（机械设计及理论专业论文）折页机检测及其伺服系统的设计.pdf

摘要 摘要 折页机是印后设备的一种。与国外相比，我国折页机自动化的发展程度与世界 先进水平相比差距仍然很大。本课题研究目的就是对国内折页机的检测系统进行改 进研究和对伺服预置系统的前期研究。 本文对折页机检测系统的硬件设计进行了详细阐述。介绍了系统设计要求，丽 且给出了卡纸检测的原理。在硬件总体设计方案中，m c u 决定采用微芯公司的 p i c l 8 f 4 5 2 。检测系统与上位机通信使用r s 4 8 5 这种半双工通信模式。硬件各模块的 详细设计包括：电平转换模块，p l c 通信模块，输出报警模块。 检测系统软件总体设计算法是采用轮询方法来解决测得各参数的比较。本文也 对软件编程语言以及开发工具进行了选择，开发工具使用微芯开发的肝l a b 集成开 发环境。本文还介绍了检测系统的详细软件设计，分别给出了主程序和子程序的程 序框图以及单片机与p l c 通讯的具体实现等等。 本课题还对折页机伺服系统即折页机预置系统进行了研究，研究内容包括步 进电机驱动控制板的设计。 本论文还包括对c a n 通信的研究。由于c a n 总线技术的种种优势，使得c a n 总 线技术这项技术在工业领域内应用越来越广泛，但在国内把c a n 总线技术应用到印 刷设备上还寥寥无几。将来折页机的上位机控制计划采用p c 机，底层控制通讯采用 c a n 总线技术。所以c a n 通讯模块设计要求r s 2 3 2 c a n 的通讯转换。 关键词：检测；折页机；c a n 总线 a b s a c t a b s t r a c t f o l d i n gm a c h i n ei so n eo f p o s t - p r e s se q u i p m 锄括t h ea u t o m 撕o nl e v e lo ff o l d m 窖 m a c h i n e s 证c h j i sb e h i n d ( h el e v e lo ff o r e i g nm a c h i n c s t h ea i mo f 也ed i s s e 删o ni s t od e s i g nt h ed e t e c t i n gs y s t e mo ff o l d i n gm a c h i n e 釉di l l l p r o v et h ei n c h o a t cd e s i 窖n0 f 舱r v os y s t e l no f f o l d i n gm a c 鼬e n l eh a r d w a r cd e s i 印o ff o l d i i l gm a c h i i l ei se x p o i l l l d c di nd c t c c d n gs y 或e n i ，陆t t h e d 锄a t l do fm es y s t e m 她d 也ep r i r l c i p l et h a tt h es y s t e mw o r k so n i $ i n 拄o d u c e dt h e s y s t e mm 髂p i c l8 f 4 5 2w h i c hi sp r o d u c e db ym i c r o 洲p1 砘h n o l o g yk ，n 把g y s t c m c o m m u n i c a t c sw i t ht h em a s t e rb vr s 4 8 5w h j c hi sh a l f 珂1 l p l e x 伽m 嘶c a t i o n t h e p a n i 砌a rd 嚣i g 皿o fb a r d w a r ci n c l u d 髓d e c m c a ll e v ds w i t c 妇gm o d l l l e ，p i ，c c o h n n t l m c a t i o nm o d u l ea n da l a 唧i o c l u j e t h es o m v a r eo fd e t i t m gs y s t e l nu s e sp o l lm e t h o d 协c 伽 p a mt h er e c c i v e d p a r a m c t e 培m p l a bm ei sl l s e dt od e v e l o pt h es o r 哪腭w h j c hi s 如v e l o p e db y m i c r o c h i pt b c 置1 王l o l o g y1 1 1 c t h ed i s 辩n a 吐o na l s oi n m m c 韶t h ed c s i g no f f h 阳糟i n d e t a i l i ti 1 1 c l u d e sm a i np r o g m mb l o c kd i