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，靠簡單的人力包裝已無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、噴膠等工作并通過輸送帶傳送到下一個(gè)工序。 
 
二、西門子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題。 
　　西門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一樣開放透明 
　　2．SIMOTION系統(tǒng)具有三個(gè)組成部分： 
　　工程開發(fā)系統(tǒng) 
　　工程開發(fā)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)由一個(gè)開發(fā)環(huán)境解決所有的運(yùn)動(dòng)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(shè)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(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)，從而給用戶帶來巨大的經(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)過嚴(yán)格的測試，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)線上過來的產(chǎn)品是連續(xù)排列的，必須通過一個(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。 
  
　　每兩個(gè)易拉罐之間的位置大約只有20mm，分瓶器必須準(zhǔn)確無誤的插入到這個(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，用戶在使用過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)于用戶來說簡單方便，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，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)雜的控制變得簡單方便。 
1．分瓶控制： 
分瓶控制是紙箱包裝機(jī)控制過程中難度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)過程中不能夠超越D的位置，分瓶器D在運(yùn)動(dòng)過程中不能超越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，要求可以通過操作畫面設(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，為了簡化系統(tǒng)模型，將整個(gè)生產(chǎn)過程分割為相同的若干生產(chǎn)單元，整個(gè)生產(chǎn)過程實(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)軸來說主電機(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： 
　　分瓶過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題：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)備來說當(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，在國內(nèi)外同類產(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)到一定角度后打開噴膠電磁閥開始噴膠，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程中檢測是否有紙箱和開始噴膠是在同一個(gè)角度范圍內(nèi)（例如，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到80度的時(shí)候開始檢測是否有紙箱，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到120度的時(shí)候開始側(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)）但上紙則要求檢測到紙板后在主軸旋轉(zhuǎn)了兩圈之后的范圍內(nèi)開始動(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360度后開始動(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)檢測到瓶子進(jìn)來后將此存儲(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、與其他同類解決方案相比SIMOTION的*性 
　　1．與西門子PLC＋MASTERDRIVES MC解決方案相比 
　　西門子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： 
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： 
編程方法簡單 
　　貝加萊控制器的編程語言為C語言，這就要求編程人員具有一定的語言編程能力，而對(duì)于一般廠里的電氣工程人員來講用C語言編程非常困難，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，有適合程序開發(fā)人員使用的語言編程，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 
　　SIMOTION作為西門子新一代運(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。配套好的紙箱包裝機(jī)經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用半年多，應(yīng)用效果良好，收到用戶和設(shè)備制造廠的好評(píng)。