基于臺(tái)達(dá)PLC的制袋封切機(jī)控制系統(tǒng)

介紹了利用臺(tái)達(dá)可編程控制器（PLC）與交流伺服控制器針對(duì)FD1500型制袋封切機(jī)控制系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)技術(shù)。項(xiàng)目人機(jī)界面選用臺(tái)達(dá)觸摸屏（HMI）提供友好的人機(jī)交流接口與合理的控制流程，以實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的袋料剪切。本文分別就制袋機(jī)的工作原理，電氣設(shè)計(jì)，HMI、PLC選型及程序設(shè)計(jì)等幾方面進(jìn)行闡述，該電氣系統(tǒng)的成功開發(fā)可以為使用臺(tái)達(dá)HMI、PLC與交流伺服電機(jī)相結(jié)合的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)起到借鑒示教作用。
關(guān)鍵詞：制袋機(jī) PLC HMI 伺服電機(jī)

1 引言

項(xiàng)目原型基于小型制袋封切機(jī)開發(fā)外銷出口型新機(jī)。原制袋寬度為600-1000mm。由于該機(jī)型送料膠輥慣量較小，送料電機(jī)采用130步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，使用單片機(jī)進(jìn)行位置控制。新機(jī)型制袋寬度提高到1500mm，送料膠輥慣量大幅增加，考慮到既能滿足精度和速度的要求又有較大的瞬間轉(zhuǎn)矩，送料系統(tǒng)改用伺服電機(jī)。由于用PLC開發(fā)周期較短而且抗干擾性、靈活性好，所以采用PLC+HMI作為控制系統(tǒng)。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)中英文操作畫面，滿足設(shè)備出口的要求。

2 封切機(jī)機(jī)工藝

2.1 工藝結(jié)構(gòu)

封切機(jī)機(jī)由機(jī)身、上下切刀、變頻傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、上下送料膠輥、伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、放料架、放料直流電機(jī)、可調(diào)色標(biāo)檢測(cè)架、可移動(dòng)操作箱、電控箱等單元構(gòu)成，參見圖1圖片。

圖1 封切機(jī)機(jī)側(cè)視外觀圖

2.2 封切機(jī)工藝過程

（1）空白定位運(yùn)行方式：忽略色標(biāo)信號(hào)，送料長(zhǎng)度為設(shè)置袋長(zhǎng)，送料完成后剪切并計(jì)袋數(shù)，循環(huán)動(dòng)作直至袋數(shù)達(dá)到設(shè)定值，停機(jī)并延時(shí)至設(shè)置時(shí)間，以等待收料設(shè)備或操作人員收集袋料后，再次啟動(dòng)并循環(huán)工作。

（2）色標(biāo)定位運(yùn)行方式：送料長(zhǎng)度為設(shè)置袋長(zhǎng)，在此期間的色標(biāo)信號(hào)忽略，繼續(xù)送出偏差長(zhǎng)度的袋料，檢測(cè)色標(biāo)信號(hào)，定位于色標(biāo)信號(hào)，定位完成后剪切并計(jì)袋數(shù)，循環(huán)動(dòng)作直至袋數(shù)達(dá)到設(shè)定值，停機(jī)并延時(shí)至設(shè)置時(shí)間，等待收料設(shè)備或操作人員收集袋料后，再次啟動(dòng)并循環(huán)工作。若誤檢次數(shù)達(dá)到默認(rèn)值，則停機(jī)并報(bào)警。

工作流程如圖2所示。

圖2 控制流程簡(jiǎn)圖

3 FD1500型封切機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）切刀傳動(dòng)系統(tǒng)。切刀傳動(dòng)系統(tǒng)為交流變頻器拖動(dòng)三相異步電機(jī)，由面板電位器調(diào)速，PLC控制切刀啟動(dòng)與停止。傳動(dòng)軸上安裝2只霍爾開關(guān)，分別檢測(cè)切刀低位和送料/切刀高位。開關(guān)1：切刀低位信號(hào)，該信號(hào)為送料停止信號(hào)。若送料時(shí)檢測(cè)到切刀低位信號(hào)則表示系統(tǒng)超速，需報(bào)警并停機(jī)。開關(guān)2：收到切刀低位信號(hào)后的首次ON信號(hào)為送料信號(hào)，是送料電機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)；第二次ON信號(hào)為切刀高位信號(hào)，是高位停機(jī)時(shí)的停機(jī)信號(hào)。

（2）送料傳動(dòng)系統(tǒng)。送料傳動(dòng)部分為交流伺服系統(tǒng)，采用同步帶1：2減速傳動(dòng)。動(dòng)力選用臺(tái)達(dá)中慣量2KW伺服電機(jī)。具體型號(hào)：驅(qū)動(dòng)器ASD-A2023M，電機(jī)ASMT20M250。

