基于ARM9的玻璃拉边机控制系统的设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 8.08MB 97 页 15积分

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基于 ARM9 的玻璃拉边机控制系统的

设计

摘　要

拉边机是浮法玻璃成型过程中的一个重要设备，主要用于玻璃成型过程中的

厚度和宽度控制。本次研制的全自动拉边机，在分析了传统拉边机控制方面存在

的缺陷的基础上，改进设计提出了新的控制方案，研制出了基于Windows CE嵌入

式操作系统的ARM9触摸屏控制软件系统。结合Profibus-DP总线扩展技术和绝对值

编码器反馈技术，为玻璃拉边机系统提供了良好的人机交互界面，能满足拉边机

工作现场实时、准确和长期稳定的运行要求。

本课题从软件和硬件两个方面完成了拉边机控制系统的设计实现。硬件方面，

主要介绍了玻璃拉边机控制环境和硬件平台的搭建，包括系统硬件的选型、接口

电路的设计、芯片和操作系统的选型以及应用程序设计软件EVC的配置和应用。软

件方面，主要介绍了系统软件平台的搭建，包括内核镜像的下载调试、基于

S3C2410处理器开发板的Windows CE操作系统的定制和移植过程，完成了设备驱

动程序的开发以及应用软件流程和界面的设计。最终完成了玻璃拉边机应用控制

软件系统的程序编写与运行调试。并研究了拉边机现场总线控制技术以及自动实

时的温度压力监测等功能。

关键词：玻璃拉边机 Windows CE Profibus-DP 嵌入式操作系统

S3C2410 触摸屏

ABSTRACT

Edge roller is an important equipment in the process of law glass formation ，

mainly used in the thickness and width control in the process of glass forming. After

analyzing the defects of the traditional edge roller controlling system， this dissertation

modified and improved a new controlling method ， and developed a touch-screen

controlling software system which bases on ARM9&Windows CE embedded operating

system. With the use of Profibus-DP bus extension and absolute value encoder feedback

technology ， this dissertation worked out a friendly interactive interface to meet the

operational requirements for real time， accurate， long term and stability.

This dissertation described the design and implementation of the edge roller

controlling system from both the hardware and software aspects. For hardware ，

mainly introduced the controlling environment and the building of the hardware

platform， including the hardware selection， interface circuit design， selection and

configuration of the chip and operating system ， applications for the application

designing software EVC. For software， mainly introduced the building of the software

platform， including the download and debugging of the kernel-image， customization

and migration of the Window CE system which bases on the S3C2410 processor. And

also the development of the device drivers for the application software and interface

designing are completed. Finally completed the programming and operating and

debugging of the application control software for the edge roller. The dissertation also

studied the field-bus control technology and automatic real-time temperature and

pressure monitoring and other functions.

Key Words： Edge Roller， Windows CE， Profibus-DP，

Embedded Operating System， S3C2410， Touch Screen

目　录
摘　要
ABSTRACT
第一章　绪　论...............................................................................................................1
§1.1 课题的来源及意义................................................................................................1
§1.2 国内外发展概况....................................................................................................2
§1.2.1 拉边机的国内外发展状况.............................................................................2
§1.2.2 嵌入式系统的发展.........................................................................................4
§1.3 课题目标和主要研究内容....................................................................................6
§1.3.1 课题目标.........................................................................................................6
§1.3.2 课题的主要研究内容.....................................................................................7
§1.4 本章小结................................................................................................................7
第二章　玻璃拉边机的结构组成及控制系统分析.......................................................9
§2.1 玻璃拉边机的结构组成及工作原理....................................................................9
§2.1.1 机械结构组成.................................................................................................9
§2.1.2 工作原理介绍...............................................................................................10
§2.1.3 主要机构分析...............................................................................................11
§2.2 玻璃拉边机的控制功能分析..............................................................................13
§2.2.1 拉边机的控制要求与控制方案...................................................................13
§2.2.2 厚度控制.......................................................................................................16
§2.2.3 工艺操作和控制优先级...............................................................................17
§2.2.4 电气控制.......................................................................................................17
§2.3 控制系统开发流程..............................................................................................19
§2.4 本章小结..............................................................................................................20
第三章　控制系统软硬件开发环境与平台构建.........................................................21
§3.1 嵌入式系统与 WINCE........................................................................................21
§3.1.1 ARM9 嵌入式系统.......................................................................................21
§3.1.2 基于 ARM9 内核的 S3C2410 微处理器简介..............................................23
§3.1.3 Windows CE..................................................................................................27
§3.1.4 嵌入式系统的开发特点和流程...................................................................31
§3.2 控制系统硬件平台搭建......................................................................................32
I

