基于PLC的生產線標簽打印系統(tǒng)設計

董文華

（河源職業(yè)技術學院 電子與信息工程學院，廣東 河源 517000）

0 引言

PLC在工業(yè)化控制領域中起到了高速有效的控制作用，它能夠代替人來操作機器，能夠實現(xiàn)遠程控制等功能，被廣泛地應用到自動化生產中?，F(xiàn)有的人工批量打印標簽存在著需要消耗大量的人力、速度慢等缺點，為了能夠節(jié)省時間和人力并能快速、安全地控制電氣設備，批量生產出所需的標簽，本文將介紹如何將PLC應用到生產線標簽打印系統(tǒng)中，設計出具有準確控制、高速運行特點并且可滿足一體制作的生產線標簽打印控制統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構和控制原理

1.1 系統(tǒng)結構

生產線標簽打印系統(tǒng)主要由打碼機、上色噴涂電機、傳送帶電機、上色電機、熱封滾輪電機、傳感器、三菱PLC FX3U-48MR、三菱變頻器E740、按鈕、交流接觸器等組成[1]。在物料檢測點A檢測到物料，在物料檢測點B用打碼機進行打碼，在物料檢測點C用上色噴涂電機進行噴圖，隨后用上色電機上色，在物料檢測點D用熱封滾輪電機進行熱封，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 生產線標簽打印系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of label printing system structure of production line

1.2 控制原理

系統(tǒng)采用PLC來控制各臺電機的啟動和停止，其中PLC控制傳送帶電機時，輸出信號給變頻器，變頻器設定高速、中速兩種速度，按照系統(tǒng)控制要求在變頻器上設定好兩種速度對應的頻率參數(shù)，再編寫程序實現(xiàn)在不同條件下不同速度運行傳送帶電機，具體控制過程如下：

系統(tǒng)工作時，按下啟動按鈕，當A點物料檢測點檢測到物料時，傳送帶（M3）以50Hz的頻率運行，運行至B點物料檢測點后，傳送帶以0Hz的頻率運行，同時打碼機進行打碼，打碼2s結束后，傳送帶又以50Hz的頻率運行，運行至C點物料檢測點后傳送帶以0Hz的頻率運行，上色噴涂電機進行噴涂4s后，傳送帶以10Hz的頻率運行2s后，又以0Hz的頻率運行，上色電機進行2s上色，上色結束后，傳送帶又以50Hz的頻率運行至D點物料檢測點后變?yōu)?Hz的頻率運行，熱封滾輪電機進行工作2s，熱封完成后，生產線的標簽打印系統(tǒng)完成（見圖1）。

2 硬件設計

標簽打印系統(tǒng)的電氣控制回路由打碼電機控制電路、上色電機控制電路、傳送帶電機控制電路、熱封滾輪電機控制電路和上色噴涂進給電機控制電路組成，其中打碼機、上色噴涂電機、上色電機、熱封滾輪電機分別由交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4控制，傳送帶電機由變頻器進行速度控制，即在變頻器設置RH高速、RM中速這兩種速度的參數(shù)頻率，RH高速設置Pr.4的頻率值，RM中速設置Pr.5的頻率值，采用高速或中速的信號來源于PLC的程序控制，變頻輸出給傳送帶電機就可以實現(xiàn)傳送帶電機不同速度運行。

2.1 PLC的I/O端口分配

系統(tǒng)設置有啟動按鈕、停止按鈕和急停按鈕以及物料各個檢測點采用的傳感器，均屬于施控元件，應分配給PLC的輸入端口；而STF正轉是變頻器控制傳送帶電機正轉的信號輸入端[2]，RH高速和RM中速是變頻器采用高速或中速輸出頻率給傳送帶電機的信號輸入端，它們的信號均來源于PLC的輸出。因此，變頻器的STF、RH、RM和各個控制電機的交流接觸器KM均屬于被控對象，應分配給PLC的輸出端口。具體的I/O分配見表1。

表1 生產線標簽打印系統(tǒng)的PLC I/O分配Table 1 PLC I/O Assignment of the line label printing system

圖2 生產線標簽打印系統(tǒng)PLC控制線路接線示意圖Fig.2 Schematic diagram of PLC control line wiring in label printing system of production line

2.2 PLC控制電路設計

根據(jù)三菱PLC FX3U-MR、三菱變頻器E740的工作特性及標簽打印系統(tǒng)的PLC I/O 分配情況，PLC控制電路設計如圖2所示。根據(jù)PLC的I/O分配表，PLC的輸入端口一一對應連接各自分配的元器件，PLC的輸出端口對應接其對應的負載（如KM1線圈），而負載的另一端對應接一個公共端與PLC構成回路，每4個輸出端口對應1個公共端，如Y0-Y3對應的公共端口是COM1，Y4—Y7對應的公共端口是COM2；三菱變頻器E740的供電相序有嚴格要求，三相電源的三相分別接在變頻器接線端R/L1、S/L2、T/L3上，提供電源給變頻器，而變頻器U、V、W則是變頻器變頻輸出電源給傳送帶電機，與電機相連接，SD是變頻器中的公共端口，接在PLC的公共端口COM2上（Y4-Y6對應的公共端是COM2）。

