朱林祥

（上海紫光機械有限公司，上海201114）

傳統(tǒng)的柔版印刷機在發(fā)生按鈕、接觸器、電位器或電線斷路等常見故障時，只能停機待修。由于無法及時維修，有時會對用戶產生一系列較嚴重的后果，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行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在印刷機產生的電器故障中96%以上都是這類小故障，但對用戶造成的后果卻較為嚴重。此時若印刷機上有一套應急驅動系統(tǒng)，就能跳開這些故障，使機器進入應急驅動模式運行，猶如電腦無法啟動時可先進入“安全模式”啟動一樣。雖然同類印刷機中沒有這種先例，但實現(xiàn)該法的技術手段有很多是成熟的，如串口的通信技術、PLC和變頻器的通信接口技術等。通過多次試驗，首次在柔版印刷機上設計了一套新型的應急驅動系統(tǒng)，發(fā)生故障時可立即打開觸摸屏畫面切換到應急驅動系統(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動操作。

1 應急驅動系統(tǒng)設計原理

應急驅動系統(tǒng)的控制程序屬于整機主程序的一部分，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動器的狀態(tài)。通過PLC向主變頻驅動器發(fā)送ASCII碼來實現(xiàn)，運行有關應急驅動系統(tǒng)子程序，該編程固化在PLC中，是整機主程序的一部分。

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主變頻驅動器及11kW變頻電動機；FX 3UPLC及FX 3 URS 485通訊板；Proface觸摸屏。

圖1為應急驅動系統(tǒng)電氣原理圖［1］。

圖1 應急驅動系統(tǒng)的電氣原理圖

如圖1所示，柔性版印刷機電氣系統(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40；該柔性版印刷機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40連接的主機風扇50，包括可編程控制器1（即PLC1），且該PLC1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還設有復位繼電器KC17和啟動繼電器KC18。

復位繼電器KC17的線圈31與PLC1輸出口Y36連接，復位繼電器KC17的開關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的產品。本應急驅動系統(tǒng)的工作原理如下：在PLC1中固化應急驅動程序，通過通訊板2向主變頻控制器30以ASC II碼的數(shù)據格式傳輸數(shù)據，從而實現(xiàn)對印刷機的應急驅動控制［1］。

1.2 系統(tǒng)器件說明及應用

現(xiàn)對采用的電器元件進行簡要的功能的介紹。

標號1，可編程序控制器簡稱PLC，F(xiàn)X3U－64MR。該款產品CPU對基本指令的處理可達0.065μs，對應用指令的處理可達0.642μs，高速計數(shù)器的功能可達單相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），機器主程序及應急驅動系統(tǒng)的通信程序都固化在主PLC中運行，包括在機器故障時切換到對印刷機的主變頻控制器應急驅動控制等。

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

標號10，第一濾波器（輸入濾波器）。變頻器在運行時會產生高次諧波的干擾，變頻器高次諧波的對外干擾分為直接傳導、感應傳導、輻射傳導3種。變頻器中三相交流電壓經二極管整流和電容濾波后產生的電流內含有很多奇次諧波成分，并影響到電網，在變頻器內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，消除電網中的諧波，防止其進入變頻器，因此，避免了電網中的諧波損傷變頻器。

標號20，第二濾波器（輸出濾波器），防止變頻器產生的高次諧波進入負載，引起負載的震動、過熱、絕緣老化等問題。

標號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，用于對主電機的控制。它具有柔性PWM低噪音控制，內置RS－485通信口，并可支持各種常用的現(xiàn)場總線，它的PU端口是在機器故障時主PLC切換到應急驅動系統(tǒng)并通過和主PLC上的RS－485接口通信板進行聯(lián)接的通信數(shù)據傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

標號31，控制繼電器線圈。對應急驅動系統(tǒng)進行復位控制的線圈。

標號32，控制繼電器觸點。對應急驅動系統(tǒng)進行復位控制的線圈觸點。

標號41，控制繼電器線圈。對應急驅動系統(tǒng)進行切換控制的線圈。

標號42，控制繼電器觸點。對應急驅動系統(tǒng)進行切換控制的線圈觸點。

標號40，變頻調速三相異步電動機。它在5～50Hz內是恒轉矩調速，50～100Hz內是恒功率調速。

標號50，變頻電動機上的冷卻風機。1臺三相380V風機，對主電機進行風冷降溫。

1.3 人機操作界面及控制流程圖

圖2為應急驅動系統(tǒng)人機操作畫面。

圖2 人機操作界面

當柔版印刷機在正常印刷時，如印刷機產生各類驅動故障（PLC1、主變頻控制器30和主電機40未故障的前提下），可啟動本柔性版印刷機應急驅動系統(tǒng)，即立即打開觸摸畫面按下測試切換觸摸鍵使系統(tǒng)切換到應急驅動系統(tǒng)模式，使印刷機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，讓機器正常運行。

圖3為柔版印刷機電氣系統(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置

2.1 PLC程序編制

在用戶切換到應急驅動系統(tǒng)時PLC與變頻驅動器的RS－485數(shù)據傳輸以ASCII碼的數(shù)據格式，傳輸通訊信號發(fā)送→站號→指令代碼→數(shù)據內容→檢驗碼。

