標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)的原理及硬件選型

王燕燕（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙，410151）

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標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)的原理及硬件選型

王燕燕
（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙，410151）

摘要：結(jié)合標(biāo)簽打印系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)器件選型的步驟和原則對控制系統(tǒng)所需要的主要電氣部件：PLC、變頻器、觸摸屏、伺服電機(jī)、溫度控制器進(jìn)行了選擇，為標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：標(biāo)簽；打印控制系統(tǒng)；原理；硬件選型

1 標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)的工作原理

標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)的主電路共有5臺電動機(jī)，分別為打碼電動機(jī)M1、上色電動機(jī)M2、傳送帶電動機(jī)M3、熱封滾輪電動機(jī)M4、上色噴涂進(jìn)給電動機(jī)M5。其中M1為雙速電動機(jī)，M2、M4為三相交流異步電動機(jī)，M3為帶速度繼電器的三相交流異步電動機(jī)，M5為伺服電動機(jī)。

標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)進(jìn)入加工模式時的初始狀態(tài)是：上色噴涂進(jìn)給電機(jī)在原點(diǎn)、傳送帶上各檢測點(diǎn)常開、所有電機(jī)（M1～M5）停止。

在觸摸屏上設(shè)置好加工數(shù)量后，按下啟動按鈕，設(shè)備運(yùn)行指示燈閃爍等待放入工件，當(dāng)入料傳感器檢測到A點(diǎn)傳送帶上有標(biāo)簽工件，設(shè)備開始加工過程。首先傳送帶電動機(jī)以50Hz的頻率正轉(zhuǎn)運(yùn)行，帶動傳送帶上的工件移動。當(dāng)工件移動到B點(diǎn)后M3電機(jī)變換成15Hz正轉(zhuǎn)運(yùn)行，同時打碼電機(jī)M1高速正轉(zhuǎn)，4秒后變?yōu)榈退僬D(zhuǎn)，4秒后打碼電機(jī)M1停止（代表第一次打碼結(jié)束）。接著傳送帶立即以30Hz反轉(zhuǎn)，傳送工件重新回到B點(diǎn)，進(jìn)行第二次打碼。兩次打碼結(jié)束后，傳送帶繼續(xù)以50Hz前行，將工件移動到C點(diǎn)后開始上色，上色時要求傳送帶降為15Hz正轉(zhuǎn)運(yùn)行。先上色噴涂進(jìn)給電動機(jī)M5從原點(diǎn)前進(jìn)至SQ1位置時，上色電機(jī)M2啟動運(yùn)行，當(dāng)前進(jìn)至SQ3位置后停止，3秒后M5反轉(zhuǎn)運(yùn)行到SQ2位置時，上色電機(jī)M2停止運(yùn)行，M5繼續(xù)反轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)，上色工作結(jié)束。傳送帶繼續(xù)以50Hz前行，同時開啟熱封滾輪加熱，當(dāng)工件移動到達(dá)D點(diǎn)后先檢測滾輪溫度，溫度超過30℃開始熱封，傳送帶以15Hz正轉(zhuǎn)運(yùn)行，同時熱封滾輪電機(jī)M4運(yùn)行2秒，停2秒，循環(huán)3次后熱封結(jié)束。

2 標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)的硬件選型

標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)的電氣部件主要有：PLC、變頻器、觸摸屏、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動器、傳感器、三相交流異步電動機(jī)、限位開關(guān)、按鈕、指示燈等。

2.1 PLC的選型。通過對輸入輸出點(diǎn)、存儲容量、I/O響應(yīng)時間、PLC價(jià)格、售后服務(wù)的選擇，使用西門子公司的s7-200smart系列的ST30和SR40。其優(yōu)勢主要有：

CPU ST30 PLC是晶體管輸出，有18KB的用戶存儲器，I/ O點(diǎn)數(shù)有30個。CPU SR40 PLC是繼電器輸出，有24KB的用戶存儲器，I/O點(diǎn)數(shù)有40個。這兩種PLC都可擴(kuò)展6個模塊，擁有4個200KHz的高速計(jì)數(shù)器，2個100KHz的高速計(jì)數(shù)器，有3個100KHz的高速脈沖輸出，實(shí)時時鐘，備用時間有7天。

兩款PLC都有1個信號板，這個設(shè)計(jì)可擴(kuò)展通信端口、數(shù)字量通道、模擬量通道。在不額外占用電控柜空間的前提下，信號板擴(kuò)展更加貼合實(shí)際配置，能提升產(chǎn)品的利用率，同時降低了擴(kuò)展成本。配備了西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時間可達(dá)0.15μs，在同級別小型PLC中遙遙領(lǐng)先。CPU模塊本體標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能。一根普通的網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中，方便快捷，省去了專用編程電纜。CPU模塊本體集成了3路高速脈沖輸出，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運(yùn)動模式，可自由設(shè)置運(yùn)動包絡(luò)。配以方便易用的向?qū)гO(shè)置功能，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)速、定位等功能。本機(jī)集成MicroSD卡插槽，使用市面上通用的MicroSD卡即可實(shí)現(xiàn)程序的更新和PLC固件升級。

2.2 變頻器的選型。與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)電、實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、速度的精確控制、電氣制動等。綜合考慮系統(tǒng)的控制要求及性價(jià)比，選用西門子公司的MM420型號的變頻器，其主要特征有：

