热收缩膜包装机 (Shrink Wrap)

面向饮料、洗化、纸品、小家电等集束包装场景。依托 Darra 电子凸轮 + 飞剪 + 定长切割 + 温度 PID 工艺对象, 在 250 µs~500 µs 周期内同时管理进膜、切膜、集束、热收缩、张力闭环全流程。

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1. 设备简介

热收缩膜包装机把多个单瓶按集束阵型 (如 6×2=12) 聚拢, 自动包裹 PE 薄膜, 飞剪切断后送入热收缩通道, 经冷却定型后成束产出。典型指标:

项目	参数
包装速度	≥ 40 束 / 分钟 (实测 44)
切膜长度精度	±1 mm (实测 ±0.6 mm)
膜张力稳定性	±5 N (实测 ±2.8 N)
热收缩温度精度	±1°C (实测 ±0.7°C)
膜材利用率	≥ 95% (实测 97.2%)
EtherCAT 周期	500 µs, 抖动 < 5 µs
换型时间	≤ 5 分钟
热收缩通道	4 区温区, 最高 230°C

整机工艺: 进膜 → 横封飞剪 → 集束进入加热收缩通道 → 冷却定型 → 出束。

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2. 项目模块组成

层	项目	职责
实时驱动	DarraRT.sys + DarraRT_Eth.sys + DarraRT_PLC.sys	内核调度 + EtherCAT
服务层	Darra.PLC.Service	永驻, 管理 PLC 运行时
用户层	Darra.PLC.Panel + Darra.PLC.IDE	操作面板 + 开发环境

PLC 项目内部:

单元	周期	说明
PRG_MAIN	10 ms	主状态机
PRG_FEED	1 ms	进膜张力环
PRG_CUTTER	500 µs	飞剪电子凸轮 + 定长切割
PRG_BUNDLE	1 ms	集束成形 & 挤压
PRG_OVEN	10 ms	4 区温控 PID
PRG_OUT	10 ms	冷却 + 出束 + 喷码接口

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3. 机械装配架构

 [瓶流进入] → [列队 + 集束成形 (6×2)] → [推入膜包]
                                                 ↓
                        [膜卷 → 张力辊 → 折膜板 → 横封飞剪]
                                                 ↓
                                       [热收缩通道 (4 区 180..220°C)]
                                                 ↓
                                       [冷却辊 + 定型]
                                                 ↓
                                       [出束输送 → 喷码接口]

轴与电机:

轴	功能	规格
Axis_Feed	进膜轴 (虚拟主轴参考)	SV660N 750 W
Axis_Cutter	刀辊飞剪	SV660N 1.5 kW + 刀辊编码器
Axis_Squeeze	挤压轮 (成束)	SV660N 750 W
Axis_Outfeed	出束轴	SV660N 750 W
MTR_HotAir × 2	热风循环风机	5.5 kW 变频
MTR_Cooler	冷却风机	2.2 kW 变频

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4. 程序架构

  Darra.PLC.IDE (开发)
        | 下装
        v
  Darra.PLC.Service  <--->  Darra.PLC.Panel (HMI)
        | IOCTL
        v
  DarraRT_PLC.sys  ==GlobalIO==  DarraRT_Eth.sys
                                     | EtherCAT
                                     v
   AM600 CPU → DI/DO/PT100/AO → SV660N × 4 → 电磁阀岛

任务调度:

• 500 µs: PRG_CUTTER 飞剪凸轮跟随进膜虚拟主轴
• 1 ms: PRG_FEED (张力环), PRG_BUNDLE
• 10 ms: PRG_MAIN, PRG_OVEN, PRG_OUT, HMI 刷新

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5. 硬件 BOM (国产化)

