活動(dòng)鏈接：2014年控制網(wǎng)行業(yè)專(zhuān)題---自動(dòng)化開(kāi)創(chuàng )食品飲料行業(yè)新紀元

   摘要：本文介紹了貝加萊工控系統在小袋包裝機上的應用，概述了小袋包裝機的工作原理及小袋裝盒生產(chǎn)線(xiàn)對控制系統的需求；重點(diǎn)描述了基于A(yíng)COPOS伺服驅動(dòng)器和Ethernet Powerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的分布式運動(dòng)控制解決方案的特點(diǎn)和控制系統的架構。該方案能較好地滿(mǎn)足包裝機在高速生產(chǎn)和柔性制造方面的控制需求。

   關(guān)鍵詞：垂直成型封裝機； ACOPOS伺服驅動(dòng)器；色標糾偏；電子凸輪；鼓序列發(fā)生器

   1 引言

   小袋包裝機是垂直包裝機的一種，主要完成流動(dòng)性比較好的顆粒、液體、片劑、粉劑的枕式小袋灌裝。通常有容積式、螺桿式、液體泵、數粒式等下料方式。國際上一般稱(chēng)為VFFS(VerticalForm Fill Sealing Machine)，直譯為垂直成型封裝機。小袋機按通道數可以分為單通道和多通道機型。按生產(chǎn)方式可以分為連續式和間歇式機型。本文以多通道間歇式包裝機為例，詳細介紹了對其控制系統的要求及解決方案。
   
                      
                                               圖1   小袋包裝機的結構

   2 小袋包裝機的工作原理

   小袋包裝機包括一個(gè)薄膜放卷機構，一般都采用印刷好并帶有色標的薄膜卷。除了采用被廣泛應用的塑料薄膜外，還可以通過(guò)改變密封方式來(lái)采用紙質(zhì)或纖維質(zhì)的包裝袋。在食品和醫藥行業(yè)應用時(shí)，有時(shí)還需要在包裝前對包裝膜進(jìn)行消毒和干燥處理。

   小袋包裝機還包括縱封和橫封單元。對于多通道包裝機，包裝膜經(jīng)過(guò)裁切成多道后，分別進(jìn)入錐形中空管道，在薄膜向下拉膜時(shí)，薄膜在錐形管中成為中空形狀，多余的薄膜在側面被加熱后的縱封單元夾緊實(shí)現密封，如圖１所示。一個(gè)可以上下移動(dòng)的橫封單元用來(lái)完成密封和拉袋的雙重工作。

   3 小袋裝盒生產(chǎn)線(xiàn)對控制系統的需求

   小袋機可以單機工作，也可以通過(guò)增加理袋機和裝盒機連成生產(chǎn)線(xiàn)使用。標準組合為2臺小袋機+2臺理袋機+1臺裝盒機。理袋機完成的任務(wù)是把切斷后的小袋接住放在對應的槽位，準備直接推入包裝盒實(shí)現裝盒。理袋機和小袋機由同一套控制系統控制并接收裝盒機主軸編碼器的信號與裝盒機實(shí)現同步。

   與生產(chǎn)線(xiàn)同步的要求需要小袋機和理袋機能夠自動(dòng)適應裝盒機的速度，無(wú)論裝盒機工作在高速或低速或變速過(guò)程，小袋機和理袋機都能自動(dòng)與生產(chǎn)線(xiàn)速度同步。當小袋機單獨工作時(shí)，整個(gè)系統的主軸為系統內部的一個(gè)虛軸，當連接生產(chǎn)線(xiàn)運行時(shí)，系統主軸則來(lái)自裝盒機的主軸編碼器。

   通過(guò)分析，給出了系統功能圖，如圖2所示。
  
                     
                               圖2 小袋包裝機控制系統的功能

   其硬件配置也非常靈活，最經(jīng)濟的情況下，在小袋機單獨工作時(shí)，整個(gè)系統只需要一個(gè)伺服軸控制橫封上下移動(dòng)即可，其它縱封夾緊，橫封夾緊，切刀等機構都由氣缸控制。

   4 針對小袋機的貝加萊分布式運動(dòng)控制方案的特點(diǎn)