圖3 生產線標簽打印系統(tǒng)順序功能圖Fig.3 Sequence function diagram of label printing system in production line

3 程序設計

PLC的程序設計有經驗設計法、順序控制設計法等方法，用經驗設計法設計PLC梯形圖程序時沒有固定的方法和步驟可以遵循[3]，具有很大的試探性和隨意性，而且一旦要修改時往往牽一發(fā)而動全身，必須全面修改整個程序，這就需要用很多的時間來修改，而順序控制設計法就是將系統(tǒng)的一個工作周期分成若干個順序相連的階段[4]，這些階段獨立而又相連，這些階段稱為“步”，按照一定的方法來進行編寫每一步的程序，每一步的程序都是獨立的，可單獨進行編寫和修改程序。因此，在設計控制系統(tǒng)的主體程序時，通常會采用順序控制設計法。本系統(tǒng)采用順序控制設計法來設計PLC的控制程序，首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝畫其順序功能圖（見圖3），其次再將順序功能圖對應一一轉換成為梯形圖程序。

系統(tǒng)的順序功能圖轉換成梯形圖程序有使用步進順控指令STL的編程方法，使用“起—?！！彪娐返木幊谭椒ê鸵赞D換為中心的編程方法3種。如果采用編程元件S代表步，則使用步進順控指令STL的編程方法來進行編程；如果采用編程元件M代表步，則使用“起—?！！彪娐返木幊谭椒ɑ蛞赞D換為中心的編程方法。本系統(tǒng)順序功能圖（見圖3）中采用了S來代表步，故使用步進順控指令STL的編程方法來進行編程。

圖4 步S20和S21的梯形圖程序Fig.4 Ladder diagram program for step S20 and S21

所有的步都是按時間順序劃分的，因此在單序列和選擇序列結構的順序功能圖中，有且僅有一步是活動步，要把哪一步變成活動步，必須滿足兩個條件：一是其前級步是活動步，二是轉換條件被滿足。每一步變成活動步的條件都是這兩個，缺一不可，在該步變成活動步時，其右邊的動作就會被無條件執(zhí)行，執(zhí)行完之后根據(jù)轉換條件被滿足而轉換成下一步為活動步。每一步程序在STL指令區(qū)均具有這3部分功能：動作被執(zhí)行，指定轉換條件和指定轉換目標，如步的右邊沒有動作則沒有動作被執(zhí)行（如S0和S20右邊就沒有動作），但后面兩部分功能在任何一步都是具備的。

PLC運行時，由初始化脈沖特殊輔助繼電器M8002激活S0，初始步S0為活動步，控制系統(tǒng)等待命令時，按下啟動按鈕X0，在步S20變成活動步的同時S0就變成非活動步，此時S20變成活動步的條件就是前級步S0是活動步和S0轉換為S20的轉換條件X0被滿足（常開觸點X0閉合）。

如S21，其程序如圖4所示。其前級步為S20，由S20轉換成S21的轉換條件是A點物料檢測點X3，所以把S21變成活動步的條件就是：一是S20是活動步，二是A點物料檢測點X3檢測到物料（即X3常開觸點閉合）；S21變?yōu)榛顒硬?，則其右邊的動作Y4和Y5就執(zhí)行，輸出Y4和Y5。當轉換為下一步S22的轉換條件X4的條件被滿足（即B點物料檢測點檢測到物料即X4常開觸點閉合），則轉換為下一步S22，此時S22將變成活動步，而S21變成非活動步。

4 系統(tǒng)調試

在進行系統(tǒng)的調試之前，應該首先逐一檢查系統(tǒng)的外部接線是否正確，利用萬用表進行全面地檢查，若檢查無問題后，方可運行并調試程序。

1）使用計算機充當編程器，用編程下載線USB-SC09-FX連接計算機與PLC。

2）將PLC調至STOP狀態(tài)。

3）使用GX Work2作為PLC編程的軟件，選擇FX3U的PLC類型建立新工程，然后進行編程。

4）編寫好程序后，選擇相應地通訊串口進行連接，通訊成功之后，將所編寫好的程序寫入到PLC中。

5）按下啟動按鈕，逐步地執(zhí)行程序，通過PLC輸入輸出狀態(tài)指示燈可以知道程序是否正常工作，也可以通過模擬面板上動作的顯示監(jiān)視運行狀態(tài)是否正常。如出現(xiàn)異常，立即進行修改。然后在按下停止按鈕，急停按鈕，觀察控制設備是否能夠按照要求停止運行。

6）在程序的調試過程中，需要多次調試，觀察是否還存在著其他的問題，若有其他問題存在，應立即修改。

5 結論

本系統(tǒng)可用于工業(yè)、商業(yè)、超市、零售業(yè)、物流、倉儲、圖書館等需要的條形碼和二維碼等標簽制作，將PLC應用在這個系統(tǒng)中，使其具有準確控制、高速運行的特點，可滿足一體制作等要求，而且可以使其在不需要改變外部接線的情況下，通過修改其PLC控制程序就可以改變或擴充其功能，這是繼電器控制電路無法實現(xiàn)的。