一、引言
目前食品飲料灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)速度非?？?，普通灌裝機的灌裝速度已達到500瓶/分鐘，靠簡(jiǎn)單的人力包裝已無(wú)法完成如此大量的包裝工作，因此高速紙箱包裝機在食品包裝行業(yè)中得到廣泛應用。該包裝機作為獨立設備安裝于生產(chǎn)線(xiàn)上，提供專(zhuān)用輸送帶將生產(chǎn)線(xiàn)上灌裝好的產(chǎn)品傳輸到包裝機上，包裝機自動(dòng)完成分瓶、上紙、打包、噴膠等工作并通過(guò)輸送帶傳送到下一個(gè)工序。
二、西門(mén)子SIMOTION介紹
在運動(dòng)控制領(lǐng)域，一般的電機驅動(dòng)器提供了豐富的運動(dòng)控制功能，但邏輯控制和復雜運算功能卻相當弱，而一般的PLC提供了全面的邏輯控制功能，但又很難具備運動(dòng)控制的全部功能。傳統的應用方式是將PLC和伺服控制器配合使用，但存在高速數據傳輸、數據同步和精確控制等方面的問(wèn)題。
西門(mén)子公司提出新一代的運動(dòng)控制平臺SIMOTION。SIMOTION是為運動(dòng)控制起主導作用的機器而設計的，本身集成了邏輯控制與運動(dòng)控制，可以獨立完成以往PLC加電機調速器的所有功能，主要應用于那些控制要求復雜，控制速度快，要求精確運動(dòng)的領(lǐng)域中。
1．SIMOTION是一種簡(jiǎn)單，靈活的控制系統，本身集成了運動(dòng)控制、邏輯控制與工藝控制。具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
邏輯控制和運動(dòng)控制相結合，取消了影響響應時(shí)間的獨立接口
節省了為這些中間接口進(jìn)行編程以及診斷的投入
整個(gè)機器的編程以及診斷不僅規范，而且象PLC一樣開(kāi)放透明
2．SIMOTION系統具有三個(gè)組成部分：
工程開(kāi)發(fā)系統
工程開(kāi)發(fā)系統可以實(shí)現由一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境解決所有的運動(dòng)控制、邏輯及工藝控制問(wèn)題，并且它還能夠提供所有必要的工具，從編程到參數設定，從測試到故障診斷。
實(shí)時(shí)軟件模塊
這些模塊提供了眾多的運動(dòng)控制以及工藝控制功能。針對某一特定的機器所需要的功能，靈活地選擇相關(guān)地模塊。
硬件平臺SIMOTION D
SIMOTION D的功能集成在新的SINAMICS S120多軸驅動(dòng)系統的控制模板上，使之成為一個(gè)緊湊的擁有控制器及驅動(dòng)器的系統。將運動(dòng)控制與驅動(dòng)器集成在一起，使系統具有極快的響應速度。SIMOTION D具有若干種規格，均是取決于其性能的要求。
三、系統要求
鑒于灌裝食品行業(yè)設備自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品產(chǎn)量大的特點(diǎn)，對高速紙包機提出了如下的控制要求：
1．運行速度快
由于食品灌裝生產(chǎn)線(xiàn)的灌裝速度高，要求包裝機的速度也必須達到與之配套的水平。目前成熟的紙箱包裝機可以達到標準產(chǎn)量60箱/分鐘，最大產(chǎn)量80箱/分鐘。
2．可靠性高
鑒于生產(chǎn)線(xiàn)的連續高速生產(chǎn)的特殊情況，生產(chǎn)線(xiàn)上任何一個(gè)環(huán)節出現故障都會(huì )直接導致全線(xiàn)的故障停機，從而給用戶(hù)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失，故要求設備可靠性非常高。要求配套的紙箱包裝機在出廠(chǎng)前必須經(jīng)過(guò)嚴格的測試，以每批次連續生產(chǎn)2000箱，連續生產(chǎn)10個(gè)批次不出現任何故障為出廠(chǎng)驗收合格標準。
