西门子SIMATIC S7-1200在枕式包装机中的应用_包装机_西门子

西门子SIMATIC S7-1200在枕式包装机中的应用

2013/7/24 13:39:36

SIEMENS S7-1200 IN THE PILLOW PACKAGING MACHINE APPLICATION

枕式包装机与立式包装机的区别主要在包装食品的形状上面来分，立式包装机主要包颗粒状、粉济状及液状等食品，而枕式包装机主要包装一些具有一定形状的块状食品，比如糖果、饼干等等。在华南地区的小型枕式包装机由于竞争激烈，价格低，利润空间小，为了控制成本他们大多数厂家使用单片机控制，但是使用单片机存个一些问题，比如干扰、以及修改程序不太方便。日本松下电工有限公司有一款小型PLC价格便宜且运算速度快受到许多厂家的青睐，但是最近一两年内由于中国外贸交易的日益增加，尤其是欧洲地区，他们对日韩地区的产品的认可度不够，为此这些厂家只能选择欧美地区产品，也就是这样一个机会西门子小型PLC在枕式包装机上开始了初始的使用。但是在使用的过程中也遇到一些问题。本文主要来探讨一下调试过程中遇到的问题与解决方式。

1 项目简介

枕式双变频食品包装机，其中最主要也是最难点就是控制两台变频器的频率以达到速度匹配的目的，此项目中S7-1200为控制系统核心，G110变频器为驱动部分核心，2009年，首台以S7-1200为控制系统核心的枕式包装机出口德国，时至今日，运行还是相当稳定。

2 工艺流程介绍

2.1产品工艺

枕式包装机主要完成成型、定位、包装和封口等功能。主要包括以下几个系统部分：

封切系统，加热系统，变频调速系统，电气控制系统。

包装机控制方式分为定长跟踪方式、色标跟踪方式。主要验收标准为：

（1）设定袋长与实际袋长误差不得大于2mm。

（2）当设定袋长发生改变时，三包内必须达到正常的误差范围内。

（3）包装规格为：最大200mm袋长，150bag/min。

操作步骤

（1）设定好参数，检查包装膜是否装好，色标光电是否完好。

（2）按下手动按钮，测试包装袋子是否完好。

（3）按下自动按钮，随机釆样测量是否付合要求。

2.2 设备工艺流程

根据产品生产要求工艺如图2.1所示

3 方案确定

枕式包装机程序流程看起来非常的简单，但是内部的计算却是非常的繁杂，现在行业内的大多数国内商家还是在使用一些单片机、或是一些价格低廉的PLC（松下），由于他们一些国外的客户的需求及竞争的日益剧烈使他们也开始了设备功能及品牌上面的升级，西门子PLC就在这个环境下进入了这个行业，刚开始设计的时候由于考虑价格的问题初期选择了西门子S7-200系列PLC，在最后的调试阶段中发现PLC的扫描周期与松下PLC相比大了5倍以上，由于计算中使用了数据釆集的功能，而数据釆集又与扫描周期有很大的关联，间接性影响了包装的精确度。于是最终选择了比S7-200运算速度更快的S7-1200系列PLC。

S7-1200的突出特点：

� 模块化设计、功能强大、易于使用。

通用的接口、强大的通讯功能以及简单且与众不同的集成工程组态软件带给你全新的应用感受。

� 实现小型自动化系统的可扩展设计---源于模块化设计理念。

SIMATIC S7-1200具有集成PROFINET接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性

等特点，为各种工艺任务提供了简单的通讯和有效的解决方案，尤其满足多种应用中完全不同的自动化需求。

� 快速、简单、灵活的工业通讯。

� 将强大的工艺功能集于一身。

(1) PLCopen 动动功能块

(2) 驱动调试控制面板

(3) PID调试控制面板

4 产品硬件配置

PLC选择S71200系列的CPU1214; 变频器选择西门子G110系列变频器0.4KW、0.75KW各一台。见图2.jpg

两台变频器分别控制切刀与，送纸电机的速度来实现不同的包装速度与袋长的需求。

5 软件开发

表格5-1，PLC I/O 分配图

Fig5-1，PLCI/O distribution chart

表格5-2，变频器参数表

Fig5-2，Inverter parameter table

PLC通过模拟量控制两台变频器，程序的最大难点就在于数据的计算，下面就此机的程序运算方法进行探讨。

首先在程序中送膜速度及切刀速度值为0-999的值,即是把频率分成了1000等分，通过控制速度的千分比来控制模拟量的输出来达到控制变频器频率的目的。因为切刀编码器的位置与切刀位置的速度比为2：1，切刀每旋转180度可以切一包，所以当编码器旋转一周即等同于切刀切一次。每分钟包装数就等于每分钟切刀切割次数，也等于每分钟编码器旋转的圈数。由此假设编码器速度与电机转速比为：I编码/电机

