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關(guān)鍵詞：人機(jī)界面 PLC 伺服系統(tǒng) 通訊功能 響應(yīng)速度 扭矩限制

Abstract: The paper mainly discussed the related problems of communication and data exchange in control system for toothpaste close over machine among human machine interface, programmable controller and servo system. And it is able to make the good match between mechanism torque limitation and response speed of servo system so as to realize the demand of toothpaste close over technics for toothpaste close over machine.
Key words: Human machine interface Programmable controller Servo system Communication function
[中圖分類號(hào)] TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B 文章編號(hào)

1 引 言
牙膏封蓋機(jī)是一個(gè)機(jī)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(tái)達(dá)）AE系列人機(jī)界面、 SS系列PLC、ASD－A伺服系統(tǒng)等產(chǎn)品的有機(jī)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(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。以下重點(diǎn)討論各系統(tǒng)如何利用通訊功能以實(shí)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(jī)械的扭矩限制相匹配，以實(shí)現(xiàn)在牙膏封蓋機(jī)上的牙膏封裝工藝要求。

2 牙膏封蓋機(jī)的工藝要求和機(jī)械結(jié)構(gòu)
牙膏封蓋機(jī)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(dòng)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(shí)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(jìn)行設(shè)定，并只有在封裝扭力達(dá)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)�來料的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料。牙膏封蓋機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。


圖1 牙膏封蓋機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)的硬件配置和功能設(shè)計(jì)
通過對整個(gè)機(jī)械工藝特點(diǎn)和功能要求的分析，確定程序控制單元采用PLC實(shí)現(xiàn)，HMI人機(jī)界面作為監(jiān)控單元，選擇SERVO驅(qū)動(dòng)單元作為速度和扭力控制單元，以滿足整個(gè)機(jī)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。


圖2 電氣控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

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(diǎn)有：
（1）體積小巧，成本更低；
（2）14點(diǎn)主機(jī)設(shè)計(jì)，8點(diǎn)數(shù)字輸入和6點(diǎn)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(diǎn)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。
表1 PLC I/O點(diǎn)規(guī)劃

表2 關(guān)聯(lián)M輔助繼電器定義表

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(yùn)行模式M3、監(jiān)控模式M2、參數(shù)模式M1）；
（2）控制功能（運(yùn)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(jī)界面，以實(shí)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(diǎn)：
（1）256色彩顯示，5.7’ 監(jiān)控界面；
（2）支持雙通訊聯(lián)機(jī)功能，可同時(shí)連接2種不同協(xié)議的控制器，方便架構(gòu)多機(jī)聯(lián)機(jī)網(wǎng)絡(luò)；
（3）軟體內(nèi)建與臺(tái)達(dá)PLC和伺服通訊及內(nèi)部協(xié)議，可以方便編程，簡化設(shè)計(jì)；
（4）可以通過多級(jí)密碼設(shè)定功能來實(shí)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(jī)功能，可同時(shí)連接2種不同協(xié)議的控制器。本案使用HMI的COM2與PLC進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)反饋在HMI上，此外還使用了HMI的COM1與SERVO進(jìn)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(diǎn)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(shí)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(jī)界面規(guī)劃如圖3所示。


圖3 人機(jī)界面規(guī)劃示意圖

表3和表4分別給出了各個(gè)要素的相關(guān)說明。
表3 要素的相關(guān)說明

表4 要素相關(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(shí)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)；
（2）對封蓋時(shí)電機(jī)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(shí)現(xiàn)對機(jī)械封蓋時(shí)速度控制和對封蓋時(shí)最大扭力進(jìn)行限定。它有以下主要特點(diǎn)：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(jī)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。

表5 伺服主要相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

這里需要說明兩點(diǎn)。
（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(jī)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(shí)，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(shí)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(jī)執(zhí)行封蓋的速度。
表6 命令切換

圖4 SZ模式下的時(shí)序圖

（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(jī)的最大輸出扭矩設(shè)定值＝電機(jī)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(shí)，電機(jī)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(jī)輸出扭矩達(dá)到設(shè)定的電機(jī)最大輸出扭矩后，電機(jī)會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并且以反作用力的形式保持，同時(shí)伺服單元的DO輸出TQL便會(huì)由OFF變?yōu)镺N，扭矩限制功能時(shí)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(jī)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。

4 工藝過程程序設(shè)計(jì)
牙膏封蓋機(jī)控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，但是對工藝過程卻有嚴(yán)格要求。根據(jù)生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備對工藝過程各個(gè)環(huán)節(jié)對工藝的具體要求，經(jīng)過分析可以繪制出整個(gè)生產(chǎn)過程的程序動(dòng)作流程圖，如圖6所示。按照該動(dòng)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。

圖6 程序動(dòng)作流程圖

5 結(jié)束語
在上述基于臺(tái)達(dá)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(tái)達(dá)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(diǎn)。

參考文獻(xiàn)（略）
作者簡介
張廣偉 男 工程師 現(xiàn)任職于中達(dá)電通股份有限公司。