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

b0＝1數(shù)據長度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中的應急驅動系統(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 應急驅動系統(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 應急驅動系統(tǒng)主變頻器運行及加減速程序

它包含了在人機界面上進行機器點動、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)據的串行發(fā)送、ASC II碼轉換及求校驗碼、點動運行的公用程序，從而使程序變得簡單。

2.1.4 由人機界面切換至應急驅動系統(tǒng)的程序

2.2 應急驅動系統(tǒng)中數(shù)據傳輸?shù)闹饕夹g

在設備間發(fā)送和接收數(shù)據一般采用接口連接設備的方法，以及根據設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。在應急驅動系統(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生共模干擾，故抗噪聲干擾性弱，當比特率提高其抗干擾的能力會呈倍數(shù)下降。

由于在應急驅動系統(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動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力較強。故以該系統(tǒng)采用了RS－485串行接口技術。

2.2.1 應急驅動系統(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)據到達接收端時的時間不一致，尤其長距離傳輸需要較粗導線來降低信號的衰減，使用較麻煩。

（2）串行傳輸。串行傳輸時，在設備間發(fā)送和接收數(shù)據只需建立一條通信線路來依次發(fā)送位數(shù)據。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種方法進行數(shù)據通訊傳輸。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。字符同步它可以同時傳輸一個包含許多字符的“數(shù)據塊”，只需在每個數(shù)據塊前面設置通信雙方共同規(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置標志符號，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。工業(yè)應用的同步傳輸，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)據字節(jié)長度、序列號、幀類型等）和檢測錯誤位及結束位等組成。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)據傳輸和大的數(shù)據塊傳輸應用中更廣泛。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)據采用異步方式傳輸，但每個位數(shù)據仍需同步，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，表示該字符已經開始；當數(shù)據傳輸完畢后，設置一個奇偶校驗位進行奇偶校驗；最后設置停止位，表示該字符已經結束，完成數(shù)據的通信。為此，異步傳輸又稱為起止同步。異步傳輸方法結構簡單，頻率飄移不累積，實時性強、靈活性好，在低速通信中用的較多［3］。本應急驅動系統(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 應急驅動系統(tǒng)中的通信接口和通信結構

一般來說數(shù)據通信設備之間建立通信必須有通信接口，通信設備之間通信結構有3種型態(tài)：單工通信、雙工通信、半雙工通信。

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

（2）雙工通信。雙工通信方式指兩臺通信設備既可以發(fā)送數(shù)據，也可以接收數(shù)據，如果發(fā)送和接收數(shù)據可同時進行，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構有關的通信方式，還可表示通信軟件使用的雙工參數(shù)數(shù)據。

（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），不能同時進行收發(fā)的操作，相應的通信線路雖然可在兩個方向傳送數(shù)據，但在某一時刻只能在一個方向傳送數(shù)據，這種通信稱為半雙工通信。應急驅動系統(tǒng)中就采用RS－485接口的半雙工通信。

在應急驅動系統(tǒng)中使用的RS－485通信接口是一種標準電氣接口電路，采用平衡驅動差分接收電路，為減少共模干擾，收、發(fā)不共地，RS－485收、發(fā)分時進行屬半雙工型。接口電路相當于兩個單端驅動器，輸入同一信號時其輸出是反相的，當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］。在這套應急驅動系統(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（人機界面／PLC）給主變頻器的傳輸數(shù)據即可對主變頻器進行點動、運行、故障復位等控制［5］。

2.3 主變頻驅動器通信參數(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，應急驅動系統(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 設置主變頻通訊參數(shù)（三菱FR－A 740）

應急驅動系統(tǒng)使用的是串行通信異步傳送，目前用于異步傳送的標準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)議的方式進行數(shù)據交換。除對主變頻器設置主參數(shù)外，還須對PU接口通信設置通信參數(shù)。應急驅動系統(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)多臺變頻器設定變頻器站號，可以設置0～31。應急驅動系統(tǒng)是1∶1對接通訊故主變頻站號為0。

pr118／192PU通訊速率，任何設定值都要乘以100，設定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，不進行通訊檢測。

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

pr124／0PU通訊有無CR／LF選擇，設定0表示無CR和LF。

pr342／0－EPROM／1－RAM 通過通訊寫入參數(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 語

目前，該應急驅動系統(tǒng)已作為標準配制在YR254窄幅系列柔版印刷機上，該系統(tǒng)硬件只在原機的基礎上增加RS－485通信接口板，軟件采用了嵌入在原主機程序中的編程方法，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)重點是改進接口編程使之能推廣至全系列柔版印刷機上。

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

［2］陳國呈.PWM變頻調速及軟開關電力變換技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［3］何衍慶，黎 冰，黃海燕.可編程控制器編程語言及應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［4］施光林，劉 利.可編程序控制器通訊與網絡［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［5］李方園.變頻器自動化工程實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［6］蘇 中，李興城，等.基于PC架構的可編程序控制器［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.