蘇明霞，蘇義鑫，王 軍，藍(lán) 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(dòng)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(lái)，國(guó)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(shí)系統(tǒng)中的機(jī)械配時(shí)鼓通過(guò)調(diào)整配時(shí)鼓凸鈕的位置實(shí)現(xiàn)配時(shí)，已經(jīng)不能滿足制瓶工藝的要求。電子配時(shí)系統(tǒng)具有定時(shí)精確、機(jī)構(gòu)動(dòng)作調(diào)整簡(jiǎn)單、停機(jī)時(shí)間短、換品種方便、效率高、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良和操作安全等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代制瓶工藝的要求。因此，改造國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)械配時(shí)式行列式制瓶機(jī)，開(kāi)發(fā)、研制電子配時(shí)式行列式制瓶機(jī)對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)外瓶罐玻璃行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電子配時(shí)的原理

行列式制瓶機(jī)由各自獨(dú)立的單組機(jī)拼裝而成，每一組機(jī)稱為分部或段［1］。分部?jī)?nèi)的各種機(jī)構(gòu)都是由構(gòu)造型式各不相同的氣缸驅(qū)動(dòng)。壓縮空氣進(jìn)入氣缸，機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，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(jìn)入氣缸時(shí)，機(jī)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(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的動(dòng)作，就要控制閥箱供氣管路上的電磁閥在規(guī)定時(shí)刻開(kāi)啟和關(guān)閉。

機(jī)械配時(shí)系統(tǒng)中，以360°為一個(gè)周期，周期內(nèi)各個(gè)動(dòng)作的開(kāi)啟和關(guān)閉都對(duì)應(yīng)一個(gè)角度，稱為“開(kāi)啟角”和“關(guān)閉角”，電子配時(shí)系統(tǒng)則沿用該概念。電子配時(shí)系統(tǒng)將一個(gè)時(shí)間周期劃分為3600個(gè)相等的時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)0.1°；將定時(shí)器的定時(shí)周期設(shè)置為一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間，并用計(jì)數(shù)器記錄定時(shí)器的周期數(shù)；每完成一個(gè)定時(shí)器周期，計(jì)數(shù)器加1，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將計(jì)數(shù)器的數(shù)值與每個(gè)動(dòng)作的“開(kāi)啟角”和“關(guān)閉角”進(jìn)行比較，如果相等，系統(tǒng)就發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，來(lái)完成該動(dòng)作的開(kāi)啟或者關(guān)閉操作。當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值到達(dá)3600時(shí)，數(shù)值清零，重新計(jì)數(shù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的電子配時(shí)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(jī)、CAN－RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器、機(jī)控板、段控板和電磁閥箱5個(gè)部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電子配時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工控機(jī)是人機(jī)對(duì)話的窗口，并不直接控制制瓶機(jī)，主要用于設(shè)置參數(shù)、存儲(chǔ)資料、監(jiān)控制瓶機(jī)的狀態(tài)等。CAN－RS232協(xié)議轉(zhuǎn)換器是連接工控機(jī)與CAN網(wǎng)絡(luò)的中間件［4］，是實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與控制板通信的樞紐［5］。機(jī)控板和段控板是獨(dú)立的CAN節(jié)點(diǎn)，可以很方便地連接到CAN總線上或從CAN總線上移去。機(jī)控板是控制系統(tǒng)的管理計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)檢測(cè)從供料機(jī)上的接近開(kāi)關(guān)傳來(lái)的同步信號(hào)，根據(jù)相鄰兩個(gè)信號(hào)的間隔時(shí)間計(jì)算每分鐘的料滴數(shù)，并按照一定的順序通過(guò)CAN總線向段控板發(fā)送起始信號(hào)。段控板控制行列式制瓶機(jī)一段的所有機(jī)械動(dòng)作，接收從鍵盤(pán)和開(kāi)關(guān)量輸入通道傳來(lái)的信息，且具備與工控機(jī)通信的能力。段控板的個(gè)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(kāi)關(guān)量輸出，最多可以驅(qū)動(dòng)32個(gè)電磁閥，以實(shí)現(xiàn)成型機(jī)的所有動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)段控板與機(jī)控板的互換，段控板和機(jī)控板采用相同的硬件電路，通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)設(shè)置控制板的地址來(lái)區(qū)分，機(jī)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(lái)轉(zhuǎn)鼓式制瓶機(jī)的機(jī)械閥箱，通過(guò)內(nèi)部的電磁閥來(lái)控制指揮氣，指揮氣通過(guò)套筒閥控制工作氣以完成制瓶機(jī)的成型動(dòng)作。在這里主要介紹機(jī)控板和段控板的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

