塑料管道自动切割控制系统的开发应用

我国在改革开放之后，城市化进程加快，越来越多的人口涌入城市，为城市的发展带来了很大的推动力，也让城市建筑进入新的发展阶段。在此背景下，城市发展对于塑料管道的需求不断提升，塑料管材业的发展遇到了新的发展契机。面对如此大的塑料管道需求，塑料管材业必须推动技术方面的改革和创新，才能满足新时期的发展需求。塑料管道之所以可以得到较快的发展，主要是因为其不仅性能良好，而且具备环保节能的优点，由此逐渐替代传统管材，成为主要的建筑管材。与西方国家相比，我国的塑料管道各方面技术都相对落后，还有进一步发展和提升的空间，在生产质量和效率等方面都应当进一步完善。

1　总体设计方案

塑料管道主要包含铝塑复合管、聚丙烯热水管、硬聚氯乙烯排水管材等。由于我国塑料管材技术与发达国家之间仍然有一定的差距，所以仍需要从国外引进先进的设备和技术。在塑料管道的生产中，塑料管材的切割是重要的程序，其切割效率的高低会对最终生产效率产生直接影响。切割精度的高低对管材的成品质量产生起决定作用。本文将分析塑料管材自动切割系统的设计，并开展相应的仿真验证。

1.1 　塑料管道自动切割控制系统的主要构成

塑料管材的生产流程主要有：

第一步，原料从机筒中加入，经过加热之后会变成流体，在单螺旋的挤压下形成管状。

第二步，材料进入到管材模具当中，会经过挤压形成需要的形状。进入到冷却装置中完成冷却和定型。

第三，确保完全冷却之后牵出。

第四，管材进入切割系统之后，需要由传感器按照设置的要求切割所需的长度、厚度和宽度，再将切割好的成品按照顺序堆放起来。

整个生产程序基本完成。在切割程序过程中，所依赖的自动控制系统可以对塑料管材的厚度和长度进行操作，比如可以让管材的扩口位置厚度更厚一些，这样可以为后续操作奠定基础。

1.2 　开发环境

在塑料管材自动切割控制系统中，单片机属于比较核心的部件，需要通过编辑软件来编程进而完成工作程序。本研究所采用的单片机型号为MCS-51，开发软件为KEIL，操作系统为Windows 7，所使用的软件工具包含库管理、宏、C编译器、仿真调试器，形成完成的开发方案。需要构建其完善的集成开发环境，将这些部分有机结合在一起。该软件的运行需要构建起集成开发环境，也需要应用到CPU。

2　相关硬件设施设计

2.1　单片机电路具体设计方法

本次所选择的单片机型号具备比较好的抗干扰性能，可以在复杂的环境中正常开展工作，运行成本比较低，性价比很高，兼容性好，能耗低。该单片机包含定时器、计时器、输入或者输出32位口线、RAM，256字节。同时，FLASH存储器中的内容可以被不断地覆盖，便于多次进行编程，使开发成本不断降低。另外，该单片机中引脚有41个，口线有32个，通信端口、外中端口、读写端口等各需2个，定时计数器数量为3个。

2.2　存储电路具体设计方法

为了确保单片机的稳定性，需要使用到数据存储芯片。在数据存储芯片中有8条芯片从内部往外引出，每一条所起到的作用不一样。

2.3　时钟电路具体设计方法

所使用的时钟芯片型号为DS1302，可以采用单片机完成时间数据的写入和读取。其中，与单片机相互连接的线路有3条，分别为复位线、串行时钟线以及数据线。在时钟电路中，也有8条线路与外围电路相连接。第1条至第8条线路的名称和作用主要为：Vcc2与主电源进行连接；振荡源连接的两条线路分别为X1和X2，GND属于接地线；RST起到复位作用，第6条为数据输入和输出连接线路；第7条线路为串行数据的输入端连接线路；第8条线路则是连接着备用电源。

2.4　显示控制电路具体设计方法

显示控制系统中包含对显示屏的控制核对键盘的控制，使用的芯片型号为SK5278类型，其中包含复位电路，实现对拉低RST引脚的复位以及连接RC复位电路。晶振电路主要目的是对电容进行调节，频率为12MHz，所选择应用的LED显示屏电路，使用电阻限流（8个）、连体数码管（4位），显示器的亮度需要对电阻进行调节实现控制。另外，可以对电阻进行控制，调整扫描强度。显示控制电路也需要和单片机之间进行连接，一般需要以DIOS/CLK/CS信号为基础，形成SPI串行总线，信号输入端口为CS/CLK，输出信号和输入信号端口为DIOS端口，应当和专门的输入、输出线相连接，具备双向信号的功能。

2.5　输入和输出控制电路设计方法

在设计输入和输出电路系统时，需要使用输入、输出控制芯片。其中，输入信号包含脉冲信号、退刀还原信号、热继电器信号。如果系统接收到信号之后，会先接通地线，再将光敏三极管联通，LED显示屏亮灯提示。另外，输出信号则是可以分为控制切割过程的信号和牵引电机、控制切割速度的信号两大构成部分，不仅需要使用到光电耦合器来实现对推料和刀片的控制，还需要对速度进行调控，速度的调控需要借助于DA转换器来完成。

