EMID标签卷盘机电气控制系统设计毕业设计说明书.docx
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EMID标签卷盘机电气控制系统设计毕业设计说明书
基于PLC和触摸屏的EMID标签卷盘机电气控制系统设计
摘要
EMID标签是RFID标签和非晶磁条标签混合而成的标签,如今RFID越来越普及,在图书馆界RFID替代传统开放式图书馆管理模式已经成为发展趋势。
本文应用RFID、欧姆龙PLC、工业触摸屏和步进电机等技术设计实现一台“EMID标签卷盘机电气控制系统”,实现自动生产EMID标签。
首先简介EMID标签卷盘机设计的工作原理、研究目的,意义和主要内容,接下来介绍此系统的硬件电路设计,简介PLC控制电路设计,这其中包括电源接线图,步进电机和裁切电机接线图,PLC接线图,然后介绍此电气控制系统的PLC软件设计,简介实现系统各功能的PLC梯形图程序,这其中包括开机设置、动作段、参数设置、错误段等模块。
其次介绍触摸屏的接线图、触摸屏软件结构图。
最后介绍此系统的调试工作环境要求。
关键词:
RFID;欧姆龙PLC;触摸屏;步进电机
DESIGNOFEMIDlabelreelelectricalcontrolsystembasedonPLCandtouchscreen
Abstract
EMIDlabelsareamixtureofRFIDtagsandamorphousmagneticstripelabel,RFIDisnowbecomingincreasinglypopularalternativetotraditionalopenlibrarymanagementmodeRFIDinthelibrarycommunityhasbecomeatrend.
Inthispaper,RFID,OmronPLC,industrialtouchscreenandsteppermotortechnologydesignedtoachievea"EMIDlabelreelelectricalcontrolsystem"toachieveautomaticproductionEMIDlabel.FirstIntroductionEMIDlabelreelmachinedesignworks,purpose,meaningandthemaincontent,thendescribesthehardwarecircuitdesignofthissystem,IntroductionPLCcontrolcircuitdesign,whichincludesthepowersupplywiringdiagram,steppermotorsandcuttingmotorwiringFigure,PLCwiringdiagram,andthenintroducesthePLCelectricalcontrolsystemsoftwaredesign,IntroductiontorealizevariousfunctionsofthesystemPLCladderprogram,includingthepowertosettheactionsection,parametersetting,errorsegmentmodules.Secondly,itintroducestouch-screenwiringdiagrams,touchscreensoftwarestructurediagram.Finally,thissystemdebuggingenvironmentrequirements.
Keywords:
RFID;OMRONPLC;touchscreen;steppermotor
前言
随着人们的生活水平不断提高,消费者对各种服务的要求也越发变高。
目前,超市、图书馆、展览馆等场所绝大多数都采用开架服务方式,在为消费者提供便利服务的同时,也为行窃者提供了机会,因此这些场所大都引入各种防盗系统加以防范。
