摘要：本文通過對自動瓶裝包裝線中的紙箱包裝機生產過程進行分析和研究，并將西門子伺服運動控制系統(tǒng)運用到此設備中，并對此種控制系統(tǒng)的優(yōu)勢進行了說明。

    0引言

    熱收縮膜的包裝形式具有安全性、可靠性、便于運輸和銷售等特點，先已被國內的飲料行業(yè)廣泛使用。但在啤酒的生產過程中所使用的玻璃瓶碰撞后瓶身及易損，由于使用熱收縮膜的包裝形式的局限性也不能完全的解決啤酒行業(yè)及其他相關玻璃瓶包裝行業(yè)的生產需求。因此，采用紙箱包裝是飲料、啤酒的高檔次、高規(guī)格的包裝，也很容易解決長途運輸帶來的問題，有效的彌補了熱收縮膜包裝形式的缺陷，兩者相輔相成，是現(xiàn)代飲料、啤酒包裝行業(yè)不可或缺的兩種包裝形式。以前我國的紙箱包裝機一直處在35箱／min的包裝能力水平，僅僅只能滿足2萬瓶／h的飲料、啤酒包裝生產線需求。本文對現(xiàn)有的裝箱機技術，進行改進升級，吸取國內外的裝箱機特點，運用伺服運動控制系統(tǒng)成功的開發(fā)了具有60箱／min生產能力的全自動紙箱包裝機，有效的解決了飲料、啤酒行業(yè)的產量需要。

    1 西門子SIMOTION介紹

    在運動控制領域，一般的電機驅動器提供了豐富的運動控制功能，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，但又很難具備運動控制的全部功能。傳統(tǒng)的應用方式是將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)同步和精確控制等方面的問題。

    西門子公司提出新一代的運動控制平臺SIMOTION。SIMOTION是為運動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，要求精確運動的領域中。

    一、SIMOTION是一種簡單，靈活的控制系統(tǒng)，本身集成了運動控制、邏輯控制與工藝控制。具有如下的優(yōu)點：

    1、邏輯控制和運動控制相結合，取消了影響響應時間的獨立接口

    2、節(jié)省了為這些中間接口進行編程以及診斷的投入

    3、整個機器的編程以及診斷不僅規(guī)范，而且象PLC一樣開放透明

    二、SIMOTION系統(tǒng)具有三個組成部分：

    1 工程開發(fā)系統(tǒng)

    工程開發(fā)系統(tǒng)可以實現(xiàn)由一個開發(fā)環(huán)境解決所有的運動控制、邏輯及工藝控制問題，并且它還能夠提供所有必要的工具，從編程到參數(shù)設定，從測試到故障診斷。

    2 實時軟件模塊

    這些模塊提供了眾多的運動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，靈活地選擇相關地模塊。

    3 硬件平臺SIMOTIOND

    SIMOTIOND的功能集成在新的SINAMICSS120多軸驅動系統(tǒng)的控制模板上，使之成為一個緊湊的擁有控制器及驅動器的系統(tǒng)。將運動控制與驅動器集成在一起，使系統(tǒng)具有極快的響應速度。SIMOTIOND具有若干種規(guī)格，均是取決于其性能的要求。

    2 紙包裝機的技術結構和工作原理

    2.1控制系統(tǒng)的組成

    科時敏的R60紙箱包裝機采用的是B&R(貝加萊)控制系統(tǒng)，主控PLC采用CP476通過CAN形式的現(xiàn)場總線與所有驅動伺服進行通訊，上位機面板采用的是PP451，也是通過CAN總線的方式連接，并采用EX470擴展遠程IO。

圖1紙箱包裝機B&R控制系統(tǒng)圖

    上位界面PP451的以太網(wǎng)地址號為01；3IF771.9通訊卡的CAN現(xiàn)在總線地址號為09；推瓶伺服驅動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為01；分瓶1伺服驅動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為02；分瓶2伺服驅動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為03；出口伺服驅動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為04；吸紙板服驅動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為05；EX470總線控制器CAN現(xiàn)場總線地址號為C6；

    各設備所對應CAN現(xiàn)場總線號必須絕對正確，否則系統(tǒng)不能正常運行。正常情況下，系統(tǒng)在上電后，IF771的CAN通訊指示燈會快速閃爍，各伺服驅動器的AC110通訊卡上的兩個通訊指示燈保持常亮，否則通訊不正常。

