摘 要：在深入分析套标机自动化系统的基础上，给出基于台达机电自动化平台的套标机电一体化系统设计。对于电控系统套标精度等关键性能技术评估有全面细致的讨论。
关键字：套标机 抓色标 PLC 伺服
1 引言
套标机的用途是给瓶装商品套装彩印商标薄膜。典型的套标瓶装商品是快速消费品，例如瓶装饮料、化妆品、药品、保健品等。根据套标速度的不同，套标机可以分为以下几种：100-150瓶/分、150-250瓶/分、300-400瓶/分、400-600瓶/分、600-800瓶/分。目前市场数量最大的集中在100-400瓶/分的设备上，大于400瓶/分的设备属于高速套标，虽然目前市场份额不大，但由于行业内的竞争日益激烈，使得各厂家都在积极研发自己的高速套标机，速度最高达到800瓶/分，已接近机械系统的运行极限。
2 高速套标机电控系统分析
2.1 套标机控制
套标机控制的难点在于考验PLC及伺服的响应性，生产效率越高，对于PLC发脉冲的频宽和伺服的动态响应性及频宽要求越高。因此在选用DELTA品牌时，PLC的主机选择性能较高的DVP40EH00T2系列主机，也可选择DVP28SV11T。这两款主机是台达2007年推出的小型PLC中性能最高的。分别有4组200KHz的高速脉冲输出通道及4组200KHz的高速脉冲输入通道，同时基本指令的执行时间明显优于业内同档次的PLC。
2.2 伺服的频宽及动态响应性
有了性能较高的控制器，接下来要考验则是伺服的频宽及动态响应性。台达A系列伺服的响应频宽为450Hz。在要求生产效率为200-300瓶的范围内有一定的余量。基于以上两点，硬件是完全能够满足效率的要求。但如果生产效率要求在400-600瓶/分或600-800瓶/分的高速套标时，对于PLC及伺服的要求都会非常高。伺服的频宽450Hz是难以完成如此高的响应性的，而对于PLC则针对脉冲的平滑处理要求则更加高，需要将最高运行频率与最低运行频率之间的减速曲线做的比较平滑，还要满足加减速的快速性。针对这样的要求，DVP40EH00T2新增了DPTPO的填表式发脉冲，加减速一共60段。在效率为200-300瓶/分的速度时，可以满足要求；在400-600瓶/分，600-800瓶/分60段的加减速还是不够，应该考虑能够将分段在细一些或加减速的段数可以认为在特殊寄存器中自己定义。如果能够做到这一点，对于高速套标，我们的PLC是非常有优势的。突显非常高的性价比。
2.3抓色标
控制上的难点在于抓色标。所谓抓色标即PLC接到色标传感器的信号后，能够非常快速的响应，并立即控制伺服停下来。一方面是考验PLC在执行中断时的快速性，同时也在考验PLC在相同的频率下发脉冲，中断一来，能否稳定、一致、快速的禁止发脉冲。如果PLC不能保证中断执行的快速性、一致性，稳定的将脉冲禁止，则会出现长短标的现象。这对于客户是不能够接受的。同时在高速发脉冲的时候，由于标长比较短，意味着一个完整的标长对应的脉冲当量比较小。如果对于发脉冲不做加减速的处理，当检测到色标时，伺服运行在高速状态，PLC此时发脉冲的频率非常高，则会造成伺服的过冲。切出来的标签会长于一个正常的标长。因此对于PLC发脉冲加减速的处理是非常关键的。即要平滑的加减速又要以较高的频率运行，以满足生产的高效性。这一点对于控制和PLC而言都是有一定的难度。因此如下图所示的曲线是比较合理的。
加速段采用0-π/2的正弦曲线，等分20段进行，每个PLC扫描周期角度增加1/20度；减速采用余弦0-π/2，等分40段，每個掃描周期角度綫小1/40度。如何处理好平滑的加减速的同时保证生产的高效性是做好套标机的关键！对PLC的考验也在于此。目前使用DVP28SV或EH2的主機在穩定狀態下能夠做到300-400瓶/分，效率再高已經比較困難，一方面對於發脈衝指令的平滑有更高的要求，另一方面對於伺服的頻寬也有更高的要求。當然如果在不計成本的條件下，使用DVP20PM與A2的伺服相信效率會有所提高
3 高速套标机电控系统设计
高速套标机生产效率大幅度提高，对控制系统的要求也非常得高。首先对于PLC不仅要求高频宽的脉冲处理能力、脉冲指令的平滑处理能力、中断的响应能力等有很高的要求，同时对于伺服的响应频宽、瞬时的启停的高响应性都有非常高的要求。目前在小型通用PLC中，台达SV/EH2系列提供填表式的发脉冲功能，加减速一共60段，能够实现200-300瓶/分的速度。基于SV/EH2系列PLC的高速套标机控制系统结构如图1所示。基于台达机电产品的套标机硬件配置如表1所示。PLC输入输出定义如表2所示。PLC电控系统原理如图2所示。
图1 高速套标机控制系统
表1 硬件配置
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名称 |
型号 |
数量 |
备注 |
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人机界面 |
DOP-B07S200 |
1台 |
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可编程控制器 |
DVP40EH00T2 |
1台 |
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DVP08HN |
1台 |
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伺服
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ASD-A0421-AB |
2台 |
400W |
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ECMA-C30604ES |
2台 |
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编码器线 |
2根 |
