西门子CPU模块6ES7510-1DJ01-0AB0型号规格

1 引言

可编程逻辑控制器（Programming Logic Controller, PLC）作为一台工业计算机，集数据的采集、处理、显示于一身，那么作为数据终端，数据的显示是完全必要的。虽然PLC本身有许多指示灯，可以观测到PLC的CPU单元、输入/输出单元及网络通信单元的运行工作状态，但无法显示PLC内部数据。计算机通过与PLC通信以及触摸屏都可以实现PLC内部数据显示，但价格昂贵，对一些小型不需要经常改动的系统来说更是浪费。本文采用拨码开关和数码管来显示PLC内部数据，操作简单、成本低廉，对实验教学和工程人员有参考价值。

（1）应用行业：机加工、过程控制等。

（2）使用产品：CJ1M（CPU22）， CS1W-ID211，CS1W-OD261

（3）应用的主要工艺点及要解决的主要问题：内部数据的动态显示

（4）应用方案简介：用高频率晶体管输出单元，结合高速定时器指令TIMH实现内部数据的动态显示。

2 动态数据显示

2.1 硬件系统设计

LED数码管有7段显示灯，可以用来显示0～9间的10个数字。CJ1M系列PLC内部通道数据一般都是四位，如果用借用每个输出点来控制一个显示灯，那么一个数码管就需要7个输出点，这显然要占用大量的输出点，是不经济的。这里选用含有内置译码电路的数码管如CD4511，可以把8421码自动译成7段码。8421码或BCD码用4个接口加选通信号，就可以显示一个数据位。将四个8421输入线组合与某个输出通道的低四位相连，每个选通信号的输入信号与通道中剩下的四位相对应连接，这样一个输出通道就能显示PLC四位（一个字）内部数据。具体接线图如图1所示。

图1 PLC硬件接线图

注意，这里的PLC输出模块应选用晶体管或者晶闸管输出单元，而不宜采用继电器输出单元。因为继电器输出单元为有触点开关，响应慢、速度低，不适用于高频率的通断，也不适用于动态数据显示[1]。故图1中采用OMRON公司CJ1W-OD261（64点）晶体管作为输出单元，其在本PLC机架上的IO地址分配为6.00～9.15，这里用0006通道作为内部数据的显示通道。6.00～6.03为CD4511的数据输入端A、B、C、D，其中A为低位，D为高位， 为高电平时锁存数据，四位数据的 端由PLC的6.04～6.07分别控制，4个数码管共占用8个输出点。

2.2 选通信号的生成

由于4个数码管 的线皆由一个I/O口控制，因此，在每一瞬间，4位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方式轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。使每位分时显示该位应显示字符，根据人眼视觉特性，当LED所加信号频率大于50Hz时,人眼不能感觉其变化，所以每位显示的间隔不能超过20ms，也就是说要在20ms之内分时的点亮所有LED，LED越多所分的时间越短，亮度就会不足；如果增加点亮时间，又会使扫描频率下降，有闪烁感容易造成人眼的彼劳，故常采用动态扫描方式[2]。这种扫描方式仅适用于LED不超过10个时的场合，本例中只有4只LED数码管，故可以选用此方法。

CJ1M系列PLC有丰富的定时指令，其定时器类型有1ms、10ms和100ms，这里选用TIMH指令[3]，定时器的设定值为#1，这样选通信号的周期为10ms。

2.3 同步化处理

PLC采用循环周期扫描工作方式，指令的执行由上至下，有左至右，前面的结果将影响后面；前一个周期的结果影响下一周期。PLC逻辑设计同步化就是设法实现：用脉冲信号控制输出及内部状态的转换，有脉冲作用的周期，执行指令才有效果；而且在脉冲信号起作用的这周期中，前面指令的执行结果，不改变后面指令的执行条件[4]。同步化处理的方法很多，在图2中是通过合理安排指令的先后顺序来实现同步的。

图2中，系统上电，高速定时器开始定时，10ms后，其常闭触点断开，即T0输出一个脉冲，宽度为一个扫描周期。个脉冲到了， 6.04置位，成为前一行的指令执行条件，但这时它的指令已经执行完毕，故在此脉冲作用期间，也不会有什么变化。依此类推，第四个脉冲之后，6.07置位，6.06复位，成为工作寄存器W0.00输出的条件，第五个脉冲到来，6.07复位，梯形图又回到初始状态，如此反复，分时实现四位数据的 端6.04～6.07轮流接通10ms。

图2 选通信号的生成

2.4 数据显示

采用MOVD指令，将要显示的内部数据如DM区、W区、T/C区等中的一个字通过通道6显示出来。如图3所示，本例中，依不同的选通信号，将D0中的数据通过选择不同的位进行显示。

