包装工业的运动控制解决方案

发布时间：2009-03-27 作者：Al Presher

　　没有哪一种工业像包装机械那样对运动控制有如此广泛和强烈的需求。伺服系统在过去二十年内彻底改革了包装设备，并且在新机器上安装更多伺服系统的趋势还在愈演愈烈。现在，自动化控制设备的供应商又瞄准了两个关键领域藉以完善他们的服务，即针对特别应用定制软件和硬件解决方案，以使包装机械设计模块化成为可能。
　　模块化是终极目标
　　"在包装工业自动化的领域内，运动控制技术的主要趋势就是模块化"，ELAU 公司的工程主管Tom Jensen说。"在过去的十年里，机器制造商一直在强调机器设计的模块化，但是直到今天，技术界仍未能提供可靠的解决方案。"

　　Jensen说，有一个领域将使模块化设计提升到一个新的高度，这就是驱动和电机一体化解决方案的出现。在这类新产品中，放大器和电机整合在一个外壳里面，而且只用一根连到运动控制器的电缆就完成了系统互联。
　　ELAU公司最近发布了他们新的智能伺服模块，类似的新产品包括Bosch Rexroth公司推出的IndraDrive Mi和以及来自AMK，Animatics和IMS 公司的产品。
　　Jensen称使用这种一体化伺服硬件，以及预先编制好的可选用的伺服软件来进行模块化设备的设计，可以为OEM制造商提供即插即用的操作体验。比如可以在机器的前台操作终端预先写进伺服选件，如果用户想要在机器上增加电机，他将会告诉用户说“你将某一个虚拟代码变成真实代码，就可以驱动真实的电机了”。
　　一体化驱动电机刚好在这个地方发挥了作用，因为它提供了一个不打开电气控制柜就能为机器添加伺服功能的方法。因为控制结构及软件已经预先确定好了，一旦设备上增加了一体化驱动电机，用户只需要使用机器内置的网络和特定的自动化协议与之进行通讯就行了。
　　一体化驱动电机的诱人之处是能够减少机器控制部分的工作量，另外就是节省了电缆及电气柜的开销，电气控制柜只需要把运动控制器和电源容纳进去就够了。一个ELAU的用户还认为基于此项技术，能够减少他们机器的高度和占地面积。
　　包装的软件解决方案
　　模块化方案给包装机械带来的第二个重要影响，就是按需定制软件。越来越多的供应商能根据特殊需求提供一整套集成化的硬件和软件，比如卷烟机，纸板包装机，灌装机及其他包装行业内的垂直机械市场。
　　实现的途径是：提供软件库，功能模块和/或软件对象类以处理针对特殊应用的软件控制需求。许多供应商提供基于IEC 61131-3的解决方案和功能模块库，很容易用在项目里面或者针对某种特殊的机器实现结构进行配置。

　　“使用标准库减少了用户的编程负担”，Jensen说，“我们有针对特定机器类型的软件包，例如对成形-灌装-封口的典型应用，80%的程序已经编好了。工程师所需要做的工作只是对功能模块进行参数化，并把软件开发的精力集中在令自己设备与众不同的地方。”
　　在本文接下来的部分，你将看到针对包装设备的各种运动控制解决方案。控制方案供应商不仅提供产品，而且基于对现代包装设备需求的关注，提供整体的系统级解决方案，
　　针对灌装机的解决方案
　　Pilz公司（皮尔磁）提供预编程的功能模块以及基础类，简化了灌装机械的开发进程。程序以梯形图的形式被写在系统的软PLC里面。
　　该系统用于灌装液体和糊状产品，很多都是与奶油类相关的应用，要求速度为每分钟60剂。灌装量可根据罐的大小确定，罐子的移动按照随后确定的路线进行优化。所有运动都被精确控制，以减少晃动造成的意外或溢出。

