基于PLC和單片機的多模式綜合實驗系統設計

楊 鴿，鄭 萍，葉建平，張鳳西，彭京平，蔣志軍

（西華大學 電氣信息學院，四川 成都 610039）

基于PLC和單片機的多模式綜合實驗系統設計

楊 鴿，鄭 萍，葉建平，張鳳西，彭京平，蔣志軍

（西華大學 電氣信息學院，四川 成都 610039）

為了與工業發展趨勢一致，使學生具有綜合的相關控制知識與實踐能力，將不同的控制系統進行組合，設計了一種基于PLC和單片機的多模式綜合實驗系統。該實驗系統由PC機、PLC、單片機和變頻器組成，集PLC技術、單片機技術、變頻調速技術、組態軟件技術于一體，融合了多種通信接口和DDE的數據交互模式。實驗表明，該系統大大拓展了學生的視野，為開設綜合性創新實驗提供了良好的平臺。

綜合實驗系統；PLC；單片機；變頻調速；MCGS組態軟件

Abstract：Due to the diversity of industrial control，the integrated control system becomes an industrial trend，more and more widely.Currently，most colleges and universities have established the PLC and SCM lab，the design enables students to master the widely used two control modes and system，but most of them simply by the PLC or SCM make up control system，lacking of integrated different control systems of experimental equipment and system.To be consistent with industrial trend，so that students have related integrated control knowledge and practical ability，this paper designs a kind of multi-mode integrated experimental system based on PLC and SCM，which consists of PC，PLC，SCM and inverter，contains PLC technology，SCM technology，frequency control technology，configuration software technology， merges a variety of communication interfaces and DDE data interactive mode.The practice proves that the system can greatly expand the horizons of the students，and provide a good platform for integrated innovation experiment.

Key words：integrated experimental system；PLC；SCM；frequency control；MCGS configuration software

如何培養能適應社會需求、動手能力強、具有一定應用開發能力的畢業生，是應用型院校探究人才培養模式的重要課題［1］。實驗教學需要強化工程應用，為培養工程技術應用型高級人才創造良好的教學環境，實驗系統的建設是專業課程的實驗教學體系不可缺少的重要組成部分［2］。PLC和單片機是目前最為常用的兩種控制器件。但在高校的教學實驗設備中，單片機和PLC的實驗設備是相對獨立的，很難將兩者聯系在一起進行綜合的實訓。而在實際的應用中，兩者往往緊密相連，比如分布式控制系統，往往既有PLC，又有單片機系統。另外，與PLC相聯的數據采集系統、現場總線CAN、通信模塊等無不涉及到單片機的應用。PLC和單片機有各自的控制特點，學生有必要全面地掌握PLC和單片機這兩種控制器。

為此，以三相異步電動機為控制對象，利用PLC、單片機、變頻器、上位PC機（MCGS和VB）、光電編碼器構建了一個多模式的綜合實驗系統。該系統集可編程控制器設計、單片機設計、變頻調速技術、工業組態軟件技術于一身，系統成本低、柔性強，是一種可以培養學生綜合學習能力、實現現代綜合實驗的研究性良好平臺。

1 系統整體設計

基于PLC和單片機的多模式綜合實驗系統的整體設計如圖1所示，系統整體框架分為控制層、上位監控層和遠程監控層。控制層是由可編程控制器、單片機、變頻器、電機/運動控制機構和光電編碼器構成多模式控制系統，可實現PLC控制的多段速調速、閉環PID無極調速，單片機控制的多段速調速、閉環PID無極調速多種調速模式。利用工業組態軟件MCGS制作上位機監控系統，利用VB編寫單片機的控制系統的上位數據采集軟件，通過動態數據交換DDE技術實現與MCGS的數據交互，并利用MCGS提供的網絡功能，實現具有上位監控和遠程監控的多種調試控制方式。

