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案例頻道CAN總線多軸系統解決方案在絲網商標印刷機上的應用
關鍵詞：
485、CAN總線、伺服驅動器、色標、刮刀
1 引言
絲網印花機是一種在一塊材料上整齊有序地印制多種色彩、標簽、字符等標示符的設備。能印刷材料相當廣泛，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。其中輪轉式印刷機系列還可以印制成衣、鞋帽、玩具及各種帶類的商標。目前國內多色印花機基本上采用的多PLC控制方案，系統由一個主PLC協調整體系統工作，每個工位配置（一個工位印制一種花色）一個小PLC，該PLC的作用主要是協調該色位的兩個電機之間的動作，一個動作是由步進電機帶動色標電眼去檢測誤差；另一個動作是刮刀伺服電機補償色標電源檢測到的誤差并帶動印刷設備開始印刷工作。下圖是其中一個工位的部件指示圖：
2 系統要求
絲網印花機是一個由印花工位、烘干工位、拖膜工位、收料工位組成的系統，其中印花工位最為重要，如何保證每一個印花工位所印制的花色能夠準備無誤地套在前一個色上是控制系統必須實現的功能之一。印花工位1（第一道工位）處于整條生產線的最前端，在這個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系，否則就會出現錯位的現象。因第一個工位處于系統最前面，所以無需要進行誤差檢測。印花工位2/3/4/5/6/7/8（第2/3/4/5/6/7/8道工位）處于整條生產線的后端，在這幾個工位上印花前，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系，否則就會出現印花錯位的現象；因此在這幾個工位上有一個專門的色標檢測電眼，通過電眼來檢測前一到工位所印花色的位置，從而調整本到工位應該印制的位置，進而起到校準的作用。
3 以前方案介紹
整套系統中PLC之間采用485的通訊方式，主站PLC通過485來協調下面各個工位PLC之間的動作并交換各種數據，交換的數據包括報警信息、印制長度等，整套系統中所使用的PLC根據工位的增加而增加。
方案特點：
i.通訊速度慢、響應不及時：采用485通訊方式，由于目前設備較長（8色機長度達到40米），要贏得穩定的通訊，必須使用較低的通訊速率，因此整套系統響應比較慢；
ii. 編程量大：系統中采用了多臺PLC，而PLC之間的數據交換必須通過編程來完成，每個PLC均要進行獨立的編程操作，因此給編程、維護造成了大量的工作量；
iii.印刷速度慢、效率低：一個工作流程中各個工位與主PLC間交換數據的次數多，系統在交換數據上花費了太多時間，造成了系統效率低下，印刷速度提不上去；
iv.升級能力不足：由于系統的印花數跟控制器有關，如果想增加新的花色還需要購買新的控制器和相關附件，因此增加了系統的改造成本；同時系統使用的主PLC也屬于小型PLC，如果新增工位，必然會對系統的整體性能產生較大影響，因此不利于系統的升級換代；
v. 系統成本高：每一個工位使用單獨的PLC進行控制，增加了系統成本；
vi.接線眾多，距離長，抗干擾能力差：系列中每個印花工位都有汽缸，而這些汽缸都是統一由主PLC控制，系統從生產線的頭段到最后一個汽缸之間的距離很長，導致系統接線距離長，同時成本高，而且布線不便，故障檢查繁瑣等等問題；
4 現在采用方案
CANopen總線解決方案是當前工業領域非常流行的總線解決方案，所有的硬件設備均連接到CAN總線上，設備間的數據交換通過總線來完成，由于具有很高的數據傳輸率，因此系統具有很高的實時性和很強的數據處理能力。主PLC與各個工位之間的通訊全部采用總線，交換的數據可以更多，速度也更快，系統中印花工位的增加對控制器沒有任何成本影響，而且對整個系統的性能影響也甚小！
方案簡介：
1、系統配置
|
名稱 |
型號 |
數量(Pcs) |
說明 |
|
PLC |
Kinco K406CN-24AT |
1 |
具有CAN總線通訊能力，支持標準CANopen 2.0A/B協議，能夠連接32個從站 |
|
HMI |
MT4500T |
1 |
10.4寸TFT，65536色 |
|
刮刀伺服驅動器 |
ED430-0075-AA |
8 |
功率750W，具有CAN總線通訊能力 |
|
色標伺服驅動器 |
ED100-AA |
7 |
功率400W，具有CAN總線通訊能力，能驅動步進電機 |
|
刮刀伺服電機 |
80S-0075-30AA |
8 |
功率750W |
|
色標步進電機 |
2S56Q-02976 |
7 |
功率400W |
|
遠程I/O模塊 |
CANopen I/O |
3 |
具有CAN總線通訊能力，
8DI/8DO |
2、每個工位的操作面板
印刷左移：控制伺服電機帶動印刷臂左移
印刷右移：控制伺服電機帶動印刷臂右移
追色左移：控制色標電機帶動色標左移
追色右移：控制色標電機帶動色標右移
