基于触摸屏的丝网印刷机监控系统的设计

文 李文铅 刘鹤

基于触摸屏的丝网印刷机监控系统的设计

文 李文铅 刘鹤

以半自动丝网印刷机为研究基础，应用PLC控制技术、变频控制技术、人机交互技术等设计出以PLC为控制核心的丝网印刷监控系统。实现了丝网印刷机的手动/自动印刷控制、MCGS上位机实时监控，提高了传统丝网印刷机电气控制系统稳定性和可靠性。

PLC；MCGS触摸屏；人机交互；丝网印刷机；变频控制。

DOl∶10.3969/j.issn.1007-2160.2015.02.01

引言

随着我国科学技术的不断进步以及工业进程的不断发展，丝网印刷技术也得到空前的发展，丝网印刷技术具有不受承印物形状和大小限制、对油墨适应能力强、印刷墨层厚度适应范围广等特点，因而在工业中得到广泛的应用。在我国，丝网印刷技术主要用于电子工业、电路板印制工业、纺织印染、陶瓷贴花等行业，并已建立起以生产实践为基础的丝网印刷产业。特别是近年来，由于丝网印刷行业向着高精度、高密度、高质量化方向发展，对丝网印刷工艺提出更高的要求，本文在国内原有的半自动丝网印刷机的的基础上，对其控制系统进行了自动化设计。

系统设计方案

现阶段我国工业生产中丝网印刷产品有很多种，但国内生产使用的产品多采用手动控制或半自动控制的方式，生产效率极为低下，直接影响国内印刷产业的生产效率以及产品质量。随着近年来我国科技迅猛发展，丝网印刷在电气控制方面越显薄弱。本文拟定设计了一套手动/自动切换控制、MCGS触摸屏监控的丝网印刷系统，系统主要包括控制单元、受控单元、监测单元。控制单元由基本控制单元和EM253定位模块组成。主要完成印刷过程中的玻片上片、定位、跑台传送、印刷台升降、刮刀和胶刮升降、印刷回墨、即时离网以及下片传输等电气控制。受控单元主要包括主控单元相连的各变频器、印刷电机、上片传输电机、下片传输电机、检验电机以及伺服电机和伺服驱动器，监控单元为基于MCGS触摸屏的人机界面，为用户提供所需的工作方式以及需要设定和修改的印刷参数，并完成在线实时监视和传送信息等。

系统的总体设计如下：

图1 系统的总体设计

本系统主要包括基本控制模块、定位控制模块、外部受控单元、MCGS监控平台4个部分。

基本控制模块：基本控制单元以西门子s7-200 PLC为核心控制器，主要负责对按钮、开关等开关信号的读取，以及对系统中继电器、接触器、变频器等的电气控制，进而实现对各电机的控制，同时对系统的指示灯及报警装置进行控制。

定位控制模块：采用西门子公司EM253控制模块，对伺服电机驱动器进行控制，进而控制伺服电机进行跑台控制。

外部受控单元：包括系统使用的继电器、接触器、变频器、伺服驱动器以及在他们控制下的指示灯、报警器、印刷电机、上片传输电机、下片传输电机、检验电机以及伺服电机等，这些构成了丝印系统的外部电路。

MCGS监控平台：使用国内先进的MCGS触摸屏构建上位机触屏监控界面，实现人机交互工作，实时显示的状态，并完成系统的参数设定。

系统的硬件设计

基本控制单元的设计

PLC是Programmable Logic Controller的缩写，原意为可编程逻辑控制器。但随着PLC技术的发展，其功能不再限于对逻辑量的控制，而是增加了模拟量控制以及通信等新功能。PLC的硬件系统主要由CPU、存储器、输入单元、通信接口、扩展接口等组成，主要实现对外部继电器、接触器、变频器的控制，系统通过对外部信号的采集和计算，对外部控制点进行控制，其中，调速控制采用交流变频调速技术，PLC采用扩展存储器通讯控制变频器。本设计使用西门子公司s7-200整体式小型PLC，CPU型号为224XP，输出结构为晶体管输出，具有内置式24V直流电源。该型号PLC具有集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展值至168位数字量I/O点或38位模拟量I/O点。

