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Lenze 9400伺服PLC在瓶灌装机上的应用

供稿:伦茨(上海)传动系统有限公司 2014/3/20 18:09:47

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  • 关键词: Lenze 9400 伺服PLC
  • 摘要:文章简要介绍了瓶灌装机的发展现状,提出瓶灌装机应用固定电子凸轮曲线存在的问题。针对此问题,本文以灌装半固体物质的瓶灌装机为例,使用性价比较高的Lenze 9400伺服PLC驱动器,提出在线CAM曲线计算的解决方案。

1 引言
       在现代社会中,瓶灌装生产线广泛应用于食品、医药、日化等行业,灌装生产线水平的高低直接关系着产品的质量和生产的效率。随着经济的发展和科学技术的突飞猛进,特别是自动化、智能化技术的广泛应用,瓶灌装机行业受益匪浅。目前,瓶灌装机市场需求庞大,国内外生产厂商众多,竞争极为激烈。面对竞争激烈的市场,如何降低成本,提高生产线技术水平成为众多企业的迫切需求。

       为降低成本、提高技术水平,电子凸轮取代机械凸轮的使用成为一种趋势。电子凸轮的使用极大地降低了生产成本。一般来说,一种电子凸轮对应一种瓶灌装产品,对于需要灌装多种规格瓶子的生产线,需要在伺服驱动器中预置对应数目的电子凸轮曲线,但对于计划外的瓶子灌装则无能为力。Lenze公司推出了9400伺服PLC,采用在线电子凸轮曲线计算的方式解决了这个问题,本文以灌装半固体物质的瓶灌装机为例,提出了电子凸轮CAM在线计算的解决方案。

2 设备主体结构
       设备主体部分主要由运输链、大盘、托盘和灌装喷嘴等机械部件组成。运输链:灌装时,将灌装瓶送至灌装处;灌装完毕后,再将已完成灌装的瓶子运走;大盘:大盘转一圈完成一个工位瓶子的灌装,即一个瓶子灌装完毕后,大盘转一圈,将此瓶从灌装位置移出,同时将下一个瓶子移至灌装喷嘴所处的灌装位置,准备进行下一个瓶子的灌装;托盘:托举瓶子,由伺服电机驱动控制,可以进行精确的CAM位置升降运动;灌装喷嘴:形状为一细长圆柱喷嘴。每一工位瓶子进行灌装时,通过设备控制喷嘴一定的液体流量。

       灌装的主要时序如下:设备灌装时,首先通过运输链将瓶子运送至灌装处,自动装至托盘;灌装喷嘴位置保持不动,由伺服电机控制托盘上升使瓶底接近喷嘴位置;灌装时,液体在固定压力下从喷嘴流出,灌装喷嘴位置固定,伺服电机控制托盘瓶子根据CAM曲线位置自动下降,使喷嘴与液面始终保持固定位置;灌装完毕后,大盘转动一圈,使灌装完毕的瓶子移向传输链,并由传输链送走,同时将下一个空瓶子移至喷嘴所在位置,进行下一个瓶子的灌装。

       此外,也有其他灌装设备采取托盘瓶子位置固定,通过控制喷嘴的上升、下降位置、速度来控制瓶子灌装。虽然机械结构有所不同,但原理大同小异,均使用伺服电机控制位置,以保持灌装时喷嘴和瓶内液面的位置不变。

3 主要难点
       为提高产品的多样性和竞争力,大部分客户设计或选用不同形状的瓶子用于产品包装,作为其提高市场吸引力,进而提高产品竞争力的一个重要举措,但这也增大了瓶子灌装的难度。

       由于灌装所用材料大部分为液态或半固态的物质,且有不同的颜色,为保证整体产品的质量,灌装时,须保持喷嘴与瓶内液面的位置恒定。若灌装时,喷嘴与瓶内液面位置快速脱离或者接触上,容易导致灌装物质在瓶内喷溅或者瓶内产品的内部会有气泡,这样就会影响产品外观及质量。因此如何建立方程或者曲线,通过驱动器控制实现灌装CAM曲线,保证灌装质量,是灌装需要考虑的重要问题。

       此外,一般来说,一种形状的瓶子对应一种灌装CAM曲线。在实际应用中,客户经常会使用不同形状的瓶子,按常规考虑,则需要在驱动器中预存不同的CAM曲线,但这意味着只能灌装在驱动器中预存形状的瓶子,一旦遇到其它形状的瓶子,除非修改曲线,否则影响灌装质量。但在终端客户那里,这会极为麻烦。因此如何建立一种方程,使之适应绝大多数形状的瓶子,也是一个主要的难点。

