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XXXXXX 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 手機(jī)電池包裝機(jī)控制部分設(shè)計 學(xué) 院： XXXXXX 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： XXXXXX 姓 名： XXXXXX 指導(dǎo)教師： XXXXXX 完成日期： 2012-5-30 目 錄 第 1 章 緒論 .............................................................1 1.1 貼標(biāo)機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 ......................................1 1.2 PLC 與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 ....................................2 1.3 PLC 在全自動包裝機(jī)上的應(yīng)用 ......................................3 1.4 本課題研究內(nèi)容 ..................................................4 第 2 章 貼標(biāo)機(jī)的功能分析和總體設(shè)計 ..................................5 2．1 手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)的功能分析 .......................................5 2.2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 ...............................................5 2.3 本章小結(jié) ........................................................7 第 3 章 貼標(biāo)機(jī)系統(tǒng)硬件的設(shè)計 .........................................8 3.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)的選型 ...........................................8 3.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件配置 ......................................10 3.3 系統(tǒng)主電路設(shè)計 .................................................13 3.4 PLC 系統(tǒng)控制電路設(shè)計 ...........................................16 3.3 本章小結(jié) ......................................................19 第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 .............................................20 4.1 下位機(jī) PLC 程序的實現(xiàn) .........................................20 4.2 通信程序的設(shè)計 ................................................22 4.3 系統(tǒng)控制部分梯形圖設(shè)計 .........................................27 第 5 章 結(jié)論與展望 ....................................................32 5.1 全文總結(jié) ......................................................32 5.2 研究展望 ......................................................32 致謝 ....................................................................34 參考文獻(xiàn) ................................................................35 附錄 I 外文原文 ..........................................................36 附錄 II 外文翻譯 ..........................................................41 手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī) 摘要：貼標(biāo)機(jī)是一種自動化程度高、復(fù)雜系數(shù)大的機(jī)電一體化產(chǎn)品,主要用于化妝品,保健品、日 用品、食品和電池等行業(yè)的包裝。由于貼標(biāo)機(jī)較為復(fù)雜,制造難度大,目前這方面的需求大多依賴進(jìn) 口,而國外貼標(biāo)機(jī)的價格十分昂貴,很難被我國市場所接受。本文研究和開發(fā)一種自動化程度高，結(jié) 構(gòu)簡單，操作可靠的手機(jī)電池自動貼標(biāo)機(jī)具有重要的實際價值。本文以研究和開發(fā)全自動的貼標(biāo)機(jī) 為目標(biāo)，主要完成的工作有： 1、對手機(jī)電池的貼標(biāo)工藝做了深入研究，完成了貼標(biāo)機(jī)的控制系統(tǒng)部分設(shè)計，應(yīng)用三菱公司 的 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 實現(xiàn)電氣部分設(shè)計和控制程序的實現(xiàn)。 2、為了實現(xiàn)貼標(biāo)機(jī)高精度的性能，本文改進(jìn)了普通兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制方法 3、繪制電路連接圖，編寫 PLC 控制程序。 關(guān)鍵詞：自動貼標(biāo)機(jī)，可編程控制器，串口通信 Mobile phone battery labeling machine Abstract:Labeling machine is a high degree of automation, complex factor is big electromechanical integration products, mainly used for cosmetics, health care products, daily necessities, food and battery industries of packing. Because labeling machines is relatively complex, manufacturing is difficult, at present the most demand dependence on imports, and foreign labeling machines price is very expensive and difficult to China's market place is accepted. This paper research and development and a high degree of automation, simple structure, reliable operation of the cell phone battery to be automatic labeling machine has important practical value. Based on the research and development of the automatic labeling machines as the goal, the main completed work: 1. The labeling process on the wafer to do in-depth studies, completed the labelingmachine control system design, application of keyence’s FX2N-32MR-E/UL Series PLC to achieveelectrical design and control procedures can be achieved. 