CN201859562U - 一种面向虚拟plc的仿真控制板 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种实现PLC控制的面向虚拟PLC的仿真控制板，包括连接单元(2)和硬件仿真电路板(3)。用于实现上位机1对由LED灯构成的实物控制对象18的可编程序控制。本实用新型是结合目前流行的虚拟PLC开发的状况设计的，相对于传统仿真，省去了硬件仿真要将PLC程序下载到硬件PLC中的步骤，可以直接在PC机上对实物控制对象(18)进行可编程序控制；在花费上，单片机较硬件PLC具有明显的价格优势；本实用新型是个通用模块，可以进行多种实物控制对象(18)的控制，具有很好的推广价值。本实用新型是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的一种面向虚拟PLC的仿真控制板。

Description

一种面向虚拟PLC的仿真控制板 

技术领域

本实用新型属于PLC仿真技术，特别是一种用于LED灯模拟仿真对象的面向虚拟PLC的24端口仿真控制板。 

背景技术

可编程序控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、专用化和模块化，适用于恶劣的控制现场，在工业控制领域得到广泛的应用。然而存在着技术垄断、价格昂贵等的缺陷，随着PC-Based控制技术的发展，如何保留PLC的诸多优点而克服上述缺点已成为近年来工业控制领域研究的热点之一。因此，虚拟PLC应运而生。 

虚拟PLC是一种基于计算机的软件控制系统，具有传统硬件PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的所有特点，利用计算机技术将标准的工业计算机转换成全功能的PLC控制器。 

目前虚拟PLC有两种形式，一种是利用高级编程语言开发出PLC的图形化编辑平台，实现PLC指令系统的解释，完全用软件替代实际的PLC，但存在真实性欠佳的缺点；另一种是基于总线协议，利用计算机自身相应的硬件来实现PLC硬件组件的功能，但是会带来成本的增加。 

发明内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种面向虚拟PLC的仿真控制板，将虚拟PLC与硬件仿真电路板有机结合，实现对LED灯模拟对象的可编程序控制。 

为了实现上述发明目的，本实用新型包括如下技术特征：一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于包括相互连接的连接单元和硬件仿真电路板；所述连接单元与上位机连接，所述硬件仿真电路板与实物控制对象连接，所述仿真控制板用于实现上位机对实物控制对象的可编程序控制。 

所述上位机为虚拟PLC运行平台。 

所述连接单元为USB电源数据线和USB接口。 

所述硬件仿真电路板包括电源模块、通讯模块、下位机模块；所述电源模块的外部电源利用上位机的电源通过连接单元供电，电源模块对外部电源稳压处理后与通讯模块、下位机模块和实物控制对象连接供电。 

所述电源模块包括滤波单元、稳压单元、电源开关和电源指示灯；所述电源模块通过电源开关经稳压处理后与下位机模块和实物控制对象连接供应电源，而通讯模块电源是由USB接口的电源经滤波处理后直接供给。 

所述通讯模块实现USB接口与下位机模块间数据的双向通讯。 

所述下位机模块连接和驱动实物控制对象，实现和上位机的实时通讯，并对上位机发送来的数据进行解析，监测实物控制对象电路的运行状态。 

所述下位机模块包括单片机芯片、复位键和晶振；单片机芯片P0口和P2口作为控制信号的输出端，驱动实物控制对象；P1口作为控制信号的输入端，接收用户操作信号的输入。 

本实用新型一种面向虚拟PLC的仿真控制板采用单片机作为下位机代替传统PLC，利用串口通讯技术完成虚拟PLC对硬件电路的仿真控制。无需将PLC程序进行下载，可直接在上位机上运行虚拟PLC，即可进行实物控制对象的驱动和实时控制。相比于传统的PLC仿真，成本更为低廉。面向虚拟PLC的24端口仿真控制板的搭建使其功能更为接近实际中的应用，对PLC这门学科的了解和学习更具体和全面。在PLC的教学、培训等方面，具有很好的推广价值。 

附图说明

图1为本实用新型的总体工作原理图； 

图2为本实用新型的电源模块接线图； 

图3、4分别为本实用新型2个串口通讯指示灯与通讯模块的连接示意图； 

图5为本实用新型的通讯模块接线图； 

图6为本实用新型的下位机模块接线图。 

具体实施方式

实施例： 

本实用新型提供的一种面向虚拟PLC的仿真控制板，包括连接单元2和硬件仿真电路板3；用于实现上位机1对由LED灯构成的实物控制对象18的可编程序控制。如图1所示。 

上述上位机1主要是高级语言开发的虚拟PLC运行平台。该平台可以进行PLC指令的编辑和编译、串口通讯的设定、PLC控制指令的发送和接收下位机模块发送的数据、调试PLC指令的运行等。是整个硬件电路模块的控制核心，驱动整个虚拟PLC仿真平台的运行时序。 

