基于PLC的丝网印刷机控制系统概论

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1、中北大学 2015 届毕业设计说明书 基于 PLC 的丝网印刷机控制系统设计 摘要 由于丝网印刷在基板的大小和形状方面没有限制，可适应油墨，印刷油墨层厚度可调的特性而被广泛使用，因此，对开发控制精度高，性能高，操作简易方便的丝网印刷机是非常有必要的。 在本文主要介绍采用高性能的三菱 PLC对原有老旧的丝印机电气控制系统进行设计改造的过程。在开发之前，对丝网印刷机的工作流程进行了详细分析，进而明确了控制系统的任务，再从硬件和软件两个方面进行改造。 在硬件设计方面，本文采用了三菱 FX 系列的 PLC，其中选择了高性能的微处理器FX2N， 并对其余各个模块进行了准确选型，完全满足了设备的要求，详细

2、设计了触摸屏、电气原理图与 PLC 的通信接口。在印刷回墨控制方面，采用了交流伺服驱动系统来控制同步带实现图形的印刷。 在软件设计方面，该程序可仿真调试实现，手动程序，自动程序和复位程序三个部分。根据模块化的编程方法，对梯形图中的重要模块进行了详细的描述。在人机界面方面，利用相应软件开发出了触摸屏中的各个功能界面，提高了操作性能，方便操作者操作体验。 关键词：丝网印刷,可编程控制器,伺服驱动,触摸屏 中北大学 2015 届毕业设计说明书 Design of control system for screen printing machine based on PLC Abstract Beca

3、use of no restriction on the size and shape of the substrate in the screen printing, ink to adapt to, the printing ink layer thickness adjustable properties, which can be widely used. Therefore, to develop high control precision, high performance, simple and convenient operation of the silk screen p

4、rinting machine is very necessary. In this paper, the use of high-performance MITSUBISHI PLC to the original old screen printing machine electrical control system design and transformation of the process. Before the development, the work flow of the screen printing machine is analyzed in detail, and

5、 then the task of the control system is defined, and then the hardware and software of the two aspects are reconstructed. In the aspect of hardware design, this paper makes use of the Mitsubishi FX series PLC, in which the selection of the high performance microprocessor FX2N, and to the rest of the

6、 modules of the correct selection, fully meet the requirements of the equipment, the detailed design of the communication interface of touch screen, electrical principle diagram and PLC. In the aspect of printing ink control, AC servo drive system is used to control the synchronous belt printing. In

7、 software design, the program can simulate debugging, manual procedures, automatic procedures and reset procedures for three parts. According to the method of modularization, the important modules in the ladder diagram are described in detail. In the man-machine interface, the use of the correspondi

8、ng software to develop a touch screen in the various functional interfaces, improve the operation performance, easy operator to operate experience. Key Words: Screen printing,programmable controller,Servo drive, touch screen 中北大学 2015 届毕业设计说明书 I 目录 1 绪论 . 1 1.1 丝网印刷及丝网印刷机 . 1 1.2 国内外丝网印刷机发展现状与趋势 . 2

9、 1.2.1 国外丝网印刷机发展现状及趋势 . 2 1.2.2 国内丝网印刷机发展现状及趋势 . 3 1.3 课题研究的背景、目的及意义 . 4 1.4 本文研究的主要内容 . 5 2 系统的总体设计 . 6 2.1 丝网印刷机的工作原理 . 6 2.2 设计原则 . 6 2.3 整体设计 . 7 3 系统的硬件设计 . 10 3.1 三菱 FX2N 基本单元的 I/O 地址分配 . 10 3.2 丝网印刷机的电气原理图 . 10 3.3 丝网印刷机的 PLC 接线图 . 12 3.4 伺服电机的选型 . 13 3.5 PLC 的基本结构与选型 . 14 3.6 三菱的 FX2N-48MR 主

10、要技术数据 . 16 3.7 设计要求 . 18 3.8 安全保护措施的设计 . 18 4 丝网印刷机控制系统软件设计 . 20 4.1 系统软件的设计要求 . 20 4.2 PLC 控制软件的设计 . 20 5 系统调试 . 25 5.1 安装布线的要求 . 25 中北大学 2015 届毕业设计说明书 II 5.2 系统的仿真与调试 . 27 结论 . 30 参考文献 . 31 致谢 . 32 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 1 页 共 32 页 1 绪论 1.1 丝网印刷及丝网印刷机 丝网印刷就是将丝状物绷在网框架上，通过制作网版来进行印刷。相比国外，丝网印刷在中国出现的比较早，

11、夹颉印花方法的出现时间就可以追溯到秦汉时期。在印刷行业有四大印刷方法分别是：凸印、凹印、平印、孔印。夹颉印花方法也是丝网印刷，归属于孔版印刷类，是在领域中应用最为广泛的一种1。 丝网印刷具有如下特点： （1）适应性强。可以在多种形状的表面上进行丝网印刷。例如：平面，曲面，球面，凹凸面上等等。此外，丝网印刷还可以在不同材料的承印物上进行印刷，比如：硬物、软物都可以。 （2）墨层相对比较厚实，有明显比较强的质感和立体感。在胶印、凸印和凹印的墨层中，凹印墨层最厚，也只有 13 微米左右，但仍然比较薄，丝网印刷墨层相比于其它方式的墨层厚度，印刷立体质感和质量都很好，这是该印刷方法的优点。 （3）可忍受

