制袋机控制

制袋机控制
制袋机电气部分设计
介绍了利用台达可编程控制器(PLC)与交流伺服控制器针对FD1500型制袋封切机控制系统项目开发技术。

项目人机界面选用台达触摸屏(HMI)提供友好的人机交流接口与合理的控制流程，以实现高效率、高精度的袋料剪切。

本文分别就制袋机的工作原理，电气设计，HMI、PLC选型及程序设计等几方面进行阐述，该电气系统的成功开发可以为使用台达HMI、PLC与交流伺服电机相结合的机电一体化控制系统项目开发起到借鉴示教作用。

1、引言
项目原型基于小型制袋封切机开发外销出口型新机。

原制袋宽度为600-
1000mm。

由于该机型送料胶辊惯量较小，送料电机采用130步进电机经过减速可实现传动，使用单片机进行位置控制。

新机型制袋宽度提高到1500mm，送料胶辊惯量大幅增加，考虑到既能满足精度和速度的要求又有较大的瞬间转矩，送料系统改用伺服电机。

由于用PLC开发周期较短而且抗干扰性、灵活性好，所以采用
PLC+HMI作为控制系统。

同时可实现中英文操作画面，满足设备出口的要求。

2、封切机机工艺
2.1 工艺结构
封切机机由机身、上下切刀、变频传动机构、上下送料胶辊、伺服传动机构、放料架、放料直流电机、可调色标检测架、可移动操作箱、电控箱等单元构成，参见图1图片。

图1 封切机机侧视外观图
2.2 封切机工艺过程
(1)空白定位运行方式:忽略色标信号，送料长度为设置袋长，送料完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，以等待收料设备或操作人员收集袋料后，再次启动并循环工作。

(2)色标定位运行方式:送料长度为设置袋长，在此期间的色标信号忽略，继续送出偏差长度的袋料，检测色标信号，定位于色标信号，定位完成后剪切并计袋数，循环动作直至袋数达到设定值，停机并延时至设置时间，等待收料设备或操作人员收集袋料后，再次启动并循环工作。

若误检次数达到默认值，则停机并报警。

工作流程如图2所示。

图2 控制流程简图
3、FD1500型封切机机电系统设计
3.1 传动系统设计
(1)切刀传动系统。

切刀传动系统为交流变频器拖动三相异步电机，由面板电位器调速，PLC控制切刀启动与停止。

传动轴上安装2只霍尔开关，分别检测切刀低位和送料/切刀高位。

开关1:切刀低位信号，该信号为送料停止信号。

若送料时检测到切刀低位信号则表示系统超速，需报警并停机。

开关2:收到切刀低位信号后的首次ON信号为送料信号，是送料电机的启动信号;第二次ON 信号为切刀高位信号，是高位停机时的停机信号。

(2)送料传动系统。

送料传动部分为交流伺服系统，采用同步带1:2减速传动。

动力选用台达中惯量2KW伺服电机。

具体型号:驱动器ASD-A2023M，电机
ASMT20M250。

(3)控制精度计算。

通过以下计算得出单个脉冲对应的送料长度，即为控制精度。

最小定位的长度 =
π:圆周率
D:最大胶辊直径=200mm
P:每转脉冲数=10000Pulse
i:减速比=1/2
最小定位长度 = = 0.0314mm
系统要求0.2mm定位精度，现计算得出控制精度为0.0314mm，因机械定位误差不大于0.1mm，所以:定位精度+机械误差=0.1314mm<0.2mm，定位精度满足制袋机系统要求。