    2.2 自動紙箱包裝機的組成及工作原理

    全自動高速紙箱包裝機主要由紙板供給、瓶輸送、取紙箱板、分瓶、紙箱板傳送、推瓶、紙箱折疊成型、噴膠、封箱粘合等組成。紙箱板供給由紙箱板儲存庫、紙箱板等待工位、紙箱板水平輸送、紙箱板供給主托叉、紙箱板供給副托叉、檢測開關等組成。主要完成對包裝機的紙箱板供應，適應于高速包裝機紙箱板供應不能間斷的需求，使得紙箱板供應更加暢順。瓶輸送分兩部分，一部分是由變頻調速控制電機運行速度，將包裝線上的瓶按照要求有規(guī)律的進行輸送，缺瓶檢測保證瓶的連續(xù)供給，提供給包裝機；一部分是由主驅動通過機械傳送．按照主機運行節(jié)奏進行輸瓶。取紙板是由伺服電機驅動，以從動的方式與主驅動同步運行，帶有兩組吸盤，兩組吸盤交替取紙板，達到了高速取紙板的功效，可以實現(xiàn)60箱／min的紙板供給。分瓶由1號分瓶伺服電機和2號分瓶伺服電機及主驅動電機完成控制，將瓶子有規(guī)律的分成3×4一組。紙板傳送是將取到的紙板通過若干個工位傳送到上瓶處，動力由主驅動提供，缺紙板和雙層紙板的檢測用以保證紙板的正常供給。推瓶機構的作用是分瓶后的整理，通過推瓶桿進行推瓶，瓶通過無動力過度板時，將瓶排列緊密，提高包裝質量。紙箱折疊成型、噴膠、封箱粘合完成啤酒、飲料的包裝，根據(jù)紙箱的結構，確定噴膠的位置，封箱粘合的適度調整，確保封箱的質量。圖2所示為紙包機的工作流程圖。

圖2 R60自動紙箱包裝機生產流程圖

    3 控制系統(tǒng)設計

    3.1 主控制器

    主控制器主要進行模擬量控制、傳感器控制、光源控制、傳動控制、定位控制、氣動控制、工藝參數(shù)、工藝過程、運行故障、產品質量和安全防護等部分的控制。采用PLC可編程邏輯控制器和相關的輔助系統(tǒng)來完成系統(tǒng)的實時性和準確性控制。

    3.2 多電機同步技術與伺服技術

    包裝物品是通過主傳動系統(tǒng)進行傳送，各種包裝的輔助材料是通過供送系統(tǒng)進行傳送，它們之間的相互動作需協(xié)調配合，控制上也應保持一致。多電機伺服控制系統(tǒng)采用PLC進行控制，機器設備各工位間的檢測通過外圍的各工位接近開關完成，從而實現(xiàn)無觸點信號的輸入和控制系統(tǒng)的電、光、機和氣的協(xié)調動作。通過適度的調整分瓶器和封箱、噴膠、整型氣缸的位置，可以進行不同規(guī)格紙箱的包裝。

    3.3 操作系統(tǒng)設計

    通過變頻技術和人機界面的應用，使包裝設備可在手動、自動和調試模式等不同的工作方式下，控制設備以不同速度進行運行。變頻器通過RS-485接口進行通信，可在人機界面上顯示和設定相關參數(shù)。

    4 控制系統(tǒng)方案

    高速紙箱包裝機的控制系統(tǒng)主要由運動控制器EX470、PP451人機界面、檢測元件、執(zhí)行元件、伺服驅動器、伺服電機等組成。運動控制器EX470通過CANbus總線控制伺服驅動器，對伺服電機實施控制。通過CAN總線對運行參數(shù)進行設置和控制。

    機器運行位置的檢測和包裝周期設定在伺服控制中。伺服電機裝有旋轉編碼器，根據(jù)旋轉編碼器的反饋信號，伺服控制器對伺服電機進行閉環(huán)控制。旋轉編碼器選擇是增量型編碼器，它產生頻率與電機轉速成正比的電脈沖信號，伺服控制器對脈沖計數(shù)，依此對伺服電機進行控制。通過編碼器的專用接口。將數(shù)據(jù)傳送到EX470，其數(shù)據(jù)數(shù)值表明機器的運行位置。在包裝過程中，推瓶桿推出一組瓶完成一個包裝，在推瓶桿經(jīng)過處安裝一個檢測開關，利用它對EX470記錄的編碼器數(shù)據(jù)進行復位。此數(shù)據(jù)的周期性變化，EX470中的數(shù)據(jù)表明包裝周期內的位置數(shù)據(jù)。在每一個包裝周期內，取紙板、放紙板、分瓶等動作數(shù)據(jù)與EX470中的數(shù)據(jù)有一一對應的關系，根據(jù)一一對應的數(shù)據(jù)對機器的每一個動作進行控制。

