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　　關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC），變頻器，伺服系統(tǒng)，觸摸屏，旋轉(zhuǎn)編碼器，無協(xié)議通訊，功能塊等。

　　1.引言

    票據(jù)印刷機(jī)是印刷機(jī)行業(yè)中一種常用的機(jī)型，對(duì)機(jī)器的控制精度，伺服的響應(yīng)時(shí)間都有很高的要求，以前主要靠進(jìn)口，成本投資比較大。近年來，隨著可編程控制器（PLC）在通訊功能和高速計(jì)數(shù)以及脈沖輸出功能的日益完善，性能日益提升，使得PLC＋伺服＋變頻器＋觸摸屏組成的整個(gè)系統(tǒng)在印刷機(jī)上應(yīng)用成為可能。國(guó)內(nèi)眾多的廠家都相繼開發(fā)出各自的票據(jù)印刷機(jī)械，繁榮了國(guó)內(nèi)的印刷機(jī)市場(chǎng)，有力的抵制了國(guó)外品牌的入侵，鞏固了國(guó)產(chǎn)印刷機(jī)的市場(chǎng)地位，并在性能上日益得到完善。煙臺(tái)某印刷機(jī)械生產(chǎn)廠家委托上海某廠家開發(fā)的基于西門子S7-200可編程控制器＋松下伺服＋海泰克觸摸屏＋臺(tái)安變頻器的系統(tǒng)解決方案以其低廉的成本，穩(wěn)定的系統(tǒng)配置贏得了客戶的青睞，取得了良好的業(yè)績(jī)，但也存在諸多的問題，如系統(tǒng)調(diào)試周期時(shí)間長(zhǎng)，印刷速度低，改變轉(zhuǎn)速必須停機(jī)斷電等缺陷，在此不一一細(xì)表，后文有敘。應(yīng)客戶要求，經(jīng)過本人分析探討，最后確立了基于OMRON系統(tǒng)的整體解決方案，以減少和改進(jìn)原系統(tǒng)的缺陷，提升機(jī)器的性能。

　　2.控制過程及存在問題

　　2.1 原先票據(jù)印刷機(jī)的控制過程

    原先票據(jù)印刷機(jī)的控制過程是這樣的：由一臺(tái)主電機(jī)拖動(dòng)印刷機(jī)的兩個(gè)滾筒（兩個(gè)滾筒可印刷兩種顏色）單方向旋轉(zhuǎn)，主電機(jī)采用變頻器進(jìn)行寬范圍調(diào)速，主電機(jī)軸上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器用來測(cè)算主軸電機(jī)的速度；由一個(gè)電磁鐵來控制滾筒的離壓和合壓。在合壓情況下，滾筒壓緊票據(jù)進(jìn)行印刷；采用伺服控制進(jìn)給紙速度，以便使伺服電機(jī)的線速度和主軸電機(jī)的線速度保持一致，由于是兩個(gè)滾筒，它們之間可能存在速度上的差別，所以采用兩套伺服。當(dāng)伺服電機(jī)的速度大于主軸電機(jī)的速度時(shí)，合壓后將會(huì)在滾筒和伺服電機(jī)之間堆紙，當(dāng)伺服電機(jī)的速度小于主軸電機(jī)的速度時(shí)，合壓后紙張將被扯斷，以上兩種情況在系統(tǒng)正常工作過程中都是不允許的，即伺服電機(jī)的速度必須保持和主軸電機(jī)高度一致。系統(tǒng)工作之前首先啟動(dòng)變頻器，待變頻器速度穩(wěn)定后按下印刷按鈕，伺服電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)合壓電磁閥不合壓，等旋轉(zhuǎn)編碼器的第一個(gè)Z相信號(hào)到來，立即合壓，開始印刷。印刷過程如下：首先在觸摸屏上設(shè)定紙張的尺寸，在每一個(gè)Z相信號(hào)到來之后，伺服立即正向旋轉(zhuǎn)設(shè)定尺寸＋2英寸的距離，隨后反向旋轉(zhuǎn)2英寸，以保證紙張長(zhǎng)度和張力平衡。要想停機(jī)，按下停止按鈕，本張紙走完立即停止伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