(4)最高脉冲输出频率计算。

用户要求最高送料速度为180m/min，由此可计算得出系统所要求的脉冲输出频率，以此为PLC选型的重要依据。

3.2 PLC与HMI选型
(1)输入信号统计。

在色标传感器检标时，由于袋料上所印刷的色标不同，故亮通(Light On)、暗通(Dark On)均有可能。

无论亮通或是暗通，在检测到色标信号时都需要PLC作出中断响应，所以需要把色标传感器的Light On与Dark On都接入PLC。

色标信号:2点;低位信号:1点;高位/送料信号:1点，共4点DI信号。

(2)输出信号统计。

脉冲输出(Pulse+Sign):2点(Y0，Y1);切刀动作:1点;冲孔动作:1点;蜂鸣器:1点;共5点DO信号。

(3)其它功能。

可输出大于系统所要求频率(95541pps)的脉冲;2点外部中断回应。

基于以上考虑，PLC选择DVP-20EH00T。

具体功能参数为:200Kpps脉冲输出，8点外部中断回应。

同时与HMI通信可使用RS485连接，抗干扰能力优于一般的
RS232通信方式。

HMI选用台达DOP-A57GSTD高性价比触摸屏，通过图3可见触摸屏操作更为直观方便。

大部分操作在HMI上进行，从而可减少外部按钮开关、指示灯的使用，只保留急停按钮等必要设备。

图3 新旧机型HMI操作面板对比
机电一体化封切机电系统原理如图4所示。

图4 系统原理简图
3.3 PLC程序设计要点
主体程序使用逻辑顺序控制，除此之外的编程重点如下:
(1)使用浮点运算。

为减小计算误差，如袋长脉冲数、偏差脉冲数等重要数据的计算，均使用浮点运算。

经过验证，计算误差小于0.001mm。

(2)袋长脉冲送料使用DPLSR可调加减速脉冲输出指令，反复修改并验证启动频率与加减速时间设置的合理性。

完成袋长脉冲之后，使能色标检测，以忽略袋料中间部分的色标误检。

检测到色标时，响应外部中断，执行中断程序置位M1334以停止CH0脉冲输出。

可设置亮通(Light On)中断或是暗通(Dark On)中断。

精简中断程序的内容，尽量减少中断对扫描周期的影响。

4、结束语
FD1500型制袋封切机的性能虽已达到最初的设计目标(在袋长为1000mm时，制袋速度:60个/分)，但PLC脉冲输出频率尚有较大余量可用。

使用标准100mm直径胶辊时，可改变伺服电机电子齿轮比，在保证控制精度的前提下，更进一步加大PLC脉冲输出频率的余量。

以上有利因素均为FD1500型制袋机提高加工速度奠定了良好的基础。

二次开发时，加大减速比至1:3，将突破伺服负载/电机转子惯量比过大这一限速瓶颈，最终提高生产效率。

关于变频器的一些知识
引子:其实呢,我的工作重点侧重于PLC编程这块的,对于传动这块不大了解,由于前段时间公司的一个项目,电气设计人员选择的
变频器容量与电机容量一样,甚至略小,使得在运转到某频率时,总是歇菜,搞得调试人员戏称:小牛拉大车,哪有不歇菜呢,哈哈,这不回来后也查查资料,学习下,在这里引用了那些大虾的见解,请见谅～
1、变频器容量的选择
变频器容量的选择是一个重要且复杂的问题，要考虑变频器容量与电动机容量的匹配，轻易偏小会影响电动机有效力矩的输出，影响系统的正常运行，甚至损坏装置，而容量偏大则电流的谐波分量会增大，也增加了设备投资。

