在机器制造行业，各种围绕以运动控制为核心， 以传动为核心的解决方案， 层出不穷。。对符合IEC61131标准编程的需要越来越多，设计人员对机器控制的设计和编程已经不局限在一种编程格式，也不拘泥于只对逻辑状态进行编程，他们需要根据工艺要求而采用SFC顺序流程图方式规划结构，采用ST结构文本方式进行复杂工艺运算和调节计算，采用LD梯形图方式处理各种逻辑和工艺过程，采用FBD 功能图方式进行同一功能的反复使用和对通讯功能的搭建。

总之，目前对机器设计的要求已经不只是几个电机的转动和接触器、继电器的吸合。它的解决方案已上升到机器的柔性控制：包括传动电机的运转，伺服电机的电子齿轮运动和电子凸轮的运动，机械手臂的快速抓取等等复杂运动，以及对相关自动控制元件的组合，如远程I/O，人机界面，执行器和开关按钮和远程的以太网通讯。本文通过对包装机的一个实用案例来说明施耐德电气">施耐德电气提出的当今最新思路的设计方法和柔性解决方案。

面临的挑战

当今世界随着人们生活质量的不断提高，规模化采购，差异化包装，琳琅满目的产品都对包装提出了更高，更新的要求。工业自动化渗透到包装行业，面临的挑战就是：

(1) 效率更高：节能减排已经成为世界发展的新课题。同时人工成本也不断上升。这都给机器制造商带来了新的压力。围绕这个新的问题，机器要不断提高效率，如过去每分钟包装120袋方便面，现在可能要达到300袋。过去使用异步电机不能良好的快速响应运动的要求，使能耗增加，现在需要伺服电机提高动态响应，减少无用功耗，减小体积。

(2) 上市时间更快：过去研发一个新机型要1年，现在可能是要2个月。这也是市场提出的新要求。因为产品品种不断增加，产品的生命周期却不断缩短。今天我们包装的是巧克力豆，下一年有可能就是巧克力棒了。所以跟不上市场的变化，就不能生存。

(3) 运行更稳定：过去平均无故障时间可能半年，现在要1年半。这是因为社会分工随着生产的发展越来越细，各个生产企业发展的趋势也是越来越偏重自己的主业，已没有可能设立太多的维修维护岗位。这就要求机器的运行是稳定的，停机维护是可控的。

(4) 制造成本更低: 随着包装品种的增多，很多生产企业已经不是很大的企业，就他们的产品而言，他们需要机器的成本要降低。另外从竞争角度讲，机器制造商为了在新兴经济体打开更加广泛的市场，也需要降低成本。

包装自动化控制技术的发展

为了应对这些挑战，施耐德电气发布了以运动控制为核心的机器控制解决方案PacDrv3，由运动控制器LMC，伺服驱动器LEXIUM62,和伺服电机BMH,BSH组成。其中运动控制器L M C 分为L M C 3 0 0 C ， 能带8台同步实轴；LMC400C，能带16台同步实轴；LMC600C，能带99台同步实轴。这些同步轴的连接都基于SERCOS III实时串行通讯总线，它的通讯速度达到100M。 同时还集成有Profibus DP、CAN和EtherNet/IP 以及以太网接口，非常方便扩展与第三方产品的通讯。伺服驱动器LEXIUM62是一种电源和驱动分离的设计，它保证了电源能量供给的合理性。这样一个驱动单元可以驱动2台独立电机。提高了元件利用率，使成本降低，安装空间减小。伺服电机BMH 是中惯量电机，BSH电机是低惯量电机。用户可以根据使用要求选择适合的电机，使之发挥更高效率。

PacDrv3应用的控制结构包含了机器控制需求的所有元素，同时根据机器的大小，控制点数的多少，可以方便的组态硬件结构，使机器的设计柔性化，适应小批量，多品种。由于使用了总线技术，使得硬件的接线大大减少，可靠性提高。在运动控制部分由于采用SERCOS III 总线通讯，使通讯速度达到100M, 运动轴的同步时间可以达到125s，这样就可以使包装的速度大大提高。

