西门子CPU模块6ES7515-2AM02-0AB0技术参数

  基于WiMax及其派生标准的新兴宽带无线协议需要越来越高的吞吐量和数据速率。这些协议提出的快速芯片速率和数字射频处理可以在使用FPGA方案的硬件上得到佳的实现。

    FPGA非常适合作为高性能、高性价比的解决方案来实现这些物理层协议中的数字功能，因为它们包括以下丰富的资源：

    1.DSP模块，可以用来实现各种FIR滤波和FFT/IFFT操作所要求的乘法器和加法器/累加器功能；

    2. SERDES收发器，可以支持无线前端与基带数字板之间的CPRI和OBSAI接口；

    3. 重要的FPGA嵌入式RAM块存储器(EBR)，可以用来存储滤波器系数，执行块交错以及实现FEC解码(Turbo、维特比、Reed－Solomon等)；

    4. 高速LVDS I/O，分别支持到DAC和来自ADC的宽并行接口。这些转换器定义了射频/模拟功能和廉价数字基带逻辑之间的界限。接口的速率越高，低成本FPGA解决方案便能集成更多的数字上变频/数字下变频功能。

    本文重点讨论种资源，即DSP乘法模块。通过减少和优化DSP乘法模块在FFT和FIR中的实现，设计师可以在尽量减少资源使用的条件下满足吞吐量要求，从而允许用户使用具性价比的现成FPGA器件。下面对这四种乘法器节省技术进行介绍。

用于WiMaxOFDM功能的高效复数乘法

    WiMax系统设计的一个重要特征是支持正交频分复用(OFDM)。FPGA使得分别使用IFFT和FFT在离散时间内实现OFDM发送器和接收器变得特别容易。诸如802.16a等协议需要256样点的FFT。而802.16e这些协议要求多种FFT样点，或者可以灵活调整的FFT样点以适应动态信道和带宽要求(可扩展OFDMA)。

复数乘法

    在执行256和1024样点FFT时，可通过Radix－4结构获得乘法器的高效使用。FFT算法通过复用4样点离散傅里叶变换(DFT)蝶形结构进行分解。例如，一个16点的FFT可以通过按时间抽取、按频率抽取或其他相关分解方式用2级Radix－4 DFT结构实现。第1级由4个4样点DFT组成，第2级同样由4个4点DFT组成。由于每个DFT的输出要求在馈送给下一级之前为结果提供3个相位因子，因此第1级和第2级之间的9个相位因子需要9次复数乘法。

    初看起来，执行一次复数乘法需要4个乘法器和2个加法/减法器。然而，该表达式可以重新写成另外一种只需3个乘法器、3个加法器和2个减法器的表达式。值得注意的是，加法器是在FPGA的内核逻辑中实现的，使用了丰富的逐位进位模式(ripple mode)的通用可编程逻辑单元(PLC)片。

    如果D＝Dr＋jDi是复数数据，C＝Cr＋jCi是复数系数，那么复数乘法的标准表达式如下：

    E1:R＝D*C＝(Dr＋jDi)*(Cr＋jCi)＝Rr＋jRi (1)

    其中Rr＝Dr*Cr－Di*Ci, Ri＝Dr*Ci＋Di*Cr

    上述标准表达式要求使用4个乘法器。该表达式可以通过代数方法重新整理为：

    E2: Rr＝Dr*Cr－Di*Ci (2)

    E3: Rr＝Dr*Cr－Di*Ci＋0 (3)

    E4: Rr＝Dr*Cr－Di*Ci＋(Dr*Ci－Di*Cr)－(Dr*Ci－Di*Cr) (4)

    E5: Rr＝(Dr*Cr－Dr*Ci＋Di*Cr－Di*Ci)＋(Dr*Ci－Di*Cr) (5)

    复数结果的新表达式是：

    E6: Rr＝[(Dr＋Di)*(Cr－Ci)]＋(Dr*Ci－Di*Cr) (3次乘法) (6)

    E7: Ri＝Dr*Ci＋Di*Cr (复用来自Rr的乘积) (7)

    如图1所示，优的复数乘法可以用3个乘法器、3个加法器和2个减法器实现。值得注意的是，在FPGA中，加法/减法模块所用的相对裸片面积要小于18×18的乘法器模块。

图1：采用4个和3个乘法器的复数乘法

 1 引言

    目前，电气控制新技术已经广泛应用于国产单张纸平版印刷机上，如PLC、触摸屏、变频器等。这些新型单张纸平版印刷机与若干年前旧型的设备相比，具有可靠性高、节能高效、功能完善等优点，而在当前许多印刷企业里，老旧型号的单张纸平版印刷机仍拥有相当大的数量。如果对它们改造，将PLC、触摸屏全部使用上，需更改大量的线路，几乎相当于重新制作电气控制系统。若只针对单张纸平版印刷机主传动部份使用变频器去改造，线路变动小，工作量少。既保留了原有继电接触控制简单、实用的特点，又充分发挥了变频器可靠、节能的优势，改造的。以下就变频器在国产单双色单张纸平版印刷机改造中的应用，谈一些体会。