3．分瓶控制精確
如上圖所示生產(chǎn)線(xiàn)上過(guò)來(lái)的產(chǎn)品是連續排列的，必須通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用設備將連續排列的產(chǎn)品分成一個(gè)紙箱可以容納的不連續的產(chǎn)品單元，如下圖將啤酒易拉罐分成每24瓶一個(gè)單元的小單元塊給后面的包裝做預處理工作。
每?jì)蓚€(gè)易拉罐之間的位置大約只有20mm，分瓶器必須準確無(wú)誤的插入到這個(gè)位置中，靠前或靠后都會(huì )將易拉罐頂翻而影響后面的包裝。而且前后分瓶器由兩個(gè)不同的電機帶動(dòng)，必須嚴格進(jìn)行位置與速度的同步，否則相互之間將出現干涉，影響分瓶質(zhì)量。
4．噴膠控制精確
包裝好的紙箱必須在成型壓制之前上膠，上膠分為三個(gè)部位：上噴膠，左側噴膠，右側噴膠。每個(gè)部位的噴膠必須依照機器主電機的運行速度當主電機旋轉到某一角度開(kāi)始噴膠，到達另一角度后停止噴膠。否則將出現噴膠不到位或噴膠過(guò)度的情況影響產(chǎn)品質(zhì)量。
5．產(chǎn)品成品率高
由于高速紙包機產(chǎn)量巨大，一旦設備出現故障將導致產(chǎn)品的大量浪費，而且包裝用的紙箱又屬于一次性產(chǎn)品，不能回收利用，因此對產(chǎn)品的成品率要非常的高，要求包裝出的紙箱為一個(gè)嚴格的長(cháng)方體，不能出現歪斜、包裝不全、漏噴膠或膠噴位置不對等情況。
6．自動(dòng)化程度高
包裝機在工作時(shí)，從進(jìn)瓶開(kāi)始到紙箱包裝結束，所有工作全部自動(dòng)完成，完全不需要人工干預。
四、運動(dòng)控制系統配置
1．為保證整機的運行速度采用如下的配置：
伺服電機
高速紙包機上采用西門(mén)子1FK7高精度同步伺服電機，主驅動(dòng)軸的轉速為80轉/分，機械結構設計成主驅動(dòng)軸轉一圈生產(chǎn)一箱產(chǎn)品，所以該設計結構的最大產(chǎn)量為80箱/分，標準產(chǎn)量為60箱/分,達到了主流高速紙包機的生產(chǎn)速度。
高速信號的處理
在機器運轉的過(guò)程中，對關(guān)鍵信號的響應時(shí)間為1MS。
具體算法：
對于上述信號直接接入到SIMOTION D435中，SIMOTION D435輸入信號的響應時(shí)間為0.1ms，完全滿(mǎn)足上述要求。
2．SIMOTION采用一體化的連接電纜和集成化的安裝方式，保證系統的高可靠性
SIMOTION的電機電纜和編碼器電纜全部采用高IP等級的專(zhuān)用連接頭，用戶(hù)在使用過(guò)程中直接將電纜接頭插到相應的接頭上擰緊相應的螺絲即可。
SIMOTION采用一體化的集成連接方式，控制器D435和驅動(dòng)器SINAMACS之間采用DRIVE-CLIQ高速通訊方式，通訊速率可達到100M，響應速度快，集成化好，對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單方便，故障率低。
功率單元與電機驅動(dòng)器之間的連接采用內置銅牌和DRIVE-CLIQ連接，簡(jiǎn)單方便故障率低。
3．系統配置
整機采用四臺1FK7伺服電機，分別為兩臺分瓶電機，一臺主電機，一臺出口電機。主電機和出口電機功率為3.3KW，分瓶電機功率為0.82KW。
采用TP270作為系統的人機操作界面。
采用SIMOTION D435作為主控制器。
采用SIMOTION S120作為電機驅動(dòng)單元。
1－SIMOTION D435運動(dòng)控制器 2－S120 電源模塊
3－雙軸電機模塊9A 4－雙軸電機模塊5A
5－主軸電機，1FK7系列 6－分瓶電機，1FK7系列
7－分瓶電機，1FK7系列 8－送瓶電機，1FK7系列