§3.2.1 触摸屏的选型...............................................................................................33
§3.2.2 ProfiBus-DP 总线技术..................................................................................35
§3.2.3 核心硬件电路设计.......................................................................................40
§3.2.4 控制系统硬件选型.......................................................................................44
§3.3 控制系统软件环境搭建......................................................................................45
§3.3.1 系统应用环境介绍.......................................................................................45
§3.3.2 嵌入式操作系统 WinCE...............................................................................45
§3.3.3 应用程序设计软件 EVC..............................................................................46
§3.4 本章小结..............................................................................................................47
第四章　WINCE 嵌入式操作系统的定制和移植.......................................................49
§4.1 操作系统结构和移植流程..................................................................................49
§4.1.1 WinCE 操作系统结构...................................................................................49
§4.1.2 WinCE 操作系统移植流程...........................................................................51
§4.2 WINDOWS CE 操作系统定制编译......................................................................52
§4.3 WINDOWS CE 操作系统的下载运行..................................................................55
§4.4 本章小结..............................................................................................................57
第五章　设备驱动程序的开发.....................................................................................59
§5.1 WINDOWS CE 的设备驱动模型..........................................................................59
§5.2 目标板初始化......................................................................................................61
§5.3 串口驱动开发......................................................................................................61
§5.4 数据采集模块驱动程序......................................................................................63
§5.5 本章小结..............................................................................................................65
第六章　应用程序的设计.............................................................................................67
§6.1 WINCE 应用程序开发环境配置.........................................................................67
§6.2 控制系统功能模块分析......................................................................................67
§6.2.1 总体模块框架...............................................................................................68
§6.2.2 参数设置模块软件设计...............................................................................69
§6.2.3 机身调节控制模块软件设计.......................................................................69
§6.2.4 自动运行模块软件设计...............................................................................71
§6.2.5 系统监控模块软件设计...............................................................................73
§6.3 软件流程及界面设计..........................................................................................74
§6.4 本章小结..............................................................................................................77
第七章　系统测试与总结.............................................................................................79
II

参考文献
§7.1 硬件系统测试......................................................................................................79
§7.1.1 I/O 端口速度测试.........................................................................................79
§7.1.2 QEP 电路测试...............................................................................................79
§7.2 控制系统抗干扰测试结论..................................................................................80
§7.3 总结和展望..........................................................................................................80
§7.3.1 全文总结.......................................................................................................80
§7.3.2 前景展望.......................................................................................................81
§7.4 本章小结..............................................................................................................81
附　录.............................................................................................................................83
参考文献.........................................................................................................................95
一、论文、专利..........................................................................................................99
二、科研项目..............................................................................................................99
III

