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1、1 1 前前 言言 0 2 2 总体方案设计总体方案设计 2 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 3 1 三菱 PLC 3 3 1 1 FX 3 3 2 RS 485 4 3 3 SN75176 5 4 4 软件设计软件设计 8 4 1 通信协议 8 4 2 通信程序设计 9 4 2 1 PLC 程序设计 9 4 2 2 分机设计 10 4 3 系统调试 11 5 5 总结体会总结体会 12 6 6 致谢致谢 13 7 7 参考文献参考文献 14 附录附录 1 1 单片机程序单片机程序 15 1 1 前前 言言 现场总线技术 Fieldbus 是 80 年代末 90 年代初国际上发展形成 的
2、 用于过程自动化 制造自动化 楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通 讯网络 它作为工厂数字通信网络的基础 沟通了生产过程现场及控制设备之 间及其与更高控制管理层次之间的联系 它不仅是一个基层网络 而且还是一 种开放式 新型全分布控制系统 这项以智能传感 控制计算机 数字通讯等 技术为主要内容的综合技术 已经受到世界范围的关注 成为自动化技术发展 的热点 并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革 根据国际电工委员会 IEC 和美国仪表协会 ISA 的定义 现场总线是连接智能现场设备和自动化 系统的数字 双向传输 多分支结构的通信网络 它的关键标志是能支持双向 多节点 总线式的全数字通讯 具有可靠性
3、高 稳定性好 抗干扰能力强 通 信速率快 系统安全 造价低廉 维护成本低等特点 在现代工业控制系统中 PLC 和变频器的综合应用最为普遍 比较传统的 应用一般是使用 PLC 的输出接点驱动中间继电器控制变频器的启动 停止或是 多段速 更为精确一点的一般采用 PLC 加 D A 扩展模块连续控制变频器的运行 或是多台变频器之间的同步运行 但是对于大规模自动化生产线 一方面变频 器的数目较多 另一方面电机分布的距离不一致 采用 D A 扩展模块做同步运 动控制容易受到模拟量信号的波动和因距离不一致而造成的模拟量信号衰减不 一致的影响 使整个系统的工作稳定性和可靠性降低 而使用 RS 485 通讯控
4、制 仅通过一条通讯电缆连接 就可以完成变频器的启动 停止 频率设定 并且 很容易实现多电机之间的同步运行 该系统成本低 信号传输距离远 抗干扰 性强 2 2 总体方案设计总体方案设计 本次设计为在三菱 PLC 的基础上进行 485 通讯接口设计 实现 PLC 与单片 机的通讯 因为三菱 PLC 一般都带有圆 8 针的 RS422 通讯口 要使用 RS485 通 讯 需要加装通讯扩展板或通讯模块 另外要实现一对多通讯 需要多个 485 总线驱动芯片 本设计采用 SN75176 芯片 为了实现 485 总线与系统的隔离 在单片机的通信口与 75176 之间采用光耦隔离 基本框图如下 图 2 1 原
5、理框图 PLC 扩展 板 Rs 485 SN75176 SN75176 单 片 机 单 片 机 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 13 1 三菱三菱 PLCPLC 3 1 13 1 1 FXFX 三菱 FXPLC 是小形化 高速度 高性能和所有方面都是相当 FX 系列中最高 档次的超小程序装置 除输入出 16 25 点的独立用途外 还可以适用于多个基 本组件间的连接 模拟控制 定位控制等特殊用途 是一套可以满足多样化广 泛需要的 PLC 其主要特点为 系统配置即固定又灵活 编程简单 备有可自 由选择 丰富的品种 令人放心的高性能 高速运算 共同的外部设备等等 FX 系列 PLC 拥有无以匹
