西门子6ES7511-1CK01-0AB0技术参数

1 引言
悬挂链输送线是根据用户合理的工艺线路，以理想的速度实现车间内部、车间与车间之间连续输送物品达到自动化、半自动化流水线作业的理想设备。可在三维空间作任意布置，能起到空中储存作用，节省地面使用场地，悬挂输送链以其输送距离远，运行速度范围大和转弯、爬越、布置灵活等优点而广泛应用于喷涂、烘干、表面清洗、电镀、装配和产品传输转运等领域。
链条是输送机链的牵引部件，普通悬挂输送链有两种型式的链条，即模锻可拆链和冲压可拆链，以上两种形式链条除了作直线运动外，均能在水平方向、垂直方向任意回转，相比之下，模锻可拆链的吊挂能力较大。在输送链较长，并且重载和爬越高度大、转弯多等情况下，一般都分成几个部分，由二台或三台或者更多电机分别驱动。
在输送链分成几个部分时，在每一部分都有1对张紧伸缩节（正常时约7至10厘米长），如这一部分的链条的速度小于其它部分的速度，张紧伸缩节的距离会被压缩，如距离被压缩完后链条会在某一点发生堆积产生冗余进而造成输送链停车，反之，如这一部分的链条的速度大于其它部分的速度，它的距离会增大，如超过一定程度甚至链条会被拉断。因此，要保证输送链能正常工作，每一部分输送链的移动速度必须相同，也就是同步，否则各个电机在所承担的负荷畸轻畸重情况下速度差异很大，设备无法正常运行。
前不久，我们承接了这样一条输送链(模锻可拆链)驱动的设计制作，在这里谈一下plc、变频器及pod触摸屏在悬挂输送链电机同步控制中的应用。

2 任务要求
输送链长度560米，高运行速度6米/分。工作时间一星期七天，每天16小时，工作环境温度0～40度。大吊挂重量100千克/80厘米，整线大吊挂重量70吨。
输送链整线分成3个部分，由三台功率为3kw的电机分别驱动，要求3个部分的输送链要同步运行。

3 同步控制方案与论证
3.1 方案
简单的把要控制的三个电机的功率加起来乘一个1.2到1.5之间的系数，以此数值选一变频器，用这一台变频器直接驱动三台电机。
用市面有售的同步控制器，用同步控制器发速度指令给三台变频器，每台变频器驱动一台电机。
用三台变频器，在一号电机上加pg卡及编码器(增量式a、b相，pc、12/15v 1024p/r)，以1#电机为主电机，2#、3#电机以1#电机速度为基准；方向指令同时加到三台变频器。1#电机矢量控制方式闭环运行，2#电机、3#电机开环v/f控制加转差补偿。
用三台变频器，在每个电机上加pg卡及编码器(规格同上)，1#电机为主电机，2#、3#电机以1#电机速度、转矩为基准；方向指令同时加到三台变频器。1#电机以速度控制方式闭环运行，2#电机、3#电机以转矩控制方式闭环运行。
用plc控制，控制转速的指令由plc的da转换模块以直流0-10v形式向驱动电机的变频器发出，在每一个电机用编码器或测速齿轮加接近开关测量其实际转速并反馈给plc，以电机实际转速为基准，plc根据测量到的2#电机、3#电机的实际转速经运算处理后向控制2#电机和3#电机的变频器发出修正指令，保证3台电机实际转速趋于一致。
3.2 分析
在实际运行中输送链负载的变化是很大的，首先，因为在输送链中存在转弯、高度升降，即使在输送链在空载时三个电机的负载也不是完全相等的，在生产过程中变化更大，尤其是在开始生产也就是向空线吊挂工件时（此时1#电机负载大于2#电机、而2#电机负载大于3#电机）以及生产结束开始也就是向输送链不挂只卸工件时（此时3#电机负载大于2#电机、而2#电机负载大于1#电机）及在换品种（新工件与老工件重量有差异）也会发生以上的情况。
3.3 论证
种方法和第二种方法均是开环控制。种方法只适用于各电机负载相同和同步要求不太高的场合，第二种方法实际上只是把同一个速度给定信号简单复制几份或者按比例复制几份加到相应变频器上，它只适用于各电机负载相同或各电机负载不相同但负载不变而且同步要求不太高的场合。
第三种方法是半闭环控制，控制精度好于前两种，但也只适用于各电机负载相同或各电机负载不相同但负载不变而且同步要求不太高的场合。
第四种控制方式和第五种控制方式均是闭环控制，都能满足控制要求。比较起来，第四种控制方式以控制转矩为主，追求各电机转矩及速度同步，同步精度高一些，但配置价格较高；第五种控制方式以控制各电机速度为主，同步精度稍差一些，但配置价格较经 济，因此，我们在经反复比较和考虑后决定采用第五种控制方式。
由于560米长的悬挂输送链是由1000多节40厘米长的链条联接而成，在吊挂工件后链条会有一些伸长，在悬挂输送链有两段温度高达摄氏150度以上，还有几段凉水喷淋或强迫风冷的地方，温度因数也会造成链条伸长或收缩，由于链条节数较多，即使每节微小长度的变化累积起来也会使三台实际转速同步的电机驱动的三部分链条的移动速度不相同。为此，必须对同步控制作一些修正，我们在每一个张紧伸缩节处安装了四个接近(限位)开关(稍快，很快，稍慢，很慢)，plc根据每一个张紧伸缩节处的开关接通状况发出相应的修正指令。
严格地说三电机同步实际上也不是完全同步，只是三电机趋向同步，是一个差异调整再差异再调整的过程。

