plc的自动贴标签系统检测驱动控制(附件)
本文以基于PLC的自动贴标签系统为研究对象，围绕检测驱动控制系统展开研究和设计。在分析驱动环节的步进电机的工作原理和数学模型基础上，根据自动贴标签系统对步进电机性能的要求，设计了位置检测和步进电机的闭环控制系统的方法。经过对系统机械结构和电气参数的分析计算，选定了型号为57BYGH76-401A的两台步进电机分别用作标签拖动电机和气缸旋转电机。系统选用西门子S7-300型号的PLC作为控制器，配合相应的位置检测传感器构成步进电机的控制系统，控制系统发出的控制脉冲经过TB6560电机驱动器，从而达到对步进电机精准的控制效果。根据控制要求，分析了两台步进电机的动作流程图，编写出了控制两台电机工作的PLC软件程序。为了方便调试，利用WINCC组态软件对所设计的系统进行了仿真，经过多次软硬件联调之后，实现了对步进电机相对精确的控制。关键词 自动贴标签，步进电机，检测驱动控制，PLC目 录
1绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 步进电机的研究现状和发展趋势 2
1.3 工作安排 3
2步进电机的工作原理及控制系统 3
2.1 步进电机的工作原理 3
2.2 步进电机的数学模型 4
2.3 步进电机控制系统 5
2.3.1贴标签机对步进电机的工作性能要求 5
2.3.2步进电机的闭环控制 6
2.3.3步进电机位置检测 7
3基于PLC的步进电机驱动控制 8
3.1 检测与驱动系统硬件设计 8
3.1.1步进电机控制器的选择 8
3.1.2步进电机的型号选择 8
3.1.3步进电机驱动器的选型及工作原理 9
3.1.4位置传感器的选择 10
3.2检测与驱动系统软件设计 12
3.2.1步进电机拖动标签定位程序设计 12
3.3.2步进电机驱动吸附气缸程序设计 13
3.3.3梯形图程序设计 14
4系统的仿真与调试 23
4.1基于WINCC的系统仿真 23
4.2 PLC程序的调试 25
5总结 28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
10
3.2检测与驱动系统软件设计 12
3.2.1步进电机拖动标签定位程序设计 12
3.3.2步进电机驱动吸附气缸程序设计 13
3.3.3梯形图程序设计 14
4系统的仿真与调试 23
4.1基于WINCC的系统仿真 23
4.2 PLC程序的调试 25
5总结 28
致 谢 30
参 考 文 献 31
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
近年来随着商品经济的发展，每一种流通的商品都需要注册必要的生产日期以及安全标志等相关信息，外包装承载着物品的信息，对商品贴标签已成为商品生产中必不可少的环节。
以前的贴标方式都是人为手动贴上去的，而随着标签种类的增多和被贴对象的不同，单纯靠人手工贴标签便会出现很多问题。比如人工不仅要付出强度大的劳动力，还可能造成误差范围大，标签的顺序不能一一对应等问题，因此人工贴标签已经无法满足社会的需求。自动贴标机由于其高效节能，相对成本低等优势而逐渐在取代人工贴标。
目前市场上贴标签基本上还是以人力为主，急需制造出一款全自动贴标签的产品，因此本次设计的主要目标是设计出一款基于PLC的，采用步进电机驱动，平面式机械吸附手和气缸推动方式的自动贴标机。
本人研究的重点是采用PLC对步进电机进行驱动控制。1830年至1860年间，步进电机起源，它的工作机理是基于最基本的电磁感应原理。1870年前后在氢弧灯的电极输送机构中开始应用，这被看作是步进电机的原型[1]。步进电机的另外一个名称叫做脉冲电机，它与其它电机的最大不同之处就是它要将接收到的数字信号和电脉冲信号转化成与之对应的角位移或线位移，实质上步进电机是一个数字模式转化的执行元件。同时，步进电机还需要采用专门的控制驱动电路而不能直接接到交直流电上工作[2]。本系统共需要采用两台步进电机，一台用来控制拖动标签纸盘，另一台用来驱动机械吸附手的旋转。大体控制过程如下：步进电机将绕在标签纸固定盘上的标签条抽出，将标签纸拖动到吸标签纸定位工作台，驱动气泵工作，另一台步进电机带动机械手完成吸标签及旋转向上贴标签的动作。系统不仅要求完成周期短，而且需要实现相对精确的控制。
