Sinamics S120在餅干疊層機控制系統中的應用

文:魯祖兵2017年第5期

    摘要:餅干疊層機是餅干生產設備中最重要的配置之一,其控制算法的準確性和伺服系統的精確性,對餅干的質量有著非常大的影響。本文詳細介紹了西門子SinamicsS120伺服控制系統在餅干疊層機控制系統中的應用。

1引言

    作為餅干生產設備中最重要的配置之一,疊層機自從1926年問世以來,就一直受到廣泛的關注,它不僅被廣泛地應用在餅干生產中,而且在糕點和面包制作中,也有著重要的作用。

    在現代自動疊層機出現之前,疊層均用手工方式進行:即用搟面杖搟制面皮,反復折疊搟制而成。后來隨著技術發展,往返式壓面機開始出現,其結構為在一個平臺中央放置一對具有正反功能的輥筒,面團經過輥筒輥壓后被拉出,經手工折疊后,反向運轉輥筒,再次輥壓;反復多次操作后形成要求的面皮。為滿足食品工業化發展的需要,自動式疊層機也得以長足發展。

2系統硬件結構

    疊層機,用于切割和疊加多層面皮,用于制造餅干,本項目要保證送面皮的小車位置控制準確,撒酥電機同步小車速度撒酥,切刀電機切等長度的面皮。控制系統采用了西門S7315-2DP加一套S120伺服控制系統,控制單元選CU320-2DP,通過DP與S7315-2DPCPU通訊,來控制三個電機的運動。通過在S120和PLC中配置的西門子ProfiDrive報文,對三個電機分別進行位置控制和速度控制,從而實現相關功能。

    SINAMICS是西門子公司新一代驅動產品,SINAMICS中的SINAMICSS120是集成V/F控制,矢量控制,伺服控制為一體的多軸驅動系統,具有模塊化的設計,各模塊間如電源模塊,電機模塊,編碼器模塊等,通過高速驅動接口DRIVE-CLIQ相互連接。SINAMICSS120的核心控制單元CU320集成了12路可設定的隔離數字量輸入和8路可設定的雙向非懸空數字量輸入/輸出,最多可以控制4個矢量軸和6個伺服軸。自動控制系統網絡結構如下圖所示。

3疊層機工藝說明

    疊層機是生產蘇打餅干的必需設備,通過對面團壓片后夾酥并疊層,將疊好的面皮輸送至成型主機生產。經疊層機生產的餅干,具有層次分明,口感酥脆等特點。往復式疊層機疊面皮的速度快、層數多,疊出來的面皮整齊,面皮的寬度方便可調,操作簡單方便。撒酥機采用毛刷輥方式,撒酥效果更高。撒酥量和撒酥速度可調。疊層機的運行原理如下圖所示:

    面皮從坡道上下來,通過上方的帆布帶將面皮,鋪到下方的帆布帶上,由下小車帶和帆布帶帶動面皮向前運行。面皮在下方向前移動時,撒酥電機同時開始運行,將酥均勻撒在面皮上,當面皮長度達到要求長度時,切刀電機開始運行,在面皮移動過程中將面皮切斷。通過多次往復運動實現面皮的多層疊加。

4系統配置及軟件編寫

    S120系統做為CPU315-2DP系統的從站,需要與PLC系統進行ProfibusDP通訊,Step7編程軟件中必須安裝S120的GSD文件,才能在硬件中配置S120。通過GSD文件,使系統中不必安裝S120的編程軟件,就可以實現S120的硬件配置,大大簡化的PLC系統中的工作,并且增強系統的穩定性。S120包含多種DP報文,此項目需用到S120的基本定位功能,所以將S120與DCS的通訊配置成111報文。

    同時在S120的配置中,需要激活基本定位功能。S120的基本定位功能主要包括下面幾個內容:

    •點動(Jog):用于手動方式移動軸,通過按鈕使軸運行至目標點。

    •回零(Homing/Reference):用于定義軸的參考點或運行中回零。

    •限位(Limits):用于限制軸的速度、位置,包括軟限位、硬限位。

    •程序步(TraversingBlocks):共64個程序步,可自動連續執行一個完整的程序,也可單步執行。

    •直接設定值輸入/手動設定值輸入(DirectSetpointInput/MDI):目標位置及運行速度可由上位機實時控制。

    在本項目中,利用S120基本定位功能中的MDI(手動設定值輸入)功能,可以輕松地通過外部系統來實現復雜的定位功能。MDI有兩種工作模式,速度模式和位置模式,可以通過參數P2653參數來在線切換這兩種工作模式。P2653為0時,為速度模式;P2653為1時,為位置模式。速度模式是指軸按照設定的速度及加、減速運行,不考慮軸的實際位置。位置模式是指軸按照設定的位置、速度、加/減速運行。位置模式又可分為絕對位置(P2648=1)和相對位置(P2648=0)兩種方式,在本項目中,當切換到自動控制時,使用MDI的相對位置模式,當切換在手動控制時,使用MDI的速度模式。

    只要使用到位置模式,則回零功能是必不可少的。S120的基本定位功能中包含了回零功能。回零功能只有在使用增量編碼器(旋轉編碼器、正/余弦編碼器或脈沖編碼器)時需要,因為每次上電時增量編碼器與軸的機械位置之間沒有任何確定的關系,因此軸都必須被移至預先定義好的零點位置。S120中回零有三種方式:

    •直接設定參考點(SetReference):對任意編碼器均可。

    •主動回零(Referencepointapproach):主要指增量編碼器

    •動態回零(FlyingReference):對任意編碼器均可。

    直接設定參考點功能,是用戶通過程序可設置任意位置為坐標原點。通常情況下只有當系統即無接近開關又無編碼器的零脈沖時,或者當需要軸被設置為一個不同的位置時才使用該方式。在本項目中,就是使用回零功能中的直接設定參數點功能。在疊層機的原點位置,安裝有一個感應開關。在回原點的過程中,小車慢速后原點感應開關靠近,當小車到達原點感應開關時,伺服電機立刻停止,同時將現在的位置設置零點。

    整個控制系統的程序由Step7軟件編寫,通過硬件配置中配置的報文,控制三臺伺服電機的運行。實現面皮切斷固定長度是整個控制的難點,工藝要求在面皮運行過程中,對面皮進行切斷,由于送面皮電機的運行距離和速度都是不同的,所以切刀電機動作的時機和速度也是變化的。這樣就增加了程序設計的難度。

    我們首先分析送面皮小車運動情況。在自動模式下,小車使用相對位置模式,根據程序中設定的距離和速度,向前運行固定的距離。因為距離和速度參數的影響,小車在指定速度下,運行同樣距離時,可能會有兩種運行軌跡:加速-減速和加速-勻速-減速,如下圖所示:

    這兩種情況下,切刀的運動狀態是不一樣的,所以先計算出小車的運行軌跡。計算出小車加速時間,勻速時間及開始結束位置,減速時間。然后分析切刀的運行軌跡。通過切刀切下時,小車處于何種狀態來分析。小車的位置是設定的面皮長度,但是切刀何時切下,才能保證面皮長度是程序要計算的。如下圖所示:

    通過切刀切時車的位置(設置),來和小車各個期間的位置來判斷切刀切下時,小車處于何種狀態。

    Ø當切刀在1時切,則小車在加速段期間切刀就完成了切面動作。

    Ø當切刀在2時切,則在切刀切面動作期間小車可能一直處于勻速或者小車經歷了加速和勻速兩個階段。

    Ø當切刀在3時切,則在切刀切面動作期間小車可能一直處于減速或者小車經歷了勻速和減速兩個階段。

    通過計算切刀切下時小車的位置,來計算出切刀切下時車的速度從而得出切刀切下時刀的速度。進一步可以得到切刀的切面動作時間。通過以上分析得出切刀啟動時車的位置,又知道了切刀的速度,從而可以控制切刀準確的將面皮切成設定的長度。部分程序截圖如下圖所示:

5.結束語

    S120工程型變頻器具有模塊化設計,可以提供高性能的單軸和雙軸驅動,具有廣泛的工業應用價值。S120支持“彈性”設備概念,可以靈活而快速地滿足用戶的特殊需求。S120系統自帶閉環位置控制功能,定位精度高,響應時間快,并且定位功能由S120獨立完成,降低了控制系統的負擔,簡化了機械結構。高動態響應和精確性,使機器可以在更高的轉速下運行,從而提高生產能力。S120系統集成了Profibus-DP及Profinet等現場總線接口,使用伺服系統十分容易地集成到以S7PLC為基礎的控制系統中去,減少了信號連線,實現全數字控制。

 

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