基于PLC 對單片機實現多點溫度監控系統的設計

(無錫技師學院,江蘇無錫 214000)

溫度是與人類生產、生活密切相關的一個物理量,因此對溫度的測量及控制也就非常有意義。如空調系統的溫度檢測,電力、通訊設備之過熱故障預知檢測等領域。本設計充分發揮了PLC、單片機、觸摸屏的優勢,解決了PLC與單片機多機之間通信數據處理的難題。能有效克服惡劣的工業環境,保證溫度監控系統的可靠穩定運行,實現溫度數據的實時采集顯示與預警提醒,使多點溫度監控系統得到了大大優化。

1 系統硬件結構

該系統硬件上主要由可編程邏輯控制器、單片機、觸摸屏、溫度測量模塊等構成,如圖1所示。其中主機PLC與從機單片機之間通過Modbus協議進行數據通信,從機單片機溫度采集系統可根據實際需要進行擴展,理論上最多可擴展247個從站。PLC與HMI之間是以太網通信方式,單片機與DS18B20之間是單總線通信方式。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 System hardware structure block diagram

2 單片機測溫程序的設計

用于溫度采集控制系統的核心是單時鐘的STC15F2K 60S2單片機,它屬于高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的增強型51單片機,指令代碼完全兼容傳統51單片機,但速度快8～12倍。采用數字式溫度傳感器DS18B20組成多點分布式溫度測量系統,具有測量溫度范圍寬、分辨率高、轉換速度快等優點,且獨特的接口方式與單片機連接時僅需要一根線即可實現雙向通信[1],單片機與DS18B20連接的電路原理圖如圖2所示,基于單片機和DS18B20的溫度測量程序設計流程圖如圖3 所示。

圖2 單片機與DS18B20 連接的電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the circuit connecting the single-chip microcomputer and DS18B20

圖3 溫度測量程序流程圖Fig.3 Flow chart of temperature measurement program

3 單片機與PLC之間通信程序的設計

Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議,控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以通信,它已經成為一通用工業標準。有了它,不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡,進行集中監控[2]。

為了實現單片機與PLC之間的數據正常傳輸,并確保數據在傳輸過程中的準確和穩定性,硬件上采用RS485轉TTL電平互轉模塊,如圖4所示,工作溫度為-40℃至+85℃,傳輸距離可達千米,解決了單片機的串口與PLC的RS485接口之間電平匹配問題。

圖4 RS485 轉TTL 電平互轉模塊Fig.4 RS485 to TTL level conversion module

本次設計軟件上開發完成Modbus RTU通信協議的程序代碼,實現了讀取、預置寄存器(功能碼03,16)的功能。程序中定義各單片機為從機工作模式,并且配置為不同的從站地址,單片機與單片機從站之間不可以通信。主機PLC端讀取(功能碼03)從機單片機端3組溫度數據的寄存器地址映射圖如圖5 所示。

圖5 PLC 與單片機端寄存器的地址映射圖Fig.5 Address mapping diagram between PLC and MCUside registers

單片機端Modbus RTU通信協議的部分程序代碼如圖6所示。

圖6 Modbus RTU 通信協部分程序代碼Fig.6 Modbus RTU communication protocol part of the program code

4 PLC控制程序的設計

PLC控制系統核心選用的是CPU ST20,是一款高性價比小型PLC。由于PLC綜合了計算機和自動化技術,可以綜合完成邏輯、定時、計數、數字運算等功能。利用硬件上自帶的一個RS485接口,軟件上通過編程調用Modbus RTU庫功能[3],可以方便快捷地通過RS485接口與外圍設備建立Modbus RTU通信。控制程序設計中將PLC配置為主站,主要完成對各個從站單片機測溫數據的采集和高低溫報警監控功能,PLC控制功能流程圖如圖7所示。程序調試中CPU ST20成功讀取STC15F2K60S2端數據的運行結果如圖8所示。

圖7 PLC 控制系統流程圖Fig.7 PLC control system flow chart

圖8 PLC 端讀取數據運行結果圖Fig.8 The results of reading data from the PLC

5 HMI組態設計

SMART 700IE支持與CPU ST20之間進行以太網的通信,為便于人機交互,在觸摸屏界面上組態有三組溫度數據顯示窗口,組態變量表如圖9 所示。根據現場工作環境溫度需要可手動設置高、低溫的閾值,屏幕上通過不同顏色的指示燈監控每一組溫度值的狀態。

圖9 觸摸屏組態的變量表Fig.9 Variable table of touch screen configuration

例如在觸摸屏上設置報警上限溫度為30℃,下限溫度為10℃。即當從站采集到的溫度值高于10℃且低于30℃時,觸摸屏上的綠燈指示燈常亮,表示環境溫度正常。而當從站采集到的溫度值超過30℃或低于10℃時,觸摸屏上的高、低報警指示燈就會閃亮發出報警信號。系統仿真運行如圖10所示。

圖10 基于PLC 對單片機實現多點溫度監控系統仿真運行圖Fig.10 Simulation operation diagram of multi-point temperature monitoring system based on PLC for single-chipmicrocomputer

6 結語

本系統主要由PLC系統上位機和單片機系統下位機兩大部分組成,結合了Modbus RTU通信技術,增強了數據傳輸的穩定可靠性。使用HMI組態界面靈活,易于升級滿足用戶個性化的需求。系統測溫準確度高、可擴展性強,稍加改進即可推廣應用于現代農業大棚、生產車間和儲物倉庫等環境的多點溫度監控中,具有廣闊的應用前景和推廣價值。