CANopen在香肠包装机中的应用———CANopen在香肠包装机中的应用

［编辑简介］：本文介绍一个CANopen用于香肠包装缝袋机的应用案例。采用嵌入式控制器实现了包装机七个实际轴和一个映像轴的运动控制。［摘要］：［关键词］：CANopen 包装机 运动控制

用于香肠包装的缝袋机并不直接与高技术相关联。但是，Beckmann Maschinenbau为香肠生产者制造的自动缝袋机的发展却向某些控制技术发起了极大挑战。毕竟，要为七个实际轴和一个映像轴设计运动控制解决方案。而轴运动的复杂性可与典型的CNC路径控制系统相比。缝袋机的任务和方法简单描述如下：起始产品是200 mm宽的织带(纺织品肠衣)，然后将其折叠形成100 mm宽的双层带，通过齿轮皮带传送到靠近两个缝纫头的位置。缝纫头的任务是根据给定的几何数据，将各种不同香肠样式的轮廓缝制到包装带中。通过这种方法便可以生产出环形无端带状的缝制香肠包装，这与随后的生产过程是相互独立。

要求严苛的应用
两个缝纫头的每一个都有三个轴：

针冲程
沿与织带传送方向垂直的X轴方向的线性运动
缝纫期间，缝纫头的切向跟踪，特别是在分开(切断)期间
缝纫头位于织带的右侧和左侧边沿处，它们不在一条线上，从而确保了自由运动。第七个轴与物料传送带的速度控制相关。
从控制技术的角度来看，这是典型的运动控制应用。合理定义了每个缝纫头的三个轴之间的关系，从而保证相关的各运动协调一致。此外，两组轴还必须与传送带的运动协调一致(第7个轴)。虚拟(第8个)轴用于实现速度监视的预测功能。此外，还需要典型的PLC功能，例如光断线检测器、紧急停止按钮、光幕等等。
来自食品生产业的最终用户提出了非常高的生产率和质量要求。为了满足这些要求，控制解决方案必须提供足够的计算能力和全面的可编程性。

缺省配置下，嵌入式控制器包括以太网接口、用于装载应用程序软件的RS-232接口和两个CAN接口。CANopen通讯协议为所有这些产品提供了设备规范。控制器实现了CiA 401、CiA 402和CiA 405。现场总线模块实现了CiA 401。
运动控制库包含了各种符合IEC 61131-3的PLC功能块，使用户可以从PLC程序中完成多轴定位任务。借助于该库，复杂的运动控制和简单的运动相关的PLC功能，例如链接输入信号、计算和设置输出信号等，都可以在同一个系统中实现。
这样便也可以在机器中使用控制系统；在这些机器中，复杂、快速和精确的运动控制起着决定性作用。使用PLC平台具有优势，那就是PLC和NC功能是在统一编程环境中，这样除了共有的PLC动作外，还可以协调多个运动、并行驱动甚至是分级叠加驱动。该库包含了所有符合PLCopen标准版本1的运动控制功能块。
应Beckmann的要求，选用带CANopen连接的触摸屏面板作为操作员单元。但根据最终应用重新对接口进行了编程，以便使操作员单元只具有纯粹的从属操作。从上面提到的I/O模块系列开始，已经使用符合CANopen的模块来实现外部输入和输出。
首先，必须为缝纫头轴的驱动器组合接缝的几何形状。扫描不同形状的香肠包装的右边和左边的轮廓，将其转换成插值点表。为了协调缝纫头轴，使用了用于轴耦合的MC功能块。三个轴的同步运动是通过所谓的CAM表实现的。由于在这种情况下无法分析性地描述主轴和从轴的耦合，因此必须以数值方式给出此表。同时，与纤维传送带驱动器的同步是作为耦合计算出来的，这可以表示成一个数学公式。
操作员可以为轴的运动选择最大值，而绝对缝合深度则是更进一步的参数，它决定了缝纫头轴的实际运动。控制系统根据这些参数，使用上面提到的最小插值周期为4 ms的CAN表，计算所有轴的位置。为了获得路径插值的可靠样条函数，CAN表的变量必须以实数格式存储。只有使用这种格式，才能以足够的精度确定所需要的样条轨迹的3阶和5阶导数。
同时还实现了光学控制和修正功能，以便能够最优地调整到符合复杂的运动控制解决方案。纤维肠衣上打了标记，这样就必须始终以低公差将其放置在缝合的香肠包装的中央。为此，有一个光敏元件在每个缝纫序列之前检查印制的标记，以确定条带上标识的位置。如果位置在期望的偏差之内，控制系统计算缝纫图像适当的线性伸缩变化(最大为数量级的1%)，这样连续的生产过程便可以持续进行而不会中断。如果控制标记丢失，则控制系统可以访问环形缓冲器中前一个标记的位置，计算出平均值作为替代值。

安全和方便
可视化和操作是用户自定制的，特别是编程了复杂的手动操作模式。所有七个轴都可以通过专用画面(和外部按键)手动驱动。但是为确保安全，在手动操作上叠加了自动定位控制，从而保证了在此模式中不会发生任何操作错误(移动限制等)。操作员根本察觉不到，在自动操作中所有运动都是通过预测函数来确定其配置文件的。为此，控制系统创建了虚拟的第8个轴，它计算所有协调轴的速度配置文件。
CANopen提供的可能性完全满足此应用的所有技术要求。选择的解决方案提供了最大经济优势，这是因为CANopen接口包含在使用的驱动器的标准供货范围内。