摘 要：在深入分析套標(biāo)機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給出基于臺(tái)達(dá)機(jī)電自動(dòng)化平臺(tái)的套標(biāo)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于電控系統(tǒng)套標(biāo)精度等關(guān)鍵性能技術(shù)評(píng)估有全面細(xì)致的討論。
關(guān)鍵字：套標(biāo)機(jī) 抓色標(biāo) PLC 伺服

1 引言

套標(biāo)機(jī)的用途是給瓶裝商品套裝彩印商標(biāo)薄膜。典型的套標(biāo)瓶裝商品是快速消費(fèi)品，例如瓶裝飲料、化妝品、藥品、保健品等。根據(jù)套標(biāo)速度的不同，套標(biāo)機(jī)可以分為以下幾種：100-150瓶/分、150-250瓶/分、300-400瓶/分、400-600瓶/分、600-800瓶/分。目前市場數(shù)量最大的集中在100-400瓶/分的設(shè)備上，大于400瓶/分的設(shè)備屬于高速套標(biāo)，雖然目前市場份額不大，但由于行業(yè)內(nèi)的競爭日益激烈，使得各廠家都在積極研發(fā)自己的高速套標(biāo)機(jī)，速度最高達(dá)到800瓶/分，已接近機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行極限。

2 高速套標(biāo)機(jī)電控系統(tǒng)分析

2.1 套標(biāo)機(jī)控制

套標(biāo)機(jī)控制的難點(diǎn)在于考驗(yàn)PLC及伺服的響應(yīng)性，生產(chǎn)效率越高，對(duì)于PLC發(fā)脈沖的頻寬和伺服的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性及頻寬要求越高。因此在選用DELTA品牌時(shí)，PLC的主機(jī)選擇性能較高的DVP40EH00T2系列主機(jī)，也可選擇DVP28SV11T。這兩款主機(jī)是臺(tái)達(dá)2007年推出的小型PLC中性能最高的。分別有4組200KHz的高速脈沖輸出通道及4組200KHz的高速脈沖輸入通道，同時(shí)基本指令的執(zhí)行時(shí)間明顯優(yōu)于業(yè)內(nèi)同檔次的PLC。

2.2 伺服的頻寬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性

有了性能較高的控制器，接下來要考驗(yàn)則是伺服的頻寬及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。臺(tái)達(dá)A系列伺服的響應(yīng)頻寬為450Hz。在要求生產(chǎn)效率為200-300瓶的范圍內(nèi)有一定的余量。基于以上兩點(diǎn)，硬件是完全能夠滿足效率的要求。但如果生產(chǎn)效率要求在400-600瓶/分或600-800瓶/分的高速套標(biāo)時(shí)，對(duì)于PLC及伺服的要求都會(huì)非常高。伺服的頻寬450Hz是難以完成如此高的響應(yīng)性的，而對(duì)于PLC則針對(duì)脈沖的平滑處理要求則更加高，需要將最高運(yùn)行頻率與最低運(yùn)行頻率之間的減速曲線做的比較平滑，還要滿足加減速的快速性。針對(duì)這樣的要求，DVP40EH00T2新增了DPTPO的填表式發(fā)脈沖，加減速一共60段。在效率為200-300瓶/分的速度時(shí)，可以滿足要求；在400-600瓶/分，600-800瓶/分60段的加減速還是不夠，應(yīng)該考慮能夠?qū)⒎侄卧诩?xì)一些或加減速的段數(shù)可以認(rèn)為在特殊寄存器中自己定義。如果能夠做到這一點(diǎn)，對(duì)于高速套標(biāo)，我們的PLC是非常有優(yōu)勢的。突顯非常高的性價(jià)比。

2.3抓色標(biāo)

控制上的難點(diǎn)在于抓色標(biāo)。所謂抓色標(biāo)即PLC接到色標(biāo)傳感器的信號(hào)后，能夠非常快速的響應(yīng)，并立即控制伺服停下來。一方面是考驗(yàn)PLC在執(zhí)行中斷時(shí)的快速性，同時(shí)也在考驗(yàn)PLC在相同的頻率下發(fā)脈沖，中斷一來，能否穩(wěn)定、一致、快速的禁止發(fā)脈沖。如果PLC不能保證中斷執(zhí)行的快速性、一致性，穩(wěn)定的將脈沖禁止，則會(huì)出現(xiàn)長短標(biāo)的現(xiàn)象。這對(duì)于客戶是不能夠接受的。同時(shí)在高速發(fā)脈沖的時(shí)候，由于標(biāo)長比較短，意味著一個(gè)完整的標(biāo)長對(duì)應(yīng)的脈沖當(dāng)量比較小。如果對(duì)于發(fā)脈沖不做加減速的處理，當(dāng)檢測到色標(biāo)時(shí)，伺服運(yùn)行在高速狀態(tài)，PLC此時(shí)發(fā)脈沖的頻率非常高，則會(huì)造成伺服的過沖。切出來的標(biāo)簽會(huì)長于一個(gè)正常的標(biāo)長。因此對(duì)于PLC發(fā)脈沖加減速的處理是非常關(guān)鍵的。即要平滑的加減速又要以較高的頻率運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)的高效性。這一點(diǎn)對(duì)于控制和PLC而言都是有一定的難度。因此如下圖所示的曲線是比較合理的。

