凹版印刷机智能控制系统设计范文

近年来，随着包装行业的迅猛发展，凹版印刷因其具有的印品质感优良、层次丰富、承印幅面宽、承印材料广泛等相比于其他印刷方式的独特优势，在国内外市场上的应用不断增加，并且向着多功能、多色组的连线加工方向发展，其印刷速度已经达到300m/min乃至更高。作为凹版印刷的核心工艺流程之一，各印刷色组的色间干燥是指在印品进入下一印刷色组之前，前一印刷色组的墨层尽可能完全干燥及固化。干燥效果不佳会导致墨色叠印或堵版，而过度的干燥也会直接影响到印品质量。适度、快速的干燥在保证了印品质量的同时，既可以使得印刷过程中产生的毒害物质尽可能少地逸散，也对印刷速度的提高有极大的好处。因此，凹版印刷机各色组干燥过程的精确控制对凹版印刷机机的设计创新具有非常重要的意义。

无论凹版印刷机的加热源是哪一种类，如电加热、瓦斯加热等，但其干燥过程控制系统始终是一个滞后系统，会受到多种不确定因素的影响，如：外界环境温度、新鲜空气的流量、风压的变化等。在传统工艺中，凹版印刷机的干燥系统虽然带有内部温度测量系统，但仍然需要通过人工手动调节热源加热档位、加热时间、风机转速、风门大小的方式来实现干燥过程的控制。考虑到当代凹版印刷机色组数量多、各色组的温度控制系统根据车间情况呈分布式布置，人工观察各色组温度状态继而手动调控的方式，存在效率低下、响应速度缓慢、抗干扰能力差等缺点，并且其干燥效果严重依赖于工人的经验丰富程度，不能满足工艺需求。文献[2]采用PLC为控制核心，基于PID算法，以温度为参量来调节鼓风机的转速，控制阀门的开度以达到系统控制的要求，同时采用现场总线技术实现了多色组的智能控制。该方式存在成本高昂、系统复杂，且生产设备上无法直接观察、控制系统温度、风压等参数的缺点。文献[3]的改用双单片机分别作为自动控制核心和人工观察操作核心，降低了系统成本，同时兼顾了工人的现场操作。但其对象并非凹版印刷机，因此并未考虑多色组单元的统一智能控制。此外，上述两篇文献均仅以温度为参量，以风机转速或阀门开度为控制量，略显不足。本论文设计的智能热风系统，结合二者的优点，在实现了各色组单元干燥过程智能控制，并兼顾人工现场观察和干预的需求的同时，还可以通过工控机实时监控所有色组单元的整体运行情况并加以调节。此外，还增加干燥系统内风压为参量，增加加热器档位、风门开度为控制量。

1智能控制系统的整体设计

此智能控制系统由工控机和各色组独立的干燥控制模块构成，各色组的干燥控制模块与工控机之间由485总线进行简单而稳定的连接，实现生产现场数据及工控机控制命令的可靠传输。对单个色组的控制模块而言，以一块单片机为控制核心，采用PID控制算法对干燥箱的加热器档位、鼓风机转速、风门开度进行调节，最终实现整个干燥过程的智能控制；以另一块单片机作为人机交互核心，用于满足生产现场人工直接观察、调节干燥箱工作状态的需求。图1为此智能控制系统的整体结构框图。系统中的工控机通过485总线向各色组下发预设参数，并设定相应的控制模式。主控单片机通过相应的信号采集模块获知凹版印刷机当前的工作状态，采用PID算法得出相应的控制信号，进而通过控制电路模块实现对加热器档位、鼓风机转速、风门开度等参数的动态智能控制，以达到干燥过程的最优化。此外，凭借系统的人机交互模块，相关人员也可以在生产现场直接观察并调节干燥过程中的参数和控制模式。人机交互核心会将相应的参数调整传输到主控核心并即时存储、执行，然后将相应的变动上传到工控机。

2硬件设计

在上述系统整体框架描述中，硬件设计的主要模块包括信号采集模块、主控核心模块、控制电路模块、人机交互核心模块。

2.1信号采集模块设计此智能控制系统的采集的信号包括4mA～20mA的4路模拟信号（LEL爆炸下限、温度、进风口及排风口风压），0～10V的3路模拟信号（风门开度），8路数字信号（风门行程开关、变频器状态）。来自前段传感器及其他设备的模拟量信号，经调理后，通过高精度的AD芯片转换为数字信号，再同其他直接采样获得的数字信号一起经光耦隔离接入后续的主控核心模块。信号采集模块的电路图如图2所示。通过对生产过程中各类型的全面采集，可使得系统更充分地掌握干燥箱的工作状态，进而获得更优的控制策略。系统采用8通道、10位精度的MAX11620作为模数转换芯片，既满足了多通道采样、高精度的同时，也合理地控制了设备成本。