目前RFID标签和非晶体磁条标签是最好的选择之一,不仅能起到防盗的作用,而且此组合的隐蔽性是世界上最好的标签之一,所以在提高管理效率的同时也避免了消费者的抵制情绪。
EMID标签还是目前世界上价格最低廉的标签之一,这也符合了用户的“最低成本原则”,可谓是一举多得[18]。
本文共分五章:
第一章绪论,简介有关课题的一些背景知识和课题内容,介绍有关PLC技术、工业触摸屏技术、RFID技术的知识,了解PLC、RFID的发展,以及工作原理。
第二章系统硬件电路设计,简介此电气系统的工作原理和硬件的设计方案(系统总体框图和功能流程图)。
第三章PLC程序设计,详细讲解各模块的程序设计。
第四章触摸屏设计,详细讲解触摸屏的界面设计。
第五章调试,主要介绍该系统的工作环境要求。
由于本人的时间和能力有限,将此课题的有关知识做到完完全全的理解和应用不可能在短短几个月内完成。
所以很多地方还有待完善,而本文中的不足,疏漏和错误也不可能完全避免,殷切希望各位老师和专家批评指正。
第1章绪论
1.1研究背景
在我国,第一代EAS(商品电子防盗系统英文简称)系统在上海交通大学消磁实验室于1980年研制成功。
上海交通大学图书馆也由此成为我国第一家依靠EAS系统实行开架管理的图书馆。
后来各高等院校各自的EAS科研成果也不断地向企业转化,为我国图书馆实现开架式管理的普及奠定了基础。
现如今RFID越发的普及,在图书馆界RFID取代传统开放式图书管理模式已经成为发展趋势。
[3][4]
条形码的局限提到标签,人们自然会联想起条形码,条形码在相当长的一段时间内都担任着重要的角色。
但是RFID技术的普及将大幅度提高条形码原来的作用。
而RFID的应用就会用到EMID标签。
本系统中提到的EMID磁条是非晶态的,使用非晶态合金的好处是制成的磁场传感器仅需非常简单的电子电路,就可得灵敏度很高的磁条,并且其抗干扰性和热稳定性也明显优于同类的半导体传感器。
这样所制作出的传感器不止有着简单的结构、低廉的成本,而且可靠性高。
金属防盗标签使用的传感材料是铁基非晶合金,因为其具有价格低廉、易于隐藏和配套检测设备简单等优点。
非晶态合金磁性标签的特性:
1)磁导率高和饱和磁感应强度低的特点决定了它可以降低励磁功率;
2)磁致伸缩系数小,减少机械应力对磁性标签性能的影响;
3)机械尺寸小,这样可以增加标签的隐藏性;
4)标签材料的特殊性决定其难于被仿制。
从上面这些特点来看,像这样的非晶态合金材料的磁性标签非常适合于这种用途。
很容易就能粘贴在书脊里头或藏在被监测物品的隐藏处。
一般情况下发射线圈产生的交变激励磁场和包括地磁场在内的恒定杂散磁场两部分构成了磁场,如果监测通道中有磁性标签的话,等于说检测系统磁场的范围内有另一种磁场进入,从而干扰了检测系统磁场的稳定性,那么检测机构的接收线圈感应电压就会产生变化,即可判断磁性标签在监测通道中出现了。
这种用于图书防盗的金属防盗标签由若干段间隔的高碳钢条、非晶合金磁条通过两层双面胶带叠合粘贴而成。
[5]
目前,图书或商品有大有小,内夹缝粘贴的标签都是由人工手动切割生产的,这就出现了个问题:
很多没有按照参数生产的标签成为废品,使得磁条良品率很低,成本很高,标签质量不稳定,达不到要求。
对于这种情况,本文讨论研制一种自动按照所设定参数进行切割生产标签的标签卷盘机。
这使得在后面的工厂生产标签时,自动切割生产标签变得可能。
最终所切割生产出的标签样品如下图1-1所示:
这是我们自己设置的钢带长、段数以及段长等参数,当然生产出的标签参数是可以修改的,当设置参数完后就可以进行自动生产了。
图11复合磁条示意图
整套设备主要是由机架、料盘及料盘架、钢铁进给、刚逞剪刀、产品分切、检测装置及控制系统等几个部分构成。
主要的工序流程分别是由2台步进电机驱进行送料,有一套计算机控制机构进行协调动作钢刀进行切割,并最后进行标签的贴合与卷盘。
