（机械设计及理论专业论文）基于arm的制袋机控制系统研究.pdf

摘要 嵌入式系统是一个新兴的技术发展方向，由于它具有体积小、性能强、功耗低和面向 专门应用的特点，被广泛应用于工业控制，通信，消费电子等各个领域。随着微处理器技 术，通信技术和软件技术的发展，嵌入式系统将发挥越来越重要的作用。 本文选用了基于a r m7 ) m i 内核p h i l i p sl p c 2 2 9 0 处理器以及源代码开放的实时 嵌入式操作系统pc o s i i 作为应用平台，设计了一套以3 2 位删为控制核心的制袋机 控制系统，符合制袋机的发展趋势，对提高国产制袋机的机电一体化水平具有重要意义。 具体研究工作如下： l 、对基于删的制袋机控制系统的进行硬件设计，包括对j t a g 接口电路，控制 信号的输出电路，r s 2 3 2 电平转换，电源电路，复位电路，时钟电路与存储器电路进行设 计。 2 、对基于| ic 幻s 的制袋机控制系统的软件设计进行了研究。分析了pc i o s - i i 操 作系统的特点和功能，完成了在l p c 2 2 9 0 芯片上的移植。对基于uc o s - 的制袋机控制 系统进行软件开发，实现了对控制系统的多任务实时控制。 3 、制袋机控制系统采用m t 5 0 6 s 触摸屏作为人机界面，同时对m o d b u s 协议进行 了深入的研究和应用，实现l p c 2 2 9 0 基于m o d b u s 协议与触摸屏的通讯。通过对触摸 屏界面的总体规划，设计出了形象直观、能满足操作参数设定、信息状态显示和故障监控 的人机交互界面。 4 、研究了制袋机生产过程的定长、定位、烫封、牵引和裁切等过程中所包括主电机 伺服控制子系统、定长和定位控制子系统。研究了牵引运动曲线的分布与主机制袋速度的 协调，这是实现平稳制袋的要求；研究了前、后牵引伺服系统的恒张力协调控制，这是保 证制袋质量的前提条件。 本文在最后还对制袋机控制系统研究过程中存在的问题做了一定的探讨和展望，并提 出了进一步的研究方向。 关键词：制袋机，l p c 2 2 9 0 ，i lc o s ，协调控制，触摸屏 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 x 致谢 南林春花烂漫的季节，论文也即将完成，多年的求学生涯即将结束，此刻的我禁不住 感慨万千 在论文完成之际，我要特别感谢我的两位导师张建红研究员和陆荣缢老师在三年的 求学过程中，有幸得到两位导师的关怀和指导。 论文的完成离不开两位导师的精心指导，我有幸聆听导师的教诲，于专业和做人方面 均受益良多，在此谨向两位导师致以诚挚的谢意感激之情无以言表，唯愿老师身体健康， 平安幸福。值此论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢和诚挚的敬意他们严谨的治学 态度，求实的工作作风、高尚的个人品质都将会是我以后人生道路中学习的榜样 特别感谢陆荣缢老师，自论文选题到研究内容安排、技术路线的选择、实验的进行直 至论文撰写各个环节都得到了陆老师的精心指导。陆老师渊博的专业知识、严谨的治学态 度、求真务实的工作作风给我留下了深刻的印象 感谢陈惠明老师、王兆伍老师以及自动化教研室各位老师在课题研究过程中给与的无 私帮助 感谢师妹晏芳在课题开展过程中给与的帮助与鼓励 感谢我的同学们，我们一起渡过了一段快乐而充实的学习时光，这将是我人生最美好 回忆的一部分感谢你们曾经给予的关心和帮助。 另外，我要感谢上海旋极信息技术有限公司为我提供的学习机会，感谢邵福高总工和 李云峰在技术上给予我的指导 各方支持，未能尽表，值此论文完成之际，面对老师的深切教诲、父母的殷切期望、 同学的无私帮助，谨以此文献给所有关心和爱护我的人们! 感谢百忙之中抽出时间对我的论文进行评阅和答辩的老师! 最后，我把内心深处无法用语言表达出来的感激之情，献给我慈爱的父母和女友，他 们给予了我无限的关怀、鼓励和支持，是他们真诚与无私的爱，铺平我漫漫的求学之路。 在此，真心地道一声：谢谢! 在此我谨将此文献给他们，以表示我对他们的深深的感激! 吴富民 2 0 0 8 年5 月于南林大 第一章绪论 1 1 课题意义及目的 我国包装机械行业同国内其他行业一样正处在世纪之初的重要发展时期，这几年是我 国包装工业和包装机械行业步入新的发展阶段的关键时期。要实现包装机械现代化的战略 目标，科学技术作为第一生产力将起到关键性作用。国内外市场的竞争主要是科技、质量、 效率和效益的竞争【l j 。 近十年来，包装机械行业应用相应的高新技术改造传统产业，取得了良好的效果，有力 地推动了包装行业的技术进步和产业水平的提升。但随着经济全球化进程的不断加快，包 装行业竞争也日益加剧，为了在更加激烈的竞争环境中占得优势，我国的包装机械行业着 重于进一步提高包装机械科技水平，依靠技术创新来增加产品的技术含量和附加值，全方 位提升我国包装机械在国际市场的竞争力。 目前包装行业总体的发展趋势为：实现机电一体化，向智能化、控制化发展，并加强 新技术引进，提高包装机械的自动化水平，进而提高产品的整体质量，提高包装机械自动 化程度是包装机械发展最重要的趋势l l j 。 软包装印刷行业是包装行业的重要分支，它包括了软塑料和纸张包装两大部分。软包 装印刷生产线，主要由印刷、复合、分切、制袋等四个主要设备组成。制袋过程是软包装 生产线的最后一道工序，该工序涉及定长、定位、烫封、牵引和裁切等诸多工艺环节与参 数的相互协调控制。 国内包装机械和国外相比，虽然还有很大的差距，但是己经有了很大的进步。