   貝加萊ACOPOS系列伺服驅動(dòng)器被稱(chēng)為“智能驅動(dòng)器”，每臺伺服驅動(dòng)器都具有強大的控制功能以及眾多預置的運動(dòng)控制功能塊，可以自身實(shí)現復雜的運動(dòng)控制。例如電子凸輪功能已經(jīng)集成在伺服驅動(dòng)器內。在實(shí)際應用中，幾乎所有的運動(dòng)控制程序都在伺服驅動(dòng)器內部運行，通過(guò)高速的Ethernet Powerlink實(shí)時(shí)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行軸間同步數據。這種分布式的運動(dòng)控制理念在包裝機控制中帶來(lái)了很多優(yōu)勢。
              
                   
                                           圖3 系統的控制流程

   首先，分布式的運動(dòng)控制使得故障解決更加快速方便，如果一臺伺服出現故障，需要復位，例如卡紙，卡瓶等。只需要對這一個(gè)軸進(jìn)行故障處理，其它伺服驅動(dòng)器不需要移動(dòng)或尋參，故障軸復位尋參后，可以自動(dòng)運行到和主軸相位對應的位置，直接啟動(dòng)電子凸輪，恢復生產(chǎn)狀態(tài)，把故障的處理時(shí)間降到最低。由于很多包裝機都是在線(xiàn)生產(chǎn)，一旦包裝機中的某個(gè)伺服出現故障需要復位時(shí)，停機時(shí)間越短對整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的影響就越小，如果停機超過(guò)1分鐘，很多情況下會(huì )影響到整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的工作。

   其次，分布式的運動(dòng)控制可以減少控制的滯后。伺服驅動(dòng)器除了可以控制自身運動(dòng)之外，還可以通過(guò)I/O輸出直接接收外部輸入或控制輸出，控制邏輯完全在伺服內部執行。再結合電子凸輪，色標糾偏，鼓序列發(fā)生器等功能，這就使得整個(gè)輸入、處理、輸出的過(guò)程完全不需要借助總線(xiàn)或PLC的處理，使得系統響應更加快速。HHHHH針對小袋機的控制特點(diǎn)，控制上采用主軸信號和相位來(lái)同步整個(gè)系統中的所有控制動(dòng)作，每一個(gè)動(dòng)作都被指定了一個(gè)相位區間。單機工作時(shí)，主軸來(lái)自ACOPOS內部的虛軸。連接裝盒機以及理袋機工作時(shí)，主軸來(lái)自裝盒機的主軸編碼器（也接入拉袋伺服驅動(dòng)器）。拉袋伺服與主軸通過(guò)電子凸輪耦合。在電子凸輪的每個(gè)運行周期，拉袋伺服往復運動(dòng)一次。整個(gè)系統的控制流程如圖3所示。

   為了提高生產(chǎn)效率，我們對小袋機的運動(dòng)流程進(jìn)行分析，小袋機工作的主要流程為橫封夾緊→橫封下拉→橫封松開(kāi)→橫封上移，周期重復。為了提高生產(chǎn)速度，必須把每個(gè)工作周期的時(shí)間縮短，但是橫封夾緊氣缸的動(dòng)作慢，行程長(cháng)，影響了整個(gè)循環(huán)的效率。為了解決等待時(shí)間過(guò)長(cháng)的問(wèn)題，就要求橫封夾緊汽缸提前夾緊，等到運動(dòng)到位穩定后，剛好夾緊完成。但是在設備的不同速度下，提前的時(shí)間是不同的。為了解決這一問(wèn)題，我們利用了貝加萊ACOPOS伺服提供的鼓序列發(fā)生器功能塊(CAMCON)。
  
                      
                                 圖4  CAMCON功能塊的應用

   維基百科對控制領(lǐng)域的鼓序列發(fā)生器的定義是“一個(gè)可編程的用于重復按照順序產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號的機電裝置，這些信號用于在工業(yè)項目中實(shí)現自動(dòng)制造流程”。鼓序列發(fā)生器有一個(gè)由電機驅動(dòng)的旋轉圓筒，在圓筒上分布著(zhù)開(kāi)關(guān)信號的觸點(diǎn)，通過(guò)這些觸點(diǎn)來(lái)控制輸出的開(kāi)閉。貝加萊的鼓序列發(fā)生器功能在原理上與傳統的鼓序列發(fā)生器類(lèi)似，都是用于產(chǎn)生順序的開(kāi)關(guān)信號來(lái)驅動(dòng)輸出，而且貝加萊的鼓序列發(fā)生器功能還能對輸出的死區時(shí)間進(jìn)行補償。正是這一補償功能，解決了氣缸延時(shí)過(guò)長(cháng)的問(wèn)題。
  
