祝一铭

[摘    要]电气控制柜是自动控制的核心设备，而可编程控制器又是电气工程及其自动化的核心控制设备，所以可编程控制器是自动化控制的重中之重。为提高电气控制柜的装配质量和效率，需采用标准化可编程控制器和标准化线束装配接线。使用插箱结构体可编程控制器极大地提高了电气控制柜的装配效率，标准化线束装配接线可以有效避免装配接线错误。

[关键词]控制器;接线;质量和效率

[中图分类号]TB657 [文献标志码]A [文章编号]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

电气动力配电柜目前有GGD、GCK、MNS模块化单元电气柜，采用标准化配电控制柜结构是行业标准，PLC电气自动化控制柜采用模块化单元是将来的发展趋势。所以可编程控制器规划设计作为单元插箱结构体单元，既可以在GGD等模块化单元电气配电柜内使用，也可以在模块化电气控制柜内使用，可以极大地提高电气柜装配效率，避免接线错误，提高电气柜装配质量和效率。

1 通用型可编程控制器分类及优缺点分析

工业现场使用的可编程控制器各式各样，根据电气外观形状和性能分为模块化控制器、扩展型控制器。

1.1 模块化控制器

模块化控制器的CPU、RAM、ROM、I/O接口，程序下载口、网络接口、通讯口等集成于1块或者几块PCB板上，控制器PCB板都装配在一个整体式控制器外壳内。模块化控制器的体积外形精巧玲瓏，产品体积微小，重量轻，占用控制柜空间少。

（1）特点：集成电源处理、体积小巧、IO结构紧凑，安装方便，性能固化，价格低廉，市场应用广泛。

（2）缺点：不具有扩展IO能力，控制器的输入输出IO点数固定，无系统扩展配置功能。

1.2 扩展型控制器

为满足市场对控制器的不同需求，可编程控制器厂家推出了处理器性能更加强大、IO扩展更加便捷容易的扩展型控制器。

扩展型控制器将可编程控制器的功能区分为单元化，不同的功能制作成不同的模块，将各工作单元都制成独立的模块，供电模块单元、CPU模块单元、输入模块、输出模块、通讯模块等。CPU和各功能模块单元通过计算机总线链接，构成一套完整性能的可编程控制器PLC。

（1）特点：系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便。

（2）缺点：体积大，价格昂贵。

2 扩展型可编程控制器的插箱结构体设计的缘由

模块化控制器和扩展型控制器作为通用型控制，都需要将控制器安装在电气控制仪表柜内，需要经电气装配工人装配后才能组成一套电气控制柜使用。控制器安装在控制柜的安装板上使用，需要实施大量的二次装配工作，容易造成电气配线错误，电气装配都需要进行人工校正线路工作。

模块化控制器和扩展型控制器作为通用型控制，IO信号的处理普遍通过本体接线端子，通过电气线缆经控制柜电气端子和控制柜外部设备连接，采集外部设备信号，控制柜外部设备信号采集所需要的电源都需要经控制柜内电气端子分配。

通用型可编程控制器的IO信号灯是在控制器本体和IO模块上，在控制柜外部看不到IO信号状态指示灯，不能直观地观察各设备的运行状态。

插箱结构体可编程控制器PLC是基于工业现场总线接口的分布式模块化结构的可编程控制器，可以通过标准的以太网口、PPI接口、RS485接口等和上位计算机设备等通讯，通过CAN工业现场总线接口，CANopen协议扩展CANopen从站IO，并具备CANopen主从站功能等，具有中大型可编程控制器的IO扩展能力，并根据上位机要求控制多个数字输出量的输出状态以及多路DAC输出信号，具有编程和LED数码显示功能。

3 插箱结构体可编程控制器的系统结构

3.1 插箱结构设计

将控制器的外壳结构设计成简单的钣金插箱结构体，钣金箱体容易加工，成本低廉。内部设置7个IO扩展固定插槽位置，根据不同的IO配置需求，插入相应信号的IO模块。IO模块通过减震螺丝装配固定在IO插槽底板上，增强了插箱结构体可编程控制器的抗震性和牢固程度，见图1。

