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2019中國智能制造發展論壇 菲尼克斯電氣Radioline無線系統
PLC

西門子 SMART 解決方案在套標機上的應用

  2018年09月29日  

  摘要:本文介紹了西門子 S7-200 SMART PLC、SMART LINE 觸摸屏以及 SINAMICS V20 變頻器在套標機上的應用,闡述了設備工藝流程、控制系統的配置選型、軟件設計和實現的功能。經測試,該方案能完全滿足高速套標機的各項技術要求,運行穩定,性能良好。

  關鍵詞:S7-200 SMART SMART LINE SINAMICS V20 套標機

1 引言

  套標機是一種將熱縮塑膠商標桶卷自動切斷,准確套入容器的包裝機械,配合後熱收縮工序,將標簽完好地固定于容器適當位置。

  上世紀 90 年代以來,我國的快速消費品包裝工業得到了迅速發展,快速消費品企業的生産集中度和自動化程度在不斷提高,包裝設備在向大型化、快速化、高效化、自動化方向發展。套標機作爲後段包裝技術含量較高的設備之一,其優良的高速穩定性能,獨特的靈巧化設計,人機協和的安全模式,得到了廣大客戶的充分肯定。套標機的使用大大降低了套標環節的人力物力,現已廣泛應用于啤酒飲料、化工、醫藥等行業。

2 套標機工藝原理

  2.1 套標機結構

  從工藝功能的角度進行劃分,套標機的結構可分成以下 9 單元。並如圖 1 所示。

  (1) 供料組:由變頻器帶動供料電機旋轉,用以傳送標簽膜料;

  (2) 電眼架組:使用光纖電眼傳送信號,提供下標伺服做定尺寸輸送,電眼位置可高低調整;

  (3) 驅動組:采用雙驅送料機構,由下標伺服電機驅動。用于固定中心柱和下標動力傳動;

  (4) 刀盤組:采用同步輪機構,由伺服電機驅動,當進瓶光電 7 給出信號時,切刀電機帶動刀片旋轉一周將標簽切斷;

  (5) 刷下組:采用同步調整機構,將刷下兩組傳送輪調整至中心柱下方與滾輪輕微接觸,待標簽通過時以較高轉速將標簽套入瓶子;

  (6) 分瓶螺杆:將欲套標瓶做等距分開,進入帶瓶組,速度由變頻器控制,與輸送帶同步;

  (7) 照瓶電眼:檢測是否有瓶子通過,當有瓶子經過時輸出訊號使切刀開始旋轉,左右位置可以調整;

  (8) 輸送帶:使用變頻器調整輸送帶速度,以適用于各産能的速度匹配;

  (9) 帶瓶組:采用兩側同步傳動,標簽高低與夾瓶定位各一只手輪調整,目的使瓶子輸送時不搖晃和控制套標簽高度,速度由變頻器控制,與輸送帶同步。

  2.2 套標機工藝流程

  當輸送帶上有瓶子經過照瓶電眼時,由伺服控制的切標電機會將標簽切斷,切標完成後下標伺服電機開始動作,等到光纖信號到來時停止送標,同時刷下料輪會將已經切斷的標簽刷下套入瓶子上,完成一次動作。具體工藝流程如圖 2 所示。

3 硬件系統設計

  3.1 硬件系統分析

  本系統需要兩路高速脈沖輸出,分別控制切刀和下料伺服;一路高速計數器,用于控制切刀停止的位置,切刀停止位置應不影響下標的動作,否則會造成堵標。

  以往套標機的調速方式普遍采用電位器控制,用三個電位器分別控制輸送帶電機,定位皮帶電機和螺杆電機,供料電機的速度因爲不經常調節,所以用變頻器本身自帶的電位器調速。每次輸送帶速度變更時,都需要重新調節螺杆和定位皮帶的速度。調節時主要依靠調試人員的技術經驗和不斷的放瓶測試,才能使其線速度基本同步。本項目中設備的 I/O 清單如表 1 所示。

  3.2 硬件系統設計

  在本項目的電控方案中,選用西門子 SMART 解決方案,包括 S7-200 SMART PLC、SMART LINE 觸摸屏和 SINAMICS V20 變頻器。根據上述 I/O 需求,總共 12DI/12DO,選用 CPU ST40(24DI/16DO) 即可滿足需求。 SINAMICS V20 變頻器通過 USS 協議與 PLC 進行通訊,不僅控制更加方便,也節省了 PLC 的 I/O 點。通過計算可將電機角速度轉化爲輸送帶線速度。PLC 和觸摸屏通過以太網進行通訊,只需要在觸摸屏上輸入生産速度,其他電機將會自動進行線速度同步。該方案大大縮短調試時間,降低調試難度。硬件結構如圖 3 所示,主要硬件配置表如表 2 所示。

4 軟件系統設計

  4.1 運動控制配置

  S7-200 SMART 集成了三路 100kHz 的高速脈沖輸出,在本系統中切刀伺服占用 Q0.0,下標伺服占用 Q0.1。打開 Micro/WIN SMART 集成的運動控制向導,配置軸 1 和軸 2,選擇單向相對脈沖,最大速度 50K,最小速度 1K,加減速時間 30ms,然後生成子程序。

  4.2 高速計數配置

  S7-200 SMART 集成了 4 路高速計數器,在本系統中只使用了高速計數器 HSC0,用于接收切刀的脈沖輸出,占用輸入點 I0.0。打開 Micro/WIN SMART 集成的 HSC 向導,配置 HSC0,選擇工作模式 0,預設值爲 80000,當前值爲 0,計數方向向上,勾選 PV=CV 時中斷,步數 1,然後生成。當切刀伺服啓動後檢測到刀盤原點光電時,利用外部中斷快速更新高速計數器 HSC0 的當前值和目標值,目標值等于當前值加上偏置值。PV=CV 中斷時停止脈沖輸出,同時啓動下標伺服。

  4.3 USS 通訊

  S7-200 SMART 自帶庫文件 USS 協議,只需調用 USS 功能塊即可實現 PLC 與西門子變頻器的通訊。通過 USS_INIT 進行通訊參數初始化設置,包括與變頻器通訊的波特率,激活的變頻器個數,所占用的端口等,通信參數必須與變頻器設置的一致,否則無法通訊。每次通信參數的更改都需要重新執行此命令,本項目中的通訊參數固定,所以只上電執行一次。通過調用 USS_ CTRL 指令可以直接控制變頻器的啓動、停止以及頻率,每條 USS_CTRL 指令只能控制一台變頻器。

  4.4 SINAMICS V20 變頻器的配置

  設置V20變頻器的連接宏爲Cn010—USS控制,分別設置螺杆、皮帶、供料、輸送帶變頻器地址 P2011[0] 爲 1、2、3、4。同時,設置應用宏爲 AP030—傳送帶控制,SINAMICS V20 可自動配置適合傳送帶應用的控制參數。

5 結束語

  套標機裝備制造行業內普遍采用三個電位器分別控制其中三台變頻器,在本項目中取消了電位器,直接在觸摸屏中輸入生産速度,電機的同步線速度交由 PLC 計算,並通過通訊的方式將頻率送入變頻器,減少了 PLC 的點數需求,減少了配線,調試更加方便。經過測試,套標的速度以及套標的穩定性完全達到了高速套標的要求。采用西門子 SMART 解決方案,設備檔次有了很大的提升,爲售後服務也提供了巨大的便利。

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