摘要：本文介紹了西門子 S7-200 SMART PLC、SMART LINE 觸摸屏在雙機(jī)頭套標(biāo)機(jī)上的應(yīng)用，闡述了設(shè)備工藝流程、控制系統(tǒng)的配置選型、軟件設(shè)計和觸摸屏的畫面組態(tài)。S7-200 SMART 的高速計數(shù)、運(yùn)動控制和通訊功能在設(shè)備的開發(fā)中得到了良好應(yīng)用，經(jīng)測試，該設(shè)備滿足生產(chǎn)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好。
關(guān)鍵詞：雙機(jī)頭套標(biāo)機(jī) S7-200 SMART SMART LINE
1 引言
套標(biāo)機(jī)作為后段包裝技術(shù)含量較高的設(shè)備之一，適合各種容器瓶、罐、各種形狀及材料的收縮膜包裝 ( 如食品、飲料、制藥等行業(yè)中各式塑料瓶、玻璃瓶、PVC、鐵罐等容器 )，可與生產(chǎn)線全面連線作業(yè)或單機(jī)作業(yè)，對空瓶或填充后均可進(jìn)行包裝。套標(biāo)機(jī)的出現(xiàn)實現(xiàn)了全自動快速包裝，大幅降低了人工費用，同時提升了包裝效果。
傳統(tǒng)套標(biāo)機(jī)主要以單機(jī)頭為主，能夠滿足瓶身單次套一個標(biāo)的需求，但在瓶口和瓶身都需要套標(biāo)的情況下，就需要兩臺套標(biāo)機(jī)，一方面造成安裝空間過大，另一方面與其他工藝段連接也不方便。而雙機(jī)頭套標(biāo)機(jī)則可以有效的解決以上問題，減少了安裝空間，也降低了成本。
雙機(jī)頭套標(biāo)機(jī)的工藝需求較為復(fù)雜，涉及到 4 個軸的伺服控制 ( 兩個送標(biāo)，兩個切標(biāo) ) 及 1 路高速計數(shù) ( 螺桿轉(zhuǎn)速檢測 )。本系統(tǒng)采用兩個西門子 S7-200 SMART CPU 模塊分別去控制兩個軸，CPU 模塊之間采用 Modbus RTU 通訊，并采用 SMART LINE 觸摸屏對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置。一體化的 SMART 解決方案優(yōu)化了機(jī)器性能，生產(chǎn)效率達(dá) 18000 瓶 / 小時，控制精度達(dá)到 ±1mm。
2 雙頭套標(biāo)工藝原理
雙機(jī)頭套標(biāo)機(jī)的工藝主要分為瓶身套標(biāo)和瓶口套標(biāo)兩個部分。在分瓶螺桿將輸送帶上的待套瓶按一定間距分開后，設(shè)備就進(jìn)入到瓶身套標(biāo)工藝段。當(dāng)瓶身待套區(qū)域檢測電眼檢測到來瓶時，瓶身切標(biāo)伺服被觸發(fā)動作，切標(biāo)完成后刷標(biāo)電機(jī)將標(biāo)簽快速刷下并套瓶，同時瓶身送標(biāo)伺服啟動，將固定長度 ( 定長切 ) 或分段長度 ( 色標(biāo)檢測長度 ) 送入待切區(qū)域準(zhǔn)備下一次切標(biāo)。瓶身毛刷將瓶身標(biāo)簽整理齊，主輸送帶將瓶送到瓶口套標(biāo)的工藝段，當(dāng)瓶口待套區(qū)域檢測到來瓶時，瓶口的切標(biāo)伺服開始動作，工藝流程與瓶身套標(biāo)一致，當(dāng)瓶口套標(biāo)完成后，輸送機(jī)將套好的瓶子送入熱收縮箱進(jìn)行縮緊定型。雙機(jī)頭套標(biāo)機(jī)工藝流程如圖 1 所示。
3 SMART 解決方案
雙機(jī)頭套標(biāo)機(jī)要求 4 個伺服定位過程，而且對定位的精度要求較高。目前面向經(jīng)濟(jì)型 OEM 市場的 PLC 基本上只集成 2 路 100KHz 的 PTO 功能，無法通過 1 臺 PLC 滿足工藝要求。另外，該設(shè)備的 I/O 點數(shù)較多，為 23DI，38DO。為了降低成本，選型時希望通過 CPU 模塊標(biāo)配集成的 I/O 滿足要求，而不使用擴(kuò)展模塊。因此選用 2 臺西門子 S7-200 SMART PLC 作為主控單元，每臺 PLC 本體集成 3 路 100KHz 的 PTO 輸出，滿足設(shè)備中 4 路 100KHz 的 PTO 輸出要求，PLC 之間通過 Modbus RTU 通訊的方式實現(xiàn)瓶身和瓶口套標(biāo)過程的配合。