注塑、 印刷、复合、分切、制袋，各个环节的机械及电气设备都在不断地丰富完善和发展。国内 的高档包装设备已经可以和国际一流的设备相媲美。包装已成为商品生产过程中的必需 品，其需求量十分巨大。如何提高软包装的制袋效率和质量以及操作的安全性己成为生产 厂家急需解决的主要问题之一，作为最后一道工序的制袋机，它的工艺水平直接影响到最 终的产品质量，所以研制开发高效的新型制袋机具有重要的意义。 制袋机主要是利用塑料的热塑原理将印刷好图案的塑料薄膜塑封、剪裁成塑料袋，以 备包装其它产品之用。 控制器是机械的控制核心，在各种复杂机械中占据着极其重要的地位。 纵观现代制袋机的控制器多趋于两种类型： 1 、p l c 动力负载控制器 p l c 弹性很大，性能稳定可靠，但仍未具有电脑所拥有的强大功能。p l c 业界已经注 意到了这一趋势，并通过将p c 技术应用于p l c 产品，直接提供0 p cs e r v e r 、w e bs e r v e r 及i e e e 标准通讯接口等，以提供更高的应用灵活性。但是受限于传统p l c 专属式的设计， 其互操作性和灵活性限制( 即使是对于同一品牌的p l c 来说，也是这样) ，并不能完全满 足用户的要求，体现在如下几个方面： 目前国内p l c 市场基本由国外厂家垄断，价格较高； 因为在实时信息上的欠缺，要实现跨p l c 的事件处理比较困难，且速度延迟，效 果不佳： 系统升级须付出重新设计的成本和时间，其不可预见成本太高： 梯形图程序的设计是基于个案进行，每一专案均无法完全复制应用，无法实现标 准化，从而工程设计费用无法降低； 扫描周期太长。 2 、工控机 工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，主要是用在环境恶劣的场所， 其体积和软件架构和普通p c 机相近。工控机有以下特点： 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力； 机箱内有专用底版，底版上有p c i 和i s a 插槽： 机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。 但其劣势也是非常明显的数据处理能力差，具体如下； 价格昂贵； 数据安全性低； 存储选择性小； 可能出现兼容性问题。 相比较而言，a r m 结构的关键优点如下： 采用r i s c 架构，体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大部分数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定。 在包装行业，提高塑料包装机械的自动化水平和档次，使科学技术更紧密地和生产实 践相结合，开发出先进的高速制袋机，缩小和发达国家的差距，提高国产设备的国际影响， 减少同类设备的进口数量，同时提高出口的数量，同时多和国际同行交流，反过来又促进 科学技术的提高，也就是提高了我国的生产力水平，所以开发高速制袋机具有深远的意义。 基于这个前提，本课题以制袋机控制系统为研究对象，应用最新研究成果，开展嵌入 式系统在制袋机控制系统中应用的研究工作。 本课题研究的主要目的是为了探讨如何进一步提高软包装制袋过程的生产效率和质 量，以实现优化协调控制及对制袋机控制系统进行研究，应用最新技术，以提高国产制袋 机的技术水平。 1 2 课题的来源 本课题来源于南京金城包装印刷有限公司委托对其制袋机控制系统进行升级改造。 1 3 国内外现状及趋势 1 3 1 包装机械行业现状和发展趋势 随着人民生活水平的不断提高，对商品包装提出了更高的要求。哪里有商品，哪里就 有包装，可以说包装工业对国民经济整体结构的发展起着重要的作用。包装机械产品量大 面广，广泛应用于食品、医药、化工等各个行业。 仅从食品和其他轻工产品来看，在我国的出口总额中占有1 3 以上，均要求提高包装 档次，这就为包装机械的发展带来了许多机遇。 我国包装机械自7 0 年代末、8 0 年代初得到了迅速发展，9 0 年代发展更快。据不完全 统计，包装机械企业有2 0 0 0 多家，从业人数5 5 万以上，科研院所和高等院校1 3 0 余所， 产品品种1 3 0 0 余种。 ， 2 0 0 4 年包装机械进口1 9 4 8 6 4 3 8 万美元，较上年的1 7 4 亿美元增长1 1 9 9 。出口设 备中，包装机械2 7 8 4 5 6 1 万美元，较2 0 0 4 上半年的1 9 9 亿美元增长3 9 9 2 。特别是2 0 0 4 年1 9 月在机械行业贸易逆差继续扩大的形势下，食品包装机械出现了5 3 亿美元的顺 兰【i 】 z 预测到2 0 1 0 年国内行业总销售额可以达到1 3 0 0 亿元，市场需求可以达到2 0 0 0 亿元， 而且近年来，我国每年引进包装食品机械近2 0 亿美元，跃升为世界第二大包装机械进口 国f l 】o 1 3 2 产业技术发展状况和趋势 包装机的发展都是从八十年代中期开始，通过采用国际标准和吸收国外先进技术特 点，在标准水平、设计制造技术和产品质量方面都有了较大的提高。一些企业的产品质量 达到或接近国外同类机器的先进水平。二 和初期比，技术水平有了质的飞跃，主要表现在生产效率的提高和控制水平方面，p l c 控制已成为普及技术。但是与国际水平比，仍有相当差距，同样主要表现在生产能力和控 制、在线监测以及能耗、稳定性和可靠性等方面。 