行列式制瓶機電子配時系統(tǒng)的設(shè)計

蘇明霞，蘇義鑫，王 軍，藍 天

（1.武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院，湖北 武漢 430223；2.武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

近些年來，國外的制瓶工藝逐漸向薄壁輕量化、高速優(yōu)質(zhì)化方向發(fā)展，傳統(tǒng)配時系統(tǒng)中的機械配時鼓通過調(diào)整配時鼓凸鈕的位置實現(xiàn)配時，已經(jīng)不能滿足制瓶工藝的要求。電子配時系統(tǒng)具有定時精確、機構(gòu)動作調(diào)整簡單、停機時間短、換品種方便、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良和操作安全等一系列優(yōu)點，能夠滿足現(xiàn)代制瓶工藝的要求。因此，改造國內(nèi)現(xiàn)有機械配時式行列式制瓶機，開發(fā)、研制電子配時式行列式制瓶機對促進國內(nèi)外瓶罐玻璃行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 電子配時的原理

行列式制瓶機由各自獨立的單組機拼裝而成，每一組機稱為分部或段［1］。分部內(nèi)的各種機構(gòu)都是由構(gòu)造型式各不相同的氣缸驅(qū)動。壓縮空氣進入氣缸，機構(gòu)產(chǎn)生運動，參與做瓶；而當(dāng)壓縮空氣停止供入，或從另一供氣管道反向進入氣缸時，機構(gòu)則恢復(fù)原位，停止做瓶。氣缸供氣管道的通斷由電磁閥控制，各供氣管道的電磁閥集中在一起組成閥箱［2］。因此，控制各機構(gòu)協(xié)調(diào)的動作，就要控制閥箱供氣管路上的電磁閥在規(guī)定時刻開啟和關(guān)閉。

機械配時系統(tǒng)中，以360°為一個周期，周期內(nèi)各個動作的開啟和關(guān)閉都對應(yīng)一個角度，稱為“開啟角”和“關(guān)閉角”，電子配時系統(tǒng)則沿用該概念。電子配時系統(tǒng)將一個時間周期劃分為3600個相等的時隙，一個時隙對應(yīng)0.1°；將定時器的定時周期設(shè)置為一個時隙的時間，并用計數(shù)器記錄定時器的周期數(shù)；每完成一個定時器周期，計數(shù)器加1，同時系統(tǒng)會將計數(shù)器的數(shù)值與每個動作的“開啟角”和“關(guān)閉角”進行比較，如果相等，系統(tǒng)就發(fā)出相應(yīng)的控制信號，來完成該動作的開啟或者關(guān)閉操作。當(dāng)計數(shù)器的數(shù)值到達3600時，數(shù)值清零，重新計數(shù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的電子配時系統(tǒng)是一種基于CAN（controller area network）總線［3］的總線型控制系統(tǒng)，主要由工控機、CAN－RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器、機控板、段控板和電磁閥箱5個部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電子配時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工控機是人機對話的窗口，并不直接控制制瓶機，主要用于設(shè)置參數(shù)、存儲資料、監(jiān)控制瓶機的狀態(tài)等。CAN－RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器是連接工控機與CAN網(wǎng)絡(luò)的中間件［4］，是實現(xiàn)工控機與控制板通信的樞紐［5］。機控板和段控板是獨立的CAN節(jié)點，可以很方便地連接到CAN總線上或從CAN總線上移去。機控板是控制系統(tǒng)的管理計算機，負責(zé)檢測從供料機上的接近開關(guān)傳來的同步信號，根據(jù)相鄰兩個信號的間隔時間計算每分鐘的料滴數(shù)，并按照一定的順序通過CAN總線向段控板發(fā)送起始信號。段控板控制行列式制瓶機一段的所有機械動作，接收從鍵盤和開關(guān)量輸入通道傳來的信息，且具備與工控機通信的能力。段控板的個數(shù)隨著段數(shù)變化而變化，在這里以6組為例。該系統(tǒng)中段控板有32路開關(guān)量輸出，最多可以驅(qū)動32個電磁閥，以實現(xiàn)成型機的所有動作。為了實現(xiàn)段控板與機控板的互換，段控板和機控板采用相同的硬件電路，通過DIP開關(guān)設(shè)置控制板的地址來區(qū)分，機控板的地址設(shè)為0X00，段控板的地址設(shè)置范圍為:0X01～0X06。電磁閥箱取代了原來轉(zhuǎn)鼓式制瓶機的機械閥箱，通過內(nèi)部的電磁閥來控制指揮氣，指揮氣通過套筒閥控制工作氣以完成制瓶機的成型動作。在這里主要介紹機控板和段控板的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

