摘要：本文介绍了西门子 S7-200 SMART PLC、SMART LINE 触摸屏在双机头套标机上的应用，阐述了设备工艺流程、控制系统的配置选型、软件设计和触摸屏的画面组态。S7-200 SMART 的高速计数、运动控制和通讯功能在设备的开发中得到了良好应用，经测试，该设备满足生产要求，运行稳定，性能良好。

　　关键词：双机头套标机 S7-200 SMART SMART LINE

　　1 引言

　　套标机作为后段包装技术含量较高的设备之一，适合各种容器瓶、罐、各种形状及材料的收缩膜包装 ( 如食品、饮料、制药等行业中各式塑料瓶、玻璃瓶、PVC、铁罐等容器 )，可与生产线全面连线作业或单机作业，对空瓶或填充后均可进行包装。套标机的出现实现了全自动快速包装，大幅降低了人工费用，同时提升了包装效果。

　　传统套标机主要以单机头为主，能够满足瓶身单次套一个标的需求，但在瓶口和瓶身都需要套标的情况下，就需要两台套标机，一方面造成安装空间过大，另一方面与其他工艺段连接也不方便。而双机头套标机则可以有效的解决以上问题，减少了安装空间，也降低了成本。

　　双机头套标机的工艺需求较为复杂，涉及到 4 个轴的伺服控制 ( 两个送标，两个切标 ) 及 1 路高速计数 ( 螺杆转速检测 )。本系统采用两个西门子 S7-200 SMART CPU 模块分别去控制两个轴，CPU 模块之间采用 Modbus RTU 通讯，并采用 SMART LINE 触摸屏对系统参数进行配置。一体化的 SMART 解决方案优化了机器性能，生产效率达 18000 瓶 / 小时，控制精度达到 ±1mm。

　　2 双头套标工艺原理

　　双机头套标机的工艺主要分为瓶身套标和瓶口套标两个部分。在分瓶螺杆将输送带上的待套瓶按一定间距分开后，设备就进入到瓶身套标工艺段。当瓶身待套区域检测电眼检测到来瓶时，瓶身切标伺服被触发动作，切标完成后刷标电机将标签快速刷下并套瓶，同时瓶身送标伺服启动，将固定长度 ( 定长切 ) 或分段长度 ( 色标检测长度 ) 送入待切区域准备下一次切标。瓶身毛刷将瓶身标签整理齐，主输送带将瓶送到瓶口套标的工艺段，当瓶口待套区域检测到来瓶时，瓶口的切标伺服开始动作，工艺流程与瓶身套标一致，当瓶口套标完成后，输送机将套好的瓶子送入热收缩箱进行缩紧定型。双机头套标机工艺流程如图 1 所示。

　　3 SMART 解决方案

　　双机头套标机要求 4 个伺服定位过程，而且对定位的精度要求较高。目前面向经济型 OEM 市场的 PLC 基本上只集成 2 路 100KHz 的 PTO 功能，无法通过 1 台 PLC 满足工艺要求。另外，该设备的 I/O 点数较多，为 23DI，38DO。为了降低成本，选型时希望通过 CPU 模块标配集成的 I/O 满足要求，而不使用扩展模块。因此选用 2 台西门子 S7-200 SMART PLC 作为主控单元，每台 PLC 本体集成 3 路 100KHz 的 PTO 输出，满足设备中 4 路 100KHz 的 PTO 输出要求，PLC 之间通过 Modbus RTU 通讯的方式实现瓶身和瓶口套标过程的配合。

　　SMART LINE 触摸屏本体集成以太网接口，可连接 3 台 S7-200 SMART 控制器。在本项目中，SMART LINE 使用普通的网线与两台 S7-200 SMART 相连，可直接操作两台 PLC。硬件配置如附表所示。系统架构如图 2 所示。

图 2 电控系统架构图

　　4 编程设计

　　根据双机头套标机的工艺流程及使用到的PLC功能， PLC 程序开发分为三个部分：螺杆速度采集，切、送标的伺服控制以及 PLC 之间的通讯。

　　4.1 螺杆速度采集

　　通过一路高速计数器测量螺杆的转速脉冲，利用系统的定时中断，每隔 50ms 采样一次当前计数器的值，算出两次脉冲的差值，折算成螺杆转速 ( 转 / 分钟 )。螺杆转速 =(S2-S1)×1000×60/50(S1：上次脉冲数;S2：本次脉冲数 )，生产速度 = 螺杆转速 /20( 瓶 / 分钟 )。

　　4.2 切标伺服控制

　　切标控制时，伺服信号的给定采用脉冲 + 方向的方式。由于伺服驱动器选择了 1000 脉冲转一圈，并且伺服电机最大速度是 4500 转 / 分钟，可以计算得出最大速度 =4500×1000/60=75000 脉冲 /s。根据多次的测试，加减时间设置成 0.2s。由于切刀的性能要求是速度快，对位置要求不高，所以采用速度模式。通过刀盘电眼检测刀盘进入凹槽区，确认切标完成，同时触发送标启动。

　　4.3 送标伺服控制

　　送标控制可采用定长切和分段切两种模式。

　　(1) 定长切。即每次切的标签长度固定，只需走固定距离就可以，因此采样相对定位。通过向导生成运动控制子程序，在主程序中调用 GOTO 子程序，将 MODE 设置成 1 即为相对定位。

　　(2) 分段切。通过色标传感器检测标签的透明段进行区分每段的距离。因为每次标签的实际长度不是固定的，所以采用速度模式，检测到透明短时停送标，GOTO 子程序，将 MODE 设置成 2，即为速度模式。

　　4.4 通讯功能

　　由于主输送带和螺杆由一台 PLC(ST60) 控制，另一台 PLC(ST40) 需要获取其状态，所以两台 PLC 采用 Modbus RTU 协议进行通信，本系统中采用 ST60 做主站， ST40 做从站。

　　ST60 调 用 MODBUS 主 站 库， 初始化波特率为9600，偶校验，选择口 0，超时检测设为 1s。然后分时调用 MBUS_MSG，作为读和写，读写周期为 300ms。

　　通讯模块编程分别如图 3~7 所示。

　　4.5 HMI 画面设计

　　触摸屏主要由主界面、瓶身操作界面、瓶身参数界面、瓶口操作界面、瓶口参数界面组成。

　　(1) 主界面：显示厂家的基本信息，如厂家名称，地址，电话;

　　(2) 瓶身操作界面：机头升降 ( 调试功能 )、分瓶启停、带瓶启停、主输送带启停、刷标启停、毛刷启停、主机启动、主机停止。

　　(3) 瓶身参数界面：送标位置与速度设置，切标位置与速度设置。

　　瓶口操作界面和参数界面与瓶身相同。除上述界面之外，还有高级设置登录界面和高级参数设置界面，部分操作画面如图 8 所示。

　　5 结束语

　　西门子小型 PLC S7-200 SMART 集成了强大的运动控制功能，同时提供了简单易用的向导，设置完毕后可自动生成相应子程序，自动、手动、点动、绝对运行、相对运动、速度模式、寻零、走包络等等。本案例中，调用 GOTO 子程序，只需要修改 MODE 的值就可以切换运动模式。在通讯方面，PLC 软件中自带的 MODBUS 主从站库，直接调用，分配存储区，实现 MODBUS RTU 的通讯非常便利。由于 RS485 是半双工的，所以需要分时进行读写操作。