摘 要：在深入分析套標機自動化系統的基礎上，給出基于臺達機電自動化平臺的套標機電一體化系統設計。對于電控系統套標精度等關鍵性能技術評估有全面細致的討論。
關鍵字：套標機 抓色標 PLC 伺服

1 引言

套標機的用途是給瓶裝商品套裝彩印商標薄膜。典型的套標瓶裝商品是快速消費品，例如瓶裝飲料、化妝品、藥品、保健品等。根據套標速度的不同，套標機可以分為以下幾種：100-150瓶/分、150-250瓶/分、300-400瓶/分、400-600瓶/分、600-800瓶/分。目前市場數量最大的集中在100-400瓶/分的設備上，大于400瓶/分的設備屬于高速套標，雖然目前市場份額不大，但由于行業內的競爭日益激烈，使得各廠家都在積極研發自己的高速套標機，速度最高達到800瓶/分，已接近機械系統的運行極限。

2 高速套標機電控系統分析

2.1 套標機控制

套標機控制的難點在于考驗PLC及伺服的響應性，生產效率越高，對于PLC發脈沖的頻寬和伺服的動態響應性及頻寬要求越高。因此在選用DELTA品牌時，PLC的主機選擇性能較高的DVP40EH00T2系列主機，也可選擇DVP28SV11T。這兩款主機是臺達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，同時基本指令的執行時間明顯優于業內同檔次的PLC。

2.2 伺服的頻寬及動態響應性

有了性能較高的控制器，接下來要考驗則是伺服的頻寬及動態響應性。臺達A系列伺服的響應頻寬為450Hz。在要求生產效率為200-300瓶的范圍內有一定的余量。基于以上兩點，硬件是完全能夠滿足效率的要求。但如果生產效率要求在400-600瓶/分或600-800瓶/分的高速套標時，對于PLC及伺服的要求都會非常高。伺服的頻寬450Hz是難以完成如此高的響應性的，而對于PLC則針對脈沖的平滑處理要求則更加高，需要將最高運行頻率與最低運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。針對這樣的要求，DVP40EH00T2新增了DPTPO的填表式發脈沖，加減速一共60段。在效率為200-300瓶/分的速度時，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，應該考慮能夠將分段在細一些或加減速的段數可以認為在特殊寄存器中自己定義。如果能夠做到這一點，對于高速套標，我們的PLC是非常有優勢的。突顯非常高的性價比。

2.3抓色標

控制上的難點在于抓色標。所謂抓色標即PLC接到色標傳感器的信號后，能夠非常快速的響應，并立即控制伺服停下來。一方面是考驗PLC在執行中斷時的快速性，同時也在考驗PLC在相同的頻率下發脈沖，中斷一來，能否穩定、一致、快速的禁止發脈沖。如果PLC不能保證中斷執行的快速性、一致性，穩定的將脈沖禁止，則會出現長短標的現象。這對于客戶是不能夠接受的。同時在高速發脈沖的時候，由于標長比較短，意味著一個完整的標長對應的脈沖當量比較小。如果對于發脈沖不做加減速的處理，當檢測到色標時，伺服運行在高速狀態，PLC此時發脈沖的頻率非常高，則會造成伺服的過沖。切出來的標簽會長于一個正常的標長。因此對于PLC發脈沖加減速的處理是非常關鍵的。即要平滑的加減速又要以較高的頻率運行，以滿足生產的高效性。這一點對于控制和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段進行，每個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保證生產的高效性是做好套標機的關鍵！對PLC的考驗也在于此。目前使用DVP28SV或EH2的主機在穩定狀態下能夠做到300-400瓶/分，效率再高已經比較困難，一方面對於發脈衝指令的平滑有更高的要求，另一方面對於伺服的頻寬也有更高的要求。當然如果在不計成本的條件下，使用DVP20PM與A2的伺服相信效率會有所提高。

3 高速套標機電控系統設計

高速套標機生產效率大幅度提高，對控制系統的要求也非常得高。首先對于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、中斷的響應能力等有很高的要求，同時對于伺服的響應頻寬、瞬時的啟停的高響應性都有非常高的要求。目前在小型通用PLC中，臺達SV/EH2系列提供填表式的發脈沖功能，加減速一共60段，能夠實現200-300瓶/分的速度。基于SV/EH2系列PLC的高速套標機控制系統結構如圖1所示。基于臺達機電產品的套標機硬件配置如表1所示。PLC輸入輸出定義如表2所示。PLC電控系統原理如圖2所示。

圖1 高速套標機控制系統
表1 硬件配置

表2 PLC輸入輸出定義


圖2 套標機PLC電控原理
4 控制特色及指標

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操作。當整機運行速度發生變化時，必須通過人為的手動調節后，才能正常的生產，一方面增加了操作人員的工作量和難度，同時對于操作人員也有一定的要求。需要比較有經驗的人員操作。當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，能夠幫助機械生產廠家節省一個同步控制器，降低了設備的成本。分瓶、帶瓶、輸送、料架的速度調整在自動運行的情況下，速度會跟隨主速的變化而變化，達到同步。而在手動操作時，客戶可以自己人為的在觸摸屏上單獨設定不同的速度。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力，分瓶、帶瓶作為從動部分，因此速度同步關系可以通過如下公式進行計算：V2=K1V1（K1為同步比例系數、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、V1為輸送的速度、V3為帶瓶的速度）

4.2 高精度自動對標

針對原來對標時，還需要通過人為的調整色標傳感器的位置，以達到切標能切到透明段，操作起來比較麻煩。因此在設計時充分考慮到這樣的要求，通過巧妙的程序設計，實現了低速時自動對標的功能。一旦操作完成，即使速度發生改變，只要在允許的范圍內變化（通常滿足設備的最高運行速度），無需在人為的調整色標傳感器的位置。方便、簡化了調機的操作。啟動前自動以低速運行，開中斷禁止發脈沖，達到自動對標的功能。速度在300-400瓶/分時，能將對標精度控制在0.5-1mm。