12、强光，光泽靓丽。因为漏印是丝网印刷的一大特点，所以可以使用不同颗粒大小的颜料进行印刷，例如：浆料，粘结剂。此外，油墨调配方法简单也是丝网印刷的一大特性，比如， 可以在油墨中直接放入耐光颜料合理进行调配就可以使用。因此，丝网印刷产品有很强的耐光性，在广告、标牌领域应用广泛。 （4）印刷面积大。就其它印刷方法所能达到的科技水平而言，由于受到机械设备的限制，其所能达到的最大印刷面积也不过为全张尺寸。但是丝网印刷可以打破这种限制进行大面积的印刷，现在最大幅度可达到 3 米4 米，但事实上可印刷的面积不仅限于此，它可以印刷更大的面积11。 丝网印刷根据承印物形状的不同可以分为两类：平面印刷和曲面印刷。目

13、前就国内市场而言，平网平台式丝网印刷机的销售量占据了市场几乎所有的份额。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 2 页 共 32 页 图 1.1 丝网印刷机结构图 丝网印刷机是推广丝网印刷技术的关键所在，只有适应现代工业发展的设备才能将此技术发扬广大，这就使得丝网印刷机的技术更新变得越来越重要。 1.2 国内外丝网印刷机发展现状与趋势 1.2.1 国外丝网印刷机发展现状及趋势 近代社会以来，欧洲的丝网印刷行业发展较快，尤其是美国，在上世纪八十年代后期，从事丝网印刷的厂商达到 5000 家左右，年产值高达 30 亿美元，占美国印刷业总交易额的 10%。同样是工业发达的德国，在丝网印刷领域也不

14、甘落后的同时，生产的丝网印刷承印物种类繁多，眼花缭乱，而且品质优良，在行业内享有非常好的口碑。特别是在滚筒丝印机方面，德国 SPS 设计的全自动设备仍然是世界的领头羊，其它国家简直可以用望尘莫及来形容。 进入 2000 年以后，时代科技日新月异，同时国际上已经使用着的丝网印刷制版技术和其设备材料的不断改进，以其惊人的更新换代速度融入这个科技飞速发展的时代。从上世纪末欧洲及美国连续两届国际展览会上可以获悉，许多其它行业的先进技术被广泛应用于丝网印刷行业，新产品多种多样，令人惊讶，例如丝印前的电脑处理系统，电子成像技术等先进技术。同时在其它方面，例如，丝印还可以和其它印刷方法组合进行印刷，静电印刷

15、也被广泛运用于丝网印刷领域，使丝网印刷一直保持活力。丝网印刷行业如此强势的发展劲头，让其在印刷业的地位有上升了一个台阶。在当下很多液晶屏、触摸屏等电子显示领域，丝网印刷被大量应用，亚洲的日本和韩国两大巨头生产的设备一直占据着中高端市场。 还有日本的帝国油墨厂， 都采用了电子计算机技术来进行管理，完全实现了现代化管理。在发达的欧洲，型轮转丝网印刷机、由微机程控的多色网印联中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 3 页 共 32 页 动机在网印企业中已经应用，并且设备的材料还比较先进。 从近几年的发展形势可以看出，当前世界丝网印刷的发展体现主要体现在四个方面：一是丝网印刷行业创造出的价值在整个印

16、刷业中的份额越来越高；二是丝网印刷可应用的领域越来越多，特别是在显示器领域；三是计算机技术也被广泛应用于丝网印刷和网印制版方面；四是丝网印刷机械向全自动化、高精度、高速度方向发展。 1.2.2 国内丝网印刷机发展现状及趋势 在中国，20 世纪 80 年代中期，一开始比较有影响力的企业包括北京 706 厂和广东胜江网印机制造厂两家厂商，其生产的半自动丝网印刷机填补了中国的空白，打破了国外在我国该行业内的垄断地位。随着国内技术的快速发展，不再局限于两家企业，丝网印刷设备逐渐形成一定规模，并不断进行更新换代，但大都停留在设计简单、加工粗糙阶段，没有进行深化。1999 年，排除手动设备，国内生产的丝网

17、印刷机就达到 5000 台，销售额将近 2 个亿。 步入新世纪以来， 我国现有丝网印刷机厂商早已超过上世纪末的 200家，其中具备比较强的生产能力的还未超过 100 家，主要分布在沿海地区相对较发达的省市，比如上海、广东、福建等地。产品品种相对比较齐全，甚至还包括全自动、多色、曲面机等高端设备。 和发达国家相比，我国丝网印刷机发展起步比较晚，市面上的丝网印刷设备主要以平面印刷为主，技术水平比较低，特别是滚筒丝印机的生产，一直被欧美国家垄断。在八色全自动平面丝网印刷机的生产领域，尽管已填补了我国该机型的空白，但在网印轮转机、 全自动制版流水线领域尚处于空白。 国内和发达国家的差距主要体现在三个方

18、面：设备的高质量、精密化方面远远不及发达国家；设备的高速度、数字化发展比较滞后，比如还没有开发出全套的网印轮转机。 国内生产的设备虽然没有进口设备精度高、稳定性强，但是凭借性价比高的优势还是引起了众多丝印厂家的关注与兴趣，例如相同类型性能一样的设备价格也比国外低很多。中日合资成立的南京熊猫日立科技有限公司，成功自主开发出新一代的全自动丝网印刷机，该公司销售的高精度 NP04XP 型丝网印刷机，还比国外同类型丝网印刷机销售价格低 30。 随着国内丝网印刷机的快速发展，其主要发展趋势大致体现在以下三个方面：一是手动控制的丝网印刷设备会逐渐减少，最终退出市场；二是全自动丝网印刷设备向高精中北大学 2

