基于单片机的PLC系统的实现

1 引言
可编程控制器(PLC)作为继电控制盘的替代物，以极高的可靠性和应用方便等特点，成为当今用途最为广泛的工业控制器。现在它的应用已突破了当初逻辑控制的场合，深入到过程控制、位置控制、网络通讯等工程领域。本文根据某工程的实际需要，以三菱PLC为模拟目标，提出了一种以单片机构建PLC系统的思想。

2 系统构成
系统框图见图1。

该系统CPU芯片使用了一种新型的51系列单片机即Cygnal公司的 C8051F040。其指令集与MSC_51指令集完全兼容，使用方便，且采用流水线结构，其周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25MIPS。内部集成了64K Flash ROM、4352字RAM、64位数据I/O口以及几乎所有的模拟与数字外设如:ADC、DAC、SMBus、UART、CAN、SPI、PCA、电压比较器、温度传感器、可编程增益放大器等。开发工具采用标准的JTAG接口，以边界扫描方式对CPU进行非入侵式全速的在系统调试。其性能较之传统51单片机有了很大的提高。
CPU和外部I/O接口之间采用光电耦合器件，实行强电和弱电隔离，切断现场干扰。计算机通过RS232串口与PLC系统通信，将PLC程序指令传送到PLC。PLC将接收到的指令保存到非易失性RAM中。这样做即可以长期保存PLC程序，又可以方便地随时修改程序。

3 PLC程序的执行过程
常见PLC以扫描方式工作。每次扫描的工作过程分为三步。
(1) 输入处理 程序执行前，PLC将全部输入点的状态读到输入镜像寄存器。在程序执行过程中，PLC不再读取这些输入点的状态，直到下一个扫描周期的输入处理。
(2) 程序处理 PLC根据读入的外部输入状态和其它元件的状态执行用户程序。这时的输出指令只写到输出镜像寄存器，输出点的状态并没有发生变化。
(3) 输出处理 全部指令执行完毕，将输出寄存器的内容全部刷新到外部输出点。程序回到第一步工作过程。
本PLC系统的工作过程与此相同。输入处理和输出处理用单片机实现起来比较容易，无需赘述。系统的关键是用户程序的处理。下面以三菱FX系列PLC一个简单的例子来说明本PLC系统对用户程序的处理方法。梯形图和相应的指令表见图2。

0:LD X000 9: LD X010
1:AND X001 10:LD X011
2:AND X002 11:AND X012
3:LD X003 12:LD X013
4:OR X004 13:AND X014
5:ANB 14:ORB
6:OUT Y000 15:OR X015
7:OR X006 16:ANB
8:LD X010 17:OUT Y001
首先分析指令 AND X001，指令执行前有状态B，执行该指令时，将当前状态B 和X001的状态进行与运算，形成状态C，这是指令AND X002执行前状态。C是B的刷新值，它们实际上是一个变量。这个变量反映程序执行时当前的状态值。当遇到输出指令OUT Y000时，就把当前状态值传送给输出寄存器。把AND X001作为一单元块，可认为这个单元块有单输入单输出的结构。输入状态和单元块内元件的状态运算后得到输出状态。
再分析指令LD X003、OR X004，如果将这两条指令组合后看作上述单输入单输出结构的单元块，执行前的状态为D，把X003、X004元件并联后的状态作为单元块内元件的状态，和D与运算后得到状态G.。但细化一步执行LD X003这个子单元块时，当前状态D需保存，取X003的状态作为当前状态值E，和X004或运算后得到F。执行ANB时，把先保存的状态值D和状态值F与运算后得到新的当前状态值G。
这里执行LD与AND产生区别是在于:AND指令没有分支，而LD指令产生分支，程序执行前的状态值需要保存。同样，在遇到分支合并时，需要使用到先前保存的状态值 。根据梯形图的编写规则，状态值的保存和使用是一种先进后出的结构，所以可以使用进栈和出栈的方法来实现。指令的具体实现过程归纳如下:凡是遇到产生分支的指令，例如LD指令，需将当前状态值进栈保存，取当前操作元件的状态作为当前状态值;凡是遇到分支合并的指令,例如ORB、ANB指令，需将栈顶值出栈与当前状态值运算成为新的当前状态值。
在具体实现时，采用了另一种形式的栈。由于三菱FX系列PLC的LD连续使用不能超过八次，因此采用一个可以位寻址的片内RAM字节作为栈空间来存放当前状态值。如果使用栈空间的最高位作为当前状态值，每次压栈就把该字节进行不带进位的循环右移，出栈时反之。在LD X000指令执行后，进栈状态A没有出栈，LD X010指令又进栈保存当前状态值，以前的压栈值A废之不用，即每条与母线相连的LD指令产生压栈值都不出栈。这样避免了因使用PUSH POP指令用一个字节的空间来保存一位的当前状态值造成的RAM利用效率低的问题。
LD X010后的指令执行过程如下:LD X010 把当前状态值H压栈，取X010的状态作为当前状态值I;LD X011把当前状态值I压栈，取X011的状态作为当前状态值J;AND X012 把当前状态值J和X012的状态与运算后得到当前状态值K;LD X013把当前状态值K压栈，取X013的状态作为当前状态值L;AND X014把当前状态值L和X014的状态与运算后得到当前状态值M;ORB 弹出压栈值K和当前状态值M或运算后得到新的当前状态值M;OR X015把当前状态值M和X015的状态或运算后得到当前状态值N;ANB弹出压栈值I和当前状态值N与运算后得到新的当前状态值O;OUT Y002 把当前状态值写到Y002的输出镜像寄存器。
4 检查程序
接收到程序后，在程序执行之前，还需对程序的语法正确性进行检查。这里只介绍与程序状态值栈相关指令的语法检查。
首先]需要设置一个位标志EN_BUS和一计数器LD_N。ENBUS表示下一指令能够与PLC梯形图中的母线相连。计数器LD_N表示自与母线相连的指令之后由于LD指令引起的堆栈次数。检查程序之前，初始化如下:
EN _BUS=1
LD_N=1
检查程序时，如果遇到LD指令，程序流程如图3(a);如果为ORB或ANB指令，则LD_N=LD _N-1;如果为OUT等与零母线相连的输出指令，程序流程如图3(b)。
这些基本操作执行后，如果检测到LD _N大于8，说明连续LD指令太多，程序状态值栈空间溢出;如果LD _N等于0，说明ANB或ORB指令数多于与LD指令，数量不匹配。还有些指令例如程序标号P、循环范围终止符NEXT等必须与母线相连。如果这些指令出现在EN _BUS=0的情况下，说明该程序有错。
5 结束语
这种以单片机构建的PLC系统成本低，系统可扩展性好，可以方便得加上A/D、D/A等功能，应用领域广泛。