（机械制造及其自动化专业论文）数字化折页机控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，国内外印刷行业处于快速发展阶段，企业和个人对印刷产品的 实时性和个性化的要求愈来愈高。为了满足这些需求，大量的前沿科学技术 被应用到印刷设备的设计和生产中。在上世纪9 0 年代，数家国外印刷工业 中的大公司连手推出了一种先进的印刷设备数字印刷机，并提出和制定 了事实上的国际数字化行业标准。从此，国外印刷行业逐步进入了数字化印 刷时代。但是，与国外印刷设备生产行业相比较，我国在印刷设备制造设计 方面还有很大的差距，目前生产的主流设备多为传统设备，尚没有数字化接 口功能，其产品在市场上受到了日益严峻的挑战。针对上述差距，我国政府 和国内主要印刷设备供应商积极应对，并投入巨资进行技术引进和自主研 发。本研究就是在以上背景下，开展了数字化折页机的研究，它是一种重要 的印后设备。 本论文着重就数字化折页机的控制电路包括网络接口和控制软件进行了 较深入的研究，取得了初步研究成果。 本文首先介绍了数字印刷的概念，并给出数字e p 席t j 设备的发展趋势。 在第二章中，介绍了折页机控制面板的设计与实现。它能够较好的适应 用户对其的要求，经现场使用反映较好。这章内容分硬件与软件两部分。 在第三章中，折页机规格预制的改造主要涉及两方面的内容：一是 p l c 通讯功能的实现，主要是p l c 通过2 3 2 与4 8 5 串口与其他设备通讯功 能的实现；另一个是测距功能的实现，主要对容栅传感器进行简要介绍。 数字印刷的主要特征就是它的网络化工作的能力，为此，在第四章本文 给出了基于微处理器的t c p i p 协议的网络接口的实现。这个网络接口经过 检验功能基本符合设计的要求。 最后，本文对折页机控制面板在现场调试时所遇到的问题进行了描述， 并对各个问题给出了解决方案。 关键词折页机；数字化印刷：因特网 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，u n d e rt h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ep r i n t i n g i n d u s t r y , t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h eo n l i n ea n ds p e c i f i c a l l yp u r p o s e dp r o d u c t sa r eg e t t i n gh i g h e r a n dh i g h e r t om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s ，ab u n c ho fs t a t e - o f - t h e a r tt e c h n i q u e sa r e a p p l i e di nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no ft h ep r i n t i n gm a c h i n e s d u r i n gt h el a s t d e c a d eo ft h el a s tc e n t u r y ，s e v e r a lb i gc o m p a n i e si nt h ep r i n t i n gi n d u s t r yo v e r s e a s h a dm a n u f a c t u r e dt h es o - c a l l e dd i g i t a l i z e dp r i n t i n ge q u i p m e n ta n da tt h es a m e t i m ec o n s t i t u t e dt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fd i g i t a l i z i n g s i n c et h e n ，t h e y s t e p p e di n t ot h ea g eo fd i g i t a l i z e dp r i n t i n g c o m p a r e dw i t ht h ep r i n t i n gi n d u s t r y o v e r s e a s ，t h ed o m e s t i cc o u n t e r p a r tl a g ss o m ed i s t a n c eb e h i n di nt h ed e s i g na n d f a b r i c a t i o no ft h ep r i n t i n ge q u i p m e n t s b e c a u s et h em a i n s t r e a mp r o d u c t sa r e m o s t l yo ft r a d i t i o n a ld e s i g nw i t h o u