19、015 届毕业设计说明书 第 4 页 共 32 页 度、大平面、高品质发展；三是全自动丝印机、丝印生产线呈现出上升势头。 在将来一段时期内，国内市场的丝网印刷机仍然是手动、半自动和全自动产品共存的局面，但全自动丝网印刷机在市场上的份额会逐步提高。自从中国加入世界贸易组织以来，国外的先进设备一直占据着主体，因此提升本国丝网印刷机的高端产品变得越来越重要。 1.3 课题研究的背景、目的及意义 本课题来源于中北大学联合培养基地北京清大天达光电科技有限公司的开发项目。该公司生产的设备主要以平面丝网印刷为主，用于液晶屏生产工艺中的的银点印刷。 在触摸屏的生产中，由两块玻璃叠加组合而成，其中上面的玻璃称为

20、面玻璃，下面的玻璃称之为底玻璃。触摸屏在面玻璃与底玻璃组合之前，需要在底玻璃上丝印银点。为了满足生产需求，需要在早先设备上安装视觉定位系统对底玻璃位置进行精确调整。当前国内少数厂商采用了最新的机器视觉定位技术，取得上述调整位置过程的自动化，在数秒内即可实现调整过程，大大提高了生产效率，全部印刷过程从上料到下料用时不到 20 秒，并且印刷的位置精度高达 0.02mm。 北京清大天达光电科技有限公司就是上述厂家之中的一家，尽管公司之前开发的丝网印刷机已基本实现了上述需求，但是半自动化的丝网印刷机造成的生产效率已经满足不了市场的需求，所以在原先产品的基础上，开发全自动的、高精度的丝网印刷设备成为该公

21、司的首要问题。 通过对原先丝网印刷机的客观深入分析，其缺陷主要体现在五个方面： (1)原丝网印刷机还停留在半自动状态。进行生产时，需要员工事先将底玻璃搬运到工作台的指定位置上， 再由操作人员手动操控手柄和按钮， 进行位置调整和银点的印刷，完成后再由操作人员将底玻璃搬运到下一工序的设备上。 这种工作方式耗费人力物力比较大，生产效率完全满足不了市场的需要。 (2)原丝网印刷机控制系统采用步进电机驱动器驱动步进电机对跑台进行定位控制，经过多家客户的使用情况反映，当跑台处于运动状态时，行程不足或者过冲的情况经常出现在印刷位，没有精确到达指定印刷位置，出现位置偏差，造成了不合格产品的出现。 (3)原丝网

22、印刷机部分机构的控制仍由工控机来完成。 (4)原丝网印刷机使用 5 个 CCD 获取玻璃边缘进行定位的算法。 当前采用 2 个 CCD中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 5 页 共 32 页 的双角点对位方法已经在平面丝网印刷机行业广泛推广。 (5)原丝网印刷机功能单一。例如缺乏测厚功能，在未调整工作台或刮刀（回墨刀）高度的情况下丝网印刷机对不同厚度的底玻璃同时进行印刷，会造成印刷质量的下降。 针对原先设备的上述缺馅，本课题对该设备的的电气控制系统进行升级改造，研发出一套拥有功能全面、PLC 单独控制、性能先进、高精度的全自动印刷的新型丝网印刷机，同时具有手动功能，将其命名为 TSTD

23、丝网印刷机，开发其对于公司乃至于国内的丝网印刷设备都具有积极的推动作用，意义重大。 1.4 本文研究的主要内容 本课题钻研的主要内容是在原有的丝网印刷机的基础上， 以 PLC 为基础改造原本老化老旧的继电器控制系统，再对可编程控制器硬件和软件的编排，设计出一套可以具备自动和手动一体的高性能，高可靠性，线路简单的电气控制系统。 本文的主要内容是先对丝网印刷机的电气控制系统进行总体设计，而后是系统的硬件设计和软件设计，最后再对所设计的软件进行仿真与调试。本次课题设计的重点是将原来的由继电器控制的系统改造为由可编程控制器控制的系统，达到实现维护维修，检测方便，控制速度快的目的。 中北大学 2015

24、届毕业设计说明书 第 6 页 共 32 页 2 系统的总体设计 2.1 丝网印刷机的工作原理 丝网印刷是把带有图案的模板附在丝网上，运用油墨渗透过印版的原理进行印刷的。通常丝网是由尼龙、玻璃、聚酯、丝绸或则金属网制造而成的，把承印物直接放置在带有模板的丝网下面，丝网印刷油墨或涂料在刮墨刀的挤压下穿过丝网未堵塞的网孔使图案印刷到承印物。丝网上的模板把一部分不需要的丝网小孔封住使得颜料不能通过丝网，而只有图像部分能够穿过油墨，所以在承印物上只有图形部分有印迹。丝网印刷由五部分构成，即丝网印版、刮板、油墨、工作台、承印物。如图2.1所示。由电机传递动力，让刮刀在运动中挤压油墨和丝网印版，使丝网印版与

25、承印物形成一条压印线，因为丝印网具有张力，对刮刀产生一个回弹力，所以丝网印版除压印线外都不与承印物相接触。油墨在刮刀的挤压力的作用下，通过网孔，从压印线漏印到承印物上。在印刷过程中， 丝网印版与刮刀做相对运动，而丝网在印刷过程中，不断处于变形和回弹状态。刮刀在完成单向印刷后与丝网印版同时脱离承印物返回，进行回墨操作，则完成一个印刷循环。丝网印刷机的主要结构一般分为：大臂升降结构、应刷工作台、印刷机构、印物定位、网版加持以及网台距调节、气动部分、电动部分和电气控制部分1。 网框 丝网 刮墨刀 油墨 承印物 印刷台 图 2.1 丝网印刷机的工作原理图 2.2 设计原则 中北大学 2015 届毕业设