9－遠程IO，ET200M 10－變頻器，MM440，帶profibus接口
11－TPP270操作界面 12－Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)，速率可達到12M
13－伺服電機電源電纜 14－伺服電機DRIVE-CLIQ編碼器反饋
五、控制原理
對于紙箱包裝機從易拉罐進(jìn)入到進(jìn)瓶器內到包裝好的成品紙箱出來(lái)，所有的動(dòng)作全部由機器自動(dòng)完成，完全不需要人工干預，自動(dòng)化程度非常高。在整個(gè)控制過(guò)程中難點(diǎn)主要存在于分瓶控制、噴膠控制、上紙控制三各方面，SIMOTION對于這三各方面的控制提供了專(zhuān)用的功能，使得原先非常復雜的控制變得簡(jiǎn)單方便。
1．分瓶控制：
分瓶控制是紙箱包裝機控制過(guò)程中難度最大的部分。
分瓶控制的要求如圖5所示，分瓶電機M1控制分瓶器A和C，分瓶電機M2控制分瓶器B和D，在同一個(gè)鏈條軸上同方向運動(dòng)，分瓶器A、C；B、D之間的距離恒定不能改變，且分瓶器A在運動(dòng)過(guò)程中不能夠超越D的位置，分瓶器D在運動(dòng)過(guò)程中不能超越C的位置，否則機械上將卡死出現故障。要求分瓶器A到達圖示位置時(shí)分瓶器B也正好到達圖示位置這樣剛好將四瓶產(chǎn)品與后面的產(chǎn)品分開(kāi)達到分瓶的目的。同理分瓶器B和C也在A(yíng)和B的位置上分出四瓶同樣的產(chǎn)品。按照上述流程一直循環(huán)為下面的分裝做好準備。具體A和B之間的距離確定了每箱可以容納的產(chǎn)品的數量，要求可以通過(guò)操作畫(huà)面設定每箱可以容納的產(chǎn)品數量，系統自動(dòng)計算出A和B之間的距離保證機器正常工作。
針對上述控制要求，采用SIMOTION提供的標準多軸CAM曲線(xiàn)同步功能對兩個(gè)分瓶電機進(jìn)行精確位置同步控制具體的控制方式如下：
定主軸電機的位置作為CAM曲線(xiàn)的X軸，兩個(gè)分瓶電機的運行位置做Y軸分別做兩條CAM曲線(xiàn)。
由于每個(gè)分瓶器旋轉一周剛好可以分出四箱產(chǎn)品，而主軸旋轉一周可以完成一箱產(chǎn)品的分裝，為了簡(jiǎn)化系統模型，將整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程分割為相同的若干生產(chǎn)單元，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際上時(shí)不斷的重復這個(gè)同樣的生產(chǎn)單元，在每個(gè)生產(chǎn)單元里主軸一旦啟動(dòng)必須完成該單元才可以停止。
在每個(gè)生產(chǎn)單元里分瓶電機與主軸電機進(jìn)行CAM曲線(xiàn)位置同步對于每根分瓶電機軸來(lái)說(shuō)主電機旋轉四周1440度分瓶電機旋轉一周360度。
具體的控制曲線(xiàn)如圖6，圖7
圖6 M1電機CAM曲線(xiàn)（單位度）
圖7 M2電機CAM曲線(xiàn)（單位度）上述曲線(xiàn)制定完畢后，規定在圖6的位置為整個(gè)曲線(xiàn)運動(dòng)過(guò)程中三個(gè)電機的零點(diǎn)，分瓶電機M1，M2將以此位置作為零點(diǎn)按各自的運行曲線(xiàn)和主軸做嚴格的位置同步，保證分瓶連續精確的運行。
2．停機修正：
分瓶過(guò)程中會(huì )出現一個(gè)問(wèn)題：當分瓶電機一旦投入運行，系統必須完成一個(gè)生產(chǎn)單元（生產(chǎn)四箱產(chǎn)品）分瓶電機回到曲線(xiàn)的0點(diǎn)坐標后才可以將分瓶電機與主電機取消同步控制，否則在下一個(gè)生產(chǎn)單元分瓶電機將出現位置錯亂無(wú)法同步的情況，將導致產(chǎn)品浪費。因此需要對分瓶控制做如下的修正：
如圖6、7所示由于分瓶器<
