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隨著現代科學技術的發(fā)展，構成包裝設備控制系統(tǒng)的現場總線技術、傳感器技術、運動控制技術、人機界面技術等也得到了飛速的發(fā)展，并由此推進了包裝設備自動化、智能化的進程。包裝控制系統(tǒng)也呈多元化發(fā)展趨勢，高精度、個性化、人性化以及智能化的控制是包裝設備未來發(fā)展的主流趨勢。

1. 包裝設備控制系統(tǒng)現狀

作為包裝設備控制系統(tǒng)的核心，多軸運動控制網絡的發(fā)展經歷了市場的競爭、淘汰、更新與再競爭階段。運動控制網絡是構建在運動控制器、電機驅動器以及傳感器之間，能夠實時、同步地傳送運動控制命令和反饋運動狀態(tài)的網絡系統(tǒng)。從總體控制架構來看，包裝設備控制系統(tǒng)有集中式和分布式 2 種模式。

1． 1    集中式控制系統(tǒng)

  目前大部分包裝設備都是采用集中式控制系統(tǒng)，通常由一個運算能力強大的中央控制器來協(xié)調計算各個驅動單元，進而完成復雜的動作。該模式下，數據包頻繁穿梭于主控制器與驅動節(jié)點之間，以此來交互控制命令及反饋信息，中央控制單元的接收并迅速處理數據，控制算法較為復雜。集中式控制系統(tǒng)模型見圖 1。

某公司的 ASD-A2 智能型伺服驅動器應用于枕式包裝機，是典型的集中式多軸運動控制系統(tǒng)之一，A2 型伺服控制器內置電子凸輪功能，同時具備色標遮沒和自動糾偏功能。控制系統(tǒng)采用將送膜軸作 為主軸，送料、橫切兩軸跟隨送膜軸協(xié)同運動的主 － 從運作模式，三軸的同步信號由送膜軸發(fā)出，橫切軸 和送料軸的反饋信號也都傳輸回送膜軸做補償處理， 以達到三軸的協(xié)調控制的目的。文獻表明可實現每 分鐘 1200 包的包裝速度［1］。

上海某自動化有限公司利用三菱 FX06-60MR PLC 的通訊功能和高級指令把上位機、傳感器、驅動包裝工程    PACKAGING ENGINEERING Vol． 34  No． 5 2013-03

PLC 和運動控制功能的 TwinCAT 作為控制平臺，多軸運動控制器通過分布式 EtherCAT 工業(yè)以太網進行時鐘同步，通訊精度可達納秒。某公司的 XFC ( eX- treme Fast Control Technology，極速控制技術) 顯著提升了包裝機械的效率和精度，分布式時鐘功能允許高精度色標控制。例如: 時間戳 EtherCAT 端子模塊可提供極為迅捷的接觸式探針輸入，輸入響應時間為 1 μs，而基于 TwinCAT 軟件的控制技術也為包裝生產線的工藝鏈提供了很大的靈活性［9 － 10］。

利樂包裝( Tetra Pak) 采用集成了貝加萊( B＆R)軸連接成一個整體的硬盒香煙包裝機，該包裝機以PLC 為主控制單元，處理外部輸入的開關量信號，并輸出控制信號。同時，PLC 與上位機間進行通信，傳遞相關信息［2］，也是集中式控制的經典案例之一。

集中式控制系統(tǒng)中如果控制的軸數目越多，則中央處理單元的控制算法就越復雜，從而對控制器性能要求就越高。目前應用于包裝設備的諸如 Profi- bus^{［3 － 4］}，Lonworks^{［5 － 6］}，CAN^{［7 － 8］} 等現場總線的通信速率都不超過 20 MB / s。軸數量增多使得網絡中穿梭的數據包增多，這也加重了網絡的壓力，因此，采用集中式控制系統(tǒng)的包裝設備的驅動軸數目通常都不會很多。

1. 2 分布式控制系統(tǒng)

