插箱結構體可編程控制器的技術及應用

祝一銘

[摘? ? 要]電氣控制柜是自動控制的核心設備，而可編程控制器又是電氣工程及其自動化的核心控制設備，所以可編程控制器是自動化控制的重中之重。為提高電氣控制柜的裝配質量和效率，需采用標準化可編程控制器和標準化線束裝配接線。使用插箱結構體可編程控制器極大地提高了電氣控制柜的裝配效率，標準化線束裝配接線可以有效避免裝配接線錯誤。

[關鍵詞]控制器;接線;質量和效率

[中圖分類號]TB657 [文獻標志碼]A [文章編號]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

電氣動力配電柜目前有GGD、GCK、MNS模塊化單元電氣柜，采用標準化配電控制柜結構是行業標準，PLC電氣自動化控制柜采用模塊化單元是將來的發展趨勢。所以可編程控制器規劃設計作為單元插箱結構體單元，既可以在GGD等模塊化單元電氣配電柜內使用，也可以在模塊化電氣控制柜內使用，可以極大地提高電氣柜裝配效率，避免接線錯誤，提高電氣柜裝配質量和效率。

1 通用型可編程控制器分類及優缺點分析

工業現場使用的可編程控制器各式各樣，根據電氣外觀形狀和性能分為模塊化控制器、擴展型控制器。

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、網絡接口、通訊口等集成于1塊或者幾塊PCB板上，控制器PCB板都裝配在一個整體式控制器外殼內。模塊化控制器的體積外形精巧玲瓏，產品體積微小，重量輕，占用控制柜空間少。

（1）特點：集成電源處理、體積小巧、IO結構緊湊，安裝方便，性能固化，價格低廉，市場應用廣泛。

（2）缺點：不具有擴展IO能力，控制器的輸入輸出IO點數固定，無系統擴展配置功能。

1.2 擴展型控制器

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大、IO擴展更加便捷容易的擴展型控制器。

擴展型控制器將可編程控制器的功能區分為單元化，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算機總線鏈接，構成一套完整性能的可編程控制器PLC。

（1）特點：系統構成非常靈活，安裝、擴展、維修都很方便。

（2）缺點：體積大，價格昂貴。

2 擴展型可編程控制器的插箱結構體設計的緣由

模塊化控制器和擴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，需要經電氣裝配工人裝配后才能組成一套電氣控制柜使用。控制器安裝在控制柜的安裝板上使用，需要實施大量的二次裝配工作，容易造成電氣配線錯誤，電氣裝配都需要進行人工校正線路工作。

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

通用型可編程控制器的IO信號燈是在控制器本體和IO模塊上，在控制柜外部看不到IO信號狀態指示燈，不能直觀地觀察各設備的運行狀態。

插箱結構體可編程控制器PLC是基于工業現場總線接口的分布式模塊化結構的可編程控制器，可以通過標準的以太網口、PPI接口、RS485接口等和上位計算機設備等通訊，通過CAN工業現場總線接口，CANopen協議擴展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擴展能力，并根據上位機要求控制多個數字輸出量的輸出狀態以及多路DAC輸出信號，具有編程和LED數碼顯示功能。

3 插箱結構體可編程控制器的系統結構

3.1 插箱結構設計

將控制器的外殼結構設計成簡單的鈑金插箱結構體，鈑金箱體容易加工，成本低廉。內部設置7個IO擴展固定插槽位置，根據不同的IO配置需求，插入相應信號的IO模塊。IO模塊通過減震螺絲裝配固定在IO插槽底板上，增強了插箱結構體可編程控制器的抗震性和牢固程度，見圖1。

插箱結構體設計可以將可編程控制器安裝在標準網絡機柜、模塊單元化電氣控制柜上。

標準化線束配線完全避免二次接線錯誤，節省了人工的重復校線工作。

標準化配電型IO信號接線模組減少了配線工作量，避免了接線錯誤。

前面板型狀態指示燈可以直觀地查看可編程控制器的狀態和設備的運行情況。

3.2 系統硬件設計

插箱結構體可編程控制器包括以下幾個主要部分：上位機編程軟件、CANOPEN組態軟件、CPU核心主機、擴展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。

考慮到系統程序編寫的整體完整性，采用SPI總線擴展接口，最多擴展7個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個以太網，2個MPI/PPI接口。1個CANopen接口。

控制板本體數字輸入模塊：數字16點輸入（支持高速輸入）、數字輸出模塊16點輸出（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，方便升級，系統具有標準CANopen接口、RS485、RJ45網絡接口。

（2）可以實現多路數字量、模擬量輸入信號的采集;遠程改變多路數字量、模擬量輸出信號。

（3）系統支持在系統編程方式。

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

（5）系統采用模塊式結構，擴展數量1～7個均可正常運行。

（6）電源模塊采用DC/DC電路，保證設備的供電效率與寬輸入供電范圍。

（7）系統具有地址軟件和硬件設置設定功能。

（8）系統技術路線上系統從硬件和軟件上采取模塊化設計。

（9）硬件采用模塊化設計結構，具有分布式SPI總線IO擴展模塊結構。

（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轉換芯片進行電源設計，CANopen接口芯片采用單片機自帶的CAN接口，協議版本為v1.0;

