凹版印刷機智能控制系統(tǒng)設計

凹版印刷機智能控制系統(tǒng)設計

近年來，隨著包裝行業(yè)的迅猛進展，凹版印刷因其具有的印品質(zhì)感優(yōu)良、層次豐富、承印幅面寬、承印材料廣泛等相比于其他印刷方式的獨特優(yōu)勢，在國內(nèi)外市場上的應用不斷增加，并且向著多功能、多色組的連線加工方向進展，其印刷速度已經(jīng)到達300m/min乃至更高。作為凹版印刷的核心工藝流程之一，各印刷色組的色間枯燥是指在印品進入下一印刷色組之前，前一印刷色組的墨層盡可能完全枯燥及固化。枯燥效果不佳會導致墨色疊印或堵版，而過度的枯燥也會直接影響到印品質(zhì)量。適度、快速的枯燥在保證了印品質(zhì)量的同時，既可以使得印刷過程中產(chǎn)生的毒害物質(zhì)盡可能少地逸散，也對印刷速度的提高有極大的好處。因此，凹版印刷機各色組枯燥過程的準確掌握對凹版印刷機機的設計創(chuàng)新具有特別重要的意義。

無論凹版印刷機的加熱源是哪一種類，如電加熱、瓦斯加熱等，但其枯燥過程掌握系統(tǒng)始終是一個滯后系統(tǒng)，會受到多種不確定因素的影響，如：外界環(huán)境溫度、新奇空氣的流量、風壓的變化等。在傳統(tǒng)工藝中，凹版印刷機的枯燥系統(tǒng)雖然帶有內(nèi)部溫度測量系統(tǒng)，但仍舊需要通過人工手動調(diào)整熱源加熱檔位、加熱時間、風機轉(zhuǎn)速、風門大小的方式來實現(xiàn)枯燥過程的掌握?？紤]到當代凹版印刷機色組數(shù)量多、各色組的溫度掌握系統(tǒng)依據(jù)車間狀況呈分布式布置，人工觀看各色組溫度狀態(tài)繼而手動調(diào)控的方式，存在效率低下、響應速度緩慢、抗干擾力量差等缺點，并且其枯燥效果嚴峻依靠于工人的閱歷豐富程度，不能滿意工藝需求。文獻[2]采納PLC為掌握核心，基于PID算法，以溫度為參量來調(diào)整鼓風機的轉(zhuǎn)速，掌握閥門的開度以到達系統(tǒng)掌握的要求，同時采納現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)了多色組的智能掌握。該方式存在本錢昂揚、系統(tǒng)簡單，且生產(chǎn)設備上無法直接觀看、掌握系統(tǒng)溫度、風壓等參數(shù)的缺點。文獻[3]的改用雙單片機分別作為自動掌握核心和人工觀看操作核心，降低了系統(tǒng)本錢，同時兼顧了工人的現(xiàn)場操作。但其對象并非凹版印刷機，因此并未考慮多色組單元的統(tǒng)一智能掌握。此外，上述兩篇文獻均僅以溫度為參量，以風機轉(zhuǎn)速或閥門開度為掌握量，略顯缺乏。本論文設計的智能熱風系統(tǒng)，結(jié)合二者的優(yōu)點，在實現(xiàn)了各色組單元枯燥過程智能掌握，并兼顧人工現(xiàn)場觀看和干預的需求的同時，還可以通過工控機實時監(jiān)控全部色組單元的整體運行狀況并加以調(diào)整。此外，還增加枯燥系統(tǒng)內(nèi)風壓為參量，增加加熱器檔位、風門開度為掌握量。

