西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0使用说明
可编程控制器（PLC），变频器，伺服系统，触摸屏，旋转编码器，无协议通讯，功能块等。
1.引言
piao据印shua机是印shua机行业中一种常用的机型，对机器的控制精度，伺服的响应时间都有很高的要求，以前主要靠进口，成本投资比较大。近年来，随着可编程控制器（PLC）在通讯功能和高速计数以及脉冲输出功能的日益完善，性能日益提升，使得PLC＋伺服＋变频器＋触摸屏组成的整个系统在印shua机上应用成为可能。国内众多的厂家都相继开发出各自的piao据印shua机械，繁荣了国内的印shua机市场，有力的抵制了国外品牌的入侵，巩固了国产印shua机的市场地位，并在性能上日益得到完善。烟台某印shua机械生产厂家委托上海某厂家开发的基于西门子S7-200可编程控制器＋松下伺服＋海泰克触摸屏＋台安变频器的系统解决方案以其低廉的成本，稳定的系统配置赢得了客户的青睐，取得了良好的业绩，但也存在诸多的问题，如系统调试周期时间长，印shua速度低，改变转速必须停机断电等缺陷，在此不一一细表，后文有叙。应客户要求，经过本人分析探讨，后确立了基于OMRON系统的整体解决方案，以减少和改进原系统的缺陷，提升机器的性能。
2.控制过程及存在问题
2.1 原先piao据印shua机的控制过程
原先piao据印shua机的控制过程是这样的：由一台主电机拖动印shua机的两个滚筒（两个滚筒可印shua两种颜色）单方向旋转，主电机采用变频器进行宽范围调速，主电机轴上装有旋转编码器用来测算主轴电机的速度；由一个电磁铁来控制滚筒的离压和合压。在合压情况下，滚筒压紧piao据进行印shua；采用伺服控制进给纸速度，以便使伺服电机的线速度和主轴电机的线速度保持一致，由于是两个滚筒，它们之间可能存在速度上的差别，所以采用两套伺服。当伺服电机的速度大于主轴电机的速度时，合压后将会在滚筒和伺服电机之间堆纸，当伺服电机的速度小于主轴电机的速度时，合压后纸张将被扯断，以上两种情况在系统正常工作过程中都是不允许的，即伺服电机的速度必须保持和主轴电机高度一致。系统工作之前首先启动变频器，待变频器速度稳定后按下印shua按钮，伺服电机开始旋转，此时合压电磁阀不合压，等旋转编码器的个Z相信号到来，立即合压，开始印shua。印shua过程如下：首先在触摸屏上设定纸张的尺寸，在每一个Z相信号到来之后，伺服立即正向旋转设定尺寸＋2英寸的距离，随后反向旋转2英寸，以保证纸张长度和张力平衡。要想停机，按下停止按钮，本张纸走完立即停止伺服电机的运转。
此外还要求：一、即使在走纸过程中突然停电，来电后要能继续走完这张纸。二、由于是印shua机械，对印shua精度要求很高，两张纸的印shua起点必须一致，即PLC必须用中断来控制伺服系统，否则可导致两张纸的印shua起点不同，原因是PLC循环扫描时间造成的。三、系统还要求能在走纸过程中（伺服系统运转中）能实现纸张的前后移动，即稍微变化一下纸张的位置，以使印shua更完美。选择伺服系统电机的线数：由于印shua的纸张可以设定为浮点数，单位是英寸，为保证精度，必须固定伺服系统，即固定伺服系统的每转给定脉冲数，通过比较判断，我确定伺服系统每转脉冲数为4000个，原因如下：因为伺服系统每转是4英寸，0.001英寸则是1个脉冲，所以在每转设定4000个脉冲时，系统能jingque到0.001英寸，如设定为0.0005，则每进给一张纸差0.5个脉冲，会严重影响纸张的印shua精度，走纸越多差别越大。如设定每转脉冲为10000，虽可以更jingque，但PLC需要更高的脉冲输出频率。由于固定了伺服系统的线数，要想提高系统的速度，只能提高PLC脉冲输出的频率，否则纸张设定精度就会变低，这是不允许的。
整个系统要有手动、自动、点动以及报警功能，要便于维护，触摸屏界面要求美观实用。
2.2 西门子S7-200 PLC主要存在的问题
