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基于OMRON系統的印刷機整體解決方案
孫洪名
摘要：本文就某印刷機械生產廠家印刷機目前存在的問題，提出了基于OMRON系統的印刷機整體解決方案，并詳細的分析了原系統的缺點和改造后的系統的優點。實踐證明，印刷機采用OMRON系統改造后穩定可靠，成本低廉，先進實用，具有極高的市場推廣價值！
關鍵詞：可編程控制器（PLC），變頻器，伺服系統，觸摸屏，旋轉編碼器，無協議通訊，功能塊等。
1.引言
票據印刷機是印刷機行業中一種常用的機型，對機器的控制精度，伺服的響應時間都有很高的要求，以前主要靠進口，成本投資比較大。近年來，隨著可編程控制器（PLC）在通訊功能和高速計數以及脈沖輸出功能的日益完善，性能日益提升，使得PLC＋伺服＋變頻器＋觸摸屏組成的整個系統在印刷機上應用成為可能。國內眾多的廠家都相繼開發出各自的票據印刷機械，繁榮了國內的印刷機市場，有力的抵制了國外品牌的入侵，鞏固了國產印刷機的市場地位，并在性能上日益得到完善。煙臺某印刷機械生產廠家委托上海某廠家開發的基于西門子S7-200可編程控制器＋松下伺服＋海泰克觸摸屏＋臺安變頻器的系統解決方案以其低廉的成本，穩定的系統配置贏得了客戶的青睞，取得了良好的業績，但也存在諸多的問題，如系統調試周期時間長，印刷速度低，改變轉速必須停機斷電等缺陷，在此不一一細表，后文有敘。應客戶要求，經過本人分析探討，最后確立了基于OMRON系統的整體解決方案，以減少和改進原系統的缺陷，提升機器的性能。
2.控制過程及存在問題
2.1 原先票據印刷機的控制過程
原先票據印刷機的控制過程是這樣的：由一臺主電機拖動印刷機的兩個滾筒（兩個滾筒可印刷兩種顏色）單方向旋轉，主電機采用變頻器進行寬范圍調速，主電機軸上裝有旋轉編碼器用來測算主軸電機的速度；由一個電磁鐵來控制滾筒的離壓和合壓。在合壓情況下，滾筒壓緊票據進行印刷；采用伺服控制進給紙速度，以便使伺服電機的線速度和主軸電機的線速度保持一致，由于是兩個滾筒，它們之間可能存在速度上的差別，所以采用兩套伺服。當伺服電機的速度大于主軸電機的速度時，合壓后將會在滾筒和伺服電機之間堆紙，當伺服電機的速度小于主軸電機的速度時，合壓后紙張將被扯斷，以上兩種情況在系統正常工作過程中都是不允許的，即伺服電機的速度必須保持和主軸電機高度一致。系統工作之前首先啟動變頻器，待變頻器速度穩定后按下印刷按鈕，伺服電機開始旋轉，此時合壓電磁閥不合壓，等旋轉編碼器的第一個Z相信號到來，立即合壓，開始印刷。印刷過程如下：首先在觸摸屏上設定紙張的尺寸，在每一個Z相信號到來之后，伺服立即正向旋轉設定尺寸＋英寸的距離，隨后反向旋轉2英寸，以保證紙張長度和張力平衡。要想停機，按下停止按鈕，本張紙走完立即停止伺服電機的運轉。
此外還要求：一、即使在走紙過程中突然停電，來電后要能繼續走完這張紙。二、由于是印刷機械，對印刷精度要求很高，兩張紙的印刷起點必須一致，即PLC必須用中斷來控制伺服系統，否則可導致兩張紙的印刷起點不同，原因是PLC循環掃描時間造成的。三、系統還要求能在走紙過程中（伺服系統運轉中）能實現紙張的前后移動，即稍微變化一下紙張的位置，以使印刷更完美。
選擇伺服系統電機的線數：由于印刷的紙張可以設定為浮點數，單位是英寸，為保證精度，必須固定伺服系統，即固定伺服系統的每轉給定脈沖數，通過比較判斷，我確定伺服系統每轉脈沖數為4000個，原因如下：因為伺服系統每轉是4英寸，0.001英寸則是1個脈沖，所以在每轉設定4000個脈沖時，系統能精確到0.001英寸，如設定為0.0005，則每進給一張紙差0.5個脈沖，會嚴重影響紙張的印刷精度，走紙越多差別越大。如設定每轉脈沖為10000，雖可以更精確，但PLC需要更高的脈沖輸出頻率。由于固定了伺服系統的線數，要想提高系統的速度，只能提高PLC脈沖輸出的頻率，否則紙張設定精度就會變低，這是不允許的。
整個系統要有手動、自動、點動以及報警功能，要便于維護，觸摸屏界面要求美觀實用。
2.2 西門子S7-200 PLC主要存在的問題
原先采用西門子S7-200 PLC主要存在以下問題：
(1)S7-200 PLC脈沖輸出速率低，最大頻率不到30kHz，使得印刷機的效率低，每小時只能達到五六千張。而且因為西門子PLC速度太低，導致伺服系統不能有更高的分辨率（松下伺服為每轉2000個脈沖），導致紙張印刷精度只有0.005，比改造后系統的最高設定紙張精度差了5倍。
(2)在正常印刷過程中，調整變頻器速度必須首先停機，再改變變頻器的速度，然后斷電重新上電后方可正常運行。
(3)系統速度計算誤差較大，使得單機調試時間拉長，影響設備的出廠時間。
(4)停機不夠人性化，即停機之前印刷的那一張因為可能沒有進給完成造成紙張廢掉。
3.改造選型
