摘  要：介紹臺達(dá)DVP-10MC運動控制器在臥式包裝機應(yīng)用中的控制工藝、伺服總線通訊、變頻通訊、以太網(wǎng)通訊、PID溫度控制、電子凸輪（CAM）等功能及程序?qū)崿F(xiàn)的要點。闡述臥式包裝機的工作原理、工藝要求及相關(guān)控制概要。

關(guān)鍵詞：運動控制器   電子凸輪(CAM)   伺服控制   PID

1 引言

      傳統(tǒng)的包裝機械多通過復(fù)雜的齒輪、聯(lián)桿傳動。存在機械加工復(fù)雜、精度要求高，安裝調(diào)試繁瑣，機構(gòu)耦合誤差大，生產(chǎn)周期長等的明顯缺點。其控制的速度和精度都受到一定條件的制約。

      針對傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的缺點，采用開放式的運動總線型DVP-10MC運動控制器，使用電子凸輪等先進工藝，保證整機的同步協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)精確、高速控制。DVP-10MC運動控制器在此方面表現(xiàn)了良好的性能。

2 系統(tǒng)工藝簡介

      臥式包裝機是物料充填與袋子成型沿水平方向進行，由于水平式制袋、充填和封口，各個工位均可以方便地進行調(diào)整，并可以針對不同的物料情況作許多復(fù)雜的配置變化。

圖1 臥式包裝機

圖2 工藝流程圖

      臥式包裝機的工藝為：從卷筒1拉出的包裝材料由導(dǎo)輥2導(dǎo)引，經(jīng)三角成型器3和U形桿4而折合成U形膜；光電檢測裝置5對包裝材料上印刷的色標(biāo)拉距進行檢測和送進控制，然后由制袋熱封裝置6對U型折合膜實施熱熔封接，封接兩側(cè)面完成制袋。牽引送進裝置7作間斷啟停旋轉(zhuǎn)運動將成袋及包裝材料牽引送進，每次送一個袋寬的距離，由切斷裝置8裁切成單個包裝袋，然后由袋夾送進裝置作夾持送進；在開袋口工位由開袋口裝置將袋口吸開，并往袋內(nèi)噴吹壓力空氣，使袋口擴開，并由夾持包裝袋的夾手保持張開的袋口，以使充填物料順利充填。當(dāng)袋子送到充填工位時，通過充填漏斗往包裝袋內(nèi)裝入物料，再在整形工位由整形裝置對袋中松散物料實施整形處理，使其袋形便于封口操作，且夾袋的夾手向外運動，使袋口處于平直閉合狀態(tài)，在封口工位完成袋口封接，得到的包裝產(chǎn)品從機器后端輸出。

3 方案介紹

      DVP10MC是臺達(dá)推出的一款總線型多軸運動控制器，專門用于控制臺達(dá)A2伺服驅(qū)動器。DVP10MC與A2伺服驅(qū)動器之間采用CANopen現(xiàn)場總線技術(shù)通訊，最高通訊速率達(dá)到1M bps。它除了能實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制以外，還可以實現(xiàn)PLC的邏輯控制，溫度控制。DVP10MC通訊接口豐富，提供有Ethernet、CAN (Motion Bus)、RS232、RS485及編碼器接口，同時具有與SV相同的左右擴展接口，共享SV所有擴展模塊，很適合包裝機械的多軸控制。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

      本系統(tǒng)中DVP10MC采用CANMotion控制6軸伺服裝置，實現(xiàn)多軸同步控制。兩臺變頻器通過左側(cè)的CANopen主站模塊控制，實現(xiàn)速度控制。HMI采用XBTGT系列觸摸屏，通過MODBUS/TCP協(xié)議與運動控制器通訊；現(xiàn)場溫度采用PID控制，溫度控制精確。

