基于觸摸屏的絲網(wǎng)印刷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文 李文鉛 劉鶴

基于觸摸屏的絲網(wǎng)印刷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文 李文鉛 劉鶴

以半自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)為研究基礎(chǔ)，應(yīng)用PLC控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等設(shè)計(jì)出以PLC為控制核心的絲網(wǎng)印刷監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了絲網(wǎng)印刷機(jī)的手動(dòng)/自動(dòng)印刷控制、MCGS上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷機(jī)電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

PLC；MCGS觸摸屏；人機(jī)交互；絲網(wǎng)印刷機(jī)；變頻控制。

DOl∶10.3969/j.issn.1007-2160.2015.02.01

引言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及工業(yè)進(jìn)程的不斷發(fā)展，絲網(wǎng)印刷技術(shù)也得到空前的發(fā)展，絲網(wǎng)印刷技術(shù)具有不受承印物形狀和大小限制、對(duì)油墨適應(yīng)能力強(qiáng)、印刷墨層厚度適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，因而在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)，絲網(wǎng)印刷技術(shù)主要用于電子工業(yè)、電路板印制工業(yè)、紡織印染、陶瓷貼花等行業(yè)，并已建立起以生產(chǎn)實(shí)踐為基礎(chǔ)的絲網(wǎng)印刷產(chǎn)業(yè)。特別是近年來(lái)，由于絲網(wǎng)印刷行業(yè)向著高精度、高密度、高質(zhì)量化方向發(fā)展，對(duì)絲網(wǎng)印刷工藝提出更高的要求，本文在國(guó)內(nèi)原有的半自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)的的基礎(chǔ)上，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)階段我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中絲網(wǎng)印刷產(chǎn)品有很多種，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)使用的產(chǎn)品多采用手動(dòng)控制或半自動(dòng)控制的方式，生產(chǎn)效率極為低下，直接影響國(guó)內(nèi)印刷產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量。隨著近年來(lái)我國(guó)科技迅猛發(fā)展，絲網(wǎng)印刷在電氣控制方面越顯薄弱。本文擬定設(shè)計(jì)了一套手動(dòng)/自動(dòng)切換控制、MCGS觸摸屏監(jiān)控的絲網(wǎng)印刷系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括控制單元、受控單元、監(jiān)測(cè)單元。控制單元由基本控制單元和EM253定位模塊組成。主要完成印刷過(guò)程中的玻片上片、定位、跑臺(tái)傳送、印刷臺(tái)升降、刮刀和膠刮升降、印刷回墨、即時(shí)離網(wǎng)以及下片傳輸?shù)入姎饪刂啤Ｊ芸貑卧饕ㄖ骺貑卧噙B的各變頻器、印刷電機(jī)、上片傳輸電機(jī)、下片傳輸電機(jī)、檢驗(yàn)電機(jī)以及伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器，監(jiān)控單元為基于MCGS觸摸屏的人機(jī)界面，為用戶提供所需的工作方式以及需要設(shè)定和修改的印刷參數(shù)，并完成在線實(shí)時(shí)監(jiān)視和傳送信息等。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如下：

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括基本控制模塊、定位控制模塊、外部受控單元、MCGS監(jiān)控平臺(tái)4個(gè)部分。

基本控制模塊：基本控制單元以西門(mén)子s7-200 PLC為核心控制器，主要負(fù)責(zé)對(duì)按鈕、開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)信號(hào)的讀取，以及對(duì)系統(tǒng)中繼電器、接觸器、變頻器等的電氣控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各電機(jī)的控制，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的指示燈及報(bào)警裝置進(jìn)行控制。

定位控制模塊：采用西門(mén)子公司EM253控制模塊，對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，進(jìn)而控制伺服電機(jī)進(jìn)行跑臺(tái)控制。

外部受控單元：包括系統(tǒng)使用的繼電器、接觸器、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器以及在他們控制下的指示燈、報(bào)警器、印刷電機(jī)、上片傳輸電機(jī)、下片傳輸電機(jī)、檢驗(yàn)電機(jī)以及伺服電機(jī)等，這些構(gòu)成了絲印系統(tǒng)的外部電路。