a 乎鲫【l 砸bp r o g r 锄b l o c kd i a 笋a ma n dt h e i m 口l e m e n to f c o r 盥u 正c a t i o nb e t w 啪m c u 缸dp l c s a v os v s t e i no ff - 0 l d i n gl n a c h i i l ci sa l s os t i l d i e d i nt h od i s s e m d o nw h i d ha l s oc a l l e d b d 砒a n dl o c a t i o ns y s t e l no ff o l d i n g 皿圄：h i 鹏ni n c l u d e s 也cd e s i g 皿o fc i i c 疵f b f d i 押i gs t 印p e rm o t o r t h es y 呶襁a l s oi n c i h d 嚣t h er e 8 e 舒c ha b o n tc a = nb 璐t e c 吣g y c a nb 嚆 t e c h l o g yh a ss om n c hs 拄o n 印o i n tt h a ti ti su s e dw i d d yj ni n d u g 旺y b u tc a nb l i s 住宅h n o l o g yi si 铷胄l yu s e di np r i n t e ro q l l i p 加旧眭姆i nc h i n a 1 j b em 鼬由盯叫缸st ou s ep ca n d b o t t 锄c o 咖li sp l a n e dt ou s ec a nb l 垮l e c b n o l o l m t h e 把& 地如恤丘咄c a nb 吣协 r s 2 3 2i sn e c 酷s a r 坼 k e y w o r d s ：d e t e c 廊gf 0 1 d i n gm a c h 砸e ；c a nb 璐； n 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 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) 第一章绪论 1 。1 课题的提出和意义 第一章绪论 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，我国数字化印后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 加工设备具有多样性( 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。 “目前，我国的印刷厂，大部分采用机械折页。折页机分为刀式折页机、栅 栏式折页机和栅刀混合式折页机，有全张和对开两种。 刀式折页机，是采用折刀将纸张压入旋转着的两个折页辊的横缝里，通过 两个辊与纸张之间的摩擦力来完成折页过程。这种折页机可以折全张的印张， 折页精度高，但占地面积大。 栅栏式折页机，是使运动的纸张，通过折页辊沿着栅栏往前运动，直至档 板，在折面辊的摩擦作用下，纸张被弯曲折叠。这种折页机，折页速度快，占 地面积小，但不适合折幅面大、薄而软的纸张。 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栅栏式折页机为对象进行自动化数字 控制开发，完成折页机的机械系统的检测与运动控制等。 1 2 国内外的研究现状和分析 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 北京工业大学工学硕士学位论文 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、印刷和印后加 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刷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刷设备制造公 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度和自动化 程度高，这些产品在操作过程中人工干预环节少，调整准备时间短，极大地提 高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。 1 2 1 国内折页机的现状和发展 我国折页机从五十年代发展至今，经过五十年来的不懈努力，取得了辉煌 的成就，我们知道，解放初期我们还只能从事简单的折页机修理，今天，我国 折页机已经接近国际九十年代初期水平。 五十年代至七十年代，我国主要生产刀式折页机，其产品主要有全张刀式 折页机z y l 0 1 至z y l 0 4 和对开刀式折页机z 1 h 6 6 0 ；九十年代初期，开始进入二 次开发；到九十年代中期，便进入到自主开发时期。