基于單片機PLC系統開發與MCGS上位監控系統設計研究

牛鳳文，余搏立

(安徽職業技術學院，安徽 合肥 230011)

隨著我國經濟與科學技術的不斷發展，PLC技術也前所未有的得到快速發展，并廣泛地應用于各個領域。我國是全球第二大經濟體，屬于經濟發展較快的國家之一，市場對PLC技術需求日益增大，此外隨著我國工業設備不斷更新換代與工業的快速發展，對PLC技術的要求也越來越高。然而，當前我國PLC技術還主要依賴進口[1]。為了對PLC的上位進行監控，實現與MCGS數據交換，還需要進行MCGS的上位監控系統設計，因此，開展對單片機PLC系統開發與MCGS上位監控系統設計具有重要的現實意義。

1 總體設計方案

1.1 PLC簡介

PLC是可編程邏輯控制器，取其英文首字母，簡稱PLC。在PLC誕生之前，繼電控制器在工業領域應用中占主導地位，但是由于繼電控制器存在較多的缺點，比如耗電量大、體積笨重、速度慢、以及使用時間短等，很難適應于靈活多變的工業生產領域。PLC比繼電控制器具有更多優勢，比如編程語言簡單易懂、抗干擾能力強、接口功能性強、體積小、重量輕、以及方便維修等優勢；同時還能使設計與施工的工作量大大減少，逐漸取代了繼電控制器，而被廣泛地應用于各個領域[2]。

1.2 PLC基本結構

PLC系統屬于一種微型計算機控制系統，常用于工業控制領域，其具體構成見圖1所示。

圖1 PLC系統的基本構成示意圖

1)CPU模塊：此模塊屬于PLC關鍵性模塊，其主要構成部分為微處理器與存儲器兩部分，整個PLC的工作均由微處理器來完成。2)輸出與輸入模塊：該兩大模塊功能主要起著連接作用，承擔著PLC接口與外部設備的連接，除此之外，輸入模塊還有一個作用就是能夠接收與整理相關設備傳入信號，同時還能在某個電壓或者電流范圍之內，事先之前對模擬量傳入信號進行約束，再將此傳入信息轉變為CPU能夠處理的相關信息；而輸出模塊還負責向各執行機構輸出控制信號[3]。3)編程設備：在PLC中，編程設備具有非常重要的地位，它不僅保障用戶程序進行編輯、檢查、修改、以及調試等功能，還能夠在線監控PLC的目前工作狀況。4)電源模塊：主要承接電流電源，為維持PLC系統正常工作提供電源。

1.3 PLC工作基本原理

PLC工作基本原理見圖2所示。

圖2 PLC工作基本原理示意圖

1)集中采集輸入。分為執行程序前與過程中兩個步驟：執行程序前，向輸入映像寄存器中讀入PLC輸入端子全部狀況；在執行過程中，盡管對輸入狀態進行改變，但是輸入映像寄存器中的內容也將未出現任何變動，一直至下一個掃描周期的輸入處理時期，輸入映像寄存器中內容的變動將會被讀入[4]。2)程序處理：在可編程邏輯控制器執行程序時，程序將會依照指令逐條地依次來實現，依照程序指令來進行邏輯計算，再在相應的映像寄存器中寫入結果，對于每個元件來說，由于執行逐條程序，無法使元件映像寄存器的內容發生變化，則輸出寄存器的內部觸點動作就容易受到其內容影響。在這當中輸出映像寄存器的內容就對輸出寄存器的內部觸點動作進行決定[4]。3)集中輸出：在對所有用戶程序執行結束之后，在向輸出鎖存寄存器傳遞輸出映像寄存狀態，再利用驅動功率將電路放大與隔離，以此把可編程邏輯控制器的控制信號向外輸送。

1.4 PLC系統總體架構

根據可編程邏輯控制器系統有關研發要求，選擇AT89S52單片機為主控芯片，再通過單片機數據地址及I/O端口，電源模塊、復位電路模塊、以及輸出與輸入光電隔離模塊等外圍電路，從而來完成系統所需要的設計功能，PLC系統的總體架構示意圖見圖3。