26、计说明书 第 7 页 共 32 页 （1）操作性 在现代印刷机的特点是自动化程度高， 可以直接控制印刷机送料， 输送油墨， 润湿，印刷，收纸装置，可以控制颜色，自动清洗，印刷质量，可以监控印刷机的工作状态及故障显示。运营商为了方便操作，控制和故障排除，也与印刷，印前系统的车间，管理信息系统，构建在一个完美的数字网络环境管理、生产管理等部门，真正的印刷系统是数字化，网络化和自动化。 （2）接近性 在印刷机结构紧凑，机器占地面积比较小的前提下，各机组和色组之间要有比较宽敞的空间。 现有印刷机看重人机协调关系，在设计理念上符合人类工程学的观点。这样，操作者在更换印版、橡皮布、衬垫，洗涤滚筒和进行机件

27、调整、维护、保养时，有足够的操作活动空间。 （3）安全性 为了保证操作者在工作中时人身和机器的安全，印刷机上必须设计保护装置，而且要灵敏高、可靠强，万无一失，只要机器发生故障，就自动停机。这一点必须保证。 （4）经济性 印刷机的价钱是权衡印刷机具有竞争力的重要因素，只有价廉质优的印刷机才会具备强有力的竞争力。应该按照经济能力，寻求最合理的性价比，同时还要长期保证印刷机良好的机械精度，有较长的使用寿命，保证印刷品具有良好的质量。 （5）适应性 印刷机应具有较强的适应性，能印刷从薄纸到塑料和玻璃等承印材料；同时也要快速、方便，安全地进行单双面印刷的相互转换。以满足不同层次和印品要求。 （6）艺术性

28、 印刷机的造型应比例协调、和谐、平整。和谐的外形和颜色可使操作者减少疲劳，使操作者有一个良好的工作情绪和环境，以更好地工作。 2.3 整体设计 （1）大臂升降结构 大臂擦版位升降小于400mm. 升降由气缸提供动力。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 8 页 共 32 页 使用高精度线性滑轨作为大臂升降导向。 （2）印刷结构 印刷、回墨运动由同步伺服电机控制。 刮刀、回墨刀升降均由气缸提供能源，而且印刷压力可由调压开关调整控制。 刮刀和回墨行程由左右臂上的光电行程开关调整大小，改变左右臂的位置即可完成对印刷行程的调节。 （3) 印刷工作台 印刷工作台主要采用铝制，因为铝较软，所以表面镀

29、上一层光滑的钢片。 印刷工作台也可以利用吸盘设计为吸气功能。 印刷工作台也可以调整位置的升降，调整左右位。 （4）网板定位 工作段的可升降定位支撑梁上可以完成网板定位，可调节其位置，定位支撑梁设计为气缸气动控制。 （5）气动部分 主要包含气泵机、气缸、气压控制表、气控开关、输气管道等。主要作用是由气泵机提供气源，气泵机通过输气管道为气缸提供源动力能源。丝印机的大臂升降、刮刀、机头的左右运动的阀门等均采用气动。 （6）电气控制部分设计为通过 PLC 控制电磁阀的开通或者关闭，来控制整个丝印机的运动，后文会有更详细的介绍。 (7) 人机操作面板，如图 2.2 所示: 中北大学 2015 届毕业设计

30、说明书 第 9 页 共 32 页 图 2.2 控制面板图 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 10 页 共 32 页 3 系统的硬件设计 3.1 三菱 FX2N 基本单元的 I/O 地址分配（如表3.1） 表 3.1 I/O 地址分配表 名称 代号 输入 名称 代号 输出 开始通电 SB0 X0 大臂下降 YV5 Y0 断电停止 SB1 X1 大臂上升 YV6 Y1 手动 SB2 X2 刮刀下降 YV1 Y2 自动 SB3 X3 刮刀上升 YV2 Y3 复位 SB4 X4 印刷 KM1 Y4 大臂下限位 SQ1 X5 回墨 KM2 Y5 大臂上限位 SQ2 X6 回墨刀下降 YV3 Y6

31、 刮刀上限位 SQ3 X7 回墨刀上升 YV4 Y7 刮刀下限位 SQ4 X8 原点指示灯 HL1 Y8 左移限位 SQ5 X9 右移限位 SQ6 X10 刮刀下降 SB5 X11 印刷 SB6 X12 刮刀上升 SB7 X13 回墨刀下降 SB8 X14 回墨 SB9 X15 回墨刀上升 SB10 X16 大臂下降 SB11 X17 大臂上升 SB12 X18 3.2 丝网印刷机的电气原理图 丝网印刷机的工作流程如下： 通电大臂下降刮刀下降印刷刮刀上升回墨刀下降回墨回墨刀上升大臂上升原点复位。其中回墨和印刷公用一个电机，其他为气缸驱动控制。根据流程绘制电气原理控制图，如下图3.2所示为丝网印