2. In order to achieve high precision performance labeling machine, the paper improved the ordinary two-phase hybrid stepping motor of the closed-loop control method. 3． Draw circuit connection diagram, writing PLC control procedures. Key words: automatic labeling machines, programmable controller, serial 0 第 1 章 緒論 1.1 貼標(biāo)機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 早在上世紀(jì) 70 年代，歐美等發(fā)達(dá)國家就開始應(yīng)用標(biāo)簽來管理產(chǎn)品。標(biāo)簽 技術(shù)是利用標(biāo)簽上的產(chǎn)品的重要信息。將標(biāo)簽貼付在產(chǎn)品或者商品上一件繁瑣 的工作，傳統(tǒng)的貼標(biāo)是靠人工手動貼標(biāo)，先將標(biāo)簽剝離，然后貼在產(chǎn)品上。不 僅工人勞動強(qiáng)度大、貼標(biāo)順序難以一一對應(yīng)；而且不便于管理、誤差較高和造 成標(biāo)簽的二次污染。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展和制造行業(yè)的產(chǎn)品管理水平的提高， 越來的越多的廠家傾向于使用一種高速自動貼標(biāo)機(jī)器，不僅可以改善貼標(biāo)質(zhì)量， 而且可以極大的提高貼標(biāo)速度；降低勞動力成本。 貼標(biāo)機(jī)的分類方法多樣。按自動化程度，貼標(biāo)機(jī)可分為半自動貼標(biāo)機(jī)和全 自動貼標(biāo)機(jī)：按容器的運(yùn)行方向可分為立式貼標(biāo)機(jī)和臥式貼標(biāo)機(jī)；按標(biāo)簽的種 類可分為片式標(biāo)簽貼標(biāo)機(jī)、卷筒狀標(biāo)簽貼標(biāo)機(jī)、熱粘性標(biāo)簽貼標(biāo)機(jī)和感壓性標(biāo) 簽貼標(biāo)機(jī)，收縮筒形標(biāo)簽貼標(biāo)機(jī)：按容器的運(yùn)動形式可分為直通式貼標(biāo)機(jī)和轉(zhuǎn) 盤式貼標(biāo)機(jī)；按貼標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)可分為龍門式貼標(biāo)機(jī)、真空轉(zhuǎn)鼓式貼標(biāo)機(jī)、多標(biāo)盒 轉(zhuǎn)鼓貼標(biāo)機(jī)、撥桿貼標(biāo)機(jī)、旋轉(zhuǎn)形貼標(biāo)機(jī);按貼標(biāo)工藝特征可分為壓式貼標(biāo)機(jī)、 滾壓式貼標(biāo)機(jī)、搓滾式貼標(biāo)機(jī)、刷撫式貼標(biāo)機(jī)等。 目前，主要的自動貼標(biāo)技術(shù)有三種 [1]： (1)“吸貼法”(或“氣吸法”) 這是最常用的貼標(biāo)技術(shù)。當(dāng)標(biāo)簽紙離開傳送帶后，分布到真空墊上，真空 墊連接到一個機(jī)械裝置的末端。當(dāng)這個機(jī)械裝置伸展到標(biāo)簽與包裝件相接觸后， 就收縮回去，此時就將標(biāo)簽貼附到包裝件上。這種技術(shù)可靠地實現(xiàn)正確地貼標(biāo)， 且精度高，這種方法對于產(chǎn)品包裝件的高度有一定變化的頂部貼標(biāo)，或?qū)τ陔y 于搬動的包裝件側(cè)面貼標(biāo)是非常適用的，但是它的貼標(biāo)速度較慢。 (2)“吹貼法”(或“射流法”) 這種技術(shù)的某些運(yùn)作方式與上述所吸貼法相似的，就是將標(biāo)簽放置到真空 表面墊上固定，直到貼附動作開始為止。但在本方法中真空表面是保持不動的， 標(biāo)簽固定和定位在一個“真空柵”上， “真空柵”為一個上面具有幾百個小孔的 平面，這些小孔是用來維持形成“空氣射流”的。由這些“空氣射流”吹出一 股壓縮空氣，壓力很強(qiáng)，使真空柵上標(biāo)簽移動，讓它貼附到被包裝物品上。這 是一項稍具復(fù)雜性的技術(shù)，它具有較高的精度和可靠性。 (3)“擦貼法”(或“刷貼法”) 第三種貼標(biāo)方法稱為同步貼標(biāo)法，也可稱作“擦貼法” 、 “刷貼法”或“接 1 觸粘貼法” 。在貼標(biāo)時，當(dāng)標(biāo)簽的前緣部分粘附到包裝上后，產(chǎn)品就馬上帶走標(biāo) 簽。在這一種貼標(biāo)機(jī)中，只有當(dāng)包裝件通過速度與標(biāo)簽分配速度一致時，這種 方法才能成功。這是一項需要維持連續(xù)作業(yè)的技術(shù)。此外，為使標(biāo)簽的貼附滿 足完整恰當(dāng)?shù)囊?，像刷子或滾筒那樣的第二套裝置也是不可缺少的。 隨著自動化水平的提高，特別是伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及 MRPII 和 ERP 等生產(chǎn)管理系統(tǒng)的出現(xiàn)貼標(biāo)機(jī)向著以下幾個發(fā)展方向: (1)工件或產(chǎn)品搬送的驅(qū)動改為步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)來傳動滾珠絲杠，代 替了傳統(tǒng)上用氣缸驅(qū)動工件，大大的提高了貼標(biāo)機(jī)在搬送工件的過程中的定位 控制精度，改善了貼標(biāo)質(zhì)量。 (2)自動化程度不斷提高，過去的手工半手工的復(fù)雜作業(yè)，己被半自動或自 動的貼標(biāo)機(jī)所取代，且逐漸向控制智能化的方向發(fā)展。 (3)先進(jìn)的機(jī)電技術(shù)和新元件被綜合應(yīng)用于貼標(biāo)機(jī)中，并通過采用先進(jìn)的設(shè) 計方法提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，縮短制造周期。 貼標(biāo)機(jī)作為包裝生產(chǎn)線的一個重要組成部分，直接影響到包裝質(zhì)量，因此 要努力提高貼標(biāo)質(zhì)量，根據(jù)貼標(biāo)要求從設(shè)計、制造、裝配、調(diào)試等方面綜合考 慮，以較低的成本滿足貼標(biāo)機(jī)的功能要求。 1.2 PLC 與其它工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 1.2.1 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的比較 繼電器控制是采用硬接線邏輯，利用繼電器觸點(diǎn)的串、并聯(lián)及時間繼電器 的延遲動作來組成控制邏輯，其缺點(diǎn)是一個系統(tǒng)一但確定就很難輕易再改動。 如果要在現(xiàn)場做一些更改和擴(kuò)展更是難以實行。而 PLC 是利用其內(nèi)部的存儲器 以數(shù)據(jù)形式將控制邏輯存儲起來的，所以只要改變 PLC 內(nèi)存儲器的內(nèi)容，也就 可以實現(xiàn)更改控制邏輯的目的。對于一個 PLC 來講，只要用 PLC 配備的編程器 在現(xiàn)場就可以完成更改。至于 PLC 對外部的聯(lián)系，只有 I/O 點(diǎn)，只要輸入輸出 對象不變，就無須對硬接線作任何改動。 繼電器控制邏輯是依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動作來實現(xiàn)的。工作頻率很低。一次動 作一般為數(shù)十毫秒。對于復(fù)雜的控制，使用的繼電器越多，反應(yīng)就越慢。而 PLC 是以微型計算機(jī)為基礎(chǔ)的控制裝置，其運(yùn)行速度為每個指令步數(shù)十微秒(對 于高速 PLC 則是 5 微秒以下) 。并且內(nèi)部有嚴(yán)格的同步，所以不會出現(xiàn)抖動的問 題。對于限時控制，繼電器是利用時間繼電器的延時動作來實現(xiàn)的。由于時間 繼電器是利用空氣陽力，半導(dǎo)體延時電路來實現(xiàn)延時的，所以其定時精度低， 調(diào)整不一方便。且環(huán)境溫度變化等因素都會對定時精度有直接的影響。而 PLC 則是由晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈沖經(jīng)多次分頻后得到的時基脈沖進(jìn)行計數(shù)來定時 2 的，定時范圍一般為 0.1 秒，也有 0.01 秒的，精度一般高于 10 毫秒，只要根據(jù) 需要由編程器送入時間常數(shù)即可實現(xiàn)定時時間的設(shè)定或更改。