圖3 PLC系統總體框示意圖

2 PLC硬件系統設計

單片機PLC設計重點包含了硬件結構設計與軟件編程兩部分，前者是PLC系統的物理基礎，為后者正常運行提供良好的平臺；而后者能夠對整個硬件系統依照相關要求運行得到保障。硬件結構設計與軟件編程兩部分非常重要，兩者缺一不可，認真梳理、仔細規劃和設計，根據各個設計要求，對存儲設備、不同接口進行識別和設計[5]。

2.1 微處理器的選擇

微處理器是PLC硬件結構的核心要件，其存儲容量和處理速度對PLC性能等重要參數起著決定性作用，因此微處理器為PLC系統正常工作速度起著決定性作用，從控制系統開發便捷度和成本角度考慮，研究中擬選用AT89S52單片機，和8031型號的單片機相比，其中增加了4KB的存儲器ROM，能夠更加便捷的對流程和程序進行調整[6]。

2.2 PLC硬件系統結構

系統采用AT89S52單片機為主芯片，規劃了小型PLC系統，通過多路徑探究數字的輸入、輸出及存儲器的拓展，包括了程序存儲器拓展和數據存儲器拓展兩個方面。前者主要使用27512，后者主要使用8253為定時/計數器，輸入和輸出層與CPU相分離，重點啟用光耦通信設備接口，啟用了串行通信，利用RS485與RS232兩種接口標準進行支持，通信接口不僅能夠在下載程序時使用，而且還能夠應用于系統監督和控制[7]。硬件系統總體構架見圖4。

圖4 PLC系統硬件系統構架示意圖

3 軟件系統設計

3.1 PLC編程語言的選擇

目前PLC編程語言的標準是PLC未來發展最重要的趨勢之一，IEC61131-31對指令表、結構化文本、梯形圖、順序功能圖與功能塊圖5種標準語言進行了規范，它們當中有兩種標準語言屬于文本語言，即指令表與結構文本，文本語言有一個特點就是較容易完成一些比較繁瑣而又復雜的計算；而其余的則屬于圖形語言，它們對于處理邏輯控制比較擅長。PLC系統設計的編輯語言以梯形圖語言為主，該語言產生于繼電器電氣原理圖，它是一種布爾語言，主要以梯級圖表符為前提，利用可以編輯的邏輯控制器的關聯連接，有利于對它前后順序關系和指令調用進行描述，與電氣原理圖非常相似[8]。

使用梯形圖指令進行程序編程，主要運用計算機技術，配設相關編程軟件，由于單片機不可以對梯形圖此種圖形語言進行有效的識別，對PLC的開發產生了阻礙，利用Visualc++6.0與MPC進行軟件編程，使用Visualc++6.0與基本庫MFC能夠降低PLC設計的困難，有助于強化對PLC的認知和探究[9]。

3.2 PLC軟件結構

PLC編程軟件結構詳見圖5所示。

圖5 PLC編程軟件結構示意圖

3.3 梯形編輯器

在PLC系統中編輯器起到了關鍵的作用，在該系統設計中，使用Visualc++6.0與MFC對編輯器展開設計，啟用文檔/視窗結構、梯形圖就畫在視窗口的客戶區范圍內，其起點處是MM_TEXT映射方式下的視窗口客戶區的原點，在窗口中輸出的GDI可以提供程序調用服務，并在MFC應用程序中，具備6個類型的GDI對象，可以啟用Selec()b-ject()函數進行選入設備表述應用，位圖就是在本次設計中用來表示梯形圖符號的GDI對象[8]。

因梯形圖編程的大小是未知的，對梯形圖的編輯視圖需要具備滾動條，從MSDN可以獲取CScroIView類供應的水平、垂直滾動條，可以有效迎合這一需求，而CScroIView類是以CView以Publicde的方式展開傳承的。在梯形圖編輯器視圖CLDView設計時，也以CScroIIView類為基礎，以Public的方式傳承，能夠有效、便捷對梯形圖的程序進行展示，同時，還可以調用CView與CScroIIView方面的有關函數，大大降低了編程工作量。

