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案例頻道CAN總線多軸系統(tǒng)解決方案在絲網(wǎng)商標(biāo)印刷機(jī)上的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：
485、CAN總線、伺服驅(qū)動(dòng)器、色標(biāo)、刮刀
1 引言
絲網(wǎng)印花機(jī)是一種在一塊材料上整齊有序地印制多種色彩、標(biāo)簽、字符等標(biāo)示符的設(shè)備。能印刷材料相當(dāng)廣泛，比如絲帶、膠帶、膠貼、橡筋帶、棉帶、人字帶、布帶和織邊帶等等外，還包括人造皮革和膠料。其中輪轉(zhuǎn)式印刷機(jī)系列還可以印制成衣、鞋帽、玩具及各種帶類的商標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)多色印花機(jī)基本上采用的多PLC控制方案，系統(tǒng)由一個(gè)主PLC協(xié)調(diào)整體系統(tǒng)工作，每個(gè)工位配置（一個(gè)工位印制一種花色）一個(gè)小PLC，該P(yáng)LC的作用主要是協(xié)調(diào)該色位的兩個(gè)電機(jī)之間的動(dòng)作，一個(gè)動(dòng)作是由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)色標(biāo)電眼去檢測(cè)誤差；另一個(gè)動(dòng)作是刮刀伺服電機(jī)補(bǔ)償色標(biāo)電源檢測(cè)到的誤差并帶動(dòng)印刷設(shè)備開(kāi)始印刷工作。下圖是其中一個(gè)工位的部件指示圖：
2 系統(tǒng)要求
絲網(wǎng)印花機(jī)是一個(gè)由印花工位、烘干工位、拖膜工位、收料工位組成的系統(tǒng)，其中印花工位最為重要，如何保證每一個(gè)印花工位所印制的花色能夠準(zhǔn)備無(wú)誤地套在前一個(gè)色上是控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的功能之一。印花工位1（第一道工位）處于整條生產(chǎn)線的最前端，在這個(gè)工位上印制第一到花色，在該工位印制第一到花色后，后面的幾個(gè)工位在印制前要確保所印制花色的位置與第一到花色位置成一定位置關(guān)系，否則就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位的現(xiàn)象。因第一個(gè)工位處于系統(tǒng)最前面，所以無(wú)需要進(jìn)行誤差檢測(cè)。印花工位2/3/4/5/6/7/8（第2/3/4/5/6/7/8道工位）處于整條生產(chǎn)線的后端，在這幾個(gè)工位上印花前，必需確保所印制花色的位置與第一到花色的位置成一定位置關(guān)系，否則就會(huì)出現(xiàn)印花錯(cuò)位的現(xiàn)象；因此在這幾個(gè)工位上有一個(gè)專門(mén)的色標(biāo)檢測(cè)電眼，通過(guò)電眼來(lái)檢測(cè)前一到工位所印花色的位置，從而調(diào)整本到工位應(yīng)該印制的位置，進(jìn)而起到校準(zhǔn)的作用。
3 以前方案介紹
整套系統(tǒng)中PLC之間采用485的通訊方式，主站PLC通過(guò)485來(lái)協(xié)調(diào)下面各個(gè)工位PLC之間的動(dòng)作并交換各種數(shù)據(jù)，交換的數(shù)據(jù)包括報(bào)警信息、印制長(zhǎng)度等，整套系統(tǒng)中所使用的PLC根據(jù)工位的增加而增加。
方案特點(diǎn)：
i.通訊速度慢、響應(yīng)不及時(shí)：采用485通訊方式，由于目前設(shè)備較長(zhǎng)（8色機(jī)長(zhǎng)度達(dá)到40米），要贏得穩(wěn)定的通訊，必須使用較低的通訊速率，因此整套系統(tǒng)響應(yīng)比較慢；
ii. 編程量大：系統(tǒng)中采用了多臺(tái)PLC，而PLC之間的數(shù)據(jù)交換必須通過(guò)編程來(lái)完成，每個(gè)PLC均要進(jìn)行獨(dú)立的編程操作，因此給編程、維護(hù)造成了大量的工作量；
iii.印刷速度慢、效率低：一個(gè)工作流程中各個(gè)工位與主PLC間交換數(shù)據(jù)的次數(shù)多，系統(tǒng)在交換數(shù)據(jù)上花費(fèi)了太多時(shí)間，造成了系統(tǒng)效率低下，印刷速度提不上去；
iv.升級(jí)能力不足：由于系統(tǒng)的印花數(shù)跟控制器有關(guān)，如果想增加新的花色還需要購(gòu)買(mǎi)新的控制器和相關(guān)附件，因此增加了系統(tǒng)的改造成本；同時(shí)系統(tǒng)使用的主PLC也屬于小型PLC，如果新增工位，必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生較大影響，因此不利于系統(tǒng)的升級(jí)換代；