产品品种已达1 3 0 0 种，但与国际上3 0 0 0 种还有较大差距，这不是问题的关键，关键 是满足市场需求，具有自己的特色。品种和结构的另一个问题是单机多，成套少，虽然不 断有新的生产线问世，但这一问题没有得到根本改变。 产品质量由于本行业和相关行业的努力，包装机械的质量有了很大提高，每年都 有出口，1 9 9 8 年出口值4 5 0 0 万美元。设计、加工和用材的改善，使包装机械的外观和精 度得以提高，国产配套件品种的增加、质量的提高，可以满足包装机械的一般要求，进口 配套件厂商在国内合资，设分公司、办事处，儆代理等，使采购方便。价格差距的缩小， 使许多生产厂商在设备要求较高时，选择进口配套件。这对国产包装机械质量和可靠性的 提高，都有极大的促进作用。 1 3 2 1 国外制袋充填包装机的主要特点 1 、结构设计标准化、模组化 用一台包装机完成对不同物料的包装时，利用原有机型的模组化设计可在短时间内迅 速进行规格更换或转换为其它包装形式的机型，并为不同的计量系统提供了足够的空间。 如利用枕型包装机稍加调整就可实现三角袋的包装。 2 、包装速度高速化 目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为3 0 8 0 袋分，近些年来很多公司推出 的多列式包装机( 从2 列到1 0 列) 可使包装速度大大提高。如意大利i l a p a k 公司的3 0 0 和4 0 0 系列枕型包装机，计量范围1 5 0 4 5 0 9 ，包装速度1 2 0 袋分：日本横滨电机制作 所的y d e 一7 0 型四边封合包装机，计量范围：0 5 3 0 m l ，可以2 1 0 列，晟高速度为8 0 0 袋分；日本三光机械的f c 一1 0 0 0 型小袋枕型包装机，最高可达1 2 列，速度可达1 0 0 0 袋分。 3 3 、结构运动高精度化 由于采用各种新技术，如通过伺服电机、编码器及数字控制( n c ) 、动力负载控制p l c 等高精密执行机构控制各种动作，使整机的充填计量精度和制袋精度都有所提高。如日本 东京自动机械的s i g m a 3 型粉末计量机，配有可调速驱动马达，采用螺杆下料充填，最大 充填为每次1 2 k g ，充填精度6 0 2 5 。 4 、控制智能化、弹性化 国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上的菜单式应用软件对机器的各种参 数进行跟踪调整。电子显示屏显示切袋长度、包装速度、充填物的净含量以及包装产量等， 一目了然。标准的色标跟踪光电系统能绝对保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可 对工作过程进行在线状态监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原 因及解决方法。 5 、包装形式多样化 国外的袋包装目前既有三边封合袋、四边封合袋、枕形袋，还有风琴式、自立袋等。 用户可以根据市场的需要，在选择商具有更大的空间。 1 3 2 2 国内产品的状况和同国外相比的主要差距 在产品技术方面，国外包装机的主要特点正是我们的主要差距。 1 、速度低、品种少 国内大多数制袋充填包装机根据包装物料的不同和产量的大小，一般在2 0 1 0 0 袋 分之间，大多为单列式包装，封合形式一般是三边封、四边封和背封式。国内还没有生产 自立袋和风琴袋的自动包装机。 2 、精度低 对于采用螺杆充填的粉末计量充填系统，当充填量为1 0 0 9 1 0 0 0 9 时，国外机器的计 量精度一般( 1 。如意大利s e r 硼公司d o s c 1 0 2 型立式包装机充填范围为5 0 2 0 0 0 m 1 ， 充填速度为7 0 袋分，计量精度为o 5 2 。国内采用螺杆计量充填的粉末包装机，计量 精度大多在6 2 6 3 之间，当用于小剂量包装时，基本能满足用户包装的要求，但当剂 量较大时，则很难满足用户的实际要求，如国内奶粉一般每袋为4 0 0 9 5 0 0 9 ，如果误差 按6 2 6 3 控制，显然用户不能接受。 3 、可靠性低 由于包装物料的特殊性差别甚大，物料的流动性不同、粘度不同，有些物料又要求机 器具有防腐蚀的能力，所以即使是同一类型的包装机，也不可能广泛适应各种物料的包装， 必须针对物料去设计或采用不同的充填机构或不同的材料。但一些企业为了能在产品生产 初期快速赚钱，低价格倾销，采用无质量保证的电子元件、控制部件或低级的原材料，再 加上没有规范的加工和装配工艺，没有针对具体使用情况进行改造，导致产品不稳定或不 适合用户使用要求，给用户造成了巨大的损失。 4 、 自动化和智能化水平低 近年来，我国制袋充填包装机虽然采用了一些p l c 和具有智能控制功能的仪表，但总 体来说，大多数还是低水平的机电控制，还没有带有数据储存、采集、修正功能的机器。 1 3 2 3 我国包装机械的发展趋势 4 l 、提高包装机械的运转速度、包装质量，减少废品和各种损耗，满足大宗产品包装的需 要，降低运行成本，适应季节性及时包装的要求。 2 、提高包装机械产品系列化、标准化、通用化水平，加速设备的更新换代，建立组合化 或模块化的现代包装机械的结构体系，是今后一个重要的发展方向。 3 、推广高新技术在包装机械中的广泛应用。 4 、先进制造技术( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n 0 1 0 9 y ) 受到包装机械生产厂家的高度 重视，先进制造技术包括制造系统管理技术群、制造工作设计技术群、物料处理方法及设 备技术群以及相关支撑技术群。 