（机械设计及理论专业论文）数字化折页机上位机控制系统设计.pdf

摘要 摘要 本文咀混合式数字化折页机控制系统为研究对象，从电机调速方法、计算机 控制策略、数据通讯和软件设计等几个方面展开了对混合式折页机控制系统的研 究。完成了上位机对下位机系统的控制，达到了数字化改造的目的，基本适应现 代印后工艺自动化要求。 首先在分析、比较国内外折页机控制系统发展现况的基础上，从折页工艺对 过程控制的要求出发，确定了控制系统的总体方案，采用工控机与p l c 、单片机 主从控制的模式。主电机控制采用变频调速的方法。为了提高控制性能，对速度 控制系统建立了简化模型。 讨论了系统通讯实现方式，并根据控制需要提出了上位机与下位机之间基于 r s 4 8 5 的串口通讯以实现不同的通讯要求。 从混合式折页机折页原理、机械结构出发，我们确定了1 4 种标准折页模式。 并分别给出了各个模式的折页方法、参数大小。并预留了一种自定义模式，以适 应特殊折页要求。 提供了触摸屏接口模式下图形化控制界面，提高了设备现场操作的简单性。 关键词折页机；数据库；数据通讯；p l c 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t a c t t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h er e s e a r c ho fc e n t r e ls y s t e mo fc o m p o s i t ef o l d o u t m a c h i n ei nt e r m so fm o t o rs p e e dc o n t r o lt h e o r y , c o m p u t e rc o n t r 0 1 d a t a c o m m u n i c a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g ne t c t h ec e n t r e ls y s t e mo fm a s t e rm a c h i n ew e d e s i g n e dc a nc o n t r o lt h es l a v em a c h i n es u c c e s s f i l l l v f i r s t l y , b a s e do nd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e mo ft h ep r e s sa th o m ea n da b r o a d t h er t x i u i r e m c n to ff o l d o u tm a c h i n ew a sc h a n g e d t h ea r c h i t e c t o r eo fs p e e dc o n t r o l s y s t e ma n dt h ed c h e m eo fp l c ，s c ma n di p cm a s t e r - s l a v ec o n t r o ls y s t e ma r e p r e s e n t e d m a i nm o t o rd r i v e nb yf r e q u e n c yc o n v e r t e ri sa d o p t e d i no r d e rt oi m p r o v e c o n t r o lp e r f o r m a n c e , m a t h e m a t i c a lm o d e lo f s p e e dc o n t r o ls y s t e mi s # v a n s e c o n d l y , t h em o d eo fc o m m u n i c a t i o ni sc o n s i d e r e d a c o r d i n gt ot h es y s t e m r s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dp r o t o c o li se d o p e dt ob eu s e db c t w np ca n d p l c t c i v 口c o m m u n i c a t i o na n dp r o t o c o li st h eo t h e rm o d eu s e di nm a n a g e m e t s y s t e m a n dt h e n ，b a s e do nt h et h e o r yo f f o l d o u ta n dt h es t r u c t u r eo f m a c h i n e , 1 4m o d e s o f f o l d o u ta r eu s e d b e s i d e st h a tt h ep a r a m e t e r so f e a c hm o d ea r eg i v e d ：f i n a l l y , t