基于OMRON系统的印刷机整体解决方案

摘要：本文就某印刷机械生产厂家印刷机目前存在的问题，提出了基于OMRON系统的印刷机整体解决方案，并详细的分析了原系统的缺点和改造后的系统的优点。实践证明，印刷机采用OMRON系统改造后稳定可靠，成本低廉，先进实用，具有极高的市场推广价值！关键词：可编程控制器（PLC），变频器，伺服系统，触摸屏，旋转编码器，无协议通讯，功能块等。1.引言 票据印刷机是印刷机行业中一种常用的机型，对机器的控制精度，伺服的响应时间都有很高的要求，以前主要靠进口，成本投资比较大。近年来，随着可编程控制器（PLC）在通讯功能和高速计数以及脉冲输出功能的日益完善，性能日益提升，使得PLC＋伺服＋变频器＋触摸屏组成的整个系统在印刷机上应用成为可能。国内众多的厂家都相继开发出各自的票据印刷机械，繁荣了国内的印刷机市场，有力的抵制了国外品牌的入侵，巩固了国产印刷机的市场地位，并在性能上日益得到完善。烟台某印刷机械生产厂家委托上海某厂家开发的基于西门子S7-200可编程控制器＋松下伺服＋海泰克触摸屏＋台安变频器的系统解决方案以其低廉的成本，稳定的系统配置赢得了客户的青睐，取得了良好的业绩，但也存在诸多的问题，如系统调试周期时间长，印刷速度低，改变转速必须停机断电等缺陷，在此不一一细表，后文有叙。应客户要求，经过本人分析探讨，最后确立了基于OMRON系统的整体解决方案，以减少和改进原系统的缺陷，提升机器的性能。2.控制过程及存在问题2.1 原先票据印刷机的控制过程 原先票据印刷机的控制过程是这样的：由一台主电机拖动印刷机的两个滚筒（两个滚筒可印刷两种颜色）单方向旋转，主电机采用变频器进行宽范围调速，主电机轴上装有旋转编码器用来测算主轴电机的速度；由一个电磁铁来控制滚筒的离压和合压。在合压情况下，滚筒压紧票据进行印刷；采用伺服控制进给纸速度，以便使伺服电机的线速度和主轴电机的线速度保持一致，由于是两个滚筒，它们之间可能存在速度上的差别，所以采用两套伺服。当伺服电机的速度大于主轴电机的速度时，合压后将会在滚筒和伺服电机之间堆纸，当伺服电机的速度小于主轴电机的速度时，合压后纸张将被扯断，以上两种情况在系统正常工作过程中都是不允许的，即伺服电机的速度必须保持和主轴电机高度一致。系统工作之前首先启动变频器，待变频器速度稳定后按下印刷按钮，伺服电机开始旋转，此时合压电磁阀不合压，等旋转编码器的第一个Z相信号到来，立即合压，开始印刷。印刷过程如下：首先在触摸屏上设定纸张的尺寸，在每一个Z相信号到来之后，伺服立即正向旋转设定尺寸＋2英寸的距离，随后反向旋转2英寸，以保证纸张长度和张力平衡。要想停机，按下停止按钮，本张纸走完立即停止伺服电机的运转。 此外还要求：一、即使在走纸过程中突然停电，来电后要能继续走完这张纸。二、由于是印刷机械，对印刷精度要求很高，两张纸的印刷起点必须一致，即PLC必须用中断来控制伺服系统，否则可导致两张纸的印刷起点不同，原因是PLC循环扫描时间造成的。三、系统还要求能在走纸过程中（伺服系统运转中）能实现纸张的前后移动，即稍微变化一下纸张的位置，以使印刷更完美。选择伺服系统电机的线数：由于印刷的纸张可以设定为浮点数，单位是英寸，为保证精度，必须固定伺服系统，即固定伺服系统的每转给定脉冲数，通过比较判断，我确定伺服系统每转脉冲数为4000个，原因如下：因为伺服系统每转是4英寸，0.001英寸则是1个脉冲，所以在每转设定4000个脉冲时，系统能精确到0.001英寸，如设定为0.0005，则每进给一张纸差0.5个脉冲，会严重影响纸张的印刷精度，走纸越多差别越大。如设定每转脉冲为10000，虽可以更精确，但PLC需要更高的脉冲输出频率。由于固定了伺服系统的线数，要想提高系统的速度，只能提高PLC脉冲输出的频率，否则纸张设定精度就会变低，这是不允许的。 整个系统要有手动、自动、点动以及报警功能，要便于维护，触摸屏界面要求美观实用。2.2 西门子S7-200 PLC主要存在的问题 原先采用西门子S7-200 PLC主要存在以下问题：（1）S7-200 PLC脉冲输出速率低，最大频率不到30kHz，使得印刷机的效率低，每小时只能达到五六千张。而且因为西门子PLC速度太低，导致伺服系统不能有更高的分辨率（松下伺服为每转2000个脉冲），导致纸张印刷精度只有0.005，比改造后系统的最高设定纸张精度差了5倍。（2）在正常印刷过程中，调整变频器速度必须首先停机，再改变变频器的速度，然后断电重新上电后方可正常运行。（3）系统速度计算误差较大，使得单机调试时间拉长，影响设备的出厂时间。（4）停机不够人性化，即停机之前印刷的那一张因为可能没有进给完成造成纸张废掉。3.