西门子日照授权总代理商

1. 概述

　　智能伺服技术是近年来新兴的一种机电一体化技术。它是在传统伺服驱动技术的基础上，融合了运动控制技术、DSP技术、PLC技术、现场总线技术等多种现代控制技术而形成。智能伺服产品具有智能化、网络化、模块化、数字化等特征，是未来伺服技术发展的方向。

　　　　本文介绍的 iPack2000多轴伺服枕式包装机控制系统基于我国自主研发的iDrive 智能伺服，以一体化高集成度的智能伺服解决方案，替代传统的PLC+伺服驱动器的方案。iDrive 智能伺服控制器内建电子凸轮和色标抓取和补偿功能，兼容热切和冷切工艺，通过伺服驱动系统底层实现双轴同步，系统响应快，同步精度高，电控设备成本较传统脉冲伺服方案降低40%。驱动器可以和HMI实现直连通讯，大大增强了控制系统的简洁性，减少了设备调试所需的时间。

　　2. 基于脉冲的传统系统和智能伺服系统的比较

智能伺服的控制方案采用了内置控制器替代PLC，在一个双轴iDrive智能驱动器内部实现两轴(切刀轴和送膜轴)的同步以及电子凸轮关系，色标补偿也在同一智能伺服控制器内部完成，系统响应大大提高，系统结构简化，成本也显著降低。同时，由于采用了总线型的结构，采用智能伺服的系统方案更加灵活，可以非常容易地变化为双轴系统或者四轴乃至多轴系统。

　　3. 内置电子凸轮的智能伺服系统的枕式包装解决方案

　　下面以图2所示的三轴伺服枕式包装机控制系统为例对系统各部分进行说明，该枕式包装机横向封切方式为热封冷切，即先进行热封，再进行横切。系统也能方便地通过设置，兼容常见的热封热切工艺。设备运行过程中，横封横切刀的运行速度保持匀速(以下简称主动轴)，送膜轴(以下简称从动轴)的速度以凸轮关系运行，并引入色标补偿。凸轮的功能是并保证在横封和横切时，送膜轴的运动和横封刀以及横切刀的在切割点的运动保持严格同步。送料轴以送膜轴的实际运动速度和位置，与之保持严格同步。切刀近点传感器信号的引入是应某枕式包装机制造商的要求而设置的，目的是为了防止色标信号的误检测。此功能也可以不用引入传感器信号，而在系统内部以软件的方式实现。

　　3.1 工艺流程

　　包装物经过送料机构被送进包装膜内，先完成纵封作业;之后装物在纵封后的包装膜内继续前进，进入横封横切工艺，完成进行横封和横切，终成为成品。

　　3.2系统框图

　　如图3所示系统共有三个伺服轴，由一台双轴iDrive智能伺服和一台单轴智能伺服以RS485总线方式实现联网控制，由双轴iDrive作为主控制器。双轴iDrive内置的两个伺服驱动模块分别用于控制横封(横切)刀轴和送膜轴，单轴iDrive控制送料轴。其中从动轴(即送膜轴)以设定的电子凸轮跟随主动轴(横封横切轴)运动，保证横封横切的严格同步，同时从动轴根据由色标信号检测得到的位置补偿信号对从动轴进行位置补偿，送料轴则根据从动轴的实际位置与之保持完全同步跟随运动。I/O信号中的切刀信号和色标信号直接连接到双轴iDrive的I/O接口中。Jog运动模式的控制信号也接入双轴iDrive的I/O口，包括用于调试的从动轴的向前运动和向后运动两个运动方式控制开关。图4显示了伺服系统的接口以及主动轴和从动轴的分配。

3.3 系统设定以及电子凸轮

　　此调试界面主要提供给机器制造商使用，参数的调试可以在PC上实现，也可以在通用的HMI上完成，也可以根据客户的具体要求来进行软件定制。

iPack2000电子凸轮的计算，图6显示的是主动轴位置和从动轴位置值的对比曲线，其中横坐标是主动轴位置值，纵坐标是从动轴的位置值。图7显示的是在一个包装区间内从动轴的速度曲线，从中可以看出有两个速度同步区，分别是横封同步区和横切同步区。对于常见的热封热切工艺，则只需要设置一个同步区即可。

　　3.4 色标补偿量的计算

　　l 补偿量计算

　　补偿量的计算主要依靠色标信号和切刀近点信号，如图8所示。补偿测量值为 L=L1+L2/2，即补偿测量值为切刀近点信号到色标信号之间的电机编码器脉冲数加上色标宽度的一半。

