PLC攜手觸摸屏控制系統的應用

　　隨著(zhù)科技的飛速發(fā)展， 越來(lái)越多的機器與現場(chǎng)操作都趨向于使用人機界面， 而PLC 控制器強大的功能及復雜的數據處理也要求有一種功能與之匹配而操作簡(jiǎn)便的人機界面。觸摸屏的出現無(wú)疑是21世紀自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)巨大革新。觸摸屏和PLC的組合使用已經(jīng)成為主導形式。

　　PLC是一種結構簡(jiǎn)單、通用性好、功能較完備的新型控制元件， 其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強， 可以提高系統的可靠性和穩定性以及生產(chǎn)效率， 特別適用于工業(yè)控制。

　　觸摸屏是一種連接人和機器的人機界面， 它代替了原始的控制臺和顯示器， 可用于數據顯示和參數設置，并且可以用動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)的形式描述系統的控制過(guò)程； 擴展了PLC的功能， 減少了按鈕、開(kāi)關(guān)、儀表等儀器的使用。

　　1 系統的組成

　　本系統采用Siemens S7-200和迪文觸摸屏組成的系統控制現場(chǎng)的電動(dòng)閥、電磁閥、電動(dòng)機和溫度控制器等執行機構。S7-200通過(guò)模擬量輸入模塊和溫度、壓力傳感器采集現場(chǎng)的溫度和壓力信號， 信號通過(guò)PLC上的A /D轉換、數值變換傳送到觸摸屏上， 觸摸屏顯示實(shí)時(shí)的溫度值、壓力值、溫度曲線(xiàn)、壓力曲線(xiàn)和PID曲線(xiàn)； 且PID參數可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設置， 觸摸屏給PLC發(fā)送指令， 以控制現場(chǎng)的執行機構。由于PLC接口為RS-485，觸摸屏接口為RS-232， 因此， 需要增加一個(gè)RS-485 /RS-232轉換線(xiàn)。控制系統的組成如圖1所示。

　　圖1 控制系統組成框圖

　　2 PLC和觸摸屏的通信

　　計算機與計算機或計算機與終端之間的數據傳送可以采用串行通信和并行通信2種方式。S7-200系列PLC的通信分3種工作方式： PPI通信方式、自由口通信方式和Profibus-DP通信方式， 本系統采用的是自由口通信方式。

　　2.1 PLC 的自由口通信

　　當S7？？200系列PLC使用自由口通信時(shí)， 數據傳輸協(xié)議完全由用戶(hù)程序決定， 所有的通信任務(wù)都要由用戶(hù)編程完成。通過(guò)自由口方式， S7-200可以與串行打印機、條碼閱讀器、觸摸屏進(jìn)行通信， 其波特率范圍為1 200~ 115 200 bit / s（可調整）。自由口通信的核心是XMT（發(fā)送）和RCV （接收）這2條指令以及相應的特殊寄存器控制。本系統的自由口通信使用的是自由口0，S7-200 CPU使用SMB30定義自由口0的工作模式。通過(guò)特殊寄存器SMB30， 可以對校驗的選擇、每個(gè)字符的數據位、自由口的波特率和協(xié)議選擇進(jìn)行設置。S7-200 CPU 上的自由口接口為RS-485， 觸摸屏的接口為RS？？232， 設計時(shí)需要制做一個(gè)RS-485 /RS-232的通信線(xiàn)。而S7-200 CPU的通信口RS-485為半雙工通信口，發(fā)送和接收指令不能同時(shí)處于激活狀態(tài)， 此時(shí)，可以通過(guò)控制特殊寄存器SMB87來(lái)控制RCV （接收） ， 當在指定時(shí)間內PLC沒(méi)有收到信息時(shí)， RCV指令將停止接收。

　　2. 2 觸摸屏的數據傳送方式

　　迪文觸摸屏的串口數據幀結構由幀頭、指令、數據以及幀尾結束符這4 個(gè)數據塊組成。幀頭固定為0XAA， 而指令參考迪文指令集， 數據最多為249 B， 幀尾結束符固定為0XCC、0X33、0XC3、0X3C.其中， 0X代表16進(jìn)制數。迪文觸摸屏所有指令或數據都是16進(jìn)制（HEX）格式， 對于字型（ 2字節）數據， 字節傳送順序采用高字節先傳送（MSB）的方式。傳送方向為下行（Tx）時(shí)， PLC 發(fā)送數據給觸摸屏， 數據從觸摸屏串行接口的“Din引腳”輸入； 傳送方向為上行（Rx）時(shí)，觸摸屏發(fā)送數據給PLC， 數據從觸摸屏串行接口的“Dout引腳”輸出。觸摸屏與PLC 串口數據交換交換過(guò)程如圖2所示。

