雖然包裝過(guò)無(wú)數(shù)產(chǎn)品的各種包裝機(jī)械并不算是新事物，但是當(dāng)今的自動(dòng)化技術(shù)提供了一個(gè)全新的包裝率水平。大部分以前的自動(dòng)化局限于一種架構(gòu)，它通過(guò)由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大型機(jī)械動(dòng)力軸、動(dòng)力設(shè)備和執(zhí)行器來(lái)完成各種包裝功能。這些所謂的*代包裝機(jī)不能提供或提供很少的變速操作。這樣，術(shù)語(yǔ)“自動(dòng)化孤島”同樣具體地形容了包裝線(xiàn)。
現(xiàn)在的情況已大不相同。當(dāng)今的第三化包裝機(jī)都是電動(dòng)的，它具有伺服控制并通過(guò)*的性能如電子傳動(dòng)裝置和凸輪系統(tǒng)將多軸運(yùn)動(dòng)緊密地同步化。這個(gè)演變過(guò)程中至少還插入一個(gè)階段——第二代的混合包裝機(jī)，它大部分運(yùn)用機(jī)械自動(dòng)化，但在一些關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)插入伺服控制。第二代包裝機(jī)擁有很大的安裝基礎(chǔ)，并仍在許多應(yīng)用中處于統(tǒng)治地位。
規(guī)劃非常重要
任何一個(gè)包裝線(xiàn)自動(dòng)化項(xiàng)目必須從一個(gè)整體的規(guī)劃開(kāi)始。Dan Throne, Bosch Rexroth 公司電氣驅(qū)動(dòng)和控制業(yè)務(wù)部門(mén)的食品和包裝行業(yè)，建議一個(gè)3步的規(guī)劃，它聚焦于決定項(xiàng)目的需要、選擇正確的自動(dòng)化伙伴以及評(píng)估長(zhǎng)期的目標(biāo)和成本。
Throne 將生產(chǎn)量、精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間列為主要參數(shù)，用于衡量所需要的自動(dòng)化水平，包括包裝線(xiàn)的總體布局和用于處理成套產(chǎn)品的生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)量。這需要OEM和自動(dòng)化伙伴。他推薦在選擇OEM之前選擇自動(dòng)化伙伴，從而保證與技術(shù)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的專(zhuān)家保持緊密的。
Forte Industries （Mason,OH）,一個(gè)專(zhuān)門(mén)從事改進(jìn)供應(yīng)鏈分配操作的專(zhuān)業(yè)公司，也強(qiáng)調(diào)整體的規(guī)劃和多步驟的方法使自動(dòng)化方案獲得成功。“重視關(guān)鍵的業(yè)務(wù)需求。了解你的生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)量及相關(guān)事項(xiàng)。控制的復(fù)雜性與過(guò)程的復(fù)雜性緊密相關(guān)。”Forte公司的系統(tǒng)顧問(wèn)David Gealy這樣說(shuō)。
Bill Tyng, Forte公司的另一個(gè)顧問(wèn)，建議要檢查產(chǎn)品的可變性和生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸。這些預(yù)備工作有助于評(píng)估包裝線(xiàn)的數(shù)量及體積要求等。一個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目應(yīng)按照概念設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的典型步驟進(jìn)行——據(jù)此來(lái)鑒別供應(yīng)商和發(fā)布用于報(bào)價(jià)的投標(biāo)書(shū)——接下來(lái)的工作由所選的廠商實(shí)現(xiàn)。
同樣，Omron Electronics的傳感器市場(chǎng)David Grimmett說(shuō)：“包裝線(xiàn)的自動(dòng)化必須強(qiáng)調(diào)公司的業(yè)務(wù)需求以及純粹的技術(shù)問(wèn)題。”他認(rèn)為，用于自動(dòng)化的成本需要5至10年的時(shí)間才能證明是合理的。“自動(dòng)化的目標(biāo)在于更快的投運(yùn)以及用于短期生產(chǎn)的產(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)換。”