表1 系統(tǒng)配置

4 控制工藝

      夾手裝置由三個伺服電機驅(qū)動，完成袋子的移送，其電子凸輪曲線如下圖示：

圖4 夾手裝置凸輪曲線

制袋工位由一個伺服電機驅(qū)動，其凸輪曲線如圖5所示。

圖5 熱封裝置凸輪曲線

拉模裝置由兩個伺服電機驅(qū)動，其凸輪曲線如圖6所示。

圖6 拉膜裝置凸輪曲線

      主軸變頻器驅(qū)動的電機上帶一個編碼器，在正常運行時，其他軸根據(jù)自己所處的位置相應(yīng)做跟隨運動。放膜部分采用張力控制，使放膜輥在放膜過程中，均勻放膜。

      拉膜軸通過速度控制進給包裝膜，在每送一個袋子時，通過色標(biāo)作為前一次袋長檢測觸發(fā)信號，直接接入到運動控制器高速信號接口，然后通過外部編碼器讀取實際膜長，與存儲的標(biāo)準(zhǔn)長度進行比較，如果有偏差的話，就在下一包進行調(diào)整。

      拉膜的寬帶通過電子凸輪實現(xiàn)，可以保證到整機的速度一致性，但是凸輪的曲線不能在線修改，但可使用虛軸的功能：即使用MC-VirtualAxis指令構(gòu)建一個虛擬軸。虛軸是運動控制器內(nèi)部可以創(chuàng)建的一個假想軸，專門用于位移量疊加計算進行使用，由于是理想軸，所以不會出現(xiàn)任何偏差，并且可以自己定義任何軌跡。這里將虛軸和實軸的凸輪曲線用電子齒輪方式嚙合，做同步，運行過程中可以修改電子齒輪的齒輪比，即可達(dá)到在線調(diào)節(jié)凸輪曲線的目的。

      在停機時，拉膜裝置在完成本次拉送袋子后，立即停止。制袋裝置在拉膜裝置停止后，也立即停止，并且運動到安全位置，等待下次工作。再次運行前，制袋裝置需運行到同步的位置后，開始運行主機。

圖7 拉膜裝置曲線控制

5 系統(tǒng)通訊

5.1 變頻部分

       變頻器和運動控制器通訊時需要在CANopen Builder軟件中導(dǎo)入ATV312的EDS文件。

       DVPCOPM-SL模塊是運行于DVP10MC左側(cè)的CANopen主站模塊，當(dāng)DVP10MC通過DVPCOPM-SL模塊與CANopen網(wǎng)絡(luò)相連時，DVPCOPM-SL模塊負(fù)責(zé)運動控制器與總線上其它從站的數(shù)據(jù)交換接口。DVPCOPM-SL模塊既可以在總線中做主站，也可以通過設(shè)置使其在總線中做從站。模塊映像地址：輸入：D6000-D6226，輸出D6250-D6476。

       DVPCOPM-SL在設(shè)置地址時，只有在模塊斷電情況下設(shè)置才有效，完成設(shè)置后，再將模塊上電。如果接線與節(jié)點地址均設(shè)置正確，模塊上面的LED會顯示當(dāng)前站號地址，如果為紅色代碼閃爍，請檢查通訊速率不要太高，或選用標(biāo)準(zhǔn)的CAN電纜。

圖8 變頻總線圖

5.2 伺服部分

圖9 伺服總線圖

      伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置如下：

      P1-01=B（伺服驅(qū)動器設(shè)置為CANOpen模式）；

      P3-00=2（伺服驅(qū)動器的CANOpen站號設(shè)置為“2”）；

      P3-01=403（伺服驅(qū)動器在CANOpen中通訊速率設(shè)置為1Mbit/s）；

      P2-15=122（伺服驅(qū)動器的逆向極限開關(guān)設(shè)為常開）；

      P2-16=123（伺服驅(qū)動器的正向極限開關(guān)設(shè)為常開）；

      P2-17=121（伺服驅(qū)動器的急停開關(guān)設(shè)為常開）。

      其他伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置只有站號設(shè)置不同，設(shè)置完畢后伺服驅(qū)動器須重新上電。DVP10MC遵循CANopen（DSP402）協(xié)議，采用同步信號實現(xiàn)多軸同步，多軸系統(tǒng)支持十六個實軸，外加兩個虛軸。在網(wǎng)絡(luò)通訊方面，可支持DeviceNet主從站、CANopen主從站、Profibus-DP從站，可組建功能復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

