一種柔版印刷機(jī)的應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)

朱林祥

（上海紫光機(jī)械有限公司，上海201114）

傳統(tǒng)的柔版印刷機(jī)在發(fā)生按鈕、接觸器、電位器或電線斷路等常見故障時，只能停機(jī)待修。由于無法及時維修，有時會對用戶產(chǎn)生一系列較嚴(yán)重的后果，如材料浪費、印刷品交不出貨等。通過與用戶的溝通及反饋的信息并進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在印刷機(jī)產(chǎn)生的電器故障中96%以上都是這類小故障，但對用戶造成的后果卻較為嚴(yán)重。此時若印刷機(jī)上有一套應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)，就能跳開這些故障，使機(jī)器進(jìn)入應(yīng)急驅(qū)動模式運行，猶如電腦無法啟動時可先進(jìn)入“安全模式”啟動一樣。雖然同類印刷機(jī)中沒有這種先例，但實現(xiàn)該法的技術(shù)手段有很多是成熟的，如串口的通信技術(shù)、PLC和變頻器的通信接口技術(shù)等。通過多次試驗，首次在柔版印刷機(jī)上設(shè)計了一套新型的應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)，發(fā)生故障時可立即打開觸摸屏畫面切換到應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)，脫離正常的硬件操作系統(tǒng)，使用一套獨立的通訊方式在觸摸屏上完成驅(qū)動操作。

1 應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計原理

應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)的控制程序?qū)儆谡麢C(jī)主程序的一部分，基于三菱GX Developer工業(yè)編程軟件環(huán)境平臺編寫。在機(jī)器發(fā)生操作故障時，通過PLC輸出及RS485通訊板可控制變頻驅(qū)動器的狀態(tài)。通過PLC向主變頻驅(qū)動器發(fā)送ASCII碼來實現(xiàn)，運行有關(guān)應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)子程序，該編程固化在PLC中，是整機(jī)主程序的一部分。

1.1 系統(tǒng)硬件配制及聯(lián)接

系統(tǒng)主要硬件配制如下：FR－A 740主變頻驅(qū)動器及11kW變頻電動機(jī)；FX 3UPLC及FX 3 URS 485通訊板；Proface觸摸屏。

圖1為應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)電氣原理圖［1］。

圖1 應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)的電氣原理圖

如圖1所示，柔性版印刷機(jī)電氣系統(tǒng)依次連接的是第一濾波器10、主變頻控制器30、第二濾波器20和主電機(jī)40；該柔性版印刷機(jī)還包括連接在第一濾波器10輸入端、并同時與主變頻控制器30和主電機(jī)40連接的主機(jī)風(fēng)扇50，包括可編程控制器1（即PLC1），且該P(yáng)LC1通過通訊板2與主變頻控制器30連接。

具體來說，PLC1輸入端IN的公共端COM和輸入口X4分別與主變頻控制器30的接口C和接口B連接；PLC1的輸出端OUT的公共端COM1、輸出口Y0、輸出口Y1和輸出口Y3分別與主變頻控制器30的接口SD、接口STF、接口RL、接口RT連接；同時，PLC1的輸出端與主變頻控制器30還設(shè)有復(fù)位繼電器KC17和啟動繼電器KC18。

復(fù)位繼電器KC17的線圈31與PLC1輸出口Y36連接，復(fù)位繼電器KC17的開關(guān)32與主變頻控制器30的接口RES連接，啟動繼電器KC18的線圈41與PLC1輸出口Y37連接，啟動繼電器KC18的開關(guān)42與主變頻控制器30的接口AU連接。

PLC1采用的型號為FX 3U－64MR，通訊板2采用型號為FX 3URS 485的產(chǎn)品。本應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理如下：在PLC1中固化應(yīng)急驅(qū)動程序，通過通訊板2向主變頻控制器30以ASC II碼的數(shù)據(jù)格式傳輸數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對印刷機(jī)的應(yīng)急驅(qū)動控制［1］。

1.2 系統(tǒng)器件說明及應(yīng)用

現(xiàn)對采用的電器元件進(jìn)行簡要的功能的介紹。

標(biāo)號1，可編程序控制器簡稱PLC，F(xiàn)X3U－64MR。該款產(chǎn)品CPU對基本指令的處理可達(dá)0.065μs，對應(yīng)用指令的處理可達(dá)0.642μs，高速計數(shù)器的功能可達(dá)單相100kHz 8×6點＋10kHz×2點／雙相50kHz×2點，在輸入端X0～X5可捕捉5μs的信號寬度，可獨立3軸同時輸出100kHz的脈沖，它有功能強(qiáng)大的指令集及豐富的通信功能。作為整個系統(tǒng)的中央控制器（主PLC），機(jī)器主程序及應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)的通信程序都固化在主PLC中運行，包括在機(jī)器故障時切換到對印刷機(jī)的主變頻控制器應(yīng)急驅(qū)動控制等。

