基于自研智能PLC 的非标自动化装备应用

文:浙江工商职业技术学院 张子豪 陈奕瑾 周佳懿2022年第五期

  1 前言

  非标自动化生产装备是高端装备的典型代表之一,是发展先进制造技术实现生产线的数字化、网络化和智能化的重要手段,是实现产业结构优化升级的工业基础,其最大优势在于解决生产的高效性和一致性问题,成为产业结构调整不可或缺的一环。作为智能制造,尤其是高端装备的基础元器件——PLC(可编程控制器)已经成为国家的“卡脖子”工程,今年“缺芯、少魂”的现象尤其严重。目前国内主流PLC品牌包括西门子、三菱等进口品牌和信捷、汇川等国产品牌已经占据了各自的市场,但随着美国贸易制裁引起的芯片荒在PLC市场也刮了“涨价潮”,进口PLC的产品价格也跟风涨价,导致很多小型装备制造商“苦不堪言”,有一些客户基于最佳性价比,开始尝试采用国产品牌或自研PLC来进行转型。本文采用由中控微电子有限公司开发的全国产工控芯片——CMC芯片来进行自研智能PLC的设计,并作为控制器进行非标自动化装备的应用。

  2 自研智能PLC的设计

  自研智能PLC的设计主要包括如下几个方面:

  (1)硬件PCB布局

  图1所示是由主控CMC CPU、电源、存储器、通讯接口、输入电路和输出电路组成的自研智能PLC的硬件PCB布局。

  图2所示是自研智能PLC的工作原理。它由内部总线和功能模块组成。内部总线包括片内高速总线和片内低速总线,功能模块包括公共资源、控制运算、通信接口和数字量处理几大部分,其中公共资源包括中断控制、外部中断、定时器、实时钟、看门狗、DMA控制器等,控制运算包括系统管理、逻辑控制和运动控制,数字量处理包括脉冲输入输出和通用IO等,通信接口包括SPI、I2C、CAN、UART、以太网MAC等,各功能模块根据各自的性能和带宽需求,分别挂接在相应的总线上。

  

硬件 PCB 布局.png

  图 1 硬件 PCB 布局

 

自研智能 PLC 的工作原理.png

图 2 自研智能 PLC 的工作原理 

  (2)接插件端子设计

  由于非标设备可能产生意外的振动导致端子接线不牢固,因此需要根据实际请进行改变自研PLC控制器接的线端子。图3所示的端子设计中,每组前导电金属件具有两个并排连接的前接线金属体组成,前接线金属体由中空的方形框架、弹性金属片、长插头和短插头组成了一体式结构,适用于软线或硬线连接,且能实现两个接线端子的快速相互连接。

PLC 端子设计.png

 图 3 PLC 端子设计 

    图4所示为智能PLC的接插件端子设计,即将图3所示的端子设计直接应用在PLC的输入输出接口上,包括电源输入端子(Power IN)、数字量输入端子(DI IN)、数字量输出端子(DO OUT)、通讯端子(COMMUNICATION)、运动控制端子(MOTION)等。

  

智能 PLC 的接插件端子设计.png

图 4 智能 PLC 的接插件端子设计

  (3)通讯方案设计

  图5所示是RS23 2串口通讯方案的电路,主要用于1:1通讯。

    RS485通讯方案的电路如图6所示,主要用于1:N通讯,可以连接大部分的现场设备。

RS232 电路图.png

图 5 RS232 电路图

  

  

RS485 电路图.png

图 6 RS485 电路图

  以太网通讯方案的电路如图7所示,采用CMC芯片内部集成的2路以太网MAC,采用RMII接口,通讯速率10M/100M,其RJ45内部已集成了网络变压器,隔离电压1500V。

以太网通讯电路图.png

  图 7 以太网通讯电路图

  

伺服控制系统组成原理图.png

图 8 伺服控制系统组成原理图

  

 

硬件组态配置项.png

图 9 硬件组态配置项

  其他还可以设计CAN通讯方案、USB通讯方案等, 其中USB通讯需要通过USB转UART方式接入CMC芯片, 由于CMC芯片只有两个串口, 在选用串口功能时需合理分配。

  3 自研智能PLC在运动控制中的应用

  运动控制是非标自动化设备的最重要功能,它指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统,其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。它可以进行步进控制或伺服控制,图8所示为伺服控制系统组成原理图,它包括控制器、伺服驱动器、伺服电机和位置检测反馈元件。伺服驱动器通过执行控制器的指令来控制伺服电机,进而驱动机械装备的运动部件(这里指的是丝杠工作台),实现对装备的速度、转矩和位置控制。这里面的控制器就可以选用自研智能PLC,主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。

       如图9所示是运动控制中的硬件组态配置项设置, 具体包括基本信息、设备版本、工作模式、串口配置、CAN配置、网络配置、Mod Bus RTU配置、Mod Bus TCP配置和特殊I/O配置等。

  图10所示为运动控制案例程序,具体说明如下:

  程序段1: MCP初始化功能块,主要用于配置MCP 运行时的一些重要参数,具体参考功能块手册, 该功能块只需调上电用一次,如一直调用会造成MCP一直处于初

  始化状态造成各轴无法正常运行。

  程序段2:当KEY_DINGWEI置位TRUE后,X轴以绝对定位方式以1000的速度运行到2500(即PULS变量) 的位置,功能块只需触发一次。

  程序段3:通过调用MC_Getpostion1来获取当前的xyz位置值。

运动控制程序.png

 图 10 运动控制程序

  4 总结

  随着目前制造业就业市场用工荒的持续,机器换人已经成为了每个企业迫在眉睫的“刚需”,因此国内市场对PLC进行技术改造的需求大幅度提高,采用国产自研PLC 存在以下几点竞争优势:

  (1)需求优势

  国产自研P LC能够确切了解国内中小企业用户的需求,并适时地根据用户的要求开发、生产适销对路的PLC 产品来满足非标自动化的需求,这一点对于“机器换人” 非常重要。

  (2)产品定制优势

  由于是完全本地化的研发、生产、销售和技术支持, 国产自研PLC可以根据用户的特殊需求定制个性化产品。在实际调研中发现,有些OEM用户希望在一个PLC模块上同时具有继电器输出和晶体管输出,一般通用PLC不能提供的特殊需求,自研PLC可以快速为用户专门定制。

  (3)成本优势

  由于是完全本地化的研发、生产、销售和技术支持, 国产自研PLC具有较大的成本优势,这种成本优势直接转变为产品价格优势。




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