董文華

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 河源 517000）

0 引言

PLC在工業(yè)化控制領(lǐng)域中起到了高速有效的控制作用，它能夠代替人來(lái)操作機(jī)器，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能，被廣泛地應(yīng)用到自動(dòng)化生產(chǎn)中。現(xiàn)有的人工批量打印標(biāo)簽存在著需要消耗大量的人力、速度慢等缺點(diǎn)，為了能夠節(jié)省時(shí)間和人力并能快速、安全地控制電氣設(shè)備，批量生產(chǎn)出所需的標(biāo)簽，本文將介紹如何將PLC應(yīng)用到生產(chǎn)線標(biāo)簽打印系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)出具有準(zhǔn)確控制、高速運(yùn)行特點(diǎn)并且可滿足一體制作的生產(chǎn)線標(biāo)簽打印控制統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理

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(jī)、上色噴涂電機(jī)、傳送帶電機(jī)、上色電機(jī)、熱封滾輪電機(jī)、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(cè)點(diǎn)A檢測(cè)到物料，在物料檢測(cè)點(diǎn)B用打碼機(jī)進(jìn)行打碼，在物料檢測(cè)點(diǎn)C用上色噴涂電機(jī)進(jìn)行噴圖，隨后用上色電機(jī)上色，在物料檢測(cè)點(diǎn)D用熱封滾輪電機(jī)進(jìn)行熱封，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線標(biāo)簽打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(lái)控制各臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)和停止，其中PLC控制傳送帶電機(jī)時(shí)，輸出信號(hào)給變頻器，變頻器設(shè)定高速、中速兩種速度，按照系統(tǒng)控制要求在變頻器上設(shè)定好兩種速度對(duì)應(yīng)的頻率參數(shù)，再編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)在不同條件下不同速度運(yùn)行傳送帶電機(jī)，具體控制過(guò)程如下：

系統(tǒng)工作時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，當(dāng)A點(diǎn)物料檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到物料時(shí)，傳送帶（M3）以50Hz的頻率運(yùn)行，運(yùn)行至B點(diǎn)物料檢測(cè)點(diǎn)后，傳送帶以0Hz的頻率運(yùn)行，同時(shí)打碼機(jī)進(jìn)行打碼，打碼2s結(jié)束后，傳送帶又以50Hz的頻率運(yùn)行，運(yùn)行至C點(diǎn)物料檢測(cè)點(diǎn)后傳送帶以0Hz的頻率運(yùn)行，上色噴涂電機(jī)進(jìn)行噴涂4s后，傳送帶以10Hz的頻率運(yùn)行2s后，又以0Hz的頻率運(yùn)行，上色電機(jī)進(jìn)行2s上色，上色結(jié)束后，傳送帶又以50Hz的頻率運(yùn)行至D點(diǎn)物料檢測(cè)點(diǎn)后變?yōu)?Hz的頻率運(yùn)行，熱封滾輪電機(jī)進(jìn)行工作2s，熱封完成后，生產(chǎn)線的標(biāo)簽打印系統(tǒng)完成（見(jiàn)圖1）。

2 硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 PLC的I/O端口分配

系統(tǒng)設(shè)置有啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和急停按鈕以及物料各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)采用的傳感器，均屬于施控元件，應(yīng)分配給PLC的輸入端口；而STF正轉(zhuǎn)是變頻器控制傳送帶電機(jī)正轉(zhuǎn)的信號(hào)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(jī)的信號(hào)輸入端，它們的信號(hào)均來(lái)源于PLC的輸出。因此，變頻器的STF、RH、RM和各個(gè)控制電機(jī)的交流接觸器KM均屬于被控對(duì)象，應(yīng)分配給PLC的輸出端口。具體的I/O分配見(jiàn)表1。

表1 生產(chǎn)線標(biāo)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(chǎn)線標(biāo)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(shè)計(jì)

根據(jù)三菱PLC FX3U-MR、三菱變頻器E740的工作特性及標(biāo)簽打印系統(tǒng)的PLC I/O 分配情況，PLC控制電路設(shè)計(jì)如圖2所示。根據(jù)PLC的I/O分配表，PLC的輸入端口一一對(duì)應(yīng)連接各自分配的元器件，PLC的輸出端口對(duì)應(yīng)接其對(duì)應(yīng)的負(fù)載（如KM1線圈），而負(fù)載的另一端對(duì)應(yīng)接一個(gè)公共端與PLC構(gòu)成回路，每4個(gè)輸出端口對(duì)應(yīng)1個(gè)公共端，如Y0-Y3對(duì)應(yīng)的公共端口是COM1，Y4—Y7對(duì)應(yīng)的公共端口是COM2；三菱變頻器E740的供電相序有嚴(yán)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(jī)，與電機(jī)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(duì)應(yīng)的公共端是COM2）。

圖3 生產(chǎn)線標(biāo)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(shè)計(jì)

