西門子模塊6ES231-7PC22-0XA0原裝代理

現場可編程門陣列(FPGA)是近幾年來出現并被廣泛應用的大規模集成電路器件，它的特點是直接面向用戶，具有較大的靈活性和通用性使用方便，硬件測試和實現快捷，開發效，，上市時間短，技術維護簡單，工作可靠性好等。
 

硬件描述語言(VHDL)是用來描述硬件電路的功能，信號連接關系及時序關系的高級硬件編程語言，設計者可根據VHDL語言法則，對系統的邏輯進行行為描述，然后通過綜合工具進行電路結構的綜合、編譯、優化，用工具進行邏輯功能和系統時序，可在短時間內設計出、穩定、符合設計要求的大規模或**大規模的集成電路。

該處理器采用了TOP—DOWN的層次網絡模塊化設計方法，用VHDL描述了嵌入式PLC的CPU的主要邏輯功能，考慮到嵌入式CPU結構的復雜性和設計的可擴展性，在**層設計中采用了原理圖的方法，通過VHDL對每個單元模塊進行了和綜合，然后將綜合生成的各個模塊連接起來，組成了一個整體

1 系統設計

1．1 系統的功能

該PLC主要是用來與DSP共同實現數控機床中的部分操作，它主要執行一些輔助的邏輯控制。它的主要任務如下：

(1)接收從DSP發送過來的指令字，并將其進行譯碼轉換成相應的命令信號，從而執行相應的操作；(2)接收操作面板上的按鍵信號，并響應相應的操作；(3)給DSP發送應答信號以及狀態信息；(4)將處理的輸出到面板上以驅動相應的繼電器。

1．2 系統的組成部分

該系統的核心組成部分是由控制器、運算器以及I／0端口構成

控制器：控制器是由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器等組成，它是發布命令的“決策機構”。運算器：運算器由算術邏輯單元、暫存器以及數據緩沖器等組成，它是數據的加工處理部件。

I／0端口該PLC的I／O點數為l0點輸入和8點輸出。每個端口由輸入寄存器以及相應的端口控制部分組成。

2 系統的FPGA實現

2．1 控制器

控制器的形式主要有組合邏輯控制器和微程序控制器兩種，與組合邏輯控制器相比較，微程序控制器具有規整性、靈活性、可維護性等一系列優點 ，在計算機的設計中使用比較普遍，本控制器的設計采用的也是微程序控制器。微程序控制的基本思想，就是通常的解題程序的方法，把操作控制信號編成所謂的“微指令”，存放到一個只讀存儲器里。當機器運行時，一條又一條地讀出這些微指令，從而產生全機所需要的各種操作控制信號，使相應部件執行所規定的操作 。

微程序控制器主要由控制存儲器(CM)，微地址產生邏輯，微地址寄存器(uAR)，微指令寄存器(ulR)等組成。

(1)機器指令與微程序。該處理器選取了PLC指令系統中的十條基本指令如表1所示，指令采用十位二進制編碼格式。

*9～6位是四位指令的操作碼字段；*5位是標志位，用來判斷該指令有無操作數(1一有操作數，0一無操作數)；*4～0位是操作數字段。

表中每條機器指令對應一段微程序，一段微程序包含若干條微指令，微程序的設計就具體地可落實到微指令的設計 ，微指令中的控制字段作為控制命令控制計算機的操作，控制字段給出的微命令應包含計算機操作的所有微命令，對微命令給出和表示的方法與所采用的編碼方式有關，常用的微命令表示方法有直接表示法、編碼表示法、和混合表示法，該設計采用的是將直接表示法和編碼表示法混合使用的混合表示法。

該系統中的每條微指令為32位，其中低5位為下地址字段，直接送給微地址寄存器，*5～7位為測試字段，送到微地址產生邏輯電路里面以控制微地址的產生，其余位為用來產生各種微命令的控制字段。

(2)控制存儲器。控制存儲器中存放的是各指令所對應的微程序，它可以用FPGA中的LPM—ROM模塊來實現，Clock為同步時鐘信號，address為5位的地址值，q為32位的微指令，當clock上升沿到來時，rom就把address所對應的中的值輸出給q。

