基于單片機的PLC系統的實現

1 引言
可編程控制器(PLC)作為繼電控制盤的替代物，以極高的可靠性和應用方便等特點，成為當今用途最為廣泛的工業控制器。現在它的應用已突破了當初邏輯控制的場合，深入到過程控制、位置控制、網絡通訊等工程領域。本文根據某工程的實際需要，以三菱PLC為模擬目標，提出了一種以單片機構建PLC系統的思想。

2 系統構成
系統框圖見圖1。

該系統CPU芯片使用了一種新型的51系列單片機即Cygnal公司的 C8051F040。其指令集與MSC_51指令集完全兼容，使用方便，且采用流水線結構，其周期由標準的12個系統時鐘周期降為1個系統時鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達25MIPS。內部集成了64K Flash ROM、4352字RAM、64位數據I/O口以及幾乎所有的模擬與數字外設如:ADC、DAC、SMBus、UART、CAN、SPI、PCA、電壓比較器、溫度傳感器、可編程增益放大器等。開發工具采用標準的JTAG接口，以邊界掃描方式對CPU進行非入侵式全速的在系統調試。其性能較之傳統51單片機有了很大的提高。
CPU和外部I/O接口之間采用光電耦合器件，實行強電和弱電隔離，切斷現場干擾。計算機通過RS232串口與PLC系統通信，將PLC程序指令傳送到PLC。PLC將接收到的指令保存到非易失性RAM中。這樣做即可以長期保存PLC程序，又可以方便地隨時修改程序。

3 PLC程序的執行過程
常見PLC以掃描方式工作。每次掃描的工作過程分為三步。
(1) 輸入處理 程序執行前，PLC將全部輸入點的狀態讀到輸入鏡像寄存器。在程序執行過程中，PLC不再讀取這些輸入點的狀態，直到下一個掃描周期的輸入處理。
(2) 程序處理 PLC根據讀入的外部輸入狀態和其它元件的狀態執行用戶程序。這時的輸出指令只寫到輸出鏡像寄存器，輸出點的狀態并沒有發生變化。
(3) 輸出處理 全部指令執行完畢，將輸出寄存器的內容全部刷新到外部輸出點。程序回到第一步工作過程。
本PLC系統的工作過程與此相同。輸入處理和輸出處理用單片機實現起來比較容易，無需贅述。系統的關鍵是用戶程序的處理。下面以三菱FX系列PLC一個簡單的例子來說明本PLC系統對用戶程序的處理方法。梯形圖和相應的指令表見圖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，指令執行前有狀態B，執行該指令時，將當前狀態B 和X001的狀態進行與運算，形成狀態C，這是指令AND X002執行前狀態。C是B的刷新值，它們實際上是一個變量。這個變量反映程序執行時當前的狀態值。當遇到輸出指令OUT Y000時，就把當前狀態值傳送給輸出寄存器。把AND X001作為一單元塊，可認為這個單元塊有單輸入單輸出的結構。輸入狀態和單元塊內元件的狀態運算后得到輸出狀態。
再分析指令LD X003、OR X004，如果將這兩條指令組合后看作上述單輸入單輸出結構的單元塊，執行前的狀態為D，把X003、X004元件并聯后的狀態作為單元塊內元件的狀態，和D與運算后得到狀態G.。但細化一步執行LD X003這個子單元塊時，當前狀態D需保存，取X003的狀態作為當前狀態值E，和X004或運算后得到F。執行ANB時，把先保存的狀態值D和狀態值F與運算后得到新的當前狀態值G。
這里執行LD與AND產生區別是在于:AND指令沒有分支，而LD指令產生分支，程序執行前的狀態值需要保存。同樣，在遇到分支合并時，需要使用到先前保存的狀態值 。根據梯形圖的編寫規則，狀態值的保存和使用是一種先進后出的結構，所以可以使用進棧和出棧的方法來實現。指令的具體實現過程歸納如下:凡是遇到產生分支的指令，例如LD指令，需將當前狀態值進棧保存，取當前操作元件的狀態作為當前狀態值;凡是遇到分支合并的指令,例如ORB、ANB指令，需將棧頂值出棧與當前狀態值運算成為新的當前狀態值。
在具體實現時，采用了另一種形式的棧。由于三菱FX系列PLC的LD連續使用不能超過八次，因此采用一個可以位尋址的片內RAM字節作為棧空間來存放當前狀態值。如果使用棧空間的最高位作為當前狀態值，每次壓棧就把該字節進行不帶進位的循環右移，出棧時反之。在LD X000指令執行后，進棧狀態A沒有出棧，LD X010指令又進棧保存當前狀態值，以前的壓棧值A廢之不用，即每條與母線相連的LD指令產生壓棧值都不出棧。這樣避免了因使用PUSH POP指令用一個字節的空間來保存一位的當前狀態值造成的RAM利用效率低的問題。
LD X010后的指令執行過程如下:LD X010 把當前狀態值H壓棧，取X010的狀態作為當前狀態值I;LD X011把當前狀態值I壓棧，取X011的狀態作為當前狀態值J;AND X012 把當前狀態值J和X012的狀態與運算后得到當前狀態值K;LD X013把當前狀態值K壓棧，取X013的狀態作為當前狀態值L;AND X014把當前狀態值L和X014的狀態與運算后得到當前狀態值M;ORB 彈出壓棧值K和當前狀態值M或運算后得到新的當前狀態值M;OR X015把當前狀態值M和X015的狀態或運算后得到當前狀態值N;ANB彈出壓棧值I和當前狀態值N與運算后得到新的當前狀態值O;OUT Y002 把當前狀態值寫到Y002的輸出鏡像寄存器。
4 檢查程序
接收到程序后，在程序執行之前，還需對程序的語法正確性進行檢查。這里只介紹與程序狀態值棧相關指令的語法檢查。
首先]需要設置一個位標志EN_BUS和一計數器LD_N。ENBUS表示下一指令能夠與PLC梯形圖中的母線相連。計數器LD_N表示自與母線相連的指令之后由于LD指令引起的堆棧次數。檢查程序之前，初始化如下:
EN _BUS=1
LD_N=1
檢查程序時，如果遇到LD指令，程序流程如圖3(a);如果為ORB或ANB指令，則LD_N=LD _N-1;如果為OUT等與零母線相連的輸出指令，程序流程如圖3(b)。
這些基本操作執行后，如果檢測到LD _N大于8，說明連續LD指令太多，程序狀態值棧空間溢出;如果LD _N等于0，說明ANB或ORB指令數多于與LD指令，數量不匹配。還有些指令例如程序標號P、循環范圍終止符NEXT等必須與母線相連。如果這些指令出現在EN _BUS=0的情況下，說明該程序有錯。
5 結束語
這種以單片機構建的PLC系統成本低，系統可擴展性好，可以方便得加上A/D、D/A等功能，應用領域廣泛。