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服装机械的单片机控制实例


中国缝制设备网 2010-10-13 23:22:10 点击: 次  发表评论

服装机械控制器比较 

    服装机械从全手动、全气动、简单电气控制、微处理器控制,发展到PLC乃至高级的专用工业计算机的过程,历时50多年,但电脑技术普及应用在服装机械控制上却只有10多年的时间。

 

    单片机是最小的微型处理器,从早期的1位机、4位机和主流8位机发展到今天的16位机、32位机,整体性能已经达到相当高的技术水平。 

    单片机在几个平方毫米的硅片上集成了完整的微处理器和很多外围功能,价格便宜,支持的开发软件和开发工具有很多,使得单片机在工业控制和家用电器等领域得到广泛应用。 

    服装机械上的自动控制功能,绝大部分可以用单片机来实现。批量生产时,单片机的价格优势尤为突出。与传统的PLC(可编程控制器)相比,若需完成同样的功能,单片机的硬件成本通常只占PLC的10%左右。 

    既然价格相差这么大,为什么还有很多人选择PLC而不选用单片机呢?原因是控制器的选型不仅仅看硬件价格,还与软件开发费用、新产品进入市场的速度以及产品的升级维护、品牌效应等有关。 

    PLC一般都由大公司研发制造,技术成熟,能提供完善的配套服务(供应商或代理商可免费为客户编写简单的程序),标准化程度高,产品研发人员不需要研究复杂的硬件、控制器的原理和结构以及整体可靠性等技术问题,只要熟悉应用的生产工艺和过程,了解梯形图,或者具备基本的电工原理就可上手设计。当今市场产品开发周期越来越短,市场竞争日趋激烈,若要在短时间内推出新品抢占市场,PLC无疑是首选方案。当然,这里包含了PLC制造商的利润和代理公司的利润,最终用户的成本相对较高,在形成批量生产时需要对产品成本构成作理性分析。 

    单片机入门容易,但要做出成熟的产品也不易。有道是:失之毫厘,谬以千里。设计人员除了要有合理的整体构思、熟练的软件编写和调试能力外,还必须擅长解决所有的硬件设计和制作工艺问题。开发一个单片机控制器的周期相对应用PLC来说要花费更多的时间,要完善一个自主设计的产品,往往需要经过反复测试,不断改进,才能投入批量生产。 

    服装机械的自动控制技术相对比较简单,应用单片机技术可以大幅度提升设备的自动化程度,所增加的硬件成本却微乎其微,这也是单片机在服装机械自动控制领域应用广泛的原因之一。 

    控制器的资源配置 

    根据设备的实际需要,配置最合适的控制器,是衡量电气工程师对产品理解能力的重要指标。 

西服生产过程中的中间定型工序功能比较简单。为提高生产效率,厂家希望操作工能在一个工作台的熨烫过程的同时对另外一个工作台进行处理,即一个操作工管理两个工作台,可以让生产过程不间断。为了把工人的劳动强度降到最低,笔者设计了一台双头压烫机。本文以这台双头压烫机的控制器的设计过程为例,阐述如何用最小的成本实现最合理的功能。 

    一台全自动的蒸烫机包含显示屏、操作键盘、编程锁、存储器、微处理器、输出驱动、电源电路等所有软、硬件模块。一个微处理器管理一台机器的技术较为成熟,但要同时管理2台机器需重新对所有资源作全盘分析。 

    分析认为:原批量生产的8位机技术成熟,其运行速度和拥有的资源(比如I/O口线)也能满足2台设备同时运行。2个工作台可以共用一套存储器、显示屏、键盘以及电源和安全保护电路。只需要把I/O口合理分配,软件分时运行,便可实现一个控制器管理2个工作台的目标。本案的硬件采用成熟的MCS51系列,选择了性价比较高的STC89C51RC芯片,除了基本的资源外,还自带独立的看门狗、EEPROM和扩展的XDATA,配上输出驱动电路可组成一个功能全、价格低、结构简单、适用于服装机械的控制器。 

    控制软件模块 

    控制程序分为键盘处理、显示、编辑、EEPROM读写、逻辑控制、急停保护、看门狗等几个模块。为节省硬件开支,未采用专门的时钟电路,用芯片内置的16位定时器产生中断,作为控制器的时间基准。主程序用等待方式实现固定时间周期的运行模式。

 

