高速折頁機(jī)串行總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃曉峰，彭遠(yuǎn)芳，李 攀

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 200437）

0 引言

折頁機(jī)是書刊、報(bào)紙加工的主要印后現(xiàn)代印刷設(shè)備之一。傳統(tǒng)的折頁機(jī)控制器采用PLC控制，存在數(shù)字化控制程度不高、高速時(shí)折刀定位不準(zhǔn)確、電氣接線繁雜、成本高等缺點(diǎn)。本文在設(shè)計(jì)中以P89LV51單片機(jī)+MAXⅡ1270CPLD為核心，構(gòu)成折頁機(jī)總線控制系統(tǒng)，充分利用單片機(jī)編程簡單、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)和CPLD容易實(shí)現(xiàn)用戶自定制邏輯、在線編程、響應(yīng)速度快、保密性強(qiáng)的特點(diǎn)，有效解決了PLC掃描速度低（ms級）、折刀離合器磨損大、成本較高、高速時(shí)折刀定位不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了折頁機(jī)控制系統(tǒng)模塊化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。設(shè)計(jì)的ZY780型混合式電控刀高速折頁機(jī)，主機(jī)運(yùn)行設(shè)計(jì)線速度為200m/min，最高220m/min，折刀工作頻率最高為8次/秒，同時(shí)系統(tǒng)具備折刀動作次數(shù)、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、吸紙電磁閥工作次數(shù)、折紙參數(shù)數(shù)據(jù)的歷史記憶以及折紙過程中各種故障報(bào)警等功能。經(jīng)一年現(xiàn)場運(yùn)行測試，系統(tǒng)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

1 ZY-780折頁機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 ZY-780背包式折頁機(jī)結(jié)構(gòu)

ZY-780型折頁機(jī)主要由輸紙、柵欄折紙、電子刀折刀部分及收紙小車等構(gòu)成，如圖1所示。折紙工作過程為紙張?jiān)谖恢茫?），紙臺電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，紙堆輸送帶以1.6m/min速度作正向轉(zhuǎn)動，從位置（1）運(yùn)動到位置（2）。當(dāng)紙堆前沿推動吸輪下的紙位探測鍵觸碰到模擬量接近開關(guān)SP0時(shí)，在紙臺變頻器AV2控制下，速度線性下降至0，回轉(zhuǎn)進(jìn)紙將自動停止。 紙張從位置（2）被吸氣閥吸出，經(jīng)2O閥前光電開關(guān)SL2、2O雙張故障限位開關(guān)到紙張位置（3）。從位置（3）過3O柵前光電開關(guān)SL3、5O柵后堵紙開關(guān)SL4后到紙張位置（4）。從位置（4）過6O一折刀前光電開關(guān)SL7停留在位置（5），此時(shí)一折刀從位置1運(yùn)行到位置2。將紙張從位置（5）經(jīng)過折棍折壓到位置（6），同時(shí)一折刀復(fù)位。紙張從位置（6）運(yùn)行通過8O二折刀處的光電開關(guān)SL8后，停留在位置（7）。二折刀、三折刀折紙過程同上。折紙過程結(jié)束后，紙張經(jīng)收紙機(jī)壓平整理后形成成品。

2 折頁機(jī)控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由主控按鍵/顯示模塊、刀控按鍵/顯示模塊、折刀控制模塊、壓平收紙控制模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、折頁單刀控制模塊與主控模塊構(gòu)成主從式控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 折頁機(jī)總線控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

主控按鍵/顯示模塊、刀控按鍵模塊、壓平收紙控制模塊各由一片P89LV51單片機(jī)和相應(yīng)的按鍵模塊組成，主要完成主機(jī)的啟/停與點(diǎn)動、氣泵的啟/停、輸紙電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，以及輸紙參數(shù)設(shè)置，具體包括輸紙模式、輸紙間距、紙張大小、折刀工作方式、主機(jī)運(yùn)行速度、收紙小車運(yùn)行速度等參數(shù)，并通過485串行總線將相關(guān)參數(shù)上傳主控制器模塊，主控制器模塊依據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后發(fā)出控制信號，在主控按鍵/顯示模塊顯示折頁機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)輸紙參數(shù)。

折刀控制模塊接收主控模塊的命令，實(shí)現(xiàn)手動和自動下刀工作模式，以及折刀在自動模式下的不同下刀延時(shí)時(shí)間的選擇功能，同時(shí)完成堵紙故障檢測，并將故障信息傳送至主控模塊。遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊和折頁單刀控制模塊屬個(gè)性化模塊，根據(jù)需要進(jìn)行選配。 根據(jù)需要進(jìn)行選配。

