0 引言

　　隨著科技的飛速發(fā)展， 越來(lái)越多的機(jī)器與現(xiàn)場(chǎng)操作都趨向于使用人機(jī)界面， 而PLC 控制器強(qiáng)大的功能及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理也要求有一種功能與之匹配而操作簡(jiǎn)便的人機(jī)界面。觸摸屏的出現(xiàn)無(wú)疑是21世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)巨大革新。觸摸屏和PLC的組合使用已經(jīng)成為主導(dǎo)形式。

　　PLC是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、功能較完備的新型控制元件， 其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)， 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(jī)器的人機(jī)界面， 它代替了原始的控制臺(tái)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(dòng)態(tài)曲線的形式描述系統(tǒng)的控制過(guò)程； 擴(kuò)展了PLC的功能， 減少了按鈕、開(kāi)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(chǎng)的電動(dòng)閥、電磁閥、電動(dòng)機(jī)和溫度控制器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。S7-200通過(guò)模擬量輸入模塊和溫度、壓力傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度和壓力信號(hào)， 信號(hào)通過(guò)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(shí)時(shí)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(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)置， 觸摸屏給PLC發(fā)送指令， 以控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)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(gè)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(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)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(dāng)S7？？200系列PLC使用自由口通信時(shí)， 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(guò)自由口方式， S7-200可以與串行打印機(jī)、條碼閱讀器、觸摸屏進(jìn)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(guò)特殊寄存器SMB30， 可以對(duì)校驗(yàn)的選擇、每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位、自由口的波特率和協(xié)議選擇進(jìn)行設(shè)置。S7-200 CPU 上的自由口接口為RS-485， 觸摸屏的接口為RS？？232， 設(shè)計(jì)時(shí)需要制做一個(gè)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(shí)處于激活狀態(tài)， 此時(shí)，可以通過(guò)控制特殊寄存器SMB87來(lái)控制RCV （接收） ， 當(dāng)在指定時(shí)間內(nèi)PLC沒(méi)有收到信息時(shí)， 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(gè)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(jìn)制數(shù)。迪文觸摸屏所有指令或數(shù)據(jù)都是16進(jìn)制（HEX）格式， 對(duì)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?yàn)橄滦校═x）時(shí)， 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?yàn)樯闲校≧x）時(shí)，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(guò)程如圖2所示。

　　圖2 數(shù)據(jù)交換過(guò)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(shí)際值的過(guò)程中（以溫度為例），溫度傳感器采集到的模擬信號(hào)通過(guò)PLC模擬量輸入模塊變成數(shù)字信號(hào)傳到PLC 的存儲(chǔ)器， 再根據(jù)傳感器的量程等實(shí)際情況把數(shù)字信號(hào)換算成實(shí)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(duì)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(hào)， 兩者之間有一定的數(shù)學(xué)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(qiáng)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(shí)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(dāng)觸摸屏上的按鈕被按下時(shí)， 觸摸屏?xí)oPLC發(fā)送按鈕位置坐標(biāo)（觸摸屏中表示位置坐標(biāo)的數(shù)據(jù)塊為“AA 73按鈕的坐標(biāo)CC 33 C3 3C”）， PLC收到數(shù)據(jù)后判斷按鈕的位置坐標(biāo)是否正確，如果正確，則執(zhí)行顯示曲線、顯示實(shí)時(shí)參數(shù)、控制執(zhí)行機(jī)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(jì)人員的思維習(xí)慣不同而有很大差異， 常用的編程方法有梯形圖編程和語(yǔ)句表編程2種。梯形圖接近繼電器控制的表達(dá)形式， 語(yǔ)句表則類似于計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言， 這2種編程方式均實(shí)時(shí)反映出繼電器控制的思想。本文采用語(yǔ)句表的編程方法編寫(xiě)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(guò)PLC控制執(zhí)行機(jī)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(lái)的指令。

　　②中斷程序。

　　網(wǎng)絡(luò)1： 如果按下“啟動(dòng)”按鈕， 則發(fā)給PLC控制指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　網(wǎng)絡(luò)2： 如果按下“返回”按鈕， 界面切到首頁(yè)。

　　③數(shù)據(jù)塊。

　　4 用戶界面

　　用戶界面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分為以下2個(gè)步驟。

　　① 設(shè)計(jì)觸摸屏的顯示界面。

　　設(shè)計(jì)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(huà)圖軟件進(jìn)行繪制）。

　　② 制作觸摸屏按鈕。

　　按照工藝要求設(shè)計(jì)好的用戶界面有很多按鈕，當(dāng)觸摸屏按鈕被按下時(shí)，觸摸屏?xí)oPLC 發(fā)一個(gè)位置坐標(biāo)（格式為AA 73坐標(biāo)CC 33 C3 3C），使其根據(jù)坐標(biāo)的正確性來(lái)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(gè)點(diǎn)坐標(biāo)的組合（X0Y0， X 1Y1 ）， 其中X 0Y0 為“溫度曲線”右上角坐標(biāo)，X1Y1 為“溫度曲線”左下角坐標(biāo)。當(dāng)“溫度曲線”按鈕被按下時(shí)，觸摸屏就給PLC發(fā)送相應(yīng)的坐標(biāo)指令， PLC收到坐標(biāo)（X， Y）后進(jìn)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(huì)顯示如圖3所示的實(shí)時(shí)溫度曲線。同理，可以進(jìn)行PID參數(shù)的設(shè)置。

　　圖3 實(shí)時(shí)溫度曲線

　　5 遇到的問(wèn)題及解決方法

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中， 會(huì)遇到以下幾類問(wèn)題。

　　①通信接口不匹配， 即PLC上CPU的接口為RS？？485，觸摸屏接口為RS？？232.解決辦法是購(gòu)買RS-485 /RS-232轉(zhuǎn)換器， 或自己設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路。

　　②S7-200 CPU 通信端口為RS？？485半雙工通信口， 發(fā)送和接收指令不能同時(shí)處于激活狀態(tài)。解決辦法是通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)， 把接收信息控制字SMB87設(shè)置為16# 9C， 當(dāng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)PLC沒(méi)有接收到信息時(shí)，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(yǔ)

　　觸摸屏和PLC組合系統(tǒng)的研究既利用了PLC 強(qiáng)大的控制功能，又發(fā)揮了觸摸屏友好的人機(jī)交互、靈活、可靠的優(yōu)點(diǎn)，大大減少了操縱臺(tái)上的開(kāi)關(guān)數(shù)量，省去了復(fù)雜的電氣接線，使操作人性化。操作人員可以直接通過(guò)觸摸屏的按鈕來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，簡(jiǎn)化了操作難度，且通過(guò)運(yùn)行曲線可以更直觀地掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示被控系統(tǒng)的參數(shù)值、顯示曲線、控制、報(bào)警、記錄及設(shè)置參數(shù)等功能，實(shí)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(shì)。