    本案例软件的主要工作量在于控制流程管理和显示程序。人机界面的硬件资源和软件容量往往占据了大部分的单片机系统。显示和键盘的设计直接影响硬件成本。服装机械通常采用时间顺序控制器,显示和允许用户设置、保存每个控制功能的时间关系、时间单位以及多个不需要电池保护的可擦写的程序和程序号等参数。 

    用3块标准的8X8LED点阵块拼接起来,可以做成8行24列适用于服装机械控制用的显示界面。串行扫描的显示方式的硬件部分较简单,相对来说软件部分稍复杂些。对低于25帧的扫描图像会引起显示闪烁。LED的显示熄灭速度非常快,达到每秒40帧时才感觉不到闪烁。8行分时扫描,设置每行扫描时间为2.5毫秒,则每帧耗时20毫秒,每秒刷新频率达到50Hz,完全感觉不到闪烁。让定时器产生2.5毫秒的中断信号作为本机运行的时间基准,其他需要定时的部分都在此基础上软件分频。用仿真软件模拟定时器,可以调整到一个微秒的精度。 

    显示程序放在中断里,要处理3个行信息、1个列信息,串行送出,费时一个多毫秒,几乎占用了总程序的一半时间。采用定周期的运行方式时,多余的时间进入等待,直到中断有效标志出现后再进入下一个循环,这样主程序中与时间相关的量都可以精确地定义。

 

    除了显示、读键,用12M晶体12分频方式时,剩下的时间有1 000多条指令可以执行,能满足一般的逻辑控制需求。少数耗时超过循环周期的程序,比如对EEPROM读写时要关闭中断,此时可能会出现短暂的显示闪烁,但仍在允许范围之内。为了特殊需要,比如执行加密、解密等程序,需要连续监视键盘操作时,干脆关闭显示。如果程序耗时可能超过看门狗的溢出时间,注意不能忘记喂狗。                          

    双头袋口压烫机程序各模块占用时间的比例用KEIL C的PERFORMANCE ANALYZER模拟功能可以看得很清楚。如果时钟采用6分频,或者用更高的晶振,WAIT(等待)函数的时间将加长,其他程序占用时间的比例将减少。等待期间程序不会响应外界的输入,有利于抗干扰(图1)。   

                                                                            图1 

    软件流程 

    双头袋口蒸烫机需要6个输入,8个输出,威士公司用于熨烫机械的最小系统有8进8出共16个I/O口,能满足需求。 

    机器上电、程序复位后完成一系列初始化操作,可以包含加密、解密、自诊断、安全保护检测等程序。如果通过了初始化程序后,就进入无限循环的操作程序。 

    显示、急停、定时、蜂鸣器等公共程序放在中断里。 

    主程序分为“自动运行状态”、“半自动运行状态”、“自动运行前逻辑判别”、“编辑状态”、“等待”等几个模块顺序执行,每个循环只执行一个状态的模块。

 

    运行状态中包括了对2个模具运动的顺序控制(图2)。  

                                                                            图2  软件流程图 

    结束语 

    上述的控制器功能比较简单。还有一些可选的功能可根据客户要求嵌入到主程序中,比如利用8X24的点阵LED屏幕显示4位十进制累积数,设备每完成一个周期累计数就自动加一,允许通过键盘按钮选择把累计数显示在屏幕上还是擦除在EEPROM中的累积数据。 

    某些用户会要求改变每一步的步长,也就是程序通过每一点耗费的时间,以使得适用范围更广,这可以利用程序号数码管的第二功能来显示和编辑每一步的时间长度。

 

    另外,有些用户会提出更复杂的工艺要求,比如模具定位功能、不同的功能执行不同的时间单位、液晶显示界面、扩展模拟量的信号处理等,由此衍生出一个简易系列产品。其整体结构还是8位单片机最小系统。 

    近几年,我国经济技术持续快速发展,低价劳动力的竞争优势已经一去不复返,尤其是需要一定技能的工作岗位已出现人才短缺的趋势,很多企业转为依靠技术进步、先进的机械装备来抵消对操作工人技能的依赖。操作工人不需要培训就能够根据设备上的图形提示,通过一二个按键来正确使用的“傻瓜型”的设备应运而生。日本同行在这方面的设计发挥到了极致,几乎找不到一个多余的零件,操作则非常简单,其直接效果就是对操作工人几乎没有技能的要求,提高了生产效率,降低了故障率。 

    最“傻瓜”的设备就是最“聪明”的设备,在设计的每一个环节都充分考虑到了安全、简便、容错、自动纠正等智能功能,这正是我国服装机械制造商须加倍努力的目标。 



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