    2 印刷机运转控制的工艺特点

    要使得变频器驱动变频电机能良好地应用于印刷机，满足生产工艺的要求，首先要清楚印刷机运转控制的工艺特点，它对变频器的功能提出什么样的要求，然后选择何种型号的变频器，以及如何具体地改造对接原有的线路。

    单张纸平版印刷机的运转是由电机通过皮带传动、齿轮传动、链传动带动整机的，各滚筒、牙排、机构之间由机械的连接配合协调动作，所以控制了主传动的电动机就控制了全机的运行状态。在机械调节、检查、安装拆卸PS版和橡皮布、清洁机器时，都需要以手动点车方式控制机器正反向运转，大约4r/min的速度比较合适。在印刷暂停期间，为了保证PS版不损坏，墨不干燥，要使机器以相同的速度长车运转。机器开始正式印刷生产时，有一个初始速度，约3000转/小时。当输纸机开始输纸后可以加速，使机器以较高的速度生产，一般是6000～8000转/小时。为了适应不同的生产速度要求，可通过一个调速电位器对高速进行调节，速度的实际值可以通过速度表指示出来。从印刷的高速降到初始印刷速度，有两种情况。一是手动按钮降速，另一是印刷过程中检测到纸张故障，如歪张、无纸、双张等使印刷机自动减速运行，各部分相应地做出协调动作，如离压、停水、离墨、停止输纸等。在生产结束时，按下停车按钮，机器相应地以自由停车方式平缓地停止运转。此外，为了保证人身安全，在印刷机的危险部位安装有安全保护开关或急停按钮，只要这些开关动作，机器无论处于何种状态，都要立即停止，全机紧急制动。

    3 对变频器的功能的要求

    （1）要有三段速度控制、方向控制功能，以满足正反点车、正向低速、印刷初始速度、高速的要求;

    （2）高速运转的速度值可变，好是通过手调电位器方式进行无级调速，以适应不同工艺要求;

    （3）机器运转要有速度指示，使操作者明确当前运转状态;

    （4）机器的加、减速过程要平稳，快慢适当，做到速度变换时及时平滑无冲击，变频器本身有故障时也要使全机停止运转。

    4变频器的参数选择

    根据这些要求可知，绝大多数变频器都可满足，针对所用的场合，选择通用型变频器。电压容量的选择根据所接电源和原机所用的电机。此处使用400V等级，单色机用5.5kW、双色机用11kW的变频器，市场上变频器的种类繁多，一般选择品质优良的主流产品，如三菱A540系列、安川G5、台达等，这些产品虽然价格较高，但质量有保证。对于一台印刷机上电气核心部件来讲，宁肯一次性投入较大，避免日后经常故障带来的麻烦。当然，如果对变频器其它的品牌质量、性能指标有把握，也可以选择，这样可以节省一些。有了变频器硬件以后，要设定其内部参数。就速度方面的参数来讲，可将点动频率设为2.5Hz，初始印刷速度25Hz，高速60Hz左右。以下以三菱变频器A540系列400V、11kW产品为例，描述一下它的具体接线及与旧型印刷机的改造连接，两者线路如附图所示，相关的注意事项如下。

    附图变频器连接图（KM1、KM2、KM3、KA1、KA3为原图纸元件编号）

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    （1）原印刷机的主传动装置是电磁调速（滑差）电机、低速电机及离合器、制动器等机构都拆除不用，用一台上海通太电机公司生产的变频调速专用电机代替，该机11kW/380V自带三相断电制动器及冷却风扇。原电机的安装底座可以利用，原电机的皮带轮也可拆下装在新电机轴上。

    （2）因原主电机、低速电机已拆，所以配电箱内的接触器KM1，KM2，KM3主触点的接线可以拆除。将其余的可用触点按照新线路加以利用，作为变频器控制信号的开关触点。因为原来继电器的触点可能会存在使用时间较长，接触不良的状况，好予以换新。变频器正向输入端STF，反向输入端STR，中速端RM，低速端RL，复位端MRS，公共端SD接线需将相关触点串并联进行组合，以满足三段调速要求。

    （3）原有的电磁调速器ZLK-11也拆除，正好可以利用其安装位置制作一个合适的调速显示盒，利用一个1KΩ/ZW的绕线电位器接入模拟信号输入端口——10E，2.5，用一只满量程10V的直流电压表并联在2.5端，变换一下表盘内的指示单位，可指示变频器的指令速度。