1。

1变频器容量选择的步骤:
变频器容量选择可分三步:
(1)了解负载性质和变化规律，计算出负载电流的大小或作出负载电流图
I,f(t)。

(2)预选变频器容量及其他
(3)校验预选变频器。

必要时进行过载能力和起动能力的校验。

若都通过，则预选的变频器容量便选定了;否则从(2)开始重新进行，直到通过为止。

在满足生产机械要求的前提下，变频器容量越小越经济。

1。

2基于不用电动机负载电流下变频器容量的选择一般地说，变频器的容量有三种表示方法:?额定电流;?适配电动机的额定功率。

?额定视在功率。

不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定。

通常变频器的过载能力有两种:?1。

2倍的额定电流，可持续1分钟;?1。

5倍的额定电流，可持续1分钟;而且变频器的答应电流与过程时间呈反时限的关系。

如1。

2(1。

5)倍的额定电流可持续1min;而1。

8(2。

0)倍的额定电流，可持续0。

5min。

这就意味着:?不论任何时候向电动机提供在1min(或0。

5min)以上的电流都必须在某些范围内。

?过载能力这个指标，对电动机来说，只有在起动(加速)过程中才有意义，在运行过程中，实际上等同于不答应过载。

下面讨论如何根据电动机负载电流的情况来选择变频器的容量。

1。

2。

1一台变频器只供一台电动使用，即一拖一。

在计算出负载电流后，还应考虑三个方面的因素:?用变频器供电时，电动机电流的脉动相对工频供电时要大些;?电动机的起
动要求。

即是由低频低压起动，还是额定电压、额定频率直接起动。

?变频器使用说明书中的相关数据是用该公司的标准电机测
试出来的。

要注重按常规设计生产的电机在性能上可能有一定差异，故计算变频器的容量时要留适当余量。

(1)恒定负载连续运行时变频器容量的计算。

由低频低压起动或由软起动器起动，而变频器只用来完成变频调速时，要求变频器的额定电流稍大于电动机的额定电流即可:IFN?1。

1IMN，其中，IFN—变频器额定电流，IMN——电动机额定电流。

额定电压、额定频率直接起动时，对三相电动机而言，由电动机的额定数据可知，起动电流是额定电流的5—7倍。

因而得用下式来计算变频器的频定电流。

IFN?Imst/KFg
式中Imst—电动机在额定电压，额定频率时的起动电流。

KFg—变频器的过载倍数
(2)周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算。

很多情况下电动机的负载具有周期性变化的特点。

显然，在此情况下，按最小负载选择变频器的容量，将出现过载，而按最大负载选择，将是不经济的。

由此推知，变频器的容量可在最大负载
与最小负载之间适当选择，以便变频器得到充分利用而又不到过载。

首先作出电动机负载电流图n,Φt)及I,f(t)，然后求出平均负载电流Iav再预选变频器的容量，关于Iav的计算采用如下公式:
Iav,(I1t1+I2t2+…+Ijtj+…)?(t1+t2+…+tj+…) 考虑到过渡过程中，电动机从变频器吸收的电流要比稳定运行时大，而上述Iav没有反映过渡过程中的情况。

因此，变频器的容量按IFN?(1。

1—1。

2)Iav修正后预选(式中，Ij为第j段运行
状态下的平均电流，tj为第j段运行状态下对应的时间，同时若过渡过程在整个工作过程中占较大比重，则系数(1。

1—1。

2)选偏大的值。

(3)非周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算。

这种情形一般难以作出负载电流图，可按电动机在输出最大转矩时的电流计算变频器的额定电流，可用该式IFN?IM(max)/KFg(式中IM(max))为电动机在输出最大转矩时的电流，确定。

1。

2。

2一台变频器同时供多台电动机使用，即一拖多除了要考虑一拖一的几种情形外，还可以根据以下三种情况区别对待。

(1)各台电动机均由低频低压起动，在正常运行后不要求其中某台因故障停机的电动机重新直接起动，这时变频器容量按IFN?IM(max)+ΣIMN，(式中ΣIMN，为其余各台电动机的额定电流之和。

IMst(max)为最大电动机的起动电流, (2)一部分电动机直接起动，另一部分电动机由低频低压起动。

除了使电动机运行的总电流不超过变频器的额定输出电流之外，还要考虑所有直接起动电动机的起动电流，即IFN?(ΣIMst’+ΣIMN’)/KFg，(式中，ΣMisty为所有直接起动电动机在额定电压，额定频率下的起动电流总和，ΣIMN为全部电动机额定电流的总和)。