类别	型号	品牌	数量	单价 (¥)	小计
工控机	ARK-1124H	研华	1	4,500	4,500
HMI	TK6071iQ 7 寸	威纶通	1	1,280	1,280
伺服驱动 (刀辊)	SV660N-EtherCAT 1.5 kW	汇川	1	3,200	3,200
伺服电机 (刀辊)	ISMH1-15C30CB	汇川	1	2,800	2,800
伺服驱动 (进膜 / 挤压 / 出束)	SV660N-EtherCAT 750 W	汇川	3	2,380	7,140
伺服电机 (配套)	ISMH1-75C30CB + 抱闸	汇川	3	1,850	5,550
EtherCAT IO 主	AM600-CPU1608TP	汇川	1	1,800	1,800
DI 模块	AM600-1600END	汇川	2	580	1,160
DO 模块	AM600-1600ETN	汇川	2	580	1,160
PT100 模块	AM600-4PT	汇川	2	1,200	2,400
AO 模块	AM600-4DA	汇川	1	980	980
变频器 (热风)	MS300-5.5 kW	台达	2	2,400	4,800
SSR 固态继电器	SSR-40DA	国产	8	85	680
加热棒 2.5 kW	陶瓷	国产	8	180	1,440
PT100 传感器	M8×60	国产	4	35	140
张力传感器	0~500 N 压轮式	国产	1	1,600	1,600
光电传感器	对射 M18	欧姆龙国产	10	65	650
色标传感器	BC50D	奥普	1	680	680
刀辊编码器	2500 ppr 增量	雷赛	1	480	480
安全光幕	1200 mm 20 光轴	舜驰	2	1,200	2,400
电磁阀岛	EtherCAT 8 联	亚德客	1	1,800	1,800
气缸	SC ø32 / ø63	亚德客	8	260	2,080
电控柜	800×1000×2000 + 空调	威图国产	1	2,800	2,800
端子 / 线缆 / 杂项	-	-	1 套	2,500	2,500
合计					¥54,020

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6. IO 模块配置

6.1 配置流程

在 Darra.PLC.IDE 中:

1. 设备视图 → 新建 EtherCAT 主站, 绑定 LAN2 网卡
2. 扫描从站, 确认顺序: AM600 CPU → DI ×2 → DO ×2 → PT100 ×2 → AO → SV660N ×4 → 电磁阀岛
3. 为各模块分配 SlaveIndex
4. 点击 自动生成 IO 表, %IX / %QX / %IW / %QW 地址自动分配
5. 为 4 台 SV660N 在 轴配置 页给出别名: Axis_Feed, Axis_Cutter, Axis_Squeeze, Axis_Outfeed
6. 同步 PDO 映射: 控制字 0x6040 + 状态字 0x6041 + 目标位置 0x607A + 实际位置 0x6064 + 目标转速 0x60FF

6.2 关键 IO 表

地址	符号	说明
I0.0	SEN_BundleIn	集束到位光电
I0.1	SEN_BundleCount	集束计数
I0.2	SEN_FilmEnd	膜末端检测 (自动接膜)
I0.3	SEN_FilmColorMark	膜色标 (切膜位置)
I0.4	SEN_CutterHome	刀辊原位
I0.5	SEN_HeatDoor	热收缩炉门状态
I0.6	SEN_CoolOut	冷却出口光电
I0.7	SEN_OverTemp	超温开关 (安全链)
I1.0..3	SB_Start/Stop/EStop/Reset	按钮
I1.4	SW_Auto	自动模式
I1.5	SEN_LightCurtain	安全光幕
AI0.0	AI_FilmTension	膜张力 010 V → 0500 N
AI0.1..4	AI_TempZone1..4	4 区温度 PT100
Q0.0	MTR_Squeeze_Run	挤压轮使能
Q0.1	MTR_HotAir1	热风 1 变频使能
Q0.2	MTR_HotAir2	热风 2 变频使能
Q0.3	MTR_Cooler	冷却风机使能
Q0.4..7	SSR_Heater1..4	4 区加热 SSR (PWM 软件)
Q1.0	LAMP_Red	报警灯
Q1.1	LAMP_Green	运行灯
Q1.2	BUZZER	蜂鸣器
AO0.0..3	AO_TempSet1..4	温度闭环输出 (0~10 V)

6.3 伺服绑定

轴	位置	用途
Axis_Feed	Slave 8	进膜 (虚拟主轴参考)
Axis_Cutter	Slave 9	飞剪刀辊, 从轴
Axis_Squeeze	Slave 10	集束挤压
Axis_Outfeed	Slave 11	出束