1 4 嵌入式系统简介 嵌入式系统是当今最热门的概念之一，然而到底什么是嵌入式系统昵? 什么样的技术 可以称之为嵌入式系统技术呢? 1 2 j 1 4 1 嵌入式系统的定义及特点 嵌入式系统目前国内普遍被认同的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软 件硬件可裁剪，适用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 【2 】。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设 计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最主要的区 别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系：由于嵌入式系统是为特定的目的而设计 的，且常常受到空间、成本、存储、带宽等条件的限制，因此，它必须最大限度地在硬件 上和软件上“量身定做”以提高效率，这样的结果最终导致了实时性的增强。 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征： 1 、系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较之传统 的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的0 s e 分布式系统，内核只有5 l ( b ，而w i n d o w s 的内核 则要大得多。 2 、专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件 进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减 不断进行修改。 3 、系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能的设计及实现过 于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4 、高实时性的操作系统软件 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高 速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 5 、标准化 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用 程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务，利用系统资源、 系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a 卜t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 6 、嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境 由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其 中的程序功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境 一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时 往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需 要交替结合进行。 1 4 2 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括圆： 1 、工业控制 基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前己经有大量的8 、1 6 、 3 2 位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备 监测、石油化工系统等领域。 2 、交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术己经获得了广泛 的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各种运输行业成功使用。 3 、家电系统 这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的 生活步入一个崭新的空间。 4 、家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用控制芯片将 代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。 5 、p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡( c o n t a c t l e s ss m a n c a r d ，c s c ) 发行系统、公共电话卡发行系统、 自动售货机、各种智能触 m 终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。 