1 前言

　　非標(biāo)自動化生產(chǎn)裝備是高端裝備的典型代表之一，是發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的重要手段，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的工業(yè)基礎(chǔ)，其最大優(yōu)勢在于解決生產(chǎn)的高效性和一致性問題，成為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整不可或缺的一環(huán)。作為智能制造，尤其是高端裝備的基礎(chǔ)元器件——PLC(可編程控制器)已經(jīng)成為國家的“卡脖子”工程，今年“缺芯、少魂”的現(xiàn)象尤其嚴(yán)重。目前國內(nèi)主流PLC品牌包括西門子、三菱等進(jìn)口品牌和信捷、匯川等國產(chǎn)品牌已經(jīng)占據(jù)了各自的市場，但隨著美國貿(mào)易制裁引起的芯片荒在PLC市場也刮了“漲價(jià)潮”，進(jìn)口PLC的產(chǎn)品價(jià)格也跟風(fēng)漲價(jià)，導(dǎo)致很多小型裝備制造商“苦不堪言”，有一些客戶基于最佳性價(jià)比，開始嘗試采用國產(chǎn)品牌或自研PLC來進(jìn)行轉(zhuǎn)型。本文采用由中控微電子有限公司開發(fā)的全國產(chǎn)工控芯片——CMC芯片來進(jìn)行自研智能PLC的設(shè)計(jì)，并作為控制器進(jìn)行非標(biāo)自動化裝備的應(yīng)用。

　　2 自研智能PLC的設(shè)計(jì)

　　自研智能PLC的設(shè)計(jì)主要包括如下幾個方面：

　　(1)硬件PCB布局

　　圖1所示是由主控CMC CPU、電源、存儲器、通訊接口、輸入電路和輸出電路組成的自研智能PLC的硬件PCB布局。

　　圖2所示是自研智能PLC的工作原理。它由內(nèi)部總線和功能模塊組成。內(nèi)部總線包括片內(nèi)高速總線和片內(nèi)低速總線，功能模塊包括公共資源、控制運(yùn)算、通信接口和數(shù)字量處理幾大部分，其中公共資源包括中斷控制、外部中斷、定時器、實(shí)時鐘、看門狗、DMA控制器等，控制運(yùn)算包括系統(tǒng)管理、邏輯控制和運(yùn)動控制，數(shù)字量處理包括脈沖輸入輸出和通用IO等，通信接口包括SPI、I2C、CAN、UART、以太網(wǎng)MAC等，各功能模塊根據(jù)各自的性能和帶寬需求，分別掛接在相應(yīng)的總線上。

　　圖 1 硬件 PCB 布局

圖 2 自研智能 PLC 的工作原理　

　　(2)接插件端子設(shè)計(jì)

　　由于非標(biāo)設(shè)備可能產(chǎn)生意外的振動導(dǎo)致端子接線不牢固，因此需要根據(jù)實(shí)際請進(jìn)行改變自研PLC控制器接的線端子。圖3所示的端子設(shè)計(jì)中，每組前導(dǎo)電金屬件具有兩個并排連接的前接線金屬體組成，前接線金屬體由中空的方形框架、彈性金屬片、長插頭和短插頭組成了一體式結(jié)構(gòu)，適用于軟線或硬線連接，且能實(shí)現(xiàn)兩個接線端子的快速相互連接。

　圖 3 PLC 端子設(shè)計(jì) 

    圖4所示為智能PLC的接插件端子設(shè)計(jì)，即將圖3所示的端子設(shè)計(jì)直接應(yīng)用在PLC的輸入輸出接口上，包括電源輸入端子(Power IN)、數(shù)字量輸入端子(DI IN)、數(shù)字量輸出端子(DO OUT)、通訊端子(COMMUNICATION)、運(yùn)動控制端子(MOTION)等。

圖 4 智能 PLC 的接插件端子設(shè)計(jì)

　　(3)通訊方案設(shè)計(jì)