對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)的集成人員來(lái)說(shuō)，在向客戶(hù)發(fā)貨之前，在*實(shí)驗(yàn)室中建立原型生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行演示，這是正常的。
選擇結(jié)構(gòu)
PLC仍然在包裝線(xiàn)所有控制結(jié)構(gòu)中占統(tǒng)治地位，然而基于軟件和基于PC的控制呈上升趨勢(shì)。Omron的Grimmett認(rèn)為，PLC對(duì)PC的比例約是80對(duì)20。Bosch Rexroth也有相同的觀點(diǎn)。對(duì)于前兩代包裝機(jī)的大量安裝基礎(chǔ)，估計(jì)基于PLC的結(jié)構(gòu)仍保持勝過(guò)運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，其比例大概為70比30。
Forte Industries的Tyng認(rèn)為，控制結(jié)構(gòu)的類(lèi)型取決于誰(shuí)將支持這個(gè)系統(tǒng)。一些用戶(hù)對(duì)于PLC有著特別的偏愛(ài)。“它也取決于控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。如果不具備支持PLC的專(zhuān)長(zhǎng)，那么PC控制就是你的選擇，”他補(bǔ)充說(shuō)。
直到zui近，PLC結(jié)構(gòu)和HMI特性相結(jié)合在包裝機(jī)領(lǐng)域中才比較明顯。
“現(xiàn)在對(duì)于全電氣化的機(jī)器，伺服控制的內(nèi)容非常重要，以致用戶(hù)主要關(guān)心這樣的問(wèn)題，例如‘我應(yīng)該使用哪種運(yùn)動(dòng)控制器？’或‘控制器需要哪些接口？’”Bosch Rexroth公司的Throne說(shuō)，PLC已成為可用于這一類(lèi)全電氣化機(jī)器上的附加選擇，被降級(jí)到完成相對(duì)次要的控制任務(wù)。“但PLC仍然是滿(mǎn)足客戶(hù)提出的技術(shù)規(guī)格和要求的控制器”，他進(jìn)行補(bǔ)充。Elau Inc.——專(zhuān)門(mén)從事控制第三代包裝機(jī)解決方案的自動(dòng)化技術(shù)公司——強(qiáng)調(diào)在過(guò)去的5年中注重包裝自動(dòng)化是提高各種不同機(jī)器生產(chǎn)量的原因。成功來(lái)自于使用伺服控制，在同一個(gè)處理器上集成IEC61131-3運(yùn)動(dòng)和邏輯控制以及OMAC（Open Modular Architecture Controls開(kāi)放、模塊化結(jié)構(gòu)控制）Plug-and-Pack Guideline（即插即封裝導(dǎo)則）的各種不同的創(chuàng)新部件。
運(yùn)動(dòng)控制的作用
根據(jù)Bosch Rexroth 的經(jīng)驗(yàn)，在當(dāng)前出售的包裝機(jī)中，30%~40%有伺服驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制。令人吃驚的是，根據(jù)Throne所說(shuō)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，第三代和*代機(jī)器之間的成本差別相當(dāng)小。部分的原因在于前者的機(jī)械部件減少了80%，而機(jī)械部件會(huì)帶來(lái)?yè)p耗和增加維護(hù)費(fèi)用。Omron的Grimmett預(yù)計(jì)在新的包裝設(shè)備中會(huì)有更高比例的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。
以前的包裝“自動(dòng)化”典型地使用一個(gè)具有變速箱、鏈條和滑輪等的主電機(jī)來(lái)傳送動(dòng)力和扭距到需要的地方。這也意味著轉(zhuǎn)換的時(shí)間需要幾個(gè)小時(shí)，例如改變紙箱包裝機(jī)上紙箱的大小。“現(xiàn)在使用的（到伺服電機(jī)的）編碼器反饋可以快速地調(diào)整導(dǎo)軌或其他包裝機(jī)械的功能。”Grimmett解釋說(shuō)。