    此外還要求：一、即使在走紙過程中突然停電，來電后要能繼續(xù)走完這張紙。二、由于是印刷機(jī)械，對(duì)印刷精度要求很高，兩張紙的印刷起點(diǎn)必須一致，即PLC必須用中斷來控制伺服系統(tǒng)，否則可導(dǎo)致兩張紙的印刷起點(diǎn)不同，原因是PLC循環(huán)掃描時(shí)間造成的。三、系統(tǒng)還要求能在走紙過程中（伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中）能實(shí)現(xiàn)紙張的前后移動(dòng)，即稍微變化一下紙張的位置，以使印刷更完美。選擇伺服系統(tǒng)電機(jī)的線數(shù)：由于印刷的紙張可以設(shè)定為浮點(diǎn)數(shù)，單位是英寸，為保證精度，必須固定伺服系統(tǒng)，即固定伺服系統(tǒng)的每轉(zhuǎn)給定脈沖數(shù)，通過比較判斷，我確定伺服系統(tǒng)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為4000個(gè)，原因如下：因?yàn)樗欧到y(tǒng)每轉(zhuǎn)是4英寸，0.001英寸則是1個(gè)脈沖，所以在每轉(zhuǎn)設(shè)定4000個(gè)脈沖時(shí)，系統(tǒng)能精確到0.001英寸，如設(shè)定為0.0005，則每進(jìn)給一張紙差0.5個(gè)脈沖，會(huì)嚴(yán)重影響紙張的印刷精度，走紙?jiān)蕉嗖顒e越大。如設(shè)定每轉(zhuǎn)脈沖為10000，雖可以更精確，但PLC需要更高的脈沖輸出頻率。由于固定了伺服系統(tǒng)的線數(shù)，要想提高系統(tǒng)的速度，只能提高PLC脈沖輸出的頻率，否則紙張?jiān)O(shè)定精度就會(huì)變低，這是不允許的。

    整個(gè)系統(tǒng)要有手動(dòng)、自動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)以及報(bào)警功能，要便于維護(hù)，觸摸屏界面要求美觀實(shí)用。

　　2.2 西門子S7-200 PLC主要存在的問題

    原先采用西門子S7-200 PLC主要存在以下問題：（1）S7-200 PLC脈沖輸出速率低，最大頻率不到30kHz，使得印刷機(jī)的效率低，每小時(shí)只能達(dá)到五六千張。而且因?yàn)槲鏖T子PLC速度太低，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)不能有更高的分辨率（松下伺服為每轉(zhuǎn)2000個(gè)脈沖），導(dǎo)致紙張印刷精度只有0.005，比改造后系統(tǒng)的最高設(shè)定紙張精度差了5倍。（2）在正常印刷過程中，調(diào)整變頻器速度必須首先停機(jī)，再改變變頻器的速度，然后斷電重新上電后方可正常運(yùn)行。（3）系統(tǒng)速度計(jì)算誤差較大，使得單機(jī)調(diào)試時(shí)間拉長(zhǎng)，影響設(shè)備的出廠時(shí)間。（4）停機(jī)不夠人性化，即停機(jī)之前印刷的那一張因?yàn)榭赡軟]有進(jìn)給完成造成紙張廢掉。

　　3.改造選型

    接手這個(gè)項(xiàng)目后，立即展開工作，在分析了原系統(tǒng)的特點(diǎn)并且為以后升級(jí)留下一定的余地的前提下，決定選用OMRON高性價(jià)比的CP1H-X40CDT機(jī)型。該P(yáng)LC配備了40個(gè)I/O點(diǎn)，其中24輸入，16點(diǎn)輸出，擁有2路雙向100kHz的高速計(jì)數(shù)器輸入，2路雙向30KHZ的高速計(jì)數(shù)器輸入，4路雙向100kHz的高速脈沖輸出，不僅能滿足當(dāng)前伺服電機(jī)的要求，還為以后四色印刷機(jī)的開發(fā)留下了足夠的空間，使后續(xù)開發(fā)工作變得簡(jiǎn)單。

    （1）確立了PLC的型號(hào)后，根據(jù)主軸電機(jī)的要求選擇伺服系統(tǒng)，比較了多家的伺服系統(tǒng)，最后選擇了OMRON的SMARTSTEP W伺服系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)便易調(diào)，特別是在線自動(dòng)調(diào)整功能，方便調(diào)試，而且最重要的是啟動(dòng)時(shí)間短，響應(yīng)快。

    （2）主軸電機(jī)由于需要調(diào)速，而且是三相異步電動(dòng)機(jī)，從節(jié)能和可靠及經(jīng)濟(jì)性說只能通過變頻調(diào)速，選用OMRON的3G3MV系列1.5kW變頻器。該變頻器具有通訊功能，支持OMRON的功能塊和MODBUS-RTU功能，具有PID調(diào)節(jié)功能，性價(jià)比比較高。

    （3）印刷機(jī)原先用按鈕指示燈和觸摸屏進(jìn)行操作，直觀性差，不美觀，應(yīng)用戶要求，我們?yōu)槠渑鋫淞薕MRON的NT5Z的黑白觸摸屏作為人機(jī)界面。這樣，基于OMRON的PLC（CP1H）＋伺服（W）＋觸摸屏（NT5Z）＋變頻器（3G3MV）的整個(gè)系統(tǒng)解決方案出臺(tái)。

　　4.系統(tǒng)特點(diǎn)