4 硬件配置
变频器选择：考虑到台达m系列变频器具有较好的性能价格比，对环境适应能力强，可靠性较高，并且也考虑变频器长期运行，其功率应留有一定的余量，决定采用台达vfd037m43b，其输入电压为三相380v，输出功率为3.7千瓦。
plc选择：为了实时监测和控制三台电机的转速，plc必须有三路高速计数输入(同时占用3个输入点)和模拟量输出，“自动运行”、“停止” 占用2个输入点，三段输送链张紧伸缩节位置指示占用15个输入点，三台变频器报警要占用3个输入点，三台变频器使能控制及报警输出要占用5个输出点，因此plc必须具有3点或3点以上的高速计数输入通道，具有23个以上的输入点和五个输出点，台达eh系列plc具有较高的性能价格比，它采用cpu+asic（高速运算处理晶片）双处理器，分工运算处理技术，基本指令速度可达0.24微秒，有四组计数频率可达200khz的高速计数器，可带8个扩展模块，功能强，能满足要求， 后采用的是台达eh系列plc的dvp20eh00r+dvp08h11n+ dvp08h11n+dvp04da-h，其输入点为28点，输出点为8点，有四路模拟量输出

pod采用台达的dop-a57cstd(屏幕为5.7寸)，用于设定电机转速，显示三台电机的实际转速及张紧伸缩节的状况。
由于在电机及减速机是订购的成品，在电机轴上安装编码器时同轴度很难达到规定要求，不得已，选用测速齿轮加接近开关这种测速方式，经测算测速齿轮齿数为60齿接近开关的大应答频率应大于1.5khz，我们采用了omron的e2e系列的接近开关，其大应答频率为2 khz，可以满足使用要求。