    4.1 分瓶電機控制系統(tǒng)

    分瓶電機驅動是分瓶電機分別驅動兩組擋瓶的爪手。在包裝機上，包裝段上的瓶傳輸是通過主驅動電機來實現(xiàn)的。分瓶是將規(guī)律排列緊密的瓶分隔成3×4組或其它規(guī)格的組合瓶組。兩個分瓶電機的傳送鏈上，分別裝有等距離的兩組擋瓶爪，兩個電機快慢交替運行。將排列整齊的瓶分成3×4瓶組。通過主驅電機傳送到下一個工位。

    分瓶電機的控制。兩分瓶電機有規(guī)律的交替快慢運行。特點是以主驅動電機脈沖數(shù)作為同步信號(X方向)，分瓶電機自身的脈沖數(shù)(Y方向)，按照設定的運動曲線進行運行，即只有在主電機運行的情況下，分瓶電機作為從電機按照特定的曲線同步運行。

    分瓶電機同步位參數(shù)的設定決定了分瓶電機按照一定的規(guī)律運行，運行的起始位和停止位就要有一個參考位，此設定可在人機界面PP451上設定。相對于某一個參考點的位置，產品不同，包裝形式不同，其參考位不同，電機切換點不同。

    4.2 紙箱板供給系統(tǒng)

    紙箱板供給系統(tǒng)主要由紙箱板水平供給和紙箱板垂直供給兩部分組成。

    紙箱板水平供給。水平紙箱板供給由水平供給電機驅動，通過檢測供箱板輸送鏈的狀態(tài)，控制電機。將箱板從初始堆放處，輸送到箱板等待工位。當副托叉托住紙箱板，主托叉下降到初始位，控制電機將等待工位的紙箱板輸送到垂直工位，完成一個水平供紙箱板的過程。

    紙箱板垂直供給。垂直紙箱板供給由垂直供給電機驅動，一臺電機驅動主托叉，另一臺電機驅動副托叉。垂直紙箱板供給主要由電機驅動主托叉供給紙箱板．當紙箱板供應減少到一定的數(shù)量時，由副托叉托住剩余紙箱板，主托叉下降等待紙箱板，當紙箱板托起到位后。抽出副托叉由主托叉正常供給，完成一組紙箱板的補充。如此可保持紙箱板的供給不間斷，達到高速度包裝的紙箱板供給。

    4.3取紙箱板系統(tǒng)的組成和控制

    取紙箱板系統(tǒng)的組成。取紙箱板系統(tǒng)由驅動軸、同步齒型帶、被動軸組成。同步齒型帶安裝兩組吸盤，伺服電機與主驅動電機同步往返運行，以達到高速取紙箱板的效果。

    取紙箱板系統(tǒng)的控制核心是對伺服電機的控制。伺服電機驅動同步齒型帶，同步齒型帶上安裝兩組吸盤，進行取紙板。伺服電機正轉運行，第l組吸盤到達放紙板位置時，釋放紙箱板，同時第2組吸盤動作，當?shù)竭_吸紙箱板位置時吸紙箱板，取紙箱板完成了一個取紙箱板周期。伺服電機反轉，第2組吸盤到達放紙板位置時，釋放紙箱板，同時第1組吸盤到達吸紙箱板位置吸紙箱板，取紙箱板完成了下一個取紙箱板周期。

    5 結語

    伺服控制系統(tǒng)的應用使控制更加精準；系統(tǒng)更加完善、靈活、穩(wěn)定可靠。使用伺服電機不僅減少了機械沖擊對設備的損害，而且大大降低了使用傳統(tǒng)控制方式的設備故障率。

    此項目已在科時敏包裝設備有限公司生產的紙包裝機廣泛應用，生產的紙箱包裝機出口歐美及東南亞等地區(qū)和國家。