一、引言 
　　目前食品飲料灌裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度非?？?，普通灌裝機(jī)的灌裝速度已達(dá)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(jī)在食品包裝行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該包裝機(jī)作為獨(dú)立設(shè)備安裝于生產(chǎn)線上，提供輸送帶將生產(chǎn)線上灌裝好的產(chǎn)品傳輸?shù)桨b機(jī)上，包裝機(jī)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(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供了豐富的運(yùn)動(dòng)控制功能，但邏輯控制和復(fù)雜運(yùn)算功能卻相當(dāng)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(yùn)動(dòng)控制的全部功能。傳統(tǒng)的應(yīng)用方式是將PLC和伺服控制器配合使用，但存在高速數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)同步和控制等方面的問(wèn)題。 
　　西門(mén)子公司提出新一代的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)SIMOTION。SIMOTION是為運(yùn)動(dòng)控制起主導(dǎo)作用的機(jī)器而設(shè)計(jì)的，本身集成了邏輯控制與運(yùn)動(dòng)控制，可以獨(dú)立完成以往PLC加電機(jī)調(diào)速器的所有功能，主要應(yīng)用于那些控制要求復(fù)雜，控制速度快，要求運(yùn)動(dòng)的領(lǐng)域中。 
　　1．SIMOTION是一種簡(jiǎn)單，靈活的控制系統(tǒng)，本身集成了運(yùn)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(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合，取消了影響響應(yīng)時(shí)間的獨(dú)立接口 
節(jié)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(jī)器的編程以及診斷不僅規(guī)范，而且象PLC一樣開(kāi)放透明 
　　2．SIMOTION系統(tǒng)具有三個(gè)組成部分： 
　　工程開(kāi)發(fā)系統(tǒng) 
　　工程開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)由一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境解決所有的運(yùn)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(shù)設(shè)定，從測(cè)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(yùn)動(dòng)控制以及工藝控制功能。針對(duì)某一特定的機(jī)器所需要的功能，靈活地選擇相關(guān)地模塊。 
　　硬件平臺(tái)SIMOTION D 
　　SIMOTION D的功能集成在新的SINAMICS S120多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制模板上，使之成為一個(gè)緊湊的擁有控制器及驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)。將運(yùn)動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)器集成在一起，使系統(tǒng)具有極快的響應(yīng)速度。SIMOTION D具有若干種規(guī)格，均是取決于其性能的要求。 
三、系統(tǒng)要求 
　　鑒于灌裝食品行業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品產(chǎn)量大的特點(diǎn)，對(duì)高速紙包機(jī)提出了如下的控制要求： 
1． 運(yùn)行速度快 
　　由于食品灌裝生產(chǎn)線的灌裝速度高，要求包裝機(jī)的速度也必須達(dá)到與之配套的水平。目前成熟的紙箱包裝機(jī)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量60箱/分鐘，zui大產(chǎn)量80箱/分鐘。 
2． 可靠性高 
　　鑒于生產(chǎn)線的連續(xù)高速生產(chǎn)的特殊情況，生產(chǎn)線上任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會(huì)直接導(dǎo)致全線的故障停機(jī)，從而給用戶(hù)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，故要求設(shè)備可靠性非常高。要求配套的紙箱包裝機(jī)在出廠前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，以每批次連續(xù)生產(chǎn)2000箱，連續(xù)生產(chǎn)10個(gè)批次不出現(xiàn)任何故障為出廠驗(yàn)收合格標(biāo)準(zhǔn)。 
3． 分瓶控制 
 
　　如上圖所示生產(chǎn)線上過(guò)來(lái)的產(chǎn)品是連續(xù)排列的，必須通過(guò)一個(gè)設(shè)備將連續(xù)排列的產(chǎn)品分成一個(gè)紙箱可以容納的不連續(xù)的產(chǎn)品單元，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(yù)處理工作。 
  