標(biāo)號2，F(xiàn)X 3U－485－BD通信接口板。在機(jī)器故障時主PLC切換到應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)并通過該通信接口板向主變頻器發(fā)出指令控制機(jī)器的點動、運行等。

標(biāo)號10，第一濾波器（輸入濾波器）。變頻器在運行時會產(chǎn)生高次諧波的干擾，變頻器高次諧波的對外干擾分為直接傳導(dǎo)、感應(yīng)傳導(dǎo)、輻射傳導(dǎo)3種。變頻器中三相交流電壓經(jīng)二極管整流和電容濾波后產(chǎn)生的電流內(nèi)含有很多奇次諧波成分，并影響到電網(wǎng)，在變頻器內(nèi)部加了交流或直流電抗器可有效地抑制這種諧波［2］。在外部從變頻器電源輸入部加輸入濾波器，抗干擾的效果就非常好，消除電網(wǎng)中的諧波，防止其進(jìn)入變頻器，因此，避免了電網(wǎng)中的諧波損傷變頻器。

標(biāo)號20，第二濾波器（輸出濾波器），防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)入負(fù)載，引起負(fù)載的震動、過熱、絕緣老化等問題。

標(biāo)號30，主變頻控制器，F(xiàn)R－A 740。1臺多功能通用型的帶矢量控制的變頻器，用于對主電機(jī)的控制。它具有柔性PWM低噪音控制，內(nèi)置RS－485通信口，并可支持各種常用的現(xiàn)場總線，它的PU端口是在機(jī)器故障時主PLC切換到應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)并通過和主PLC上的RS－485接口通信板進(jìn)行聯(lián)接的通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

標(biāo)號31，控制繼電器線圈。對應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位控制的線圈。

標(biāo)號32，控制繼電器觸點。對應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位控制的線圈觸點。

標(biāo)號41，控制繼電器線圈。對應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行切換控制的線圈。

標(biāo)號42，控制繼電器觸點。對應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行切換控制的線圈觸點。

標(biāo)號40，變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)。它在5～50Hz內(nèi)是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，50～100Hz內(nèi)是恒功率調(diào)速。

標(biāo)號50，變頻電動機(jī)上的冷卻風(fēng)機(jī)。1臺三相380V風(fēng)機(jī)，對主電機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷降溫。

1.3 人機(jī)操作界面及控制流程圖

圖2為應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)人機(jī)操作畫面。

圖2 人機(jī)操作界面

當(dāng)柔版印刷機(jī)在正常印刷時，如印刷機(jī)產(chǎn)生各類驅(qū)動故障（PLC1、主變頻控制器30和主電機(jī)40未故障的前提下），可啟動本柔性版印刷機(jī)應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)，即立即打開觸摸畫面按下測試切換觸摸鍵使系統(tǒng)切換到應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)模式，使印刷機(jī)脫離正常的硬件操作系統(tǒng)，改成使用另一套獨立的通訊方式在觸摸屏上完成點動、運行、加減速等，讓機(jī)器正常運行。

圖3為柔版印刷機(jī)電氣系統(tǒng)的控制流程圖。

圖3 控制流程圖

2 PLC軟件編制及主變頻通信設(shè)置

2.1 PLC程序編制

在用戶切換到應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)時PLC與變頻驅(qū)動器的RS－485數(shù)據(jù)傳輸以ASCII碼的數(shù)據(jù)格式，傳輸通訊信號發(fā)送→站號→指令代碼→數(shù)據(jù)內(nèi)容→檢驗碼。

PLC中通訊格式的設(shè)置通過特殊數(shù)據(jù)寄存器D 8120來設(shè)置：D 8120＝H 9F；

b0＝1數(shù)據(jù)長度8位；

b1＝1、b2＝1奇偶為偶數(shù)；

b3＝1停止位為2；

b4＝1、b5＝0、b6＝0、b7＝1通訊速率19 200bit／s。

PLC中的應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)子程序流程如下：觸摸屏與PLC通訊中速度、切換開關(guān)等程序→通道的程序→通訊初始化程序，包含通訊請求、站號、指令代碼等→變頻驅(qū)動器的運行程序，包含點動、運行、停止運行碼等→發(fā)送ASC II頻率代碼的程序，包含頻率代碼串行發(fā)送、站號代碼、指令代碼、求校驗碼及校驗代碼→點動、運行、停止公用子程序。

2.1.1 應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)通訊初始化程序

它包含了通訊格式的初始化、指令代碼、請求通信、站號代碼等。

2.1.2 應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)主變頻器運行及加減速程序

它包含了在人機(jī)界面上進(jìn)行機(jī)器點動、運行、停止、運行時的加減速等。

2.1.3 子程序

它包含了通訊數(shù)據(jù)的串行發(fā)送、ASC II碼轉(zhuǎn)換及求校驗碼、點動運行的公用程序，從而使程序變得簡單。

2.1.4 由人機(jī)界面切換至應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)的程序

2.2 應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕夹g(shù)

