基于PLC的标签打印系统.docx

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基于PLC的标签打印系统

摘要

可编程控制器PLC是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置,其性能优越，已被广泛应用于工业控制的各个领域，并以成为工业自动化的三大支柱之一,而由于可编程控制器具有很好的处理开关控制及良好的稳定性，所以越来越多的自动化都采用PLC作为其主控制器。

本文就是基于PLC标签打印控制系统的设计。

标签打印控制系统主要由可编程控制器（PLC）、驱动装置和传动装置组成。

主要工作原理是PLC控制电气控制回路来完成标签打印工作的进行。

通过对整个系统硬件和软件的设计，最后又按照要求对系统的梯形图进行了模拟调试，得出了符合设计要求的结论。

关键词：

PLC、标签打印、梯形图

Abstract

ProgrammablecontrollerPLCisanewautomaticcontroldevicewhichintegratescomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnology.Ithasbeenwidelyusedinvariousfieldsofindustrialcontrol.Itisoneofthethreepillarsofindustrialautomation.Becauseofitsgoodcontrolandgoodstability,moreandmoreautomationusesPLCasitsmaincontroller.

ThispaperisbasedonthePLClabelprintingcontrolsystemdesign.Thelabelprintingcontrolsystemiscomposedofprogrammablelogiccontroller（PLC）,sensor,drivedeviceanddrivedevice.ThemainworkingprincipleisthePLCcontrolcircuittocompletetheworkoflabelprinting.

Throughthedesignoftheentiresystemofhardwareandsoftware,andlast,inaccordancewiththerequirementsforsimulationdebuggingsystemladderdiagram,complywiththedesignrequirementsoftheconclusionswerereached.

Keywords:

PLC,Labelprinting,ladderdiagram

引言

标签打印系统是用于工业、商业、超市、零售业、物流、仓储、图书馆等需要的条形码、二维码等标签制作，具有采用准确控制、高速运行、一体制作等要求的系统。

在标签打印系统控制领域，各种新技术也是层出不穷，不仅在实用美观方面大大改善，而且越来越人性化，智能化。

现如今大部分的标签打印机都是一种应用微型控制器和先进的机械设计而结合设计成的智能机器。

自动门可以满足各种各样的场所，具有安全、可靠、寿命长等优点。

所以它被广泛运用于工业、商业、超市、零售业、物流、仓储、图书馆等场所。

1968年为了东京奥运会，爱普生研发出打印型计时秒表，也因此奠定了良好的研发基础，接着开发出广受世界嘱目的EP-101，向打印机领域迈进了一大步，随着科学技术的发展和人们生活质量的提高，标签打印机的功能也越来越人性化，应用也越来越广泛。

标签打印机在许多商业、超市、零售业、物流、仓储、图书馆等现代大型建筑物所必备的高科技产品。

本次毕业设计的标签打印控制系统是利用西门子PLC为核心来控制,其电路结构简单易懂，操作方便。

可编程控制器是专门为自动控制而设计的控制装置，在工业自动化领域中应用特别广泛，其优点有抗干扰能力强、可靠性好、体积小、设计使用和维护方便等。

PLC控制的标签打印系统具有故障频率低、可靠性好、维修方便等优点。

文章内容主要包括了以下几个方面：

（1）简要概述标签打印系统

（2）PLC概述；

（3）标签打印系统的控制方案设计；

（4）标签打印系统控制系统的硬件设计；

（5）标签打印系统系统的软件设计；

（6标签打印系统控制系统的调试。

第一章PLC概述

PLC，即可编程控制器ProgrammableLogicController的简称。

可编程控制器是以微处理器为核心，融合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。

随着大规模、超大规模集成电路技术和数字通信技术的进步和发展，PLC技术不断提高，在工业生产中获得了极其广泛的应用。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