原先采用西门子S7-200 PLC主要存在以下问题：（1）S7-200 PLC脉冲输出速率低，大频率不到30kHz，使得印shua机的效率低，每小时只能达到五六千张。而且因为西门子PLC速度太低，导致伺服系统不能有更高的分辨率（松下伺服为每转2000个脉冲），导致纸张印shua精度只有0.005，比改造后系统的高设定纸张精度差了5倍。（2）在正常印shua过程中，调整变频器速度必须首先停机，再改变变频器的速度，然后断电重新上电后方可正常运行。（3）系统速度计算误差较大，使得单机调试时间拉长，影响设备的出厂时间。（4）停机不够人性化，即停机之前印shua的那一张因为可能没有进给完成造成纸张废掉。
3.改造选型
接手这个项目后，立即展开工作，在分析了原系统的特点并且为以后升级留下一定的余地的前提下，决定选用OMRON高性价比的CP1H-X40CDT机型。该PLC配备了40个I/O点，其中24输入，16点输出，拥有2路双向100kHz的高速计数器输入，2路双向30KHZ的高速计数器输入，4路双向100kHz的高速脉冲输出，不仅能满足当前伺服电机的要求，还为以后四色印shua机的开发留下了足够的空间，使后续开发工作变得简单。
（1）确立了PLC的型号后，根据主轴电机的要求选择伺服系统，比较了多家的伺服系统，后选择了OMRON的SMARTSTEP W伺服系统。该伺服系统简便易调，特别是在线自动调整功能，方便调试，而且重要的是启动时间短，响应快。
（2）主轴电机由于需要调速，而且是三相异步电动机，从节能和可靠及经济性说只能通过变频调速，选用OMRON的3G3MV系列1.5kW变频器。该变频器具有通讯功能，支持OMRON的功能块和MODBUS-RTU功能，具有PID调节功能，性价比比较高。
（3）印shua机原先用按钮指示灯和触摸屏进行操作，直观性差，不美观，应用户要求，我们为其配备了OMRON的NT5Z的黑白触摸屏作为人机界面。这样，基于OMRON的PLC（CP1H）＋伺服（W）＋触摸屏（NT5Z）＋变频器（3G3MV）的整个系统解决方案出台。
4.系统特点
OMRON的这个系统解决方案克服了西门子S7-200的上述缺点：
（1）OMRONPLC的脉冲输出速率达到100kHz，速度是西门子S7-200的10倍，完全满足了用户提速的要求，极大的提高了印shua机的速度;
（2）OMRON的变频调速是用PLC功能块通过通讯做的，不需要停机后再开机，因而解决了上述的第二个问题。也可以通过MODBUS-RTU功能，亦可方便的进行通信;
（3）整个系统全部采用OMRON的控制产品，调试简便,硬件和软件的兼容性好; （4）OMRON PLC的高速计数器当前值的读取是直接读取的，在程序中直接利用高速计数器PV中断编程，来控制纸张的进给，完全可以准确定位并在按下停机按钮后走完后一张再停机，使设计更加人性化;
（5）在线纸张自动调整功能的实现。因为整个走纸过程是先正转，并且多转2英寸，所以可以通过减少反转的脉冲个数实现在线位置调整，每次反转后，都把反转尺寸重新设定会原值。
5.系统结构、电路图及编程
（1）系统利用CP1H作为主控制器，CP1H上面安装两个通讯接口，一个是RS232,另一个是RS485,PLC通过232端口与触摸屏进行通讯，通过485与变频器进行通讯，PLC上还有一个USB接口，用作编程和监控用，PLC的脉冲输出直接给伺服驱动器，控制伺服电机。
（2）地址分配
地址分配如附表所示，电路图省略。
说明：程序中用到三路高速计数器，高速计数器0用来测量主轴的速度，高速计数器1用来测量主轴的Z相信号并产生中断的，高速计数器2用来显示主轴的位置，用来调整机械滚筒的位置，为厂家用。其他文章中没有介绍的信号和输出为一般开关量，比较简单，不再进行描述。附表 地址分配表
（3）PLC编程
PLC编程包括：速度转换、功能块通讯、PLC端口的设置：PLC端口1设为NT bbbb、以便与触摸屏通讯，端口2设为串行通讯，以与变频器通讯。图2示出PLC编程界面，图3示出速度转换梯形图，图4示出通讯梯形图。
6.调试概要
印shua机调试主要是进给纸速度调试以及触摸屏各种显示信息的调试，理论上计算的速度并不一定完全适合现实生产，因而需要对速度进行现场调节，以便使机器达到佳性能。PLC方面的主要调试是功能块的通讯，使其能够满足实时性的要求。
7.结束语