v. 系統(tǒng)成本高：每一個(gè)工位使用單獨(dú)的PLC進(jìn)行控制，增加了系統(tǒng)成本；
vi.接線眾多，距離長(zhǎng)，抗干擾能力差：系列中每個(gè)印花工位都有汽缸，而這些汽缸都是統(tǒng)一由主PLC控制，系統(tǒng)從生產(chǎn)線的頭段到最后一個(gè)汽缸之間的距離很長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)接線距離長(zhǎng)，同時(shí)成本高，而且布線不便，故障檢查繁瑣等等問(wèn)題；
4 現(xiàn)在采用方案
CANopen總線解決方案是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域非常流行的總線解決方案，所有的硬件設(shè)備均連接到CAN總線上，設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)總線來(lái)完成，由于具有很高的數(shù)據(jù)傳輸率，因此系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性和很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。主PLC與各個(gè)工位之間的通訊全部采用總線，交換的數(shù)據(jù)可以更多，速度也更快，系統(tǒng)中印花工位的增加對(duì)控制器沒(méi)有任何成本影響，而且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響也甚小！
方案簡(jiǎn)介：
1、系統(tǒng)配置
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名稱 |
型號(hào) |
數(shù)量(Pcs) |
說(shuō)明 |
|
PLC |
Kinco K406CN-24AT |
1 |
具有CAN總線通訊能力，支持標(biāo)準(zhǔn)CANopen 2.0A/B協(xié)議，能夠連接32個(gè)從站 |
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HMI |
MT4500T |
1 |
10.4寸TFT，65536色 |
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刮刀伺服驅(qū)動(dòng)器 |
ED430-0075-AA |
8 |
功率750W，具有CAN總線通訊能力 |
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色標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)器 |
ED100-AA |
7 |
功率400W，具有CAN總線通訊能力，能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) |
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刮刀伺服電機(jī) |
80S-0075-30AA |
8 |
功率750W |
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色標(biāo)步進(jìn)電機(jī) |
2S56Q-02976 |
7 |
功率400W |
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遠(yuǎn)程I/O模塊 |
CANopen I/O |
3 |
具有CAN總線通訊能力，
8DI/8DO |
2、每個(gè)工位的操作面板
印刷左移：控制伺服電機(jī)帶動(dòng)印刷臂左移
印刷右移：控制伺服電機(jī)帶動(dòng)印刷臂右移
追色左移：控制色標(biāo)電機(jī)帶動(dòng)色標(biāo)左移
追色右移：控制色標(biāo)電機(jī)帶動(dòng)色標(biāo)右移
這4個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)均直接接入ED伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部對(duì)這4個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行編程，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，不需PLC在發(fā)送任何信號(hào)，為PLC節(jié)省了資源。另外ED系列伺服驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)數(shù)字輸入接口進(jìn)行位置、速度、扭矩控制的功能：最多可以存儲(chǔ)256段包含位置、速度、加速度等控制指令的運(yùn)動(dòng)控制程序，可通過(guò)多達(dá)8個(gè)的數(shù)字輸入信號(hào)選擇執(zhí)行不同的運(yùn)動(dòng)控制程序，另外ED系列伺服還具有兩個(gè)可編程設(shè)定的數(shù)字輸出反饋信號(hào)，可以通過(guò)這兩個(gè)信號(hào)去控制汽缸等外部裝置。
