PLC可编程控制器产品

一.可编程控制器：自动化控制

1.1 可编程控制器是什么

可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统;它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程

例如:汽车制造生产线，PLC可控制机械手臂的精准动作，完成零部件的抓取、焊接、组装等工序；在化工生产中，能实时监测和调节反应温度、压力、流量等参数，确保生产过程的安全和高效

在制造业、能源、交通、医疗等多个领域的广泛应用。在制造业中，实现生产自动化，提高生产效率和产品质量；在能源领域，用于电力系统的监控和调度、石油化工的生产控制；在交通方面，可控制交通信号灯、实现轨道交通的自动化运行；在医疗行业，协助医疗设备的精准控制和医院环境的自动化管理

1.2 发展历程与应用领域

在工业自动化发展的早期阶段，传统的继电器控制系统占据主导地位；随着工业生产规模的不断扩大和生产工艺的日益复杂，继电器控制系统逐渐暴露出诸多局限性，灵活性极差，当生产流程需要调整时，往往需要重新布线和更换大量硬件，耗时费力；同时，可靠性也欠佳，大量的机械触点在频繁开合过程中容易出现故障

随着PLC的发展，为规范编程软件和应用程序开发，国际电工委员会（IEC）于1982年启动PLC标准规范开发，1992年完成并推出PLC编程语言标准IEC1131-3，1994年更名为IEC61131-3，统一了多种编程语言。同时，PLC的硬件和软件也实现了多样化发展，不同品牌和型号的PLC产品能够满足各种不同的工业控制需求。

进入21世纪，随着物联网、大数据、云计算等新兴技术的兴起，PLC技术也迎来了新的发展机遇

PLC开始与这些新技术深度融合，具备了数据分析、远程监控、设备集成等功能。同时，PLC的编程环境日益友好，支持多种编程语言和开发工具，还出现了图形化编程向导、多语言支持以及AI辅助编程等创新功能，降低了编程难度，提高了开发效率

二.可编程控制器的产品行业标准

2.1 国际标准解读

国际上关于可编程控制器的主要标准，如IEC 61131系列标准

该系列标准是可编程控制器领域最为重要的国际标准，涵盖了可编程控制器的通用信息、编程语言、通信、功能安全等多个方面，为全球范围内的PLC产品设计、生产和应用提供了统一的规范和准则 

分析这些标准对产品设计、生产和应用的规范作用；在产品设计阶段，指导厂家遵循标准要求进行硬件和软件设计，确保产品的性能和质量；生产过程中，保证产品符合标准规定的各项指标，提高产品的可靠性和稳定性；应用层面，使得不同厂家的PLC产品能够在统一的标准下实现互联互通和互操作性，方便用户进行系统集成和应用开发

2.2 国内标准与国际标准的对比与融合

国内可编程控制器相关标准的制定情况，如GB/T39007-2020《基于可编程控制器的工业机器人运动控制规范》等

国内标准在参考国际标准的基础上，结合我国国情和产业发展需求，对PLC在特定领域的应用进行了规范和指导，促进了国内PLC产业的健康发展

对比国内标准与国际标准的异同点，分析国内标准如何与国际标准接轨和融合

在一些关键技术指标和基本要求上，国内标准与国际标准保持一致，以确保国内产品能够满足国际市场的需求；同时，针对国内特殊的应用场景和产业特点，国内标准也制定了一些具有针对性的条款和规范，体现了中国特色。通过积极参与国际标准的制定和修订工作，加强与国际标准化组织的交流与合作，推动国内标准与国际标准的深度融合，提升我国在可编程控制器领域的国际话语权

三.可编程控制器的硬件结构剖析

3.1 核心硬件组件解析

CPU模块是可编程控制器的核心部件，主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成

微处理器负责执行用户程序，进行逻辑运算、算术运算和数据处理等操作；存储器则用于存储程序和数据，包括系统程序存储器和用户程序存储器

I/O模块是连接外部现场设备和CPU模块的桥梁，分为输入模块和输出模块。输入模块用于接收和采集来自外部设备的各种信号，如按钮、传感器等的开关量信号和电位器、变送器等的模拟量信号；输出模块则将CPU模块处理后的控制信号输出到外部执行机构，如：继电器、接触器、调节阀

输入输出信号的处理方式和电气隔离措施；在I/O模块中，通过光电耦合器、光电可控硅、小型继电器等器件实现外部输入电路和负载的电气隔离，有效防止外部干扰信号对CPU模块的影响，提高系统的抗干扰能力和可靠性。对于模拟量输入输出信号，通常还需要进行信号调理和模数/数模转换等处理，以满足CPU模块的处理要求

3.2 电源模块与其他辅助硬件

电源模块

为可编程控制器提供稳定的电源供应，通常可使用220V交流电源或24V直流电源。它不仅为CPU模块、I/O模块等内部电路供电，还可为外部输入电路和一些电子检测装置提供所需的直流电源