6 、环境监测 环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、堤坝安全、地震监测网、 实时气象信息网、水源和空气污染监测等。 7 、机器人 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、智能化方面的优势更加明显，同时会大幅度 降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。 除了以上这些应用领域，嵌入式系统的应用更是遍及金融、航天、电信、医疗、军事 等各个领域，以致有些学者断言，嵌入式技术将成为后p c 时代的主宰。可以毫不夸张地 说，嵌入式系统已经进入到现代社会中人们生活的方方面面，可以说是“无处不在 ，尤 其是在控制方面的应用，所以开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。 1 5 论文的主要内容和主要工作 本课题以制袋机为切入点，对如何提高包装机械的自动化水平进行研究，主要研究基 于a r m 嵌入式微处理器在制袋机控制系统中的应用，研究内容围绕以a 跚微处理器为核心 6 的制袋机控制系统的软、硬件设计而展开。 目前，制袋机向着智能化、网络化、通用化和绿色化方向发展。我国制袋机的控制核 心主要以8 位或1 6 位单片机，p l c ，工控机为控制器。因此，论文在原有制袋机的控制 基础上进行技术改造，设计一套以3 2 位a r m 为控制核心，结合嵌入式实时操作系统的 全自动制袋机控制系统，满足了制袋机高速化、智能化、通用化的发展要求。基于删 的制袋机控制系统的，其硬件系统由以l p c 2 2 9 0 芯片为核心的删处理器、张力传感 器、数字凸轮定位器、色标光电传感器、主电机伺服控制系统、定长定位伺服控制系统构 成，并研究应用m o d b u s 协议，利用m r 5 0 6 s 触摸屏进行制袋机人机界面的设计，实现 对控制信号的实时采集处理和系统参数的在线设置与显示查询，完成制袋过程协调控制。 论文的具体研究内容如下： 第一章阐述了本课题的研究背景和意义，介绍了国内外包装机械的研究现状和发展概 况，对嵌入式系统进行了简要的介绍，阐明了本学位论文的研究内容。 第二章研究了制袋机的工作原理和工艺流程，介绍了制袋机对控制系统的要求，给出 了制袋机控制系统的框图，同时对制袋机的相关系统进行了研究。 第三章主要介绍制袋机控制系统的设计方案。首先给出了由主电机伺服控制系统，前、 后牵引伺服控制系统、删控制器，m t 5 0 6 s 触摸屏，张力传感器，数字凸轮定位器， 色标光电传感器，外部电源组成的制袋机控制系统框图；随后设计了以l p c 2 2 9 0 为核心 的控制器，接着对删处理器及其内核进行了简要的介绍，同时进行了2 2 9 0 的硬件电 路设计，最后，对系统调试涉及到的调试工具进行了简要的介绍。 第四章对基于嵌入式实时操作系统uc o s i i 的制袋机控制系统的软件设计进行了研 究。首先简要介绍嵌入式实时操作系统uc o s i i 结构和特点，接着完成了pc ，o s i i 在 l p c 2 2 9 0 芯片上的移植。对基于i lc o s i i 的制袋机控制系统软件开发进行了研究，提出 了控制系统的软件框架，阐明了各软件模块的功能，同时以m 丌5 0 6 s 触摸屏与l p c 2 2 9 0 的通讯为例，介绍基于uc o s 操作系统的软件设计方法。 第五章主要研究实现l p c 2 2 9 0 基于m o d b u s 通讯协议与m r 5 0 6 s 触摸屏的通讯，以及 制袋机入机界面的设计。首先介绍了制袋机控制系统对触摸屏的要求，接着进行了触摸屏 的选型，同时对m o d b u s 协议进行了深入的研究和应用，完成了m o d b u s 协议在l p c 2 2 9 0 上的驱动程序编写，详细介绍了m o d b u s 协议栈的实现，成功的进行了l p c 2 2 9 0 与触摸 屏的通讯，给出了硬件调试的过程。 第六章主要研究制袋机过程的协调控制，首先介绍了制袋过程的协调控制方法，重点 研究了袋长与主机速度的协调控制，前、后牵引伺服系统的恒张力协调控制，并给出了相 关算法，同时对l p c 2 2 9 0 与伺服控制系统的通讯进行了研究，设计出相关驱动电路，。 第七章对全文工作进行了归纳和总结，并对制袋机控制系统的研究提出了进一步设想 和展望。 7 第二章制袋机总体结构及功能研究 图2 1 日本岩正制袋机 商品的装潢设计与包装是参与市场竞争的基本要素，特别是轻化工、食品行业等尤为 重要。制袋机是软包装生产线上利用塑料薄膜制作袋子的加工设备。制袋机广泛应用于食 品包装、轻化工等各个领域，是现代化工业的需求，它以塑料薄膜为加工对象，可以对快 餐面、饼干、洗衣粉、肥皂等包装物进行包装，不论对提高经济效益还是提高产品的卫生 质量都有应用吸引力，因而得到越来越广泛的应用。 要生产出符合商品要求的包装袋，除制袋机的机构设计合理外，更重要的是自动控制 系统的调整与运行。制袋机主要是利用塑料的热塑原理将印刷好图案的塑料薄膜塑封、剪 切裁成塑料袋，以备包装其它产品之用。在9 0 年代以前，我国制袋机拉料的步幅控制主 要采用机械的伞齿轮机构实现，改变制袋大小、保证定位精度都比较困难。制袋机烫排运 动电机一般选用普通鼠笼电机，调速比较困难。8 0 年代后期到9 0 年代，国外出现了利用 变频调速器调节烫排运动速度，进而出现了利用交流伺服电机进行拉料以实现走料的精确 定位及制袋大小的任意调节。