由于 PLC 的定時 是對時基脈沖進(jìn)行計數(shù)來實現(xiàn)的，所以如果是對脈沖進(jìn)行計數(shù)，就成為計數(shù)器。 現(xiàn)代的 PLC 一般都具有定時器和計數(shù)器功能。 從可靠性和可維護(hù)性方面來看，繼電器控制邏輯由于使用了大量的機(jī)械觸 點(diǎn)，連接線一也多，觸點(diǎn)開閉時產(chǎn)生的電弧會使觸點(diǎn)損壞，動作時的機(jī)械振動 還可能使接線松動，所以可靠性和可維護(hù)性都較差。而 PLC 則采用了無觸點(diǎn)的 電子電路來替代繼電器觸點(diǎn)，確切地說是用存貯器內(nèi)的數(shù)據(jù)來代替觸點(diǎn)，因此 不存在下述缺點(diǎn)。而且體積小、功耗小、壽命長、可靠性高、還具有監(jiān)控功能 和自檢功能，使程序的運(yùn)行過程成為透明。 1.2.2 PLC 與單片機(jī)控制系統(tǒng)比較 雖然單片機(jī)的配置較微機(jī)系統(tǒng)簡單，成本也較易接受，擔(dān)它仍然不是為工 業(yè)控制而設(shè)計的。同樣存在著編程難、不易掌握、需要做大量的接口工作，可 靠性仍較差，成本高等缺點(diǎn)。盡管其有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，但工業(yè)控制都為 開關(guān)量控制，所以其長處仍得不到發(fā)揮。單片機(jī)與 PLC 的比較：在很大程度上， 單片機(jī)是專一為工業(yè)控制而設(shè)計的。因此，它具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。事實上， 現(xiàn)代 PLC 的核心就是單片微處理器。用單片機(jī)作控制部件在成本方面具有優(yōu)勢。 們是不可否認(rèn)，從單片機(jī)到工業(yè)控制裝置之間畢竟有一個硬件開發(fā)和軟件開發(fā) 的過程。雖然 PLC 也有必不可少的軟件開發(fā)過程，但兩者所用的語言差別很大， 單片機(jī)主要使用匯編語言開發(fā)軟件。而 PLC 用專用的指令系統(tǒng)來編程的。前者 復(fù)雜而易出錯，開發(fā)周期長。后者簡便易學(xué)，現(xiàn)場就可以開發(fā)調(diào)試。 單片機(jī)控制系統(tǒng)僅適用于較簡單的自動化項日。硬件上主要受 CPU、內(nèi)存 容 量及 I /O 接口的限制；軟件上主要受限于與 CPU 類型有關(guān)的編程語言。一般說 來單片機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用只是為某個特定的戶二品服務(wù)的。其通用性、兼 容性和擴(kuò)展性都相當(dāng)差。 1.3 PLC 在全自動包裝機(jī)上的應(yīng)用 包裝機(jī)械的最大特點(diǎn)是動作復(fù)雜、頻繁，具有較多的執(zhí)行元件。在這種場 合使用繼電器控制邏輯必然需要大量的中間繼電器，而這些中間繼電器在用 PLC 控制的情況下，就可以對其內(nèi)部的輔助繼電器進(jìn)行編程后來取代。從物理 介質(zhì)方面來講，前者是要用具體的電氣元件來組合，而后者只是 PLC 的內(nèi)部寄 存器，在 PLC 編程容量許可的范圍內(nèi)，可以不花費(fèi)額外的費(fèi)用來實現(xiàn)復(fù)雜的控 制邏輯。一般的 PLC 都有上百點(diǎn)內(nèi)部輔助繼電器甚至更多，而且還有多種專用 3 的內(nèi)部電器，足可以應(yīng)付一般的控制要求但唯一需要做的就是對 PLC 進(jìn)行編程。 事實上 PLC 用于這種場合是最能顯現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)性的，然我們不能忽視了 PLC 的 另一個優(yōu)點(diǎn)，那就是其運(yùn)行速度及可靠性和壽命遠(yuǎn)高于繼電器控制方式，從上 述意義上來講，PLC 最適合于需要大量中間繼電器的場合。且 PLC 與其他工業(yè) 控制系統(tǒng)比較具有許多優(yōu)點(diǎn)： 更改控制邏輯只需修改軟件，無需對硬件作改動，程序可以復(fù)制，批量生 產(chǎn)很容易，電氣硬件設(shè)計大人簡化。由于 PLC 除有繼電器功能外，尚有多種其 他功能，可以實現(xiàn)繼電器無法實現(xiàn)的控制功能，實現(xiàn)某種程度上的智能化，并 有可能使機(jī)構(gòu)簡化，可靠性高； 成本相對于繼電器控制稍高，但繼電器控制隨著所用中間繼電器數(shù)量的增 加，成本急驟上升，而 PLC 控制幾乎保持不變，這一點(diǎn)對于復(fù)雜的控制來講具 有無可比擬的優(yōu)越性； 因此，國外在注塑機(jī)、各種包裝機(jī)上已經(jīng)大量地采用了 PLC 來取代傳統(tǒng)的 繼電器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。 我國包裝機(jī)械目前控制部件大多還沿用繼電器方式。如果能用 PLC 來取代 的話，則可以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械和電氣設(shè)計都可以得到簡化。更重要的是可 以使原來無法實現(xiàn)的某些功能得以實現(xiàn)，是機(jī)器在某種程度上實現(xiàn)科能化。通 過對各種控制系統(tǒng)的分析比較，我們決定采用 PLC 控制系統(tǒng)。 1.4 本課題研究內(nèi)容 現(xiàn)代市場上可以直接購買的貼標(biāo)機(jī)雖然種類繁多，但是不僅價格昂貴，而 且只是適應(yīng)某些產(chǎn)品的貼標(biāo)要求，貼標(biāo)的通用性不強(qiáng)。 貼標(biāo)機(jī)大多針對產(chǎn)品的商標(biāo)貼標(biāo)，都是將標(biāo)簽直接貼在產(chǎn)品或者包裝件上， 因此沒有上位機(jī)參與管理。本課題具體主要研究內(nèi)容如下： （1）據(jù)貼標(biāo)機(jī)的加工工序、工藝路線和工位參數(shù)，對貼標(biāo)機(jī)設(shè)計作了功能 性分析。完成貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)整體機(jī)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)氣動機(jī)械手的取標(biāo)，貼標(biāo)過程 的電氣控制，完成控制柜的電氣原理圖設(shè)計和接線圖設(shè)計，實現(xiàn)機(jī)-電- 氣一體 化。 （2）實現(xiàn) PLC 控制程序的實現(xiàn)，包括系統(tǒng)氣動 PLC 程序，包括氣缸貼標(biāo) 動作的控制。 4 第 2 章 貼標(biāo)機(jī)的功能分析和總體設(shè)計 2．1 手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)的功能分析 根據(jù)貼標(biāo)工藝和要求，本論文設(shè)計手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)必須滿足以下設(shè)計功能 要求： （1）將標(biāo)簽精確的貼在手機(jī)電池上。要實現(xiàn)這一功能必須對電池抽屜盒進(jìn) 給量進(jìn)行精確定位控制。需要設(shè)計一個精確的位置伺服系統(tǒng)，要求手機(jī)電池在 上升位移量過程中無位置靜差、無超調(diào)或者小超調(diào)、響應(yīng)速度快和系統(tǒng)的動態(tài) 性能好。 （2）要求所有動作自動運(yùn)行，無須人工參與，通過控制系統(tǒng)完成所有動作 協(xié)調(diào)和連續(xù)執(zhí)行。 （3）有良好的人機(jī)交互式界面，通過上位機(jī)的監(jiān)控界面可以對設(shè)備的良好 的操作，如對通過計算機(jī)可以對設(shè)備的單步和連續(xù)自動運(yùn)行。要實現(xiàn)這一功能 就必須對 PLC 的位編程，如輸出點(diǎn)、中間繼電器點(diǎn)和定時器點(diǎn)可在在上位機(jī)的 人機(jī)交互式界面進(jìn)行操作。通過上位機(jī) RS232 串口通信來對可編程控制器內(nèi)部 輸入、輸出點(diǎn)、定時器和中間繼電器進(jìn)行讀寫操作。 2.2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 2.2.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu) 本文設(shè)計的手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)的控制系統(tǒng)主要是自動貼標(biāo)系統(tǒng)的控制，該系 統(tǒng)涉及計算機(jī)、通信、機(jī)械、人工智能等多個技術(shù)領(lǐng)域的理論知識。