陳慧敏，于福華，孟淑麗

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

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)升級需求和科學(xué)技術(shù)進步，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、伺服步進驅(qū)動技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、儀表信號和觸摸屏組態(tài)編程等核心技術(shù)，并將它們有機地融合在一起[1]。在現(xiàn)代高職教育中，將涉及各個學(xué)科的知識進行有機融合，形成從“單一課程孤立學(xué)習(xí)”向“實踐項目融會貫通”轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)綜合性工程技術(shù)人才，成為自動化專業(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)計為例，闡述了如何從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)著手，詳細(xì)說明了系統(tǒng)的輸入、輸出端子分配，通過組建網(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，并進行PLC 程序編寫、觸摸屏界面設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)各控制模塊數(shù)據(jù)之間的通信、各運動位置的定位檢測、各控制電機的調(diào)試、生產(chǎn)線各電機運行控制監(jiān)測等功能。該系統(tǒng)從社會需求的實際出發(fā)，具有準(zhǔn)確控制、高速運行、一體制作的特點，具備一定的使用價值，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)，通過該系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握的技能與實際生產(chǎn)更接近，應(yīng)用性更強。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)線標(biāo)簽打印系統(tǒng)主要由打碼機電機、上色噴涂電機、傳送帶電機、上色電機、熱封滾輪電機、傳感器、西門子S7 系列PLC、西門子M420 變頻器、三菱MR-JE-20A 伺服驅(qū)動、按鈕、交流接觸器等組成。物料由入料口進入，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 噴涂上色，在物料檢測點D 用熱封滾輪電機進行熱封，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

1.2.1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)的控制器選用西門子S7-300和2臺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)軟件對監(jiān)控界面進行設(shè)計[4]?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計方案為指定S7-300為主站，2臺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M1、上色噴涂電機M2、熱封滾輪電 機 M4 的 控 制 。S7-200SMART ST20負(fù)責(zé)傳送帶電機M3和上色電機M5的控制。其中M1選用雙速電機，滿足打碼機對電機轉(zhuǎn)速要求可變而又不需要無級變速；M2 和M4 電路簡單，只需滿足電機單向正轉(zhuǎn)，選用三相異步電動機；M3 選用三相異步電動機，由MM420 變頻器進行多段速控制[5]，滿足生產(chǎn)線多速度運行；M5 選用伺服電動機，由三菱MR-JE-20A 伺服驅(qū)動器驅(qū)動，需要根據(jù)伺服電動機的分辨率，合理設(shè)置伺服驅(qū)動器電子齒輪比，使伺服電動機每轉(zhuǎn)一圈需要PLC發(fā)出10000個脈沖。

圖2 硬件系統(tǒng)

1.2.2 輸入輸出端子分配

在明確控制對象的控制任務(wù)和要求及完成PLC的機型選型后，接下來的工作就是根據(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I/O地址進行編號，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 臺西門子PLC，網(wǎng)絡(luò)指定S7-300 系列PLC為主站，2 臺S7-200SMART 系列PLC 為從站，分別通過以太網(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

3.1 PLC控制系統(tǒng)程序的整體設(shè)計

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

設(shè)備上電后，觸摸屏自動進入啟動首頁界面，在該界面設(shè)定了系統(tǒng)零點調(diào)試功能。設(shè)備調(diào)試人員在調(diào)試和加工進行前，首先需要對系統(tǒng)的零點位置和上色噴涂位置進行定位，如果設(shè)備在調(diào)試完成后，各定位模塊沒有變動，此調(diào)式功能使用一次即可。系統(tǒng)零點調(diào)試完成，進入調(diào)試模式界面，操作人員可通過選擇各個相應(yīng)調(diào)試電機，手動點擊進行各控制電機的調(diào)試。在加工模式下，僅需操作人員在觸摸屏中，點擊“啟動按鈕”，設(shè)備進入自動運行。整個系統(tǒng)設(shè)計運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

主站S7-300在系統(tǒng)中沒有具體的功能要求，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個字節(jié)，讀取從站#1站V70.0起的3個字節(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個字節(jié)，發(fā)送給從站#1站V50.0起的4個字節(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，還涉及一個電機調(diào)試結(jié)束信號，由ST20發(fā)出送給S7-300，對調(diào)試頁面的電機選擇MB51 復(fù)位，如圖6所示。

圖6 電機選擇復(fù)位

3.3 從站PLC程序設(shè)計

在ST20 的PLC 程序中使用GET/PUT 向?qū)?、運動向?qū)7]，其設(shè)置如下。

3.3.1 GET/PUT向?qū)?/p>

使用GET/PUT 向?qū)?，添加GET、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，存儲器分配地址為“VB2000～VB2069”。

3.3.2 運動向?qū)?/p>

使用運動向?qū)?，電機一次旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)為10000，測量的基本單位為mm，電機一次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生5 mm 的距離，方向相位設(shè)置為“AB 正交相位（2 個輸出）”，極性為“負(fù)”，啟用RPS 使用I0.3 建立零點位置，添加“回零”曲線，運行模式為“單速連續(xù)旋轉(zhuǎn)”，曲線的旋轉(zhuǎn)方向為“負(fù)”，勾選使用RPS 輸入發(fā)出停止信號，存儲器分配地址為“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中進行程序編寫，STR0中不進行程序設(shè)置，其相關(guān)輸入輸出通過以太網(wǎng)傳與ST20 進行傳遞。本部分程序包括有1個主程序，調(diào)試模式、加工模式、手動位置測試、回零以及各定位位置間運動共12個子程序。

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，實現(xiàn)Smart200PLC之間的數(shù)據(jù)傳遞；使用了AXIS0_CTRL來啟用和初始化運動軸，如圖7所示。

圖7 NET_EXE和AXIS0_CTR

圖8 子程序——手動測試位置

手動位置測試子程序使用AXIS0_MAN指令，表示了手動移動伺服電機的速度為5.0 mm/s，由V50.3 和V50.4 控制電機的正轉(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，運動曲線是回零包絡(luò)，如圖9所示。

圖9 子程序——回零

圖10 子程序——零點至SQ1運動

各定位位置間運動子程序可使用AXIS0_GOTO 來編寫，在滿足運動的條件下驅(qū)動該指令，如圖10所示，表示該運動的運動相對距離為100.0 mm。

4 觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計

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

4.1 首頁界面

在首頁界面中，設(shè)計了2 個區(qū)域，一個是系統(tǒng)零點調(diào)試區(qū)，方便操作人員在系統(tǒng)定位位置發(fā)生改變時，進行系統(tǒng)零點調(diào)試；一個是人機界面切換操作區(qū)，根據(jù)不同權(quán)限進入相應(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 首頁界面

圖12 調(diào)試模式界面

表6 首頁界面構(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

實踐證明，本文所設(shè)計的工業(yè)生產(chǎn)線標(biāo)簽打印控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線打印標(biāo)簽過程的自動化運行。從生產(chǎn)實踐角度，該系統(tǒng)具有一定的使用價值，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)，對于相關(guān)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)設(shè)計有一定的借鑒作用；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)控制實訓(xùn)活動，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，對于引導(dǎo)高職教育向工程實踐、工程創(chuàng)新方向發(fā)展，有一定的參考價值。