基于PLC和单片机的多模式综合实验系统设计

杨 鸽，郑 萍，叶建平，张凤西，彭京平，蒋志军

（西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039）

基于PLC和单片机的多模式综合实验系统设计

杨 鸽，郑 萍，叶建平，张凤西，彭京平，蒋志军

（西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039）

为了与工业发展趋势一致，使学生具有综合的相关控制知识与实践能力，将不同的控制系统进行组合，设计了一种基于PLC和单片机的多模式综合实验系统。该实验系统由PC机、PLC、单片机和变频器组成，集PLC技术、单片机技术、变频调速技术、组态软件技术于一体，融合了多种通信接口和DDE的数据交互模式。实验表明，该系统大大拓展了学生的视野，为开设综合性创新实验提供了良好的平台。

综合实验系统；PLC；单片机；变频调速；MCGS组态软件

Abstract：Due to the diversity of industrial control，the integrated control system becomes an industrial trend，more and more widely.Currently，most colleges and universities have established the PLC and SCM lab，the design enables students to master the widely used two control modes and system，but most of them simply by the PLC or SCM make up control system，lacking of integrated different control systems of experimental equipment and system.To be consistent with industrial trend，so that students have related integrated control knowledge and practical ability，this paper designs a kind of multi-mode integrated experimental system based on PLC and SCM，which consists of PC，PLC，SCM and inverter，contains PLC technology，SCM technology，frequency control technology，configuration software technology， merges a variety of communication interfaces and DDE data interactive mode.The practice proves that the system can greatly expand the horizons of the students，and provide a good platform for integrated innovation experiment.

Key words：integrated experimental system；PLC；SCM；frequency control；MCGS configuration software

如何培养能适应社会需求、动手能力强、具有一定应用开发能力的毕业生，是应用型院校探究人才培养模式的重要课题［1］。实验教学需要强化工程应用，为培养工程技术应用型高级人才创造良好的教学环境，实验系统的建设是专业课程的实验教学体系不可缺少的重要组成部分［2］。PLC和单片机是目前最为常用的两种控制器件。但在高校的教学实验设备中，单片机和PLC的实验设备是相对独立的，很难将两者联系在一起进行综合的实训。而在实际的应用中，两者往往紧密相连，比如分布式控制系统，往往既有PLC，又有单片机系统。另外，与PLC相联的数据采集系统、现场总线CAN、通信模块等无不涉及到单片机的应用。PLC和单片机有各自的控制特点，学生有必要全面地掌握PLC和单片机这两种控制器。

为此，以三相异步电动机为控制对象，利用PLC、单片机、变频器、上位PC机（MCGS和VB）、光电编码器构建了一个多模式的综合实验系统。该系统集可编程控制器设计、单片机设计、变频调速技术、工业组态软件技术于一身，系统成本低、柔性强，是一种可以培养学生综合学习能力、实现现代综合实验的研究性良好平台。

1 系统整体设计

基于PLC和单片机的多模式综合实验系统的整体设计如图1所示，系统整体框架分为控制层、上位监控层和远程监控层。控制层是由可编程控制器、单片机、变频器、电机/运动控制机构和光电编码器构成多模式控制系统，可实现PLC控制的多段速调速、闭环PID无极调速，单片机控制的多段速调速、闭环PID无极调速多种调速模式。利用工业组态软件MCGS制作上位机监控系统，利用VB编写单片机的控制系统的上位数据采集软件，通过动态数据交换DDE技术实现与MCGS的数据交互，并利用MCGS提供的网络功能，实现具有上位监控和远程监控的多种调试控制方式。

2 基于单片机直接控制的多段速变频调速系统

变频器的输入信号包括运行∕停止、正转启动∕反转启动、点动等运行状态信号（数字信号）。变频器通常利用继电器接点与上位机连接而得到这些信号。通过对变频器多功能输入端（RL、RM、RH）进行设定，即可以得到多级速度频率［3］。端子与转速对应关系见表1。

表1 端子与转速对应关系表

用单片机来控制继电器的通断［4］，用继电器的相关触点与变频器的3个功能端子相连，通过3个继电器不同的通断状态，得到变频器功能端的不同的输入组合而实现单片机控制的多段速变频调速。单片机控制多段速变频调速原理图见图2。

图2 单片机控制的多段速系统原理图

单片机的P2.0口、P2.1口、P2.2口分别控制与变频器的3个功能输入端（RL、RM、RH）相连的继电器。通过控制P2.0口、P2.1口、P2.2口输出的电平来控制3个继电器的通断，进而控制变频器实现多段速调速。一般通过单片机的键盘对所需的转速进行设定，也可将检测的信息送入单片机，通过单片机的比较程序得出P2.0口、P2.1口、P2.2的输出逻辑组合而实现速度的控制。

3 基于PLC控制的闭环PID变频调速系统

在PLC控制的闭环PID变频调速系统中，上位机通过RS232-RS422编程电缆与PLC通信，以PLC作为控制器，变频器作为执行器，电机作为控制对象，用光电编码器对电机的频率进行采集并送至PLC的高速输入端形成闭环控制。由于PLC与变频器均有RS485接口，PLC的485BD通信模块用双绞线直接连到变频器的PU口上［5］，因此通过RS485通信便可将PLC控制指令送入变频器。基于PLC控制的闭环PID变频调速系统的原理图见图3。