上述连接单元2主要是USB电源数据线、USB接口4等。通过它可以将控制指令传输到硬件仿真电路板3的下位机模块7，从而驱动实物控制对象18的运行；同时将下位机模块7的数据传输给上位机1，实现上位机1和下位机模块7间的双向通讯。另外，本实用新型中，连接单元2还提供了硬件仿真电路板3中电源模块5的外部电源供应。 

上述硬件仿真电路板3主要包括电源模块5、通讯模块6、下位机模块7。硬件仿真电路板3可以直接连接实物控制对象18，通过解析上位机1发送来的指令，对实物控制对象18进行驱动控制，并实时监测实物控制对象18的运行时序。 

上述硬件仿真电路板3中的电源模块5，其外部电源是利用上位机(1)USB接口中的+5V电源，通过连接单元2中USB电源数据线提供的。电源模块5对其进行稳压处理后分别对通讯模块6、下位机模块7以及实物控制对象18提供电源供应。它包括电源开关8、电源指示灯9、470μF/25V电解电容、100μF/10V的电解电容、47μF/16V电解电容、0.1μF的电容以及1KΩ的电阻各一个。如图2所示。 

上述电源模块5中的电源开关8是控制着下位机模块7和实物控制对象18的电源供应，而通讯模块6电源是由USB接口4的VCC端经滤波处理后直接供给，无需经过电源开关8的控制。保证了通讯模块6中的USB转串口芯片14在通电情况下即可被上位机1识别，从而分配相应的虚拟COM口。而下位机模块7在进行指令解析程序烧录时，往往需要冷启动，通过电源开关8的开合，可以方便的完成此操作。 

上述电源模块5中的电源指示灯9是为了方便用户在操作时检查上位机1电源供应是否正常，也可以由它直接显示下位机模块7等的电源供应情况。 

上述硬件仿真电路板3中的通讯模块6主要是实现USB接口4中的D-和D+端与下位机模块7间数据的双向通讯。由于上位机1的控制指令是通过USB口发送的，并不是串口数据，所以数据到达下位机模块7前要先进行协议的解析；另外，下位机模块7串行通讯接口的电平要求的是标准的TTL电平，而USB接口提供的电平并不匹配，所以USB口信号的电平也要经处理匹配后再进行连接。上面这些工作主要由PL2303HX芯片14来完成，也是该通讯模块的核心。该模块还包括2个PNP三极管10、三极管10的型号为三极管1015，2个串口通讯指示灯11，12、1个12.0MHZ晶振13、1个10μF/16V电解电容、4个0.1μF电容、2个22pF电容、1个220KΩ电阻、2个22KΩ电阻、2个10KΩ 电阻、1个1.5KΩ电阻、4个470Ω的电阻。如图3所示。 

上述通讯模块6中的PL2303HX芯片14是目前应用广泛的一种USB口转串口芯片，具有的自动握手模式，可以进行串口通讯。上位机1发送的信号经其处理后传输给下位机模块7，相当于安装了一个串口，不存在USB协议，等效于把上位机1送出的指令通过RS232电平转换直接连到下位机模块7。PL2303HX具有28个引脚，需外接晶振，只要极少的外接电路即可完成转串口的功能。 

上述通讯模块6中的PNP三极管SA1015是为了检测上位机1和下位机模块7间是否在进行串口数据的传输而添加的。一旦基极电流和电压出现很小的变化，经三极管放大后就会在发射极形成很大的电流和电压的反应。从而可以保护下位机模块7引脚电平的稳定，同时将其微小的变化放大后传输给串口通讯指示灯11，12，以便使串口通讯指示灯11，12的闪烁效应更为明显。 

上述通讯模块6中的串口通讯指示灯11，12是便于用户监测上位机1和下位机模块7间是否有数据传输。由于传输的是数字信号，一旦有数据传输就会引起电平的变化，串口通讯指示灯11，12就会出现闪烁，从而便于用户对串口通讯的状况进行监控。 

