插箱結(jié)構(gòu)體可編程控制器的技術(shù)及應(yīng)用

祝一銘

[摘? ? 要]電氣控制柜是自動(dòng)控制的核心設(shè)備，而可編程控制器又是電氣工程及其自動(dòng)化的核心控制設(shè)備，所以可編程控制器是自動(dòng)化控制的重中之重。為提高電氣控制柜的裝配質(zhì)量和效率，需采用標(biāo)準(zhǔn)化可編程控制器和標(biāo)準(zhǔn)化線束裝配接線。使用插箱結(jié)構(gòu)體可編程控制器極大地提高了電氣控制柜的裝配效率，標(biāo)準(zhǔn)化線束裝配接線可以有效避免裝配接線錯(cuò)誤。

[關(guān)鍵詞]控制器;接線;質(zhì)量和效率

[中圖分類號(hào)]TB657 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）02–00–03

The Technology and Application of the Programmable Controller of the Box Structure

Zhu Yi-ming

[Abstract]The electrical control cabinet is the core equipment of automatic control， and the programmable controller is the core controller equipment of electrical engineering and its automation， so the programmable controller is the top priority of automatic control. In order to improve the assembly quality and efficiency of the electrical control cabinet， standardized programmable controllers and standardized wiring harnesses are required for assembly and wiring. The use of the sub-box structure programmable controller greatly improves the assembly efficiency of the electrical control cabinet， and the standardized wiring harness assembly wiring can effectively avoid assembly wiring errors.

[Keywords]controller; connection; quality and efficiency

電氣動(dòng)力配電柜目前有GGD、GCK、MNS模塊化單元電氣柜，采用標(biāo)準(zhǔn)化配電控制柜結(jié)構(gòu)是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，PLC電氣自動(dòng)化控制柜采用模塊化單元是將來的發(fā)展趨勢。所以可編程控制器規(guī)劃設(shè)計(jì)作為單元插箱結(jié)構(gòu)體單元，既可以在GGD等模塊化單元電氣配電柜內(nèi)使用，也可以在模塊化電氣控制柜內(nèi)使用，可以極大地提高電氣柜裝配效率，避免接線錯(cuò)誤，提高電氣柜裝配質(zhì)量和效率。

1 通用型可編程控制器分類及優(yōu)缺點(diǎn)分析

工業(yè)現(xiàn)場使用的可編程控制器各式各樣，根據(jù)電氣外觀形狀和性能分為模塊化控制器、擴(kuò)展型控制器。

1.1 模塊化控制器

模塊化控制器的CPU、RAM、ROM、I/O接口，程序下載口、網(wǎng)絡(luò)接口、通訊口等集成于1塊或者幾塊PCB板上，控制器PCB板都裝配在一個(gè)整體式控制器外殼內(nèi)。模塊化控制器的體積外形精巧玲瓏，產(chǎn)品體積微小，重量輕，占用控制柜空間少。

（1）特點(diǎn)：集成電源處理、體積小巧、IO結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，性能固化，價(jià)格低廉，市場應(yīng)用廣泛。

（2）缺點(diǎn)：不具有擴(kuò)展IO能力，控制器的輸入輸出IO點(diǎn)數(shù)固定，無系統(tǒng)擴(kuò)展配置功能。

1.2 擴(kuò)展型控制器

為滿足市場對控制器的不同需求，可編程控制器廠家推出了處理器性能更加強(qiáng)大、IO擴(kuò)展更加便捷容易的擴(kuò)展型控制器。

擴(kuò)展型控制器將可編程控制器的功能區(qū)分為單元化，不同的功能制作成不同的模塊，將各工作單元都制成獨(dú)立的模塊，供電模塊單元、CPU模塊單元、輸入模塊、輸出模塊、通訊模塊等。CPU和各功能模塊單元通過計(jì)算機(jī)總線鏈接，構(gòu)成一套完整性能的可編程控制器PLC。

（1）特點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)成非常靈活，安裝、擴(kuò)展、維修都很方便。