(3)控制精度計(jì)算。通過以下計(jì)算得出單個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的送料長(zhǎng)度，即為控制精度。

系統(tǒng)要求0.2mm定位精度，現(xiàn)計(jì)算得出控制精度為0.0314mm，因機(jī)械定位誤差不大于0.1mm，所以：定位精度+機(jī)械誤差=0.1314mm<0.2mm，定位精度滿足制袋機(jī)系統(tǒng)要求。

（4）最高脈沖輸出頻率計(jì)算。用戶要求最高送料速度為180m/min，由此可計(jì)算得出系統(tǒng)所要求的脈沖輸出頻率，以此為PLC選型的重要依據(jù)。

3.2 PLC與HMI選型

（1）輸入信號(hào)統(tǒng)計(jì)。在色標(biāo)傳感器檢標(biāo)時(shí)，由于袋料上所印刷的色標(biāo)不同，故亮通（Light On）、暗通(Dark On)均有可能。無論亮通或是暗通，在檢測(cè)到色標(biāo)信號(hào)時(shí)都需要PLC作出中斷響應(yīng)，所以需要把色標(biāo)傳感器的Light On與Dark On都接入PLC。色標(biāo)信號(hào)：2點(diǎn)；低位信號(hào)：1點(diǎn)；高位/送料信號(hào)：1點(diǎn)，共4點(diǎn)DI信號(hào)。

（2）輸出信號(hào)統(tǒng)計(jì)。脈沖輸出（Pulse+Sign）：2點(diǎn)（Y0，Y1）；切刀動(dòng)作：1點(diǎn)；沖孔動(dòng)作：1點(diǎn)；蜂鳴器：1點(diǎn)；共5點(diǎn)DO信號(hào)。

（3）其它功能。可輸出大于系統(tǒng)所要求頻率（95541pps）的脈沖；2點(diǎn)外部中斷回應(yīng)。

基于以上考慮，PLC選擇DVP-20EH00T。具體功能參數(shù)為：200Kpps脈沖輸出，8點(diǎn)外部中斷回應(yīng)。同時(shí)與HMI通信可使用RS485連接，抗干擾能力優(yōu)于一般的RS232通信方式。HMI選用臺(tái)達(dá)DOP-A57GSTD高性價(jià)比觸摸屏，通過圖3可見觸摸屏操作更為直觀方便。大部分操作在HMI上進(jìn)行，從而可減少外部按鈕開關(guān)、指示燈的使用，只保留急停按鈕等必要設(shè)備。

機(jī)電一體化封切機(jī)電系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖3 新舊機(jī)型HMI操作面板對(duì)比

圖4 系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

主體程序使用邏輯順序控制，除此之外的編程重點(diǎn)如下：

（1）使用浮點(diǎn)運(yùn)算。為減小計(jì)算誤差，如袋長(zhǎng)脈沖數(shù)、偏差脈沖數(shù)等重要數(shù)據(jù)的計(jì)算，均使用浮點(diǎn)運(yùn)算。經(jīng)過驗(yàn)證，計(jì)算誤差小于0.001mm。

（2）袋長(zhǎng)脈沖送料使用DPLSR可調(diào)加減速脈沖輸出指令，反復(fù)修改并驗(yàn)證啟動(dòng)頻率與加減速時(shí)間設(shè)置的合理性。完成袋長(zhǎng)脈沖之后，使能色標(biāo)檢測(cè)，以忽略袋料中間部分的色標(biāo)誤檢。檢測(cè)到色標(biāo)時(shí)，響應(yīng)外部中斷，執(zhí)行中斷程序置位M1334以停止CH0脈沖輸出。可設(shè)置亮通（Light On）中斷或是暗通（Dark On）中斷。精簡(jiǎn)中斷程序的內(nèi)容，盡量減少中斷對(duì)掃描周期的影響。

4 結(jié)束語

FD1500型制袋封切機(jī)的性能雖已達(dá)到最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)(在袋長(zhǎng)為1000mm時(shí)，制袋速度：60個(gè)/分)，但PLC脈沖輸出頻率尚有較大余量可用。使用標(biāo)準(zhǔn)100mm直徑膠輥時(shí)，可改變伺服電機(jī)電子齒輪比，在保證控制精度的前提下，更進(jìn)一步加大PLC脈沖輸出頻率的余量。以上有利因素均為FD1500型制袋機(jī)提高加工速度奠定了良好的基礎(chǔ)。二次開發(fā)時(shí)，加大減速比至1：3，將突破伺服負(fù)載/電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量比過大這一限速瓶頸，最終提高生產(chǎn)效率