台达10MC控制器在药水灌装机的应用

1  前言

       柱塞式灌装机，在医药领域药品药剂的装量国家有严格的控制标准和规范，因为关乎生命安全所以精准度非常重要。对制药生产企业，一方面要严格执行国家关于灌装药品的规范，另一方面更注重生产效率，总之既要做到精准达到国家标准，又要尽可能提高生产效率，以最大化获取企业效益。

       客户以往的机器是使用机械凸轮实现从轴跟随主轴速度进行灌装，一台设备上需要至少有三个机械凸轮。长时间运行后，机械凸轮会有磨损，造成灌装位置偏移。机械凸轮的速度不能快，否则会产生严重的抖动，因此使生产效率大打折扣。台达10MC可以支持16轴，并可以建立多组电子凸轮曲线。利用电子凸轮曲线实现灌装针与瓶位置对应。并可利用电子凸轮曲线实现药泵控制，通过修改电子凸轮关键点来达到调整灌装量。

2  系统控制框图及说明

2.1设备框图

图1 设备框图

2.2工艺要求

       客户此次设备是要求一次灌装十瓶。主机启动后，当瓶位开关导通时，从轴开始根据电子凸轮曲线追随主轴位置。当主从同步时，灌装轴下针，当针到瓶底时，药泵开始打药。药泵包括打药伺服和换向伺服。药剂量根据触摸屏设定的值，改变打药伺服电子凸轮曲线关键点。当打药伺服到达药剂凸轮点时，换向伺服旋转换向，改变药剂流向。换向伺服的工作亦是根据凸轮曲线动作。药泵整个动作在同步区里全部完成。当从轴快脱离同步区时，灌装轴上升到原点，从轴跟据凸轮曲线高速返回起点。等待下一期到来，往复以上动作。

3  配置方案选型及程序

3.1配置方案选型

       该设备一共有六颗伺服，且各个伺服间都有对应的位置关系，因此控制器选用台达10MC总线运动控制器。（如图2所示）

图2 台达10MC总线运动控制器

       DVP10MC11T是台达自主研发的基于CANopen现场总线的多轴运动控制器，它遵循CANopen DS301基本通讯协议和DSP402运动控制协议，同时还支持大部分国际组织所定义的运动控制标准指令库，极大方便使用者快速入门，迅速的进行项目开发。

       DVP10MC11T是一个多功能控制器，其内部包含标准PLC模块和MC运动控制模块两大功能模块（如图3）。PLC模块与台达其它DVP系列PLC功能相似，使用方法也相同，通过WPLSoft或ISPSoft编程软件，可以编写梯形图，顺序功能图，指令表等台达标准的PLC逻辑程序。PLC 模块同时还支持左侧和右侧两个扩展接口，左侧为高速并行扩展口，可以连接最多7 台现场总线主站模块（DeviceNet，CANopen主站等）、以太网模块及高速模拟量模块等，右侧用来连接原DVP-S系列PLC的扩展模块（如低速模拟量及数字量模块）。MC运动控制模块主要通过CANopen总线，对伺服驱动器进行精密的控制，以完成用户所期望的速度控制、位置控制等功能。MC运动控制模块采用CANopenBuilder软件进行运动控制编程，来实现各种复杂的运动控制任务，运动控制语言以图形化的方式提供用户编写运动控制功能，使用简洁，易于学习理解。同时，CANopeBuilder软件也提供用户方便的G 代码编辑、预览、电子凸轮编辑等界面，方便用户规划更有特色的运动控制需求。由于采用高可靠性的CAN总线为主线的通讯系统，DVP10MC11T只需为客户提供简单配线，因具有高速可靠的运动控制系统，可广泛应用在包装、印刷、封装、切割、数控机床、自动化仓储等各种自动化控制领域中。

图3 DVP10MC11T内部结构

       MC运动控制模块主要功能有：单轴系统最大支持16个实轴；两轴直线/圆弧插补；简易NC功能，2.5轴G代码支持；电子凸轮，5阶多项式拟合，支持虚轴；电子齿轮。

       10MC控制器是CANopen总线控制器，台达A2-M伺服支持CANopen通讯。与10MC控制器配套选用。配线大大简化、控制更加精确，能够满足高端设备的应用需求。

3.2控制方法
硬件架构如图4。

图4 硬件架构图

程序架构如图5。

图5 程序架构图

设置各个轴的轴参数如图6和图7。

图6 运动控制结构图
 
图7 参数配置界面

       以上是主轴参数。其他各轴除轴号、齿轮箱、导程参数不同，其他都相同。

       正常工作时，建立虚轴3，各齿轮和电子凸轮都拟合。主轴3和取样轴6的齿轮比是1:1。四个凸轮曲线如图8（a、b、c、d）所示。

 
a 虚拟轴-从轴曲线
 
b 虚拟轴-灌装轴曲线
    
c 虚拟轴-打药轴曲线
    
d 虚拟轴-换向轴曲线

图8 凸轮曲线图（a、b、c、d）

        各轴运行按照曲线运行。当需要修改灌装量时修改D32792和D32794,更新凸轮曲线程序如图9。

图9凸轮曲线程序更新

       药泵排空时，通过判断标志位，使虚轴3和主轴、从轴脱离齿轮和电子凸轮关系。需要注意到，10MC脱离齿轮时，需要在停止状态下才能脱离成功。脱离电子凸轮后，从轴会按照当前的速度继续运行，所以需要在从轴停止状态下脱离，才能保证安全。
部分程序如图10。

图10 部分程序图

4  现场调试结果

触摸屏上的命令和数据通过PLC运算后，通过MC和PLC的公共区域的寄存器进行传输。部分画面如图11。

图11 界面图

       经过调试后，该设备的运行产量比传统机器有了大幅提升，能达到300瓶。设备运行稳定，工人操作方便。现场图片如图12。

图12 现场图

       客户已正常运行一段时间，证明该方案的应用非常成功。大大提高了设备产能需要，更改善设备机械的稳定性和操作性。10MC的功能块调用使调试简单化、开发周期短。目前，客户一直在运用该套方案，得到了客户高度肯定。

作者简介：

胡惠军，男，出生于1986年12月，毕业于三江学院电气工程及其自动化专业，现任中达电通股份有限公司应用工程师。一直从事PLC、变频器、伺服等自动化产品的集成应用等工作，具有丰富的自动化控制应用经验。