上述是变频器容量选择的一般原则和步骤。

生产实际中，还需要针对具体生产机制的非凡要求，灵活处理，很多情况下，也可根据经验或供给商提供的建议，采用一些比较实用的方法。

2、变频器起动加速为能力的校验
在电动机起动(加速)的过程中电动机不仅要负担稳速运行的负载转矩，还要负担加速转矩，假如生产机械对起动(加速)时间无非凡要求，可适当延长起动(加速为)时间来避让峰值电流。

若生产机械对起动(加速)时间有一定要求，就要慎重考虑。

如前所述，变频器的答应电流与过程时间呈反时限关系。

假如电动机起动(加速)时，其电流小于变频器的过载能力，则预选容量
通过，假如电动机起动(加速)时，其电流已达到变频器的过载能力，而要求的加速时间又与变频器过载能力规定的时限发生冲突，这时，变频器的容量应在预选容量的基础上增容。

2: 变频器的性能测试
宽电压宽频率运行/高温环境/低频转矩/响应速度/停车时间/输出短路保护/工变频切换/
严刑拷打变频器，是好是歪咱自明。

目前，变频器的品牌越来越多，型号越来越杂，通用型、专用型、磁通闭环控制、高性能有速度传感器、无速度传感器矢量控制等各种变频器令人眼花缭乱、目不暇接，光是变频器前的各种名称就叫人犯愁，让咱们用户选型使用时无所适从，而有时咱们根本都不知道如何去选，只好听厂家、代理商或经销商瞎吹，哄到咱们的钱就是能耐，用过之后，那苦真是哑巴吃黄莲啦。

上下两张嘴皮，变频器本身的工夫不咋地，嘴上的工夫确实了得，让人不得不服。

不管变频器姓土还是姓洋，拉出来好好审审，看看市面上的洋东东、土东东的家伙是硬还是软，严刑拷打看看她是不是个真革命党。

变频器的性能是好是坏、品质是高是低，严刑拷打之后，基本上该招的都招了，该降的都降了，把招了的、降了的统统都咔嚓掉，剩下的没多少东东咱们好生款待，以后咱们就是她的用户了。

为了让最终结果具有普遍性，选一个380V/30KW的东东较为合适。

上刑之前，先给洋东东、土东东腾出个足够大的地方，以免她受不了，
自焚伤了咱们。

常用的刑具有: 1( 坐电椅不用怕，其实就是上电。

原本洋东东、土东东都不应该怕坐电椅的，只要电网都能符号咱国家标准。

不过，这可是在咱中国，咱中国可是个有特色的地方，电网也不例外。

夜间，用电少时，电网电压会升到460V~480V，有时还会更高一点，白天用电高峰，电网电压又会降到
290V~310V，甚至更低。

让咱再配个可调变压器，那得多大容量，多少钱啊，咱可没那经济实力，对不住，只好让这些土、洋东东们受累了，咱也是没办法。

电网的
波动，对咱还算不是最严重的问题，毕竟还有电，咱可是个用电大户，每月7、8千安，求爹爹，告奶奶，好不容易同意给咱6千安/月的用量，这不还差1、2千安的缺口，只能靠咱自己发电啦，发电你就别在挑剔了，电压是忽高忽低的，频率是不稳的，谐波还是比较重的。

用市电和发电让咱逮住的东东各拷打72小时，原来咱吃啥就给她吃啥，原来咱喝吃啥就给她喝啥，既不袒护，也不虐待，挺过6天的拷打，啥都不说的，咱算她过了第一关。

正常的过压和欠压以及出现缺相故障，咱算她喊冤有理，不作为招供论处。

喊其他的地方疼(如过流，短路等)的东东大部分最终都会成为叛徒。

拷打过不少的土、洋东东，咱还得表扬表扬咱们自家的土东东们，说句实话，土鳖坐电椅的能力还要强于洋龟，洋龟上电椅之前还挺横，上出不多久就蔫了，特别是咱自己发电时，几乎含盖所有的洋龟，不是这疼，就是那疼，不自焚，能唧唧歪歪地熬了6天的洋龟没几个。