td i g i t a li n t e r f a c e s ，t h e ya r ee n c o u n t e r i n g m o r ea n dm o r e c h a l l e n g e so n t h ei n t e r n a t i o n a l m a r k e t s c o n s e q u e n t l y ，t h e g o v e r n m e n ta n dt h ed o m e s t i cp r o d u c e r sa r er e s p o n d i n ga c t i v e l yb yi m p r o v i n g p r o d u c t so nt h e i ro w na sw e l l a s i n t r o d u c i n gn e wt e c h n o l o g i e s u n d e rt h i s b a c k g r o u n d ，an e wk i n do fd i g i t a lf o l d o u tm a c h i n e ，w h i c hi sap r e d o m i n a n tk i n d o fp o s t p r e s se q u i p m e n t ，i si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ec o n t r o l l i n gc i r c u i to ft h ed i g i t a lf o l d o u tm a c h i n e 。i n c l u d i n gt h en e t w o r k i n t e r f a c ea sw e l la st h ec o n t r o l l i n gs o f t w a r e ，a r ea c c e n t u a t e da n dp r e l i m i n a r y r e s u l t sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i r s to fa 1 1 t h ec o n c e p to fd i g i t a lp r i n t i n gi si n t r o d u c e da n dt h et r e n do f d e v e l o p m e n to fd i g i t a lp r i n t i n ge q u i p m e n t si sd i s c u s s e d i nc h a p t e rt w o ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n t r o lp a n e lo ft h e f o l d o u tm a c h i n ea r ed e s c r i b e d t h e yc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ec u s t o m e r s a n dh a v eb e e ne f f i c i e n t l yp u ti n t ou s e t h i sc h a p t e ri sc o m p o s e do ft h ec o n t e n to f h a r d w a r ea n dt h a to fs o f l w a r e i nc h a p t e rt h r e e ，t w 0a s p e c t sc o n c e r n i n gt h em o d i f i c a t i o no ft h ef o l d o u tm a c h i n ef o rp r e f a b r i c a t e d s p e c i f i c a t i o n a r ec o n s i d e r e d ：o n ei st h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no fp l c ， i n v o l v i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo f4 8 5a n d 2 3 2w i t ht h eo t h e rc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s ；t h eo t h e ri s t h ef u n c t i o no f r a n g i n g ，w h i c hi sr e a l i z e db yt h ec a p a c i t i v et r a n s d u c e r t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co fd i g i t a l p r i n t i n g i st h ef u n c t