2 基于單片機直接控制的多段速變頻調速系統

變頻器的輸入信號包括運行∕停止、正轉啟動∕反轉啟動、點動等運行狀態信號（數字信號）。變頻器通常利用繼電器接點與上位機連接而得到這些信號。通過對變頻器多功能輸入端（RL、RM、RH）進行設定，即可以得到多級速度頻率［3］。端子與轉速對應關系見表1。

表1 端子與轉速對應關系表

用單片機來控制繼電器的通斷［4］，用繼電器的相關觸點與變頻器的3個功能端子相連，通過3個繼電器不同的通斷狀態，得到變頻器功能端的不同的輸入組合而實現單片機控制的多段速變頻調速。單片機控制多段速變頻調速原理圖見圖2。

圖2 單片機控制的多段速系統原理圖

單片機的P2.0口、P2.1口、P2.2口分別控制與變頻器的3個功能輸入端（RL、RM、RH）相連的繼電器。通過控制P2.0口、P2.1口、P2.2口輸出的電平來控制3個繼電器的通斷，進而控制變頻器實現多段速調速。一般通過單片機的鍵盤對所需的轉速進行設定，也可將檢測的信息送入單片機，通過單片機的比較程序得出P2.0口、P2.1口、P2.2的輸出邏輯組合而實現速度的控制。

3 基于PLC控制的閉環PID變頻調速系統

在PLC控制的閉環PID變頻調速系統中，上位機通過RS232-RS422編程電纜與PLC通信，以PLC作為控制器，變頻器作為執行器，電機作為控制對象，用光電編碼器對電機的頻率進行采集并送至PLC的高速輸入端形成閉環控制。由于PLC與變頻器均有RS485接口，PLC的485BD通信模塊用雙絞線直接連到變頻器的PU口上［5］，因此通過RS485通信便可將PLC控制指令送入變頻器。基于PLC控制的閉環PID變頻調速系統的原理圖見圖3。

光電編碼器與PLC的X0、X1輸入端相連，用PLC內部的高速計數器對其得到的脈沖進行計數［6］。通過脈沖個數、時間和光電編碼器每轉產生的脈沖數算出電機的頻率，再將其通過PID指令進行PID運算，得出較穩定的頻率送給變頻器，從而校正電機速度。閉環PID變頻調速PLC梯形圖程序設計框圖見圖4。

圖3 PLC控制的閉環PID系統原理圖

圖4 閉環PID調速PLC程序設計框圖

4 基于MCGS工業組態軟件的監控系統設計

組態軟件具有遠程監控、數據采集、數據分析和過程控制等功能，實時性強［7］。MCGS（通用監控系統）是一套用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件，主要由組態環境和運行環境2個部分組成。本設計以PLC、單片機控制的變頻調速構成的網絡控制系統為對象，通過組態軟件完成上位監控設計，在上位監控層中的PC機運行MCGS網絡版組態軟件，可完成上位監控層和遠程監控層的監控。

4.1 上位監控層監控設計

MCGS工業組態軟件與控制層通信最基本的3個步驟是窗口設計、變量設置、通道連接。上位機中監控畫面的元素必須通過變量這一中間過程將其連接，而通道的配置則實現了這些變量與PLC的連接。

4.1.1 基于PLC控制的變頻調速系統上位監控設計

上位監控層設計步驟如下［8］：

（1）建立系統工程。在實時數據庫定義數據變量，根據PLC控制的變頻調速系統的實際情況，在標準圖形庫選取相應的圖形，并用繪圖工具進行連接，對窗口進行設計。

（2）進行用戶窗口組態。將用戶窗口中所用圖源與實時數據庫中的數據變量建立相關性連接。

（3）進行設備窗口組態。在設備窗口中建立串口通信的父設備和0設備，完成基本屬性、通道連接、設備調試、數據處理的設置，最重要的是完成PLC的通道與實時數據庫的變量相連接，設置相應的讀寫操作。