加速段采用0-π/2的正弦曲線，等分20段進(jìn)行，每個(gè)PLC掃描周期角度增加1/20度；減速采用余弦0-π/2，等分40段，每個(gè)掃描周期角度綫小1/40度。如何處理好平滑的加減速的同時(shí)保證生產(chǎn)的高效性是做好套標(biāo)機(jī)的關(guān)鍵！對(duì)PLC的考驗(yàn)也在于此。目前使用DVP28SV或EH2的主機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下能夠做到300-400瓶/分，效率再高已經(jīng)比較困難，一方面對(duì)於發(fā)脈衝指令的平滑有更高的要求，另一方面對(duì)於伺服的頻寬也有更高的要求。當(dāng)然如果在不計(jì)成本的條件下，使用DVP20PM與A2的伺服相信效率會(huì)有所提高。

3 高速套標(biāo)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速套標(biāo)機(jī)生產(chǎn)效率大幅度提高，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也非常得高。首先對(duì)于PLC不僅要求高頻寬的脈沖處理能力、脈沖指令的平滑處理能力、中斷的響應(yīng)能力等有很高的要求，同時(shí)對(duì)于伺服的響應(yīng)頻寬、瞬時(shí)的啟停的高響應(yīng)性都有非常高的要求。目前在小型通用PLC中，臺(tái)達(dá)SV/EH2系列提供填表式的發(fā)脈沖功能，加減速一共60段，能夠?qū)崿F(xiàn)200-300瓶/分的速度。基于SV/EH2系列PLC的高速套標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的套標(biāo)機(jī)硬件配置如表1所示。PLC輸入輸出定義如表2所示。PLC電控系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 高速套標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)
表1 硬件配置

表2 PLC輸入輸出定義


圖2 套標(biāo)機(jī)PLC電控原理
4 控制特色及指標(biāo)

4.1同步通訊控制

分瓶、帶瓶、輸送、料架的同步通訊控制。取代了一般通過電位器的手動(dòng)操作。當(dāng)整機(jī)運(yùn)行速度發(fā)生變化時(shí)，必須通過人為的手動(dòng)調(diào)節(jié)后，才能正常的生產(chǎn)，一方面增加了操作人員的工作量和難度，同時(shí)對(duì)于操作人員也有一定的要求。需要比較有經(jīng)驗(yàn)的人員操作。當(dāng)然使用同步控制器可以完成這樣的功能。但通過通訊的方式做同步控制，能夠幫助機(jī)械生產(chǎn)廠家節(jié)省一個(gè)同步控制器，降低了設(shè)備的成本。分瓶、帶瓶、輸送、料架的速度調(diào)整在自動(dòng)運(yùn)行的情況下，速度會(huì)跟隨主速的變化而變化，達(dá)到同步。而在手動(dòng)操作時(shí)，客戶可以自己人為的在觸摸屏上單獨(dú)設(shè)定不同的速度。非常的人性化而且操作簡便。其中同步控制方面，可以選擇輸送作為主動(dòng)力，分瓶、帶瓶作為從動(dòng)部分，因此速度同步關(guān)系可以通過如下公式進(jìn)行計(jì)算：V2=K1V1（K1為同步比例系數(shù)、V1為輸送的速度、V2為分瓶的速度），以此類推：帶瓶的速度V3=K2V1（K2為同步比例系數(shù)、V1為輸送的速度、V3為帶瓶的速度）

4.2 高精度自動(dòng)對(duì)標(biāo)

針對(duì)原來對(duì)標(biāo)時(shí)，還需要通過人為的調(diào)整色標(biāo)傳感器的位置，以達(dá)到切標(biāo)能切到透明段，操作起來比較麻煩。因此在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到這樣的要求，通過巧妙的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低速時(shí)自動(dòng)對(duì)標(biāo)的功能。一旦操作完成，即使速度發(fā)生改變，只要在允許的范圍內(nèi)變化（通常滿足設(shè)備的最高運(yùn)行速度），無需在人為的調(diào)整色標(biāo)傳感器的位置。方便、簡化了調(diào)機(jī)的操作。啟動(dòng)前自動(dòng)以低速運(yùn)行，開中斷禁止發(fā)脈沖，達(dá)到自動(dòng)對(duì)標(biāo)的功能。速度在300-400瓶/分時(shí)，能將對(duì)標(biāo)精度控制在0.5-1mm。