1智能掌握系統(tǒng)的整體設計

此智能掌握系統(tǒng)由工控機和各色組獨立的枯燥掌握模塊構(gòu)成，各色組的枯燥掌握模塊與工控機之間由485總線進展簡潔而穩(wěn)定的連接，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)及工控機掌握命令的牢靠傳輸。對單個色組的掌握模塊而言，以一塊單片機為掌握核心，采納PID掌握算法對枯燥箱的加熱器檔位、鼓風機轉(zhuǎn)速、風門開度進展調(diào)整，最終實現(xiàn)整個枯燥過程的智能掌握；以另一塊單片機作為人機交互核心，用于滿意生產(chǎn)現(xiàn)場人工直接觀看、調(diào)整枯燥箱工作狀態(tài)的需求。圖1為此智能掌握系統(tǒng)的整體構(gòu)造框圖。系統(tǒng)中的工控機通過485總線向各色組下發(fā)預設參數(shù)，并設定相應的掌握模式。主控單片機通過相應的信號采集模塊獲知凹版印刷機當前的工作狀態(tài)，采納PID算法得出相應的掌握信號，進而通過掌握電路模塊實現(xiàn)對加熱器檔位、鼓風機轉(zhuǎn)速、風門開度等參數(shù)的動態(tài)智能掌握，以到達枯燥過程的最優(yōu)化。此外，憑借系統(tǒng)的人機交互模塊，相關(guān)人員也可以在生產(chǎn)現(xiàn)場直接觀看并調(diào)整枯燥過程中的參數(shù)和掌握模式。人機交互核心會將相應的參數(shù)調(diào)整傳輸?shù)街骺睾诵牟⒓磿r存儲、執(zhí)行，然后將相應的變動上傳到工控機。

2硬件設計

在上述系統(tǒng)整體框架描述中，硬件設計的主要模塊包括信號采集模塊、主控核心模塊、掌握電路模塊、人機交互核心模塊。

2.1信號采集模塊設計此智能掌握系統(tǒng)的采集的信號包括4mA～20mA的4路模擬信號（LEL爆炸下限、溫度、進風口及排風口風壓），0～10V的3路模擬信號（風門開度），8路數(shù)字信號（風門行程開關(guān)、變頻器狀態(tài)）。來自前段傳感器及其他設備的模擬量信號，經(jīng)調(diào)理后，通過高精度的AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再同其他直接采樣獲得的數(shù)字信號一起經(jīng)光耦隔離接入后續(xù)的主控核心模塊。信號采集模塊的電路圖如圖2所示。通過對生產(chǎn)過程中各類型的全面采集，可使得系統(tǒng)更充分地把握枯燥箱的工作狀態(tài)，進而獲得更優(yōu)的掌握策略。系統(tǒng)采納8通道、10位精度的MAX11620作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，既滿意了多通道采樣、高精度的同時，也合理地掌握了設備本錢。

2.2主控核心模塊設計主控核心所采納的單片機為STC11F32XE，除常規(guī)單片機具備的根本配置外，它擁有32k的flash程序存儲器、1280字節(jié)的RAM、29k的EEPROM、5組共計40個I/O口、2組UART串行通信口，同時還具備獨立的波特率發(fā)生器。該芯片既符合低本錢的原則，同時也滿意了低功耗、大內(nèi)存、抗干擾方面的要求。此智能掌握系統(tǒng)采樣信號眾多，但該芯片具有的40個I/O口在滿意根本需求的同時還留有肯定的裕量，可以于其他擴展。2組UART串行通信口分別用于單片機程序的下載，以及與工控機之間的通訊，極大地便利了軟件調(diào)試和工程實踐運用。29k的EEPROM，用于存儲用于區(qū)分各色組單元的編碼，以及工控機下發(fā)、人工直接設定的掌握參數(shù)，或者是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高重要性的數(shù)據(jù)，保障了生產(chǎn)過程的安全穩(wěn)定運行和重要數(shù)據(jù)的安全牢靠存儲。主控核心模塊電路圖如圖3所示。

2.3掌握電路模塊設計主控核心模塊產(chǎn)生的相應掌握命令，經(jīng)光耦后，分為兩類分別交由相應的掌握電路去驅(qū)動相關(guān)設備。一類掌握命令，經(jīng)由處理放大后，直接以24V數(shù)字量的形式輸出，用于掌握加熱器檔位、風門電源開關(guān)等；另一類掌握命令，經(jīng)高精度的DA芯片轉(zhuǎn)換為0～5V模擬量后，用于掌握風門開度、鼓風機轉(zhuǎn)速等。掌握電路模塊的電路圖如圖3所示。

