西门子6ES7222-1HF22-0XA8功能参数

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模切机的工作原理是利用钢、钢线（或钢板雕刻成的模版），通过压印版施加一定的压力，将印品或纸板轧切成一定形状。若是将整个印品压切成单个图形产品称作模切；若是利用钢线在印品上压出痕迹或者留下弯折的槽痕称作压痕；如果利用阴阳两块模板，在印品表面压印出具有立体效果的图案称为凸凹压印，以上可以统称为模切技术。

    印刷开槽模切机就是模切机的其中一种，它将多色印刷，开槽压痕，模切成形的功能集于一身，用于纸品包装行业中的商标、纸盒、贺卡等的模切、压痕和冷压凸作业，是包装加工成型的重要设备。

    一般模型

    印刷开槽模切机一般由以下几个部分组成，

    （1）送纸部：电控部分采用PLC、触摸屏和变频器。操作员可在触摸屏设定纸张的长、宽等相关数据，调整前挡板、侧挡板的位置，使得后续的各部定位准确，取得良好的印刷、模切效果。

    （2）印刷部：由多个单色印刷部组成，均采用PLC与触摸屏控制。彩色原稿经过电子分色制版成反面图像，然后通过印刷机进行印刷，将水墨从印刷机网纹辊上转移到印刷版上，再将水墨从印刷版上转移到瓦楞纸板上。通过套色、叠色得到正面的图像，实现原稿样箱的复制。在触摸屏上可以调整印刷位置，印压滚筒的深度等。

    （3）开槽部：对印刷好的纸板进行压线开槽的工序。各的位置通过触控画面可调。

    （4）模切部：模切的相位可通过触摸屏调整设定，由PLC程序控制，配合高速脉冲计数，取得精准的开模效果。

    技术难点

    由印刷开槽模切机具备的功能来看，它对所采用的PLC提出了以下的挑战。

    （1）位置检测比较多，位置信号是通过编码器给PLC的，因此对PLC的高速计数器的数量有要求。如送纸部有6个编码器，印刷部各站有8个编码器，开槽部和模切部各有7个。虽然反馈脉冲的频率不高，但一般计数器是无法胜任的。

    （2）各站之间需要作数据通讯，如各站的故障信息，位置参数与当前值，生产参数，互锁信号等等。这些数据的收发，有的是主站与从站之间的，也有的是从站与从站之间的。因此通讯部分的控制程序设计是一个难点。

    （3）各个站都需要控制变频器，一般用通讯方式控制。因此对通讯口的数量有要求。

    （4）程序量较大。

    主要有三种类型的MPPT算法：扰动-观察法、电导增量法和恒定电压法。前两种方法通常称为“爬山”法，因为它们基于如下事实：在MPP的左侧，曲线呈上升趋势(dP/dV>0)，而在MPP右侧，曲线下降(dP/dV<0)。

    扰动-观察(P＆O)法是*常用的。该算法按给定方向扰动工作电压并采样dP/dV。如果dP/dV为正，算法就“明白”它刚才是在朝着MPP调整电压。然后，它将一直朝这个方向调整电压，直到dP/dV变负。

    P＆O算法很容易实现，但在稳态运行中，它们有时会在MPP附近产生振荡。而且它们的响应速度也慢，甚至在迅速变化的气候条件下还有可能把方向搞反。

    电导增量(INC)法使用光伏阵列的电导增量dI/dV来计算dP/dV的正负。INC能比P＆O更准确地跟踪迅速变化的光辐照状况。但与P&O一样，它也可能产生振荡并被迅速变化的大气条件所“蒙骗”。其另一个缺点是，增加的复杂性会延长计算时间并降低采样频率。

    第三种方法“恒压法”则基于如下事实：一般来说，VMPP/VOC≈0.76。该方法的问题来源于它需要瞬间把光伏阵列的电流调为0以测量阵列的开路电压。然后，再将阵列的工作电压设置为该测定值的76％。但在阵列断开期间，可用能量被浪费掉了。人们还发现，虽然开路电压的76％是个很好的近似值，但也并非总是与MPP一致。