4 解决方案
       Lenze 9400伺服PLC提供了解决问题的主要载体,9400伺服PLC除具备伺服器的功能外,还兼具PLC的功能,可以进行自由编程。这样,只要建立了合适的方程,就可以通过9400伺服PLC以CAM方式实现,以解决灌装中存在的问题。

4.1. 产品介绍
       9400伺服PLC是Lenze公司推出的一款伺服控制器,也是Lenze最高精度系列产品之一,能为系统处理和过程控制提供革命性技术方法。主要特点如下:

       1) 较高的运算速度及控制精度
       控制器采用32位处理器,极大地提高了运算及控制精度。

       2) 兼容PLC编程功能
       9400伺服PLC具备PLC编程功能,可灵活实现客户不同的需求。同时,PLC运行扫描时间极为迅速,快达1ms。

       3) 通讯兼容性
       通过选择不同的通讯模块,9400伺服PLC可以快捷地与第三方PLC或者其他伺服驱动器通讯,如Profibus-DP、ProfiNet、EtherCAT等模块。

       4) 可集成的安全技术
       可选的可插拔安全模块可满足IEC 61508SIL3安全标准的要求。模块化的解决方法,对于满足将来可能进一步增加的安全要求也提供了可靠的保证。

4.2. 系统配置
       系统配置如图1所示。9400伺服PLC驱动器驱动同步伺服电机控制托盘的上下运动,电子凸轮CAM曲线由9400伺服PLC在线计算,并存储在9400伺服PLC中。大盘上安装一个SSI绝对值编码器,编码器信号接入9400伺服PLC X8接口中,作为CAM曲线的主轴信号,大盘转一个工位,编码器则旋转一周。

图1 系统配置图

       由于系统需要高动态响应,执行电机选用Lenze高性能MCS同步伺服电机。电机在运行过程中会产生发电能量,9400伺服PLC驱动器外接一个制动电阻。

       9400伺服PLC驱动器通过集成的CAN接口与触摸屏进行通讯,扩展IO接口通过CAN总线与9400伺服PLC相连。

4.3. 主要功能
       1) CAM曲线在线计算
       在画面上输入关于瓶子形状的特征点,9400伺服PLC程序中即可根据瓶子形状特征点得出瓶子形状体积模型,然后根据瓶子体积、灌装速度、大盘SSI编码器角度计算出通用曲线方程,离散化得到计算CAM曲线。

       2) CAM曲线计算错误保护
       由于在灌装过程不允许电机倒转或者暴冲,CAM曲线的计算结果需要进行容错检查。
       a) 特征点坐标值输入错误检查;
       b) 灌装曲线趋势检查;
       c) 检查计算结果相邻点之间值是否跳变过大,以防止电机出现暴冲现象。

       3) CAM曲线在线切换
       在生产线灌装过冲中,使用CAM曲线在线切换功能,实现不停机切换灌装不同的瓶子。

        4) Lock to CAM 功能
       运行CAM曲线前,电机可能在任意位置。为防止投入CAM曲线运行瞬间电机出现暴冲现象,可采用以下办法:投入CAM曲线运行命令后,先将电机位置自动定位到CAM计算曲线对应的位置,定位完成后再自动运行CAM曲线。

       5) 转矩补偿
       在外部惯量较大时,可以采用转矩补偿。由于电机运行时,外部负载为固定值,且负载方向一直向下,可以等同为位能性负载。伺服控制器驱动电机带动杆上升时,需要加上此负载对应的转矩量;电机带动杆下降时,则需要减去此负载对应的转矩量。

5 Lenze亮点
       1) 高精度的伺服PLC驱动器,32位处理器,具备极高的运算及控制精度,程序扫描时间可达1ms;
       2) 除具备9400伺服驱动器特性外,还兼容PLC功能。一台9400伺服PLC可替代PLC+伺服驱动器的组合,减少成本,性价比较高;
       3) 可执行公式生成的计算CAM曲线或者固定CAM曲线,CAM曲线之间可进行在线切换;
       4) 兼容第三方设备的Profibus DP、ProfiNet、EtherCAT等常用的通讯;
       5) 外围可扩展IO端口。

6 结论
       9400伺服PLC驱动器除具备高精度伺服控制的特点,兼具PLC的功能,支持ST、FBD等多种编程语言,还可以进行外围IO扩展,具备较高的性价比。此外,还可以实现在线CAM曲线计算、固定CAM曲线与计算CAM曲线的切换等多种功能,对于灌装设备技术水平的提升有着重要的实际应用意义。

 

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