3、印花工位控制
印花工位的控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，分為色標(biāo)電機(jī)控制和刮刀電機(jī)控制兩部分，控制要求即是在前一個(gè)色印刷完成后，本工位如何通過(guò)色標(biāo)來(lái)檢查誤差，然后把這個(gè)誤差傳輸?shù)焦蔚峨姍C(jī)，由刮刀電機(jī)來(lái)補(bǔ)償這個(gè)誤差，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的套色。
a)色標(biāo)補(bǔ)償電機(jī)控制：
色標(biāo)補(bǔ)償電機(jī)的控制采用絕對(duì)定位模式和3模式來(lái)完成，在拖膜完成后，PLC通過(guò)CAN總線發(fā)送PDO命令到色標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)器，然后色標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)器即控制誤差補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)以絕對(duì)定位的方式運(yùn)行到目標(biāo)位置，然后自動(dòng)切換成3模式返回，返回過(guò)程中檢查到色標(biāo)，即停止運(yùn)行，同時(shí)記錄下誤差；
b)刮刀電機(jī)控制：
刮刀電機(jī)的控制采用絕對(duì)定位模式，刮刀長(zhǎng)度、刮刀速度均通過(guò)CAN傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器。刮刀目標(biāo)位置由色標(biāo)補(bǔ)償伺服驅(qū)動(dòng)器把檢測(cè)到的誤差通過(guò)CAN總線傳遞給刮刀伺服，然后由刮刀伺服自動(dòng)計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行目標(biāo)位置，這個(gè)計(jì)算過(guò)程直接由工位上的兩臺(tái)伺服完成，無(wú)需PLC參與計(jì)算。刮板動(dòng)作的開(kāi)始與停止均通過(guò)PLC發(fā)送PDO來(lái)實(shí)現(xiàn)；
c)刮板氣缸控制：
刮板氣缸的啟動(dòng)和停止通過(guò)PLC來(lái)完成，但氣缸的狀態(tài)則由伺服驅(qū)動(dòng)器自身所帶DI接收，然后通過(guò)CAN傳送給PLC；
4、系統(tǒng)每個(gè)印花工位控制流程圖
PDO1：拖膜伺服走完定長(zhǎng)后，需要給每個(gè)工位的色標(biāo)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行信號(hào)，發(fā)送內(nèi)容為0X6041、0X2170，色標(biāo)伺服收到信息后則觸發(fā)SEQUENCE(伺服內(nèi)部程序段，ED伺服內(nèi)部可編寫(xiě)256段程序)進(jìn)入查找色標(biāo)狀態(tài)；
PDO2：色標(biāo)伺服在找到色標(biāo)后，把實(shí)際位置和輸入狀態(tài)發(fā)送到刮刀伺服驅(qū)動(dòng)器（即當(dāng)前位置值 0X6063、輸入端狀態(tài)（0X2170），刮刀伺服通過(guò)接收0X6063并計(jì)算得到所實(shí)際的誤差值，再在刮刀電機(jī)目標(biāo)位置上加上該誤差，得到新的刮刀電機(jī)的目標(biāo)位置；而0X2170的作用是觸發(fā)刮刀電機(jī)進(jìn)入刮刀工作模式；當(dāng)然0X2170也可以通過(guò)硬件方式實(shí)現(xiàn)，即色標(biāo)電機(jī)找到色標(biāo)后，輸出一個(gè)OUT信號(hào)，再把這個(gè)OUT信號(hào)連接到刮刀電機(jī)的輸入端，通過(guò)輸入端去觸發(fā)一個(gè)SEQUENCE使電機(jī)進(jìn)入刮刀模式；
5 CAN總線解決方案為客戶帶來(lái)的直接好處：
b)采用總線控制方式，由伺服直接通過(guò)PDO進(jìn)行交換，減少了PLC之間的數(shù)據(jù)交換時(shí)間，系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間大幅降低，生產(chǎn)效率得到大幅提高，比以前采用多PLC的方式提高20%；
c)印刷精度比以前提高1倍；
d)采用遠(yuǎn)程I/O，極大的減少了系統(tǒng)布線，降低了系統(tǒng)故障率；
e)系統(tǒng)擴(kuò)展能力大幅增強(qiáng)，可以很方便增加印刷工位；
f)開(kāi)放式系統(tǒng)，客戶可以根據(jù)自身需求來(lái)更換系統(tǒng)部件；
