摘要：餅干疊層機是餅干生產(chǎn)設(shè)備中最重要的配置之一，其控制算法的準(zhǔn)確性和伺服系統(tǒng)的精確性，對餅干的質(zhì)量有著非常大的影響。本文詳細(xì)介紹了西門子SinamicsS120伺服控制系統(tǒng)在餅干疊層機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1引言

    作為餅干生產(chǎn)設(shè)備中最重要的配置之一，疊層機自從1926年問世以來，就一直受到廣泛的關(guān)注，它不僅被廣泛地應(yīng)用在餅干生產(chǎn)中，而且在糕點和面包制作中，也有著重要的作用。

    在現(xiàn)代自動疊層機出現(xiàn)之前，疊層均用手工方式進(jìn)行：即用搟面杖搟制面皮，反復(fù)折疊搟制而成。后來隨著技術(shù)發(fā)展，往返式壓面機開始出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)為在一個平臺中央放置一對具有正反功能的輥筒，面團(tuán)經(jīng)過輥筒輥壓后被拉出，經(jīng)手工折疊后，反向運轉(zhuǎn)輥筒，再次輥壓；反復(fù)多次操作后形成要求的面皮。為滿足食品工業(yè)化發(fā)展的需要，自動式疊層機也得以長足發(fā)展。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    疊層機，用于切割和疊加多層面皮，用于制造餅干，本項目要保證送面皮的小車位置控制準(zhǔn)確，撒酥電機同步小車速度撒酥，切刀電機切等長度的面皮?？刂葡到y(tǒng)采用了西門S7315-2DP加一套S120伺服控制系統(tǒng)，控制單元選CU320-2DP，通過DP與S7315-2DPCPU通訊，來控制三個電機的運動。通過在S120和PLC中配置的西門子ProfiDrive報文，對三個電機分別進(jìn)行位置控制和速度控制，從而實現(xiàn)相關(guān)功能。

    SINAMICS是西門子公司新一代驅(qū)動產(chǎn)品，SINAMICS中的SINAMICSS120是集成V/F控制，矢量控制，伺服控制為一體的多軸驅(qū)動系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計，各模塊間如電源模塊，電機模塊，編碼器模塊等，通過高速驅(qū)動接口DRIVE-CLIQ相互連接。SINAMICSS120的核心控制單元CU320集成了12路可設(shè)定的隔離數(shù)字量輸入和8路可設(shè)定的雙向非懸空數(shù)字量輸入/輸出，最多可以控制4個矢量軸和6個伺服軸。自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3疊層機工藝說明

    疊層機是生產(chǎn)蘇打餅干的必需設(shè)備，通過對面團(tuán)壓片后夾酥并疊層，將疊好的面皮輸送至成型主機生產(chǎn)。經(jīng)疊層機生產(chǎn)的餅干，具有層次分明，口感酥脆等特點。往復(fù)式疊層機疊面皮的速度快、層數(shù)多，疊出來的面皮整齊，面皮的寬度方便可調(diào)，操作簡單方便。撒酥機采用毛刷輥方式，撒酥效果更高。撒酥量和撒酥速度可調(diào)。疊層機的運行原理如下圖所示：

    面皮從坡道上下來，通過上方的帆布帶將面皮，鋪到下方的帆布帶上，由下小車帶和帆布帶帶動面皮向前運行。面皮在下方向前移動時，撒酥電機同時開始運行，將酥均勻撒在面皮上，當(dāng)面皮長度達(dá)到要求長度時，切刀電機開始運行，在面皮移動過程中將面皮切斷。通過多次往復(fù)運動實現(xiàn)面皮的多層疊加。

4系統(tǒng)配置及軟件編寫

    S120系統(tǒng)做為CPU315-2DP系統(tǒng)的從站，需要與PLC系統(tǒng)進(jìn)行ProfibusDP通訊，Step7編程軟件中必須安裝S120的GSD文件，才能在硬件中配置S120。通過GSD文件，使系統(tǒng)中不必安裝S120的編程軟件，就可以實現(xiàn)S120的硬件配置，大大簡化的PLC系統(tǒng)中的工作，并且增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。S120包含多種DP報文，此項目需用到S120的基本定位功能，所以將S120與DCS的通訊配置成111報文。

    同時在S120的配置中，需要激活基本定位功能。S120的基本定位功能主要包括下面幾個內(nèi)容：

    •點動(Jog)：用于手動方式移動軸，通過按鈕使軸運行至目標(biāo)點。

    •回零(Homing/Reference)：用于定義軸的參考點或運行中回零。

    •限位(Limits)：用于限制軸的速度、位置，包括軟限位、硬限位。

    •程序步(TraversingBlocks)：共64個程序步，可自動連續(xù)執(zhí)行一個完整的程序，也可單步執(zhí)行。

    •直接設(shè)定值輸入/手動設(shè)定值輸入(DirectSetpointInput/MDI)：目標(biāo)位置及運行速度可由上位機實時控制。

    在本項目中，利用S120基本定位功能中的MDI（手動設(shè)定值輸入）功能，可以輕松地通過外部系統(tǒng)來實現(xiàn)復(fù)雜的定位功能。MDI有兩種工作模式，速度模式和位置模式，可以通過參數(shù)P2653參數(shù)來在線切換這兩種工作模式。P2653為0時，為速度模式；P2653為1時，為位置模式。速度模式是指軸按照設(shè)定的速度及加、減速運行，不考慮軸的實際位置。位置模式是指軸按照設(shè)定的位置、速度、加/減速運行。位置模式又可分為絕對位置（P2648=1）和相對位置（P2648=0）兩種方式，在本項目中，當(dāng)切換到自動控制時，使用MDI的相對位置模式，當(dāng)切換在手動控制時，使用MDI的速度模式。

