凹版印刷機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文

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近年來(lái)，隨著包裝行業(yè)的迅猛發(fā)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的應(yīng)用不斷增加，并且向著多功能、多色組的連線(xiàn)加工方向發(fā)展，其印刷速度已經(jīng)達(dá)到300m/min乃至更高。作為凹版印刷的核心工藝流程之一，各印刷色組的色間干燥是指在印品進(jìn)入下一印刷色組之前，前一印刷色組的墨層盡可能完全干燥及固化。干燥效果不佳會(huì)導(dǎo)致墨色疊印或堵版，而過(guò)度的干燥也會(huì)直接影響到印品質(zhì)量。適度、快速的干燥在保證了印品質(zhì)量的同時(shí)，既可以使得印刷過(guò)程中產(chǎn)生的毒害物質(zhì)盡可能少地逸散，也對(duì)印刷速度的提高有極大的好處。因此，凹版印刷機(jī)各色組干燥過(guò)程的精確控制對(duì)凹版印刷機(jī)機(jī)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新具有非常重要的意義。

無(wú)論凹版印刷機(jī)的加熱源是哪一種類(lèi)，如電加熱、瓦斯加熱等，但其干燥過(guò)程控制系統(tǒng)始終是一個(gè)滯后系統(tǒng)，會(huì)受到多種不確定因素的影響，如：外界環(huán)境溫度、新鮮空氣的流量、風(fēng)壓的變化等。在傳統(tǒng)工藝中，凹版印刷機(jī)的干燥系統(tǒng)雖然帶有內(nèi)部溫度測(cè)量系統(tǒng)，但仍然需要通過(guò)人工手動(dòng)調(diào)節(jié)熱源加熱檔位、加熱時(shí)間、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)大小的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程的控制。考慮到當(dāng)代凹版印刷機(jī)色組數(shù)量多、各色組的溫度控制系統(tǒng)根據(jù)車(chē)間情況呈分布式布置，人工觀察各色組溫度狀態(tài)繼而手動(dòng)調(diào)控的方式，存在效率低下、響應(yīng)速度緩慢、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，并且其干燥效果嚴(yán)重依賴(lài)于工人的經(jīng)驗(yàn)豐富程度，不能滿(mǎn)足工藝需求。文獻(xiàn)[2]采用PLC為控制核心，基于PID算法，以溫度為參量來(lái)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制閥門(mén)的開(kāi)度以達(dá)到系統(tǒng)控制的要求，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多色組的智能控制。該方式存在成本高昂、系統(tǒng)復(fù)雜，且生產(chǎn)設(shè)備上無(wú)法直接觀察、控制系統(tǒng)溫度、風(fēng)壓等參數(shù)的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]的改用雙單片機(jī)分別作為自動(dòng)控制核心和人工觀察操作核心，降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)兼顧了工人的現(xiàn)場(chǎng)操作。但其對(duì)象并非凹版印刷機(jī)，因此并未考慮多色組單元的統(tǒng)一智能控制。此外，上述兩篇文獻(xiàn)均僅以溫度為參量，以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或閥門(mén)開(kāi)度為控制量，略顯不足。本論文設(shè)計(jì)的智能熱風(fēng)系統(tǒng)，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)了各色組單元干燥過(guò)程智能控制，并兼顧人工現(xiàn)場(chǎng)觀察和干預(yù)的需求的同時(shí)，還可以通過(guò)工控機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控所有色組單元的整體運(yùn)行情況并加以調(diào)節(jié)。此外，還增加干燥系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)壓為參量，增加加熱器檔位、風(fēng)門(mén)開(kāi)度為控制量。

1智能控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

此智能控制系統(tǒng)由工控機(jī)和各色組獨(dú)立的干燥控制模塊構(gòu)成，各色組的干燥控制模塊與工控機(jī)之間由485總線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單而穩(wěn)定的連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及工控機(jī)控制命令的可靠傳輸。對(duì)單個(gè)色組的控制模塊而言，以一塊單片機(jī)為控制核心，采用PID控制算法對(duì)干燥箱的加熱器檔位、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)干燥過(guò)程的智能控制；以另一塊單片機(jī)作為人機(jī)交互核心，用于滿(mǎn)足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人工直接觀察、調(diào)節(jié)干燥箱工作狀態(tài)的需求。圖1為此智能控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)中的工控機(jī)通過(guò)485總線(xiàn)向各色組下發(fā)預(yù)設(shè)參數(shù)，并設(shè)定相應(yīng)的控制模式。主控單片機(jī)通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)采集模塊獲知凹版印刷機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，采用PID算法得出相應(yīng)的控制信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)控制電路模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器檔位、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門(mén)開(kāi)度等參數(shù)的動(dòng)態(tài)智能控制，以達(dá)到干燥過(guò)程的最優(yōu)化。此外，憑借系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊，相關(guān)人員也可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接觀察并調(diào)節(jié)干燥過(guò)程中的參數(shù)和控制模式。人機(jī)交互核心會(huì)將相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整傳輸?shù)街骺睾诵牟⒓磿r(shí)存儲(chǔ)、執(zhí)行，然后將相應(yīng)的變動(dòng)上傳到工控機(jī)。

