CPU SR20, AC/DC/RELAY, 12DI/8DO

SIMATIC S7-200SMART, CPU SR20, STANDARD CPU, AC/DC/RELAY, ONBOARD I/O: 12 DI 24V DC; 8 DO RELAY 2A; POWER SUPPLY: AC 85 - 264 V AC AT 47 - 63 HZ, PROGRAM/DATA MEMORY: 20 KB

1 引言 套标机作为后段包装技术含量较 高的设备之一，适合各种容器瓶、罐、 各种形状及材料的收缩膜包装 ( 如食 品、饮料、制药等行业中各式塑料瓶、 玻璃瓶、PVC、铁罐等容器 )，可与 生产线全面连线作业或单机作业， 对空瓶或填充后均可进行包装。套 标机的出现实现了全自动快速包装， 大幅降低了人工费用，同时提升了包 装效果。 传统套标机主要以单机头为主， 能够满足瓶身单次套一个标的需求， 但在瓶口和瓶身都需要套标的情况 下，就需要两台套标机，一方面造成 安装空间过大，另一方面与其他工艺 段连接也不方便。而双机头套标机则 可以有效的解决以上问题，减少了安 装空间，也降低了成本。 双机头套标机的工艺需求较为复 杂，涉及到 4 个轴的伺服控制 ( 两个 送标，两个切标 ) 及 1 路高速计数 ( 螺 杆转速检测 )。本系统采用两个西 门子 S7-200 SMART CPU 模块分别 去控制两个轴，CPU 模块之间采用 Modbus RTU 通讯，并采用 SMART LINE 触摸屏对系统参数进行配置。 一体化的 SMART 解决方案优化了机 器性能，生产效率达 18000 瓶 / 小时， 控制精度达到 ±1mm。 2 双头套标工艺原理 双机头套标机的工艺主要分为瓶 身套标和瓶口套标两个部分。在分瓶 螺杆将输送带上的待套瓶按一定间 距分开后，设备就进入到瓶身套标工 艺段。当瓶身待套区域检测电眼检 测到来瓶时，瓶身切标伺服被触发 动作，切标完成后刷标电机将标签快 S7-200 SMART 在双机头套标机上的应用 Application of S7-200 SMART on Double-head Sleeve Labeling Machine 西门子 ( 中国 ) 有限公司 邓 威 Deng Wei 摘  要：本文介绍了西门子 S7-200 SMART PLC、SMART LINE 触摸屏在双机头套标机上的应用， 阐述了设备工艺流程、控制系统的配置选型、软件设计和触摸屏的画面组态。S7-200 SMART 的高速计数、运动控制和通讯功能在设备的开发中得到了良好应用，经测试，该设备满足生 产要求，运行稳定，性能良好。 关键词：双机头套标机 S7-200 SMART SMART LINE Abstract: The paper introduced application of S7-200 SMART PLC and SMART LINE HMI in double-head sleeve labeling machine, describing machine process, control system configuration, software design and HMI graph configuration. High-speed counter, motion control and communication function of S7-200 SMART are used in the machine which operates well and meets production requirements after test. Key words: Double-head Sleeve Labeling Machine S7-200 SMART SMART LINE 【中图分类号】TB486 【文献标识码】B 文章编号 1606-5123(2013)04-0030-04 P2013-04双色.indd 30 2013-4-11 15:30:51 《PLC&FA》 2013 年 04 月 WWW.CA168.COM 31 速刷下并套瓶，同时瓶身送标伺服启动，将固定长度 ( 定 长切 ) 或分段长度 ( 色标检测长度 ) 送入待切区域准备下 一次切标。瓶身毛刷将瓶身标签整理齐，主输送带将瓶 送到瓶口套标的工艺段，当瓶口待套区域检测到来瓶时， 瓶口的切标伺服开始动作，工艺流程与瓶身套标一致， 当瓶口套标完成后，输送机将套好的瓶子送入热收缩箱 进行缩紧定型。双机头套标机工艺流程如图 1 所示。 3 SMART 解决方案 双机头套标机要求 4 个伺服定位过程，而且对定位的 精度要求较高。目前面向经济型 OEM 市场的 PLC 基本上只集成 2 路 100KHz 的 PTO 功能，无法通过 1 台 PLC 满足 工艺要求。另外，该设备的 I/O 点数较 多，为 23DI，38DO。为了降低成本， 选型时希望通过 CPU 模块标配集成的 I/O 满足要求，而不使用扩展模块。因 此选用 2 台西门子 S7-200 SMART PLC 作为主控单元，每台 PLC 本体集成 3 路 100KHz 的 PTO 输出，满足设备中 4 路 100KHz 的 PTO 输出要求，PLC 之 间通过 Modbus RTU 通讯的方式实现瓶 身和瓶口套标过程的配合。 SMART LINE 触摸屏本体集成以太网接口，可连接 3 台 S7-200 SMART 控制器。