在开机运行前,首先在对应的料架上安装绕有原料的料盘。
胶带料架上配有胶带放带装置,胶带放带装置位于垂直平台上。
在开机运行后,计算机会先对各个装置进行复位,然后检查各个供料口的供料情况。
如果一切正常,系统会进行自动式循环的工作根据用户所设定的产品参数,产品的参数包括产品长度,钢带段数等。
当然这些参数用户是可根据实际情况任意设定的。
在每个自动循环工作中都要采用非接触检测技术检测,用于检测供料情况及机器状态。
如果某一个料盘供料异常,例如没有料或断了料,主机就会自动停止运转。
机器里有一个切割装置:
用于切割最后导出的成品,切割装置在运行时都是由步进电机驱动生产制造业中常用的偏心轮及连杆机构,当偏心轮转一圈时,切刀完成了上,下的运动,从而完成一次切割。
只要调整刀座侧面的螺丝,即可调节动刀和定刀之间的压力和间隙,而且经过调整固定后,再更换切刀时,就不需要再进行大幅度的调整。
更换裁切刀时,只需把相应固定螺丝拧松即可。
若刀片损坏或者不再锋利需要更换时,只需将刀片座取下,将新刀片后重新装入即可。
1.2研究目的及意义
随着社会的发展,自动化技术日新月异,绝大部分的工业机器由手工控制逐渐转变为全自动控制。
EMID标签自动卷盘机控制系统的引入,在很大程度上使得使用此标签的公司的人力资源开支的减少(工人的人数,管理人员的人数),也使管理方面的漏洞大大的得到了弥补,从而提高了厂商的效率、效益以及信誉度,同时EMID标签目前在世界上的最优隐蔽性也降低了消费者的抵制心理。
EMID标签可切割成各种尺寸用于不同的货物,图书上从而达到防盗效果。
目前此种标签还是世界上价格较为低廉的标签的其中之一,所有的这些EMID的优点都说明本系统设计具有很多优点:
强大的功能、良好的通用性、高度的可靠性、简单的接线、较强的抗干扰能力、参数修改方便、重量轻、体积小、低功率消耗等。
因此,我觉得“EMID标签自动卷盘机”电气控制系统的设计是多么的刻不容缓。
1.3研究主要内容
EMID标签卷盘机控制系统主要是以PLC技术为核心,PLC控制系统是机电一体化系统。
CPM2APLC控制1个异步交流电机启停控制,驱动2个步进直流电机,有启动、停止、复位按钮。
为了使系统变得更加人性化和功能完善化,本系统新加入了触摸屏技术,人机界面的设计不仅为用户提供方便,同时也使得硬件之间的连线得到了简化,如果硬件按钮发生故障,屏幕可以继续操作系统,同样,屏幕如果失灵,硬件按钮也可继续操作。
[1]从而降低了生产故障的发生率,提高了生产的工作效率。
由触摸屏控制器和显示屏幕两部分组成触摸屏。
由触摸屏表面的触摸检测元件来检测触摸的位置并将检测到的信号传送到触摸屏控制器中。
之后触摸屏控制器会将接受到的信号转换成触摸点坐标并通过通信线缆将坐标传送给CPM2APLC的CPU单元。
CPU单元经过通信线缆将PLC中的相关信息传送给触摸屏控制器以此来将信息显示在触摸屏上。
[7]
这个控制系统是由RFID标签技术、PLC可编程逻辑控制器技术、触摸屏技术以及非晶磁条标签技术共同组合而成的。
系统框图如下:
图1-2PLC的系统框图
从上图1-2中我们可以看出本课题首先要分析可编程控制器PLC的控制结构,重点研究实现与触摸屏数据传递的方法,来实现机电一体化、生产方便化、生产效率化、工厂效益最大化;为了满足宏观市场的需求,解决目前市场供需不平衡问题,研究如何进行自动机械化批量生产EMID标签并将RFID技术、可编程逻辑控制器PLC技术、触摸屏技术和非晶技术结合在一起。
1.4触摸屏,PLC和RFID简介
(1)触摸屏简介:
触摸屏的种类现在主要有电阻屏,电容屏,红外屏,和超声屏四种屏幕。
人们用触摸屏来代替鼠标或键盘以达到操作更直接、便捷的目的。
这种新型的人机交互输入方式与传统的键盘和鼠标输入方式相比,触摸屏的输入更直观。
触摸屏系统一般包括两个部分:
触摸监测装置和触摸屏控制器。