本设计使用西门子S7-200SMARTPLC。

1.1PLC的特点和分类

1.1.1PLC的特点

一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。

　　二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

　　三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。

1.1.2PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。

对PLC的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。

（1）按I/O点数分类：

a、微型PLC：

I/O点数小于64点的PLC为超小型或微型PLC

b、小型PLC：

I/O点数为256点以下，用户程序存储量小于8KB的为小型PLC。

c、中型PLC：

I/O点数在512-2048点之间的为中型PLC。

d、大型PLC：

I/O点数为2048点以上的为大型PLC。

（2）按结构分类：

a、整体式PLC：

将CPU、I/O单元、电源、通信等部件集成到一个机壳内的称为整体式PLC。

b、模块式PLC：

模块式PLC是将PLC的每个工作单元都制成独立的模块如CPU模块、I/O模块、电源模块以及各种功能模块。

c、叠装式PLC：

将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓的叠装式PLC。

一般低档机多为小型PLC，采用整体式机构；中档机可谓大、中、小型PLC，其中小型PLC多采用整体式结构，中型和大型PLC采用模块式结构。

1.2PLC组成

可编程控制器的构成框图和计算机是一样的，都由中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口等构成。

因此，从硬件结构来说，可编程控制器实际上就是计算机，：

（1）电源模块

　　不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC的电源输入电压既有12V和24V直流，又有110V和220V交流。

（2）中央处理单元（CPU）

　　中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。

它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

　　（3）存储器

　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

　　存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（4）输入输出组件（I/O模块）

I/0模块是CPU与现场I/0装置或其它外部设备之间的连接部件。

PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/0模块和各种用途的I/0组件供用户选用。

（5）编程器

编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视等。

还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。

编程器分为简易型和智能型两类。

（6）外部设备

一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPR0M写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。

1.3PLC的工作方式

当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.4PLC的梯形图编程语言

PLC的控制作用是靠执行用户程序实现的，因此须将控制要求用程序的形式表达出来。

程序编制就是通过特定的语言将一个控制要求描述出来的过程。

PLC的编程语言以梯形图最为常见。

本设计中的程序编制就使用到梯形图。

梯形图是一种从继电接触器控制电路图演变而来的图形语言。

它是借助类似于继电器的常开触点、常闭触点、线圈以及串联与并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，既直观又易懂。

梯形图中常用、图形符号分别表示PLC编程元件的常开和常闭触点；用表示他们的线圈。

梯形图中编程元件的种类用图形符号以及标注的字母或数字加以区别。

下图是梯形图的常用例子，动作间的互锁控制，这段梯形图的思想在本设计中多次使用。

图1-1互锁控制

启动常闭触电I0.0、I0.2哪一个先有效，对应的输出Q0.0、Q0.1将先动作，而且其中一个动作了，另一个就不会动作，也就是说Q0.0、Q0.1不会同时动作（互锁作用）。

即使I0.0、I0.2同时有效，由于梯形图程序是自上而下扫描的，Q0.0、Q0.1也不可能同时动作。

这里有几点要说明的：

（1）如前所述，梯形图中的继电器不是物理继电器，而是PLC存储器的一个存储单元。

当写入该单元的逻辑状态为1时，则表示相应继电器的线圈接通，其常开触点闭合，常闭触点断开。

（2）梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。

每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并联，最后通过线圈与右母线相连。

（3）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左向右，其两端没有电源。

（4）输入继电器用于接收外部输入信号，它不能由PLC内部其他继电器的触点来驱动。

因此梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。

输出继电器用于将程序执行的结果输出给外部设备。

当梯形图中的输出继电器线圈接通时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而是要再输出刷新阶段通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管能实现。

1.5西门子S7-200SMARTPLC简介

由于实验室提供的是西门子S7-200SMART的PLC控制器，所以下面对其优点进行简单介绍。

提供不同类型、I/O点数丰富的CPU模块，单体I/O点数最高可达60点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。

