淺析PLC中定時(shí)器與計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

丁國(guó)明

摘? 要：該文在對(duì)PLC定時(shí)器和計(jì)數(shù)器進(jìn)行功能需求分析后，對(duì)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器的控制模塊整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其與中央控制器之間進(jìn)行通信的接口與讀寫時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì)。最終的時(shí)序仿真結(jié)果表明，該文所研究的PLC定時(shí)器和計(jì)數(shù)器模塊工作正常，并充分利用了FPGA的并行執(zhí)行特點(diǎn)，改進(jìn)了PLC的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器執(zhí)行效率。

關(guān)鍵詞：PLC? 定時(shí)器? 計(jì)數(shù)器? 高速計(jì)數(shù)器

中圖分類號(hào)：TM571.61 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（a）-0042-03

定時(shí)器與計(jì)數(shù)器是PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）中最重要的資源之一。PLC內(nèi)部有眾多定時(shí)器和計(jì)數(shù)器資源，而在具體應(yīng)用過程中，僅有一部分定時(shí)器和計(jì)數(shù)器資源被利用到，造成資源的浪費(fèi)。為此，該文以西門子PLC S7-30為例，對(duì)PLC的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器模塊進(jìn)行重構(gòu)，充分利用FPGA的并行執(zhí)行特點(diǎn)，將PLC內(nèi)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器資源劃分為多個(gè)并行執(zhí)行的模塊，以改進(jìn)PLC的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器執(zhí)行效率。

1? 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定時(shí)器和計(jì)數(shù)器控制模塊的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中，定時(shí)器模塊包括1ms、10ms、100ms這3種定時(shí)器，計(jì)數(shù)器分為內(nèi)部信號(hào)計(jì)數(shù)器（簡(jiǎn)稱計(jì)數(shù)器）和高速計(jì)數(shù)器兩種。按照斷電數(shù)據(jù)的保持情況，計(jì)數(shù)器分為斷電保持型計(jì)數(shù)器和通用型計(jì)數(shù)器兩種，高速計(jì)數(shù)器用于對(duì)外部高速脈沖信號(hào)進(jìn)行技術(shù)，按照中斷方式工作，不受PLC掃描周期影響。

定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器控制模塊并行工作，通過總線和結(jié)構(gòu)、功能相同的端口讀寫控制器與中央控制器進(jìn)行的數(shù)據(jù)交互。

2? 控制模塊設(shè)計(jì)

定時(shí)器與計(jì)數(shù)器控制模塊的封裝如圖2所示。

圖2的定時(shí)器與計(jì)數(shù)器控制模塊接線說明如表1所示。

其中，CLK、ADDRC、WRC、RDC、RST、DATAC端口為定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器共用的端口，而BUSY1/2/3、ANS1/2/3、ASK1/2/3分別為定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器控制模塊使用的單獨(dú)使用的忙信號(hào)線、中央控制器度應(yīng)道信號(hào)線、讀請(qǐng)求信號(hào)線。

3? 端口讀寫控制器設(shè)計(jì)

如圖1所示，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器通過端口讀寫控制器實(shí)現(xiàn)與中央控制器的接口。定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和高速計(jì)數(shù)器的端口讀寫控制器結(jié)構(gòu)、功能均相同，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

若RST復(fù)位線的低電平保持時(shí)間超過40ns，則觸發(fā)RST復(fù)位，RDC讀信號(hào)線、WRC寫信號(hào)線、ASK讀請(qǐng)求信號(hào)線、讀應(yīng)答信號(hào)線均為低電平使能。CE指令執(zhí)行標(biāo)志線，當(dāng)CE、BUSY線為低電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由RDC、WRC和ADDRC狀態(tài)，控制組合邏輯三態(tài)門構(gòu)成的I/O口，決定讀寫控制器狀態(tài)，和數(shù)據(jù)的輸入輸出控制。端口讀寫控制器的指令由3位code_in線輸出的D29～D31指令類型，和29位data_in線輸出的D0～D28指令數(shù)據(jù)組成32位指令。若clear線接收到來自指令執(zhí)行線發(fā)送的指令執(zhí)行結(jié)束信息時(shí)，設(shè)置BUSY線和CE線為高電平，并清除32位指令數(shù)據(jù)。

控制模塊的讀寫時(shí)序設(shè)計(jì)如圖4所示。

如圖4所示，當(dāng)中央控制器檢測(cè)到BUSY忙信號(hào)輸出線的電平狀態(tài)為高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)器（或計(jì)數(shù)器，或高速計(jì)數(shù)器）的寫操作，DATAC、ADDRC和WRC的低電平保持30ns以上（時(shí)鐘周期為20ns）。中央控制器對(duì)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器控制模塊進(jìn)行讀寫操作控制時(shí)，首先通過ASK發(fā)送20ns的請(qǐng)求脈沖，然后讀ANS上讀來自中央控制器的20ns的應(yīng)答脈沖，最終通過設(shè)置RDC低電平，后可從DATAC線中讀取60ns的數(shù)據(jù)。

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