(3)微地址產生邏輯。微地址產生邏輯主要是根據微指令中的測試位及其他相關的條件來控制微地址的產生，它是根據一定的邏輯功能用VHDL語言編寫的，并且經過編譯和綜合后生成的模塊，

其中，clk為同步時鐘信號，rst為復位信號，q為輸出的5位微值。其控制流程如下：

(1)系統啟動時，給出一個rst=1的復位信號，q端便輸出“00010”，為輸入掃描微程序的入口地址；(2)對應的微指令就從控存中輸出，然后該微指令中的5位下地址字段直接輸入到din端，3位測試位輸入到m端；(3)如果m=“000”，則q端輸出的值直接加1，且返回(2)繼續執行；否則，執行下一步；(4)如果m=“001”，則看i端輸入的用戶程序指令來判斷是否需要取數操作，如果需要，則q端輸出各個取數微程序的入口；如果不需要，則q端根據i的操作碼輸出相應指令的微程序入口地址，且返回(2)繼續執行；否則，執行下一步；(5)如果m=“010”，q端直接輸出din的值，且返回(2)繼續執行；否則，執行下一步；(6)如果m=“011”，則q端根據i的操作碼輸出相應指令的微程序地址，且返回(2)繼續執行。

2．2 運算器

運算器是用來對輸入的數據進行算術和邏輯運算的部件 ，該ALU具有三輸入和兩輸出，d1和d2是參與邏輯運算的兩個位數據，其中dl來自外部的取數，d2來自輸出暫存器s，sel是指令的操作碼。result是運算后的，輸出后送給了暫存器S，q用來啟動定時器，

2 3 RAM 圖4 運算器原理圖

RAM用來存儲用戶程序，它可以用FPGA中的LPM—RAM—DQ模塊來實現。其中，wren是讀寫控制端，當wren=0時為讀允許，這時在同步時鐘clock的上升到來時沿將address所對應的中的內容給輸出端q；當wren=1時為寫允許，這時在同步時鐘clock的上升沿到來時將data端的數據寫入到address所指明的地址中，

時給出了10位輸入數據indata=”1 1 10000101”，10．0～10．4分別對應著該數據的*0位～*4位，同樣QO．o和Qo．1分別對應著輸出端子的*。位和*1位。

結果的圖6中：T1，T2，T3，T4為4個時鐘節拍信號，out0和out1分別對應著輸出端子Qo．o和Qo．1，因為IO．o和IO．2為1，IO．3和IO．4都為o，因此程序運行的最后結果應該是QO．o和Q0．1都為1，并且從圖6可以看出，與此相同，程序運行正確，說明所設計的微處理器及其指令正確可靠。

4 結束語

本文所設計的PLC微處理器具有很強的可修改性和可移植性，并且優化升級也很方便，可以根據特定的需要方便地增刪指令和I／O端口的數量，這比傳統的PLC具有更大的靈活性。另外，由于FPGA具有很高的密度，能夠集成很大的系統 ，因而較大地提高了系統的可靠性。

1 系統組成及設備之間的通信方式

1.1 系統組成

系統由昆侖通態TPC7063E 觸摸屏、西門子S7-300 模塊， 以及用于兩者之間數據轉換的PCAdapter 等組成。TPC7063E 不僅具有與眾多硬件交互功能，它可以方便地讀寫各種PLC、智能儀表、智能模塊、變頻器等工控設備的數據，而且還具有強大的網絡通信功能，支持串口通信及以太網通信方式。西門子S7-300 模塊用來完成數據采集、處理以及輸入輸出控制功能。PC Adapter 完成將MPI 通信信號轉換為RS232 串口信號，從而完成MPI 數據通信功能。

