CAN总线多轴系统在丝网商标印刷机上的应用

    丝网印花机是一种在一块材料上整齐有序地印制多种色彩、标签、字符等标示符的设备。能印刷材料相当广泛，比如丝带、胶带、胶贴、橡筋带、棉带、人字带、布带和织边带等等外，还包括人造皮革和胶料。其中轮转式印刷机系列还可以印制成衣、鞋帽、玩具及各种带类的商标。目前国内多色印花机基本上采用的多plc控制方案，系统由一个主plc协调整体系统工作，每个工位配置（一个工位印制一种花色）一个小plc，该plc的作用主要是协调该色位的两个电机之间的动作，一个动作是由步进电机带动色标电眼去检测误差；另一个动作是刮刀伺服电机补偿色标电源检测到的误差并带动印刷设备开始印刷工作。图1是其中一个工位的部件指示图。

系统要求

　　丝网印花机是一个由印花工位、烘干工位、拖膜工位、收料工位组成的系统，其中印花工位最为重要，如何保证每一个印花工位所印制的花色能够准备无误地套在前一个色上是控制系统必须实现的功能之一。印花工位1（第一道工位）处于整条生产线的最前端，在这个工位上印制第一到花色，在该工位印制第一到花色后，后面的几个工位在印制前要确保所印制花色的位置与第一到花色位置成一定位置关系，否则就会出现错位的现象。因第一个工位处于系统最前面，所以无需要进行误差检测。印花工位2/3/4/5/6/7/8（第2/3/4/5/6/7/8道工位）处于整条生产线的后端，在这几个工位上印花前，必需确保所印制花色的位置与第一到花色的位置成一定位置关系，否则就会出现印花错位的现象；因此在这几个工位上有一个专门的色标检测电眼，通过电眼来检测前一到工位所印花色的位置，从而调整本到工位应该印制的位置，进而起到校准的作用。

方案设计

以前方案介绍

　　图2为以前的系统方案构架，整套系统中plc之间采用485的通讯方式，主站plc通过485来协调下面各个工位plc之间的动作并交换各种数据，交换的数据包括报警信息、印制长度等，整套系统中所使用的plc根据工位的增加而增加。

方案特点：

　　通讯速度慢、响应不及时：采用485通讯方式，由于目前设备较长（8色机长度达到40m），要赢得稳定的通讯，必须使用较低的通讯速率，因此整套系统响应比较慢；

　　编程量大：系统中采用了多台plc，而plc之间的数据交换必须通过编程来完成，每个plc均要进行独立的编程操作，因此给编程、维护造成了大量的工作量；

    印刷速度慢、效率低：一个工作流程中各个工位与主plc间交换数据的次数多，系统在交换数据上花费了太多时间，造成了系统效率低下，印刷速度提不上去；

　　升级能力不足：由于系统的印花数跟控制器有关，如果想增加新的花色还需要购买新的控制器和相关附件，因此增加了系统的改造成本；同时系统使用的主plc也属于小型plc，如果新增工位，必然会对系统的整体性能产生较大影响，因此不利于系统的升级换代；

　　系统成本高：每一个工位使用单独的plc进行控制，增加了系统成本；

　　接线众多，距离长，抗干扰能力差：系列中每个印花工位都有汽缸，而这些汽缸都是统一由主plc控制，系统从生产线的头段到最后一个汽缸之间的距离很长，导致系统接线距离长，同时成本高，而且布线不便，故障检查繁琐等等问题；[page]

现在采用方案

　　图3为canopen总线解决方案，该方案是当前工业领域非常流行的总线解决方案，所有的硬件设备均连接到can总线上，设备间的数据交换通过总线来完成，由于具有很高的数据传输率，因此系统具有很高的实时性和很强的数据处理能力。主plc与各个工位之间的通讯全部采用总线，交换的数据可以更多，速度也更快，系统中印花工位的增加对控制器没有任何成本影响，而且对整个系统的性能影响也甚小！

方案简介

　　附表为系统配置表。

　　每个工位的操作面板

　　如图4所示的工位操作面板，其中：

　　印刷左移：控制伺服电机带动印刷臂左移

　　印刷右移：控制伺服电机带动印刷臂右移

　　追色左移：控制色标电机带动色标左移

　　追色右移：控制色标电机带动色标右移

　　这4个按钮开关信号均直接接入ed伺服驱动器，通过在伺服驱动器内部对这4个输入信号进行编程，即可实现对伺服电机的控制，不需plc在发送任何信号，为plc节省了资源。另外ed系列伺服驱动器可以通过数字输入接口进行位置、速度、扭矩控制的功能：最多可以存储256段包含位置、速度、加速度等控制指令的运动控制程序，可通过多达8个的数字输入信号选择执行不同的运动控制程序，另外ed系列伺服还具有两个可编程设定的数字输出反馈信号，可以通过这两个信号去控制汽缸等外部装置。

