SIEMENS MASTERDRIVES MC在浮法玻璃横切机中的应用

2019-10-21 15:13

  浮法玻璃高精度横切机是浮法玻璃生产线上的关键设备,用于玻璃带的切割(见图1)。通过测长系统跟踪玻璃带的位置,经横切机进行横向切割,并控制掰断设备,以得到预定板长的玻璃。长期以来,由于国内相关设备在切割精度、稳定性以及与其他设备的联动控制方面不尽如人意,所以国内中高档生产线均被国外进口设备所垄断。

  为了满足市场需要,提高玻璃装备水平,蚌埠凯盛于2004年立项开发浮法玻璃高精度横切机,计划分三个步骤:

  实现稳定的高精度切割,具体指标为:长度误差0.5 mm;对角线偏差1 mm。

  在此基础上实现双刀之间的热备、花切、简单的订单管理等功能,提高横切系统的生产效率、增强系统的安全性、容错性。

  在以上两点的基础上实现与缺陷检测仪、纵切机等设备的高速数据交换,达到根据订单优化切割的目的,最终实现动态订单管理下的以经济效益最大化为原则的最优化生产。

简要工艺介绍

  在浮法玻璃生产中,玻璃原料经过窑炉、锡槽、退火窑三大热工设备的处理,形成一定厚度和宽度的连续而平整的玻璃带,横切机就是按照所需要的长度将玻璃从玻璃带中切割、分离。其主要工作原理是通过测长轮编码器测得玻璃带的速度并同时将测长编码器信号作为长度计数的基础,横切机工作时,每当长度计数达到设定值时,刀头开始运动,同时长度计数复位为零重新开始计数,在刀头到达落到点前刀头速度与玻璃带速度匹配上,当刀头运行到设定的切割距离时,切割完成,刀头高速返回工作点,等待下次切割。横切机总是按玻璃前进方向顺时针斜置一个角度,刀头的切割速度与玻璃带速度的关系:

  刀头切割速度x sin=玻璃带速度

  其中斜置角度是根据可能的最短切割间隔时间和最快玻璃带速度而定,时间愈短、玻璃带速度愈快,角度越大,一般浮法玻璃在7~8之间。刀头由伺服电机驱动,刀头切割速度与刀头电机运行速度的关系:

  刀头伺服电机速度=刀头切割速度i

  其中i为刀头电机减速比。当然这只是理论计算,实际计算时还要考虑玻璃板厚度、温度以及测长轮材质、磨损系数等因素。如图2所示。

  图2 横切系统布置及速度关系

  浮法玻璃横切机一般常见的配置是单梁双刀,即一台横梁左、右两边均配置一台横切刀,如图二所示。同一时刻只会有一台刀在切割,当玻璃带速度快,切割板长短,一台横切刀来不及切割时,需要两台一起工作平均分配工作负荷,这就是轮切。当有多种订单需要同时生产时,可以根据缺陷检测的结果,按产品的最优化组合进行切割,这就是优化切割,也称花切。在热备模式下,上游刀工作,下游刀同步运算,随时准备投入运行,当上游刀发出启动信号时,立即投入运行,在上游刀恢复后再切换回热备模式。

  现在国内现有的横切机控制系统主要采用两种控制方式:伺服定位模块、指令脉冲串。本项目使用了siemens masterdrives mc来实现。

控制系统构成

  在方案设计时主要考虑以下几点:

  高动态响应能力,要求刀头运动控制能实时同步响应测长脉冲。

  良好的人机界面,尽量减少按键的数量,涉及到切割的各个环节均以参数形式反应出来,用户可以直观的调节。

  布式运算,运动控制包括测长脉冲的处理均在驱动装置中完成,plc负责参数传递、刀头落刀、加压、喷油等动作控制以及故障处理等。

  多刀之间要有高速的信息交换通道。

  高可靠性、先进性、可扩展性,能方便的增加与相关设备的信息交换接口。

  以最常用的单梁双刀横切机为例,根据浮法玻璃横切机要求速度响应快,惯量大的特点,我们选用了siemens 1kf71高动态响应伺服电机通过减速机带动带轮转动来实现固定在同步带上的刀架的运动。驱动器选用siemens masterdrives mc,主要是利用其free block以及f01工艺块功能实现玻璃切割的运动控制在伺服驱动器中完成的目的,在mc中选用了sbp模板直接把测长编码器信号引入mc中处理,选用cbp模板与s7-300 plc通讯,采用simolink模板以实现两台mc之间的数据交换与同步。每台mc连接一套s7-300用于参数的传递换算以及落刀、切割以及横掰动作的控制。plc与mc之间用dp方式通讯,满足参数的实时传递的要求,plc与plc和触摸屏之间采用mpi方式通讯。plc选用s7-300 313c-2dp,自带16di/16do。hmi选用siemens tp270a(6av6643-0aa01-0ax0),可靠性高,通讯方便,能实现比较丰富的人机界面功能。另外还可以根据情况选用工业以太网模块来实现与其他相关设备的信息交换。具体硬件配置如图3所示。

  图3 系统配置图

控制系统完成的功能

  关于mc中控制模式的选择

  在mc中有real master axis和vitual master axis两种控制方式,我们经过现场试验后发现,在实轴方式下,采集来的测长编码器信号波动很大,电机切割时震动,且横掰难于控制直接造成玻璃切割后的掰断损失。主要原因一是测长装置本身的制作水平,安装精度的影响,二是玻璃带的厚度、温度等是不断变化的,从而造成了编码器信号与玻璃带实际速度的偏离,产生波动,而实轴方式下处理手段有限无法消除或降低这种波动。笔者尝试在虚轴方式下,利用smoothing elements功能,将速度源kk128进行适当的滤波处理,具体设置如下:

  u952.31=4 开启1#滤波功能

  u414=kk128

  将速度源kk128进行滤波

  u415=600

  设置滤波时间为600ms

  u680=kk605 将1#滤波后的时间作为虚轴的速度源

  为了使横掰更稳定,将kk605的值再进行二次滤波:u952.43=4,u417=kk605,u418=6000ms,将滤波结果kk606通过p734传送到plc中作为横掰处理的速度源。在实际使用中电机的震动明显消失,切割的直线度和精度均令人满意,由于进行的较长时间的滤波处理,横掰也很精确、稳定。见图4。

  其中1蓝色,二次滤波后的速度,

  2红色,一次滤波后的速度,

  3桔色,测长原始速度。

  图4 滤波前后的虚轴速度波形比较

  关于切割控制方案的选择

  横切机的动作具体分解后,基本分为三个步骤:

  长度计数、切割动作、回刀动作。长度计数在mc的控制模式中已经解决,在虚轴模式下,u601、u687的值就是玻璃板长。

  切割动作用engaging功能来实现,在u611设置切割的板宽(即切割的长度)。

  回刀动作,开始用mdi方式来实现,具体就是当engaging结束时,由b0832触发一个1~2s的停顿,再执行mdi操作。但在实际使用中,经常出现切割结束后不回刀或回刀后不切割的情况,问题主要是在engaging与mdi信号的转换上。考虑到回刀的目的就是在切割完成后尽快将刀头返回出发点,等待下次切割。所以我们利用flying

  saw中的displacement angle relative功能,在切割动作(engaging)结束后,立即触发进行纠偏,b810激活,回刀结束b810复位,利用此信号和到位信号再触发engaging。在现场使用中较好的解决了这一问题,切割和回刀之间的动作衔接也更快速平滑。见图5。

  切割速度波形

  返程速度波形

  图5 刀头速度波形监控

  关于电子齿轮的设置

  针对横切机的具体情况,在mc中共设置了三个电子齿轮:

  测长编码器的电子齿轮:

  p181.1=d1000

  (d=测长轮直径)

  p181.2=测长编码器分辨率x4

  使玻璃板长在mc中的表示单位为0.001mm

  刀头电机的电子齿轮

  p180.1=d1000/i

  (d=带轮直径,i=减速机减速比)

  p180.2=217

  (17位绝对值编码器)

  同样换算后的横切机横向距离在mc中的表示单位为0.001mm

  玻璃带速度与刀头电机速度的电子齿轮

  玻璃带速度(u604.1/u604.2)=横切机切割速度

  u604.1和u604.2中的数值根据横切机的斜置角度以及带轮和减速机减速比计算得来,将u604.2的值作为对角线比率参数,通过cbp通讯模板传递到plc中,由触摸屏修改以修正对角线误差。

