西門子SIMOTION D在高速塑膜包裝機上的應(yīng)用
| 一、引言 目前食品飲料灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度非?？?，普通灌裝機的灌裝速度已達到500瓶/分鐘，靠簡單的人力包裝已無法完成如此大量的包裝工作，因此高速包裝機在食品包裝行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該包裝機作為獨立設(shè)備安裝于生產(chǎn)線上，提供專用輸送帶將生產(chǎn)線上灌裝好的產(chǎn)品傳輸?shù)桨b機上，包裝機自動完成分瓶、上膜、切膜、加熱、冷卻等工作并通過輸送帶傳送到下一個工序。 二、西門子SIMOTION介紹 在運動控制領(lǐng)域，一般的電機驅(qū)動器提供了豐富的運動控制功能，但邏輯控制和復(fù)雜運算功能卻相當弱，而一般的PLC提供了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)的應(yīng)用方式是將PLC和伺服控制器配合使用，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。 西門子公司提出新一代的運動控制平臺SIMOTION。SIMOTION是為運動控制起主導作用的機器而設(shè)計的，本身集成了邏輯控制與運動控制，可以獨立完成以往PLC加電機調(diào)速器的所有功能，主要應(yīng)用于那些控制要求復(fù)雜，控制速度快，要求精確運動的領(lǐng)域中。 1．SIMOTION是一種簡單，靈活的控制系統(tǒng)，本身集成了運動控制、邏輯控制與工藝控制。具有如下的優(yōu)點： 邏輯控制和運動控制相結(jié)合，取消了影響響應(yīng)時間的獨立接口 節(jié)省了為這些中間接口進行編程以及診斷的投入 整個機器的編程以及診斷不僅規(guī)范，而且象PLC一樣開放透明 2．SIMOTION系統(tǒng)具有三個組成部分： 工程開發(fā)系統(tǒng) 工程開發(fā)系統(tǒng)可以實現(xiàn)由一個開發(fā)環(huán)境解決所有的運動控制、邏輯及工藝控制問題，并且它還能夠提供所有必要的工具，從編程到參數(shù)設(shè)定，從測試到故障診斷。 實時軟件模塊 這些模塊提供了眾多的運動控制以及工藝控制功能。針對某一特定的機器所需要的功能，靈活地選擇相關(guān)地模塊。 硬件平臺SIMOTION D SIMOTION D的功能集成在新的SINAMICS S120多軸驅(qū)動系統(tǒng)的控制模板上，使之成為一個緊湊的擁有控制器及驅(qū)動器的系統(tǒng)。將運動控制與驅(qū)動器集成在一起，使系統(tǒng)具有極快的響應(yīng)速度。SIMOTION D具有若干種規(guī)格，均是取決于其性能的要求。 三、系統(tǒng)要求 鑒于灌裝食品行業(yè)設(shè)備自動化程度高，產(chǎn)品產(chǎn)量大的特點，對高速膜包機提出了如下的控制要求： 1． 運行速度快 由于食品灌裝生產(chǎn)線的灌裝速度高，要求包裝機的速度也必須達到與之配套的水平。目前成熟的單通道塑膜包裝機可以達到標準產(chǎn)量50包/分鐘，而雙通道則能達到100包/分鐘。 2． 可靠性高 鑒于生產(chǎn)線的連續(xù)高速生產(chǎn)的特殊情況，生產(chǎn)線上任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會直接導致全線的故障停機，從而給用戶帶來巨大的經(jīng)濟損失，故要求設(shè)備可靠性非常高。要求配套的塑膜包裝機在出廠前必須經(jīng)過嚴格的測試，以每批次連續(xù)生產(chǎn)2000包，連續(xù)生產(chǎn)10個批次不出現(xiàn)任何故障為出廠驗收合格標準。 3． 分瓶控制精確 生產(chǎn)線上過來的產(chǎn)品是連續(xù)排列的，必須通過一個專用設(shè)備將連續(xù)排列的產(chǎn)品分成預(yù)先設(shè)定好的每包薄膜可以包裝的不連續(xù)的產(chǎn)品單元，如下圖將啤酒易拉罐分成每24瓶一個單元的小單元塊給后面的包裝做預(yù)處理工作。 每兩個易拉罐之間的位置大約只有20mm，分瓶器必須準確無誤的插入到這個位置中，靠前或靠后都會將易拉罐頂翻而影響后面的包裝。