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MKS HPS 941
歐姆龍
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(tǒng)的配置選型、軟件設計和實現(xiàn)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(wěn)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，準確套入容器的包裝機械，配合后熱收縮工序，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(yè)得到了迅速發(fā)展，快速消費品企業(yè)的生產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(fā)展。套標機作為后段包裝技術含量較高的設備之一，其優(yōu)良的高速穩(wěn)定性能，獨特的靈巧化設計，人機協(xié)和的安全模式，得到了廣大客戶的充分肯定。套標機的使用大大降低了套標環(huán)節(jié)的人力物力，現(xiàn)已廣泛應用于啤酒飲料、化工、醫(yī)藥等行業(yè)。
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。并如圖 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) 分瓶螺桿：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，以適用于各產能的速度匹配;
(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，切標完成后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。
硬件系統(tǒng)設計
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，定位皮帶電機和螺桿電機，供料電機的速度因為不經常調節(jié)，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(jié)螺桿和定位皮帶的速度。調節(jié)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(tǒng)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(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(tǒng)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(tǒng)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 向導，配置 HSC0，選擇工作模式 0，預設值為 80000，當前值為 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，同時啟動下標伺服。
4.3 USS 通訊
S7-200 SMART 自帶庫文件 USS 協(xié)議，只需調用 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
設置V20變頻器的連接宏為Cn010—USS控制，分別設置螺桿、皮帶、供料、輸送帶變頻器地址 P2011[0] 為 1、2、3、4。同時，設置應用宏為 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(shù)。
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