這4個按鈕開關信號均直接接入ED伺服驅動器，通過在伺服驅動器內部對這4個輸入信號進行編程，即可實現對伺服電機的控制，不需PLC在發送任何信號，為PLC節省了資源。另外ED系列伺服驅動器可以通過數字輸入接口進行位置、速度、扭矩控制的功能：最多可以存儲256段包含位置、速度、加速度等控制指令的運動控制程序，可通過多達8個的數字輸入信號選擇執行不同的運動控制程序，另外ED系列伺服還具有兩個可編程設定的數字輸出反饋信號，可以通過這兩個信號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控制系統的核心，分為色標電機控制和刮刀電機控制兩部分，控制要求即是在前一個色印刷完成后，本工位如何通過色標來檢查誤差，然后把這個誤差傳輸到刮刀電機，由刮刀電機來補償這個誤差，由此來實現準確的套色。
a)色標補償電機控制：
色標補償電機的控制采用絕對定位模式和3模式來完成，在拖膜完成后，PLC通過CAN總線發送PDO命令到色標伺服驅動器，然后色標伺服驅動器即控制誤差補償步進電機以絕對定位的方式運行到目標位置，然后自動切換成3模式返回，返回過程中檢查到色標，即停止運行，同時記錄下誤差；
b)刮刀電機控制：
刮刀電機的控制采用絕對定位模式，刮刀長度、刮刀速度均通過CAN傳送給伺服驅動器。刮刀目標位置由色標補償伺服驅動器把檢測到的誤差通過CAN總線傳遞給刮刀伺服，然后由刮刀伺服自動計算出電機運行目標位置，這個計算過程直接由工位上的兩臺伺服完成，無需PLC參與計算。刮板動作的開始與停止均通過PLC發送PDO來實現；
c)刮板氣缸控制：
刮板氣缸的啟動和停止通過PLC來完成，但氣缸的狀態則由伺服驅動器自身所帶DI接收，然后通過CAN傳送給PLC；
4、系統每個印花工位控制流程圖
PDO1：拖膜伺服走完定長后，需要給每個工位的色標電機啟動運行信號，發送內容為0X6041、0X2170，色標伺服收到信息后則觸發SEQUENCE(伺服內部程序段，ED伺服內部可編寫256段程序)進入查找色標狀態；
PDO2：色標伺服在找到色標后，把實際位置和輸入狀態發送到刮刀伺服驅動器（即當前位置值 0X6063、輸入端狀態（0X2170），刮刀伺服通過接收0X6063并計算得到所實際的誤差值，再在刮刀電機目標位置上加上該誤差，得到新的刮刀電機的目標位置；而0X2170的作用是觸發刮刀電機進入刮刀工作模式；當然0X2170也可以通過硬件方式實現，即色標電機找到色標后，輸出一個OUT信號，再把這個OUT信號連接到刮刀電機的輸入端，通過輸入端去觸發一個SEQUENCE使電機進入刮刀模式；
5 CAN總線解決方案為客戶帶來的直接好處：
b)采用總線控制方式，由伺服直接通過PDO進行交換，減少了PLC之間的數據交換時間，系統循環時間大幅降低，生產效率得到大幅提高，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)采用遠程I/O，極大的減少了系統布線，降低了系統故障率；
e)系統擴展能力大幅增強，可以很方便增加印刷工位；
f)開放式系統，客戶可以根據自身需求來更換系統部件；
g)總線式結構、智能式伺服驅動器，可以很方便監控系統各個工位的運行狀態；
6 CAN總線解決方案比傳統方案的優勢:
a)效率更高、速度更快：采用數字伺服控制控制、驅動技術，伺服能夠工作在加速、運速、減速三種模式下；由于采用總線，系統的協調性更好，減去了很多中間數據傳輸環節，從而極大的提高了印刷速度；
b)實時性更強：由于采用CAN總線通訊，通訊波特率能夠高達1M，因此系統的實時響應能力得到了很大的提升，主站與各個工位之間數據通訊更流暢、更及時；
c)減少工作量：整個系統采用一個主PLC控制，PLC只需要把所要傳輸的數據發送到總線上，每個工位的從站（伺服驅動器）會自動接收所需要的數據并自動進行處理，因此極大的減少了工程的編程和維護量；
d)便于系統擴展：采用了CAN總線方案，系統中所有設備均連接到總線上，由主PLC進行調度，如果不需要某個工位或者要添加一個工位，那么只需把工位上的伺服驅動器折掉或連接到總線上，而不需添加別的任何控制設備，程序的改動量也很少，從而有效地減少客戶開支；
e)節約成本：省去了各個工位的控制器及其他相關設備，因此系統的成本得到了有效降低，同時PLC具有以太網、電話線接口，可以遠程診斷和維護，堅信系統維護成本；
f)可靠性增強：CAN總線具有強大的容錯、監控、錯誤處理能力，可以很輕易的發現問題的所在，并能自動處理出現的各種故障并及時顯示各個節點所出現的報警信息，如果其中一個節點出現問題，只需更換該節點即可；
g)網絡化管理：PLC具有以太網接口，可以接入上層管理網絡（比如ERP），實現管理層對現場設備的監控，可以根據生產線情況安排生產調度，進而實現清晰和有效的計劃管理；
h)控制更靈活：ED系列驅動器是智能化伺服驅動器，具有很強的可編程能力，并具有DI/DO，是一個帶PLC功能的伺服驅動器，可以滿足一些小型場合的應用，一些I/O點可以直接接入驅動器進行處理，而不需PLC參與，為系統節省了大量I/O點；
i)開放及模塊化的系統設計，確保投資價值：該系統采用當前最流行的控制方式，可以保證技術長期不過時，開發和模塊化設計保證系統可以任意擴展并實時升級，從而可以確保贏得長期收益，最終確保投資價值；
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號