在設(shè)備間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)一般采用接口連接設(shè)備的方法，以及根據(jù)設(shè)備控制的需要有多種傳輸方式，如PLC在串行通信中常用RS－232或RS－485等接口板。在應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中如采用RS－232接口可能存在以下不足：①RS－232接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片。② 傳輸?shù)乃俾瘦^低。RS－232采用的共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，故抗噪聲干擾性弱，當(dāng)比特率提高其抗干擾的能力會呈倍數(shù)下降。

由于在應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)通信中對抗干擾的要求較高，RS－485串行接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力較強(qiáng)。故以該系統(tǒng)采用了RS－485串行接口技術(shù)。

2.2.1 應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中通信傳輸?shù)姆绞?/p>

（1）并行傳輸。由0和1組成的二進(jìn)制數(shù)組成n比特的數(shù)組，每次發(fā)送n個比特稱為并行傳輸，并行傳輸比串行傳輸要快很多，優(yōu)點是速度快。缺點是費用高，需要n條傳輸?shù)耐ㄓ嵕€路，長距離傳輸容易造成位數(shù)據(jù)到達(dá)接收端時的時間不一致，尤其長距離傳輸需要較粗導(dǎo)線來降低信號的衰減，使用較麻煩。

（2）串行傳輸。串行傳輸時，在設(shè)備間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)只需建立一條通信線路來依次發(fā)送位數(shù)據(jù)。它的傳輸速度較慢，但長距離傳輸比并行傳輸可靠。在發(fā)送數(shù)據(jù)要編程規(guī)范先發(fā)送高位比特還是低位比特，以便接收方根據(jù)該編程規(guī)范接收并還原。串行傳輸中包含同步傳送和異步傳送2種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊傳輸。① 同步傳輸分為位同步、字符同步和幀同步3種。位同步用于保證收發(fā)兩端時鐘的同步，是所有同步的基礎(chǔ)。字符同步它可以同時傳輸一個包含許多字符的“數(shù)據(jù)塊”，只需在每個數(shù)據(jù)塊前面設(shè)置通信雙方共同規(guī)定的同步符號即可。同步方式的優(yōu)點是不必要在每個字符的前后設(shè)置標(biāo)志符號，從而節(jié)省時間提高傳輸速度，但是靈活性差，必須采用同步脈沖來協(xié)調(diào)。工業(yè)應(yīng)用的同步傳輸，通常將比特流組裝成“幀”，幀通常由同步字符、控制位（包含源地址、目的地址、數(shù)據(jù)字節(jié)長度、序列號、幀類型等）和檢測錯誤位及結(jié)束位等組成。同步傳輸特點是傳輸速度快，傳輸可靠性高，傳輸量大，它在高速數(shù)據(jù)傳輸和大的數(shù)據(jù)塊傳輸應(yīng)用中更廣泛。②傳輸中對信號時序不要求的串行傳輸稱為異步傳輸，異步傳輸特點是字節(jié)數(shù)據(jù)采用異步方式傳輸，但每個位數(shù)據(jù)仍需同步，它們的時延是一致的。因此異步并非完全不同步，它以接收到起始位作為暫時的同步信號，每個字符前有一個起始位，表示該字符已經(jīng)開始；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，設(shè)置一個奇偶校驗位進(jìn)行奇偶校驗；最后設(shè)置停止位，表示該字符已經(jīng)結(jié)束，完成數(shù)據(jù)的通信。為此，異步傳輸又稱為起止同步。異步傳輸方法結(jié)構(gòu)簡單，頻率飄移不累積，實時性強(qiáng)、靈活性好，在低速通信中用的較多［3］。本應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中的主PLC和主變頻器之間通信傳輸采用了此方法。

2.2.2 應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中的通信接口和通信結(jié)構(gòu)

一般來說數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間建立通信必須有通信接口，通信設(shè)備之間通信結(jié)構(gòu)有3種型態(tài)：單工通信、雙工通信、半雙工通信。

（1）單工通信。兩臺通信設(shè)備之間只能在一個方向進(jìn)行通信稱為單工通信，其中，一臺設(shè)備是發(fā)送設(shè)備，另一臺設(shè)備是接收設(shè)備。

（2）雙工通信。雙工通信方式指兩臺通信設(shè)備既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)，如果發(fā)送和接收數(shù)據(jù)可同時進(jìn)行，稱為全雙工通信。雙工通信的含意可以指通信線路，也可以指與通信線路結(jié)構(gòu)有關(guān)的通信方式，還可表示通信軟件使用的雙工參數(shù)數(shù)據(jù)。