5.3 以太網(wǎng)部分

      DVP10MC11T提供一個以太網(wǎng)接口，此接口為運動控制模塊所有，支持ModbusTCP協(xié)議，PC端軟件CANopenBuilder通過此接口可用于下載CANopen運動控制網(wǎng)絡(luò)配置、運動程序、G代碼，監(jiān)控裝置等功能。DVP10MC11T在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中只能做從，同時可接受最多4個主站的訪問。此接口還支持自動跳線功能，當(dāng)與計算機或交換機連接時，不需要特別作跳線處理。接口上的LED可以顯示以太網(wǎng)當(dāng)前的連接狀態(tài)，方便用戶查詢。

      DVP10MC11T的以太網(wǎng)參數(shù)設(shè)置通過CANopenBuilder軟件設(shè)置。  DVP10MC11T支持的Modbus功能碼和對應(yīng)的地址元件如下表所示：

表2 Modbus功能碼

      施耐得XBTGT5330觸摸屏集成有以太網(wǎng)接口，支持ModbusTCP，故可以方面的連接。觸摸屏在驅(qū)動設(shè)置時，需要設(shè)置成低字節(jié)優(yōu)先。

6 溫度控制

      在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。本系統(tǒng)中有八通道溫度采用PID控制溫度，使用DVP04TC-S作為溫度數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過PLC程序中的專用溫度控制指令，用PLC輸出點控制固態(tài)繼電器動作，實現(xiàn)溫度的加熱控制。

      DVP04TC-S模塊是運行與DVP10MC右側(cè)的溫度控制模塊，具有專用的PID溫度自動調(diào)整功能，可以實現(xiàn)PID控制參數(shù)的自動計算，控制溫度精度達(dá)到±1度。

      當(dāng)PID指令的動作方向功能選擇為K3或K4 時，其中PID指令內(nèi)部使用的運算公式是

      其中偏差量固定為：E (t) = SV − PV

      由于此功能是專為溫度控制而設(shè)計的功能，因此當(dāng)取樣時間(Ts)設(shè)置為4秒(K400)時，則表示輸出值(MV)的輸出范圍為K0~K4，000之間，并且搭配的GPWM指令的周期時間設(shè)置值也需設(shè)為4秒(K4，000)。

圖10 PID指令的動作方向為 K3~K4 的控制方塊

     圖10中的1/KI及1/KP的符號分別表示除以KI及除以KP的功能，由于此控制方塊為溫度控制專用的PID指令，因此需搭配GPWM指令一起使用。

     當(dāng)使用者在控制溫度的環(huán)境下不知如何調(diào)整各項參數(shù)時，可先選擇K3這項自動調(diào)整功能，等到指令內(nèi)部調(diào)整完畢后(功能選擇自動會設(shè)置為 K4)，使用者可再依控制結(jié)果修改成更佳的參數(shù)。

圖11 PID控制程序

7 結(jié)束語

     經(jīng)過現(xiàn)場測試后，系統(tǒng)最大速度可以穩(wěn)定達(dá)到70包/分鐘，這套設(shè)備成功開發(fā)標(biāo)志著包裝機設(shè)備已經(jīng)從簡單的半機械化雙變頻升級到全伺服系統(tǒng)。

     全自動包裝機采用臺達(dá)總線型運動控制器，該產(chǎn)品良好的兼容性以及優(yōu)異的性能使控制變得簡易、高效和穩(wěn)定。電氣結(jié)構(gòu)簡單和高穩(wěn)定性為用戶創(chuàng)造了價值。