1 引言

       傳統(tǒng)的包裝機(jī)械多通過復(fù)雜的齒輪、聯(lián)桿傳動。存在機(jī)械加工復(fù)雜、精度要求高，安裝調(diào)試繁瑣，機(jī)構(gòu)耦合誤差大，生產(chǎn)周期長等的明顯缺點(diǎn)。其控制的速度和精度都受到一定條件的制約。

       針對傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用開放式的運(yùn)動總線型DVP-10MC運(yùn)動控制器，使用電子凸輪等先進(jìn)工藝，保證整機(jī)的同步協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)精確、高速控制。DVP-10MC運(yùn)動控制器在此方面表現(xiàn)了良好的性能。

2 系統(tǒng)工藝簡介

       臥式包裝機(jī)是物料充填與袋子成型沿水平方向進(jìn)行，由于水平式制袋、充填和封口，各個工位均可以方便地進(jìn)行調(diào)整，并可以針對不同的物料情況作許多復(fù)雜的配置變化。

圖1 臥式包裝機(jī)
 
圖2 工藝流程圖

       臥式包裝機(jī)的工藝為：從卷筒1拉出的包裝材料由導(dǎo)輥2導(dǎo)引，經(jīng)三角成型器3和U形桿4而折合成U形膜；光電檢測裝置5對包裝材料上印刷的色標(biāo)拉距進(jìn)行檢測和送進(jìn)控制，然后由制袋熱封裝置6對U型折合膜實(shí)施熱熔封接，封接兩側(cè)面完成制袋。牽引送進(jìn)裝置7作間斷啟停旋轉(zhuǎn)運(yùn)動將成袋及包裝材料牽引送進(jìn)，每次送一個袋寬的距離，由切斷裝置8裁切成單個包裝袋，然后由袋夾送進(jìn)裝置作夾持送進(jìn)；在開袋口工位由開袋口裝置將袋口吸開，并往袋內(nèi)噴吹壓力空氣，使袋口擴(kuò)開，并由夾持包裝袋的夾手保持張開的袋口，以使充填物料順利充填。當(dāng)袋子送到充填工位時，通過充填漏斗往包裝袋內(nèi)裝入物料，再在整形工位由整形裝置對袋中松散物料實(shí)施整形處理，使其袋形便于封口操作，且夾袋的夾手向外運(yùn)動，使袋口處于平直閉合狀態(tài)，在封口工位完成袋口封接，得到的包裝產(chǎn)品從機(jī)器后端輸出。

3 方案介紹

       DVP10MC是臺達(dá)推出的一款總線型多軸運(yùn)動控制器，專門用于控制臺達(dá)A2伺服驅(qū)動器。DVP10MC與A2伺服驅(qū)動器之間采用CANopen現(xiàn)場總線技術(shù)通訊，最高通訊速率達(dá)到1M bps。它除了能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制以外，還可以實(shí)現(xiàn)PLC的邏輯控制，溫度控制。DVP10MC通訊接口豐富，提供有Ethernet、CAN (Motion Bus)、RS232、RS485及編碼器接口，同時具有與SV相同的左右擴(kuò)展接口，共享SV所有擴(kuò)展模塊，很適合包裝機(jī)械的多軸控制。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

       本系統(tǒng)中DVP10MC采用CANMotion控制6軸伺服裝置，實(shí)現(xiàn)多軸同步控制。兩臺變頻器通過左側(cè)的CANopen主站模塊控制，實(shí)現(xiàn)速度控制。HMI采用XBTGT系列觸摸屏，通過MODBUS/TCP協(xié)議與運(yùn)動控制器通訊；現(xiàn)場溫度采用PID控制，溫度控制精確。