　　多轴协调运动可通过使用“虚拟主轴”技术实现，它可以为四个分布式安置的伺服电机提供一个内部的虚拟的主速度参考值。内部运动发生器允许系统在任何时刻针对任何一种产品调整曲线，即使产品之间的差别非常小。所有的参数都被储存以便于修改，所有的设置都存储在PLC中，用户只要按一个按键就能改变一套参数。通过称重传感器进行灌装量的校正可以完成重量的自动优化控制。
　　所需的系统硬件包括一个PMCprimo16+运动控制器和四个PMCtendo DD4 伺服驱动器，可通过CANopen（每1毫秒更新一次）获取目标位置和电流、实际位置和电流数据，以及进行故障诊断。
　　针对袋装封口/裁切机的解决方案
　　Baumüller公司开发了一套软件解决方案和配套的驱动系统用于连续型立式制袋、灌装和封口机。该方案提供了一个软件模板，供用户查看单个机器模块的所有功能。
　　关于切刀的提起和运动的实现、垂直同步、封口和定量给料系统的实现，并不需要专门的运动控制专业知识。这一过程可通过不同的软件模块进行控制，软件模板的模块化特征使得人们很容易对默认的硬件和软件结构进行调整来适应机器的要求。

　　这个系统使用了一个单独的b maXX-drive PLC 控制器，该控制器可以提供运动，逻辑及人机接口的功能。基于驱动的控制器能够快速地同步访问驱动器，这使得机器可以依靠一根虚拟的电主轴连续运转。将PLC集成在驱动器内的做法节省了空间，而且IEC 61131多任务实时操作系统能够对外部事件进行快速响应。
　　Baumüller 还在标准的交叉封口运动顺序基础上，扩展了分切功能，以将液体产品的残留物移出将要进行封口的区域。
　　针对纸板包装机的整体解决方案
　　Allen-Bradley提出的软硬件解决方案致力于使纸板包装机的设计更有效，并调整机器性能以适应产品不同规格的变化：较小的产品使用较小的包装袋，不同的材料使用不同形状的包装带，同时加快了运行速度。
　　系统的主要特点包括：可使用移位寄存器记录产品信息，并利用基于位置驱动的输出实现诸如点胶或不合格品剔除控制。这个设计方法使以往链接设备组件之间的纯机械主轴被一根电主轴所代替，后者能提供不同机械组件的协调运动控制，不同的组件提供机器设备不同的功能。
　　Rockwell自动化解决方案有许多优点。伺服分度功能使转盘运送机构能够快速重复地到达指定的精确位置，电子齿轮功能保证了对生产日期的标记或插进包
　　装袋的标签都处于最优化的，可编程的比例位置。电子输出凸轮提供了一个简单的编程界面以规定基于位置的输出的触发时刻。这些输出凸轮也可用其他输入或事件来使能或生效。绝对式反馈可以使纸板包装机即使发生断电也能保持位置，避免了回原点动作。
　　上述应用过程可以在多个处理器中分布式或集中式实现，对速度、内存、成本、封装和可连接性等进行合理折衷，可以实现机器设计和实现的模块化。
　　拉链式食物包装袋
　　Baldor生产的五轴运动控制系统是一种连续式“交叉网”拉链安装机构的核心，该机构用于立式成型-灌装-封口和枕式液体包装设备。新的机构由Line设备公司开发，用于生产可反复封口的包装袋，作用是在包装袋中嵌入很细的由Supreme塑料公司生产的拉链，并可望达到每分钟80袋以上的生产能力。
　　这个运动控制系统使用了一个带面板的Baldor NextMove BX 运动控制器，来控制拉链安装机构和直线电机轴，另有一个Flex+驱动器控制拉链进给和切削轴。他们都用CANopen连接到人机界面上，这样可使操作员自己定义拉链长度，包装袋尺寸以及其他参数。

　　以Baldor公司Mint语言的关键字来表述的应用级软件对于快速软件编制有重要的作用。FLY就是一个高级指令，能在控制一根轴的位置的同时将另一根轴与它同步，提供了连续式拉链嵌入过程的解决方案。Mint软件同时提供了一个方法，可以使拉链嵌入轴和直线电机驱动的加热单元轴与卷材之间保持关联，这样拉链安装机构就能够自动跟踪卷材的进给速度。该指令一直在软件中起作用，使机器在启动过程中也不浪费任何材料。
　　包装过程中集成机器人控制
　　ELAU开发的PacDrive自动化控制器和机器人软件库提供了在包装机械上集成机器人的解决方案。
　　ELAU的软件开发环境提供了一个预先配制好的程序结构或者模板，使模块化软件设计成为可能。使用这个模板，多个机器人可以像其他机器模块一样整合到整个包装线里。由经过预测试的、可重用的符合IEC标准的功能块（包括PLCopen运动功能块）构成的库可以大大简化编程过程。