关于双刀之间的信息交换

  双刀之间的信息交换就是两台mc之间的信息交换。当使用双刀轮切、花切、热备和测长编码器的热备等功能时,就需要在两台mc中做虚轴的同步。我们采用simens simolink光纤模块来实现,将每台mc中的kk817值通过u750.01 to .16和u751.01 to.16互相传递,再利用analog signal switches进行切换,以决定是使用本机的虚轴还是从simolink板传递来的虚轴。另外,双刀间的距离通过实时交换的对方的mc的状态来判断是否将本机投入使用,一旦由待机转入工作,需要根据情况在虚轴上增加或减少此距离,以保证两台机器切换时不损失玻璃。

其他功能说明

  由于运动控制相关的运算都在mc中处理完毕,这样dp的通讯负载大大降低,仅需传递有限的参数信息,和刀架的实时位置信息,提高了信息传递的速度。外部开关以di形式进入plc,plc的do控制落刀、加压、喷油、喷气动作。由plc根据事先设定的相应动作的位置值与刀头实时位置值相比较,来决定是否动作,以及是否处于故障状态。实现了分布式控制的目的。提高了信息传递的效率,同时也方便调试。

  利用siemens s7-300 plc的强大运算以及联网功能,实现了订单管理功能,能够可以实现订单计数功能,不下刀不计数,并可自动实现已完成订单到待完成订单间的切换,通过可选的以太网接口模块可以方便的通过工业以太网来连接冷端线控系统、缺陷检测和纵切机等设备,实现优化切割下的订单动态管理,自动补片。达到玻璃分等包装,按质销售,与传统的混等包装销售相比,大大提高了经济效益,也满足了市场对高档玻璃的需求。

  良好的人机界面,强大的参数整定功能,可以对影响玻璃切割的各个环节进行优化调整,并实时反应切割系统的状态,实现自我诊断。

项目运行

  本系统从2004年开发并成功在台玻东海投入正常生产,达到稳定的高精度切割目标,长度误差0.5 mm;对角线偏差1mm。,到2005~2006年经过蓝星玻璃、兰州玻璃厂、神木瑞诚玻璃、越南搭桥玻璃、孟加拉nigl玻璃等近二十条玻璃生产线的不断完善改进在已实现目标的基础上,实现了双刀热备、轮切以及简单的订单管理等功能,2006年底通过在东莞南玻的实际使用,在前述基础上初步实现了动态订单管理以及与检测设备配合实现简单的优化切割的功能。本系统目前在国内外近四十条生产线使用,不仅为公司创造了可观的经济效益也提高了国内浮法玻璃关键装备的水平,大大缩短了与国际先进水平的差距。

应用体会

  通过横切机系统的开发设计以及不断调试,对siemens mc系统有了较深入的认识,对siemens系统集成的能力印象深刻。

  (1)siemens mc系统功能强大,尤其是free block功能,在对其有了一定的了解后很方便、实用。能满足特殊而复杂的工艺需求。

  (2)通过dp联网mc系统,信息交换方便,程序调试、监控简单,mc参数存取方便。

  (3)由于mc中采用的是边沿触发,所以对信号的切换与交接以及信号的长度等都有较苛刻的要求。因此mc的调试是一个较长期的过程,尤其是对free

  block自由功能块编程,需要结合工艺不断的调试、监控、优化修改,不断的发现问题,不断的试验、观察,才能取得比较稳定可靠的理想结果。例如:在横切机的调试中,偶尔发生冲刀现象(即切完成后,刀头继续前进,直到软件限位生效停车),经过近十天的监控发现是u612 engaging使能信号设置不当,应该是一个脉冲量,实际我们设置成在engaging过程中一直有效,修改后此问题再也没发生。

  从我们利用siemens mastdrives mc开发横切机的过程和投入大批量的实际生产使用的情况来看,siemens mc系统以其先进的控制理念、强大的功能,运行稳定,控制精度高,很好的完成了对浮法玻璃横切机的驱动和控制任务,实现了先进控制理论与玻璃行业特点的完美结合,比较理想的达到了开发目的。目前此型设备已经是蚌埠凯盛的拳头产品,在国内外市场上有着广泛的应用。

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