6ES7352-5AH01-0AE0西门子S7-300模块

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开放式PLC的概念及设计

目前，国内用户选用的可编程控制器(PLC)仍以国外产品为主，造成这种局面的一个重要原因是欧、美、日等发达工业国家掌握了PLC的核心技术，其硬软件技术对应用者来说完全是封闭的，使用者只能从应用的角度学习PLC，而不能参与PLC的开发[1-2]。近年来，IEC61131-3guojibiaozhun的颁布和实施为各PLC生产厂家提供了统一的软件开发准则，开放的高性能单片机技术的发展，为硬件开发提供了有效的物质基础[3]。在这样的背景下，研制开放的PLC系统无论对于科学研究还是促进PLC行业的发展都有积极的现实意义。

　PLC是一种于工业控制的计算机，其硬件主要由中央处理器、存储器、输入/输出接口等组成[4]，其硬件结构如图1所示。

1 开放式可编程控制器

　开放式PLC硬件结构采用CPU+模块+接口构成，各个接口都按标准设计，大大提高了PLC的开放性，使其能方便地与大系统连接。编程语言遵循guojibiaozhunIEC61131-3，并将基于PC的编程软件作为PLC编程工具。系统硬件部分采用高性能51内核处理器STC89C51，其为模块化设计，采用滤波、隔离电路，以降低成本。主要电路有：微控制器STC89C51RC、开关量输入电路、继电器输出电路、晶体管输出电路、RS232通信接口电路、电源电路、时钟复位电路和USB通信接口电路等，PLC硬件系统框图如图2所示，软件采用Borland公司集成开发软件C++Builder，通过集成平台对51内核处理器指令集进行解释、编译，使梯形图语言转换为能被51内核处理器识别的代码。

2 系统硬件设计

　可编程控制器单片机部分电路图如图3所示。

　USB通信部分选择Philips公司的PDIUSBD12[5]芯片作为系统的USB接口器件，片内集成了高性能USB接口电路、SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部控制器或微处理器实现高速并行通信，其速率为2Mb/s，完全能够满足设计所要求的数据传输速度。USB通信接口模块电路如图4所示。

3 系统软件设计

　系统软件结构如图5所示。图中，系统编辑模块为用户提供编辑环境，接收用户的梯形图程序输入，并将其存储为相应的文件。梯形图语言为一种图形语言，要直接对其进行编译十分困难，因此并不是直接对梯形图程序进行编译，而是先将其翻译成指令语言的文本形式，再对指令语言进行编译。图形语言编译问题的解决，提高了代码的利用率[6-7]。通过提取数据结构中的数据，形成C语言程序文件，经过C51编译器、连接器、转换器的编译、连接、转换过程，生成能够在PLC硬件上运行的可执行文件。

3.1 用户界面

　PLC用户界面是实现可编程人机交互的重要部分，它以梯形图语言的形式录入用户控制程序，以二进制形式通过串口下载到PLC硬件，其梯形图表示的用户编程区如图6所示。

PLC在进行逻辑运算之前，必须对外部信号进行采样[8]，若要实现指令的功能，首先要设置外部I/O在梯形图中的地址，系统才能够对用户程序中所使用的I/O地址与单片机的引脚地址相匹配。本设计在I/O设置对话框底层设计了如表1所示的数据处理函数。

3.2 USB通信

　PDIUSBD12的固件设计成完全的中断驱动，当CPU处理前台任务时，USB的传输可在后台进行；后台中断服务程序和前台主程序循环之间的数据交换可以通过事件标志和数据缓冲区来实现。当PDIUSBD12从USB收到一个数据包，即对CPU产生一个中断请求，CPU立刻响应中断。在中断服务程序中，固件将数据包从PDIUSBD12内部缓冲区移到循环数据缓冲区，并将PDIUSBD12的内部缓冲区清零，以便接收新的数据包，使CPU可以继续执行当前的前台任务直到完成。本文利用PDIUSBD12的端点1进行命令的传输和应答，端点1每次接收计算机发送过来的8B指令，其指令格式如表2所示。例如，接收到十六进制码52 01 00 03 00 07 0050，表示读24C01器件从03字节开始的7个字节的数据。52H为R的ASCII码，57H为W的ASCII码。端点2用于数据的传输。

　本文在了解PLC国内外研究状况以及其市场需求的基础上，提出了研发开放式PLC的概念，完成了PLC集成开发系统的C51模块实现方案的设计，将USB通信方式引入PLC领域，所设计的梯形图编辑器提供了梯形图编辑平台，实现了PLC的基本逻辑指令，完成计算机与控制器的USB通信。

