基于臺達PLC的制袋封切機控制系統

介紹了利用臺達可編程控制器（PLC）與交流伺服控制器針對FD1500型制袋封切機控制系統項目開發技術。項目人機界面選用臺達觸摸屏（HMI）提供友好的人機交流接口與合理的控制流程，以實現高效率、高精度的袋料剪切。本文分別就制袋機的工作原理，電氣設計，HMI、PLC選型及程序設計等幾方面進行闡述，該電氣系統的成功開發可以為使用臺達HMI、PLC與交流伺服電機相結合的機電一體化控制系統項目開發起到借鑒示教作用。
關鍵詞：制袋機 PLC HMI 伺服電機

1 引言

項目原型基于小型制袋封切機開發外銷出口型新機。原制袋寬度為600-1000mm。由于該機型送料膠輥慣量較小，送料電機采用130步進電機經過減速可實現傳動，使用單片機進行位置控制。新機型制袋寬度提高到1500mm，送料膠輥慣量大幅增加，考慮到既能滿足精度和速度的要求又有較大的瞬間轉矩，送料系統改用伺服電機。由于用PLC開發周期較短而且抗干擾性、靈活性好，所以采用PLC+HMI作為控制系統。同時可實現中英文操作畫面，滿足設備出口的要求。

2 封切機機工藝

2.1 工藝結構

封切機機由機身、上下切刀、變頻傳動機構、上下送料膠輥、伺服傳動機構、放料架、放料直流電機、可調色標檢測架、可移動操作箱、電控箱等單元構成，參見圖1圖片。

圖1 封切機機側視外觀圖

2.2 封切機工藝過程

（1）空白定位運行方式：忽略色標信號，送料長度為設置袋長，送料完成后剪切并計袋數，循環動作直至袋數達到設定值，停機并延時至設置時間，以等待收料設備或操作人員收集袋料后，再次啟動并循環工作。

（2）色標定位運行方式：送料長度為設置袋長，在此期間的色標信號忽略，繼續送出偏差長度的袋料，檢測色標信號，定位于色標信號，定位完成后剪切并計袋數，循環動作直至袋數達到設定值，停機并延時至設置時間，等待收料設備或操作人員收集袋料后，再次啟動并循環工作。若誤檢次數達到默認值，則停機并報警。

工作流程如圖2所示。

圖2 控制流程簡圖

3 FD1500型封切機機電系統設計

3.1 傳動系統設計

（1）切刀傳動系統。切刀傳動系統為交流變頻器拖動三相異步電機，由面板電位器調速，PLC控制切刀啟動與停止。傳動軸上安裝2只霍爾開關，分別檢測切刀低位和送料/切刀高位。開關1：切刀低位信號，該信號為送料停止信號。若送料時檢測到切刀低位信號則表示系統超速，需報警并停機。開關2：收到切刀低位信號后的首次ON信號為送料信號，是送料電機的啟動信號；第二次ON信號為切刀高位信號，是高位停機時的停機信號。

（2）送料傳動系統。送料傳動部分為交流伺服系統，采用同步帶1：2減速傳動。動力選用臺達中慣量2KW伺服電機。具體型號：驅動器ASD-A2023M，電機ASMT20M250。

(3)控制精度計算。通過以下計算得出單個脈沖對應的送料長度，即為控制精度。

系統要求0.2mm定位精度，現計算得出控制精度為0.0314mm，因機械定位誤差不大于0.1mm，所以：定位精度+機械誤差=0.1314mm<0.2mm，定位精度滿足制袋機系統要求。

（4）最高脈沖輸出頻率計算。用戶要求最高送料速度為180m/min，由此可計算得出系統所要求的脈沖輸出頻率，以此為PLC選型的重要依據。

3.2 PLC與HMI選型

（1）輸入信號統計。在色標傳感器檢標時，由于袋料上所印刷的色標不同，故亮通（Light On）、暗通(Dark On)均有可能。無論亮通或是暗通，在檢測到色標信號時都需要PLC作出中斷響應，所以需要把色標傳感器的Light On與Dark On都接入PLC。色標信號：2點；低位信號：1點；高位/送料信號：1點，共4點DI信號。

（2）輸出信號統計。脈沖輸出（Pulse+Sign）：2點（Y0，Y1）；切刀動作：1點；沖孔動作：1點；蜂鳴器：1點；共5點DO信號。

（3）其它功能。可輸出大于系統所要求頻率（95541pps）的脈沖；2點外部中斷回應。

基于以上考慮，PLC選擇DVP-20EH00T。具體功能參數為：200Kpps脈沖輸出，8點外部中斷回應。同時與HMI通信可使用RS485連接，抗干擾能力優于一般的RS232通信方式。HMI選用臺達DOP-A57GSTD高性價比觸摸屏，通過圖3可見觸摸屏操作更為直觀方便。大部分操作在HMI上進行，從而可減少外部按鈕開關、指示燈的使用，只保留急停按鈕等必要設備。

機電一體化封切機電系統原理如圖4所示。

圖3 新舊機型HMI操作面板對比

圖4 系統原理簡圖

3.3 PLC程序設計要點

主體程序使用邏輯順序控制，除此之外的編程重點如下：

（1）使用浮點運算。為減小計算誤差，如袋長脈沖數、偏差脈沖數等重要數據的計算，均使用浮點運算。經過驗證，計算誤差小于0.001mm。

（2）袋長脈沖送料使用DPLSR可調加減速脈沖輸出指令，反復修改并驗證啟動頻率與加減速時間設置的合理性。完成袋長脈沖之后，使能色標檢測，以忽略袋料中間部分的色標誤檢。檢測到色標時，響應外部中斷，執行中斷程序置位M1334以停止CH0脈沖輸出。可設置亮通（Light On）中斷或是暗通（Dark On）中斷。精簡中斷程序的內容，盡量減少中斷對掃描周期的影響。

4 結束語

FD1500型制袋封切機的性能雖已達到最初的設計目標(在袋長為1000mm時，制袋速度：60個/分)，但PLC脈沖輸出頻率尚有較大余量可用。使用標準100mm直徑膠輥時，可改變伺服電機電子齒輪比，在保證控制精度的前提下，更進一步加大PLC脈沖輸出頻率的余量。以上有利因素均為FD1500型制袋機提高加工速度奠定了良好的基礎。二次開發時，加大減速比至1：3，將突破伺服負載/電機轉子慣量比過大這一限速瓶頸，最終提高生產效率