基于SIMOTION D系統(tǒng)的全自動濕巾包裝機的運動控制研究

葛曉忠

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，蘇州 215104）

0 引言

全自動高速濕巾包裝機是一種典型的水平式連續(xù)運行的包裝機，主要功能是對包裝膜進行預(yù)處理后，對輸送到包裝機上的濕巾進行包裝處理。本文以FP型全自動高速濕巾包裝機為例，采用西門子運動控制系統(tǒng)—SIMOTION D作為本包裝機的運動控制器，對其進行分析和控制。

在以往的運動控制領(lǐng)域,一般的電機驅(qū)動器提供了運動控制功能(定位、同步等),但邏輯控制和復(fù)雜運算功能相當(dāng)弱,而一般的PLC提供了較全面的邏輯控制功能,但又很難具備運動控制的全部功能。傳統(tǒng)的解決方式是將PLC和伺服控制器配合使用,完成邏輯控制功能與運動控制功能，但存在高速數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)同步和精確控制等方面的問題。SIMOTION D集成了邏輯控制與運動控制,可以獨立完成PLC加電機驅(qū)動器的所有功能，主要應(yīng)用于控制要求復(fù)雜，控制速度快，要求精確運動的領(lǐng)域中[1～3]。

1 工藝流程

FP型全自動高速濕巾包裝機的工藝流程如下：

包裝膜開卷→牽引輸送→噴碼→打孔→貼標(biāo)簽→送蓋貼蓋標(biāo)→貼蓋→集料裝置→濕巾輸送→等距輸送→入袋→裹包縱封→橫向封切斷→成品輸送。

工藝原理圖如圖1所示。

圖1 工藝原理圖

1）包裝膜用一備一，采用中心開卷，具有自動接料功能。切孔刀自動跟蹤包裝膜速度進行切孔，切孔位置可以調(diào)整，并采用色標(biāo)糾偏。貼標(biāo)裝置自動跟蹤包裝膜速度，貼標(biāo)位置也可以調(diào)整，且具有2級標(biāo)簽自動切換功能。

2）貼蓋裝置的蓋子從儲料器中下落，經(jīng)輸送帶先進行蓋子的貼標(biāo)和上膠處理，然后通過貼蓋撥叉貼到包裝膜上。貼蓋自動跟蹤包裝膜速度，貼蓋位置可以調(diào)整。

3）生產(chǎn)好的濕巾在集料裝置上聚集，經(jīng)過濕巾輸送和等距輸送進入包裝膜進行包裹，濕巾進入膜的相對位置可以調(diào)整。

4）包裝膜包裹濕巾后通過縱封裝置進行加熱封口，然后通過加熱橫封、插角和切斷完成制袋和包裝成型，橫封裝置封口時自動跟蹤包膜的速度，封口位置可以調(diào)整，并采用色標(biāo)自動糾偏功能。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

F P型包裝機的系統(tǒng)控制部分由一臺SIMOTION D445和二臺Control Unit CU320構(gòu)成；驅(qū)動部分一共有15個伺服軸。系統(tǒng)的主要控制和驅(qū)動部分配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)配置圖

3 工藝功能

結(jié)合包裝機的實際工藝把工藝功能分為以下五個部分，并形成了相應(yīng)的程序功能塊，如表2所示。

表2 工藝功能表

3.1 開卷

開卷功能采用西門子標(biāo)準(zhǔn)的卷繞應(yīng)用功能塊，采用卷徑計算主速度加張力檢測的修正速度設(shè)定控制模式，開卷原理如圖2所示。

圖2 開卷原理圖

卷徑計算采用線速度對角速度進行積分的方式進行計算。設(shè)V為主機牽引線速度，ω為開卷軸的角速度，D為卷徑，K為由實驗確定的常數(shù)，則根據(jù)下式計算卷徑：

根據(jù)設(shè)置的初始卷徑和當(dāng)前的主機牽引線速度可以計算出所需的開卷速度主設(shè)定值，然后通過開卷軸的速度變化趨勢計算出實際的卷徑，如圖3所示。