而且前后分瓶器由兩個不同的電機帶動，必須嚴格進行位置與速度的同步，否則相互之間將出現(xiàn)干涉，影響分瓶質(zhì)量。 4． 上膜切膜控制精確 分瓶后的下一個工序就是上膜切膜作業(yè)，上膜切膜必須要嚴格保證每次上膜的角度，切膜的角度相同，以保證膜包的統(tǒng)一性，完整性；如為彩膜包裝，還必須校對彩膜的光標，保證膜包出來的產(chǎn)品形整齊，美觀，高質(zhì)量。 5． 產(chǎn)品成品率高 由于高速膜包機產(chǎn)量巨大，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障將導致產(chǎn)品的大量浪費，而且包裝用的薄膜又屬于一次性產(chǎn)品，不能回收利用，因此對產(chǎn)品的成品率要非常的高，要求包裝出的產(chǎn)品為一個嚴格的立方體，不能出現(xiàn)歪斜、左右不對稱、色標不對稱等情況。 6． 自動化程度高 包裝機在工作時，從進瓶開始到包裝結(jié)束，所有工作全部自動完成，完全不需要人工干預(yù)。 四、運動控制系統(tǒng)配置 1．為保證整機的運行速度采用如下的配置： 伺服電機 高速紙包機上采用西門子1FK7高精度同步伺服電機，主驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計成主驅(qū)動軸轉(zhuǎn)一圈生產(chǎn)一包產(chǎn)品，所以該設(shè)計結(jié)構(gòu)的單通道******產(chǎn)量為80包/分，標準產(chǎn)量為60包/分,達到了主流高速膜包機的生產(chǎn)速度。 高速信號的處理 在機器運轉(zhuǎn)的過程中，對關(guān)鍵信號的響應(yīng)時間為1MS。 具體算法： 響應(yīng)時間＝1MS/度 對于上述信號直接接入到SIMOTION D435中，SIMOTION D435輸入信號的響應(yīng)時間為0.1ms，完全滿足上述要求。 2．SIMOTION采用一體化的連接電纜和集成化的安裝方式，保證系統(tǒng)的高可靠性 SIMOTION的電機電纜和編碼器電纜全部采用高IP等級的專用連接頭，用戶在使用過程中直接將電纜接頭插到相應(yīng)的接頭上擰緊相應(yīng)的螺絲即可。 SIMOTION采用一體化的集成連接方式，控制器D435和驅(qū)動器SINAMACS之間采用DRIVE-CLIQ高速通訊方式，通訊速率可達到100M，響應(yīng)速度快，集成化好，對于用戶來說簡單方便，故障率低。 功率單元與電機驅(qū)動器之間的連接采用內(nèi)置銅牌和DRIVE-CLIQ連接，簡單方便故障率低。 3．系統(tǒng)配置 整機采用五臺1FK7伺服電機，分別為兩臺分瓶電機，一臺主電機，一臺上膜電機，一臺切膜電機。主電機功率為3.7KW，兩分瓶電機功率為0.82KW，上膜電機功率為2.14KW，切膜電機功率為1.48KW。 采用TP270作為系統(tǒng)的人機操作界面。 采用SIMOTION D435作為主控制器。 采用SIMOTION S120作為電機驅(qū)動單元。 1－SIMOTION D435運動控制器 2－S120 電源模塊 3－雙軸電機模塊9A 4－雙軸電機模塊5A 5－主軸電機，1FK7系列 6－分瓶電機，1FK7系列 7－分瓶電機，1FK7系列 8－送瓶電機，1FK7系列 9－遠程IO，ET200M 10－變頻器，MM440，帶profibus接口 11－TPP270操作界面 12－Profibus現(xiàn)場總線，速率可達到12M 13－伺服電機電源電纜 14－伺服電機DRIVE-CLIQ編碼器反饋 五、控制原理 對于塑膜包裝機從易拉罐進入到進瓶器內(nèi)到包裝好的成品出來，所有的動作全部由機器自動完成，完全不需要人工干預(yù)，自動化程度非常高。在整個控制過程中難點主要存在于分瓶控制、輸出凸輪控制、上膜控制、切膜控制等方面，SIMOTION對各方面的控制提供了專用的功能，使得原先非常復(fù)雜的控制變得簡單方便。 1．分瓶控制： 分瓶控制是包裝機控制過程中難度******的部分。 分瓶控制的要求如圖5所示，分瓶電機M1控制分瓶器A和C，分瓶電機M2控制分瓶器B和D，在同一個鏈條軸上同方向運動，分瓶器A、C；B、D之間的距離恒定不能改變，且分瓶器A在運動過程中不能夠超越D的位置，分瓶器D在運動過程中不能超越C的位置，否則機械上將卡死出現(xiàn)故障。