　　每?jī)蓚€(gè)易拉罐之間的位置大約只有20mm，分瓶器必須準(zhǔn)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(jī)帶動(dòng)，必須嚴(yán)格進(jìn)行位置與速度的同步，否則相互之間將出現(xiàn)干涉，影響分瓶質(zhì)量。 
4． 噴膠控制 
　　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(cè)噴膠，右側(cè)噴膠。每個(gè)部位的噴膠必須依照機(jī)器主電機(jī)的運(yùn)行速度當(dāng)主電機(jī)旋轉(zhuǎn)到某一角度開(kāi)始噴膠，到達(dá)另一角度后停止噴膠。否則將出現(xiàn)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(jī)產(chǎn)量巨大，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障將導(dǎo)致產(chǎn)品的大量浪費(fèi)，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(duì)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(yán)格的長(zhǎng)方體，不能出現(xiàn)歪斜、包裝不全、漏噴膠或膠噴位置不對(duì)等情況。 
6． 自動(dòng)化程度高 
　　包裝機(jī)在工作時(shí)，從進(jìn)瓶開(kāi)始到紙箱包裝結(jié)束，所有工作全部自動(dòng)完成，*不需要人工干預(yù)。 
四、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配置 
1．為保證整機(jī)的運(yùn)行速度采用如下的配置： 
伺服電機(jī) 
　　高速紙包機(jī)上采用西門(mén)子1FK7高精度同步伺服電機(jī)，主驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成主驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)一圈生產(chǎn)一箱產(chǎn)品，所以該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的zui大產(chǎn)量為80箱/分，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量為60箱/分,達(dá)到了主流高速紙包機(jī)的生產(chǎn)速度。 
高速信號(hào)的處理 
　　在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為1MS。 
具體算法：
響應(yīng)時(shí)間＝1MS/度 
　　對(duì)于上述信號(hào)直接接入到SIMOTION D435中，SIMOTION D435輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間為0.1ms，*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(tǒng)的高可靠性 
　　SIMOTION的電機(jī)電纜和編碼器電纜全部采用高IP等級(jí)的連接頭，用戶(hù)在使用過(guò)程中直接將電纜接頭插到相應(yīng)的接頭上擰緊相應(yīng)的螺絲即可。 
　　SIMOTION采用一體化的集成連接方式，控制器D435和驅(qū)動(dòng)器SINAMACS之間采用DRIVE-CLIQ高速通訊方式，通訊速率可達(dá)到100M，響應(yīng)速度快，集成化好，對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單方便，故障率低。 
 
　　功率單元與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的連接采用內(nèi)置銅牌和DRIVE-CLIQ連接，簡(jiǎn)單方便故障率低。 
3．系統(tǒng)配置 
　　整機(jī)采用四臺(tái)1FK7伺服電機(jī)，分別為兩臺(tái)分瓶電機(jī)，一臺(tái)主電機(jī)，一臺(tái)出口電機(jī)。主電機(jī)和出口電機(jī)功率為3.3KW，分瓶電機(jī)功率為0.82KW。 
　　采用TP270作為系統(tǒng)的人機(jī)操作界面。 
　　采用SIMOTION D435作為主控制器。 
　　采用SIMOTION S120作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。  
1－SIMOTION D435運(yùn)動(dòng)控制器
2－S120 電源模塊
3－雙軸電機(jī)模塊9A
4－雙軸電機(jī)模塊
5－主軸電機(jī)，1FK7系列
6－分瓶電機(jī)，1FK7系列
7－分瓶電機(jī)，1FK7系列
8－送瓶電機(jī)，1FK7系列
9－遠(yuǎn)程IO，ET200M
10－變頻器，MM440，帶profibus接口
11－TPP270操作界面
12－Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，速率可達(dá)到12M
13－伺服電機(jī)電源電纜
14－伺服電機(jī)DRIVE-CLIQ編碼器反饋 
五、控制原理 
　　對(duì)于紙箱包裝機(jī)從易拉罐進(jìn)入到進(jìn)瓶器內(nèi)到包裝好的成品紙箱出來(lái)，所有的動(dòng)作全部由機(jī)器自動(dòng)完成，*不需要人工干預(yù)，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(duì)于這三各方面的控制提供了的功能，使得原先非常復(fù)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(jī)控制過(guò)程中難度zui大的部分。 