i o no fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n h e n c e ，t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo ft c p i pp r o t o c o lb a s e d o nm c ui ss t u d i e di nf o u r t hc h a p t e r t h i sn e t w o r ki n t e r f a c eh a sa c h i e v e dt h e t t a tl a s t ，t h ep r o b l e m so c c u r r e di nt h ef i e l de x p e r i m e t n sa r ed e s c r i b e da n d p o s s i b l es e t t l i n gs c h e m e sa r ep r o p o s e d k e y w o r d s f o l d o u tm a c h i n e ；d i g i t a lp r i n t i n g ；n e t w o r ki n t e r f a c e i i i - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：起望整日期：塑妄曼，触 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垫望壑导师签名；盈毳坦扫期：鉴：篁：斗 驴 1 1 选题的背景及意义 第1 章绪论 随着科学技术的不断发展，在印刷行业，更快、更好、更低价格的印刷 服务现成为印刷客户的要求。人们都希望在较低费用或不增加成本的情况下 就能完成高速、高质的装订加工。今天市场需求处于多样化，大批量的活逐 渐减少，多品种，小数量，即时服务的印刷品在增加，这种以满足客户不同 需求的品种多、数量少、内容与格式不断变化的印刷品的印刷叫个性化印 刷；而以大批量印刷为目的传统的印刷工业已不再满足印刷品多样化的要 求。为了满足这个需求，大量的前沿技术应用到印刷装置的设计中，数字印 刷的概念就是为此提出的。“数字化印刷工厂”是今天泛网络时代印刷业界 的共同目标。数字印刷的目的是印前、印刷、印后的一体化协作，意为印 前、印刷、印后的统一。数字化和网络化是现在印刷技术发展的两个基础和 主题，它已经贯穿整个印刷行业，正在构筑一种全新的生产环境和技术环 境。数字印刷是印刷技术数字化和网络化发展的一个新生事物，也是当今印 刷技术发展的一个焦点。 数字印刷是2 0 世纪9 0 年代发展的一项高新印刷技术，随着数字印刷的概 念的提出，印后设备的发展将面临更多的挑战。未来的印后加工过程将要在 计算机控制下，采用印前、印刷及印后综合利用的c i p 4 ( 印前、印刷、印后 加工) 一体化工业标准，以网络化连接到全数字化的生产流程系统中。为实 现这个目标要发展以数字化的方法控制整个生产流程的软件及接口。下面， 以折页机为例加以说明，见图1 1 所示。所谓的折页机是在印刷工业中装订阶 段使用的一种机械装置，它的作用是将已印制好的印刷品纸张按照一定方式 折叠成所需要的规格。在折页过程中，从取纸到折纸以及自动将合格品分堆 处理，都有专门的执行机构和电气控制措施，机器能够自动的按照以设定的 参数调整工作状态，使整个生产过程只需要很少的工人参与即可，这样大大 的提高了工作效率，降低了生产成本。这些只是自动化技术在折页机上的应 用，操作者只需要调整几个按钮就可以控制折页的参数。传统的折页机是以 大批量折叠为目的，并不适应现在的小批量的个性化印刷；数字化折页机的 目标是可以通过因特网实现对折页机的访问，操作者可以通过网络获知机器 的工作状态，甚至可以远程控制折页机的工作，这样可以更快、更好的实现 按需印刷的需求。 图1 1 折贞机 f i g l - 1f o l d o u tm a c h i n e 目前，国内有很多厂家生产折页机，由于各种原因有的折页机的工作状 态不稳定，抗干扰性不好。为了提高生产效率，减低操作难度，同时为了迎 接数字化生产的到来，在这样的背景下本文提出了研发数字化折页机的目 标，并取得了比较好的效果。本研究涉及的折页机的电气控制由人机对话面 板部分以及数字接口部分构成，数字化折页机工作原理如图l 一2 所示。 1 2 数字印刷简介 1 2 1 数字印刷的概念 数字印刷这新技术自1 9 9 5 年在d r u p a 展览会上展出后，在世界范 围内掀起了热潮，1 9 9 6 年5 月和2 0 0 1 年5 月在我国举办的第四五届北京国 际印刷技术展会上，国外公司展出了数字印刷机，引起了我国出版、印刷界 人士的极大关注。 数字印刷就是利用印前系统将图文信息直接通过网络传输到数字印刷机 上印刷出彩色印品的一种新型印刷技术。数字印刷系统是由印前系统、数字 印刷机及印后系统组成。其工作原理是，如图1 - 3 所示：操作者将原稿( 图 文数字信息) ，或数字媒体的数字信息，或从网络系统上接收的网络数字文 第1 苹绪论 件输出到计算机，在计算机上进行创意，修改、编排成为客户满意的数字化 信，经r i p 处理，成为相应的单色像素数字信号传至激光控制器，发射出相 应的激光束，对印刷滚筒进行扫描。