　　圖2 數據交換過(guò)程示意圖

3 典型的PLC程序

　　3. 1 模擬量的采集及發(fā)送

　　在模擬量輸入及其轉換成實(shí)際值的過(guò)程中（以溫度為例），溫度傳感器采集到的模擬信號通過(guò)PLC模擬量輸入模塊變成數字信號傳到PLC 的存儲器， 再根據傳感器的量程等實(shí)際情況把數字信號換算成實(shí)際的溫度值（模擬量比例換算是指由于A(yíng) /D、D /A 轉換之間的對應關(guān)系， S7-200 CPU內部用數值表示外部的模擬量信號， 兩者之間有一定的數學(xué)關(guān)系， 即模擬量/數值量的換算關(guān)系）。

　　系統從模擬量模塊中地址為AIW10的通道輸入模擬量。為了增強輸入模擬量的穩定性， 模擬量采集程序采用求多次采樣值的平均值方法； 而為了減少CPU 的掃描時(shí)間， 程序中的除法采用移位除法（用采樣次數的2的次方表示， 如128次為2的8次方）。

　　3.2 觸摸屏的觸控功能

　　當觸摸屏上的按鈕被按下時(shí)， 觸摸屏會(huì )給PLC發(fā)送按鈕位置坐標（觸摸屏中表示位置坐標的數據塊為“AA 73按鈕的坐標CC 33 C3 3C”）， PLC收到數據后判斷按鈕的位置坐標是否正確，如果正確，則執行顯示曲線(xiàn)、顯示實(shí)時(shí)參數、控制執行機構等指令。

　　3. 3 通信的相關(guān)程序

　　PLC 的編程方法因程序設計人員的思維習慣不同而有很大差異， 常用的編程方法有梯形圖編程和語(yǔ)句表編程2種。梯形圖接近繼電器控制的表達形式， 語(yǔ)句表則類(lèi)似于計算機匯編語(yǔ)言， 這2種編程方式均實(shí)時(shí)反映出繼電器控制的思想。本文采用語(yǔ)句表的編程方法編寫(xiě)了觸摸屏和PLC通信及觸摸屏觸控（觸摸屏給PLC發(fā)送指令， 通過(guò)PLC控制執行機構）的程序，其程序如下。

　?、僦鞒绦蚓幊?。

　　網(wǎng)絡(luò )1： 程序初始化。

　　網(wǎng)絡(luò )2： 接收觸摸屏發(fā)來(lái)的指令。

　?、谥袛喑绦?。

　　網(wǎng)絡(luò )1： 如果按下“啟動(dòng)”按鈕， 則發(fā)給PLC控制指令控制執行機構。

　　網(wǎng)絡(luò )2： 如果按下“返回”按鈕， 界面切到首頁(yè)。

　?、蹟祿K。

　　
4 用戶(hù)界面

　　用戶(hù)界面的設計和實(shí)現分為以下2個(gè)步驟。

　?、?設計觸摸屏的顯示界面。

　　設計和觸摸屏HMI物理分配率相同的用戶(hù)界面，并下載到HMI終端（用戶(hù)界面可以用任意畫(huà)圖軟件進(jìn)行繪制）。

　?、?制作觸摸屏按鈕。

　　按照工藝要求設計好的用戶(hù)界面有很多按鈕，當觸摸屏按鈕被按下時(shí)，觸摸屏會(huì )給PLC 發(fā)一個(gè)位置坐標（格式為AA 73坐標CC 33 C3 3C），使其根據坐標的正確性來(lái)執行相應的指令。如按鈕“溫度曲線(xiàn)”，它的有效區域是右上角和左下角這2個(gè)點(diǎn)坐標的組合（X0Y0， X 1Y1 ）， 其中X 0Y0 為“溫度曲線(xiàn)”右上角坐標，X1Y1 為“溫度曲線(xiàn)”左下角坐標。當“溫度曲線(xiàn)”按鈕被按下時(shí)，觸摸屏就給PLC發(fā)送相應的坐標指令， PLC收到坐標（X， Y）后進(jìn)行判斷， 若X0≤X≤X1 且Y0≤Y≤Y1，則PLC給觸摸屏發(fā)送顯示溫度曲線(xiàn)的指令，觸摸屏上就會(huì )顯示如圖3所示的實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)。同理，可以進(jìn)行PID參數的設置。

　　圖3 實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)

　　5 遇到的問(wèn)題及解決方法

　　在系統設計過(guò)程中， 會(huì )遇到以下幾類(lèi)問(wèn)題。

　?、偻ㄐ沤涌诓黄ヅ?， 即PLC上CPU的接口為RS？？485，觸摸屏接口為RS？？232.解決辦法是購買(mǎi)RS-485 /RS-232轉換器， 或自己設計一個(gè)轉換電路。

　?、赟7-200 CPU 通信端口為RS？？485半雙工通信口， 發(fā)送和接收指令不能同時(shí)處于激活狀態(tài)。解決辦法是通過(guò)軟件設計實(shí)現， 把接收信息控制字SMB87設置為16# 9C， 當在設定時(shí)間內PLC沒(méi)有接收到信息時(shí)，則接收指令RCV停止接收。

　?、跴LC和觸摸屏的通信波特率必須保持一致， 本系統的通信波特率為115 200 bit / s.

　　6 結束語(yǔ)

　　觸摸屏和PLC組合系統