1.引言

票據(jù)是印刷機行業(yè)中一種常用的機型，對機器的控制精度，伺服的響應(yīng)時間都有很高的要求，以前主要靠進(jìn)口，成本投資比較大。近年來，隨著（PLC）在通訊功能和高速計數(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＋組成的整個系統(tǒng)在印刷機上應(yīng)用成為可能。國內(nèi)眾多的廠家都相繼開發(fā)出各自的票據(jù)印刷機械，繁榮了國內(nèi)的印刷機市場，有力的抵制了國外品牌的入侵，鞏固了國產(chǎn)印刷機的市場地位，并在性能上日益得到完善。煙臺某印刷機械生產(chǎn)廠家委托上海某廠家開發(fā)的基于西門子S7-200器＋松下伺服＋海泰克觸摸屏＋臺安變頻器的系統(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，但也存在諸多的問題，如系統(tǒng)調(diào)試周期時間長，印刷速度低，改變轉(zhuǎn)速必須停機斷電等缺陷，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，最后確立了基于的整體解決方案，以減少和改進(jìn)原系統(tǒng)的缺陷，提升機器的性能。

2.控制過程及存在問題

2.1 原先票據(jù)印刷機的控制過程

原先票據(jù)印刷機的控制過程是這樣的：由一臺主電機拖動印刷機的兩個滾筒（兩個滾筒可印刷兩種顏色）單方向旋轉(zhuǎn)，主電機采用變頻器進(jìn)行寬范圍調(diào)速，主電機軸上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器用來測算主軸電機的速度；由一個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，以便使伺服電機的線速度和主軸電機的線速度保持一致，由于是兩個滾筒，它們之間可能存在速度上的差別，所以采用兩套伺服。當(dāng)伺服電機的速度大于主軸電機的速度時，合壓后將會在滾筒和伺服電機之間堆紙，當(dāng)伺服電機的速度小于主軸電機的速度時，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，即伺服電機的速度必須保持和主軸電機高度一致。系統(tǒng)工作之前首先啟動變頻器，待變頻器速度穩(wěn)定后按下印刷按鈕，伺服電機開始旋轉(zhuǎn)，此時合壓電磁閥不合壓，等旋轉(zhuǎn)編碼器的第一個Z相信號到來，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Z相信號到來之后，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，以保證紙張長度和張力平衡。要想停機，按下停止按鈕，本張紙走完立即停止伺服電機的運轉(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、由于是印刷機械，對印刷精度要求很高，兩張紙的印刷起點必須一致，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不同，原因是PLC循環(huán)掃描時間造成的。三、系統(tǒng)還要求能在走紙過程中（伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中）能實現(xiàn)紙張的前后移動，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)電機的線數(shù)：由于印刷的紙張可以設(shè)定為，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* 000個，原因如下：因為伺服系統(tǒng)每轉(zhuǎn)是* 英寸，0.001英寸則是1個脈沖，所以在每轉(zhuǎn)設(shè)定* 000個脈沖時，系統(tǒng)能精確到0.001英寸，如設(shè)定為0.000* ，則每進(jìn)給一張紙差0.* 個脈沖，會嚴(yán)重影響紙張的印刷精度，走紙越多差別越大。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，否則紙張設(shè)定精度就會變低，這是不允許的。

整個系統(tǒng)要有手動、自動、點動以及報警功能，要便于維護(hù)，觸摸屏界面要求美觀實用。

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* 0kHz，使得印刷機的效率低，每小時只能達(dá)到五六千張。而且因為西門子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個脈沖），導(dǎo)致紙張印刷精度只有0.00* ，比改造后系統(tǒng)的最高設(shè)定紙張精度差了* 倍。（2）在正常印刷過程中，調(diào)整變頻器速度必須首先停機，再改變變頻器的速度，然后斷電重新上電后方可正常運行。（* ）系統(tǒng)速度計算誤差較大，使得單機調(diào)試時間拉長，影響設(shè)備的出廠時間。（* ）停機不夠人性化，即停機之前印刷的那一張因為可能沒有進(jìn)給完成造成紙張廢掉。

* .改造選型

接手這個項目后，立即展開工作，在分析了原系統(tǒng)的特點并且為以后升級留下一定的余地的前提下，決定選用OMRON高性價比的CP1H-X* 0CDT機型。該PLC配備了* 0個I/O點，其中2* 輸入，1* 點輸出，擁有2路雙向100kHz的高速計數(shù)器輸入，2路雙向* 0KHZ的高速計數(shù)器輸入，* 路雙向100kHz的高速脈沖輸出，不僅能滿足當(dāng)前伺服電機的要求，還為以后四色印刷機的開發(fā)留下了足夠的空間，使后續(xù)開發(fā)工作變得簡單。

（1）確立了PLC的型號后，根據(jù)主軸電機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)簡便易調(diào)，特別是在線自動調(diào)整功能，方便調(diào)試，而且最重要的是啟動時間短，響應(yīng)快。

（2）主軸電機由于需要調(diào)速，而且是三相異步，從節(jié)能和可靠及經(jīng)濟性說只能通過變頻調(diào)速，選用OMRON的* G* MV系列1.* kW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，性價比比較高。

（* ）印刷機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NT* Z的黑白觸摸屏作為人機界面。這樣，基于OMRON的PLC（CP1H）＋伺服（W）＋觸摸屏（NT* Z）＋變頻器（* G* MV）的整個系統(tǒng)解決方案出臺。

* .系統(tǒng)特點

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

（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，不需要停機后再開機，因而解決了上述的第二個問題。也可以通過MODBUS-RTU功能，亦可方便的進(jìn)行通信;

（* ）整個系統(tǒng)全部采用OMRON的控制產(chǎn)品，調(diào)試簡便,硬件和軟件的兼容性好; （* ）OMRON PLC的高速計數(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按鈕后走完最后一張再停機，使設(shè)計更加人性化;

（* ）在線紙張自動調(diào)整功能的實現(xiàn)。因為整個走紙過程是先正轉(zhuǎn)，并且多轉(zhuǎn)2英寸，所以可以通過減少反轉(zhuǎn)的脈沖個數(shù)實現(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)定會原值。

* .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上面安裝兩個通訊接口，一個是RS2* 2,另一個是RS,PLC通過2* 2端口與觸摸屏進(jìn)行通訊，通過* * * 與變頻器進(jìn)行通訊，PLC上還有一個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)動器，控制伺服電機。

（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數(shù)器，高速計數(shù)器0用來測量主軸的速度，高速計數(shù)器1用來測量主軸的Z相信號并產(chǎn)生中斷的，高速計數(shù)器2用來顯示主軸的位置，用來調(diào)整機械滾筒的位置，為廠。其他文章中沒有介紹的信號和輸出為一般開關(guān)量，比較簡單，不再進(jìn)行描述。附表 地址分配表

（* ）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* 示出速度轉(zhuǎn)換梯形圖，圖* 示出通訊梯形圖。

* .調(diào)試概要

印刷機調(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，理論上計算的速度并不一定完全適合現(xiàn)實生產(chǎn)，因而需要對速度進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié)，以便使機器達(dá)到最佳性能。PLC方面的主要調(diào)試是功能塊的通訊，使其能夠滿足實時性的要求。

7.結(jié)束語

實踐證明：采用OMRONPLC+觸摸屏＋伺服系統(tǒng)＋變頻器的印刷機系統(tǒng)解決方案是完全可行的，該方案造價低廉，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，具有較大的市場推廣價值。

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