    由于没有一个MPPT算法可以成功地满足所有常见的使用环境要求，许多设计工程师会让系统先*估环境条件再选择*适合当时环境条件的算法。事实上，有许多MPPT算法可用，太阳能面板制造商提供他们自己算法的情况也屡见不鲜。

    对廉价控制器来说，除了MCU本份的正常控制功能外，执行MPPT算法绝非易事，该算法需要这些控制器具有高超的计算能力。诸如德州仪器C2000平台系列的先进32位实时微控制器就适合于各种太阳能应用。

    电源逆变器

    使用单个逆变器有许多好处，其中*突出的是简单和。采用MPPT算法和其它技术提高了单逆变器系统的效率，但这只是在一定程度上。根据应用的不同，单个逆变器拓扑的缺点会很明显。*突出的是可靠性问题：只要这个逆变器发生故障，那么在该逆变器被修好或更换前，所有面板产生的能量都浪费掉了。

    即使逆变器工作正常，单逆变器拓扑也可能对系统效率产生负面影响。在大多数情况下，为达到*率，每个太阳能电池板都有不同的控制要求。决定各面板效率的因素有：面板内所含光伏电池组件的制造差异、不同的环境温度、阴影和方位造成的不同光照强度(接收到的太阳原始能量)。

    与整个系统使用一个逆变器相比，为系统内每个太阳能电池板都配备一个微型逆变器会再次提升整个系统的转换效率。微型逆变器拓扑的主要好处是，即便其中一个逆变器出现故障，能量转换仍能进行。

    采用微型逆变器的其它好处包括能够利用高分辨率PWM调整每个太阳能板的转换参数。由于云朵、阴影和背阴会改变每个面板的输出，为每个面板配备独有的微型逆变器就允许系统适应不断变化的负载情况。这为各面板及整个系统都提供了*佳转换效率。

    微型逆变器架构要求每个面板都有一个专用MCU来管理能源转换。不过，这些附加的MCU也可被用来改善系统和面板的监测。

    例如，大型的太阳能发电场就受益于面板间的通信以帮助保持负载平衡并允许系统管理员事先计划有多少能量可用，以及用这些能量做什么。不过，为充分利用系统监测的好处，MCU必须集成片上通信外围设备(CAN、SPI、UART等)以便简化与太阳能阵列内其它微型逆变器的接口。

    在许多应用中，使用微型逆变器拓扑可以显着提高系统整体效率。在面板级，效率有望提升30％。但由于各应用差异很大，系统级改善的“平均”百分比并没多大意义。

    应用分析

    当*估微型变频器在具体应用中的价值时，应从几个方面考虑拓扑结构。

    在小型应用中，各面板有可能面临基本相同的光照、温度和阴影等条件。因此，微型逆变器在提升效率方面作用有限。

    为使各面板工作在不同电压以获得*高能效，要求采用DC/DC转换器使各面板的输出电压统一于储能蓄电池的工作电压。为尽可能降低制造成本，可把DC/DC转换器和逆变器设计成一个模块。用于本地电源线路或连接配电网的DC/AC转换器也可被整合进该模块。

    太阳能面板必须要互相通信，这会增加导线和复杂性。这是对在模块中包含进逆变器、DC/DC转换器和太阳能电池板的另一个争论点。

    每个逆变器的MCU仍然必须有足够能力来运行多个MPPT算法以适应不同的操作环境。

    采用多个MCU会加大整体系统的材料成本。

    每当考虑改变架构时都会关注其成本。为满足系统的价格目标，为每个面板都配备一个控制器意味着该控制器的成本必须要有竞争力、外形较小，但仍能同时处理所有的控制、通信和计算任务。

    片上集成恰当的控制外设以及高模拟集成度是保证系统的两个基本要素。为执行针对优化转换、系统监控和能量存储各环节中的效率所开发出的算法，高性能也是必需的。

    使用除可满足微型逆变器本身要求之外，还可处理包括AC/DC转换、DC/DC转换以及面板间通讯等整个系统大部分要求的MCU，可以减少因使用多个MCU所导致的成本增加。