為了有利于梯形圖編程，可以把編輯器視圖劃分成M×N個小范圍，在編程過程中，需要在梯形圖工具欄中選擇對應的梯形圖元件，在梯形圖元件的位圖中根據其ID號通過函數的方式進行加載，并利用雙擊的方式將梯形圖原件展開雙擊，進而有效地實現梯形圖屬性的設定。每一個梯形圖原件的屬性包括了元件的名字、種類和型號等[9]。將梯形圖的原件的少數屬性封裝在CLDBase類中，CLD-Base類是以Public的方式從CDocument類繼承的。

有效識別流程中原件位圖彼此間的關系密切程度，本文是通過啟用公共類別的基準展開有效識別和篩選的，通過CLDBaseELenent進行有效表述。在基類中界定位圖所在網格與附近網格之間關聯的一系列參數，利用系列參數進行有效判斷其和附近網絡加載的元件是否存在某種聯系。

3.4 梯形圖編譯器

對梯形圖的掃描采用二叉樹方式，以梯形圖的左豎線為根基點，每一個葉節點所針對的基本梯形圖功能模塊，每一個根節點都和左右子樹的邏輯關系相對應，梯形圖和二叉樹序列是一一對應的。通過對控制電機的正反轉的程序體現其之間的關系，見圖6，它所對應的指令表見表1，再依據梯形圖的特點在二叉樹中進行中序遍歷。

(a)電機的正反轉控制梯形圖

(b)對應的二叉樹

表1 指令表

采用二叉樹對梯形圖進行描述后，經過根遍歷可以得到所對應的指令表語句，盡管指令表語句與匯編很接近，但對指令表的編譯同樣要經過代碼轉換，這就需要對每個指令表語句進行定義以便形成目標代碼，正常工作的PLC系統只需要將目標代碼下載至AT89S52單片機中就可以了[9]。

4 關于MCGS上位監控系統設計

作為立足于窗口平臺的組態軟件系統，MCGS系統主要為了對工業生產過程進行控制，其操作界面采用32位全漢語界面設計可提供實時監測服務。所研發的PLC系統可以與組態軟件進行信息之間的溝通和交流，能夠形成以PCL上下位機為基礎的一套比較完善的監督和控制系統[9]。

4.1 驅動程序設計

MCGS供應了世界各地比較常見的工控設備驅動程序，通過自行規劃和設計PLC MCGS對應的驅動程序，啟用MCGS的高級開發向導，并在VB6.0軟件條件下產生設備驅動程序整體框架，根據規劃的PLC職能能夠對接口規范設置、調試等方面進行更深入工作，其驅動程序的通信流程示意圖如圖7所示[10]。MCGS上位監督與控制系統啟用的是Active DLL組件，接著通過對OLE接口連接到MCGS之中進行規范，從而形成一個整體，在MCGS的設備組態之中就能夠尋覓到此驅動。

圖7 驅動程序的通信流程示意圖

4.2 MCGS上位監控界面規劃

對監督和控制界面進行明確規范和設計，如圖8所示，繼而對MCGS實時數據中變量展開有效的增加和界定，從而對體系中的實時數據展開跟蹤和監控，重點包括電機正向和反向旋轉以及停止等控制變量與顯示變量，進而為監督調控設計窗口和數據路徑搭建平臺[11]。上位監督控制界面組合動態如圖8所示。

圖8 PLC正反轉控制監控界面示意圖

通過上位機對電機的啟動停止或者轉向進行有效的控制，利用窗口指示燈，實現上位機中MCGS組態件PLC的數據交互，通過MCGS上位監控窗口，將控制命令發到下位機，并且顯示PLC傳輸過來的電機運轉狀態相關信息。

5 總結

立足于AT89S52單片機，對小型PLC集成多路開關量L/O及模擬量輸入與高速開關的輸出進行設計；對使用MPC梯形圖與VC語言,以及有關操作進行表述，將梯形圖切換成語句表，對組態軟件MCGS驅動程序進行設計，并使得PLC系統MCGS監控機制數據實現了有效的交流與互動并對MCGS上位監控系統進行科學設計。