h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e m sd e v e l o p e d t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sa p r o t o c 0 1a n df l o wc h a r to fd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ci nf r e e p o r tm o d ea n d 口cs e r i a lp o r t , m u l t i - t h r e a dm e c h a n i s mf o rp r o m o t i n go p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n d r e l i 幽m t yo fs o f t w a r e i ta l s od e s i g n sag r a p h i ci n t e r f a c eb yt o u c h i n g - o ns c r e c l lt o m a k em a n i p u l a t e ds i m p l y k e y w o r d s f o l d o u tm a c h i n e ；d a t a b a s e ；d a t ac o m m u n i c a t i o n ；p l c i i 独创- 性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名茜，博日期：塑2 ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：董! 土塑导师签名日期：婴z 1 1 概述 第1 章绪论 将印刷好的大幅面书页，按照页码顺序和开本的大小，折叠成书贴的过程， 叫做折页1 1 】。在书籍制作过程中，书帖、衬页、封面、插页等的制作需要进行折 页。对于单张结构的印刷品，如游览图、说明书等也需要进行折页，折页是装订 工作的第一道工序，是装订的基础。折页的方法有手工折页和机器折页两种。单 张纸印刷的大幅面印张，都需要经过手工或折页机页才能成为书帖。 用手工把印完的印张按页码顺序和规定的幅面，折成书帖，称为手工折页。 随着装订机械化程度的提高，手工折页在书刊印刷厂中用得越来越少，目前只有 印数较少的书籍、零头书页、尾数补救、返修，还有一些特殊折法的书帖要用手 工来完成【2 】。 机器折页是把待折的印张，按照页码顺序和规定的幅面，用机器折叠成书帖。 目前常用的折页机都是由给纸装置、折页机构和收帖机构三个部分组成【3 1 。 给纸装置主要是担负着分离和输送纸张的任务，能准确地将印刷页输送到折 页部分。折页机构是将给纸装置输送来的印刷页按开本的幅面，依页码顺序折叠 成书帖。收纸机构是将折成的书帖有规律地进行堆积。 。 数字化折页机系统的上位机就是对以上三部分进行间接控制，实现折页工艺 的自动化。 1 1 1 国内外折页机的发展现状 随着短版印刷、个性化印刷和按需印刷需求的迅猛发展，集印前、印刷和 印后加工于一体的理念得到印刷业界的广泛认同。c i p 3 组织( 印前、印刷及印 后集成化国际合作组织) 致力于推动整个印刷行业朝着交工期更紧、作业周期 更短的方向发展，其目标是通过数字化印刷工作流程实现印前、印刷及印后加 工的一体化集成。 在国外，主流印刷企业已开始选用具有数字化功能的印前、印刷和印帚加 工设备，并通过数字化流程及相应的网络化环境实现了印前、印刷及印后加工 的一体化集成。印刷数字化已成为印励行业发展的必然趋势。 为适应印刷工业发展的新需求，在印后加工设备方面国外印届! 设备制造公 司近年推出的折页机产品的重要技术特征之一是机电一体化集成复和自功。匕程 度两，这些产品在操作过程中人工干预环节少，调整准备时间短，极丈地提高 北京工业大学工学硕士学位论文 了生产效率和经济效益。上述功能的实现主要得益于采用了如网络通讯、数控 技术、总线技术、检测监控和人机界面等各种技术的集成以及性能可靠的运动 执行单元。此外，基于网络的数字化工艺流程技术的应用是高端折页机产品所 具有的又一显著特征，通过采用c i p 3 标准及符合j d f 规范的数字化工艺流程接 口技术后，可通过网络及数字化工艺流程与印前和印中设备集成，在高自动化 基础上实现折页机的网络化数字控制和管理。在采用相关标准和接口后，能实 现基于网络的远程全机自动设定和在线调整f 4 j 。 国产折页机产品的种类比较齐全，可基本满足各种加工需求。但产品的机 电一体化集成度和自动化程度相对较低，在使用过程中人工调整环节较多、调 整时间长，设备的工作效率不高。与国外产品相比，国产折页机的市场优势主 要在中低端产品，在国际市场的竞争力不强。此外，目前尚无投入应用的自主 研发的自动化数字控制折页机产品。因此，采用各种新技术提高国产折页机的 自动化程度、开发基于网络的折页机数字化工艺流程接口技术并实现与网络工 艺流程的连接应是国产折页机产品的发展方向【卯。 1 1 2 折页机的发展趋势 为迎合印刷市场的高速发展，全球主要装订设备生产商以实现活件从印前到 印后的无缝转换为目标，都推出了高自动化的折页设备及适应c p 3 c i p 4 标准的 折页机生产线。