1.2 觸摸屏與PLC 之間的通信方式

觸摸屏與S7 300PLC 之間采用MPI 通信方式。

MPI 是多點接口（Multi Point Interface）的簡稱，是西門子公司開發的用于PLC 之間通訊的保密的協議，它的物理層是RS-485。MPI 通訊是當通信速率要求不高、通信數據量不大時，可以采用的一種簡單經濟的通訊方式。MPI 網絡的通信速率為19.2 Kbps~12 Mbps，較多可以連接32 個節點。MPI 網絡有一個網號，在組建MPI 網絡前，要為每一個節點分配一個MPI 地址和1 個較高MPI 地址，使所有通過MPI連接的節點能夠相互通信。PLC 通過此接口建立與觸摸屏TP7063E 通信。STEP7 的用戶界面提供了通信組態功能，使通信的組態比較簡單。
 

MCGS 嵌入版組態軟件支持TPC7063E 觸摸屏。其內的提供的S7300_400MPI 構件用于MCGS軟件通過MPI 適配器讀寫西門子S7-300/400 系列PLC 設備的各種寄存器。驅動類型為串口子設備，須掛接在“通用串口父設備”才能工作，通信協議為MPI， 通信方式為一主一從通令方式。驅動構件為主，PLC 設備為從。

1.3 系統設計與驗證

為了驗系統運行的可靠性，本方設計了一個控制系統。它由3 部分組成，

①現場級設備。包括溫度、壓力、水位傳感器以及水泵運行控制柜；

②PLC處理級設備。它們完成數據的下載、處理及通信功能，主要包括電源模塊1、CPU 模塊2、以太網模塊3和模擬模塊4；

③管理級設備。主要是采用昆侖通態的TPC7063E 觸摸屏， 主要負責現場級設備數據的監測和控制。

通過S7-300PLC 與昆侖通態TPC7063E 觸摸屏的MPI 通信，控制系統方案要求實現以下基本功能：

（1）觸摸屏上的儀表可以顯示溫度、壓力、及水位值；

（2）通過操作觸摸屏上的開閥、關閥命令，實現對水泵的控制；

（3）通過操作起停按鈕，觸摸屏能正確反映各點的變化情況；

（4）在觸摸屏上輸入設定的水位值，如果**過設定水位，開泵，反之關泵；

（5）可以設定系統時間，并啟動時間，以便正確顯示年月日時分秒。

1.4 系統實現

（1）硬件連接

MCGS 軟件與設備通訊之前， 必須**通訊連接及適配器正確。通訊時， 要使用標準西門子MPI適配器與上位機RS232 口通訊。工程中常用的西門子MPI 適配器有2 種型號， 分別為6ES7 972 -0CA23-0XA0 和6ES7 972-0CA20-0XA0。適配器的串口通訊的波特率可通過適配器上的DIP 開關進行設置，且必須與上位機Set PG/PC 中PC Adapter 的本地連接設置一致。在與TPC7063E 通訊前，根據需要附加通訊電纜與適配器的連接。

（2）通信參數的設置

在硬件組態時，通過點擊CPU 的屬性按鈕來設置MPI 屬性，包括站地址和通信速率， 主站驅動構件的站地址為0，從站PLC 站地址為2，較高站地址為31，通信速率為187.5 kbps。運行STEP7 編程軟件， 選擇主菜單的選項->設置PG/PC 接口。選擇PC Adapter（MPI），彈出通訊接口參數配置框，選擇“本地連接”選項卡。設置本機串口的通訊參數，需要與MPI 適配器的DIP 撥碼開關設置對應。此處設置連接到COM1，傳輸速率19 200。

上位機組態時，需要設置“通用串口父設備”和“西門子S7-300/400 子設備”參數。父設備的通訊波特率為19 200，數據位數為8，停止位為1，奇偶校驗位為奇校驗。子設備中需將PLC 站地址設置為2，PLC 槽號為2，PLC 機架號為0， 通信響應時間為800 ms。通訊所用幀格式為格式A，本站地址為0，網絡傳輸率為187.5 kbps。較高站地址仍為31。

