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灌装机

        广泛用于食品饮料、医药、化工等领域。以S7-200 SMARTPLC作为控制器，由SINAMICSV20变频器控制传送带从左向右传送，由SINAMICSV90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，瓶子在传送带上经过检测开关1时系统开始灌装控制，通过计时器和传送带速度计算出瓶子的当前位置，当瓶子到达预定位置2时启动灌装针，并在位置3处完成灌装针和瓶子的速度和位置同步，在位置4处完成灌装针向下进给并开始灌装，在位置5处根据灌装完成的判定条件，判定完成灌装、收灌装针、灌装针返回原点。

图2-1 物料流

关键位置

上述流程中，关键在于确定位置2，也就是要确定瓶子运行到什么位置的时候，启动灌装针。要实现正常灌装，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t需要一致。

S7-200 SMARTPLC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。

因为后续逻辑是按照灌装针和瓶子的线速度相同进行计算的，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

  时间测量  

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：通过高速计数器采集灌装针运动轴的编码器反馈信号，位置3或4处对应的编码器数值是可以指定的。根据高速计数器数值，判定灌装针到达位置3或4，记录下灌装针从启动到到达位置3或4处需要的时间。

模式2：计算灌装针从启动到运行到检测开关2处需要的时间。

  测量步骤

不同的传送带速度，测得的时间t不一样。在传送带速度随工艺修改后，需要进行一次时间测量。

无论用何种时间测量模式，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。

执行灌装针Axis_GOTO指令后，开始计时，程序会实时的读取轴的当前位置和当前速度，当轴的当前速度达到设定速度时，会将轴的当前位置S保存下来。检测开关2或者是开始灌装的位置，要在这个位置后面。这个位置值S会保存在库指令的V区中。通常位置值S是比较小的一个数值，因为轴的加速度很快。

使用模式1时

结合上文中测得的位置值S和机械，设定灌装针运行到什么位置开始进行灌装，比如说运行到200mm处开始灌装。在中断程序中，启动Axis_GOTO指令开始计时，高速计数器计回的轴的实际位置大于等于设定值200mm时停止计时，确定灌装针运行到200mm处需要的时间t。

使用模式2时

结合上文中测得的位置值S和机械,安装检测开关2。启动Axis_GOTO指令开始计时，检测到检测开关2，停止计时，这样可测得灌装针从启动到运行到灌装起始位需要的时间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。

 灌装针启动时瓶子需要的运行距离计算

通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，定时中断时间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、传送带速度测试、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

• 传送带速度测试，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。

传送带速度测试库

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，样例中该程序段可由定时中断调用。

图3-2 程序块调用

表3-1 程序块引脚

 使用建议  

1. 该方案适用于变频器和IO点直接控制的电机。

2. 同样适用于样机搭建阶段和性能测试阶段，获取系统Zui大性能。

3. 若有变频器控制，可配合USS控制提供设定速度。

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