在本系统中采用PLC作为驱动源，即通过PLC程序产生控制脉冲驱动硬件电路。PLC全称可编程控制器，初期应用在开关量控制范畴，伴随着技术的不断更新，PLC选用微处理器做为基础，形成了结合计算机的高集成工业设备和新类型的工业技术[3]。PLC的应用面非常的广阔，功能也非常的强大，除此以外使用起来也很方便，在很多的企业生产设备中的应用已经非常的普及，PLC除了应用于企业生产方面，在民用和家庭的自动化方面也有了快速地成长。
基于PLC的自动贴标签系统能够让产物的贴标效率大大提高，拥有着精确的位置、优越的品质、良好的稳定性；同时也在经济上减少了资源的浪费，降低了成本。新型的贴标技术，也大大提高了产物包装表面的美观度，使产业的自动化水平进一步提升。
1.2 步进电机的研究现状和发展趋势
在基于PLC的自动贴标签系统中，步进电机的作用是驱动吸附气缸和标签纸盘工作。步进电机作为一个执行元件，可以把电脉冲信号转变为角位移或线位移[4]。步进电机每接受到一个脉冲信号就会转过一个步距角，脉冲信号的频率和脉冲数决定了它的转速和停止的位置，这便让我们在控制电机速度和起停位置等方面变的很方便。
起初，由于技术的限制，步进电机应用范围很小，仅用于电话交换机，船舶和飞机等独立系统中。到了20世纪60年代后期，随着永磁材料和半导体技术的发展，各种实用型步进电机在世界范围内被应用到众多领域。我国于上世纪五十年代开始研究及制造步进电机，50年代到60 年代后期，步进电机一般被国家科研机构少量开发，用来配合研究一些机械装置。并且这些步进电机大多是采用多段结构的三相反应式步进电机[5]。到了七八十年代中期，由于我国在电机驱动器和反应式步进电机本体的研究上面取得了重大突破，步进电机进入了产品化阶段，电机种类增多同时性能也在不断提高。从80 年代到如今，随着对于步进电机及其驱动器的研究不断深入，各种混合式步进电机也被逐渐开发和利用[6]。
从结构形式来看，步进电机可以分为反应式步进电机，混合式步进电机，永磁式步进电机，平面步进电机和单相步进电机等多种类型[7]，我国大多采用的是反应式步进电机，而本系统采用的是两相四线混合式步进电机。步进电机的控制方式对它的运行性能有极大的影响，一般有开环控制系统，闭环控制系统以及半闭环控制系统三种控制类型。在实际应用中，半闭环控制系统可以归类到开环或闭环系统中[8]。
由于步进电机是一种控制用的特种电机，它无法直接接到交流或直流电上运行，必须要专用的驱动电源。在计算机技术发展之前，步进电机完全需要基于硬件电路设计和搭建的的基础上才能实现发出控制脉冲信号，而它的控制回路要由单独的元件或集成电路构成。这就造成不但要消耗大量的元器件，调试安装也比较复杂，同时一旦变控制方案有变化，控制回路就要重新设计。这使得针对不同用途的步进电机就要开发不同的驱动器，以至开发的成本和难度都很高，从而限制了步进电机的推广[9]。而随着计算机技术的发展，软硬件结合成为了主要的控制方式，人
1绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 步进电机的研究现状和发展趋势 2
1.3 工作安排 3
2步进电机的工作原理及控制系统 3
2.1 步进电机的工作原理 3
2.2 步进电机的数学模型 4
2.3 步进电机控制系统 5
2.3.1贴标签机对步进电机的工作性能要求 5
2.3.2步进电机的闭环控制 6
2.3.3步进电机位置检测 7
3基于PLC的步进电机驱动控制 8
3.1 检测与驱动系统硬件设计 8
3.1.1步进电机控制器的选择 8
3.1.2步进电机的型号选择 8
3.1.3步进电机驱动器的选型及工作原理 9
3.1.4位置传感器的选择 10
3.2检测与驱动系统软件设计 12
3.2.1步进电机拖动标签定位程序设计 12
3.3.2步进电机驱动吸附气缸程序设计 13
3.3.3梯形图程序设计 14
4系统的仿真与调试 23
4.1基于WINCC的系统仿真 23
4.2 PLC程序的调试 25
5总结 28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
10
3.2检测与驱动系统软件设计 12
3.2.1步进电机拖动标签定位程序设计 12
3.3.2步进电机驱动吸附气缸程序设计 13
3.3.3梯形图程序设计 14
4系统的仿真与调试 23
4.1基于WINCC的系统仿真 23
4.2 PLC程序的调试 25
5总结 28
致 谢 30
参 考 文 献 31
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
近年来随着商品经济的发展，每一种流通的商品都需要注册必要的生产日期以及安全标志等相关信息，外包装承载着物品的信息，对商品贴标签已成为商品生产中必不可少的环节。
