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。

　　图 1 硬件 PCB 布局

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。

　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。

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。

图 5 RS232 电路图

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。

　　图 7 以太网通讯电路图

图 8 伺服控制系统组成原理图

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。

　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。