另外，CPU模块配备标准型和经济型供用户选择，对于不同的应，可满足大部分

新颖的信号板设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道。

在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。

配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15μs，在同级别小型PLC中遥遥领先。

一颗强有力的“芯”，能让您在应对繁琐的程序逻辑，复杂的工艺要求时表现的从容不迫。

CPU模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。

一根普通的网线即可将程序下载到PLC中，方便快捷，省去了专用编程电缆。

通过以太网接口还可与其它CPU模块、触摸屏、计算机进行通信，轻松组网。

CPU模块本体最多集成3路高速脉冲输出，频率高达100kHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。

配以方便易用的向导设置功能，快速实现设备调速、定位等功能。

本机集成MicroSD卡插槽，使用市面上通用的MicroSD卡即可实现程序的更新和PLC固件升级，极大地方便了客户工程师对最终用户的服务支持，也省去了因PLC固件升级返厂服务的不便。

在继承西门子编程软件强大功能的基础上，融入了更多的人性化设计，如新颖的带状式菜单、全移动式界面窗口、方便的程序注释功能、强大的密码保护等。

在体验强大功能的同时，大幅提高开发效率，缩短产品上市时间。

SIMATICS7-200SMART可编程控制器，SIMATICSMARTLINE触摸屏和SINAMICSV20变频器完美整合，为OEM客户带来高性价比的小型自动化解决方案，满足客户对于人机交互、控制、驱动等功能的全方位需求。

第二章标签打印控制系统方案的设计

2.1标签打印系统的控制要求

打码电机M1控制回路【M1为双速电机，需要考虑过载、联锁保护】。

上色电机M2控制回路【M2为三相异步电机（不带速度继电器），只进行单向正转运行】。

传送带电机M3控制回路【M3为三相异步电动机（带速度继电器），由变频器进行多段速控制,变频器参数设置为第一段速为15Hz，第二段速为30Hz，第三段速为40Hz、第四段速为50Hz，加速时间0.2秒,减速时间0.3秒】。

热封滚轮电机M4控制回路【M4为三相异步电机（不带速度继电器），只进行单向正转运行】。

上色喷涂进给电机M5控制回路【M5为伺服电机；伺服电机参数设置如下：

伺服电机旋转一周需要1000个脉冲，正转/反转的转速可为1圈/秒～3圈/秒；正转对应上色喷涂电机向下进给】。

以电动机旋转“顺时针旋转为正向,逆时针旋转为反向”为准。

1、本系统使用两台PLC，2台S7-200Smart，以工业以太网的形式组网。

2、MCGS触摸屏应连接到交换机上。

3、M1、M2、M4、SB1～SB6连接到S7-200Smart6ES7288-1SR40-0AA0。

4、M3、M5、编码器SQ1～SQ5连接到S7-200Smart6ES7288-1ST30-0AA0

2.2控制方案的设计

标签打印系统设备具备两种工作模式，模式一：

调试模式；模式二：

加工模式。

设备上电后设备自动进入调试模式。

2.2.1调试模式

设备自动进入调试模式后，触摸屏出现调试画面，如图2-1。

通过按下“选择调试按钮”，可依次选择需要调试的电机，当前电机指示灯亮，按下SB1按钮，选中的电机将进行调试运行。

每个电机调试完成后，对应的指示灯消失。

图2-1调试模式画面

（1）打码电机M1调试过程

按下启动按钮SB1后，打码电机低速运行6秒后停止，再次按下启动按钮SB1后，高速运行4秒，打码电机M1调试结束。

M1电机调试过程中，HL1以1Hz闪烁。

（2）上色喷涂电机M2调试过程

按下启动按钮SB1后，上色喷涂电机启动运行4秒后停止，上色喷涂电机M2调试结束。

M2电机调试过程中，HL1长亮。

（3）传送带电机（变频电机）M3调试过程

按下SB1按钮，M3电动机以15Hz启动，再按下SB1按钮M3电动机30Hz运行，再按下SB1按钮M3电动机40Hz运行，再按下SB1按钮M3电动机50Hz运行，按下停止按钮SB2，M3停止。

