灌装机

        广泛用于食品饮料、、化工等领域。以S7-200 SMART PLC作为控制器，由SINAMICS V20变频器控制传送带从左向右传送，由SINAMICS V90伺服驱动器控制灌装针，可实现自动灌装功能。

正常生产时，传送带匀速前进，灌装针从原点启动，在灌装起始点开始灌装，完成灌装后，灌装针回到原点。详细的控制思路，将会在下文方案概述部分介绍。

图1-1 设备架构图

小贴士

硬件及软件需求

1. 硬件要求

ST20/ST30/ST40/ST60固件版本V2.8

SINAMICS V90 PTI伺服驱动器

SINAMICS S200 PTI伺服驱动器

SINAMICS V20变频器

2. 软件要求

STEP 7-Micro/WIN SMART V2.8

V-ASSISTANT V1.06

控制思路

物料流

如图所示，物料在传送带上经过检测开关1开始灌装，通过计时器和传送带速度计算出当前位置；当到达预定位置2时，启动灌装针并达到速度和位置同步，此时，开始灌装针的进给位移和灌装；位置4，在一定的灌装条件下，判定完成灌装；位置5，并回收灌装针，返回原位。

图2-1 物料流

关键位置

上述流程中，关键在于确定位置2，其目的是确保灌装针从原点到灌装起始点的时间，与瓶子从位置2到灌装起始点的时间一致，也就是说，从瓶子从位置2到灌装针速度同步时所经历的时间，等于灌装针加速时间。

S7-200 SMART PLC控制V90伺服驱动器，运动控制的重复精度很高，可以理解为，每次灌装针从原点启动，到运行至位置3处，需要的时间t是相同的。

因为灌装时，灌装针和瓶子的线速度相同，所以要确保在位置3之前，灌装针已完成加速阶段，进入匀速运行阶段。

位置计算

   测量模式  

有两种方式可以计算该加速时间，一种是编码器方式，还有一种是检测开关模式。

模式1：采集灌装针运动轴的编码器反馈，并作为位置信息判断加速所需的距离或时间；

模式2：采集灌装针运动轴上的光电开关信号，并作为判断条件，计算当前经过的时间，并以此计算加速到速度同步时所需的时间。

因此，在开始正式的运行前，系统会进行系统性能测量，即测量加速所需时间或距离。

无论用何种模式，程序都通过定时中断执行Axis_GOTO指令，并通过定时中断程序完成计时工作。

使用模式1时，当到速度达到传动带速度时，记录当前编码器反馈，可根据编码器反馈计算出当前行进距离，或者根据定时中断执行次数，定时中断时基和传送带速度，计算出加速阶段的运行距离。

检测开关2到来时，停止计时，这样即可得到时间t。不考虑其他的误差，单纯考虑计算方法，时间t的测量误差，理论上小于所用定时中断时基，本例使用1ms定时中断，本例误差小于1ms。并根据该时间和传送带速度，可以得出加速所需的距离。

  终距离计算  

总过上述步骤得出的距离，可从灌装起始点到检测开关1的距离反向推导出灌装针启动之前，传送带运行的距离。

  使用模式1时，可通过编码器反馈距离L1， 传送带速度v，定时中断事件t，计算距离L2 = v * t - L1。

使用模式2时，设传送带的线速度为v，测量得到时间t后，L1=v*t+ΔL，位置1和4之间的距离L可直接测量，则L2=L-L1=L-v*t-ΔL。

瓶子经过检测开关1后，开始计算瓶子的移动距离，当瓶子移动L2时，启动灌装针，在灌装针运行到位置3时，瓶子和灌装针完成速度和位置的同步。

距离L2可以通过传送带编码器获得。或者通过L2=v*t1计算出t1，在定时中断中计算瓶子经过检测开关1之后，运行的时间，当计算得到的运行时间大于等于t1时，启动灌装针。

