單片機和PLC實時控制系統的設計

賈俊霞

[摘 要] 隨著科技的發展，將最新科技運用到工廠控制系統中，是提高工廠工作效率的重要途徑。在現在的工廠控制系統中人們經常采用PLC來進行過程控制，但該方式有諸多的缺陷。根據當下的研究趨勢，探索應用最簡單的控制電路來改變傳統的控制系統，實現所需的功能。通過科學選用輸入顯示裝置，彌補PLC專用觸摸屏價格昂貴的缺陷，通過較低的成本實現對PLC的有效控制。

[關 鍵 詞] PLC；MCS-51單片機；串行通信；實時控制

[中圖分類號] TP273 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）08-0196-02

在現在的工廠控制系統中，PLC是過程控制的核心部件，具有工作穩定、運行可靠、控制能力強的特點，這使其在同類產品中具有很大的競爭優勢。人們在看到其優勢的同時，也應看到其存在的不足，操作過程缺乏相互性是其最大的缺點，這導致現場工作人員無法對其工作狀態進行實時監控，使其操作中存在諸多不便。就拿修改運行參數來說，現場工作人員無法像操作其他系統一樣，直接在電腦上進行操作，而是需要相關工作人員使用專用的編程器來完成，這樣的設計不僅增加了成本，還帶來了許多不便。對一些經常需要修改的工藝參數應用場合控制系統，這些不足則更加突出。針對這一現狀，有人主張使用各PLC公司專用的觸摸屏，這種方式雖然具有較強的交互性，但高昂的價格、較差的兼容性也限制了其應用范圍。

針對目前應用中的問題，本文獨辟蹊徑，通過設計實現單片機和PLC實時控制系統的互動。在該設計中，充分利用了PLC必備的編程接口與單片機進行通信，PLC程序執行狀態將顯示在LED上，通過按鍵來設置工藝參數，以提高工作效率。

一、單片機概述

（一）單片機定義

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，也可以將它稱之為小而完善的微型計算機系統。在該系統中，采用的是超大規模集成電路技術，通過一定的技術把中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM等功能集中到一塊硅片上。在該硅片上，可能還包括其他的物質，如顯示驅動電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等。由于其具備強大的功能，因此被廣泛使用在工業控制領域。隨著信息技術的發展，單片機的發展速度越來越快，從20世紀80年代起，它已經由原來的4位、8位發展到現在的300M的高速單片機。

（二）主要特點

單片機作為計算機發展的一個重要分支領域，具有自己的特點，這些特點也使其被廣泛應用在工業控制領域。單片機的特點主要包括6點：（1）系統結構簡單，使用方便、易操作，能實現模塊化；（2）具有較高的可靠性，可連續工作無故障；（3）具有強大的處理功能和處理速度；（4）單片機運作時無需較高的電壓，因此其產生的功效較小，便于生產便攜式產品；（5）擁有較強的控制能力；（6）具有較強的環境適應性。

（三）AT89系列單片機概述

在眾多的單片機中，美國ATMEL公司生產的AT89系列單片機和INTEL公司生產的MCS-51單片機能夠很好地兼容，使其成為市場的主流產品。因此，想要對單片機和PLC實時控制系統進行科學設計，離不開對AT89系列單片機的研究，這款單片機具有顯著的特征，主要表現為以下幾點：（1）單片機內含有Flash程序存儲器，降低了開發編程的難度，提高了它的便捷性；（2）該單片機能夠全面兼容8051，與8751相比具有相同的引腳，因此可取而代之；（3）具有靜態時鐘方式，對降低系統功效具有顯著的作用，是一種便捷式的系統；（4）其采用的Flash程序存儲器，可以進行多次快速擦寫，適合相關人員學習、開發。

二、PLC概述

PLC又被稱作可編程序控制器（Programmable Logic Controller），是一種應用廣泛的電子系統，專為工業環境應用而設計出來的一種系統。它采用的存儲器具有可操作性，通過在內部存儲執行各種操作指令，如常見的指令包括邏輯運算、定時、計數和算術運算操作等。通過進行數字式和模擬式的輸入和輸出，對各種類型的生產過程進行多方面控制。PLC作為一種電子系統，具有許多優勢，如編程簡單、使用方便、抗干擾能力強等，這些優勢使其在特殊的環境中仍能持續工作，并保持較高的可靠性，出現故障時，修復時間較短，維護起來也非常方便，除此之外，還具有接口功能強的特點，這些優勢使其在工業領域中獲得了廣泛的應用。

三、單片機和PLC實時控制系統的設計

（一）單片機硬件的系統總體結構及功能

單片機和PLC實時控制系統各有利弊，通過對兩者進行重新設計，使其兼具這兩個系統的優勢。在進行設計時，應力求對設計系統進行簡單化處理，通過使用單片機最小系統滿足要求。在整個系統中，電路是其重要的組成部分，其類型主要包括電源電路、復位電路、時鐘電路、按鍵電路、顯示電路和RS-232通信電路等部分。每個電路性質不同，其功能也不盡相同。如電源電路為單片機提供5V電壓，在開始執行程序時從內部ROM開始；復位電路的功效是當單片機發生執行程序錯誤時，能夠重回初始狀態，并開始重新執行程序；時鐘電路則是發揮時鐘的功效，為其提供正確的時鐘頻率，為單片機正常工作奠定了扎實的基礎；按鍵電路和顯示電路在單片機上就是它的輸入輸出部分，通過這兩個電路可以使用戶和單片機進行交互；通信電路則通過使用MAX-232芯片，使單片機和PLC具有了通信標準。其采用的標準為RS-232。

（二）對通信接口電路及設置硬件進行科學連接

PLC與單片機之間能進行1：1上位鏈接通信，但需要通過Host Link 協議，建立通信聯系之后，單片機就可以作為上位機來發送讀寫命令，并實現多重功能。主要功能包括：PLC的運行狀態、繼電器區和數據區DM的內容、定時器/計數器的設定值和當前值等都可以進行讀寫。上位機與PLC通信，主動的一方是單片機，相應的PLC就屬于被動的一方，作為主動方，擔負著主動通信的任務，用戶可以在單片機上設計通信程序，無需在PLC上編寫通信程序，但應該遵守通信協議即命令幀、響應幀的要求。在通信前，應對單片機的通信參數如幀格式、波特率等進行檢查，使其與PLC設置一致，從而使單片機與PLC能夠正常通信。