这些高端折页设备大多具备以下4 个共同特征。 ( 1 ) 操作界面更友好，设置方式更便捷。 ( 2 ) 标准化作业的智能化设置，标准化作业的自动设置功能是现代折页设备 的另一个主要特征。 ( 3 ) 与c 1 p 3 c i p 4 标准相贯通，装订环节中，除切纸机外，c i p 3 c i p 4 标准很 少被成功应用，但是目前已有许多新型折页机正在逐步适应这项标准。c i p 3 c i p 4 标准将被广泛应用在印后加工流程中，使印前、印刷、印后三大环节得到最大程 度的整合。目前，控制系统可通过网络实现折页机与印前及印刷设备之间的信息 传递；另外，能够直接输出印后加工信息。 ( 4 ) 联机加工功能增多，简单的平行折只能满足市场的一般需要，随着按需 印刷和个性化印刷需求的不断增长，越来越多的印刷企业开始投资带有各种联机 加工能力的折页设备，即在折页的基础上，增加压痕、穿孔、纵切、上胶、喷墨 印刷等工亭，以扩大企业的业务范围，减少外加工业务量降。旺尘声哎本缔辐 生产周期。另一方面，客户以电子方式递交p d f 格式文件的业务量增大，在缩 短生产周期，提高经济效益的基础上，也需要投资多功能的印岳加工设备6 】 _ 【8 1 。 具体表现在以下几个方面。 第l 章绪论 ( 1 ) 控制系统 折页机上有多种控制器可供选择，能够自动测定纸张规格，计算吸气长度和 走纸间距，并可对印张的输送过程实施电子监控。控制系统整合了操作系统、维 护诊断系统和多功能批量计数器三大功能。其中，批量计数器的功能可以延伸到 生产监视和报表制作中，自动计算和优化折刀的让刀量，并对折刀进行调整。 ( 2 ) 作业准备系统 作业准备系统可对折页作业进行自动设置，大幅缩短了作业准备时间。其主 要功能有：自动设置栅栏板；内置多种标准折页方案和多种用户自定义折页方案； 用于设置栅栏板、纵切分纸轴、走纸间距的电子化操作指南；通过终端和监视器 即可完成所有操作。 ( 3 ) 触摸式可视控制系统 触摸式可视控制系统为微处理器控制系统，将机器控制、生产监视和机器调 整三大系统集成为一个控制管理系统。计数器功能、图像操作模式、大幅面折叠 插页控制以及r a p i d s e t 系统全部整合在该系统中。 操作员可对机器进行监视控制，并能查阅以p d f 格式存储在系统中的操作 手册、零部件目录、电路图等相关技术资料。而且，还能对较复杂的折叠作业以 简单的方式进行最快速的设置，根据屏幕的提示内容，通过控制面板确定折页方 案，然后输入纸张规格，最后由后台智能化系统对整个机组的速度、纸张问隙、 吸气长度等进行计算和优化设置。 系统中的“实时活件数据”可用于安排、监视和检查每天的生产情况。在当前 的活件进入正常运转以后，可对下一个活件数据进行预置。生产数据返回系统后， 可用于精确核算活件的生产成本，并由此计算出后续工序所需的生产时间。活件 加工完成后，可将实时统计数据发送到硬盘存储器储存，也可通过电子邮件发送 到任何一个地方。在生产过程中，可通过终端，对所有折页设备进行设置，最大 程度地减少停机时间。 通过触摸式可视控制系统，可以采用多种方式创建活件文件，对于再加工活 件可以从数据库中直接读取；对于新活件，可以从设计中心输出、从内存折页方 案目录中选取或从数字化工作流程中获取，也可通过外部光盘或电子邮件提取。 数据管理器还是一个可用于远程访问和控制的开放式数据库管理系统，建立 在w i n d o w s 操作平台上。利用数据管理器软件，可将m b o 折页机集成到一个与 c i p 3 c 1 p 4 和j d f 兼容的工作流程中，实现办公室的电脑终端与装订车间的多台 折页机之问的j 奎谈。虚过j d f 投衣或了叫e j 。x ，；吾饥j 。巾。系：允匝再勺歧备进 行对话，交换来自系统或印前环节的活件数据和预设数据。例如，可接收来自克 早嘎s y n a p s e u p f r o n tp l a n n e r 封f 皈软件i ，五佴：霄；i 、o 种巧i t 控专。系j t 毛 i 页机中最先进的作业监视控制系统。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 课题来源及研究目的 近年来，国外计算机直接制版机、数字化印刷机、数字化印后设备及数字 化印刷工作流程技术已发展成熟，并能为市场提供实用化的数字化印刷设备。 国外已有许多印刷企业选用了具有网络数字化控制功能的印前、印刷和印后加 工设备，并通过数字化工作流程实现了印前、印刷及印后加工的一体化集成。 市场调研显示，数字化印刷设备已在国外印刷行业开始进入普及应用阶段。 与国外相比，我国数字化印刷设备的研发尚处于起步阶段，研发力量及技 术水平与国外均有相当大的差距：国内印刷设备制造业如不尽快加大投入开发 自有知识产权的数字化印刷设备及相关的各项新技术，与国外厂商在高端印刷 设备方面的技术差距将会被进一步拉大。 印后加工是印品印前和印刷加工的后续环节，其特点是加工的工艺形式及 加工设各具有多样性( 如折页机、配页机、锁线机、模切机、切纸机、胶订机、 包本机、骑马装订机等) 。在印后加工操作过程中，人工干预环节较多、设备 调整和准备的时间较长，使印后加工成为印品加工全过程中的低效率环节。