以前的贴标方式都是人为手动贴上去的，而随着标签种类的增多和被贴对象的不同，单纯靠人手工贴标签便会出现很多问题。比如人工不仅要付出强度大的劳动力，还可能造成误差范围大，标签的顺序不能一一对应等问题，因此人工贴标签已经无法满足社会的需求。自动贴标机由于其高效节能，相对成本低等优势而逐渐在取代人工贴标。
目前市场上贴标签基本上还是以人力为主，急需制造出一款全自动贴标签的产品，因此本次设计的主要目标是设计出一款基于PLC的，采用步进电机驱动，平面式机械吸附手和气缸推动方式的自动贴标机。
本人研究的重点是采用PLC对步进电机进行驱动控制。1830年至1860年间，步进电机起源，它的工作机理是基于最基本的电磁感应原理。1870年前后在氢弧灯的电极输送机构中开始应用，这被看作是步进电机的原型[1]。步进电机的另外一个名称叫做脉冲电机，它与其它电机的最大不同之处就是它要将接收到的数字信号和电脉冲信号转化成与之对应的角位移或线位移，实质上步进电机是一个数字模式转化的执行元件。同时，步进电机还需要采用专门的控制驱动电路而不能直接接到交直流电上工作[2]。本系统共需要采用两台步进电机，一台用来控制拖动标签纸盘，另一台用来驱动机械吸附手的旋转。大体控制过程如下：步进电机将绕在标签纸固定盘上的标签条抽出，将标签纸拖动到吸标签纸定位工作台，驱动气泵工作，另一台步进电机带动机械手完成吸标签及旋转向上贴标签的动作。系统不仅要求完成周期短，而且需要实现相对精确的控制。
在本系统中采用PLC作为驱动源，即通过PLC程序产生控制脉冲驱动硬件电路。PLC全称可编程控制器，初期应用在开关量控制范畴，伴随着技术的不断更新，PLC选用微处理器做为基础，形成了结合计算机的高集成工业设备和新类型的工业技术[3]。PLC的应用面非常的广阔，功能也非常的强大，除此以外使用起来也很方便，在很多的企业生产设备中的应用已经非常的普及，PLC除了应用于企业生产方面，在民用和家庭的自动化方面也有了快速地成长。
基于PLC的自动贴标签系统能够让产物的贴标效率大大提高，拥有着精确的位置、优越的品质、良好的稳定性；同时也在经济上减少了资源的浪费，降低了成本。新型的贴标技术，也大大提高了产物包装表面的美观度，使产业的自动化水平进一步提升。
1.2 步进电机的研究现状和发展趋势
在基于PLC的自动贴标签系统中，步进电机的作用是驱动吸附气缸和标签纸盘工作。步进电机作为一个执行元件，可以把电脉冲信号转变为角位移或线位移[4]。步进电机每接受到一个脉冲信号就会转过一个步距角，脉冲信号的频率和脉冲数决定了它的转速和停止的位置，这便让我们在控制电机速度和起停位置等方面变的很方便。
起初，由于技术的限制，步进电机应用范围很小，仅用于电话交换机，船舶和飞机等独立系统中。到了20世纪60年代后期，随着永磁材料和半导体技术的发展，各种实用型步进电机在世界范围内被应用到众多领域。我国于上世纪五十年代开始研究及制造步进电机，50年代到60 年代后期，步进电机一般被国家科研机构少量开发，用来配合研究一些机械装置。并且这些步进电机大多是采用多段结构的三相反应式步进电机[5]。到了七八十年代中期，由于我国在电机驱动器和反应式步进电机本体的研究上面取得了重大突破，步进电机进入了产品化阶段，电机种类增多同时性能也在不断提高。从80 年代到如今，随着对于步进电机及其驱动器的研究不断深入，各种混合式步进电机也被逐渐开发和利用[6]。
从结构形式来看，步进电机可以分为反应式步进电机，混合式步进电机，永磁式步进电机，平面步进电机和单相步进电机等多种类型[7]，我国大多采用的是反应式步进电机，而本系统采用的是两相四线混合式步进电机。步进电机的控制方式对它的运行性能有极大的影响，一般有开环控制系统，闭环控制系统以及半闭环控制系统三种控制类型。在实际应用中，半闭环控制系统可以归类到开环或闭环系统中[8]。
由于步进电机是一种控制用的特种电机，它无法直接接到交流或直流电上运行，必须要专用的驱动电源。在计算机技术发展之前，步进电机完全需要基于硬件电路设计和搭建的的基础上才能实现发出控制脉冲信号，而它的控制回路要由单独的元件或集成电路构成。这就造成不但要消耗大量的元器件，调试安装也比较复杂，同时一旦变控制方案有变化，控制回路就要重新设计。这使得针对不同用途的步进电机就要开发不同的驱动器，以至开发的成本和难度都很高，从而限制了步进电机的推广[9]。而随着计算机技术的发展，软硬件结合成为了主要的控制方式，人
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