基于PLC的生產線標簽打印系統設計

董文華

（河源職業技術學院 電子與信息工程學院，廣東 河源 517000）

0 引言

PLC在工業化控制領域中起到了高速有效的控制作用，它能夠代替人來操作機器，能夠實現遠程控制等功能，被廣泛地應用到自動化生產中。現有的人工批量打印標簽存在著需要消耗大量的人力、速度慢等缺點，為了能夠節省時間和人力并能快速、安全地控制電氣設備，批量生產出所需的標簽，本文將介紹如何將PLC應用到生產線標簽打印系統中，設計出具有準確控制、高速運行特點并且可滿足一體制作的生產線標簽打印控制統。

1 系統結構和控制原理

1.1 系統結構

生產線標簽打印系統主要由打碼機、上色噴涂電機、傳送帶電機、上色電機、熱封滾輪電機、傳感器、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用上色噴涂電機進行噴圖，隨后用上色電機上色，在物料檢測點D用熱封滾輪電機進行熱封，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 生產線標簽打印系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of label printing system structure of production line

1.2 控制原理

系統采用PLC來控制各臺電機的啟動和停止，其中PLC控制傳送帶電機時，輸出信號給變頻器，變頻器設定高速、中速兩種速度，按照系統控制要求在變頻器上設定好兩種速度對應的頻率參數，再編寫程序實現在不同條件下不同速度運行傳送帶電機，具體控制過程如下：

系統工作時，按下啟動按鈕，當A點物料檢測點檢測到物料時，傳送帶（M3）以50Hz的頻率運行，運行至B點物料檢測點后，傳送帶以0Hz的頻率運行，同時打碼機進行打碼，打碼2s結束后，傳送帶又以50Hz的頻率運行，運行至C點物料檢測點后傳送帶以0Hz的頻率運行，上色噴涂電機進行噴涂4s后，傳送帶以10Hz的頻率運行2s后，又以0Hz的頻率運行，上色電機進行2s上色，上色結束后，傳送帶又以50Hz的頻率運行至D點物料檢測點后變為0Hz的頻率運行，熱封滾輪電機進行工作2s，熱封完成后，生產線的標簽打印系統完成（見圖1）。

2 硬件設計

標簽打印系統的電氣控制回路由打碼電機控制電路、上色電機控制電路、傳送帶電機控制電路、熱封滾輪電機控制電路和上色噴涂進給電機控制電路組成，其中打碼機、上色噴涂電機、上色電機、熱封滾輪電機分別由交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4控制，傳送帶電機由變頻器進行速度控制，即在變頻器設置RH高速、RM中速這兩種速度的參數頻率，RH高速設置Pr.4的頻率值，RM中速設置Pr.5的頻率值，采用高速或中速的信號來源于PLC的程序控制，變頻輸出給傳送帶電機就可以實現傳送帶電機不同速度運行。

2.1 PLC的I/O端口分配

系統設置有啟動按鈕、停止按鈕和急停按鈕以及物料各個檢測點采用的傳感器，均屬于施控元件，應分配給PLC的輸入端口；而STF正轉是變頻器控制傳送帶電機正轉的信號輸入端[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的信號輸入端，它們的信號均來源于PLC的輸出。因此，變頻器的STF、RH、RM和各個控制電機的交流接觸器KM均屬于被控對象，應分配給PLC的輸出端口。具體的I/O分配見表1。

表1 生產線標簽打印系統的PLC I/O分配Table 1 PLC I/O Assignment of the line label printing system

圖2 生產線標簽打印系統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控制電路設計

根據三菱PLC FX3U-MR、三菱變頻器E740的工作特性及標簽打印系統的PLC I/O 分配情況，PLC控制電路設計如圖2所示。根據PLC的I/O分配表，PLC的輸入端口一一對應連接各自分配的元器件，PLC的輸出端口對應接其對應的負載（如KM1線圈），而負載的另一端對應接一個公共端與PLC構成回路，每4個輸出端口對應1個公共端，如Y0-Y3對應的公共端口是COM1，Y4—Y7對應的公共端口是COM2；三菱變頻器E740的供電相序有嚴格要求，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，與電機相連接，SD是變頻器中的公共端口，接在PLC的公共端口COM2上（Y4-Y6對應的公共端是COM2）。

圖3 生產線標簽打印系統順序功能圖Fig.3 Sequence function diagram of label printing system in production line