插箱结构体设计可以将可编程控制器安装在标准网络机柜、模块单元化电气控制柜上。

标准化线束配线完全避免二次接线错误，节省了人工的重复校线工作。

标准化配电型IO信号接线模组减少了配线工作量，避免了接线错误。

前面板型状态指示灯可以直观地查看可编程控制器的状态和设备的运行情况。

3.2 系统硬件设计

插箱结构体可编程控制器包括以下几个主要部分：上位机编程软件、CANOPEN组态软件、CPU核心主机、扩展IO模块部分。如图2所示。

32位处理器。用户程序采用兼容LAD语言编程。

考虑到系统程序编写的整体完整性，采用SPI总线扩展接口，最多扩展7个SPI从站插槽（模块）。

SPI从站插槽（模块）SPI从站芯片地址采取DIP开关拨码方式和主CPU板SPI地址总线选通通信。

控制板本体接口1个以太网，2个MPI/PPI接口。1个CANopen接口。

控制板本体数字输入模块：数字16点输入（支持高速输入）、数字输出模块16点输出（支持高速输）、8路AI（12BIT）0～10 V（或窜连500Ω接入0-20 mA）、 4路输出0～20 mA。

3.3 控制器基本功能介绍

（1）采用高性价嵌入式NXP-ARM微处理器作为核心芯片，软件采用LAD编程语言，易于维护，方便升级，系统具有标准CANopen接口、RS485、RJ45网络接口。

（2）可以实现多路数字量、模拟量输入信号的采集;远程改变多路数字量、模拟量输出信号。

（3）系统支持在系统编程方式。

（4）系统具有上电硬件自诊断功能，可以发现存在故障的模块，并将故障信息上传。

（5）系统采用模块式结构，扩展数量1～7个均可正常运行。

（6）电源模块采用DC/DC电路，保证设备的供电效率与宽输入供电范围。

（7）系统具有地址软件和硬件设置设定功能。

（8）系统技术路线上系统从硬件和软件上采取模块化设计。

（9）硬件采用模块化设计结构，具有分布式SPI总线IO扩展模块结构。

（10）采用NXP公司ARM系列嵌入式32位微處理器作为主控芯片，DC/DC转换芯片进行电源设计，CANopen接口芯片采用单片机自带的CAN接口，协议版本为v1.0;

（11）系统选用SPI接口、12位以上的ADC、DAC芯片实现模拟信号输入、输出。

（12）数字输入和输出量采用高速光电耦合器进行隔离。

（13）采用DIP译码器实现系统主机模块和扩展模块的地址选择。

（14）系统软件采用C语言进行模块式设计，方便维护和后续升级;用户编程采用梯形图和LD指令编程方法。

（15）所有的外围模块供电电路均设有短路保护功能。

（16）实现上位机与主机以太网通讯。

3.3.1 主机模块

PLC主机模块硬件主要由10部分组成：电源部

分、微处理器（CPU）部分、系统存储器部分、数字量输入部分、数字量输出部分、模拟量输入部分、模拟量输出部分、485通信部分、CAN通信部分、以太网通信部分。

（1）数字量输入部分。CANopen控制器主机模块具有16路源型数字量输入，为了防止外界线路产生的干扰（如尖峰电压，干扰噪声等）引起PLC的非正常工作甚至是元器件的损坏，在PLC的输入侧全部采用光耦，来切断PLC内部线路和外部线路电气上的联系，保证PLC的正常工作。并且在输入线路中都设有RC滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误信号。数字量输入部分设计有8路高速脉冲输入通道，采用TLP2361高速光耦，可计数高达30 kHz脉冲。

（2）数字量输出部分。CANopenPLC主机模块具有16路源型数字量输出，为了防止外界线路产生的干扰（如尖峰电压，干扰噪声等）引起PLC的非正常工作甚至是元器件的损坏，在PLC的输出侧全部采用光耦，来切断PLC内部线路和外部线路电气上的联系，保证PLC的正常工作。数字量输出部分采用MJD127达林顿管，输出电流可高达8 A，并且具有两路30 kHz高速脉冲输出电路用来驱动伺服或步进电机驱动器。