刀辊编码器额外接入 Axis_Cutter 的辅助编码器 (0x60B8 Touch Probe 1)。

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7. 核心数据结构

TYPE RECIPE_SHRINK :
STRUCT
    Name            : STRING(32);
    BundleRows      : INT;        // 2
    BundleCols      : INT;        // 6
    BottleDiameter  : LREAL;
    BottleHeight    : LREAL;
    FilmLength      : LREAL;      // 每束膜长 mm
    FilmOverlap     : LREAL;      // 搭接 mm
    LineSpeed       : LREAL;      // 进膜线速 mm/s
    CutterRad       : LREAL;      // 刀辊半径 mm
    CutterCamId     : INT;
    TempZone1       : LREAL;
    TempZone2       : LREAL;
    TempZone3       : LREAL;
    TempZone4       : LREAL;
    HotAirFreq      : LREAL;
    TensionTarget   : LREAL;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE MACHINE_STATE :
(
    Idle, PreHeat, Homing, Running, Paused, Fault
);
END_TYPE

TYPE TEMP_CONTROL :
STRUCT
    Setpoint    : LREAL;
    Actual      : LREAL;
    Duty        : LREAL;       // 0~1
    Kp          : LREAL;
    Ti          : TIME;
    Td          : TIME;
    InTolerance : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL
    gState   : MACHINE_STATE := MACHINE_STATE#Idle;
    gRecipe  : RECIPE_SHRINK;
    gTemp    : ARRAY[1..4] OF TEMP_CONTROL;
    gTension : LREAL;
END_VAR

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8. 核心程序代码

8.1 主状态机

PROGRAM PRG_MAIN
CASE gState OF
    MACHINE_STATE#Idle:
        IF SB_Start AND NOT SB_EStop AND SEN_LightCurtain THEN
            gState := MACHINE_STATE#PreHeat;
        END_IF

    MACHINE_STATE#PreHeat:
        EnableHeaters();
        IF AllZonesInTolerance() THEN
            gState := MACHINE_STATE#Homing;
        END_IF

    MACHINE_STATE#Homing:
        HomeCutter();
        IF Axis_Cutter.Homed THEN
            gState := MACHINE_STATE#Running;
        END_IF

    MACHINE_STATE#Running:
        RunFeed();
        RunFlyingCutter();
        RunBundle();
        RunOven();
        RunOutfeed();
        IF SB_Stop THEN gState := MACHINE_STATE#Paused; END_IF
        IF AnyFault() THEN gState := MACHINE_STATE#Fault; END_IF

    MACHINE_STATE#Paused:
        StopAllAxes();
        IF SB_Reset THEN gState := MACHINE_STATE#Idle; END_IF

    MACHINE_STATE#Fault:
        EmergencyStop();
        LAMP_Red := TRUE;
        BUZZER   := TRUE;
END_CASE
END_PROGRAM

8.2 工艺对象 — 飞剪定长切割 (核心)

定长切割靠电子凸轮实现: 进膜走一个"膜长", 刀辊正好转一圈, 在接触段完成切断。

FUNCTION_BLOCK FB_FlyingCutter
VAR_INPUT
    Execute     : BOOL;
    CutLength   : LREAL;     // mm (配方 FilmLength)
    CutterRad   : LREAL;     // mm
    CamTableId  : INT;
END_VAR
VAR_IN_OUT
    FilmAxis    : AXIS_REF;  // 主 (进膜)
    CutterAxis  : AXIS_REF;  // 从 (刀辊)
END_VAR
VAR
    camSel   : MC_CamTableSelect;
    camIn    : MC_CamIn;
    ratio    : LREAL;
END_VAR

ratio := CutLength / (2.0 * 3.14159265 * CutterRad);

camSel(
    CamTable      := CAM_CutterTables[CamTableId],
    Master        := FilmAxis,
    Slave         := CutterAxis,
    Periodic      := TRUE,
    MasterScaling := CutLength,
    SlaveScaling  := 1.0
);

camIn(
    Master        := FilmAxis,
    Slave         := CutterAxis,
    MasterOffset  := 0,
    SlaveOffset   := 0,
    StartMode     := MC_STARTMODE#Absolute,
    Execute       := Execute AND camSel.Done
);

END_FUNCTION_BLOCK

8.3 工艺对象 — 色标修正 (补偿膜印刷拉伸)

膜上有定位色标, 用触发探针锁存进膜编码器位置, 与期望位置差即修正量:

FUNCTION_BLOCK FB_ColorMarkCompensate
VAR_INPUT
    Enable      : BOOL;
    ExpectedPos : LREAL;
    Kp          : LREAL := 0.5;
    LimitMm     : LREAL := 2.0;
END_VAR
VAR_IN_OUT
    FilmAxis    : AXIS_REF;
END_VAR
VAR
    probe   : MC_TouchProbe;
    phase   : MC_PhasingRelative;
    err     : LREAL;
    corr    : LREAL;
END_VAR

probe(Axis := FilmAxis, TriggerInput := 1, Execute := Enable);

IF probe.Done THEN
    err  := probe.RecordedPosition - ExpectedPos;
    corr := -err * Kp;
    corr := LIMIT(-LimitMm, corr, LimitMm);
    phase(Master := FilmAxis, Slave := FilmAxis,
          PhaseShift := corr, Velocity := 100,
          Acceleration := 1000, Execute := TRUE);
END_IF
END_FUNCTION_BLOCK

8.4 工艺对象 — 4 区温度 PID

FUNCTION_BLOCK FB_OvenPID
VAR_INPUT
    Setpoint : LREAL;
    Actual   : LREAL;
    Kp       : LREAL := 1.8;
    Ti       : TIME  := T#24s;
    Td       : TIME  := T#6s;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Duty     : LREAL;  // 0..1
END_VAR
VAR
    pid      : FB_PIDT1;
END_VAR

pid(Setpoint := Setpoint, Actual := Actual,
    Kp := Kp, Ti := Ti, Td := Td,
    OutMin := 0.0, OutMax := 1.0);
Duty := pid.Out;
END_FUNCTION_BLOCK

Q0.4..7 由 10 Hz 软件 PWM 驱动 SSR (周期 100 ms, 占空比 = Duty)。

8.5 工艺对象 — 张力环

FUNCTION_BLOCK FB_FilmTension
VAR_INPUT
    TensionMeas : LREAL;
    Target      : LREAL;
    Kp          : LREAL := 0.4;
    Ki          : LREAL := 2.0;
END_VAR
VAR_IN_OUT
    FilmAxis    : AXIS_REF;
END_VAR
VAR
    err  : LREAL;
    intg : LREAL;
    dv   : LREAL;
END_VAR

err  := Target - TensionMeas;
intg := intg + err * 0.001;         // 1 ms 周期
dv   := err * Kp + intg * Ki;
FilmAxis.ActualVel := LIMIT(50.0, gRecipe.LineSpeed + dv, gRecipe.LineSpeed + 200.0);
END_FUNCTION_BLOCK

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9. 运行与调试

9.1 首次上电清单

1. 气压 ≥ 0.5 MPa, 冷却水正常
2. 4 路 PT100 读数接近室温, 无断路 (Darra 自动诊断)
3. 急停复位 + 光幕无遮挡
4. Panel → 诊断 → EtherCAT 从站数与配置一致
5. 手动点动刀辊 1 圈, 检查原位 SEN_CutterHome

9.2 预热流程

HMI → "预热启动", PLC 进 PreHeat 状态:

• 4 区温度 PID 启动, 实测到达 ±1°C 公差保持 30 s 后放行
• 热风变频按配方频率运行
• 15~20 分钟后进入 Homing

9.3 凸轮标定

IDE → 工艺对象 → 电子凸轮 → Cutter → 可视化拖拽 30 点曲线 (含接触段 80%, 空程段 20%)。AI 助手可根据 FilmLength + CutterRad 自动生成。

9.4 膜利用率优化

• 张力环带宽从 10 Hz 提到 20 Hz
• 色标补偿 Kp 从 0.8 降到 0.5 (过大会导致相位震荡)
• 加减速段多项式改 B 样条, 切口平整度提升

9.5 故障现场图谱

现象	可能原因
切口参差	飞剪凸轮相位没锁定 (检查 TouchProbe 是否触发)
膜跑偏	张力左右不均, 检查左右导辊
热收缩不均	某一区 PT100 断偶, PID 饱和
刀辊闷住	刀口钝, 更换
SSR 烫手	SSR 散热不良, 加风扇
集束散掉	挤压轮压力不够或膜上搭接余量不足
膜起皱	张力过大或预热温度过高
出束卡壳	冷却辊偏心 / 传送皮带张紧失效

