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矩形科技PLC在在特種車輛中的應用
摘要：可編程控制器（PLC）因其簡單易用、可靠性好和維修方便等優點，在眾多的特種車上負責電氣控制的工作。本文以N80系列PLC為例，分別從N80系列專門針對特種車輛開發的PLC的寬溫、抗振等待點闡述了PLC在特種車系統中應用。
一、 前言
特種車輛是針對非常規車輛的統稱，指用于牽引、清障、清掃、起重、裝卸、升降、攪拌、挖掘、推土、壓路等的各種輪式或履帶式專用車輛，或車內裝有固定專用儀器設備，從事專業工作的監測、消防、清潔、醫療、電視轉播、雷達、X光檢查等車輛。因特種車輛大多需要有動作機構，這些動作的控制大多采用PLC來完成，因特種車輛工作的環境很差，通常需要能抵抗高低溫、防水、防塵、防鹽、沖擊、振動等常規PLC無法勝任的工作。
二、 N80系列特種車輛專用PLC構成
矩形科技的N80是專為特種車輛開發的特種車用PLC，性能指標如下：
表一《電氣和環境規格表》
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電源
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AC 220 V，50/60Hz，單相；DC 24V
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電壓范圍
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AC 85 V～265 V 、DC 10～36V
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運行環境溫度
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-40℃ ～ 80℃
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儲存環境溫度
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-55℃ ～ 85℃
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防護等級
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N80-U系列：IP20
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N80-UC系列：IP67
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濕度
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5 ～ 95% （無結露）
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抗電氣噪性
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脈寬50ns，重復頻率5kHz，2,000 V電壓峰值 V
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抗振性
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每軸5.5小時，一次掃描時間15分鐘，頻率5～200~5Hz，加速度2.5g，
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抗沖擊性
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N80-U系列：30g，持續11ms，3維方向沖擊
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N80-UC系列：60g，持續11ms，3維方向沖擊
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耐高壓絕緣性
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端對地施加DC 2200V的電壓，I/O接口端對其他端施加AC 1500V、50Hz的電壓，持續1分鐘
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N80-U是在N80寬溫系列的基礎上改進而來，系統結構與N80的系統結構一致，技術指標和軟件性能也與N80一致。
該系統采用模塊化結構，由一個本體單元和多個擴展單元構成，具體的技術指標和結構參見N80的硬件手冊。不過應用戶的需要增加了一個CAN接口。