图2-2 位置距离计算

编程设计

程序架构

根据编码器模式和光电开关模式分别形成两个程序，每个程序中都包括测试和执行两部分，该样例使用编码器模式。

该程序中主要包括以下控制部分：系统状态，轴的控制，传送带控制，灌装头跟随测试，灌装针进给测试，灌装执行。

图3-1 程序块

定时中断调用

灌装头跟随测试，灌装针进给测试和灌装执行由定时中断调用。

其他部分由主程序控制。

向导使用

该程序启用了运动向导。

其中，编码器模式时还需启用高速计数器向导。

跟随测试库

该程序库主要可以实现如下功能：通过测试控制机械机构，计算得出当前系统性能及所需的启动条件参数。

图3-3 程序块调用

表3-2 程序块引脚

  使用建议  

1. 在使用该库前，需要预设参数，

  conveyorVelocitySet - 传送带速度，该速度为灌装头跟随的目标速度

  cycleTime - 定时中断时基，应与程序所用的定时中断输入相同，初期测试时可采用较大参数，本样例使用1ms定时中断，该参数即为1

  containerOffset - 瓶口半径，取决于光电开关检测点到容器中间的距离

  fillPos - 由光电开关1监测点到预定的开始灌装的位置，即容器在传送带上运行至灌装点的距离，该值可在设备调试过程中优化

  startFillingPos - 由灌装头原点到预定的开始灌装的位置，即灌装头在传送带上运行至灌装点的距离，该值可在设备调试过程中优化。

  finishPos - 灌装头设定远运行距离，仅在测试时使用，可设置为灌装头远工作距离

  encoderResolution灌装头运动轴编码器分辨率

  beltDisperEncoderRev灌装头运动轴编码器每转前进距离

2. 通过该库，可以得出在该预设灌装点下，灌装头应延迟多少距离时启动，可确保灌装头在开始灌装时速度与容器一致，该距离为feederStartPos。

3. 同时提供feederAccBeltDis，提供灌装头加速阶段时长对应的灌装容器移动距离，便于设计者改光电开关2的按照位置。

4. 若需要对状态字等进行改，可参考程序中的静态变量，此处仅做为接口，方便后期扩展。

进给测试库

该程序库主要可以实现如下功能：通过测试控制机械机构，计算得出当前系统性能。该库计算得出的可供用户做后续处理和机械设计。

图3-4 程序块调用

表3-3 程序块引脚

灌装执行库

该库控制灌装过程中伺服轴和灌装执行，总共有7个输出使能。

图3-5 程序块调用

表3-4 程序块引脚

  使用建议  

1. 在使用该库前，需要预设参数，

beltPosOfStartFilling - 由光电开关1监测点到预定的开始灌装的位置，即容器在传送带上运行至灌装点的距离，该值可在设备调试过程中优化

cycleTime - 定时中断时基，应与程序所用的定时中断输入相同，初期测试时可采用较大参数，本样例使用1ms定时中断，该参数即为1

 fillTimer - 灌装时长

converyVelocitySet - 传送带速度，该速度为灌装头跟随的目标速度

gotoSPPos_Y - 设定灌装针进给距离

safetyBackPos_Y - 回收距离，当灌装针在该位置范围内时，可提前控制灌装头返回原点或灌装起始点。

encoderResolution灌装头运动轴编码器分辨率

beltDisperEncoderRev灌装头运动轴编码器每转前进距离

2. systemBusy系统忙碌信号需要由外部复位，用户可选择使用寻参完成指令复位该信号，或者使用返回完成信号复位该信号，提高该库的灵活性。

3. 考虑到每个机型的机械设计不同，寻参指令采用与否取决于现场机型。

4. 灌装针的错误和状态代码由外部静态变量赋值，此处仅作显示，便于后续开发扩展。

Axis_Goto指令

该指令控制灌装头和灌装针的运动，由定时中断调用。

图3-6 程序块调用

应用样例

图4-1 系统主页界面

图4-2 参数设定界面

图4-3 参数测定界面

样例使用

参数设置

系统中需要的参数都放置在参数设定界面，建议在改动参数后，及时进行系统测量，确认新参数是否适用。或可在程序中编程新关键数据。

驱动设置

对于该系统中使用的伺服轴的控制，和V20变频器控制，可通过手动控制和V20控制界面设置。系统启动时应确保伺服轴和V20都处于自动模式，且进行必要原点设置。

参数测试

在进行参数测试前，设置光电开关2相对灌装点偏移，并开始皮带测试，确保系统中存在有效的传送带设定速度。该测试完成后在该界面进行伺服轴测试。

启动灌装

完成测量后，在系统主页中启动灌装，即可观测灌装效果。系统测试过程中已禁用回原操作。

应用样例结果

该样例实现的跟随精度<= 2mm。且可大幅度缩短样机开发时间。

应用扩展

灌装针的升降

本样例的在于灌装头的跟随动作，若灌装针的进给动作，或者使用简单的数字量信号控制，易可使用本样例中的库进行控制。

本样例的速度控制和位置控制立于测试库和灌装库之外，便于灵活选择机械装置。

灌装头数量

程序中使用系统繁忙信号，避免信号的误触发或者信号不稳定。

同时，通过合理采用检测信号，设置不同的灌装组，多头同时灌装。

系统中的测试库可以重复使用，灌装执行库可以通过简单复制，多次调用。