图1 控制系统原理图

控制系统流程图如图2所示。

5 系统实现的功能
当把“自动运行”按钮按下时，三个电机同时启动，输送链开始移动，为了减少冲击力，电机缓慢起动后，先在低速运行3秒，然后加速至设定速度运行。在运行过程中，开始时，plc的模拟量输出单元给每个控制电机的变频器的速度指令是相同的，之后，plc每0.5秒对三个电机采集一次实际转速数据，以台为基准对其他两台电机转速进行比较，算出差额，经cpu处理后，再向控制第二台和第三台电机的变频器发出修正后的速度指令，使其的速度与台的速度趋于一致。
plc在某一部分的“稍快”开关接通时，即将相应的电机的转速以设定转速为基准增加3%，如果这个信号未消失，那么以后每0.5秒将相应的电机转速增加1%；plc在某一部分的“很快”开关接通时，即将相应的电机转速以设定转速为基准增加9%，如果这个信号未消失，那么以后每0.5秒将相应的电机转速增加3%，直至信号消失。反之，plc在某一部分的“稍慢”开关接通时，即将相应的电机转速以设定转速为基准减少3%，如果这个信号未消失，那么以后每0.5秒将相应的电机转速减少1%；plc在某一部分的“很慢”开关接通时，即将相应的电机转速以设定转速为基准减少9%，如果这个信号未消失，那么以后每0.5秒将相应的电机转速减少3%，直至信号消失。
悬挂输送链的几个部分速度不同步或由于机械原因造成链条滑轮卡死会造成张紧伸缩节处拉伸或压缩过度，从而引起机械故障，为此，我们在每一个张紧伸缩节处安装了一个极限位开关，它可在张紧伸缩节处拉伸或压缩达到一定程度时停止整线的运行，另外，如果三台变频器的一台报警，整线的运行也将停止，这样可有效地避免引起机械故障。
输送链在非正常情况下(指输送链只有半条线挂工件时)停车，此时由于严重受力不均，有的部分链条会被拉伸，有的则被压缩，使张紧伸缩节处于报警状态，笔者见过的同类型的悬挂输送链碰到此类情况是靠人工干预后才能重新起动。我在程序中编了一个子程序，首先识别报警是否在运行中发生，如是，则需在人工干预查出故障后才能重新起动，如不是，则plc根据得到张紧伸缩节处的状况指示，先调整各个电机的启动次序和转速，消除报警，再转入正常运行，这样一来既保证了设备的安全运行，又避免了设备无故停产。
在触摸屏上可设定电机的转速（只有特定人员可进行此操作），如不重新设定，每次开机时执行上次已设定的转速。在触摸屏上可显示每个电机的实际转速，显示每一个张紧伸缩节处的状况（正常，稍快，很快，稍慢，很慢），显示报警状况并提示检修部位

1  引言
    剪折机是服装、鞋类等行业的商标加工类设备。剪折机用于带状商标剪切和折烫成型加工，首先通过切刀对商标进行冷切或者热切，然后经过模具对剪切完成的商标进行各种形状的折烫，可以实现对商标的切片、两边折、对折、中间折等，实现带状商标加工。自动剪折机外观如图1所示。模具和各种剪折方式如图2所示。

图1  自动剪折机外观图

图2  模具和各种剪折方式

    传统的剪折机是以仪表显示为主，采用单板机等嵌入式专用系统实现控制，商标长度通过机械调节。为了市场需求和自身发展要求，应用plc和变频器以及触摸屏等通用电气自动化平台技术开发全自动化剪折机，是剪折机设备厂家的迫切需求。

2  系统设计
2.1 系统分析
    原剪折机是由电机带动凸轮机构使送料机构送料、模具来回运动和切刀上下运动，一个行程完成送料、剪切和折烫等动作，电机速度、手自动启停控制、状态检测和故障判断则由单片机控制板控制，每次加工不同长度的商标之前，需要手动调整转盘，从而设置出所需长短尺寸，用户反应该电气配置存在配件采购麻烦，控制板电气保护差、维护困难的缺点，希望能通过电气改造提高机器的性能和使用便利性。
2.2 台达自动化平台设计
    根据机器的特点和用户需求，项目设计基于台达自动化体系平台。选用台达的sc系列plc来替代控制板做为控制用，m变频器进行电机控制，3.8吋触摸屏取代面板按钮；计数器，定长送料部分则由步进电机控制。
    (1) plc部分：选用台达12sc11t主机，如图3所示。

特点：
·主机点数12(di 8点，do 4点)
·大i/o扩展点数：236
·程序容量：8k步
·内置rs-232与rs-485通讯口，支持modbus ascii/rtu通讯模式
·支持2路100khz脉冲输出(y10,y11)
·内建2点100khz高速计数器