根據(jù)上一 節(jié)貼標(biāo)機(jī)的設(shè)計功能要求，擬采用工控機(jī)用來作為上位機(jī)，以三菱的 FX2N- 32MR-E/UL 系列 PLC 作為下位機(jī)。手機(jī)電池自動貼標(biāo)機(jī)的整體設(shè)計方案框圖如 圖 2.1 所示： 5 圖 2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案框圖 由圖 2.1 分析可以得出，PLC 控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)，主要負(fù)責(zé) 標(biāo)簽貼標(biāo)動作控制，如：氣動電磁閥的控制貼標(biāo)、吸附標(biāo)簽、氣動機(jī)械手搬送 電池、電池搬送系統(tǒng)位置伺服步進(jìn)電機(jī)的精確定位控制。 2.2.2 手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)的原理及工作過程 原理：工作過程的開始是電池在傳送帶上以一個不變的速度向貼標(biāo)機(jī)進(jìn)給。 機(jī)械上的固定裝置將電池之間分開一個固定的距離，并推動箱子沿傳送帶的方 向前進(jìn)，貼標(biāo)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括一個驅(qū)動輪，一個貼標(biāo)輪，和一個卷軸。驅(qū)動 輪間歇性地拖動標(biāo)簽帶運(yùn)動，標(biāo)簽帶從卷軸中被拉出，同時經(jīng)過貼標(biāo)輪貼標(biāo)輪 會將標(biāo)簽帶壓在電池上。在卷軸上采用了開環(huán)的位移控制，用來保持標(biāo)簽帶的 張力因為標(biāo)簽在標(biāo)簽帶上是彼此緊密相連的，所以標(biāo)簽帶必須不斷起停。 標(biāo)簽是在貼標(biāo)輪與電池移動速度相同的情況下被貼在電池上的。當(dāng)傳送帶 到達(dá)了某個特定的位置時，標(biāo)簽帶驅(qū)動輪會加速到與傳送帶匹配的速度，貼上 標(biāo)簽后，再減速到停止。 由于標(biāo)簽帶有可能會產(chǎn)生滑動，所以它上面有登記標(biāo)志，用來保證每一張 標(biāo)簽都被正確地放置。登記標(biāo)志通過一個傳感器來讀取，在標(biāo)簽帶減速階段， 驅(qū)動輪會從新調(diào)整位置以修正標(biāo)簽帶上的任何位置錯誤。 工作過程：步進(jìn)馬達(dá)帶動卷料軸、出料盤運(yùn)轉(zhuǎn)，通過出料盤與卷料盤的拉 力，標(biāo)簽在剝標(biāo)板處剝離，由光電檢測頭確認(rèn)剝離位置，并發(fā)出停止指令，此 時，送料馬達(dá)帶動吸標(biāo)裝置前移，吸標(biāo)板吸住標(biāo)簽，吹氣裝置開始工作，標(biāo)簽 隨馬達(dá)前移至限定位置，左糾偏氣缸及前糾偏氣缸同時推出。形成九十度的直 角，對吸標(biāo)板上的標(biāo)簽進(jìn)行精確校正，出標(biāo)工序完成。 推料氣缸推動電池至電池豎截面限位位置，前糾正氣缸推出，對電池進(jìn)行 6 精密定位，移載馬達(dá)帶動第一吸頭至電池定位位置，下移并吸住電池，前糾正 氣缸退出，第一吸頭提起電池移至標(biāo)簽位置并落下，頂滾位抬起，手機(jī)電池貼 標(biāo)機(jī).粘附標(biāo)簽的電池隨第一吸頭后移，至頂滾位滾壓，趕出氣泡并抬起后移至 側(cè)滾位，吸標(biāo)裝置回至原點(diǎn)，并準(zhǔn)備下一流程，側(cè)滾前出，第一吸頭下壓，使 側(cè)面標(biāo)簽隨側(cè)滾滾動定位，側(cè)位夾緊氣缸夾緊電池，側(cè)滾后退，第一吸頭放下 電池，提起，移至下一工作位置，側(cè)滾前推，滾壓電池側(cè)面標(biāo)簽，后移，第二 吸頭前移至側(cè)滾位，下移并吸住電池，側(cè)位夾松開，第二吸頭提起電池至雙側(cè) 滾位，雙側(cè)滾同步前出，第二吸頭下落，電池通過雙側(cè)滾的平衡張力完成電池 雙肩部位的貼標(biāo)，同時下移至前后夾緊位， ，前后夾夾緊電池，雙側(cè)滾后退，第 二吸頭放下電池抬起，雙側(cè)滾按設(shè)定程序前滾-后退-后滾-后退，完成標(biāo)簽結(jié)合 處貼標(biāo)，第二吸頭前移至下一工作位，第三吸頭前移至雙側(cè)滾位，下落并吸起 電池，前后夾松開，第三吸頭抬起并后移至出料口放下電池，貼標(biāo)工序完成。 2.3 本章小結(jié) 本章根據(jù)貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)工藝與要求，對貼標(biāo)機(jī)的功能進(jìn)行了分析；并根據(jù) 貼標(biāo)功能和要求對貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行了整體方案設(shè)計，對貼標(biāo)系統(tǒng)機(jī)械動作控制系統(tǒng) 進(jìn)行設(shè)計。 7 第 3 章 貼標(biāo)機(jī)系統(tǒng)硬件的設(shè)計 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計主要分為兩個部分，上位機(jī)貼標(biāo)的管理信息控制系統(tǒng)的 硬件設(shè)計和下位機(jī) PLC 貼標(biāo)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并對電氣控制柜的元器件進(jìn) 行布局。 3.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)的選型 3.1.1 PLC 技術(shù)的簡介 可編程控制器（Programmable Controller）是早期應(yīng)用于開關(guān)量控制，因此 也稱為 PLC(Programmable Logical Controller)即可編程邏輯控制器，現(xiàn)代的可編 程邏輯控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，高集成度的新型工業(yè)裝置，是計算機(jī)與工 業(yè)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)品。自 PLC 問世以來，經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，以及稱為工業(yè)控 制類產(chǎn)品。它不僅具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)等功能，還具有數(shù)字運(yùn)算、模擬 調(diào)節(jié)、監(jiān)控、記錄、計算機(jī)接口、數(shù)據(jù)傳輸功能，而且還能進(jìn)行中斷控制、智 能控制、過程控制、遠(yuǎn)程控制、向上能與上位機(jī)進(jìn)行通訊，向下能直接控制生 產(chǎn)設(shè)備，可以通過下級 PLC 直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它之所以高速發(fā)展，除了工 業(yè)自動化的客觀需求以外，還有許多有點(diǎn)。它能夠較好的解決工業(yè)控制普遍關(guān) 心的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、靈活、經(jīng)濟(jì)等問題。 可編程控制器采用計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括 CPU、存取器、輸入輸出模塊、 通訊接口及模塊、編程器和電源 6 個部分。如圖 3－4 所示，PLC 內(nèi)部采用總 線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。外部的各種開關(guān)信號、模擬信號，傳感器檢 測的各種信號均為 PLC 輸入量，它們經(jīng)過 PLC 的外部輸入到內(nèi)部寄存器，PLC 做各種邏輯運(yùn)算或其他運(yùn)算處理送到 PLC 的輸出端，從而對現(xiàn)場設(shè)備提供各種 控制。 8 圖 3.1 PLC 的機(jī)構(gòu)示意圖 3.1.2 可編程控制器的選型 市場上可供選擇的 PLC 種類繁多，各種型號的 PLC 也有各自的優(yōu)勢和特 點(diǎn)，應(yīng)用場合也不大相同。因此在設(shè)計之初，選擇一款符合手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)控 制系統(tǒng)工藝和要求的可編程控制器顯得十分重要。