实践证明：采用OMRONPLC+触摸屏＋伺服系统＋变频器的印shua机系统解决方案是完全可行的，该方案造价低廉，系统稳定可靠，界面美观友好，功能齐全，通过触摸屏的操作即可在生产过程中加减速，以及查看报警，便于维护设备，因而增加了系统的灵活性，该系统开发成功后，受到了客户的，具有较大的市场推广价值。
目前主要有几种类型的触摸屏，它们分别是：电阻式（双层），表面电容式和感应电容式，表面声波式，红外式，以及弯曲波式、有源数字转换器式和光学成像式。它们又可以分为两类，一类需要ITO,比如前三种触摸屏，另一类的结构中不需要ITO, 比如后几种屏。
触摸屏在我们身边已经随处可见了，在PDA等个人便携式设备领域中，触摸屏节省了空间便于携带，还有更好的人机交互性。
目前主要有几种类型的触摸屏，它们分别是：电阻式（双层），表面电容式和感应电容式，表面声波式，红外式，以及弯曲波式、有源数字转换器式和光学成像式。它们又可以分为两类，一类需要ITO,比如前三种触摸屏，另一类的结构中不需要ITO, 比如后几种屏。目前市场上，使用ITO材料的电阻式触摸屏和电容式触摸屏应用为广泛。
电阻式触摸屏
ITO 是铟锡氧化物的英文缩写，它是一种透明的导电体。通过调整铟和锡的比例，沉积方法，氧化程度以及晶粒的大小可以调整这种物质的性能。薄的ITO材料透明性好，但是阻抗高；厚的ITO材料阻抗低，但是透明性会变差。在PET聚脂薄膜上沉积时，反应温度要下降到150度以下，这会导致ITO氧化不完全，之后的应用中ITO会暴露在空气或空气隔层里，它单位面积阻抗因为自氧化而随时间变化。这使得电阻式触摸屏需要经常校正。
图一是电阻触摸屏的一个侧面剖视图。手指触摸的表面是一个硬涂层，用以保护下面的PET层。PET层是很薄的有弹性的PET薄膜，当表面被触摸时它会向下弯曲，并使得下面的两层ITO涂层能够相互接触并在该点连通电路。两个ITO层之间是约千分之一英寸厚的一些隔离支点使两层分开。下面是一个透明的硬底层用来支撑上面的结构，通常是玻璃或者塑料。
电阻触摸屏的多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，但这样也会增加电池的消耗。电阻式触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜，反应灵敏度也很好。
电容式触摸屏
电容式触摸屏也需要使用ITO材料，而且它的功耗低寿命长，但是较高的成本使它之前不太受关注。Apple推出的iPhone提供的友好人机界面，流畅操作性能使电容式触摸屏受到了市场的追捧，各种电容式触摸屏产品纷纷面世。而且随着工艺进步和批量化，它的成本不断下降，开始显现逐步取代电阻式触摸屏的趋势。
表面电容触摸屏只采用单层的ITO，当手指触摸屏表面时，就会有一定量的电荷转移到人体。为了恢复这些电荷损失，电荷从屏幕的四角补充进来，各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例，我们可以由此推算出触摸点的位置。
表面电容ITO涂层通常需要在屏幕的周边加上线性化的金属电极，来减小角落/边缘效应对电场的影响。有时ITO涂层下面还会有一个ITO屏蔽层，用来阻隔噪音。表面电容触摸屏至少需要校正一次才能使用。
感应电容触摸屏与表面电容触摸屏相比，可以穿透较厚的覆盖层，而且不需要校正。感应电容式在两层ITO涂层上蚀刻出不同的ITO模块，需要考虑模块的总阻抗，模块之间的连接线的阻抗，两层ITO模块交叉处产生的寄生电容等因素。而且为了检测到手指触摸，ITO模块的面积应该比手指面积小，当采用菱形图案时，对角线长通常控制在4到6毫米。
图三、感应电容式触摸屏结构
图三中，绿色和蓝色的ITO模块位于两层ITO涂层上，可以把它们看作是X和Y方向的连续变化的滑条，需要对X和Y方向上不同的ITO模块分别扫描以获得触摸点的位置和触摸的轨迹。两层ITO涂层之间是PET或玻璃隔离层，后者透光性更好，可以承受更大的压力，成品率更高，而且通过特殊工艺可以直接镀在LCD表面，不过也重些。这层隔离层越薄，透光性越好，但是两层ITO之间的寄生电容也越大。