（2）缺點(diǎn)：體積大，價(jià)格昂貴。

2 擴(kuò)展型可編程控制器的插箱結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)的緣由

模塊化控制器和擴(kuò)展型控制器作為通用型控制，都需要將控制器安裝在電氣控制儀表柜內(nèi)，需要經(jīng)電氣裝配工人裝配后才能組成一套電氣控制柜使用?？刂破靼惭b在控制柜的安裝板上使用，需要實(shí)施大量的二次裝配工作，容易造成電氣配線錯(cuò)誤，電氣裝配都需要進(jìn)行人工校正線路工作。

模塊化控制器和擴(kuò)展型控制器作為通用型控制，IO信號(hào)的處理普遍通過本體接線端子，通過電氣線纜經(jīng)控制柜電氣端子和控制柜外部設(shè)備連接，采集外部設(shè)備信號(hào)，控制柜外部設(shè)備信號(hào)采集所需要的電源都需要經(jīng)控制柜內(nèi)電氣端子分配。

通用型可編程控制器的IO信號(hào)燈是在控制器本體和IO模塊上，在控制柜外部看不到IO信號(hào)狀態(tài)指示燈，不能直觀地觀察各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

插箱結(jié)構(gòu)體可編程控制器PLC是基于工業(yè)現(xiàn)場總線接口的分布式模塊化結(jié)構(gòu)的可編程控制器，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口、PPI接口、RS485接口等和上位計(jì)算機(jī)設(shè)備等通訊，通過CAN工業(yè)現(xiàn)場總線接口，CANopen協(xié)議擴(kuò)展CANopen從站IO，并具備CANopen主從站功能等，具有中大型可編程控制器的IO擴(kuò)展能力，并根據(jù)上位機(jī)要求控制多個(gè)數(shù)字輸出量的輸出狀態(tài)以及多路DAC輸出信號(hào)，具有編程和LED數(shù)碼顯示功能。

3 插箱結(jié)構(gòu)體可編程控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 插箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將控制器的外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成簡單的鈑金插箱結(jié)構(gòu)體，鈑金箱體容易加工，成本低廉。內(nèi)部設(shè)置7個(gè)IO擴(kuò)展固定插槽位置，根據(jù)不同的IO配置需求，插入相應(yīng)信號(hào)的IO模塊。IO模塊通過減震螺絲裝配固定在IO插槽底板上，增強(qiáng)了插箱結(jié)構(gòu)體可編程控制器的抗震性和牢固程度，見圖1。

插箱結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)可以將可編程控制器安裝在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、模塊單元化電氣控制柜上。

標(biāo)準(zhǔn)化線束配線完全避免二次接線錯(cuò)誤，節(jié)省了人工的重復(fù)校線工作。

標(biāo)準(zhǔn)化配電型IO信號(hào)接線模組減少了配線工作量，避免了接線錯(cuò)誤。

前面板型狀態(tài)指示燈可以直觀地查看可編程控制器的狀態(tài)和設(shè)備的運(yùn)行情況。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

插箱結(jié)構(gòu)體可編程控制器包括以下幾個(gè)主要部分：上位機(jī)編程軟件、CANOPEN組態(tài)軟件、CPU核心主機(jī)、擴(kuò)展IO模塊部分。如圖2所示。

32位處理器。用戶程序采用兼容LAD語言編程。

考慮到系統(tǒng)程序編寫的整體完整性，采用SPI總線擴(kuò)展接口，最多擴(kuò)展7個(gè)SPI從站插槽（模塊）。

SPI從站插槽（模塊）SPI從站芯片地址采取DIP開關(guān)撥碼方式和主CPU板SPI地址總線選通通信。

控制板本體接口1個(gè)以太網(wǎng)，2個(gè)MPI/PPI接口。1個(gè)CANopen接口。

控制板本體數(shù)字輸入模塊：數(shù)字16點(diǎn)輸入（支持高速輸入）、數(shù)字輸出模塊16點(diǎn)輸出（支持高速輸）、8路AI（12BIT）0～10 V（或竄連500Ω接入0-20 mA）、 4路輸出0～20 mA。

3.3 控制器基本功能介紹

（1）采用高性價(jià)嵌入式NXP-ARM微處理器作為核心芯片，軟件采用LAD編程語言，易于維護(hù)，方便升級(jí)，系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)CANopen接口、RS485、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口。