    只要使用到位置模式，則回零功能是必不可少的。S120的基本定位功能中包含了回零功能。回零功能只有在使用增量編碼器（旋轉(zhuǎn)編碼器、正/余弦編碼器或脈沖編碼器）時需要，因為每次上電時增量編碼器與軸的機械位置之間沒有任何確定的關(guān)系，因此軸都必須被移至預(yù)先定義好的零點位置。S120中回零有三種方式：

    •直接設(shè)定參考點(SetReference):對任意編碼器均可。

    •主動回零(Referencepointapproach):主要指增量編碼器

    •動態(tài)回零(FlyingReference)：對任意編碼器均可。

    直接設(shè)定參考點功能，是用戶通過程序可設(shè)置任意位置為坐標(biāo)原點。通常情況下只有當(dāng)系統(tǒng)即無接近開關(guān)又無編碼器的零脈沖時，或者當(dāng)需要軸被設(shè)置為一個不同的位置時才使用該方式。在本項目中，就是使用回零功能中的直接設(shè)定參數(shù)點功能。在疊層機的原點位置，安裝有一個感應(yīng)開關(guān)。在回原點的過程中，小車慢速后原點感應(yīng)開關(guān)靠近，當(dāng)小車到達(dá)原點感應(yīng)開關(guān)時，伺服電機立刻停止，同時將現(xiàn)在的位置設(shè)置零點。

    整個控制系統(tǒng)的程序由Step7軟件編寫，通過硬件配置中配置的報文，控制三臺伺服電機的運行。實現(xiàn)面皮切斷固定長度是整個控制的難點，工藝要求在面皮運行過程中，對面皮進(jìn)行切斷，由于送面皮電機的運行距離和速度都是不同的，所以切刀電機動作的時機和速度也是變化的。這樣就增加了程序設(shè)計的難度。

    我們首先分析送面皮小車運動情況。在自動模式下，小車使用相對位置模式，根據(jù)程序中設(shè)定的距離和速度，向前運行固定的距離。因為距離和速度參數(shù)的影響，小車在指定速度下，運行同樣距離時，可能會有兩種運行軌跡：加速-減速和加速-勻速-減速，如下圖所示：

    這兩種情況下，切刀的運動狀態(tài)是不一樣的，所以先計算出小車的運行軌跡。計算出小車加速時間，勻速時間及開始結(jié)束位置，減速時間。然后分析切刀的運行軌跡。通過切刀切下時，小車處于何種狀態(tài)來分析。小車的位置是設(shè)定的面皮長度，但是切刀何時切下，才能保證面皮長度是程序要計算的。如下圖所示：

    通過切刀切時車的位置（設(shè)置），來和小車各個期間的位置來判斷切刀切下時，小車處于何種狀態(tài)。

    Ø當(dāng)切刀在1時切，則小車在加速段期間切刀就完成了切面動作。

    Ø當(dāng)切刀在2時切，則在切刀切面動作期間小車可能一直處于勻速或者小車經(jīng)歷了加速和勻速兩個階段。

    Ø當(dāng)切刀在3時切，則在切刀切面動作期間小車可能一直處于減速或者小車經(jīng)歷了勻速和減速兩個階段。

    通過計算切刀切下時小車的位置，來計算出切刀切下時車的速度從而得出切刀切下時刀的速度。進(jìn)一步可以得到切刀的切面動作時間。通過以上分析得出切刀啟動時車的位置，又知道了切刀的速度，從而可以控制切刀準(zhǔn)確的將面皮切成設(shè)定的長度。部分程序截圖如下圖所示：

5.結(jié)束語

    S120工程型變頻器具有模塊化設(shè)計，可以提供高性能的單軸和雙軸驅(qū)動，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價值。S120支持“彈性”設(shè)備概念，可以靈活而快速地滿足用戶的特殊需求。S120系統(tǒng)自帶閉環(huán)位置控制功能，定位精度高，響應(yīng)時間快，并且定位功能由S120獨立完成，降低了控制系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，簡化了機械結(jié)構(gòu)。高動態(tài)響應(yīng)和精確性，使機器可以在更高的轉(zhuǎn)速下運行，從而提高生產(chǎn)能力。S120系統(tǒng)集成了Profibus-DP及Profinet等現(xiàn)場總線接口，使用伺服系統(tǒng)十分容易地集成到以S7PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)中去，減少了信號連線，實現(xiàn)全數(shù)字控制。