對于系統的通訊狀態，用戶可以在采集通道中查閱通訊狀態值找出通信失敗的原因，這樣對于維護系統作用重大，當通信狀態值為0 時，表示當前通訊正常。

（3）程序部分

本系統PLC 中包括模擬量采集程序、系統時間的設置和顯示程序以及控制程序。模擬量采集程序實現水位、壓力、溫度信號的輸入、轉換及采樣記錄。

傳感器由于輸出的是模擬信號，比如說4~20 ma，0~5V 或者0~10 V。輸出模擬量送到PLC 模擬量輸入口中，通過數模轉換，完成數字量的轉換，實現程序。

根據實際情況，微調傳感器，通過PLC 中的存儲器將模擬數據送到觸摸屏上顯示。系統時間設置和顯示時間程序通過調用PLC 內部的時鐘函數SFC0 與SFC1，實現在觸摸屏上完成系統時間的設定，并顯示出來。控制程序通過觸摸屏對電磁閥進行遠程操作。

（4）上位機部分

在該系統中觸摸屏主要用于設置系統參數、顯示數據、控制外設運行。用戶可以通過在觸摸屏上設置系統參數， 然后通過MPI 接口將數據傳遞到PLC 中，PLC 就會記憶設置的數據并按照給定的參數運行程序，實現系統的可調可控，并將設備的運行反饋信號傳輸到顯示屏上。觸摸屏將傳感器采集的數值讀回到交互畫面上，主要包括水泵電機的溫度值， 出水口的壓力值以及水倉水位的液位值，系統會以此數據作為水泵運行的條件。用戶可以通過觸摸屏實現對水泵的操作，系統也會依據水位高低變化，完成高水位自動起泵和低水位自動停泵的功能。

1.5 系統應用

MPI 接口是西門子S7 300 PLC 通用通信接口，RS232 接口是觸摸屏上常用接口。實現兩者的通信，對于完成系統自動化控制意義重大。該通訊方式已在大中型煤礦的主井排水項目中得到廣泛應用。

2 結語

本系統組合應用了觸摸屏TPC7063E 與西門子S7-300PLC，通過MPI 實現數據的可靠通信。這樣做不僅減少了電器元件的數量，省去了復雜的電氣接線，使設備的檢修更加方便，而且操作界面更性化，更容易實現電動設備監測控制

