1 項(xiàng)目簡介

目前我國對國內(nèi)包裝設(shè)備制造業(yè)提出了提高高科技和裝備水平的要求，重點(diǎn)在效率高、速度快、加工精度高、自動化程度高的先進(jìn)設(shè)備的研制技術(shù)，制袋機(jī)設(shè)備應(yīng)用關(guān)系到食品、化工、醫(yī)藥、工業(yè)等眾多國計(jì)民生的重大產(chǎn)業(yè)，在滿足我們食用物資供應(yīng)的背后，是龐大的制袋機(jī)市場。本文根據(jù)制袋機(jī)的工藝要求和控制性能指標(biāo)要求，開發(fā)了通過PROFINET總線通信協(xié)議的制袋機(jī)控制系統(tǒng)，以提高制袋機(jī)的自動化水平、工作的穩(wěn)定性和可靠性，并解決了目前制袋機(jī)的制袋定位不準(zhǔn)、加工效率不高、加工過程中亂刀和切不斷等問題。

2 控制系統(tǒng)配置

制袋機(jī)主要由上料機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)、變頻傳動機(jī)構(gòu)、封口機(jī)構(gòu)、伺服牽引傳動機(jī)構(gòu)、色標(biāo)檢測機(jī)構(gòu)、切斷機(jī)構(gòu)等單元構(gòu)成，如圖1所示。其中核心控制單元伺服牽引傳動機(jī)構(gòu)由SINAMICS V90 PN伺服驅(qū)動器作為控制器，該機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)過程中控制袋長的精度，并且配合切斷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制袋的牽引以及切斷功能。

圖1 制袋機(jī)的外觀圖

SINAMICS V90 PN伺服驅(qū)動器作為伺服牽引傳動機(jī)構(gòu)執(zhí)行單元的控制器，與上位機(jī)S7-1500CPU通過PROFINET總線通信構(gòu)成IRT等時同步通信，通過報文的控制字和狀態(tài)字，接收上位機(jī)S7-1500CPU通過PROFINET總線通信發(fā)送來的起動、回零、停止指令，同時SINAMICS V90 PN也通過PROFINET總線通信把當(dāng)前的伺服牽引軸的位置反饋給上位機(jī)S7-1500CPU，上位機(jī)根據(jù)設(shè)定的袋長以及色標(biāo)傳感器的信號完成制袋的切斷?？刂瓶驁D，如圖2所示。

圖2 牽引與切斷裝置

3 控制系統(tǒng)完成的功能

該制袋機(jī)根據(jù)制袋材料的不同有兩種制袋運(yùn)行模式，固定長度切斷制袋運(yùn)行模式和色標(biāo)檢測切斷制袋運(yùn)行模式。工作流程如圖3所示。

3.1 回零功能

開機(jī)后上位機(jī)直接把當(dāng)前位置標(biāo)記為零點(diǎn)，以當(dāng)前位置為參考點(diǎn)直接根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的袋子的長度值運(yùn)行，當(dāng)切斷機(jī)構(gòu)完成了袋長的切斷后，上位機(jī)會接收到來自切斷機(jī)構(gòu)發(fā)出的一個數(shù)字量DI同步信號，讓上位機(jī)重新把當(dāng)前位置標(biāo)記為零點(diǎn)，這樣繼續(xù)執(zhí)行下一次回零操作，然后重復(fù)進(jìn)行切割。

3.2 固定長度運(yùn)行模式

對于一些純色或者透明的包裝袋，一般采用固定長度運(yùn)行模式,該運(yùn)行模式正如上述工藝流程圖3（a）所示，它會忽略色標(biāo)信號，當(dāng)上位機(jī)把當(dāng)前位置標(biāo)記為零點(diǎn)后，根據(jù)設(shè)定的袋子的長度值通過PROFINET總線將位置指令發(fā)送給SINAMICSV90PN伺服驅(qū)動器執(zhí)行制袋的牽引動作，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定長度后，切斷機(jī)構(gòu)完成袋子的切斷動作并計(jì)袋數(shù)，然后循環(huán)上述動作直至袋數(shù)達(dá)到設(shè)定值后停機(jī)。

（a）固定長度切斷運(yùn)行模式                                      （b）色標(biāo)檢測切斷運(yùn)行模式

圖3 制袋機(jī)制袋工藝流程

3.3 色標(biāo)檢測運(yùn)行模式

對于一些帶色標(biāo)的包裝袋，會采用色標(biāo)檢測運(yùn)行模式，這樣可以使得切割后袋子的長度精度更高。該模式正如上述工藝流程圖3(b)所示，開始時上位機(jī)會把當(dāng)前位置標(biāo)記為零點(diǎn)，然后按照一個指定的袋子長度進(jìn)行運(yùn)行，當(dāng)色標(biāo)傳感器檢測到袋子上的色標(biāo)信號后，會把該色標(biāo)信號同步給上位機(jī)執(zhí)行硬件中斷使上位機(jī)發(fā)送停車指令，SINAMICSV90PN伺服驅(qū)動器接收到停車指令后，快速響應(yīng)完成定位停止動作，切斷機(jī)構(gòu)完成袋子的切斷動作并計(jì)袋數(shù)，然后循環(huán)上述動作直至袋數(shù)達(dá)到設(shè)定值后停機(jī)。

3.4 伺服優(yōu)化功能

由于該制袋設(shè)備要求具有效率高，紙袋長度誤差小的特點(diǎn)，所以需要SINAMICSV90PN伺服驅(qū)動器具有快速響應(yīng)，定位精度高的性能。在該應(yīng)用中采用了SINAMICSV90PN伺服驅(qū)動器先進(jìn)的自動優(yōu)化功能，在調(diào)試的過程中，打開一鍵優(yōu)化的功能，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)置對應(yīng)的動態(tài)系數(shù)，并激活一鍵優(yōu)化里面的速度前饋和扭矩前饋功能，如圖4所示，電機(jī)會快速來回旋轉(zhuǎn)識別出慣量比，對速度環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，給出符合應(yīng)用要求的動態(tài)參數(shù)。

圖4 一鍵優(yōu)化功能激活的選項(xiàng)

4 應(yīng)用情況

本文所述的整個系統(tǒng)采用了西門子全套解決方案，節(jié)省了調(diào)試時間，具有后期維修成本低等特點(diǎn)。該自動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合制袋機(jī)生產(chǎn)過程的上紙、控溫、折邊、輸送、剪切、計(jì)數(shù)等各環(huán)節(jié)的自動化。尤其是采用了SINAMICSV90PN伺服驅(qū)動器和西門子1FL6高分辨率的單圈絕對值編碼器（分辨率21位）的電機(jī)后，解決了以前該設(shè)備定位不準(zhǔn)、過沖、紙袋長度誤差大的現(xiàn)象，現(xiàn)在主機(jī)速度（袋速）在1~30m/min范圍內(nèi)能夠確保制袋在加速、減速過程中穩(wěn)定可靠。