　　分瓶控制的要求如圖5所示，分瓶電機(jī)M1控制分瓶器A和C，分瓶電機(jī)M2控制分瓶器B和D，在同一個(gè)鏈條軸上同方向運(yùn)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能夠超越D的位置，分瓶器D在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不能超越C的位置，否則機(jī)械上將卡死出現(xiàn)故障。要求分瓶器A到達(dá)圖示位置時(shí)分瓶器B也正好到達(dá)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(dá)到分瓶的目的。同理分瓶器B和C也在A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(zhǔn)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(shù)量，要求可以通過(guò)操作畫(huà)面設(shè)定每箱可以容納的產(chǎn)品數(shù)量，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出A和B之間的距離保證機(jī)器正常工作。 
　　針對(duì)上述控制要求，采用SIMOTION提供的標(biāo)準(zhǔn)多軸CAM曲線同步功能對(duì)兩個(gè)分瓶電機(jī)進(jìn)行位置同步控制具體的控制方式如下： 
　　定主軸電機(jī)的位置作為CAM曲線的X軸，兩個(gè)分瓶電機(jī)的運(yùn)行位置做Y軸分別做兩條CAM曲線。 
　　由于每個(gè)分瓶器旋轉(zhuǎn)一周剛好可以分出四箱產(chǎn)品，而主軸旋轉(zhuǎn)一周可以完成一箱產(chǎn)品的分裝，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)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(fù)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(jī)與主軸電機(jī)進(jìn)行CAM曲線位置同步對(duì)于每根分瓶電機(jī)軸來(lái)說(shuō)主電機(jī)旋轉(zhuǎn)四周1440度分瓶電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周360度。 
　　上述曲線制定完畢后，規(guī)定在圖6的位置為整個(gè)曲線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中三個(gè)電機(jī)的零點(diǎn)，分瓶電機(jī)M1，M2將以此位置作為零點(diǎn)按各自的運(yùn)行曲線和主軸做嚴(yán)格的位置同步，保證分瓶連續(xù)的運(yùn)行。 
2． 停機(jī)修正： 
　　分瓶過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)分瓶電機(jī)一旦投入運(yùn)行，系統(tǒng)必須完成一個(gè)生產(chǎn)單元（生產(chǎn)四箱產(chǎn)品）分瓶電機(jī)回到曲線的0點(diǎn)坐標(biāo)后才可以將分瓶電機(jī)與主電機(jī)取消同步控制，否則在下一個(gè)生產(chǎn)單元分瓶電機(jī)將出現(xiàn)位置錯(cuò)亂無(wú)法同步的情況，將導(dǎo)致產(chǎn)品浪費(fèi)。因此需要對(duì)分瓶控制做如下的修正： 
　　由于分瓶器是循環(huán)運(yùn)行，對(duì)于機(jī)器設(shè)備來(lái)說(shuō)當(dāng)分瓶軸停在主軸0，360，720，1080，1440這5個(gè)位置的任何一個(gè)位置時(shí)設(shè)備所處的位置與圖5*相同，所以鑒于上述情況，我們只要設(shè)定當(dāng)分瓶停止的事件被觸發(fā)后，系統(tǒng)判斷主軸處于上述5個(gè)位置的哪個(gè)區(qū)間內(nèi)，找0，360，720，1080，1440這五個(gè)位置中zui近的一個(gè)位置解除同步，當(dāng)分瓶電機(jī)解除同步停止后，將分瓶電機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)清0，這樣即保證了下次啟動(dòng)時(shí)與主軸位置的嚴(yán)格同步。從而消除了分瓶控制方案中存在的不足。 
經(jīng)過(guò)上述修正處理后的機(jī)器，當(dāng)分瓶啟動(dòng)后包裝的誤差數(shù)可以減少到1包，在國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品中處于地位。 
3． 噴膠控制： 
　　噴膠控制也是該機(jī)器的一大難點(diǎn)，在0～360度范圍內(nèi)當(dāng)檢測(cè)到有紙板到達(dá)噴膠機(jī)的位置時(shí)，判斷主軸在0～360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)到一定角度后打開(kāi)噴膠電磁閥開(kāi)始噴膠，到達(dá)另一角度后關(guān)閉噴膠電磁閥。而且由于噴膠電磁閥動(dòng)作的滯后性，在不同生產(chǎn)機(jī)速下要設(shè)置不同的前潰補(bǔ)償量。 
　　針對(duì)上述控制要求采用SIMOTION提供的電子凸輪完成該功能。  
　　上述數(shù)值根據(jù)實(shí)際調(diào)試過(guò)程中不同機(jī)速下加上相應(yīng)的補(bǔ)償值，保證噴膠的的準(zhǔn)確性。 
4．上紙控制： 
