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隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成包裝設(shè)備控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)、傳感器技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)等也得到了飛速的發(fā)展，并由此推進(jìn)了包裝設(shè)備自動(dòng)化、智能化的進(jìn)程。包裝控制系統(tǒng)也呈多元化發(fā)展趨勢(shì)，高精度、個(gè)性化、人性化以及智能化的控制是包裝設(shè)備未來發(fā)展的主流趨勢(shì)。

1. 包裝設(shè)備控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

作為包裝設(shè)備控制系統(tǒng)的核心，多軸運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展經(jīng)歷了市場的競爭、淘汰、更新與再競爭階段。運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建在運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及傳感器之間，能夠?qū)崟r(shí)、同步地傳送運(yùn)動(dòng)控制命令和反饋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從總體控制架構(gòu)來看，包裝設(shè)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(shè)備都是采用集中式控制系統(tǒng)，通常由一個(gè)運(yùn)算能力強(qiáng)大的中央控制器來協(xié)調(diào)計(jì)算各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，進(jìn)而完成復(fù)雜的動(dòng)作。該模式下，數(shù)據(jù)包頻繁穿梭于主控制器與驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)，控制算法較為復(fù)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(qū)動(dòng)器應(yīng)用于枕式包裝機(jī)，是典型的集中式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之一，A2 型伺服控制器內(nèi)置電子凸輪功能，同時(shí)具備色標(biāo)遮沒和自動(dòng)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(yùn)動(dòng)的主 － 從運(yùn)作模式，三軸的同步信號(hào)由送膜軸發(fā)出，橫切軸 和送料軸的反饋信號(hào)也都傳輸回送膜軸做補(bǔ)償處理， 以達(dá)到三軸的協(xié)調(diào)控制的目的。文獻(xiàn)表明可實(shí)現(xiàn)每 分鐘 1200 包的包裝速度［1］。

上海某自動(dòng)化有限公司利用三菱 FX06-60MR PLC 的通訊功能和高級(jí)指令把上位機(jī)、傳感器、驅(qū)動(dòng)包裝工程    PACKAGING ENGINEERING Vol． 34  No． 5 2013-03

PLC 和運(yùn)動(dòng)控制功能的 TwinCAT 作為控制平臺(tái)，多軸運(yùn)動(dòng)控制器通過分布式 EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行時(shí)鐘同步，通訊精度可達(dá)納秒。某公司的 XFC ( eX- treme Fast Control Technology，極速控制技術(shù)) 顯著提升了包裝機(jī)械的效率和精度，分布式時(shí)鐘功能允許高精度色標(biāo)控制。例如: 時(shí)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(yīng)時(shí)間為 1 μs，而基于 TwinCAT 軟件的控制技術(shù)也為包裝生產(chǎn)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(gè)整體的硬盒香煙包裝機(jī)，該包裝機(jī)以PLC 為主控制單元，處理外部輸入的開關(guān)量信號(hào)，并輸出控制信號(hào)。同時(shí)，PLC 與上位機(jī)間進(jìn)行通信，傳遞相關(guān)信息［2］，也是集中式控制的經(jīng)典案例之一。

集中式控制系統(tǒng)中如果控制的軸數(shù)目越多，則中央處理單元的控制算法就越復(fù)雜，從而對(duì)控制器性能要求就越高。目前應(yīng)用于包裝設(shè)備的諸如 Profi- bus^{［3 － 4］}，Lonworks^{［5 － 6］}，CAN^{［7 － 8］} 等現(xiàn)場總線的通信速率都不超過 20 MB / s。軸數(shù)量增多使得網(wǎng)絡(luò)中穿梭的數(shù)據(jù)包增多，這也加重了網(wǎng)絡(luò)的壓力，因此，采用集中式控制系統(tǒng)的包裝設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸數(shù)目通常都不會(huì)很多。

1. 2 分布式控制系統(tǒng)

