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一、纸包机介绍
纸包机是用于牛奶、饮料、啤酒等自动化生产线二次包装的设备。
1.1 纸包机结构
纸包机主要由传送带、分组机构、送箱机构、折箱机构以及喷胶几个部分组成。如下图所示：
1.2 纸包机工艺
产品(比如易拉罐)由传送带送入，经分组机构将分成指定规格的组；送入纸板箱；经由折箱机构和喷胶机构完成纸程。
二、ELAU智能伺服单元iSH介绍
ELAU是致力于包装行业的自动化专家，其PacDriveTM系统正在遍布全球的超过40,000台包装设备上运行。它是施耐德电气的一家子公司。
ELAU 智能伺服单元iSH的推出，使得包装设备更加简洁、紧凑、模块化和灵活。下面是 iSH 系统的结构图。一个 iSH智能伺服单元只需要一根混合电缆，图中绿色所示。
下图是 iSH系统在一个包装生产线中的分布图。
三、智能伺服单元iSH在纸包机上的应用
3.1 系统方案
以Cxx（C200、C400、C600）系列控制器为中心，通过不同的总线连接了人机屏、扩展 I/O模块、电源模块PS5。所有的 iSH 都通过一根混合电缆和分线盒 DB5连接到PS5。
3.2 运动同步关系——虚拟主轴
所有的伺服轴都与虚拟主轴（VirtualMaster）保持位置同步关系；各个伺服轴的运动曲线就是其位置与虚拟主轴位置的同步关系。
我们的编程工作就主要集中在对各个轴运动曲线的定义。对此， ELAU开发了ECAM4用来辅助曲线设计和电机选型、分析。
3.3 喷胶控制
喷胶时机的控制对纸包机是非常重要的。在 ELAU 系统中，提供了 CamSwitch功能。利用该功能我们可以在给定定位置触发喷胶动作；位置参考轴可以是虚拟主轴，也可以是其他伺服轴。
四、
ELAU 的智能伺服单元 iSH 使包装设备不仅仅在软件上模块化，在电气上也模块化。
1 PLC系统的组成
PLC系统有工控机、两台调制解调器、PLC运行及储存器、各类传感器等输入部分及各类电继电器等输出部分，见图1。SIMATICMan-ager是S7-PLC自动控制程序的管理程序，安装在地面监控室的工控机（上位机）内，通过一台在监控室的调制解调器和一台安装在盾构机调制解调器相互译制，与盾构机的PLC串口相连，从而监控和控制PLC运行，上位机也起着掘进参数数据保存作用，方便操作人员使用和维护。
图1 控制系统组成图
PLC系统的软件主要有地面监控室电脑上的操作系统，SIMATICManager程序，Netpro程序及监控程序PDV，以及安装在盾构机PLC上的控制程序。
2 PLC系统运行
根据设定的程序，在某些必要条件满足时，PLC才能进行下一步工作，否则，程序就不能往下运行，设备停止运行，会将错误信息显示在操作室的电脑上。我们按照显示的错误信息及代码去查找故障原因，即PLC是否正常输入、PLC是否正常输出、前后输入/输出设备是否正常、连接线路是否良好。这样分段分析、仔细排查，故障会很容易得到解决。
以盾构机中心回转体EP2润滑脂加注系统为例，说明S7-PLC自动控制程序在盾构机故障排除中的应用。在盾构机中，EP2润滑加注系统属于较复杂且很重要的部分，包含螺旋机密封、球轴承密封、中心回转体密封等部位的自动密封。本系统的正常运行与否不仅关系到盾构机能否顺利运行，对延长设备使用寿命起着很重要的作用。EP2加注系统是压缩空气通过由PLC控制的电磁阀为气动泵提供动能来源，输入气压和输出油脂压力的比值是1∶50，即1bar的气压能产生50bar的油脂压力。通常将压缩空气的压力调节为1.5～2.0bar，即油脂压力为75～100bar，足以克服油脂在管内的损耗，保证输送到盾构机上的多个油脂分配阀时有足够的压力，再由油脂分配阀非均匀的将油脂输送到需要被润滑的部位，达到自动润滑效果，如图2。
