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臺達運動控制器在包裝行業的應用

中達電通股份有限公司

傳統的包裝機械多通過復雜的齒輪、聯桿傳動。存在機械加工復雜、精度要求高，安裝調試繁瑣，機構耦合誤差大，生產周期長等的明顯缺點。其控制的速度和精度都受到一定條件的制約。

針對傳統機械系統的缺點，采用開放式的運動總線型DVP-10MC運動控制器，使用電子凸輪等先進工藝，保證整機的同步協調工作，實現精確、高速控制。DVP-10MC運動控制器在此方面表現了良好的性能。

2 系統工藝簡介

臥式包裝機是物料充填與袋子成型沿水平方向進行，由于水平式制袋、充填和封口，各個工位均可以方便地進行調整，并可以針對不同的物料情況作許多復雜的配置變化。

圖1 臥式包裝機

圖2 工藝流程圖

臥式包裝機的工藝為：從卷筒1拉出的包裝材料由導輥2導引，經三角成型器3和U形桿4而折合成U形膜；光電檢測裝置5對包裝材料上印刷的色標拉距進行檢測和送進控制，然后由制袋熱封裝置6對U型折合膜實施熱熔封接，封接兩側面完成制袋。牽引送進裝置7作間斷啟停旋轉運動將成袋及包裝材料牽引送進，每次送一個袋寬的距離，由切斷裝置8裁切成單個包裝袋，然后由袋夾送進裝置作夾持送進；在開袋口工位由開袋口裝置將袋口吸開，并往袋內噴吹壓力空氣，使袋口擴開，并由夾持包裝袋的夾手保持張開的袋口，以使充填物料順利充填。當袋子送到充填工位時，通過充填漏斗往包裝袋內裝入物料，再在整形工位由整形裝置對袋中松散物料實施整形處理，使其袋形便于封口操作，且夾袋的夾手向外運動，使袋口處于平直閉合狀態，在封口工位完成袋口封接，得到的包裝產品從機器后端輸出。

DVP10MC是臺達推出的一款總線型多軸運動控制器，專門用于控制臺達A2伺服驅動器。DVP10MC與A2伺服驅動器之間采用CANopen現場總線技術通訊，最高通訊速率達到1M bps。它除了能實現復雜的運動控制以外，還可以實現PLC的邏輯控制，溫度控制。DVP10MC通訊接口豐富，提供有Ethernet、CAN (Motion Bus)、RS232、RS485及編碼器接口，同時具有與SV相同的左右擴展接口，共享SV所有擴展模塊，很適合包裝機械的多軸控制。

本系統中DVP10MC采用CANMotion控制6軸伺服裝置，實現多軸同步控制。兩臺變頻器通過左側的CANopen主站模塊控制，實現速度控制。HMI采用XBTGT系列觸摸屏，通過MODBUS/TCP協議與運動控制器通訊；現場溫度采用PID控制，溫度控制精確。

夾手裝置由三個伺服電機驅動，完成袋子的移送，其電子凸輪曲線如下圖示：

圖4 夾手裝置凸輪曲線

制袋工位由一個伺服電機驅動，其凸輪曲線如圖5所示。

圖5 熱封裝置凸輪曲線

拉模裝置由兩個伺服電機驅動，其凸輪曲線如圖6所示。

圖6 拉膜裝置凸輪曲線

主軸變頻器驅動的電機上帶一個編碼器，在正常運行時，其他軸根據自己所處的位置相應做跟隨運動。放膜部分采用張力控制，使放膜輥在放膜過程中，均勻放膜。

拉膜軸通過速度控制進給包裝膜，在每送一個袋子時，通過色標作為前一次袋長檢測觸發信號，直接接入到運動控制器高速信號接口，然后通過外部編碼器讀取實際膜長，與存儲的標準長度進行比較，如果有偏差的話，就在下一包進行調整。

拉膜的寬帶通過電子凸輪實現，可以保證到整機的速度一致性，但是凸輪的曲線不能在線修改，但可使用虛軸的功能：即使用MC-VirtualAxis指令構建一個虛擬軸。虛軸是運動控制器內部可以創建的一個假想軸，專門用于位移量疊加計算進行使用，由于是理想軸，所以不會出現任何偏差，并且可以自己定義任何軌跡。這里將虛軸和實軸的凸輪曲線用電子齒輪方式嚙合，做同步，運行過程中可以修改電子齒輪的齒輪比，即可達到在線調節凸輪曲線的目的。

在停機時，拉膜裝置在完成本次拉送袋子后，立即停止。制袋裝置在拉膜裝置停止后，也立即停止，并且運動到安全位置，等待下次工作。再次運行前，制袋裝置需運行到同步的位置后，開始運行主機。