电源模块的稳定性对系统运行的重要性。稳定的电源是保证PLC正常工作的基础，电源波动或干扰可能导致系统故障、数据错误甚至硬件损坏。因此，电源模块通常具备过压保护、过流保护、滤波等功能，以确保输出电源的稳定性和纯净度，为系统的可靠运行提供有力保障

辅助硬件

编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监控，方便用户进行程序开发和系统维护；存储卡可用于存储用户程序、数据记录等信息，实现数据的备份和转移；通信模块则负责PLC与其他设备之间的通信，如与上位机、其他PLC、智能仪表等进行数据交换和远程控制

这些辅助硬件如何协同工作，提升可编程控制器的整体性能。它们与核心硬件组件相互配合，编程器和存储卡方便了用户对程序和数据的管理，通信模块实现了系统的网络化和智能化，使得PLC能够与其他设备组成复杂的控制系统，实现更高级的自动化控制功能，从而提升了可编程控制器的整体性能和应用范围

四.EMC电磁兼容行业标准内容

4.1 EMC电磁兼容的基本概念

EMC（电磁兼容）的定义

设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力;它包括两个方面：一是设备自身具备抗电磁干扰的能力，二是设备产生的电磁骚扰不影响其他设备的正常工作 

随着电子设备的广泛应用和电磁环境的日益复杂，EMC问题变得愈发关键;如果电子设备不具备良好的电磁兼容性，可能会在运行过程中受到其他设备的电磁干扰而出现故障，同时自身产生的电磁干扰也可能影响周围其他设备的正常运行，甚至对整个系统的稳定性和可靠性造成威胁。因此，确保电子设备的电磁兼容性是保障其正常运行和系统稳定的必要条件

4.2 可编程控制器行业标准中的EMC具体要求

可编程控制器相关标准中对EMC的测试项目和指标要求，如:静电放电抗扰度、射频辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、传导发射、辐射发射等测试项目

对于静电放电抗扰度，规定了设备在遭受静电放电时应能保持正常工作，不出现数据错误、死机等异常现象

射频辐射抗扰度要求设备在一定强度的射频辐射环境下仍能稳定运行等 

通过对这些测试项目和指标的严格要求，使得可编程控制器在设计和生产过程中充分考虑电磁兼容性问题，采取有效的屏蔽、滤波、接地等措施，提高设备的抗干扰能力和抑制自身电磁骚扰的能力，从而确保其在工业现场等复杂电磁环境下能够可靠地运行，准确地执行控制任务，避免因电磁干扰而导致的生产事故和经济损失

4.3 GB/T39007 与IEC61131 对EMC要求对比

标准号	GB/T 39007-2020	IEC 61131-2:2017
EMC 要求性质	间接（依赖 GB/T 39004-2020 等外部标准）	直接规定发射与抗扰度限值及测试方法
适用领域	工业机器人运动控制，可扩展至医疗辅助设备	工业控制设备（PLC、PAC 等），不直接覆盖医疗设备
医疗场景合规	需额外遵循 GB 9706.1/YY 9706.102 等医疗标准	需结合 IEC 60601-1-2 等医疗设备标准
测试严格性	按工业标准（如 GB 4824），较医疗标准宽松	按工业标准（如 CISPR 11），较医疗标准宽松

发射限值：传导骚扰（150kHz~30 MHz）和辐射骚扰（30MHz~1GHz）需符合CISPR 11（工业、科学和医疗设备或CISPR 32（信息技术设备）的限值

谐波电流（IEC61000-3-2）和电压波动（IEC61000-3-3)需满足相应标准。

抗扰度要求：静电放电（±6 kV接触 /±8 kV空气）、射频电磁场（10V/m，80MHz~2.5GHz）、电快速瞬变脉冲群（±2 kV）等测试需通过 IEC 61000-4 系列标准

特殊场景要求：针对工业环境，新增 2.7GHz~6GHz 频段的射频抗扰度测试，以应对无线通信设备的干扰

五.电子部分电磁兼容行业痛点

5.1 常见的电磁兼容问题及表现

抗干扰能力不足电子设备在复杂电磁环境下易受干扰的情况，如在医院手术室等存在大量高频设备的环境中，电子设备可能受到手术电刀、高频设备等的干扰，导致设备功能异常，如医疗设备的测量数据不准确、控制系统的误动作等 

传导发射和辐射发射超标,说明电子设备传导发射和辐射发射超标的现象，即设备通过电源线、信号线等传导方式或向周围空间辐射方式，将电磁干扰传播出去，影响同一电气网络中的其他设备或附近的电子设备正常工作

5.2 行业痛点带来的影响(安全至上）

分析电磁兼容问题对电子设备可靠性、稳定性和使用寿命的影响; 