第一章　绪　论

§1.1 课题的来源及意义

拉边机在浮法玻璃成型过程中起着非常关键的作用。它主要用于锡槽内对玻

璃带进行展宽和堆积，其作用是通过调节拉边轮的线速度以及拉边轮的水平摆角

平面倾角等以起到控制玻璃带宽度和厚度的作用[1]。其运行状态直接影响生产的正

常进行和玻璃质量。目前我国使用的拉边机按安装方式分有落地式、吊挂式两种；

按自动化程度分有全自动、半自动、手动三种。其中，落地式手动、半自动式拉边机，

其机械结构简单，造价低，但它的制造精度差，调节范围小。主要凭人工经验操

作，稳定性差，控制精度低，这些缺点已严重制约了玻璃质量和产量的提高。为

避免人为误差，越来越多的生产线开始采用全自动拉边机代替原有的简易拉边机。

拉边机作为浮法玻璃生产的重要设备之一，其运行是否平稳直接影响生产的

正常进行和玻璃质量。目前我国的拉边机大多是落地式的，这种形式的拉边机在

装卸、维修方面比较方便，但其调整尤其是拉边轮压入玻璃带的深度调整起来比

较困难，且不便实现自动化。

拉边机各个机构的控制精度、整机的自动化程度是否能够满足要求以及拉边

机是否能够可靠稳定运行直接关系到玻璃产品的质量和产量。在现代浮法玻璃生

产技术中，生产难度大的品种如：厚玻璃 (>15mm)、薄玻璃(<1.11mm)、电子玻

璃 ( TN、STN 显示器用玻璃) 等产品的生产过程中，必须采用多台、多对拉边机

自动联动。因而研制机电一体化的全自动拉边机及提高拉边机群的控制水平、总体

自动化程度成为现代浮法玻璃生产技术装备的必然要求。

全自动拉边机是我国浮法玻璃行业目前使用的普通落地式拉边机的升级换代

产品，是一项具有国际行业先进水平的设备。它具有调速范围广、控制精度高、各

机构运转灵巧、数字显示、运行稳定、集中控制、自动化程度高、能大幅度降低劳动

强度，提高劳动效率等一系列优点。它已经成为现代浮法玻璃成形工艺不可缺少

的高端装备。此次研发的全自动拉边机及其多台全自动拉边机集成控制系统目前

已在国内多条大吨位浮法玻璃线、高端的薄玻璃生产线、电子玻璃生产线投入运行

随着技术的发展，越来越多的生产线采用吊挂式全自动拉边机，尤其是在主

要从事超薄或超厚玻璃的生产线上。这样可以尽可能多地在锡槽内布置拉边机以

满足生产工艺的要求。本次课题研制的拉边机安装了高精度的绝对值编码器，拉

边机的工作状态可随时以数字形式反馈到集中控制站和本地控制箱上。

目前，国内除引进的浮法玻璃生产线上使用的拉边机外，国产浮法玻璃生产

线上使用的拉边机结构基本相同。主要由调速系统、传动机构，调节机构、机架和

拉边轮线速度数字显示等组成。

调速系统采用可控硅调速器配以测速发电机。调查中发现有些厂在生产8 mm

厚的玻璃时已满足不了调速要求，有低速停转现象。传动机构由直流电动机提供

动力，经三角皮带或齿形皮带传向蜗轮减速机，为了满足拉边杆与蜗轮减速机的

相对调节，蜗轮减速机与拉边杆上的伞齿轮之间用万向轴传递力，这种传动系统

的着重点是满足机构运动。传动环节多，平稳性差，机械效率低。调节机构为拉边

杆提供的支承距离短，调节阻力大，准确性差，由调节机构的间隙造成的拉边轮

自由摆动量最大约100mm。拉边轮的线速度数字显示由脉冲发讯器和数字显示器

组成。由于选用的光电转角脉冲发讯器质量不高，许多厂的拉边机线速度数字显

示与实际数值不符，误差高达10%，且无规律，容易引起误操作，有些厂不得不

用秒表每班实测的转速作为正式依据[20]。拉边杆与传动轴之间采用加有石棉橡胶

垫的法兰联接，其精度只能由安装技术来保证，不符合设计意图。拉边杆悬臂部

分太长，刚度不足，易变形，由此引起的拉边轮径向跳动过大，影响玻璃质量。

由于拉边杆伸入锡槽部分全部是转动件，给锡槽的密封带来了困难。随着我国浮

法玻璃技术的不断发展，生产浮法玻璃的厚度已发展3～12mm。传统的浮法玻璃

拉边机已不能满足生产的需要，所以，研制新型浮法玻璃拉边机已成为当务之急。

本次课题来源于与上海睿信自动化科技有限公司的技术攻关项目合作。主要

是进行硬软件设计与在线调试。采用现场总线技术和绝对式编码器来进行软件控

制。并通过ARM9 嵌入式系统设计出一款触摸屏以便实时监测控制机器的动作与

数据采集反馈。

§1.2 国内外发展概况

§1.2.1 拉边机的国内外发展状况

玻璃工业在我国产业中是一个重要的行业，并在我国的经济建设中起着非常

重要的作用。改革开放以来，随着我国经济的快速发展，玻璃配料行业也得到了

长足的发展。特别是20 世纪 80 年代后期，我国浮法玻璃出现了第一次发展高峰，

以年增长35%的速度飞速发展，远远高于当时我国经济发展 10%的增长速度，玻璃

工业的发展异常引人注目。

2001 年7月，浙江玻璃股份有限公司成功生产出1.1mm 超薄浮法玻璃。这是

国内第二家能够用浮法工艺成功生产出1.1mm 超薄浮法玻璃的厂家。2005 年1月

浙江玻璃股份有限公司在成功生产出1.1mm 薄玻璃的经验基础上，经过技术攻关

改革，又研发生产出0.6mm 的超薄浮法玻璃[14,18]。

所有这些玻璃行业设备、技术的发展都离不开浮法玻璃的加工成型设备——

浮法玻璃拉边机，拉边机是浮法玻璃生产线成型工段的关键设备，其作用是通过