32、刷机的电气控制原理图： 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 11 页 共 32 页 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 12 页 共 32 页 图3.2 电气原理控制图 图中中 KA0、KA1、KA2、KA3分别是通电、手动、自动、复位中间继电器线圈，分别按下相应按钮，相应的线圈得电，相应继电器开关闭合，就能选择相应的模式。 3.3 丝网印刷机的 PLC 接线图 如下图3.3所示为丝网印刷机的 PLC 原理接线图： 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 13 页 共 32 页 图3.3 PLC 接线图 图中数字接口接 PLC 电源24V 的正负极，6和8接负极，另外两接口接正极

33、。 3.4 伺服电机的选型 伺服电机的工作原理是当电机得到一个外来的脉冲，转子就会转动相应的角度，通过相应转动的机构，移动相应的位移。而且伺服电机每转动一个单位角度，就会产生一个相对应的脉冲，这样就与伺服电机接收脉冲形成一个闭合循坏回路称为伺服闭环系统。这样的伺服循坏系统通过统计发出和受到脉冲的数量，来精确的控制电机的转动以达到控制相应位移运动的目的，目前系统的最大精度能够达到 0.001mm。伺服电机以接入电流的类型分为直流伺服电机和交流伺服电机。 与步进电机相比， 伺服电机具有质轻、力大、响应快、高速度、小惯量、力矩稳定、容易实现智能化、其电子换相方式灵活、中北大学 2015 届毕业设计说

34、明书 第 14 页 共 32 页 可以方波换相或正弦波换相、寿命长，辐射小等优点，所以在市场上应用比较广泛7。交流伺服电机还可以分为同步伺服电机和异步伺服电机， 其中同步伺服电机由于其具有较大的功率区间，还能提供较大的转动惯量，速度和功率，而在控制领域运用广泛，基于这些优点，在设计时我们选用同步交流伺服电机。 本次设计选用了三菱的 PLC，而与之相对应的伺服电机也应选用三菱生产的伺服电机系列。根据资料显示，在印刷回墨过程，需要电机的输出功率在 0.75KW 左右，所以选用三菱公司生产的伺服电机型号为 HF-SP102,相对应的基本规格参数如下表 3.4 所示： 表 3.4 伺服电机 HF-SP

35、102 的规格参数 适用驱动器 MR-J3-100A，MR-J3-100B 额定输出功率(连续特性)(kW) 1.0 额定转矩(连续特性)N.m 4.77 额定速度 2000r/min 额定电流A 5.3 最大电流A 15.9 最大速度 3000r/min 最大转矩N.m 14.3 编码器分辨率 262144 瞬时允许速度 3450r/min 3.5 PLC 的基本结构与选型 可编程控制器简称 PLC，PLC 是专为工业应用，采用了典型的计算机结构，硬件电路主要由中央处理器即 CPU、 电源、 存储器和专门设计的输入/输出接口电路以及编程器等外接口组成， 现场控制或检测元件输入给 PLC 各种

36、控制信号， 如限位开关、 操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等， 通过输入接口电路将这些信号转换成 CPU 能够接收和处理的信号。 输出接口电路将 CPU 送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。图3.5为典型的 PLC 基本结构简图。 （1）CPU 模块 CPU 是 PLC 的核心，起中枢神经的作用，实质上就是微处理器。每台PLC 必须有一个 CPU，它可以由 PLC 系统程序的功能接收并存储用户程序和数据，并且扫描采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入相应的寄存器。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 15

37、页 共 32 页 （2）输入接口 输入接口的作用是接收和采集两种类型的信号，一种是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量的发出信号；另一种是由电位器、测速发电机和各种变换器产生的连续变化等模拟量的输入信号。 （3）输出接口 输出接口电路的意义是传达控制信号给控制各执行元件。其实施的主要元件包括接触器，电磁阀，控制阀（模拟量），调速装置（模拟量），指示灯，数字显示及报警装置等。输出接口电路主要由单片机输出接口电路和功率放大电路是由两部分组成，光电耦合器的抗干扰和电气隔离的使用之间的输入接口电路和内部电路、输出接口电路。微机输出接口电路由输出数据寄存器，选择电路和中断逻辑电路集成在芯片上，

38、CPU 通过数据总线，输出的信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路放大微电脑输出信号。 （4）其它接口 如果主机单元的 I/O 数量不够用，一般通过 I/O 扩展接口电缆与 I/O 扩展单元相接进行扩充。PLC 还常配置衔接各种外围设备的接口， 可通过电缆完成串行通信、 EPROM写入等功能。 （5）编程器 编程器是 PLC 非常重要的外围设备，编程器的功能是编辑、调试用户输入的程序，还能在线监控 PLC 内部状态和参数， 以及对人机对话的发展和 PLC 的应用与维护是一个必不可少的工具。编程器分为简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，直接插在 PLC 的编程插座上即可，或用

39、专用电缆连接到 PLC，便于编程和调试，但是只能进行联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，必须将梯形图程序转化为指令表程序输入。适用于小型 PLC 的编程和现场调试。图形编程器本质上就是一台便携式计算机，既能用语句形式编程，又能用梯形图编程，同时还可以进行脱机编程。目前 PLC 制造商大都研发了计算机辅助 PLC 编程支持软件，在个人电脑上安装的 PLC 编程软件，可以实现梯形图编程，编辑和修改用户程序，用户程序的双向传输，PLC 监控运行状态是通过 PC 与 PLC 之间的通信接口实现。 （6）电源 PLC 的内部配置了一个高性能的稳压电源，它的作用是将外部供应的交流电转变成中北大学

