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近年來，隨著包裝行業的迅猛發展，凹版印刷因其具有的印品質感優良、層次豐富、承印幅面寬、承印材料廣泛等相比于其他印刷方式的獨特優勢，在國內外市場上的應用不斷增加，并且向著多功能、多色組的連線加工方向發展，其印刷速度已經達到300m/min乃至更高。作為凹版印刷的核心工藝流程之一，各印刷色組的色間干燥是指在印品進入下一印刷色組之前，前一印刷色組的墨層盡可能完全干燥及固化。干燥效果不佳會導致墨色疊印或堵版，而過度的干燥也會直接影響到印品質量。適度、快速的干燥在保證了印品質量的同時，既可以使得印刷過程中產生的毒害物質盡可能少地逸散，也對印刷速度的提高有極大的好處。因此，凹版印刷機各色組干燥過程的精確控制對凹版印刷機機的設計創新具有非常重要的意義。

無論凹版印刷機的加熱源是哪一種類，如電加熱、瓦斯加熱等，但其干燥過程控制系統始終是一個滯后系統，會受到多種不確定因素的影響，如：外界環境溫度、新鮮空氣的流量、風壓的變化等。在傳統工藝中，凹版印刷機的干燥系統雖然帶有內部溫度測量系統，但仍然需要通過人工手動調節熱源加熱檔位、加熱時間、風機轉速、風門大小的方式來實現干燥過程的控制。考慮到當代凹版印刷機色組數量多、各色組的溫度控制系統根據車間情況呈分布式布置，人工觀察各色組溫度狀態繼而手動調控的方式，存在效率低下、響應速度緩慢、抗干擾能力差等缺點，并且其干燥效果嚴重依賴于工人的經驗豐富程度，不能滿足工藝需求。文獻[2]采用PLC為控制核心，基于PID算法，以溫度為參量來調節鼓風機的轉速，控制閥門的開度以達到系統控制的要求，同時采用現場總線技術實現了多色組的智能控制。該方式存在成本高昂、系統復雜，且生產設備上無法直接觀察、控制系統溫度、風壓等參數的缺點。文獻[3]的改用雙單片機分別作為自動控制核心和人工觀察操作核心，降低了系統成本，同時兼顧了工人的現場操作。但其對象并非凹版印刷機，因此并未考慮多色組單元的統一智能控制。此外，上述兩篇文獻均僅以溫度為參量，以風機轉速或閥門開度為控制量，略顯不足。本論文設計的智能熱風系統，結合二者的優點，在實現了各色組單元干燥過程智能控制，并兼顧人工現場觀察和干預的需求的同時，還可以通過工控機實時監控所有色組單元的整體運行情況并加以調節。此外，還增加干燥系統內風壓為參量，增加加熱器檔位、風門開度為控制量。

1智能控制系統的整體設計

此智能控制系統由工控機和各色組獨立的干燥控制模塊構成，各色組的干燥控制模塊與工控機之間由485總線進行簡單而穩定的連接，實現生產現場數據及工控機控制命令的可靠傳輸。對單個色組的控制模塊而言，以一塊單片機為控制核心，采用PID控制算法對干燥箱的加熱器檔位、鼓風機轉速、風門開度進行調節，最終實現整個干燥過程的智能控制；以另一塊單片機作為人機交互核心，用于滿足生產現場人工直接觀察、調節干燥箱工作狀態的需求。圖1為此智能控制系統的整體結構框圖。系統中的工控機通過485總線向各色組下發預設參數，并設定相應的控制模式。主控單片機通過相應的信號采集模塊獲知凹版印刷機當前的工作狀態，采用PID算法得出相應的控制信號，進而通過控制電路模塊實現對加熱器檔位、鼓風機轉速、風門開度等參數的動態智能控制，以達到干燥過程的最優化。此外，憑借系統的人機交互模塊，相關人員也可以在生產現場直接觀察并調節干燥過程中的參數和控制模式。人機交互核心會將相應的參數調整傳輸到主控核心并即時存儲、執行，然后將相應的變動上傳到工控機。

2硬件設計

在上述系統整體框架描述中，硬件設計的主要模塊包括信號采集模塊、主控核心模塊、控制電路模塊、人機交互核心模塊。

2.1信號采集模塊設計此智能控制系統的采集的信號包括4mA～20mA的4路模擬信號（LEL爆炸下限、溫度、進風口及排風口風壓），0～10V的3路模擬信號（風門開度），8路數字信號（風門行程開關、變頻器狀態）。來自前段傳感器及其他設備的模擬量信號，經調理后，通過高精度的AD芯片轉換為數字信號，再同其他直接采樣獲得的數字信號一起經光耦隔離接入后續的主控核心模塊。信號采集模塊的電路圖如圖2所示。通過對生產過程中各類型的全面采集，可使得系統更充分地掌握干燥箱的工作狀態，進而獲得更優的控制策略。系統采用8通道、10位精度的MAX11620作為模數轉換芯片，既滿足了多通道采樣、高精度的同時，也合理地控制了設備成本。

