標簽打印控制系統的原理及硬件選型

王燕燕（湖南機電職業技術學院，湖南長沙，410151）

?

標簽打印控制系統的原理及硬件選型

王燕燕
（湖南機電職業技術學院，湖南長沙，410151）

摘要：結合標簽打印系統的工作原理，根據器件選型的步驟和原則對控制系統所需要的主要電氣部件：PLC、變頻器、觸摸屏、伺服電機、溫度控制器進行了選擇，為標簽打印控制系統的硬件設計做好準備。

關鍵詞：標簽；打印控制系統；原理；硬件選型

1 標簽打印控制系統的工作原理

標簽打印控制系統的主電路共有5臺電動機，分別為打碼電動機M1、上色電動機M2、傳送帶電動機M3、熱封滾輪電動機M4、上色噴涂進給電動機M5。其中M1為雙速電動機，M2、M4為三相交流異步電動機，M3為帶速度繼電器的三相交流異步電動機，M5為伺服電動機。

標簽打印控制系統進入加工模式時的初始狀態是：上色噴涂進給電機在原點、傳送帶上各檢測點常開、所有電機（M1～M5）停止。

在觸摸屏上設置好加工數量后，按下啟動按鈕，設備運行指示燈閃爍等待放入工件，當入料傳感器檢測到A點傳送帶上有標簽工件，設備開始加工過程。首先傳送帶電動機以50Hz的頻率正轉運行，帶動傳送帶上的工件移動。當工件移動到B點后M3電機變換成15Hz正轉運行，同時打碼電機M1高速正轉，4秒后變為低速正轉，4秒后打碼電機M1停止（代表第一次打碼結束）。接著傳送帶立即以30Hz反轉，傳送工件重新回到B點，進行第二次打碼。兩次打碼結束后，傳送帶繼續以50Hz前行，將工件移動到C點后開始上色，上色時要求傳送帶降為15Hz正轉運行。先上色噴涂進給電動機M5從原點前進至SQ1位置時，上色電機M2啟動運行，當前進至SQ3位置后停止，3秒后M5反轉運行到SQ2位置時，上色電機M2停止運行，M5繼續反轉回到原點，上色工作結束。傳送帶繼續以50Hz前行，同時開啟熱封滾輪加熱，當工件移動到達D點后先檢測滾輪溫度，溫度超過30℃開始熱封，傳送帶以15Hz正轉運行，同時熱封滾輪電機M4運行2秒，停2秒，循環3次后熱封結束。

2 標簽打印控制系統的硬件選型

標簽打印控制系統的電氣部件主要有：PLC、變頻器、觸摸屏、伺服電機、伺服電機驅動器、傳感器、三相交流異步電動機、限位開關、按鈕、指示燈等。

2.1 PLC的選型。通過對輸入輸出點、存儲容量、I/O響應時間、PLC價格、售后服務的選擇，使用西門子公司的s7-200smart系列的ST30和SR40。其優勢主要有：

CPU ST30 PLC是晶體管輸出，有18KB的用戶存儲器，I/ O點數有30個。CPU SR40 PLC是繼電器輸出，有24KB的用戶存儲器，I/O點數有40個。這兩種PLC都可擴展6個模塊，擁有4個200KHz的高速計數器，2個100KHz的高速計數器，有3個100KHz的高速脈沖輸出，實時時鐘，備用時間有7天。

兩款PLC都有1個信號板，這個設計可擴展通信端口、數字量通道、模擬量通道。在不額外占用電控柜空間的前提下，信號板擴展更加貼合實際配置，能提升產品的利用率，同時降低了擴展成本。配備了西門子專用高速處理器芯片，基本指令執行時間可達0.15μs，在同級別小型PLC中遙遙領先。CPU模塊本體標配以太網接口，集成了強大的以太網通信功能。一根普通的網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動模式，可自由設置運動包絡。配以方便易用的向導設置功能，快速實現設備調速、定位等功能。本機集成MicroSD卡插槽，使用市面上通用的MicroSD卡即可實現程序的更新和PLC固件升級。

2.2 變頻器的選型。與傳統的交流拖動系統相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制，有許多優點，如節電、實現大范圍內的高效連續調速控制、速度的精確控制、電氣制動等。綜合考慮系統的控制要求及性價比，選用西門子公司的MM420型號的變頻器，其主要特征有：

變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別（如電網瞬時電壓降低，電網缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等），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，非常方便地對傳動裝置進行擴展，從而實現多種標準功能；將高性能、多功能和小型化有機的結合到一起，可即插即用，無需調試，全新的IGBT矢量控制技術，起動、制動性能更優異，具有強大的通訊能力、精確的控制性能和高可靠性；內置的各種保護和過載保護功能，允許設備應用“睡眠”運行方式和在電源中斷或者故障跳閘以后自動再啟動，能有效地保護電機、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，比較適合工業控制領域使用。缺點是由于復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，可以很好地滿足各方面的要求，由于iphone的問世，所以現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作電容器的一個電極使用，當有導體靠近并與夾層ITO工作面之間耦合出足夠大的電容時，流走的電流就會引起電容時觸摸屏的誤動作；另外，戴著手套或手持絕緣物體觸摸時會沒有反應，這是因為增加了絕緣的介質。

紅外線觸摸屏：紅外線觸摸屏是靠測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：表面聲波技術非常穩定，而且表面聲波觸摸屏的控制器靠測量衰減時刻在時間軸上的位置來計算觸摸位置的，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。但其追求精度而導致發射換能器功耗過大，以至易碎，維護率、返修率最高。而且受環境影響很大，怕水、怕灰塵等。

本系統選用MCGS TPC7062Ti型號的觸摸屏，特點如下：TPC7062Ti，是一種以先進的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）。同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件（運行版），具備強大的圖像顯示和數據處理功能。

2.4 伺服電機選型。上色噴涂進給電機要求能實現精準控制，因此選用伺服電機。其選擇的首要原則是要滿足給定負載要求的電動機，然后再從中按價格、重量、體積等技術經濟指標選擇最適合的電機。伺服電機的選型計算方法如下：計算負載慣量，慣量的匹配實際應用中越小越好，這樣對精度和響應速度好；電機軸上負載力矩的折算和加減速力矩的計算；轉速和編碼器分辨率的確認；電纜的選擇；再生電阻的計算和選擇，對于伺服，一般2kw以上，要外配置。

通過計算及綜合比較選擇臺達ECMA-C30604PS永磁同步交流伺服電機及ASD-B-20421-B 全數字交流永磁同步伺服驅動裝置實現位置的精確控制。伺服電機為電子換相式，電壓及轉速規格為220V/3000rpm，額定功率為400W，編碼器為增量式編碼器，分辨率 2500ppr，輸出信號線數為5根。伺服驅動器的額定輸出功率為400W，電源電壓規格及相數為單相 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品。除標準控制外，還可選擇加熱冷卻控制功能。調節功能可選擇AT（自動調節）或ST（自調節）。通過事件輸入，可實現對多重設定點、運行/停止切換、自動 /手動切換、簡易程序啟動/復位切換等功能的利用。支持用戶進行傳感器輸入和傳送輸出的校正。實現了防水構造（IP66），符合安全標準（UL/CSA/IEC）及EMC標準。

參考文獻

［1］江德松，張濤.基于PLC的玻璃杯自動切割機控制系統設計［J］.西昌學院學報（自然科學版），2016（1）.

［2］張文軍.基于PLC的電梯控制系統的設計與研究［J］.現代電子技術，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

作者簡介

王燕燕（1984-）女，山西臨汾，碩士，講師，研究方向：電氣自動化。