出乎工程人員的想象，對(duì)增強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，幾乎沒(méi)有什么限制。在采用*技術(shù)的終點(diǎn)，有自動(dòng)化的連接板，它拼接包裝材料的一個(gè)滾筒到緊鄰位置，因而操作員不需要停止機(jī)器的運(yùn)行就能裝載一個(gè)新的滾筒。伺服控制還能在生產(chǎn)線(xiàn)的尾端幫助包裝物或瓶子進(jìn)行定向以用于檢驗(yàn)或粘貼標(biāo)簽。
視覺(jué)系統(tǒng)、傳感器及其他
包裝線(xiàn)的自動(dòng)化程度日益增加，促使將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)用于檢驗(yàn)產(chǎn)品。因?yàn)橐曈X(jué)系統(tǒng)能檢查產(chǎn)品的某種特性或檢查產(chǎn)品是否到位與/或校正標(biāo)簽的位置。推動(dòng)這股潮流的動(dòng)力在于其成本更低，同時(shí)更多的用戶(hù)對(duì)使用視覺(jué)系統(tǒng)的意識(shí)增強(qiáng)。
要求精密和可靠的應(yīng)用系統(tǒng)是采用視覺(jué)系統(tǒng)的另外一個(gè)因素。藥品包裝的要求zui高，需要加工過(guò)程100%的有效。“在加工過(guò)程中安裝一個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)，能發(fā)現(xiàn)并清除批量生產(chǎn)中不合格的產(chǎn)品。這相當(dāng)于在過(guò)程中閉合了回路，”Omron的Grimmett說(shuō)。
Grimmett解釋?zhuān)谝恍┌b應(yīng)用中，對(duì)能感知到干凈、清潔的物體（如儲(chǔ)物袋、瓶子等）的要求日益增強(qiáng)。一個(gè)產(chǎn)品例子就是Omron的E3Z-B后反射傳感器，它能偵測(cè)到非常小的亮度變化。定制的光學(xué)和電子技術(shù)使具有這種*水準(zhǔn)的傳感器成為可能。典型的應(yīng)用是PET塑料瓶生產(chǎn)線(xiàn)，能夠檢查瓶蓋和商標(biāo)的位置。
Forte公司的Gealy說(shuō)，觸摸屏（顯示在線(xiàn)診斷、重量標(biāo)定的操作作員站）和類(lèi)似的設(shè)備代表了自動(dòng)化的另一個(gè)分支。對(duì)于操作員接口和顯示器來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是能過(guò)濾掉提供的大量數(shù)據(jù)并向用戶(hù)傳達(dá)zui有意義的信息。在自動(dòng)化過(guò)程中必須能識(shí)別對(duì)操作者是關(guān)鍵的圖形和數(shù)據(jù)。
分布式控制
也許第三代包裝技術(shù)中優(yōu)勢(shì)的地方在于它能將運(yùn)動(dòng)控制分散到每個(gè)單獨(dú)的機(jī)器或生產(chǎn)段中。處理特定包裝站的每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)能夠由一個(gè)控制器通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)（如SERCOS）地進(jìn)行同步。
Bosch Resroth的第三代包裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)/邏輯控制器采取的不是基于機(jī)架（一般指PLC）就是基于PC的形式。一個(gè)控制器處理多達(dá)40個(gè)運(yùn)動(dòng)軸從而減輕系統(tǒng)控制器的負(fù)擔(dān)，運(yùn)行20個(gè)軸的更為典型，Throne說(shuō)。多控制器能夠處理多達(dá)1280個(gè)軸。
以前，不能通過(guò)同步化以形成一個(gè)集成的生產(chǎn)線(xiàn)，Elau公司技術(shù)人員Tom Jensen說(shuō)。“包裝線(xiàn)過(guò)去依靠許多聚集起來(lái)的設(shè)備，這樣在機(jī)器之間的加工過(guò)程中必須排隊(duì)進(jìn)行?，F(xiàn)在，包裝者意識(shí)到將包裝線(xiàn)更加緊密地進(jìn)行同步化的好處。”傳送裝置更多地作為機(jī)器之間的產(chǎn)品收集器，包括一些靈巧的變型，例如節(jié)省地面空間的螺旋形傳送帶。