包装速度为：V包装

电机转速为：N电机

变频输出频率为：f变频

电机极对数为：P电机由下式：

N电机 = V包装 * I编码/电机 ①

N电机 = 60f变频/P电机 ②

由①、② 可得:

f变频 = V包装 * I编码/电机 * P电机 / 60

已知电机 P电机 = 2 所以：

f变频 = V包装 * I编码/电机 / 30 ③

而频率的千分比为：

F千分比 = ( f变频 / f变频最高 ) * 1000 ④

由 ③、④可得到下式：

F千分比 = （V包装 * I编码/电机 / 30 * f变频最高 ) * 1000

如子程序CALL_0中程序段7所示:

由同样的原理可知送纸变频器频率的初始化为：

假设：包装袋长为 :L袋

走纸减速比为:I走纸

走纸筒直径为:D滚筒

走纸变频器频率千分比：F千分比可得：

F千分比 = （I走纸 * L袋 * V包装 / f变频最高 * 30 * 3.14 * D滚筒） * 1000

公式的理解：

滚筒的周长 = Π * D滚筒 = 3.14 * D滚筒 ⑤

一分钟走纸总长度 = I走纸 * L袋 * V包装 ⑥

由 ⑤、 ⑥ 可知：

一分钟走纸旋转的圈数 = 一分钟走纸总长度 / 滚筒的周长 = 纸筒的转速

由纸筒的转速和减速比便可知送纸电机的转速，然后由②便可得到所需要的频率值f。

那么 F千分比 = f / f变频最高 * 1000

如子程序CALL_0中程序段8所示:

程序中：

DT114（纸的原始千分比） =（走纸减速比 * 包装袋长 * 包装速度 / 最高频率 * 30 * 3.14 * 走纸筒直径） * 1000

DT6（实际千分比）= DT114 WR251（纸长校对系数）

其中WR251为纸长校对系数，是系统自己计算出来的偏差补偿值。变频器最终的频率值由DT6决定。

校对系数的准确性直接影响了设备的精确性及快速反应的能力，其计算的原理就是釆样求平均值，然后拿平均值与理论值相比较的差值即为校对系数参考值。釆样越多就越接近实际值，此程序选择釆样数为400个，由于一个扫描期只能釆样一个数据所以如果选择一个不合适的数量可能会出现反应滞后或有很大的波动。

如main程序中程序段16所示：

程序中每个扫描从数组中读取一个数值然后送到累计值（MD10）中相加，直到取到400个数后求平均值，结果与理论值（MD300）相减就可得到校正系数（WR251）

系统中关于偏差的判断与纠正也是这个程序的主要计算的一部分，在这个系统中当速度确定后，那么切刀的转速就是恒定不变的，那么当切刀旋转一转，那么走纸编码器也应该刚好走一个袋长。由此可知走纸实时参考值 = 切刀编码器值*(包装袋长/滚筒周长)*编码器线比例切断位置理论编码理论值如CALL_4中程序段4和5所示：

接下来把走纸过程分为上下两部分进行校正，实际参考值与半个袋长值相比较如程序CALL_4中程序段6，上半个袋长的修正如程序段7，下半个袋长的修正如程序8所示：

数据釆集的主要内容是每个扫描周期中当前纸变频器的实际频率千分比（DT6）与前面的校正系数的计算是密切关联的。

* 原程序见附件。

6 应用体会

SIMATIC S7-1200控制器的使用提升了设备本身的品牌与档次，拉开了与其他同行设备，有助于开拓欧美市场，由于PLC本身自带以太网口，首先大大提高了PLC与人机界面的通讯速度，其次以太网是以后工控设备通讯的走向，早期进入对其以后的竞争有着很大的优势。

7 意见与建议

SIMATIC S7-1200控制器自带的以太网口通讯速度虽然很快，但这就要求配对的人机界面也需要带以太网口，西门子虽然也出了KTP系列的产品，但是由于各种原因客户暂时还未能接受。本系统中使用的是WENVIEW的产品。如果能一整套使用西门子产品的话那样效果会更加优越。

参考文献

[1] SIMATIC S7-1200系统手册:高速计数器HSC指令的编程,FieldWrite 与FieldRead 指令的应用。

[2] SINAMICS G110简明操作手册:电机参数设定，数字输入端参数设定。