直至今天，折页机品种不 断增多，混合式、全栅式等不断涌现；功能也不断完善，平行折、交叉折、风 琴折、单联、双联，数不胜数，折页速度、折页质量不断提高，z 1 f l 6 6 0 已达 1 6 0 m m i n ，z y h 4 9 0 已达1 8 0 m m i n ，其生产厂家也不断增多，上海紫宏、北人、 胜利伟业、长沙奥托等十余家相继创建，加上生产历史较久的长印、新印( 香 港巨天) 、玉印等。 尽管发展相当迅速，但国产折页机的水平与世界先进水平相比差距仍然很 大。折页机无论从产品造型、生产效率、折页质量到机器的操作性能以及机器 的可靠性和稳定性等都与国外折页机有一定差距。 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 第一章绪论 艺流程的连接应是国产折页机产品的发展方向。 1 2 2 国内折页机自动化发展趋势 “缩短装调时间、减少废品、提高净效率、改善操作舒适性”，这不仅仅 是一种口号，更是在如今印数不断下降、品种不断增加的情况下，应对生产成本 大量增长的一种必要的措施。然而，企业的日常工作情况却未必如此，多数工作 过程和从前一样特别是印后加工。这种情况能够不会长此以往持续下去。 装订过程改造太慢对企业有不利的影响。如果印后加工过程不能在同样的水平上 继续进行，那么印前和印刷的生产率收益就可能在印后加工中消失。生产组织者 把少数人员组合起来，通过在线生产缩短不同的步骤，这些解决方案是正确的措 施。装订厂采用传统技术只能是有限的发展，自动化将提供新的发展方案。一方 面通过附加的电子装置和机器技术产生较高的投资费用，另一方面恰好这种额外 支出有助于减少过程成本。提高速度并不是主要的目标，而是减少非生产时闻。 正是在满意的印数变化时，减少调试时间显得颇为重要。缩短调试时间会提高机 器运转时间，从而提高了生产效率。自动化的另一个优点是简单的可操作性。操 作指南可以使操作人员更快的熟练操作设备，减轻专业人员的负担。自动预调的 准确性、可重复性、调节工作的合理性检验、印张运行监控的故障诊断，有助于 降低废品率，从而降低成本。 1 3 课题来源和研究内容 一 1 3 1 课题来源 本课题来源于北京市科技计划发展项目“数字化印刷技术及装备”。 1 3 2 研究内容 折页机卡纸检测系统的设计：该系统用于检澳4 折页机纸张的运行状态，通过 r s 4 8 5 口与p l c 通讯，在机器运转时如果检测到纸张停留在机器里，系统立即输 出信号给p l c ，由p l c 控制机器立即停车。 关键问题包括此系统需要检测五个传感器的信号。p l c 用r s 4 8 5 通信，单片机 具备r s 2 3 2 通信功能，但没有r s 4 8 5 通信功能。这就有r s 2 3 2 转r s 4 8 5 以及p l c 通讯 格式、定义问题。 本论文还包括对c a n 通信的研究。介绍c a n 总线的性能分析，国内外c a n 总 线技术的应用情况。阐述了为什么选择带s p i 串行外部接口m c p 2 5 1 0 的c a n 控制 芯片，而没有使用应用广泛的s a j l o o o 。给出了具体的硬件设计电路。介绍了此 c a n 控制器的几种工作模式，以及怎样实现环回自测试模式。 北京工业大学工学硕士学位论文 折页机预置系统的研究：上位机p c 机发出各种命令，通过运动控制模块控 制电机进行运动。研究内容包括通讯转换板的设计，电机驱动控制板的设计，及 其相应软件的设计。 关键问题包括电机驱动中的变速、定位、平稳起动、快速执行、细分驱动、 保持力矩等问题。 目前检测已经做完，经过现场调试。r s 2 3 2 - c a n 通讯转换模块完成硬件设计 及其自测试模式的测试。折页机预置系统硬件设计已经完成。正在进行调试。 第二章折页机榆删系统的硬件峻计 第二章折页机检测系统的硬件设计 2 1 检测总体方案 2 1 1 系统设计要求 该电路板用于检测折页机纸张的运行状态，通过r s 4 8 5 通信方式与p l c 通讯。 在机器运转时如果检测到纸张停留在机器里，电路板立即输出信号给p l c ，由p l c 控制机器立即停车。 1 输入信号 该电路板的几个输入信号，都是n p n 型，即有信号时是2 4 v 低电平，没有信 号时是2 4 v 高电平。他们分别是： 1 个来自于光电开关p h o 的脉冲信号，该信号是高速输入信号，最高频率可 达到3 k 。 5 个光电开关信号，分别是p h l ，p h 2 ，p h 3 ，p h 4 ，p h 5 。单张进纸按钮信号。 连续进纸按扭信号。 2 4 v 直流电源信号，该信号也是光电开关的电源信号。 2 个备用输入端子，用于将来该电路板的功能扩充。 点。 图2 一l 折页机折刀示意图 f i g 2 1f o l d i n gm a c h i n ec l a s pk n i f es k e t c hm a p 2 输出信号 该电路板在捡测到堵纸故障时输出继电器信号，继电器信号由开点变为闭 3 个备用输入端子，用于将来该电路板的功能扩充。