表1 系統(tǒng)配置
 

4 控制工藝

       夾手裝置由三個伺服電機(jī)驅(qū)動，完成袋子的移送，其電子凸輪曲線如下圖示：

圖4 夾手裝置凸輪曲線

       制袋工位由一個伺服電機(jī)驅(qū)動，其凸輪曲線如圖5所示。

圖5 熱封裝置凸輪曲線

       拉模裝置由兩個伺服電機(jī)驅(qū)動，其凸輪曲線如圖6所示。

圖6 拉膜裝置凸輪曲線

       主軸變頻器驅(qū)動的電機(jī)上帶一個編碼器，在正常運(yùn)行時，其他軸根據(jù)自己所處的位置相應(yīng)做跟隨運(yùn)動。放膜部分采用張力控制，使放膜輥在放膜過程中，均勻放膜。

       拉膜軸通過速度控制進(jìn)給包裝膜，在每送一個袋子時，通過色標(biāo)作為前一次袋長檢測觸發(fā)信號，直接接入到運(yùn)動控制器高速信號接口，然后通過外部編碼器讀取實(shí)際膜長，與存儲的標(biāo)準(zhǔn)長度進(jìn)行比較，如果有偏差的話，就在下一包進(jìn)行調(diào)整。

       拉膜的寬帶通過電子凸輪實(shí)現(xiàn)，可以保證到整機(jī)的速度一致性，但是凸輪的曲線不能在線修改，但可使用虛軸的功能：即使用MC-VirtualAxis指令構(gòu)建一個虛擬軸。虛軸是運(yùn)動控制器內(nèi)部可以創(chuàng)建的一個假想軸，專門用于位移量疊加計(jì)算進(jìn)行使用，由于是理想軸，所以不會出現(xiàn)任何偏差，并且可以自己定義任何軌跡。這里將虛軸和實(shí)軸的凸輪曲線用電子齒輪方式嚙合，做同步，運(yùn)行過程中可以修改電子齒輪的齒輪比，即可達(dá)到在線調(diào)節(jié)凸輪曲線的目的。

       在停機(jī)時，拉膜裝置在完成本次拉送袋子后，立即停止。制袋裝置在拉膜裝置停止后，也立即停止，并且運(yùn)動到安全位置，等待下次工作。再次運(yùn)行前，制袋裝置需運(yùn)行到同步的位置后，開始運(yùn)行主機(jī)。

圖7 拉膜裝置曲線控制

5 系統(tǒng)通訊

5.1 變頻部分

       變頻器和運(yùn)動控制器通訊時需要在CANopen Builder軟件中導(dǎo)入ATV312的EDS文件。

       DVPCOPM-SL模塊是運(yùn)行于DVP10MC左側(cè)的CANopen主站模塊，當(dāng)DVP10MC通過DVPCOPM-SL模塊與CANopen網(wǎng)絡(luò)相連時，DVPCOPM-SL模塊負(fù)責(zé)運(yùn)動控制器與總線上其它從站的數(shù)據(jù)交換接口。DVPCOPM-SL模塊既可以在總線中做主站，也可以通過設(shè)置使其在總線中做從站。模塊映像地址：輸入：D6000-D6226，輸出D6250-D6476。

       DVPCOPM-SL在設(shè)置地址時，只有在模塊斷電情況下設(shè)置才有效，完成設(shè)置后，再將模塊上電。如果接線與節(jié)點(diǎn)地址均設(shè)置正確，模塊上面的LED會顯示當(dāng)前站號地址，如果為紅色代碼閃爍，請檢查通訊速率不要太高，或選用標(biāo)準(zhǔn)的CAN電纜。

圖8 變頻總線圖

5.2 伺服部分

圖9 伺服總線圖

       伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置如下：

       P1-01=B（伺服驅(qū)動器設(shè)置為CANOpen模式）；
       P3-00=2（伺服驅(qū)動器的CANOpen站號設(shè)置為“2”）；
       P3-01=403（伺服驅(qū)動器在CANOpen中通訊速率設(shè)置為1Mbit/s）；
       P2-15=122（伺服驅(qū)動器的逆向極限開關(guān)設(shè)為常開）；
       P2-16=123（伺服驅(qū)動器的正向極限開關(guān)設(shè)為常開）；
       P2-17=121（伺服驅(qū)動器的急停開關(guān)設(shè)為常開）。