改造选型 接手这个项目后，立即展开工作，在分析了原系统的特点并且为以后升级留下一定的余地的前提下，决定选用OMRON高性价比的CP1H-X40CDT机型。该PLC配备了40个I/O点，其中24输入，16点输出，拥有2路双向100kHz的高速计数器输入，2路双向30KHZ的高速计数器输入，4路双向100kHz的高速脉冲输出，不仅能满足当前伺服电机的要求，还为以后四色印刷机的开发留下了足够的空间，使后续开发工作变得简单。 （1）确立了PLC的型号后，根据主轴电机的要求选择伺服系统，比较了多家的伺服系统，最后选择了OMRON的SMARTSTEP W伺服系统。该伺服系统简便易调，特别是在线自动调整功能，方便调试，而且最重要的是启动时间短，响应快。 （2）主轴电机由于需要调速，而且是三相异步电动机，从节能和可靠及经济性说只能通过变频调速，选用OMRON的3G3MV系列1.5kW变频器。该变频器具有通讯功能，支持OMRON的功能块和MODBUS-RTU功能，具有PID调节功能，性价比比较高。 （3）印刷机原先用按钮指示灯和触摸屏进行操作，直观性差，不美观，应用户要求，我们为其配备了OMRON的NT5Z的黑白触摸屏作为人机界面。这样，基于OMRON的PLC（CP1H）＋伺服（W）＋触摸屏（NT5Z）＋变频器（3G3MV）的整个系统解决方案出台。4.系统特点 OMRON的这个系统解决方案克服了西门子S7-200的上述缺点： （1）OMRONPLC的脉冲输出速率达到100kHz，速度是西门子S7-200的10倍，完全满足了用户提速的要求，极大的提高了印刷机的速度; （2）OMRON的变频调速是用PLC功能块通过通讯做的，不需要停机后再开机，因而解决了上述的第二个问题。也可以通过MODBUS-RTU功能，亦可方便的进行通信; （3）整个系统全部采用OMRON的控制产品，调试简便,硬件和软件的兼容性好; （4）OMRON PLC的高速计数器当前值的读取是直接读取的，在程序中直接利用高速计数器PV中断编程，来控制纸张的进给，完全可以准确定位并在按下停机按钮后走完最后一张再停机，使设计更加人性化; （5）在线纸张自动调整功能的实现。因为整个走纸过程是先正转，并且多转2英寸，所以可以通过减少反转的脉冲个数实现在线位置调整，每次反转后，都把反转尺寸重新设定会原值。5.系统结构、电路图及编程 （1）系统利用CP1H作为主控制器，CP1H上面安装两个通讯接口，一个是RS232,另一个是RS485,PLC通过232端口与触摸屏进行通讯，通过485与变频器进行通讯，PLC上还有一个USB接口，用作编程和监控用，PLC的脉冲输出直接给伺服驱动器，控制伺服电机。整个系统结构如下图1：（2）地址分配 地址分配如附表所示，电路图省略。 说明：程序中用到三路高速计数器，高速计数器0用来测量主轴的速度，高速计数器1用来测量主轴的Z相信号并产生中断的，高速计数器2用来显示主轴的位置，用来调整机械滚筒的位置，为厂家用。其他文章中没有介绍的信号和输出为一般开关量，比较简单，不再进行描述。附表 地址分配表 （3）PLC编程 PLC编程包括：速度转换、功能块通讯、PLC端口的设置：PLC端口1设为NT link、以便与触摸屏通讯，端口2设为串行通讯，以与变频器通讯。图2示出PLC编程界面，图3示出速度转换梯形图，图4示出通讯梯形图。[align=center] [/align] 触摸屏画面采用中英文操作，以便向国外出口。画面如图5、6所示（部分）：中文主画面（见图5），英文主画面（见图6）。其中“正调”和“负调”是微调，按一下转动一个脉冲的位置，“点动正转”和“点动反转”是手动状态的点动操作，按下“单周”伺服将进给一张纸，另外按下“图文行进向前”或“图文行进向后”则伺服正转或反转100个脉冲的位置。6.调试概要 印刷机调试主要是进给纸速度调试以及触摸屏各种显示信息的调试，理论上计算的速度并不一定完全适合现实生产，因而需要对速度进行现场调节，以便使机器达到最佳性能。PLC方面的主要调试是功能块的通讯，使其能够满足实时性的要求。7.结束语 实践证明：采用OMRONPLC+触摸屏＋伺服系统＋变频器的印刷机系统解决方案是完全可行的，该方案造价低廉，系统稳定可靠，界面美观友好，功能齐全，通过触摸屏的操作即可在生产过程中加减速，以及查看报警，便于维护设备，因而增加了系统的灵活性，该系统开发成功后，受到了客户的一致好评，具有较大的市场推广价值。参考文献[1]OMRON CP1H编程手册[2] OMRON CP1H操作手册[3]OMRON 3G3MV使用手册[4]OMRON SMARTSTEP W操作手册[5]OMRON NT5Z操作手册[6]OMRON NT5Z编程手册