（2）可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)字量、模擬量輸入信號(hào)的采集;遠(yuǎn)程改變多路數(shù)字量、模擬量輸出信號(hào)。

（3）系統(tǒng)支持在系統(tǒng)編程方式。

（4）系統(tǒng)具有上電硬件自診斷功能，可以發(fā)現(xiàn)存在故障的模塊，并將故障信息上傳。

（5）系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展數(shù)量1～7個(gè)均可正常運(yùn)行。

（6）電源模塊采用DC/DC電路，保證設(shè)備的供電效率與寬輸入供電范圍。

（7）系統(tǒng)具有地址軟件和硬件設(shè)置設(shè)定功能。

（8）系統(tǒng)技術(shù)路線上系統(tǒng)從硬件和軟件上采取模塊化設(shè)計(jì)。

（9）硬件采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有分布式SPI總線IO擴(kuò)展模塊結(jié)構(gòu)。

（10）采用NXP公司ARM系列嵌入式32位微處理器作為主控芯片，DC/DC轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，CANopen接口芯片采用單片機(jī)自帶的CAN接口，協(xié)議版本為v1.0;

（11）系統(tǒng)選用SPI接口、12位以上的ADC、DAC芯片實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)輸入、輸出。

（12）數(shù)字輸入和輸出量采用高速光電耦合器進(jìn)行隔離。

（13）采用DIP譯碼器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主機(jī)模塊和擴(kuò)展模塊的地址選擇。

（14）系統(tǒng)軟件采用C語言進(jìn)行模塊式設(shè)計(jì)，方便維護(hù)和后續(xù)升級(jí);用戶編程采用梯形圖和LD指令編程方法。

（15）所有的外圍模塊供電電路均設(shè)有短路保護(hù)功能。

（16）實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與主機(jī)以太網(wǎng)通訊。

3.3.1 主機(jī)模塊

PLC主機(jī)模塊硬件主要由10部分組成：電源部

分、微處理器（CPU）部分、系統(tǒng)存儲(chǔ)器部分、數(shù)字量輸入部分、數(shù)字量輸出部分、模擬量輸入部分、模擬量輸出部分、485通信部分、CAN通信部分、以太網(wǎng)通信部分。

（1）數(shù)字量輸入部分。CANopen控制器主機(jī)模塊具有16路源型數(shù)字量輸入，為了防止外界線路產(chǎn)生的干擾（如尖峰電壓，干擾噪聲等）引起PLC的非正常工作甚至是元器件的損壞，在PLC的輸入側(cè)全部采用光耦，來切斷PLC內(nèi)部線路和外部線路電氣上的聯(lián)系，保證PLC的正常工作。并且在輸入線路中都設(shè)有RC濾波電路，以防止由于輸入點(diǎn)抖動(dòng)或外部干擾脈沖引起的錯(cuò)誤信號(hào)。數(shù)字量輸入部分設(shè)計(jì)有8路高速脈沖輸入通道，采用TLP2361高速光耦，可計(jì)數(shù)高達(dá)30 kHz脈沖。

（2）數(shù)字量輸出部分。CANopenPLC主機(jī)模塊具有16路源型數(shù)字量輸出，為了防止外界線路產(chǎn)生的干擾（如尖峰電壓，干擾噪聲等）引起PLC的非正常工作甚至是元器件的損壞，在PLC的輸出側(cè)全部采用光耦，來切斷PLC內(nèi)部線路和外部線路電氣上的聯(lián)系，保證PLC的正常工作。數(shù)字量輸出部分采用MJD127達(dá)林頓管，輸出電流可高達(dá)8 A，并且具有兩路30 kHz高速脈沖輸出電路用來驅(qū)動(dòng)伺服或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

（3）模擬量輸入部分。CANopenPLC主機(jī)模塊具有8路0～10 V模擬量輸入，主要采用12位8通道AD轉(zhuǎn)換芯片MCP3208，采用速率可高達(dá)100 KHz。

（4）模擬量輸出部分。CANopenPLC主機(jī)模塊具有4路0～20 mA模擬量輸出，主要采用12位4通道DA轉(zhuǎn)換芯片MCP4728，每一路都帶運(yùn)放緩沖器。