    MCU特性

    仔细权衡这些高层次要求是确定MCU需要哪些功能的*好方法。例如，当并联面板时需要负载平衡控制。所选MCU必须能检测负载电流以及能通过开/关输出MOSFET升高或降低输出电压。这需要一个高速片上ADC来采样电压和电流。

    微型逆变器设计没有“一成不变”的模式。这意味着设计者必须有能力和创新精神采用新技巧、新技术，特别是在面板间和系统间的通信方面。*合适的MCU应支持各种协议，包括一些平常不会想到的如电力线通讯(PLC)和控制器局域网(CAN)等。特别是电力线通讯，因不再需专门的通信线路，所以可降低系统成本。但这需要MCU内置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU。

    对于针对太阳能逆变器应用所设计的MCU，一个意想不到但极具价值的特性是双片上振荡器，它们可用于时钟故障以提高可靠性。能够同时运行两个系统时钟的能力也有助于减少太阳能电池板安装时出现的问题。

    由于在太阳能微型逆变器设计中凝聚了如此多的创新，对MCU来说，其*重要的特性也许就是软件编程能力了。该特性使得在电源电路设计和控制中拥有*高的灵活性。

    C2000微控制器配备了可处理算法运算的先进数字运算处理内核以及用于能量转换控制的片上外设集，已广泛应用于传统的太阳能电池板逆变器拓扑中。新推出的Piccolo系列C2000系列微控制器是经济款，该系列的*小封装只有38个引脚，但其架构更先进、外设也得到增强，从而可把32位实时控制的好处带给要求低总体系统成本的微型逆变器等应用。

    此外，PiccoloMCU系列的各款产品都集成了两个用于时钟比较的片上10MHz振荡器，以及带上电复位和掉电保护的片上VREG、多个高分辨率150ps的PWM、一个12位4.6兆次采样/秒的ADC以及I2C(PMBus)、CAN、SPI和UART等通信协议接口。图3显示了一个与基于微型逆变器的光伏系统一起使用的计算机系统配置。

    图3：面向基于微逆变器PV的系统的MCU系统包含CPU、存储器、电源及时钟、外设。

    性能是微型逆变器的关键特性。尽管Piccolo系列器件相比其它C2000MCU产品尺寸更小、价格更低，但其功能却有提升，例如它具有可为CPU分担处理复杂高速控制算法的可编程浮点控制律(CLA)，从而使CPU无需处理I/O和反馈回路，在闭环应用中，可使性能提高5倍。

    光伏电池的挑战

    基于太阳能发电系统的缺点之一是转换效率。太阳能电池板能从每100mm2的光伏电池获取约1mW的平均电能。典型效率约为10％。光伏电源的功率系数(即在阳光一直照射的条件下，太阳能电池实际产生的平均电能与理论上可产生的电能之比)约为15％至20％。有多种原因导致这一，包括阳光本身的变化，如夜间完全消失，以及即使在白天，阴影和天气条件也常常导致光照减少。

    光电转换为效率计算引入了更多变数，包括太阳能电池板的温度及其理论峰值效率。对设计工程师来说，另一个问题是光伏电池产生的电压约有0.5V不规则变化。当选择能量转换拓扑时，这种变化会带来严重影响。例如，对低效的能量转换技术来说，它有可能消耗掉所采集到的很大一部分光伏电能。

    为适应太阳不是全天24小时都照射这一事实，太阳能供电系统要包含电池以及给电池充电所需的复杂电子器件。当电池被集成到系统中时，电池充电需要额外的DC/DC转换电路，同时还需要电池管理和监控。

    许多由太阳能供电的系统还与电网对接，从而要求相位同步和功率因数校正。还有许多需要复杂控制的使用环境。例如，必须内置故障预警机制以防范公共电网的停掉电等事件。这些仅仅是设计工程师必须要考虑的头等大事。

