黃曉峰，彭遠芳，李 攀

（上海工程技術大學，上海 200437）

0 引言

折頁機是書刊、報紙加工的主要印后現代印刷設備之一。傳統(tǒng)的折頁機控制器采用PLC控制，存在數字化控制程度不高、高速時折刀定位不準確、電氣接線繁雜、成本高等缺點。本文在設計中以P89LV51單片機+MAXⅡ1270CPLD為核心，構成折頁機總線控制系統(tǒng)，充分利用單片機編程簡單、數據處理能力強和CPLD容易實現用戶自定制邏輯、在線編程、響應速度快、保密性強的特點，有效解決了PLC掃描速度低（ms級）、折刀離合器磨損大、成本較高、高速時折刀定位不準確等缺點，實現了折頁機控制系統(tǒng)模塊化、系列化、標準化的設計與生產。設計的ZY780型混合式電控刀高速折頁機，主機運行設計線速度為200m/min，最高220m/min，折刀工作頻率最高為8次/秒，同時系統(tǒng)具備折刀動作次數、電機運行時間、吸紙電磁閥工作次數、折紙參數數據的歷史記憶以及折紙過程中各種故障報警等功能。經一年現場運行測試，系統(tǒng)穩(wěn)定、抗干擾能力強，取得了良好的經濟效益與社會效益。

1 ZY-780折頁機系統(tǒng)結構

圖1 ZY-780背包式折頁機結構

ZY-780型折頁機主要由輸紙、柵欄折紙、電子刀折刀部分及收紙小車等構成，如圖1所示。折紙工作過程為紙張在位置（1），紙臺電機正向旋轉，紙堆輸送帶以1.6m/min速度作正向轉動，從位置（1）運動到位置（2）。當紙堆前沿推動吸輪下的紙位探測鍵觸碰到模擬量接近開關SP0時，在紙臺變頻器AV2控制下，速度線性下降至0，回轉進紙將自動停止。 紙張從位置（2）被吸氣閥吸出，經2O閥前光電開關SL2、2O雙張故障限位開關到紙張位置（3）。從位置（3）過3O柵前光電開關SL3、5O柵后堵紙開關SL4后到紙張位置（4）。從位置（4）過6O一折刀前光電開關SL7停留在位置（5），此時一折刀從位置1運行到位置2。將紙張從位置（5）經過折棍折壓到位置（6），同時一折刀復位。紙張從位置（6）運行通過8O二折刀處的光電開關SL8后，停留在位置（7）。二折刀、三折刀折紙過程同上。折紙過程結束后，紙張經收紙機壓平整理后形成成品。

2 折頁機控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由主控按鍵/顯示模塊、刀控按鍵/顯示模塊、折刀控制模塊、壓平收紙控制模塊、遠程控制模塊、折頁單刀控制模塊與主控模塊構成主從式控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 折頁機總線控制系統(tǒng)拓撲結構圖

主控按鍵/顯示模塊、刀控按鍵模塊、壓平收紙控制模塊各由一片P89LV51單片機和相應的按鍵模塊組成，主要完成主機的啟/停與點動、氣泵的啟/停、輸紙電機正反轉控制，以及輸紙參數設置，具體包括輸紙模式、輸紙間距、紙張大小、折刀工作方式、主機運行速度、收紙小車運行速度等參數，并通過485串行總線將相關參數上傳主控制器模塊，主控制器模塊依據接收的數據進行綜合處理后發(fā)出控制信號，在主控按鍵/顯示模塊顯示折頁機運行狀態(tài)及相關輸紙參數。

折刀控制模塊接收主控模塊的命令，實現手動和自動下刀工作模式，以及折刀在自動模式下的不同下刀延時時間的選擇功能，同時完成堵紙故障檢測，并將故障信息傳送至主控模塊。遠程監(jiān)控模塊和折頁單刀控制模塊屬個性化模塊，根據需要進行選配。 根據需要進行選配。

