基于SIMOTION D系統的全自動濕巾包裝機的運動控制研究

葛曉忠

（蘇州工業職業技術學院 機電工程系，蘇州 215104）

0 引言

全自動高速濕巾包裝機是一種典型的水平式連續運行的包裝機，主要功能是對包裝膜進行預處理后，對輸送到包裝機上的濕巾進行包裝處理。本文以FP型全自動高速濕巾包裝機為例，采用西門子運動控制系統—SIMOTION D作為本包裝機的運動控制器，對其進行分析和控制。

在以往的運動控制領域,一般的電機驅動器提供了運動控制功能(定位、同步等),但邏輯控制和復雜運算功能相當弱,而一般的PLC提供了較全面的邏輯控制功能,但又很難具備運動控制的全部功能。傳統的解決方式是將PLC和伺服控制器配合使用,完成邏輯控制功能與運動控制功能，但存在高速數據傳輸、數據同步和精確控制等方面的問題。SIMOTION D集成了邏輯控制與運動控制,可以獨立完成PLC加電機驅動器的所有功能，主要應用于控制要求復雜，控制速度快，要求精確運動的領域中[1～3]。

1 工藝流程

FP型全自動高速濕巾包裝機的工藝流程如下：

包裝膜開卷→牽引輸送→噴碼→打孔→貼標簽→送蓋貼蓋標→貼蓋→集料裝置→濕巾輸送→等距輸送→入袋→裹包縱封→橫向封切斷→成品輸送。

工藝原理圖如圖1所示。

圖1 工藝原理圖

1）包裝膜用一備一，采用中心開卷，具有自動接料功能。切孔刀自動跟蹤包裝膜速度進行切孔，切孔位置可以調整，并采用色標糾偏。貼標裝置自動跟蹤包裝膜速度，貼標位置也可以調整，且具有2級標簽自動切換功能。

2）貼蓋裝置的蓋子從儲料器中下落，經輸送帶先進行蓋子的貼標和上膠處理，然后通過貼蓋撥叉貼到包裝膜上。貼蓋自動跟蹤包裝膜速度，貼蓋位置可以調整。

3）生產好的濕巾在集料裝置上聚集，經過濕巾輸送和等距輸送進入包裝膜進行包裹，濕巾進入膜的相對位置可以調整。

4）包裝膜包裹濕巾后通過縱封裝置進行加熱封口，然后通過加熱橫封、插角和切斷完成制袋和包裝成型，橫封裝置封口時自動跟蹤包膜的速度，封口位置可以調整，并采用色標自動糾偏功能。

2 系統構成

F P型包裝機的系統控制部分由一臺SIMOTION D445和二臺Control Unit CU320構成；驅動部分一共有15個伺服軸。系統的主要控制和驅動部分配置如表1所示。

表1 系統配置圖

3 工藝功能

結合包裝機的實際工藝把工藝功能分為以下五個部分，并形成了相應的程序功能塊，如表2所示。

表2 工藝功能表

3.1 開卷

開卷功能采用西門子標準的卷繞應用功能塊，采用卷徑計算主速度加張力檢測的修正速度設定控制模式，開卷原理如圖2所示。

圖2 開卷原理圖

卷徑計算采用線速度對角速度進行積分的方式進行計算。設V為主機牽引線速度，ω為開卷軸的角速度，D為卷徑，K為由實驗確定的常數，則根據下式計算卷徑：

根據設置的初始卷徑和當前的主機牽引線速度可以計算出所需的開卷速度主設定值，然后通過開卷軸的速度變化趨勢計算出實際的卷徑，如圖3所示。

圖3 開卷參數界面

浮動輥傳感器檢測的實際值和設定值比較后進行PID運算，運算后的輸出值按一定的比例關系疊加到開卷軸的主設定值進行微調。

3.2 色標糾偏

色標糾偏的功能原理是利用色標傳感器的觸發信號去測量相應電機編碼器的實際位置值，然后與設定值進行比較，判斷電機的相位是超前還是滯后，從而對電機進行相應的加速或減速處理。

使用TM15模塊的Measuring_input功能可以測量電機編碼器，但需要使用快速響應輸入點[4]。對TM15模塊的輸入點設置成Measuring_input功能，需要注意的是輸入點的地址值需要進行相應字節數的“offset”，如圖4所示。

圖4 TM15配置圖

故對軸上的Measuring_input功能進行配置時，輸入地址同樣需要進行相應的偏置[5]。圖5中所示TM15_09模塊的第一個輸入點DI0（端子X520.2）上接有色標傳感器，需要使用Measuring_input的硬件輸入地址為391.0。

圖5 Measuring_input配置圖

在使用色標糾偏功能時，需要根據實際的工藝要求進行相應的限制，首先測量編碼器的實際誤差要達到一定的程度才能啟用糾偏；其次糾偏的動作不能在相位軸的同步區域內進行；再次糾偏的速度要適當，最好能在一個周期內完成需要糾偏的角度，不能太慢，更不能導致相位軸反轉，如圖6所示。

圖6 糾偏設置界面

3.3 修改凸輪曲線

程序中使用了系統功能塊“_setcamscale”對凸輪曲線進行修改，以達到快速變更產品規格時得到不同的凸輪曲線的要求。

如切孔刀輥的刀刃有一定的長度，當刀刃接觸包裝膜時需要保證刀刃的切線速度和膜的線速度一致，才不致于撕破包裝膜。而實際的包裝長度是隨產品規格所變化的，所以需要根據實際的HMI上設置的包裝長度和同步區域的寬度等參數來繪制凸輪曲線[6]。