　　程序员可以为包括机器人在内的数百种功能进行参数配置而不是编写原始代码，这样可以得到一致性好和维护性高的代码。对所有变量都可以控制简化了机器工程化和诊断过程。
　　机器人软件库模块化和可重复使用的特点，使得调整机器臂尺寸、运动轨迹、传送带高度和拾取距离很方便而无须编程。增加机器人单元也很容易，因为每个机器人都是一个任务，可以在PacDrive控制器程序中增加或卸载。机器人参数可以轻松的通过修改变量来确定。
　　随机进给式传送带功能模块
　　有了ORMEC Systems 公司的随机进给功能模块，通过很小的编程工作量就可以实现所谓的随机进给式传送带应用。
　　随机进给式或称智能式传送带，能将随机放置在输入进给传送带上的产品重新调整，以均匀的间隔放在输出传送带上。在许多应用场合，需要增加一个额外的带多个耳托的传送带，耳托之间放置产品。
　　输出传送带上有一个编码器，可以实现同步并能够测量所需要的间距校正量。放在每个传送带交点上的传感器可以检测产品的准确位置。用户应用程序使用功能模块的一个用例来对应每一个相位皮带。功能模块的输入可以用来明确产品长度、产品间距以及输出传送带上面产品前端边缘所处的位置，这个边缘的位置以相对于传感器的距离来定义。功能模块的输出包括：“校正间距”或相位校正量，以及“主间距”——即用于校正的直线间距。
　　远程同步软件库
　　针对包装机械中的那些高动态机器控制应用，Beckhoff Automation 公司推出了一款新的TwinCAT远程同步软件库，帮助我们进行所谓的流水线控制设计。

　　在一个生产线上有多台机器，需要多台PC控制器的应用场合，远程同步软件库可以保证大致上的时间同步。用于分布式控制的信息可用来协调多台机器，通过计算偏移量补偿指令执行时间和CPU时钟频率的差异。另外，这个软件库还包括一些特殊的技术，用来对NC轴（分布式的驱动轴）和位于不同控制器轴上的电子齿轮进行同步。
　　定位于包装工业的单轴交流驱动器
　　西门子生产的新的Sinamics S120交流驱动器瞄准了高性能的单轴包装机的应用场合。该驱动器将Sinamics S120系统进行扩展，能够运行高性能伺服控制和矢量控制，从而使单轴和多轴的应用能够整合在一个模块化驱动系统里。

　　该驱动器体现了模块化的概念，将功率部分和智能控制部分分开。为了提高系统的柔性和可扩展性，功率和控制部分是可选的，用户还可以选择最适当的控制器类型来满足他们当前的要求，这样即使将来需求发生变化也能有效保护他们对驱动器的投资。
　　这种驱动器可进行定位控制，比如 用在自动化生产线、物料搬运以及其他诸如包装、印刷、纺织、冶金及提升应用中。　该驱动器可使用单相230V电源，功率范围从0.25到1马力任选；和三相460V电源，功率范围从0.5到400马力任选。功率模块以块结构或者带外壳的单元形式提供。
　　面向包装的PicPro软件/控制器
　　Danaher Motion公司最新的PiCPro软件能够支持最高６４根轴的高性能运动控制，并包括了典型自动化机械比如印刷、包装及冶金机械的标准功能
　　为了简化系统集成，PiCPro软件被设计成可控制MMC-D64机器和运动控制器，并且可与MMC智能驱动器和AKM伺服电机接口。

 
　　PiCPro软件将IEC61131梯形逻辑或结构化的文本程序与100 MHz以太网运动控制连接在一起。一个优化的完整指令集可满足齿轮、凸轮和自动记录校正等连续运动的要求。
　　MMC-D64运动控制器可以通过数字化运动控制网络为应用程序提供实时数据，提供对所有联网驱动器的固件或参数的一键下载功能，与第三方驱动装置的连接以进行数据传送和共享，还有足够的I/O扩展能力。
　　该控制器可以很方便地和不同的驱动接口，比如MMC智能驱动器（可选择230 和460V供电、500W 到65 kW的连续功率输出）、AKM旋转电机、DDR和盘式DDR直接驱动电机。