經(jīng)過市場調(diào)研，本控制系統(tǒng) 的下位機(jī)采用的是日本三菱公司的 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 作為下位機(jī)控制， 它是一款可視化的 PLC，屬于中小型可編程序控制器，可用于簡單的控制場合， 也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。由于它具有極強(qiáng)的通信功能，即使在大型的 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮作用。 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 系統(tǒng)是緊湊型可編程序控制器。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架 是由成系統(tǒng)的 CPU 模塊和豐富的擴(kuò)展模塊組成。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化 控制需求。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的上業(yè) 及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。 如:沖壓機(jī)床、印刷機(jī)械、中央空調(diào)、電梯控制、運(yùn)動控制系統(tǒng)等等。FX 系列除 了具有以上一般 PLC 具有的基本控制功能以外，還在以下三個方面有獨(dú)到之處： （1）三菱的 FX 系列 PLC 是一款編程的 PLC，它具有強(qiáng)大的指令集、功能 強(qiáng)大、速度快，掃描 30000 步時僅需要 1 毫秒。 （2）FX2N-32MR-E/UL 提供了豐富的硬件資源，不僅有兩個軸的運(yùn)動控制 伺服定位控制接口；還提供了 4 通道的高速計數(shù)器，特別適合伺服系統(tǒng)的控制， 如步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)以及光電編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。相對常規(guī)的可編 程控制器而言，省去了定位控制單元，給安裝調(diào)試帶來方便。 9 （3）該系列 PLC 帶有 USB 編程口，與上位機(jī)進(jìn)行串口通信調(diào)試時不會 占用串口，可以在編程軟件中可以很方便的看到相關(guān)數(shù)據(jù)寄存器里面上位機(jī)發(fā) 來的數(shù)據(jù)。 3.1.3 伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)和絲杠選型 在電池位置伺服系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的選型關(guān)系到電池每次搬送 的位置精度，伺服系統(tǒng)的精度和抗擾動性是衡量系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。在步進(jìn) 電機(jī)的選型時，必須充分考慮步進(jìn)電機(jī)的一些相關(guān)物理量，步進(jìn)電機(jī)的步距角 度和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)距，一般的靜態(tài)轉(zhuǎn)距越大，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)距越抗擾動性能會更好， 在負(fù)載變化時不容易失步，同樣步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會越 小，但是步進(jìn)電機(jī)的價格會更昂貴。本設(shè)計系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)為日本東方電 機(jī)公司生產(chǎn)的 PK264A2 型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子與軸直接是通過減速傳動， 減速比 1：18，因此它的步進(jìn)角度僅為 0.1 度，為同行電機(jī)步距角度最小的一 款。絲杠選擇必須考慮到系統(tǒng)的最小日本 THK 公司生產(chǎn)的 THK-KR30 滾珠絲杠， 其導(dǎo)程 t 為 1 毫米，根據(jù)初步估算滿足系統(tǒng)載荷要求。 在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制，許多 PLC 都配有脈沖輸出 功能，并設(shè)置了相關(guān)指令，可以很好的對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。這種控制方式可 以大大減小系統(tǒng)的設(shè)計工作量，而且 PLC 具有實時刷新功能，輸出頻率可以到 達(dá)數(shù)千赫茲或者更高，使步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)速度更快。PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)時， 必須考慮脈沖當(dāng)量，根據(jù)貼標(biāo)工藝和要求，系統(tǒng)為直線每次進(jìn)給量為 δ=8 .13mm，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步距角度 α ，滾珠絲杠導(dǎo)程 t＝1mm，那么步進(jìn)電機(jī) 每次搬送相鄰兩個電池需要的脈沖數(shù) m ，根據(jù)公式： 360t???? 代入數(shù)字得 m =2926。 3.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件配置 3.2.1 下位機(jī)控制硬件配置要求 下位機(jī)控制系統(tǒng)的主要用來對貼標(biāo)的機(jī)械動作進(jìn)行控制，主要包括電池升 降位置伺服系統(tǒng)、搬送電池的機(jī)械手動作控制、真空吸附氣缸吸附標(biāo)簽的動作 控制、貼標(biāo)氣缸的對電池的貼標(biāo)控制，下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計必須滿足以 下幾個方面的要求： （1）實現(xiàn)電池貼標(biāo)系統(tǒng)的高精度位置伺服系統(tǒng)，電池位置伺服系統(tǒng)每次搬 送的距離為 10mm； （2）氣動機(jī)械手搬送電池必須每次準(zhǔn)確的夾緊電池，然后搬送到貼標(biāo)位置， 10 貼標(biāo)完畢以后準(zhǔn)確的放回； （3）下位機(jī)控制系統(tǒng)必須有對機(jī)器良好的可操作性，必須輸入開關(guān)來控制 設(shè)備。 根據(jù)設(shè)計要求，本文設(shè)計的電池貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖 3.2 所示， 通過各種開關(guān)量的傳感器將設(shè)備工作的各種狀態(tài)輸入給本設(shè)計的控制系統(tǒng) PLC 輸入輸出配置硬件框圖如圖 2.1 所示，各種位置傳感器將設(shè)備的狀態(tài)，如氣缸 的位置、電池的位置等傳給 PLC 進(jìn)行處理，由 CPU 做各種運(yùn)算處理來，對執(zhí)行 機(jī)構(gòu)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)。 設(shè)備的主要硬件配置： （1）以 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 為核心的控制器，用來對設(shè)備的各種狀 態(tài)進(jìn)行實時處理，通過傳感器的輸入信號得到設(shè)備的工作狀態(tài)，經(jīng)過實時處理， 實現(xiàn)各種氣動閥、步進(jìn)電機(jī)動作貼標(biāo)機(jī)動作。 （2）在緊急情況下為了實現(xiàn)對設(shè)備的可操作性，需要設(shè)置輸出開關(guān)信號給 可編程控制器和合理布局控制面板，根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計的控制系統(tǒng)輸出開 關(guān)信號鍵有開機(jī)鍵、復(fù)位鍵、手動/自動鍵的切換、控制電池上升鍵和下降鍵、 氣動機(jī)械手搬送鍵和緊急停止鍵，控制面部的布局應(yīng)該簡潔，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障 時，操作人員能夠第一時間通過操作面板的操作來阻止重大事故的發(fā)生。 （3）為了檢測設(shè)備的工作狀態(tài)，合理選擇和安裝傳感器，保證傳感器信號 可靠的輸給可編程控制器，本設(shè)計對于氣動閥的位置檢測選用磁性開關(guān)量傳感 器，對于電池和電池標(biāo)簽選用光電接近開關(guān)傳感器。 （4）伺服系統(tǒng)的控制是本設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)，它的控制效果好壞關(guān)系到設(shè) 備能否貼標(biāo)成功。為了滿足電池貼標(biāo)工藝和要求，本設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)位置伺服 系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，通過光電編碼器的脈沖檢測步進(jìn)電機(jī)的位置送給可編 程控制器，并在 PLC 內(nèi)部設(shè)定一定的控制器進(jìn)行處理來調(diào)整輸出脈沖，使步進(jìn) 電機(jī)的位置準(zhǔn)確的到達(dá)給定位置。FX 2N-32MR-E/UL 系列 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī) 接線圖如圖 3.2 所示。FX 2N-32MR-E/UL 系列 PLC 位置控制輸出脈沖單元分別為 500～503，占用 4 個輸出點(diǎn)。本設(shè)計的位置采用 502 和 503 輸出脈沖分別控制 步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，光電編碼器將步進(jìn)電機(jī)的位置脈沖數(shù)給 PLC 的高速計 數(shù)器 CTC0 計數(shù)來檢測步進(jìn)電機(jī)的位置。 11 圖 3.2 步進(jìn)電機(jī)控制接線圖 3.2.2 PLC 輸入輸出信號地址分配 PLC 的輸入輸出控制地址分配包括操作按鈕的輸入如包括開機(jī)按鈕、搬送 按鈕、手自動按鈕切換和急停按鈕；氣缸位置傳感器的輸入信號、電池檢測光 纖傳感器、標(biāo)簽檢測光纖傳感器、步進(jìn)電機(jī)光電編碼器的輸入計數(shù)器，設(shè)備工 作狀態(tài)的輸出顯示運(yùn)行正常、運(yùn)行報警和運(yùn)行故障。其 PLC 地址分配如表 3-1 所示： 表 3.1 PLC 輸入信號地址分配 輸出信號 輸入信號分配地址 自動手動信號 X0 啟動信號 X1 停止信號 X2 光電開關(guān)檢測 X3 手機(jī)電池到位檢測 X5 貼標(biāo)精度檢測 X7 限位開關(guān) X10 電動機(jī)過載保護(hù) X11 PLC 的輸出信號主要控制氣缸電磁閥的動作，如控制氣缸搬送、真空吸附、 貼標(biāo)、下氣缸托住電池、氣動機(jī)械手夾住電池等動作，其 PLC 輸出地址分配如 表 3.2 所示： 12 3 表 3.2 PLC 輸出信號地址分配 輸出信號 輸出信號分配地址 步進(jìn)電機(jī) Y0、Y5 交流電機(jī)一 Y3 交流電機(jī)二 Y4 側(cè)位夾氣缸電磁閥 Y10 切割氣缸電磁閥 Y11 前糾正氣缸電磁閥 Y13 聲光報警 Y16 .4 電氣控制柜的整體布局設(shè)計 貼標(biāo)機(jī)設(shè)備處在工業(yè)應(yīng)用場合，工作環(huán)境惡劣，各種干擾對設(shè)備的正常運(yùn) 行有著嚴(yán)重影響。在設(shè)計電氣控制柜時必須充分考慮到設(shè)備的抗干擾措施。 本設(shè)計的控制系統(tǒng)輸入給 PLC 主要有位置傳感器信號、光電接近開關(guān)信號、 按鈕等；輸出信號主要有繼電器線圈、電磁閥線圈、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等，處理 這些信號時應(yīng)時應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)的抗干擾性，因此在電氣控制柜布局時應(yīng)注 意以下幾點(diǎn)： （1）輸入信號弱信號電纜應(yīng)該與強(qiáng)盡量分開敷設(shè)，特別是控制步進(jìn)電機(jī)脈 沖輸出信號應(yīng)該與大信號分開，避免步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖收到干擾。 （2）對于 PLC 的輸入輸出信號盡量選擇帶有屏蔽層的線，并且一點(diǎn)接地。 （3）對于 PLC 的供電電源必須有專門的接地。 （4）電氣控制柜應(yīng)該遠(yuǎn)離電磁干擾比較嚴(yán)重的地方，比如大功率用電器、 供電變壓器等器件，PLC 應(yīng)該避免在潮濕、腐蝕、有機(jī)械振動的地方。 由于設(shè)計側(cè)重點(diǎn)的不同，上位機(jī)的相關(guān)器件的選型在本文就不具體涉及了。 3.3 系統(tǒng)主電路設(shè)計 3.3.1 電源供電模塊 貼標(biāo)機(jī)系統(tǒng)中，設(shè)備多，工作電壓也不盡相同。三相異步電動機(jī)工作電壓 是 380V(AC), PLC 的工作電壓為 220V (AC)，傳感器的工作電壓為 24V DC。 (1)電源進(jìn)線 如圖 3.3 所示，電源由滑線引入電器箱 l-中，經(jīng)過刀開關(guān) Qs 后，再經(jīng)由熔 斷器后供給系統(tǒng)的控制回路及主電機(jī)電路部分。三相電源的線電壓為 380V，相 電壓為 220v，因此系統(tǒng)采用三相中的 A 相相電壓提供 220V 的交流電要壓。 13 (2)電源模塊 如圖 3.4 所示，直流電源能使電路中形成恒定電流的裝置，如干電池、蓄 電池、直流發(fā)電機(jī)等。在 24V 電壓范圍內(nèi)又叫 24A 直流電源，直流電源有正負(fù) 兩個電極，正極的電勢高，負(fù)極的電勢低；當(dāng)兩個電極與電路連通后，直流電 源能維持兩個電極之間的恒定電勢差，從而在外電路中形成由正極到負(fù)極的恒 定電流。24V 電源模塊開關(guān)電源為系統(tǒng)中的 A/D 模塊為電磁閥提供 24VDC 電壓。 圖 3.3 電源進(jìn)線主電路圖 圖 3.4 電源模塊主電路圖 (3)運(yùn)動機(jī)構(gòu)電機(jī)電路 如圖 3.5 所示，在控制系統(tǒng)中有很多電機(jī)需要控制，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電 機(jī)等，以控制各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動?？刂七\(yùn)動機(jī)構(gòu)各電機(jī)的交流接觸器是 KM1-6, KM 閉合時相應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，驅(qū)動相應(yīng)裝置運(yùn)動到指定位置。在電機(jī)控制電路中， 為了防止過載等情況加入熱繼電器 FR 進(jìn)行過載保護(hù)。通過 PE 保護(hù)線，進(jìn)行接 地保護(hù)。接地技術(shù)可以減小線纜等因素對設(shè)備造成的電磁干擾，提高控制精度。 保護(hù)系統(tǒng)的安全性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。 14 圖 3.5 電機(jī)電路 3.3.2 系統(tǒng)控制總電路圖 全自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)主電路圖如圖 3.6 所示。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，系 統(tǒng)中需要多臺電動機(jī)。另外，電源模塊是給電磁閥和 A/D 模塊提供工作電壓的。 由于要控制電機(jī)，所以系統(tǒng)中還要運(yùn)用交流接觸器來控制其通斷情況。為了防 止過載等情況的發(fā)生還要加入熱繼電器等。 15 圖 3.6 控制系統(tǒng)主電路圖 3.4 PLC 系統(tǒng)控制電路設(shè)計 中央處理單元及 I/O 擴(kuò)展單元、檢測元件( 光電開關(guān)和接近開關(guān)等 )、按鈕開 關(guān)和指示燈、電磁閥以及執(zhí)行元件(電動機(jī)) 等幾部分。檢測標(biāo)簽剝離位置、電池 位置，以及各部分的動作完成情況；PLC 自動循環(huán)掃描各個輸入輸出點(diǎn)的當(dāng)前 狀態(tài)，并根據(jù)梯形圖程序所確定的邏輯關(guān)系更新輸出點(diǎn)的狀態(tài)，通過通斷交流 接觸器和換向電磁閥來控制電動機(jī)的啟停和氣缸的動作，從而完成從剝離標(biāo)簽、 搬移電池和貼標(biāo)簽全過程的自動控制。 3.4.1 PLC 分塊介紹 (1)輸入部分介紹 如圖 3.7 所示，PLC 控制的輸入部分，有限位開關(guān) SQ1(X10)，啟動按鈕 SB1(XI),停止按鈕 SB2(X2)，工作方式選擇開關(guān) SA(X0)，閉合時為手動工作狀態(tài)， 16 斷開時為自動工作狀態(tài)。