一、引言
目前食品飲料灌裝生產線的生產速度非常快，普通灌裝機的灌裝速度已達到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在食品包裝行業中得到廣泛應用。該包裝機作為獨立設備安裝于生產線上，提供專用輸送帶將生產線上灌裝好的產品傳輸到包裝機上，包裝機自動完成分瓶、上紙、打包、噴膠等工作并通過輸送帶傳送到下一個工序。
二、西門子SIMOTION介紹
在運動控制領域，一般的電機驅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。傳統的應用方式是將PLC和伺服控制器配合使用，但存在高速數據傳輸、數據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。
1．SIMOTION是一種簡單，靈活的控制系統，本身集成了運動控制、邏輯控制與工藝控制。具有如下的優點：
邏輯控制和運動控制相結合，取消了影響響應時間的獨立接口
節省了為這些中間接口進行編程以及診斷的投入
整個機器的編程以及診斷不僅規范，而且象PLC一樣開放透明
2．SIMOTION系統具有三個組成部分：
工程開發系統
工程開發系統可以實現由一個開發環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，從編程到參數設定，從測試到故障診斷。
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。
硬件平臺SIMOTION D
SIMOTION D的功能集成在新的SINAMICS S120多軸驅動系統的控制模板上，使之成為一個緊湊的擁有控制器及驅動器的系統。將運動控制與驅動器集成在一起，使系統具有極快的響應速度。SIMOTION D具有若干種規格，均是取決于其性能的要求。
三、系統要求
鑒于灌裝食品行業設備自動化程度高，產品產量大的特點，對高速紙包機提出了如下的控制要求：
1．運行速度快
由于食品灌裝生產線的灌裝速度高，要求包裝機的速度也必須達到與之配套的水平。目前成熟的紙箱包裝機可以達到標準產量60箱/分鐘，最大產量80箱/分鐘。
2．可靠性高
鑒于生產線的連續高速生產的特殊情況，生產線上任何一個環節出現故障都會直接導致全線的故障停機，從而給用戶帶來巨大的經濟損失，故要求設備可靠性非常高。要求配套的紙箱包裝機在出廠前必須經過嚴格的測試，以每批次連續生產2000箱，連續生產10個批次不出現任何故障為出廠驗收合格標準。
3．分瓶控制精確
如上圖所示生產線上過來的產品是連續排列的，必須通過一個專用設備將連續排列的產品分成一個紙箱可以容納的不連續的產品單元，如下圖將啤酒易拉罐分成每24瓶一個單元的小單元塊給后面的包裝做預處理工作。
每兩個易拉罐之間的位置大約只有20mm，分瓶器必須準確無誤的插入到這個位置中，靠前或靠后都會將易拉罐頂翻而影響后面的包裝。而且前后分瓶器由兩個不同的電機帶動，必須嚴格進行位置與速度的同步，否則相互之間將出現干涉，影響分瓶質量。
4．噴膠控制精確
包裝好的紙箱必須在成型壓制之前上膠，上膠分為三個部位：上噴膠，左側噴膠，右側噴膠。每個部位的噴膠必須依照機器主電機的運行速度當主電機旋轉到某一角度開始噴膠，到達另一角度后停止噴膠。否則將出現噴膠不到位或噴膠過度的情況影響產品質量。
5．產品成品率高
由于高速紙包機產量巨大，一旦設備出現故障將導致產品的大量浪費，而且包裝用的紙箱又屬于一次性產品，不能回收利用，因此對產品的成品率要非常的高，要求包裝出的紙箱為一個嚴格的長方體，不能出現歪斜、包裝不全、漏噴膠或膠噴位置不對等情況。
6．自動化程度高
包裝機在工作時，從進瓶開始到紙箱包裝結束，所有工作全部自動完成，完全不需要人工干預。
四、運動控制系統配置
1．為保證整機的運行速度采用如下的配置：
伺服電機
高速紙包機上采用西門子1FK7高精度同步伺服電機，主驅動軸的轉速為80轉/分，機械結構設計成主驅動軸轉一圈生產一箱產品，所以該設計結構的最大產量為80箱/分，標準產量為60箱/分,達到了主流高速紙包機的生產速度。
高速信號的處理
在機器運轉的過程中，對關鍵信號的響應時間為1MS。
具體算法：
