基于ARM的GD包裝機嵌入式驅動控制系統

李力 寧振國 周寶軍

1.河南中煙工業有限責任公司南陽卷煙廠卷包部；2.黑龍江煙草工業有限責任公司牡丹江卷煙廠；3.陜西中煙工業有限責任公司寶雞卷煙廠

GD 包裝機原機驅動裝置采用變頻驅動控制電機，相關控制信號如變頻器使能信號、模擬量輸入信號等均采用早期繼電器控制，因其設計原理限制，缺少直接的運行狀態監控。根據存在的不足采用嵌入式結構設計，選擇基于ARM 的STM32 微處理器作為控制核心，將原有各類驅動控制信號、速度模擬量信號統一集成，在系統內部完成各控制邏輯計算。

1 驅動控制現狀

GD 包裝機原機驅動裝置采用變頻驅動控制電機，相關控制信號如變頻器使能信號、模擬量輸入信號等均采用早期繼電器控制，因其設計原理限制，缺少直接的運行狀態監控，在使用過程中存在以下問題：

1.1 故障查找時間長

主機、輔機變頻驅動電路共需12 個中間繼電器、3個時間繼電器，MICROII 系統故障指示只能確定大概部位，由于繼電器邏輯限制，經常出現誤報、錯報現象，日常維修需要維修人員根據經驗對整套電氣控制邏輯進行逐個排查確認，平均處理時間在2.5h 以上。

1.2 主要部件壽命短

由于電柜空間限制，繼電器模組靠近接觸器及剎車制動電阻，周圍發熱量大，導致繼電器在高溫環境下老化現象嚴重，經常出現觸點粘連、氧化現象，正常使用壽命在4-6 個月，為保障設備正常運行需要定期更換。

1.3 缺少運行狀態監控

運行狀態信息定位不準確，繼電器僅通過一組常開觸點反饋其他三組觸點閉合狀態，對高頻誤動作、閃斷故障難以判定。目前難以在原繼電器控制電路上進行二次開發完成狀態監控，必須重新設計該部位控制電路。

2 方案設計

根據驅動控制存在的不足采用嵌入式結構設計，選擇基于ARM 的STM32 微處理器作為控制核心，將原有各類驅動控制信號、速度模擬量信號統一集成，在系統內部完成各控制邏輯計算。在輸出上直接與變頻器進行總線或串口通訊，降低外部信號干擾。

在運行中對輸入的數字量、模擬量信號響應狀態、動作頻率進行狀態監控，判定輸入信號是否存在異常波動，對輸出信號短路、斷路、變頻運行異常進行實時采集，反饋至MICROII 控制系統，通過OPC 顯示異常原因，提醒運維人員。

（1）驅動信號控制功能。設計基于ARM 微處理器的集成電路板，內部集成現有繼電器控制邏輯，替換目前2K3、2K10、2K14、2K15、3K9、3K10、3K12、3K13 繼電器，在輸出上支持與變頻器進行直接通訊；

（2）狀態監控功能。對原機變頻器（2A11 及3A11）輸入模擬量信號電壓值進行狀態監控，結合運行情況判定是否存在短路、斷路、過壓、欠壓異常，超閾值數據能夠通過自帶顯示模塊或原機OPC 單元顯示；

（3）故障診斷功能。當OPC 顯示機器不運行故障時，能夠根據控制邏輯自動診斷故障原因，并通過自帶顯示模塊或原機OPC 單元顯示具體部位；

（4）電路整體設計。電路板整體采用適應耐熱、防塵的工業防護設計，線纜接口采用快插設計。

3 具體實施方案

該系統主要有兩部分構成：（1）以ARM 嵌入式處理系統；（2）以LCD 液晶觸摸屏為主的信息、故障及人機交互界面的顯示系統。結構如圖1所示。

圖1 系統構成Fig.1 System composition

3.1 LCD 液晶觸摸屏的選型

液晶顯示屏選擇TJC2.8 寸USART HMI 帶字庫圖片TFT 觸摸液晶屏模塊串口電阻屏，其主要參數如表1所示。

表1 LCD 液晶觸摸屏的選型主要參數Tab.1 The main parameters of LCD touch screen selection

液晶屏采用串行通訊接口標配TTL 電平接口（3.3V和5V 單片機串口直接連接使用），也有R232 電平串口。本方案采用TTL 電平接口與ARM 嵌入式處理系統連接。尺寸如圖2所示。

圖2 尺寸圖Fig.2 Dimensions

3.2 CPU 選型

采用STM32F103RCT6 型的ARM 嵌入式處理系統為核心，輔以信號處理電路能夠完全滿足上述技術要求。其主要參數如圖2所示。

引腳圖如圖3所示。

圖3 引腳圖Fig.3 Pin diagram

3.3 輸入、輸出信號的處理

表2 CPU 選型主要參數Tab.2 CPU selection main parameters

3.3.1 輸入信號的處理

被替換的2K3、2K10、2K14、2K15、3K9、3K10、3K12、3K13 等8 個繼電器，分為2 組，每組4 個繼電器分為2K 系列和3K 系列。所以在設計輸入信號時設置了5 個輸入點，其中可以把任意4 個可通過界面設置為需要的繼電器，另一個備用。為了防止24V 電壓對ARM 帶來危害，在輸入端加了光電隔離，確保了ARM 的使用安全。為了防止干擾信號的無觸發，在每路的輸入端加了穩壓二極管。電路如圖4所示。

圖4 2K3 改后的控制原理圖Fig.4 Control principle diagram after modification of 2K3

3.3.2 輸出信號的處理

原車的輸出信號都是通過繼電器控制的觸點方式，是開關的形式，不分信號種類，只需要通斷和時間延時即可。而通過ARM 驅動控制的輸出分為PNP 和NPN兩種，這兩種輸出都采用了OC 門的方式。電路如圖5所示。由于采用了ARM，所以原車的繼電器觸點組合，我們都采用了內部邏輯編程的方式，大大的減少了現場的接線的同時又方便了用戶維修。

圖5 2K3 改后輸出的控制原理Fig.5 Control principle of 2K3 modified output

模擬量的傳輸采用A/D 和D/A 的方式進行，模擬量的大小采用條形方式在觸摸屏上實時顯示。

用戶可通過觸摸屏靈活設置輸入信號和輸出信號的功能以及延時時間，斷電延時繼電器的延時時間可根據用戶需求從1ms ～60s 任意設定。

在接線時用戶只要點擊相應的端子，屏幕就會出現該端子的接線號。注意如果用戶中途變更了輸入輸出點，那么接線端子號也會隨之改變。當原車出現與該繼電器相關的故障時，觸摸屏上會顯示故障位置，方便了用戶排除故障。

4 項目經濟效益或社會效益預測

通過本次研究可有效縮短包裝機驅動控制電路故障處理時間，提升設備運行效率。本次研究適用于GDX1/X2 等型包裝機，我公司目前存量在120 臺以上，可推廣應用設備廣泛。通過合理設計選擇成熟零件，裝置預期使用壽命在2年以上，可降低35%的備件采購費用。