SIMOTION D435在大口徑波紋管成型機上的應用

許志勝

(大連三壘機器股份有限公司, 遼寧 大連 116000)

在橡塑波紋管行業中，成型機作為整條生產線的關鍵設備，在生產PP、PE、PVC等原材料的波紋管過程中，起到了非常重要的作用。以前的大口徑成型機均以立式為主，其模塊上下開合，占地面積小，結構緊湊，但模塊更換較困難，在線擴口成型也很困難，并且速度極慢。同時模塊對數多，更換時間長，模塊不易采用水冷，影響生產效率，一般最大內徑可以做到800 mm。新一代大口徑成型機以臥式為主，目前最大做到內徑1 800 mm。而本文所介紹的是臥式成型機的升級產品：梭式成型機。它采用運動控制器和伺服進行控制，具有自動回位、零位校準、定位糾偏、在線偏差補償等優點。在生產不同的管材時，可以根據管材型號進行更換模具即可，模塊少，更換簡單容易，而且模塊自然水冷，生產速度更快，生產的管材質量更好。

1 成型機介紹

波紋管成型機是生產波紋管的核心設備，主要由成型模具、傳動系統、控制系統三部分構成。成型模具一般由30～40對上下（或水平）對開的模片組成，沿一定的軌跡移動，模具閉合構成圓形管子的成型腔，模具打開，使制品脫離模具，模具可由水或空氣冷卻，使管材成型。其成型過程為：從擠出機擠出原料，利用真空泵，形成真空負壓，經過真空吸附，使內外壁分別貼合在成型模具和機頭水套上成型。而本文所介紹的新一代梭式傳動的成型機，以最新1 800生產線的SBZ1800成型機為例，模塊的數量減少了很多，生產在線擴口管材只需要9對模塊，而生產不帶擴口的直管僅僅需要7對模塊，通過梭式運動完美曲線軌跡，減小成型機整體空間半徑，全方面減少投資成本。

所以波紋管成型機的關鍵就是成型模具運行曲線軌跡的確定，首先建立模具運行的數學模型，通過電子凸輪，建立各軸運動曲線，然后打印出其軌跡，最后按照這一軌跡組合模具。雙壁波紋管生產線如圖1所示。

2 成型機控制系統構成

2.1 系統結構網絡圖

此套1 800生產線的SBZ1800成型機系統以Simotion D435 運動控制器為控制核心，通過工業以太網與Simotion D435連接用于編程和調試的PC/PG；通過西門子工業現場總線PROFⅠBUS-DP與Simotion D435連接的人機界面接口模塊及用于數字量Ⅰ/O擴展的接口模塊ⅠM153（見圖2）。

通 過 西 門 子 DRⅠVE-CLⅠQ 總 線 與 Simotion D435連接的驅動單元各模塊及電機編碼器。模型系統框圖見圖3。所以在做實際方案時，配置了Simotion D435 + KTP1200 +ET200M ⅠM153 的方案。

2.2 西門子SlMOTlON D運動控制器的特點

Simotion D 結構緊湊，是一款基于 SⅠNAMⅠCS S120 驅動系列。本例采用的運動控制器Simotion 435-2 DP/PN 控制單元 ，最多支持 32 軸。

采用 Simotion D435 后， PLC 和運動控制功能以及 SⅠNAMⅠCS S120 驅動器軟件都在同一控制硬件上運行。Simotion D 中集中了符合 ⅠEC 61131-3 標準的 PLC以及符合PLCOpen標準的運動控制功能塊。根據 Simotion D平臺的不同，HMⅠ 設備可在PROFⅠBUS、以太網或 PROFⅠNET 接口上運行，便于操作人員實施監控。此外，也可以通過這些接口，使用遠程維護、診斷和遠程服務等功能。

優點：

（1）驅動器中直接集成了 PLC、運動控制和工藝功能，因此經濟高效。

（2）采用了創新型 SⅠNAMⅠCS S120 設計。

（3）結構緊湊，可縮小控制機柜尺寸。

（4）非常適用于模塊化分布式機器方案。

（5）用戶友好型操作。

（6）可通過多種通信接口實現靈活聯網。

（7）集成眾多工藝功能因而功能強大。

（8）工程配置非常簡單，涵蓋從驅動器調試到開環控制以及運動控制應用的全部過程。

（9）使用 CF 卡，更換方便并且包含所有數據（程序、數據、驅動器參數和授權證），因此便于維護。

（10）PLC 與運動控制之間不再需要接口，因此動態性能非常高。

3 控制難點以及解決方案

3.1 梭式傳動簡介

圖4為成型機模塊某一運動瞬間的運動軌跡圖，從圖中可以看出：

（1）在輸送軸(返回區)成型模塊以加快速度返回，這樣，可以減少模塊的數量，進而減少投資成本。就本例，共7對模塊，在主軸（工作區）5對模塊成型，輸送（返回區）2對模塊，輸送的頭尾各1對。