M3电机调试过程中，HL2以1Hz闪烁。

（4）热封滚轮电机M4调试过程

按下SB1按钮，电机M4启动，3秒后M4停止，2秒后又自动启动，按此周期反复运行，可随时按下SB2停止。

电机M4调试过程中，HL2长亮。

（5）上色喷涂进给电机（伺服电机）M5调试过程

初始状态断电手动调节回原点SQ1，按下SB1按钮，上色喷涂电机M5正转向左移动，当SQ2检测到信号时，停止旋转，停2秒后，电机M5反转右移，当SQ1检测到信号时，停止旋转，停2秒后，又向正转左移动至SQ3后停2秒，电机M5反转右移回原点，至此上色喷涂电机M5调试结束。

M5电机调试过程中，M5电机正转和反转转速均为1圈/秒，HL1和HL2同时以2Hz闪烁。

所有电机（M1～M5）调试完成后将自动切换进入到加工模式。

在未进入工作模式时，单台电机可以反复调试。

2.2.2加工模式

自动切换进入到加工模式后，触摸屏自动进入加工模式画面，如图2所示，触摸屏画面主要包含：

各个电机的工作状态指示灯、按钮、设置加工参数、当日生产数量（停止或失电时都不会被清零）等信息。

图2-2加工模式画面

加工模式时初始状态：

上色喷涂进给电机在原点SQ1、传送带上各检测点（SB3～SB6）常开、所有电机（M1～M5）停止等。

（1）设置加工数量后，按下启动按钮SB1，设备运行指示灯HL3闪烁等待放入工件（0.5Hz），当入料传感器（SB3）检测到A点传送带上有标签工件，则HL1长亮，设备开始加工过程，M3电机正转启动，以50Hz运行，带动传送带上的工件移动。

（2）当工件移动到达B点（由SB4给出信号）后M3电机变换成15Hz正转运行，同时打码电机M1高速正转，4秒后变为低速正转，4秒后打码电机M1停止（代表第一次打码结束）；传送带立即以30Hz反转，传送工件重新回到B点，M3电机变换成15Hz正转运行，打码机进行第二次打码，同样先高速正转4秒后变为低速正转，4秒后打码电机M1停止。

（3）两次打码结束后，传送带继续以50Hz前行，当工件移动到达C点（由SB5给出信号）后开始上色，传送带降为15Hz正转运行；先上色喷涂进给电机M5以3圈/秒速度从原点前进SQ2，此时上色电机M2启动运行；再以2圈/秒速度进给至SQ3位置后停止，3秒后M5反转以3圈/秒速度进给SQ2，上色电机M2停止运行，M5反转以1圈/秒速度回到原点，上色工作结束。

（4）上色工作结束后，传送带继续以50Hz前行，同时开启热封滚轮加热（HL3代表加热动作），当工件移动到达D点（由SB6给出信号）后先检测滚轮温度（温度控制器+热电阻Pt100），温度超过30℃开始热封（否则传送带停止运行），传送带以15Hz正转运行，同时热封滚轮电机M4运行2秒→停2秒，循环3次后热封结束。

（5）一个标签打印结束后，才能重新在入料扣放入下一个标签工件，循环运行。

在运行中按下停止按钮SB2后，设备将完成当前工件的加工后停止，同时HL1熄灭。

在运行中按下急停按钮后，各动作立即停止（人工取走标签后），设备重新启动开始运行。

2.2.3非正常情况处理

当上色喷涂进给电机M5出现越程（左、右超行程位置开关分别为两侧微动开关SQ4、SQ5），伺服系统自动锁住，并在触摸屏自动弹出报警画面“报警画面，设备越程”，解除报警后，系统重新从原点初始态启动。