目前，多数制袋机控制系统的主电机控制系统和定长定位控 制系统是一体的，而光电纠偏系统、温度控制系统、放料系统独立于这个控制系统。 制袋机技术在日本发展的相对成熟，而在日本国内又以岩正制袋机为先进生产技术的 代表，图2 1 为岩正制袋机最新产品。 随着电子技术的发展，制袋机的控制系统向着各机构具有独立的控制器和驱动系统模 块化方向发展，控制器从以8 位单片机、p l c 为处理器芯片向以3 2 位a 蹦、d s p 的高速处理器 发展。本控制系统以移植了雎c o s i i 实时操作系统的a r m 7 芯片l p c 2 2 9 0 为处理器，并为其 它相关部件提供独立电源，使其成为独立的一个控制系统。它与单片机、p l c 系统相比， 可直接与功能芯片连接、快速处理数据、发送多路脉冲信号，开发环境人性化，使得系统 的软、硬件开发简便、控制快速、稳定、精确。 2 1 制袋机工艺流程及控制要求 2 1 1 制袋机工艺流程 在制袋过程中，薄膜卷材连续展开，并通过光电纠偏和进给机构源源不断地进入折叠 成型装置中的。薄膜经过折叠成型后，由定长牵引和定位装置进行牵引和定位进入热封工 序。制袋流程中的热封工序，是利用电热丝加热使复合薄膜热封部位的热封层变成粘流状 态，再借助于刀具的压力，使上下两层热封材料彼此熔合在一起，冷却后能保持一定的强 度，具有良好的密封性等。热封好的袋子可以根据需要进行打孔和切口等加工，最后由裁 切装置完成裁切，制成成品袋。 。 制袋过程的工艺流程图如下图2 - 2 所示： 图2 2 制袋机工艺流程图 2 1 2 制袋机对控制的要求 制袋过程主要难点是袋长与主机速度、定长定位和薄膜进给间的协调控制。袋长主机 速度的协调控制是为了防止误操作；定长定位与薄膜进给间的协调控制是为了保证机组的 正常运行和成品质量，提高生产速度，减少操作的调整工作量以及减少调整过程中的废品 率。在系统正常运行的情况下，即裁切速度：2 0 0 次分( 在2 0 0 咖袋长条件下) ，使其定位误 差o 2 咖，温度误差1 ，保证烫封的平整、牢度和准确的定位裁切。 2 2 制袋机工作原理 图2 3 为制袋机的控制系统原理框图，可以看出由半成品( 印刷好的薄膜) 到成品( 袋 子) 的加工需要放料、烫压、牵引、切割等几个动作的良好协调才能完成。首先将卷绕成 筒的印刷薄膜进行恒张力放料，当烫刀压下时对薄膜进行烫封，然后分切牵引出的薄膜制 成袋子。当烫刀抬起时( 由电子凸轮发出信号) 由前后伺服系统牵引出指定长度。烫刀每上 下一次，薄膜就成形成一个袋子。这种制袋过程要求对烫封、切割、定长、定位、张力、 温度进行控制，才能高速高质量地制成成品袋子。 如图2 3 所示，s m 0 ，s m l ，s m 2 均为永磁同步交流伺服电机，p g 0 ，p g l ，p g 2 为光电编码器， s a 0 s a 2 为伺服驱动器，f 1 为张力传感器，g k 为反射式光电色标传感器，x 为数字凸轮定 位器，制袋机中的热封裁切动作与定长定位牵引动作间是互锁的。 本系统的构成为集散式控制系统，以l p c 2 2 9 0 为核心，进行各个控制功能的硬件扩展， 通过实时操作系统将各个功能整合以改善系统协调控制性能，形成一个整体控制系统，主 要负责定长定位伺服控制系统、主电机伺服控制系统的协调控制。伺服系统中的参数，如 制袋速度、制袋长度等参数均在触摸屏界面上设置。系统开机自检成功后将各种参数输送 给对应的单元，触摸屏除了负责定长定位伺服、主机速度伺服控制的监控外，还负责各道 9 工艺环节的监控与管理工作。 袋子 蚕 切 刀 图2 3 制袋机控制系统框图 2 3 制袋机相关系统研究 制袋机的控制系统主要包括：触摸屏控制系统、主电机控制系统，定长定位伺服控制 系统、张力控制系统、温度控制系统、光电检测定位控制系统和光电纠偏控制系统。 2 3 1 触摸屏控制系统 随着信息化社会的发展，触摸屏( t o u c hs c r e e n ) 的应用日趋普及。迄今为止，触摸屏 产品在我国已逐渐形成了产业。触摸屏输入是靠触摸显示器的屏幕来输入数据的一种新颖 输入技术。它操作方式简单，使用者无需再通过键盘和鼠标，仅用手指触摸屏幕上的图形、 表格或提示标志，便可从屏幕上得到其所需的诸种信息。因此，触摸屏的功能将会直接影 响使用者的操作意愿。触摸屏输入完全摒弃了键盘的繁琐输入，使得人机交互仅需手指轻 轻一触即可。可以说，所有信息尽在指尖之中。触摸屏输入可用于取代诸如键盘、光笔、 操纵杆、滚球、鼠标及数字转换器一类的数据输入设备，或取代分立开关与薄膜开关之类 的面板操作装置。其优点是操作简便直观、图像清晰、坚固耐用及节省空间，人机交互性 佳，操作方便，使用灵活，效率高及输入速度快。故触摸屏输入装置将会发展成为未来诸 种信息产品的主流技术之一。 随着工业自动化的发展，基于p l c 、单片机和p c 机的自动化系统与自动化设备越来 越普及，几乎遍布所有自动化领域，与之相应的人机交互系统也应运而生【3 j 。工业控制中 经常需要观察系统的运行状态或者修改运行参数。触摸屏能够直观、生动地显示运行参数 和运行状态，而且通过触摸屏画面可以直接修改系统运行参数，人机交互性好。e v 正w 触摸屏是工业触摸屏领域的优秀代表，能够理想、生动地显示p l c 、单片机、p c 机上的 数据信息。删广泛应用于工控领域中，与触摸屏配合，可组成良好的人机交互环境。 