40、2015 届毕业设计说明书 第 16 页 共 32 页 直流电提供给 CPU、存储器等满足所需，同时它也是整个PLC 的能源供给中心。PLC 内部一般安装一个锂电池做为备用电池， 以防外部电源出现故障时内部重要数据因断电而丢失。很多 PLC 电源还可向外部供给直流24V 稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，以简化外围配置。 三菱 FX 系列可编程控制器是当世界应用广泛，特点显著、最具意义的微型 PLC。在三菱 FX 中，除基本的指令表编程方式外，还可以使用梯形图编程及对应机械动作流程进行顺序设计的 SFC 顺序功能图编程，而且这些程序之间可互相转换。在 FX 系列 PLC中还安装了高

41、数计数器，把来自特定继电器的高频脉冲进行作中断处理，目的是扩大 PLC 的应用范围。其中 FX2N PLC 还可以采用作为扩展设备的硬件计数器，使用了高性能的 CPU，增加了 I/O 点，增多了功能模块，加强了通信功能和编程功能。基于三菱 FX2N系列的 PLC 的以上优点，考虑到本次设计的 I/O 分布如图表3.3所示，本设计采用 FX2N-48MR 作为本文的 PLC 型号15。 图3.5 PLC 基本结构简图 3.6 三菱的 FX2N-48MR 主要技术数据 工作电源：24VDC 输入点数：24 现 场 输 入 信 号 输 入 接 口 输 入 状 态 寄 存 器 电源 存储器 CPU 输

42、 出 状 态 寄 存 器 输 出 接 口 现 场 输 出 信 号 外设接口 扩展接口 外部设备 编程器等 扩展单元、特 殊功能单元等 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 17 页 共 32 页 输出点数：24 输入信号类型：直流或开关量 输入电流：24VDC 5mA 模拟输入：-10V10V（-20mA+20mA） 输出晶体管允许电流 0.3A/点（1.2A/COM ） 输出电压规格： 30VDC 最大负载：9W 输出反应时间： OffOn 20s On Off 30 s 基本指令执行时间：数个毫秒 程序语言：指令 +梯形图+SFC 程序容量：3792STEPS 基本顺序指令： 32 个

43、（含步进梯形指令） 应用指令：100 种 初始步进点：S0S9 一般步进点：118 点，S10S127 辅助继电器：一般用 512+232 点（M000M511+M768 M999） 停电保持用 256 点（M512M767） 特殊用 280 点（M1000M1279） 定时器：100ms 时基 64 点（T0T63） 10ms 时基 63 点（T64T126，M1028 为 ON 时） 1ms 时基 1 点（T127） 计数器：一般用 112 点（C000C111，16 位计数器） 停电保持用 16 点（C112C127，16 位计数器） 高速用 13 点 1 相 5kHz，2 相 2kHz

44、（C235C254，全部为停电保持 32 位计数器） 数据寄存器：一般用 408 点（D000D407） 停电保持用 192 点（D408D599） 特殊用 144 点（D1000D1143） 指针/中断：P64 点；I4 点（P0P63/I001 、I101、I201、I301） 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 18 页 共 32 页 串联通信口：程序写入 /读出通讯口：RS232 主机电源 220V AC 3.7 设计要求 为了满足印刷机的工艺要求和电气控制要求， 其丝网印刷机电气控制系统构造如下图3.6所示。 图3.6 丝网印刷机电气控制系统结构框图 3.8 安全保护措施的设计

45、 （1）安全接地或电源接地 必须将电源线接地端和柜体连线安全接地。因为电源如果漏电或柜体带电，可从安全接地导入地下，不会对伤害人3。 （2）系统接地 PLC 控制器为了保证所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不能大于 4，需要将 PLC 设备系统地和控制柜内开关电源负端相连接，作为控制系统地。 P L C 人机 界面 操作 面板 机器 信号 电源 电磁阀 电磁阀 定位 模块 上下左 右气缸 刮墨刀 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 19 页 共 32 页 （3）信号与屏蔽接地 一般要求信号线必须有一个唯一的参考， 屏蔽电缆一旦遇到可以创造或传导干扰的场合，在最近的接地或控

46、制室只有接地以防止形成的“循环”。信号源接地和屏蔽层一般对侧信号接地；接地应在 PLC 中侧接地；信号线中间接头，屏蔽层必须连接牢固，还要做绝缘处理，一定要禁止多点接地的发生；当多个测点信号的屏蔽双绞线和多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层之间应相互连接，并做绝缘处理处理，防止短路出现，选择适当的接地处单点接点9。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 20 页 共 32 页 4 丝网印刷机控制系统软件设计 4.1 系统软件的设计要求 在进行应用系统的总体设计时，应把软件与硬件的设计相结合，作一体化的考虑。当系统的硬件设计完成后，软件的设计也就基本肯定了。 大致来说，软件的功能可以分为两大类

47、。一类是执行软件，作用是能完成各种实质性的功能，另一类是监控软件，用来专门协调各执行模块与操作者之间关系的，在系统的软件中充当着组织协调者的角色。 我们在进行软件编程的设计时，一般从以下几个方面进行考虑： （1）对软件的选择，一般来说，软件种类繁多，找到一个合适的软件以及合适的编程方式，往往能使控制系统能达到最好的效果。 （2）由于软件功能的不同，可以将系统软件分为若干个独立的模块。先设计出软件的总体结构，然后设计各个细小部分，使其清晰，简单，流程合理。 （3）对各功能程序可以采用模块化，子程序化，这样更加的方便易懂。 （4）在编写程序之前，应先绘制出程序的流程图。 （5）要合理分配系统资源，