6、及的速度 高级的功能逻辑选件以及定位控制等特 点 FX2N 是从 16 路到 256 路输入 输出的多种应用的选择方案 FX2N 系列是 小型化 高速度 高性能和所有方便都是相当于 FX 系列中最高档次的超小形程 序装置 除输入出 16 25 点的独立用途外 还可以适用于在多个基本组件间的 连接 模拟控制 定位控制等特殊用途 是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块 可进行 16 256 点的灵活输入输 出组合 可选用 16 32 48 64 80 128 点的主机 可以采用最小 8 点的扩展模块 进行扩展 可根据电源及输出形式 自由选择 程序容量 内置 80
7、0 步 RAM 可输入注释 可使用存储盒 最大可扩充至 16K 步 丰富的软元件应用指 令中有多个可使用的简单指令 高速处理指令 输入过滤常数可变 中断输入 处理 直接输出等 便利指令数字开关的数据读取 16 位数据的读取 矩阵输 入的读取 7 段显示器输出等 数据处理 数据检索 数据排列 三角函数运 算 平方根 浮点小数运算等 特殊用途 脉冲输出 20KHZ DC5V KHZ DC12V 24V 脉宽调制 PID 控制指令等 外部设备相互 通信 串行数据传送 ASCII code 印刷 HEX ASCII 变换 校验码等 时计控 制内置时钟的数据比较 加法 减法 读出 写入等 其基本结构如下
8、图 图 3 1 PLC 基本结构图 3 23 2 RS 485RS 485 RS485 通信网络接口是一种总线式的结构 上位机 以个人电脑为例 和下位 机 以 51 系列单片机为例 都挂在通信总线上 RS485 物理层的通信协议由 RS485 标准和 51 单片机的多机通讯方式 由于 RS 485 是从 RS 422 基础上发展 而来的 所以 RS 485 许多电气规定与 RS 422 相仿 如都采用平衡传输方式 都需要在传输线上接终接电阻等 RS 485 可以采用二线与四线方式 二线制可 实现真正的多点双向通信 图 3 2 RS 485 引脚 A B 或 Date Date 上图中 rs23
9、2 转 rs485 电路中 hin232 max232 可以起到同样的作用但是要贵一 点 起到转换 pc 端 rs232 接口电平的作用 然后把信号由 max485 这个芯片转 换成 485 电平由 AB 两根线输出 如果接上双绞线信号 rs485 总线接口的信号的 通信距离至少是 1 千米远 Y Z A B 2 美式标识为 Y Z A B GND rs485 两线一般定义为 3 中式标识为 TXD A TXD B RXD RXD GND 1 英式标识为 TDA TDB RDA RDB GND rs485 四线一般定义为 即常说的 485 485 一般 rs485 协议的接头没有固定的标准 可
10、能根据厂家的不同引脚顺序和管脚 功能可能不尽相同 但是官方一般都会提供产品说明书 用户可以查阅相关 rs485 管脚图定义或者引脚图 下面介绍以下 rs485 通讯接口定义的标准 RS485 总线接口通讯协议定义标准以及管脚引脚介绍 RS485 总线接口通讯协议 定义标准以及管脚引脚介绍 RS485 总线标准是工业中 考勤 监控 数据采集 系统 使用非常广泛的双向 平衡传输标准接口 支持多点连接 允许创建多 达 32 个节点的网络 最大传输距离 1200m 支持 1200 m 时为 100kb s 的高速 度传输 抗干扰能力很强 布线仅有两根线很简单 3 33 3 SN75176SN75176
11、 常用的 RS 485 总线驱动芯片有 SN75174 SN75175 SN75176 SN75176 芯片有一个发送器和一个接收器 非常适合作为 RS 485 总线驱动芯片 SN75176 及其逻辑如图 3 3 所示 图 3 3 SN75176 芯片及其逻辑关系 SN75176 俗称通讯片 采用 SOIC 封装方式 驱动芯片类型 线路驱动器 接口 EIA TIA 422 B V 11 驱动器数 1 电源电压范围 4 75V to 5 25V 封 装类型 SOIC 针脚数 8 工作温度范围 0 C to 70 C 封装类型 SOIC 工作温度最低 0 C 工作温度最高 70 C 器件标号 75
