面向软包装印刷设备的网络化控制器设计与应用_张佳禾.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb.2023面向软包装印刷设备的网络化控制器设计与应用张佳禾(天津长荣科技集团股份有限公司，天津 300400)摘要:为提升控制器性能，借鉴典型的网络化控制器设计方案，根据软包装印刷设备的基础性能、成本及相关要求，针对原有控制器进行改造设计，提出了网络控制器总体设计方案。对主软件芯片进行配置，用改进的集成电路芯片 TMS320F28335 代替原来的TMS320LF2407 三极管作为主校验晶振，探讨控制器在印刷张力控制系统中的应用。关键词:软包装印刷设备;网络化控制器设计;应用中图分类号:TS803.6;TP273文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0156 03Design and Application of Networked Controllerfor Flexible Packaging Printing EquipmentZhang Jiahe(Tianjin Masterwork Technology Group Co.，LTD，Tianjin 300400，China)Abstract:In order to promote the performance of controller，through borrowing from the typical design scheme ofnetwork controller，the design of original controller is designed according to the basic performance，cost and relatedrequirements of flexible package printing equipment.The study proposes the total design scheme of network controller.The study deploys master software chip，uses modified integrated circuit chip TMS320F28335 instead of primaryTMS320LF2407 audion as master check crystal oscillator，and explores the application of controller in printing tensioncontrol system.Key words:Flexible packaging printing equipment;Network controller design;Application收稿日期:2022 12 09作者简介:张佳禾(1992 )，男(回族)，大学本科，助理工程师。软包装是将某一产品中的内部装饰取出后产品形状会发生巨大变动的包装。近年来，包装印刷行业中的软包装占比呈上升趋势，已被广泛应用于化妆品、医药、服装及食品等行业，分析软包装印刷设备的网络化控制器设计与应用具有重要的实用价值。1面向软包装印刷设备的网络化控制器的设计柔印、凹印及胶印属于软包装印刷行业中较为常见的印刷方式，前两者占比达到了 90%，凹印流程如图 1 所示:图 1凹印工艺流程图Fig.1Flow chart of gravure process借鉴典型的网络化控制器设计方案，根据软包装印刷设备的基础性能、成本及相关要求，针对原有的控制器展开改造设计，提出了网络控制器的总体设计方案，对主软件芯片进行配置，用改进的集成电路芯片TMS320F28335 代替原来的 TMS320LF2407 三极管作为主校验晶振。1.1DSP 模块设计选用 TMS320F28335 作为升级主晶振，基频可达150 MHz，运算单元为 32 位，支持 256 K 字的闪存和34 K 字的 RAM 内存板，6 通道 DMA 控制器，集成了一系列可选控制功能，如 18 个 PWM 输出、3 个 32 位CPU 定时器、16 通道 2 位 ADC、2 个 QEP 模块等。电机控制领域无须扩展，可建立最小的应用系统。DSP系统开发平台由 TI 针对 CCS5.5 开发，模拟器针对XDS 510 开发。DSP 外环设计包括 JTAG、时钟、拓展及复位等模块。由于是对旧控制器控制电路的改进2，因此 JTAG电路设计没有改变。复位电路与触觉电路对于网络化控制器的性能要求较高，设计 DSP 时，若要保证系统运行质量，在外部安设 1 个有源晶体振荡器，取替原来的 TMS320F28335 晶体振荡器，以提供系统时钟。针对执行器中的 DSP 输出进行操作，即每小时 DSP 输出。X1 脚接地，X2 不支持，外接晶振信号。TMS320F28335651芯片有2 个内核电压，分别为1.8 V 和1.9 V，时钟波动频率分别为100 MHz 和150 MHz，考虑系统电源使用的便捷性，电压为 1.8 V，将网络化控制器波动频率定为100 MHz。外部晶振控制器选择 20 MHz 时钟源，将TMS320F28335 集成到同步单元中的 TMS320F28335 芯片中，用于倍增相位环频率，将外部振动频率提高到100 MHz 工作时钟所需的频率。鉴于需要针对电压调节装置进行操作，故而选择晶体振荡器作为电路芯片。经分 析，最 终 选 择 TPS 3808XX 系 列 的 TPS3808G18DBVR 专用复位芯片，针对网络化控制器运行过程中电压的具体变动展开监测，该芯片能够精准监测低静电电流和可编程时间延迟。TMS320F28335 芯片虽然内置高速嵌入式存储器，但具有 256 K 闪存字和 34 K RAM 字存储空间，并内置 SPI 接口，便于扩展外部存储器。外部存储常用于存储重要参数，避免因意外事件丢失参数。