3 主控制器模塊的組成原理

主控模塊的構(gòu)成如圖3所示。其核心部件主要由一片P89LV51單片機(jī)與一塊MAXⅡ1270CPLD構(gòu)成。單片機(jī)通過P0口、P2口、ALE、RD、WR等I/O口線與CPLD之間以51總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制信息通信，CPLD中擴(kuò)展的輸入和輸出外設(shè)作為數(shù)據(jù)存儲器映像，占用存儲器地址。對于51單片機(jī)，程序設(shè)計(jì)時(shí)只要CPU給出正確的地址，就可以用兩個(gè)單字節(jié)指令完成讀/寫，如把數(shù)據(jù)讀入CPU只需執(zhí)行MOV @DPTR #XXXXH及MOVX A，@DPTR兩條指令；輸出數(shù)據(jù)到外設(shè)通過執(zhí)行MOV @DPTR，#XXXXH與MOVX @DPTR，A即可實(shí)現(xiàn)。因此，能夠在節(jié)省CPLD I/O口線的同時(shí)極大地提高了系統(tǒng)效率[1～3]。

圖3 主控模塊系統(tǒng)框圖

在CPLD中通過編程實(shí)現(xiàn)的功能模塊如圖4所示，主要包含51總線、傳感器輸入、控制信號I/O端口、吸紙電磁閥控制、主機(jī)運(yùn)行速度檢測、紙張長度與寬度檢測、故障檢測等單元。

圖4 CPLD功能模塊

主機(jī)測速模塊通過測速光電編碼器對實(shí)時(shí)運(yùn)行速度進(jìn)行檢測，并與設(shè)定值（75m/min～220m/min）形成偏差信號，通過模糊PID算法實(shí)現(xiàn)對主機(jī)運(yùn)行速度的控制。輸紙電機(jī)的運(yùn)行速度通過模擬量接近開關(guān)，將待折紙張位置轉(zhuǎn)換為4mA～20mA電流信號，作為紙臺電機(jī)變頻器的控制信號，控制上紙速度快慢。

吸氣電磁閥控制單元通過CPLD編程實(shí)現(xiàn)，模塊框圖如圖5所示。由latch1～latch5共5個(gè)鎖存器和C_F電磁閥控制器構(gòu)成。單片機(jī)將吸氣長度、紙張間距設(shè)定值以及C_F控制信號通過latch1～latch5鎖存器送入C_F的輸入端口，C_F電磁閥控制器輸入輸出端口及功能如表1所示。

4 仿真測試

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對鎖存器、吸氣閥控制、進(jìn)紙量檢測、折刀控制、堵紙檢測控制、運(yùn)行速度檢測等單元的程序進(jìn)行了仿真測試。圖6為吸氣閥控制單元中的電磁閥控制器C_F在連續(xù)吸紙狀態(tài)下的仿真結(jié)果，其中紙間距DA=6，吸紙長度DB=4，測速編碼器信號BMQA=50KHz。

由仿真圖看出，在20ns～120ns之間，BMQA接收6個(gè)測速光電編碼器脈沖后（紙間距DA=6），吸紙閥控制信號COUT由低電平變?yōu)楦唠娖剑堥y開始吸紙，經(jīng)過4個(gè)脈沖（120ns～200ns），COUT控制信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，吸紙閥停止吸紙，紙張由折頁機(jī)送紙同步帶送走（200ns～300ns），紙張信號PSGL由低電平變?yōu)楦唠娖?，表示一張紙已送完，進(jìn)行下一張紙的吸送紙循環(huán)。

由時(shí)序分析得出，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出吸紙控制信號后，整個(gè)吸紙過程均由CPLD中的吸紙電磁閥控制單元控制，單片機(jī)不再管理吸紙過程，克服了傳統(tǒng)折頁機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)由于掃描速度慢，出現(xiàn)漏數(shù)測速光電編碼器脈沖而造成紙張間距不均勻，影響折紙質(zhì)量的情況。吸氣閥需要停止工作，單片機(jī)只需通過指令將圖6中的端口信號EN1、EN2變?yōu)榈碗娖?，若需要單張輸紙EN1為低、EN2為高電平即可。

表1 吸氣電磁閥控制模塊C_F端口表

圖6 吸紙電磁閥控制器C_F仿真圖

折刀控制模塊的結(jié)構(gòu)與主控模塊相似，由單片機(jī)+CPLD構(gòu)成，在CPLD中編程設(shè)置一個(gè)折刀控制器模塊，通過主控模塊的485總線發(fā)送的控制參數(shù)，經(jīng)折刀控制模塊的單片機(jī)處理后，送至CPLD生成的折刀控制器模塊，結(jié)合折刀光電開關(guān)和光電編碼器檢測到的信號實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制動作，限于篇幅不再贅述。

5 結(jié)束語

以P89LV51單片機(jī)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心的折頁機(jī)總線控制系統(tǒng)，克服了基于PLC的折頁機(jī)掃描速度相對慢的缺點(diǎn)，滿足了高速折頁機(jī)實(shí)時(shí)性高的要求。該控制系統(tǒng)已用于上海紫宏機(jī)械有限公司背包式高速折頁機(jī)的系統(tǒng)，本系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)能浖薷囊部蓱?yīng)用于其他型號的折頁機(jī)系統(tǒng)。

[1]符永宏,潘國平,盛占石,等.基于CPLD與單片機(jī)的激光脈控制卡設(shè)計(jì)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）[J].2012.5.

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