基于HMI＋PLC＋SERVO的台达控制方案在牙膏封盖机上的应用

牙膏封盖机是一个机电一体化的产品，其核心是控制系统。该控制系统方案基于DELTA（台达）AE系列人机界面、 SS系列PLC、ASD－A伺服系统等产品的有机组合，借助其产品的数据通讯功能能够很灵活地构造控制方案，它相对于传统的D/A模拟量控制具有可靠性更高，控制更精准的优点。以下重点讨论各系统如何利用通讯功能以实现其间的数据交换和如何使伺服系统的响应速度和机械的扭矩限制相配，以实现在牙膏封盖机上的牙膏封装工艺要求。

牙膏封盖机的工艺要求和机械结构

牙膏封盖机是牙膏包装生产线上的关键性设备，主要用于牙膏灌装后的封盖动作，其工艺要求如下：（1）封装速度能够配合前端灌装生产线的送料速度，实现封装速度可以调节；（2）能够对牙膏的封盖扭力进行设定，并只有在封装扭力达到设定值后才能继续封装，以保证牙膏盖的封装质量；（3）能够对来料的相关参数进行检测，并实现自动送料。牙膏封盖机的机械结构如图1所示。


图1 牙膏封盖机的机械结构示意图

控制系统的硬件配置和功能设计

通过对整个机械工艺特点和功能要求的分析，确定程序控制单元采用PLC实现，HMI人机界面作为监控单元，选择SERVO驱动单元作为速度和扭力控制单元，以满足整个机械的电气控制硬件要求，其电气系统控制硬件架构如图2所示。



1）PLC程序控制单元

程序控制单元采用DELTA SS系列小型PLC，其主要特点有：

（1）体积小巧，成本更低；
（2）14点主机设计，8点数字输入和6点晶体管输出；
（3）内建RS232和RS485双通讯端口，可以采用通讯方式读取HMI设定数据。

PLC I/O点规划如表1所示，PLC与HMI关联M辅助继电器定义如表2所示。



2）HMI监控单元

HMI监控单元的主要任务包括：

（1）模式功能的选择（运行模式M3、监控模式M2、参数模式M1）；
（2）控制功能（运行M4、停止M5）；
（3）监控功能（PLC I/O状态的读取、伺服 I/O状态的读取、加工总数等信息）；
（4）参数设定功能（封盖伺服速度设定、封盖伺服扭力设定）。

HMI监控单元采用DELTA DOP－A 5.7’系列彩色人机界面，以实现对控制系统的操作、监控和参数设置等功能，有以下主要特点：

（1）256色彩显示，5.7’ 监控界面；
（2）支持双通讯联机功能，可同时连接2种不同协议的控制器，方便架构多机联机网络；
（3）软体内建与台达PLC和伺服通讯及内部协议，可以方便编程，简化设计；
（4）可以通过多级密码设定功能来实现多用户管理；
（5）内建万年历功能。

HMI 支持双通讯联机功能，可同时连接2种不同协议的控制器。本案使用HMI的COM2与PLC进行RS485通讯，用以设定PLC 程序中的按钮等元件，并可将PLC的运行状态反馈在HMI上，此外还使用了HMI的COM1与SERVO进行RS232通讯，用以与伺服内部寄存器交换数据，架构见可图2。

该方案的优点在于无需增加任何通讯模块，其控制功能是在各控制单元硬体和软体自身通讯功能的基础上构建实现的，因此可以使成本更低、应用更方便、性能更稳定。

HMI人机界面规划如图3所示。


图3 人机界面规划示意图

表3和表4分别给出了各个要素的相关说明。



3）SERVO速度和扭力控制单元

SERVO单元的主要任务包括：
（1）对封盖时电机速度的调节；
（2）对封盖时电机输出最大扭力的调节和检测。

SERVO单元采用DELTA ASD－A 系列100W伺服系统，以实现对机械封盖时速度控制和对封盖时最大扭力进行限定。它有以下主要特点：除传统的位置控制、速度控制和扭矩控制外，有PR通讯模式、内部速度和内部扭矩功能；内建RS232/RS485/RS 422通讯端口，可以采用通讯方式快速获取相关数据；具有扭力限制功能，开启该功能，能够限制电机输出的最大扭矩。伺服单元相关参数设定如表5所示。



这里需要说明两点。

（1）关于内部速度模式的说明

伺服速度模式主要应用于对机械速度精度要求比较高的场合。伺服单元有两种命令的输入模式，即外部模拟量输入（即S速度模式）和内部寄存器输入（即SZ 内部速度模式）。当选择SZ模式时，可以通过通讯的方式改变命令寄存器1－09（地址0109H）的内容值，并且还可通过伺服外部的DI -SPD0输入来切换命令，如表6所示，SZ模式下的时序图如图4所示。由上述可知，在内部速度模式下，只要改变伺服内部寄存器1－09的内容值, 即可改变伺服电机执行封盖的速度。



（2）关于最大扭矩限制功能的说明

伺服扭矩限制功能通过伺服外部DI2 TRQLM开启后，电机的最大输出扭矩设定值＝电机的额定输出扭矩×P1－12的设定％，单位NM。100W的伺服系统额定扭矩为0.318N.M，当P1－12设定为10时，电机最大输出扭矩＝0.318×10％＝0.0318N.M。当伺服扭矩限制功能开启后，可由通讯方式改变命令寄存器1-12（地址010CH）的内容值, 并可通过伺服外部的DI 输入切换扭矩命令的来源。当电机输出扭矩达到设定的电机最大输出扭矩后，电机会停止运转，并且以反作用力的形式保持，同时伺服单元的DO输出TQL便会由OFF变为ON，扭矩限制功能时序图如图5所示。

由上述讨论可知，只要在开启扭矩限制功能的前提下，改变伺服内部寄存器1－12的内容值，即可限制伺服电机输出扭力的大小。



（3）其他辅助单元

其他辅助单元还包含给控制回路提供电源的DC24V开关电源，DC24V微型电磁阀，以及外部紧急停止按钮等辅助电器元件。

工艺过程程序设计

牙膏封盖机控制系统并不复杂，但是对工艺过程却有严格要求。根据生产线生产设备对工艺过程各个环节对工艺的具体要求，经过分析可以绘制出整个生产过程的程序动作流程图，如图6所示。按照该动作流程图编制出各子模块的相关程序并非难事，具体程序在此从略。



结束语

在上述基于台达HMI＋PLC＋SERVO的牙膏封盖控制系统的应用案例中，文中只对基本原理作了说明。借助台达产品据通讯功能的优势，能够很灵活地构造各种控制方案，它相对于传统的D/A模拟量控制具有可靠性更高、稳定性更好、控制精度更高的优点。