12、176 器件标记 SN75176AD 接口类型 RS 422 温度范围 商用 电源电压 最大 5 25V 电源 电压 最小 4 75V 芯片标号 75176 表面安装器件 表面安装 输出电压 最 大 2 7V 逻辑功能号 75176 传播延迟时间 35ns 线 总线驱动器 接收器 收发器 类型 总线收发器 SN75176 芯片的发送和接收功能转换是由芯片的 RE DE 端控制的 RE 1 DE 1 时 SN75176 发送状态 RE 0 DE 0 时 SN75176 处于接收状态 一般使用单片机的一根口线连接 RE DE 端 在上电复位时 由于硬件电路稳 定需要一定的时间 并且单片机各端口复位
13、后处于高电平状态 这样就会使总 线上各个分机处于发送状态 加上上电时各电路的不稳定 可能向总线发送信 息 因此 假如用一根口线作发送和接收控制信号 应该将口线反向后接进 SN75176 的控制端 使上电时 SN75176 处于接收状态 另外 在主从机软件上 也应附加若干处理措施 如 上电时或正式通讯之前 对串行口做几次空操纵 清除端口的非法数据和命令 3 43 4 光耦隔离电路光耦隔离电路 为了实现 485 总线与单片机系统的隔离 在单片机异步通信口与 75176 之 间采用光耦隔离 本设计中为了达到较好的效果 采用了高速光耦 6N136 芯片 如图 3 4 所示 图 3 4 485 通信光耦
14、隔离电路 光耦对输入 输出电信号起隔离作用 光耦合器一般由三部分组成 光的 发射 光的接收及信号放大 输入的电信号驱动发光二极管 LED 使之发 出一定波长的光 被光探测器接收而产生光电流 再经过进一步放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由于光耦 合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特点 因而具有良好的电 绝缘能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件 因而具有很强的共模抑制能力 微机测控系统中 经常要用到功率接口电路 以便于驱动各种类型的负载 如直流伺服电机 步进电机 各种电磁阀等 这种接口电路一般具有带负载能 力强 输出电
15、流大 工作电压高的特点 工程实践表明 提高功率接口的抗干 扰能力 是保证工业自动化装置正常运行的关键 就抗干扰设计而言 很多场合下 我们既能采用光电耦合器隔离驱动 也 能采用继电器隔离驱动 一般情况下 对于那些响应速度要求不很高的启停操 作 我们采用继电器隔离来设计功率接口 对于响应时间要求很快的控制系统 我们采用光电耦合器进行功率接口电路设计 这是因为继电器的响应延迟时间 需几十ms 而光电耦合器的延迟时间通常都在10us之内 同时采用新型 集成 度高 使用方便的光电耦合器进行功率驱动接口电路设计 可以达到简化电路 设计 降低散热的目的 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 通信协议通信协
16、议 由于RS 485总线是异步半双工的通信总线 在某一个时刻 总线上必定有 一台始终处于主机地位的设备在巡检其他的从机 所以要制定一套合理的通信 协议来协调总线的分时共用 在通信协议中 每一台从机都规定了确定的地址 号 开始时从机复位 处于监听状态 等待主机的呼叫 当主机向系统发出某 一从机的地址时 所有从机接收到该地址并与自己地址相比较 如果相符 则 为呼叫自己 并发出回应信号 表示准备好开始接收后面的数据或命令 否则 不予理睬 主机收到回应后则开始通信 通信完毕后 从机等待呼叫 4 24 2 通信程序设计通信程序设计 4 2 14 2 1 PLCPLC 程序设计程序设计 本次设计中充当主机 向单片机中发送命令 以实现PLC与单片机的通信 具有发送和接收数据的功能 其程序指令如下 4 2 24 2 2 分机设计分机设计 本次设计分机采用的是单片机构成的系统 在RS 485实现多机通信的过程中 由于各分机多应用于实时性较强的控制场合 为了减少cpu占用时间 充分发挥 cpu大的功能 我们在分机程序设计中采用中断方式进行通信 当分机接收到主 机发来的呼叫信号时 就转入中断服务程序 其中断