　　圖5所示是RS23 2串口通訊方案的電路，主要用于1：1通訊。

    RS485通訊方案的電路如圖6所示，主要用于1：N通訊，可以連接大部分的現(xiàn)場設(shè)備。

圖 5 RS232 電路圖

圖 6 RS485 電路圖

　　以太網(wǎng)通訊方案的電路如圖7所示，采用CMC芯片內(nèi)部集成的2路以太網(wǎng)MAC，采用RMII接口，通訊速率10M/100M，其RJ45內(nèi)部已集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器，隔離電壓1500V。

　　圖 7 以太網(wǎng)通訊電路圖

圖 8 伺服控制系統(tǒng)組成原理圖

圖 9 硬件組態(tài)配置項(xiàng)

　　其他還可以設(shè)計(jì)CAN通訊方案、USB通訊方案等， 其中USB通訊需要通過USB轉(zhuǎn)UART方式接入CMC芯片， 由于CMC芯片只有兩個串口， 在選用串口功能時需合理分配。

　　3 自研智能PLC在運(yùn)動控制中的應(yīng)用

　　運(yùn)動控制是非標(biāo)自動化設(shè)備的最重要功能，它指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)。它可以進(jìn)行步進(jìn)控制或伺服控制，圖8所示為伺服控制系統(tǒng)組成原理圖，它包括控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和位置檢測反饋元件。伺服驅(qū)動器通過執(zhí)行控制器的指令來控制伺服電機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動機(jī)械裝備的運(yùn)動部件(這里指的是絲杠工作臺)，實(shí)現(xiàn)對裝備的速度、轉(zhuǎn)矩和位置控制。這里面的控制器就可以選用自研智能PLC，主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。

       如圖9所示是運(yùn)動控制中的硬件組態(tài)配置項(xiàng)設(shè)置， 具體包括基本信息、設(shè)備版本、工作模式、串口配置、CAN配置、網(wǎng)絡(luò)配置、Mod Bus RTU配置、Mod Bus TCP配置和特殊I/O配置等。

　　圖10所示為運(yùn)動控制案例程序，具體說明如下：

　　程序段1： MCP初始化功能塊，主要用于配置MCP 運(yùn)行時的一些重要參數(shù),具體參考功能塊手冊， 該功能塊只需調(diào)上電用一次，如一直調(diào)用會造成MCP一直處于初

　　始化狀態(tài)造成各軸無法正常運(yùn)行。

　　程序段2：當(dāng)KEY_DINGWEI置位TRUE后，X軸以絕對定位方式以1000的速度運(yùn)行到2500(即PULS變量) 的位置，功能塊只需觸發(fā)一次。

　　程序段3：通過調(diào)用MC_Getpostion1來獲取當(dāng)前的xyz位置值。

　圖 10 運(yùn)動控制程序

　　4 總結(jié)

　　隨著目前制造業(yè)就業(yè)市場用工荒的持續(xù)，機(jī)器換人已經(jīng)成為了每個企業(yè)迫在眉睫的“剛需”，因此國內(nèi)市場對PLC進(jìn)行技術(shù)改造的需求大幅度提高，采用國產(chǎn)自研PLC 存在以下幾點(diǎn)競爭優(yōu)勢：

　　(1)需求優(yōu)勢

　　國產(chǎn)自研P LC能夠確切了解國內(nèi)中小企業(yè)用戶的需求，并適時地根據(jù)用戶的要求開發(fā)、生產(chǎn)適銷對路的PLC 產(chǎn)品來滿足非標(biāo)自動化的需求，這一點(diǎn)對于“機(jī)器換人” 非常重要。

　　(2)產(chǎn)品定制優(yōu)勢

　　由于是完全本地化的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)支持， 國產(chǎn)自研PLC可以根據(jù)用戶的特殊需求定制個性化產(chǎn)品。在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，有些OEM用戶希望在一個PLC模塊上同時具有繼電器輸出和晶體管輸出，一般通用PLC不能提供的特殊需求，自研PLC可以快速為用戶專門定制。

　　(3)成本優(yōu)勢

　　由于是完全本地化的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和技術(shù)支持， 國產(chǎn)自研PLC具有較大的成本優(yōu)勢，這種成本優(yōu)勢直接轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品價(jià)格優(yōu)勢。