接手這個項目后，立即展開工作，在分析了原系統的特點并且為以后升級留下一定的余地的前提下，決定選用OMRON高性價比的CP1H-X40CDT機型。該PLC配備了40個I/O點，其中24輸入，16點輸出，擁有2路雙向100kHz的高速計數器輸入，2路雙向30KHZ的高速計數器輸入，4路雙向100kHz的高速脈沖輸出，不僅能滿足當前伺服電機的要求，還為以后四色印刷機的開發留下了足夠的空間，使后續開發工作變得簡單。
(1)確立了PLC的型號后，根據主軸電機的要求選擇伺服系統，比較了多家的伺服系統，最后選擇了OMRON的SMARTSTEP W伺服系統。該伺服系統簡便易調，特別是在線自動調整功能，方便調試，而且最重要的是啟動時間短，響應快。
(2)主軸電機由于需要調速，而且是三相異步電動機，從節能和可靠及經濟性說只能通過變頻調速，選用OMRON的3G3MV系列1.5kW變頻器。該變頻器具有通訊功能，支持OMRON的功能塊和MODBUS-RTU功能，具有PID調節功能，性價比比較高。
(3)印刷機原先用按鈕指示燈和觸摸屏進行操作，直觀性差，不美觀，應用戶要求，我們為其配備了OMRON的NT5Z的黑白觸摸屏作為人機界面。
這樣，基于OMRON的PLC（CP1H）＋伺服(W)＋觸摸屏（NT5Z）＋變頻器(3G3MV)的整個系統解決方案出臺。
4.系統特點
OMRON的這個系統解決方案克服了西門子S7-200的上述缺點：
(1)OMRONPLC的脈沖輸出速率達到100kHz，速度是西門子S7-200的10倍，完全滿足了用戶提速的要求，極大的提高了印刷機的速度;
(2)OMRON的變頻調速是用PLC功能塊通過通訊做的，不需要停機后再開機，因而解決了上述的第二個問題。也可以通過MODBUS-RTU功能，亦可方便的進行通信;
(3)整個系統全部采用OMRON的控制產品，調試簡便,硬件和軟件的兼容性好;
(4)OMRON PLC的高速計數器當前值的讀取是直接讀取的，在程序中直接利用高速計數器PV中斷編程，來控制紙張的進給，完全可以準確定位并在按下停機按鈕后走完最后一張再停機，使設計更加人性化;
(5)在線紙張自動調整功能的實現。因為整個走紙過程是先正轉，并且多轉2英寸，所以可以通過減少反轉的脈沖個數實現在線位置調整，每次反轉后，都把反轉尺寸重新設定會原值。
5.系統結構、電路圖及編程
(1)系統利用CP1H作為主控制器，CP1H上面安裝兩個通訊接口，一個是RS232,另一個是RS485,PLC通過232端口與觸摸屏進行通訊，通過485與變頻器進行通訊，PLC上還有一個USB接口，用作編程和監控用，PLC的脈沖輸出直接給伺服驅動器，控制伺服電機。整個系統結構如下圖1：
圖1 整個系統結構
(2)地址分配
地址分配如附表所示，電路圖省略。
說明：程序中用到三路高速計數器，高速計數器0用來測量主軸的速度，高速計數器1用來測量主軸的Z相信號并產生中斷的，高速計數器2用來顯示主軸的位置，用來調整機械滾筒的位置，為廠家用。其他文章中沒有介紹的信號和輸出為一般開關量，比較簡單，不再進行描述。
附表 地址分配表
(2)PLC編程
PLC編程包括：速度轉換、功能塊通訊、PLC端口的設置：PLC端口1設為NT LINK、以便與觸摸屏通訊，端口2設為串行通訊，以與變頻器通訊。
圖2示出PLC編程界面，圖3示出速度轉換梯形圖，圖4示出通訊梯形圖。
圖2 PLC編程界面
 圖3 速度轉換梯形圖
圖4 功能塊通訊梯形圖
觸摸屏畫面采用中英文操作，以便向國外出口。畫面如圖5、6所示（部分）：中文主畫面(見圖5)，英文主畫面(見圖6)。其中“正調”和“負調”是微調，按一下轉動一個脈沖的位置，點動正轉”和“點動反轉”是手動狀態的點動操作，按下“單周”伺服將進給一張紙，另外按下“圖文行進向前”或“圖文行進向后”則伺服正轉或反轉100個脈沖的位置。
圖5 中文主畫面
圖6 英文主畫面
6.調試概要
印刷機調試主要是進給紙速度調試以及觸摸屏各種顯示信息的調試，理論上計算的速度并不一定完全適合現實生產，因而需要對速度進行現場調節，以便使機器達到最佳性能。PLC方面的主要調試是功能塊的通訊，使其能夠滿足實時性的要求。
7.結束語
實踐證明：采用OMRONPLC+觸摸屏＋伺服系統＋變頻器的印刷機系統解決方案是完全可行的，該方案造價低廉，系統穩定可靠，界面美觀友好，功能齊全，通過觸摸屏的操作即可在生產過程中加減速，以及查看報警，便于維護設備，因而增加了系統的靈活性，該系統開發成功后，受到了客戶的一致好評，具有較大的市場推廣價值。
參考文獻
[1]OMRON CP1H編程手冊
[2] OMRON CP1H操作手冊
[3]OMRON 3G3MV使用手冊
[4]OMRON SMARTSTEP W操作手冊
[5]OMRON NT5Z操作手冊
[6]OMRON NT5Z編程手冊
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