由感光材料制成的印刷滚筒( 无印版) 经感光后形成可以吸附油墨或墨粉的图文然后转印到纸张等承印物上3 6 1 。 图1 2 数字化折页机工作原理 f i g l 一2t h ef u n c t i o no ff o l d o u tm a c h i n e 网络 h 印刷 d t p h i 广 广一 品书 数字 ) ) r i p h 数字印刷机h 装订h 裁切 ) ： y l 一i i l _ j 。 r杂志 媒体 卡片 图1 - 3 数字印刷系统 f i g l - 3t h ed i g i t a lp r i n t i n gp r e s ss y s t e m 从总体上讲，数字印刷系统的基本构成与传统的印刷系统是基本样 的，但它是一个全数字生产系统，有自己的特点。 ( 1 ) 数字印刷是一个完全数字化的生产系统，数字流程贯穿了整个生 产过程，从信息的输入一直到印刷直至装订输出。 ( 2 ) 数字印刷把印前、印刷和印后融为了一体，从系统控制的角度来 看它是一个无缝的全数字系统。数字印刷系统犹如一台“联合收割机”， 系统的入口( 即信息的输入) 是数字信息，系统的出口( 即信息的输出) 是 所需形态的信息产品，如印刷品、书、杂志等。数字信息的来源有很多，可 以是网络传输的数字文件或图像，印前系统传输的信息，也可以是其他数字 1 北京工业大学工学硕士学位论文 媒体，如光盘、光磁盘、硬盘等等携带的数字信息。而且，数字印刷的产品 种类也是多样化的，既可以是商业印刷品也可以是出版物、商标、卡片，甚 至包装印刷品( 个性化包装印刷) 覆盖了相当广泛的专业领域。数字印刷系 统的系统连接主要依赖两种方式，即网络和数字媒体。它是一个完整的印刷 生产系统，由控制中一心、数字印刷机、装订及裁切部分组成，所有操作和功 能都可根据需要进行预先设定然后由系统自动完成。 ( 3 ) 数字印刷具备按需生产能力，可以根据具体要求，生产制作顾客 需要的信息产品。 综上所述，数字印刷主要的特点就是它生产过程的按需性、及时性和可 变性。 1 2 2 数字印刷的发展方向 1 2 2 1 数字印刷的优点 从数字印刷投入工业化应用时算起，至今已有七年了，其发展得益于计 算机及印刷业的发展。 与传统印刷相比，数字印刷具有不可比拟的优势。传统印刷是通过直接 或间接方法，将图像或文字原稿制为印版，在版上涂以色料印墨，经加压将 色料、印墨转移到纸张或其他承印物上，再迅速大量复制的一种工业工程。 其工作流程由图1 4 所示，传统印刷针对的是大规模生产的市场。而数字印 刷针对的是个性化的按需生产市场，其工作流程如图l 一5 所示【2 】：它可以进 行任何时候、任何地点、任何印刷数量的印刷业务；彩色数码印刷系统可以 一张起印，实现可变数据的印刷，每一页上的图像或文字可以在一次印刷中 连续变化。具有更大的灵活性，占地面积更小，使用更方便等特点【1 2 1 6 2 2 1 图1 4 传统印刷工作流程图 f i g l - 4t r a d i t i o np r i n t i n gw o r kf l o wc h a r t d 第1 章绪论 数字印刷机与现在大量使用的打印机的工作流程相似，但他们之间的还 是有很大的差异： ( 1 ) 数字印刷机的印刷质量日渐成熟，已可以与一般传统胶印机印刷 的产品质量相媲美。而打印机在彩色等方面赶不上印刷机的质量。 ( 2 ) 输出大数量文档时，打印机的成本相对较高，耗材消耗量大。而 数字印刷机的印刷成本相同面积只有前者的几十分之一( 黑白) 或几分之一 ( 彩色) 。 ( 3 ) 数字印刷的印刷速度大于打印机的速度，且连续工作能力是打印 机望尘莫及的。 ( 4 ) 数字印刷机可以实现“一次通过、双面印刷”，而打印机一次只 能打印一面。 ( 5 ) 打印机所能打印的承印物种类比较有限。一般打印机只能适用于 规定的几种纸张打印，极个别可用于有特殊要求的胶片打印。而数字印刷机 的承印物则相对广泛。 图1 - 5 数字印刷工作流程图 f i g l 一5d i g i t a lp r i n t i n gw o r kf l o wc h a r t 1 2 2 2 数字印刷的未来 信息数字化、网络化使传统印刷出版业受到强有力的冲击，对现行印刷 出版的作业方式、观念和市场将产生重大影响，同时也给印刷出版业带来了 生机和活力，主要表现在以下五个方面”删： ( 1 ) 彩色桌面出版技术的推广和应用，使得印刷与出版业在传统分 工、功能、组织结构等方面发生重组。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 数字化技术在印刷出版业的逐步应用，使印刷厂逐步向媒体加工 厂展。今后的印刷厂，将不再是传统意义上的只接受传统原搞的印刷媒体加 工厂，而是能够接受多种电子文件或数字化信息的媒体加工厂。 ( 3 ) 数字化和网络化技术在出版业的应用，使传统的以印刷品为媒体 的出版向多媒体出版方向发展，所有的出版单位，都将成立多媒体出版部 门，以适应多媒体出版形式的要求。 ( 4 ) 网络出版技术的发展和应用将再一次导致传统印刷出版业的变 革，赋予出版业新的概念，使人人都可以成为一个出版者和发行者。