包裝設備分布式控制系統(tǒng)的各軸均由具有通信和數據處理功能的智能驅動單元構成，各驅動單元獨立完成復雜的運動過程，單元之間可以相互通信，其控制系統(tǒng)模型見圖 2。隨著包裝設備控制要求的日趨復雜，自動化領域的許多知名廠商都將高速分布式控制網絡作為可靠的實現方案。

圖 2  分布式多軸運動控制系統(tǒng)模型

德國某自動化( Beckhoff) 將工業(yè) PC、集成了本地和遠程控制器、驅動以及顯示技術的自動化方案，在復雜的控制要求及機器結構中，利用 Ethernet Powerlink 構建的網絡共耦合了超過 50 根軸，并與電子凸輪仿形和齒輪功能耦合，可提供遠小于 1 μs 的系統(tǒng)抖動。

某公司推出的自動化平臺，采用集成了邏輯和高級運動控制功能的 NJ 系列控制器，使用工廠自動化網絡 Ethernet / IP 實現整個機器的本地或遠程控制，機器控制網絡 EtherCAT 用于實現對各驅動單元的實時控制，采用分布式時鐘實現高水平的同步精度，可以達到 100 μs 的刷新時間和不超過 1 μs 的時基誤差，這為包裝運動軸的準確定位提供了極大的幫助。

隨著包裝產品的不斷多元化以及客戶對包裝精 度要求的不斷提高，越來越多的運動軸會被加入到控 制系統(tǒng)中，運動控制算法也會越來越復雜，分布式運 動控制網絡很好地適應了這一趨勢。由于每根軸都 可獨立工作，用戶可以對控制單元進行靈活地配置， 從而實現柔性生產，因此，可以說分布式多軸運動控 制系統(tǒng)是適應日漸繁復控制要求的可靠實現方案。

對于同一臺包裝設備而言，各根伺服軸之間存在著相對固定的運動模式，其運動曲線隨著包裝周期的推進而呈周期性變化，大部分軸的控制計算是可預知的，需實時處理的數據量并不算多。如果每根軸的運動控制算法都需分別經過一個運動控制器，則包裝機的設計與制造成本太高，用戶無法接受。較之集中式控制系統(tǒng)，盡管分布式控制系統(tǒng)節(jié)省了大量的布線成本、安裝成本，但是增加了控制器成本，這是分布式控制系統(tǒng)的一大劣勢，因此將滿足控制要求的高性價比運動控制器引入分布式控制系統(tǒng)是包裝設備的一個發(fā)展趨勢。

2.包裝設備控制系統(tǒng)的關鍵技術及展望

包裝設備朝著高自動化、高效率、低能耗的方向發(fā)展離不開對網絡、控制器、能耗、控制算法等方面的進一步研究和應用。

2.1工業(yè)以太網應用于包裝設備

目前高速以太網技術使得傳輸速度可以達到 40 G /100  G，且增大了傳輸距離，提高了互聯(lián)能力。高速以太網技術將作為網絡的核心，可以廣泛應用于局域 網、城域網甚至廣域網中［11］。如何將這一優(yōu)勢應用 于包裝設備的控制網絡中，實現" 一網到底" ，將是包裝控制系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。然而，標準以太網 存在的實時性和同步性問題也是目前的最大障礙。這就需要對以太網通信模型進行修改，其關鍵技術 有: ①使用一種特殊的以太網幀類型和重新定義的實時協(xié)議，不改變通信硬件，如 Ethernet Powerlink 協(xié)議;

②使用 TCP / IP 協(xié)議棧，通過上層控制來確定通信中的不確定因素，如 Modubua / TCP，Ethernet / IP 協(xié)議等;

③修改以太網協(xié)議，對介質訪問控制 MAC 進行修改， 在實時通道內由實時 MAC 接管通信控制，避免報文沖突，簡化數據處理，如 EtherCAT，SERCOS － Ⅱ協(xié)議等［12］。

與此同時，提高以太網的通信速率，降低通信負荷，應用信息優(yōu)先級和流量控制等技術都能有效提高以太網的通信實時性，也為包裝設備的高效性、穩(wěn)定性提供重要技術保證。

