海塞(Hesse)连续式顶头袋制袋机每分钟的包装袋产量高达60个。如此高效的产量来自最多九个伺服轴完美和谐的动作。这九个伺服轴通过电气方式与一个主轴相关联,有时采用电子齿轮同步,有时采用曲线同步。 所有工艺任务由一个符合PLCopen标准、强大运动控制扩展功能的可编程逻辑控制器(T-CPU),快速、平稳、超级灵活地联结在一起。
吉森(Giessen)是一个频繁推出创新包装设备的地区。生产这种特殊设备的技术及市场领袖就是 Wettenberg 市的 Kopas 公司(Kopas Verpackungsmaschinen GmbH) (详情请见下表)。25年来,约瑟夫.Kopas(Josef Kopas)一直在按照自己的思路研制立式小袋包装机;按照产品、所要求的产量和作业方式(间歇生产或连续生产)等各项具体要求定制设备。他与自己的 12 强团队一道,把精力全部集中在核心技术的研发,零部件则相应地安排本地有资质的制造商来生产;然后在他的公司里由他来进行组装,通电,自动化测试,最后才发给客户进行现场调试。6 年来,这家中型公司的自动化技术一直依赖于西门子公司提供的元器件。“与之前不同的是,我们没有必要再与客户进行讨论协商,大约 70% 的客户都是食品界的领先公司。西门子的自动化控制和驱动技术世界闻名,用户能很快得到所有的必备零配件,无论客户在什么地方,都能及时获得服务与支持”,约瑟夫.考巴斯 (Kopas(Josef Kopas)在阐释他的选择时如是说。
集成运动控制工艺功能
Simatic T-CPU 产品自从一问世,就成为了 Kopas 制造所有连续“高速”小袋包装机和顶头袋制袋机的新标准(图 1)。Simaic 315T-2DP 和 317T-2 DP 两款现有运动控制T-CPU(图2),将PLC和丰富的运动控制工艺功能,集成在一套CPU中。此外,还有一款带集成安全功能的变型款TF-CPU(317TF-2 DP)。附加的符合PLCopen标准的运动控制工艺功能,以 S7 工艺功能块库的形式集成到Simatic Step 7 的编程系统,如同标准功能块(FB)一样适用。这一事实向设备制造商证明了一个关键问题:任何有经验的 Simatic 编程人员都可以使用T-CPU;同样,用户的维修人员,也无需接受基本的T-CPU产品功能培训,就可以胜任T-CPU的使用。作为可以轻松实现复杂运动控制任务的各种FB功能块,可以被用户随时根据工艺需要进行选用。如,定位控制,齿轮同步,曲线同步,打印标记修正,基于电机转矩限幅的行程控制,和基于行程或时间的电子凸轮输出等。
所有连续作业设备的轴都可使用西门子公司的 Simatics S120 驱动器和 1FK7 伺服马达。控制器与 Simatics CU320 控制单元之间的通信经由等时同步的 Profibus DP(Drive)完成。所有的轴可通过 T-CPU 经由一条“虚拟曲线”(引自约瑟夫.考巴斯的原话)实现电气联结。即使在最高生产速度下,运行也能够平稳和顺畅。而且,每根轴均可单独调节,从而使整个系统的调节灵活进行,以适应变化或者波动的生产条件。出生于斯洛伐克的Kopas 公司,对这项特点很有感触: “假如每一项微小的变化都意味着我要亲手重新调试机器的机械部件,那速度再快的机器周期也毫无意义。使用我们的高速设备,所有工艺部件都是可以在人机操作面板上面方便地进行设定和观察,试车之后就可以开始生产。
世界领先的顶头袋制袋机
顶头袋制袋机是 Kopas 公司出产的最复杂、最具特色的机器设备;在包装袋制袋机上配备了一个或两个集成化顶头加装设备(单工/双工)(图 3)。在袋子密封之后,立即折叠覆膜纸板顶头或无覆膜纸板顶头(通常为印刷纸板且带有一个圆孔或欧式卡槽),安装到袋子上面并封口。
连续”高速“顶头袋制袋机的生产过程包含下列步骤(通过独立伺服轴完成),根据扩展规模的要求,由 Simatic 315T(最多八个轴)或 317T(最多 32 个轴)来进行调整:
• 展开薄膜,减轻目前的薄膜进料负荷,保持薄膜(通过张力辊)的恒定张力。使用光电开关,借助T-CPU集成的边沿控制,通过线性马达实施薄膜的横向调节。
• 从灌装管两侧的成型台肩和皮带实施薄膜进料。这里,如同使用一个行星齿轮箱一样,两台伺服马达通过T-CPU,以电子齿轮同步旋转运动方式,保证薄膜进料时处于绝对平行的状态,从而以大约每分钟 12 米(理论上无顶头袋制袋机的生产速度为每分钟 32 米)的进料速度生产出优质包装袋。薄膜进料轴运动是所有其他轴运动控制的主轴。
• 纵向密封控制是通过一个附加单元完成的。
• 横向密封控制由流动方向行进的密封条完成。如有需要,可以用一台测量轮(增量型编码器),或打印标记来启动这个动作。Kopas倾向于第二种方法,用自由滑动的变体和一根光电管来作为外部编码器(使用未经印刷的薄膜时,通常总是用现有热敏打印机作为印刷标记)。在向下运行的过程中开始灌充,降低绝对灌充速度和下行速度,从而保护产品。
• 由电子凸轮输出控制下的气刀,完成各个密封袋的分割。
• 在封闭过程中,灌充好的袋子被转到横向拖板夹,交替输送到左侧或右侧的顶头加装装置。伺服马达通过双向运动牵引杆拉动横向拖板。这样就能保证输送即有动力又很平稳,而且转移动作非常精准。这是首次做到确保所有重达 2 公斤的袋子不丢失,还能确保袋子和顶头条互相对准(通常要求偏差不能超过 1mm)。这个动作是用T-CPU的曲线同步进行控制的,完成近乎下凹的移动动作。
• 将覆膜夹头折叠,安装到袋子上,密封,然后将袋子转移到下面的传送带。
• 顶头一旦安装到袋子上,夹子打开,横向拖板移回起始点提取下一个袋子。这时,另一个顶头已经加装到对面工位的袋子上。
产量提高 30%
Kopas 已经使用 T- CPU 所提供的各种标准运动控制功能,可能做出了巨大的创新,建立起一种动态的运动工艺过程,灵活适应各种不同包装机产品的工艺需求。所有采用 T- CPU 控制的伺服轴作为从动轴,均与主轴(薄膜进料)相关联,以便于切换不同的凸轮盘同步关系,按照相应的薄膜进料速度自动调节各个轴的进给速度。在 Simatic MP277B 多功能触摸面板上可以灵活设置每根轴的动作(图 4),如有必要,还可进行修改。借助 T-CPU的预设定带有Jerk功能的斜坡加速和斜坡减速运动控制速度曲线,可以精准设定斜坡加速和斜坡减速,确保机器运行协调,保护机械设备即便在最大生产速度下也不受损。相对于依赖于借助立柱和机械凸轮盘的不灵活机械方案,只能胜任有限范围的包装袋产品制造,这种通过 T-CPU 实现的柔性工艺处理过程机器设备,可以胜任更加宽泛范围的包装袋产品制造。
配备伺服马达的双工位顶头袋制袋机的产量,大约比配备标准马达的间歇式制袋机,高出 20% 到 30%。
各种工况下操作处理更加简单
仅需一周时间,便可完成机器组装和调试。事实再次证明, T-CPU 在应用和编程方面具有简单方便的优势。“我们的第二台机器,星期一开始组装,到星期五就生产出来密封好了的第一只袋子并加装了顶头,设备调试只用了几个小时就完成了。”Josef Kopas 回忆道。
其他发挥作用的因素还包括数字化 Drive-Cliq 驱动接口和西门子 1FK7 马达,由于有了电子铭牌技术,西门子马达会被自动识别出来,并由相应的 Simatic T-CPU 控制单元进行正确配置。初始化调试和马达更换变得更加迅速,防止故障发生,并将宕机时间降到最低。另外一项附加的因素是西门子系统部件之间的完美互动(如, Siwarex 称重模块,和用于密封单元控制的 Simatic 温控模块FM355-2)。
面对如此高的品牌忠诚度,Kopas并未停止前进的脚步,而是继续探索新的创新途径。例如,海塞(Hesse)本地的公司是首个采用超声密封系统(仅在实际密封过程中才处于工作状态),取代了传统的连续工作式密封钳加热系统的公司。结果是这台处于 Simatic T-CPU 控制之下的高速作业“绿色环保设备”的能耗降低了 2