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 r s 4 8 5 通讯 该电路板在检测堵纸故障时要通过r s 4 8 5 与三菱的p l c 进行通讯，将报警信 息通知给p l c ，p l c 得到报警信息后，停止主电机的运行， 通讯的信息包括： ( 1 ) 测量的纸长( d 6 0 4 ) ，纸距( d 6 2 0 ) ，吸距( d 5 1 6 ) ，这几个值会被实时 的现实屏幕上。 ( 2 ) 堵纸报警信息，而且这些信息在需要时可以打印出来。 2 1 2 卡纸检测的原理 在整个折页机的纸张走纸过程中共安放5 个光电传感器。当纸张在传感器下 时，传感器输出- 2 4 低电平。反之输出2 4 高电平。有一个编码器和主轴相连， 编码器发出脉冲。幅值为2 4 v 。淝u 通过计算每张纸在每个传感器下的脉冲个数， 和在两个传感器之问的脉冲个数，与标准值相比较，超过一定的允许范围，即认 为纸张卡在机器里，而停机。同时向主控p l c 通讯报警。 各个光电开关的检测过程，可以分为两类，第一类是检测经过该光电的纸 张的脉冲数，第二类是检灏4 两个光电之间的纸张的脉冲数，下面分别叙述。 第一类：检测经过某光电的纸张的脉冲。这种情况包括入口电p h l 。栅栏 前光电p h 2 ，一折刀前光电p h 3 ，2 折刀前光电p h 4 ，出口光电p h 5 。以栅栏前光 电开关p h 2 为例说明如下： ( 1 ) 当有单张进纸信号时，检测光电开关p h 2 的上升沿信号，在得到上升 沿信号的时候，开始对p h o 输入的脉冲计数。同时检铡光电开关p h 2 的下降沿 信号，检测到p h 2 的下降沿信号时，停止对p h o 的脉冲计数。并把得到的计数值 d 7 1 4 保存起来。同时得到一个检测标准值d 7 2 4 。d 7 2 4 是一个根据d 7 2 4 得到的 计算值，计算公式是：d 7 2 4 = d 7 2 4 6 5 + 5 ( 2 ) 在得到连续迸纸信号后，进行赌纸检测，检测方法如下： 检测光电开关p h 2 的上升沿信号，在得到上升沿信号的时候，开始对p h o 输 入的脉冲信号计数。同时检测光电开关p h 2 的下降沿信号，检测到p h 2 的下降沿 信号时，停止对p h o 的脉冲计数。并把得到当前值d 4 保存起来。在对p h o 的脉 冲计数过程中，实时把当前值d 4 和检测标准值d 7 2 4 进行比较，如果d 4 大于等 于d 7 2 4 ，置位报警信息m 3 3 3 ，如果p l c 褥到m 3 3 3 置位的信息，将控制主电机停 止运行。在m 3 3 3 置位后，等待m 2 6 的上升信号( 停止运转) ，当有m 2 6 的上升信 号时，复位m 3 3 3 ，把d 4 的值清零。 下表说明各个光电占用的p l c 地址和报警信息； 第二章折页机检测系统的硬件设计 光电开关计数值检测标准值当前值报警值 入口光电p h ld 7 3 4d 7 5 4d 1 2 0m 3 3 6 栅栏前p h 2 d 7 1 4 d 7 2 4d 4m 3 3 3 1 折刀前p h 3 d 7 1 6d 7 2 6 d 9 0 0 m 7 6 6 2 折刀前p h 4 d 7 2 0d 7 3 0d 8m 7 3 0 出口光电p h 5d 7 1 8d 7 2 8d 9 0 2m 3 3 9 表卜1 各个光电占用的p l c 地址和报警信息 t a b l el lp l c a d d r e s s 器a n da l 锄i n f o 麟p r 部s i n gp h o 州扛i cs e l l s o 岛 在第一类检测中，入口光电p h l 不仅检测堵纸，还检测标准纸长，控制过程 如下： ( 1 ) 当有单张进纸信号时，检测光电开关p h l 的上升沿信号，在得到上升 沿信号的时候，开始对p h o 输入的脉冲计数，同时检测光电开关p h l 的下降沿信 号，检测到p h l 的下降沿信号时，停止对p h o 的脉冲计数。并把得到的计数值 d 7 3 4 保存起来。同时得到一个检测标准值d 7 5 4 ，d 7 5 4 是一个根据d 7 3 4 得到的 计数值，计算公式是d 7 5 4 _ d 7 3 4 6 5 + 5 。 ( 2 ) 再有连续进纸信号时，把检测到计数值d 7 3 4 ，标准纸长的脉冲数，换 算成毫米数d 6 0 4 ，公式是：d 6 0 4 = d 7 3 4 1 5 6 9 8 0 0 同时根据得到标准纸长计算 出标准吸距，如果标准纸长大于4 5 0 硼，标准吸距d 6 2 0 锄0 4 4 。如果标准纸长 小于等于4 5 0 衄，标准吸距d 6 2 0 - d 6 0 4 3 。同时，规定标准吸距d 5 1 6 为2 0 0 咖。 。