                      
                                          圖5  色標糾偏功能

   在小袋機控制中，由鼓序列發(fā)生器CAMCON功能塊來(lái)控制橫封的夾緊和松開(kāi)，如圖4所示。氣缸動(dòng)作輸出由功能塊內部根據速度和當前運動(dòng)的電子凸輪曲線(xiàn)自動(dòng)補償。CAMCON功能塊的主軸輸入為系統的主軸，直接通過(guò)伺服的輸出控制橫封氣缸。在系統運行速度不同時(shí)，會(huì )根據實(shí)際運行速度和電子凸輪曲線(xiàn)結合，自動(dòng)計算出合適的輸出時(shí)間，使得伺服運動(dòng)到位時(shí)氣缸同時(shí)夾緊到位。
         
                      
                                      圖6 獨立位置發(fā)生器 (MPGEN)

   為了保證包裝圖案的布局與設計一致，在包裝膜上印有色標用于檢測偏差并修正。在貝加萊伺服驅動(dòng)器中的LATCH功能就專(zhuān)門(mén)用于色標糾偏功能。通過(guò)色標傳感器檢測色標并接入伺服驅動(dòng)器的高速輸入端口，貝加萊ACOPOS驅動(dòng)器的高速輸入以微秒級的響應速度對高速輸入進(jìn)行捕捉，同時(shí)記錄下信號觸發(fā)時(shí)刻（上升沿或下降沿）伺服的實(shí)際位置或其他指定的數值。隨后LATCH功能塊將捕捉到的位置和期望的位置進(jìn)行比較，自動(dòng)算出偏差，這就是糾偏量，如圖5所示。
        
                           
              圖7 電子凸輪的從軸附加軸（AUT_SL_ADD_AXIS）疊加功能

    糾偏動(dòng)作的執行由另一個(gè)虛軸來(lái)實(shí)現。貝加萊每個(gè)ACOPOS驅動(dòng)器內部最多支持９個(gè)虛軸，包括１個(gè)標準虛軸以及8個(gè)獨立位置發(fā)生器 (MPGEN)或叫“簡(jiǎn)化版”虛軸。“簡(jiǎn)化版”虛軸與標準的虛軸區別在于沒(méi)有電子凸輪功能，但是可以用來(lái)產(chǎn)生位置耦合曲線(xiàn)，最適合用于生成糾偏曲線(xiàn)，保證糾偏動(dòng)作平滑無(wú)擾的進(jìn)行，如圖6所示。
                    
   虛軸生成的糾偏曲線(xiàn)需要疊加到當前伺服的運動(dòng)曲線(xiàn)中才能影響到電機的運行，這在貝加萊系統中通過(guò)設定電子凸輪的從軸附加軸（AUT_SL_ADD_AXIS）來(lái)實(shí)現，如圖7所示。貝加萊ACOPOS伺服的開(kāi)放性賦予了開(kāi)發(fā)者更大的自由，可以使用任何整型變量作為附加軸疊加到運動(dòng)曲線(xiàn)上，這使得運動(dòng)曲線(xiàn)的疊加簡(jiǎn)化為加法運算，如果有需要，可以把多個(gè)虛軸疊加到同一條運動(dòng)曲線(xiàn)之上。例如在控制中可以一個(gè)虛軸用于自動(dòng)糾偏，另外一個(gè)虛軸用于手動(dòng)糾偏，疊加在一起影響運動(dòng)曲線(xiàn)。

     5 控制系統的架構

    小袋機單機控制系統的架構如圖8所示。
  
                 

                              圖8 小袋機單機控制系統的架構
  
     小袋機＋理袋機控制系統的架構如圖9所示。
  
                      
                          圖9   小袋機＋理袋機控制系統的架構

    6 結束語(yǔ) 

     隨著(zhù)食品飲料行業(yè)工藝要求的不斷提高，市場(chǎng)對于高端包裝機械的需求也越來(lái)越大。這對包裝機控制技術(shù)特別是運動(dòng)控制技術(shù)提出了更高的要求。本文通過(guò)分析小袋機的運動(dòng)控制技術(shù)以及貝加萊運動(dòng)控制解決方案的特點(diǎn)，提出了對于多數包裝機械都適用的控制策略和方案，可以很好地滿(mǎn)足目前包裝機在高速生產(chǎn)和柔性制造方面的控制需求。

    參考文獻：

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