盡管PLC是專門在現場使用的控制裝置，在設計制造時已采取了很多措施，使它對工業環境比較適應，但是為了確保整個系統穩定可靠，還是應當盡量使PLC有良好的工作環境條件， 并采取必要的抗干擾措施。
PLC在安裝和維護時應注意的問題
1 PLC的安裝
PLC適用于大多數工業現場，但它對使用場合、環境溫度等還是有一定要求。控制PLC的工作環境，可以有效地提高它的工作效率和壽命。在安裝PLC時，要避開下列場所：
（1）環境溫度**過0 ~ 50℃的范圍；
（2）相對濕度**過85%或者存在露水凝聚（由溫度突變或其他因素所引起的）；
（3）太陽光直接照射；
（4）有腐蝕和易燃的氣體，例如、等；
（5）有打量鐵屑及灰塵；
（6）頻繁或連續的振動，振動頻率為10 ~ 55Hz、幅度為0.5mm（峰-峰）；
（7）**過10g（重力加速度）的沖擊。
小型可編程控制器外殼的4個角上，均有安裝孔。有兩種安裝方法，一是用螺釘固定，不同的單元有不同的安裝尺寸；另一種是DIN（德國共和標準）軌道固定。DIN軌道配套使用的安裝夾板，左右各一對。在軌道上，先裝好左右夾板，裝上PLC，然后擰緊螺釘。為了使控制系統工作可靠，通常把可編程控制器安裝在有保護外殼的控制柜中，以防止灰塵、油污、水濺。為了**可編程控制器在工作狀態下其溫度保持在規定環境溫度范圍內，安裝機器應有足夠的通風空間，基本單元和擴展單元之間要有30mm以上間隔。如果周圍環境**過55C，要安裝電風扇，強迫通風。
為了避免其他外圍設備的電干擾，可編程控制器應盡可能遠離高壓電源線和高壓設備，可編程控制器與高壓設備和電源線之間應留出至少200mm的距離。
當可編程控制器垂直安裝時，要嚴防導線頭、鐵屑等從通風窗掉入可編程控制器內部，造成印刷電路板短路，使其不能正常工作甚至*損壞。
2 電源接線
PLC供電電源為50Hz、220V±10%的交流電。
FX系列可編程控制器有直流24V輸出接線端。該接線端可為輸入傳感（如光電開關或接近開關）提供直流24V電源。
如果電源發生故障，中斷時間少于10ms，PLC工作不受影響。若電源中斷**過10ms或電源下降**過允許值，則PLC停止工作，所有的輸出點均同時斷開。當電源恢復時，若RUN輸入接通，則操作自動進行。
對于電源線來的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力。如果電源干擾特別嚴重，可以安裝一個變比為1:1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。
3 接地
良好的接地是保PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發生的電壓沖擊危害。接地線與機器的接地端相接，基本單元接地。如果要用擴展單元，其接地點應與基本單元的接地點接在一起。為了抑制加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應給可編程控制器接上專用地線，接地點應與動力設備（如電機）的接地點分開。若達不到這種要求，也必須做到與其他設備公共接地，禁止與其他設備串聯接地。接地點應盡可能靠近PLC。
4 直流24V接線端
使用無源觸點的輸入器件時，PLC內部24V電源通過輸入器件向輸入端提供每點7mA的電流。
PLC上的24V接線端子，還可以向外部傳感器（如接近開關或光電開關）提供電流。24V端子作傳感器電源時，COM端子是直流24V地端。如果采用擴展船員，則應將基本單元和擴展單元的24V端連接起來。另外，任何外部電源不能接到這個端子。
如果發生過載現象，電壓將自動跌落，該點輸入對可編程控制器不起作用。
每種型號的PLC的輸入點數量是有規定的。對每一個尚未使用的輸入點，它不耗電，因此在這種情況下，24V電源端子向外供電流的能力可以增加。
FX系列PLC的空位端子，在任何情況下都不能使用。
5 輸入接線
PLC一般接受行程開關、限位開關等輸入的開關量信號。輸入接線端子是PLC與外部傳感器負載轉換信號的端口。輸入接線，一般指外部傳感器與輸入端口的接線。
輸入器件可以是任何無源的觸點或集電極開路的NPN管。（信息來源：http://www..cn）輸入器件接通時，輸入端接通，輸入線路閉合，同時輸入指示的發光二極管亮。
輸入端的一次電路與二次電路之間，采用光電耦合隔離。二次電路帶RC濾波器，以防止由于輸入觸點抖動或從輸入線路串入的電噪聲引起PLC誤動作。
若在輸入觸點電路串聯二極管，在串聯二極管上的電壓應小于4V。若使用帶發光二極管的舌簧開關，串聯二極管的數目不能**過兩只。
另外，輸入接線還應特別注意以下幾點：
（1）輸入接線一般不要**過30m。但如果環境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。
（2）輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入、輸出線要分開。
（3）可編程控制器所能接受的脈沖信號的寬度，應大于掃描周期的時間。
6 輸出接線
（1）可編程控制器有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出3種形式。
（2）輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。當PLC的輸出繼電器或晶閘管動作時，同一號碼的兩個輸出端接通。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。
（3）由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板，因此，應用熔絲保護輸出元件。
（4）采用繼電器輸出時，承受的電感性負載大小影響到繼電器的工作壽命，因此繼電器工作壽命要求長。
（5）PLC的輸出負載可能產生噪聲干擾，因此要采取措施加以控制。
此外，對于能使用戶造成傷害的危險負載，除了在控制程序中加以考慮之外，還應設計外部緊急停車電路，使得可編程控制器發生故障時，能將引起傷害的負載電源切斷。
交流輸出線和直流輸出線不要用同一本電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行。
PLC以其顯著的優點而廣泛用于工業控制，其實際應用涉及的問題很多，本文只是就其現場安裝和維護問題提出了一些注意事項，供從事PLC設計及應用人員參考。

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