调节拉边轮的线速度、水平摆角，倾角等参数来达到控制玻璃带厚度和宽度的目

的。拉边机的控制系统一直都是限制其性能和控制精度的关键因素之一。一般的方

法都是采用大的集中控制室来操控和检测拉边机的工作状态，以控制玻璃成型的

质量和厚度。总线技术在拉边机控制系统上的应用更是给拉边机的控制性能带来

了一个飞跃式的发展。

自20 世纪 90 年代初以来，有几种现场总线技术已经逐渐发展成熟，并在一

些特定的应用领域显示了自己的影响和优势，它们是：可寻址远程变换器数据

链路HART ( Highway Addressable Remote Transducer) 、控制器局部网CAN (

Cont roller Area Network) 、局部操作网络 LON (Local Operating Network ) 、过

程现场总线 PROFIBUS (Process Field bus) 和基金会现场总线 FF ( Foundation

Field bus)，这些现场总线各具特色，对于现场总线技术的发展已经并将继续发挥

各自的重要作用。

中国洛阳浮法玻璃工艺自诞生以来，得到很大发展，玻璃生产从200t/d 到目

前900～1000 t/d ，品种丰富，质量明显提高。随着国民经济的快速发展，市场对

超薄玻璃、超厚玻璃、超宽玻璃的需求愈来愈大，尤其对优质浮法玻璃的需求迫切

由于玻璃成型技术不断提高，对拉边机自动化控制要求越来越严。为提高中国浮

法玻璃产品质量，提高中国浮法玻璃技术与装备水平，缩小与国外先进技术差距

开发和应用具有自动控制调节功能的吊挂式全自动拉边机刻不容缓。

目前在国内浮法玻璃生产线上，除个别厂家进口少量国外悬挂式拉边机外，

普遍采用的仍是“落地辊式”拉边机，自动化程度及控制精度都较低。1999 年初

洛阳玻璃集团研制了 214-3700 型悬挂式拉边机，并在 600t/d 浮法一线投入使用。

随后又进行了悬挂式拉边机的系列化开发与研究，其中开发的 210-2125 型悬挂式

拉边机应用于集团内超薄浮法玻璃生产线。洛阳玻璃集团在600t/d 浮法一线全部

使用了悬挂式拉边机。该设备设计合理、技术先进、操作快捷、便利、运行平稳、控

制精度高、长期连续运行稳定可靠，特别是在频繁的改换玻璃品种、厚度时，更能

显示出其优越性。2001 年，在洛玻的 600t/d 超薄浮法玻璃生产线项目中，锡槽成

型段需要20 多对拉边机，相邻最窄只有 0.6m 多，最宽也只有 1m 多，普通“落

地辊式” 拉边机根本无法应用。经过对悬挂式浮法拉边机的结构优化，成功开发

使用了小型悬挂式浮法拉边机。2002 年元旦前后，龙玻成功稳定大批量地生产出

2mm 浮法玻璃，一级品率 90%以上，总成品率 74.5%，创历史最高水平。

由于目前生产工艺日臻完善和对高档玻璃需求的不断增加，对浮法玻璃拉边

基于 ARM9 的玻璃拉边机控制系统的设计

机的要求也越来越高，全自动拉边机是按现代浮法玻璃工艺发展要求研制的产品

也是目前国内绝大多数浮法玻璃生产厂家使用拉边机的更新换代产品。目前国内

也有部分工厂和设计研究院正在着手研制多种全自动拉边机，但都未取得实质性

突破。

在国外，特别是欧美国家的浮法拉边机基本上都是全自动的，但它们的功能、

控制手段也有差异，本次研制的悬挂式全自动拉边机与欧美国家先进的全自动拉

边机性能基本一致，且更符合中国国情，有自己的控制软件和技术，并且可以按

照工厂的不同需求，制造不同规格、档次的产品。

§1.2.2 嵌入式系统的发展

随着后 PC 时代的到来以及 3C 技术的迅猛发展，嵌入式系统已渗入到信息

家电、消费电子、医疗仪器、工业控制、航空航天等社会生产和生活的各个领域。嵌

入式系统的开发也成为近年IT 行业的技术热点。嵌入式系统是以应用为中心，以

计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、

体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户

的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能

[11,12]。嵌入式系统一般指非PC 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/

微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统

(OS)和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应

用程序编程与硬件的交互作用。

嵌入式处理器作为嵌入式系统的硬件核心具有极大的影响力，从 CISC 到

RISC 结构，从 8位发展为 32 位乃至 64 位，从单纯的中央处理器到目前流行的整

合型处理器，嵌入式处理器的性能越来越高，接口资源和功能模块越来越丰富，

应用越来越广泛。目前市场上的嵌入式处理器都具备如下几个特点：

可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入