圖7 拉膜裝置曲線控制

5.1 變頻部分

變頻器和運動控制器通訊時需要在CANopen Builder軟件中導入ATV312的EDS文件。

DVPCOPM-SL模塊是運行于DVP10MC左側的CANopen主站模塊，當DVP10MC通過DVPCOPM-SL模塊與CANopen網絡相連時，DVPCOPM-SL模塊負責運動控制器與總線上其它從站的數據交換接口。DVPCOPM-SL模塊既可以在總線中做主站，也可以通過設置使其在總線中做從站。模塊映像地址：輸入：D6000-D6226，輸出D6250-D6476。

DVPCOPM-SL在設置地址時，只有在模塊斷電情況下設置才有效，完成設置后，再將模塊上電。如果接線與節點地址均設置正確，模塊上面的LED會顯示當前站號地址，如果為紅色代碼閃爍，請檢查通訊速率不要太高，或選用標準的CAN電纜。

圖8 變頻總線圖

5.2 伺服部分

圖9 伺服總線圖

伺服驅動器的參數設置如下：

P1-01=B（伺服驅動器設置為CANOpen模式）；

P3-00=2（伺服驅動器的CANOpen站號設置為“2”）；

P3-01=403（伺服驅動器在CANOpen中通訊速率設置為1Mbit/s）；

P2-15=122（伺服驅動器的逆向極限開關設為常開）；

P2-16=123（伺服驅動器的正向極限開關設為常開）；

P2-17=121（伺服驅動器的急停開關設為常開）。

其他伺服驅動器的參數設置只有站號設置不同，設置完畢后伺服驅動器須重新上電。DVP10MC遵循CANopen（DSP402）協議，采用同步信號實現多軸同步，多軸系統支持十六個實軸，外加兩個虛軸。在網絡通訊方面，可支持DeviceNet主從站、CANopen主從站、Profibus-DP從站，可組建功能復雜的控制系統。

5.3 以太網部分

DVP10MC11T提供一個以太網接口，此接口為運動控制模塊所有，支持ModbusTCP

協議，PC端軟件CANopenBuilder通過此接口可用于下載CANopen運動控制網絡配置、運動程序、G代碼，監控裝置等功能。DVP10MC11T在以太網網絡中只能做從，同時可接受最多4個主站的訪問。此接口還支持自動跳線功能，當與計算機或交換機連接時，不需要特別作跳線處理。接口上的LED可以顯示以太網當前的連接狀態，方便用戶查詢。

DVP10MC11T的以太網參數設置通過CANopenBuilder軟件設置。DVP10MC11T支持的Modbus功能碼和對應的地址元件如下表所示：

表2 Modbus功能碼

施耐得XBTGT5330觸摸屏集成有以太網接口，支持ModbusTCP，故可以方面的連接。觸摸屏在驅動設置時，需要設置成低字節優先。

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。本系統中有八通道溫度采用PID控制溫度，使用DVP04TC-S作為溫度數據采集模塊，經過PLC程序中的專用溫度控制指令，用PLC輸出點控制固態繼電器動作，實現溫度的加熱控制。

DVP04TC-S模塊是運行與DVP10MC右側的溫度控制模塊，具有專用的PID溫度自動調整功能，可以實現PID控制參數的自動計算，控制溫度精度達到±1度。

當PID指令的動作方向功能選擇為K3或K4 時，其中PID指令內部使用的運算公式是

其中偏差量固定為：E (t) = SV − PV

由于此功能是專為溫度控制而設計的功能，因此當取樣時間(Ts)設置為4秒(K400)時，則表示輸出值(MV)的輸出范圍為K0~K4，000之間，并且搭配的GPWM指令的周期時間設置值也需設為4秒(K4，000)。

圖10 PID指令的動作方向為 K3~K4 的控制方塊

圖10中的1/KI及1/KP的符號分別表示除以KI及除以KP的功能，由于此控制方塊為溫度控制專用的PID指令，因此需搭配GPWM指令一起使用。

當使用者在控制溫度的環境下不知如何調整各項參數時，可先選擇K3這項自動調整功能，等到指令內部調整完畢后(功能選擇自動會設置為 K4)，使用者可再依控制結果修改成更佳的參數。

圖11 PID控制程序

經過現場測試后，系統最大速度可以穩定達到70包/分鐘，這套設備成功開發標志著包裝機設備已經從簡單的半機械化雙變頻升級到全伺服系統。

全自動包裝機采用臺達總線型運動控制器，該產品良好的兼容性以及優異的性能使控制變得簡易、高效和穩定。電氣結構簡單和高穩定性為用戶創造了價值。

劉勝戌（1981-）男工程部主管，任職于怡和包裝系統有限公司，主要從事自動化控制系統的設計和開發工作。

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