电磁干扰可能使电子设备内部的电路产生误动作、数据错误，从而降低设备的可靠性和稳定性；

长期处于电磁干扰环境中，还可能加速电子元件的老化和损坏，缩短设备的使用寿命 

举例: 医疗、航空航天、交通等，电磁兼容问题可能引发的严重后果;在医疗领域，电磁干扰可能导致医疗设备的测量结果不准确，影响医生的诊断和治疗决策，甚至危及患者的生命安全；在航空航天领域，电磁干扰可能干扰飞行器的导航、通信和控制系统，引发飞行事故；在交通领域，电磁干扰可能影响交通信号系统、列车控制系统等，导致交通混乱和事故发生。这些案例充分说明了电磁兼容问题在关键领域的严重性和危害性，必须引起足够的重视和关注

六.电磁兼容问题解决方案

6.1 硬件层面的解决方案

滤波技术

滤波技术在抑制电磁干扰方面的作用，通过在电源线路、信号线路上安装滤波器，滤除高频干扰信号;电源滤波器可有效抑制电源线上的传导干扰，防止外部电源干扰进入设备内部，同时也可防止设备内部的电磁干扰通过电源线传播到外部；信号滤波器则用于对信号线路上的干扰进行滤波，保证信号的纯净和稳定 。

常见滤波器的类型和适用场景。常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。低通滤波器主要用于允许低频信号通过，抑制高频干扰信号，适用于电源滤波和对低频信号要求较高的场合；高通滤波器则相反，用于允许高频信号通过，抑制低频干扰，常用于射频信号处理等领域；带通滤波器只允许特定频率范围内的信号通过，可用于选频和抗干扰；带阻滤波器则用于抑制特定频率的干扰信号，常用于消除电源线上的特定频率噪声

屏蔽技术

屏蔽技术的原理和应用，如采用金属外壳、屏蔽罩等对电子设备进行屏蔽，阻挡电磁干扰的传播;金属外壳能够将电子设备内部产生的电磁干扰限制在一定范围内，防止其向外辐射；屏蔽罩则可用于对关键电路或元件进行局部屏蔽，减少外部电磁干扰对其的影响

不同屏蔽材料和结构的特点及效果。常见的屏蔽材料有铜、铝、铁等金属，它们具有良好的导电性和导磁性，能够有效地反射和吸收电磁干扰

屏蔽结构的设计也很关键，如屏蔽层的厚度、接缝的处理、通风孔的大小和位置等都会影响屏蔽效果。例如:采用多层屏蔽结构可以进一步提高屏蔽效能，对屏蔽层的接缝进行良好的电气连接可以避免电磁泄漏

6.2 软件层面的解决方案

优化电路设计

通过优化电路设计来提高电磁兼容性的方法，如合理布局电路元件、缩短信号传输线长度、减少信号交叉干扰等;合理的电路布局可以减少电磁干扰的产生和传播路径，将易受干扰的元件和电路与干扰源分开，降低干扰的影响；缩短信号传输线长度可以减少信号传输过程中的损耗和干扰；避免信号交叉干扰可以提高信号的完整性和可靠性

软件工具在电路设计中的应用，如使用电子设计自动化（EDA）软件进行电路仿真和优化;EDA软件可以对电路进行各种仿真分析，如电磁兼容性仿真、信号完整性仿真等，通过仿真结果可以提前发现电路设计中存在的电磁兼容问题，并进行针对性的优化和改进。例如，在设计PCB时，利用EDA软件可以对电路板的布局、布线进行优化，模拟不同布局和布线方案下的电磁干扰情况，选择最优的设计方案，从而提高电路的电磁兼容性

智能算法与控制策略

智能算法在电磁兼容中的应用，如自适应滤波算法、智能控制策略等，以提高设备对电磁干扰的自适应能力和抗干扰性能;自适应滤波算法可以根据电磁环境的变化自动调整滤波器的参数，实时有效地抑制干扰信号；智能控制策略可以根据设备的运行状态和电磁环境的变化，自动调整设备的工作模式和参数，优化设备的电磁兼容性 

分析这些软件层面解决方案的优势和发展前景,软件层面的解决方案具有灵活性高、可扩展性强、成本低等优势，可以在不改变硬件结构的前提下，通过软件升级和优化来提高设备的电磁兼容性;随着人工智能、大数据等技术的不断发展，软件层面的解决方案将不断创新和完善，为电磁兼容问题的解决提供更加高效、智能的方法，具有广阔的发展前景。未来，智能算法和控制策略有望在更多领域得到应用，进一步提升电子设备的电磁兼容性和可靠性