1 0 e v i e w 触摸屏是深圳人机电子有限公司的产品，它采用妣s c a l e3 2 位2 0 0 m h z 砒s c 处理器，拥有4 m bd i ；已蛐重的存储器，提供很快的响应速度。可以创建多达2 0 0 0 多 个窗口，配备功能强大的且简单易用的组态软件e a s yb u i l d e r 5 0 0 ，具有强大图形功能，创 建的元件可以任意大小，任意位置，并支持元件的多层叠加及棒图，趋势图的高级功能。： 可用于反映现场智能仪表的内部状态，存储器数据，进而通过触摸屏界面完成仪表数据的? 显示和直接修改仪表的运行参数h i 。触摸屏与删通信，需要根据触摸屏采用的通信协议为单片机编写相应的通信程 序。m o d b 嵋协议是美国m o d i 咖公司推出的，一种有效支持控制器之间以及控制器经由 网络( 如以太网) 与其他设备之间进行通信的协议。此协议定义了一个控制器能认识使用的 消息结构。描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，及怎 样侦测错误并记录。制定了消息域结构和内容公共格式。当在m o d b u s 网络上通信时， 此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生 何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用m o d b u s 协议发出。通过此协议， 控制器相互之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设 备可以连成工业网络，进行集中监控。 本系统使用m o d b u s 的r 1 传输模式完成e v i e w 触摸屏和删系统的通讯。a r m 系统完成数据采集和数据处理及控制功能。e v i e w 触摸屏完成数据显示和参数设定的功 能，监控制袋机的全部动作状态。 2 3 2 主电机控制系统 主电机控制系统由主电机、切刀、烫封和电子凸轮等部分组成。 主电机用于控制切刀和烫封刀的上、下状态。 根据袋子的需求情况，确定烫封刀的情况，来进行单边封、双边封和三边封等工作。 切刀是制袋机的重要部件。切刀放在具有滑动导向的机构上，且由气压压紧的浮动机 构，上下刀都可调节，对烫封好的袋子进行裁切。 早期的制袋机大多采用凸轮和行程开关组来确定机器原点及烫刀的高位、低位，其优 点是简单易行、较可靠，缺点是机械式凸轮结构庞大，行程开关触点寿命短、调整技术要 求高，改变动作角度较难，万一调乱了不易恢复，需要技术相当熟练的技工才能完成。 此类设备如果只是一般改进，可将行程开关改成接近开关，优点是无接触，且速度动 作快，寿命长，但调节难度并未有改善，且存在感应距离调节要求高、感应头附着污染等 缺点。在该制袋机控制系统中采用数字凸轮定位器配套编码器来实现制袋机的动作定位。 2 3 2 1 数字凸轮定位器优点 数字凸轮定位器由控制器、位置传感器( 旋转编码器) 以及连接电缆组成。使用时，将 控制器安装在电气控制柜内，位置传感器安装在旋转轴上，传感器和控制器用一根电缆线 连接，使用方便迅速。 数字凸轮定位器具有运行可靠、响应速度快、分辨率高、调整方便迅速、可在运行中 调整、全数字显示、远程通信、多种保护功能等优点，在旧设备改造上用途很广。改造后， 设备故障率将大大降低，而且各个调整角度一目了然，极易调节。 数字凸轮定位器配套编码器较机械凸轮具有的以下优点( 见表2 1 1 6 1 ) 。 l l 项目 感应器寿 类型 控制精度反应速度角度改变感应方式扩展性 命 机械凸轮 分辨率一般，有机械 难，需调节凸 直接解除，有难，需增加凸 5 m 乏0 0 配套行程 3 5 0 局域性 轮片或行程 机械磨损轮万次 开关 开关 机械凸轮 分辨率 较快，取决于 难，需调节凸与凸轮无接 配套接近 3 5 4凸轮形状 轮片或接近 触，对距离要 难，需增加凸2 0 0 0 万 开关开关求严格 轮次以上 数字凸轮分辨率快 容易，直接输直接与主轴 容易 2 0 0 0 万 定位器 l o ( 3 3 0 r l 珈m i n ) 入角度同步次以上 表2 1 数字凸轮定位器与机械凸轮的比较 制袋机工作时，传动机构带动旋转编码器一起同步旋转，旋转编码器产生一系列位置 码送到数字凸轮定位器的输入端，在数字凸轮定位器内部进行译码、累加等数学运算处理， 同时与操作面板中可调的设定参数相比较，在合适的位置发出相应的控制信号，从而达到 控制机器动作的目的。 2 3 2 2 数字凸轮定位器工作原理 数字凸轮定位器有重要的“原点”和“当前位概念。所谓“原点是一个参考点， 对应设备主轴在整个循环行程中一个具体的物理位置。设备运转的实际位置对应的编码称 之为“当前位 ，它反映了以参考点“原点 为坐标的当前运转位置，即编码数。根据需 要可以将设备主轴在整个循环行程中任一位置的编码改为o ，设定为原点，一般可把设备 的机械起始点位置设为原点。设备运转的及其他设定的限位都以“原点 为参考点。当“原 点 所对应的实际物理位置变化时，“当前位 及其它限位所反映的实际物理位置都会发 生相应变化。 在该制袋机控制系统中，选用欧姆龙数字凸轮定位器( h 8 p s ) 配合编码器( e 6 f a g 5 c c ) 来替换传统的机械凸轮和行程开关，直接在速度探测器齿轮旁，即在设备的主驱动轴上加 一个1 ：1 齿数比的齿轮，用来给编码器转动信号。 角度设定可在数字凸轮定位器面板上用“手动 和“教导”两种方法输入，可根据实 际需要输入相应的启动和停止角度，也可将设备的任何角度设定为原点。