3 機控板和段控板的硬件電路設(shè)計

硬件電路主要由鍵盤、LED顯示、數(shù)據(jù)存儲器、CAN總線模塊和開關(guān)量輸入/輸出模塊組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 機控板和段控板的硬件框圖

系統(tǒng)的主控芯片選用MICROCHIP公司的一款16 位單片機［6］PIC24FJ64GA008，該單片機的時鐘頻率可達到32 MHz，指令的執(zhí)行速度可達到16 MI/s，能夠滿足系統(tǒng)對速度的要求，且具有較多的I/O端口，不需要對I/O端口進行外部擴展。在系統(tǒng)中，擴展了4×4行列式鍵盤，主要用于參數(shù)的設(shè)置和制瓶機各種狀態(tài)的選擇。顯示模塊由6個數(shù)碼管組成，采用74HC595驅(qū)動的靜態(tài)顯示方式，用于在參數(shù)的設(shè)置過程中顯示參數(shù)的序號和參數(shù)值，前兩位顯示參數(shù)的序號，后4位顯示參數(shù)值，參數(shù)值保留1位小數(shù)。制瓶機工作時，數(shù)碼管顯示制瓶機的狀態(tài)。數(shù)據(jù)存儲器選用帶I2C接口的串行EEPROM－24LC64，最多能存儲8 kB的數(shù)據(jù)［7］，用于存儲各個動作的開始值和關(guān)閉值。CAN總線模塊實現(xiàn)上位機與段控板和機控板的通信以及機控板與段控板之間的通信［8－9］，其接口電路如圖3所示。

圖3 CAN總線模塊接口電路

CAN總線模塊由CAN總線控制器SJA1000、總線收發(fā)器PCA82C250和高速光藕6N137組成。SJA1000實現(xiàn)CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過8位地址、數(shù)據(jù)復(fù)用的總線與主控芯片連接，SJA1000的讀寫信號RD、WR由單片機的讀寫信號PMRD、PMWR控制，SJA1000的片選信號由單片機的PMCS2端口提供?？偩€收發(fā)器PCA82C250將CAN協(xié)議控制器與物理通信線路連接在一起，高速光耦6N137用于隔離，起到保護SJA1000型CAN總線控制器的作用。

開關(guān)量輸入模塊用低速光耦TLP521實現(xiàn)現(xiàn)場信號與控制信號的隔離和電平轉(zhuǎn)換。開關(guān)量輸出模塊由反向驅(qū)動器、低速光耦TLP521和MOS管組成，反向驅(qū)動器用于增強單片機I/O口的驅(qū)動能力，低速光耦起隔離的作用［10］。MOS管在單片機I/O口的控制下導(dǎo)通或截止，從而控制現(xiàn)場電磁閥的開啟或關(guān)閉。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 段控板控制程序設(shè)計

段控板實現(xiàn)的主要功能有:鍵盤掃描、數(shù)碼管顯示、同步信號檢測、電磁閥的開閉控制和與上位機的通信。段控板有主機模式和從機模式兩種工作模式，通過工作模式選擇開關(guān)來選擇。當(dāng)處于主機模式時，上位機可給段控板下傳工作參數(shù)；當(dāng)處于從機模式時，通過鍵盤修改段控板工作參數(shù)。