對于上述信號直接接入到SIMOTION D435中，SIMOTION D435輸入信號的響應時間為0.1ms，完全滿足上述要求。
2．SIMOTION采用一體化的連接電纜和集成化的安裝方式，保證系統的高可靠性
SIMOTION的電機電纜和編碼器電纜全部采用高IP等級的專用連接頭，用戶在使用過程中直接將電纜接頭插到相應的接頭上擰緊相應的螺絲即可。
SIMOTION采用一體化的集成連接方式，控制器D435和驅動器SINAMACS之間采用DRIVE-CLIQ高速通訊方式，通訊速率可達到100M，響應速度快，集成化好，對于用戶來說簡單方便，故障率低。
功率單元與電機驅動器之間的連接采用內置銅牌和DRIVE-CLIQ連接，簡單方便故障率低。
3．系統配置
整機采用四臺1FK7伺服電機，分別為兩臺分瓶電機，一臺主電機，一臺出口電機。主電機和出口電機功率為3.3KW，分瓶電機功率為0.82KW。
采用TP270作為系統的人機操作界面。
采用SIMOTION D435作為主控制器。
采用SIMOTION S120作為電機驅動單元。
1－SIMOTION D435運動控制器 2－S120 電源模塊
3－雙軸電機模塊9A 4－雙軸電機模塊5A
5－主軸電機，1FK7系列 6－分瓶電機，1FK7系列
7－分瓶電機，1FK7系列 8－送瓶電機，1FK7系列
9－遠程IO，ET200M 10－變頻器，MM440，帶profibus接口
11－TPP270操作界面 12－Profibus現場總線，速率可達到12M
13－伺服電機電源電纜 14－伺服電機DRIVE-CLIQ編碼器反饋
五、控制原理
對于紙箱包裝機從易拉罐進入到進瓶器內到包裝好的成品紙箱出來，所有的動作全部由機器自動完成，完全不需要人工干預，自動化程度非常高。在整個控制過程中難點主要存在于分瓶控制、噴膠控制、上紙控制三各方面，SIMOTION對于這三各方面的控制提供了專用的功能，使得原先非常復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控制過程中難度最大的部分。
分瓶控制的要求如圖5所示，分瓶電機M1控制分瓶器A和C，分瓶電機M2控制分瓶器B和D，在同一個鏈條軸上同方向運動，分瓶器A、C；B、D之間的距離恒定不能改變，且分瓶器A在運動過程中不能夠超越D的位置，分瓶器D在運動過程中不能超越C的位置，否則機械上將卡死出現故障。要求分瓶器A到達圖示位置時分瓶器B也正好到達圖示位置這樣剛好將四瓶產品與后面的產品分開達到分瓶的目的。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品。按照上述流程一直循環為下面的分裝做好準備。具體A和B之間的距離確定了每箱可以容納的產品的數量，要求可以通過操作畫面設定每箱可以容納的產品數量，系統自動計算出A和B之間的距離保證機器正常工作。
針對上述控制要求，采用SIMOTION提供的標準多軸CAM曲線同步功能對兩個分瓶電機進行精確位置同步控制具體的控制方式如下：
定主軸電機的位置作為CAM曲線的X軸，兩個分瓶電機的運行位置做Y軸分別做兩條CAM曲線。
由于每個分瓶器旋轉一周剛好可以分出四箱產品，而主軸旋轉一周可以完成一箱產品的分裝，為了簡化系統模型，將整個生產過程分割為相同的若干生產單元，整個生產過程實際上時不斷的重復這個同樣的生產單元，在每個生產單元里主軸一旦啟動必須完成該單元才可以停止。
在每個生產單元里分瓶電機與主軸電機進行CAM曲線位置同步對于每根分瓶電機軸來說主電機旋轉四周1440度分瓶電機旋轉一周360度。
具體的控制曲線如圖6，圖7
圖6 M1電機CAM曲線（單位度）
圖7 M2電機CAM曲線（單位度）上述曲線制定完畢后，規定在圖6的位置為整個曲線運動過程中三個電機的零點，分瓶電機M1，M2將以此位置作為零點按各自的運行曲線和主軸做嚴格的位置同步，保證分瓶連續精確的運行。
2．停機修正：
分瓶過程中會出現一個問題：當分瓶電機一旦投入運行，系統必須完成一個生產單元（生產四箱產品）分瓶電機回到曲線的0點坐標后才可以將分瓶電機與主電機取消同步控制，否則在下一個生產單元分瓶電機將出現位置錯亂無法同步的情況，將導致產品浪費。因此需要對分瓶控制做如下的修正：
如圖6、7所示由于分瓶器<