3 程序設計

PLC的程序設計有經驗設計法、順序控制設計法等方法，用經驗設計法設計PLC梯形圖程序時沒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，而且一旦要修改時往往牽一發而動全身，必須全面修改整個程序，這就需要用很多的時間來修改，而順序控制設計法就是將系統的一個工作周期分成若干個順序相連的階段[4]，這些階段獨立而又相連，這些階段稱為“步”，按照一定的方法來進行編寫每一步的程序，每一步的程序都是獨立的，可單獨進行編寫和修改程序。因此，在設計控制系統的主體程序時，通常會采用順序控制設計法。本系統采用順序控制設計法來設計PLC的控制程序，首先根據系統的工藝畫其順序功能圖（見圖3），其次再將順序功能圖對應一一轉換成為梯形圖程序。

系統的順序功能圖轉換成梯形圖程序有使用步進順控指令STL的編程方法，使用“起—保—停”電路的編程方法和以轉換為中心的編程方法3種。如果采用編程元件S代表步，則使用步進順控指令STL的編程方法來進行編程；如果采用編程元件M代表步，則使用“起—保—停”電路的編程方法或以轉換為中心的編程方法。本系統順序功能圖（見圖3）中采用了S來代表步，故使用步進順控指令STL的編程方法來進行編程。

圖4 步S20和S21的梯形圖程序Fig.4 Ladder diagram program for step S20 and S21

所有的步都是按時間順序劃分的，因此在單序列和選擇序列結構的順序功能圖中，有且僅有一步是活動步，要把哪一步變成活動步，必須滿足兩個條件：一是其前級步是活動步，二是轉換條件被滿足。每一步變成活動步的條件都是這兩個，缺一不可，在該步變成活動步時，其右邊的動作就會被無條件執行，執行完之后根據轉換條件被滿足而轉換成下一步為活動步。每一步程序在STL指令區均具有這3部分功能：動作被執行，指定轉換條件和指定轉換目標，如步的右邊沒有動作則沒有動作被執行（如S0和S20右邊就沒有動作），但后面兩部分功能在任何一步都是具備的。

PLC運行時，由初始化脈沖特殊輔助繼電器M8002激活S0，初始步S0為活動步，控制系統等待命令時，按下啟動按鈕X0，在步S20變成活動步的同時S0就變成非活動步，此時S20變成活動步的條件就是前級步S0是活動步和S0轉換為S20的轉換條件X0被滿足（常開觸點X0閉合）。

如S21，其程序如圖4所示。其前級步為S20，由S20轉換成S21的轉換條件是A點物料檢測點X3，所以把S21變成活動步的條件就是：一是S20是活動步，二是A點物料檢測點X3檢測到物料（即X3常開觸點閉合）；S21變為活動步，則其右邊的動作Y4和Y5就執行，輸出Y4和Y5。當轉換為下一步S22的轉換條件X4的條件被滿足（即B點物料檢測點檢測到物料即X4常開觸點閉合），則轉換為下一步S22，此時S22將變成活動步，而S21變成非活動步。

4 系統調試

在進行系統的調試之前，應該首先逐一檢查系統的外部接線是否正確，利用萬用表進行全面地檢查，若檢查無問題后，方可運行并調試程序。

1）使用計算機充當編程器，用編程下載線USB-SC09-FX連接計算機與PLC。

2）將PLC調至STOP狀態。

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

4）編寫好程序后，選擇相應地通訊串口進行連接，通訊成功之后，將所編寫好的程序寫入到PLC中。

5）按下啟動按鈕，逐步地執行程序，通過PLC輸入輸出狀態指示燈可以知道程序是否正常工作，也可以通過模擬面板上動作的顯示監視運行狀態是否正常。如出現異常，立即進行修改。然后在按下停止按鈕，急停按鈕，觀察控制設備是否能夠按照要求停止運行。

6）在程序的調試過程中，需要多次調試，觀察是否還存在著其他的問題，若有其他問題存在，應立即修改。

5 結論

本系統可用于工業、商業、超市、零售業、物流、倉儲、圖書館等需要的條形碼和二維碼等標簽制作，將PLC應用在這個系統中，使其具有準確控制、高速運行的特點，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，通過修改其PLC控制程序就可以改變或擴充其功能，這是繼電器控制電路無法實現的。