西门子PLC模块6ES7511-1FK02-0AB0
塑料编织袋在我国已经有二十多年的生产制造历史。经过塑编制造业的市场竞争，塑编行业得到了高速发展，近几年企业规模和产品档次有了很大**，塑编行业已经逐步发展成为介于纺织和化工行业交叉的跨行业产业。随着中国进入WTO组织，国际间的物流和贸易发展大大的促进了塑编集装袋产品的市场需求，连续多年以每年15％的增长，目前达到15万吨年产量。
塑编工艺由塑编扁丝制造和塑编两大工艺过程组成。本文讨论基于台达机电一体化平台的塑编织机的自动化问题。塑料圆筒编织机(圆织机)是塑编企业的基本工艺设备。塑编织机自动化对于**塑编制造产品的产量质量和减低人力资源成本具有十分重要的意义。
2 塑编筒布工艺设备
由塑料扁丝生产塑编编织布的工艺就是把扁丝经纬交错编织成布。对于筒布织造工艺，使用圆织机编织。圆织机的经纱架上有有许多纱锭，依据编织布幅宽和扁丝宽度，使用规定范围数量的经纱，经纱进入圆织机前由经纱的棕框对经纱进行交叉开口。纬纱梭子在交叉开口中作圆周运动穿过经纱编织成筒布圆织机是以PP（聚丙烯）或HDPE（高密度聚乙烯）扁丝为原料编织成圆筒编织布的纺织设备。圆织机通过多把梭子把多条纬纱同时织入，实现扁丝经纬交错编织成布工艺。经纱架上有许多纱锭，依据织布的幅宽和扁丝宽度,选定一定数量的经纱，经纱进入圆织机前，由棕框对经纱进行交叉开口,在经线**的同时，纬线在圆柱体上以等间距缠绕,编织成筒布。 如果编织时经纱改用裂膜丝,双丝,折叠丝,就可以编织出高强度的集装袋,吨装袋用布。编织布生产工艺中主要指标由:编织密度,幅宽,抗拉强度,编织布的单位面积重量等组成。
3 圆织机机电原理
圆织机具有三个主运动机构和二个副运动机构组成，高速六梭圆织机圆织机结构如图1所示。
2.1 送经部分
送经辊多为主动送经,它有自己的力矩电机、减速机以及传动链驱动送经辊转动。被动送经为无驱动力,它由主机牵引的扁丝带动它转动,适用于高线密度的扁丝。主动送经辊又称自动送经辊.。本项目送经部分由变频器带电机实现设备经线的送料，由变频器控制速度目的实现送经部分保持恒定的张力。经纱架一般由钢管或型钢为骨架,分排和列固经纱管的支撑轴及靠盘组成。
2.2主机部分
圆织机的主机由电机、减速系统以及机座构成传动系统。由主转盘驱动滑块,滑块带动棕带(棕框)。棕丝、再配以跳杆(张力杆)组件,环规等,构成开口机构。由推梭杆、梭子等构成引纬机构。圆织机没有专设打纬结构,它是由梭子上的张紧杆带动前端的滚轮,借梭子圆周运行,把扁丝带入并拉向环规(织口),即完成打纬。主机部分由变频器带电机实现主转盘的旋转，主盘的旋转织入纬丝。
2.3 **部分
圆织机卷取机构-上牵引系统和收卷机。上牵引系统由主机同时驱动,它由变纬齿轮改变纬密，由减速机减速,由一对平辊牵引编织布,输出的编织布由收卷机卷取成布卷。收卷机由力矩电机、减速机及二辊平面滚取卷布。**部分是由台达A系列伺服配上的减速机实现对织布的**，关键点是要根据主电机的速度变化来**控制**伺服的速度，以保证无论主电机速度如何变化，纬线都能均匀地缠绕在经线上。收卷部分的作用主要是将织布卷绕成筒同时可以平衡收卷系统的张力，减少**伺服的力矩输出。
4 台达自动化解决方案
4.1 方案分析
目前国内自动圆织机控制部分是采用控制器+变频器的方式，控制器可以是PLC或者单片机，显示部分使用触摸屏或者是文本显示器，通过开放的窗口在线设置纬密，实现扁丝规格的自由变换。该配置克服了之前机械传动系统在更换产品后，需要更换机械传动部分的弊端。但是因为使用的**部分是由变频器来控制异步电机，及其响应性能比机械传动机构降低很多，这样一来就会出现在启动和停止的时候会出现横条，高速时会出现织物疏密不均的现象，如图2所示。
4.2 台达方案设计