（4）為了生動地反應下位的動作情況還編寫了相應的動畫腳本程序。

系統的上位監控界面見圖5。

圖5 PLC控制的變頻調速系統上位監控界面

4.1.2 基于單片機控制的變頻調速系統的上位設計

由于MCGS組態軟件沒有單片機控制系統的驅動程序，因此采用DDE“軟通道”的方式實現上位監控軟件MCGS與單片機控制系統的通信［9］。動態數據交換（dynamic data exchange，DDE）協議是一種開放的、與語言無關的、基于消息的協議，它允許多個應用程序以任何人為約定的格式交換數據或命令［10］。兩個同時運行的程序間通過DDE方式交換數據時是Client和Server的關系，通過DDE方式建立的數據連接通道是雙向的，即Client不但能讀取Server中的數據，且可對其進行修改。MCGS軟件提供了強有力的DDE客戶和服務器支持，DDE客戶支持允許把來自其他應用程序的信息傳遞到MCGS軟件中，用于數據庫和畫面；服務器支持把MCGS軟件的過程信息傳遞到其他應用程序中去處理。

VB把與串行通信有關的操作封裝在MSComm控件里，用戶通過屬性和事件來控制串口通信［11］，VB通過串口控件與單片機通信，采集單片機的數據，實現單片機和PC機的通信。VB通過DDE的方式與工業組態軟件MCGS實現數據的交換，從而實現MCGS上位組態軟件對基于單片機控制系統的上位監控。其數據交互的原理框圖如圖6所示。

圖6 單片機控制系統與MCGS數據交互原理圖

4.2 遠程監控層監控設計

MCGS組態軟件提供了一套完善的網絡機制，可將多臺計算機通過TCP∕IP網連接在一起，構成分布式網絡測控系統，實現網絡間的數據同步、數據庫同步和網絡事件處理［12］。同時，通過標準的網絡功能，可在工作站上直接對服務器中的數據庫進行讀寫操作。在上位機運行MCGS網絡版組態軟件，在主控窗口的HTTP的參數寫上本計算機的IP地址，然后進入運行環境運行此工程。遠程用戶打開IE瀏覽器，在地址欄輸入上位監控層計算機的IP，就實現了基于MCGS網絡版的聯網功能，就能實時地瀏覽中間監控的組態畫面。MCGS同時可以設置訪問權限，保證遠程控制的安全性。其遠程連接如圖7所示。

5 結束語

圖7 建立遠程網絡連接

本文構建的基于PLC和單片機雙系統控制的變頻調速綜合實驗系統以變頻調速系統為載體，成功地實現了在同一教學實驗設備中實現PLC和單片機雙系統、多模式的綜合控制，并結合RS485的通信技術、組態軟件技術、DDE數據交互技術，為學生開設分別以PLC或單片機為中心的高水平系列實驗，通過該實驗系統的實驗訓練，學生可了解、對比單片機和PLC各種不同的控制特點，掌握先進的各類技術，其知識點多，覆蓋面廣，綜合性強。另外，基于PLC與單片機雙系統控制的綜合實驗還大大地節約了實驗資源［13］，對于現代實驗室的建設有積極的意義。

（References）

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Design of multi-mode integrated experimental system based on PLC，SCM

Yang Ge，Zheng Ping，Ye Jianping，Zhang Fengxi，Peng Jingping，Jiang Zhijun
（School of Electrical and Information Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

G642.423；TP273

A

1002-4956（2013）10-0083-04

2013-02-23修改日期：2013-03-25

四川省精品課程建設項目“可編程控制器原理及應用”（XHJP060102）；西華大學研究生創新基金項目（Ycjj201256）

楊鴿（1987—），男，四川射洪，碩士，主要研究方向為工業過程控制與綜合自動化

E-mail：yang1022ge＠126.com

鄭萍（1957—），女，四川自貢，教授，主要研究方向為網絡控制技術與儀表技術.

E-mail：zp5757＠126.com