基于IPC和PLC的紙幣塑封包裝機自動控制系統(tǒng)

王興國

(蘇州江南航天機電工業(yè)有限公司，江蘇 蘇州 215101)

0 引言

在人民幣的流通過程中，千張紙幣包裝成一捆是銀行等金融機構(gòu)日常業(yè)務(wù)工作中比較繁重而細致的工作。目前銀行大量采用的打捆機在對紙幣進行捆扎后存在比較多的問題，不利于人民幣的流通:一是傷幣，打捆機通過對錢捆施加1 000～1 500公斤壓力后采用打捆帶燙合強制扎緊整型，因此每捆錢捆最上面一捆鈔和最下面一捆鈔會有3～5張紙幣被勒傷，傷幣率在0.6% ～1%。二是不能完全杜絕抽張，打捆機采用的三道捆扎、五點連接[1]，不能完全杜絕抽張風險，所以錢捆在交接時只能通過復點分清責任。三是打捆的錢捆不便于機具復點清分，打捆的錢捆，紙幣經(jīng)常粘合在一起，商業(yè)銀行在投放到ATM機、自動存取款等機具時，只能采用人工清分，效率低。四是打捆的錢捆油墨揮發(fā)使存放庫房環(huán)境變差，影響庫管人員身體健康。五是打捆的鈔捆會受潮霉變，長期存放會發(fā)生鈔票粘連、鈔捆變結(jié)或霉變。六是打捆機封簽不便，打捆機打捆后，需要人工貼紙質(zhì)封簽或不干膠封簽，操作繁、效率低。根據(jù)目前人民幣的流通情況，中國人民銀行總行要求將引入條碼管理，推行整袋(整捆)入庫，建設(shè)人民幣物流現(xiàn)代信息管理系統(tǒng)，全面提升人民幣物流管理水平作為“十二五”工作的重點，并將“愛護人民幣、提高人民幣整潔度”作為人民銀行和商業(yè)銀行加強現(xiàn)金管理工作的重要目標[2]。因此，現(xiàn)有打捆機的更新?lián)Q代已屬必然，新型的小型化、塑封、封簽、全自動一體化紙幣塑封包裝機的研發(fā)已迫在眉睫。

YHSJ－1全自動紙幣塑封包裝機即是在這種背景情況下進行研發(fā)的，主要用于銀行系統(tǒng)，通過對紙幣進行塑封，解決現(xiàn)行人民幣紙幣打捆包裝方式存在的傷幣、被抽張、紙幣粘合、油墨粉塵、受潮變結(jié)或霉變、封簽不便、人民幣物流管理困難以及打捆包裝設(shè)備自動化程度低、操作復雜、設(shè)備體積大等問題，實現(xiàn)人民幣在流通過程中，包裝存貯的安全可靠。

1 紙幣塑封包裝機分步功能

紙幣塑封包裝機是機、電、氣一體化的全自動包裝設(shè)備，包括加熱、排水、打印、步進、壓緊、壓膜、封切、放膜、翻轉(zhuǎn)、推送、卷膜、升降、熱縮等共29個分步動作功能，傳動方式有滾珠絲桿傳動、螺桿傳動、齒輪齒條傳動、鏈傳動、氣缸傳動等，通過程序控制實現(xiàn)紙幣的全自動塑封。

2 控制原理及控制時序

2.1 控制原理

紙幣塑封包裝機控制系統(tǒng)的控制對象包括熱轉(zhuǎn)印打印機、步進電機、交流電機、氣缸、空壓機以及溫控儀表等，而且還要設(shè)置友好的人機交互界面，并實現(xiàn)與以太網(wǎng)和移動存儲設(shè)備的連接，控制節(jié)點眾多，功能復雜。綜合考慮，其控制系統(tǒng)采用兩塊平臺進行設(shè)計，上位機采用IPC工業(yè)主板，外掛觸摸顯示器，安裝WINCE6.0操作系統(tǒng)，運行人機交付界面程序、加密狗算法程序、指令及狀態(tài)查詢程序、二維碼標簽生碼程序以及熱轉(zhuǎn)印打印機驅(qū)動程序;下位機采用PLC可編程序控制器，運行設(shè)備包裝動作控制程序和自診斷控制程序。紙幣塑封包裝機控制系統(tǒng)控制原理框圖如圖1所示。

2.2 控制時序

根據(jù)紙幣塑封包裝機的控制功能要求，在工作時需實現(xiàn)連續(xù)塑封包裝，控制系統(tǒng)要適時檢測多捆鈔捆在設(shè)備中的位置，運算判斷后進行動作控制，其控制時序概述如下:

圖1 控制原理框圖

1)設(shè)備上電 啟動開機軟件，待封切及熱縮溫度達到設(shè)定值后，各單元進入準備工作狀態(tài);

2)放置鈔捆 將規(guī)定數(shù)量(1 000張/捆)的鈔捆放置在紙幣塑封包裝機進鈔口，并將鈔捆的兩個側(cè)面靠緊推鈔機構(gòu)的靠板;

3)封簽打印 打印機將鈔捆封簽打印到PE膜上;

4)袖口式封裝 步進推鈔機構(gòu)將鈔捆推送至PE膜壓裹位置，壓緊機構(gòu)的壓緊氣缸及壓膜氣缸下壓，將鈔捆壓緊，壓膜缸二次壓膜將PE膜收緊;步進推鈔機構(gòu)回到中位，Ⅰ型封切機構(gòu)下行進行封切，完成袖口式封裝;

5)鈔捆翻轉(zhuǎn) Ⅰ型封切機構(gòu)回位后，步進推鈔機構(gòu)繼續(xù)將壓裹后的鈔捆推送至翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的翻轉(zhuǎn)板上，翻轉(zhuǎn)氣缸帶動翻轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動，將鈔捆翻轉(zhuǎn)90°;

6)傳遞進整形罩 橫向推鈔機構(gòu)將翻轉(zhuǎn)后的鈔捆橫向推移，進入整形罩，使之處于筒狀POF對折膜中;

7)L型封切 整形罩中的氣缸推鈔機構(gòu)將鈔捆推送前行至升降機構(gòu)的托幣板上，此時L型封切裝置動作，進行POF薄膜全包封切，封切完畢，L型封切裝置復位;

8)鈔捆下降 經(jīng)L型封切二次裹包的鈔捆通過升降機構(gòu)下降到熱縮爐的入口;

9)熱縮 熱縮爐傳送裝置帶動全裹包后的鈔捆進入熱縮爐，熱縮完成后，鈔捆從熱縮爐出口進入接收裝置，產(chǎn)品塑封完成。

2.3 控制器選型

紙幣塑封包裝機控制系統(tǒng)核心為上位機IPC控制器和下位機PLC控制器組成，上下位機之間通過RS232通信方式連接。

根據(jù)對上位機端口和運行速度需求，上位機IPC選擇X86架構(gòu)的工業(yè)主板，處理器主頻為500 MHz，集成4個RS232串行口、3個USB接口、2個以太網(wǎng)口和1個 VGA口，WINCE6.0操作系統(tǒng)需進行裁剪;

根據(jù)對紙幣塑封包裝機控制功能需求進行分析，并綜合考慮器件成本和可靠性，下位機選擇了歐姆龍公司推出的一款一體式PLC——SYSMAC CP1E。CP1E N型 CPU單元內(nèi)置 8 k程序容量，DM區(qū)可存儲8 k字，最多可擴展3個擴展單元，而且其晶體管輸出型還提供2個高速脈沖輸出，可用于控制步進電機。

3 上位機IPC程序設(shè)計

3.1 多線程設(shè)計

紙幣塑封包裝機控制系統(tǒng)上位機IPC安裝WINCE6.0多任務(wù)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)顯示界面程序、加密狗算法程序、指令及狀態(tài)查詢程序、二維碼標簽生碼程序以及熱轉(zhuǎn)印打印機驅(qū)動程序等多任務(wù)事件處理。用戶程序用C程序語言開發(fā)，采用多線程和多進程機制，提高程序的執(zhí)行效率，合理調(diào)度資源，確保多線程的安全性[3]。

WINCE6.0系統(tǒng)支持多線程對程序的執(zhí)行效率是很有利的，但多線程資源安全性如果處理不當，發(fā)生了資源沖突問題，輕則導致程序運行時出錯，嚴重時將導致系統(tǒng)崩潰[4]。

在進行紙幣塑封包裝機嵌入式用戶程序開發(fā)時，我們采用了兩種編程機制來避免多線程出現(xiàn)資源爭奪。

1)建立同步機制，避免進程互斥競爭

在正常情況下，一個進程在啟動時首先檢查當前系統(tǒng)是否已經(jīng)存在有此進程的實例，如果沒有，進程將成功創(chuàng)建并設(shè)置標識實例已經(jīng)存在的標記。此后再創(chuàng)建進程時將會通過該標記而知曉其實例已經(jīng)存在，從而保證進程在系統(tǒng)中只能存在一個實例。