( 3 ) 在得到连续进纸信号后，进行堵纸检测，检测方法如下；检测光电开 关p h l 的上升沿信号，在得到上升沿信号的时候，开始对p h o 输入的脉冲计数。 同时检测光电开关雕l 的下降沿信号，检测到p h l 的下降沿信号时，停止对p h 0 的脉冲计数。并把得到的计数值d 7 3 4 保存起来。同时得到一个检测标准值d 2 1 0 ， 并把d 2 1 0 和检测标准值d 7 5 4 进行比较，如果d 1 2 0 大于等于d 7 5 4 ，置位报警信 息m 3 3 6 ，m 3 3 6 是一个报警信息，如果p l c 得到m 3 3 6 置位的信息，将控制主电机 停止运行。 第二类：检测两个光电之间的纸张的脉冲数。这种检测涉及到两个前后位置 相关的光电开关，检测两个光电开关之问出现的堵纸。下面以检测入口光电开关 和栅栏前光电开关之间的堵纸为例说明检测过程。 ( 1 ) 当有单张迸纸信号时，检测光电开关p h l 的上升沿信号，在得到上升 沿信号的时候开始对p h 0 输入的脉冲计数。同时检测光电开关p h 2 的上升沿信号， 检测到p h 2 的上升沿信号，停止对p h 0 的脉冲计数。并把得到的计数值d 7 4 0 保 存起来。同时得到一个检测标准值d 7 5 0 ，d 7 5 0 是一个根据d 7 4 0 得到的计数值， 计算公式是d 7 5 0 = d 7 4 0 6 5 + 5 。 ( 2 ) 在得到连续进纸信号后，进行赌纸检测，检测方法如下：检测光电开 北京工业大学工学硕士学位论文 关p h l 的上升沿信号，在得到上升沿信号的时候，开始对p h o 输入的脉冲信号计 数。同时检测光电开关p h 2 的上升沿信号，检测到p h 2 的上升沿信号时，停止对 p h o 的脉冲计数。并把得到当前值d l o 保存起来。在对p h o 的脉冲计数过程中， 实时把当前值d 4 和检测标准值d 7 5 0 进行比较，如果d l o 大于等于d 7 5 0 ，置位 报警信息 f 3 4 2 ，如果p l c 得到m 3 4 2 置位的信息，将控制主电机停止运行。在m 3 4 z 置位后，等待m 2 6 的上升信号( 停止运转) ，当有凇6 的上升信号时，复位m 3 4 2 ， 把d 1 0 的值清零。 下表说明各个光电占用的p l c 不同地址和报警信息 起始光电开关终止光电开计数检测标准值当前值报警信息 关 值 入口光电p h l栅栏前p h 2 d 7 4 0d 7 5 0d 1 0m 3 4 2 栅栏前p h 2 l 折刀前p h 3 d 7 4 2 d 7 5 2 d 1 2m 3 4 5 l 折刀前p h 3 2 折刀前p h 4 d 7 4 4 d 7 5 4 d 1 4m 3 4 8 2 折刀前p h 4出口光电p h 5d 7 4 6 d 7 5 6d 1 6m 3 5 l t a b l el - 2p l c a d d r 部s 龆a n da l 锄j n 】b “坤哪证gp h 砷潮一cs 龃s o 培 在第二类检测中，栅栏前光电期2 到1 折刀前光电开关p h 3 之闻的检测，不 仅检测堵纸，还检测不正常的纸张行进过程，即纸张没有进入栅栏而直接进入折 刀区域。控制过程如下： ( 1 ) 当有单张进纸信号时，检测光电开关p 1 2 的上升沿信号，在得到上升 沿信号的时候，开始对p h 0 输入的脉冲计数。同时检测光电开关p h 3 的上升沿信 号，检测到p h 3 的上升沿信号时，停止对p h o 的脉冲计数并把得到的计数值 d 7 4 2 保存起来。同时得到一个纸张不正常运行的检测标准值d 7 5 8 ，d 7 5 8 是一个 根据d 7 4 2 得到的计算值，计算公式是：d 7 5 8 - d 4 2 2 + 5 。 ( 2 ) 在得到连续进纸信号后，进行堵纸检测，检测方法如下：检测光电开 关p h l 的上升沿信号，在得到上升沿信号的时候，开始对p h 0 输入的脉冲计数。 同时检测光电开关p h 2 的上升沿信号，检测到p h 2 的上升沿信号时，停止对p h o 的脉冲计数。并把得到的当前值d 1 2 保存起来。在停止对p h o 的脉冲计数后，把 当前值d 1 2 和检测标准值d 7 5 8 进行比较，如果d 1 2 小于等于d 7 5 8 ，置位报警信 息m 3 5 4 ，如果p l c 得到m 3 5 4 置位信息，将控制主电机停止运行。在m 3 5 4 置位 后，等待l i 2 6 的上升沿信号( 停止运转) ，当有m 2 6 的上升沿信号时，复位m 3 5 4 。 把d 1 2 的值清零。 2 1 3 硬件设计总体方案 关于卡纸检测系统，本系统采用p i c l 8 f 4 5 2 “作为核心控制器。p i c l 8 f 4 5 2 第二章折页机检测系统的硬件设计 有低压检测，看门狗等功能。是一款高档八位m c u 。本产品是原折页机检测系统 的升级换代产品，所以尽量采用原系统的通讯模式。1 。