圖3 開卷參數(shù)界面

浮動輥傳感器檢測的實際值和設(shè)定值比較后進行PID運算，運算后的輸出值按一定的比例關(guān)系疊加到開卷軸的主設(shè)定值進行微調(diào)。

3.2 色標(biāo)糾偏

色標(biāo)糾偏的功能原理是利用色標(biāo)傳感器的觸發(fā)信號去測量相應(yīng)電機編碼器的實際位置值，然后與設(shè)定值進行比較，判斷電機的相位是超前還是滯后，從而對電機進行相應(yīng)的加速或減速處理。

使用TM15模塊的Measuring_input功能可以測量電機編碼器，但需要使用快速響應(yīng)輸入點[4]。對TM15模塊的輸入點設(shè)置成Measuring_input功能，需要注意的是輸入點的地址值需要進行相應(yīng)字節(jié)數(shù)的“offset”，如圖4所示。

圖4 TM15配置圖

故對軸上的Measuring_input功能進行配置時，輸入地址同樣需要進行相應(yīng)的偏置[5]。圖5中所示TM15_09模塊的第一個輸入點DI0（端子X520.2）上接有色標(biāo)傳感器，需要使用Measuring_input的硬件輸入地址為391.0。

圖5 Measuring_input配置圖

在使用色標(biāo)糾偏功能時，需要根據(jù)實際的工藝要求進行相應(yīng)的限制，首先測量編碼器的實際誤差要達到一定的程度才能啟用糾偏；其次糾偏的動作不能在相位軸的同步區(qū)域內(nèi)進行；再次糾偏的速度要適當(dāng)，最好能在一個周期內(nèi)完成需要糾偏的角度，不能太慢，更不能導(dǎo)致相位軸反轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖6 糾偏設(shè)置界面

3.3 修改凸輪曲線

程序中使用了系統(tǒng)功能塊“_setcamscale”對凸輪曲線進行修改，以達到快速變更產(chǎn)品規(guī)格時得到不同的凸輪曲線的要求。

如切孔刀輥的刀刃有一定的長度，當(dāng)?shù)度薪佑|包裝膜時需要保證刀刃的切線速度和膜的線速度一致，才不致于撕破包裝膜。而實際的包裝長度是隨產(chǎn)品規(guī)格所變化的，所以需要根據(jù)實際的HMI上設(shè)置的包裝長度和同步區(qū)域的寬度等參數(shù)來繪制凸輪曲線[6]。

首先建立一條0～360度斜率為1的原始凸輪曲線，然后在程序中使用“_setcamscale”對凸輪曲線進行相應(yīng)規(guī)格的更改。

把凸輪曲線簡單的分成二段，同步區(qū)和非同步。在程序中定義凸輪曲線的三個點和二個斜率值，如圖8所示。

圖7 原始凸輪曲線

圖8 凸輪參數(shù)定義

圖8中campoint1和campoint3是固定值，需要求證的其余三個變量值的公式如圖9所示。“camscale.packLength”是HMI上設(shè)置的包裝長度，“camscale.Diameter”是HMI上設(shè)置的相位輥的直徑，“camscale.syncRange”是HMI上設(shè)置的同步區(qū)域的寬度。

圖9 需要計算的三個變量值

根據(jù)公式得到“_setcamscale”功能塊所需要的所有接口參數(shù)，凸輪曲線的二段，分二次調(diào)用此功能塊，即可得到所要求的凸輪曲線。

圖10 所求凸輪曲線

4 人機界面HMI

運行控制界面可以控制機器的運行、設(shè)置包裝膜的長度和監(jiān)視實際運行的速度，如圖11所示。

電機選擇界面用來對各臺伺服電機進行選擇性的啟用或屏蔽，可以簡單地實現(xiàn)對單臺或部分電機的手動操作，如圖12所示。

圖11 運行監(jiān)控界面

圖12 電機選擇界面

包裝膜牽引和送膜等軸進行速度同步，結(jié)合設(shè)置包裝膜的長度參數(shù)和輸送輥的直徑參數(shù)，可以計算出速度同步的比例系數(shù)，從而控制輸送軸的速度。在速度比例界面可以對速度同步高低速的比例系數(shù)分別進行微調(diào)，對各個軸同步比例系數(shù)的單獨調(diào)整可以改變各級材料牽引的張力，對總體的比例系數(shù)的調(diào)整可以修正實際的分切長度，如圖13所示。