MCGS監(jiān)控平臺(tái)：使用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的MCGS觸摸屏構(gòu)建上位機(jī)觸屏監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互工作，實(shí)時(shí)顯示的狀態(tài)，并完成系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基本控制單元的設(shè)計(jì)

PLC是Programmable Logic Controller的縮寫(xiě)，原意為可編程邏輯控制器。但隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，其功能不再限于對(duì)邏輯量的控制，而是增加了模擬量控制以及通信等新功能。PLC的硬件系統(tǒng)主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入單元、通信接口、擴(kuò)展接口等組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部繼電器、接觸器、變頻器的控制，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)外部信號(hào)的采集和計(jì)算，對(duì)外部控制點(diǎn)進(jìn)行控制，其中，調(diào)速控制采用交流變頻調(diào)速技術(shù)，PLC采用擴(kuò)展存儲(chǔ)器通訊控制變頻器。本設(shè)計(jì)使用西門(mén)子公司s7-200整體式小型PLC，CPU型號(hào)為224XP，輸出結(jié)構(gòu)為晶體管輸出，具有內(nèi)置式24V直流電源。該型號(hào)PLC具有集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，2輸入/1輸出共3個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展值至168位數(shù)字量I/O點(diǎn)或38位模擬量I/O點(diǎn)。

PLC結(jié)構(gòu)如下：

圖2 PLC結(jié)構(gòu)圖

定位控制模塊設(shè)計(jì)

位置控制是利用定位模塊控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制伺服電機(jī)，借助接近開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)跑臺(tái)精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)玻片的傳送。本設(shè)計(jì)的定位模塊使用西門(mén)子公司EM253定位模塊，該模塊集成的脈沖接口可以產(chǎn)生200KHz的脈沖信號(hào)，5個(gè)數(shù)字量輸入，用于過(guò)程信號(hào)，2個(gè)控制輸出（DIS；CLR），12個(gè)狀態(tài) LED，24個(gè)脈沖輸出，用于直接激活驅(qū)動(dòng)器，能夠指定位置、電機(jī)速度和方向，可以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)位控功能。EM253定位模塊工作原理如圖3所示，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器工作在脈沖+模式時(shí)。P0口發(fā)送控制脈沖，P1口發(fā)送運(yùn)行方向，DIS為硬件使能，同時(shí)放大器錯(cuò)誤清零。伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)EM253的控制信號(hào)對(duì)跑臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)跑臺(tái)的上升和下降，當(dāng)跑臺(tái)電機(jī)到達(dá)上限位開(kāi)關(guān)時(shí)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，同理，當(dāng)跑臺(tái)電機(jī)到達(dá)下限位開(kāi)關(guān)時(shí)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。EM253控制圖如下：

圖3 EM253控制圖

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC控制程序

絲網(wǎng)印刷的工藝流程可以簡(jiǎn)化為13個(gè)工藝過(guò)程，包括上片、定位夾緊、跑臺(tái)上升、定位松開(kāi)、吸氣、跑臺(tái)傳片、跑臺(tái)下降、跑臺(tái)歸位、印臺(tái)上升、印刷、印臺(tái)下降、回墨以及卸片。上片后進(jìn)行破片的定位，跑臺(tái)上升后，由跑臺(tái)吸盤(pán)進(jìn)行玻片的吸附，跑臺(tái)完成轉(zhuǎn)片后進(jìn)行跑臺(tái)下降并歸位，同時(shí)印刷工作臺(tái)上升，進(jìn)行印刷工作。完成印刷后印刷工作臺(tái)下降，并將玻片傳送到卸片滑動(dòng)傳輸架，由傳送帶將印好的玻片傳至后級(jí)傳輸機(jī)。完成一個(gè)工作循環(huán)。在連續(xù)工作運(yùn)行中可以同時(shí)進(jìn)行玻片的上片和卸片，在保證印刷工藝實(shí)現(xiàn)的情況下可以盡可能的縮短每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，以縮短印刷工藝的周期，從而提高工作效率。

