凹版印刷機智能控制系統(tǒng)設計

1、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發(fā)展，其印刷速度已經(jīng)達到 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。干燥效果不佳會導致墨色疊印或堵版，而過度的干燥也會直接影響到印品質(zhì)量。適度、快速的干燥在保證了印品質(zhì)量的同時，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

2、版印刷機各色組干燥過程的精確控制對凹版印刷機機的設計創(chuàng)新具有非常重要的意義。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，但其干燥過程控制系統(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、新鮮空氣的流量、風壓的變化等。在傳統(tǒng)工藝中，凹版印刷機的干燥系統(tǒng)雖然帶有內(nèi)部溫度測量系統(tǒng)，但仍然需要通過人工手動調(diào)節(jié)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)干燥過程的控制?？紤]到當代凹版印刷機色組數(shù)量多、各色組的溫度控制系統(tǒng)根據(jù)車間情況呈分布式布置，人工觀察各色組溫度狀態(tài)繼而手動調(diào)控的方式，存在效率低下、響應速度緩慢、抗干擾能力差等缺點，并且其干燥效果嚴重依賴于工人

3、的經(jīng)驗豐富程度，不能滿足工藝需求。文獻2采用PLC為控制核心，基于PID算法，以溫度為參量來調(diào)節(jié)鼓風機的轉(zhuǎn)速，控制閥門的開度以達到系統(tǒng)控制的要求，同時采用現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)了多色組的智能控制。該方式存在成本高昂、系統(tǒng)復雜，且生產(chǎn)設備上無法直接觀察、控制系統(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控制核心和人工觀察操作核心，降低了系統(tǒng)成本，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)一智能控制。此外，上述兩篇文獻均僅以溫度為參量，以風機轉(zhuǎn)速或閥門開度為控制量，略顯不足。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)了各色組單元干燥過程智能控制，并

4、兼顧人工現(xiàn)場觀察和干預的需求的同時，還可以通過工控機實時監(jiān)控所有色組單元的整體運行情況并加以調(diào)節(jié)。此外，還增加干燥系統(tǒng)內(nèi)風壓為參量，增加加熱器檔位、風門開度為控制量。智能控制系統(tǒng)的整體設計此智能控制系統(tǒng)由工控機和各色組獨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之間由 485 總線進行簡單而穩(wěn)定的連接，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)及工控機控制命令的可靠傳輸。對單個色組的控制模塊而言，以一塊單片機為控制核心，采用 PID 控制算法對干燥箱的加熱器檔位、鼓風機轉(zhuǎn)速、風門開度進行調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)整個干燥過程的智能控制；以另一塊單片機作為人機交互核心，用于滿足生產(chǎn)現(xiàn)場人工直接觀察、調(diào)節(jié)干燥箱工作狀態(tài)的需求。

5、圖 1 為此智能控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)中的工控機通過485 總線向各色組下發(fā)預設參數(shù)，并設定相應的控制模式。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)，采用 PID 算法得出相應的控制信號，進而通過控制電路模塊實現(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)智能控制，以達到干燥過程的最優(yōu)化。此外，憑借系統(tǒng)的人機交互模塊，相關人員也可以在生產(chǎn)現(xiàn)場直接觀察并調(diào)節(jié)干燥過程中的參數(shù)和控制模式。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。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、控制電路模

6、塊、人機交互核心模塊。信號采集模塊設計此智能控制系統(tǒng)的采集的信號包括4mA- 20mA的4路模擬彳t號（LEL爆炸下限、溫度、進風口及排風口風壓），010V 的 3 路模擬信號（風門開度）， 8 路數(shù)字信號（風門行程開關、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)更充分地掌握干燥箱的工作狀態(tài)，進而獲得更優(yōu)的控制策略。系統(tǒng)采用 8 通道、10位精度的MAX11620乍為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，既滿足了多

7、通道采樣、 高精度的同時，也合理地控制了設備成本。主控核心模塊設計主控核心所采用的單片機為 STC11F32XE除常 規(guī)單片機具備的基本配置外，它擁有32k 的 flash 程序存儲器、 1280字節(jié)的RAM 29k的EEPRQM5組共計40個I/O 口、2組UAR呻行通 信口，同時還具備獨立的波特率發(fā)生器。該芯片既符合低成本的原則，同時也滿足了低功耗、大內(nèi)存、抗干擾方面的要求。此智能控制系統(tǒng)采樣信號眾多，但該芯片具有的 40 個 I/O 口在滿足基本需求的同時還留有一定的裕量，可以于其他擴展。2組UAR神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，極大地方便了軟件調(diào)試和工程實踐

8、運用。29k的EEPROM用于存儲用于區(qū)別各色組單元的編碼，以及工控機下發(fā)、人工直接設定的控制參數(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)的安全可靠存儲。主控核心模塊電路圖如圖 3 所示?？刂齐娐纺K設計主控核心模塊產(chǎn)生的相應控制命令，經(jīng)光耦后，分為兩類分別交由相應的控制電路去驅(qū)動相關設備。一類控制命令，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、風門電源開關等；另一類控制命令，經(jīng)高精度的DA芯片轉(zhuǎn)換為05V模擬量后，用于控制風門開度、鼓風機轉(zhuǎn)速等?？刂齐娐纺K的 電路圖如圖 3 所示。人機交互核心模塊設計人機交互核心模塊主要由顯

9、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。需要注意的是當LEL值超限，系統(tǒng)將通過所有數(shù)碼管同時閃爍的方式實現(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

10、鍵用于人工觀察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。在人工觀察模式，“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”鍵選擇希望設定的參數(shù)項目，通過“加一”和“減一”鍵設定好具體值，最后按下“確認”鍵即可保存設定并退出到切換回人工觀察模式。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

11、接，用于 控制兩塊單片機之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。軟件設計此智能控制系統(tǒng)由雙單片機實現(xiàn)對整個干燥過程的控制。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)生并向控制電路模塊發(fā)出控制命令。主控核心與工控機之間通過485 總線通訊，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狀態(tài)信號并顯示，接收控制鍵盤輸入的數(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。主

12、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讀取此前存儲的相關控制參數(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)生控制命令的循環(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)并以此開始新的控制循環(huán)。主控核心的程序流程圖如圖 6 所示。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。結(jié)論依照本文的所述的方法設計的凹版印刷機干燥箱智能控制系統(tǒng)，全方位地考慮了干燥過程中的各類影響因素并能精確地、智能地加以控制。實驗樣機如圖 8 所示。經(jīng)過