       其他伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置只有站號設(shè)置不同，設(shè)置完畢后伺服驅(qū)動器須重新上電。DVP10MC遵循CANopen（DSP402）協(xié)議，采用同步信號實(shí)現(xiàn)多軸同步，多軸系統(tǒng)支持十六個實(shí)軸，外加兩個虛軸。在網(wǎng)絡(luò)通訊方面，可支持DeviceNet主從站、CANopen主從站、Profibus-DP從站，可組建功能復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

5.3 以太網(wǎng)部分

       DVP10MC11T提供一個以太網(wǎng)接口，此接口為運(yùn)動控制模塊所有，支持ModbusTCP
協(xié)議，PC端軟件CANopenBuilder通過此接口可用于下載CANopen運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)配置、運(yùn)動程序、G代碼，監(jiān)控裝置等功能。DVP10MC11T在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中只能做從，同時可接受最多4個主站的訪問。此接口還支持自動跳線功能，當(dāng)與計(jì)算機(jī)或交換機(jī)連接時，不需要特別作跳線處理。接口上的LED可以顯示以太網(wǎng)當(dāng)前的連接狀態(tài)，方便用戶查詢。

       DVP10MC11T的以太網(wǎng)參數(shù)設(shè)置通過CANopenBuilder軟件設(shè)置。DVP10MC11T支持的Modbus功能碼和對應(yīng)的地址元件如下表所示：

表2 Modbus功能碼
 

       施耐得XBTGT5330觸摸屏集成有以太網(wǎng)接口，支持ModbusTCP，故可以方面的連接。觸摸屏在驅(qū)動設(shè)置時，需要設(shè)置成低字節(jié)優(yōu)先。

6 溫度控制

       在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。本系統(tǒng)中有八通道溫度采用PID控制溫度，使用DVP04TC-S作為溫度數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過PLC程序中的專用溫度控制指令，用PLC輸出點(diǎn)控制固態(tài)繼電器動作，實(shí)現(xiàn)溫度的加熱控制。

       DVP04TC-S模塊是運(yùn)行與DVP10MC右側(cè)的溫度控制模塊，具有專用的PID溫度自動調(diào)整功能，可以實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自動計(jì)算，控制溫度精度達(dá)到±1度。

       當(dāng)PID指令的動作方向功能選擇為K3或K4 時，其中PID指令內(nèi)部使用的運(yùn)算公式是

其中偏差量固定為：E (t) = SV ? PV

       由于此功能是專為溫度控制而設(shè)計(jì)的功能，因此當(dāng)取樣時間(Ts)設(shè)置為4秒(K400)時，則表示輸出值(MV)的輸出范圍為K0~K4，000之間，并且搭配的GPWM指令的周期時間設(shè)置值也需設(shè)為4秒(K4，000)。

圖10 PID指令的動作方向?yàn)?K3~K4 的控制方塊

       圖10中的1/KI及1/KP的符號分別表示除以KI及除以KP的功能，由于此控制方塊為溫度控制專用的PID指令，因此需搭配GPWM指令一起使用。

       當(dāng)使用者在控制溫度的環(huán)境下不知如何調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)時，可先選擇K3這項(xiàng)自動調(diào)整功能，等到指令內(nèi)部調(diào)整完畢后(功能選擇自動會設(shè)置為 K4)，使用者可再依控制結(jié)果修改成更佳的參數(shù)。

圖11 PID控制程序

7 結(jié)束語

       經(jīng)過現(xiàn)場測試后，系統(tǒng)最大速度可以穩(wěn)定達(dá)到70包/分鐘，這套設(shè)備成功開發(fā)標(biāo)志著包裝機(jī)設(shè)備已經(jīng)從簡單的半機(jī)械化雙變頻升級到全伺服系統(tǒng)。

       全自動包裝機(jī)采用臺達(dá)總線型運(yùn)動控制器，該產(chǎn)品良好的兼容性以及優(yōu)異的性能使控制變得簡易、高效和穩(wěn)定。電氣結(jié)構(gòu)簡單和高穩(wěn)定性為用戶創(chuàng)造了價值。

作者簡介

劉勝戌（1981-）男 工程部主管，任職于怡和包裝系統(tǒng)有限公司，主要從事自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。