首先建立一條0～360度斜率為1的原始凸輪曲線，然后在程序中使用“_setcamscale”對凸輪曲線進行相應規格的更改。

把凸輪曲線簡單的分成二段，同步區和非同步。在程序中定義凸輪曲線的三個點和二個斜率值，如圖8所示。

圖7 原始凸輪曲線

圖8 凸輪參數定義

圖8中campoint1和campoint3是固定值，需要求證的其余三個變量值的公式如圖9所示。“camscale.packLength”是HMI上設置的包裝長度，“camscale.Diameter”是HMI上設置的相位輥的直徑，“camscale.syncRange”是HMI上設置的同步區域的寬度。

圖9 需要計算的三個變量值

根據公式得到“_setcamscale”功能塊所需要的所有接口參數，凸輪曲線的二段，分二次調用此功能塊，即可得到所要求的凸輪曲線。

圖10 所求凸輪曲線

4 人機界面HMI

運行控制界面可以控制機器的運行、設置包裝膜的長度和監視實際運行的速度，如圖11所示。

電機選擇界面用來對各臺伺服電機進行選擇性的啟用或屏蔽，可以簡單地實現對單臺或部分電機的手動操作，如圖12所示。

圖11 運行監控界面

圖12 電機選擇界面

包裝膜牽引和送膜等軸進行速度同步，結合設置包裝膜的長度參數和輸送輥的直徑參數，可以計算出速度同步的比例系數，從而控制輸送軸的速度。在速度比例界面可以對速度同步高低速的比例系數分別進行微調，對各個軸同步比例系數的單獨調整可以改變各級材料牽引的張力，對總體的比例系數的調整可以修正實際的分切長度，如圖13所示。

圖13 速度調整界面

貼標控制界面用于調整各個標簽貼在包裝膜上的位置，自動換標功能主要利用設定的二卷標簽的總數量進行操作，使用中的標簽當前數量由設定值減少為一定值時將自動切換到備用卷上，切換的時機由二卷標簽的先后順序和之間的相隔數量來決定，如圖11所示。

圖14 貼標控制界面

5 與其他同類方案相比SIMOTION的優越性

PLC+MASTERDRIVES MC解決方案代表了運動控制中一類比較經典的解決方案，即PLC完成運算以及數據處理功能，MASTERDRIVES MC完成了運動控制的全部功能，西門子SIMOTION與該解決方案相比具有非常明顯的優勢。

5.1 高速通訊接口，可實現等時數據同步

SIMOTION D提供了內部通訊的DRIVE-CLIQ通訊接口，該接口適用于SIMOTION D和S120伺服驅動器之間的通訊，伺服電機編碼器反饋信號等，通訊速率可達到100Mbps，可輕松實現高速數據同步。

5.2 高速的輸入、輸出通道

SIMOTION D提供了若干高速數字量輸入、輸出通道，可以連接對速度響應要求高的信號，實現最快響應。

5.3 集成一體化的編程降低了編程難度

PLC+MASTERDRIVESMC方案里編程人員必須精通PLC的編程、MASTERDRIVESMC的編程以及人機界面的編程。在大多數情況下，完全了解上述三個不同編程方法是有一定困難的。

SIMOTION提供了一體化的解決方案，控制器，驅動器，人機界面的程序全部集成在一起，由一種工具進行開發。編程人員只要了解這一種工具即可完成三個不同部分的程序的編制，大大的簡化了工作量。

6 結束語

SIMOTION作為西門子新一代運動控制器增加了很多實用功能，形成了標準的配置和相應的工藝功能塊，降低了使用者的編程難度，在各個行業都有較多的典型應用，在控制要求高的機械上充分體現了它的優勢。與傳統的PLC+伺服驅動控制器的方案相比，SIMOTION系統軟硬件集成度高、實現多任務運動控制、現場布線簡單、維護方便。

FP型全自動高速濕巾包裝機以西門子的高性能SIMOTION系統作為運動控制系統，簡化了設備的編程和調試過程，提高了機器的整體性能，使得系統的開發周期大大縮短。開放式的HMI界面設計、預置的設備參數和運行參數的自動調整等功能，大大減少了操作人員的工作強度并提高了設備的運行效率。配套好的濕巾包裝機經過現場實際投入生產，系統運行穩定，運行效果良好，加工質量達到要求并提高了生產效率。

[1] 崔潤記,張君峰,李忠.西門子新型運動控制器SIMO-TION D435在全鋼工程胚成型機上的應用[J].橡膠技術與裝備,2007,33(4):49-54.

[2] 張翼成,林嘉瑜,胡明樟.SIEMENS SIMOTION D425在矯直機中的應用[J].冶金叢刊,2007,171(5):22-24.

[3] 黃凱強,項古琴.SIMOTION D425在接箍上下料機械手上的應用[J].機電工程,2008,25(9):65-68.

[4] SIMOTION D4XX commissioning and installation Manual[G].Siemens AG,2006.

[5] SIMOTION LAD/FBD programming and operating Manual[G].Siemens AG,2007.

[6] 葛曉忠.SIMOTION控制系統在全自動高速濕巾折疊機上的應用[J].工業控制計算機,2011,24(5):41-42.