單片機和PLC實時控制系統的設計實現

孫傳旗 李文峰 張 兵

（山東能源肥城礦業集團 白莊煤礦，山東 肥城 271623）

0 引言

在現在工廠控制系統中，PLC 作為過程控制的核心部件，工作穩定、運行可靠、強大的控制能力和成熟的技術使其具有很大的競爭優勢。但PLC 也有其不足之處，操作過程缺乏交互性。現場工作人員無法直觀地對其工作狀態進行實時監控，修改運行參數必須由專業人員使用專用的編程器來完成，不但成本高昂，而且極為不便。對于一些需要經常更改工藝參數的應用場合控制系統，這些不足尤為突出。各PLC 公司專用的觸摸屏交互性雖好，但價格較貴，兼容性差。

針對目前應用的問題，本文設計實現了基于單片機的PLC 實時控制系統。單片機利用PLC 必備的編程接口與之進行通信，采用LED顯示PLC 程序執行狀態，使用按鍵來設置工藝參數。

1 AT89 系列單片機介紹

AT89 系列單片機是美國ATMEL 公司生產的8 位Flash 系列單片機，與INTEL 公司生產的MCS-51 單片機兼容，是市場的主流產品。其特點如下：

1）片內含有Flash 程序存儲器，開發編程方便；

2）全面兼容8051，引腳完全相同可直接取代8751；

3）具有靜態時鐘方式、降低系統功耗，適合便攜式系統；

4）Flash 程序存儲器可以多次快速擦寫，適合學習、開發。

2 PLC 的介紹

可編程序控制器(Programmable Logic Controller),簡稱PLC,是一種專為工業環境應用而設計的電子系統.它采用可編程序的存儲器,在內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算操作的指令,并通過數字式和模擬式的輸入和輸出,控制各種類型的生產過程.PLC 具有編程簡單,使用方便,抗干擾能力強,在特殊的環境中仍能可靠地工作,故障修復時間短,維護方便,接口功能強等優點,因此在工業中得到了廣泛應用。

3 單片機和PLC 實時控制系統的設計實現

3.1 單片機的硬件的系統總體結構

根據要求，設計系統的總體結構如圖1 所示。由圖中可以看出，設計的系統較為簡單，采用單片機的最小系統即可滿足要求，整個系統可以分為電源電路，時鐘電路，復位電路，按鍵電路，顯示電路，RS-232 通信電路等部分。

電源電路為單片機提供5V 電壓，并保證從內部ROM 開始執行程序。

時鐘電路為單片機提供正確的時鐘頻率，確保單片機正常工作。復位電路保證單片機執行程序發生錯誤時，能夠回到初始狀態重新執行程序。

按鍵電路和顯示電路是單片機的輸入輸出部分，使用戶可以和單片機進行交互。

通信部分利用了MAX-232 芯片，使單片機和PLC 可以以RS-232 標準進行通信。

3.2 通信接口電路及設置硬件連接

圖1 系統總體框圖

圖2 主程序流程圖

PLC 通過Host Link 協議與單片機進行1:1 上位鏈接通信，單片機作為上位機發送讀寫命令，實現的功能有：讀寫PLC 的運行狀態，讀寫繼電器區和數據區DM 的內容，讀寫定時器/計數器的設定值和當前值，對指定點或通道強迫置位/復位。上位機與PLC 通信，單片機是主動的，PLC 是被動的，每次通信由單片機主動發起，PLC 不需編寫通信程序，但用戶應遵循通信協議即命令幀、響應幀的要求，在單片機上設計通信程序。為了保證單片機與PLC 的正常通信，通信前，應保證單片機的通信參數(如幀格式、波特率、較驗方法等) 必須和PLC 設置一致。

3.2.1 PLC 串行通信接口設置通信前,必須先在PLC 設置中正確設置如表1 所示的參數。

表1 通信參數設置

3.2.2 單片機串口設置

AT89S51 內部有一個全雙工增強型UART 口，TXD(P3.1)為發端，RXD(P3.0)為接收端。它主要受兩個特殊寄存器(SCON 和PCON)的控制，可用軟件設置的四種工作方式。通信工作方式中,方式1 是標準的異步通信方式,此方式工作時,串行口為8 位異步通信接口,每幀信息包括10 位:1 個起始位、8 個數據位和1 個停止位。波特率可變，由定時器T1 的溢出率和SMOD 的狀態決定，在CPU 的晶振為11.0592MHz 時，波特率采用9600bps。通信參數設置如下：置SCON 為01010000B（50H）（串口工作方式1，允許接收），置TMOD00100000B（20H）（定時器1 工作于模式2，做波特率發生器）。

3.3 通信協議

上位機鏈接通信使用的是OMRON 的Host Link 協議，在一次交換中傳輸的命令或應答的數據被稱為一幀，一幀最多可包含131 個數據字符。當PLC 接收到從上位機發來的ASCII 碼命令時，自動返回ASCII 碼應答。單片機必須有一個能控制命令和應答的傳送和接收的程序。

當點對點通信時，塊中無設備號和校驗碼。一幀最多128 個字符。命令塊單幀時的正文內容最多124 個字符，多于一幀時，由起始幀、中間幀、結束幀構成，起始幀正文內容最多125 個字符，中間幀正文最多127 個字符，結束幀正文最多126 個字符。響應塊中包含有兩位響應碼，單幀時的正文內容為122 個字符，在多幀情況下，起始幀含有兩位響應碼，正文內容最多為123 個字符，中間幀正文最多127 個字符，結束幀正文最多126 個字符。

3.4 單片機和PLC 的通信編程

當PLC 使用Host Link 協議與單片機通信時，單片機具有傳送優先權，單片機總是首先向PLC 發出命令并啟動通信，發送過程結束后，PLC 立即作出響應，然后將執行結果返回單片機，單片機接收由PLC 發出的響應幀，二者以幀為單位輪流交換數據。PLC 處于被動通信，無需編制通信程序。單片機需要編制上位機通信程序，該程序可以發送命令幀和接收PLC 發出的應答幀。其中包括:發送命令子程序、接收響應子程序。AT89S51 單片機可以工作在查詢方式也可以工作在中斷方式下，單片機作為主站不繁忙時，可以采用查詢方式；當主站任務繁忙時，則不宜采用查詢方以免影響主站工作效率，需要采用在中斷方式。

其中主程序流程圖如圖2 所示。

4 結論

PLC 與AT89S51 單片機之間的串行通信方法應用于現代控制系統中，不僅發揮了PLC 控制穩定可靠、抗干擾能力強的優勢，而且發揮單片機擴展靈活、適應性強的優點，使兩者優勢互補。該方法簡易實用、靈活方便、安全可靠、成本低廉,具有良好的社會效益和經濟效益。

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