S7-200 SMART在同步灌裝中的應(yīng)用——編碼器模式

時(shí)間：2024-09-21作者：上海騰希電氣技術(shù)有限公司瀏覽：25

灌裝機(jī)




        廣泛用于食品飲料、、化工等領(lǐng)域。以S7-200 SMART PLC作為控制器，由SINAMICS V20變頻器控制傳送帶從左向右傳送，由SINAMICS V90伺服驅(qū)動器控制灌裝針，可實(shí)現(xiàn)自動灌裝功能。

正常生產(chǎn)時(shí)，傳送帶勻速前進(jìn)，灌裝針從原點(diǎn)啟動，在灌裝起始點(diǎn)開始灌裝，完成灌裝后，灌裝針回到原點(diǎn)。詳細(xì)的控制思路，將會在下文方案概述部分介紹。




圖1-1 設(shè)備架構(gòu)圖




小貼士

硬件及軟件需求







1. 硬件要求




ST20/ST30/ST40/ST60固件版本V2.8

SINAMICS V90 PTI伺服驅(qū)動器

SINAMICS S200 PTI伺服驅(qū)動器

SINAMICS V20變頻器







2. 軟件要求




STEP 7-Micro/WIN SMART V2.8

V-ASSISTANT V1.06




控制思路
















物料流










如圖所示，物料在傳送帶上經(jīng)過檢測開關(guān)1開始灌裝，通過計(jì)時(shí)器和傳送帶速度計(jì)算出當(dāng)前位置；當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置2時(shí)，啟動灌裝針并達(dá)到速度和位置同步，此時(shí)，開始灌裝針的進(jìn)給位移和灌裝；位置4，在一定的灌裝條件下，判定完成灌裝；位置5，并回收灌裝針，返回原位。




圖2-1 物料流




關(guān)鍵位置










上述流程中，關(guān)鍵在于確定位置2，其目的是確保灌裝針從原點(diǎn)到灌裝起始點(diǎn)的時(shí)間，與瓶子從位置2到灌裝起始點(diǎn)的時(shí)間一致，也就是說，從瓶子從位置2到灌裝針?biāo)俣韧綍r(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，等于灌裝針加速時(shí)間。




S7-200 SMART PLC控制V90伺服驅(qū)動器，運(yùn)動控制的重復(fù)精度很高，可以理解為，每次灌裝針從原點(diǎn)啟動，到運(yùn)行至位置3處，需要的時(shí)間t是相同的。




因?yàn)楣嘌b時(shí)，灌裝針和瓶子的線速度相同，所以要確保在位置3之前，灌裝針已完成加速階段，進(jìn)入勻速運(yùn)行階段。




位置計(jì)算










   測量模式  

有兩種方式可以計(jì)算該加速時(shí)間，一種是編碼器方式，還有一種是檢測開關(guān)模式。




模式1：采集灌裝針運(yùn)動軸的編碼器反饋，并作為位置信息判斷加速所需的距離或時(shí)間；




模式2：采集灌裝針運(yùn)動軸上的光電開關(guān)信號，并作為判斷條件，計(jì)算當(dāng)前經(jīng)過的時(shí)間，并以此計(jì)算加速到速度同步時(shí)所需的時(shí)間。




因此，在開始正式的運(yùn)行前，系統(tǒng)會進(jìn)行系統(tǒng)性能測量，即測量加速所需時(shí)間或距離。




無論用何種模式，程序都通過定時(shí)中斷執(zhí)行Axis_GOTO指令，并通過定時(shí)中斷程序完成計(jì)時(shí)工作。




使用模式1時(shí)，當(dāng)?shù)剿俣冗_(dá)到傳動帶速度時(shí)，記錄當(dāng)前編碼器反饋，可根據(jù)編碼器反饋計(jì)算出當(dāng)前行進(jìn)距離，或者根據(jù)定時(shí)中斷執(zhí)行次數(shù)，定時(shí)中斷時(shí)基和傳送帶速度，計(jì)算出加速階段的運(yùn)行距離。




檢測開關(guān)2到來時(shí)，停止計(jì)時(shí)，這樣即可得到時(shí)間t。不考慮其他的誤差，單純考慮計(jì)算方法，時(shí)間t的測量誤差，理論上小于所用定時(shí)中斷時(shí)基，本例使用1ms定時(shí)中斷，本例誤差小于1ms。并根據(jù)該時(shí)間和傳送帶速度，可以得出加速所需的距離。