2.2 應用于包裝設備的新型運動控制器

目前比較前沿的運動控制器都內置電子凸輪，支持多種控制網絡的功能。隨著SOPC 技術，嵌入式 In- ternet 技術及 FPGA 技術的應用，運動控制器功能越來越強，其可靠性也大為提高。同時，滑模變結構控制、模糊控制和魯棒性控制等智能控制策略的應用也極大地提高了運動控制的智能化水平，應用于包裝設備的控制器將朝著具有高兼容性、可擴展性、可移植性等方向發(fā)展。

2.3  電子凸輪的控制優(yōu)化

電子凸輪是包裝設備系統(tǒng)中重要的組成部分，主要用于對產品的裁切，其控制精度直接影響著產品的優(yōu)劣。電子凸輪應滿足: ( 1) 生產柔性，即系統(tǒng)應快速地自動計算運動曲線，從而實現一個刀輥可以適應不同尺寸產品的裁切; ( 2) 換裝快速，即對訂單切換的系統(tǒng)響應時間要短，從而提高了生產效率; ( 3) 調節(jié)穩(wěn)定，即系統(tǒng)的 PID 計算能夠快速地達到穩(wěn)定狀態(tài)，既能保障精度，又能降低機械沖擊; ( 4) 曲線數多，即系統(tǒng)支持多條凸輪曲線共存并隨意切換，這樣使得包裝 設備的產品規(guī)格數目大大增加; ( 5) 啟動迅速、運行平穩(wěn)、回零及時、跟隨能力強，從而使包裝設備的精度、效率大大提高。

2.4 包裝設備封口溫度的模糊控制

在塑料包裝設備中，封口溫度的高低會直接影響產品的質量，將模糊控制的方法引入到封口溫度控制中能夠達到控制精度高、控溫平穩(wěn)的效果［13］。模糊控制規(guī)則有 2 種型式: 狀態(tài)評估模糊控制規(guī)則; 目標評估模糊控制規(guī)則。前者類似于人類的直覺思考，后者則能夠評估控制目標，并且預測未來控制信號。這  2 種規(guī)則在模糊控制方面應用相當廣泛，采取的方案如下: 針對封口裝置的實際響應，通過模糊規(guī)則進行推理和決策，在線整定 PID 控制器的參數，以實現對封口裝置的優(yōu)化控制［14］。由于溫度控制并不需要十分迅速，因此對于模糊控制器中的模糊算法響應速度要求并不高。

2.5 無線控制網絡和無線電力傳輸應用于包裝設備目前無線局域網和無線電力傳輸正穩(wěn)步發(fā)展，一

旦得以應用，包裝設備的驅動軸單元在供電和控制網 絡方面都可以擺脫電纜的束縛，運動控制完全可以朝 著無線控制方向發(fā)展。網絡方面，目前大部分運動控 制系統(tǒng)都有地表、墻體布線、網絡線路維護等一系列 問題，更有一些高速旋轉的設備根本無法通過電纜來 傳輸數據信息，無線控制網絡的出現很好地解決了這 些難題。無線控制網絡融合了嵌入式微處理器技術 和網絡技術，實現對多點被控設備的信息交換，并具 備遠程控制，這樣不僅簡化了控制網絡、節(jié)約了成本， 還提高了控制系統(tǒng)的靈活性［15］。

電力方面，無線電力采用電磁共振耦合原理，利用非輻射性磁場來實現電力傳輸［16］。這使得因誤操作而觸電或者因漏電、靜電等使整個運動控制系統(tǒng)處于報警狀態(tài)的可能性減小，而且節(jié)省了電纜成本和電力傳輸時電阻的損耗，使運動控制系統(tǒng)成本降低。新型超材料的研發(fā)應用也使得無線電力傳輸變得更加簡單安全，電力更加穩(wěn)定、集中地通過開放空間而不會發(fā)散，這有效地提高了電力傳輸的效率。由此，無線運動控制網絡和無線電力傳輸是一種更適用于包裝設備、更安全、更強大和更具有成本效益的實現方案，值得進一步研究。

3.結語