摘要：本文通過對自動瓶裝包裝線中的紙箱包裝機生產(chǎn)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(nèi)的飲料行業(yè)廣泛使用。但在啤酒的生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)量需要。

    1 西門子SIMOTION介紹

    在運動控制領域，一般的電機驅(qū)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(diào)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(jié)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(qū)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(qū)動器的系統(tǒng)。將運動控制與驅(qū)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(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為01；分瓶1伺服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為02；分瓶2伺服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為03；出口伺服驅(qū)動器的CAN現(xiàn)場總線地址號為04；吸紙板服驅(qū)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(qū)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(diào)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(qū)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(qū)動，以從動的方式與主驅(qū)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(qū)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(qū)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(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)，確定噴膠的位置，封箱粘合的適度調(diào)整，確保封箱的質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)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(diào)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(diào)動作。通過適度的調(diào)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(diào)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)編碼器，根據(jù)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)編碼器選擇是增量型編碼器，它產(chǎn)生頻率與電機轉(zhuǎn)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(nèi)的位置數(shù)據(jù)。在每一個包裝周期內(nèi)，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(qū)動是分瓶電機分別驅(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(chǎn)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(qū)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(qū)動，一臺電機驅(qū)動主托叉，另一臺電機驅(qū)動副托叉。垂直紙箱板供給主要由電機驅(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(jié)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(chǎn)的紙包裝機廣泛應用，生產(chǎn)的紙箱包裝機出口歐美及東南亞等地區(qū)和國家。