牙膏封蓋機是一個機電一體化的產(chǎn)品,其核心是控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)方案基于DELTA(臺達)AE系列人機界面、 SS系列PLC、ASD-A伺服系統(tǒng)等產(chǎn)品的有機組合,借助其產(chǎn)品的數(shù)據(jù)通訊功能能夠很靈活地構(gòu)造控制方案,它相對于傳統(tǒng)的D/A模擬量控制具有可靠性更高,控制更精準(zhǔn)的優(yōu)點。以下重點討論各系統(tǒng)如何利用通訊功能以實現(xiàn)其間的數(shù)據(jù)交換和如何使伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和機械的扭矩限制相配,以實現(xiàn)在牙膏封蓋機上的牙膏封裝工藝要求。
牙膏封蓋機的工藝要求和機械結(jié)構(gòu)
牙膏封蓋機是牙膏包裝生產(chǎn)線上的關(guān)鍵性設(shè)備,主要用于牙膏灌裝后的封蓋動作,其工藝要求如下:(1)封裝速度能夠配合前端灌裝生產(chǎn)線的送料速度,實現(xiàn)封裝速度可以調(diào)節(jié);(2)能夠?qū)ρ栏嗟姆馍w扭力進行設(shè)定,并只有在封裝扭力達到設(shè)定值后才能繼續(xù)封裝,以保證牙膏蓋的封裝質(zhì)量;(3)能夠?qū)砹系南嚓P(guān)參數(shù)進行檢測,并實現(xiàn)自動送料。牙膏封蓋機的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1)PLC程序控制單元
程序控制單元采用DELTA SS系列小型PLC,其主要特點有:
(1)體積小巧,成本更低;
(2)14點主機設(shè)計,8點數(shù)字輸入和6點晶體管輸出;
(3)內(nèi)建RS232和RS485雙通訊端口,可以采用通訊方式讀取HMI設(shè)定數(shù)據(jù)。
PLC I/O點規(guī)劃如表1所示,PLC與HMI關(guān)聯(lián)M輔助繼電器定義如表2所示。
2)HMI監(jiān)控單元
HMI監(jiān)控單元的主要任務(wù)包括:
(1)模式功能的選擇(運行模式M3、監(jiān)控模式M2、參數(shù)模式M1);
(2)控制功能(運行M4、停止M5);
(3)監(jiān)控功能(PLC I/O狀態(tài)的讀取、伺服 I/O狀態(tài)的讀取、加工總數(shù)等信息);
(4)參數(shù)設(shè)定功能(封蓋伺服速度設(shè)定、封蓋伺服扭力設(shè)定)。
HMI監(jiān)控單元采用DELTA DOP-A 5.7’系列彩色人機界面,以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的操作、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置等功能,有以下主要特點:
(1)256色彩顯示,5.7’ 監(jiān)控界面;
(2)支持雙通訊聯(lián)機功能,可同時連接2種不同協(xié)議的控制器,方便架構(gòu)多機聯(lián)機網(wǎng)絡(luò);
(3)軟體內(nèi)建與臺達PLC和伺服通訊及內(nèi)部協(xié)議,可以方便編程,簡化設(shè)計;
(4)可以通過多級密碼設(shè)定功能來實現(xiàn)多用戶管理;
(5)內(nèi)建萬年歷功能。
HMI 支持雙通訊聯(lián)機功能,可同時連接2種不同協(xié)議的控制器。本案使用HMI的COM2與PLC進行RS485通訊,用以設(shè)定PLC 程序中的按鈕等元件,并可將PLC的運行狀態(tài)反饋在HMI上,此外還使用了HMI的COM1與SERVO進行RS232通訊,用以與伺服內(nèi)部寄存器交換數(shù)據(jù),架構(gòu)見可圖2。
該方案的優(yōu)點在于無需增加任何通訊模塊,其控制功能是在各控制單元硬體和軟體自身通訊功能的基礎(chǔ)上構(gòu)建實現(xiàn)的,因此可以使成本更低、應(yīng)用更方便、性能更穩(wěn)定。