2硬件設(shè)計(jì)

在上述系統(tǒng)整體框架描述中，硬件設(shè)計(jì)的主要模塊包括信號(hào)采集模塊、主控核心模塊、控制電路模塊、人機(jī)交互核心模塊。

2.1信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)此智能控制系統(tǒng)的采集的信號(hào)包括4mA～20mA的4路模擬信號(hào)（LEL爆炸下限、溫度、進(jìn)風(fēng)口及排風(fēng)口風(fēng)壓），0～10V的3路模擬信號(hào)（風(fēng)門(mén)開(kāi)度），8路數(shù)字信號(hào)（風(fēng)門(mén)行程開(kāi)關(guān)、變頻器狀態(tài)）。來(lái)自前段傳感器及其他設(shè)備的模擬量信號(hào)，經(jīng)調(diào)理后，通過(guò)高精度的AD芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再同其他直接采樣獲得的數(shù)字信號(hào)一起經(jīng)光耦隔離接入后續(xù)的主控核心模塊。信號(hào)采集模塊的電路圖如圖2所示。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各類(lèi)型的全面采集，可使得系統(tǒng)更充分地掌握干燥箱的工作狀態(tài)，進(jìn)而獲得更優(yōu)的控制策略。系統(tǒng)采用8通道、10位精度的MAX11620作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，既滿(mǎn)足了多通道采樣、高精度的同時(shí)，也合理地控制了設(shè)備成本。

2.2主控核心模塊設(shè)計(jì)主控核心所采用的單片機(jī)為STC11F32XE，除常規(guī)單片機(jī)具備的基本配置外，它擁有32k的flash程序存儲(chǔ)器、1280字節(jié)的RAM、29k的EEPROM、5組共計(jì)40個(gè)I/O口、2組UART串行通信口，同時(shí)還具備獨(dú)立的波特率發(fā)生器。該芯片既符合低成本的原則，同時(shí)也滿(mǎn)足了低功耗、大內(nèi)存、抗干擾方面的要求。此智能控制系統(tǒng)采樣信號(hào)眾多，但該芯片具有的40個(gè)I/O口在滿(mǎn)足基本需求的同時(shí)還留有一定的裕量，可以于其他擴(kuò)展。2組UART串行通信口分別用于單片機(jī)程序的下載，以及與工控機(jī)之間的通訊，極大地方便了軟件調(diào)試和工程實(shí)踐運(yùn)用。29k的EEPROM，用于存儲(chǔ)用于區(qū)別各色組單元的編碼，以及工控機(jī)下發(fā)、人工直接設(shè)定的控制參數(shù)，或者是生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高重要性的數(shù)據(jù)，保障了生產(chǎn)過(guò)程的安全穩(wěn)定運(yùn)行和重要數(shù)據(jù)的安全可靠存儲(chǔ)。主控核心模塊電路圖如圖3所示。

2.3控制電路模塊設(shè)計(jì)主控核心模塊產(chǎn)生的相應(yīng)控制命令，經(jīng)光耦后，分為兩類(lèi)分別交由相應(yīng)的控制電路去驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備。一類(lèi)控制命令，經(jīng)由處理放大后，直接以24V數(shù)字量的形式輸出，用于控制加熱器檔位、風(fēng)門(mén)電源開(kāi)關(guān)等；另一類(lèi)控制命令，經(jīng)高精度的DA芯片轉(zhuǎn)換為0～5V模擬量后，用于控制風(fēng)門(mén)開(kāi)度、鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。控制電路模塊的電路圖如圖3所示。