　　取得补偿测量值以后，系统再进行净补偿值的计算，其方法是：

　　净补偿值=补偿标准值-补偿测量值;

l 补偿区域

　　得到净补偿值以后就需要对从动轴的运动速度进行补偿，为了保证横封横切时包装物输送速度的平稳性，需要避开主动轴和从动轴的同步区域进行补偿工作。

3.5 采用切刀近点信号或软件方法避免误色标信号误检测

　　从上面的系统工作流程中可以看出，系统将不断检测色标，并根据检测到的误差，对送膜轴的运行进行补偿，确保横封横切的位置准确。但包装膜上也有可能存在污染或其他印刷图案，容易引起色标检测的误检测。为解决此问题，在系统中引入切刀近点信号，以此信号作为色标检测的起始信号，在此范围以外的区域将不进行色标信号的检测，

　需要说明的是，这种通过对色标信号的屏蔽来限定色标检测区域的功能也可以通过纯软件的方式来实现，使得系统更加简洁。即以切刀传感器信号为基准(不是切刀近点信号)，设定发生切刀动作后一定长度才启动色标信号的检测，从而达到屏蔽色标检测干扰的效果。具体的设定位置长度可根据包装物的长度以及设备的相关尺寸来计算，并通过设定相关参数完成。

　　4. 结束语

　　利用iPack2000组建多轴枕式包装控制系统，有如下的优势：

　　(1)系统简单、结构紧凑。

　　由于iPack2000内建了电子凸轮和车标抓取和补偿功能，而且智能驱动器可以直接和HMI连接，使得系统的组建显得更为简洁和方便。

　　(2)显著价格优势和性能优势

　　由于电子凸轮、同步、跟随功能内置于iDrive内部，系统的凸轮功能无需通过上位PLC来进行，直接在驱动器级就实现了同步和跟随的功能，系统的响应速度和控制精度都有了显著的提升。而原先的PLC可以直接省略或选择功能更小的PLC，从而达到了节省投资的目的。

　　基于我国自主知识产权智能伺服技术的多轴伺服枕式包装机控制系统iPack2000采用总线型控制架构，内置运动控制器，内建电子凸轮、多轴同步飞剪、多轴跟随，高速色标实时补偿，内置PLC完成I/O功能，全部运动控制均在伺服驱动器级别完成，系统响应快，结构简单，扩展性强，可广泛应用于各种多轴枕式包装机，造价低廉，比进口产品节省成本超过50%，将逐步成为枕式包装行业控制系统的主流方案。

O 引言
    某型航空电源车是保障某型飞机起动而设计的一种多功能综合型电源车。采用了PLC-EM23l组合控制技术、FSLW双流无刷电机，模拟某型飞机发动机启动过程，增加了直流O～70 V起动电源。经过使用，其电源品质和可靠性完全满足某型飞起的启动要求。

1 某型航空电源车O～70 V控制原理
    某型电源车0～70 V是从3～4 V左右逐渐增大到70 V左右的直流电源。其控制方式是在双流发电机直流电压励磁调节的基础上，采用PLC可编程控制技术，通过发电机进行采样，由软件控制来实现，其控制原理图见图1。0～70 V输出是通过控制接触器对飞机供电，并和28．5 V输出互锁。通过可编程器输出的PWM信号控制IGBT调整管的导通时间，以此来控制励磁电流的大小，改变发电机的输出电压。同时通过输出采样电压的采样分析判断，对PWM的输出进行补偿和时间调整，以保证O～70 V电压的输出能够满足某型飞机起动特性要求。

工作过程为：由飞机起动系统向地面电源设备发出“升压控制”信号，通过地面电源设备的O～70 V励磁控制电路，按照设计要求自动转换发动机励磁方式，使发电机端电压从其剩余电压逐渐上升到70 V左右。起动升压状态如下：阶段，发电机以并励为主，发电机输出从剩磁电压3 V左右迅速上升到14 V左右，电流从零猛增到1900 A左右；第二阶段，发电机由并励转为串励状态，串励后发电机电压从14 V左右上升到38 V左右，起动电流从1900 A左右下降到1200 A左右；第三阶段，飞机发动机起动过程的后阶段，在这一阶段发电机工作在复励状态，发电机端电压从38 V上升到70 V左右。

