王曦英文翻译最终版(3)

可编程序逻辑控制器

摘要

在目前，工业自动化对工业的繁荣是极其重要的，因为它减少了许多生产成本折扣并且提高了生产率。出于这个理由，在60、70年代 WLC （即布线逻辑控制器）被引进，这是工业自动化的起步。后来，微控制器的引用，使微控制器在更大的适应性方面占有更大的优势。随着技术的发展，一种更先进的控制器被采用，它具有强大的I/O处理能力和很大的灵活性，它就是可编程序逻辑控制器，通常成为PLC。

PLC对于巴基斯坦的工业并不是陌生。这已经是很长一段时间了，现在它在被广泛的应用。尽管这个产品的需求在这里相当可观，但是它在本土的发展并没有得到很大成就。之后，在我国这个领域PLC并没有很好的发展，而现在它作为逻辑设计、数字电子学、接口设备和软件工程的实训正成为国民的必须品。作为我们课程工作的一部分，我们不得不承担一个最后学期的项目。在这方面，本文描述一种可编程序逻辑控制器（可编程逻辑控制器）的设计和实现过程。任务是承担一个在数字电路设计，微控制器应用和接口设备，因为在学期之前，我们已经开始学习了与这个项目相关的功率和模拟电子学。

关键字：可编程序控制器（PLC），自动化，微控制器应用，工业电子学，数字控制，开关控制，数字电子学

1. 绪论

1.1 问题描述

我们知道，工业自动化是一个国家工业支柱，因为它的繁荣减少了生产成本许多折扣并且提高了生产率。由于这个原因， wlc（即布线逻辑控制器）被引进。后来，微控制器被引用，它与布线逻辑控制器相比强大的适应性使它占有更大的优势。随着技术的发展，一种更先进的控制器被采用，它有强大的I/O处理能力和很大的灵活性，它就是可编程序逻辑控制器，通常成为PLC。西门子推出许多具有不同的能力的系列控制器。第一个系列是SIMATIC?5控制器。我们现有的可编程控制器是S5-100U-100，后来，西门子推出了SIMATIC?7系列可编程控制器，现在我们使用S7-314IFM PLC。

PLC对于巴基斯坦的工业并不是陌生。这已经是很长一段时间了，现在被广泛的应用。尽管这个产品的需求在这里相当可观，但是它在本土的发展并没有得到很大成就。之后，在我国这个领域并没有很好的发展，而现在PLC作为逻辑设计、数字电子学、接口设备和软件工程的实训正成为国民的必须品。我们承担开发一种可编程控制器的任务，这种可编程序控制器要比SIMATIC?5控制器更好，可与SIMATIC?7控制器相媲美。我们设计的PLC也可以提高到支持远程数据采集。

1.2 结构图和摘要描述

图1-1是完整的、综合的PLC结构图。正像SIMATIC?5系统，我们的可编程逻辑控制器可以大致地分为三性质不同的单元： a.CPU（中央处理器） b.总线单元

c. 功能块(I/O和功能)

图1-1 可编程序控制器方框图

各个单元可以被描述如下:

1.2.1 CPU

CPU,正像它的名字表露的,是PLC系统的大脑,没有了大脑PLC不能执行简单的功能。在我们的系统中，CPU是由两个ATMEL?89C52微控制器组成。正如在每个多处理系统中，一个是主控制器，另一个是从属控制器。主控部分或者是控制单元（图1-1）形成的功能可以概括如下：

·利用操作控制监视与控制可编程逻辑控制器的工况

·配置可编程逻辑控制器功能块

·由监视器扫描循环数检查程序的完整性从属控制器（执行单元，图1-1）是执行 用户程序。它主要负责：

·在启动期间做适当的动作

·在每个扫描周期开始，提供转换器信号以及连续的地址和具有功能块的处理数据

·处理计数器和时间继电器

中央处理器部分也有通讯编程装置的能力，例如：计算机通过串行端口。通信通道的工作是按照信号量算法（通常称为标记算法）。当前通讯连接没有起作用将被标记在这，如前述，因为它过去是计划的图形用户界面的一部分，由于时间的限制它没有实现。

1.2.2 总线单元

总线单元功能类似于一个电脑的主板。总线单元有支持4个功能块组合和中央处理器；我们称为主要总线单元。此外，总线单元也承担着连接器的扩充，通过它其他的总线单元可以增加PLC的I/O处理能力。总线单元对于连接中央处理器不是一个小口；只有功能块可以连接。

总线单元的主要作用是缓冲全部信号，比如：数据总线、地址总线，以及控制信号，消除 CPU的承载。这些功能不但被主总线单元执行，而且在配置阶段也执行一个额外的功能。图1-1，总线控制器，每次只选一个口以便能够使模块连接在上边，也可以在所有的口被选择和配置的时候发一个信号到控制单元。

1.2.3 功能块模块

功能块模块是用来提供PLC人机接口设备。我们设计的功能块具有数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出功能块模块（用CAD?Pspice）。但是，我们只能够制造数字输入、数字输出功能块每个都可以处理16位装置。功能块的规格标准类似于市场上可以买到的组件。