图3 数据显示输出

3 功能扩展

3.1 显示双字

在图1中，PLC输入端0.01接拨码开关SA，其作用根据其所在位置不同结合跳转指令（JMP/JME）来确定数据显示是哪个通道。如图4中，当SA为ON时，显示D0中的数据；当SA为OFF时，显示D1中的数据。

图4 双字数据显示输出

3.2 硬件扩展

如果对4个选通输出点6.00～6.03采用一片4线－16线译码器（如SG74HC154）进行译码，可以扩展成16个循环的选通信号，就能显示4个通道的数据。如果结合开关SA，按图4中的方式，就可以显示8个通道的数据。

1、引 言

在过去相当长的一段时期内，实行的是大锅饭式的供暖包费制。“热”一直无法成为真正的商品。 现在人们对这个问题的解决已经形成共识：必需打破大锅饭式的供暖包费制，采用热量计量收费制，使“热”这一商品实现产销双方直接交易，使“热”成为真正的商品。“谁用热，谁交钱”。 国内目前热量表研制的厂家虽然较多，但成熟的产品还较少，而能大批量生产热量表的厂家还没有。国外热量表的昂贵价格是其在中国推广应用的大阻力。实现热量表的国产化，是实现热量计量收费的关键。在这种情况下开始研制并进行热量表试制，具有一定意义。

2、系统结构和预实现的功能分析
通过市场调研，发现当前市场上的暖气表的一般结构框图如图1所示，其主要存在的缺点有：
（1）温度传感器安装方式不合理，需要安装特定的管接头。
（2）两个温度传感器在暖气表的体外，保密性和安全性不高，暖气表容易被恶意改装。
（3）传输导线较长，干扰和信号衰减严重，需要加入驱动电路和抗干扰电路，从而使成本增加。
（4）暖气表在工作中，用户不能主观启停，不能体现消费自由的原则。
（5）没有温控功能，用户不能调节室内温度。
（6）主体结构为单通道式，无法实现回水（暖气）**的检测，不能防止用户恶意盗热水行为，从而给供暖公司造成损失。

图1 一般暖气表结构框图

综合以上情况，决定自主开发一种功能更加完善，技术更加**的一体化双通道暖气表，结构如图2所示，其预实现的功能如下：
加密功能：自动识别智能卡密码，可防伪卡或信道恶意攻击。
显示功能：采用LCD液晶显示，可供用户随时查询购暖总量、剩余量、单价、进出口温度。
告警功能：剩余金额小于临界值时，阀门自动关、开，声光驱动告警，可实现在线监测。
关断功能：设置启停按钮，方便用户操作。可以不另外安装手动阀门。设置电锁开关在不使用暖气的季节，用户可以手动切断控制器的电源，使其处于零功耗状态。剩余热量为零或系统失电时阀门也会自动关闭。
数据设置：通过系统软件可灵活设置用热价格、告警量、透支量
分量计费：灵活实现每月的“定量热量”和"议价热量"的计量收费
数据传输：通过射频卡进行数据传输，对数据进行管理，计算机系统可将购暖情况传入智能表
数据保护：使用Flash技术安全实时现场数据保护，可防止意外原因造成的实时变化的有用数据的丢失。
电源监控：现场监控电源的异常现象并及时进行处理。
防盗功能：进口和出口**同时检测，可防止用户窃能。
智能温控：用户可根据需求设定室温范围，系统通过动态**调整来自动调整室温。

图2 双通道暖气表结构图

3、总体设计

3.1系统框图
本系统以单片机核心，主要由**传感、温度传感、阀门开闭控制、显示模块、射频模块、掉电保存、声光报警、电源监控等几部分组成。硬件框图如图3所示。

图3 硬件框图

3.2模块说明
3.2.1**传感
安装在管路系统上，用于计量流过供热回路水的体积并发出**信号。目前，市场上能够买到的数字式**计非常少，常见的都是一些机械式的，其无法和我们的单片机进行接口。后来发现市场上的一些新式的水表的**检测系统可以借鉴。故本设计的**传感拟采用霍尔器件来实现。市场上的霍尔器件比较多，但应用到本系统中综合性能大多都不太好，在网上无意发现了霍尔IC—MLX90248。可谓是为设计量体定做。

