标签打印控制系统的原理及硬件选型

王燕燕（湖南机电职业技术学院，湖南长沙，410151）



标签打印控制系统的原理及硬件选型

王燕燕
（湖南机电职业技术学院，湖南长沙，410151）

摘要：结合标签打印系统的工作原理，根据器件选型的步骤和原则对控制系统所需要的主要电气部件：PLC、变频器、触摸屏、伺服电机、温度控制器进行了选择，为标签打印控制系统的硬件设计做好准备。

关键词：标签；打印控制系统；原理；硬件选型

1 标签打印控制系统的工作原理

标签打印控制系统的主电路共有5台电动机，分别为打码电动机M1、上色电动机M2、传送带电动机M3、热封滚轮电动机M4、上色喷涂进给电动机M5。其中M1为双速电动机，M2、M4为三相交流异步电动机，M3为带速度继电器的三相交流异步电动机，M5为伺服电动机。

标签打印控制系统进入加工模式时的初始状态是：上色喷涂进给电机在原点、传送带上各检测点常开、所有电机（M1～M5）停止。

在触摸屏上设置好加工数量后，按下启动按钮，设备运行指示灯闪烁等待放入工件，当入料传感器检测到A点传送带上有标签工件，设备开始加工过程。首先传送带电动机以50Hz的频率正转运行，带动传送带上的工件移动。当工件移动到B点后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）。接着传送带立即以30Hz反转，传送工件重新回到B点，进行第二次打码。两次打码结束后，传送带继续以50Hz前行，将工件移动到C点后开始上色，上色时要求传送带降为15Hz正转运行。先上色喷涂进给电动机M5从原点前进至SQ1位置时，上色电机M2启动运行，当前进至SQ3位置后停止，3秒后M5反转运行到SQ2位置时，上色电机M2停止运行，M5继续反转回到原点，上色工作结束。传送带继续以50Hz前行，同时开启热封滚轮加热，当工件移动到达D点后先检测滚轮温度，温度超过30℃开始热封，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。

2 标签打印控制系统的硬件选型

标签打印控制系统的电气部件主要有：PLC、变频器、触摸屏、伺服电机、伺服电机驱动器、传感器、三相交流异步电动机、限位开关、按钮、指示灯等。

2.1 PLC的选型。通过对输入输出点、存储容量、I/O响应时间、PLC价格、售后服务的选择，使用西门子公司的s7-200smart系列的ST30和SR40。其优势主要有：

CPU ST30 PLC是晶体管输出，有18KB的用户存储器，I/ O点数有30个。CPU SR40 PLC是继电器输出，有24KB的用户存储器，I/O点数有40个。这两种PLC都可扩展6个模块，拥有4个200KHz的高速计数器，2个100KHz的高速计数器，有3个100KHz的高速脉冲输出，实时时钟，备用时间有7天。

两款PLC都有1个信号板，这个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，信号板扩展更加贴合实际配置，能提升产品的利用率，同时降低了扩展成本。配备了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。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。CPU模块本体集成了3路高速脉冲输出，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。

2.2 变频器的选型。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、实现大范围内的高效连续调速控制、速度的精确控制、电气制动等。综合考虑系统的控制要求及性价比，选用西门子公司的MM420型号的变频器，其主要特征有：

变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压；MM420通用型变频器具有更多的灵活性，有各种配件供选择，非常方便地对传动装置进行扩展，从而实现多种标准功能；将高性能、多功能和小型化有机的结合到一起，可即插即用，无需调试，全新的IGBT矢量控制技术，起动、制动性能更优异，具有强大的通讯能力、精确的控制性能和高可靠性；内置的各种保护和过载保护功能，允许设备应用“睡眠”运行方式和在电源中断或者故障跳闸以后自动再启动，能有效地保护电机、电源。

2.3 触摸屏的选型。触摸屏主要有四类：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线触摸屏、表面声波触摸屏，各种类型的触摸屏特点如下：

电阻式触摸屏：电阻式触摸屏工作在与外界完全隔离的环境中，不怕灰尘、水气和油污，可以用任何物体来触摸，比较适合工业控制领域使用。缺点是由于复合薄膜的外层采用塑料，太用力或使用锐器触摸可能划伤触摸屏。

电容式触摸屏：电容式触摸屏的分辨率很高，透光率也不错，可以很好地满足各方面的要求，由于iphone的问世，所以现今最常见的就是电容式触摸屏。不过，电容式触摸屏把人体当作电容器的一个电极使用，当有导体靠近并与夹层ITO工作面之间耦合出足够大的电容时，流走的电流就会引起电容时触摸屏的误动作；另外，戴着手套或手持绝缘物体触摸时会没有反应，这是因为增加了绝缘的介质。

红外线触摸屏：红外线触摸屏是靠测定红外线的通断来确定触摸位置的，所以不存在分辨率的要求，不使用挡板，即可达到触控效果，分辨率100%。受到红外线射管体积的限制，不可能发射高密度的红外线，所以这种触摸屏的触控物体要偏大，最小触控物体要大于3mm。

表面声波触摸屏：表面声波技术非常稳定，而且表面声波触摸屏的控制器靠测量衰减时刻在时间轴上的位置来计算触摸位置的，所以其精度非常高。在所有的触摸屏中，只有表面声波触摸屏具有感知触摸压力的性能。但其追求精度而导致发射换能器功耗过大，以至易碎，维护率、返修率最高。而且受环境影响很大，怕水、怕灰尘等。

本系统选用MCGS TPC7062Ti型号的触摸屏，特点如下：TPC7062Ti，是一种以先进的Cortex-A8 CPU为核心（主频600MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品采用了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4096×4096）。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件（运行版），具备强大的图像显示和数据处理功能。

2.4 伺服电机选型。上色喷涂进给电机要求能实现精准控制，因此选用伺服电机。其选择的首要原则是要满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机。伺服电机的选型计算方法如下：计算负载惯量，惯量的匹配实际应用中越小越好，这样对精度和响应速度好；电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算；转速和编码器分辨率的确认；电缆的选择；再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。

通过计算及综合比较选择台达ECMA-C30604PS永磁同步交流伺服电机及ASD-B-20421-B 全数字交流永磁同步伺服驱动装置实现位置的精确控制。伺服电机为电子换相式，电压及转速规格为220V/3000rpm，额定功率为400W，编码器为增量式编码器，分辨率 2500ppr，输出信号线数为5根。伺服驱动器的额定输出功率为400W，电源电压规格及相数为单相 220V。

2.5 温控的选型。温控选用欧姆龙E5CC，该温控器为数字式控制器，是一种可选择热电偶、铂电阻、非接触式温度传感器、模拟电压输入、模拟电流输入的多重输入型产品。除标准控制外，还可选择加热冷却控制功能。调节功能可选择AT（自动调节）或ST（自调节）。通过事件输入，可实现对多重设定点、运行/停止切换、自动 /手动切换、简易程序启动/复位切换等功能的利用。支持用户进行传感器输入和传送输出的校正。实现了防水构造（IP66），符合安全标准（UL/CSA/IEC）及EMC标准。

参考文献

［1］江德松，张涛.基于PLC的玻璃杯自动切割机控制系统设计［J］.西昌学院学报（自然科学版），2016（1）.

［2］张文军.基于PLC的电梯控制系统的设计与研究［J］.现代电子技术，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

作者简介

王燕燕（1984-）女，山西临汾，硕士，讲师，研究方向：电气自动化。