采用m 7 5 1 7 6 芯片，使用 4 8 5 通讯格式与控制显示折页机运行状态的p l c 进行通讯“1 。控制输出模块也 就是报警停机模块用p i c l 8 f 4 5 2 控制2 4 v 欧姆龙继电器，输出2 4 v 停机信号给主 控p l c 。 图2 2 卡纸检测系统设计 f i g2 2p a p 啊b o 甜dd e t e c t i i l gs y s t 鼬d i g n 上位机与下位机采用控制器局部网c a n 。c a n 属于现场总线的范畴它是一种 有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。长期以来使用r s 一2 3 2 通信标 准，尽管r s 一2 3 2 被广泛的使用，但这是一种低数据速率和点对点的数据传输标 准。c a n 具有下列主要特性：高位速率和较高的抗电磁干扰性能，而且要能够 检测出通讯总线上产生的任何错误，当信号传输距离达1 0 l ( 1 i i 时，c a n 仍可提 供高达5 0 kb i t s 的数据传输速率。 2 1 ，4 单片机选型 p i c l 8 f 4 5 2 是高性能r i s cc p u ”1 ： 优化的c 语言编译器架构指令集 程序存储器线性寻址达3 2k b 数据存储器线性寻址达1 5k b 高达1 0m i p s 的操作： d c 一4 0 姗z 振荡器时钟输入 删z 一1 0 姗z 振荡器带p l l 的时钟输入 1 6 位宽的指令总线，8 位宽的数据总线 中断优先级 8x8 单周期硬件乘法器 模拟特性： 兼容的1 0 位模数转换器模块( a d ) ，具有： 快速采样率 休眠期间可以进行转换 线性度小于等于1l s b 可编程低压检测( p r o 黟a m m a b l ek wv o l t a g ed e t e c t i o n ， p l ，v d ) 北京工业大学工学硕士学位论文 支持低压检测中断 可编程欠压复位( b m w n o u tr e s e t ，b o r ) 特殊单片机特性： 增强型典型闪存程序存储器可擦写1 0 0 ，0 0 0 次 数据e e p r o m 存储器可擦写1 ，0 0 0 。0 0 0 次 闪存数据e e p r o m 保存期大于4 0 年 软件控制下可自行再编程 上电复位( p o w e r o nr e s e t ， p o r ) 、上电延时 定时器( p o w 昏u pn m e r ，p w r t ) 和振荡器起 振定时器( o s c i l l a “d rs t a r t u pt i m e r ， o s t ) 带有独立的片内r c 振荡器的看门狗定时器 ( w 缸c h d o gt i m e r ，w d t ) 可保证运行可靠 可编程代码保护 省电的休眠模式 用户可选的振荡器包括： 4 倍锁相环( 用于主振荡器) 3 2k h z 副振荡器时钟输入 由5 v 单电源供电，通过两引脚电路进行在线串行编程( i n - c i r c l l i ts c r i a l p r 0 鲫姗衄i n g “，i c s p “) 通过两引脚进行在线调试( h 卜c i r c l l i td e b u g ，i c d ) c 5 l o s 技术： 低功耗高速瓣存e e p r o m 技术 全静态设计 宽工作电压范围( 2 o v 到5 5 v ) 工业级温度范围和扩展级温度范围 低功耗： 在5 v ，4 蠲z 时，典型值小于1 6l i l a 在3 v ，3 2k h z 时，典型值为2 5a 小于o 2a 的典型待机电流 2 2 检测系统各硬件模块设计 2 2 1 电平转换模块 电平转换包括电源电平转换和输入传感器信号的转换。电源使用p l c 电源 2 4 v 。这一模块由于考虑到电路板体积的要求及其性能稳定性的考虑，我们使用 1 0 第二章折页机检测系统的硬件设计 现有的2 4 v 转5 v 的d c c d 电源模块。输入传感器有效时为2 4 一( 当纸张走过传 感器时为有效状态) 。采用常见的光隔器件t l p 5 2 卜4 。单张走纸和连续走纸的信 号也为2 4 v 加上六个传感器信号，一共用两片t l p 5 2 卜4 。电路图如下。 2 2 2p l c 通信模块 图2 3 电平转换模块 f 噜2 3e l e c 埘c i t yl e v e l 刚t c hm o d i l l e 此检测模块要与主控p l c 通讯。p l c 有几种通讯模式，其中最常用的是4 8 5 通讯扩展模块。4 8 5 通讯采用7 5 1 7 6 芯片。此芯片是电平转换芯片，把m c u 的2 3 2 信号转换成4 8 5 信号。由于长距离传输所以要加一1 2 0 欧阻抗电阻。接口采用常 用的d b 9 接口。电路图如下 2 2 3 输出报警模块 图2 - 4p l c 通信模块 f i g2 - 4p l c m n m n i c a 面nm o d i l l e 按厂家要求输出一个继电器信号。