西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8传授代理

西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8传授代理

1 引言
在现代社会中，瓶灌装生产线广泛应用于食品、、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，竞争较为激烈。面对竞争激烈的市场，如何降，提高生产线技术水平成为众多企业的迫切需求。
为降、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。电子凸轮的使用较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，这会较为麻烦。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较高精度系列产品之一，能为系统处理和过程控制提供技术方法。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，较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运行扫描时间较为迅速，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。
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**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。

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，具备较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。

1.注意电源安装

PLC系统的电源有两类：外部电源和内部电源。

外部电源是用来驱动PLC输出设备(负载)和提供输入信号的，又称用户电源，同一台PLC的外部电源可能有多规格。外部电源的容量与性能由输出设备和PLC的输入电路决定。由于PLC的I／O电路都具有滤波、隔离功能，所以外部电源对PLC性能影响不大。因此，对外部电源的要求不高。

内部电源是PLC的工作电源，即PLC内部电路的工作电源。它的性能好坏直接影响到PLC的可靠性。因此，为了保证PLC的正常工作，对内部电源有较高的要求。一般PLC的内部电源都采用开关式稳压电源或原边带低通滤波器的稳压电源。

在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该用带屏蔽层的隔离变压器，对PLC系统供电。还可以在隔离变压器二次侧串接LC滤波电路。同时，在安装时还应注意以下问题：

1)隔离变压器与PLC和I/O电源之间较好采用双绞线连接，以控制串模干扰；

2)系统的动力线应足够粗，以降低大容量设备起动时引起的线路压降；

3)PLC输入电路用外接直流电源时，较好采用稳压电源，以保证正确的输入信号。否则可能使PLC接收到错误的信号。

2.远离高压

PLC不能在高压电器和高压电源线附近安装，更不能与高压电器安装在同一个控制柜内。在柜内PLC应远离高压电源线，二者间距离应大于200mm。

3.合理的布线

1)I/O线、动力线及其它控制线应分开走线，尽量不要在同*槽中布线。

2)交流线与直流线、输入线与输出线较好分开走线。

3)开关量与模拟量的Ｉ/Ｏ线较好分开走线，对于传送模拟量信号的Ｉ/Ｏ线较好用屏蔽线，且屏蔽线的屏敝层应一端接地。

4)PLC的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号小、频，很容易受干扰，不能与其它的连线敷埋在同*槽内。

5）PLC的I/O回路配线，必须使用压接端子或单股线，不宜用多股绞合线直接与PLC的接线端于连接，否则容易出现火花。

6)与PLC安装在同一控制柜内，虽不是由PLC控制的感性元件，也应并联ＲＣ或二极管消弧电路。

干扰的主要来源

电源的干扰。

PLC系统控制的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰，空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达等产生的，通常称为辐射干扰，若PLC系统置于所射频场内，就会收到辐射干扰，而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。

信号线引入的干扰。

与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信号之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，由此引起系统故障的情况也很多。

接地系统的干扰。

接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

变频器干扰。

一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量;二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。

抗干扰的措施

电源干扰的抑制。

一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。选用隔离性能较好的设备、选用优良的电源、动力线和信号线走线要更加合理等等，对电源变压器、*处理器、编程器等主要部件，采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，以防止外界干扰信号的影响。电源调整与保护:电源波动造成电压畸变或毛刺，将对PLC及I/O模块产生不良影响。对微处理器核心部件所需要的+5V电源采用多级滤波处理，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。尽量时电源线平行走线，时电源线对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。其屏蔽层接地方式不同，对干扰抑制效果不一样，一般次级线圈不能接地。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地，以抑制共摸干扰。此外可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路等。

信号线引入的防干扰措施。

动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。将PLC的I/O线和大功率线分开走线，如必须在同*槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线较好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到较低限度。此外利用信号隔离器解决干扰问题也是很理想的办法，其原理是首先将PLC接收的信号，通过半导体器件调制变换，然后通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间**独立。只要在有干扰的地方，输入端和输出端中间加上这种隔离器，就可有效解决干扰问题。

正确选择接地点，完善接地系统。

良好的接地是保PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。在PLC控制系统中，具有多种形式的“接地”，主要有：

(1)信号地。输入端信号元件的地;

(2)交流地。交流供电电源的N线;

(3)屏蔽地。为防止静电和磁场感应而设置的外壳或金属丝网，通过专门的铜导线将其接入地下;

(4)保护地。将机器设备的外壳或设备内独立器件的外壳接地，用于保护人身安全和防止设备漏电。

为了抑制附加在电源及输入、输出端的干扰，应对PLC系统进行良好的接地。一般情况下，接地方式与信号频率有关，当频率低于1MHz时，可用一点接地;**10MHz时，采用多点接地;在1～10MH之间时，通常情况下，PLC控制系统采用一点接地，将所有地线端子和较近接地点相连接，以获得较好的抗干扰能力。接地线截面积不能小于2mm2，接地电阻不能大于100Ω，接地线使用**地线。

变频器干扰的抑制。

(1)加隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。

(2)使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。

(3)使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常。