為了使plc的應(yīng)用更加靈活并實現(xiàn)可視化， 對plc和觸摸屏組合控制系統(tǒng)進行了研究。分別采用s7-200 cpu224xp 和迪文觸摸屏作為系統(tǒng)的控制器和人機界面， 采集現(xiàn)場的溫度、壓力信號， 控制現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)。詳細闡述了觸摸屏界面的制作方法、plc程序的設(shè)計方法及設(shè)計過程中遇到的問題。考慮到西門子plc和迪文觸摸屏之間不能進行直接通信， 在分析了迪文觸摸屏的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳送方式的基礎(chǔ)上， 設(shè)計了無源rs-485/rs-232轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)已投入運行， 其運行效果良好。
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s7200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rs232, 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。
①主程序編程。
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。
②中斷程序。
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。
③數(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）。
② 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。
①通信接口不匹配， 即plc上cpu的接口為rs485,觸摸屏接口為rs232.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。
②s7-200 cpu 通信端口為rs485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。
③plc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)的研究既利用了plc 強大的控制功能，又發(fā)揮了觸摸屏友好的人機交互、靈活、可靠的優(yōu)點，大大減少了操縱臺上的開關(guān)數(shù)量，省去了復雜的電氣接線，使操作人性化。操作人員可以直接通過觸摸屏的按鈕來控制系統(tǒng)的運行，簡化了操作難度，且通過運行曲線可以更直觀地掌握系統(tǒng)的運行狀態(tài)。系統(tǒng)具有實時顯示被控系統(tǒng)的參數(shù)值、顯示曲線、控制、報警、記錄及設(shè)置參數(shù)等功能，實現(xiàn)了plc的可視化功能。plc和觸摸屏的組合使用是工控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。