触摸检测装置的作用是检测用户的触碰位置安装在显示屏幕前端,之后将相关的信息传送至触摸屏控制器;而触摸屏控制器的主要功能是从触摸点检测装置上接收触摸信息,并将它转换成触点坐标,再传送给CPU同时也能接收CPU发来的命令并加以执行。
当人或动物用手指或者其它物体触碰安设在显示屏幕前面的触摸屏时,所触碰的位置由触摸屏控制器检测,并通过接口(例如RS—232串行口)送到主机。
现今触摸屏已由原来的单点触屏发展到多点触屏了。
[6]
工业触摸屏,顾名思义,就是在工业领域通过工业显示器作为人机交互界面,踏有效的替代了传统工业控制中的按钮和指示灯的操作显示终端。
他可以用来显示工业生产的数据以此达到监控设备状态的目的,设置工业生产的参数,并且以静态画面,图标,动态画面等形式描绘自动化控制生产过程。
拥有更加便捷和表现能力更强的特点,也可以简化PLC控制程序,营造出更加人性化,更加友好的人机交互界面。
(2)PLC简介:
PLC的中文全称是可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC),它内部使用一类可编程的存储器来存储程序,可以执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等操作指令,并可以控制各种类型的机械或生产过程通过数字或模拟式输入/输出。
[2]
PLC是一个有着以微处理器为核心的数字运算操作功能的电子系统装置,以工业现场应用的目的而设计,它使用可编程的存储器,用它在其内部完成存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令,并可以控制。
[8]
各种类型的机械或生产过程通过数字式或模拟式的输入、输出接口。
PLC是由微机技术与传统继电接触控制技术相结合而产生的,它克服了传统继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂性、较低的可靠性、较低的通用性、较低的灵活性和高功耗性等缺点,充分运用了微处理器的种种优点,还能顾及电气操作维修人员的技能与习惯,特别是PLC程序的编制,不需要技术人员必须有专门的计算机编程语言的基础,因为PLC程序是采用了一套以梯形图为基础的简单指令形式,令技术人员程序编制形象、直观、方便易学;调试方便,查错简单。
用户在购买符合自己需要的PLC后,只需要按说明书的提示,做少量的接线工作和简单的用户程序编制,即可在生产实践中灵活方便应用PLC。
[9][10]
以下是欧姆龙PLC的实物外观图:
图2-1欧姆龙PLC外观图
本系统采用欧姆龙CPM2A小型PLC,主要特点是功能较为齐全并且价格便宜,具有极高的性价比。
(3)RFID简介:
射频识别即RFID(RadioFrequencyIdentification)技术,又被称为无线射频识别,是一种通信技术,通过无线电信号识别指定的目标并读写相关数据而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
常用的有低频(125k~134.2K)、高频(13.56Mhz)、超高频,微波等技术。
当前正以其独特的性能和优势引发一场流通化的信息化革命。
[11]以图书馆中图书流通和盘点管理系统的设计与实现为例,RFID技术与传统条码技术相比之下。
其优点是无需接触识别,识度距离远,信息存储量大,读写速度快,读取准确和安全可靠,采用RFID中间件技术能够更好地完成物流自助流通和智能盘点管理系统的构建。
[12]
非接触识别是射频识别系统最大优点,它能穿透冰、雾、雪、油漆涂料,灰尘和在各种条形码无法使用的恶劣环境中阅读标签,并且阅读速度达到十毫秒级。
有源式射频识别系统的速写能力也是RFID的重要优点。
可把这类技术用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务中。
[13]
RFID技术的发展,使得非常薄小的芯片可以嵌入粘性标贴中,标贴非常容易地固定在书本上,这一发展配合图书馆信息系统,为创造数字化、自动化的图书馆提供了非常美好的机会。