电 视、广播等媒体的数字化将使电子出版与其融为一体，形成数字式的媒体 数据库。新技术的推广和应用，将促使电子、印刷、出版、影视、广播、 通讯等行业的兼并和重组。 ( 5 ) 我国印刷出版业数字化、网络化技术的应用程度与世界发达国家 相比有很大差距，在技术开发创新方面差距更大，主要设备和材料需要进 口，许多核心技术和大部分软件也是采用国外的。 数字印刷的市场定位在按需印刷和按需出版。按需印刷( p r i n to n d e m a n d ，简称p o d ) 的概念始于1 9 9 0 年。2 0 0 3 年i e e e 电子电气工程师协 会) 将本年度的“创新企业奖”颁发给了旄乐公司，以表彰其成功开发 d o c u t e c h 系列数码印刷设备，从而开创出产值高达3 0 0 亿美金的按需印刷 产业。据商业调查机构某著名公司统计，2 0 0 2 年按需印刷产业在美国就创 造了近4 0 0 0 亿印的市场，创造了近3 0 0 亿美元的产值。并且，施乐自 d o c u t e c h 问世以来，仅从该产品系列获得的营业收入就超过1 7 0 亿美元。 由此可见，实现按需印刷是未来数字印刷的发展的目标。未来的按需印刷厂 实现按需出版应该同时满足以下几方面的要求： ( 1 ) 在顾客需要的时间。 ( 2 ) 在顾客需要的地点。 ( 3 )印刷制作并提供顾客需要的印刷品出版物。 为了实现按需印刷，未来的印刷行业必将走向全面的数字化和网络化。 随着全球数字化技术不断的发展，数字化印刷厂不仅可以实现印前、印刷、 印后整个生产过程一体化全数字处理，而且还可以通过互联网实现远程传 第l 犟绪论 输，把印刷厂与出版社、广告公司、设备材料供应商等紧密联系起来，进行 远程打样、远程结算，将印刷厂的整个生产经营活动都纳入数字化之中 障”。目前，几乎世界上所有印刷机生产厂家都推出了新型的数字印刷机， 大致有五种方式：一是数字胶印方式；二是电子油墨转印方式；三是静电复 印墨粉转印方式；四是电子打印式喷墨方式；五是蜡纸刻印漏墨转印方式。 这说明数字印刷技术已完全成熟并广泛应用。目前数字印刷在全球的装机量 已达到2 0 0 0 多台。 数字印刷的优势是显而易见的。它可以通过互联网进行数据文件传输， 异地交付成品，实现根据发行目的地不同而进行印刷，减少运输成本。国际 印刷大企业纷纷看好数字印刷的前景，海德堡、爱克发、i b m 、施乐等公司 相继加盟数字印刷队伍，并推出自己的数字印刷机。而惠普公司收购印刷先 驱i n d i g o 后，即将推出一系列的数字印刷设备。这些产品将以先进的技 术、合理的价格、强大的性能，引领数字印刷新革命，推动数字印刷迈向快 速发展新时代1 1 2 3 数字印刷的标准 为了推动数字印刷的发展，在1 9 9 5 年多家产品供应商就提出了c i p 3 协议。所谓的c i p 即为：p r o c e s s e si np r e p r e s s ，p r e s sa n dp o s t p t e s s ，就是把所 有印刷工序都包含进来，形成一个完整的工作流程。印前生产阶段的全部信 息对于生产流程的下一阶段一一即印刷和后加工都有用，共享这些信息能够 减少工序的准备时间。把信息( 包括用于色彩控制装置和自动套准装置及折 页和裁切等设备的信息) 集中起来，再加上管理数据，活件名和页面号等使 其成为c i p 3 p p f 文件。p p f 即p r i n tp r o d u c t i o nf o r m m ，为一电脑数据协定 格式。印前接口对印刷生产格式数据( p p f ) 进行评判并送到印刷机，它被用 来预设定墨区、设定自动套准控制以及控制和调整印刷机。通过网络传递印 刷生产格式数据以便设定折页机和裁切机。为使不同工作平台有一个通用电 子化数据格式，沟通更直接，避免在数据转送及复制过程中产生之错误及时 间之浪费，由此而开发出一个概念一c i mc o m p u t e ri n t e g r a t e d p r i n t m a n a g e m e n t ) ，全电脑化整体管理【6 j 。 随着时间的推移，在2 0 0 0 年2 月，j d f ( j d f ：j o bd e f i n i t i o nf o r m a t ) 1 - 北京工业大学工学硕士学位论文 标准被发布。j d f 是由a d o b e 、爱克发、海德堡及曼罗兰开发的一项标准， 目的是要使活件的数据交换成为可能，包括从建立活件到分发。j d f 是把现 有的标准，如a d o b e 的可携带活件凭单格式( p o r t a b l ej o bt i c k e tf o r m a t ， 缩写为p j t f ) 、c i p 印刷生产格式( p r i n tp r o d u c t i o nf o r m a t ，缩写为p p f ) 及i f r a 和i f r a 曙a c k 集中在一起形成的。 2 0 0 2 年的德鲁巴展览之后，主要供应及开发商达成共同协定而产生 c i p 4 协定。c i p 4 把图文传播、印艺和相关产业的厂家、咨询公司和最终客 户紧密团结在一起，涵盖图文传播、印艺和相关产业中用到的设备、软体、 周边设备和工艺等。