2.4人機交互核心模塊設計人機交互核心模塊主要由顯示模塊、按鍵模塊，以及與主控核心的通訊構(gòu)成。人機交互核心模塊的電路圖如圖4所示。顯示模塊由4組4位8段共陰數(shù)碼管組成，分別用來顯示LEL、溫度、風壓、風門開度。需要留意的是當LEL值超限，系統(tǒng)將通過全部數(shù)碼管同時閃耀的方式實現(xiàn)報警功能。4組數(shù)碼管的段選線相應地并聯(lián)在一起與單片機的P0口連接，而各自的位選線經(jīng)由4-16譯碼器（74HC154）與單片機的5個I/O口連接，從而通過使用單片機的13個I/O口，以動態(tài)掃描的形式實現(xiàn)各組數(shù)碼管的正常顯示。按鍵模塊共設計有五個按鍵，功能分別為：切換、數(shù)碼管選擇/設置內(nèi)容選擇、翻頁/確認、空/加一和空/減一。切換鍵用于人工觀看和人工設置模式之間的切換，分別對應后續(xù)四個按鍵的不同功能。在人工觀看模式，“數(shù)碼管選擇”按鍵用于選擇“翻頁”按鍵對應的數(shù)碼管，“翻頁”按鍵用于調(diào)整數(shù)碼管當前顯示的內(nèi)容。在人工設置模式，使用“設置內(nèi)容選擇”鍵選擇盼望設定的參數(shù)工程，通過“加一”和“減一”鍵設定好詳細值，最終按下“確認”鍵即可保存設定并退出到切換回人工觀看模式。人機交互核心的單片機與主控核心的單片機之間的通訊，通過兩者之間的10個I/O直接相連來實現(xiàn)。其中，主控核心的P1口與人機交互核心的P0口相連，用于8位數(shù)據(jù)的并行傳輸；主控核心的P3.5腳和INT0腳分別與人機交互核心的INT0腳和P3.3腳連接，用于掌握兩塊單片機之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3軟件設計

此智能掌握系統(tǒng)由雙單片機實現(xiàn)對整個枯燥過程的掌握。主控核心單片機的任務是從信號采集模塊接收并處理溫度、風壓、風門開度、變頻機狀態(tài)等各類信號，將相關(guān)狀態(tài)信號傳遞至人機交互核心，接收來自工控機或人機交互核心的數(shù)據(jù)和命令，執(zhí)行PID算法，產(chǎn)生并向掌握電路模塊發(fā)出掌握命令。主控核心與工控機之間通過485總線通訊，詳細參數(shù)為：9600bit/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停頓位，無校驗位。人機交互核心單片機的任務是從主控核心接收相關(guān)狀態(tài)信號并顯示，接收掌握鍵盤輸入的數(shù)據(jù)和命令并向主控核心傳遞。軟件設計總體思路圖如圖5所示。

3.1主控核心單片機程序設計系統(tǒng)啟動后，主控單片機執(zhí)行I/O口初始化、常量定義、全局變量聲明、串行通訊初始化等一系列初始化操作，再行從EEPROM中讀取此前存儲的相關(guān)掌握參數(shù)預設值，然后進入信號采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、PID程序、產(chǎn)生掌握命令的循環(huán)階段，直到接收到來自工控機或者是人機交互核心的新的設定參數(shù)。此時，系統(tǒng)將重新讀取新的設定參數(shù)并以此開頭新的掌握循環(huán)。主控核心的程序流程圖如圖6所示。

3.2人機交互核心單片機程序設計系統(tǒng)啟動后，人機交互核心單片機將接收主控單片機采集到的各類參數(shù)值并將其顯示在數(shù)碼管上，同時將按鍵輸入的新的參數(shù)設定值發(fā)送給主控單片機。當人機交互核心單片機檢測到主控單片機采集到的LEL值超過限度，將直接報警。其程序流程圖如圖7所示。

4結(jié)論

依照本文的所述的方法設計的凹版印刷機枯燥箱智能掌握系統(tǒng)，全方位地考慮了枯燥過程中的各類影響因素并能準確地、智能地加以掌握。試