[14]
在图书馆领域,目前已有美国、新加坡等多个国家在图书馆管理中使用到了这项技术,在我国图书馆领域,RFID技术还未广泛地被应用,其应用目前仅限于射频卡的使用,图书馆把射频卡(用于标识读者身份)与管理软件相结合,实现图书馆的“无人管理”,但对图书馆资料的标识还是依旧使用条形码,如果在这方面使用RFID技术,采用电子标签标识图书,就可以有效地解决一系列因为条码技术局限而产生的在图书馆管理工作过程中的问题。
[15]
在国际上,图书馆业RFID规模化应用已走过了12年历程,在中国图书馆业也经历了7个春秋。
图书馆业RFID应用是逐步推广的,在各业RFID应用-物联网迅猛发展的大潮之中,图书馆RFID应用并没有引起特别关注,但它确实提前给公众带来初级物联网的新感受。
由于RFID应用特别适用于图书馆业的各类作业,解决了以往图书馆业多少年希望解决的问题,而且创新不断涌现,使得今天图书馆业异军突起、能够跑在超市零售业之前成为推进RFID应用的探路先锋。
[16]
国内的集美大学诚毅学院开始筹建国内第一家RFID馆藏管理系统并于2006年2月20日正式对外开放。
中国最大的RFID项目的图书馆是深圳图书馆。
目前为止,国内在继集美大学诚毅学院图书馆及深圳图书馆后,已有厦门市少年儿童图书馆、上海市长宁区图书馆、武汉图书馆、汕头大学图书馆、国家图书馆、上海图书馆、南京图书馆、广州图书馆纷纷采用了RFID技术。
另外还有许多新建图书馆也在规划实施中。
已经采用RFID技术的图书馆通过采用此技术,图书馆的服务水平得到了大幅提高,节省了大量的人力和物力,取得了良好的经济效益和社会效益。
如今已有越来越多的图书馆已充分认识到RFID技术所带来的伟大变革。
[17]
第2章系统硬件电路设计
2.1系统总体结构
EMID标签卷盘机控制系统主要是以PLC技术为核心,辅之以触摸屏技术,步进电机等共同协作完成。
在信息时代为了追求操作机器的方便性,此系统加入了触摸屏技术,此技术的加入使得本系统的人机交互界面更加良好。
操作者可以在触摸屏上直接进行生产参数的设定与修改,之后可以通过触摸屏技术会将设置好的参数值传送到PLC,PLC接收到信号后会把设置好的钢带长度和磁条长度换算成脉冲来控制系统的运作,设置好参数后,系统开始运送非晶磁条,胶带,以及钢带,先将上面的胶带有粘性的一面和非晶磁条粘合,下面的胶带有粘性的那面和钢带粘合,然后再由送料电机将两者压实复合,最后将成型的非晶磁条按照设置好的参数长度切断,最后由直流电机完成自动卷盘工作。
这样一个EMID标签的生产过程就结束了。
具体的动作又是怎么完成的呢?
当送钢带的步进电机完成一段钢带的传送后会向PLC发送一个信号让PLC中的激进信号知道已经送完钢带,负责传送磁条的步进电机会收到一个信号,让其驱动器驱动电机完成送定长磁条的动作,然后切割电机会收到一个“切割”信号,对两者完成切割动作,最后由直流电机完成自动收卷工作。
从而完成一个动作过程。
2.2PLC控制电路设计
PLC的设计包裹开始、停止、急停、复位按钮的设计和送料电机(磁带,钢带传送),切割异步电机的设计,裁切电机原点的设计,还有对触摸屏的设计。
2.3EMID电器原理图介绍
EMID电气原理图包包括2个送料步进电机,1个裁切交流电机,3个直流电机,供电器,OMRONCPM2A-40CDT-D,触摸屏。
下面是供电器保护开关以及散热的接线图,我们可以看出这是一个简单的电气接线图,图中有2个散热风扇,分别接上220V交流电,负责控制此供电系统的温度。
还用到一个空气开关,它是非常重要的一种电器在低压配电网络和电力拖动系统中,它有着控制和多种保护的作用。
除了能完成接触和断开电路的工作外,还能对电路或电气设备发生的严重过载,欠电压以及短路等进行保护。
图2-1供电系统保护开关以及散热接线图