感应电容触摸屏检测到的触摸位置对应于感应到大电容变化值的交叉点，对于X轴或Y轴来说，则是对不同ITO模块的信号量取加权平均得到位置量，系统然后在触摸屏下面的LCD上显示出触摸点或轨迹。
当有两个手指触摸（红色的两点）时，每个轴上会有两个大值，这时存在两种可能的组合，系统就无法准确定位判断了，这就是我们通常所称的镜像点（蓝色的两点）。
另外，触摸屏的下面是LCD显示屏，它的表面也是传导性的，这样就会和靠近的ITO涂层的ITO模块产生寄生电容，我们通常还需要在这两层之间保留一定的空气层以降低寄生电容的影响。
电容式触摸屏解决方案
目前的电容式触摸屏解决方案中，Cypress PSoC产品以可编程，设计灵活，一致性好， 再加上高效的PSoC Express / PSoC designer开发环境而处于地位。
PSoC CapSense技术是根据电容感应的原理使用CSA或CSD模块来实现的。PCB板或触摸屏上相邻的感应模块或导线之间会存在寄生电容（见图四中的Cp），当有手指接近或触摸两个相邻感应模块时，相当于附加了两个电容，它们相当于并联在Cp上的电容Cf。利用PSoC的CSA和CSD技术可以检测到这个电容上的变化，从而确定有没有手指触摸。
PSoC触摸屏解决方案的优点还体现在：
1. 是一种单芯片方案，和传统方案相比减少了外部器件，降低了系统总体BOM成本。
2. 通过使用I2C-USB Bridge和其它相关工具，结合PSoC Express / PSoC designer开发环境，可以极大地节省开发时间和费用。
3. PSoC内部的IO和各种模拟/数字模块可以实现动态重配置，不需要修改原理图和PCB就可以更新设计以适应新的需求。它还支持多种通讯接口I2C / UART / SPI / USB等，可以和各种接口的主机方便连接，这些都会降低系统更新的成本。
4. PSoC可以针对外界环境变化 – RF干扰 / 温度变化 / 电源波动等灵活设置参数，在LCD显示器、手机、数码相机和白色家电的触摸控制中得到了广泛的应用。
5. 除了控制触摸以外，PSoC还可实现LED背光控制，马达控制，电源管理，I/O扩展等增值功能。
PSoC已经应用在了多种尺寸的触摸屏中，如果要实现表面电容触摸屏的控制，可以由 CY8C21x34或CY8C24x94系列通过CSD模块来实现，见图五。实现感应电容触摸屏的控制，可以由CY8C20x34系列通过CSA模块，也可由CY8C21x34或CY8C24x94系列通过CSD模块来实现，见图六。
在触摸屏产品的设计中，需要对性能和成本进行权衡。电阻触摸屏的成本较低，竞争就很激烈，而且在性能和应用场合上有一定局限。
1. 电容触摸屏只需要触摸，而不需要压力来产生信号。
2. 电容触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而电阻技术需要常规的校正。
3. 电容方案的寿命会长些，因为电容触摸屏中的部件不需任何移动。电阻触摸屏中，上层的ITO薄膜需要足够薄才能有弹性，以便向下弯曲接触到下面的ITO薄膜。
4. 电容技术在光损失和系统功耗上优于电阻技术。
5. 选择电容技术还是电阻技术主要取决于触碰屏幕的物体。如果是手指触碰，电容触摸屏是比较好的选择。如果需要触笔，不管是塑料还是金属的，电阻触摸屏可以胜任。电容触摸屏也可以使用触笔，但是需要特制的触笔来配合。
6. 表面电容式可以用于大尺寸触摸屏，并且相成本也较低，但目前无法支持手势识别；感应电容式主要用于中小尺寸触摸屏，并且可以支持手势识别。
7. 电容式技术耐磨损、寿命长，用户使用时维护成本低，因此生产厂家的整体运营费用可被进一步降低。
电容式触摸屏的发展趋势
电容触摸屏已经应用在了iPhone及其它手持设备上，定位单点轨迹 / 模拟鼠标双击是它的基本功能，而对多手指手势操作的识别和应用成为当前市场的热点。在便携式应用中，用户一手拿着设备，只能用另一只手操作，因此识别多手指的抓取 / 平移, 伸展 / 压缩, 旋转, 翻页等手势操作就显得尤为重要。
PSoC感应电容触摸屏已经可以实现多点检测，从而支持两手指的手势识别。可以预见支持手势识别的电容式触摸屏将在市场上大放光彩。