2.4人機(jī)交互核心模塊設(shè)計(jì)人機(jī)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(jī)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(lái)顯示LEL、溫度、風(fēng)壓、風(fēng)門(mén)開(kāi)度。需要注意的是當(dāng)LEL值超限，系統(tǒng)將通過(guò)所有數(shù)碼管同時(shí)閃爍的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。4組數(shù)碼管的段選線(xiàn)相應(yīng)地并聯(lián)在一起與單片機(jī)的P0口連接，而各自的位選線(xiàn)經(jīng)由4-16譯碼器（74HC154）與單片機(jī)的5個(gè)I/O口連接，從而通過(guò)使用單片機(jī)的13個(gè)I/O口，以動(dòng)態(tài)掃描的形式實(shí)現(xiàn)各組數(shù)碼管的正常顯示。按鍵模塊共設(shè)計(jì)有五個(gè)按鍵，功能分別為：切換、數(shù)碼管選擇/設(shè)置內(nèi)容選擇、翻頁(yè)/確認(rèn)、空/加一和空/減一。切換鍵用于人工觀察和人工設(shè)置模式之間的切換，分別對(duì)應(yīng)后續(xù)四個(gè)按鍵的不同功能。在人工觀察模式，“數(shù)碼管選擇”按鍵用于選擇“翻頁(yè)”按鍵對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管，“翻頁(yè)”按鍵用于調(diào)整數(shù)碼管當(dāng)前顯示的內(nèi)容。在人工設(shè)置模式，使用“設(shè)置內(nèi)容選擇”鍵選擇希望設(shè)定的參數(shù)項(xiàng)目，通過(guò)“加一”和“減一”鍵設(shè)定好具體值，最后按下“確認(rèn)”鍵即可保存設(shè)定并退出到切換回人工觀察模式。人機(jī)交互核心的單片機(jī)與主控核心的單片機(jī)之間的通訊，通過(guò)兩者之間的10個(gè)I/O直接相連來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，主控核心的P1口與人機(jī)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(jī)交互核心的INT0腳和P3.3腳連接，用于控制兩塊單片機(jī)之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3軟件設(shè)計(jì)

此智能控制系統(tǒng)由雙單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)干燥過(guò)程的控制。主控核心單片機(jī)的任務(wù)是從信號(hào)采集模塊接收并處理溫度、風(fēng)壓、風(fēng)門(mén)開(kāi)度、變頻機(jī)狀態(tài)等各類(lèi)信號(hào)，將相關(guān)狀態(tài)信號(hào)傳遞至人機(jī)交互核心，接收來(lái)自工控機(jī)或人機(jī)交互核心的數(shù)據(jù)和命令，執(zhí)行PID算法，產(chǎn)生并向控制電路模塊發(fā)出控制命令。主控核心與工控機(jī)之間通過(guò)485總線(xiàn)通訊，具體參數(shù)為：9600bit/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位。人機(jī)交互核心單片機(jī)的任務(wù)是從主控核心接收相關(guān)狀態(tài)信號(hào)并顯示，接收控制鍵盤(pán)輸入的數(shù)據(jù)和命令并向主控核心傳遞。軟件設(shè)計(jì)總體思路圖如圖5所示。

3.1主控核心單片機(jī)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)啟動(dòng)后，主控單片機(jī)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(chǔ)的相關(guān)控制參數(shù)預(yù)設(shè)值，然后進(jìn)入信號(hào)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、PID程序、產(chǎn)生控制命令的循環(huán)階段，直到接收到來(lái)自工控機(jī)或者是人機(jī)交互核心的新的設(shè)定參數(shù)。此時(shí)，系統(tǒng)將重新讀取新的設(shè)定參數(shù)并以此開(kāi)始新的控制循環(huán)。主控核心的程序流程圖如圖6所示。

3.2人機(jī)交互核心單片機(jī)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)啟動(dòng)后，人機(jī)交互核心單片機(jī)將接收主控單片機(jī)采集到的各類(lèi)參數(shù)值并將其顯示在數(shù)碼管上，同時(shí)將按鍵輸入的新的參數(shù)設(shè)定值發(fā)送給主控單片機(jī)。當(dāng)人機(jī)交互核心單片機(jī)檢測(cè)到主控單片機(jī)采集到的LEL值超過(guò)限度，將直接報(bào)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(shè)計(jì)的凹版印刷機(jī)干燥箱智能控制系統(tǒng)，全方位地考慮了干燥過(guò)程中的各類(lèi)影響因素并能精確地、智能地加以控制。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖8所示。經(jīng)過(guò)工廠實(shí)際調(diào)試，此智能控制系統(tǒng)能夠極好地控制凹版印刷機(jī)的干燥過(guò)程，降低了生產(chǎn)過(guò)程對(duì)工人經(jīng)驗(yàn)的嚴(yán)重依賴(lài)。同時(shí)，該設(shè)計(jì)使用雙單片機(jī)作為單個(gè)色組的控制和交互核心，配合485總線(xiàn)和工控機(jī)的總體協(xié)調(diào)，在滿(mǎn)足低成本、高可靠性、智能化要求的情況下，也兼顧了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人工直接觀察和調(diào)節(jié)干燥過(guò)程的需求，有利于凹版印刷機(jī)行業(yè)在保證生產(chǎn)質(zhì)量和安全穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，向著智能化的方向發(fā)展。

作者：唐凡森 周箭 呂征宇 單位：浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院