摘要：餅干疊層機(jī)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(duì)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(jī)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(jī)自從1926年問(wèn)世以來(lái)，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(diǎn)和面包制作中，也有著重要的作用。

    在現(xiàn)代自動(dòng)疊層機(jī)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(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，往返式壓面機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)為在一個(gè)平臺(tái)中央放置一對(duì)具有正反功能的輥筒，面團(tuán)經(jīng)過(guò)輥筒輥壓后被拉出，經(jīng)手工折疊后，反向運(yùn)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(dòng)式疊層機(jī)也得以長(zhǎng)足發(fā)展。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    疊層機(jī)，用于切割和疊加多層面皮，用于制造餅干，本項(xiàng)目要保證送面皮的小車位置控制準(zhǔn)確，撒酥電機(jī)同步小車速度撒酥，切刀電機(jī)切等長(zhǎng)度的面皮。控制系統(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(guò)DP與S7315-2DPCPU通訊，來(lái)控制三個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)在S120和PLC中配置的西門子ProfiDrive報(bào)文，對(duì)三個(gè)電機(jī)分別進(jìn)行位置控制和速度控制，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

    SINAMICS是西門子公司新一代驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計(jì)，各模塊間如電源模塊，電機(jī)模塊，編碼器模塊等，通過(guò)高速驅(qū)動(dòng)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(gè)矢量軸和6個(gè)伺服軸。自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3疊層機(jī)工藝說(shuō)明

    疊層機(jī)是生產(chǎn)蘇打餅干的必需設(shè)備，通過(guò)對(duì)面團(tuán)壓片后夾酥并疊層，將疊好的面皮輸送至成型主機(jī)生產(chǎn)。經(jīng)疊層機(jī)生產(chǎn)的餅干，具有層次分明，口感酥脆等特點(diǎn)。往復(fù)式疊層機(jī)疊面皮的速度快、層數(shù)多，疊出來(lái)的面皮整齊，面皮的寬度方便可調(diào)，操作簡(jiǎn)單方便。撒酥機(jī)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(jī)的運(yùn)行原理如下圖所示：

    面皮從坡道上下來(lái)，通過(guò)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(dòng)面皮向前運(yùn)行。面皮在下方向前移動(dòng)時(shí)，撒酥電機(jī)同時(shí)開(kāi)始運(yùn)行，將酥均勻撒在面皮上，當(dāng)面皮長(zhǎng)度達(dá)到要求長(zhǎng)度時(shí)，切刀電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，在面皮移動(dòng)過(guò)程中將面皮切斷。通過(guò)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)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(guò)GSD文件，使系統(tǒng)中不必安裝S120的編程軟件，就可以實(shí)現(xiàn)S120的硬件配置，大大簡(jiǎn)化的PLC系統(tǒng)中的工作，并且增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。S120包含多種DP報(bào)文，此項(xiàng)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(bào)文。

    同時(shí)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(gè)內(nèi)容：

?點(diǎn)動(dòng)(Jog)：用于手動(dòng)方式移動(dòng)軸，通過(guò)按鈕使軸運(yùn)行至目標(biāo)點(diǎn)。

?回零(Homing/Reference)：用于定義軸的參考點(diǎn)或運(yùn)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(gè)程序步，可自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行一個(gè)完整的程序，也可單步執(zhí)行。

?直接設(shè)定值輸入/手動(dòng)設(shè)定值輸入(DirectSetpointInput/MDI)：目標(biāo)位置及運(yùn)行速度可由上位機(jī)實(shí)時(shí)控制。