包装自动化案例设计

这台餐盒包装机有以下几个部分组成：

A: 餐盒的输送和提升

B: 灌装餐食

C: 餐盒供应

D: 封盖

E: 餐盒码放

限于篇幅，我们以餐盒包装机图中黄框内的灌装部分来说明一下控制系统的设计亮点。其中，罐装的工艺是这样的：餐盒不断的输送出来，到餐盒的升降台后，输送带停止，升降台把餐盒提升到出餐口，接餐，然后下降，输送带再步进送上下一个餐盒。在餐盒上升的时候，旋转阀门使食物仓和储餐筒连通，活塞从食物仓抽出食物，当餐盒升到位置，旋转阀门转180度，连通出餐筒和餐盒，活塞把餐食加到餐盒中。

在这个工艺过程中要用到4台伺服，它们分别要完成活塞运动，旋转阀门，餐盒馈送和升降台运动。要想使效率提高，就得让这4种运动在同一指令下步调一致的完成各自的运动。这同一指令就是设定的主轴（虚轴）。猛然一看，要驱动4 个轴，还要有同步动作，出了错误还要查找，这编程和调试工作可是不少。但不用担心，我们的设计亮点就在这里，已经为用户做好了如下一个模板。

在这个模板中，机器设计的结构被划分为3 层，分别是机器层，设备层和驱动执行层。在机器层，我们已经采用SFC语言搭建好了机器操作的一切界面，例如错误诊断，开机停机等，可以根据需要在结构框内再编辑程序或修改程序。在设备层我们已经编好了4台设备，这就像机器设备中加上一个齿轮箱或减去一个齿轮箱一样，在软件上我们也可以这样添加或减少。例如在本例中，我们就减去了一个。本例中的4台电机接好后，在软件中组态好通讯地址，就可以直接采用软件中编好的可视操作界面进行操作。也就是说，不用你任何编程， 你就可以使电机转动了。当然，要想让电机按照工艺要求工作，我们就要作如下工作了：组态硬件结构、组态设备布局、组态工艺流程。

(1) 组态硬件结构：我们把4 个轴接到S l a v e 1 , S l a v e 2 ,Slave3,Slave4 上，把通讯地址写好。然后定义Slave1,Slave2,Slave3,Slave4 分别为CupTransport, CupLift,Dosing, ShuttleValve，主轴为Master。

(2) 组态设备布局：灌装的过程可以分成灌装设备和传送设备。因此在灌装设备中，我们配置好活塞和旋转阀门。在传送设备中我们配置好输送带和升降台，完成设备布局。

(3) 组态工艺流程：打开软件中的电子凸轮设计，首先设计餐盒的传送，在主轴带领下，一个周期传送带完成2 段运动。第一段：主轴（虚轴）从0运动到105mm时，从轴（传送带）从0 运动到180 mm；第二段：主轴从105mm 运动到360mm时，从轴（传送带）不动。主轴连续不断运动，餐盒输送带跟随主轴不断步进运动。重复执行2段曲线动作，其它各从轴的运动同理。

完成这个工艺的设计， 就可以把这些曲线导出成文本文件。把此文本带入到凸轮运行程序中，其它同理带入到各自的设备中。做完这些修改后，通过软件的可视操作界面，就可以操作机器运行了。

你不仅可以操作观察机器运行的动作是否符合工艺要求，也可以用软件的曲线纪录器纪录机器几个关键动作的曲线来验证设计的好坏。这样，我们不仅能够设计出工艺动作，在运行时我们还能实时记录运行曲线，对设计进行验证，以确保调试很快成功。

通过这个案例，我们的设计亮点就是柔性设计，模块化拼接。它可以使包装机械的设计，调试周期大大缩短，使机器迅速上市，满足市场需求。硬件的结构设计也使机器的效率和可靠性获得提升，达到节能增效。