光电编码器与PLC的X0、X1输入端相连，用PLC内部的高速计数器对其得到的脉冲进行计数［6］。通过脉冲个数、时间和光电编码器每转产生的脉冲数算出电机的频率，再将其通过PID指令进行PID运算，得出较稳定的频率送给变频器，从而校正电机速度。闭环PID变频调速PLC梯形图程序设计框图见图4。

图3 PLC控制的闭环PID系统原理图

图4 闭环PID调速PLC程序设计框图

4 基于MCGS工业组态软件的监控系统设计

组态软件具有远程监控、数据采集、数据分析和过程控制等功能，实时性强［7］。MCGS（通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，主要由组态环境和运行环境2个部分组成。本设计以PLC、单片机控制的变频调速构成的网络控制系统为对象，通过组态软件完成上位监控设计，在上位监控层中的PC机运行MCGS网络版组态软件，可完成上位监控层和远程监控层的监控。

4.1 上位监控层监控设计

MCGS工业组态软件与控制层通信最基本的3个步骤是窗口设计、变量设置、通道连接。上位机中监控画面的元素必须通过变量这一中间过程将其连接，而通道的配置则实现了这些变量与PLC的连接。

4.1.1 基于PLC控制的变频调速系统上位监控设计

上位监控层设计步骤如下［8］：

（1）建立系统工程。在实时数据库定义数据变量，根据PLC控制的变频调速系统的实际情况，在标准图形库选取相应的图形，并用绘图工具进行连接，对窗口进行设计。

（2）进行用户窗口组态。将用户窗口中所用图源与实时数据库中的数据变量建立相关性连接。

（3）进行设备窗口组态。在设备窗口中建立串口通信的父设备和0设备，完成基本属性、通道连接、设备调试、数据处理的设置，最重要的是完成PLC的通道与实时数据库的变量相连接，设置相应的读写操作。

（4）为了生动地反应下位的动作情况还编写了相应的动画脚本程序。

系统的上位监控界面见图5。

图5 PLC控制的变频调速系统上位监控界面

4.1.2 基于单片机控制的变频调速系统的上位设计

由于MCGS组态软件没有单片机控制系统的驱动程序，因此采用DDE“软通道”的方式实现上位监控软件MCGS与单片机控制系统的通信［9］。动态数据交换（dynamic data exchange，DDE）协议是一种开放的、与语言无关的、基于消息的协议，它允许多个应用程序以任何人为约定的格式交换数据或命令［10］。两个同时运行的程序间通过DDE方式交换数据时是Client和Server的关系，通过DDE方式建立的数据连接通道是双向的，即Client不但能读取Server中的数据，且可对其进行修改。MCGS软件提供了强有力的DDE客户和服务器支持，DDE客户支持允许把来自其他应用程序的信息传递到MCGS软件中，用于数据库和画面；服务器支持把MCGS软件的过程信息传递到其他应用程序中去处理。

VB把与串行通信有关的操作封装在MSComm控件里，用户通过属性和事件来控制串口通信［11］，VB通过串口控件与单片机通信，采集单片机的数据，实现单片机和PC机的通信。VB通过DDE的方式与工业组态软件MCGS实现数据的交换，从而实现MCGS上位组态软件对基于单片机控制系统的上位监控。其数据交互的原理框图如图6所示。

图6 单片机控制系统与MCGS数据交互原理图

4.2 远程监控层监控设计

MCGS组态软件提供了一套完善的网络机制，可将多台计算机通过TCP∕IP网连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的数据同步、数据库同步和网络事件处理［12］。同时，通过标准的网络功能，可在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。在上位机运行MCGS网络版组态软件，在主控窗口的HTTP的参数写上本计算机的IP地址，然后进入运行环境运行此工程。远程用户打开IE浏览器，在地址栏输入上位监控层计算机的IP，就实现了基于MCGS网络版的联网功能，就能实时地浏览中间监控的组态画面。MCGS同时可以设置访问权限，保证远程控制的安全性。其远程连接如图7所示。

5 结束语

图7 建立远程网络连接

本文构建的基于PLC和单片机双系统控制的变频调速综合实验系统以变频调速系统为载体，成功地实现了在同一教学实验设备中实现PLC和单片机双系统、多模式的综合控制，并结合RS485的通信技术、组态软件技术、DDE数据交互技术，为学生开设分别以PLC或单片机为中心的高水平系列实验，通过该实验系统的实验训练，学生可了解、对比单片机和PLC各种不同的控制特点，掌握先进的各类技术，其知识点多，覆盖面广，综合性强。另外，基于PLC与单片机双系统控制的综合实验还大大地节约了实验资源［13］，对于现代实验室的建设有积极的意义。

（References）

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Design of multi-mode integrated experimental system based on PLC，SCM

Yang Ge，Zheng Ping，Ye Jianping，Zhang Fengxi，Peng Jingping，Jiang Zhijun
（School of Electrical and Information Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

G642.423；TP273

A

1002-4956（2013）10-0083-04

2013-02-23修改日期：2013-03-25

四川省精品课程建设项目“可编程控制器原理及应用”（XHJP060102）；西华大学研究生创新基金项目（Ycjj201256）

杨鸽（1987—），男，四川射洪，硕士，主要研究方向为工业过程控制与综合自动化

E-mail：yang1022ge＠126.com

郑萍（1957—），女，四川自贡，教授，主要研究方向为网络控制技术与仪表技术.

E-mail：zp5757＠126.com