在单片机理论下现代工业控制网络研究及分析

第一章绪论

1.1 PLC技术的发展
从1968年第一台PLC问世到现在，PLC的发展大概经历了四代：第一代PLC产品大多是采用一位机开发的，存储采用的是磁心存储器，因此这一代产品只具备单一的逻辑控制功能；笫二代的PLC产品则引入了 8位微处理器以及半导体存储器技术，使得PLC产品开始系列化；而从世纪九十年代开始，PLC进入了第三个发展时期，随着PLC _际标准1EC61131的正式颁布，也推动着PLC在技术上发动了新的进步在系统体系结构上，PLC从传统的单片机多CPU和分布式以及远程控制系统方向发展。在编程语言方面，文本化和阁形化语言的多样性，使得编程环境对控制要求、文字处理以及通信能力更具表达力。
在应用水平和应用范FPI上，不仅继承和发展了自动加下生产线的控制系统，还发展了基于PLC的分布式控制系统（DCS)、监控和数据采集系统、柔性制造系统（FMS)、安企连锁保护（ESD)系统和运动控制系统等，使得PLC的应用水平和范得到了全方位的展示和提高化自从进入九十年代后期，用户对于开放性的要求越来越强烈，而且信息技术的快速发展也大力推动着PLC进入了其发展的第四个阶段，该阶段的特征主要有：在保留了 PLC功能的前提下，采用了面向现场总线网路的系统结构和开放：的通信接，例如以太网、高速以及各种相关的国际工业标准和一系列事实上的标准；而这其屮涉及到的关键技术在硬件上主耍体现在嵌入式系统以及支持现场总线的I/O设备上，而在软件上则是以EC61131-3为基础的编程系统以及强实时（Hard Real-Time)操作系统。
目前，为了适应大、中、小型企业的不同需求，进一步扩大PLC的应用范围，PLC正朝着两个方向发展：一个是小型的PLC正朝着缩小体积、增强功能、加快速度和降低成本的vy向发展，使之能够更加泛地取代继电器逻辑控制系统；—是大巾型的PLC朝着大容量、高可靠性、高速度、多功能和网络化方向发展，使之对人规模、复杂系统进行综合性的自动控制[6]。

1.2课题的研究意乂
伴随着计算机和半导体技术的不断发展，工业控制产品已经发展到了一个追求个体化、差异化的设计阶段，而单片机系统正好也是面向这些个性化需求的产品，因为工业控制现场的自动化设备中的这些PLC所要完成的功能其实都比较简中.，如果换成用中单片机来实现这些控制功能，那是件轻而易举的事情，并且单片机的成木也会大大低了PLC的价格；另外，从编程的角度来说，单片机编程已经被广泛应用，尤其是那些来自电子和计算机领域的非自动控制专业的丄程师们来说更是轻而易举；此外，在性能比较简中的低端的控制领域，由于PLC其木身的价格非常昂贵，体积也比较大，使得现场安栽的成本和难度得到了火人的增加，使得众多的企业往往都望而却步。
此吋，若是能设计出这款性能稳定、成本较低以及体积较小的工业控制板来替代传统低端控制领域的PLC应用，其应用前景是不可估量的，同时也足常具有研究和商业价值的。目前，在国内也有不少公司致力于基于单片机的工业控制板的研究和开发工作，例如深圳市金莱电子科技有限公司和深圳市精敏数字机器有限公司。由深圳市金贝莱电子科技有限公司研发生产的JBL-GK32A单片机工控板，其功耗为12V/0.5A，系统稳定，可用于各种32点以内的工业控制系统。该工控板具有的硬件特征有：
(1)8位/32位高性能工业级单片机作为主控制芯片，32K存储器。
(2)采用双电源供电，一路给主控电路供电，12V直流或者交流均可；另一路为驱动电源，给外部驱动供电。
(3)输入：16路光电隔离的数字量输入、NPN输入，每一路输入点的最大输入电压为24V，最大电流lOmA,可接各种传感器；3路模拟量输入（10位AD)，可做温度检测或者其他用途。
(4)输出：8路光电隔离MOS管输出，可直接驱动气；Ci、电池阀和继电器等；另外还有7路继电器输出。
 
   1.3 设计目标和主要工作 ..............12-13
    1.4 论文的组织结构 ..............13-14
第二章 工业控制板的总体设计方案 ..............14-21
    2.1 单片机的应用需求分析 ..............14
    2.2 单片机的选用 ..............14-16
    2.3 外围接口电路的设计 ..............16-18
    2.4 系统软件的设计 ..............18-20
        2.4.1 编程环境简介 ..............18
        2.4.2 系统软件库的总体设计 ..............18-20
    2.5 本章小结 ..............20-21
第三章 工业控制板的硬件电路设计 ..............21-35
    3.1 MCU及其基本的外围电路 ..............22-23
    3.2 电源模块 ..............23-24
    3.3 数字量的输入与输出 ..............24-27
        3.3.1 数字量输入接口电路 ..............25-26
        3.3.2 数字量输出接口电路 ..............26-27
    3.4 模拟量输入接口设计 ..............27-30
    3.5 RS-485总线及其接口设计 ..............30-31
    3.6 扩展接口电路 ..............31-33
    3.7 硬件抗干扰措施 ..............33-34
    3.8 本章小结 ..............34-35
第四章 工业控制板的系统软件设计 ..............35-56
    4.1 硬件驱动驱动程序的设计 ..............35-45
    4.2 Modbus通信协议 ..............45-53
        4.2.1 Modbus协议简介 ..............45-48
        4.2.2 Modbus通信协议的实现 ..............48-53
    4.3 软件抗干扰措施 ..............53-54
    4.4 系统软件的封装 ..............54-55
    4.5 本章小结 ..............55-56
第五章 应用实例的设计 ..............56-63
    5.1 控制系统的功能需求 ..............56-58
    5.2 控制系统的实现 ..............58-61
        5.2.1 工控板作为现场控制器的工作原理 .........58-59
        5.2.2 工控板作为现场控制器的软件设计 .........59-61
    5.3 与传统解决方案的比较分析 ..............61-62
    5.4 本章小结 ..............62-63

总结

在现今的工业控制领域在中已经很少采用传统的控制网络了，而应用符比较广泛的是现场总线和工业以太网。其中，现场总线采用全数字通信，被广泛地应来连接像控制器、传感器与执行器这样的现场设备，其有结构简单和节约电缆等优点，而且现场总线的安装成本与传统的DCS比起来，人概会减少50%。基于这些前提，本设计结合传统PLC的常用功能和低端业控制领域的控制需求，设计出一款功能比较齐全的业控制板，再配以基于该板的一套系统软件，共同构成-个简单易用的工控平，该工控系统对以茛接用于现场控制。现将主要工作总结如下：
(1)分析丐前的工业控制领域的现状以及发展前景，确定硬件平台耑要具备的功能。
(2)根据当前具各的技术条件及个人能力确定一套实际可行的设计方案。
(3)实现硬件平台的搭建。包括单片机的选型，以及结合工业控制领域常的一些功能，确定硬件的组成模块和各个模块的电路设计，另外就抗干扰问题采取相应的措施。
(4)在完成工控系统的软件设计的时候，既要充分体现硬件性能的同时也要兼顾软作的复用性，还要力求设的软件简笮、灵活、易用。另外，在本设计中还移植了 Modbus通信协议，户可以直接通过RS-485总线构建控制，然后通过Modbus通信协议实现工控板与其他控制器之间的通信，以实现网络集中控制的R的。