c i p 4 是下一代标准，它包含了c i p 3 的所有特性再加上 a d o b e 的标准文件格式一j d f 。c i p 4 是“印前、印刷及印后过程的集成化 国际合作”的缩写。目前所使用的电子文件只包含印刷信息。而c i p 4 中还 包含整个工作流程和在不同平台上的特性说明。这样做可以控制工艺变量， 提高质量。 1 2 4 数字印后装置的发展 按需加工已成为现在印后装置发展的目的。如今p o d 印刷商通常能在 2 4 小时内完成产品印刷，能够满足复杂的要求和自动化的问题，目前我国 印后加工的装置是比较落后的，自动化、连续化的技术和设备，在许多印刷 企业里尚未广泛应用。采用自动化和连续化的技术和设备就是要提高印后速 度、自控水平，提高自动化、连续化程度，缩短辅助时间，从而使印后加工 工序能同印前特别是印刷的高效率相适应，以适应市场多品种、高质量、短 周期的要求。 我国印后装置方砸与国际水平相比的主要差距是： ( 1 ) 速度低、辅助时间长。 ( 2 ) 自动化、联动化水平较低。 ( 3 ) 精度低、可靠性差。 ( 4 ) 控制系统比较落后，缺少质量自动检测装置。 ( 5 ) 成套性和适应性差。 未来的印后加工需要用计算机控制，必须和印前、印刷生产流程系统执 行统一标准一一c i p 4 ，它应该可以通过网络连接到全数字化的生产流程系 第1 章绪论 统中。为实现这个目标，要发展以数字化的方法控制整个生产流程的软件及 接口，将印后设备连接到整个生产系统中，这样就可与提供作业调度，跟踪 及工作指示的管理信息系统形成一个整体。这样就可保证整个工作流程( 从 分色到印后加工) 以一种对质量的可予见和依赖性方式运行。 目前共有四种印后加工工艺：联机加工、脱机加工、近机加工和最新引 入的双重加工。其中联机整合加工无疑是最先进的解决方案，无论是简装本 还是精装本，联机加工都可以针对每一种活件设计出相应的加工方法。装订 和捆扎是印刷中最大的问题，尽管联机加工可以避免印刷和印后的相互干 扰，但如果印刷单元出现故障，印后部分也就无法工作了。另外，大多数印 后整饰单元像折页机、包本机都具有很快的速度，很多技术人员发现联机加 工的生产效率是脱机方式的三倍。如果将联机和脱机方式组合在一起，这种 混合方式看上去是高效和实用的。并不是直接和印刷机相连，而是通过网络 将工作标准或数据传输给印刷设备，就像光学符号识读器( o m r ) 。近机加 工方式可以为活件提供自动的印后加工服务，将工序自动联系起来，从而提 高了数字化作业的效率，它同样可以将传统印刷和数字印刷相联合。双重加 工方式的名字来源于d u p l o 公司的书册装订系统，其将脱机方式和近机方式 有效联合，你只需一条书册装订加工线就可以完成任何印刷方式的要求。 由于印刷方式的不同，其印后加工方式也是多种多样的。因此，在印后 加工方面，必须把它的多样化充分反映和突出出来，所以，“多样”在印后加 工方面更为确切，更加符合实际。只有印后加工的多样化，才能为多种印刷 方式服务。 1 3 论文的主要工作 本论文详细介绍了数字化折页机的硬件与软件的设计与实现过程，具 体安排如下： ( 1 ) 第一章为绪论。阐述了选题的背景和意义，对数字印刷的基本概 念和目前发展的现状进行了简要介绍，给出了数字印刷的标准以及未来的 印后设备的发展的趋势。 ( 2 ) 第二章为主机面板控制的设计与实现。对控制面板的硬件模块还 北京工业大学工学硕士学位论文 有软件模块进行了分析论证，并给出了电路硬件的实现过程和软件模块的 实现过程。 ( 3 ) 第三章为p l c 电气改装的设计与实现。本章主要介绍了p l c 的 通讯协议；此外，本章还介绍了容栅传感器、触摸屏以及实现折页机规格 预制的硬件与软件设计。这个部分主要是通过p l c 对折页机进行规格预制 改造而做的先期准备。 ( 4 ) 第四章为通讯模块的设计与实现。本章主要介绍基于p i c l 8 f 4 5 2 单片机的以太网络接口的物理与软件的实现。 ( 5 ) 第五章介绍了折页机控制面板的使用方法及在现场调试所遇到 的问题。 篁! 耋堑圣墨堡塑里堡墼堡兰量塞銎 第2 章折页机控制面板的设计与实现 2 i 引言 现在印刷机械大多是按照人体工程学而设计的，控制面板是人机交流的 通道，因此控制面板的设计应该人性化。控制面板的设计分为硬件与软件， 硬件是面板工作的平台，它的性能决定了面板的工作方式；软件是面板工作 的保证，反应了人的逻辑思维。本章将从硬件与软件两方面对折页机控制面 板的设计与实现进行细致的分析。由于各种原因，折页机的控制面板共有3 个版本，本章将会进行对比介绍。 2 2 控制面板的硬件的设计与实现 2 _ 2 1 硬件工作原理 折页机是在印刷工业中装订阶段使用的一种机械装置，它的作用是将已 印制好的印刷品纸张按照一定方式折迭成所需要的规格。本研究涉及的折页 机的电气控制分为两部分：机械控制部分与人机对话面板部分。本章所介绍 的控制面板主要由数字电路组成，它要求电路的时序要正确和驱动能力要足 够，并且要避免将外部信号的干扰引进系统。控制面板的硬件原理图如图 2 1 所示，整套仪器由存储电路，键盘，微处理器，报警及显示电路构成。 