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CN1插头及线 |
2根 |
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电机线/电源线 |
2根 |
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变频器 |
VFD-007S23A |
1台 |
料架 |
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VFD-004S23A |
3台 |
分瓶、带瓶、输送 | |
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电源 |
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1台 |
导轨安装、外观漂亮 |
表2 PLC输入输出定义
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PLC输入点定义 |
PLC输出点定义 | |
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X0---送标反馈 |
Y0---送标脉冲 |
Y13—输送 |
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X1---测速 |
Y1---送标方向 |
Y14—料架 |
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X2---送标报警 |
Y2---切标脉冲 |
Y15—刷下 |
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X3---送标电眼 |
Y3---切刀方向 |
Y16—毛刷 |
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X4---送标电眼 |
Y4---伺服ON |
Y17—机头上升 |
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X5---切刀原点 |
Y5---伺服异常复位 |
Y20—机头下降 |
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X6---切刀报警 |
Y6---风机 |
Y21—红色报警 |
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X7---螺杆急停 |
Y7---送标偏差清零 |
Y22—黄色报警 |
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X10—照瓶电眼 |
Y10—切刀偏差清零 |
Y23—绿色报警 |
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X11—料架光电 |
Y11—分瓶 |
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X12---急停 |
Y12—带瓶 |
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图2 套标机PLC电控原理
4 控制特色及指标
4.1同步通讯控制
分瓶、带瓶、输送、料架的同步通讯控制。取代了一般通过电位器的手动操作。当整机
运行速度发生变化时，必须通过人为的手动调节后，才能正常的生产，一方面增加了操作人员的工作量和难度，同时对于操作人员也有一定的要求。需要比较有经验的人员操作。当然使用同步控制器可以完成这样的功能。但通过通讯的方式做同步控制，能够帮助机械生产厂家节省一个同步控制器，降低了设备的成本。分瓶、带瓶、输送、料架的速度调整在自动运行的情况下，速度会跟随主速的变化而变化，达到同步。而在手动操作时，客户可以自己人为的在触摸屏上单独设定不同的速度。非常的人性化而且操作简便。其中同步控制方面，可以选择输送作为主动力，分瓶、带瓶作为从动部分，因此速度同步关系可以通过如下公式进行计算：V2=K1V1（K1为同步比例系数、V1为输送的速度、V2为分瓶的速度），以此类推：带瓶的速度V3=K2V1（K2为同步比例系数、V1为输送的速度、V3为带瓶的速度）
4.2 高精度自动对标
针对原来对标时，还需要通过人为的调整色标传感器的位置，以达到切标能切到透明段，操作起来比较麻烦。因此在设计时充分考虑到这样的要求，通过巧妙的程序设计，实现了低速时自动对标的功能。一旦操作完成，即使速度发生改变，只要在允许的范围内变化（通常满足设备的最高运行速度），无需在人为的调整色标传感器的位置。方便、简化了调机的操作。启动前自动以低速运行，开中断禁止发脉冲，达到自动对标的功能。速度在300-400瓶/分时，能将对标精度控制在0.5-1mm。
4.3 系统整体性能
当袋长、速度设定完毕，通过循环指令，将转化后的脉冲当量和运行速度按照加速20段、减速40段自动填充到指定的寄存器中。高清晰度、高可靠性的宽屏人机界面，同时为了延长其使用寿命，这款触摸屏还支持USB的鼠标操作，支持U盘的存储、支持以太网、打印以及播放MP3、MP4的强大功能，给设备增添卖点。完善的报警操作，可以方便的记录发生报警时的日期、时间与详细的报警信息。并且方便的进行查询。密码保护，人机、PLC的密码保护双层操作。并且可以根据客户的需求增加是否需要定时停机的功能，方便客户收款等操作，安全可靠。
5 结束语
通过程序的巧妙处理，高速套标系统即使在最高速度仍然运转的非常平滑。不仅价格优势显著，同时整套配置自动化程度以及运行的效果和精度也完全满足客户的要求，具有非常高的性价比。
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