PLC攜手觸摸屏控制系統(tǒng)的應(yīng)用

　　隨著科技的飛速發(fā)展， 越來越多的機器與現(xiàn)場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(shù)據(jù)處理也要求有一種功能與之匹配而操作簡便的人機界面。觸摸屏的出現(xiàn)無疑是21世紀自動化領(lǐng)域的一個巨大革新。觸摸屏和PLC的組合使用已經(jīng)成為主導形式。

　　PLC是一種結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、功能較完備的新型控制元件， 其主要優(yōu)點是抗干擾能力強， 可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)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(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置，并且可以用動態(tài)曲線的形式描述系統(tǒng)的控制過程； 擴展了PLC的功能， 減少了按鈕、開關(guān)、儀表等儀器的使用。

　　1 系統(tǒng)的組成

　　本系統(tǒng)采用Siemens S7-200和迪文觸摸屏組成的系統(tǒng)控制現(xiàn)場的電動閥、電磁閥、電動機和溫度控制器等執(zhí)行機構(gòu)。S7-200通過模擬量輸入模塊和溫度、壓力傳感器采集現(xiàn)場的溫度和壓力信號， 信號通過PLC上的A /D轉(zhuǎn)換、數(shù)值變換傳送到觸摸屏上， 觸摸屏顯示實時的溫度值、壓力值、溫度曲線、壓力曲線和PID曲線； 且PID參數(shù)可以通過觸摸屏進行設(shè)置， 觸摸屏給PLC發(fā)送指令， 以控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)。由于PLC接口為RS-485，觸摸屏接口為RS-232， 因此， 需要增加一個RS-485 /RS-232轉(zhuǎn)換線。控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

　　圖1 控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)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， 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議完全由用戶程序決定， 所有的通信任務(wù)都要由用戶編程完成。通過自由口方式， S7-200可以與串行打印機、條碼閱讀器、觸摸屏進行通信， 其波特率范圍為1 200~ 115 200 bit / s（可調(diào)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(yīng)的特殊寄存器控制。本系統(tǒng)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。通過特殊寄存器SMB30， 可以對校驗的選擇、每個字符的數(shù)據(jù)位、自由口的波特率和協(xié)議選擇進行設(shè)置。S7-200 CPU 上的自由口接口為RS-485， 觸摸屏的接口為RS？？232， 設(shè)計時需要制做一個RS-485 /RS-232的通信線。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處于激活狀態(tài)， 此時，可以通過控制特殊寄存器SMB87來控制RCV （接收） ， 當在指定時間內(nèi)PLC沒有收到信息時， RCV指令將停止接收。

　　2. 2 觸摸屏的數(shù)據(jù)傳送方式

　　迪文觸摸屏的串口數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀頭、指令、數(shù)據(jù)以及幀尾結(jié)束符這4 個數(shù)據(jù)塊組成。幀頭固定為0XAA， 而指令參考迪文指令集， 數(shù)據(jù)最多為249 B， 幀尾結(jié)束符固定為0XCC、0X33、0XC3、0X3C.其中， 0X代表16進制數(shù)。迪文觸摸屏所有指令或數(shù)據(jù)都是16進制（HEX）格式， 對于字型（ 2字節(jié)）數(shù)據(jù)， 字節(jié)傳送順序采用高字節(jié)先傳送（MSB）的方式。傳送方向為下行（Tx）時， PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)給觸摸屏， 數(shù)據(jù)從觸摸屏串行接口的“Din引腳”輸入； 傳送方向為上行（Rx）時，觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)給PLC， 數(shù)據(jù)從觸摸屏串行接口的“Dout引腳”輸出。觸摸屏與PLC 串口數(shù)據(jù)交換交換過程如圖2所示。