6.3 BUCK电路设计

BUCK电路:BUCK电路是一种降压型直流-直流变换电路，通过开关器件的周期性通断实现电压转换。其核心结构由开关管、电感、续流二极管和滤波电容组成，利用电感储能与释放的原理实现降压功能。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
PMS0660-100M0T	功率电感	BUCK电路	存储释放能量	0660
SS36	SCHOTTKY	BUCK电路	续流	SMA

6.4 USB-Type-C接口EMC及热插拔可靠性设计

USB-Type-C 接口:USB-Type-C接口具有高速数据传输能力，广泛应用于机器人与外部存储设备、传感器等的连接。其高速模式下的数据传输速率可达10Gbps，能快速传输大量数据，如机器人视觉图像数据；具备即插即用特性，方便用户随时连接和更换设备，提高机器人使用的便捷性，在各类机器人应用场景中发挥着关键作用。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
ESD0524P	ESD	USB接口	浪涌、静电	DFN2510
ESDLC5V0D3B	ESD	USB接口	浪涌、静电	SOD323
SMF6.5CA	TVS	USB接口	浪涌、抛负载	SOD123FL

6.5 千兆网接口EMC及热插拔可靠性设计

千兆网接口:支持有线网络连接；

千兆网接口提供稳定的网络连接，支持远程控制和数据交互。通过以太网，可实时上传工作数据至云端，接受远程指令，实现智能化远程操作；

其传输速率可达1000Mbps甚至更高，满足设备在工业自动化、智能物流等领域对高速、稳定数据传输的需求；

若是使用百兆网，可将共模电感更换为CMZ2012B-900T。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
3R090L	GDT	千兆网接口	浪涌	3RXXXL
ESDLC3V3D3B	ESD	千兆网接口	浪涌、静电	SOD323
CML3225A-510T	共模电感	千兆网接口	共模噪声	3225

6.6 DP接口设计

DP接口:DisplayPort（DP） 是由 视频电子标准协会制定的 高性能数字音视频接口，专为高分辨率显示器和多屏应用设计。

其核心特性包括：

高带宽：DisplayPort 2.0支持 77.37 Gbps（UHBR 13.5），可传输 16K@60Hz 或 8K@120Hz（DSC压缩）。

灵活扩展：支持多流传输（MST）、菊花链（Daisy Chain）及USB-C Alt Mode。

开放标准：免版权费，广泛集成于PC、显卡及专业显示设备。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
3R090L	GDT	千兆网接口	浪涌	3RXXXL
ESDLC3V3D3B	ESD	千兆网接口	浪涌、静电	SOD323
CML3225A-510T	共模电感	千兆网接口	共模噪声	3225

6.7 WIFI天线EMC及可靠性设计

WIFI天线：WIFI天线是用于传输和接收电磁波的设备，通过发射和接收电磁波实现无线通信。同时天线通过特定形状和尺寸选择性地接收或发射特定频率的电磁波，实现电信号与电磁波的相互转换。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
NRESDTLC5V0D8B	ESD	WIFI天线	浪涌、静电	DFN1006

6.8 风扇电路EMC及可靠性设计

风扇电路：风扇作为散热器是通过增强产品底部空气流动或直接抽吸内部热量来辅助散热的装置，常见类型包括底座式与抽热式。其核心功能为降低产品温度，通常采用铝合金材质以提升导热效率，并配备供电的风扇结构，部分型号支持调速功能以平衡散热与噪音。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
ESD15V0D3BH	ESD	风扇电路	浪涌、静电	SOD323
ESD5V0D8BH	ESD	风扇电路	浪涌、静电	DFN1006

6.9 复位键及其他按键EMC及可靠性设计

复位键：复位键（RESET）是电子设备中用于重新启动或恢复出厂设置的物理按键或指令，常见于电脑、路由器、智能手机等设备。其功能是在设备死机或配置错误时通过硬件或软件方式重启系统，可在不断电状态下清除运行数据。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
ESD5V0D8BH	ESD	风扇电路	浪涌、静电	DFN1006

6.10 RS-485接口EMC及可靠性设计

RS485 接口: RS-485 是一种串行通信标准，可以支持多个设备通过同一条串行总线进行通信；且适用于中长距离通信，具有较好的抗干扰能力和数据传输稳定性。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
CMZ3225A-102T	共模电感	RS485接口	抑制共模噪声	2012/3225
PBZ1608A102Z0T	磁珠	RS485接口	消除高频干扰	1608
ESD5V0APB	ESD	RS485接口	浪涌、静电	SOT23
SMAJ6.0AH	TVS	RS485接口	浪涌、静电	SMA

6.11 CAN通讯接口EMC及可靠性设计

CAN通讯接口：控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

型号	器件类型	使用位置	作用	封装
CML3225A-510T	共模电感	CAN通讯接口	抑制共模噪声	3225
PBZ1608A102Z0T	磁珠	CAN通讯接口	消除高频干扰	1608
ESD24VAPB	ESD	CAN通讯接口	浪涌、静电	SOT23