王燕燕（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(tái)電動(dòng)機(jī)，分別為打碼電動(dòng)機(jī)M1、上色電動(dòng)機(jī)M2、傳送帶電動(dòng)機(jī)M3、熱封滾輪電動(dòng)機(jī)M4、上色噴涂進(jìn)給電動(dòng)機(jī)M5。其中M1為雙速電動(dòng)機(jī)，M2、M4為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，M3為帶速度繼電器的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，M5為伺服電動(dòng)機(jī)。

標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)進(jìn)入加工模式時(shí)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(cè)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(dòng)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(cè)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(dòng)機(jī)以50Hz的頻率正轉(zhuǎn)運(yùn)行，帶動(dòng)傳送帶上的工件移動(dòng)。當(dāng)工件移動(dòng)到B點(diǎn)后M3電機(jī)變換成15Hz正轉(zhuǎn)運(yùn)行，同時(shí)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(dòng)到C點(diǎn)后開始上色，上色時(shí)要求傳送帶降為15Hz正轉(zhuǎn)運(yùn)行。先上色噴涂進(jìn)給電動(dòng)機(jī)M5從原點(diǎn)前進(jìn)至SQ1位置時(shí)，上色電機(jī)M2啟動(dòng)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(shí)，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(shí)開啟熱封滾輪加熱，當(dāng)工件移動(dòng)到達(dá)D點(diǎn)后先檢測(cè)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(shí)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(dòng)器、傳感器、三相交流異步電動(dòng)機(jī)、限位開關(guān)、按鈕、指示燈等。

2.1 PLC的選型。通過對(duì)輸入輸出點(diǎn)、存儲(chǔ)容量、I/O響應(yīng)時(shí)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(shì)主要有：

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

兩款PLC都有1個(gè)信號(hào)板，這個(gè)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(hào)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(shí)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(shí)間可達(dá)0.15μs，在同級(jí)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(dòng)模式，可自由設(shè)置運(yùn)動(dòng)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(jí)。

2.2 變頻器的選型。與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)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(dòng)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(hào)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(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類別（如電網(wǎng)瞬時(shí)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(duì)傳動(dòng)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(dòng)、制動(dòng)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(dòng)再啟動(dòng)，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(cuò)，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(gè)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(shí)，流走的電流就會(huì)引起電容時(shí)觸摸屏的誤動(dòng)作；另外，戴著手套或手持絕緣物體觸摸時(shí)會(huì)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(cè)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(cè)量衰減時(shí)刻在時(shí)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(hào)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(shí)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(dòng)機(jī)，然后再?gòu)闹邪磧r(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(duì)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(duì)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(tái)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(dòng)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(hào)線數(shù)為5根。伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)）或ST（自調(diào)節(jié)）。通過事件輸入，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多重設(shè)定點(diǎn)、運(yùn)行/停止切換、自動(dòng) /手動(dòng)切換、簡(jiǎn)易程序啟動(dòng)/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(dòng)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(jiǎn)介

王燕燕（1984-）女，山西臨汾，碩士，講師，研究方向：電氣自動(dòng)化。