　　圖2 數(shù)據(jù)交換過程示意圖

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(zhuǎn)換成實際值的過程中（以溫度為例），溫度傳感器采集到的模擬信號通過PLC模擬量輸入模塊變成數(shù)字信號傳到PLC 的存儲器， 再根據(jù)傳感器的量程等實際情況把數(shù)字信號換算成實際的溫度值（模擬量比例換算是指由于A /D、D /A 轉(zhuǎn)換之間的對應(yīng)關(guān)系， S7-200 CPU內(nèi)部用數(shù)值表示外部的模擬量信號， 兩者之間有一定的數(shù)學關(guān)系， 即模擬量/數(shù)值量的換算關(guān)系）。

　　系統(tǒng)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(wěn)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 的掃描時間， 程序中的除法采用移位除法（用采樣次數(shù)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， 觸摸屏會給PLC發(fā)送按鈕位置坐標（觸摸屏中表示位置坐標的數(shù)據(jù)塊為“AA 73按鈕的坐標CC 33 C3 3C”）， PLC收到數(shù)據(jù)后判斷按鈕的位置坐標是否正確，如果正確，則執(zhí)行顯示曲線、顯示實時參數(shù)、控制執(zhí)行機構(gòu)等指令。

　　3. 3 通信的相關(guān)程序

　　PLC 的編程方法因程序設(shè)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句表編程2種。梯形圖接近繼電器控制的表達形式， 語句表則類似于計算機匯編語言， 這2種編程方式均實時反映出繼電器控制的思想。本文采用語句表的編程方法編寫了觸摸屏和PLC通信及觸摸屏觸控（觸摸屏給PLC發(fā)送指令， 通過PLC控制執(zhí)行機構(gòu)）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)來的指令。

　?、谥袛喑绦?。

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

　　網(wǎng)絡(luò)2： 如果按下“返回”按鈕， 界面切到首頁。

　?、蹟?shù)據(jù)塊。

　　
4 用戶界面

　　用戶界面的設(shè)計和實現(xiàn)分為以下2個步驟。

　　① 設(shè)計觸摸屏的顯示界面。

　　設(shè)計和觸摸屏HMI物理分配率相同的用戶界面，并下載到HMI終端（用戶界面可以用任意畫圖軟件進行繪制）。

　?、?制作觸摸屏按鈕。

　　按照工藝要求設(shè)計好的用戶界面有很多按鈕，當觸摸屏按鈕被按下時，觸摸屏會給PLC 發(fā)一個位置坐標（格式為AA 73坐標CC 33 C3 3C），使其根據(jù)坐標的正確性來執(zhí)行相應(yīng)的指令。如按鈕“溫度曲線”，它的有效區(qū)域是右上角和左下角這2個點坐標的組合（X0Y0， X 1Y1 ）， 其中X 0Y0 為“溫度曲線”右上角坐標，X1Y1 為“溫度曲線”左下角坐標。當“溫度曲線”按鈕被按下時，觸摸屏就給PLC發(fā)送相應(yīng)的坐標指令， PLC收到坐標（X， Y）后進行判斷， 若X0≤X≤X1 且Y0≤Y≤Y1，則PLC給觸摸屏發(fā)送顯示溫度曲線的指令，觸摸屏上就會顯示如圖3所示的實時溫度曲線。同理，可以進行PID參數(shù)的設(shè)置。

　　圖3 實時溫度曲線

　　5 遇到的問題及解決方法

　　在系統(tǒng)設(shè)計過程中， 會遇到以下幾類問題。

　?、偻ㄐ沤涌诓黄ヅ洌?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RS-485 /RS-232轉(zhuǎn)換器， 或自己設(shè)計一個轉(zhuǎn)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處于激活狀態(tài)。解決辦法是通過軟件設(shè)計實現(xiàn)， 把接收信息控制字SMB87設(shè)置為16# 9C， 當在設(shè)定時間內(nèi)PLC沒有接收到信息時，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(tǒng)的通信波特率為115 200 bit / s.

　　6 結(jié)束語

　　觸摸屏和PLC組合系統(tǒng)