ＰＬＣ實驗箱模擬系統設計與實現

摘 要介紹一種PLC實驗箱模擬系統，用于配合PLC實驗平臺完成“轎廂式電梯控制”“流水線產品計數”實驗，能根據PLC控制程序的運行狀態直觀、形象地模擬演示實驗現象；提出用單片機作控制器，用多只條式發光二極管燈組顯示電梯和傳送帶的移動現象的方法；給出單片機I/O口擴展和單片機與PLC的通信電路原理圖，并詳細介紹模擬系統的軟件設計方法。

關鍵詞PLC 單片機；條式發光二極管；通信

中圖分類號 TP273 文獻標識碼 A 文章編號 1671-489X（2008）08-0088-03

1 引言

“可編程序控制器原理及應用”是機電類專業的一門必修課，四川交通職業技術學院亦開設了該課程。為了達到良好的教學效果，增強學生的實踐技能，突出高職高專教育的實用性和針對性，學校教師自行開發生產了配套的PLC實驗箱。本課題設計的實驗箱能完成“轎廂式電梯控制實驗”“流水線產品計數實驗”等實驗項目。為了能比較直觀、形象地模擬實驗現象，教師設計了基于單片機的模擬系統，配合PLC實驗控制程序來模擬和演示電梯轎廂及流水線傳送帶的移動狀態，指示電梯的當前樓層位置。同時，為了使“轎廂式電梯控制實驗”“流水線產品計數實驗”所做的PLC控制更貼近實際，需要向其提供控制現場的環境。可以根據控制現場的實際情況來模擬現場的一些關鍵信號，如電梯的位置傳感器、控制開關，傳送帶移動到位等信號。

2 方案設計

功能需求分析：

1）根據PLC控制程序運行狀態模擬和演示3層電梯轎廂及傳送帶的移動狀態；

2）模擬電梯行程開關，在電梯轎廂到達相應樓層時產生到位信號并指示，同時送給PLC；

3）產生傳送帶移動到位的位信號并指示，同時送給PLC。

采用36只條式發光二極管組成一條燈帶，點亮12只條式發光二極管表示電梯轎廂或流水線上的產品，用單個的發光二極管來指示到位信號，用光電耦合器實現單片機與PLC的信息通訊與電路的隔離，采用單片機作為模擬系統的控制核心。系統組成框圖如圖1所示。

3 硬件設計與調試

單片機選用AT89S51，該芯片支持ISP(In-system programmable)編程模式，利于程序下載與調試。完成本設計的電路比較簡單，但是信號的輸入輸出個數特別多，而單片機的I/O口位數很有限， I/O分配非常關鍵。

1）I/O分配與擴展。

PLC至單片機的通信信號：

①電梯啟動。

②3層電梯的移動狀態請求信號：1樓到2樓；2樓到3樓；1樓到3樓；3樓到2樓；2樓到3樓；3樓到1樓。

③傳送帶啟動。

單片機至PLC的通信信號：

①電梯位置到位狀態：1樓；2樓；3樓。

②傳送帶移動到位。

PLC至單片機共8位信號輸入，單片機至PLC共4位信號輸出。

為了比較直觀地模擬電梯和傳送帶的移動狀態，選用雙列、36行（36位）的發光二極管帶。因此，共計需要48位I/O口，AT89S51只有4個8位的I/O口，需要擴展I/O口。用5只鎖存器74LS573可擴展出40位數據口，用于36行（36位）的發光二極管的控制數據輸出。單片機的P1口用作鎖存器的片選控制端口，P0分時復用和P2口（輸出）構成地址口，用譯碼器74LS138來分配擴展端口的地址。用P2口（輸入）作PLC至單片機的通信口，用部分P3口作單片機至PLC的通信口。

2）電路設計。部分電路原理圖如2所示。

地址分配為片選法，用譯碼器74LS138完成，根據3～8譯碼器的原理得出。此時，將片外數據地址空間分成了8段，5只鎖存器的地址分別為： 0000H、2000H、4000H、6000H、8000H。

從74HC573的工作原理得知，用P1口控制/OC的電平狀態來決定是否選中74HC573。有且只有當鎖存允許信號C＝/(CS1 | WR)來一個上升沿的跳變脈沖時，Q=D。從P0口送來的數據通過74HC573送到相應發光二極管的陰極。發光二級管的陽極通過限流電阻接電源，若輸入的數據為00H，發光二極管被點亮；反之若輸入端為高電平“1”，對應的發光二極管熄滅。

如圖3所示，PLC至單片機的通信信號從PLC輸出后在實驗箱平臺轉換為電平信號則可通過P2口直接送給單片機，單片機輸出的電平信號通過光電耦合器轉換為開關信號送給PLC。采用光電耦合器不但可實現電平與開關量的轉換，并且可以使模擬系統電路與PLC實驗平臺電路隔離，提高實驗箱系統的抗干擾能力。通過J1接插口連接模擬系統電路與PLC實驗平臺，在調試、安裝和維修時操作非常方便。

4 軟件設計

1）軟件功能模塊劃分。

主程序：根據PLC的通信要求協調各子程序的工作。

電梯模擬子程序：模擬轎廂的移動狀態，模擬電梯當前位置狀態，模擬限位開關合上和釋放的狀態，并將這些電梯狀態信號送給PLC。

傳送帶模擬子程序：根據PLC的要求啟動、停止傳送帶的移動，并將傳送帶到位信號送給PLC。

2）程序設計。將2列、36行的發光二極管平均分為3段，表示電梯轎廂的3種位置狀態。這樣要模擬每種狀態時均需點亮12行發光二極管，但是數據口只有8位，需用動態掃描顯示實現。

模擬電梯的移動狀態時，將點亮的2列、12行發光二極管，按照移動方向逐行搬移即可實現。按照移動要求將這12行發光二極管處于各種位置時陰極狀態編成數據表，用查表方式、動態掃描顯示方法送出這些數據即可。

傳送帶模擬子程序：基本原理同電梯移動狀態的模擬。程序設計流程圖如圖4和圖5所示。

5 結論

本課題設計的PLC實驗箱已于2007年初正式投入教學使用。實踐表明，該PLC實驗箱模擬系統設計方法是可行的、可靠的。該模擬系統可以良好地配合PLC實驗平臺完成“轎廂式電梯控制”“流水線產品計數”實驗；能根據PLC控制程序的運行狀態直觀、形象地模擬演示實驗結果，利于學生調試PLC控制程序，有助于PLC應用課程的實驗教學。