HMI人機界面規(guī)劃如圖3所示。
圖3 人機界面規(guī)劃示意圖
表3和表4分別給出了各個要素的相關(guān)說明。
3)SERVO速度和扭力控制單元
SERVO單元的主要任務(wù)包括:
(1)對封蓋時電機速度的調(diào)節(jié);
(2)對封蓋時電機輸出最大扭力的調(diào)節(jié)和檢測。
SERVO單元采用DELTA ASD-A 系列100W伺服系統(tǒng),以實現(xiàn)對機械封蓋時速度控制和對封蓋時最大扭力進行限定。它有以下主要特點:除傳統(tǒng)的位置控制、速度控制和扭矩控制外,有PR通訊模式、內(nèi)部速度和內(nèi)部扭矩功能;內(nèi)建RS232/RS485/RS 422通訊端口,可以采用通訊方式快速獲取相關(guān)數(shù)據(jù);具有扭力限制功能,開啟該功能,能夠限制電機輸出的最大扭矩。伺服單元相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表5所示。
這里需要說明兩點。
(1)關(guān)于內(nèi)部速度模式的說明
伺服速度模式主要應(yīng)用于對機械速度精度要求比較高的場合。伺服單元有兩種命令的輸入模式,即外部模擬量輸入(即S速度模式)和內(nèi)部寄存器輸入(即SZ 內(nèi)部速度模式)。當(dāng)選擇SZ模式時,可以通過通訊的方式改變命令寄存器1-09(地址0109H)的內(nèi)容值,并且還可通過伺服外部的DI -SPD0輸入來切換命令,如表6所示,SZ模式下的時序圖如圖4所示。由上述可知,在內(nèi)部速度模式下,只要改變伺服內(nèi)部寄存器1-09的內(nèi)容值, 即可改變伺服電機執(zhí)行封蓋的速度。
(2)關(guān)于最大扭矩限制功能的說明
伺服扭矩限制功能通過伺服外部DI2 TRQLM開啟后,電機的最大輸出扭矩設(shè)定值=電機的額定輸出扭矩×P1-12的設(shè)定%,單位NM。100W的伺服系統(tǒng)額定扭矩為0.318N.M,當(dāng)P1-12設(shè)定為10時,電機最大輸出扭矩=0.318×10%=0.0318N.M。當(dāng)伺服扭矩限制功能開啟后,可由通訊方式改變命令寄存器1-12(地址010CH)的內(nèi)容值, 并可通過伺服外部的DI 輸入切換扭矩命令的來源。當(dāng)電機輸出扭矩達到設(shè)定的電機最大輸出扭矩后,電機會停止運轉(zhuǎn),并且以反作用力的形式保持,同時伺服單元的DO輸出TQL便會由OFF變?yōu)镺N,扭矩限制功能時序圖如圖5所示。
由上述討論可知,只要在開啟扭矩限制功能的前提下,改變伺服內(nèi)部寄存器1-12的內(nèi)容值,即可限制伺服電機輸出扭力的大小。
(3)其他輔助單元
其他輔助單元還包含給控制回路提供電源的DC24V開關(guān)電源,DC24V微型電磁閥,以及外部緊急停止按鈕等輔助電器元件。
工藝過程程序設(shè)計
牙膏封蓋機控制系統(tǒng)并不復(fù)雜,但是對工藝過程卻有嚴格要求。根據(jù)生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備對工藝過程各個環(huán)節(jié)對工藝的具體要求,經(jīng)過分析可以繪制出整個生產(chǎn)過程的程序動作流程圖,如圖6所示。按照該動作流程圖編制出各子模塊的相關(guān)程序并非難事,具體程序在此從略。
結(jié)束語
在上述基于臺達HMI+PLC+SERVO的牙膏封蓋控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例中,文中只對基本原理作了說明。借助臺達產(chǎn)品據(jù)通訊功能的優(yōu)勢,能夠很靈活地構(gòu)造各種控制方案,它相對于傳統(tǒng)的D/A模擬量控制具有可靠性更高、穩(wěn)定性更好、控制精度更高的優(yōu)點。
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