3 機(jī)控板和段控板的硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由鍵盤(pán)、LED顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、CAN總線模塊和開(kāi)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(jī)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(jī)［6］PIC24FJ64GA008，該單片機(jī)的時(shí)鐘頻率可達(dá)到32 MHz，指令的執(zhí)行速度可達(dá)到16 MI/s，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)速度的要求，且具有較多的I/O端口，不需要對(duì)I/O端口進(jìn)行外部擴(kuò)展。在系統(tǒng)中，擴(kuò)展了4×4行列式鍵盤(pán)，主要用于參數(shù)的設(shè)置和制瓶機(jī)各種狀態(tài)的選擇。顯示模塊由6個(gè)數(shù)碼管組成，采用74HC595驅(qū)動(dòng)的靜態(tài)顯示方式，用于在參數(shù)的設(shè)置過(guò)程中顯示參數(shù)的序號(hào)和參數(shù)值，前兩位顯示參數(shù)的序號(hào)，后4位顯示參數(shù)值，參數(shù)值保留1位小數(shù)。制瓶機(jī)工作時(shí)，數(shù)碼管顯示制瓶機(jī)的狀態(tài)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用帶I2C接口的串行EEPROM－24LC64，最多能存儲(chǔ)8 kB的數(shù)據(jù)［7］，用于存儲(chǔ)各個(gè)動(dòng)作的開(kāi)始值和關(guān)閉值。CAN總線模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與段控板和機(jī)控板的通信以及機(jī)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(shí)現(xiàn)CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過(guò)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(xiě)信號(hào)RD、WR由單片機(jī)的讀寫(xiě)信號(hào)PMRD、PMWR控制，SJA1000的片選信號(hào)由單片機(jī)的PMCS2端口提供。總線收發(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(hù)SJA1000型CAN總線控制器的作用。

開(kāi)關(guān)量輸入模塊用低速光耦TLP521實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與控制信號(hào)的隔離和電平轉(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)量輸出模塊由反向驅(qū)動(dòng)器、低速光耦TLP521和MOS管組成，反向驅(qū)動(dòng)器用于增強(qiáng)單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，低速光耦起隔離的作用［10］。MOS管在單片機(jī)I/O口的控制下導(dǎo)通或截止，從而控制現(xiàn)場(chǎng)電磁閥的開(kāi)啟或關(guān)閉。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 段控板控制程序設(shè)計(jì)

段控板實(shí)現(xiàn)的主要功能有:鍵盤(pán)掃描、數(shù)碼管顯示、同步信號(hào)檢測(cè)、電磁閥的開(kāi)閉控制和與上位機(jī)的通信。段控板有主機(jī)模式和從機(jī)模式兩種工作模式，通過(guò)工作模式選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇。當(dāng)處于主機(jī)模式時(shí)，上位機(jī)可給段控板下傳工作參數(shù)；當(dāng)處于從機(jī)模式時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)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(kāi)關(guān)，若配置為從機(jī)模式，則設(shè)置工作模式標(biāo)志位為1，同時(shí)掃描行列式鍵盤(pán)，如果有鍵按下，程序就會(huì)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(duì)某個(gè)動(dòng)作的“開(kāi)啟角”和“關(guān)閉角”進(jìn)行設(shè)置。工作參數(shù)配置完成后，將各個(gè)鍵標(biāo)志位清零。接著設(shè)置定時(shí)器1，計(jì)算定時(shí)器1的定時(shí)周期，其值為制瓶周期的1/3600，并在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中，設(shè)置一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器，用它對(duì)定時(shí)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，每完成一個(gè)定時(shí)器周期，計(jì)數(shù)器加1，同時(shí)比較計(jì)數(shù)器與動(dòng)作“開(kāi)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(hào)。最后完成外部中斷程序。制瓶工作的開(kāi)始通過(guò)機(jī)控板來(lái)控制，機(jī)控板發(fā)送同步信號(hào)給段控板，其通過(guò)INT2會(huì)向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)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(dòng)定時(shí)器1。

若工作模式選擇開(kāi)關(guān)配置為主機(jī)模式，程序會(huì)對(duì)CAN數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位進(jìn)行查詢。若CAN數(shù)據(jù)接收標(biāo)志位為1，則單片機(jī)會(huì)對(duì)CAN總線上傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。CAN通信協(xié)議的幀格式，如表1所示。第1個(gè)字節(jié)為地址，表示該數(shù)據(jù)包的目的地址；第2個(gè)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(yàn)和所包含的字節(jié)個(gè)數(shù)；第3個(gè)字節(jié)為命令字，表示該數(shù)據(jù)包的具體含義；第4個(gè)字節(jié)到第7個(gè)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(kāi)啟時(shí)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(shí)間；第8個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)和，是數(shù)據(jù)包中所有字節(jié)代數(shù)和。單片機(jī)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(gè)通道的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間，則段控板上傳所有參數(shù)值；若命令字要求將32個(gè)通道的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間傳遞給段控板，則段控板會(huì)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(jī)控板控制程序設(shè)計(jì)

機(jī)控板的主要功能是檢測(cè)料滴的到來(lái)，對(duì)料滴計(jì)數(shù)顯示，并產(chǎn)生同步信號(hào)，然后把產(chǎn)生的同步信號(hào)按照設(shè)置好的順序發(fā)送給段控板。程序每隔1 ms檢測(cè)是否有料滴被剪下，若有料滴被剪下，接近開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的I/O端口就會(huì)產(chǎn)生下降沿，接著就進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把1 min的時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)到的料滴數(shù)顯示在機(jī)控板的數(shù)碼管上。料滴在計(jì)數(shù)同時(shí)，機(jī)控板產(chǎn)生同步信號(hào)，從第1滴料開(kāi)始，機(jī)控板通過(guò)CAN總線按照段控板的設(shè)置順序發(fā)送同步信號(hào)給對(duì)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(lái)產(chǎn)生的同步信號(hào)發(fā)送給段控板1，第2滴料到來(lái)產(chǎn)生的同步信號(hào)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(jì)的電子配時(shí)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(dú)立的CAN總線節(jié)點(diǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整段控板的個(gè)數(shù)，而不影響制瓶機(jī)的正常工作。應(yīng)用實(shí)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(jī)產(chǎn)品升級(jí)提供了一種新的選擇。

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