（2）成型模塊在主軸（工作區）的進入處（合模區）和返回處（分模區）的過渡，不通過曲線導軌，模塊以直角的形式進入主軸（工作區）并從其返回，因而減少了機器的寬度。

（3）成型模塊的全部動作都通過同步伺服電機控制來實現，從而保證了成型機高度平穩的運行并生產出高質量的產品。

3.2 控制解決方案及編程

大連三壘臥式成型機SBZ1800在控制系統上主要由6軸伺服構成，分別為上下主軸，輸送軸，合模軸，上下分模軸。如圖5所示，第一個模塊為Simotion D435，后面是西門子新一代驅動Sinamic S120，分別為1個書本型電源模塊SLM和6個單軸電機模塊。Simotion D435 通過總線 DRⅠVE-CLiQ 接口與Sinamic S120 的其他模塊進行數據交換，可以寫入讀取各軸的參數，控制各軸模塊。

工作原理為成型模塊從左右通道返回成型通道的開始位置，然后以垂直的角度形成成型管材通道，運行的軌跡為矩形而不是橢圓形，見圖4。

模塊要按照設計好的曲線來運行，才能保證管材的成型。運動控制器使用西門子SⅠMOTⅠON SCOUT軟件的Trace功能，通過在軟件中預先輸入需要監控的伺服參數，啟動數據跟蹤功能，就可以監控到實際曲線，如圖6所示。

本控制系統的難點在于各伺服軸之間的協調運行關系，所以必須以主軸位置為基本參考點，主軸運行方向1個模塊的長度就是1個運動周期，然后周期反復。其他各軸需要跟隨主軸，進行相應的位置移動，主軸完成1個周期，其他各軸也完成1個周期動作。按數學模型來說，就是X_Y的2軸坐標系，其他各軸，以主軸為X軸，自身為Y軸，各自建立自己的坐標，繪制曲線圖，然后各軸按各自曲線運動。而解決這一問題的最好方法就是利用電子凸輪功能。電子凸輪由機械凸輪演變而來，相對于機械凸輪，電子凸輪具有數據可修改性強，精度更高，靈活性更強，曲線隨時優化等優點。Simotion D435中提供了電子凸輪功能，通過軟件的多軸授權，根據設計好的數據建立凸輪表和凸輪曲線。

本例采用的編程語言是Simotion MCC，MCC是為了降低生產機械自動化控制的復雜度而專門設計的一種新型圖形化編程語言，它直接集成到西門子SⅠMOTⅠON SCOUT軟件中，該語言能夠幫助初學者快速、方便地在運動任務中創建順序程序序列。在這里可以使用符合PLCOpen標準的運動控制功能指令，使用順序編程和循環編程相結合，完成凸輪運動。

首先，要建立主軸，確定主軸的原位，保證主軸機械原位和電子凸輪上的原位相一致。然后賦值，確定實際位置，保證電子凸輪的位置和機械運行的實際位置相同，詳見圖7。

其次，建立各軸，使各軸使能啟動，保證各軸在準備運行的狀態，詳見圖8。

再次，使用Home axis指令，程序中通過測量系統在控制系統及機械系統間建立位置關聯，各軸建立凸輪曲線，詳見圖9。

正常運行時，使用各個軸與主軸之間的Cam on指令，使主軸和其他軸按著凸輪曲線圖，也就是根據電子凸輪曲線，同步運行，如圖10所示。

最后，判斷各軸和主軸同步完成后。再啟動主軸的Start axis position-controlled位置控制，如圖11所示。同時給主軸初始速度，就能保證各個伺服軸按照上述的電子凸輪曲線同步運行。主軸增減速度，其他各軸根據曲線位置，相應變化。

如果在運行過程中出現了某一個伺服軸滯后，當滯后距離沒有超出設定的范圍，也可以使Set offset on camming來對當前滯后的伺服軸進行位置的追趕，偏置校準，如圖12所示。

在完成電子凸輪運動的過程中，整個系統還具有保護功報警能，如果出現某一個伺服軸或者其他影響生產的錯誤報警，通過對此伺服軸以及報警代碼的監控，對整個系統報警停機，從而避免了錯誤和危險的發生。

4 結論

大連三壘的成型機是最早使用西門子Simotion D435運動控制器的塑料管材設備，同時使用KTP1200觸摸屏進行參數設定，校準整定，報警監控，凸輪曲線監視等。操作簡單，各項工藝指標滿足生產工藝的技術要求，自調試完畢后，系統運行穩定，已經投入到實際生產中，效果良好，目前已經出口歐洲。