　　上紙控制與噴膠控制的要求基本相同，同樣是要求主軸運(yùn)動(dòng)到一定的相位開(kāi)始動(dòng)作上紙電磁閥，然后根據(jù)主軸的運(yùn)動(dòng)位置分別完成紙板折疊，推料等動(dòng)作。這里*與噴膠不同的地方是噴膠過(guò)程中檢測(cè)是否有紙箱和開(kāi)始噴膠是在同一個(gè)角度范圍內(nèi)（例如，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到80度的時(shí)候開(kāi)始檢測(cè)是否有紙箱，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到120度的時(shí)候開(kāi)始側(cè)噴膠，轉(zhuǎn)動(dòng)到150度的時(shí)候結(jié)束側(cè)噴膠，轉(zhuǎn)動(dòng)到轉(zhuǎn)動(dòng)到200度的時(shí)候開(kāi)始側(cè)噴膠，轉(zhuǎn)動(dòng)到230度的時(shí)候結(jié)束側(cè)噴膠。所有的動(dòng)作全部在主軸旋轉(zhuǎn)一圈0～360度的范圍內(nèi)）但上紙則要求檢測(cè)到紙板后在主軸旋轉(zhuǎn)了兩圈之后的范圍內(nèi)開(kāi)始動(dòng)作吸紙電磁閥（例如，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到150度的時(shí)候檢測(cè)到有瓶，主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)完這一圈之后在下一圈的時(shí)候吸紙電磁閥動(dòng)作，即主軸轉(zhuǎn)過(guò)360度后開(kāi)始動(dòng)作吸紙電磁閥，進(jìn)行上紙的動(dòng)作 。 
　　為實(shí)現(xiàn)上述功能，在噴膠功能的基礎(chǔ)上加入移位指令，在程序中設(shè)定一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)檢測(cè)到瓶子進(jìn)來(lái)后將此存儲(chǔ)區(qū)的*個(gè)位進(jìn)行置位操作，當(dāng)主軸完成一個(gè)工作循環(huán)后（旋轉(zhuǎn)了360度）將此存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)左移一位，然后在開(kāi)始吸紙的相位判斷此存儲(chǔ)區(qū)的第二個(gè)位的狀態(tài)，如果是1表示當(dāng)前需要上紙，如果是0表示當(dāng)前不需要上紙。 
六、與其他同類(lèi)解決方案相比SIMOTION的*性 
　　1．與西門(mén)子PLC＋MASTERDRIVES MC解決方案相比 
　　西門(mén)子PLC+MASTERDRIVES MC解決方案代表了在運(yùn)動(dòng)控制中非常典型的一類(lèi)解決方案，即PLC完成邏輯運(yùn)算以及數(shù)據(jù)處理功能，MASTERDRIVES MC完成了運(yùn)動(dòng)控制的全部功能。與上述解決方案相比SIMOTION具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)： 
高速通訊接口，可實(shí)現(xiàn)等時(shí)數(shù)據(jù)同步 
　　SIMOTION D提供內(nèi)部通訊的DRIVE-CLIQ通訊接口，該接口適用于SIMOTION D和S120伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通訊，伺服電機(jī)編碼器反饋信號(hào)等，通訊速度可達(dá)到100M，可輕松實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)同步 
高速的輸入、輸出通道 
　　SIMOTION D提供了若干高速數(shù)字量輸入、輸出通道，可以連接對(duì)速度響應(yīng)要求高的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)zui快響應(yīng)。 
集成一體化的編程降低了編程難度 
　　PLC+MASTERDRIVES MC方案里編程人員必須精通PLC的編程、MASTERDRIVES MC的編程以及人機(jī)界面的編程。在大多數(shù)情況下，*了解上述三個(gè)不同編程方法是有一定困難的。 
　　SIMOTION提供了一體化的解決方案，控制器，驅(qū)動(dòng)器，人機(jī)界面的程序全部集成在一起，有一種工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。編程人員只要了解這一種工具即可完成三個(gè)不同部分的程序的編制，大大的簡(jiǎn)化了工作量。 
2．與貝加萊可編程控制（PCC）系統(tǒng)和伺服控制（ACOPOS）系統(tǒng)解決方案相比 
　　貝加萊的方案代表了包裝行業(yè)里其他品牌伺服的典型解決方案，貝加萊也提供了電子齒輪，電子凸輪等功能，與之相比SIMOTION仍然具有一定的*性： 
編程方法簡(jiǎn)單 
　　貝加萊控制器的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，這就要求編程人員具有一定的語(yǔ)言編程能力，而對(duì)于一般廠里的電氣工程人員來(lái)講用C語(yǔ)言編程非常困難，這就造成了設(shè)備維護(hù)難度增加。 
　　SIMOTION提供了非常靈活的編程方式，有適合程序開(kāi)發(fā)人員使用的語(yǔ)言編程，有為工程人員準(zhǔn)備的梯型圖編程，也有為電氣人員準(zhǔn)備的MCC編程。這樣用戶(hù)就可以根據(jù)自己對(duì)工具的熟悉程度合理的使用各種編程語(yǔ)言。 
分瓶控制精度高 
　　目前貝加萊的分瓶控制zui小的分瓶單位是2箱（即，分瓶電機(jī)與主軸同步，必須分完2箱產(chǎn)品后才可以解除同步）。 
　　SIMOTION的分瓶控制zui小的分瓶單位可以達(dá)到1箱。 
七、結(jié)束語(yǔ) 
　　SIMOTION作為西門(mén)子新一代運(yùn)動(dòng)控制器增加了很多實(shí)用的功能，降低了使用者的編程難度，在一些控制要求較高的機(jī)械上可以真正體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。配套好的紙箱包裝機(jī)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用半年多，應(yīng)用效果良好，收到用戶(hù)和設(shè)備制造廠的好評(píng)。