包裝設(shè)備分布式控制系統(tǒng)的各軸均由具有通信和數(shù)據(jù)處理功能的智能驅(qū)動(dòng)單元構(gòu)成，各驅(qū)動(dòng)單元獨(dú)立完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)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(shè)備控制要求的日趨復(fù)雜，自動(dòng)化領(lǐng)域的許多知名廠商都將高速分布式控制網(wǎng)絡(luò)作為可靠的實(shí)現(xiàn)方案。

圖 2  分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型

德國某自動(dòng)化( Beckhoff) 將工業(yè) PC、集成了本地和遠(yuǎn)程控制器、驅(qū)動(dòng)以及顯示技術(shù)的自動(dòng)化方案，在復(fù)雜的控制要求及機(jī)器結(jié)構(gòu)中，利用 Ethernet Powerlink 構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)小于 1 μs 的系統(tǒng)抖動(dòng)。

某公司推出的自動(dòng)化平臺(tái)，采用集成了邏輯和高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制功能的 NJ 系列控制器，使用工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò) Ethernet / IP 實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器的本地或遠(yuǎn)程控制，機(jī)器控制網(wǎng)絡(luò) EtherCAT 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各驅(qū)動(dòng)單元的實(shí)時(shí)控制，采用分布式時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)高水平的同步精度，可以達(dá)到 100 μs 的刷新時(shí)間和不超過 1 μs 的時(shí)基誤差，這為包裝運(yùn)動(dòng)軸的準(zhǔn)確定位提供了極大的幫助。

隨著包裝產(chǎn)品的不斷多元化以及客戶對(duì)包裝精 度要求的不斷提高，越來越多的運(yùn)動(dòng)軸會(huì)被加入到控 制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制算法也會(huì)越來越復(fù)雜，分布式運(yùn) 動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)很好地適應(yīng)了這一趨勢(shì)。由于每根軸都 可獨(dú)立工作，用戶可以對(duì)控制單元進(jìn)行靈活地配置， 從而實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，因此，可以說分布式多軸運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)是適應(yīng)日漸繁復(fù)控制要求的可靠實(shí)現(xiàn)方案。

對(duì)于同一臺(tái)包裝設(shè)備而言，各根伺服軸之間存在著相對(duì)固定的運(yùn)動(dòng)模式，其運(yùn)動(dòng)曲線隨著包裝周期的推進(jìn)而呈周期性變化，大部分軸的控制計(jì)算是可預(yù)知的，需實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)量并不算多。如果每根軸的運(yùn)動(dòng)控制算法都需分別經(jīng)過一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器，則包裝機(jī)的設(shè)計(jì)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(shì)，因此將滿足控制要求的高性價(jià)比運(yùn)動(dòng)控制器引入分布式控制系統(tǒng)是包裝設(shè)備的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

2.包裝設(shè)備控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及展望

包裝設(shè)備朝著高自動(dòng)化、高效率、低能耗的方向發(fā)展離不開對(duì)網(wǎng)絡(luò)、控制器、能耗、控制算法等方面的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

2.1工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于包裝設(shè)備

目前高速以太網(wǎng)技術(shù)使得傳輸速度可以達(dá)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(wǎng)技術(shù)將作為網(wǎng)絡(luò)的核心，可以廣泛應(yīng)用于局域 網(wǎng)、城域網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)中［11］。如何將這一優(yōu)勢(shì)應(yīng)用 于包裝設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)" 一網(wǎng)到底" ，將是包裝控制系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。然而，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) 存在的實(shí)時(shí)性和同步性問題也是目前的最大障礙。這就需要對(duì)以太網(wǎng)通信模型進(jìn)行修改，其關(guān)鍵技術(shù) 有: ①使用一種特殊的以太網(wǎng)幀類型和重新定義的實(shí)時(shí)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(wǎng)協(xié)議，對(duì)介質(zhì)訪問控制 MAC 進(jìn)行修改， 在實(shí)時(shí)通道內(nèi)由實(shí)時(shí) MAC 接管通信控制，避免報(bào)文沖突，簡化數(shù)據(jù)處理，如 EtherCAT，SERCOS － Ⅱ協(xié)議等［12］。