SMART LINE 觸摸屏本體集成以太網(wǎng)接口，可連接 3 臺 S7-200 SMART 控制器。在本項目中，SMART LINE 使用普通的網(wǎng)線與兩臺 S7-200 SMART 相連，可直接操作兩臺 PLC。硬件配置如附表所示。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2 所示。
圖 2 電控系統(tǒng)架構(gòu)圖
4 編程設(shè)計
根據(jù)雙機(jī)頭套標(biāo)機(jī)的工藝流程及使用到的PLC功能， PLC 程序開發(fā)分為三個部分：螺桿速度采集，切、送標(biāo)的伺服控制以及 PLC 之間的通訊。
4.1 螺桿速度采集
通過一路高速計數(shù)器測量螺桿的轉(zhuǎn)速脈沖，利用系統(tǒng)的定時中斷，每隔 50ms 采樣一次當(dāng)前計數(shù)器的值，算出兩次脈沖的差值，折算成螺桿轉(zhuǎn)速 ( 轉(zhuǎn) / 分鐘 )。螺桿轉(zhuǎn)速 =(S2-S1)×1000×60/50(S1：上次脈沖數(shù);S2：本次脈沖數(shù) )，生產(chǎn)速度 = 螺桿轉(zhuǎn)速 /20( 瓶 / 分鐘 )。
4.2 切標(biāo)伺服控制
切標(biāo)控制時，伺服信號的給定采用脈沖 + 方向的方式。由于伺服驅(qū)動器選擇了 1000 脈沖轉(zhuǎn)一圈，并且伺服電機(jī)最大速度是 4500 轉(zhuǎn) / 分鐘，可以計算得出最大速度 =4500×1000/60=75000 脈沖 /s。根據(jù)多次的測試，加減時間設(shè)置成 0.2s。由于切刀的性能要求是速度快，對位置要求不高，所以采用速度模式。通過刀盤電眼檢測刀盤進(jìn)入凹槽區(qū)，確認(rèn)切標(biāo)完成，同時觸發(fā)送標(biāo)啟動。
4.3 送標(biāo)伺服控制
送標(biāo)控制可采用定長切和分段切兩種模式。
(1) 定長切。即每次切的標(biāo)簽長度固定，只需走固定距離就可以，因此采樣相對定位。通過向?qū)蛇\(yùn)動控制子程序，在主程序中調(diào)用 GOTO 子程序，將 MODE 設(shè)置成 1 即為相對定位。
(2) 分段切。通過色標(biāo)傳感器檢測標(biāo)簽的透明段進(jìn)行區(qū)分每段的距離。因為每次標(biāo)簽的實際長度不是固定的，所以采用速度模式，檢測到透明短時停送標(biāo)，GOTO 子程序，將 MODE 設(shè)置成 2，即為速度模式。
4.4 通訊功能
由于主輸送帶和螺桿由一臺 PLC(ST60) 控制，另一臺 PLC(ST40) 需要獲取其狀態(tài)，所以兩臺 PLC 采用 Modbus RTU 協(xié)議進(jìn)行通信，本系統(tǒng)中采用 ST60 做主站， ST40 做從站。
ST60 調(diào) 用 MODBUS 主 站 庫， 初始化波特率為9600，偶校驗，選擇口 0，超時檢測設(shè)為 1s。然后分時調(diào)用 MBUS_MSG，作為讀和寫，讀寫周期為 300ms。
通訊模塊編程分別如圖 3~7 所示。
4.5 HMI 畫面設(shè)計
觸摸屏主要由主界面、瓶身操作界面、瓶身參數(shù)界面、瓶口操作界面、瓶口參數(shù)界面組成。
(1) 主界面：顯示廠家的基本信息，如廠家名稱，地址，電話;
(2) 瓶身操作界面：機(jī)頭升降 ( 調(diào)試功能 )、分瓶啟停、帶瓶啟停、主輸送帶啟停、刷標(biāo)啟停、毛刷啟停、主機(jī)啟動、主機(jī)停止。
(3) 瓶身參數(shù)界面：送標(biāo)位置與速度設(shè)置，切標(biāo)位置與速度設(shè)置。
瓶口操作界面和參數(shù)界面與瓶身相同。除上述界面之外，還有高級設(shè)置登錄界面和高級參數(shù)設(shè)置界面，部分操作畫面如圖 8 所示。
5 結(jié)束語
西門子小型 PLC S7-200 SMART 集成了強(qiáng)大的運(yùn)動控制功能，同時提供了簡單易用的向?qū)?，設(shè)置完畢后可自動生成相應(yīng)子程序，自動、手動、點動、絕對運(yùn)行、相對運(yùn)動、速度模式、尋零、走包絡(luò)等等。本案例中，調(diào)用 GOTO 子程序，只需要修改 MODE 的值就可以切換運(yùn)動模式。在通訊方面，PLC 軟件中自帶的 MODBUS 主從站庫，直接調(diào)用，分配存儲區(qū)，實現(xiàn) MODBUS RTU 的通訊非常便利。由于 RS485 是半雙工的，所以需要分時進(jìn)行讀寫操作。
（轉(zhuǎn)載）
