食品包裝機系列－－-螺桿包裝機 5240
食品包裝機就是把所需要的食品裝進袋子裡面然後封裝起來的過程。第一步先把一張膜變成一隻三面封閉的袋子，第二步把所需要的物料放入袋中，最後將袋子封口。這樣一個裝滿東西的袋子就製做完成了。袋子的長度取覺於送膜的多少，為了使控制的精度提高一般會選用伺服電機。把物料放入袋中需要另外一台設備的配合，主要常用的就是電子秤（顆粒狀產品如圖2所示）、螺桿（粉末狀產品如圖1所示）及轉料盤（顆粒狀產品）。小型粉劑、顆粒、液體食品包裝機大多數屬於立式包裝機。它主要包括：供料部分、稱量部分、包裝機部分及成品輸出部分。供料部分與稱量部分與所包裝的產品類別有關，包裝機部分與成器輸出部分基本相同。下面我主要來介紹一下包裝機部分的系統控制。
圖1.螺桿下料設備
圖2.電子秤下料設備
一、電氣控制部分選型
包裝機是一種由放膜系統、張力控制系統、衣領成型器、縱封、橫封及切刀等部分的協調動作來完成製做一個袋子的的設備。其中包裝膜的傳送由於控制精度及速度以及運動曲線等方面的考慮選擇使用伺服電機系統，控制器使用晶體管輸出的PLC。電氣配置如圖所示。
圖3.電氣配置圖
表1 控制信號I/O表
伺服電機要求 額定轉速3000R/min,額定電流大於3A，轉動慣量大於7 10-4kgm2。額定轉矩2N•m。綜上所述為這個系統選擇 CPU224XP 及750W V80伺服控制系統。
圖4.系統配置圖
二、安裝設置參數
將PLC與伺服電機根據圖紙安裝在設備上面，並將V80上面脈衝設定旋轉開關調整到8的位置。
三、程序設計
以一台螺桿式包裝為例，這個系統中主要控制部分就是送膜伺服電機、螺桿伺服電機、橫封電磁閥、縱封電磁閥、切刀電磁閥等。程序主流程從大的方面來講主要分為送膜部分和橫封部分（包括了縱封、切刀、抽氣、托料等輔助動作）。程序結構如圖5所示：
圖5 程序流程圖
(一)送膜伺服脈衝控制
使用西門子S7200PLC PTO多段速來控制，脈衝數與機械減速比及皮帶輪的直徑有關，在此可以通過試驗的方法來確定這個參數，每1mm所需要的脈衝數。為了保持送膜的平緩度，而V80伺服電機又不具備加減速的設定功能，所以在控制曲線中加入加減速的控制如圖6所示。
圖6 定長送膜伺服電機控制曲線
在定長拉膜時，送膜伺服總脈衝數
S總 = S1 + S2 + S3
當 t1 = t3 ，S1 = S3 時，曲線為一個等腰梯形。
另外當 S總 = S1 + S3 時如圖7所示: 波形成為三角型狀，速度提高到最大值就減速下降。
圖7
當S總 < S1 + S3 時如圖8所示，伺服最高速度在沒有到達Vmax時就開始下降.
