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本文介紹了西門子 S7-200 SMART PLC、SMART LINE 觸摸屏以及 SINAMICS V20 變頻器在套標機上的應用,闡述了設備工藝流程、控制系統的配置選型、軟件設計和實現的功能。經測試,該方案能完全滿足高速套標機的各項技術要求,運行穩定,性能良好。
關鍵詞:S7-200 SMART SMART LINE SINAMICS V20 套標機
1 引言
套標機是一種將熱縮塑膠商標桶卷自動切斷,準確套入容器的包裝機械,配合后熱收縮工序,將標簽完好地固定于容器適當位置。
上世紀 90 年代以來,我國的快速消費品包裝工業得到了迅速發展,快速消費品企業的生產集中度和自動化程度在不斷提高,包裝設備在向大型化、快速化、高效化、自動化方向發展。套標機作為后段包裝技術含量較高的設備之一,其優良的高速穩定性能,獨特的靈巧化設計,人機協和的安全模式,得到了廣大客戶的充分肯定。套標機的使用大大降低了套標環節的人力物力,現已廣泛應用于啤酒飲料、化工、醫藥等行業。
2 套標機工藝原理
2.1 套標機結構
從工藝功能的角度進行劃分,套標機的結構可分成以下 9 單元。并如圖 1 所示。
(1) 供料組:由變頻器帶動供料電機旋轉,用以傳送標簽膜料;
(2) 電眼架組:使用光纖電眼傳送信號,提供下標伺服做定尺寸輸送,電眼位置可高低調整;
(3) 驅動組:采用雙驅送料機構,由下標伺服電機驅動。用于固定中心柱和下標動力傳動;
(4) 刀盤組:采用同步輪機構,由伺服電機驅動,當進瓶光電 7 給出信號時,切刀電機帶動刀片旋轉一周將標簽切斷;
(5) 刷下組:采用同步調整機構,將刷下兩組傳送輪調整至中心柱下方與滾輪輕微接觸,待標簽通過時以較高轉速將標簽套入瓶子;
(6) 分瓶螺桿:將欲套標瓶做等距分開,進入帶瓶組,速度由變頻器控制,與輸送帶同步;
(7) 照瓶電眼:檢測是否有瓶子通過,當有瓶子經過時輸出訊號使切刀開始旋轉,左右位置可以調整;
(8) 輸送帶:使用變頻器調整輸送帶速度,以適用于各產能的速度匹配;
(9) 帶瓶組:采用兩側同步傳動,標簽高低與夾瓶定位各一只手輪調整,目的使瓶子輸送時不搖晃和控制套標簽高度,速度由變頻器控制,與輸送帶同步。
2.2 套標機工藝流程
當輸送帶上有瓶子經過照瓶電眼時,由伺服控制的切標電機會將標簽切斷,切標完成后下標伺服電機開始動作,等到光纖信號到來時停止送標,同時刷下料輪會將已經切斷的標簽刷下套入瓶子上,完成一次動作。具體工藝流程如圖 2 所示。
硬件系統設計
3.1 硬件系統分析
本系統需要兩路高速脈沖輸出,分別控制切刀和下料伺服;一路高速計數器,用于控制切刀停止的位置,切刀停止位置應不影響下標的動作,否則會造成堵標。
以往套標機的調速方式普遍采用電位器控制,用三個電位器分別控制輸送帶電機,定位皮帶電機和螺桿電機,供料電機的速度因為不經常調節,所以用變頻器本身自帶的電位器調速。每次輸送帶速度變更時,都需要重新調節螺桿和定位皮帶的速度。調節時主要依靠調試人員的技術經驗和不斷的放瓶測試,才能使其線速度基本同步。本項目中設備的 I/O 清單如表 1 所示。
3.2 硬件系統設計
在本項目的電控方案中,選用西門子 SMART 解決方案,包括 S7-200 SMART PLC、SMART LINE 觸摸屏和 SINAMICS V20 變頻器。根據上述 I/O 需求,總共 12DI/12DO,選用 CPU ST40(24DI/16DO) 即可滿足需求。 SINAMICS V20 變頻器通過 USS 協議與 PLC 進行通訊,不僅控制更加方便,也節省了 PLC 的 I/O 點。通過計算可將電機角速度轉化為輸送帶線速度。PLC 和觸摸屏通過以太網進行通訊,只需要在觸摸屏上輸入生產速度,其他電機將會自動進行線速度同步。該方案大大縮短調試時間,降低調試難度。硬件結構如圖 3 所示,主要硬件配置表如表 2 所示。
4 軟件系統設計
4.1 運動控制配置
S7-200 SMART 集成了三路 100kHz 的高速脈沖輸出,在本系統中切刀伺服占用 Q0.0,下標伺服占用 Q0.1。打開 Micro/WIN SMART 集成的運動控制向導,配置軸 1 和軸 2,選擇單向相對脈沖,最大速度 50K,最小速度 1K,加減速時間 30ms,然后生成子程序。
4.2 高速計數配置