输入和输出信号控制系统也包含8条不同的线路，从第1条到第8条分别为：DIN、sclk这两条线路的主要目的是对时钟输入端和数字串行数据的连接；CS线路的目的是对是否输入进行控制；OUTA则是对电压输出进行相应的模拟；AGND为接地线；REF和OUTB线路都是对基准电压输入与输出端的模拟；第8条线路为VDD线路，是对电源电压进行连接的线路。

3　相关软件设计分析

在塑料管道自动切割控制系统中，硬件设备和软件程序都是不可缺少的重要构成部分，在对硬件设备的设计方法进行分析之后，需要明晰构成该系统的软件程序包含哪些部分。分别对不同的程序模块进行研究分析，便于后期整个程序的检测和应用。

3.1　主程序设计方法

主程序的设计需要对不同的环境参数进行分析，还需要对程序进行初始化，包含对时钟芯片、单机片的初始化，对显示器、输入/输出控制芯片的初始化。正确识别芯片之后，即可开始子程序的运行。如果程序出现错误，需要开展专门的复位操作；如果程序未出现错误，则可以继续进行运作，接受相关的通信数据、检测到的信号信息，开展信号的输出控制等。在设计主程序时，必须充分考虑整个编程的运行，不同条件下，动作的相互影响和相互关联。

3.2　控制系统中断处理程序具体设计步骤

在输入信号的控制过程中，采用中断响应机制是为了对数据进行有效处理，可以对信息进行随时的控制，借助于时钟程序当中的定时器功能，设置具体的定时周期。将初始值设置为x，系统的晶振为12m，计算可得周期为1μs，借助于中断处理程序，在经过了n次的循环之后，可以对时间进行控制，设定为n×10ms。

3.3　自动切割控制系统处理程序具体设计步骤

在塑料管材自动切割控制系统中，需要使用的时钟处理程序主要包含对芯片的初始化处理，也需要对函数数据进行读取和设置，将当前数据函数的几个部分进行读取和设置。具体过程为：在复位端产生高电平，再将始终处理程序的地址写出来，完成延时操作，将得到的数据写入地址，地址相应增加。这一过程需要反复进行操作，一直到所需要的数据被完全写入到地址当中，整个程序即可结束。

3.4　控制程序具体设计步骤

塑料管材自动切割控制系统速度的调整需要借助于DA转换控制速度调制器对工作电压进行控制，以反馈电路为基础，实现闭环控制。最终采用滑差调速器对牵引装置进行控制，实现对牵引速度的控制。操作人员需要依靠显示器和键盘将数据输入系统中，再完成按键动作，即可产生相应的中断信号，结合输入的内容，系统可以完成相应操作。

4　塑料管自动切割控制系统的检测和仿真分析

4.1　检测分析

在系统设计完成之后，还需要对其进行专门的检测。本次研究设计所采用的检测工具为欧姆龙旋转编码器，测量管道的长度。编码器会不断地旋转，将脉冲信号输入PLC控制系统中的计数器端口，按照内部编写的计算和转换指令，将接受到的脉冲信号进行转化，最终得到数字信号。因为高速计数器的速度很快，所以必须要在完成中断程序之前处理采集到的数据。可以在系统内部编写专门的比较程序，产生中断指令，再将测得的长度数值马上进行存储，周而复始地开展循环工作。

4.2　仿真分析

结合以上对塑料管材自动切割系统硬件设施和软件系统进行设计的基础条件，计划对该系统进行仿真实验，将相关的数据都输入单片机中。需要在6个不同的时段设置不同的工艺要求，对不同定长下的精度范围进行研究，长度分别设置为4/5/6，切割完毕后测量得到的数据，分别需要开展3次重复试验，得到的长度误差如表1所示。

表1　误差统计数据结果分析

根据表1中的数据可以发现，在不同长度情况下，开展了多次试验后，试验的统计误差都可以控制在1.5mm之内，这说明该系统的切割精度相对比较好，可以在之后用于继续开发，也可以在经过验证之后直接应用到实际的生产当中。

5　结语

本文所研究的对象主要是塑料管材自动切割系统，鉴于当前建筑行业的发展对塑料管材的需求越来越大，塑料管材行业必须要通过技术的革新来提高其生产能力。切割流程在整个生产工艺中是重要的构成环节，传统的切割过程中存在精准率和效率低等问题，开展切割控制系统的设计与仿真分析之后发现，该系统在塑料管道切割中起到了较好的作用，可以推广应用。

参考文献

[1]刘哲纬，胡维庆．塑料管材自动无屑切割机机械和控制系统的设计与应用[J].塑料工业，2017，45（11）.

[2]韩以伦，邱鹏程，姬光青，等．基于PLC与液压的塑料管材自动切割装置的设计[J].制造业自动化，2016，38（6）．

收稿日期：2018-03-11

作者简介：徐全茂（1980-），男，安徽东至人，国机通用机械科技股份有限公司工程师，硕士，研究方向：机电类。