牙膏封蓋機是一個機電一體化的產(chǎn)品，其核心是控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)方案基于Delta（臺達）AE系列人機界面、 SS系列PLC、ASD－A伺服系統(tǒng)等產(chǎn)品的有機組合，借助其產(chǎn)品的數(shù)據(jù)通訊功能能夠很靈活地構(gòu)造控制方案，它相對于傳統(tǒng)的D/A模擬量控制具有可靠性更高，控制更精準的優(yōu)點。以下重點討論各系統(tǒng)如何利用通訊功能以實現(xiàn)其間的數(shù)據(jù)交換和如何使伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和機械的扭矩限制相配，以實現(xiàn)在牙膏封蓋機上的牙膏封裝工藝要求。
牙膏封蓋機的工藝要求和機械結(jié)構(gòu)
牙膏封蓋機是牙膏包裝生產(chǎn)線上的關(guān)鍵性設(shè)備，主要用于牙膏灌裝后的封蓋動作，其工藝要求如下：（1）封裝速度能夠配合前端灌裝生產(chǎn)線的送料速度，實現(xiàn)封裝速度可以調(diào)節(jié)；（2）能夠?qū)ρ栏嗟姆馍w扭力進行設(shè)定，并只有在封裝扭力達到設(shè)定值后才能繼續(xù)封裝，以保證牙膏蓋的封裝質(zhì)量；（3）能夠?qū)砹系南嚓P(guān)參數(shù)進行檢測，并實現(xiàn)自動送料。牙膏封蓋機的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 牙膏封蓋機的機械結(jié)構(gòu)示意圖
控制系統(tǒng)的硬件配置和功能設(shè)計
通過對整個機械工藝特點和功能要求的分析，確定程序控制單元采用PLC實現(xiàn)，HMI人機界面作為監(jiān)控單元，選擇SERVO驅(qū)動單元作為速度和扭力控制單元，以滿足整個機械的電氣控制硬件要求，其電氣系統(tǒng)控制硬件架構(gòu)如圖2所示。
1）PLC程序控制單元
程序控制單元采用DELTA SS系列小型PLC，其主要特點有：
（1）體積小巧，成本更低；
（2）14點主機設(shè)計，8點數(shù)字輸入和6點晶體管輸出；
（3）內(nèi)建RS232和RS485雙通訊端口，可以采用通訊方式讀取HMI設(shè)定數(shù)據(jù)。
PLC I/O點規(guī)劃如表1所示，PLC與HMI關(guān)聯(lián)M輔助繼電器定義如表2所示。
2）HMI監(jiān)控單元
HMI監(jiān)控單元的主要任務(wù)包括：
（1）模式功能的選擇（運行模式M3、監(jiān)控模式M2、參數(shù)模式M1）；
（2）控制功能（運行M4、停止M5）；
（3）監(jiān)控功能（PLC I/O狀態(tài)的讀取、伺服 I/O狀態(tài)的讀取、加工總數(shù)等信息）；
（4）參數(shù)設(shè)定功能（封蓋伺服速度設(shè)定、封蓋伺服扭力設(shè)定）。
HMI監(jiān)控單元采用DELTA DOP－A 5.7’系列彩色人機界面，以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的操作、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置等功能，有以下主要特點：
（1）256色彩顯示，5.7’ 監(jiān)控界面；
（2）支持雙通訊聯(lián)機功能，可同時連接2種不同協(xié)議的控制器，方便架構(gòu)多機聯(lián)機網(wǎng)絡(luò)；
（3）軟體內(nèi)建與臺達PLC和伺服通訊及內(nèi)部協(xié)議，可以方便編程，簡化設(shè)計；
（4）可以通過多級密碼設(shè)定功能來實現(xiàn)多用戶管理；
（5）內(nèi)建萬年歷功能。
HMI 支持雙通訊聯(lián)機功能，可同時連接2種不同協(xié)議的控制器。本案使用HMI的COM2與PLC進行RS485通訊，用以設(shè)定PLC 程序中的按鈕等元件，并可將PLC的運行狀態(tài)反饋在HMI上，此外還使用了HMI的COM1與SERVO進行RS232通訊，用以與伺服內(nèi)部寄存器交換數(shù)據(jù)，架構(gòu)見可圖2。