3 主控制器模塊的組成原理

主控模塊的構成如圖3所示。其核心部件主要由一片P89LV51單片機與一塊MAXⅡ1270CPLD構成。單片機通過P0口、P2口、ALE、RD、WR等I/O口線與CPLD之間以51總線方式進行數據與控制信息通信，CPLD中擴展的輸入和輸出外設作為數據存儲器映像，占用存儲器地址。對于51單片機，程序設計時只要CPU給出正確的地址，就可以用兩個單字節(jié)指令完成讀/寫，如把數據讀入CPU只需執(zhí)行MOV @DPTR #XXXXH及MOVX A，@DPTR兩條指令；輸出數據到外設通過執(zhí)行MOV @DPTR，#XXXXH與MOVX @DPTR，A即可實現。因此，能夠在節(jié)省CPLD I/O口線的同時極大地提高了系統(tǒng)效率[1～3]。

圖3 主控模塊系統(tǒng)框圖

在CPLD中通過編程實現的功能模塊如圖4所示，主要包含51總線、傳感器輸入、控制信號I/O端口、吸紙電磁閥控制、主機運行速度檢測、紙張長度與寬度檢測、故障檢測等單元。

圖4 CPLD功能模塊

主機測速模塊通過測速光電編碼器對實時運行速度進行檢測，并與設定值（75m/min～220m/min）形成偏差信號，通過模糊PID算法實現對主機運行速度的控制。輸紙電機的運行速度通過模擬量接近開關，將待折紙張位置轉換為4mA～20mA電流信號，作為紙臺電機變頻器的控制信號，控制上紙速度快慢。

吸氣電磁閥控制單元通過CPLD編程實現，模塊框圖如圖5所示。由latch1～latch5共5個鎖存器和C_F電磁閥控制器構成。單片機將吸氣長度、紙張間距設定值以及C_F控制信號通過latch1～latch5鎖存器送入C_F的輸入端口，C_F電磁閥控制器輸入輸出端口及功能如表1所示。

4 仿真測試

在系統(tǒng)設計過程中，對鎖存器、吸氣閥控制、進紙量檢測、折刀控制、堵紙檢測控制、運行速度檢測等單元的程序進行了仿真測試。圖6為吸氣閥控制單元中的電磁閥控制器C_F在連續(xù)吸紙狀態(tài)下的仿真結果，其中紙間距DA=6，吸紙長度DB=4，測速編碼器信號BMQA=50KHz。

由仿真圖看出，在20ns～120ns之間，BMQA接收6個測速光電編碼器脈沖后（紙間距DA=6），吸紙閥控制信號COUT由低電平變?yōu)楦唠娖剑堥y開始吸紙，經過4個脈沖（120ns～200ns），COUT控制信號由高電平變?yōu)榈碗娖剑堥y停止吸紙，紙張由折頁機送紙同步帶送走（200ns～300ns），紙張信號PSGL由低電平變?yōu)楦唠娖?，表示一張紙已送完，進行下一張紙的吸送紙循環(huán)。

由時序分析得出，當單片機發(fā)出吸紙控制信號后，整個吸紙過程均由CPLD中的吸紙電磁閥控制單元控制，單片機不再管理吸紙過程，克服了傳統(tǒng)折頁機在高速運行時由于掃描速度慢，出現漏數測速光電編碼器脈沖而造成紙張間距不均勻，影響折紙質量的情況。吸氣閥需要停止工作，單片機只需通過指令將圖6中的端口信號EN1、EN2變?yōu)榈碗娖?，若需要單張輸紙EN1為低、EN2為高電平即可。

表1 吸氣電磁閥控制模塊C_F端口表

圖6 吸紙電磁閥控制器C_F仿真圖

折刀控制模塊的結構與主控模塊相似，由單片機+CPLD構成，在CPLD中編程設置一個折刀控制器模塊，通過主控模塊的485總線發(fā)送的控制參數，經折刀控制模塊的單片機處理后，送至CPLD生成的折刀控制器模塊，結合折刀光電開關和光電編碼器檢測到的信號實現相應的控制動作，限于篇幅不再贅述。

5 結束語

以P89LV51單片機和復雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心的折頁機總線控制系統(tǒng)，克服了基于PLC的折頁機掃描速度相對慢的缺點，滿足了高速折頁機實時性高的要求。該控制系統(tǒng)已用于上海紫宏機械有限公司背包式高速折頁機的系統(tǒng)，本系統(tǒng)做適當的軟件修改也可應用于其他型號的折頁機系統(tǒng)。

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