图3  sc主机外观图

    该主机是台达s系列中偏向运动控制的一款，非常适合需要高速控制定位的场合，比如伺服位置控制，数控加工等，本机配置点数比较精简，可以通过其强大的扩展功能轻易实现多点数，本项目中另外加16sp(di 8点，do8点)做为i/0扩展用。
    (2) 变频器部分：选用台达m系列015m21a型变频器，如图4所示。

特点：
·输出频率0.1～400hz      ·可设定v/f以及矢量控制
·载波频率可达15khz       ·支持modbus通讯
·内含pid反馈功能         ·零速力矩保持功能

图4  台达m系列变频器

    m系列台达变频器家族中的迷你高功能型，应用广泛，本项目中主要利用其变频和通讯功能，通过modbus通讯可以很方便地实现上位机对变频器进行参数设定和读取，从而实现对机器速度的准确实时监控。
    (3)人机界面：选用台达3.8吋as3.8bstd型触摸屏，如图5所示。

特点：
·8灰接蓝白stn，256色    ·支持rs485/rs232/rs422通讯
·解析度：320*240像素    ·支持usb存储、鼠标、打印

图5  台达as触摸屏

    通过台达人机可以方便地控制和监视，原按钮和计数器功能都可以通过画面实现，使控制箱面板更加简洁，提高了产品的档次，适应了市场需求。

3  控制系统设计
3.1 主驱电机
    主机要求速度达到0～150切/分，送料长度控制在0.2mm精度，工作长度范围在40mm-240mm。电机减速比设计为1:10，若要求达到200切/分，则当电机转速：n=150*10=1500转/分，要求输出频率为：f=n·p/60=1500·2/60=50hz，速度要求满足。
3.2 送料步进电机
    送料长度由步进电机控制，要求控制精度为0.2mm，送料辊周长115mm，减速比1:2，设置步进驱动器细分数使每转一圈对应脉冲数为600，送料辊每转1圈电机需转2圈，则每个脉冲对应送料长度为：l=115/2*600= 0.096mm<0.2mm，满足控制要求。
3.2 plc高速脉冲输出接口
    送料长度由步进电机控制，要求控制精度为0.2mm，送料辊周长115mm，减速比1:2，设置步进驱动器细分数使每转一圈对应脉冲数为600，送料辊每转1圈电机需转2圈，则每个脉冲对应送料长度为：l=115/2*600= 0.096mm<0.2mm，满足控制要求。
3.2 plc高速脉冲输出接口
    送料长度范围40mm～240mm，则要求每次发送脉冲数为416～2500。大速度150切/分，每完成一次动作的短时间为0.4秒，每次送料占用时间是总行程的1/2，则送料短时间为0.2秒，由于加减速时间和找标的时间大致为0.1秒，所以要求脉冲发送频率高：2500/0.1=25000脉冲/秒，sc高可以输出频率达到200khz， sc系列plc高速脉冲输出接口完全满足要求。
3.4 定标实现
    带状商标上有位置色标，色标间隔反应了商标的长度。定标送料就是通过光学传感器检测色标位置，每次检测到色标就停止送料，等待切刀完成剪切动作。由于步进电机的特点，当起始发送脉冲频率过高则容易出现失步堵转，因此需降低起始频率，通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、**运行的关键。
    定标采用两步走的方式，先按设定长度高速走一段定长，通过d1340设置加减速时间，离色标还有1～2mm的距离时开始低速找标，色标检测到则产生一个中断信号进plc，在中断程序中对m1334进行置位，使ddrvi的y10立刻停止脉冲输出，电机马上停止。
3.5 plc接口设计（附表）

附表  i/o接口定义

4  结束语
    经过全新电气改造的自动剪折机，无论从产品外观还是性能上都有了提高，经过上带连续生产，证实了产品性能上完全达到了用户的要求，由于采用了人机界面使得在操作便利上有了非常大的提高，虽然产品的控制点数不多，却涵盖了台达从plc、变频器到人机界面几大产品的应用，是台达自动化产品和机械的又一次成功结合。