因 此，提高印后加工设备的自动化程度并与通过数字化工作流程与印前和印中加 工设备集成以减少人工操作环节、提高工作效率是印后加工设备的发展趋势。 本课题属北京市科技计划发展项目“数字化印刷技术及装备”的子课题， 课题的目标是以典型印后加工设备折页机为对象进行自动化数字控制开 发，用上位机控制系统来实现折页机与印刷流程中其它设备的信息通讯，最终 通过数字化工艺流程实现与印前和印中设备的集成。可用上位机控制下位机 ( p l c ) 完成折页机的机械系统的运动控制与检测等。 1 。3 本文的研究内容 对以p c 为上位机的混合式折页机( m b o 公司) 控制系统进行上位机控制 系统开发，通过折页参数计算、状态监控、工程项目管理等软件模块开发及常 用折页模式的设计，研制出操作较为简单、功能比较齐全的上位机控制系统。 系统需要达到以下目标： ( 1 ) 预设1 5 种折页模式，可自动设置折页单元的位置参数，实现纸张的运 动路径的自动设定。 l 2 ，运动构件拄韦。软件模块丌发x 矗釜h ：一。j 土乏、i ：；瓦达速麦、折 辊、导纸杆、栅栏、电控折刀及挡规等的位置的调整。 ( 3 实现l 了数扼；赢程接口自：连按 第1 章绪论 ( 4 ) 工程项目管理模块开发，对各个工程项目参数进行记录、修改、删除 和提取等。 ( 5 ) 机器工作状态监测模块开发，机器工作故障报警和记录。 研究技术关键与创新点： 1 对下位机数字控制系统的协调调度及纸张预置软件模块开发 2 上下位机之间的数据接收与解释。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章控制系统的总体设计 2 1 控制系统结构 整个机器由机械部分、计算机控制系统、p l c 控制系统、单片机检测系统四 部分组成。控制系统组成原理图如图2 1 所示 图2 - 1 控制系统组成原理图 f i g 2 - 1t h ef r a m e w o r ko f c o n t r o ls y s t e m 机械部分：以五栅栏混合式折页机为基础对栅栏、挡规进行改造，增加步进 电机驱动装置及同步带传动装置等。 计算机控制部分：主要功能是计算与管理折页参数，控制下位机。采用触摸 屏作为人机接口设备。计算机作为上位机，p l c 与单片机为下位机。上位机与下 位机之间采用2 个r s 4 8 5 网络通讯，单片机位于网络l ，p l c 位于网络2 。 p l c 控制部分：又分为主p l c 控制部分和辅p l c 控制部分。主p l c 控制部 分是在原有p l c 控制部分基础上改进，功能是完成对主电机、给纸系统、折刀、 空气泵的控制。辅p l c 控制部分用来控制1 3 个步进电机，实现机器各栅栏、挡 规的预制操作。 单片机检测部分：对机器是否卡纸进行检测，如果卡纸则触发继电器使机器 立即停止并将卡纸信息通过r s 4 8 5 串口通讯传递给上位机。同时单片机还负责 向上位机传递进出纸信息。 选p c 机为主控台参数输入及通汛，以太网文件交换，每台p l c 带2 个步迸 马达驱动器，v c 一+ 编程开发操作界面，独立操控台的硬件接 j 馀了负担人帆介 第2 章控制系统的总体设计 面，同时负责下层各控制器通讯工作及状态接受，通讯媒介由r s 4 8 5 双绞线。 以太网口收发参数文件、工作日志、故障诊断( i n t e r n e t ) w e b 形式参数设置。 2 2 折页机的控制要求 折页模式 参数设定 输入量( 通 过屏幕手工 输入或网络 传递) 根据模式 判定哪些 梳工作。并 给出梳上 规的位置 规控制 上梳i ( 电机) 上梳2 ( 电机) 下梳l ( 电机) 下梳2 ( 电机) 小撬( 电机) 飞达的控制( 飞达进给纸的长度和递纸时间间 图2 - 2 折页预制要求 f i g ，2 - 2t h ef r a m e ：, a r ko f c o n t r o ls s t e m 折页机控制可分为手动控制部分和自动控制部分。手动控制部分包括调整 吸纸嘴位置、折辊压力调整和界刀安装等，自动拧制则包括音c 分预嵩! 挣拶幻状 态监控等。 自动控制预制部分如图2 - 2 所示，上位机需要对各个折页模式下的f 8 j ：三、挡 规、折刀和飞达等进行参数设置。这些参数可以由工厂管理系统网络输入，也可 以由现场工人输入。同时由于机器在折页过程中可能会发生构件位置偏离，所以 系统要可以在开机工作状态下对各参数微调。如：挡规位置微调或者清零归位等。 自动控制状态监控部分主要包括故障报警和折页数量控制等。故障报警功能 要能对机器可能出现的卡纸、缺纸和通讯故障报警并记录。折页数量控制包括总 数控制、批量控制和折页时间间隙等。 2 2 1 上位机要控制的机器预制控制系统工作模块 上位机控制模块完成机器工作前的自动预制。自动预制的控制对象包括折 辊显示值、折刀、栅栏、挡规等。如图2 ：- 2 所示。 涉及到的主要参数有： ( 1 ) 纸张幅面大小，即纸张的长、宽尺寸( 单位：毫米) ； ( 2 ) 折页模式； ( 3 ) 速度( 单位：米分钟) ； ( 4 ) 堆量设定( 若不设定，取默认值) ； ( 5 ) 堆距设定( 若不设定，取默认值) ； ( 6 ) 折页帖数设定( 若不设定具体值，机器一直执行到没有纸张为止) ； ( 7 ) 栅栏、挡规( 单位：毫米) 。 