工業(yè)生產(chǎn)線標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳慧敏，于福華，孟淑麗

（北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，北京 100102）

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)需求和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)代工控系統(tǒng)覆蓋了PLC 控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻器與交流調(diào)速、伺服步進(jìn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、儀表信號(hào)和觸摸屏組態(tài)編程等核心技術(shù)，并將它們有機(jī)地融合在一起[1]。在現(xiàn)代高職教育中，將涉及各個(gè)學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，形成從“單一課程孤立學(xué)習(xí)”向“實(shí)踐項(xiàng)目融會(huì)貫通”轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)綜合性工程技術(shù)人才，成為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)重要的課題之一[2]。本文以工業(yè)標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，闡述了如何從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)著手，詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)的輸入、輸出端子分配，通過(guò)組建網(wǎng)絡(luò)、規(guī)劃通信數(shù)據(jù)，并根據(jù)各工作單元的要求，繪制整體程序流程圖，并進(jìn)行PLC 程序編寫(xiě)、觸摸屏界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各控制模塊數(shù)據(jù)之間的通信、各運(yùn)動(dòng)位置的定位檢測(cè)、各控制電機(jī)的調(diào)試、生產(chǎn)線各電機(jī)運(yùn)行控制監(jiān)測(cè)等功能。該系統(tǒng)從社會(huì)需求的實(shí)際出發(fā)，具有準(zhǔn)確控制、高速運(yùn)行、一體制作的特點(diǎn)，具備一定的使用價(jià)值，更重要的是此系統(tǒng)綜合PLC控制、觸摸屏等現(xiàn)代工控行業(yè)中的各核心技術(shù)，通過(guò)該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握的技能與實(shí)際生產(chǎn)更接近，應(yīng)用性更強(qiáng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)線標(biāo)簽打印系統(tǒng)主要由打碼機(jī)電機(jī)、上色噴涂電機(jī)、傳送帶電機(jī)、上色電機(jī)、熱封滾輪電機(jī)、傳感器、西門(mén)子S7 系列PLC、西門(mén)子M420 變頻器、三菱MR-JE-20A 伺服驅(qū)動(dòng)、按鈕、交流接觸器等組成。物料由入料口進(jìn)入，在物料檢測(cè)點(diǎn)A檢測(cè)到物料，在物料檢測(cè)點(diǎn)B用打碼機(jī)進(jìn)行打碼，在物料檢測(cè)點(diǎn)C 噴涂上色，在物料檢測(cè)點(diǎn)D 用熱封滾輪電機(jī)進(jìn)行熱封，圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)的控制器選用西門(mén)子S7-300和2臺(tái)S7-200SMART系列PLC，配以昆侖通泰TPC 7062Ti 觸摸屏，并使用其內(nèi)置的MCGS組態(tài)軟件對(duì)監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為指定S7-300為主站，2臺(tái)S7-200SMART為從站，分別以以太網(wǎng)形式組網(wǎng)。本系統(tǒng)以此為基本結(jié)構(gòu)，組建工業(yè)生產(chǎn)線標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)如圖2所示。

S7-200SMART SR20負(fù)責(zé)打碼電機(jī)M1、上色噴涂電機(jī)M2、熱封滾輪電 機(jī) M4 的 控 制 。S7-200SMART ST20負(fù)責(zé)傳送帶電機(jī)M3和上色電機(jī)M5的控制。其中M1選用雙速電機(jī)，滿足打碼機(jī)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求可變而又不需要無(wú)級(jí)變速；M2 和M4 電路簡(jiǎn)單，只需滿足電機(jī)單向正轉(zhuǎn)，選用三相異步電動(dòng)機(jī)；M3 選用三相異步電動(dòng)機(jī)，由MM420 變頻器進(jìn)行多段速控制[5]，滿足生產(chǎn)線多速度運(yùn)行；M5 選用伺服電動(dòng)機(jī)，由三菱MR-JE-20A 伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，需要根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的分辨率，合理設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器電子齒輪比，使伺服電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需要PLC發(fā)出10000個(gè)脈沖。

圖2 硬件系統(tǒng)

1.2.2 輸入輸出端子分配

在明確控制對(duì)象的控制任務(wù)和要求及完成PLC的機(jī)型選型后，接下來(lái)的工作就是根據(jù)控制系統(tǒng)的具體工藝流程，具體安排輸入、輸出配置并對(duì)I/O地址進(jìn)行編號(hào)，如表1～2所示。