备用一个继电器信号。所以选用一2 4 v 双 路开关的微继电器。电路图如下 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 本章小结 图2 5 输出报警模块 f i 9 2 5f i ga l a m m o d u l c 本章对折页机检测系统的硬件设计进行了详细阐述。首先介绍了系统设计要 求，给出了卡纸检测的原理。在总体设计方案中决定m c u 决定采用微芯公司的皮 p i c l 8 f 4 5 2 。下层通讯使用c a n 总线技术，与上位机通信使用r s 4 8 5 这种半双工 通信模式。硬件各模块的详细设计包括：电平转换模块，p l c 通信模块，输出报 警模块。 北京工业大学工学硕士学位论文 第三章折页机检测系统的软件设计 3 1 软件设计总体设计算法 此软件主要是检测九个参数状态，p i c l 8 f 4 5 2 是一种高档8 位m c u 。其资源足 以应对此软件的需要。所以决定采用比较简单的轮询法。先单张走纸，记下标准 参数。存到r o m 里面，然后连续走纸。轮询各个传感器的状态，然后与标准值相 比较。判断是否出错。由于单片机运算速度足够快，所以和标准值比较所花费的 时间，并不影响对各个传感器的轮询。 3 2 软件开发语言选型 单片机的软件可以用汇编语言开发，也可以用c 语言开发。与汇编相比，c 语言易学易用，在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。由c 语 言编程实现单片机的控制，大大加快了软件开发的速度：而且利用c 语言可以很 容易的进行单片机程序的移植工作，有利于单片机的重新选型。而汇编语言程序 能充分发挥硬件速度快、效率高的特长，便于实现实时控制。 开发环境选用微芯自主开发的船l a b 开发环境。 i p l a b 的软件开发环境结合了这两种语言的优点，先使用c 语言编写整套控 制程序，然后通过单片机仿真器调试程序，修正错误，这样就缩短了开发周期。 在软件功能调试无误后，用汇编语言改写整套软件，以发挥汇编实时性好的优点。 语言工具还会生成调试文件，m p l a bl d e 使用这个文件将机器指令和存 储单元与源代码相关联。这种集成让m p l a b 编辑器能够设置断点，允许在 w a i c h 窗口中查看变量的内容，并允许您单步调试源代码，观察应用程序的执行。 m p l a bi d e 内置组件包括： 项目管理器 项目管理器提供l d e 和语言工具之间的集成和通信。 编辑器 编辑器是功能全面的程序文本编辑器，它还可以作为调试器的窗口使用。 汇编器，链接器和语言工具 汇编器可以单独使用来汇编单个文件，也可以与链接器配合使用，以从不同 的源文件、库和重新编译的目标文件生成一个项目。链接器负责将编译后的代码 分配到目标单片机的存储区中。 调试器 m i c c h i p 调试器允许使用断点、单步调试、w a t c h 窗口以及目前m p l a b 北京工业大学工学硕士学位论文 i d e 调试器中的所有功能。将它与编辑器配合使用，可以将正在调试的目标中 的信息与源代码相关联。 执行引擎 m p l a bi d e 中具有适用于所有p i c m i c r o 和d s p i c 器件的软件模拟器。 这些软件模拟器使用p c 机来模拟p i c m i c r o 和d s p i c 器件的指令和某些外 设功能。还可以使用可选的在线仿真器和在线调试器通过在应用硬件中运行代码 来测试代码。 3 3 软件方框图 第三章折页机检测系统的软件设计 3 3 1 主程序框图 习 3 3 2 单张走纸程序框图 图3 1 主程序框图 f i 9 3 1m 咖p f o g r a mb l o c kd i a g r a m 1 5 - 北京工业大学工学硕士学位论文 图3 - 2 单张走纸程序框图 一1 6 - 第三章折页机检测系统的软件设计 3 3 3 连续走纸程序框图 一1 7 北京工业大学工学硕士学位论文 第三章折页机检测系统的软件设计 图3 3 连续走纸程序框图 f i g3 3s i n g l ep a p c rp f 0 目憾mb l o c kd i a l 即m 3 4 单片机与p l c 通讯的格式及定义 3 4 1 计算机通信方式与传输速率 串行数据通信是以二进制的位为单位的数据传输方式，每次只传送一位，最 少只需要两根线( 双绞线) 就可以连接多台设备，组成控制网络。串行通信需要 的信号线少，适用于距离较远的场合。计算机和p l c 都有通用的串行通信接口， 例如r s 一2 3 2 或r s 一4 8 5 接口，工业控制中计算机之间的通信一般采用串行通信方 北京工业大学工学硕士学位论文 式。 单工通信方式只能沿单方向传输数据。双工通信方式的信息可以沿两个方 向传递，每一个站即可以发送数据，也可以接受数据。