2.2主控核心模块设计主控核心所采用的单片机为STC11F32XE，除常规单片机具备的基本配置外，它拥有32k的flash程序存储器、1280字节的RAM、29k的EEPROM、5组共计40个I/O口、2组UART串行通信口，同时还具备独立的波特率发生器。该芯片既符合低成本的原则，同时也满足了低功耗、大内存、抗干扰方面的要求。此智能控制系统采样信号众多，但该芯片具有的40个I/O口在满足基本需求的同时还留有一定的裕量，可以于其他扩展。2组UART串行通信口分别用于单片机程序的下载，以及与工控机之间的通讯，极大地方便了软件调试和工程实践运用。29k的EEPROM，用于存储用于区别各色组单元的编码，以及工控机下发、人工直接设定的控制参数，或者是生产过程中产生的高重要性的数据，保障了生产过程的安全稳定运行和重要数据的安全可靠存储。主控核心模块电路图如图3所示。

2.3控制电路模块设计主控核心模块产生的相应控制命令，经光耦后，分为两类分别交由相应的控制电路去驱动相关设备。一类控制命令，经由处理放大后，直接以24V数字量的形式输出，用于控制加热器档位、风门电源开关等；另一类控制命令，经高精度的DA芯片转换为0～5V模拟量后，用于控制风门开度、鼓风机转速等。控制电路模块的电路图如图3所示。

2.4人机交互核心模块设计人机交互核心模块主要由显示模块、按键模块，以及与主控核心的通讯构成。人机交互核心模块的电路图如图4所示。显示模块由4组4位8段共阴数码管组成，分别用来显示LEL、温度、风压、风门开度。需要注意的是当LEL值超限，系统将通过所有数码管同时闪烁的方式实现报警功能。4组数码管的段选线相应地并联在一起与单片机的P0口连接，而各自的位选线经由4-16译码器（74HC154）与单片机的5个I/O口连接，从而通过使用单片机的13个I/O口，以动态扫描的形式实现各组数码管的正常显示。按键模块共设计有五个按键，功能分别为：切换、数码管选择/设置内容选择、翻页/确认、空/加一和空/减一。切换键用于人工观察和人工设置模式之间的切换，分别对应后续四个按键的不同功能。在人工观察模式，“数码管选择”按键用于选择“翻页”按键对应的数码管，“翻页”按键用于调整数码管当前显示的内容。在人工设置模式，使用“设置内容选择”键选择希望设定的参数项目，通过“加一”和“减一”键设定好具体值，最后按下“确认”键即可保存设定并退出到切换回人工观察模式。人机交互核心的单片机与主控核心的单片机之间的通讯，通过两者之间的10个I/O直接相连来实现。其中，主控核心的P1口与人机交互核心的P0口相连，用于8位数据的并行传输；主控核心的P3.5脚和INT0脚分别与人机交互核心的INT0脚和P3.3脚连接，用于控制两块单片机之间数据的发送和接收。

3软件设计

此智能控制系统由双单片机实现对整个干燥过程的控制。主控核心单片机的任务是从信号采集模块接收并处理温度、风压、风门开度、变频机状态等各类信号，将相关状态信号传递至人机交互核心，接收来自工控机或人机交互核心的数据和命令，执行PID算法，产生并向控制电路模块发出控制命令。主控核心与工控机之间通过485总线通讯，具体参数为：9600bit/s，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无校验位。人机交互核心单片机的任务是从主控核心接收相关状态信号并显示，接收控制键盘输入的数据和命令并向主控核心传递。软件设计总体思路图如图5所示。

3.1主控核心单片机程序设计系统启动后，主控单片机执行I/O口初始化、常量定义、全局变量声明、串行通讯初始化等一系列初始化操作，再行从EEPROM中读取此前存储的相关控制参数预设值，然后进入信号采集、数据发送、数据接收、PID程序、产生控制命令的循环阶段，直到接收到来自工控机或者是人机交互核心的新的设定参数。此时，系统将重新读取新的设定参数并以此开始新的控制循环。主控核心的程序流程图如图6所示。

3.2人机交互核心单片机程序设计系统启动后，人机交互核心单片机将接收主控单片机采集到的各类参数值并将其显示在数码管上，同时将按键输入的新的参数设定值发送给主控单片机。当人机交互核心单片机检测到主控单片机采集到的LEL值超过限度，将直接报警。其程序流程图如图7所示。

4结论

依照本文的所述的方法设计的凹版印刷机干燥箱智能控制系统，全方位地考虑了干燥过程中的各类影响因素并能精确地、智能地加以控制。实验样机如图8所示。经过工厂实际调试，此智能控制系统能够极好地控制凹版印刷机的干燥过程，降低了生产过程对工人经验的严重依赖。同时，该设计使用双单片机作为单个色组的控制和交互核心，配合485总线和工控机的总体协调，在满足低成本、高可靠性、智能化要求的情况下，也兼顾了生产现场人工直接观察和调节干燥过程的需求，有利于凹版印刷机行业在保证生产质量和安全稳定性的基础上，向着智能化的方向发展。

作者：唐凡森 周箭 吕征宇 单位：浙江大学 电气工程学院