这些参数是以折页模式作为单位相互匹配的，在预制时对各个具体参数要 在对应模式下考虑才有实际意义。 2 2 2 检测功能 上位机在工作过程中要对机器工作状态进行检测。并对各种可能的出错信 息进行分析给出解决方案。这些检测控制包括下列几个方面： ( 1 ) 在走纸过程中，有卡纸情况立即停车。实现办法：在折页或纸张行进 过程中安装多个光电传感器，若纸张停留超过一定时间，判断纸张被 卡，发出停机指令。 ( 2 ) 缺纸停车，在无人看管的情况下机器可自动判断有无纸张，缺纸时机 器停止并提示添加书帖。 ( 3 ) 屏幕实时显示工作速度、进入纸张数、输出帖数等数据。 2 3 上位机控制方案 系统果嗣工业控南! 汁算机尺p l c 主l 、控系统p l c 弓i 算 _ 维台通过 串行端口传输数据而构或的计算机数字控靓系统，对于传输距离比较近的现场控 第2 苹控制系统的总体设计 制，是一种性能价格比较优越的数控解决方案。其优点是： ( 1 ) 充分利用了p l c 抗干扰能力强，适用于工业现场的特点，又利用了工控 机数据处理功能强的优势，两者结合，可提高系统的自动化程度，且可进行预测 控制、定时控制和应用复杂的智能控制策略【1 2 】。 ( 2 ) 在现场级与p l c 配合完成各种功能的模块己经非常成熟，可以最大限度 地利用现有的资源，还可通过p l c 的通信接口和模块进行通信，这无疑为大规 模定制生产提供可能【h l 。 ( 3 ) 可以灵活构成高、低档次的控制系统，并可以采用一台高性能工控机带 多台p l c 的控制网络，充分发挥设备性能【1 5 】。 在分析各种方案的优缺点后，决定采用工业控制计算机及p l c 主从控制方 式。 2 4 软件平台的选择 2 4 1 应用组态软件 组态软件是一种专用的工控软件，在p l c 控制系统中常采用组态软件开发 人机界面j 它具有以下特点： ( 1 ) 当前的组态软件的组态环境与w i n d o w s n t 的风格一致，系统操作是在 直观基础上使用视窗标准，并且有多媒体自学软件，详细的在线帮助，独特的组 态向导，对象图形库( 含有通用图形块，可用拖放方式放置在屏幕的任何位置) ， 易于使用，可以减少培训周期和设计时间。 ( 2 ) 在线组态能够在没有中断当前的过程控制和监控的条件下，实现现场组 态。 ( 3 ) 全集成自动化提供了数据存储和通讯的一致性，与p l c 编程软件紧密结 合，可以缩短项目开发周期。 ( 4 ) 内含i p 的连接，是企业数据整体中的一个组成部分。不仅有自动化的过 程，而且还可通过标准的接口o d b c ，s q l 进行企业管理数据的准备( 差错恢复规 程，e r p 企业资源计划等) 。但是，对于简单系统或小规模控制系统来说，组态 软件的开发版本和运行版本的购买费用将不容忽视，并且软件的大部分功能未曾 使用，造成功能浪费【1 6 】。 2 4 ，2 应用v c 自主开发 佳日c 一编程软件目主开发，可以根据控制系统的要求，灵活实现相i 互的功 北京工业大学工学硕士学位论文 能模块，具有自主版权，并可以节约生产成本。但是，对开发者要求较高，开发 时间较长。 由于本控制系统规模较小和成本的限制，通过比较以上方案，故选择应用 c + + 编程软件自主开发，以m i c r o s o f tv i s u a lc + + 结合p l c 编程软件g p p w 为编 程平台。 2 5 控制系统的硬件设计 2 5 1 各控制子系统 混合式折页机控制系统采用工业控制计算机及p l c 联合控制方式。硬件包 括速度控制子系统、位置控制子系统和辅助设备( 如触摸屏) 等组成。速度控制子 系统通过变频器控制交流电机的转速，改变皮带传动速度。位置控制子系统通过 控制步进电机实现对各挡规的位置控制。 2 。5 2r s 2 3 2 - 一r s 4 8 5 转换器 r s 2 3 2 - - r s 4 8 5 转换器系列，用于将工控机的r s 2 3 2 接口转换为r s 4 8 5 接 口。r s 4 8 5 相比r s 2 3 2 而言具有传输距离远，可半双工等特点。再配上p l c 傲 的r s 4 8 5 通讯模块。使得r s 4 8 5 通讯口，具有光电隔离、防静电、抗雷击和延 长通讯距离等功能。使用大大提高通讯系统特别是r s 4 8 5 网络系统的抗干扰能 力、可靠性和安全性性能，其电源取自p l c 的通讯口而无需外接电源，插头的 型号与信号的引脚定义与三菱f x 系列p l c 的通讯口完全相同，从而保证了使 用时不需改变通讯接线，即插即用。 2 5 3 人机接口一触摸屏的输入 触摸屏输入技术是近年来发展起来的一种新技术。它是用户利用手指或其它 介质直接与屏幕接触，进行相应的信息选择，并向计算机输入信息的一种输入设 备。系统由触摸检测装置和触摸屏控制卡两部分组成。触摸屏控制卡上有自己的 c p u 和匡l 亿的监控程序，将触摸检测装置送来的位置信息转换成相关的坐标信 ，宅尊传芝菇1 ：算机按：发和执行计算机指令。具有以下特点：( 1 ) 人机界面友女7 。 在图形技术的支持下，可以设计出非常漂亮的触摸屏画面。