PLC的程序設(shè)計(jì)有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、順序控制設(shè)計(jì)法等方法，用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)PLC梯形圖程序時(shí)沒(méi)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(shí)往往牽一發(fā)而動(dòng)全身，必須全面修改整個(gè)程序，這就需要用很多的時(shí)間來(lái)修改，而順序控制設(shè)計(jì)法就是將系統(tǒng)的一個(gè)工作周期分成若干個(gè)順序相連的階段[4]，這些階段獨(dú)立而又相連，這些階段稱為“步”，按照一定的方法來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)每一步的程序，每一步的程序都是獨(dú)立的，可單獨(dú)進(jìn)行編寫(xiě)和修改程序。因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主體程序時(shí)，通常會(huì)采用順序控制設(shè)計(jì)法。本系統(tǒng)采用順序控制設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)PLC的控制程序，首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝畫(huà)其順序功能圖（見(jiàn)圖3），其次再將順序功能圖對(duì)應(yīng)一一轉(zhuǎn)換成為梯形圖程序。

系統(tǒng)的順序功能圖轉(zhuǎn)換成梯形圖程序有使用步進(jìn)順控指令STL的編程方法，使用“起—?！！彪娐返木幊谭椒ê鸵赞D(zhuǎn)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(jìn)順控指令STL的編程方法來(lái)進(jìn)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(zhuǎn)換為中心的編程方法。本系統(tǒng)順序功能圖（見(jiàn)圖3）中采用了S來(lái)代表步，故使用步進(jìn)順控指令STL的編程方法來(lái)進(jìn)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(shí)間順序劃分的，因此在單序列和選擇序列結(jié)構(gòu)的順序功能圖中，有且僅有一步是活動(dòng)步，要把哪一步變成活動(dòng)步，必須滿足兩個(gè)條件：一是其前級(jí)步是活動(dòng)步，二是轉(zhuǎn)換條件被滿足。每一步變成活動(dòng)步的條件都是這兩個(gè)，缺一不可，在該步變成活動(dòng)步時(shí)，其右邊的動(dòng)作就會(huì)被無(wú)條件執(zhí)行，執(zhí)行完之后根據(jù)轉(zhuǎn)換條件被滿足而轉(zhuǎn)換成下一步為活動(dòng)步。每一步程序在STL指令區(qū)均具有這3部分功能：動(dòng)作被執(zhí)行，指定轉(zhuǎn)換條件和指定轉(zhuǎn)換目標(biāo)，如步的右邊沒(méi)有動(dòng)作則沒(méi)有動(dòng)作被執(zhí)行（如S0和S20右邊就沒(méi)有動(dòng)作），但后面兩部分功能在任何一步都是具備的。

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

如S21，其程序如圖4所示。其前級(jí)步為S20，由S20轉(zhuǎn)換成S21的轉(zhuǎn)換條件是A點(diǎn)物料檢測(cè)點(diǎn)X3，所以把S21變成活動(dòng)步的條件就是：一是S20是活動(dòng)步，二是A點(diǎn)物料檢測(cè)點(diǎn)X3檢測(cè)到物料（即X3常開(kāi)觸點(diǎn)閉合）；S21變?yōu)榛顒?dòng)步，則其右邊的動(dòng)作Y4和Y5就執(zhí)行，輸出Y4和Y5。當(dāng)轉(zhuǎn)換為下一步S22的轉(zhuǎn)換條件X4的條件被滿足（即B點(diǎn)物料檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到物料即X4常開(kāi)觸點(diǎn)閉合），則轉(zhuǎn)換為下一步S22，此時(shí)S22將變成活動(dòng)步，而S21變成非活動(dòng)步。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試之前，應(yīng)該首先逐一檢查系統(tǒng)的外部接線是否正確，利用萬(wàn)用表進(jìn)行全面地檢查，若檢查無(wú)問(wèn)題后，方可運(yùn)行并調(diào)試程序。

1）使用計(jì)算機(jī)充當(dāng)編程器，用編程下載線USB-SC09-FX連接計(jì)算機(jī)與PLC。

2）將PLC調(diào)至STOP狀態(tài)。

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

4）編寫(xiě)好程序后，選擇相應(yīng)地通訊串口進(jìn)行連接，通訊成功之后，將所編寫(xiě)好的程序?qū)懭氲絇LC中。

5）按下啟動(dòng)按鈕，逐步地執(zhí)行程序，通過(guò)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(guò)模擬面板上動(dòng)作的顯示監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)是否正常。如出現(xiàn)異常，立即進(jìn)行修改。然后在按下停止按鈕，急停按鈕，觀察控制設(shè)備是否能夠按照要求停止運(yùn)行。

6）在程序的調(diào)試過(guò)程中，需要多次調(diào)試，觀察是否還存在著其他的問(wèn)題，若有其他問(wèn)題存在，應(yīng)立即修改。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)可用于工業(yè)、商業(yè)、超市、零售業(yè)、物流、倉(cāng)儲(chǔ)、圖書(shū)館等需要的條形碼和二維碼等標(biāo)簽制作，將PLC應(yīng)用在這個(gè)系統(tǒng)中，使其具有準(zhǔn)確控制、高速運(yùn)行的特點(diǎn)，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(guò)修改其PLC控制程序就可以改變或擴(kuò)充其功能，這是繼電器控制電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。