5 9 ． 高锰 ， 谷 明月．K e i l C 5 1和 P r o t e u s 在单片机课堂教学 中的应 用研究[ J ] ．中国机械 ， 2 0 1 4 1 1 0 11 0 2 ． 付忠仁． 一连铸切割机 P L C控制系统 [ D] ． 上海 上海交通大 学 ， 2 0 0 6 ． De v e l o pme n t o f t he mi c r o PLC s y s t e m CAO Do n g me i I n s t i t u t e o f I n d u s t r y a n d I n f o r ma t i o n ， Z h o n g s h a n V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c al C o l l e g e ， J i a n g s u N a n j i n g ， 2 1 0 0 4 9， C h i n a Abs t r a c t Ta k i n g mi c r o c o n t r o l l e r s a s t h e c o r e a n d a d di n g s o me I ／0 p e rip h e r a l c i r c u i t s t o r e ali z e p r o g r a m e di t i n g， i t d e v e l o p s a mi c r o PL C c o n t r o l s y s t e m ，wh i c h i n c l u d e s t h e d i s pl a y a nd s t o r a g e a s we l l a s l o g i c p r o c e s s i n g t o c o n - t r o l p e ri p h e r a l s w i t h r e l a y o u t p u t ．I t i n t r o d u c e s t h e h a r d wa r e s u c h a s I AP 1 5 F 2 K 6 1 S 2 mi c r o c o n t r o l l e r ， L C D， k e y b o a r d，s t o r a g e ，I ／ O i n t e r f a c e c i r c u i t s a n d p o we r s u p p l y，als o i l l u s t r a t e s t h e s o f t wa r e c o mp o n e n t s s u c h a s 1 2 C mo d u l e ，k e y b o a r d，L C D，me n u，ma i n p r o gra m a n d t h e c l o c k mo d u l e ．T h i s s y s t e m c a n c o mp l e t e the l o g i c o p e r a - t i o n s，o f f s e t ，t i mi n g，a n d be s i mp l e，c o n v e n i e nt a n d fle x i b l e f o r u s e r c o n f i g u r a t i o n，ha v e wi d e a p p l i c a t i o n s i n i n d u s t r i al a u t o ma t i o n i n d us t r y ． Ke y wor ds mi c r o PL C s y s t e m ；Si e me n s；i n d u s t rial a u t o ma t i o n 6 7