西门子S7-200与V80伺服系统在立式食品包装机中的应用

食品包装机系列－－-螺杆包装机 5240

食品包装机就是把所需要的食品装进袋子里面然后封装起来的过程。第一步先把一张膜变成一只三面封闭的袋子，第二步把所需要的物料放入袋中，最后将袋子封口。这样一个装满东西的袋子就制做完成了。袋子的长度取觉于送膜的多少，为了使控制的精度提高一般会选用伺服电机。把物料放入袋中需要另外一台设备的配合，主要常用的就是电子秤（颗粒状产品如图2所示）、螺杆（粉末状产品如图1所示）及转料盘（颗粒状产品）。小型粉剂、颗粒、液体食品包装机大多数属于立式包装机。它主要包括：供料部分、称量部分、包装机部分及成品输出部分。供料部分与称量部分与所包装的产品类别有关，包装机部分与成器输出部分基本相同。下面我主要来介绍一下包装机部分的系统控制。

图1.螺杆下料设备

图2.电子秤下料设备

一、电气控制部分选型

包装机是一种由放膜系统、张力控制系统、衣领成型器、纵封、横封及切刀等部分的协调动作来完成制做一个袋子的的设备。其中包装膜的传送由于控制精度及速度以及运动曲线等方面的考虑选择使用伺服电机系统，控制器使用晶体管输出的PLC。电气配置如图所示。

图3.电气配置图

表1 控制信号I/O表

伺服电机要求 额定转速3000R/min,额定电流大于3A，转动惯量大于7 10-4kgm2。额定转矩2N•m。综上所述为这个系统选择 CPU224XP 及750W V80伺服控制系统。

图4.系统配置图

二、安装设置参数

将PLC与伺服电机根据图纸安装在设备上面，并将V80上面脉冲设定旋转开关调整到8的位置。

三、程序设计

以一台螺杆式包装为例，这个系统中主要控制部分就是送膜伺服电机、螺杆伺服电机、横封电磁阀、纵封电磁阀、切刀电磁阀等。程序主流程从大的方面来讲主要分为送膜部分和横封部分（包括了纵封、切刀、抽气、托料等辅助动作）。程序结构如图5所示：

图5 程序流程图

(一)送膜伺服脉冲控制

使用西门子S7200PLC PTO多段速来控制，脉冲数与机械减速比及皮带轮的直径有关，在此可以通过试验的方法来确定这个参数，每1mm所需要的脉冲数。为了保持送膜的平缓度，而V80伺服电机又不具备加减速的设定功能，所以在控制曲线中加入加减速的控制如图6所示。

图6 定长送膜伺服电机控制曲线

在定长拉膜时，送膜伺服总脉冲数

S_总  =  S₁  +  S₂  +   S₃

当  t₁ = t₃ ，S₁  =  S₃ 时，曲线为一个等腰梯形。

另外当 S_总  = S₁  + S₃   时如图7所示: 波形成为三角型状，速度提高到最大值就减速下降。

图7

当S_总  < S₁  + S₃   时如图8所示，伺服最高速度在没有到达V_max时就开始下降.

图8

在色标定长送膜控制中，如图9所示，当接收到色标信号时伺服电机需要立即停下来，为了能够使包装膜停的平稳一点，在设计程序时，如果在A1点色标信号到来，那么伺服电机将会在高速旋转的时候突然停止，会产生一个很大的振荡，而且长时间这么用对伺服电机也是一种伤害。如果选择在减速的过程中A点色标信号到来，这时电机处于在较低的转速下停止。

为了能让色标在减速过程中到来，那么首先我们要知道包装的色标间距L，在不考虑皮带打滑及电机停止时的冲击的情况下，

L = S1+S2+S3

在做曲线的时候需要给总的送膜为

S = L + S4   

S = S1 + S2 + S3 + S4 

其中当曲线的加减速时间和脉冲相等时有：

S1= S3 + S4   , S4为补偿值。

在不考虑皮带卡死、没有气压等非正常情况下，如果当电机停在M点的话，那么说明没有捕捉到色标或者  L > S 。

图9 色标定长送膜伺服电机控制曲线

(二)、横封部分控制

这部分采用两个定时器来控制输出电磁阀的延时时间和接通时间。此部分的程序相对比较简单在此不再赘述。

(三)、系统等待部分

在此部分是为了等待包装信号的给定，一般为第三方产品，比如电子秤下料信号，螺杆下料信号，转盘下料信号等，这台机采用螺杆下料系统。

螺杆供料装置主要是利用相等螺距的螺杆旋转时将粉状物质旋进包装袋内，其精度取觉于螺杆的制做精度及程序设计。在程序中电机每转所需要的脉冲数的多少直接和精度相关。

通过手动测试给出一个每克多少个脉冲当量。

(四)、附加部分

在这个部分主要是主程序的辅助程序有：手动控制、报警控制、时间设置、配方功能、数据计算等等。

部分程序列举:

子程序
Network 1 // 网络标题

LD     SM0.0
S      M1.4, 1
R      M0.5, 1
Network 2
LD     SM0.0
LPS
MOVB   3, VB500    //包络表首地址
MOVW   +200, VW501
AENO
MOVW   -1, VW503
AENO
MOVD  加减速脉冲: VD5196, VD505
LRD
MOVW  PTO周期值: VW5020, VW509
AENO
MOVW   +0, VW511
AENO
MOVD   恒速脉冲数：VD5200, VD513
LPP
MOVW   PTO周期值：VW5020, VW517
AENO
MOVW   +1, VW519
AENO
MOVD   加减速脉冲:VD5196, VD521
Network 3
LD     SM0.0
MOVB   16#A0, SMB67
MOVW   +500, SMW168
ATCH   拉膜中断：INT0, 19
ENI
PLS    0

INT0
Network 1
LD     SM0.0
S      拉膜完成:M0.5, 1

了程序1 // 数据处理
Network 1  螺杆频率与脉冲数计算
LD     螺杆秤:M15.5
LPS
MOVR   1000000.0, VD5570
/R     螺杆频率:VD1050, VD5570
ROUND  VD5570, VD5574
AENO
DTI    VD5574, pt1周期:VW5552
LPP
MOVR   500.0, VD5556
AENO
*R     螺杆圈数:VD1058, VD5556
AENO
ROUND  VD5556, 螺杆脉冲数:VD5560

Network 2  // 送膜PTO最高速度时周期值计算

LD     SM0.0
LPS
MOVR   1.0, 过度区0:VD5032
AENO
/R     驱动频率:VD1038, 过度区0:VD5032
AENO
*R     1000000.0, 过度区0:VD5032
LPP
ROUND  过度区0:VD5032, 过度区0:VD5032
AENO
DTI    过度区0:VD5032, PTO周期值:VW5020

Network 3  // 送膜加减速与匀速脉冲数计算

LD     SM0.0
LPS
MOVW   +200, 周期增量:VW5204
AENO
-I     PTO周期值:VW5020, 周期增量:VW5204
AENO
ITD    周期增量:VW5204, 加减速脉冲:VD5196
LPP
MOVD   PTO脉冲值:VD5028, 过度区13:VD5206
AENO
-D     加减速脉冲:VD5196, 过度区13:VD5206
AENO
MOVD   过度区13:VD5206, 恒速脉冲数:VD5200
-D     加减速脉冲:VD5196, 恒速脉冲数:VD5200

Network 4  // 袋长总脉冲数计算

LD     SM0.0
MOVR   袋长设置:VD1000, 过度区2:VD5040
AENO
*R     脉冲数1mm:VD1088, 过度区2:VD5040
AENO
ROUND  过度区2:VD5040, PTO脉冲值:VD5028

Network 5  // 当加减速脉冲和大于总袋长脉冲时的计算

LDD<=  恒速脉冲数:VD5200, 0
LPS
MOVD   PTO脉冲值:VD5028, LD0
AENO
/D     +2, LD0
AENO
MOVD   LD0, 加减速脉冲:VD5196
LPP
DTI    加减速脉冲:VD5196, LW4
AENO
MOVW   +200, PTO周期值:VW5020
-I     LW4, PTO周期值:VW5020

四、附图

附图一、放膜系统结构示意图

附图二、应用案例中螺杆包装机外型图

附图三、包装机放膜机构

附图四、包装机送膜机构

五、总结

本文给出了关于西门子S7-200与伺服之间利用PTO来完成运动曲线的控制过程，及在食品包装中有关伺服控制方面的几个特点与难点在编程过程中遇到的问题和解决方法。具有很大的实用性，可以用于实际项目中。