水土不服原来在这里也适用。

有的6
天都没熬到，就爬不起来了，她爹回去解剖后，有说咽喉(整流桥炸)烂了的，有说心脏(IGBT炸)破裂的，还有说不明原因的或是说了咱也没弄明白的。

国内大部分的东东都能熬过市电的拷打，但也有些例外，如国内的一些廉价杂牌机:铁皮如纸薄，器件论斤称，螺钉像棉花，内脏像块豆腐渣。

当然，少数几个咱国内的东东也能熬过发电的拷打。

发电对土、洋东东都是一个不小的坎。

过不了市电关自焚的，此项故障对故障率的贡献估计不下12%。

过不了发电关自焚的，此项故障对故障率的贡献估计不下5%。

这可能就是洋东东只到大城市而不到咱们乡下来的原因。

2( 过火焰山不用怕，就是测试耐高温，听说电子器件与SARS病毒一样，也怕高温。

武汉、重庆和长沙昔日被称为三大火炉，没空调的时代，男女老少都睡到大街上避暑。

这些年虽有了空调，不用再睡到大街上(没有恐怕现在谁也不在敢了，特别是年轻貌美的女生)，但又有什么厄尔尼若、温室效应，搞成世界全球变暖，连北方的北京、西安温度都有40度，还是摄式的，越是工业重镇，气温还越
是要高。

工业化程度越搞，变频器的需求也还越旺。

唐僧师徒过火焰山时，靠孙猴子借到了芭蕉扇，洋东东、土东东不知能靠什么渡过炎热的中国夏季。

咱的生产厂虽是在乡下，可咱生产的设备已像马季先生的“宇宙”牌香烟遍布全中国的大中小城市、乡镇和农村，走遍了咱祖国的大江南北，山山水水，最近，还飘洋过海，出口了，赚了点除美金和欧圆之外的外币，别看咱的设备土，咱现在也是咱当地的创汇大户了。

说
了老半天，是为了说明咱的设备是要耐得住高温环境的，不是有意要跑题。

现在还是回到洋东东、土东东们怎么过火焰山吧。

把洋东东、土东东逮到的时候可能是齐秦的“大约在冬季”，等到夏季，咱手头的那点银子恐怕早被洋东东、土东东的主子骗到手了。

打铁要趁热，王铁人不是说，有条件要上，没有条件创造条件也要上吗。

咱也学学王进喜，整一个封闭室，里面加两个3000瓦的电炉烤着，让洋东东、土东东们在冬季在咱这里也能感觉到夏天般的温暖，把洋东东、土东东的操作器用延长线引到室外，一则咱不陪她受热，二则以免她自焚。