g)總線式結(jié)構(gòu)、智能式伺服驅(qū)動(dòng)器，可以很方便監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)工位的運(yùn)行狀態(tài)；
6 CAN總線解決方案比傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢(shì):
a)效率更高、速度更快：采用數(shù)字伺服控制控制、驅(qū)動(dòng)技術(shù)，伺服能夠工作在加速、運(yùn)速、減速三種模式下；由于采用總線，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性更好，減去了很多中間數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，從而極大的提高了印刷速度；
b)實(shí)時(shí)性更強(qiáng)：由于采用CAN總線通訊，通訊波特率能夠高達(dá)1M，因此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力得到了很大的提升，主站與各個(gè)工位之間數(shù)據(jù)通訊更流暢、更及時(shí)；
c)減少工作量：整個(gè)系統(tǒng)采用一個(gè)主PLC控制，PLC只需要把所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送到總線上，每個(gè)工位的從站（伺服驅(qū)動(dòng)器）會(huì)自動(dòng)接收所需要的數(shù)據(jù)并自動(dòng)進(jìn)行處理，因此極大的減少了工程的編程和維護(hù)量；
d)便于系統(tǒng)擴(kuò)展：采用了CAN總線方案，系統(tǒng)中所有設(shè)備均連接到總線上，由主PLC進(jìn)行調(diào)度，如果不需要某個(gè)工位或者要添加一個(gè)工位，那么只需把工位上的伺服驅(qū)動(dòng)器折掉或連接到總線上，而不需添加別的任何控制設(shè)備，程序的改動(dòng)量也很少，從而有效地減少客戶開(kāi)支；
e)節(jié)約成本：省去了各個(gè)工位的控制器及其他相關(guān)設(shè)備，因此系統(tǒng)的成本得到了有效降低，同時(shí)PLC具有以太網(wǎng)、電話線接口，可以遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)，堅(jiān)信系統(tǒng)維護(hù)成本；
f)可靠性增強(qiáng)：CAN總線具有強(qiáng)大的容錯(cuò)、監(jiān)控、錯(cuò)誤處理能力，可以很輕易的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的所在，并能自動(dòng)處理出現(xiàn)的各種故障并及時(shí)顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)所出現(xiàn)的報(bào)警信息，如果其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，只需更換該節(jié)點(diǎn)即可；
g)網(wǎng)絡(luò)化管理：PLC具有以太網(wǎng)接口，可以接入上層管理網(wǎng)絡(luò)（比如ERP），實(shí)現(xiàn)管理層對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，可以根據(jù)生產(chǎn)線情況安排生產(chǎn)調(diào)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清晰和有效的計(jì)劃管理；
h)控制更靈活：ED系列驅(qū)動(dòng)器是智能化伺服驅(qū)動(dòng)器，具有很強(qiáng)的可編程能力，并具有DI/DO，是一個(gè)帶PLC功能的伺服驅(qū)動(dòng)器，可以滿足一些小型場(chǎng)合的應(yīng)用，一些I/O點(diǎn)可以直接接入驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行處理，而不需PLC參與，為系統(tǒng)節(jié)省了大量I/O點(diǎn)；
i)開(kāi)放及模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保投資價(jià)值：該系統(tǒng)采用當(dāng)前最流行的控制方式，可以保證技術(shù)長(zhǎng)期不過(guò)時(shí)，開(kāi)發(fā)和模塊化設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)可以任意擴(kuò)展并實(shí)時(shí)升級(jí)，從而可以確保贏得長(zhǎng)期收益，最終確保投資價(jià)值；
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)