  終距離計(jì)算  




總過上述步驟得出的距離，可從灌裝起始點(diǎn)到檢測開關(guān)1的距離反向推導(dǎo)出灌裝針啟動之前，傳送帶運(yùn)行的距離。




  使用模式1時(shí)，可通過編碼器反饋距離L1， 傳送帶速度v，定時(shí)中斷事件t，計(jì)算距離L2 = v * t - L1。




使用模式2時(shí)，設(shè)傳送帶的線速度為v，測量得到時(shí)間t后，L1=v*t+ΔL，位置1和4之間的距離L可直接測量，則L2=L-L1=L-v*t-ΔL。




瓶子經(jīng)過檢測開關(guān)1后，開始計(jì)算瓶子的移動距離，當(dāng)瓶子移動L2時(shí)，啟動灌裝針，在灌裝針運(yùn)行到位置3時(shí)，瓶子和灌裝針完成速度和位置的同步。




距離L2可以通過傳送帶編碼器獲得?；蛘咄ㄟ^L2=v*t1計(jì)算出t1，在定時(shí)中斷中計(jì)算瓶子經(jīng)過檢測開關(guān)1之后，運(yùn)行的時(shí)間，當(dāng)計(jì)算得到的運(yùn)行時(shí)間大于等于t1時(shí)，啟動灌裝針。




圖2-2 位置距離計(jì)算




編程設(shè)計(jì)
















程序架構(gòu)










根據(jù)編碼器模式和光電開關(guān)模式分別形成兩個程序，每個程序中都包括測試和執(zhí)行兩部分，該樣例使用編碼器模式。




該程序中主要包括以下控制部分：系統(tǒng)狀態(tài)，軸的控制，傳送帶控制，灌裝頭跟隨測試，灌裝針進(jìn)給測試，灌裝執(zhí)行。




圖3-1 程序塊




定時(shí)中斷調(diào)用







灌裝頭跟隨測試，灌裝針進(jìn)給測試和灌裝執(zhí)行由定時(shí)中斷調(diào)用。







其他部分由主程序控制。










向?qū)褂?/p>







該程序啟用了運(yùn)動向?qū)А?/p>







其中，編碼器模式時(shí)還需啟用高速計(jì)數(shù)器向?qū)А?/p>










跟隨測試庫










該程序庫主要可以實(shí)現(xiàn)如下功能：通過測試控制機(jī)械機(jī)構(gòu)，計(jì)算得出當(dāng)前系統(tǒng)性能及所需的啟動條件參數(shù)。




圖3-3 程序塊調(diào)用




表3-2 程序塊引腳




  使用建議  




1. 在使用該庫前，需要預(yù)設(shè)參數(shù)，

  conveyorVelocitySet - 傳送帶速度，該速度為灌裝頭跟隨的目標(biāo)速度

  cycleTime - 定時(shí)中斷時(shí)基，應(yīng)與程序所用的定時(shí)中斷輸入相同，初期測試時(shí)可采用較大參數(shù)，本樣例使用1ms定時(shí)中斷，該參數(shù)即為1

  containerOffset - 瓶口半徑，取決于光電開關(guān)檢測點(diǎn)到容器中間的距離

  fillPos - 由光電開關(guān)1監(jiān)測點(diǎn)到預(yù)定的開始灌裝的位置，即容器在傳送帶上運(yùn)行至灌裝點(diǎn)的距離，該值可在設(shè)備調(diào)試過程中優(yōu)化

  startFillingPos - 由灌裝頭原點(diǎn)到預(yù)定的開始灌裝的位置，即灌裝頭在傳送帶上運(yùn)行至灌裝點(diǎn)的距離，該值可在設(shè)備調(diào)試過程中優(yōu)化。

  finishPos - 灌裝頭設(shè)定遠(yuǎn)運(yùn)行距離，僅在測試時(shí)使用，可設(shè)置為灌裝頭遠(yuǎn)工作距離

  encoderResolution灌裝頭運(yùn)動軸編碼器分辨率

  beltDisperEncoderRev灌裝頭運(yùn)動軸編碼器每轉(zhuǎn)前進(jìn)距離




2. 通過該庫，可以得出在該預(yù)設(shè)灌裝點(diǎn)下，灌裝頭應(yīng)延遲多少距離時(shí)啟動，可確保灌裝頭在開始灌裝時(shí)速度與容器一致，該距離為feederStartPos。




3. 同時(shí)提供feederAccBeltDis，提供灌裝頭加速階段時(shí)長對應(yīng)的灌裝容器移動距離，便于設(shè)計(jì)者改光電開關(guān)2的按照位置。




4. 若需要對狀態(tài)字等進(jìn)行改，可參考程序中的靜態(tài)變量，此處僅做為接口，方便后期擴(kuò)展。




進(jìn)給測試庫










該程序庫主要可以實(shí)現(xiàn)如下功能：通過測試控制機(jī)械機(jī)構(gòu)，計(jì)算得出當(dāng)前系統(tǒng)性能。該庫計(jì)算得出的可供用戶做后續(xù)處理和機(jī)械設(shè)計(jì)。