    在本項(xiàng)目中，利用S120基本定位功能中的MDI（手動(dòng)設(shè)定值輸入）功能，可以輕松地通過(guò)外部系統(tǒng)來(lái)實(shí)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(guò)參數(shù)P2653參數(shù)來(lái)在線切換這兩種工作模式。P2653為0時(shí)，為速度模式；P2653為1時(shí)，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(yùn)行，不考慮軸的實(shí)際位置。位置模式是指軸按照設(shè)定的位置、速度、加/減速運(yùn)行。位置模式又可分為絕對(duì)位置（P2648=1）和相對(duì)位置（P2648=0）兩種方式，在本項(xiàng)目中，當(dāng)切換到自動(dòng)控制時(shí)，使用MDI的相對(duì)位置模式，當(dāng)切換在手動(dòng)控制時(shí)，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?；亓愎δ苤挥性谑褂迷隽烤幋a器（旋轉(zhuǎn)編碼器、正/余弦編碼器或脈沖編碼器）時(shí)需要，因?yàn)槊看紊想姇r(shí)增量編碼器與軸的機(jī)械位置之間沒(méi)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(diǎn)位置。S120中回零有三種方式：

?直接設(shè)定參考點(diǎn)(SetReference):對(duì)任意編碼器均可。

?主動(dòng)回零(Referencepointapproach):主要指增量編碼器

?動(dòng)態(tài)回零(FlyingReference)：對(duì)任意編碼器均可。

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

    整個(gè)控制系統(tǒng)的程序由Step7軟件編寫，通過(guò)硬件配置中配置的報(bào)文，控制三臺(tái)伺服電機(jī)的運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)面皮切斷固定長(zhǎng)度是整個(gè)控制的難點(diǎn)，工藝要求在面皮運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)面皮進(jìn)行切斷，由于送面皮電機(jī)的運(yùn)行距離和速度都是不同的，所以切刀電機(jī)動(dòng)作的時(shí)機(jī)和速度也是變化的。這樣就增加了程序設(shè)計(jì)的難度。

    我們首先分析送面皮小車運(yùn)動(dòng)情況。在自動(dòng)模式下，小車使用相對(duì)位置模式，根據(jù)程序中設(shè)定的距離和速度，向前運(yùn)行固定的距離。因?yàn)榫嚯x和速度參數(shù)的影響，小車在指定速度下，運(yùn)行同樣距離時(shí)，可能會(huì)有兩種運(yùn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不一樣的，所以先計(jì)算出小車的運(yùn)行軌跡。計(jì)算出小車加速時(shí)間，勻速時(shí)間及開(kāi)始結(jié)束位置，減速時(shí)間。然后分析切刀的運(yùn)行軌跡。通過(guò)切刀切下時(shí)，小車處于何種狀態(tài)來(lái)分析。小車的位置是設(shè)定的面皮長(zhǎng)度，但是切刀何時(shí)切下，才能保證面皮長(zhǎng)度是程序要計(jì)算的。如下圖所示：

    通過(guò)切刀切時(shí)車的位置（設(shè)置），來(lái)和小車各個(gè)期間的位置來(lái)判斷切刀切下時(shí)，小車處于何種狀態(tài)。

?當(dāng)切刀在1時(shí)切，則小車在加速段期間切刀就完成了切面動(dòng)作。

?當(dāng)切刀在2時(shí)切，則在切刀切面動(dòng)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(gè)階段。

?當(dāng)切刀在3時(shí)切，則在切刀切面動(dòng)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(gè)階段。

    通過(guò)計(jì)算切刀切下時(shí)小車的位置，來(lái)計(jì)算出切刀切下時(shí)車的速度從而得出切刀切下時(shí)刀的速度。進(jìn)一步可以得到切刀的切面動(dòng)作時(shí)間。通過(guò)以上分析得出切刀啟動(dòng)時(shí)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(zhǎng)度。部分程序截圖如下圖所示：

5.結(jié)束語(yǔ)

    S120工程型變頻器具有模塊化設(shè)計(jì)，可以提供高性能的單軸和雙軸驅(qū)動(dòng)，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)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(shí)間快，并且定位功能由S120獨(dú)立完成，降低了控制系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和精確性，使機(jī)器可以在更高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)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(chǎng)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(hào)連線，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制。