48、例如 ROM、RAM 等。 4.2 PLC 控制软件的设计 本文的软件设计主要是针对 PLC 的编程软件设计梯形图。 本次设计主要是利用三菱公司的 FX 系列 PLC 中的 FX-48MR 来进行编程，所以本文就采用三菱公司提供的 MELSOFT GX Developer 编程环境进行编程。 根据电气图可以转化模式选择梯形图如4.1所示： 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 21 页 共 32 页 图4.1 模式选择梯形图 开关通电后，X0为真，M0处于 ON 状态，可以开始进行丝网印刷机的操作。如果选择手动模式，X2为真，M1处于 ON 状态，可以进行手动操作；如果选择自动模式，X3为

49、真，M2处于 ON 状态，可以进行自动操作；如果选择复位，X4为真，M3处于 ON 状态，进行复位操作。 丝网印刷机的 PLC 梯形图如图4.2所示： 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 22 页 共 32 页 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 23 页 共 32 页 图4.2 丝网机运行的梯形图 图4.2就是丝网印刷机的梯形图，根据梯形图转化成指令表： 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 24 页 共 32 页 图4.3 指令表 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 25 页 共 32 页 5 系统调试 5.1 安装布线的要求 要求一：PLC 的安装与布线（如图 5.

50、1 所示） （1）应分别对 PLC 的电源线、动力线、控制线和输入输出线进行配线，还要标注号码，在隔离变压器应与 PLC 和 I/O 之间使用双胶线连接。将 PLC 的 I/O 接线和大功率接线分开走线，如必须在同一线槽内，必须分开捆扎交流线与直流线。若条件允许，最好采用分槽走线，这不但能够尽可能大的增加空间距离，还能最低限度降低干扰。 （2）PLC 应避免强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置等大型动力干扰设施，应与高压电器安装在不同的开关柜内。在柜内 PLC 应远离动力线（二者之间距离应大于250mm）。与 PLC 装在同一个柜子内相应的电感性负载，例如功率较大的继电器或接触器的线圈，应采用并

51、联RC 消弧电路。 （3）PLC的输入与输出一般分开接线， 开关量与模拟量也要分开接线。 模拟量信号的传送应选用屏蔽线， 屏蔽层需要一端或两端接地，接地电阻要小于屏蔽层电阻的 1/10。 （4） 交流输出线和直流输出线不能使用同一根电缆，输出线应尽可能远离高压线和动力线，以避免并行。 要求二：I/O 端的接线 （1）输入接线 （如图 3.3 所示） 选用的输入接线一般不要太长。但如果干扰较小，输入线可以适当长些。 输入/输出线一般要分开不能连接同一根电缆接电。 为使编制的梯形图容易阅读一般应尽可能使用常开触点的形式连接输入端。 （2）输出接线 输出端接线分为独立输出和公共输出两种。在不同组中，

52、可采用相应类型和电压等级的输出电压；在同一组中的输出线只可以用同一类型且同一电压等级的电源。 PLC 的输出元件通常被封装在印制电路板上， 还要连接到端子板， 一旦连接输出元件的负载出现短路，就会很有可能将印制电路板烧毁。 使用继电器输出时， 继电器的使用寿命会受到所承受的电感性负载的大小影响，所以使用电感性负载时要合理选择或增加隔离继电器来延长寿命。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 26 页 共 32 页 采取相应措施降低 PLC 的输出负载产生干扰的可能性。 （3）正确选择接地点，完善接地系统 保证 PLC 正常工作的重要条件是接地良好，这样可以避免发生电压冲击危害。接地一般有两

53、个目的，一为了保证安全，二是为了降低或避免干扰。接地系统完设计完善可以避免 PLC 控制系统受到电磁干扰的影响。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 27 页 共 32 页 图 5.1 PLC 的安装与布线 PLC 控制系统的地线一般有系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统凌乱对PLC 系统的干扰表现为各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，导致地环路电流，使系统不能正常工作。例如电缆屏蔽层只能一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B 都接地，就产生地电位差，使电流流过屏蔽层，一旦发生异常状态如雷击时，地线电流将增大。另外，屏蔽层、接地线和大地之间有可能构成闭合环路，变化的磁场会

54、使屏蔽层内产生感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，使信号回路受到影响。如果系统地和其它接地混乱，所产生的地环流就会在地线上产生不等电位分布，PLC 内逻辑电路和模拟电路会受到影响而不能正常工作。PLC 工作的逻辑电压一般干扰容限较低，逻辑地电位的分布容易影响 PLC 的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或造成死机。模拟地电位的分布会使测量精度下降，导致对信号测控的严重失真和误动作5。 5.2 系统的仿真与调试 （1） 系统的仿真 本文的仿真主要基于三菱的 GX Developer 的编程环境，编写系统的程序，如图 4.2所示。然后再利用 GX Simulator6 的仿真环境进行梯形

55、图的检测仿真，然后点击鼠标右键选择“软元件测试”，然后选择“强制 ON”运行(如图 5.2-1 所示），能够检验本文的手动程序和系统程序是否正确。 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 28 页 共 32 页 图 5.2-1 系统程序的仿真 （2） 系统的调试 将梯形图程序导入到计算机，检查电源正确无误。 对程序进行调试运行。 将 L0，L1，L2，L3，L4，L5，L6,L7 一一对应的输出端口 Y0-Y7,接入 PLC 的输出端口。 接通 PLC 电源后，调整 PLC 于 RUN 状态，监测程序的运行及观察 LED 灯的发光变化情况（如下图 5.2-2）。 中北大学 2015 届毕业设