變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機(jī)短路等），并立即封鎖輸出電壓；MM420通用型變頻器具有更多的靈活性，有各種配件供選擇，非常方便地對傳動裝置進(jìn)行擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)功能；將高性能、多功能和小型化有機(jī)的結(jié)合到一起，可即插即用，無需調(diào)試，全新的IGBT矢量控制技術(shù)，起動、制動性能更優(yōu)異，具有強(qiáng)大的通訊能力、精確的控制性能和高可靠性；內(nèi)置的各種保護(hù)和過載保護(hù)功能，允許設(shè)備應(yīng)用“睡眠”運(yùn)行方式和在電源中斷或者故障跳閘以后自動再啟動，能有效地保護(hù)電機(jī)、電源。

2.3 觸摸屏的選型。觸摸屏主要有四類：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線觸摸屏、表面聲波觸摸屏，各種類型的觸摸屏特點(diǎn)如下：

電阻式觸摸屏：電阻式觸摸屏工作在與外界完全隔離的環(huán)境中，不怕灰塵、水氣和油污，可以用任何物體來觸摸，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域使用。缺點(diǎn)是由于復(fù)合薄膜的外層采用塑料，太用力或使用銳器觸摸可能劃傷觸摸屏。

電容式觸摸屏：電容式觸摸屏的分辨率很高，透光率也不錯，可以很好地滿足各方面的要求，由于iphone的問世，所以現(xiàn)今最常見的就是電容式觸摸屏。不過，電容式觸摸屏把人體當(dāng)作電容器的一個電極使用，當(dāng)有導(dǎo)體靠近并與夾層ITO工作面之間耦合出足夠大的電容時，流走的電流就會引起電容時觸摸屏的誤動作；另外，戴著手套或手持絕緣物體觸摸時會沒有反應(yīng)，這是因?yàn)樵黾恿私^緣的介質(zhì)。

紅外線觸摸屏：紅外線觸摸屏是靠測定紅外線的通斷來確定觸摸位置的，所以不存在分辨率的要求，不使用擋板，即可達(dá)到觸控效果，分辨率100%。受到紅外線射管體積的限制，不可能發(fā)射高密度的紅外線，所以這種觸摸屏的觸控物體要偏大，最小觸控物體要大于3mm。

表面聲波觸摸屏：表面聲波技術(shù)非常穩(wěn)定，而且表面聲波觸摸屏的控制器靠測量衰減時刻在時間軸上的位置來計(jì)算觸摸位置的，所以其精度非常高。在所有的觸摸屏中，只有表面聲波觸摸屏具有感知觸摸壓力的性能。但其追求精度而導(dǎo)致發(fā)射換能器功耗過大，以至易碎，維護(hù)率、返修率最高。而且受環(huán)境影響很大，怕水、怕灰塵等。

本系統(tǒng)選用MCGS TPC7062Ti型號的觸摸屏，特點(diǎn)如下：TPC7062Ti，是一種以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。

2.4 伺服電機(jī)選型。上色噴涂進(jìn)給電機(jī)要求能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，因此選用伺服電機(jī)。其選擇的首要原則是要滿足給定負(fù)載要求的電動機(jī)，然后再從中按價(jià)格、重量、體積等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇最適合的電機(jī)。伺服電機(jī)的選型計(jì)算方法如下：計(jì)算負(fù)載慣量，慣量的匹配實(shí)際應(yīng)用中越小越好，這樣對精度和響應(yīng)速度好；電機(jī)軸上負(fù)載力矩的折算和加減速力矩的計(jì)算；轉(zhuǎn)速和編碼器分辨率的確認(rèn)；電纜的選擇；再生電阻的計(jì)算和選擇，對于伺服，一般2kw以上，要外配置。

通過計(jì)算及綜合比較選擇臺達(dá)ECMA-C30604PS永磁同步交流伺服電機(jī)及ASD-B-20421-B 全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置實(shí)現(xiàn)位置的精確控制。伺服電機(jī)為電子換相式，電壓及轉(zhuǎn)速規(guī)格為220V/3000rpm，額定功率為400W，編碼器為增量式編碼器，分辨率 2500ppr，輸出信號線數(shù)為5根。伺服驅(qū)動器的額定輸出功率為400W，電源電壓規(guī)格及相數(shù)為單相 220V。

2.5 溫控的選型。溫控選用歐姆龍E5CC，該溫控器為數(shù)字式控制器，是一種可選擇熱電偶、鉑電阻、非接觸式溫度傳感器、模擬電壓輸入、模擬電流輸入的多重輸入型產(chǎn)品。除標(biāo)準(zhǔn)控制外，還可選擇加熱冷卻控制功能。調(diào)節(jié)功能可選擇AT（自動調(diào)節(jié)）或ST（自調(diào)節(jié)）。通過事件輸入，可實(shí)現(xiàn)對多重設(shè)定點(diǎn)、運(yùn)行/停止切換、自動 /手動切換、簡易程序啟動/復(fù)位切換等功能的利用。支持用戶進(jìn)行傳感器輸入和傳送輸出的校正。實(shí)現(xiàn)了防水構(gòu)造（IP66），符合安全標(biāo)準(zhǔn)（UL/CSA/IEC）及EMC標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

［1］江德松，張濤.基于PLC的玻璃杯自動切割機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.西昌學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（1）.

［2］張文軍.基于PLC的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（23）.

Principle and label printing hardware control system design

Wang Yanyan
（Hunan Mechanical&Eletrical Polytechnic，Changsha Hunan，410151）

Abstract：Works in conjunction label printing system，according to the main principles of electrical components and component selection step of the control system required:PLC，inverter，touch screen，servo motor，a temperature controller options for label printing hardware control system design ready.

Keywords：Label；printing control system；principle；Hardware Selection

作者簡介

王燕燕（1984-）女，山西臨汾，碩士，講師，研究方向：電氣自動化。