印花工位控制

　　印花工位的控制是整个控制系统的核心，分为色标电机控制和刮刀电机控制两部分，控制要求即是在前一个色印刷完成后，本工位如何通过色标来检查误差，然后把这个误差传输到刮刀电机，由刮刀电机来补偿这个误差，由此来实现准确的套色。

色标补偿电机控制

　　色标补偿电机的控制采用绝对定位模式和3模式来完成，在拖膜完成后，plc通过can总线发送pdo命令到色标伺服驱动器，然后色标伺服驱动器即控制误差补偿步进电机以绝对定位的方式运行到目标位置，然后自动切换成3模式返回，返回过程中检查到色标，即停止运行，同时记录下误差。

刮刀电机控制

　　刮刀电机的控制采用绝对定位模式，刮刀长度、刮刀速度均通过can传送给伺服驱动器。刮刀目标位置由色标补偿伺服驱动器把检测到的误差通过can总线传递给刮刀伺服，然后由刮刀伺服自动计算出电机运行目标位置，这个计算过程直接由工位上的两台伺服完成，无需plc参与计算。刮板动作的开始与停止均通过plc发送pdo来实现。

刮板气缸控制

　　刮板气缸的启动和停止通过plc来完成，但气缸的状态则由伺服驱动器自身所带di接收，然后通过can传送给plc。[page]

印花工位控制流程

　　图5为系统每个印花工位控制流程图。

　　pdo1：拖膜伺服走完定长后，需要给每个工位的色标电机启动运行信号，发送内容为0x6041、0x2170，色标伺服收到信息后则触发sequence（伺服内部程序段，ed伺服内部可编写256段程序）进入查找色标状态；

　　pdo2：色标伺服在找到色标后，把实际位置和输入状态发送到刮刀伺服驱动器（即当前位置值0x6063、输入端状态（0x2170），刮刀伺服通过接收0x6063并计算得到所实际的误差值，再在刮刀电机目标位置上加上该误差，得到新的刮刀电机的目标位置；而0x2170的作用是触发刮刀电机进入刮刀工作模式；当然0x2170也可以通过硬件方式实现，即色标电机找到色标后，输出一个out信号，再把这个out信号连接到刮刀电机的输入端，通过输入端去触发一个sequence使电机进入刮刀模式。

can总线解决方案为客户带来的直接好处

　　采用总线控制方式，由伺服直接通过pdo进行交换，减少了plc之间的数据交换时间，系统循环时间大幅降低，生产效率得到大幅提高，比以前采用多plc的方式提高20%；

　　印刷精度比以前提高1倍；

　　采用远程i/o，极大的减少了系统布线，降低了系统故障率；

　　系统扩展能力大幅增强，可以很方便增加印刷工位；

　　开放式系统，客户可以根据自身需求来更换系统部件；

　　总线式结构、智能式伺服驱动器，可以很方便监控系统各个工位的运行状态。

can总线解决方案比传统方案的优势

　　效率更高、速度更快：采用数字伺服控制控制、驱动技术，伺服能够工作在加速、运速、减速三种模式下；由于采用总线，系统的协调性更好，减去了很多中间数据传输环节，从而极大的提高了印刷速度；

　　实时性更强：由于采用can总线通讯，通讯波特率能够高达1m，因此系统的实时响应能力得到了很大的提升，主站与各个工位之间数据通讯更流畅、更及时；

　　减少工作量：整个系统采用一个主plc控制，plc只需要把所要传输的数据发送到总线上，每个工位的从站（伺服驱动器）会自动接收所需要的数据并自动进行处理，因此极大的减少了工程的编程和维护量；

    便于系统扩展：采用了can总线方案，系统中所有设备均连接到总线上，由主plc进行调度，如果不需要某个工位或者要添加一个工位，那么只需把工位上的伺服驱动器折掉或连接到总线上，而不需添加别的任何控制设备，程序的改动量也很少，从而有效地减少客户开支；

　　节约成本：省去了各个工位的控制器及其他相关设备，因此系统的成本得到了有效降低，同时plc具有以太网、电话线接口，可以远程诊断和维护，坚信系统维护成本；

　　可靠性增强：can总线具有强大的容错、监控、错误处理能力，可以很轻易的发现问题的所在，并能自动处理出现的各种故障并及时显示各个节点所出现的报警信息，如果其中一个节点出现问题，只需更换该节点即可；

　　网络化管理：plc具有以太网接口，可以接入上层管理网络（比如erp），实现管理层对现场设备的监控，可以根据生产线情况安排生产调度，进而实现清晰和有效的计划管理；

　　控制更灵活：ed系列驱动器是智能化伺服驱动器，具有很强的可编程能力，并具有di/do，是一个带plc功能的伺服驱动器，可以满足一些小型场合的应用，一些i/o点可以直接接入驱动器进行处理，而不需plc参与，为系统节省了大量i/o点；

　　开放及模块化的系统设计，确保投资价值：该系统采用当前最流行的控制方式，可以保证技术长期不过时，开发和模块化设计保证系统可以任意扩展并实时升级，从而可以确保赢得长期收益，最终确保投资价值。