与现在工业控制系统 中汪。妻田? ：j - ；佳键盘和钍摸式键盘相比，触摸屏根据操作人员输入不同的信 息，变换不同的控制信息界面，使人机对话更加明了和直接，更容易被操作人员 第2 章控制系统的总体设计 尤其是未经培训的使用者所接受。( 2 ) 简化信息输入设备。目前在生产配料、生 产流程控制方面大多使用键盘和控制台作为人机对话的工具。使用触摸屏可以简 化设备输入设备，一个庞大的工业控制台，经过适当的改造以后，仅用一台触摸 屏即可代替。( 3 ) 便于系统维护和改造。对传统的计算机控制台方式来说，如需 对系统进行某些功能方面的改造，那么也需同时改造控制台。然而，触摸屏只需 根据系统的改变进行相应的界面调整即可旧。 2 6 控制系统的软件模块 折页机控制系统软件由上位机( 工控机) 软件和下位机( p l c ) 软件组成。上位 机软件主要完成人机交互、控制数据的生成和管理以及数据处理：下位机软件主 要完成变频器的速度控制、挡规位置控制、机器运行状况的监测及信号的输入了 输出。根据自定义的通讯协议实现上、下位机软件数据的交换。软件主要特性： ( 1 ) 具有良好的用户交互功能，并具有实时监控功能； ( 2 ) 能方便的实现栅栏挡规参数控制、折辊参数的编辑； ( 3 ) 多种标准折页模式预制功能； ( 4 ) 可实现故障自动诊断，报警记录卡纸数目； ( 5 ) 记忆工作参数，能方便提取工作记录作为当前控制参数； ( 6 ) 实现触摸屏方式操作，实现工业现场的无键盘化，可适应现场恶劣的工 作环境，减少硬件设备产生故障的几率。 2 6 1 上位机软件 上位机控制软件对系统整体上进行控制，所以上位机软件的可靠性是系统的 关键。上位机软件主要负责对下位机的运行进行调配。同时由于下位的p l c 或 单片机对大批量的数据处理能力有限，所以上位机需要承担大量数据处理任务。 以下是模块组成及主要功能： ( 1 ) 折页参数模块：实现工作模式的输入、纸张尺寸输入、折棍压力调整参 考、清零归位等。 ( 2 ) 系统控制参数设置模块：实现主电机、给纸台、给纸、工作量等控制。 ( 3 ) 折页参数记录模块实现工作参数的存储、提取、维护。 ( 4 ) 系统信息模块实现卡纸记录、乍；：c 报警、工作z 史乙录。 26 ，2 下位机p l c 软件 下位机控制软件负责对运动构件的直接控制，具体参数值来自于上位机。在 北京工业大学工学硕士学位论文 得到上位机指令后驱动电机控制运动构件。p l c 模块组成及主要功能如下： ( 1 ) 初始化模块：实现p l c 运行和中断环境的初始化设定。 ( 2 ) 通信模块；通过中断响应接收和发送字符，实现p l c 与上位机通信协议 的打包和解包，完成通信。 ( 3 ) 运行模块：实现p l c 对变频器和步进电机的控制，完成各种机械动作。 2 7 本课题的关键技术 2 7 t 。通信实现方案 p l c 的串行通信口可由用户程序控制，梯形图程序可以使用接收中断、发送 中断、发送指令( x m t ) 和接收指令( r c v ) 来控制通信操作。自由1 1 通讯协议支持 与三菱f x 系列p l c 之间的通讯。采用自由口通信方式，梯形图程序通过接收 中断和发送中断以及发送指令( x m t ) 控制通信口的操作。上位机可以通过查询 提取方式，访问p l c 的输入、输出继电器和中间继电器的状态( 只读) ，也可以访 问数据寄存器、定时器、计数器的当前值，还可通过特殊格式的命令字实现一些 特殊功能，如控制p l c 的启动、停止，获取p l c 的版本信息等。对不同公司的 产品，串行通信的主要区别在于端口设置不同和命令字串的格式不同【1 8 】。 ( 2 ) w i n d n w s x p 串行通信编程在w i n d o w s x p 中将串行口与文件的统一了起来， 对它们的打开、读、写、关闭等操作都使用相同的a p i 函数，但是它们之间又 有差别，譬如串行口不能象文件一样可以被删除，这些差别体现在a p i 函数中 部分参数的设置上。串行通信会话以调用c r e a t e f i l e 0 函数打开串行口开始，接着 设置串行口波特率、数据位、校验位、停止位等参数以及超时参数，最后选择一 种工作方式读、写串行口。在w i n d o w s x p 中，串行通信有两种工作方式可供选 择：查询方式和事件驱动方式。这两种工作方式各有优缺点，用户可以根据应用 程序的实际需要选择其中的一种工作方式【1 9 1 。 2 7 2 多线程的应用 由于串行通信需要传送的数据较多，上下位机之间数据变化频繁。如果不采 用多线程或多进程，整个控制系统的响应速度将非常缓慢，会大大降低与用户的 交互能力，甚至有失控的乞险、除j ! 之外承胃多线程j 二必荭留；走茎i 、线；：之 j ：j 同步和通信，避免冲突等。 第2 章控制系统的总体设计 2 8 本章小结 在本章中，从折页机的运行原理、要求、成本和课题研究的目的出发，提 出了不同的设计方案，在分析各方案特点后，对控制系统的软硬件进行了方案设 计，确定控制系统的构成、软件开发和运行平台，提出了在开发过程中需要注意 的关键技术 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章系统主要运动构件控制及通信 3 1 传输带的控制方案 传输带运行速度决定了机器折页速度，是系统控制的主要对象之一。