双工方式又分为全双工和 半双工。全双工方式中数据的发送和接收分别由两根或两组不同的数据线传送， 通信的双方都能在同一时刻接受和发送信息。半双工方式用同一组线接受和发送 数据，通信的双方在同一时刻只能发送数据或只能接收数据。 甲站 发送接受 乙站 接受发送 - - - - - - 一 图3 4 全双工方式 f i g3 4f u l l 曲p i e xc 哪m l l i l i c a “o nf o n n a t 甲站发送换向换向接受乙站 接受 发送 图3 5 半全硬工方式 f i g3 5h a l 翻叩l 懿c 0 i 叫岫i c 撕o nf o f m a t 在串行通信中，传输速率( 又称为波特率) 的单位是波特，即每秒传送的二 进制位数，其符号为b i t s 。常用的标准传输速率为3 0 0 一3 8 4 0 0 b i t s 。 3 4 2r s 4 8 5 通信 r s 一4 8 5 是r s 一4 2 2 的变形，r s 一4 2 2 为全双工，两队平衡差分信号线分别用于 发送和接收。r s 一4 5 8 为半双工，只有一队平衡差分信号线，不能同时发送和接 收。 使用r s 一4 8 5 通信接口和双绞线可以组成串行通信网络，构成分布式系统， 系统中最多可以有3 2 个站，新的接口器件已经允许连接1 2 8 个站。 3 4 3 串行通信的参数设定 f x 系列的p l c 链接通信协议”用于一台计算机与卜1 6 台p l c 的通信，由计 算机发出读写p l c 中的数据的命令报文，p l c 收到后返回相应报文。在计算机链 接通信和无协议通信时，首先需要用一个1 6 位的特殊数据寄存器d 8 1 2 0 来设置 通信格式，d 8 1 2 0 的设置方法见表3 1 ，表中的b o 为最低位，b 1 5 位最高位。设 置好后，需关闭p l c 电源，然后重新接通电源，才能使设置生效。 第三章折页机检测系统的软件设计 表3 一l 串行通信格式 t a b l e3 1s e d a lc o m m u n i c a t i o nf o m a t 0 1 5b 1 4b 1 3b 1 2 一b 9b 8b 7 一b 3b 2 一b lb o b l ob 4 传输协议校验控制线结束起传输停止奇偶数据 控制 和 符始 速率 位校验长度 符 b 1 2 一b 1 0 为0 1 1 时正常方式，无协议通信，r s 一4 8 5 通信接口。 计算机链接的控制代码见下表3 2 表3 _ 2 控制代码 t a b i e3 2c o n 仃o lo o d e 馈鸯代掰e 1 6 避镌，簧避蕾孽代端 t 垂避麓l鬟速 s r x2 h冀奉起点婚 o h 馕豁 e t x o h 。 宴幸薅矗c o e h瓣棘 e o t0 4 h幢进螭辩mm 漆攀 oo s h冀辫n j l h攀囊城 矗让 计算机使用r s 一4 8 5 接口时，在发出命令报文后如果没有信号从p l c 传输到 单片机接口，就会在计算机上产生帧错误信号，直到接收来自p l c 的文本开始 ( s t x ) ，确认( a c k ) 和不能确认( n a k ) 信号之中的任何一个为止。 检测到通信错误时，p l c 向计算机发送不能确认信息( n a k ) 信号。 用计算机链接协议从计算机向p l c 发送的命令执行完后，必须相隔两个p l c 扫描周期，计算机才能再次发送命令。 3 4 4 单片机连接控制协议的基本格式 1 ) 数据传输的基本格式 数据传输的基本格式。_ ”如图3 6 所示。通过数据寄存器d 8 1 2 0 的b 1 5 位， 可以选择计算机链接协议的两种格式( 格式l 和格式4 ) ，只有在选择控制协议 格式4 时，p l c 才能在报文末尾加上控制代码c r l f ( 回车、换行符) 。只有当数 据寄存器d 8 1 2 0 的b 1 3 位置为1 时，p l c 才会在报文中加上校验和代码。 北京工业大学工学硕士学位论文 i ( 二亟塑互 ) 图3 6 数据传输的基本格式 f i g3 - 6b a t a 蛐j s s i o nb a s i cf o r n l a t 2 ) 计算机读取p l c 数据的数据传输格式 下面是计算机读取p l c 数据的数据传输格式控制协议格式4 的格式。若选择 控制协议格式1 ，不加最后的c r ( 回车) 和l f ( 换行) 代码。本系统用的通讯 格式4 。 图3 5 种的数据传输分为a 、b 、c 三部分。a 、c 两部分是计算机发送给p l c 的数据。b 部分是p l c 发送数据给计算机的。 第j 章折页机抢测系缝的软件爱计 捧避序搿 c = 函 宝亭：基 一 二君 在 夸 墨蓿 篇罩蔓薄 计算帆 置矗霹 町缓牲拧翱罂 乏 j：i ：喜 ? f ? 蓐罩 。i 墨萼 ； 曛 囝3 7 计算机读取p l c 数据的数据传输格式 f i g3 7b a t a 打a n s 埘j s s l 彻f o 衄