本系统从p l c 处采集进纸信号和速度信号，并根据用户的事先设定的 工作参数( 如吸距、堆量、堆距) 来实现纸张的自动折迭与分堆，并可根据 用户需求可以实时显示不同的工作状态( 如当前速度、已完成工作量、及用 户设定的工作数据) 和实现通讯功能。此外，它可对工作速度、工作量进行 实时检测、显示，以及还有双张、堵纸的故障指示功能。 下面，为了便于理解，先介绍几个名词。吸距是指根据纸张大小调整控 制气泵的电磁阀接通关断时间，从而影响纸张的初始速度，使纸张在传输带 有一个合适的初始速度。堆量是指设定的每堆折好纸张的数量。堆距是指两 堆折好纸张之间的间距。 f i 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 1 系统组成框图 f i 9 2 - 1s y s t e mc o m p o s eb l o c kd i a g r a m 2 2 2 硬件各个功能部分的实现 2 2 2 1 单片机选型 元器件的选型是根据仪器的功能及性能要求提出来的。在进行单片机选 型时，应该充分考虑项目要求。本章所研制的控制面板，对单片机的基本要 求是： ( 1 ) 单片机要带有硬件看门狗。这是因为本系统的工作环境比较恶 劣，需要有看门狗，以免程序跑飞，造成生产事故。同时因为板子本身的 大小有限，不能使用过多的外部器件。所以要求单片机带有看门狗。 ( 2 )单片机本身要带有3 个定时器计数器。这是因为控制面板还要 同时测量当前机器的运行速度以及进行工作量统计，需要单片机有两个计 数器及一个定时器。 ( 3 ) 能够支持与外部信号有关的3 个输入口和1 个输出口。要求3 个 输入口中，至少有一个口具有中断功能。 ( 4 ) 能够支持1 5 个按键。这个可以通过数组扫描的方式来设计硬件 电路，只需要4 * 4 列就可以实现，只占用单片机的8 个i o 口。 ( 5 ) 能够支持至少5 个数码管，还有十多个l e d 。如果采用行列扫 描方式或者采用传统的驱动电路，将需要很多的i o 口。如果采用专门的电 路，则可节约很多的i o 口，只用3 个i o 口。 此外，项目要求控制面板能够实时保存用户设定的工作参数，并且在 系统掉电后数据不能丢失。这里有两种选择方案：一种方案是选择内部带 1 2 第2 章折页机控制面板的设计与实现 有可存储数据的f l a s h 内存或是e e r o m 内存的微处理器，这样可以简化 电路设计，但一般带有内部存储器的单片机价格都比较昂贵。另一种方案 就是选择一片非易失性r a m 或一片外接的e e r o m 。但这样做要增加系统 设计的复杂性，但这种方案没有第一种的方案的擦写次数的限制。由于本 控制面板要对工作完成量进行计数，其擦写次数比较频繁，所以采用了第 二种方案。 通过比较，最终选用了a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 5 w d8 位微处理器作为 控制管理单元。它不仅可以满足上述对定时器计数器要求；具有硬件看门 狗，可以增加系统的可靠性；同时它的货源比较丰富，价格也比较低，能够 降低成本。 2 2 2 2 显示部分的设计与实现 本系统在第1 、2 版硬件设计时需要有6 个8 位数码管以及多个l e d 指 示灯，而在第3 版硬件设计时则需要9 个数码管，1 0 个l e d 指示灯。如果 采用传统的数组扫描方式的话，由于扫描的速度不会很高，会造成数码管的 闪动现象，而且显示亮度也达不到用户的要求。通过试验发现采用通用的驱 动电路进行驱动，在进行计数显示时数码管的跳字特别严重。所以我们在设 计数码管与l e d 驱动电路时，采用了m a x i m 公司专门为驱动数码管与 l e d 而设计的芯片m a x 7 2 1 9 。其功能框图简图如图2 2 所示。 图2 - 2m a x 7 2 1 9 功能框图 f i 9 2 2m a x 7 2 1 9 f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m m a x 7 2 1 9 是串行输出共阴极显示驱动芯片，每片可以驱动8 个数码 北京i 业大学工学硕士学位论文 管，级联比较方便。该芯片有如下的特点： ( 1 ) 它有多个控制寄存器，通过对寄存器的设置可以改变l e d 的工 作模式。工作寄存器分别为：电源关闭模式寄存器、显示测试寄存器、数 字亮度控制其存器、扫描个数寄存器、不工作寄存器、译码方式寄存器。通 过设置工作寄存器，它可以自动扫描所有的l e d 与数码管，不会出现数码 管跳字的现象，这可以大大减轻单片机的负担，降低程序的编写难度。这一 点在需要大量实时驱动l e d 或数码管时非常有用。 ( 2 ) 它与单片机之间通讯只需要3 个根线就可以完成，分别是串行资 料线d i n ，串行时钟线c l k ，以及一根数据装载控制线l o a d 。只需要占 用单片3 个i o 口，可以简化硬件的设计。 ( 3 ) l e d 的显示亮度可以通过寄存器来控制，但最终的l e d 亮度则 是通过v + 和i s e t 之间的外部电阻来控制的。通常来自驱动器的峰值电流为 i s e t 的1 0 0 倍。