該方案的優(yōu)點在于無需增加任何通訊模塊，其控制功能是在各控制單元硬體和軟體自身通訊功能的基礎(chǔ)上構(gòu)建實現(xiàn)的，因此可以使成本更低、應(yīng)用更方便、性能更穩(wěn)定。
HMI人機界面規(guī)劃如圖3所示。
圖3 人機界面規(guī)劃示意圖
表3和表4分別給出了各個要素的相關(guān)說明。
3）SERVO速度和扭力控制單元
SERVO單元的主要任務(wù)包括：
（1）對封蓋時電機速度的調(diào)節(jié)；
（2）對封蓋時電機輸出最大扭力的調(diào)節(jié)和檢測。
SERVO單元采用DELTA ASD－A 系列100W伺服系統(tǒng)，以實現(xiàn)對機械封蓋時速度控制和對封蓋時最大扭力進行限定。它有以下主要特點：除傳統(tǒng)的位置控制、速度控制和扭矩控制外，有PR通訊模式、內(nèi)部速度和內(nèi)部扭矩功能；內(nèi)建RS232/RS485/RS 422通訊端口，可以采用通訊方式快速獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；具有扭力限制功能，開啟該功能，能夠限制電機輸出的最大扭矩。伺服單元相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表5所示。
這里需要說明兩點。
（1）關(guān)于內(nèi)部速度模式的說明
伺服速度模式主要應(yīng)用于對機械速度精度要求比較高的場合。伺服單元有兩種命令的輸入模式，即外部模擬量輸入（即S速度模式）和內(nèi)部寄存器輸入（即SZ 內(nèi)部速度模式）。當(dāng)選擇SZ模式時，可以通過通訊的方式改變命令寄存器1－09（地址0109H）的內(nèi)容值，并且還可通過伺服外部的DI -SPD0輸入來切換命令，如表6所示，SZ模式下的時序圖如圖4所示。由上述可知，在內(nèi)部速度模式下，只要改變伺服內(nèi)部寄存器1－09的內(nèi)容值, 即可改變伺服電機執(zhí)行封蓋的速度。
（2）關(guān)于最大扭矩限制功能的說明
伺服扭矩限制功能通過伺服外部DI2 TRQLM開啟后，電機的最大輸出扭矩設(shè)定值＝電機的額定輸出扭矩×P1－12的設(shè)定％，單位NM。100W的伺服系統(tǒng)額定扭矩為0.318N.M，當(dāng)P1－12設(shè)定為10時，電機最大輸出扭矩＝0.318×10％＝0.0318N.M。當(dāng)伺服扭矩限制功能開啟后，可由通訊方式改變命令寄存器1-12（地址010CH）的內(nèi)容值, 并可通過伺服外部的DI 輸入切換扭矩命令的來源。當(dāng)電機輸出扭矩達到設(shè)定的電機最大輸出扭矩后，電機會停止運轉(zhuǎn)，并且以反作用力的形式保持，同時伺服單元的DO輸出TQL便會由OFF變?yōu)镺N，扭矩限制功能時序圖如圖5所示。
由上述討論可知，只要在開啟扭矩限制功能的前提下，改變伺服內(nèi)部寄存器1－12的內(nèi)容值，即可限制伺服電機輸出扭力的大小。
（3）其他輔助單元
其他輔助單元還包含給控制回路提供電源的DC24V開關(guān)電源，DC24V微型電磁閥，以及外部緊急停止按鈕等輔助電器元件。
工藝過程程序設(shè)計
牙膏封蓋機控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，但是對工藝過程卻有嚴格要求。根據(jù)生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備對工藝過程各個環(huán)節(jié)對工藝的具體要求，經(jīng)過分析可以繪制出整個生產(chǎn)過程的程序動作流程圖，如圖6所示。按照該動作流程圖編制出各子模塊的相關(guān)程序并非難事，具體程序在此從略。
結(jié)束語
在上述基于臺達HMI＋PLC＋SERVO的牙膏封蓋控制系統(tǒng)的應(yīng)用案例中，文中只對基本原理作了說明。借助臺達產(chǎn)品據(jù)通訊功能的優(yōu)勢，能夠很靈活地構(gòu)造各種控制方案，它相對于傳統(tǒng)的D/A模擬量控制具有可靠性更高、穩(wěn)定性更好、控制精度更高的優(yōu)點。