圖13 速度調(diào)整界面

貼標(biāo)控制界面用于調(diào)整各個標(biāo)簽貼在包裝膜上的位置，自動換標(biāo)功能主要利用設(shè)定的二卷標(biāo)簽的總數(shù)量進行操作，使用中的標(biāo)簽當(dāng)前數(shù)量由設(shè)定值減少為一定值時將自動切換到備用卷上，切換的時機由二卷標(biāo)簽的先后順序和之間的相隔數(shù)量來決定，如圖11所示。

圖14 貼標(biāo)控制界面

5 與其他同類方案相比SIMOTION的優(yōu)越性

PLC+MASTERDRIVES MC解決方案代表了運動控制中一類比較經(jīng)典的解決方案，即PLC完成運算以及數(shù)據(jù)處理功能，MASTERDRIVES MC完成了運動控制的全部功能，西門子SIMOTION與該解決方案相比具有非常明顯的優(yōu)勢。

5.1 高速通訊接口，可實現(xiàn)等時數(shù)據(jù)同步

SIMOTION D提供了內(nèi)部通訊的DRIVE-CLIQ通訊接口，該接口適用于SIMOTION D和S120伺服驅(qū)動器之間的通訊，伺服電機編碼器反饋信號等，通訊速率可達到100Mbps，可輕松實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)同步。

5.2 高速的輸入、輸出通道

SIMOTION D提供了若干高速數(shù)字量輸入、輸出通道，可以連接對速度響應(yīng)要求高的信號，實現(xiàn)最快響應(yīng)。

5.3 集成一體化的編程降低了編程難度

PLC+MASTERDRIVESMC方案里編程人員必須精通PLC的編程、MASTERDRIVESMC的編程以及人機界面的編程。在大多數(shù)情況下，完全了解上述三個不同編程方法是有一定困難的。

SIMOTION提供了一體化的解決方案，控制器，驅(qū)動器，人機界面的程序全部集成在一起，由一種工具進行開發(fā)。編程人員只要了解這一種工具即可完成三個不同部分的程序的編制，大大的簡化了工作量。

6 結(jié)束語

SIMOTION作為西門子新一代運動控制器增加了很多實用功能，形成了標(biāo)準(zhǔn)的配置和相應(yīng)的工藝功能塊，降低了使用者的編程難度，在各個行業(yè)都有較多的典型應(yīng)用，在控制要求高的機械上充分體現(xiàn)了它的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的PLC+伺服驅(qū)動控制器的方案相比，SIMOTION系統(tǒng)軟硬件集成度高、實現(xiàn)多任務(wù)運動控制、現(xiàn)場布線簡單、維護方便。

FP型全自動高速濕巾包裝機以西門子的高性能SIMOTION系統(tǒng)作為運動控制系統(tǒng)，簡化了設(shè)備的編程和調(diào)試過程，提高了機器的整體性能，使得系統(tǒng)的開發(fā)周期大大縮短。開放式的HMI界面設(shè)計、預(yù)置的設(shè)備參數(shù)和運行參數(shù)的自動調(diào)整等功能，大大減少了操作人員的工作強度并提高了設(shè)備的運行效率。配套好的濕巾包裝機經(jīng)過現(xiàn)場實際投入生產(chǎn)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，運行效果良好，加工質(zhì)量達到要求并提高了生產(chǎn)效率。

[1] 崔潤記,張君峰,李忠.西門子新型運動控制器SIMO-TION D435在全鋼工程胚成型機上的應(yīng)用[J].橡膠技術(shù)與裝備,2007,33(4):49-54.

[2] 張翼成,林嘉瑜,胡明樟.SIEMENS SIMOTION D425在矯直機中的應(yīng)用[J].冶金叢刊,2007,171(5):22-24.

[3] 黃凱強,項古琴.SIMOTION D425在接箍上下料機械手上的應(yīng)用[J].機電工程,2008,25(9):65-68.

[4] SIMOTION D4XX commissioning and installation Manual[G].Siemens AG,2006.

[5] SIMOTION LAD/FBD programming and operating Manual[G].Siemens AG,2007.

[6] 葛曉忠.SIMOTION控制系統(tǒng)在全自動高速濕巾折疊機上的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機,2011,24(5):41-42.