传输带 由交流电机带动的。电机由1 台变频器驱动，变频器的启动与停止由p l c 控制， 变频器的控制方式采用转矩控制方式。当前矢量控制和直接转矩控制都是己获得 广泛应用的高性能电机调速控制，两者都采用转矩和磁链分别控制，直接转矩控 制易产生转矩脉动，降低了调速性能，可适用于调速范围要求不高的场合 2 0 2 h 。 折页过程中，变频器实时检测来自电机的反馈转速并不断调节电机的转速，以保 证折纸过程中的恒速。速度控制由变频器内部的p i d 调节器实现。可采用功能 键输入相关参数，将变频器预置为p i d 工作方式。变频器需要速度反馈，故需 要配置速度回授p g 卡。电机需要对速度进行反馈，组成闭环控制，从而保持速 度的恒定，所以变频器必须要配置速度回授p g 卡。主电机韵控制框图如图所示。 变频器 图3 - 1 主电机的控制框图 f i g 3 - 1t h ef r a m e w o r ko f m a i ne l e c t r o m o t o r c o n t r o ls y s t e m 上位机对传输带的控制就可以简化为对相应p l c 的控制。在7 站号p l c 中 d 4 6 是速度控制字地址，d 8 0 0 是启停控制字地址。在机器开机状态下只要通过 串口通讯读写d 4 6 或d 8 0 0 就可获得或控制传输带的运动。 3 2 各挡规、栅栏的控制方案 在折页机折页的过程中各挡规都是静止状态，只在预制、微调过程中动作。 同吁芍孳p 剖精爱为0l m m 昕：j 不用步进电机1 = | = 环控制可以满足要求。 步逆电机控制有多种控制方，去： 第3 苹系统主要运动构件控制及通信 1 利用商品化硬件采用p l c 带动驱动模块再由驱动模块驱动步进电机方式。 2 自主开发采用单片机控制步进电机方式。 后者价格较低，功能灵活多变。但同时对开发者要求也较高，开发时间相对 较长。性能稳定性是考验系统成败的关键。前者价格较高，对开发者要求较低， 系统稳定可靠。 综合考虑后决定采用前一种方案作为过渡性方案，待机器整体实现数字化占 据市场后再进一步采用后一种方案，以降低成本。 步进电机驱动电路图3 2 ，各电机控制电路相同，在此仅举一例说明。 图3 - 2 步进电机连接 f i g 3 - 2 t h e c o n n e c t o f s t e p m o t o r p l c 通过串口通讯从上位机取得数据然后与d 1 2 8 d 1 2 9 数据进行比较确定 电机的运动方向和步数。 p l c 采用f x l n 1 4 m t - 0 0 1 可输出两路步进脉冲，通讯模块采用f x i s - 4 8 5 一b d 。 该模块是三菱公司为其f x 系列p l c 串口通讯的专用模块1 1 2 3 j 。 定位爱较验检测 i 矿 o 三二_ 丐面1i l 左向按纽 右向按纽手动控制按钮 图3 - 3 电机定位 f i g 3 - 3t h eo r i e n t a t i o no f s t e pm o t o r 3 ，2 1 控制设备说明 可编程控制器根据不同的命令控制步进电机定位于指定的位置。以实葡 设定点为原点，其右边定位数据为正，其左边定位数据为负。当手动控制按钮按 淞 慰 斟 船 渐 研 北京工业大学工学硕士学位论文 下时，右向按纽按下，则步进电机向右运行；左向按纽按下，则步进电机向左运 行。如图3 3 。 3 2 3 通讯设置 三菱p l c 有串口通讯指令，可十分方便设置通讯参数。系统采用的通讯参 数如下：数率，9 6 0 0 b p s ；数据位7 位；无奇偶较验。可编程通讯字d 8 1 2 0 ：h 6 0 8 0 此通讯设置可设其它格式。 3 2 4 控制说明 上位机在对各挡规、栅栏控制通过串口通讯对各个p l c 站点的控制参数地 址进行改写即可，具体是： 1 电机l 控制数据 d 1 2 8 d 1 2 9 是定位绝对地址。当其值为负，定位于定位及较验检测器左边： 当其值为正，定位于定位及较验检测器右边：当其值为零，定位于定位及较验检 测器。d 1 3 0 是启动标志位地址，数据启动标志为# f f f f f f f f 。d 1 3 1 是完毕标志 位地址，数据停止标志为# f f f f f f f f 。 2 电机2 控制数据 电机2 控制数据与电机1 控制数据除数据地址为d 1 2 0 d 2 0 3 外，其余相同。 3 3 其他运动构件 其他运动构件还有给纸台，吸嘴等。给纸台控制系统相对独立，不受上帝机控制。吸嘴 位置决定吸纸长度，7 号站p l c 的d 5 1 6 是其控制参数地址。上位机对d 5 1 6 中存储数据修 改就可实现对吸嘴的控制。 3 4 折页机控制系统的构成 控制系统的各个子系统之间有大量的数据需要传递，系统需要较高的通讯安 全性和有效性。构成如图3 - 4 所示： 从图3 - 4 可以看出，该系统主要可分为两大部分：一，局域网的连接：二， 下位机控制系统连接。以下分别对这两方面加以介绍。 