在点亮8 个数码管时，该电阻的推荐值是9 5 3 千欧，但由于 在第三版设计中，本系统要点亮的数码管较多，所以将这个电阻值提高到 2 7 千欧。这样可以减小数码管的消耗功率，显示效果比较好。 ( 4 ) m a x 7 2 1 9 的级联比较方便。在第3 版硬件中由于要驱动9 个8 位数码管以及1 0 个l e d ，需要使用2 个m a x 7 2 1 9 进行级联来缓解i o 口 压力。m a x 7 2 1 9 级联工作的原理示意图如图2 - 3 所示。 图2 - 3m a x 7 2 1 9 级联示意图 f i 9 2 3m a x 7 2 1 9c a s c a d i n gs k e t c hm a p 第2 章折页机控制面板的设计与实现 将两片m a x 7 2 1 9 的c s 、c l k 以及l o a d 引脚分别并在一起，将第二 级的d i n 引脚与第一级的d o u t 引脚连接即可。图2 - 4 所展示的就是本章 所介绍的控制面板的显示电路的原理示意图。 图2 4 原理简图 f i 薛- 4p r i n c i p l ed i a g r a m 2 2 23 硬件其它功能的设计与实现 为了实现本章介绍的控制面板的功能，硬件设计还应该包括按键采集处 理部分，外部信号处理部分，输出信号部分，接口电路，通讯部分，存储部 分以及故障指示。 本控制面板需要处理的外部信号包括计数脉冲信号、速度脉冲信号以及 进纸同步信号。其中计数脉冲、速度采集信号需要分别接入单片机内部计数 器；进纸同步信号则要接到外部中断引脚上。 由于现场经常发生停电的情况，根据客户的需要对控制面板的工作参数 如完成工作量数据及用户设定参数进行断电保护处理。在第1 版硬件设计时 本系统采用的外接a t 2 4 c 3 2 芯片，它是采取1 2 c 总线的串行e e p r o m 。由 于在实际的工作环境下，它的读写速度较慢，同时又不能承受频繁的采写， 所在第2 版电路设计时将其换下。在第2 版和第3 版硬件设计中采用的是防 掉电的s r a m 用来存储重要数据。同时，为了防止s r a m 中的数据因为干 扰等因素被偷改，我们通过7 4 l s 0 2 来选通单片机的写有效，实践证明是非 常有效的。 15 北京工业大学工学硕士学位论文 本控制面板要驱动电磁阀。由于单片机的驱动能力有限，本设计部分采 用的是通过驱动固态继电器来驱动电磁阀的设计。 对于故障指示部分，在第1 版设计时是通过微处理器来控制的，在以后 的版本中为了节约i o 口，采用的是硬件指示的方法。 控制面板的接口将面板与控制电路连接起来，组成一个完整的仪器。 按键部分则采用的是矩阵扫描方式。 以上的功能模块的电路比较简单在这只是做一下解释，就不详细说明。 在第3 版硬件设计时应用户的要求，重新设计了与p l c 通讯的功能， 这个部分牵扯到p l c 的通讯协议的问题，将会在下面的章节进行论述。 22 2 4 面板的设计与实现 因为在面板上的电路比较简单，在这里就不赘述了。图2 5 是第1 版和 第2 版硬件设计的外观图。图2 - 6 是第3 版硬件设计的外观图。 图2 - 5 第1 版和第2 版的外观图 f i 9 2 - 5t h ea s p e c tv i e wo f t h ef i r s ta n ds e c o n de d i t i o n 图2 - 6 第3 版外观图 f i 9 2 - 6t h ea s p e c tv i e wo ft h et h i r de d i t i o n 1 6 - 第2 章折页机控制面板的设计与实现 2 3 软件的设计与实现 2 3 1 软件算法的设计 2 3 1 1 软件的需求分析 折页机的工作步骤如下：在开机后，将面板显示功能调至：速度显 示，将机器速度调至所需的大小，然后检查工作数据的设定值如果不需要改 动即可开始工作。根据折页机的工作方式，客户对控制面板的功能提出的要 求如下： ( 1 ) 可以手动输入堆量、吸距等工作状态量。 ( 2 ) 可以实时跟踪机器的运行速度。 ( 3 ) 可以实时计算工作完成量。 ( 4 ) 能够对故障进行监测并报警。 ( 5 ) 可以对工作状态进行显示。 ( 6 ) 能够记忆当前状态量的数据。 ( 7 )能够控制折页机气泵的打开。这是折页机控制面板必须要完成 的工作。微处理器通过采集外部的进纸信号，速度信号来控制气泵开启时 机和持续时间。 ( 8 ) 在第3 版设计时，用户希望面板可以通过4 8 5 串行通讯口与 p l c 通讯。 在对软件进行编写时，用户常常根据在实际工作中遇到的问题，要求对 软件进行功能上的完善和扩充，所以在编写软件之前，应该充分考虑到软件 的易于修改性和维护性。如果不考虑这一点，当用户提出对软件的功能进行 完善时，程序修改的工作是很大的，给后续工作造成很大的麻烦。 2 3 1 2 软件的结构分析与实现 通过分析程序结构有助于搞清软件的逻辑结构。根据用户提出的要 求，该控制面板工作主要由以下几种状态：参数设定、参数查询、计数处理 以及动作输出。用户希望该控制面板在开机状态下，能够实现各种状态的随 意切换。并且能够在任何时候都可咀读取、更改机器的工作状态参数，包括 在动作输出过程。在面板工作状态下，任何对机器工作状态的改变、读取都 。l7 北京工业大学工学硕士学位论