包裝線(xiàn)中控制器之間的同步是獨(dú)立于電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步的一個(gè)令人關(guān)注的問(wèn)題。這種同步參照OMAC的同步化總線(xiàn)（基于IEEE1588），為了保證*化的數(shù)據(jù)流，它力求在分布式測(cè)試、測(cè)量或控制系統(tǒng)中的不同部分統(tǒng)一時(shí)鐘。
現(xiàn)在生產(chǎn)商設(shè)計(jì)更加模塊化、多功能的機(jī)器，它擺脫了長(zhǎng)期以來(lái)累積的瓶頸問(wèn)題并減少了體積大小。模塊化的設(shè)計(jì)還加速包裝形式的改變并使重新配置未來(lái)機(jī)器成為可能。
一個(gè)OEM能夠，例如，將一個(gè)紙板包裝模塊插入到一個(gè)填充/封裝機(jī)，或增加一個(gè)箱體包裝機(jī)器人到紙板包裝機(jī)中。在控制層中，增加一個(gè)大代碼塊（如IEC功能塊）就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)附加功能，而不需要更多的控制硬件。“控制的可伸縮程度是第三代包裝機(jī)的一個(gè)重要屬性，”Jensen補(bǔ)充。
他認(rèn)為要使第三代的包裝機(jī)更具有競(jìng)爭(zhēng)力，至少應(yīng)該采取集成的運(yùn)動(dòng)和邏輯控制。
Jensen的觀點(diǎn)是，自動(dòng)化的架構(gòu)必須超出PLC類(lèi)型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這樣才能有效地接口到MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）數(shù)據(jù)、接口到影響生產(chǎn)量的上游操作以及能看到設(shè)備效率的整體畫(huà)面。
使包裝生產(chǎn)線(xiàn)有效地自動(dòng)化的3個(gè)步驟
確定你的需要
確定你的包裝線(xiàn)的生產(chǎn)量、性和需要轉(zhuǎn)換的頻繁程度—即生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)量和在同一生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)作不同產(chǎn)品的靈活性類(lèi)型。這將有助于你決定生產(chǎn)線(xiàn)類(lèi)型的布局以及你需要的自動(dòng)化機(jī)器的水準(zhǔn)。如果你的生產(chǎn)線(xiàn)是一條慢速的且只生產(chǎn)一種產(chǎn)品的線(xiàn)，則在機(jī)器上需要運(yùn)行一個(gè)固定的機(jī)械裝置。
對(duì)為您制造機(jī)器的原始設(shè)備制造商（OEM）自動(dòng)化水平進(jìn)行調(diào)查，如：
◆ 第1代——非伺服，生產(chǎn)線(xiàn)上的機(jī)器由機(jī)械軸驅(qū)動(dòng)；
◆ 第2代——混合型，在關(guān)鍵的機(jī)器區(qū)有少數(shù)伺服；
◆ 第3代——都是基于伺服的電氣設(shè)備，提供zui高的生產(chǎn)量和靈活的操作轉(zhuǎn)換。
請(qǐng)注意OEM使用的是哪種控制器（或他們的自動(dòng)化伙伴是誰(shuí)）——用于運(yùn)動(dòng)、邏輯、伺服、HMI、I/O系列和電機(jī)等。找出大多數(shù)你的OEM所使用的是哪個(gè)自動(dòng)化供應(yīng)商提供的解決方案；由于已經(jīng)為OEM所接收、認(rèn)可，供應(yīng)商將為你提供較低成本的控制解決方案的機(jī)遇。研究這個(gè)自動(dòng)化方案供應(yīng)商提供的技術(shù)，它是否適合于你的要求和靈活程度。一旦OEM作為被擔(dān)保人過(guò)期，你必須能支持你所選擇的自動(dòng)化解決方案。
選擇您需要的自動(dòng)化伙伴
在選擇OEM之前，請(qǐng)選擇一個(gè)自動(dòng)化伙伴。
A 選擇了解這個(gè)行業(yè)并精通食品和包裝應(yīng)用的伙伴。你需要一個(gè)關(guān)心您的利益并能夠在惡酷的生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行管理的伙伴。
B 要求一個(gè)開(kāi)放架構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)，而不是一個(gè)鎖定于特定控制器、驅(qū)動(dòng)和電機(jī)等的架構(gòu)。