（3）模拟量输入部分。CANopenPLC主机模块具有8路0～10 V模拟量输入，主要采用12位8通道AD转换芯片MCP3208，采用速率可高达100 KHz。

（4）模拟量输出部分。CANopenPLC主机模块具有4路0～20 mA模拟量输出，主要采用12位4通道DA转换芯片MCP4728，每一路都带运放缓冲器。

（5）485通信部分。CANopenPLC主机模块具有2路485通信接口，内置PPI/MPI协议，也可通过库转换为MODBUS主从站协议，PPI MPI支持下载用户STEP7程序。

（6）CAN通讯部分。CANopenPLC主机模块具有1路CAN通信接口，内置标准CANopen协议，可通过拨码开关进行主从站转换，并且可通过CANconfig组态软件进行配置。

（7）以太网通信部分。CANopenPLC主机模块具有1路以太网通信接口，以太网通讯接口采用MODBUS-TCP 或者S7-TCP协议，MODBUS-TCP 服务器端支持最大8个客户连接，S7-TCP协议最大支持7个直接通讯，并且支持以太网下载程序。

3.3.2 数字量输入扩展模块

数字量输入扩展模块采用带有串行接口SPI总线的16位 I/O扩展芯片CP23S17。CP23S17的GPIO是双向I/O，即可读又可写。

地址编码芯片CR36S11（BCD 8421码）设定扩展模块地址，经74LS151八选一数据选择器译码后，将CP23S17的SPI总线MOSI MISO SCK CS 和主机模块CPU的MOSI MISO SCK CS接通。PS2801-4四通道光耦 将开关信号隔离检测，经74HC541放大后，驱动光电二极管指示灯，同时输入给MCP23S17芯片GPIO输入，MCP23S17经过地址译码芯片选择后与CPU通讯，CPU采集输入扩展IO芯片MCP23S17的输入IO状态。

3.3.3 数字量输出扩展模块

数字量输出扩展模块采用带有串行接口SPI总线的16位I/O扩展芯片CP23S17。CP23S17的GPIO是双向IO，即可读又可写。

地址编码芯片CR36S11（BCD 8421码）设定扩展模块地址，经74LS151八选一数据选择器译码后，将CP23S17的SPI总线MOSI MISO SCK CS 和主机模块CPU的MOSI MISO SCK CS接通。MCP23S17經过地址译码芯片选择SPI总线后与CPU通讯，CPU控制扩展IO芯片MCP23S17的输出IO状态，输出IO经74HC541 驱动放大后驱动光电二极管指示灯，同时驱动PS2801-4四通道光耦，PS2801-4四通道光耦再次驱动放大芯片TB62084AWG功率放大管。

3.3.4 LED数码管模块

LED采用FZH119-LED驱动16位数码管专用芯片，通过SPI总线控制显示数据。将FZH119-LED的SPI总线MOSI SCK CS 和主机模块CPU的MOSI SCK CS接通，FZH119-LED接受主机CPU的LED输出指令，控制每个LED显示寄存器的数值。

3.4 系统软件设计

系统软件采用结构化程序设计。软件设计中主要包含单片硬件初始化程序，PLC运行转化指令程序，PPI/MPI通讯程序，以太网通信程序，CANopen协议程序。软件采用模块化结构设计，分为主程序和各模块程序。

4 结束语

电气柜内使用插箱结构体可编程控制器、标准化DB线束、标准化配电型IO接线模组的标准化设计，极大提高了电气装配的生产效率，保证电气装配产品质量。

参考文献

[1] 于广，韩雪，吴桐.基于MCGS的可编程逻辑控制器仿真实训平台设计[J].自动化技术与应用，2022（2）：125-129.

[2] 梁天.基于可编程控制器的工业干衣机控制系统设计[J].机电工程技术，2022（1）：185-187，194.