PLC结构如下：

图2 PLC结构图

定位控制模块设计

位置控制是利用定位模块控制伺服驱动系统，控制伺服电机，借助接近开关，驱动跑台精确地实现对玻片的传送。本设计的定位模块使用西门子公司EM253定位模块，该模块集成的脉冲接口可以产生200KHz的脉冲信号，5个数字量输入，用于过程信号，2个控制输出（DIS；CLR），12个状态 LED，24个脉冲输出，用于直接激活驱动器，能够指定位置、电机速度和方向，可以独立地实现位控功能。EM253定位模块工作原理如图3所示，当伺服驱动器工作在脉冲+模式时。P0口发送控制脉冲，P1口发送运行方向，DIS为硬件使能，同时放大器错误清零。伺服驱动器根据EM253的控制信号对跑台电机进行控制实现跑台的上升和下降，当跑台电机到达上限位开关时电机正向转动，同理，当跑台电机到达下限位开关时电机反向转动。EM253控制图如下：

图3 EM253控制图

系统的软件设计

PLC控制程序

丝网印刷的工艺流程可以简化为13个工艺过程，包括上片、定位夹紧、跑台上升、定位松开、吸气、跑台传片、跑台下降、跑台归位、印台上升、印刷、印台下降、回墨以及卸片。上片后进行破片的定位，跑台上升后，由跑台吸盘进行玻片的吸附，跑台完成转片后进行跑台下降并归位，同时印刷工作台上升，进行印刷工作。完成印刷后印刷工作台下降，并将玻片传送到卸片滑动传输架，由传送带将印好的玻片传至后级传输机。完成一个工作循环。在连续工作运行中可以同时进行玻片的上片和卸片，在保证印刷工艺实现的情况下可以尽可能的缩短每个动作的时间，以缩短印刷工艺的周期，从而提高工作效率。

PLC程序流程图如图4。

EM253控制设置

EM253定位模块可以通过Step7 Micro/ WIN向导配置，系统可以自动生成控制子程序，可轻松实现手动/自动和轨迹运行模式的设置。由于EM253为开环控制，对于电机的实际运行情况不能直接反应。因此，系统将伺服驱动器的差分信号，通过伺服驱动器软件传送至PLC，实现闭环控制。从而实现跑台电机速度与方向的精确控制，完成跑台的位置控制。

图4 PLC程序流程图

MCGS监测系统的设计

随着自动化技术的发展，越来越多的现场设备使用和操作需要都通过人机界面（HMI）来实现，触摸屏作为一种新型可编程控制终端替代了传统的控制面板和键盘操作，为用户提供一系列的组合文字、图形、数字等元素实现了实时信息的多功能显示以及系统参数的设定，并简化了PLC的控制程序。本设计使用昆仑通态生产的型号为TCP7062KX触摸屏，该触摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏，组态软件使用昆仑通态MCGS7.0编程软件实现。组态构建步骤如下：

设备组态。打开MCGS软件，新建工程，在工作台窗口中打开设备窗口，在设备窗口中添加“通用串口父设备”，并在设备工具箱中的设备管理目录“所有设备PLC西门子S7200PPI”中找到“西门子_S7200PPI”将其添加到“通用串口父设备”下。双击可修改设备属性，包括设备名称、地址、采用周期等参数。

新建数据库。在工作台窗口中选择“实时数据库”，通过新增对象添加变量，并在设备通道中连接变量与寄存器地址；

监控界面的设计。在工作台窗口中选择“用户窗口”，点击新建窗口，双击打开，绘制用户界面，添加所需控件并为控件连接数据地址，添加相应的脚本程序。用户界面如图5为手动操作界面，图6为自动操作界面，图7为参数设置页面。

使用RS485转RS232数据线对MCGS和S7-200PLC进行数据连接，启动MCGS触摸屏，将工程下载到触摸屏中，运行丝网印刷机控制系统，将PLC 开关指向“RUN”状态，按照丝网印刷机的控制要求，设置控制参数，观察触摸屏监控系统的运行结果。

图5 手动操作界面

图7 参数设置界面

结束语

调试过程显示，出现故障原因一般为：变量设置出错、地址连接错误或命令语言错误。经过多次调试后，系统运行正常，监控效果良好。至此，丝网印刷机监控系统的设计已经初步完成，具体的细节还需在实践中不断地进行完善。在丝网印刷机监控系统的设计中，设计人员应该系统的考虑丝网印刷机的实用性和经济性，把安全性、节能性贯穿于设计中,不断地提高丝网印刷机的自动化程度。

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（作者单位 曲阜师范大学）