N80-U整個系統符合國軍標GJB150、GJB151A/152A
N80-U針對軍方的特殊性進行了一些改進，從而實現對高低溫運行、儲存、抗振、抗沖擊、抗電磁干抗等方面全面提升。改進項目如下：
1. 溫度范圍
原N80的設計就已考慮到軍方的應用，所以這一方面的改進相對比較容易，首先是結構材料的更換，包括PCB板材、塑料、開關、端子、繼電器將全部更換成軍用級的材料，保證在極端惡劣的環境下可靠的工作；再是電子元器件采更換為軍用級的電子元件，包括電容、光耦、繼電器在內的一些比較敏感的器件；最后是所有內部的接插件，為了適應軍標寬范圍的應用將全部選用鍍金的接插件，部分更是改成直接焊接，以減少沖擊和溫度變化造成的接觸不良等。
2. 抗沖擊、抗振動
為了能達到軍標的要求，我們在各層電路板上加灌了防火導熱抗振硅膠。
3. 防水防塵
這一項，目前各研究所均在把PLC放在一個電控箱內，防水防塵主要是在電控箱這一層解決，N80-U將沿用該方式，只是在N80模塊內加灌硅膠。
4. 抗電磁干抗
N80設計中已經充份考慮了這一點，可以滿足軍標的要求，目前的設計中有30%的成本就是用在抗干抗這個方面的。目前N80在抗快速脈沖群方面可以抵抗5KHZ、10KHZ、100KHZ的快速脈沖群達3000V之高。其它的如靜電、雷擊方面也比進口的同類的產品要強很多。
5. 寬電源范圍
直流輸入范圍可達DC18~36V，交流輸入范圍可達AC85~265V。
電子硅膠的特點：
專業設計：該產品專門根據電子，電器及其他應用需求設計開發，品質恒定。
優良電氣特性：該產品是最理想的電氣及電子產品的絕緣密封材料，即使用於溫度及濕度常有變化的場所也能 保有穩定的電氣特性。
耐熱、耐寒特性：該產品使用溫度范圍廣泛，適用於-50℃～250℃。連續使用時從-40℃～180℃，也能保持穩定性能
耐候性：該產品具有優越抗紫外線、臭氧、水分、鹽霧、霉菌等特性，既使在戶外使用三十年也幾乎不變質。
抗震性：具有彈性機能，吸收振動及激震，保護電氣及電子零件、玻璃等易脆物質。
化學性能穩定：和一般有機橡膠比較，抗化學物質及油劑特性特別優越。同時，有些產品絕不腐蝕金屬
產品種類豐富：種類頗多，有耐燃性，有超級耐熱性產品，也有除去低分子量有機矽產品。專業為電子，電器及一般工業設計的硅膠產品，獲得多種國際認證，例如：保險商實驗室(UL)、美軍規范(MIL)等等。
三、 通信接口與協議
有多個通信接口其中一個RS232、三個RS485和一個CAN接口，CAN接口可編程支持J1939協議和CANOPEN協議，所有的串口均支持ModBus主從協議以及自定義協議，可以支持聯網通信，CAN接口是應***所的要求增加的，用戶層協議還需要用戶確認，我們建議采用ModBus的數據鏈路層作為用戶接口層，另外暫定PLC是從設備。
通信接口的選擇：
1、 數字量IO通信
因為數字量IO的輸出一般是繼電器或晶體管輸出，會存在抖動和時延的問題，造成誤判和誤動。同時數字量IO的輸入也是經過光耦進入CPU的，同樣存在抖動和時延的問題。
一般大家為了增強數字量IO口的抗干擾能力會在輸入輸出上加上下拉電阻，當然也是可以起到一定作用的，但無法從根本上解決，如果選擇的匹配太強了，還會造成光耦的提前老化，從而使產品壽命減短。一般該通信方式的通信速度不應超過10HZ，因為PLC的標準IO口的濾波時間是10mS，再加上雙方之間的錯位與時延應為10mS*3=30mS以上，如果用戶的程序周期比較長或者不穩定時間可能更長，其通信距離應控制在10m以內。
2、RS232通信
因為RS232是電平通信方式，無法抗共模干擾，對于現在的復雜電磁環境，這是一個很致命的問題，所以在工控上一般要求RS232線不要超過10米，即使如此RS232仍不適合作長時間高可靠要求的通信。RS232的通信速率一般在19200以下才能在現場環境可靠通信。
3、RS485通信
RS485是差分通信方式，可以有效的抗共模干擾，RS485是許多種現場總線的物理層，包括ModBus、ProfiBus等。RS485的通信速率為1200至12M之間，通信距離為9公里以內，與通信速率相關，如果波特率為1.2M則通信距離要在300m以內。
4、CAN通信
CAN是為汽車傳感器開發的專用現場總線，目前在其它工控現場也得到了廣泛的應用。它的優點是速度較快，同時可靠性較高，但單幀的通信量比較低，無效字符占的比例較多。
四、 總結：
N80軍用系列優勢：
1、 填補國內空白
解決了各種特種車、火炮、戰車、雷達等對國外產品的依賴，從根本上解決用民用級PLC開發軍用產品的情況。
2、 增強的防解密功能；
有兩個加密等級，第二級加密將從協議一層屏蔽程序的上傳功能，防止非正常的上傳程序。
3、 可根據用戶的需要定制功能塊和定制軟硬件；
4、 長期的元件庫存，定貨周期只需要2~6周；
5、 支持運行態在線編程，便于現場維護和升級；
6、 完全的自主知識產權，包括核心解析芯片在內的所有軟硬件均可以根據用戶的需要進行定制。
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