2.2主控核心模塊設計主控核心所采用的單片機為STC11F32XE，除常規單片機具備的基本配置外，它擁有32k的flash程序存儲器、1280字節的RAM、29k的EEPROM、5組共計40個I/O口、2組UART串行通信口，同時還具備獨立的波特率發生器。該芯片既符合低成本的原則，同時也滿足了低功耗、大內存、抗干擾方面的要求。此智能控制系統采樣信號眾多，但該芯片具有的40個I/O口在滿足基本需求的同時還留有一定的裕量，可以于其他擴展。2組UART串行通信口分別用于單片機程序的下載，以及與工控機之間的通訊，極大地方便了軟件調試和工程實踐運用。29k的EEPROM，用于存儲用于區別各色組單元的編碼，以及工控機下發、人工直接設定的控制參數，或者是生產過程中產生的高重要性的數據，保障了生產過程的安全穩定運行和重要數據的安全可靠存儲。主控核心模塊電路圖如圖3所示。

2.3控制電路模塊設計主控核心模塊產生的相應控制命令，經光耦后，分為兩類分別交由相應的控制電路去驅動相關設備。一類控制命令，經由處理放大后，直接以24V數字量的形式輸出，用于控制加熱器檔位、風門電源開關等；另一類控制命令，經高精度的DA芯片轉換為0～5V模擬量后，用于控制風門開度、鼓風機轉速等。控制電路模塊的電路圖如圖3所示。

2.4人機交互核心模塊設計人機交互核心模塊主要由顯示模塊、按鍵模塊，以及與主控核心的通訊構成。人機交互核心模塊的電路圖如圖4所示。顯示模塊由4組4位8段共陰數碼管組成，分別用來顯示LEL、溫度、風壓、風門開度。需要注意的是當LEL值超限，系統將通過所有數碼管同時閃爍的方式實現報警功能。4組數碼管的段選線相應地并聯在一起與單片機的P0口連接，而各自的位選線經由4-16譯碼器（74HC154）與單片機的5個I/O口連接，從而通過使用單片機的13個I/O口，以動態掃描的形式實現各組數碼管的正常顯示。按鍵模塊共設計有五個按鍵，功能分別為：切換、數碼管選擇/設置內容選擇、翻頁/確認、空/加一和空/減一。切換鍵用于人工觀察和人工設置模式之間的切換，分別對應后續四個按鍵的不同功能。在人工觀察模式，“數碼管選擇”按鍵用于選擇“翻頁”按鍵對應的數碼管，“翻頁”按鍵用于調整數碼管當前顯示的內容。在人工設置模式，使用“設置內容選擇”鍵選擇希望設定的參數項目，通過“加一”和“減一”鍵設定好具體值，最后按下“確認”鍵即可保存設定并退出到切換回人工觀察模式。人機交互核心的單片機與主控核心的單片機之間的通訊，通過兩者之間的10個I/O直接相連來實現。其中，主控核心的P1口與人機交互核心的P0口相連，用于8位數據的并行傳輸；主控核心的P3.5腳和INT0腳分別與人機交互核心的INT0腳和P3.3腳連接，用于控制兩塊單片機之間數據的發送和接收。

3軟件設計

此智能控制系統由雙單片機實現對整個干燥過程的控制。主控核心單片機的任務是從信號采集模塊接收并處理溫度、風壓、風門開度、變頻機狀態等各類信號，將相關狀態信號傳遞至人機交互核心，接收來自工控機或人機交互核心的數據和命令，執行PID算法，產生并向控制電路模塊發出控制命令。主控核心與工控機之間通過485總線通訊，具體參數為：9600bit/s，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無校驗位。人機交互核心單片機的任務是從主控核心接收相關狀態信號并顯示，接收控制鍵盤輸入的數據和命令并向主控核心傳遞。軟件設計總體思路圖如圖5所示。

3.1主控核心單片機程序設計系統啟動后，主控單片機執行I/O口初始化、常量定義、全局變量聲明、串行通訊初始化等一系列初始化操作，再行從EEPROM中讀取此前存儲的相關控制參數預設值，然后進入信號采集、數據發送、數據接收、PID程序、產生控制命令的循環階段，直到接收到來自工控機或者是人機交互核心的新的設定參數。此時，系統將重新讀取新的設定參數并以此開始新的控制循環。主控核心的程序流程圖如圖6所示。

3.2人機交互核心單片機程序設計系統啟動后，人機交互核心單片機將接收主控單片機采集到的各類參數值并將其顯示在數碼管上，同時將按鍵輸入的新的參數設定值發送給主控單片機。當人機交互核心單片機檢測到主控單片機采集到的LEL值超過限度，將直接報警。其程序流程圖如圖7所示。

4結論

依照本文的所述的方法設計的凹版印刷機干燥箱智能控制系統，全方位地考慮了干燥過程中的各類影響因素并能精確地、智能地加以控制。實驗樣機如圖8所示。經過工廠實際調試，此智能控制系統能夠極好地控制凹版印刷機的干燥過程，降低了生產過程對工人經驗的嚴重依賴。同時，該設計使用雙單片機作為單個色組的控制和交互核心，配合485總線和工控機的總體協調，在滿足低成本、高可靠性、智能化要求的情況下，也兼顧了生產現場人工直接觀察和調節干燥過程的需求，有利于凹版印刷機行業在保證生產質量和安全穩定性的基礎上，向著智能化的方向發展。

作者：唐凡森 周箭 呂征宇 單位：浙江大學 電氣工程學院