2 PLC在直流O～70 V启动电源中的设计
2．1 硬件设计
    采用继电器的控制电路中，发电机励磁方式的两次转换是由两个继电器吸合来实现控制的，对继电器吸合电压的准确性要求较高，吸合电压由分压电阻采样发电机输出电压，由电位器来控制，随着分立元件的长时间使用，性能参数等发生改变，都会使继电器吸合电压发生改变；另外采用继电器作为转换控制器件，可导致发电机在升压阶段中电压的每一个转折点处，电压、电流都不是平滑改变的，这将降低用电设备的使用寿命。

    采用PLC可编程控制器控制电路，可以平稳控制，使发电机输出电压、电流无极变化，延长用电设备使用寿命。西门子S7-200系列可编程控制器，其中中央处理单元采用CPU224，模拟量输入模块采用EM231，。西门子S7-200系列可编程控制器使用CPU224，CPU224集成14输入／10输出共24个数字量I／O点，可连接7个扩展模块，大扩展至168路数字量I／O点或35路模拟量I／O点，13 k字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，1个RS485通讯口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I／O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
    CPU224的IO．O输入端口检测到飞机起动信号时，通过电阻分压和电流传感器对发电机的输出端电压和输出电流进行采样，采样值进入PLC模拟量输入模块EM231，由中央处理单元CPU224内软件控制，对地面起动电源发电机输出电压和回路电流进行分析判断，比照飞机发动机各阶段所需的电压和电流起动波形，根据判断结果实时在其QO．O端口输出各起动阶段需要的PWM信号来控制大功率MOS管，以此来控制地面起动电源发电机励磁电流的大小，从而改变发电机的输出电压，以保证输出的0～70 V电压严格满足飞机启动特性的要求。
2．2 软件设计

 △P(k)=Kp[E(k)-E(k-1)]+KiE(k)+Kd[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]其中：P(k)：为第K次采样时调节器输出，E(k)：为第K次采样时的偏差值，Kp、Ki、Kd：PID比例系数。通过采样电压的变化，采用实时控制，闭环调节励磁电流，用PID调节规律，不断修正PID比例系数，按照佳匹配参数进行输出脉冲宽度控制，使发电机输出电压既满足0～70 V电压逐步升高的起动规律，又保证了各阶段时间节点之间电压的稳定性，使飞机起动电压和转速稳定上升。

2．3 软件控制过程
    电压传感器将O～70 V电压转换为0～5 V的直流信号传输给PLC的A+端；电流传感器将0～2500 A电流转换为0～5 V直流信号传输给PLC的B+端；PLC实时采样，计算出△I／t、△V／t的变化值。
    (1)采样时间开环，电压、电流双闭环控制方式调整电压输出过程，参照某型飞机的起动过程中时间与电压的对应关系而设置，即：0～3 s前，电压上升至1．5～7 V；3～20 s前，电压上升至7～19 V；20～30 s前，电压上升至19～35 V。
    (2)根据电压、电流的变化，非线性分阶段对输出电压进行调整，即根据电流的变化△I和△I／AT电流变化率的制定控制参数的选取，通过软件模糊调节器来控制PWM大小及继电器工作的次序。PLC实时采样，计算出△I／△T、△U／△T的变化值。根据控制要求，确定时间对应变化关系。采用模糊智能控制方式方可得到有效控制的目的。

   根据模糊关系和模糊jingque表，改变PWM控制输出占空比，使得励磁电流通过模糊决策算法，根据模糊jingque表进行控制。根据实时采样值达到的偏差值进行推理后，逐步修正输出因子的控制值，从而改变占空比，来达到改变励磁电流的目的。再根据电流、电压、时间的隶属关系，进行再一步的修正，终实现输出控制稳定电压O～70 V的目的。
2．4 实验结果

 ②模糊矩阵

    ③模糊变换
   根据A=(X1，X2，X3，X4，X5)；B=(V1，V2，V3)，求得B=A·R。
    ④模糊决策
    若1．5～2 s电压低于6～8 V，执行R=(X1·U1)U(X1·U1)；若4～20 s电压低于18．5～19．5 V，执行R=(X2·U2)U(X2·U2)；若20～40s电压低于19．5～35 V，执行R=(X3·U3)U(X3·U3)。

3 结束语
    PLC可编程控制器在某型航空电源车O～70 V中的应用满足了某型飞机起动要求。采用数控方式，使起动时间节点与飞机上定时机构动作时间一致，电压变化平滑，飞机转速稳步上升，起动瞬时起动电流小，提高了飞机发动机使用寿命。PLC可编程控制器具有的高可靠性、编程简单易用等特性，使得其在工业自动化控制领域的应用越来越广泛。