其中上位机主要根据控制规律进行计算、处理、逻辑判断和存储，实现转台控制的集中监控、综合管理，主要实现系统实时在线综合管理、性能检测、安全保护及监控管理以及数据采集与处理功能。在转台系统运行过程中，上位机完成转台系统性能参数的图形显示、数据处理，得出系统工作所必需的指令和参数。由于工业控制计算机抗震性和抗干扰能力强,工作可靠性高，目前被广泛用于现场数据采集处理及伺服系统的上位计算机。本系统采用研华工控机作为上位机，集中控制多套伺服系统。
下位机是转台控制系统的直接控制级，构成转台内、中、外框三个独立的伺服控制回路。下位机完成伺服控制系统的数据采集与处理、控制律的实施并实现与上位机实时通信。本系统中下位机由PMAC充当，PMAC控制卡通过标准总线与上位机相联，码盘等测速或测角机构通过PMAC上的DD接口传递位置、速度等信息，经PMAC处理，并按上位机给出的控制要求通过PMAC上的DA接口输出合适的电平信号控制转台上的电机运动，从而构成控制闭环。
另外，PMAC通过总线向上位机交换转台位置、运行安全等信息，并从上位机获得程序运行所需要的命令，如程序开始、结束和系统复位等。由于PMAC自身的特性，使诸如码盘信号换算、行程限位等功能可以很方便地实现，且PMAC的可编程特性使系统具有很强的扩展能力，整个系统构成要比普通的上下位机系统显得简单实用。而PMAC的使用也使系统更具通用性，只需作少量调整即可应用于其他设备。
4 运动控制系统软件设计
本课题中下位机选用PMAC运动控制卡。该运动控制卡是现在使用的比较普遍、可靠性很高的多轴运动控制器，它的核心硬件是DSP与FPGA，提供运动控制、逻辑控制、数据、信息处理、同主机交互等强大的资源，其*大的特点是软硬件的开放性。PMAC可以通过执行软件（PEWIN）实现各种控制的基本操作及系统调试，从而实现执行运动程序、执行PLC程序、伺服环更新、资源管理等主要功能。
对于转台的控制系统，系统功能实现实际由工控机和PMAC卡共同分担完成，运动控制软件包括2个部分：工控机主要完成人机界面、系统任务管理、视频显示、方位角度计算与发送等功能；MAC卡主要实现所要求的运动控制、I/O管理、PLC等功能。
４．1上位机控制软件的开发
对于转台控制系统上位机的工控机,基于bbbbbbsＸＰ操作系统，利用VisualC++6.0开发系统开发了转台运动控制系统软件，具有视频显示、转台控制方式选择、转台运动状态显示、GPS信号显示、异常报警等功能，利用下位机封装好的各类运动控制函数和参数设置功能函数，在上位机软件开发时实现“下位机透明”式的开发，使上位机界面开发以及和其他功能集成时无须关注运动控制层的细节，从而更着重于其他方面功能的实现。
４.2下位机控制软件的开发
下位机控制系统中PMAC卡上集成了丰富的运动控制指令和算法，为转台的运动控制提供了方便，对于转台控制下位机软件的开发，充分利用PMAC卡的开放性，主要包括位置伺服模块、PLC监控模块等，位置伺服模块可通过设置PMAC卡内部PID参数实现，PLC监控模块用于实时提取转台运行状态信号，包括当前的运行方位、运行速度及是否都达到位置限位等,主要包括PMAC的设置和PMAC运动程序的编写。
４.3 工控机与PMAC卡的通信软件
外部信号通过计算机串口送入工控机，转换成方位角度后送入PMAC卡，转台的运动方位信息实时通过工控机进行显示，同时，各种控制指令也是通过工控机传给PMAC卡，从而实现各种控制目的，本系统利用PMAC卡提供的PCOMM32通信套件，采用动态链接库方式，便于上下位机软件的模块化和封装并使得上位机编程环境的选择更加自由。
本课题以PMAC卡为核心对三轴转台的硬件及软件进行了设计，通过PMAC构建转台控制系统，具有实时能力强、系统稳定、易操作等优点。将PMAC作为转台的控制器在理论和实际上都是可行的，使系统设计和应用程序的设计大大简化，设计者只需要较少的代码就可以达到目的。另外，当整个系统投入使用并进入维护阶段，采用PMAC这样的标准部件也减少了软／硬件维护的困难,作为三轴转台的改造设计是一个非常好的方法。