表1 S7-200SMART SR20地址分配表

表2 S7-200SMART ST20地址分配表

2 網(wǎng)絡(luò)組建

系統(tǒng)使用了3 臺(tái)西門(mén)子PLC，網(wǎng)絡(luò)指定S7-300 系列PLC為主站，2 臺(tái)S7-200SMART 系列PLC 為從站，分別通過(guò)以太網(wǎng)形式組網(wǎng)[6]。

2.1 通信線連接

采用5根網(wǎng)線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，各設(shè)備的IP地址如表3所示。

表3 系統(tǒng)設(shè)備IP地址

表4 通信數(shù)據(jù)交換示意表

2.2 規(guī)劃通信數(shù)據(jù)

總結(jié)通信數(shù)據(jù)交換范圍示意表，如表4 所示。定義各站的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)定義，如表5所示。

表5 網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)定義

3 PLC程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)程序的整體設(shè)計(jì)

為滿足實(shí)際打印過(guò)程中的要求，工業(yè)標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)包括2種工作模式，分為手動(dòng)調(diào)試和加工2種控制模式。

設(shè)備上電后，觸摸屏自動(dòng)進(jìn)入啟動(dòng)首頁(yè)界面，在該界面設(shè)定了系統(tǒng)零點(diǎn)調(diào)試功能。設(shè)備調(diào)試人員在調(diào)試和加工進(jìn)行前，首先需要對(duì)系統(tǒng)的零點(diǎn)位置和上色噴涂位置進(jìn)行定位，如果設(shè)備在調(diào)試完成后，各定位模塊沒(méi)有變動(dòng)，此調(diào)式功能使用一次即可。系統(tǒng)零點(diǎn)調(diào)試完成，進(jìn)入調(diào)試模式界面，操作人員可通過(guò)選擇各個(gè)相應(yīng)調(diào)試電機(jī)，手動(dòng)點(diǎn)擊進(jìn)行各控制電機(jī)的調(diào)試。在加工模式下，僅需操作人員在觸摸屏中，點(diǎn)擊“啟動(dòng)按鈕”，設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行的程序流程圖如圖3所示。

圖3 整體程序流程圖

3.2 主站S7-300 PLC程序設(shè)計(jì)

主站S7-300在系統(tǒng)中沒(méi)有具體的功能要求，因此程序主要涉及網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)的規(guī)劃。

讀取從站1#數(shù)據(jù)：主站從M70.0起的3個(gè)字節(jié)，讀取從站#1站V70.0起的3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 讀取從站#1站數(shù)據(jù)

發(fā)送從站1#數(shù)據(jù)：主站從M50.0起的4個(gè)字節(jié)，發(fā)送給從站#1站V50.0起的4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 發(fā)送給從站#1站數(shù)據(jù)

此外，還涉及一個(gè)電機(jī)調(diào)試結(jié)束信號(hào)，由ST20發(fā)出送給S7-300，對(duì)調(diào)試頁(yè)面的電機(jī)選擇MB51 復(fù)位，如圖6所示。

圖6 電機(jī)選擇復(fù)位

3.3 從站PLC程序設(shè)計(jì)

在ST20 的PLC 程序中使用GET/PUT 向?qū)А⑦\(yùn)動(dòng)向?qū)7]，其設(shè)置如下。

3.3.1 GET/PUT向?qū)?/p>

使用GET/PUT 向?qū)В砑覩ET、PUT 操作，GET 操作設(shè)置本地CPU（192.168.2.1）、遠(yuǎn)程CPU（192.168.2.2），將SR20的IB0 傳送給ST20 的VB100；PUT 操作將ST20 的QB0 傳送給SR20的VB101，存儲(chǔ)器分配地址為“VB2000～VB2069”。

3.3.2 運(yùn)動(dòng)向?qū)?/p>

使用運(yùn)動(dòng)向?qū)В姍C(jī)一次旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)為10000，測(cè)量的基本單位為mm，電機(jī)一次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生5 mm 的距離，方向相位設(shè)置為“AB 正交相位（2 個(gè)輸出）”，極性為“負(fù)”，啟用RPS 使用I0.3 建立零點(diǎn)位置，添加“回零”曲線，運(yùn)行模式為“單速連續(xù)旋轉(zhuǎn)”，曲線的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)椤柏?fù)”，勾選使用RPS 輸入發(fā)出停止信號(hào)，存儲(chǔ)器分配地址為“VB2100～VB2203”，組 件 選 用AXIS0_CTRL、 AXIS0_GOTO、 AXIS0_MAN、AXIS0_RUN。