S7-200 SMART 集成了 4 路高速計數器,在本系統中只使用了高速計數器 HSC0,用于接收切刀的脈沖輸出,占用輸入點 I0.0。打開 Micro/WIN SMART 集成的 HSC 向導,配置 HSC0,選擇工作模式 0,預設值為 80000,當前值為 0,計數方向向上,勾選 PV=CV 時中斷,步數 1,然后生成。當切刀伺服啟動后檢測到刀盤原點光電時,利用外部中斷快速更新高速計數器 HSC0 的當前值和目標值,目標值等于當前值加上偏置值。PV=CV 中斷時停止脈沖輸出,同時啟動下標伺服。
4.3 USS 通訊
S7-200 SMART 自帶庫文件 USS 協議,只需調用 USS 功能塊即可實現 PLC 與西門子變頻器的通訊。通過 USS_INIT 進行通訊參數初始化設置,包括與變頻器通訊的波特率,激活的變頻器個數,所占用的端口等,通信參數必須與變頻器設置的一致,否則無法通訊。每次通信參數的更改都需要重新執行此命令,本項目中的通訊參數固定,所以只上電執行一次。通過調用 USS_ CTRL 指令可以直接控制變頻器的啟動、停止以及頻率,每條 USS_CTRL 指令只能控制一臺變頻器。
4.4 SINAMICS V20 變頻器的配置
設置V20變頻器的連接宏為Cn010—USS控制,分別設置螺桿、皮帶、供料、輸送帶變頻器地址 P2011[0] 為 1、2、3、4。同時,設置應用宏為 AP030—傳送帶控制,SINAMICS V20 可自動配置適合傳送帶應用的控制參數。
Application-specific products 6556-PA0PMCDC CLUTCH/BRAKE PACKAGE-CONTROLNET
Operator Interface 2711P-K15C4D1 PV PLUS 1500, KEYPAD, ENET, DC PS, STD MEM
Operator Interface 2711E-NKSW1 REPLACEMENT RUN/PROGRAM SWITCH
Support 9305-RSVADFVCFRS SUPT RENEWAL CONTRACT FOR 9305RSVADFVCFR
Support 9324-RL0300FRR SUPT REINSTATEMENT CONTRACT FOR 9324RL0300FR
RSI Software Products 9324-RLD200ENE RSLOGIX 5000 MINI, ENU
RSI Software Products 9701-VWSTU1 RSVIEW STUDIO FOR ME TO ENTERPRISE SERIES UPGRADE
RSI Software Products 9371-EDESI1U4R UPGRADE: OUT-SUPT: RSWIRE DET IEC STD TO DES IEC
Motion Control MPG-B010-091S24 MOTOR,SERVO,GEAR RATIO 91,35NM,71RPM,SINGL,BRK
Silver Series 2711-K14C9 PV1400 COLOR KEY, RS232 (DH485) & RS232 PRINT
HE693STP100 One axis stepper positioning module for Series 90-30
IC670CHS102 I/O Base, Box Style, Hot Insertion
QPI-PBS-202 Communication Module for 7 inch/ 9 inch/ 10 inch & 12 inch: Profibus Slave/ with memor y retention/ CE
ST-7188 STXi Potential Distribution module module, 0VDC and 24VDC 4 points
20BC260A3AYNANC0 PowerFlex 700 AC Drive 20B
20F1ANC302AA0NNNNN PowerFlex 753 AC Packaged Drive
22B-B033F104 PowerFlex 40 7.5 kW (10 Hp) AC Drive
140DAO84010C Quantum 開關量AC輸出,16點,24-230VAC,隔離,4A/點,C
284D-FVD6P0Z-25-CR DeviceNet Variable Frequency Drive
E3F3-T81 5m 對射式,暗通,PNP晶體管輸出100 mA,電源:10-30VDC 直徑18mm
ADAM-5056D 帶LED顯示的16ch數字量輸出模塊
PXI-2569
ROBO-8712VLA
PHILIPS HEALTHCARE SNGBP 459800079641