我们根据目前圆织机存在的问题提出了一套自动塑料圆织机解决方案，该方案以台达A伺服作为**，通过与台达PLC通讯修改电子齿轮比来实现纬密控制，辅以台达触摸屏来实现数据的设定和机器工作状态的显示。控制系统的结构分为三个部分:显示部分、执行部分和主控制，如图3所示。显示采用AS57GSTD触摸屏，包含的功能有：圆织机的状态信号、变频器的参数设置，电流频率显示，自动计米，班组产量统计，纬密设定，变频器，伺服的点动控制等等。主控制采用台达ES系列PLC，主转盘使用台达变频调速，启动平稳。
在本系统中，台达伺服驱动器直接根据主机的位置信号来控制伺服电机，控制结构简捷可靠;同时充分利用MODBUS 通讯直接更改电子齿轮比。通过台达触摸屏，可以设定圆织机编织的工艺参数;当纬线宽度变化时，只需要简单的更改纬密度，大大**了生产效率。此外，本系统还具有生产统计和管理的功能，可以对不同班次进行生产数据统计和显示。整个控制系统具有响应及时、调节方便等优点，很好的解决了圆织机常见的启停时编织疏密不均和高速时编织质量下降的问题。基于台达解决方案的人机操控界面如图4所示。
当前随着制药企业“GMP”新标准认证制度的实施，为制药企业对制药装备提出了更高的目标和要求。同样为制药装备厂家提供了前所未有的发展机遇和市场空间，但是传统的制药机械机械结构已经和控制方案存在控制精度差、设备故障率高等问题，这明显已经不能满足现有的制药行业发展的需求。新一代的基于伺服装置控制的制药机械将可以提供更高精度的，更高自动化程度的制程工艺，以满足市场新的要求。
本文基于台达A2伺服独有的电子凸轮功能配合全新pr运动控制模式，针对药品水针剂生产灌装生产线高精度同步灌装工艺工程，实现了一套高性价比的主从多轴伺服同步控制方案。
2 机械设计和工艺要求
2.1 机械结构设计
灌装同步生产线，主要分为送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分构成，如图1所示。
早期药机同步灌装，送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分动力来源均为送瓶拖链电机输出。多是以机械凸轮通过多级机械传动，带动两个实体凸轮机构来实现同步。实体的凸轮加工需要高精密的CNC加工中心才能生产，生产成本较高，而且调试和安装起来非常麻烦，并且随着使用时间增加，机械的磨损会影响到同步灌装的精度，后期维护费用很高，产品换型困难。
台达A2系列伺服电子凸轮功能就是针对上述问题而开发的智能型伺服系统。
伺服灌装同步生产线，仍然分为送瓶轴拖链、水平跟踪轴和垂直跟踪轴3部分构成，只是在机械结构上，摒弃了传统的机械凸轮连接，取而代之的是两颗高精度伺服系统，通过精密丝杆分别控制水平跟踪轴（X轴）和垂直跟踪轴（Y轴）的位移。其伺服系统的命令来源均为安装在送瓶拖链上的高解析度编码器提供。控制架构如图2所示。
其详细机械数据如下：
主编码器分辨率为2000p/r，凸轮一周，编码器旋转2圈，采集脉冲数量16000ppr，5v差动信号。
主电机由变频器控制工作频率在0~50hz。
X/Y滑台丝杆的螺距为10mm，X/Y伺服编码器分辨率通过电子齿轮比功能设定为100000ppu。
X轴同步的区域长度为A~B=240mm。Y轴插入的距离为40mm。
2.2 工艺要求
A、精度要求：
（1）灌装喷嘴直径为2mm，药瓶口直径为6.5mm，无论何种速度。喷嘴和瓶口不能接触
（2）要求伺服在同一灌装速度下，定位精度在0.5mm内。
（3）不论主动轴变频器速度在0~50HZ内任意变换，伺服的加减速都可以保证完全同步，偏移量不得大于1mm。
（4）伺服可以在变频器10HZ低速运行时，也能保证好的同步效果。
B、同步灌装动作要求：
（1）X轴水平轴跟踪伺服，驱动灌装喷嘴前后运动。灌装过程分为同步区间和高速返回区间。其中同步区间速度和送料拖链速度保持一致。在同步区域内，Y轴才可以插针到瓶内。同步区结束后X轴高速返回到原点，等待插入下一组药瓶。
（2）Y轴垂直轴**伺服，驱动灌装喷嘴上下运动，灌装过程分为快速插入和慢速返回区间。快速插入时的距离为40mm。并要求在瓶底停留一段时间。然后慢速**，**速度和灌装系统**相关，任何情况下不允许针管接触到灌装液面。