段控板程序的總體思路是:首先判斷工作模式，程序掃描工作模式選擇開關(guān)，若配置為從機模式，則設(shè)置工作模式標(biāo)志位為1，同時掃描行列式鍵盤，如果有鍵按下，程序就會設(shè)置相應(yīng)的鍵標(biāo)志位為1，調(diào)用參數(shù)設(shè)置子程序。參數(shù)設(shè)置子程序的主要功能是對某個動作的“開啟角”和“關(guān)閉角”進行設(shè)置。工作參數(shù)配置完成后，將各個鍵標(biāo)志位清零。接著設(shè)置定時器1，計算定時器1的定時周期，其值為制瓶周期的1/3600，并在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中，設(shè)置一個軟件計數(shù)器，用它對定時周期進行計數(shù)，每完成一個定時器周期，計數(shù)器加1，同時比較計數(shù)器與動作“開啟角”和“關(guān)閉角”的值，如果相等，系統(tǒng)就發(fā)出相應(yīng)的控制信號。最后完成外部中斷程序。制瓶工作的開始通過機控板來控制，機控板發(fā)送同步信號給段控板，其通過INT2會向單片機發(fā)出中斷請求；在INT2的中斷服務(wù)程序中，如果工作模式標(biāo)志位為1，則啟動定時器1。

若工作模式選擇開關(guān)配置為主機模式，程序會對CAN數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位進行查詢。若CAN數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位為1，則單片機會對CAN總線上傳來的數(shù)據(jù)進行解析。CAN通信協(xié)議的幀格式，如表1所示。第1個字節(jié)為地址，表示該數(shù)據(jù)包的目的地址；第2個字節(jié)為字節(jié)數(shù)，其含義是數(shù)據(jù)包中命令字、參數(shù)值和校驗和所包含的字節(jié)個數(shù)；第3個字節(jié)為命令字，表示該數(shù)據(jù)包的具體含義；第4個字節(jié)到第7個字節(jié)為參數(shù)值，第4字節(jié)和第5字節(jié)存放電磁閥的開啟時間，高位在前，低位在后，第6字節(jié)和第7字節(jié)存放電磁閥的關(guān)閉時間；第8個字節(jié)為校驗和，是數(shù)據(jù)包中所有字節(jié)代數(shù)和。單片機根據(jù)不同的命令字執(zhí)行不同的操作，若命令字要求該段控板上傳32個通道的開啟時間和關(guān)閉時間，則段控板上傳所有參數(shù)值；若命令字要求將32個通道的開啟時間和關(guān)閉時間傳遞給段控板，則段控板會接收這些數(shù)據(jù)并放到EEPROM中。

表1 CAN通信協(xié)議幀格式

4.2 機控板控制程序設(shè)計

機控板的主要功能是檢測料滴的到來，對料滴計數(shù)顯示，并產(chǎn)生同步信號，然后把產(chǎn)生的同步信號按照設(shè)置好的順序發(fā)送給段控板。程序每隔1 ms檢測是否有料滴被剪下，若有料滴被剪下，接近開關(guān)對應(yīng)的I/O端口就會產(chǎn)生下降沿，接著就進行計數(shù)，并把1 min的時間間隔內(nèi)檢測到的料滴數(shù)顯示在機控板的數(shù)碼管上。料滴在計數(shù)同時，機控板產(chǎn)生同步信號，從第1滴料開始，機控板通過CAN總線按照段控板的設(shè)置順序發(fā)送同步信號給對應(yīng)的段控板，以6組段控板為例，分料的順序設(shè)置為段控板1，5，4，2，6，3，第1滴料到來產(chǎn)生的同步信號發(fā)送給段控板1，第2滴料到來產(chǎn)生的同步信號發(fā)給段控板5，以此類推，按照設(shè)置的順序循環(huán)反復(fù)操作。

5 結(jié)論

筆者設(shè)計的電子配時系統(tǒng)是基于CAN總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，具有較好的靈活性。段控板是獨立的CAN總線節(jié)點，在生產(chǎn)過程中可以根據(jù)實際需要調(diào)整段控板的個數(shù)，而不影響制瓶機的正常工作。應(yīng)用實踐表明，該系統(tǒng)在穩(wěn)定性和抗干擾性方面有著良好表現(xiàn)，為行列式制瓶機產(chǎn)品升級提供了一種新的選擇。

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