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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(biāo)機上的應(yīng)用，闡述了設(shè)備工藝流程、控制系統(tǒng)的配置選型、軟件設(shè)計和實現(xiàn)的功能。經(jīng)測試，該方案能完全滿足高速套標(biāo)機的各項技術(shù)要求，運行穩(wěn)定，性能良好。
關(guān)鍵詞：S7-200 SMART SMART LINE SINAMICS V20 套標(biāo)機
1 引言
套標(biāo)機是一種將熱縮塑膠商標(biāo)桶卷自動切斷，準(zhǔn)確套入容器的包裝機械，配合后熱收縮工序，將標(biāo)簽完好地固定于容器適當(dāng)位置。
上世紀(jì) 90 年代以來，我國的快速消費品包裝工業(yè)得到了迅速發(fā)展，快速消費品企業(yè)的生產(chǎn)集中度和自動化程度在不斷提高，包裝設(shè)備在向大型化、快速化、高效化、自動化方向發(fā)展。套標(biāo)機作為后段包裝技術(shù)含量較高的設(shè)備之一，其優(yōu)良的高速穩(wěn)定性能，獨特的靈巧化設(shè)計，人機協(xié)和的安全模式，得到了廣大客戶的充分肯定。套標(biāo)機的使用大大降低了套標(biāo)環(huán)節(jié)的人力物力，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于啤酒飲料、化工、醫(yī)藥等行業(yè)。
2 套標(biāo)機工藝原理
2.1 套標(biāo)機結(jié)構(gòu)
從工藝功能的角度進行劃分，套標(biāo)機的結(jié)構(gòu)可分成以下 9 單元。并如圖 1 所示。
(1) 供料組：由變頻器帶動供料電機旋轉(zhuǎn)，用以傳送標(biāo)簽?zāi)ち?
(2) 電眼架組：使用光纖電眼傳送信號，提供下標(biāo)伺服做定尺寸輸送，電眼位置可高低調(diào)整;
(3) 驅(qū)動組：采用雙驅(qū)送料機構(gòu)，由下標(biāo)伺服電機驅(qū)動。用于固定中心柱和下標(biāo)動力傳動;
(4) 刀盤組：采用同步輪機構(gòu)，由伺服電機驅(qū)動，當(dāng)進瓶光電 7 給出信號時，切刀電機帶動刀片旋轉(zhuǎn)一周將標(biāo)簽切斷;
(5) 刷下組：采用同步調(diào)整機構(gòu)，將刷下兩組傳送輪調(diào)整至中心柱下方與滾輪輕微接觸，待標(biāo)簽通過時以較高轉(zhuǎn)速將標(biāo)簽套入瓶子;
(6) 分瓶螺桿：將欲套標(biāo)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(dāng)有瓶子經(jīng)過時輸出訊號使切刀開始旋轉(zhuǎn)，左右位置可以調(diào)整;
(8) 輸送帶：使用變頻器調(diào)整輸送帶速度，以適用于各產(chǎn)能的速度匹配;
(9) 帶瓶組：采用兩側(cè)同步傳動，標(biāo)簽高低與夾瓶定位各一只手輪調(diào)整，目的使瓶子輸送時不搖晃和控制套標(biāo)簽高度，速度由變頻器控制，與輸送帶同步。
2.2 套標(biāo)機工藝流程
當(dāng)輸送帶上有瓶子經(jīng)過照瓶電眼時，由伺服控制的切標(biāo)電機會將標(biāo)簽切斷，切標(biāo)完成后下標(biāo)伺服電機開始動作，等到光纖信號到來時停止送標(biāo)，同時刷下料輪會將已經(jīng)切斷的標(biāo)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。
硬件系統(tǒng)設(shè)計
3.1 硬件系統(tǒng)分析
本系統(tǒng)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(shù)器，用于控制切刀停止的位置，切刀停止位置應(yīng)不影響下標(biāo)的動作，否則會造成堵標(biāo)。
以往套標(biāo)機的調(diào)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，定位皮帶電機和螺桿電機，供料電機的速度因為不經(jīng)常調(diào)節(jié)，所以用變頻器本身自帶的電位器調(diào)速。每次輸送帶速度變更時，都需要重新調(diào)節(jié)螺桿和定位皮帶的速度。調(diào)節(jié)時主要依靠調(diào)試人員的技術(shù)經(jīng)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(shè)備的 I/O 清單如表 1 所示。
3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)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(jù)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(xié)議與 PLC 進行通訊，不僅控制更加方便，也節(jié)省了 PLC 的 I/O 點。通過計算可將電機角速度轉(zhuǎn)化為輸送帶線速度。PLC 和觸摸屏通過以太網(wǎng)進行通訊，只需要在觸摸屏上輸入生產(chǎn)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(diào)試時間，降低調(diào)試難度。硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，主要硬件配置表如表 2 所示。
4 軟件系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)中切刀伺服占用 Q0.0，下標(biāo)伺服占用 Q0.1。打開 Micro/WIN SMART 集成的運動控制向?qū)В渲幂S 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，然后生成子程序。
4.2 高速計數(shù)配置
S7-200 SMART 集成了 4 路高速計數(shù)器，在本系統(tǒng)中只使用了高速計數(shù)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?qū)?，配?HSC0，選擇工作模式 0，預(yù)設(shè)值為 80000，當(dāng)前值為 0，計數(shù)方向向上，勾選 PV=CV 時中斷，步數(shù) 1，然后生成。當(dāng)切刀伺服啟動后檢測到刀盤原點光電時，利用外部中斷快速更新高速計數(shù)器 HSC0 的當(dāng)前值和目標(biāo)值，目標(biāo)值等于當(dāng)前值加上偏置值。PV=CV 中斷時停止脈沖輸出，同時啟動下標(biāo)伺服。
4.3 USS 通訊
S7-200 SMART 自帶庫文件 USS 協(xié)議，只需調(diào)用 USS 功能塊即可實現(xiàn) PLC 與西門子變頻器的通訊。通過 USS_INIT 進行通訊參數(shù)初始化設(shè)置，包括與變頻器通訊的波特率，激活的變頻器個數(shù)，所占用的端口等，通信參數(shù)必須與變頻器設(shè)置的一致，否則無法通訊。每次通信參數(shù)的更改都需要重新執(zhí)行此命令，本項目中的通訊參數(shù)固定，所以只上電執(zhí)行一次。通過調(diào)用 USS_ CTRL 指令可以直接控制變頻器的啟動、停止以及頻率，每條 USS_CTRL 指令只能控制一臺變頻器。
4.4 SINAMICS V20 變頻器的配置
設(shè)置V20變頻器的連接宏為Cn010—USS控制，分別設(shè)置螺桿、皮帶、供料、輸送帶變頻器地址 P2011[0] 為 1、2、3、4。同時，設(shè)置應(yīng)用宏為 AP030—傳送帶控制，SINAMICS V20 可自動配置適合傳送帶應(yīng)用的控制參數(shù)。
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