光電開關(guān)檢測 X3, X5 是手機(jī)電池的到位檢測、X7 是 貼標(biāo)精度檢測、電動機(jī)過載保護(hù)信號 X11 等，通過以上信號的檢測來控制電機(jī) 等的動作情況。 圖 3.7 輸入部分電路圖 (2)輸出部分介紹 如圖 3. 8 所示，PLC 的輸出部分主要是通過控制接觸器的通斷來控制電機(jī) 等的運(yùn)行情況。由于一個 PLC 只能直接控制兩臺電機(jī)，而本設(shè)計需要控制六個 電機(jī)，所以本設(shè)計采用擴(kuò)展模塊的方法來實現(xiàn)這些功能，控制模塊選擇三菱的 一軸脈沖輸出模塊 FX2N-1PG。輸出部分有推料氣缸電磁閥、前糾正氣缸電磁閥、 壓縮機(jī)和聲光報警等部分。其中有六個控制部分要用到氣動控制，且它們都共 用一個氣源，即空氣壓縮機(jī)提供的空氣。 17 圖 3.8 PLC 輸出部分電路圖 3.4.2 PLC 總接線圖 PLC 總的接線圖如圖 3.9 所示。包裝機(jī)控制系統(tǒng)采用的是 PLC 控制，所以所 有的執(zhí)行元件都是用過可編程控制器來控制的。PLC 包括輸入部分和輸出部分。 可編程控制器通過采集輸入部分即傳感器、開關(guān)等的信號來控制輸出部分即電 機(jī)、電磁閥和聲光報警等。 18 圖 3.9 PLC 總接線圖 3.3 本章小結(jié) 本章主要對手機(jī)電池自動貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)的選型和硬件設(shè)計，并根據(jù)控制 要求，設(shè)計合理的位置伺服系統(tǒng)。為了提高控制系統(tǒng)的抗干擾性，對電氣控制 柜元件進(jìn)行布局。 19 第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 實現(xiàn)手機(jī)電池自動貼標(biāo)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行是控制系統(tǒng)的重要手段，控制系統(tǒng) 的程序設(shè)計不僅要使系統(tǒng)的機(jī)械動作連續(xù)可靠的運(yùn)行，而且還要實現(xiàn)在上位機(jī) 系統(tǒng)中的動作連續(xù)監(jiān)控，使得操作者可以很方便的看到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，因此 在設(shè)計控制系統(tǒng)的程序時，要實現(xiàn)系統(tǒng)的功能有：通過 PLC 控制程序，使得系 統(tǒng)的機(jī)械動作連續(xù)可靠的運(yùn)行，如步進(jìn)電機(jī)和氣缸對電池的搬送的準(zhǔn)確性模糊 控制程序的實現(xiàn)、氣動電磁閥通斷電的時序正確、以及系統(tǒng)故障狀態(tài)的顯示。 因此根據(jù)以上分析可以控制系統(tǒng)的軟件只需對下位機(jī)的軟件進(jìn)行開發(fā)。下 位機(jī)的軟件包括上位機(jī)的控制程序的實現(xiàn)和下位機(jī)的通信的程序的實現(xiàn)兩個部 分。 4.1 下位機(jī) PLC 程序的實現(xiàn) 4.1.1 PLC 程序執(zhí)行的基本原理 PLC 的控制任務(wù)是在硬件的支持的基礎(chǔ)上，通過執(zhí)行反應(yīng)控制要求的用戶 程序來實現(xiàn)的，這跟計算機(jī)的工作原理是一樣的，但是 PLC 完成的主要是順序 開關(guān)量的控制，控制系統(tǒng)的任務(wù)是控制有關(guān)邏輯關(guān)系的實現(xiàn)，PLC 實際的工作 機(jī)制是循環(huán)掃描的工作方式。PLC 控制的工作方式是采用循環(huán)掃描、集中輸入 與輸出的工作方式。這種工作方式的顯著特點(diǎn)是：可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等 特點(diǎn)，這種工作方式會給系統(tǒng)相應(yīng)帶來一定的延時，但是 PLC 的掃描速度很快， 一般能夠滿足系統(tǒng)實時性的要求。PLC 上電以后，CPU 在系統(tǒng)程序的監(jiān)督下先 進(jìn)行內(nèi)部處理，包括硬件初始化，I/O 模塊配置檢查、停電保持范圍設(shè)定及其 他初始化處理等工作。在執(zhí)行用戶程序之前還應(yīng)完成通信服務(wù)與自診檢查。在 通信服務(wù)階段，PLC 應(yīng)該完成與一些帶處理器的智能模塊與其他外設(shè)通信，完 成數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送任務(wù)、響應(yīng)編程器鍵入命令、更新編程器顯示內(nèi)容、更新 時鐘和特殊寄存器內(nèi)容等工作。PLC 的 CPU 工作原理圖如圖 4.1 所示： 20 圖 4.1 PLC 的 CPU 工作流程圖 總體說來 PLC 的一個掃描周期由三個部分組成： （1）保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行的公共操作：這一部分掃描時間是固定的，隨著 PLC 的 CPU 類型不同而不同。 （2）系統(tǒng)與外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換，這一部分不是每個系統(tǒng)或者系統(tǒng)每次 掃描都有的，而是隨著系統(tǒng)變化而變化的。 21 （3）用戶執(zhí)行程序，這一部分是根據(jù)用戶程序執(zhí)行的要求而執(zhí)行的，其具 體占用的掃描時間要根據(jù)用戶編程的執(zhí)行程序的長短來決定的。 4.1.2 下位機(jī)程序的實現(xiàn) PLC 在編程時通常使用模塊化編程來是實現(xiàn)來實現(xiàn)整體功能，這種方法具 有如下的優(yōu)點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)清晰，類似 C 語言中的函數(shù)，可讀性性，在調(diào)試時便于修改； （2）程序可標(biāo)準(zhǔn)化，特別是一些功能可編制成標(biāo)準(zhǔn)的程序； （3）程序的模塊可以由多人來參與和編寫，減小程序開發(fā)的時間； 4.1.3 PLC 輸入量的處理 在 PLC 輸入量信號中，開關(guān)量信號由于機(jī)械的原因易受到機(jī)械抖動而導(dǎo)致 誤操作，因此在開關(guān)量輸入之前要進(jìn)行處理，常規(guī)的 PLC 開關(guān)量信號加以軟件 延時，也就是當(dāng)某一控制信號高電平（或者低電平）出現(xiàn)時，通過軟件延時以 后再去檢查它是否仍然是真實信號，如果在檢查該信號已經(jīng)消失，則證明該信 號為假信號，應(yīng)將其舍去，如果延時以后檢查該信號為真實信號。以 PLC 控制 系統(tǒng)的機(jī)械動作控制為例，在因為某些開關(guān)量輸入信號的機(jī)械抖動而導(dǎo)致設(shè)備 工作狀態(tài)時序不正確，可能會使得機(jī)械貼標(biāo)動作錯誤，系統(tǒng)不能正常工作，因 此在 PLC 輸入信號必須加以處理。通常的做法是 PLC 接收到錯誤信號以后進(jìn) 行延時濾波處理。 三菱 FX 系列自帶的 HSP 指令可以將輸入開關(guān)量進(jìn)行輸入處理，在使用 HSP 指令進(jìn)行輸入時，配合中斷指令進(jìn)行輸入信號處理，因此本設(shè)計控制系統(tǒng)結(jié)合 三菱的特殊功能繼電器 2813 來設(shè)置開關(guān)量的輸入時間，將系統(tǒng)的輸入開關(guān)量延 時 10 微妙，10 微妙的開關(guān)延時這樣可以消除系統(tǒng)的開關(guān)量輸入抖動。 4.2 通信程序的設(shè)計 在手機(jī)電池貼標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)中，PLC 的貼標(biāo)動作在時序上必須與上位機(jī)的 時序協(xié)調(diào)，同時下位機(jī)控制系統(tǒng)中一些機(jī)械動作信息必須傳遞給上位機(jī)，因此 就必須實現(xiàn)下位機(jī) PLC 與上位工控機(jī)之間的串口通信，通信程序的實現(xiàn)主要包 括兩個部分，下位機(jī) PLC 通信程序的設(shè)計和上位機(jī)通信程序的設(shè)計（本文不涉 及） 。下位機(jī)的軟件設(shè)計兩個部分，上位機(jī)的軟件設(shè)計主要為主要負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng) 的機(jī)械動作，并負(fù)責(zé)與 PLC 數(shù)據(jù)的傳輸，下位機(jī) PLC 主要為控制貼標(biāo)的各種動 作，并即將系統(tǒng)的機(jī)械動作傳遞給上位機(jī)顯示出來。在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計時， 首先要解決 FX2N-32MR-E/UL 系列 PLC 與上位機(jī)的通信問題。