（3）在灌装过程时，不论在快速插入瓶口和返回区间Y轴始终和主动轴的编码器命令同步对应，同样伺服马达的速度和药瓶的输送速度保持一致，即为同步灌装要点！
3 台达高精度灌装控制方案
3.1 方案配置
本方案配置ASD-A2- 0421－－B 控制器2台。
台达A2系列高解析智能伺服是台达电子凭借多年的伺服研发经验于2009年推出的新一代的伺服系统，其设计引入了欧系高端伺服智能化的理念和控制架构。大幅**了产品的性能和应用价值，产品主要特点如下：
（1）20bit高解析编码器，可以提供1280000ppr的更高定位精度。
（2）内含64组PR运动路径编辑功能，电子凸轮功能。无需高阶控制系统，就可实现复杂的运动控制和凸轮同步功能，
（3）内含伺服By-pass功能，可以实现命令信号逐级传递不衰减，轻松构造一主多从的控制架构。
（4）高响应和共振抑制可以满足各类机械环境。
3.2 方案实施
综合上述的分析，但A2智能伺服就完全可以实现的同步灌装运动控制要求。以下将针对同步灌装的主要工艺要求对方案可行性逐一进行分析。
3.2.1动作分析与PR路径规划
同步灌装动作流程如图3所示：
图3 同步灌装动作流程
下面以X水平跟踪伺服为例说明，动作要求如下和PR路径规划如下：
A. X轴回归机械原点
PR#00 回机械原点。开机X轴回归到机械原点。。
PR#01 回到原点,确保伺服因紧急情况脱离后，再次执行时处于X轴原点。
参数设定图如图4所示：
CAPTURE 的概念是利用外部的触发信号DI7，达到瞬间抓取运动轴的位置资料，并存放到资料阵列中，作为后续运动控制使用.
需要特别说明的是，当伺服使用CAPTURE资料抓取功能时，伺服系统将强制关闭原有DI 功能规划，将DI7强制为CAPTURE。故在CAP功能开启后，DI7只能使用在CAPTURE，因为这个信号经过硬体特殊处理为高速处理I/O,响应时间为3μ秒
PR#02 写参数P5-39=0 关闭CAPTURE功能，防止误动作。
PR#03 写参数5-38=1 ，只啮合一次，保证在同步区间不会出现干扰信号。
PR#4 写参数5-39=0XF021，启动CAP资料抓取功能 。
C. 电子凸轮功能设置。
等待CAPTURE资料抓取信号，由安装在主动轴上的接近开关信号，触发A2伺服Capture和E-CAM功能，来实现电子凸轮啮合。
PR#5 写参数5-88=0XF2220，关闭电子凸轮功能。
PR#6 写参数5-88=0XF2221，开启电子凸轮功能。
参数规划如下：
X凸轮控制=1 启动电子凸轮。
Y凸轮命令来源=2 PULSE命令。
Z凸轮啮合时机=2 CAPTURE任一点动作。
U凸轮脱离时机=2 主轴抓取脉冲数>5-89设定后脱离。
当伺服DI7 CAPTURE检测到ON上升沿信号时，凸轮就会啮合，伺服电机根据A2预先编辑好的凸轮曲线轨迹，按照送瓶伺服主动轴编码器脉冲指令运动。
当进入到设定同步区输出同步范围后，X轴D0CAM-AREA信号ON，控制**轴伺服Y轴凸轮啮合。
当伺服抓取数值通过比较等于主轴凸轮脉冲P5-89的值时，伺服马达立刻脱离电子凸轮，追随结束。
D. 凸轮分离，伺服电机高速返回。
伺服马达反转，高速返回起始原点，等待下一次触发信号的到来。该阶段为伺服自身的PR模式控制，返回时的速度和加减速规划，由A2伺服的PR模式实现和完成。
PR#15 定位，高速返回到原点
PR#16 跳转指令，跳回到PR#02。当流程结束，返回到PR#02，等待下一次啮合信号到来。
对于垂直**轴Y轴，除返回时，因返回起始原点速度也由凸轮曲线规划，所以除了没有PR规划没有PR#15，其他情况和水平X跟踪轴相同，对此不再复述。
使用A2资讯软体，用户可以方便的规划伺服的运动路径，新型的PR路径编辑器不但支持跳转、插断、叠加等运动逻辑处理，还支持参数读写等丰富功能。
3.2.2 电子凸轮曲线规划
A、水平跟踪X轴凸轮曲线规划