第三章标签打印控制系统的硬件设计

3.1主要控制元件

如下图3-1标签打印控制系统组成图中所示：

（1）主控制器：

即PLC。

它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥电机系统工作。

（2）行程开关：

位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。

利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。

（3）伺服驱动器：

伺服驱动器又称为"伺服控制器"、"伺服放大器"，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。

（4）变频器：

是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，控制电机。

（5）电机：

是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

（6）触摸屏：

是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果

图3-1标签打印控制系统组成图

3.2PLC的选型

本课题的设计采用西门子S7-200SMART可编程控制器，有两种型号。

S7-200Smart6ES7288-1SR40-0AA0

S7-200Smart6ES7288-1ST40-0AA0

图3-2实验室使用S7-200SMART

3.3伺服驱动器的选型

本课题设计的控制系统所用电机主要用来带动打印工具的移动，我们选用的是台达的伺服系列，型号为ASD2-B2。

其主要技术参数：

▲容量范围:

0.1kW~3kW

▲输入电压：

AC200V~230V，使用单相/三相输入或三相输入。

▲位置/速度/转矩控制模式

▲编码器分辨率为17bit（160000ppr）

▲高速脉冲输入（4MPPS）

图3-4ASD2-B2伺服驱动器

3.4行程开关的选型

适用于交流50Hz、电压至380V、直流电压至220V的控制电路中，作控制运动机构的行程和变换运动方向或速度之用，本型号采用无滚轮，仅用传动杆能自动恢复的结构形式。

行程开关又称限位开关。

图3-5行程开关

3.5变频器选型

西门子M420系列是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。

其采用微处理器控制,以及现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和功能的多样性，同时降低了电动机运行的噪声，实现全面保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

3.6触摸屏选型

嵌入式低功耗CPU为核心（ARMCPU，主频400MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。

该产品设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏（分辨率1024×1024）。

图3-6M420变频器

图3-7MSGS触摸屏

第四章标签打印控制系统的软件设计

4.1调试模式控制过程的设计

设备自动进入调试模式后，触摸屏出现调试画面，如图2。

通过按下“选择调试按钮”，可依次选择需要调试的电机，当前电机指示灯亮，按下SB1按钮，选中的电机将进行调试运行。

每个电机调试完成后，对应的指示灯消失。

（1）打码电机M1调试过程

按下启动按钮SB1后，打码电机低速运行6秒后停止，再次按下启动按钮SB1后，高速运行4秒，打码电机M1调试结束。

M1电机调试过程中，HL1以1Hz闪烁。

（2）上色喷涂电机M2调试过程

按下启动按钮SB1后，上色喷涂电机启动运行4秒后停止，上色喷涂电机M2调试结束。

M2电机调试过程中，HL1长亮。

（3）传送带电机（变频电机）M3调试过程

按下SB1按钮，M3电动机以15Hz启动，再按下SB1按钮M3电动机30Hz运行，再按下SB1按钮M3电动机40Hz运行，再按下SB1按钮M3电动机50Hz运行，按下停止按钮SB2，M3停止。

M3电机调试过程中，HL2以1Hz闪烁。

（4）热封滚轮电机M4调试过程

按下SB1按钮，电机M4启动，3秒后M4停止，2秒后又自动启动，按此周期反复运行，可随时按下SB2停止。

电机M4调试过程中，HL2长亮。

（5）上色喷涂进给电机（伺服电机）M5调试过程

初始状态断电手动调节回原点SQ1，按下SB1按钮，上色喷涂电机M5正转向左移动，当SQ2检测到信号时，停止旋转，停2秒后，电机M5反转右移，当SQ1检测到信号时，停止旋转，停2秒后，又向正转左移动至SQ3后停2秒，电机M5反转右移回原点，至此上色喷涂电机M5调试结束。

M5电机调试过程中，M5电机正转和反转转速均为1圈/秒，HL1和HL2同时以2Hz闪烁。

所有电机（M1～M5）调试完成后将自动切换进入到加工模式。

在未进入工作模式时，单台电机可以反复调试。

4.2加工模式控制过程的设计

自动切换进入到加工模式后