56、计说明书 第 29 页 共 32 页 图 5.2-2 系统调试图 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 30 页 共 32 页 结论 本次的毕业设计是基于在现有的丝网印刷机技术上，和实际的需要相结合，把PLC和电磁阀，气缸，电机，感应器等结合在一起的情况下设计出来的。结合三菱编程软件的仿真和实验室的实际仿真结果，基本能够实现其功能，并且可以实际使用！ 但是设计并不是完美无缺的，依然有些遗憾，主要在以下几个问题： （1）安全方面，由于缺乏经验和没有实际工作经历，即使翻阅了很多的资料文献,咨询很多的老师同学，尽量的做到完善，但是我们坚信没有最安全，只有更安全。 （2） 布局方面， 对于电气控制

57、系统的电路设计和PLC 程序的编制方面还有有待提高，希望在实际的工作中进一步改善。 （3）人机界面方面，由于对触屏的了解不足和相关方面知识的欠缺，本次设计以开关式的面板设计为主。开关式方便操作控制，触屏在智能化控制时代的发展中的应用很广泛，设计更加科学。 （4）本文的动力源主要是利用气泵机供给气缸和电机来提供动力，这么做主要是考虑到将气动和电动相结合，而且对于丝印机这种机械，用气缸占用的空间更小。而电动主要是提供印刷和回墨的动力，这样的印刷控制精度更高。 通过本次论文设计，在查阅很多的相关资料和询问相关人士后，得出结论：我国在气缸，电磁阀等精密元器件等领域的研究与国际尚有很大的距离需要追赶，尤

58、其是无杆气缸等元器件，必须要进口来满足国内需求。我相信随着中国经济的发展，相关人才的增多，一定会在电气及自动化方面取得更多的成就！ 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 31 页 共 32 页 参考文献 1秦琴. 基于 PLC 控制的丝网印刷机电气控制系统的研制.中北大学J.2009 2赵俊生.电机与电气控制及 PLCM.北京：电子工业出版社，2012 3姚宏亮. PLC 应用及使用中应注意的问题. 安徽电子信息职业技术学院学校J. 2006 4郑凤翼.三菱 FX2N 系列 PLC 应用M.北京：电子工业出版社，2013 5毛伟峰. PLC 应用及使用中易被忽视的细节问题. 冶金动力J.2

59、009 6郑凤翼，杨洪升.怎样看电气控制电路图M.北京：人民邮电出版社，2003 7李幼涵.伺服运动控制系统的结构及应用M.北京:机械工业出版社，2006 8李奔. 论机床制造技术. 机床电器杂志J.2009 9马杰昱. PLC 应用中抗干扰问题. 计算机与数字工程J.2007 10朱选斌. 简述 PLC 控制系统的抗干扰措施. 新疆钢铁J.2008 11长芦美. 印艺说M.北京：天津社会科学院出版社.2007 12胡晓明. 电气控制及 PLCM. 北京：机械工业出版社.2006 13冯辛安. 机械制造装备设计M.北京： 机械工业出版社 .2005 14高小红，裴忠诚. 人机界面的发展历程M.

60、北京： 水利电力机械出版社.2006 15程周. PLC 技术与应用M. 福建：福建科学技术出版社 .2008 16Holubcov Z;Howard G;Schuh M.Vesicles modulate an actin network for asymmetric spindle positioning. Nat Cell Biol.2013 17强明辉,何晓. 基于PLC定位模块EM253的伺服控制系统J.电气自动化.2014 18张健民.机电一体化系统设计M.北京：高等教育出版社.2009 中北大学 2015 届毕业设计说明书 第 32 页 共 32 页 致谢 通过四年的大学学习和生

61、活，我学到了许多专业方面的知识，增强了理论与实践相结合的能力和自学能力，这都离不开老师的细心教导和培养。在此，我向给予我教育和帮助的老师说声辛苦了，谢谢。我相信，在大学期间所学到的知识一定会对我以后工作生活有很大帮助。 通过几个月的辛勤和汗水， 我终于完成了这次设计， PLC 课程是我大学的主修课程，自从开始学习这门课程我便对它产生了很大的兴趣， 所以在做毕业设计时我毅然的选择了与 PLC 相关的设计。 本篇论文虽然使自己辛勤劳动的结果，但并不是个人智慧的产品，而是凝聚了老师的指引和教导及同学和朋友的帮助与支持于一体，才顺利完成了我的毕业设计。当我做完整个仿真测试之后，涌上心头的不光是兴奋，还

62、特别感谢老师，同学和学校。经过这半年来的设计过程，可以说是受益匪浅，也免不了心酸苦辣，当然，这次设计检验了我对 PLC 运用的熟悉程度。虽然在设计过程中，我遇到很多难题和无措，但正是在克服这些问题的过程中使我真正融会贯通了各项知识，并对相关知识进行了深入了解。仔细揣摩，查阅相关文献资料，征询老师和同学们的经验和意见，是我战胜各种问题，完成论文的关键所在。 在论文完行将成时我要提别感谢两个人，一个是我的导师王福明教授，另一个是研究生张怀义学长，王老师不仅是权威教授，而且治学严谨，为人师表，是我的良师益友，教给我的不仅是知识还有为人处世的人生态度，在此诚心感谢他的帮助和指导。还有，张怀义学长在我每每遇到技术上的难题时都给予我很大的帮助和鼓励， 同样也感谢他的帮助。 最后， 我还要感谢其他带毕业设计的老师和评阅老师在本次设计中给予我帮助和指导！还有其他对本次设计提供帮助的人，同样，也谢谢你们！