2)建立資源分配圖，避免進程死鎖

一般來說，多線程產(chǎn)生死鎖是與進程對資源的需求、進程的執(zhí)行速度、資源的分配策略有關(guān)，因此，在測試時跟蹤系統(tǒng)中的所有線程和它們鎖定的共享資源，周期性地進行檢查和維護資源分配圖，并在用戶程序中增加一些額外的代碼，及時發(fā)現(xiàn)循環(huán)等待的特征，在系統(tǒng)運行時檢測出潛在的死鎖。

3.2 IPC主程序流程

上位機IPC采用多線程方式協(xié)調(diào)利用處理器資源，其主程序流程如圖2所示。

圖2 IPC主程序流程

3.3 IPC通信程序設(shè)計

CP1E PLC的CPU在與上位機等其他設(shè)備進行通信時，可實現(xiàn)可編程終端無程序通信，即將CPU單元的串行通信模式設(shè)定為“Host Link”(上位鏈接)，在需要進行數(shù)據(jù)交換時，PLC用戶程序只要將數(shù)據(jù)存入已定義的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，或從定義好的數(shù)據(jù)存儲區(qū)取出數(shù)據(jù)即可[5]，上位機IPC可對 PLC的 CPU數(shù)據(jù)存儲區(qū)直接進行讀寫操作，上位機IPC寫數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計如下:

4 下位機PLC程序設(shè)計

下位機PLC是紙幣塑封包裝機塑封包裝動作功能的控制核心，所有執(zhí)行器件、檢測元件的驅(qū)動和檢測均由PLC進行控制，在進行其程序設(shè)計時，為確保其的可讀性，需首先對各個端口地址、定時器、計數(shù)器進行符號注釋。

4.1 PLC主程序流程

下位機PLC程序由一個主程序和16個子程序組成，其主程序流程如圖3所示。

4.2 PLC 程序設(shè)計

目前，歐姆龍 PLC開發(fā)平臺為 CX －Programmer9.0，在建立一個新的工程時首先要進行CPU的設(shè)定[6]，如圖 4 所示。

圖3 PLC主程序流程

圖4 CPU設(shè)定界面

CPU選定后，在編程界面點擊“設(shè)置”圖標，可對CPU的一些參數(shù)進行設(shè)置，如圖5所示。

在完成CPU設(shè)置后，即可開始產(chǎn)品控制程序的設(shè)計工作，可選擇梯形圖或指令表(助記符)語言進行編程。梯形圖語言源自繼電器原理圖，是一種基于梯級的圖形符號布爾語言，它通過連線，把PLC指令的梯形圖符號連接在一起，以表達所調(diào)用的PLC指令及其前后順序關(guān)系，界面簡潔直觀，簡單易學，適合大多初學者使用。指令表是基于語言符號的一種語言，適合有一定語言編程基礎(chǔ)的人員使用。

圖5 CPU參數(shù)設(shè)置

5 結(jié)束語

紙幣塑封包裝機的發(fā)明，徹底解決了現(xiàn)行人民幣紙幣打捆包裝方式存在的各種問題，實現(xiàn)了人民銀行和商業(yè)銀行加強現(xiàn)金管理工作的“愛護人民幣，提高人民幣整潔度”的重要目標，并且也符合人民銀行總行提出的“引入條碼管理，推行整袋(整捆)入庫，建設(shè)人民幣物流現(xiàn)代信息管理系統(tǒng)，全面提升人民幣流通管理水平”的“十二五”工作重點。包裝效果達到并優(yōu)于引進的國外大型同類設(shè)備的包裝效果，值得在所有國有銀行和商業(yè)銀行網(wǎng)點的推廣應(yīng)用。

[1]孫景濤.捆鈔機三道捆扎帶同步壓、融、切裝置:中國，200520023315[P].2006－05－10.

[2]李軍，李瑩.提高人民幣整潔度的思考[J].吉林金融研究，2012，33(11):42－45.

[3]劉玉利，張明，郭峰.Java的多線程及安全性[J].電腦知識與技術(shù)，2007，14(10):157 －161.

[4]潘少紅.WinCE多線程事半功倍 但須避免資源爭奪[J].IT168，2009，(8):134 －136.

[5]OMRON.SYSMAC CP系列編程手冊[K].上海:歐姆龍自動化(中國)有限公司，2007.

[6]OMRON.SYSMAC CP系列操作手冊[K].上海:歐姆龍自動化(中國)有限公司，2010.