基于PLC和脉冲伺服在枕式包装机上的应用

　　1. 概述

　　智能伺服技术是近年来新兴的一种机电一体化技术。它是在传统伺服驱动技术的基础上，融合了运动控制技术、DSP技术、PLC技术、现场总线技术等多种现代控制技术而形成。智能伺服产品具有智能化、网络化、模块化、数字化等特征，是未来伺服技术发展的方向。

　　　　本文介绍的 iPack2000多轴伺服枕式包装机控制系统基于我国自主研发的iDrive 智能伺服，以一体化高集成度的智能伺服解决方案，替代传统的PLC+伺服驱动器的方案。iDrive 智能伺服控制器内建电子凸轮和色标抓取和补偿功能，兼容热切和冷切工艺，通过伺服驱动系统底层实现双轴同步，系统响应快，同步精度高，电控设备成本较传统脉冲伺服方案降低40%。驱动器可以和HMI实现直连通讯，大大增强了控制系统的简洁性，减少了设备调试所需的时间。

　　2. 基于脉冲的传统系统和智能伺服系统的比较

　　图1和图2显示了传统的PLC+伺服驱动系统方案以及采用智能伺服控制器的iPack2000系统方案结构对比。

　　图1. 基于PLC和脉冲伺服的解决方案

　　图2. 基于智能伺服的解决方案

　　从图1和图2的对比可以看出，智能伺服的控制方案采用了内置控制器替代PLC，在一个双轴iDrive智能驱动器内部实现两轴(切刀轴和送膜轴)的同步以及电子凸轮关系，色标补偿也在同一智能伺服控制器内部完成，系统响应大大提高，系统结构简化，成本也显著降低。同时，由于采用了总线型的结构，采用智能伺服的系统方案更加灵活，可以非常容易地变化为双轴系统或者四轴乃至多轴系统。

　　3. 内置电子凸轮的智能伺服系统的枕式包装解决方案

　　下面以图2所示的三轴伺服枕式包装机控制系统为例对系统各部分进行说明，该枕式包装机横向封切方式为热封冷切，即先进行热封，再进行横切。系统也能方便地通过设置，兼容常见的热封热切工艺。设备运行过程中，横封横切刀的运行速度保持匀速(以下简称主动轴)，送膜轴(以下简称从动轴)的速度以凸轮关系运行，并引入色标补偿。凸轮的功能是并保证在横封和横切时，送膜轴的运动和横封刀以及横切刀的在切割点的运动保持严格同步。送料轴以送膜轴的实际运动速度和位置，与之保持严格同步。切刀近点传感器信号的引入是应某枕式包装机制造商的要求而设置的，目的是为了防止色标信号的误检测。此功能也可以不用引入传感器信号，而在系统内部以软件的方式实现。

　　3.1 工艺流程

　　包装物经过送料机构被送进包装膜内，先完成纵封作业;之后装物在纵封后的包装膜内继续前进，进入横封横切工艺，完成进行横封和横切，最终成为成品。

　　3.2系统框图

　　如图3所示系统共有三个伺服轴，由一台双轴iDrive智能伺服和一台单轴智能伺服以RS485总线方式实现联网控制，由双轴iDrive作为主控制器。双轴iDrive内置的两个伺服驱动模块分别用于控制横封(横切)刀轴和送膜轴，单轴iDrive控制送料轴。其中从动轴(即送膜轴)以设定的电子凸轮跟随主动轴(横封横切轴)运动，保证横封横切的严格同步，同时从动轴根据由色标信号检测得到的位置补偿信号对从动轴进行位置补偿，送料轴则根据从动轴的实际位置与之保持完全同步跟随运动。I/O信号中的切刀信号和色标信号直接连接到双轴iDrive的I/O接口中。Jog运动模式的控制信号也接入双轴iDrive的I/O口，包括用于调试的从动轴的向前运动和向后运动两个运动方式控制开关。图4显示了伺服系统的接口以及主动轴和从动轴的分配。

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　　图3. 控制回路示意图

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　　图 4. 双轴iDrive主动/从动轴设置

　　3.3 系统设定以及电子凸轮

　　1) 图5、图6和图7显示了本系统的调试界面，此调试界面主要提供给机器制造商使用，参数的调试可以在PC上实现，也可以在通用的HMI上完成，也可以根据客户的具体要求来进行软件定制。

　　图5. iPack2000参数设置界面

　　图6. iPack2000电子凸轮计算(凸轮位置曲线)

　　图7. iPack2000电子凸轮计算(凸轮速度曲线)

　　图6和图7显示了iPack2000电子凸轮的计算，图6显示的是主动轴位置和从动轴位置值的对比曲线，其中横坐标是主动轴位置值，纵坐标是从动轴的位置值。图7显示的是在一个包装区间内从动轴的速度曲线，从中可以看出有两个速度同步区，分别是横封同步区和横切同步区。对于常见的热封热切工艺，则只需要设置一个同步区即可。

　　3.4 色标补偿量的计算

　　l 补偿量计算

补偿量的计算主要依靠色标信号和切刀近点信号，如图8所示。补偿测量值为 L=L1+L2/2，即补偿测量值为切刀近点信号到色标信号之