这些功能块模块是具备地址译码器的电路，它在所有功能块中是很常见的，因为这个电路已经设计成为支持自动化的结构。

1.3 合理的解决

既然项目概况在之前已经介绍了，现在看一下我们想到的独创性合理解决方案，这些思想和他们的支持和意见不同的评论。

·使用单个信息处理机／微控制器是出现在我脑海里的最初想法，因为它能很简单、容易地完成。这个想法的问题是因为我们需要一个更快的处理器努力谋求一个好的扫描时间（它是不能利用的）或者是一个多处理系统。

·微处理器代替微控制器也是任意选择的，因为我们之前已经学习过汇编语言，而且有很好的了解。这种选择的缺点在于PLC，位操作会很多，而这时微处理机指令对于这样的操作并不是很强大。

·利用16位微控制器考虑便于工作，这是一个很好的想法，但是在实际中并

不能可以利用。

·最终，在这些选择中保留的是利用两个微控制器一前一后地完成我们的要求任务。

1.4 选择的理由

正如上述提及的解决办法，我们决定实施多信息处理机中央处理器具有的总

线单元策划连接功能块。下边列举了优点，也是形成选择这个设计的理由。

·这个解决办法是我们首先想到的似乎合理的办法。在工作过程中，也有很多想法产生，但那时已经很迟了。

·这个设计是基于我们城市可以很容易利用的技术和设备。

·微处理器代替微控制器的应用证明微处理器不能解决二进制运算，这些在PLC中有很多。 ·单个处理速度很快的微处理器是不可以用的，因此，我们由两个控制器同时地分配工作负荷和支配任务，避免牺牲处理速度。 ·自动化的结构特点允许功能块的设计相当普通。

·总线单元的使用考虑到成本效益特别是作为每个功能块的专业化模块，而在SIMATIC?7控制器中找到的并不是需要的。

2. 分析和仿真

因为我们的系统是一个以微控制器为基础的数字系统，获得它的数学模型不

是不可能的。相反，我们已经模拟我们的电路设计，尽管现实寿命限制在OrCAD?9.1PSpice。计算机硬件仿真结果和他们的分析将在下文中论述。

2.1 计算机仿真——硬件

计算机这个仿真分几个不同阶段；在自动化配置过程过程中，控制字的读入和恰当的地址被分配到模块中。一旦这个经过试验，来自数字输入模块读出数据的完全结果是被试验过的。同样的，数字输出模块读出的数据也是被试验过。之前讨论的方法，有一点必须强调，用于测试线路性能的信号具备实际的定时延时，这可能被微控制器所采用。全部的传播延迟、脉冲宽度等等已经密切地实现,以便我们的仿真尽可能达到实际效果。

2.1.1 自动化配置过程

配置周期是由第二个微控制器完全的、单独的操控。这个模块的作用是读不同模块的控制字，然后给每个控制字分配地址。这个过程执行如下：

每当可编程逻辑控制器接通电源，微控制器将执行控制周期。为初始化这个周期，微控制器发送一个低电平有效的PSEN脉冲。开始的时候上升沿CLK时钟信号，这个低状态转移到P0，这个信号为了选择模块的第一个口。同时，PSEN回到高电平。现在微控制器发送A1A0=00，它使控制字到指定地址。因此当RD处于低电平，模块第一个口的控制字被读入，储存在微控制器的RAM中。在下

一个模块在下一个时钟的上升沿。与前者相同，这个控制字也被读进并且保存，一旦总线单元完成检查，它是一个标志位。每个总线单元的标志位与来自下一个总线单元（例如：NBUS）的标志位相“与”，“与门”的输出转到之前的总线单元的输入。这个连锁一直延续直到最后“与门\的输出到微控制器。一旦模块被选通的时候，这个输出将是高电平并且读入控制字。

图 2-1

如下显示的时序图描绘了个功能模块的选择顺序和它们控制字的读入。也要注意一点，但所有模块被读入BU_END信号变为高点平。

现在微控制器读取了所有存储的控制字并且改写了它们本身每个16位的地址。一旦所有的控制字转换成地址，它们将转到模块上。从此，PSEN脉冲再一次成为低电平并且在第一个时钟信号CLK的上升沿，第一个模块被选中。然而，这次微控制器发出A1A0=10，这个表明正在指向地址锁存器的低字节。然后，在微控制器的数据总线出现了低字节地址，此时WR信号为低电平，地址锁存器锁存数据。只要写入低字节，微控制器发出A1A0=11，这表明是在高字节地址。再一次，当WR信号为低电平高字节转到地址锁存器。这完成了一个模块的自动化结构配置。可以按类似方式，当连续的上升沿时钟信号选通每个模块，这样所有的模块都进行了装配。下面时序图是地址分配的过程，

图 2-2

2.1.2 控制字

要实现这个作用，模块应该能够“通知”它们是什么形式。每个模块采用独特地8位控制字。对于一个给定的功能模块，控制字是不变的，在这些控制字形成期间嵌入到模块中。控制字位格式如下图：

通过控制字的读取，微控制器可以识别模块并且分配地址。任何一个控制字都可

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