1 前言

　　非標自動化生產裝備是高端裝備的典型代表之一，是發(fā)展先進制造技術實現(xiàn)生產線的數(shù)字化、網絡化和智能化的重要手段，是實現(xiàn)產業(yè)結構優(yōu)化升級的工業(yè)基礎，其最大優(yōu)勢在于解決生產的高效性和一致性問題，成為產業(yè)結構調整不可或缺的一環(huán)。作為智能制造，尤其是高端裝備的基礎元器件——PLC(可編程控制器)已經成為國家的“卡脖子”工程，今年“缺芯、少魂”的現(xiàn)象尤其嚴重。目前國內主流PLC品牌包括西門子、三菱等進口品牌和信捷、匯川等國產品牌已經占據(jù)了各自的市場，但隨著美國貿易制裁引起的芯片荒在PLC市場也刮了“漲價潮”，進口PLC的產品價格也跟風漲價，導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比，開始嘗試采用國產品牌或自研PLC來進行轉型。本文采用由中控微電子有限公司開發(fā)的全國產工控芯片——CMC芯片來進行自研智能PLC的設計，并作為控制器進行非標自動化裝備的應用。

　　2 自研智能PLC的設計

　　自研智能PLC的設計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。它由內部總線和功能模塊組成。內部總線包括片內高速總線和片內低速總線，功能模塊包括公共資源、控制運算、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、實時鐘、看門狗、DMA控制器等，控制運算包括系統(tǒng)管理、邏輯控制和運動控制，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)接插件端子設計

　　由于非標設備可能產生意外的振動導致端子接線不牢固，因此需要根據(jù)實際請進行改變自研PLC控制器接的線端子。圖3所示的端子設計中，每組前導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構，適用于軟線或硬線連接，且能實現(xiàn)兩個接線端子的快速相互連接。

　圖 3 PLC 端子設計 

    圖4所示為智能PLC的接插件端子設計，即將圖3所示的端子設計直接應用在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)、運動控制端子(MOTION)等。

圖 4 智能 PLC 的接插件端子設計

　　(3)通訊方案設計

　　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)場設備。

圖 5 RS232 電路圖

圖 6 RS485 電路圖

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

　　圖 7 以太網通訊電路圖

圖 8 伺服控制系統(tǒng)組成原理圖

圖 9 硬件組態(tài)配置項

　　其他還可以設計CAN通訊方案、USB通訊方案等， 其中USB通訊需要通過USB轉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在運動控制中的應用

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

       如圖9所示是運動控制中的硬件組態(tài)配置項設置， 具體包括基本信息、設備版本、工作模式、串口配置、CAN配置、網絡配置、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， 該功能塊只需調上電用一次，如一直調用會造成MCP一直處于初

　　始化狀態(tài)造成各軸無法正常運行。

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

　　程序段3：通過調用MC_Getpostion1來獲取當前的xyz位置值。

　圖 10 運動控制程序

　　4 總結

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

　　(1)需求優(yōu)勢

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

　　(2)產品定制優(yōu)勢

　　由于是完全本地化的研發(fā)、生產、銷售和技術支持， 國產自研PLC可以根據(jù)用戶的特殊需求定制個性化產品。在實際調研中發(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、銷售和技術支持， 國產自研PLC具有較大的成本優(yōu)勢，這種成本優(yōu)勢直接轉變?yōu)楫a品價格優(yōu)勢。