N2200-PAC-400W
NUPRO-A301 NuPRO-852
4036A H9MSER40XX
1492-MCBA180 80 A UL489 Miniature Circuit Breaker
1494V-DJ622-A-B-D NEMA Flange Mtd Rod Switch Disconnect Sw
軟啟動器 3RW44566BC35
CBL-3C-RD-20 Resolver cable for MTR-3S or MTR-3N series servo motors. 20 feet
GF-0800-2 Connecting FlashCable to GSE 6 pin Bendix.
IC200TBX564 Tool box, Micro 64, QuickPanel color touch screen and software. Includes (IC200UDR164) 24VDC In/Relay Out, AC Power Supply, (IC200UEM001) Ethernet option board, QuickPanel Display (IC754VSI06STD) with Proficy software, manuals and cables (BC646MBL0
IC646TBSPMSW002 Smart Process Monitoring SPC+ Web Clients 2 Pack
IC647NTS050 CIMPLICITY HMI Terminal Services 50 User Pack
IC693ALG220LT Analog Input, Voltage/Current, 4 Channels (LT)
IC752CGE101 SNP 485 cable for DataPanel 30/50
IC800VMM02LBKSE25 200 W VersaMotion servo motor with 24 VDC holding brake (0.64 Nm)
SLC/1746 System 1746-NO8V 8 CHANNEL ANALOG VOLTAGE OUTPUT FOR SLC 500
Industrial Computers 6189V-DIMM512 DIMM MEMORY 512MB
Application-specific products 1403-DMB DISPLAY UNIT FOR POWERMONITOR
Operator Interface 2711-K6C15 PV600 COLOR KEY, CNET & RS232 PRINT
Support 9301-2SE2500DER SUPT REINSTATEMENT CONTRACT FOR 93012SE2500DE
Support 9323-P1003ENS SUPT RENEWAL CONTRACT FOR 9323P1003EN
DeviceNet Products 1734-OW4 24V DC COIL N.O. DPST 4 RELAY MODULE
RSI Software Products 9301-2SE3103DEE RSVIEW32 RUNTIME 150 WITH RSLINX (GERMAN)
RSI Software Products 9358-BPC03ENE RSBIZWARE BATCH PC-BASED PHASES 03 UNITS
Motion Control MPL-B420P-RK22AA MOTOR,SERVO,4.74 NM,5000RPM,RSLVR,460V
Motion Control 2090-UXCK-D09 CONNECTOR KIT 9PIN D SUB SERIAL CN3
GFK-0828 Series 90-30 Diagnostic System User's Manual
IC646MDB075 Logic Developer 75 Tag Runtime & Development System
MSDIS-1201 Discontiuned, Marathon 12", HiBrite Display, Touch
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20BC022A0AYNAND0 PowerFlex 700 AC Drive 22 A at 11 kW 20B
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