圖8
在色標定長送膜控制中，如圖9所示，當接收到色標信號時伺服電機需要立即停下來，為了能夠使包裝膜停的平穩一點，在設計程序時，如果在A1點色標信號到來，那麼伺服電機將會在高速旋轉的時候突然停止，會產生一個很大的振蕩，而且長時間這麼用對伺服電機也是一種傷害。如果選擇在減速的過程中A點色標信號到來，這時電機處於在較低的轉速下停止。
為了能讓色標在減速過程中到來，那麼首先我們要知道包裝的色標間距L，在不考慮皮帶打滑及電機停止時的衝擊的情況下，
L = S1+S2+S3
在做曲線的時候需要給總的送膜為
S = L + S4
S = S1 + S2 + S3 + S4
其中當曲線的加減速時間和脈衝相等時有：
S1= S3 + S4 , S4為補償值。
在不考慮皮帶卡死、沒有氣壓等非正常情況下，如果當電機停在M點的話，那麼說明沒有捕捉到色標或者 L > S 。
圖9 色標定長送膜伺服電機控制曲線
(二)、橫封部分控制
這部分採用兩個定時器來控制輸出電磁閥的延時時間和接通時間。此部分的程序相對比較簡單在此不再贅述。
(三)、系統等待部分
在此部分是為了等待包裝信號的給定，一般為第三方產品，比如電子秤下料信號，螺桿下料信號，轉盤下料信號等，這台機採用螺桿下料系統。
螺桿供料裝置主要是利用相等螺距的螺桿旋轉時將粉狀物質旋進包裝袋內，其精度取覺於螺桿的製做精度及程序設計。在程序中電機每轉所需要的脈衝數的多少直接和精度相關。
通過手動測試給出一個每克多少個脈衝當量。
(四)、附加部分
在這個部分主要是主程序的輔助程序有：手動控制、報警控制、時間設置、配方功能、數據計算等等。
部分程序列舉:
子程序
Network 1 // 網路標題
LD SM0.0
S M1.4, 1
R M0.5, 1
Network 2
LD SM0.0
LPS
MOVB 3, VB500 //包絡表首地址
MOVW +200, VW501
AENO
MOVW -1, VW503
AENO
MOVD 加減速脈衝: VD5196, VD505
LRD
MOVW PTO周期值: VW5020, VW509
AENO
MOVW +0, VW511
AENO
MOVD 恆速脈衝數：VD5200, VD513
LPP
MOVW PTO周期值：VW5020, VW517
AENO
MOVW +1, VW519
AENO
MOVD 加減速脈衝:VD5196, VD521
Network 3
LD SM0.0
MOVB 16#A0, SMB67
MOVW +500, SMW168
ATCH 拉膜中斷：INT0, 19
ENI
PLS 0
INT0
Network 1
LD SM0.0
S 拉膜完成:M0.5, 1
了程序1 // 數據處理
Network 1 螺桿頻率與脈衝數計算
LD 螺桿秤:M15.5
LPS
MOVR 1000000.0, VD5570
/R 螺桿頻率:VD1050, VD5570
ROUND VD5570, VD5574
AENO
DTI VD5574, pt1周期:VW5552
LPP
MOVR 500.0, VD5556
AENO
*R 螺桿圈數:VD1058, VD5556
AENO
ROUND VD5556, 螺桿脈衝數:VD5560
Network 2 // 送膜PTO最高速度時周期值計算
LD SM0.0
LPS
MOVR 1.0, 過度區0:VD5032
AENO
/R 驅動頻率:VD1038, 過度區0:VD5032
AENO
*R 1000000.0, 過度區0:VD5032
LPP
ROUND 過度區0:VD5032, 過度區0:VD5032
AENO
DTI 過度區0:VD5032, PTO周期值:VW5020
Network 3 // 送膜加減速與勻速脈衝數計算
LD SM0.0
LPS
MOVW +200, 周期增量:VW5204
AENO
-I PTO周期值:VW5020, 周期增量:VW5204
AENO
ITD 周期增量:VW5204, 加減速脈衝:VD5196
LPP
MOVD PTO脈衝值:VD5028, 過度區13:VD5206
AENO
-D 加減速脈衝:VD5196, 過度區13:VD5206
AENO
MOVD 過度區13:VD5206, 恆速脈衝數:VD5200
-D 加減速脈衝:VD5196, 恆速脈衝數:VD5200
Network 4 // 袋長總脈衝數計算
LD SM0.0
MOVR 袋長設置:VD1000, 過度區2:VD5040
AENO
*R 脈衝數1mm:VD1088, 過度區2:VD5040
AENO
ROUND 過度區2:VD5040, PTO脈衝值:VD5028
Network 5 // 當加減速脈衝和大於總袋長脈衝時的計算
LDD<= 恆速脈衝數:VD5200, 0
LPS
MOVD PTO脈衝值:VD5028, LD0
AENO
/D +2, LD0
AENO
MOVD LD0, 加減速脈衝:VD5196
LPP
DTI 加減速脈衝:VD5196, LW4
AENO
MOVW +200, PTO周期值:VW5020
-I LW4, PTO周期值:VW5020
四、附圖
附圖一、放膜系統結構示意圖
附圖二、應用案例中螺桿包裝機外型圖
附圖三、包裝機放膜機構
附圖四、包裝機送膜機構
五、總結
本文給出了關於西門子S7-200與伺服之間利用PTO來完成運動曲線的控制過程，及在食品包裝中有關伺服控制方面的幾個特點與難點在編程過程中遇到的問題和解決方法。具有很大的實用性，可以用於實際項目中。