第3 章系统主要运动构件控制及通信 3 5 局域网络的连接 曲凿 i ij l 机械系统 图3 4 系统的构成 f i g 3 - 4t h ef r a m e w o r ko fs y s t e m b3 - 5 网珞；自伯 f a g3 - 5t h ef r a m e w o r ko f n e t w o r k 如图3 - 5 昕示，印罐。厂局域p ：= 路- 上盔、暇务器、传输介质、网络交换机、 集线器、网络客尸等构成，折页机控制计算机和其它e p 届l j 机械上位计算机分别作 北京工业人学工学硕士学位论文 为网络客户经集线器连于局域网上。 计算机网络中实现通信必须有一定的约定，即通信协议。通信协议对速率、 传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等制定标准。协议的功能有：连 接管理；通信方式管理；协议数据包的发送和接收、装配和拆卸：数据包的编码 和解码；数据包的分解和组合等。图中的局域网用的是i e e e 8 0 2 3 协议，这是一 种载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ) 的协议【2 4 】【2 5 】【2 6 】【。 3 6 下位机串口通讯实现 在下位机控制系统中，形成多机主从分布式网络系统，上位机对各个p l c 或单片机实现网络化管理和远程控制，须在通讯中采用r s 4 8 5 通讯方式，以实 现多机连接，并根据计算机所发出的指令在它们之问进行数据传送。同时，提高 了系统的抗干扰性能和远距离传输性能。对不配备r s 4 8 5 端口的计算机，常用 r s 4 8 5 转换器把r s 2 3 2 转换成r s 4 8 5 进行远程通信，这样主控制器可对p l c 机进行远程控制和网络化管理【2 8 】。 在折页控制系统中，p c 机和p l c ，单片机间的硬件连接直接用r s 4 8 5 旱行 通信电缆进行数据传输。 3 6 1p l c 与p c 的通信实现 由于p l c 与p c 在串行接口上的不同，我们采用了三菱公司的r s 2 3 2 r s 4 8 5 通信电缆作为上下位机通信协议的转换器。由于r s 4 8 5 串口采用“平衡差动式” 数据传输，传输线上是电位差信号，不构成电荷积累。因而抗干扰能力强，适用 于高速率、远距离可达1 2 0 0 m 。而r s 2 3 2 串口技术虽然非常成熟，应用范例也 很多，但它的最大弱点是传输距离近。r s 4 8 5 只需要两根数据线r x d 和n 【d 。 这对数据线既可以发送数据也可以接收数据，但通信双方不能同时收发( 即只能 采用半双工制) 。由于只有两根数据线而无硬件握手的通信方式来保持数据传输 的同步。另外，对于传送数据的检验，我们增加了一个结构检查序列字符( b c c ) ， 它由所发送的字节进行异或运算形成的。将这个字符( b c c ) 连同要发送的有效数 据一起发送。接收方收到后，同样对所接收的有效数据进行异或处理，并把处理 结果与接，支至j 的b c c 字符侣比较，如果两者不相等，就认为传输数据出错。对 于卡厶验霸l 出错舯赞婀平耳，敢在茹亏发的第鸭当所传轸的数据为手芹页数目时， 采用放弃策略，这是因为通信周期很短，下一批数据马上就会传到，在时间间隔 很_ 、的情；足下赞打不会出理较大的差异，昕传输的数据为控制数据时，采用重 发策略。因为o j ，n 日j 控制动作严格受控靓数扼的控制， 第3 章系统主要运动构件控制及通信 表3 1 通讯命令格式 1 曲1 e3 - 1t h ef o r m a to f c o m m a n d s t xf fs 1 w n o nc m dg r o u p a d d r e s sb y t e se 1 xs u m l2345678 表3 - 2 通讯命令说明 t a b l e3 - 2t h ec o m m a n do f c o m m u n i c a t i o n 代号功能描述 l命令起始标志s t x ，代码为0 x 0 2 2设备标示，代码为0 x 4 6 ，0 x 4 6 3 站号，代码位两位。 4 读命令c m d ，命令代码为0 x 3 0 。 5 操作元件的4 位起始地址，高位先发，低位后发，且以a s c i i 码形式发送。 6 读取元件的个数 7 命令停止标志e x t ，代码为0 x 0 3 8 2 位和效验，2 、3 、4 、5 项代码相加，取其和最低两位转化成a s c 码，高位先 发，低位后发。 通过连接电缆和通讯模块可将微型计算机的串行通信口r s ，2 3 2 与p l c 的编 程口连接起来，这样微型计算机就可以对p l c 的r a m 区的数据进行读、写操 作。根据p l c 本身所具有的特性，计算机可对p l c 进行以下4 种类型的操作。 ( 1 ) 位元件或字元件状态读操作( c m d o ) ( 2 ) 位元件或字元件状态写操作( c m d l ) ( 3 ) 位元件强制o n 操作( c m d 7 ) ( 4 ) 位元件强制o f f 操作( c m d 8 ) 在具体编程时要根据不同的操作类型定义对应的pl c 编程口通信协议。系 统中定义了对字或位操作的四种格式如下： ( 1 ) 位元件或字元件状态读操作 操作的对象兀件是p l