式微处理器；

内部集成了丰富的片内外围电路，拥有丰富的接口资源；

对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应

时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度；

嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用在靠电池供电的便携式设备中

时更是如此。

具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模块

参考文献

化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的

存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；

嵌入式计算机系统与通用PC 机系统相比具有以下几个特点：

1) 嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。因为嵌入式系统

是和具体应用有机地结合在一起的，它的升级换代也是和具体产品同步进行的。

2) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，去除冗余，力争在同样

的硅片面积上实现更高的性能。

3) 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使系统设计完成以后，用户通

常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和开发环境才能进行

开发。

4) 嵌入式 CPU 与通用型 CPU 的最大不同就是嵌入式 CPU 大多工作在为特

定用户群设计的系统中，它通常都具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把

通用CPU 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计

趋于小型化。

5)为了提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存

储器芯片中，而不是像普通 PC 机那样可存放在磁盘等载体中。

6) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的

具体应用相结合后的产物。这一点决定了它是一个技术密集、资金密集、高度分散

而又不断创新的知识集成系统。

嵌入式控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等优点，其应用已深

入到制造工业、过程控制、网络、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装

备、消费类产品以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代

加速自动化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。嵌入式控制器的

应用已经随着技术的发展越来越广泛。

随着嵌入式技术的发展，人机交互技术己经逐步成为国内外研究的热点问题。

其中触摸屏是在嵌入式领域至关重要的人机交互技术。目前市场上的主流触摸屏

可分为表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏。

目前，触摸屏(Touch Screen)产品在我国已逐渐形成了产业。触摸屏输入是靠

触摸显示器的屏幕来输入数据的一种新的输入技术。它操作简单，使用者无需再

通过键盘和鼠标，仅用手指触摸屏幕上的图形或按钮等提示标志，便可从屏幕上

得到所需的各种信息。触摸屏输入完全摒弃了类似键盘的繁琐输入，可用于取代

诸如键盘、光笔、操纵杆、滚球、鼠标及数字转换器一类的数据输入设备。其优点是

操作简便直观、图像清晰、坚固耐用且节省空间[26]。它可配用于一切电子显示器，

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基于ARM9的玻璃拉边机控制系统的设计摘　要拉边机是浮法玻璃成型过程中的一个重要设备，主要用于玻璃成型过程中的厚度和宽度控制。本次研制的全自动拉边机，在分析了传统拉边机控制方面存在的缺陷的基础上，改进设计提出了新的控制方案，研制出了基于WindowsCE嵌入式操作系统的ARM9触摸屏控制软件系统。结合Profibus-DP总线扩展技术和绝对值编码器反馈技术，为玻璃拉边机系统提供了良好的人机交互界面，能满足拉边机工作现场实时、准确和长期稳定的运行要求。本课题从软件和硬件两个方面完成了拉边机控制系统的设计实现。硬件方面，主要介绍了玻璃拉边机控制环境和硬件平台的搭建，包括系统硬件的选型、接口电路的设...

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