上述通讯模块6中的12.0MHZ的晶振13是提供USB口转串口芯片PL2303HX芯片14的时钟序列，实现与上位机1时序的匹配，方便上位机1对USB口转串口芯片PL2303HX芯片14进行识别和分配相应的虚拟COM口，保证整个硬件仿真电路板3的正常运行。 

上述硬件仿真电路板3中的下位机模块7是整个硬件仿真电路板3的核心。主要是连接和驱动实物控制对象18，实现和上位机1的实时通讯，并对上位机1发送来的数据进行解析，监测实物控制对象18电路的运行状态。下位机模块 7由单片机STC89C52RC芯片16、复位键15和11.0592MHZ的晶振17组成。 

上述下位机模块7中的STC89C52RC芯片16是下位机模块7的核心。STC89C52RC芯片16有40个引脚，P0-P3各占8个引脚。通过这些P口可以连接实物控制对象18，实现将上位机发送来的数据解析后驱动实物控制对象18，并不断对实物控制对象18进行扫描，监控实物控制对象18电路的变化。一旦有某些报警情况发生时，能及时的将数据发送到上位机1，以便使上位机1中虚拟PLC运行平台采取相应的应对措施，保证实物控制对象18与上位机1中虚拟PLC运行的同步和安全。本实用新型根据单片机STC89C52RC引脚的特点，安排P0口和P2口作为控制信号的输出端，驱动实物控制对象18；P1口作为控制信号的输入端，接收用户操作信号的输入。它还包括1个复位按键15、11.0592MHZ的晶振17、10μF/16V电解电容1个、100KΩ电阻1个、470Ω的电阻32个。如图6所示。 

上述下位机模块7中的复位键15是负责对单片机STC89C52RC芯片16各个引脚进行复位操作。它连接的是单片机STC89C52RC芯片16的RST引脚，高电平时有效(接+SV时)，从电路中可以看出，复位键(15)未按下时，RST引脚是直接接地的，保持在低电平状态。一旦复位键(15)按下，10μF/16V的电解电容就会被短接，RST引脚就相当于直接接在+5V的电源上，从而使单片机STC89C52RC芯片16各个引脚重新复位。如果单片机STC89C52RC芯片16连接了实物控制对象18，那么通过复位键15也可以对实物控制对象(18)实现复位操作，因为实物控制对象18中各个LED灯都是由单片机STC89C52RC芯片16进行控制的，所以可以说它是一个双复位按键。 

上述下位机模块7中的11.0592MHZ的晶振17是提供单片机STC89C52RC芯片16的时钟序列。单片机STC89C52RC芯片16的串口通讯频率可任选，根 据所选择的定时器工作方式寄存器TMOD的工作模式和外部晶振的具体频率计算出定时器/计数器的设定值，从而保证串口通讯时与外部时序的同步。 

本实用新型一种面向虚拟PLC的仿真控制板的总体工作原理图如图1所示，包括上位机1、连接单元2、硬件仿真电路板3和实物控制对象18。上位机1启动虚拟PLC的运行平台，进行梯形图、指令表的编辑和编译。运行调试通过后，打开串口通讯，采集实物控制对象18的用户操作信号，通过硬件仿真电路板3送给上位机中虚拟PLC的X输入端，经虚拟PLC程序运算后，将虚拟PLC的Y输出端状态打包后发送出去，经过硬件仿真电路板3初始化实物控制对象18的状态。利用时钟序列，不断扫描实物控制对象18的用户操作信号，通过硬件仿真电路板3发送给上位机1，经虚拟PLC程序运算控制Y输出端的状态。不断扫描Y输出端的状态，一旦发生改变时就重新将Y输出端的状态打包后发送，更新实物控制对象18中各个LED灯的状态。 

本实用新型一种面向虚拟PLC的仿真控制板的电源模块接线图如图2所示，其主要是对上位机1通过USB电源数据线提供的+5V左右的电源处理后分别对硬件仿真电路板3和实物控制对象18进行电源的供应。对USB口转串口PL2303HX芯片14的直接供电使上位机1在USB电源数据线连接的同时就及时分配了虚拟COM口，从而可以进行串口参数的设定。本实用新型所驱动的实物控制对象最高电压为+5V，最大电流为500mA。 