在本项目中，SMART LINE 使用普通的网线与两台 S7-200 SMART 相连，可直接操 作两台 PLC。硬件配置如附表所示。系统架构如图 2 所示。 附表 电控系统方案配置 型号 描述 数量 6ES7 288-1ST60-0AA0 标准型 CPU 模块，晶体管输出， 24 VDC 供电，36 输入 /24 输出 1 6ES7 288-1ST40-0AA0 标准型 CPU 模块，晶体管输出， 24 VDC 供电，24 输入 /16 输出 1 6AV6 648-0BC11-3AX0 SMART LINE 触摸屏，7 寸，64 k 色真彩显示 1 6SL3210-5CB13-7AA0 V80 伺服驱动器 0.75kW 2 1FL4044-0AF21-0AA0 伺服电机 0.75kW 2 6SL32105CB12-0AA0 V80 伺服驱动器 0.4kW 2 1FL4033-0AF21-0AA0 伺服电机 0.4kW 2 4 编程设计 根据双机头套标机的工艺流程及使用到的PLC功能， PLC 程序开发分为三个部分：螺杆速度采集，切、送标 的伺服控制以及 PLC 之间的通讯。 4.1 螺杆速度采集 通过一路高速计数器测量螺杆的转速脉冲，利用系统 的定时中断，每隔 50ms 采样一次当前计数器的值，算出 两次脉冲的差值，折算成螺杆转速 ( 转 / 分钟 )。螺杆转 速 =(S2-S1)×1000×60/50(S1：上次脉冲数；S2：本次脉冲 数 )，生产速度 = 螺杆转速 /20( 瓶 / 分钟 )。 4.2 切标伺服控制 切标控制时，伺服信号的给定采用脉冲 + 方向的方 式。由于伺服驱动器选择了 1000 脉冲转一圈，并且伺服 电机zui大速度是 4500 转 / 分钟，可以计算得出zui大速度 =4500×1000/60=75000 脉冲 /s。根据多次的测试，加减 时间设置成 0.2s。由于切刀的性能要求是速度快，对位置 图 2 电控系统架构图 图 1 双机头套标机工艺流程 P2013-04双色.indd 31 2013-4-11 15:30:53 32 《PLC&FA》 PLC&IPC&EAS PLC&IPC&EAS 要求不高，所以采用速度模式。通过刀盘电眼检测刀盘 进入凹槽区，确认切标完成，同时触发送标启动。 4.3 送标伺服控制 送标控制可采用定长切和分段切两种模式。 (1) 定长切。即每次切的标签长度固定，只需走固定 距离就可以，因此采样相对定位。通过向导生成运动控 制子程序，在主程序中调用 GOTO 子程序，将 MODE 设 置成 1 即为相对定位。 (2) 分段切。通过色标传感器检测标签的透明段进行 区分每段的距离。因为每次标签的实际长度不是固定的， 所以采用速度模式，检测到透明短时停送标，GOTO 子 程序，将 MODE 设置成 2，即为速度模式。 4.4 通讯功能 由于主输送带和螺杆由一台 PLC(ST60) 控制，另 一台 PLC(ST40) 需要获取其状态，所以两台 PLC 采用 Modbus RTU 协议进行通信，本系统中采用 ST60 做主站， ST40 做从站。 ST60 调 用 MODBUS 主 站 库， 初 始 化 波 特 率 为 9600，偶校验，选择口 0，超时检测设为 1s。然后分时调 用 MBUS_MSG，作为读和写，读写周期为 300ms。 通讯模块编程分别如图 3~7 所示。 图 3 Modbus 主站的初始化 图 4 Modbus 读指令 图 5 Modbus 写指令 图 6 Modbus 从站的初始化 图 7 Modbus 从站功能调用 4.5 HMI 画面设计 触摸屏主要由主界面、瓶身操作界面、瓶身参数界面、 瓶口操作界面、瓶口参数界面组成。 (1) 主界面：显示厂家的基本信息，如厂家名称，地址， 电话； (2) 瓶身操作界面：机头升降 ( 调试功能 )、分瓶启停、 带瓶启停、主输送带启停、刷标启停、毛刷启停、主机启动、 主机停止。 (3) 瓶身参数界面：送标位置与速度设置，切标位置 与速度设置。 瓶口操作界面和参数界面与瓶身相同。除上述界面之 外，还有##设置登录界面和##参数设置界面，部分 操作画面如图 8 所示。 P2013-04双色.indd 32 2013-4-11 15:30:54 《PLC&FA》 2013 年 04 月 WWW.CA168.COM 33 5 结束语 西门子小型 PLC S7-200 SMART 集成了强大的运动控制功能，同时 提供了简单易用的向导，设置完毕 后可自动生成相应子程序，自动、 手动、点动、####运行、相对运动、 速度模式、寻零、走包络等等。本案 例中，调用 GOTO 子程序，只需要 修改 MODE 的值就可以切换运动模 式。在通讯方面，PLC 软件中自带 的 MODBUS 主从站库，直接调用， 分配存储区，实现 MODBUS RTU 的 通讯非常便利。由于 RS485 是半双 工的，所以需要分时进行读写操作。 作者简介 邓威 (1984-) 男 工程师，现任 职于西门子 ( 中国 ) 有限公司区域应 用技术中心，主要负责 OEM 客户新 设备的样机开发，研究自动化及驱动 产品的系统集成。 参考文献 [1] S7-200 SMA RT 产品样本及系统手册 [Z]. 西门子 ( 中国 ) 有限公司 . [2] SMART LINE 触摸屏样本及编程手册 [Z]. 西门子 ( 中国 ) 有限公司 .