    OMRON的這個(gè)系統(tǒng)解決方案克服了西門子S7-200的上述缺點(diǎn)：

    （1）OMRONPLC的脈沖輸出速率達(dá)到100kHz，速度是西門子S7-200的10倍，完全滿足了用戶提速的要求，極大的提高了印刷機(jī)的速度;

    （2）OMRON的變頻調(diào)速是用PLC功能塊通過通訊做的，不需要停機(jī)后再開機(jī)，因而解決了上述的第二個(gè)問題。也可以通過MODBUS-RTU功能，亦可方便的進(jìn)行通信;

    （3）整個(gè)系統(tǒng)全部采用OMRON的控制產(chǎn)品，調(diào)試簡(jiǎn)便,硬件和軟件的兼容性好; 

　　（4）OMRON PLC的高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值的讀取是直接讀取的，在程序中直接利用高速計(jì)數(shù)器PV中斷編程，來控制紙張的進(jìn)給，完全可以準(zhǔn)確定位并在按下停機(jī)按鈕后走完最后一張?jiān)偻C(jī)，使設(shè)計(jì)更加人性化;

    （5）在線紙張自動(dòng)調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檎麄€(gè)走紙過程是先正轉(zhuǎn)，并且多轉(zhuǎn)2英寸，所以可以通過減少反轉(zhuǎn)的脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)在線位置調(diào)整，每次反轉(zhuǎn)后，都把反轉(zhuǎn)尺寸重新設(shè)定會(huì)原值。

　　5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電路圖及編程

    （1）系統(tǒng)利用CP1H作為主控制器，CP1H上面安裝兩個(gè)通訊接口，一個(gè)是RS232,另一個(gè)是RS485,PLC通過232端口與觸摸屏進(jìn)行通訊，通過485與變頻器進(jìn)行通訊，PLC上還有一個(gè)USB接口，用作編程和監(jiān)控用，PLC的脈沖輸出直接給伺服驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1：

　　（2）地址分配

    地址分配如附表所示，電路圖省略。

    說明：程序中用到三路高速計(jì)數(shù)器，高速計(jì)數(shù)器0用來測(cè)量主軸的速度，高速計(jì)數(shù)器1用來測(cè)量主軸的Z相信號(hào)并產(chǎn)生中斷的，高速計(jì)數(shù)器2用來顯示主軸的位置，用來調(diào)整機(jī)械滾筒的位置，為廠家用。其他文章中沒有介紹的信號(hào)和輸出為一般開關(guān)量，比較簡(jiǎn)單，不再進(jìn)行描述。附表 地址分配表

    （3）PLC編程

    PLC編程包括：速度轉(zhuǎn)換、功能塊通訊、PLC端口的設(shè)置：PLC端口1設(shè)為NT LINK、以便與觸摸屏通訊，端口2設(shè)為串行通訊，以與變頻器通訊。圖2示出PLC編程界面，圖3示出速度轉(zhuǎn)換梯形圖，圖4示出通訊梯形圖。

 

    觸摸屏畫面采用中英文操作，以便向國(guó)外出口。畫面如圖5、6所示（部分）：中文主畫面（見圖5），英文主畫面（見圖6）。其中“正調(diào)”和“負(fù)調(diào)”是微調(diào)，按一下轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)脈沖的位置，“點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)”和“點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)”是手動(dòng)狀態(tài)的點(diǎn)動(dòng)操作，按下“單周”伺服將進(jìn)給一張紙，另外按下“圖文行進(jìn)向前”或“圖文行進(jìn)向后”則伺服正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)100個(gè)脈沖的位置。

　　6.調(diào)試概要

    印刷機(jī)調(diào)試主要是進(jìn)給紙速度調(diào)試以及觸摸屏各種顯示信息的調(diào)試，理論上計(jì)算的速度并不一定完全適合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)，因而需要對(duì)速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，以便使機(jī)器達(dá)到最佳性能。PLC方面的主要調(diào)試是功能塊的通訊，使其能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。

　　7.結(jié)束語

    實(shí)踐證明：采用OMRONPLC+觸摸屏＋伺服系統(tǒng)＋變頻器的印刷機(jī)系統(tǒng)解決方案是完全可行的，該方案造價(jià)低廉，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，界面美觀友好，功能齊全，通過觸摸屏的操作即可在生產(chǎn)過程中加減速，以及查看報(bào)警，便于維護(hù)設(shè)備，因而增加了系統(tǒng)的靈活性，該系統(tǒng)開發(fā)成功后，受到了客戶的一致好評(píng)，具有較大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]OMRON CP1H編程手冊(cè)

　　[2] OMRON CP1H操作手冊(cè)

　　[3]OMRON 3G3MV使用手冊(cè)

　　[4]OMRON SMARTSTEP W操作手冊(cè)

　　[5]OMRON NT5Z操作手冊(cè)

　　[6]OMRON NT5Z編程手冊(cè)