C 選擇一個(gè)可以為你的應(yīng)用提供正確技術(shù)的伙伴，例如用于高速生產(chǎn)線(xiàn)（如連續(xù)作業(yè)卷繞機(jī)和紙板包裝機(jī)）的交流伺服驅(qū)動(dòng)和用于紙箱包裝機(jī)以及碼垛機(jī)的氣動(dòng)技術(shù)，它需要的自動(dòng)化技術(shù)的成本zui低。同樣，應(yīng)該為你的機(jī)器的傳送帶和其他部件考慮自動(dòng)化機(jī)械的解決方案。
D 選擇一個(gè)伙伴，他能在范圍內(nèi)提供并能對(duì)你的要求足夠地重視。你的伙伴應(yīng)該專(zhuān)心致志、工作努力，并為正確地完成任務(wù)而提供適用資源。
E 選擇一個(gè)真正的性伙伴，他在北美、歐洲和亞洲有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為什么呢？因?yàn)槟愕囊恍㎡EM供應(yīng)的設(shè)備可能來(lái)自其他國(guó)家。
F 選擇一個(gè)注重更高性能系統(tǒng)的伙伴，而不是只能處理你的系統(tǒng)的60%~70%，但將更困難的部分留給其他供應(yīng)商的人。在這種情況下，你將會(huì)有兩種控制系統(tǒng)滿(mǎn)足你的需要——而zui終將限制整個(gè)生產(chǎn)量。
G 向當(dāng)今*的自動(dòng)化伙伴要求提供關(guān)鍵的技術(shù)：
◆ 在單個(gè)控制器上，伺服的多軸同步高達(dá)40個(gè)；
◆ 到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字SERCOS光纖通信；
◆ 230~480V交流（能自動(dòng)測(cè)定范圍）的更高電壓的驅(qū)動(dòng)，三相輸入，這樣不需要使用變壓器；
◆ 內(nèi)置的、*的電機(jī)反饋，您的機(jī)器不需要?dú)w原位，從而節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)；
◆ 控制、驅(qū)動(dòng)和電機(jī)上有可拆卸的閃存（flash memory）的性能，這樣能快速方便的進(jìn)行更換。不需要通過(guò)膝上型計(jì)算機(jī)下載的軟件修訂本；
◆ 當(dāng)您試圖集成來(lái)自不同OEM的機(jī)器，將一臺(tái)機(jī)器的控制與另一臺(tái)進(jìn)行同 步化的能力會(huì)大大地減少了接口的問(wèn)題。這能夠節(jié)省幾個(gè)月在工廠進(jìn)行集成的時(shí)間，因而能將你的產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)。
不要因小失大
選擇穩(wěn)定的和易于溝通業(yè)務(wù)的OEM。要明確他們理解你的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)并能準(zhǔn)時(shí)地提供資源。
如果可能的話(huà)，為你的整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)選擇一個(gè)OEM伙伴——附非你的生產(chǎn)過(guò)程非常特殊，因而需要對(duì)該應(yīng)用是*的OEM?？梢钥紤]選擇zui大、的OEM，他可以將工作分別承包給一些小的OEM。這樣你的責(zé)任可以單一化，避免了通信和集成的問(wèn)題。
一旦你選定了自動(dòng)化伙伴和OEM，可以在項(xiàng)目啟動(dòng)前召開(kāi)一次集中的會(huì)議，包括OEM、系統(tǒng)集成商（如果有的話(huà)）、自動(dòng)化伙伴和您公司的項(xiàng)目。這個(gè)會(huì)議應(yīng)該得到的結(jié)果包括：
◆ 確保每個(gè)與會(huì)人都認(rèn)可他/她的責(zé)任；
◆ 制定并認(rèn)可項(xiàng)目的階段表；
◆ 確立相互溝通的基本規(guī)則；
◆ 同意在項(xiàng)目中出現(xiàn)重大問(wèn)題的時(shí)候隨時(shí)召開(kāi)會(huì)議；
◆ 在項(xiàng)目全部完成并可以鑒定好或壞的實(shí)踐效果時(shí)召開(kāi)會(huì)議。如果一切進(jìn)行順利，則將來(lái)還有合作的機(jī)會(huì)。
這將有利于項(xiàng)目的平滑進(jìn)行，減少意外事件的發(fā)生。（end）
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