上位機(jī)與 FX2N- 32MR-E/UL 系列 PLC 通信有以下三種方法來實現(xiàn)： 22 （1）使用三菱公司自帶的軟件通信包來實現(xiàn)上位機(jī)與 FX 系列 PLC 來實現(xiàn)通 信，這種方法簡單，但是這種方法軟件包價格昂貴，而且靈活性差，不便于實 現(xiàn)用戶所需要的功能。 （2）可以各種工控組態(tài)軟件來實現(xiàn) PLC 與上位機(jī)的之間的通信，這種方 法要有 PLC 與組態(tài)軟件之間的通信協(xié)議，而且組態(tài)軟件對 PLC 通信的點(diǎn)數(shù)是 很昂貴的。 （3）使用自由端口模式，用戶通過各種高級編程軟件實現(xiàn)上位機(jī)與 FX 系 列 PLC 之間實現(xiàn)串口通信，這種方法實現(xiàn)時需要知道 PLC 與上位機(jī)的通信協(xié)議， 需要用戶從底層編寫，但是實現(xiàn)程序比較靈活，可以實現(xiàn)用戶自己定義的一些 軟件協(xié)議包。 因此在開發(fā)控制系統(tǒng)的通信程序時為了考慮到成本和諸多因素，我們采用 了第三種通信方式，這種通信方式簡單靈活、價格低廉。 4.2.1 上位機(jī)與 PLC 串口通信的協(xié)議 串口通信是計算機(jī)常用的通信方式之一，其通信方式是一位一位的依次傳 輸，每傳輸一位數(shù)據(jù)都占用一個固定的時間長度。這種情況只要少數(shù)幾條線就 可以實現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息交換，特別適合用于計算機(jī)與 PLC 之間的串口通信。 根據(jù)信息傳遞的方式可以分為圖 4.2 所示的單工、半雙工、全雙工三種。單工 通信只是允許數(shù)據(jù)向一個方向傳輸，一方作為數(shù)據(jù)的發(fā)送，另一方作為接受， 這種方式目前已經(jīng)很少采用。半雙工通信允許兩個方向傳輸數(shù)據(jù)，但是不能同 時傳輸，只能每次一個站發(fā)送，一個站接收。為了控制線路切換，必須對兩端 設(shè)備進(jìn)行控制，以確定數(shù)據(jù)流向。這種協(xié)調(diào)可以增加接口的附加控制線來實現(xiàn)， 也可以利用軟件來實現(xiàn)。全雙工可以實現(xiàn)通信兩端同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù) 可以同時在兩個方向上傳輸。 圖 4.2 串行通信的數(shù)據(jù)傳送模式 （a）單工方式；（b）半雙工方式；（c）全雙工方式 串口通信協(xié)議是雙方規(guī)定好的通信格式，如傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式、波特率、傳 送速度、傳送步驟、糾錯方式、控制字符定義等問題做出統(tǒng)一的規(guī)定，通信雙 方的格式必須統(tǒng)一 [11]。屬于 ISO 的七層參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。目前串行通 信協(xié)議有異步協(xié)議和同步協(xié)議之分: （1）面向字符的同步協(xié)議：典型代表是 IBM 公司的二進(jìn)制同步傳輸 23 （BSC）協(xié)議，一次傳輸由若干字符組成的數(shù)據(jù)模塊。 （2）面向比特的同步協(xié)議：典型代表是 IBM 的數(shù)據(jù)鏈路控制（ SDLC）規(guī) 程、ISO 的高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC ）規(guī)程。一幀數(shù)據(jù)可以是任意比特。 （3）起止式異步協(xié)議：逐個字符的地進(jìn)行傳輸，傳輸一個字符總是以起始 比特開始，以停止位結(jié)束，字符間沒有固定的實踐間隔要求?？煽啃愿撸?低。 RS232C 串行總線標(biāo)準(zhǔn)是由美國電子工業(yè)學(xué)會推薦的一直普及性異步通信總線標(biāo) 準(zhǔn)，原本為數(shù)據(jù)終段設(shè)備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的一種物理接口 標(biāo)準(zhǔn)用于電話網(wǎng)絡(luò)中。基本內(nèi)容包括： （1） 機(jī)械特性規(guī)定了該總線的引腳（信號線）數(shù)目、引腳排列位置與次 序、連接器的幾何尺寸。 （2）電氣特性規(guī)定了該總線各信號線的電氣連接方式及電氣參數(shù)。其電氣 連接方式規(guī)定每條電路使用一條信號線，因而所有信號線共用一條信號地線構(gòu) 成回路。 （3）功能特性規(guī)定每條信號線實現(xiàn)的功能。 （4）過程特性也稱時序特性或規(guī)程特性，RS232C 總線標(biāo)準(zhǔn)的過程特性規(guī) 定了各信號線如何按一定的先后順序配合動作使物理接口狀態(tài)轉(zhuǎn)移，控制數(shù)據(jù) 位流的傳送。 一般廠家生產(chǎn) PLC 都會支持 RS232 串口通信，在通信協(xié)議上遵循標(biāo)準(zhǔn)的 串口通信協(xié)議，但是各家公司的定義的串行通信的格式不大相同，如傳輸?shù)臄?shù) 據(jù)格式、每次傳輸?shù)奈粩?shù)、停止位，校驗方式各不相同。因此在實現(xiàn)三菱公司 PLC 與上位機(jī)之間的串口通信時必須嚴(yán)格按照三菱公司的串口通信協(xié)議來實現(xiàn)。 在硬件連接方式三菱公司的 PLC 與 RS232 協(xié)議電平完全兼容，不需要另外設(shè)置 電平轉(zhuǎn)換器。 在三菱公司的 PLC 和上位機(jī)連接實現(xiàn)串口通信時，務(wù)必保證他們的通信參 數(shù)與規(guī)定的參數(shù)一致，否則通信將會導(dǎo)致失敗。另外在連接 PLC 與上位機(jī)的電 纜也是采用三菱公司的標(biāo)準(zhǔn)連接網(wǎng)線 OP-26487 和一個 25 針的 D-sub 接頭。 三菱公司 PLC 與上位機(jī)連接好串口通信電纜以后，要起動串口通信傳輸數(shù) 據(jù)還必須按照三菱公司的串口通信命令來初始化串口，起動串口的通信的決策 權(quán)有 PLC 來控制，當(dāng)系統(tǒng)需要起動串口通信傳輸數(shù)據(jù)時，PLC 向上位機(jī)發(fā)送上 位機(jī)發(fā)送一個突變信號，該信號用來初始化 FX 的阿通信參數(shù)設(shè)置，在開始通信 之前，有必要傳輸一個延時 10 毫秒的或者大于 100 毫秒的突變信號。一旦通信 建立，另外不需要突變信號。 除了傳輸突變信號以外，三菱公司的 PLC 與上位機(jī)的串口通信還設(shè)置了傳 24 輸命令響應(yīng)，F(xiàn)X 系列可編程控制器與上位機(jī)之間的“命令”與“響應(yīng)”的定義 如下： （1）命令：從上位機(jī)傳輸?shù)娇删幊炭刂破鞯南ⅰ?（2）響應(yīng)：命令的應(yīng)答，從 FX 系列可編程控制器到上位機(jī)的響應(yīng)。 命令響應(yīng)的格式如下： （1）命令格式：用下面的格式來傳輸從上位機(jī)到 FX 系列可編程控制器的 命令。命令傳輸?shù)母袷叫盘枎兔铐憫?yīng)格式信號幀如圖 4.3 所示，其格式是 以 CR 分隔符號為結(jié)尾字符。 圖 4.3 上位機(jī)與 PLC 的通信命令與響應(yīng)格式 以自定義協(xié)議來實現(xiàn)上位機(jī)與 PLC 的串口通信，過上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)來對 PLC 來讀寫操作，是通過命令和響應(yīng)來設(shè)置的，當(dāng) FX 系列 PLC 接收到上位機(jī) 發(fā)送來的報文以后，對線管的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，如奇偶校驗、異或校驗，冗余校 驗，如果校驗正確，則 PLC 發(fā)送相隔的響應(yīng)數(shù)據(jù)給上位機(jī)，并且以新格式的形 式報文返回。如果校驗因為某些原因而出錯，則 FX 系列 PLC 將出錯的信息返回 給上位機(jī)，并請求再發(fā)送一次。 三菱公司的 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，還定義了通信協(xié)議，在每次上位機(jī)給計 算 上位機(jī)進(jìn)行交換數(shù)據(jù)會有 3 個步驟，說明如下： （1）設(shè)備要求發(fā)送數(shù)據(jù)時，計算機(jī)每次都會發(fā)送一串字符過去。通常字符 第一個字是前導(dǎo)碼，設(shè)備根據(jù)前導(dǎo)碼辨認(rèn)是否應(yīng)該讀取字符、該字符屬于哪一 個命令集（Commad Set）