基于台达PLC的制袋封切机控制系统设计

   摘要：介绍了利用台达可编程控制器（PLC）与交流伺服控制器针对FD1500型制袋封切机控制系统项目开发技术。项目人机界面选用台达触摸屏（HMI）提供友好的人机交流接口与合理的控制流程，以实现高效率、高精度的袋料剪切。本文分别就制袋机的工作原理，电气设计，HMI、PLC选型及程序设计等几方面进行阐述，该电气系统的成功开发可以为使用台达HMI、PLC与交流伺服电机相结合的机电一体化控制系统项目开发起到借鉴示教作用。
    关键词：制袋机PLCHMI伺服电机
    1 引言
    项目原型基于小型制袋封切机开发外销出口型新机。原制袋宽度为600-1000mm。由于该机型送料胶辊惯量较小，送料电机采用130步进电机经过减速可实现传动，使用单片机进行位置控制。新机型制袋宽度提高到1500mm，送料胶辊惯量大幅增加，考虑到既能满足精度和速度的要求又有较大的瞬间转矩，送料系统改用伺服电机。由于用PLC开发周期较短而且抗干扰性、灵活性好，所以采用PLC+HMI作为控制系统。同时可实现中英文操作画面，满足设备出口的要求。
    2 封切机机工艺
    2.1工艺结构
    封切机机由机身、上下切刀、变频传动机构、上下送料胶辊、伺服传动机构、放料架、放料直流电机、可调色标检测架、可移动操作箱、电控箱等单元构成。
    2.2封切机工艺过程
    （1）空白定位运行方式：忽略色标信号，送料长度为设置袋长，送料完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，以等待收料设备或操作人员收集袋料后，再次启动并循环工作。
    （2）色标定位运行方式：送料长度为设置袋长，在此期间的色标信号忽略，继续送出偏差长度的袋料，检测色标信号，定位于色标信号，定位完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，等待收料设备或操作人员收集袋料后，再次启动并循环工作。若误检次数达到默认值，则停机并报警。
    工作流程如图1所示。     

图1控制流程简图
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    3 FD1500型封切机机电系统设计
    3.1传动系统设计
    （1）切刀传动系统。切刀传动系统为交流变频器拖动三相异步电机，由面板电位器调速，PLC控制切刀启动与停止。传动轴上安装2只霍尔开关，分别检测切刀低位和送料/切刀高位。开关1：切刀低位信号，该信号为送料停止信号。若送料时检测到切刀低位信号则表示系统超速，需报警并停机。开关2：收到切刀低位信号后的首次ON信号为送料信号，是送料电机的启动信号；第二次ON信号为切刀高位信号，是高位停机时的停机信号。
    （2）送料传动系统。送料传动部分为交流伺服系统，采用同步带1：2减速传动。动力选用台达中惯量2KW伺服电机。具体型号：驱动器ASD-A2023M，电机ASMT20M250。
    (3)控制精度计算。通过以下计算得出单个脉冲对应的送料长度，即为控制精度。      

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    系统要求0.2mm定位精度，现计算得出控制精度为0.0314mm，因机械定位误差不大于0.1mm，所以：定位精度+机械误差=0.1314mm<0.2mm，定位精度满足制袋机系统要求。
    （4）最高脉冲输出频率计算。用户要求最高送料速度为180m/min，由此可计算得出系统所要求的脉冲输出频率，以此为PLC选型的重要依据。     

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    3.2PLC与HMI选型
    （1）输入信号统计。在色标传感器检标时，由于袋料上所印刷的色标不同，故亮通（LightOn）、暗通(DarkOn)均有可能。无论亮通或是暗通，在检测到色标信号时都需要PLC作出中断响应，所以需要把色标传感器的LightOn与DarkOn都接入PLC。色标信号：2点；低位信号：1点；高位/送料信号：1点，共4点DI信号。
    （2）输出信号统计。脉冲输出（Pulse+Sign）：2点（Y0，Y1）；切刀动作：1点；冲孔动作：1点；蜂鸣器：1点；共5点DO信号。
    （3）其它功能。可输出大于系统所要求频率（95541pps）的脉冲；2点外部中断回应。
    基于以上考虑，PLC选择DVP-20EH00T。具体功能参数为：200Kpps脉冲输出，8点外部中断回应。同时与HMI通信可使用RS485连接，抗干扰能力优于一般的RS232通信方式。HMI选用台达DOP-A57GSTD高性价比触摸屏，通过图3可见触摸屏操作更为直观方便。大部分操作在HMI上进行，从而可减少外部按钮开关、指示灯的使用，只保留急停按钮等必要设备。
    机电一体化封切机电系统原理如图2所示。     

图2新旧机型HMI操作面板对比
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    3.3PLC程序设计要点
    主体程序使用逻辑顺序控制，除此之外的编程重点如下：
    （1）使用浮点运算。为减小计算误差，如袋长脉冲数、偏差脉冲数等重要数据的计算，均使用浮点运算。经过验证，计算误差小于0.001mm。
    （2）袋长脉冲送料使用DPLSR可调加减速脉冲输出指令，反复修改并验证启动频率与加减速时间设置的合理性。完成袋长脉冲之后，使能色标检测，以忽略袋料中间部分的色标误检。检测到色标时，响应外部中断，执行中断程序置位M1334以停止CH0脉冲输出。可设置亮通（LightOn）中断或是暗通（DarkOn）中断。精简中断程序的内容，尽量减少中断对扫描周期的影响。
    4 结束语
    FD1500型制袋封切机的性能虽已达到最初的设计目标(在袋长为1000mm时，制袋速度：60个/分)，但PLC脉冲输出频率尚有较大余量可用。使用标准100mm直径胶辊时，可改变伺服电机电子齿轮比，在保证控制精度的前提下，更进一步加大PLC脉冲输出频率的余量。以上有利因素均为FD1500型制袋机提高加工速度奠定了良好的基础。二次开发时，加大减速比至1：3，将突破伺服负载/电机转子惯量比过大这一限速瓶颈，最终提高生产效率。