3.2.2温度传感
温度传感器安装在管路系统的出和入口，采集系统内介质的温度并发出温度信号。DALLAS新单线数字温度系统DS18B20是新的“一线器件”，其体积更小、适用电压更宽，更经济。一线总线独特而且经济的特点，使我们可轻松地组建传感器网络。其测量温度的范围为–55 — +125度，在–10 — +85 度范围内，可以程序设定 9—12 位的分辨率精度为正负0.0625度。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大**了系统的抗干扰能力。适合于恶劣环境的温度测量。从性价比出发，其已经能够胜任设计要求。

3.2.3射频卡读写模块
其是数据传输的中间介质。选择何种存储载体作为本系统的重要数据传输中介，是本设计的关键技术。从安全、可靠、经济等角度考虑，本系统拟采用非接触式射频IC卡。当今世界上非接触式IC智能射频卡（内建MCU，ASIC等）中的主流产品—PHILIPS公司的MIFARE技术，已经被制定为：ISO/IEC 14443 TYPE A标准 。如果事先不知卡片上的密码，则由于密码的变化可以极其复杂，因此靠猜测密码而想打开卡片上的一个扇区的可能性几乎为零。其充分地说明了Mifare 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的应用场合多样性，一卡多用（一卡通）。
现在市场上已经有不少成熟的读写模块可供设计选用，通过比较智能卡读写模块选用MCS-RC500 V3.3 非接触式智能卡通用读写器。具体设计的硬件电路如图4所示。由于计算机技术的飞速发展，计算机接口技术也比较成熟，故市场上能够买到的读写模块都是基于计算机通信的读写设备。结合这个设计系统，现在必须做的工作是对该读写模块做二次开发。即利用串行异步通信技术把读写器模块和单片机接口，其中编写单片机接口汇编通信程序是本次开发的关键技术。

图4 射频卡读卡器电气原理图

3.2.4 积算仪
以AT89S51为核心器件，接收来自**传感器和温度传感器的信号，进行处理、计算并显示管路系统的累积热量、累积**和进水温度，回水温度等。同时发出控制指令。

3.2.5 显示模块
用来显示和便于客户查询其预付金额、剩余热量、进出口温度等信息。

3.2.6 阀门开闭和报警
开通和禁止用户的使用权限，并有预警功能。
3.2.7 掉电保存
对于实时处理的数据的实时保存。一个相对成熟的系统，应该具备相对可靠的安全保护措施，试想当我们用充值卡给我们的用户机充值成功结束以后，系统一直正常工作（不停机）。但是，当我们的系统因为某种原因（更换电池等）造成系统失电或复位时，89S51内部的RAM区正在运行的实时数据就会丢失。这将会给公司和用户带来无法弥补的麻烦。为此，我们在本系统中增加了掉电数据保存电路。由于我们的数据是实时变化的数据，因此必须采用在线电可檫除，电可编程存储器。设计中采用AT24C02。AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，遵循I2C总线标准。它是内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。比较适合嵌入到本系统中。

3.2.8电源监控
现场监控电源的异常现象并及时进行处理。为保证单片机系统稳定可靠的运行的首要因素就是保证整个系统的电源稳定，本设计采用了MAX706芯片作为电源管理的主控单元，它是低功耗CMOS芯片，工作电流只有100微安，内含一个看门狗电路。用MAX706配合简单外围电路可实现电源的开关和看门狗功能。

4、热能计量原理

当热水以一定的温度从进水管流入一个热交换系统（暖气片，管道等），用户在通过热交换系统而获取热量的同时，热水以较低的温度从回水管流出。在一定时间内，用户所获得的热量可以由下式算出：

式中：
Q——释放或吸收的热量 （J或wh）；
qm——流经热量表的水的质量**（kg/h）；
qv——流经热量表的水的体积**（m3 /h）；
ρ——流经热量表的水的密度（kg/ m3）；
Δh——在热交换系统的入口和出口温度下，水的焓值差（J/kg）；
τ——时间（h）。

图5 水的密度和焓值表

其中水的密度和焓值通过查国家标准（如图5所示）可以确定。当温度为非整数时，应进行插值修正；当表的结构确定以后，通过实验就可得出水的体积**。

5、技术特点

低功耗：采用低功耗和微功耗CMOS 芯片技术。
高抗干扰性：采用数据的数字化处理技术，把传统的易受干扰的模拟采集和传输信号换成高抗干扰的数字信号。
高保密：对数据的加密处理及密码保护。采用PHILIPS公司的MIFARE技术。
高精度：采用多种自动补偿校正方法。
通用性：采用具有一卡多用功能的卡,促进金卡工程的发展进程。
一体化：极大降低了窃能的可能。
双通道检测：对暖气进出口的**同时进行检测,防止窃能。
智能的温控：用户可根据需求设定室温范围,系统通过动态**调整来自动调整室温。