高速折页机串行总线控制系统的设计

2014-10-15黄晓峰彭远芳

制造业自动化 2014年19期

黄晓峰，彭远芳，李攀

（上海工程技术大学，上海 200437）

0 引言

折页机是书刊、报纸加工的主要印后现代印刷设备之一。传统的折页机控制器采用PLC控制，存在数字化控制程度不高、高速时折刀定位不准确、电气接线繁杂、成本高等缺点。本文在设计中以P89LV51单片机+MAXⅡ1270CPLD为核心，构成折页机总线控制系统，充分利用单片机编程简单、数据处理能力强和CPLD容易实现用户自定制逻辑、在线编程、响应速度快、保密性强的特点，有效解决了PLC扫描速度低（ms级）、折刀离合器磨损大、成本较高、高速时折刀定位不准确等缺点，实现了折页机控制系统模块化、系列化、标准化的设计与生产。设计的ZY780型混合式电控刀高速折页机，主机运行设计线速度为200m/min，最高220m/min，折刀工作频率最高为8次/秒，同时系统具备折刀动作次数、电机运行时间、吸纸电磁阀工作次数、折纸参数数据的历史记忆以及折纸过程中各种故障报警等功能。经一年现场运行测试，系统稳定、抗干扰能力强，取得了良好的经济效益与社会效益。

1 ZY-780折页机系统结构

图1 ZY-780背包式折页机结构

ZY-780型折页机主要由输纸、栅栏折纸、电子刀折刀部分及收纸小车等构成，如图1所示。折纸工作过程为纸张在位置（1），纸台电机正向旋转，纸堆输送带以1.6m/min速度作正向转动，从位置（1）运动到位置（2）。当纸堆前沿推动吸轮下的纸位探测键触碰到模拟量接近开关SP0时，在纸台变频器AV2控制下，速度线性下降至0，回转进纸将自动停止。纸张从位置（2）被吸气阀吸出，经2O阀前光电开关SL2、2O双张故障限位开关到纸张位置（3）。从位置（3）过3O栅前光电开关SL3、5O栅后堵纸开关SL4后到纸张位置（4）。从位置（4）过6O一折刀前光电开关SL7停留在位置（5），此时一折刀从位置1运行到位置2。将纸张从位置（5）经过折棍折压到位置（6），同时一折刀复位。纸张从位置（6）运行通过8O二折刀处的光电开关SL8后，停留在位置（7）。二折刀、三折刀折纸过程同上。折纸过程结束后，纸张经收纸机压平整理后形成成品。

2 折页机控制系统组成

本系统由主控按键/显示模块、刀控按键/显示模块、折刀控制模块、压平收纸控制模块、远程控制模块、折页单刀控制模块与主控模块构成主从式控制系统，如图2所示。

图2 折页机总线控制系统拓扑结构图

主控按键/显示模块、刀控按键模块、压平收纸控制模块各由一片P89LV51单片机和相应的按键模块组成，主要完成主机的启/停与点动、气泵的启/停、输纸电机正反转控制，以及输纸参数设置，具体包括输纸模式、输纸间距、纸张大小、折刀工作方式、主机运行速度、收纸小车运行速度等参数，并通过485串行总线将相关参数上传主控制器模块，主控制器模块依据接收的数据进行综合处理后发出控制信号，在主控按键/显示模块显示折页机运行状态及相关输纸参数。

折刀控制模块接收主控模块的命令，实现手动和自动下刀工作模式，以及折刀在自动模式下的不同下刀延时时间的选择功能，同时完成堵纸故障检测，并将故障信息传送至主控模块。远程监控模块和折页单刀控制模块属个性化模块，根据需要进行选配。根据需要进行选配。

3 主控制器模块的组成原理

主控模块的构成如图3所示。其核心部件主要由一片P89LV51单片机与一块MAXⅡ1270CPLD构成。单片机通过P0口、P2口、ALE、RD、WR等I/O口线与CPLD之间以51总线方式进行数据与控制信息通信，CPLD中扩展的输入和输出外设作为数据存储器映像，占用存储器地址。对于51单片机，程序设计时只要CPU给出正确的地址，就可以用两个单字节指令完成读/写，如把数据读入CPU只需执行MOV @DPTR #XXXXH及MOVX A，@DPTR两条指令；输出数据到外设通过执行MOV @DPTR，#XXXXH与MOVX @DPTR，A即可实现。因此，能够在节省CPLD I/O口线的同时极大地提高了系统效率[1～3]。

图3 主控模块系统框图

在CPLD中通过编程实现的功能模块如图4所示，主要包含51总线、传感器输入、控制信号I/O端口、吸纸电磁阀控制、主机运行速度检测、纸张长度与宽度检测、故障检测等单元。

图4 CPLD功能模块

主机测速模块通过测速光电编码器对实时运行速度进行检测，并与设定值（75m/min～220m/min）形成偏差信号，通过模糊PID算法实现对主机运行速度的控制。输纸电机的运行速度通过模拟量接近开关，将待折纸张位置转换为4mA～20mA电流信号，作为纸台电机变频器的控制信号，控制上纸速度快慢。

吸气电磁阀控制单元通过CPLD编程实现，模块框图如图5所示。由latch1～latch5共5个锁存器和C_F电磁阀控制器构成。单片机将吸气长度、纸张间距设定值以及C_F控制信号通过latch1～latch5锁存器送入C_F的输入端口，C_F电磁阀控制器输入输出端口及功能如表1所示。

4 仿真测试

在系统设计过程中，对锁存器、吸气阀控制、进纸量检测、折刀控制、堵纸检测控制、运行速度检测等单元的程序进行了仿真测试。图6为吸气阀控制单元中的电磁阀控制器C_F在连续吸纸状态下的仿真结果，其中纸间距DA=6，吸纸长度DB=4，测速编码器信号BMQA=50KHz。

由仿真图看出，在20ns～120ns之间，BMQA接收6个测速光电编码器脉冲后（纸间距DA=6），吸纸阀控制信号COUT由低电平变为高电平，吸纸阀开始吸纸，经过4个脉冲（120ns～200ns），COUT控制信号由高电平变为低电平，吸纸阀停止吸纸，纸张由折页机送纸同步带送走（200ns～300ns），纸张信号PSGL由低电平变为高电平，表示一张纸已送完，进行下一张纸的吸送纸循环。

由时序分析得出，当单片机发出吸纸控制信号后，整个吸纸过程均由CPLD中的吸纸电磁阀控制单元控制，单片机不再管理吸纸过程，克服了传统折页机在高速运行时由于扫描速度慢，出现漏数测速光电编码器脉冲而造成纸张间距不均匀，影响折纸质量的情况。吸气阀需要停止工作，单片机只需通过指令将图6中的端口信号EN1、EN2变为低电平，若需要单张输纸EN1为低、EN2为高电平即可。