3.3.3 PLC程序

本系統(tǒng)主要在ST20 CPU中進(jìn)行程序編寫(xiě)，STR0中不進(jìn)行程序設(shè)置，其相關(guān)輸入輸出通過(guò)以太網(wǎng)傳與ST20 進(jìn)行傳遞。本部分程序包括有1個(gè)主程序，調(diào)試模式、加工模式、手動(dòng)位置測(cè)試、回零以及各定位位置間運(yùn)動(dòng)共12個(gè)子程序。

在主程序用使用NET_EXE 指令啟用程序內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)Smart200PLC之間的數(shù)據(jù)傳遞；使用了AXIS0_CTRL來(lái)啟用和初始化運(yùn)動(dòng)軸，如圖7所示。

圖7 NET_EXE和AXIS0_CTR

圖8 子程序——手動(dòng)測(cè)試位置

手動(dòng)位置測(cè)試子程序使用AXIS0_MAN指令，表示了手動(dòng)移動(dòng)伺服電機(jī)的速度為5.0 mm/s，由V50.3 和V50.4 控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，如圖8所示。

回零子程序使用指令A(yù)XIS0_RUN，表示了系統(tǒng)回零由V50.2控制，運(yùn)動(dòng)曲線是回零包絡(luò)，如圖9所示。

圖9 子程序——回零

圖10 子程序——零點(diǎn)至SQ1運(yùn)動(dòng)

各定位位置間運(yùn)動(dòng)子程序可使用AXIS0_GOTO 來(lái)編寫(xiě)，在滿足運(yùn)動(dòng)的條件下驅(qū)動(dòng)該指令，如圖10所示，表示該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)距離為100.0 mm。

4 觸摸屏組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，觸摸屏監(jiān)控界面需要設(shè)計(jì)5 個(gè)窗口，分別為首頁(yè)界面、調(diào)試模式界面、加工模式界面、越程報(bào)警界面、溫度報(bào)警界面。

4.1 首頁(yè)界面

在首頁(yè)界面中，設(shè)計(jì)了2 個(gè)區(qū)域，一個(gè)是系統(tǒng)零點(diǎn)調(diào)試區(qū)，方便操作人員在系統(tǒng)定位位置發(fā)生改變時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)零點(diǎn)調(diào)試；一個(gè)是人機(jī)界面切換操作區(qū)，根據(jù)不同權(quán)限進(jìn)入相應(yīng)的操作界面，如圖11所示。該界面的屬性設(shè)置如表6所示。

圖11 首頁(yè)界面

圖12 調(diào)試模式界面

表6 首頁(yè)界面構(gòu)件屬性

4.2 調(diào)試模式界面

利用“標(biāo)簽”、“插入元件”指示燈、“標(biāo)準(zhǔn)按鈕”、“組合框”構(gòu)件完成調(diào)試模式界面制作，如圖12所示，該界面的屬性設(shè)置如表7所示。

表7 調(diào)試模式界面構(gòu)件屬性

4.3 加工模式畫(huà)面

利用“標(biāo)簽”、“插入元件”指示燈、“標(biāo)準(zhǔn)按鈕”、“輸入框”構(gòu)件完成加工模式界面制作，如圖13所示，該界面的屬性設(shè)置如表8所示。

圖13 加工模式界面

表8 加工模式界面構(gòu)件屬性

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，本文所設(shè)計(jì)的工業(yè)生產(chǎn)線標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線打印標(biāo)簽過(guò)程的自動(dòng)化運(yùn)行。從生產(chǎn)實(shí)踐角度，該系統(tǒng)具有一定的使用價(jià)值，且綜合了PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻器技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和觸摸屏技術(shù)等現(xiàn)代工控行業(yè)中的各核心技術(shù)，對(duì)于相關(guān)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用；在高職教育人才培養(yǎng)方面，該系統(tǒng)有利于學(xué)生綜合化的工業(yè)控制實(shí)訓(xùn)活動(dòng)，有利于學(xué)生從工程系統(tǒng)的高度去融合貫通各學(xué)科知識(shí)，對(duì)于引導(dǎo)高職教育向工程實(shí)踐、工程創(chuàng)新方向發(fā)展，有一定的參考價(jià)值。