图2 EP2润滑系统原理图
油脂分配阀在润滑系统中起着重要作用，它的结构组成如图3所示。其工作过程：当设备启动时，PLC发出指令为二位二通电磁阀通电，如图4，具有压力的油脂进入油脂分配阀，开始进行油脂分配；在此种情况下，分配阀所分配的油脂量可以通过控制阀芯的冲程数进行计算，阀芯的冲程数通过脉冲传感器输入到PLC，如图5；当累积到一定量的冲程数时，PLC发出指令，停止向电磁阀通电，油脂分配阀的进口关闭，油脂分配结束。当下个指令发出时，照此重复进行。
图3 油脂分配阀组成
1-阀板；2-电磁阀；3-阀芯；4-脉冲传感器；5-阀块（定量块）
图4 PLC控制电磁阀电路图
图5 脉冲信号传回PLC图
3 故障排除实例
一次，在盾构机操作室的电脑上，显示中心回转体油脂润滑系统故障，通过利用PLC程序和显示的错误信息，查得是油脂分配阀的输出无信号。将冲程传感器拆除，将一直径与传感器内径相差不多的金属棒体插入其中，作活塞式往复运动，可以从PLC输入指示灯看出，传感器能正常工作，随后将其中的一条输出油脂管拆除，手动进行注脂，油脂还是不能注出;后将分配阀整体拆下，在机修房拆开检查、清洁，后在清理阀板时，从阀板孔中取出一颗细小砂子（直径约1mm），安装到盾构机上，试机正常，原来是机修工在更换油脂桶时，操作不慎，有杂物掉入油脂桶，导致了此故障的发生。
近年来，如何提高生产效率并有效降低残次品的发生，是各OEM厂商和部分零部件制造商亟待解决的问题。以技术见长的日产汽车公司已经有了一系列尝试并取得了良好的效果。
众所周知，整车制作的后一道工艺是总装，有成千上万个零件在这个工艺过程中被安装在油漆好的车身上，从零部件入库，到根据生产计划发料，到搬运到各条分装线的集配区，到物流工人进行集配，到配料箱输送，到主线边进行安装，每一种零部件都要周转好几次，再加上车型不一、配置不同等因素的影响，基本上每一个OEM厂商的总装车间都要对几万种零部件进行管理，并且要对每一个环节进行控制。这样一个物流系统想要组织管理好难度相当大，如果没有现代化的辅助工具，就很容易出现差错。
针对以上情况，现在的大多数OEM厂商采用了以下方案：利用MES系统对生产计划进行分析处理，通过分布在各个工位的打印机将本工位相对应的工作任务打印出来，操作人员就根据这些打印内容来决定自己的工作（如图1所示）。
图1 大多数OEM厂商采用MES系统对生产计划进行分析处理
这种方法固然是一个很不错的解决方案，仍然存在很多有待改进的地方，尤其是在现代化的汽车制造工厂里，生产速度非常快（如广州丰田，目前生产每辆车耗时84s），有些问题就尤其突出：，人在读取有关信息的时候是会犯错误的；第二，取打印纸是需要时间的；第三，在一个大型的制造车间里，这样每天都要浪费大量的纸张。
IPMS系统作为MES系统的一个补充和改进，弥补了上述缺点。
IPMS系统构成
以下以东风汽车（乘用车）广州有限公司总装车间的IPMS系统应用为例介绍其结构与功能。
IPMS系统主要由三部分组成：上位计算机系统、PLC工作站和现场带拨杆的指示灯。该系统的工作原理如下：上位计算机系统负责接收来自MES系统传来的生产计划，并根据操作人员事先设定好的参数，数据库对生产计划进行分析和分解，把有关信息和结果下传到PLC工作站；PLC工作站接收到上位计算机系统传来的信息之后，就把这些信息转换成指示灯状态和触摸屏上的信息，现场操作人员只需观察料架上指示灯的明灭状态就可以知道下一步应该取什么物料，以及应该取用多少。操作人员取料完毕后，需要拨动相应料格上的拨杆，以告诉该系统本步工作已经完成，系统就会自动修改指示灯的状态，待一个循环全部完成之后，系统返回一个完成信号，并开始下一轮新的循环。整个系统结构如图2所示，各部分的作用与功能为：