9.6 切换配方步骤

1. HMI → 配方页 → 选 新配方
2. PLC 自动切凸轮表 CAM_CutterTables[CutterCamId]
3. 温度重新整定 (需 2~3 分钟达温)
4. 线速从 5 m/min 逐步恢复到配方值
5. 前 5 束人工检查合格后放行

9.7 接膜流程

膜卷即将用尽时 SEN_FilmEnd 触发:

• PLC 降速到 30%
• 操作工把旧膜末端与新膜起端用双面胶粘合
• 按 "接续完成" → PLC 恢复全速, 色标探针在新旧膜交界处会多出一次触发, 代码自动过滤

9.8 长时运行监控

指标	正常范围
张力波动	±5 N
切膜位置离散	< 1 mm
主要区温度	设定值 ±1°C
刀辊温升	< 20 K (相对环境)
EtherCAT 帧丢失	0 帧/8 h

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10. Darra 功能对照表

工艺需求	使用的 Darra 功能
飞剪定长切割	电子凸轮 MC_CamIn + MC_CamTableSelect (周期模式)
色标补偿膜拉伸	MC_TouchProbe + MC_PhasingRelative
进膜张力	SCL 内置 PID + 速度补偿
热收缩温度	FB_PIDT1 + 软件 PWM 驱 SSR
虚拟主轴	Darra 内置虚拟轴, 不依赖物理编码器
配方切换	RECIPE_SHRINK + HMI 配方页
EtherCAT 冗余	Eth 驱动原生支持环形
远程运维	Service 云 Agent 上报
事件记录	LogManager.Get("ShrinkWrap")

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9.9 AI 调参助手

Darra IDE 的 AI 助手基于云端历史数据给出推荐:

• 输入: 瓶型 / 集束规格 / 膜材质 / 膜厚 / 目标产能
• 输出: 建议切膜长度 / 温度曲线 / 热风频率 / 张力值
• 现场验证: 试产 30 束, 合格率 > 95% 即保存为配方

历史数据积累下来, 第二台机上同种产品直接取云端参数, 调试时间从 8 小时降到 2 小时。

9.10 维护周期

项目	周期	说明
刀辊刃磨	30 天	切口边缘不整齐时提前
刀辊轴承加油	90 天	极压锂基脂
加热棒检查	30 天	SSR 输入端用万用表测电阻
张力传感器零点	7 天	无膜时应读 0±0.5 N
PT100 精度验证	半年	沸水 / 冰水双点校准

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11. 项目总结

• 整机 BOM ¥5.4 万: 国产 + 一台工控机 + 4 轴, 一次到位
• 关键工艺代码 < 300 行: 电子凸轮 / 定长切割 / 色标补偿 / 温度 PID 全部有现成积木
• 精度实测超标: 切膜 ±0.6 mm, 温度 ±0.7°C, 张力 ±2.8 N
• 调试周期缩短: 预热 → 空跑 → 带膜 → 带瓶, 一天内全部走完
• 可靠性: 连续 168 h 试产无报警, 故障均可自愈 (预警不停机)

下一步: 接入 AI 膜利用率预测, 云端根据膜卷状态主动提示换膜窗口, 进一步提升 OEE。

11.1 迭代路线

• V1.0 (当前): 飞剪 + 4 区温控 + 张力闭环, 达到 44 束/min
• V1.1 (计划): 接入 AI 膜用量预测, 提前 5 min 预警换膜
• V1.2 (计划): 冷却通道加入风速闭环 (风速传感器 + 变频)
• V2.0 (远期): 取消机械刀辊, 改用超声波切膜, 进一步降本

11.2 部署注意事项

• 首次投产建议全天有工程师跟线 24 h, 收集异常数据
• Darra 云端 Agent 默认开启, 不愿上传的客户可在 HMI 关闭
• 远程诊断通过云端 SSH 隧道, 工厂防火墙只需出方向允许 443 端口

11.3 参考指标对比

指标	进口机	本方案
包装速度	40 束/min	44 束/min
切膜精度	±1 mm	±0.6 mm
膜利用率	87%	97.2%
整机价	¥48 万	¥28 万 (售价)
维保响应	4 h 到场	15 min 远程