（3）半雙工通信。如果在某一時刻只能執(zhí)行一種操作（發(fā)送或接收），不能同時進(jìn)行收發(fā)的操作，相應(yīng)的通信線路雖然可在兩個方向傳送數(shù)據(jù)，但在某一時刻只能在一個方向傳送數(shù)據(jù)，這種通信稱為半雙工通信。應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中就采用RS－485接口的半雙工通信。

在應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中使用的RS－485通信接口是一種標(biāo)準(zhǔn)電氣接口電路，采用平衡驅(qū)動差分接收電路，為減少共模干擾，收、發(fā)不共地，RS－485收、發(fā)分時進(jìn)行屬半雙工型。接口電路相當(dāng)于兩個單端驅(qū)動器，輸入同一信號時其輸出是反相的，當(dāng)有共模干擾信號存在時，接收器只接收差分輸入電壓，所以可以有效提高共模干擾的抑制能力［4］。在這套應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中主PLC加一塊RS－485通訊接口板和主變頻器原有PU接口聯(lián)接，這時只需修改上位機(jī)（人機(jī)界面／PLC）給主變頻器的傳輸數(shù)據(jù)即可對主變頻器進(jìn)行點動、運行、故障復(fù)位等控制［5］。

2.3 主變頻驅(qū)動器通信參數(shù)編制

2.3.1 主變頻PU通信接口與主PLC上的RS－485通信接口板的聯(lián)線方式

RS 485－BD板和PU通信接口聯(lián)接后如建立了通訊，則SD LED為發(fā)送時高速閃爍，RD LED為接收時高速閃爍（見表1）。RS－485－BD板的共模輸出電壓是在－7～＋12V之間，它的接收器最小輸入阻抗為12K。

一般來說，RS－485需要兩個終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。但短距離傳輸時可不需終接電阻［6］。因距離較短，應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中使用的RS－485通信接口不需終接電阻。

表1 RS 485－BD板與PU通信接口聯(lián)線方式

2.3.2 設(shè)置主變頻通訊參數(shù)（三菱FR－A 740）

應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)使用的是串行通信異步傳送，目前用于異步傳送的標(biāo)準(zhǔn)異步串行接口主要有以下幾種：RS－232C、RS－422和 RS－485。主變頻器通信接口是RS－485通信PU接口，所以主PLC和主變頻器之間采用RS－485接口串行通信異步傳送，以無協(xié)議的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。除對主變頻器設(shè)置主參數(shù)外，還須對PU接口通信設(shè)置通信參數(shù)。應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)中PU接口通信參數(shù)具有以下功能：

pr117／0PU通訊站號，變頻器指定的站號，1臺控制器可聯(lián)多臺變頻器設(shè)定變頻器站號，可以設(shè)置0～31。應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)是1∶1對接通訊故主變頻站號為0。

pr118／192PU通訊速率，任何設(shè)定值都要乘以100，設(shè)定192時通迅速率為19 200bps。

pr119／1PU通訊停止位長，表示停止位長是2 bit，數(shù)據(jù)長度是8bit。

pr120／2PU通訊奇偶校驗，表示偶數(shù)校驗。

pr121／9999PU通訊再試次數(shù)，表示可通訊容錯，不會報警停止。

pr122／9999sPU通訊校驗時間隔，表示可通訊容錯，不進(jìn)行通訊檢測。

pr123／20PU通訊等待時間設(shè)定，該設(shè)定數(shù)值為毫秒，代表變頻器收到數(shù)據(jù)后信息返回的等待時間，20＝20ms。

pr124／0PU通訊有無CR／LF選擇，設(shè)定0表示無CR和LF。

pr342／0－EPROM／1－RAM 通過通訊寫入?yún)?shù)到EPROM或RAM。

pr184／16／AU－X16（X16－ON－外部模式）／（X16－OFF－PU通訊模式），選擇AU端子功能，該設(shè)定代表PU運行和外部運行可以切換。

pr79／0／EXT－PU 運行模式的選擇，0表示外部和PU切換模式。

3 結(jié) 語

目前，該應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)已作為標(biāo)準(zhǔn)配制在YR254窄幅系列柔版印刷機(jī)上，該系統(tǒng)硬件只在原機(jī)的基礎(chǔ)上增加RS－485通信接口板，軟件采用了嵌入在原主機(jī)程序中的編程方法，而不是采用另一臺獨立的PLC來編程。該系統(tǒng)的技術(shù)方法是新型的，而開發(fā)成本是低的。下一階段的研發(fā)重點是改進(jìn)接口編程使之能推廣至全系列柔版印刷機(jī)上。

［1］朱林祥.一種用于柔性版印刷機(jī)的應(yīng)急驅(qū)動系統(tǒng)：中國，實用新型：201020502786.4［P］.2011.03.23.

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