基于IPC和PLC的纸币塑封包装机自动控制系统.pdf

电气 自动化} 2 0 1 4年第 3 6卷 第 4期 自动控制系统与装置 Au t o ma t ic C o n t r o I S y s t e ms＆ E q u i p me 基于 I P C和 P L C的纸 币塑封包装 机 自动控制 系统 王兴 国 苏州江南航天机电工业有限公司， 江苏 苏州2 1 5 1 0 1 摘要分析了当前银行系统纸币捆扎流通方式存在的诸多问题， 介绍了一款新型全 自动纸币塑封包装机的基本结构， 并对其控制系 统从控制原理 、 控制时序以及 I P C与P L C软件设计等方面进行了详细论述， 明确了全 自动纸币塑封包装机符合国家现金流通 管理发展 目标的要求。 关键词I P C； P L C； 纸币； 塑封； 多线程 D oI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0- 3 8 8 6 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 3 3 [ 中图分类号]T P 2 7 3 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 4 0 0 9 6 0 3 l PC／PL C b a s e d Au t o ma t i c Co n t r o I Sy s t e m f o r P a p e r Mo n e y Pl a s t ic Pa c k a g i n g Ma c h i n e W ANG Xi n g g u o S u z h o u J i a n g n a n A e r o s p a c e E l e c t r o - m a c h i n e r y I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， S u z h o u J i a n g s u 2 1 5 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y z e s e x i s t i n g p r o b l e ms i n t h e c i r c u l a t i o n o f b u n d l e d p a p e r mo n e y o f t h e b a n k i n g s y s t e m． I t i n t r o d u c e s t h e b a s i c s t r u c t u r e o f a n e w t y p e o f f u l l y a u t o ma t i c p a p e r mo n e y p l a s t i c p a c k a g i n g ma c h i n e ，a n d d e s c r i b e s e v e r y d e t a i l o f t h e c o n t r o l s y s t e m i n t h e r e s p e c t o f c o n t r o l p r i n c i p l e， c o n t r o l o f t i me s e q u e n c e ，a n d I P C ／ P L C s o f t wa r e d e s i g n ．I t a l s o ma k e s i t c l e a r t h a t t h e f u l l y a u t o ma t i c p a p e r mo n e y p l a s t i c p a c k a g i n g ma c h i n e me e t s t h e r e q u i r e me n t o n n a t i o n a l d e v e l o p me n t t a r g e t f o r t h e c a s h fl o w ma n a g e me n t ． Ke y wo r d s I P C；P L C；p a p e r mo n e y；p l a s t i c p a c k a g i n g ；mu h i thr e a d i n g， 0 引 言 在人民币的流通过程中， 千张纸币包装成一捆是银行等金融 机构 日常业务工作中比较繁重而细致的工作。