與此同時(shí)，提高以太網(wǎng)的通信速率，降低通信負(fù)荷，應(yīng)用信息優(yōu)先級(jí)和流量控制等技術(shù)都能有效提高以太網(wǎng)的通信實(shí)時(shí)性，也為包裝設(shè)備的高效性、穩(wěn)定性提供重要技術(shù)保證。

2.2 應(yīng)用于包裝設(shè)備的新型運(yùn)動(dòng)控制器

目前比較前沿的運(yùn)動(dòng)控制器都內(nèi)置電子凸輪，支持多種控制網(wǎng)絡(luò)的功能。隨著SOPC 技術(shù)，嵌入式 In- ternet 技術(shù)及 FPGA 技術(shù)的應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)控制器功能越來越強(qiáng)，其可靠性也大為提高。同時(shí)，滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和魯棒性控制等智能控制策略的應(yīng)用也極大地提高了運(yùn)動(dòng)控制的智能化水平，應(yīng)用于包裝設(shè)備的控制器將朝著具有高兼容性、可擴(kuò)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(shè)備系統(tǒng)中重要的組成部分，主要用于對(duì)產(chǎn)品的裁切，其控制精度直接影響著產(chǎn)品的優(yōu)劣。電子凸輪應(yīng)滿足: ( 1) 生產(chǎn)柔性，即系統(tǒng)應(yīng)快速地自動(dòng)計(jì)算運(yùn)動(dòng)曲線，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)刀輥可以適應(yīng)不同尺寸產(chǎn)品的裁切; ( 2) 換裝快速，即對(duì)訂單切換的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要短，從而提高了生產(chǎn)效率; ( 3) 調(diào)節(jié)穩(wěn)定，即系統(tǒng)的 PID 計(jì)算能夠快速地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，既能保障精度，又能降低機(jī)械沖擊; ( 4) 曲線數(shù)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(shè)備的產(chǎn)品規(guī)格數(shù)目大大增加; ( 5) 啟動(dòng)迅速、運(yùn)行平穩(wěn)、回零及時(shí)、跟隨能力強(qiáng)，從而使包裝設(shè)備的精度、效率大大提高。

2.4 包裝設(shè)備封口溫度的模糊控制

在塑料包裝設(shè)備中，封口溫度的高低會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，將模糊控制的方法引入到封口溫度控制中能夠達(dá)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(píng)估模糊控制規(guī)則; 目標(biāo)評(píng)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(píng)估控制目標(biāo)，并且預(yù)測(cè)未來控制信號(hào)。這  2 種規(guī)則在模糊控制方面應(yīng)用相當(dāng)廣泛，采取的方案如下: 針對(duì)封口裝置的實(shí)際響應(yīng)，通過模糊規(guī)則進(jìn)行推理和決策，在線整定 PID 控制器的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)于模糊控制器中的模糊算法響應(yīng)速度要求并不高。

2.5 無線控制網(wǎng)絡(luò)和無線電力傳輸應(yīng)用于包裝設(shè)備目前無線局域網(wǎng)和無線電力傳輸正穩(wěn)步發(fā)展，一

旦得以應(yīng)用，包裝設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸單元在供電和控制網(wǎng) 絡(luò)方面都可以擺脫電纜的束縛，運(yùn)動(dòng)控制完全可以朝 著無線控制方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)方面，目前大部分運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)都有地表、墻體布線、網(wǎng)絡(luò)線路維護(hù)等一系列 問題，更有一些高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備根本無法通過電纜來 傳輸數(shù)據(jù)信息，無線控制網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)很好地解決了這 些難題。無線控制網(wǎng)絡(luò)融合了嵌入式微處理器技術(shù) 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)被控設(shè)備的信息交換，并具 備遠(yuǎn)程控制，這樣不僅簡化了控制網(wǎng)絡(luò)、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(shí)現(xiàn)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(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)處于報(bào)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(shí)電阻的損耗，使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成本降低。新型超材料的研發(fā)應(yīng)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(huì)發(fā)散，這有效地提高了電力傳輸?shù)男?/font>。由此，無線運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)和無線電力傳輸是一種更適用于包裝設(shè)備、更安全、更強(qiáng)大和更具有成本效益的實(shí)現(xiàn)方案，值得進(jìn)一步研究。