定位器为晶体管 输出，最大负载电流1 0 0 m a ，能直接驱动指示灯或小型继电器，对大容量负载或高电压等 级的设备，要通过中间继电器或电磁开关等进行电压或功率放大后来驱动。配用的编码器 是0 2 5 5 绝对角度输出的，为方便显示和编辑动作角度，可将定位器面板上的“2 5 6 3 6 0 ” 拨码开关拨到3 6 0 ，定位器即按3 6 0 度显示及输出 用数字凸轮定位器来替换机械凸轮，不仅可使电路简化、设备智能化，还可以减少机 械维修量，使机械结构将越来越简化，对机械的依赖性越来越小；设备的动作同步准确性 更有保证：物料损耗、调机时间也越来越少。 2 3 3 定长定位伺服控制系统 定长、定位伺服控制系统主要用于在制袋过程中确定袋子的长度、烫封和裁切的位置 1 2 等。制袋机定长定位控制是解决精确切袋的关键。当前国际市场上制袋机速度达4 5 m m i n ， 即以2 5 0 咖袋长为基础，制袋1 8 0 只m i n 。对于传统的步进电机根本无法达到该速度，而引 进交流伺服控制系统作拖动装置后，充分满足了牵引要求。 制袋机从工艺上可分成热封裁切与定长定位牵引两大动作，一般制袋机这两部分动作 各占一半的制袋周期且互锁。在图2 3 中，伺服电机s m 0 通过连杆机构将主电机的旋转运动 转换成2 个热封烫刀组与切刀的上、下往复直线运动。s m l 、s m 2 是用于定长、定位控制的 交流伺服电机，f 1 为位置传感器，用于协调s m 2 电机的动作，以保证前、后牵引辊间的薄 膜张力恒定，这是保证定长、定位精度与热封质量的前提条件。此外，放料环节保证了进 给烫刀的薄膜处于恒张力状态。 + 定长控制系统的主要工作过程如下：s m o 连续运转，热封机架及切刀作周期性往复 上、下运动。当热封机架与切刀抬起时，数字凸轮定位器送出启动信号，在此期间s m l 、 s m 2 根据系统设定的袋长所对应的脉冲数及其升、降频规律进行定长牵引控制，且控制作 用使得每次( 1 个袋长) 牵引结束后，g k 的光点正好落在标志条的中间位置。当热封机架 与切刀压下时，即对刚送进的薄膜进行热封，同时切刀将己由牵引辊送出的1 个袋长进行 裁切成品，此时数字凸轮定位器送出停止信号，s m l 、s m 2 停止运转。制袋机的生产速度可 按每分钟生产的( 特定袋长) 袋子数计量，是随主电机的速度而变的p l 。 定长、定位控制要确定制袋过程中袋子的长度、热封和裁切的位置。纵向定位是指对 薄膜进行定长牵引的控制，使产品有良好的一致性。纵向定位由两个放料牵引伺服电机来 完成，伺服电机要按s 形曲线加减速运动进行间歇式定长定位牵引，以保证牵引动态过 程平稳。 2 3 4 光电纠偏控制系统 在现代包装、印刷行业中，特别是自动化程度高的产品生产线上，大量纸张、塑料、 薄钢板等可绕性带材制造包装产品时需拉伸后剪切成所需尺寸，然后才能制成产品出厂， 但可绕性带材在运行过程中，由于品质偏差( 两边薄厚不均，收卷时基材两边参差不齐、 张力不一致汲机械运行偏差等原因，不能保持直线运行而出现跑偏、错位等现象。如果 这种现象不加纠正，就会影响产品质量，还会增加能源和原材料消耗。准确纠正纸张、塑 料、薄钢板等可绕性带材在运行过程中出现的上述现象，是现代包装、印刷行业加工过程 中不可缺少的一种控制手段，对提高产品质量、数量，降低成本费用能起到非常明显的作 用。 纠偏控制器就是这样一种偏差纠正装置，对物料在传送过程中水平方向的位置偏移进 行在线即时纠正。由于光电传感器具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点，所 以通常用光电传感器对纸张、塑料、薄钢板等可绕性带材边缘、表面印刷线或不同色度区 的分界线进行跟踪，读出带材实际位置与设定位置的偏移量，将偏移量转换成与之成正比 的电信号，然后再进行比较、运算和分析，发出指令到伺服控制器控制电机驱动纠偏导向 机构，将带材回复到设定位置，从而保证纸张、塑料、薄钢板等可绕性带材卷绕、分切的 整齐或按需要进行错位卷取。 纠偏控制器采用测控技术和高灵敏光电传感技术，根据传感器的信号来控制行走机构 的运动，将边界或标识线控制在光电眼下的平衡位置，即将光电眼下的物品在横向精确定 1 3 位，从而使产品对应整齐、边界平整或进行错位卷取。 纠偏系统主要由高灵敏光电检测传感器( 俗称“光电眼 ) 、m c u 部分和交流伺服控 制部分组成。 1 、偏差信号的获取 可绕性带材偏差信号的获取通过光电眼来实现，光电眼采用发射接收原理，发出调制 光，接收被测物体的反射光，并根据接收光信号的强弱来区分不同的颜色，或判别物体的 存在与否，可以对色标，或其它可作为标记的图案色块，线条迸行检测。不同颜色的物体 对相同颜色的入射光具有不同的反射率；发光强度不同的同一色光，根据接收到的反射光 信号的强弱，可辨别不同的颜色或者辨别物体的有无。 2 、 工作原理 可绕性带材卷边左右的颜色和对比度一般都不相同，光电眼在卷边附近沿与卷边垂直 方向不同的位置照射，光所覆盖的两种颜色的面积比例是不同的。以卷边为中心，光电眼 的光圈被卷边平分时光电眼的位移定位零，光圈在原点附近移动时，光圈两部分( 卷边左 右的两部分) 面积变化最大，此时，返回的电压变化也是最大的，当光圈远离卷边时光圈 的反射光就不在变化或变化很小，返回的电压是稳定的。如图2 - 4 所示：图中s 是光圈的 位移，u 是光电眼返回的电压量。原点为材料与背景的分界点( 卷边) ，以光电眼从负无穷 远处向原点再向正无穷远处移动为路径，分析光电眼输出电压的变化情况：假定收卷材料 的反射能力弱，背景的反射能力强。当光电眼在负位移