基于单片机的PLC系统的实现

作者: admin 分类: 新闻 发布时间: 2019-10-20 15:13

1 引言

  可编程控制器(plc)作为继电控制盘的替代物,以极高的可靠性和应用方便等特点,成为当今用途最为广泛的工业控制器。现在它的应用已突破了当初逻辑控制的场合,深入到过程控制、位置控制、网络通讯等工程领域。本文根据某工程的实际需要,以三菱plc为模拟目标,提出了一种以单片机构建plc系统的思想。

2 系统构成

  系统框图见图1。

  该系统cpu芯片使用了一种新型的51系列单片机即cygnal公司的c8051f040。其指令集与msc_51指令集完全兼容,使用方便,且采用流水线结构,其周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期,处理能力大大提高,峰值性能可达25mips。内部集成了64k flash rom、4352字ram、64位数据i/o口以及几乎所有的模拟与数字外设如:adc、dac、smbus、uart、can、spi、pca、电压比较器、温度传感器、可编程增益放大器等。开发工具采用标准的jtag接口,以边界扫描方式对cpu进行非入侵式全速的在系统调试。其性能较之传统51单片机有了很大的提高。

  cpu和外部i/o接口之间采用光电耦合器件,实行强电和弱电隔离,切断现场干扰。计算机通过rs232串口与plc系统通信,将plc程序指令传送到plc。plc将接收到的指令保存到非易失性ram中。这样做即可以长期保存plc程序,又可以方便地随时修改程序。

3 plc程序的执行过程

  常见plc以扫描方式工作。每次扫描的工作过程分为三步。

  (1) 输入处理

  程序执行前,plc将全部输入点的状态读到输入镜像寄存器。在程序执行过程中,plc不再读取这些输入点的状态,直到下一个扫描周期的输入处理。

  (2) 程序处理

  plc根据读入的外部输入状态和其它元件的状态执行用户程序。这时的输出指令只写到输出镜像寄存器,输出点的状态并没有发生变化。

  (3) 输出处理 全部指令执行完毕,将输出寄存器的内容全部刷新到外部输出点。程序回到第一步工作过程。

  本plc系统的工作过程与此相同。输入处理和输出处理用单片机实现起来比较容易,无需赘述。系统的关键是用户程序的处理。下面以三菱fx系列plc一个简单的例子来说明本plc系统对用户程序的处理方法。梯形图和相应的指令表见图2。

  0:ld x000 9: ld x010

  1:and x001 10:ld x011

  2:and x002 11:and x012

  3:ld x003 12:ld x013

  4:or x004 13:and x014

  5:anb 14:orb

  6:out y000 15:or x015

  7:or x006 16:anb

  8:ld x010 17:out y001

  首先分析指令 and x001,指令执行前有状态b,执行该指令时,将当前状态b

  和x001的状态进行与运算,形成状态c,这是指令andx002执行前状态。c是b的刷新值,它们实际上是一个变量。这个变量反映程序执行时当前的状态值。当遇到输出指令out y000时,就把当前状态值传送给输出寄存器。把and x001作为一单元块,可认为这个单元块有单输入单输出的结构。输入状态和单元块内元件的状态运算后得到输出状态。

  再分析指令ld x003、or x004,如果将这两条指令组合后看作上述单输入单输出结构的单元块,执行前的状态为d,把x003、x004元件并联后的状态作为单元块内元件的状态,和d与运算后得到状态g.。但细化一步执行ldx003这个子单元块时,当前状态d需保存,取x003的状态作为当前状态值e,和x004或运算后得到f。执行anb时,把先保存的状态值d和状态值f与运算后得到新的当前状态值g。

  这里执行ld与and产生区别是在于:and指令没有分支,而ld指令产生分支,程序执行前的状态值需要保存。同样,在遇到分支合并时,需要使用到先前保存的状态值。根据梯形图的编写规则,状态值的保存和使用是一种先进后出的结构,所以可以使用进栈和出栈的方法来实现。指令的具体实现过程归纳如下:凡是遇到产生分支的指令,例如ld指令,需将当前状态值进栈保存,取当前操作元件的状态作为当前状态值;凡是遇到分支合并的指令,例如orb、anb指令,需将栈顶值出栈与当前状态值运算成为新的当前状态值。

  在具体实现时,采用了另一种形式的栈。由于三菱fx系列plc的ld连续使用不能超过八次,因此采用一个可以位寻址的片内ram字节作为栈空间来存放当前状态值。如果使用栈空间的最高位作为当前状态值,每次压栈就把该字节进行不带进位的循环右移,出栈时反之。在ld x000指令执行后,进栈状态a没有出栈,ld x010指令又进栈保存当前状态值,以前的压栈值a废之不用,即每条与母线相连的ld指令产生压栈值都不出栈。这样避免了因使用pushpop指令用一个字节的空间来保存一位的当前状态值造成的ram利用效率低的问题。

  ld x010后的指令执行过程如下:ld x010 把当前状态值h压栈,取x010的状态作为当前状态值i;ld x011把当前状态值i压栈,取x011的状态作为当前状态值j;and x012 把当前状态值j和x012的状态与运算后得到当前状态值k;ld x013把当前状态值k压栈,取x013的状态作为当前状态值l;and x014把当前状态值l和x014的状态与运算后得到当前状态值m;orb 弹出压栈值k和当前状态值m或运算后得到新的当前状态值m;or x015把当前状态值m和x015的状态或运算后得到当前状态值n;anb弹出压栈值i和当前状态值n与运算后得到新的当前状态值o;outy002 把当前状态值写到y002的输出镜像寄存器。

4 检查程序

  接收到程序后,在程序执行之前,还需对程序的语法正确性进行检查。这里只介绍与程序状态值栈相关指令的语法检查。

  首先]需要设置一个位标志en_bus和一计数器ld_n。enbus表示下一指令能够与plc梯形图中的母线相连。计数器ld_n表示自与母线相连的指令之后由于ld指令引起的堆栈次数。检查程序之前,初始化如下:

  en _bus=1

  ld_n=1

  检查程序时,如果遇到ld指令,程序流程如图3(a);如果为orb或anb指令,则ld_n=ld_n-1;如果为out等与零母线相连的输出指令,程序流程如图3(b)。

  这些基本操作执行后,如果检测到ld _n大于8,说明连续ld指令太多,程序状态值栈空间溢出;如果ld_n等于0,说明anb或orb指令数多于与ld指令,数量不匹配。还有些指令例如程序标号p、循环范围终止符next等必须与母线相连。如果这些指令出现在en_bus=0的情况下,说明该程序有错。

5 结束语

  这种以单片机构建的plc系统成本低,系统可扩展性好,可以方便得加上a/d、d/a等功能,应用领域广泛。

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