（5）485通信部分。CANopenPLC主機(jī)模塊具有2路485通信接口，內(nèi)置PPI/MPI協(xié)議，也可通過庫轉(zhuǎn)換為MODBUS主從站協(xié)議，PPI MPI支持下載用戶STEP7程序。

（6）CAN通訊部分。CANopenPLC主機(jī)模塊具有1路CAN通信接口，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)CANopen協(xié)議，可通過撥碼開關(guān)進(jìn)行主從站轉(zhuǎn)換，并且可通過CANconfig組態(tài)軟件進(jìn)行配置。

（7）以太網(wǎng)通信部分。CANopenPLC主機(jī)模塊具有1路以太網(wǎng)通信接口，以太網(wǎng)通訊接口采用MODBUS-TCP 或者S7-TCP協(xié)議，MODBUS-TCP 服務(wù)器端支持最大8個(gè)客戶連接，S7-TCP協(xié)議最大支持7個(gè)直接通訊，并且支持以太網(wǎng)下載程序。

3.3.2 數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊

數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊采用帶有串行接口SPI總線的16位 I/O擴(kuò)展芯片CP23S17。CP23S17的GPIO是雙向I/O，即可讀又可寫。

地址編碼芯片CR36S11（BCD 8421碼）設(shè)定擴(kuò)展模塊地址，經(jīng)74LS151八選一數(shù)據(jù)選擇器譯碼后，將CP23S17的SPI總線MOSI MISO SCK CS 和主機(jī)模塊CPU的MOSI MISO SCK CS接通。PS2801-4四通道光耦 將開關(guān)信號(hào)隔離檢測，經(jīng)74HC541放大后，驅(qū)動(dòng)光電二極管指示燈，同時(shí)輸入給MCP23S17芯片GPIO輸入，MCP23S17經(jīng)過地址譯碼芯片選擇后與CPU通訊，CPU采集輸入擴(kuò)展IO芯片MCP23S17的輸入IO狀態(tài)。

3.3.3 數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊

數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊采用帶有串行接口SPI總線的16位I/O擴(kuò)展芯片CP23S17。CP23S17的GPIO是雙向IO，即可讀又可寫。

地址編碼芯片CR36S11（BCD 8421碼）設(shè)定擴(kuò)展模塊地址，經(jīng)74LS151八選一數(shù)據(jù)選擇器譯碼后，將CP23S17的SPI總線MOSI MISO SCK CS 和主機(jī)模塊CPU的MOSI MISO SCK CS接通。MCP23S17經(jīng)過地址譯碼芯片選擇SPI總線后與CPU通訊，CPU控制擴(kuò)展IO芯片MCP23S17的輸出IO狀態(tài)，輸出IO經(jīng)74HC541 驅(qū)動(dòng)放大后驅(qū)動(dòng)光電二極管指示燈，同時(shí)驅(qū)動(dòng)PS2801-4四通道光耦，PS2801-4四通道光耦再次驅(qū)動(dòng)放大芯片TB62084AWG功率放大管。

3.3.4 LED數(shù)碼管模塊

LED采用FZH119-LED驅(qū)動(dòng)16位數(shù)碼管專用芯片，通過SPI總線控制顯示數(shù)據(jù)。將FZH119-LED的SPI總線MOSI SCK CS 和主機(jī)模塊CPU的MOSI SCK CS接通，F(xiàn)ZH119-LED接受主機(jī)CPU的LED輸出指令，控制每個(gè)LED顯示寄存器的數(shù)值。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中主要包含單片硬件初始化程序，PLC運(yùn)行轉(zhuǎn)化指令程序，PPI/MPI通訊程序，以太網(wǎng)通信程序，CANopen協(xié)議程序。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為主程序和各模塊程序。

4 結(jié)束語

電氣柜內(nèi)使用插箱結(jié)構(gòu)體可編程控制器、標(biāo)準(zhǔn)化DB線束、標(biāo)準(zhǔn)化配電型IO接線模組的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，極大提高了電氣裝配的生產(chǎn)效率，保證電氣裝配產(chǎn)品質(zhì)量。

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