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    活動鏈接：2014年控制網行業專題---自動化開創食品飲料行業新紀元

   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線對控制系統的需求；重點描述了基于ACOPOS伺服驅動器和Ethernet Powerlink實時以太網的分布式運動控制解決方案的特點和控制系統的架構。該方案能較好地滿足包裝機在高速生產和柔性制造方面的控制需求。

   關鍵詞：垂直成型封裝機； ACOPOS伺服驅動器；色標糾偏；電子凸輪；鼓序列發生器

   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，還可以通過改變密封方式來采用紙質或纖維質的包裝袋。在食品和醫藥行業應用時，有時還需要在包裝前對包裝膜進行消毒和干燥處理。

   小袋包裝機還包括縱封和橫封單元。對于多通道包裝機，包裝膜經過裁切成多道后，分別進入錐形中空管道，在薄膜向下拉膜時，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現密封，如圖１所示。一個可以上下移動的橫封單元用來完成密封和拉袋的雙重工作。

   3 小袋裝盒生產線對控制系統的需求

   小袋機可以單機工作，也可以通過增加理袋機和裝盒機連成生產線使用。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現同步。

   與生產線同步的要求需要小袋機和理袋機能夠自動適應裝盒機的速度，無論裝盒機工作在高速或低速或變速過程，小袋機和理袋機都能自動與生產線速度同步。當小袋機單獨工作時，整個系統的主軸為系統內部的一個虛軸，當連接生產線運行時，系統主軸則來自裝盒機的主軸編碼器。

   通過分析，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，最經濟的情況下，在小袋機單獨工作時，整個系統只需要一個伺服軸控制橫封上下移動即可，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控制方案的特點

   貝加萊ACOPOS系列伺服驅動器被稱為“智能驅動器”，每臺伺服驅動器都具有強大的控制功能以及眾多預置的運動控制功能塊，可以自身實現復雜的運動控制。例如電子凸輪功能已經集成在伺服驅動器內。在實際應用中，幾乎所有的運動控制程序都在伺服驅動器內部運行，通過高速的Ethernet Powerlink實時以太網來進行軸間同步數據。這種分布式的運動控制理念在包裝機控制中帶來了很多優勢。
              
                   
                                           圖3 系統的控制流程

   首先，分布式的運動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。只需要對這一個軸進行故障處理，其它伺服驅動器不需要移動或尋參，故障軸復位尋參后，可以自動運行到和主軸相位對應的位置，直接啟動電子凸輪，恢復生產狀態，把故障的處理時間降到最低。由于很多包裝機都是在線生產，一旦包裝機中的某個伺服出現故障需要復位時，停機時間越短對整個生產線的影響就越小，如果停機超過1分鐘，很多情況下會影響到整個生產線的工作。

   其次，分布式的運動控制可以減少控制的滯后。伺服驅動器除了可以控制自身運動之外，還可以通過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，鼓序列發生器等功能，這就使得整個輸入、處理、輸出的過程完全不需要借助總線或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，控制上采用主軸信號和相位來同步整個系統中的所有控制動作，每一個動作都被指定了一個相位區間。單機工作時，主軸來自ACOPOS內部的虛軸。連接裝盒機以及理袋機工作時，主軸來自裝盒機的主軸編碼器（也接入拉袋伺服驅動器）。拉袋伺服與主軸通過電子凸輪耦合。在電子凸輪的每個運行周期，拉袋伺服往復運動一次。整個系統的控制流程如圖3所示。

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

   維基百科對控制領域的鼓序列發生器的定義是“一個可編程的用于重復按照順序產生開關信號的機電裝置，這些信號用于在工業項目中實現自動制造流程”。鼓序列發生器有一個由電機驅動的旋轉圓筒，在圓筒上分布著開關信號的觸點，通過這些觸點來控制輸出的開閉。貝加萊的鼓序列發生器功能在原理上與傳統的鼓序列發生器類似，都是用于產生順序的開關信號來驅動輸出，而且貝加萊的鼓序列發生器功能還能對輸出的死區時間進行補償。正是這一補償功能，解決了氣缸延時過長的問題。
  
                      
                                          圖5  色標糾偏功能

   在小袋機控制中，由鼓序列發生器CAMCON功能塊來控制橫封的夾緊和松開，如圖4所示。氣缸動作輸出由功能塊內部根據速度和當前運動的電子凸輪曲線自動補償。CAMCON功能塊的主軸輸入為系統的主軸，直接通過伺服的輸出控制橫封氣缸。在系統運行速度不同時，會根據實際運行速度和電子凸輪曲線結合，自動計算出合適的輸出時間，使得伺服運動到位時氣缸同時夾緊到位。
         
                      
                                      圖6 獨立位置發生器 (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。在貝加萊伺服驅動器中的LATCH功能就專門用于色標糾偏功能。通過色標傳感器檢測色標并接入伺服驅動器的高速輸入端口，貝加萊ACOPOS驅動器的高速輸入以微秒級的響應速度對高速輸入進行捕捉，同時記錄下信號觸發時刻（上升沿或下降沿）伺服的實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行比較，自動算出偏差，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

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

     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 

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

    參考文獻：

   [1] 楊曉清主編.包裝機械與設備[M].北京:國防工業出版社,2009.

   [2] 尹章偉,毛中彥.包裝機械[M].北京:化學工業出版社,2006.

   [3] 齊蓉,肖維榮.可編程控制器技術[M].北京:電子工業出版社,2009.