    （4）将变频器内部的报警常闭触点B、C连接端串入原控制线路KA1的串联回路，使其动作后具有整机急停的功能。

    （5）控制主电机的接触器KMa并接在原线路KA1旁。若有报警即释放，断开主电机回路，同时KA1常闭触点闭合，复位变频器，禁止输出。冷却风扇，电磁刹车的接触器KMb线圈的连通有两条支路，一是串入KMa常开触点与KMa并联，另一路是与电源之间串入盘车安全开关的常闭触点。正常时该支路断开，在需要手动摇车时，电源经过安全开关也使KMb通电，刹车松开可摇车。

    （6）变频器的安装位置有两种方式。一是另外制作一只控制箱，放置在飞达输纸板下部适当位置，另一种是如果控制柜离墙或柱子较近，可交将控制箱固定在墙或柱上，通过线束穿管与原控制柜连接。

    5结束语

    经过以上步骤，笔者成功改造了一台旧式J2205单张纸双色平版印刷机，改造后机长反映速度稳、调速准、高效节能，维修人员也感觉可靠性高，几乎不需格外维护。我们实际测量了改造前后印刷机生产时所消耗的电流，做出比较测算，得出至少节能30%以上的结论。如附表所示:以每天生产20小时，1年以280天计算，一年可省电16800kWh，以每千瓦小时电0.7元计，一年仅电费就可省下11760元，此外，以前低速离合与制动使用的电磁离合器由于工作环境差，易损坏。以每年更换4个，每个250元计，又可节省1000元。我们购买变频器花费7800元，变频电机8000元，加上所需的一些电线、继电器等总计约16000元。投入与产出一比，不到一年半就可收回全部投资。当然，这还不包括改造后生产率提高，印刷品质量改善所带来的间接效益。

    ，在老、旧型的单张纸平版印刷机上应用变频器对主传动进行改造是一项简单易行，实用经济的好革新，即推广了新技术的应用，又符合当前所倡导的构建节约型社会的潮流，值得大力推广

 5 软件设计

    本系统的软件包括主程序、初始化对零程序、计数子程序、集成脉冲输出子程序。

    5.1初初始化对零处理

    如图4所示，初始化对零程序的任务是使系统一合电源，包装印刷机就自动地对某个给定值进行跟踪而减少错位。当编码器的回0脉冲一到就起动高速计数器，PLC一旦检测到色标信号就立即读取计数值送入存贮器中。   

图4初始化对零程序

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    5.2计数子程序

    首先把高速计数器HSC1的控制字节SMB47置为16#FC，其含义为:正方向计数，可更新预置值(PV)，可更新当前值(CV)，激活HSC1。

    然后，用指令HDEF把高速计数器HSC1置成工作模式1，即只有复位没有起始输入，也没有方向选择。当前值SMD48复位为0，预置值SMD52置成FFFF(16进制)。当色标传感器的色标脉冲信号输入到PLC的I1.0就引起中断,读取计数器当前值。用指令HSC1启动高速计数器。

    5.3集成脉冲输出子程序

    CPU214/DC有两个脉冲输出，可以用来控制交流驱动器的脉冲，接线图如上述程序流程图如图5所示。    

图5程序框图

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    (1)起动电机的三个条件

    (a)按“START”(起动)按钮，在输入端I1.0产生脉冲上升沿(从0到1)

    (b)无联锁，即联锁标志M0.2=0

    (c)电机处于停止状态，即操作标志M0.1=0

    如果同时具备上述3个条件，则将M0.1置位，控制时执行PLSO指令，在输出端Q0.0输出脉冲，其他必须预先具备的条件，已经在首先扫描(SM0.1=1)设置，主要是脉冲输出功能的基本数据，例如时基、周期和脉冲数。

    (2)停止电机:停止电机的两个条件

    (a)按“STOP”(停止)按钮,在输入端I1.1产生脉冲上升沿(从0到1)

    (b)电机处于运转状态，即操作标志M0.1=1

    如果同时具备上述2个条件，则将标志M0.1复位，并中断输出端Q0.0的脉冲输出。

    (3)联锁

    为保护人员和设备的安全,在按“STOP”按钮(I1.1)之后，必须规定驱动器联锁，将联锁标志M0.2置位，立即关断驱动器,只有在M0.2复位后，才能重新起动电机。当“STOP”按钮松开后,为防止电机的意外起动,只有在“START”按钮和“STOP”按钮(I1.1)都松开后，才能将M0.2复位，如要再次起动电机，则必须再发出一个起动信号。

    5.4主程序

    当系统投入工作时，主程序的任务就是根据PLC把随机读到的计数值与标准值相比较，而得到的偏差值，调节电机正转或反转。程序流程图如图6所示。    

图6主程序图

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    6 结束语

    在包装印刷系统中我国与国外**水平存在明显差距，国内大多数**生产线都采用进口设备。我们采用了全数字式变频器驱动交流伺服电机作为校正装置。由于它采用的是脉冲串位置控制方式，它可以利用PLC高速计数器与集成脉冲输出功能。通过实验检测，该套装置控制精度高，动态响应快。