要求分瓶器A到達圖示位置時分瓶器B也正好到達圖示位置這樣剛好將四瓶產(chǎn)品與后面的產(chǎn)品分開達到分瓶的目的。同理分瓶器B和C也在A和B的位置上分出四瓶同樣的產(chǎn)品。按照上述流程一直循環(huán)為下面的分裝做好準備。具體A和B之間的距離確定了每包可以容納的產(chǎn)品的數(shù)量，要求可以通過操作畫面設(shè)定每包可以容納的產(chǎn)品數(shù)量，系統(tǒng)自動計算出A和B之間的距離保證機器正常工作。 針對上述控制要求，采用SIMOTION提供的標準多軸CAM曲線同步功能對兩個分瓶電機進行精確位置同步控制具體的控制方式如下： 定主軸電機的位置作為CAM曲線的X軸，兩個分瓶電機的運行位置做Y軸分別做兩條CAM曲線。 由于每個分瓶器旋轉(zhuǎn)一周剛好可以分出四包產(chǎn)品，而主軸旋轉(zhuǎn)一周可以完成一包產(chǎn)品的分裝，為了簡化系統(tǒng)模型，將整個生產(chǎn)過程分割為相同的若干生產(chǎn)單元，整個生產(chǎn)過程實際上時不斷的重復(fù)這個同樣的生產(chǎn)單元，在每個生產(chǎn)單元里主軸一旦啟動必須完成該單元才可以停止。 在每個生產(chǎn)單元里分瓶電機與主軸電機進行CAM曲線位置同步對于每根分瓶電機軸來說主電機旋轉(zhuǎn)四周1440度分瓶電機旋轉(zhuǎn)一周360度。 上述曲線制定完畢后，規(guī)定在圖6的位置為整個曲線運動過程中三個電機的零點，分瓶電機M1，M2將以此位置作為零點按各自的運行曲線和主軸做嚴格的位置同步，保證分瓶連續(xù)精確的運行。 程序說明： 書寫如下得MCC語句，當操作工人按下“開始同步按鈕”開始執(zhí)行CAM同步指令。當按下“解除同步按鈕”執(zhí)行解除同步指令。通過下列指令實現(xiàn)了分瓶軸與主軸的同步。 在分瓶同步指令中做如下的設(shè)置，分瓶軸fenping1_axis作為從軸，主電機驅(qū)動軸zhudianji_axis做為主軸，選擇fenping1_cam曲線作為從軸的運動軌跡。主從軸的運行方式選擇絕對坐標運行，Cam運行過程選擇循環(huán)執(zhí)行。這樣分瓶電機就按照事先設(shè)定的運行軌跡與主軸做位置同步運行。 2． 分瓶停機修正： 分瓶過程中會出現(xiàn)一個問題：當分瓶電機一旦投入運行，系統(tǒng)必須完成一個生產(chǎn)單元（生產(chǎn)四包產(chǎn)品）分瓶電機回到曲線的0點坐標后才可以將分瓶電機與主電機取消同步控制，否則在下一個生產(chǎn)單元分瓶電機將出現(xiàn)位置錯亂無法同步的情況，將導致產(chǎn)品浪費。因此需要對分瓶控制做如下的修正： 如圖6、7所示由于分瓶器是循環(huán)運行，對于機器設(shè)備來說當分瓶軸停在主軸0，360，720，1080，1440這5個位置的任何一個位置時設(shè)備所處的位置與圖5完全相同，所以鑒于上述情況，我們只要設(shè)定當分瓶停止的事件被觸發(fā)后，系統(tǒng)判斷主軸處于上述5個位置的哪個區(qū)間內(nèi)，找0，360，720，1080，1440這五個位置中最近的一個位置解除同步，當分瓶電機解除同步停止后，將分瓶電機當前坐標清0，這樣即保證了下次啟動時與主軸位置的嚴格同步。從而消除了分瓶控制方案中存在的不足。 經(jīng)過上述修正處理后的機器，當分瓶啟動后包裝的誤差數(shù)可以減少到1包，在國內(nèi)外同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位。 程序說明： 在解除同步中設(shè)置如下的指令，設(shè)定當解除同步按鈕按下后開始執(zhí)行下列語句，當主軸到達位置“fp1_stop_position”時解除同步，此時變量“fp1_stop_position”的值在程序中實時判斷，在0，360，720，1080，1440中取值，保證解除同步完成后分瓶軸正好運行到相應(yīng)的位置。 3． 凸輪輸出控制： 設(shè)備控制要求為當主軸轉(zhuǎn)到一定角度后開始判斷外圍設(shè)備是否滿足動作條件，如果滿足則控制輸出相應(yīng)動作。標準的凸輪控制功能將不能同時滿足上述要求，但系統(tǒng)提供了凸輪的“state”參數(shù)狀態(tài)，可以利用“state”參數(shù)自己編制控制程序。 相對于每個功能建立一個凸輪軌跡 |