正确的连接是保证PLC正常工作的前提条件。连接的错误或不良不仅会影响到PLC工作的可靠性与稳定性，而且还可能会引起机械设备和PLC硬件的误动作、故障甚至损坏，引发火灾等安全性事故，必须予以重视。

  ①连接的基本要求由于PLC控制对象与PLC模块规格、型号的不同，PLC的连接可能有所区别，但总体说来，PLC的连接应遵循如下的共同原则。

  a.PLC的全部连接必须正确无误，尤其对于电源电压、控制电压的种类、电压、极性等，必须仔细检查，确保正确。

  b.PLC的连接必须保证牢固、可靠、符合规范。

  c.连接导线的绝缘等级、线径必须与负载的电压、电流相匹配;导线的颜色必须符合标准的规定。

  d.PLC的连接作业必须在断电的情况下，由具备相应专业资格的人员负责实施。

  e.PLC模块、连接电缆的插、拔应在PLC断电的情况下，按照规定的方法与步骤进行。

  f.接触PLC前，应通过接触接地金属部件放掉人身体上的静电。

  ②连接线的布置合理布置PLC连接线，可以减少、消除线路中的干扰，提高可靠性。PLC的连接线、电缆等zuihao根据电压等级与信号的类型进行分类敷设。

  如图5-41所示为推荐的较合理的PLC电缆敷设方式，可以供设计者参考。

  图5-41中的电缆敷设采用了“分层敷设”方式，在“走线槽”内部采用了如图5-42所示的隔离措施;在“走线槽”外部，通过金属屏蔽外壳予以密封，这样可以起到有效防止电磁干扰的作用。

  当然，在实际使用时，考虑到成本等各种的因素，要完全按照PLC生产厂家的要求布置可能会有一定的困难。即使如此，对于动力电缆与控制电缆、信号电线还是以分开敷设为宜，在电气柜内，也尽可能予以"分槽"布置。

  ③电源线布置PLC对输入电源的要求相对较低，通常较容易满足要求。但是，当供电线路存在干扰或电网波动剧烈时，为了保证PLC的正常工作，应考虑在电源输入回路加隔离变压器、浪涌吸收器或者采取稳压措施。

  在PLC的外部电源连接方面，应考虑如下几点。

  a.PLC的输入电源、1/O电源与设备的其他电源，原则上也应分开布线，各电源回路应具有独立的保护电路。

  b.采用隔离变压器时，隔离变压器到PLC电源之间的连线尽可能短，以减小线路中的干扰。

  c.PLC的电源连接线应有足够的线径，以减小线路的压降。

  d.DC回路与AC回路应尽可能分开布线。

  e.当输入/输出连线无法与动力线分开敷设时，输入/输出尽可能采用屏蔽电缆，并在PLC侧将屏蔽层接地;输入信号与输出信号也不宜布置在同一电缆内，应采用单独的连接电缆。

  f.当输入电源可能存在较大的干扰时，应采取必要的抗干扰措施。

  g.原则上，PLC的I/O连接线不应超过20m，当大于此长度时，应采取必要的措施，防止干扰与线路压降的增大。

  h.扩展单元的电缆是容易受到干扰的部位，连接时应保证它与动力线的距离在30～50m。

  ④干扰及其预防 为了防止线路中的干扰对PLC系统可靠性的影响，可以根据如下不同情况，采取相应的措施。

  a.电源干扰。电源干扰主要来自外部线路中的雷击、设备内部的大功率负载的启动/停止、接触器等的通/断等。

  防止电源干扰的对策是在 PLC电源的进线侧安装隔离变压器、浪涌吸收器，以吸收线路的干扰电压;同时将PLC与设备的连线利用接地良好的金属软管等予以保护。

  b.高频干扰。高频干扰主要来自控制系统或其他设备中的高频装置。防止高频干扰的措施是在电源进线侧安装高频滤波器，并对电源线进行绞合处理。

  c.接地干扰。接地干扰主要是由不正确的地线或接地不良引起的。使用PLC控制的设备进线应有接地良好的地线，并且对于设备的各控制部分应采用独立的接地方式，不能使用公共地线。

  d.感性负载通断干扰，解决感性负载通断引起的干扰的方法是在感性负载的两端安装过电压吸收器。对于交流感性负载，可以采用RC抑制器与压敏电阻;对于直流感性负载，可以安装二极管、压敏电阻、RC抑制器等。

  e.电磁干扰。对于大功率负载的启/停、开关引起的电弧所产生的电磁干扰，应通过对开关安装金属屏蔽罩等措施进行磁屏蔽。