PLC程序流程圖如圖4。

EM253控制設(shè)置

EM253定位模塊可以通過(guò)Step7 Micro/ WIN向?qū)渲茫到y(tǒng)可以自動(dòng)生成控制子程序，可輕松實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)和軌跡運(yùn)行模式的設(shè)置。由于EM253為開(kāi)環(huán)控制，對(duì)于電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況不能直接反應(yīng)。因此，系統(tǒng)將伺服驅(qū)動(dòng)器的差分信號(hào)，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器軟件傳送至PLC，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。從而實(shí)現(xiàn)跑臺(tái)電機(jī)速度與方向的精確控制，完成跑臺(tái)的位置控制。

圖4 PLC程序流程圖

MCGS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用和操作需要都通過(guò)人機(jī)界面（HMI）來(lái)實(shí)現(xiàn)，觸摸屏作為一種新型可編程控制終端替代了傳統(tǒng)的控制面板和鍵盤(pán)操作，為用戶提供一系列的組合文字、圖形、數(shù)字等元素實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)信息的多功能顯示以及系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，并簡(jiǎn)化了PLC的控制程序。本設(shè)計(jì)使用昆侖通態(tài)生產(chǎn)的型號(hào)為T(mén)CP7062KX觸摸屏，該觸摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（主頻400MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，組態(tài)軟件使用昆侖通態(tài)MCGS7.0編程軟件實(shí)現(xiàn)。組態(tài)構(gòu)建步驟如下：

設(shè)備組態(tài)。打開(kāi)MCGS軟件，新建工程，在工作臺(tái)窗口中打開(kāi)設(shè)備窗口，在設(shè)備窗口中添加“通用串口父設(shè)備”，并在設(shè)備工具箱中的設(shè)備管理目錄“所有設(shè)備PLC西門(mén)子S7200PPI”中找到“西門(mén)子_S7200PPI”將其添加到“通用串口父設(shè)備”下。雙擊可修改設(shè)備屬性，包括設(shè)備名稱、地址、采用周期等參數(shù)。

新建數(shù)據(jù)庫(kù)。在工作臺(tái)窗口中選擇“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)”，通過(guò)新增對(duì)象添加變量，并在設(shè)備通道中連接變量與寄存器地址；

監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。在工作臺(tái)窗口中選擇“用戶窗口”，點(diǎn)擊新建窗口，雙擊打開(kāi)，繪制用戶界面，添加所需控件并為控件連接數(shù)據(jù)地址，添加相應(yīng)的腳本程序。用戶界面如圖5為手動(dòng)操作界面，圖6為自動(dòng)操作界面，圖7為參數(shù)設(shè)置頁(yè)面。

使用RS485轉(zhuǎn)RS232數(shù)據(jù)線對(duì)MCGS和S7-200PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，啟動(dòng)MCGS觸摸屏，將工程下載到觸摸屏中，運(yùn)行絲網(wǎng)印刷機(jī)控制系統(tǒng)，將PLC 開(kāi)關(guān)指向“RUN”狀態(tài)，按照絲網(wǎng)印刷機(jī)的控制要求，設(shè)置控制參數(shù)，觀察觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。

圖5 手動(dòng)操作界面

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

結(jié)束語(yǔ)

調(diào)試過(guò)程顯示，出現(xiàn)故障原因一般為：變量設(shè)置出錯(cuò)、地址連接錯(cuò)誤或命令語(yǔ)言錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試后，系統(tǒng)運(yùn)行正常，監(jiān)控效果良好。至此，絲網(wǎng)印刷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)初步完成，具體的細(xì)節(jié)還需在實(shí)踐中不斷地進(jìn)行完善。在絲網(wǎng)印刷機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該系統(tǒng)的考慮絲網(wǎng)印刷機(jī)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，把安全性、節(jié)能性貫穿于設(shè)計(jì)中,不斷地提高絲網(wǎng)印刷機(jī)的自動(dòng)化程度。

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（作者單位 曲阜師范大學(xué)）