下面是供电系统开关电源的接线图,可以看出,2个电源开关分别采用SYN-100-S24兵装电源24V/5A100WAC-DC开关电源和台湾明玮D-50B双路输出开关电源。
前者负责直流电源的供应,后者负责交流电源的供应。
图2-2供电系统保护开关电源接线图
下面是供电系统变压器接线图,顾名思义,这2个变压器就是用来改变电压的,因为系统外接电源是220V的交流电源,为了满足系统中各组件不同电压的用电需求,所以需要变压器来完成电压转换的这一工作。
图2-3供电系统变压器接线图
下图是系统送料电机1的接线图。
在整个系统中有2个送料电机,送料电机1和送料电机2。
从图可知,PLC和送料电机1之间传递信号需要电机驱动器来为它们作中介,为了既能满足产生需要,又可最大限度的降低成本,我们选用了性价比很高的四海电机作为系统的送料步进电机。
驱动器的CP+,DIR+,FREE+端口接24V直流电源,CP-端口通过一个1.8K电阻连接PLC的输出端子台的IR1000端口,DIR-端口通过1.8K电阻连接PLC的输出端子台的IR1001端口,FREE-端口通过1.8K电阻连接PLC的输出端子台的IR1004端口。
电机驱动器上的A+,A-,B+,B-分别于送料电机上的1,2,3,4接口相接,然后是电机驱动器上的两个AC接口分别连接变压器上的T_AC1接口和R_AC1接口。
到这就完成了送料电机1的接线。
图2-4系统送料电机1接线图
从图2-4和图2-5可知,送料电机2与送料电机1接线图基本一样。
驱动器的CP+,DIR+,FREE+端口接24V直流电源,CP-端口通过一个1.8K电阻连接PLC的输出端子台的IR1002端口,DIR-端口通过1.8K电阻连接PLC的输出端子台的IR1003端口,FREE-端口通过1.8K电阻连接PLC的输出端子台的IR1004端口。
电机驱动器上的U,V,W分别于送料电机上的1,2,3接口相接,然后是电机驱动器上的两个AC接口分别连接变压器上的T_AC2接口和R_AC2接口。
到这就完成了送料电机2的接线。
图2-5系统送料电机2接线图
图2-6系统裁切交流电机接线图
上图是裁切单相交流电机的电气连线图,从图可以看出,单相交流电机因为需要从外部供电,所以它的一个电源线接口是通过一个正极接24V直流电源、负极连接了PLC输出端子台IR1006端口的24V继电器与供电电源的零线相接,另一个电源接口先与正极接24V直流电源、负极连接了PLC输出端子台IR1005端口的固态继电器(美格尔MGR-1)相连,然后通过其与另一个24V继电器相连,最后通过第二个继电器与供电电源火线相连,到这,裁切单相交流电机的接线就完成了。
图2-7系统卷盘直流电机接线图
从上图可以看出卷盘直流电机一个电源线接口通过一个正极接了24V直流电源,负极接了PLC输出端子台的IR1007端口的继电器与供电电源的24V直流电源线相连,电机的另一个电源线接口与供电电源的接地线相连。
另外2个卷盘直流电机也是类似的接线方式,此处就不一一解释了。
图2-8OMRONPLC接线图
上图是显示的是本系统所用的OMRONCPM2A-40CDT-DPLC的连线图,这是一款小型PLC,它的CPU单元自带RS-232C口,有40点CPU单元DC24V24点入16点晶体管输出。
图中的D-SUB-9F是用来连接触摸显示屏的,PLC输入端子台的电源正负极端口分别于24V直流供电电源线和地线相连,COM端口与24V直流供电电源线相连,开始,停止,复位和急停按钮,光标,裁切电机原点分别于输入端子台的IR0000,IR0001,IR0002,IR0003,IR0005,IR0007端口相连。
而PLC输出端子台的所有COM端口全部接地,IR1000端口与送料电机1驱动器的CP端口相连,IR1001与送料电机1驱动器的DIR端口相连,IR1002与送料电机2驱动器的CP端口相连,IR1003与送料电机2驱动器的DIR端
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