目前银行大量采 用的打捆机在对纸币进行捆扎后存在比较多的问题， 不利于人民 币的流通 一是伤 币 ， 打捆 机通 过对 钱捆施 加 1 0 0 0～1 5 0 0公斤 压力后采用打捆带烫合强制扎 紧整 型 ， 因此 每捆 钱捆 最上面一捆 钞和最下面一捆钞会有 3～5张纸币被勒伤， 伤币率在 0 ． 6 ％ ～ 1 ％。二是不能完全杜绝抽张， 打捆机采用的三道捆扎、 五点连 接⋯ ， 不能完全杜绝抽张风险， 所以钱捆在交接时只能通过复点 分清责任。三是打捆的钱捆不便于机具复点清分， 打捆的钱捆 ， 纸币经常粘合在一起 ， 商业银行在投放到 A T M机、 自动存取款等 机具时， 只能采用人工清分， 效率低。四是打捆的钱捆油墨挥发 使存放库房环境变差， 影响库管人员身体健康。五是打捆的钞捆 会受潮霉变， 长期存放会发生钞票粘连、 钞捆变结或霉变。六是 打捆机封签不便， 打捆机打捆后， 需要人工贴纸质封签或不干胶 封签， 操作繁、 效率低。根据 目前人民币的流通情况， 中国人民银 行总行要求将引入条码管理 ， 推行整袋 整捆 入库 ， 建设人民币 物流现代信息管理系统 ， 全面提升人民币物流管理水平作为“ 十 二五” 工作的重点， 并将“ 爱护人民币、 提高人民币整洁度”作为 人民银行和商业银行加强现金管理工作的重要 目标 。因此， 现 有打捆机的更新换代已属必然， 新型的小型化 、 塑封、 封签 、 全 自 动一体化纸币塑封包装机的研发已迫在眉睫。 Y H S J一1 全 自动纸币塑封包装机即是在这种背景情况下进 行研发的， 主要用于银行系统， 通过对纸币进行塑封， 解决现行人 定稿 日期 2 0 1 3 0 81 9 9 6 E l e c t r ic a l A u t o ma t io n 民币纸币打捆包装方式存在的伤币、 被抽张、 纸币粘合 、 油墨粉 尘、 受潮变结或霉变、 封签不便、 人民币物流管理困难 以及打捆包 装设备自动化程度低、 操作复杂、 设备体积大等问题 ， 实现人民币 在流通过程中， 包装存贮的安全可靠。 1 纸币塑封包装机分步功能 纸币塑封包装机是机、 电 、 气一体化的全 自动包装设备 ， 包括 加热、 排水、 打印、 步进、 压紧、 压膜、 封切、 放膜、 翻转、 推送、 卷膜、 升降、 热缩等共 2 9个分步动作功能， 传动方式有滚珠丝杆传动、 螺杆传动、 齿轮齿条传动、 链传动、 气缸传动等 ， 通过程序控制实 现纸 币的全 自动塑封。 2 控 制原 理及 控制时序 2 ． 1 控制原理 纸币塑封包装机控制系统的控制对象包括热转印打印机、 步 进电机、 交流电机 、 气缸、 空压机以及温控仪表等， 而且还要设置友 好的人机交互界面， 并实现与以太网和移动存储设备的连接 ， 控制 节点众多， 功能复杂。综合考虑， 其控制系统采用两块平台进行设 计， 上位机采用 I P C工业主板， 外挂触摸显示器， 安装 WI N C E 6 ． 0操 作系统， 运行人机交付界面程序、 加密狗算法程序、 指令及状态查询 程序、 二维码标签生码程序以及热转印打印机驱动程序； 下位机采用 P L C可编程序控制器， 运行设备包装动作控制程序和 自诊断控制程 序。纸币塑封包装机控制系统控制原理框图如图1 所示。 2 ． 2 控 制时序 根据纸币塑封包装机的控制功能要求， 在工作时需实现连续 塑封包装， 控制系统要适时检测多捆钞捆在设备中的位置， 运算 判断后进行动作控制， 其控制时序概述如下 自动控制系统与装置 皇 璺 兰竺 Au t o ma t ic Ce n t r e l S y s t e ms＆ E qu i p me n t s 图 1 控制原理框 图 1 设备上电启动开机软件， 待封切及热缩温度达到设定值 后 ， 各单元进入准备工作状态； 2 放置钞捆将规定数量 1 0 0 0张／ 捆 的钞捆放置在纸币 塑封包装机进钞 口， 并将钞捆的两个侧面靠紧推钞机构的靠板 ； 3 封签打印 打印机将钞捆封签打印到 P E膜上； 4 袖口式封装步进推钞机构将钞捆推送至 P E膜压裹位 置， 压紧机构的压紧气缸及压膜气缸下压， 将钞捆压紧， 压膜缸二 次压膜将 P E膜收紧； 步进推钞机构回到中位 ， I 型封切机构下行 进行封切， 完成袖口式封装； 5 钞捆翻转 I型封切机构回位后 ， 步进推钞机构继续将压 裹后的钞捆推送至翻转机构的翻转板上， 翻转气缸带动翻转板转 动 ， 将钞捆翻转 9 0 。 ； 6 传递进整形罩横向推钞机构将翻转后的钞捆横向推移， 进入整形罩， 使之处于筒状 P O F对折膜中； 7 L型封切整形罩中的气缸推钞机构将钞捆推送前行至 升降机构的托币板上， 此时 L型封切装置动作， 进行 P O F薄膜全 包封切， 封切完毕 ， L型封切装置复位； 8 钞捆下降经 L型封切二次裹包的钞捆通过升降机构下 降到热缩炉的入口； 9 热缩热缩炉传送装置带动全裹包后的钞捆进入热缩炉， 热缩完成后， 钞捆从热缩炉出口进入接收装置， 产品塑封完成。 2 ． 3控制器选型 纸币塑封包装机控制系统核心为上位机 I P C控制器和下位 机 P L C控制器组成， 上下位机之间通过 R S 2 3 2通信方式连接。 根据对上位机端口和运行速度需求 ， 上位机 I P C选择 X 8 6架 构的工业主板， 处理器主频为5 0 0 MH z ， 集成 4个 R S 2 3 2串行 口、 3 个 U S B接口、 2个以太网口和 1 个 V G A口， WI N C E 6 ． 0操作系 统需进行裁剪； 根据对纸币塑封包装机控制功能需求进行分析， 并综合考虑 器件成本和可靠性 ， 下位机选择了欧姆龙公司推出的一款一体式 P L C S Y S MA C C P 1 E 。C P 1 E N型 C P U单元 内置 8 k程序容 量， D M区可存储 8 k字， 最多可扩展 3个扩展单元 ， 而且其晶体 管输 出型还提供 2个高速脉 冲输 出 ， 可用于控制步进 电机 。 3 上位机 I P C程序设计 3 ． 1 多线程设计 纸币塑封包装机控制系统上位机 I P C安装 WI N C E 6 ． 0多任 务操作系统， 实现显示界面程序、 加密狗算法程序、 指令及状态查 询程序、 二维码标签生码程序以及热转印打印机驱动程序等多任 务事件处理。用户程序用 C程序语言开发 ， 采用多线程和多进程 机制， 提高程序 的执行效率， 合理 调度 资源， 确保多线程 的安 全性 。 WI N C E 6 ． 0系统支持多线程对程序的执行效率是很有利的， 但多线程资源安全性如果处理不当， 发生了资源冲突问题， 轻则 导致程序运行时出错， 严重时将导致系统崩溃 。 在进行纸币塑封包装机嵌入式用户程序开发时， 我们采用了 两种编程机制来避免多线程出现资源争夺。 1 建立同步机制， 避免进程互斥竞争 在正常情况下 ， 一个进程在启动时首先检查当前系统是否已 经存在有此进程的实例， 如果没有 ， 进程将成功创建并设置标识 实例已经存在的标记。此后再创建进程时将会通过该标记而知 晓其实例已经存在 ， 从而保证进程在系统中只能存在一个实例。 2 建立资源分配图， 避免进程死锁 一 般来说 ， 多线程产生死锁是与进程对资源的需求、 进程的 执行速度、 资源的分配策略有关， 因此， 在测试时跟踪系统中的所 有线程和它们锁定的共享资源， 周期性地进行检查和维护资源分 配图， 并在用户程序中增加一些额外的代码， 及时发现循环等待 的特征 ， 在系统运行时检测出潜在的死锁。 3 ． 2 I P C主程序流程 上位机 I P C采用多线程方式协调利用处理器资源， 其主程序 流程如 图 2所示 。 I 堕 l 空 厂 榆 缩柬 l l 返回 图 2 I P C主程序流程 3 ． 3 I P C通信程序设计 C P 1 E P L C的C P U在与上位机等其他设备进行通信时， 可实 现可编程终端无程序通信 ， 即将 C P U单元的串行通信模式设定 为“ H o s t L i n k ” 上位链接 ， 在需要进行数据交换时 ， P L C用户程 序只要将数据存人已定义的数据存储区， 或从定义好的数据存储 区取出数据即可 J ， 上位机 I P C可对 P L C的 C P U数据存储区直 接进行读写操作 ， 上位机 I P C写数据通信程序设计如下 E le c 1 r ic a l A u t o ma t io n 9 7