图2 采用IPMS系统是对MES系统的补充和改进
1、IPMS服务器：负责从上位MES系统接收生产计划，并根据事先设定好的参数数据库进行分析，如本计划需要哪些物料，这些物料的指示工作由哪些PLC工作站负责等；
2、IPMS从站：主要用来接收IPMS服务器的分析结果，并把这些结果下传到相应的PLC工作站；之需要这些从站，主要是考虑到信息传递的实时性。如果所有的PLC从站（有时候可能会达到100台）都由一台计算机控制的话，很有可能发生信息传递不及时等故障；
3、PC终端：用来对IPMS服务器进行参数设定，要想让IPMS服务器了解上位MES系统传来的生产计划文件中的各个数据的含义，就必须使用PC终端对IPMS服务器进行参数设定；
4、PLC工作站：接收IPMS从站传来的数据，根据这些数据来控制料架上各个指示灯的明灭状态，并收集现场操作人员的有关操作信息，从而实时修改各指示灯的状态；
5、触摸屏：显示生产过程中的有关信息，比如生产序号、本次操作共需集配多少零件、已经集配完毕多少零件等；
6、指示灯（取出指示）：此类指示灯安装在料架的正面（朝向车间内部集配人员），每个料格上各安装一个以对应一种零件。在一个操作循环中，集配人员只需要观察这些指示灯的状态，取出指示灯亮着的料格里面的零件即可，取料完毕后拨动灯上的拨杆（如图3所示）；
图3 取出指示灯工作状态
7、指示灯（投料指示）：此类指示灯安装在料架的背面（朝向车间外仓库物流的来向），当一批物料由输送车送来之后，操作人员使用接在PLC上的条码枪扫描物料包装上的条形码，这时放置该物料的料格上的指示灯就会点亮，操作人员根据指示灯的状态把仓库送来的物料放入料架中去；
8、指示灯（料车位置指示）：物料从料架上取出之后，有时候放置在集配盒中直接由输送链送到装配线旁边即可，有时候则需要好几个集配盒进行集配；而这些集配盒所集配的零件又各不相同，这时候就需要把这些集配盒放置在一辆料车里。集配时料车放置在一个固定的架子旁，架子上也安装有指示灯，这些指示灯和料架上的指示灯协同工作，所有盒子逐个分批指示，从而正确完成集配工作。
IPMS系统功能
IPMS系统主要具有以下功能：
1、取料指示：如前所述，当集配人员取料时，料架上的指示灯就会根据当前实际需要点亮或者熄灭，以告诉操作人员哪些是需要选取的，以及需要多少；
2、投料指示：当物流人员从仓库领取物料送达集配区以后，领料员只需使用料架上配备的条形码阅读器扫描物料容器上预先贴好的条形码，系统将自动将该物料所在料格上的指示灯点亮，领料员根据亮灯的位置进行投料；
3、在库管理：自动计算物料的进出库数量，当某一种物料的在库数量低于并事先设定的数值的时候，系统会以声音和文本的形式进行报警；
4、扭矩管理：系统支持阿特拉斯等扭紧机，并可以对这些设备的工作情况进行实时监控，当扭矩过大或者不足时，系统可以自动报警；
5、同步功能：当整个总装车间的各个分装线需要进行协同工作的时候，系统可以监视各分装线的生产进程，当某条线出现滞后现象时，可以声光和文本报警。
结语
以上大概介绍了IPMS系统在东风汽车（乘用车）广州有限公司总装车间的应用情况，目前，该项目还在该厂持续开展，并已经取得了良好的效果。需要指出的是，本文着重介绍了一种思路，而并非一种唯一的解决方案，大家完全可以在这种思路的启发下根据自己不同的需要来订制适合自己实际情况的系统。比如，操作人员集配完毕后需要将完成信息输入PLC工作站，在本例中使用的方法是拨杆，其实也可以使用诸如F3W系列的光电开关。