（11）系統選用SPI接口、12位以上的ADC、DAC芯片實現模擬信號輸入、輸出。

（12）數字輸入和輸出量采用高速光電耦合器進行隔離。

（13）采用DIP譯碼器實現系統主機模塊和擴展模塊的地址選擇。

（14）系統軟件采用C語言進行模塊式設計，方便維護和后續升級;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有短路保護功能。

（16）實現上位機與主機以太網通訊。

3.3.1 主機模塊

PLC主機模塊硬件主要由10部分組成：電源部

分、微處理器（CPU）部分、系統存儲器部分、數字量輸入部分、數字量輸出部分、模擬量輸入部分、模擬量輸出部分、485通信部分、CAN通信部分、以太網通信部分。

（1）數字量輸入部分。CANopen控制器主機模塊具有16路源型數字量輸入，為了防止外界線路產生的干擾（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的輸入側全部采用光耦，來切斷PLC內部線路和外部線路電氣上的聯系，保證PLC的正常工作。并且在輸入線路中都設有RC濾波電路，以防止由于輸入點抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤信號。數字量輸入部分設計有8路高速脈沖輸入通道，采用TLP2361高速光耦，可計數高達30 kHz脈沖。

（2）數字量輸出部分。CANopenPLC主機模塊具有16路源型數字量輸出，為了防止外界線路產生的干擾（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的輸出側全部采用光耦，來切斷PLC內部線路和外部線路電氣上的聯系，保證PLC的正常工作。數字量輸出部分采用MJD127達林頓管，輸出電流可高達8 A，并且具有兩路30 kHz高速脈沖輸出電路用來驅動伺服或步進電機驅動器。

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

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

（5）485通信部分。CANopenPLC主機模塊具有2路485通信接口，內置PPI/MPI協議，也可通過庫轉換為MODBUS主從站協議，PPI MPI支持下載用戶STEP7程序。

（6）CAN通訊部分。CANopenPLC主機模塊具有1路CAN通信接口，內置標準CANopen協議，可通過撥碼開關進行主從站轉換，并且可通過CANconfig組態軟件進行配置。

（7）以太網通信部分。CANopenPLC主機模塊具有1路以太網通信接口，以太網通訊接口采用MODBUS-TCP 或者S7-TCP協議，MODBUS-TCP 服務器端支持最大8個客戶連接，S7-TCP協議最大支持7個直接通訊，并且支持以太網下載程序。

3.3.2 數字量輸入擴展模塊

數字量輸入擴展模塊采用帶有串行接口SPI總線的16位 I/O擴展芯片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）設定擴展模塊地址，經74LS151八選一數據選擇器譯碼后，將CP23S17的SPI總線MOSI MISO SCK CS 和主機模塊CPU的MOSI MISO SCK CS接通。PS2801-4四通道光耦 將開關信號隔離檢測，經74HC541放大后，驅動光電二極管指示燈，同時輸入給MCP23S17芯片GPIO輸入，MCP23S17經過地址譯碼芯片選擇后與CPU通訊，CPU采集輸入擴展IO芯片MCP23S17的輸入IO狀態。

3.3.3 數字量輸出擴展模塊

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

地址編碼芯片CR36S11（BCD 8421碼）設定擴展模塊地址，經74LS151八選一數據選擇器譯碼后，將CP23S17的SPI總線MOSI MISO SCK CS 和主機模塊CPU的MOSI MISO SCK CS接通。MCP23S17經過地址譯碼芯片選擇SPI總線后與CPU通訊，CPU控制擴展IO芯片MCP23S17的輸出IO狀態，輸出IO經74HC541 驅動放大后驅動光電二極管指示燈，同時驅動PS2801-4四通道光耦，PS2801-4四通道光耦再次驅動放大芯片TB62084AWG功率放大管。

3.3.4 LED數碼管模塊

LED采用FZH119-LED驅動16位數碼管專用芯片，通過SPI總線控制顯示數據。將FZH119-LED的SPI總線MOSI SCK CS 和主機模塊CPU的MOSI SCK CS接通，FZH119-LED接受主機CPU的LED輸出指令，控制每個LED顯示寄存器的數值。

3.4 系統軟件設計

系統軟件采用結構化程序設計。軟件設計中主要包含單片硬件初始化程序，PLC運行轉化指令程序，PPI/MPI通訊程序，以太網通信程序，CANopen協議程序。軟件采用模塊化結構設計，分為主程序和各模塊程序。

4 結束語

電氣柜內使用插箱結構體可編程控制器、標準化DB線束、標準化配電型IO接線模組的標準化設計，極大提高了電氣裝配的生產效率，保證電氣裝配產品質量。

參考文獻

[1] 于廣，韓雪，吳桐.基于MCGS的可編程邏輯控制器仿真實訓平臺設計[J].自動化技術與應用，2022（2）：125-129.

[2] 梁天.基于可編程控制器的工業干衣機控制系統設計[J].機電工程技術，2022（1）：185-187，194.