本实用新型一种面向虚拟PLC的仿真控制板的通讯模块接线图如图3所示，USB口转串口PL2303HX芯片14的DP和DM引脚分别与USB接口的D-和D+引脚进行连接，实现与上位机1间数据的接收和发送；USB口转串口PL2303HX芯片14的TXD和RXD引脚分别与单片机STC89C52RC的P3.0和P3.1引脚相连，实现与下位机模块7间数据的发送和接收。通过USB口转串口PL2303HX 芯片14可以实现USB口向串口信号的转换，同时把输出信号的电平调整为标准的TTL电平，以便与STC89C52RC的引脚电平相匹配，实现串口通讯的顺利进行。 

本实用新型一种面向虚拟PLC的仿真控制板的下位机模块7接线图如图4所示，主要是对上位机1发送来的信号接收后作相应的处理，使之可以对具体的实物控制对象18进行对应于上位机1的逻辑驱动；同时监控实物控制对象18的运行情况，一旦有不同步等状况发生时可以发送特定的信号给上位机1，影响上位机1中虚拟PLC的运行时序。 

本实例中，电容的基本作用是隔直通交，在这里它还有去除电平中的毛刺和保护引脚电压的稳定等作用。电阻的作用是分压和限流。 

本实用新型一种面向虚拟PLC的仿真控制板的控制方法，其一个完整的操作步骤如下： 

1)上位机1通过与其连接单元2将虚拟PLC运行平台的控制指令传送给硬件仿真电路板3； 

2)通讯模块6把上位机1传输来的信号解析为串口信号，并将USB接口输出的电平转换成与下位机模块7匹配的标准TTL电平，然后将上位机1的控制指令送给下位机模块7； 

3)单片机STC89C52RC芯片16采用中断方式接收来自上位机1的指令数据，在对数据进行解析后，将结果由P0口和P2口输出，由P0口和P2口实现对实物控制对象18的控制； 

4)单片机STC89C52RC芯片16通过不断的扫描P1口的状态来获取实物控制对象18的运行状况。一旦有按键按下时，就会发送特定的指令到上位机1； 

5)上位机1通过接收事件的函数来处理下位机模块7发送来的数据。在判别发送来的指令后，就会触发相应的事件，调整虚拟PLC的运行状况，从而改变实物控制对象18的运行状态。 

本实用新型的工作原理如下：下位机模块7在接收到上位机1发出的虚拟PLC控制指令后，对指令进行解释与转换，并向单片机STC89C52RC芯片16的P0口和P2口发出控制信号，最终达到控制实物控制对象18的目的。同时，下位机模块7通过监测单片机STC89C52RC芯片16的P1口获取实物控制对象18的运行状态，在检测到某个按键按下时即刻上传特定的数据到上位机1，影响上位机1中虚拟PLC的运行。这样，用户就能实现虚拟PLC对实物控制对象18的控制。 

Claims (8)

1.一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于包括相互连接的连接单元(2)和硬件仿真电路板(3)；所述连接单元(2)与上位机(1)连接，所述硬件仿真电路板(3)与实物控制对象连接(18)，所述仿真控制板用于实现上位机(1)对实物控制对象(18)的可编程序控制。

2.根据权利要求1所述的一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于所述上位机(1)为虚拟PLC运行平台。

3.根据权利要求2所述的一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于所述连接单元(2)为USB电源数据线和USB接口(4)。

4.根据权利要求3所述的一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于所述硬件仿真电路板(3)包括电源模块(5)、通讯模块(6)、下位机模块(7)；所述电源模块(5)的外部电源利用上位机(1)的电源通过连接单元(2)供电，电源模块(5)对外部电源稳压处理后与通讯模块(6)、下位机模块(7)和实物控制对象(18)连接供电。

5.根据权利要求4所述的一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于所述电源模块(5)包括滤波单元、稳压单元、电源开关(8)和电源指示灯(9)；所述电源模块(5)通过电源开关(8)经稳压处理后与下位机模块(7)和实物控制对象(18)连接供应电源，而通讯模块(6)电源是由USB接口(4)的电源经滤波处理后直接供给。

6.根据权科要求4所述的一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于所述通讯模块(6)实现USB接口(4)与下位机模块(7)间数据的双向通讯。

7.根据权利要求4所述的一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于所述下位机模块(7)连接和驱动实物控制对象(18)，实现和上位机(1)的实时通讯，并对上位机(1)发送来的数据进行解析，监测实物控制对象(18)电路的运行状态。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种面向虚拟PLC的仿真控制板，其特征在于所述下位机模块(7)包括单片机芯片(16)、复位键(15)和晶振(17)；单片机芯片P0口和P2口作为控制信号的输出端，驱动实物控制对象(18)；P1 口作为控制信号的输入端，接收用户操作信号的输入。 

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