基于ARM的GD包装机嵌入式驱动控制系统

李力 宁振国 周宝军

1.河南中烟工业有限责任公司南阳卷烟厂卷包部；2.黑龙江烟草工业有限责任公司牡丹江卷烟厂；3.陕西中烟工业有限责任公司宝鸡卷烟厂

GD 包装机原机驱动装置采用变频驱动控制电机，相关控制信号如变频器使能信号、模拟量输入信号等均采用早期继电器控制，因其设计原理限制，缺少直接的运行状态监控。根据存在的不足采用嵌入式结构设计，选择基于ARM 的STM32 微处理器作为控制核心，将原有各类驱动控制信号、速度模拟量信号统一集成，在系统内部完成各控制逻辑计算。

1 驱动控制现状

GD 包装机原机驱动装置采用变频驱动控制电机，相关控制信号如变频器使能信号、模拟量输入信号等均采用早期继电器控制，因其设计原理限制，缺少直接的运行状态监控，在使用过程中存在以下问题：

1.1 故障查找时间长

主机、辅机变频驱动电路共需12 个中间继电器、3个时间继电器，MICROII 系统故障指示只能确定大概部位，由于继电器逻辑限制，经常出现误报、错报现象，日常维修需要维修人员根据经验对整套电气控制逻辑进行逐个排查确认，平均处理时间在2.5h 以上。

1.2 主要部件寿命短

由于电柜空间限制，继电器模组靠近接触器及刹车制动电阻，周围发热量大，导致继电器在高温环境下老化现象严重，经常出现触点粘连、氧化现象，正常使用寿命在4-6 个月，为保障设备正常运行需要定期更换。

1.3 缺少运行状态监控

运行状态信息定位不准确，继电器仅通过一组常开触点反馈其他三组触点闭合状态，对高频误动作、闪断故障难以判定。目前难以在原继电器控制电路上进行二次开发完成状态监控，必须重新设计该部位控制电路。

2 方案设计

根据驱动控制存在的不足采用嵌入式结构设计，选择基于ARM 的STM32 微处理器作为控制核心，将原有各类驱动控制信号、速度模拟量信号统一集成，在系统内部完成各控制逻辑计算。在输出上直接与变频器进行总线或串口通讯，降低外部信号干扰。

在运行中对输入的数字量、模拟量信号响应状态、动作频率进行状态监控，判定输入信号是否存在异常波动，对输出信号短路、断路、变频运行异常进行实时采集，反馈至MICROII 控制系统，通过OPC 显示异常原因，提醒运维人员。

（1）驱动信号控制功能。设计基于ARM 微处理器的集成电路板，内部集成现有继电器控制逻辑，替换目前2K3、2K10、2K14、2K15、3K9、3K10、3K12、3K13 继电器，在输出上支持与变频器进行直接通讯；

（2）状态监控功能。对原机变频器（2A11 及3A11）输入模拟量信号电压值进行状态监控，结合运行情况判定是否存在短路、断路、过压、欠压异常，超阈值数据能够通过自带显示模块或原机OPC 单元显示；

（3）故障诊断功能。当OPC 显示机器不运行故障时，能够根据控制逻辑自动诊断故障原因，并通过自带显示模块或原机OPC 单元显示具体部位；

（4）电路整体设计。电路板整体采用适应耐热、防尘的工业防护设计，线缆接口采用快插设计。

3 具体实施方案

该系统主要有两部分构成：（1）以ARM 嵌入式处理系统；（2）以LCD 液晶触摸屏为主的信息、故障及人机交互界面的显示系统。结构如图1所示。

图1 系统构成Fig.1 System composition

3.1 LCD 液晶触摸屏的选型

液晶显示屏选择TJC2.8 寸USART HMI 带字库图片TFT 触摸液晶屏模块串口电阻屏，其主要参数如表1所示。

表1 LCD 液晶触摸屏的选型主要参数Tab.1 The main parameters of LCD touch screen selection

液晶屏采用串行通讯接口标配TTL 电平接口（3.3V和5V 单片机串口直接连接使用），也有R232 电平串口。本方案采用TTL 电平接口与ARM 嵌入式处理系统连接。尺寸如图2所示。

图2 尺寸图Fig.2 Dimensions

3.2 CPU 选型

采用STM32F103RCT6 型的ARM 嵌入式处理系统为核心，辅以信号处理电路能够完全满足上述技术要求。其主要参数如图2所示。

引脚图如图3所示。

图3 引脚图Fig.3 Pin diagram

3.3 输入、输出信号的处理

表2 CPU 选型主要参数Tab.2 CPU selection main parameters

3.3.1 输入信号的处理

被替换的2K3、2K10、2K14、2K15、3K9、3K10、3K12、3K13 等8 个继电器，分为2 组，每组4 个继电器分为2K 系列和3K 系列。所以在设计输入信号时设置了5 个输入点，其中可以把任意4 个可通过界面设置为需要的继电器，另一个备用。为了防止24V 电压对ARM 带来危害，在输入端加了光电隔离，确保了ARM 的使用安全。为了防止干扰信号的无触发，在每路的输入端加了稳压二极管。电路如图4所示。

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

3.3.2 输出信号的处理

原车的输出信号都是通过继电器控制的触点方式，是开关的形式，不分信号种类，只需要通断和时间延时即可。而通过ARM 驱动控制的输出分为PNP 和NPN两种，这两种输出都采用了OC 门的方式。电路如图5所示。由于采用了ARM，所以原车的继电器触点组合，我们都采用了内部逻辑编程的方式，大大的减少了现场的接线的同时又方便了用户维修。

图5 2K3 改后输出的控制原理Fig.5 Control principle of 2K3 modified output

模拟量的传输采用A/D 和D/A 的方式进行，模拟量的大小采用条形方式在触摸屏上实时显示。

用户可通过触摸屏灵活设置输入信号和输出信号的功能以及延时时间，断电延时继电器的延时时间可根据用户需求从1ms ～60s 任意设定。

在接线时用户只要点击相应的端子，屏幕就会出现该端子的接线号。注意如果用户中途变更了输入输出点，那么接线端子号也会随之改变。当原车出现与该继电器相关的故障时，触摸屏上会显示故障位置，方便了用户排除故障。

4 项目经济效益或社会效益预测

通过本次研究可有效缩短包装机驱动控制电路故障处理时间，提升设备运行效率。本次研究适用于GDX1/X2 等型包装机，我公司目前存量在120 台以上，可推广应用设备广泛。通过合理设计选择成熟零件，装置预期使用寿命在2年以上，可降低35%的备件采购费用。