基于自研智能PLC 的非標(biāo)自動化裝備應(yīng)用
文:浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張子豪 陳奕瑾 周佳懿2022年第五期
導(dǎo)語: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,采用自研智能國產(chǎn) PLC 可以在中小企業(yè)中實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”,克服“缺芯、少魂”的不利因素。本文介紹了基于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),并將該自研智能 PLC 作為控制器進(jìn)行非標(biāo)自動化裝備應(yīng)用。項(xiàng)目來源:2021 年度浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、2022 年度浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)《基于工商自研智能 PLC 的非標(biāo)自動化裝備應(yīng)用》。
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。
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