圖3-4 程序塊調(diào)用




表3-3 程序塊引腳




灌裝執(zhí)行庫










該庫控制灌裝過程中伺服軸和灌裝執(zhí)行，總共有7個輸出使能。




圖3-5 程序塊調(diào)用




表3-4 程序塊引腳




  使用建議  




1. 在使用該庫前，需要預(yù)設(shè)參數(shù)，

beltPosOfStartFilling - 由光電開關(guān)1監(jiān)測點(diǎn)到預(yù)定的開始灌裝的位置，即容器在傳送帶上運(yùn)行至灌裝點(diǎn)的距離，該值可在設(shè)備調(diào)試過程中優(yōu)化

cycleTime - 定時(shí)中斷時(shí)基，應(yīng)與程序所用的定時(shí)中斷輸入相同，初期測試時(shí)可采用較大參數(shù)，本樣例使用1ms定時(shí)中斷，該參數(shù)即為1

 fillTimer - 灌裝時(shí)長

converyVelocitySet - 傳送帶速度，該速度為灌裝頭跟隨的目標(biāo)速度

gotoSPPos_Y - 設(shè)定灌裝針進(jìn)給距離

safetyBackPos_Y - 回收距離，當(dāng)灌裝針在該位置范圍內(nèi)時(shí)，可提前控制灌裝頭返回原點(diǎn)或灌裝起始點(diǎn)。

encoderResolution灌裝頭運(yùn)動軸編碼器分辨率

beltDisperEncoderRev灌裝頭運(yùn)動軸編碼器每轉(zhuǎn)前進(jìn)距離




2. systemBusy系統(tǒng)忙碌信號需要由外部復(fù)位，用戶可選擇使用尋參完成指令復(fù)位該信號，或者使用返回完成信號復(fù)位該信號，提高該庫的靈活性。




3. 考慮到每個機(jī)型的機(jī)械設(shè)計(jì)不同，尋參指令采用與否取決于現(xiàn)場機(jī)型。




4. 灌裝針的錯誤和狀態(tài)代碼由外部靜態(tài)變量賦值，此處僅作顯示，便于后續(xù)開發(fā)擴(kuò)展。




Axis_Goto指令










該指令控制灌裝頭和灌裝針的運(yùn)動，由定時(shí)中斷調(diào)用。




圖3-6 程序塊調(diào)用




應(yīng)用樣例
















圖4-1 系統(tǒng)主頁界面




圖4-2 參數(shù)設(shè)定界面




圖4-3 參數(shù)測定界面




樣例使用










參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)中需要的參數(shù)都放置在參數(shù)設(shè)定界面，建議在改動參數(shù)后，及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)測量，確認(rèn)新參數(shù)是否適用?；蚩稍诔绦蛑芯幊绦玛P(guān)鍵數(shù)據(jù)。

驅(qū)動設(shè)置

對于該系統(tǒng)中使用的伺服軸的控制，和V20變頻器控制，可通過手動控制和V20控制界面設(shè)置。系統(tǒng)啟動時(shí)應(yīng)確保伺服軸和V20都處于自動模式，且進(jìn)行必要原點(diǎn)設(shè)置。

參數(shù)測試

在進(jìn)行參數(shù)測試前，設(shè)置光電開關(guān)2相對灌裝點(diǎn)偏移，并開始皮帶測試，確保系統(tǒng)中存在有效的傳送帶設(shè)定速度。該測試完成后在該界面進(jìn)行伺服軸測試。

啟動灌裝

完成測量后，在系統(tǒng)主頁中啟動灌裝，即可觀測灌裝效果。系統(tǒng)測試過程中已禁用回原操作。




應(yīng)用樣例結(jié)果










該樣例實(shí)現(xiàn)的跟隨精度<= 2mm。且可大幅度縮短樣機(jī)開發(fā)時(shí)間。




應(yīng)用擴(kuò)展
















灌裝針的升降










本樣例的在于灌裝頭的跟隨動作，若灌裝針的進(jìn)給動作，或者使用簡單的數(shù)字量信號控制，易可使用本樣例中的庫進(jìn)行控制。




本樣例的速度控制和位置控制立于測試庫和灌裝庫之外，便于靈活選擇機(jī)械裝置。




灌裝頭數(shù)量










程序中使用系統(tǒng)繁忙信號，避免信號的誤觸發(fā)或者信號不穩(wěn)定。

同時(shí)，通過合理采用檢測信號，設(shè)置不同的灌裝組，多頭同時(shí)灌裝。

系統(tǒng)中的測試庫可以重復(fù)使用，灌裝執(zhí)行庫可以通過簡單復(fù)制，多次調(diào)用。


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