咱也不用怕她流汗，采用马胜利的满负荷工作法咱定单都完不成，咱可得把非典造成的损失补回来，至少也要减到最小，让她多拉快跑，不用十年时间，咱们就能赶英超美了。

过火焰山的能耐洋东东就要强过咱国内的土东东了。

土东东有的不一会儿就喊口渴(OH)，有的不多久就放炮烧了，洋东东也有喊口渴、放炮，但比例小一些。

过火焰山放炮的，此项故障对故障率的贡献估计不下10%。

过火焰山喊口渴的，此项故障对故障率的贡献估计不下2%。

3( 鞭抽筋骨皮抓进大牢，不抽几鞭子是办不到的。

真抽还是佯抽，那就得看你会不会贿赂牢头了。

不过在咱这你就可免了这份心，咱这没牢头，鞭子是要真抽的，咱不真抽，过不了多久咱就得被真抽，咱可比你们还怕痛。

咱也不多抽，只抽三鞭子。

第一鞭:老牛耕地冯小刚最近的一部大片《手机》里有句台词:还是农业社会好啊，通讯不发达，赴京赶考，一去就是几年，回来说啥子都成立。

农业社会是啥个样子，要咱说就是老牛耕地，老牛套上轭头，慢慢悠悠在田里来回犁地。

咱虽是要真抽，但不会太狠。

低频1~3HZ满载让洋东东、土东东拉上个8个钟。

不能拉的或拉不动的直接甩了。

拉的时候自燃、自爆或烧咱电机的，也不是个好东西。

自燃、自爆的，此项故障对故障率的贡献估计不下3%。

第二鞭:小龙出拳一代武师李小龙悟出了霍师傅的迷踪拳真缔，并把它发扬光大，威震武林，几乎没人能过他的三拳头。

一则出拳速度快，二则每次出拳位置不定。

咱逮到的东东反映速度是否也很敏捷呢。

加速时间0S跑不动，没关系，咱就降点，0.5S怎么样，还不行，再降点，1.0S够了吧。

还跑不动的，行军时，肯定会掉对，逮住了100%是叛徒。

一跑就死掉的，此项故障对故障率的贡献估计不下5%。

第三鞭:悬崖勒马悬崖勒马就是变频器带大惯量负载时的快速停车。

带上制动单元刹车电阻，1S 还停不下来的，这马基本上会掉下悬崖。

大惯量负载停车时炸机的，此项故障对故障率的贡献估计不下5%。

4( 反弹琵笆琵笆是咱们大中国古代歌女们常用的一种乐器，达官贵人们在娱乐消遣之前，都要先听上几曲。

最为著名的恐怕要算白居易老先生的《琵笆行》了，什么犹抱琵笆半遮面、大珠小珠落玉盘，让人遐想连连。

只可惜现在会欣赏的人不多，会演奏的就更少，能反弹琵笆的基本上都绝迹了。

咱是孤陋寡闻，没亲眼见过反弹琵笆，只是道听途说，想必感觉是很难受的吧。

说来也怪，当代小子别的能耐没学到，在折腾的工夫上却继承了古代先人们的衣钵，越是难
受，越有激情。

那就让洋东东、土东东们也难受难受吧。

反弹琵笆1:工频到变频切换变频到工频切换的应用场合已经较为普遍，除75KW以上稍微有点技术难点外，小功率则可什么都不管，直接切换都没事，干就是了。

那么，反过来呢，先工频让电机高速旋转起来，再切换到变频器来控制。

咱的用户现在口味越来越叼，不知为啥这样用，娘西皮，都是些叼民。

没法子，只好让洋东东、土东东委屈委屈了。

也好，临死不屈方显英雄本色。

变频到工频切换炸机的，此项故障对故障率的
贡献估计不下3%。

反弹琵笆2:输出短路将变频器的输出U、V、W两两短接或都短接，高频启动变频器;或高频先启动变频器，再将变频器的输出U、V、W两两短接或都短接，变频器不炸机报过流故障，则基本上可称条汉子。

输出短路炸机的，此项故障对故障率的贡献估计不下2%。

反弹琵笆3:输入输出反接戏到结尾，基本都是高潮。

咱们的严刑拷打也要接近尾声，最后，咱也来个高难动作，将输入R、S、T与输出U、V、W反接。

反接一上电炸机的，此项故障对故障率的贡献估计不
下0.2%。

反接上电不炸，运行时炸的，此项故障对故障率的贡献估计不下0.1%。

被审的累，审的也不轻松，咱也要歇歇了。

不是东风压倒西风，就是西风压倒东风，故障率超过20%的，熬不过3年，就会自动倒闭;超过10%的，熬不过5年;超过5%的，可以不死不活的苟延残喘;不到2%的，将会是最后的赢家。

你好，咱就好;咱好，大家也就好了。

洋东东、土东东们，要不要来试试。