由于打印控制系统中重要参数的改进，外部存储器的扩展逐渐变得不足，因此选择性能最高的存储芯片。基于此，选择了 Ramtron FM25CL64B，可存储8K 数据，作为 SPI 通信介质，具有寿命长、快速读写和抗干扰强等优点，使芯片具有成本效益，可广泛应用于诸多设备中。FM25CL64B 芯片存储器支持3.3 V外部电源，通过连接主控芯片的 SPI 接口实现。控制器和存储芯片之间的数据交换基于 8 位数据标准，扩展了外部存储空间。1.2通信模块设计CAN 通信通道的设计。由于 TMS320F28335 芯片具备 CAN 模块，所以在对通信通道进行设计时，只需针对收发电路进行科学设计。TI 发布了作为 CAN 控制器的 ISO1050DUBR，作为 CAN 发送器，为总线提供差分和差分接收能力，信号传输速率可达 1 Mbit/s。与原来的 SN65HVD233 CAN 收发器相比，具有更高的效率、稳定性和质量。通信模块的硬件设计3。网络芯片选择台湾大维康公司生产的 DM9000A 芯片，地址线和芯片数据线作为乘法器使用，主要通过 CMD 接口选择。DSP 地址总线接 A2 标准，因为 TMS320F28335 芯片上没有网络接口，控制 A 路由器只能通过扩展其网络接口来执行网络功能，需要 XINTF DSP 扩展模块设置寄存器参数和地址空间分配，从而实现 DSP 与 DM9000A 物理层的通信。2印刷张力控制系统中控制器的应用2.1印刷张力控制系统印刷张力控制系统的实现如图 2 所示:系统控制对象为汇川 MD810 变频器，通过通信方式向变频器发送控制命令，选择等高等深书本型模块设计，通过多组逆变单元与整流单元，共同形成共直流母线驱动系统，不仅可以满足多驱动点生产线驱动要图 2张力控制系统的实现方式Fig.2Realization of tension control system求，还能有效减少安装空间，可减少 60%的机柜体积及配线工时。此外，该系统的 CANopen 协议、CANO-PEN 网络可通过总线终端和运动控制器来构建，系统基站为电机控制器，MD810 变频器属于系统离站，基站通过 CANOPEN 总线控制站台，输出控制信号返回站台状态。与原来的机型相比，此方式具有一定的优势，不用从控制器中调出电机信号线及模拟量，仅利用RJ45 端口即可实现逆变器与整流器的良好连接，便于维护，减少了接线工时。系统主要的执行对象包括 2个工位放卷单元、2 个双工位收卷单元、1 个收卷牵引、1 个主机及 1 个放卷牵引。利用 Modbus/TCP 协议，可实现控制器与人机界面通信;利用 CANopen 协议，可实现变频器与控制器通信。2.2印刷张力控制软件的实现2.2.1经典 PID 控制针对印刷张力控制系统，应重点对非线性时变特性进行分析，保证系统可快速进行张力偏差响应，实现对多扰动外部条件的良好适应。印刷工业生产较为常见的控制算法是 PID 控制算法，按照输入误差变化进行 P、I、D 参数科学整定，有效进行偏差调节。这种算法具有较多的优点，如较好的鲁棒性，具备较高的控制精度，在张力控制中应用较为广泛。2.2.2模糊 PID 控制模糊控制是网络化控制器设计的基础，应根据得到的输入数据实现模糊输出结果，将其与执行器相结合，强化网络化控制器的精准度，切实提高网络化控制器的使用效果。模糊控制系统的核心是模糊控制器，设计流程为:对结构加以明确，控制器输入量为 e 及ec，其中 e 表示系统当前误差，ec表示误差变化率，输出变量分别为 Kp、Ki、Kd。输入输出变量模糊化，设计模糊推理决策算法，输出模糊量的解模糊化。研究表明，控制活动可选择正态高斯模型模糊变量对其模糊概念加以描述，输入输出变量应选取实际变动的涉及面积，重新定义模糊集论域，具体为:e=3，2，1，0，1，2，3ec=3，2，1，0，1，2，3u=3，2，1，0，1，2，37512.2.3软件系统设计根据印刷张力系统的原理，针对软包装印刷设备的张力影响、运行过程及材料性质等因素展开分析，具体的模块设计框架如图 3 所示:图 3软件模块设计框架Fig.3Framework of software module design一是整机逻辑动作模块。对用户操作习惯及印刷张力工艺路线进行综合考虑，根据系统安全规则，设计机器的准备、启动、停止和更换 2 个工作站的逻辑操作。二是样品处理模块。用于处理来自摆锤的脉冲信息，具有高速多通道精确同步、抗干扰性较高及较高的稳定性等特点。三是张力控制算法模块。选择并应用模糊 PID 控制方法，消除张力偏差，提高整体张力稳定性。四是 DA 输出模块。主要对印刷配套设备进行控制，包括烘箱及风机等。五是通信模块。包括变频控制通信模块和人机界面通信模块。其中，变频控制通信模块是在 CANopen 协议下向表变频器发送相应的控制信息，人机界面通信模块是通过 Modbus/TCP 协议实现与上位机的通信。六是异常报警模块。是优先级最高的一个模块，如果生产线出现异常，传感器会向该模块传送相应的报警信息，结合报警等级实施针对性处理。3结束语印刷机已被广泛应用于各行各业，是一种重要的设备仪器。以软包装印刷机为研究对象，将印刷机原控制器作为基础进行改进型运动控制器设计，可进一步实现印刷机的精准控制，促进印刷机的现代化发展。参考文献:1 王本洪.标签柔版印刷机评估验收方法探讨J 标签技术，2022，(04):36 44.2 郭进波.数字印刷在标签领域的应用现状及发展趋势J 标签技术，2022，(04):8 10.3 尹梦聪，孙占权，崔明辉.印刷厂冷凝热回收系统的经济性分析 J 区域供热，2022，(04):61 64，117.(上接第 155 页)3.1清洁除污工作原理对摄像头主体前端表面进行清洁时，接通电源，小型电动伸缩杆 1 伸展，将小型马达和清洁刷从开口推出，直至清洁刷下端与摄像头主体前端表面下侧接触，后接通小型马达电源和小型电动伸缩杆 2 的电源，小型马达带动清洁刷转动，与