充滿變化的包裝機(jī)械市場(chǎng)

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司 宋華振

1 永遠(yuǎn)不變的是變化

包裝機(jī)械是最為廣泛而又充滿變化的市場(chǎng)，因?yàn)榘b機(jī)械所針對(duì)對(duì)象的生產(chǎn)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變化，例如包裝容器的材料（塑料、玻璃、金屬、紙制）、容量（100ml，100mg，1l，1kg）、形狀（圓形、方形、異形），包裝組合（如藥品內(nèi)部瓶裝、外部盒裝等，盒子再裝更大的盒），其它的機(jī)械制造業(yè)沒(méi)有一個(gè)行業(yè)像包裝機(jī)械這樣具有如此多的變化。并且，按照其包裝對(duì)象和材料等的不同也劃分了很多包裝領(lǐng)域。

? 食品與飲料：包含了啤酒、可樂(lè)、白酒、牛奶、巧克力、咖啡、雞蛋、糖果、礦泉水等日常食品包裝；

? 瓦楞紙包裝：包含了瓦楞紙?jiān)O(shè)備、裁切設(shè)備、折盒糊盒訂箱等設(shè)備；

? 醫(yī)藥包裝：例如泡罩包裝的片劑、針劑、制劑的盒裝、袋裝、瓶裝等方式；

? 煙草包裝：包含了軟盒、硬盒、條裝、箱裝等的變化；

? 保鮮類包裝：例如牛奶、酸奶、水果、雞蛋等。

所有這些包裝的變化對(duì)機(jī)械和控制系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，我們要思考的是，如何去適應(yīng)如此多的變化？

2 包裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的需求

2.1 聯(lián)線生產(chǎn)的需求

聯(lián)線生產(chǎn)是將原來(lái)的各個(gè)分立的單元組合為一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程，取消了物料在生產(chǎn)過(guò)程中的搬運(yùn)、在線儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)，降低在線物流和取消中間物流環(huán)節(jié)從而大大提高效率。

在2010年的Chinabrew& China Beverage（中國(guó)國(guó)際啤酒、飲料工業(yè)展）上，KRONES這一全球最知名的灌裝線整體方案提供商展出了他們的一體化機(jī)器，將吹瓶、清洗、在線檢測(cè)、灌裝、壓蓋、貼標(biāo)、熱膜包裝、堆垛、裝箱整體構(gòu)成一條生產(chǎn)線，這樣，飲料制造商就可以在最為高速的情況下生產(chǎn)，因?yàn)槿∠松a(chǎn)中間環(huán)節(jié)的周轉(zhuǎn)時(shí)間，使得整廠效率大幅度提升。另外，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程在嚴(yán)格的管理系統(tǒng)監(jiān)控之下，數(shù)據(jù)可以被集成在一個(gè)大的整廠架構(gòu)下，以便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的品質(zhì)數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和進(jìn)行工藝改善和質(zhì)量追溯，這一切都能使得整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)效率得到大幅度的提升。

圖1 一體化機(jī)器生產(chǎn)流程

而在瓦楞紙展上我們也看到國(guó)內(nèi)的制造商開(kāi)發(fā)出從瓦楞紙板的開(kāi)槽印刷、模切、糊盒、碼垛一體化的機(jī)器，這些都將整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程效率得到大幅度的提升，包括預(yù)印的柔版技術(shù)，也能將面紙與瓦楞線進(jìn)行集成，使得瓦楞紙板直接就可以進(jìn)行裁切使用，而無(wú)需經(jīng)后道印刷即可，不僅提高了效率，而且也提高了品質(zhì)，因?yàn)轭A(yù)印技術(shù)能夠更好地保持瓦楞面的強(qiáng)度。

在嬰兒紙尿褲的生產(chǎn)線中將各種材料的放卷、裁切、壓合、理片、碼垛、裝包、熱封、裝箱進(jìn)行復(fù)合，能夠快速地生產(chǎn)出各種不同的產(chǎn)品。

聯(lián)線生產(chǎn)對(duì)于自動(dòng)化的要求有以下幾個(gè)方面：

? 開(kāi)放而靈活的接口設(shè)計(jì)：一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)才能連接到各個(gè)傳感器、儀器儀表、安全系統(tǒng)、這不僅包括了設(shè)備之間的互聯(lián)，也包括了與上位的ERP/MES，CIMS等系統(tǒng)的互聯(lián)能力，包括開(kāi)放的接口如OPC Server，與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接等。

? 靈活的硬件設(shè)計(jì)：首先要有完整的產(chǎn)品線來(lái)滿足各種控制系統(tǒng)的產(chǎn)品，如B&R的GMC就包含了針對(duì)同步伺服、異步伺服、直流、步進(jìn)、液壓等的控制，同時(shí)也包含了機(jī)器人和CNC庫(kù)的支持能力。

2.2 更為柔性的生產(chǎn)：快速工藝切換

由于包裝對(duì)象的不斷變化，對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性也提出了巨大的挑戰(zhàn)，一方面，工藝要快速切換，另一方面，無(wú)需為一個(gè)新的生產(chǎn)設(shè)計(jì)新的機(jī)器，這就體現(xiàn)在生產(chǎn)系統(tǒng)的適應(yīng)范圍上，而生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)工廠的組織、流程的優(yōu)化，在執(zhí)行面上，由自動(dòng)化系統(tǒng)提供的則是快速的工藝切換，以及帶來(lái)的生產(chǎn)范圍的擴(kuò)展。在這一方面，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)帶來(lái)的貢獻(xiàn)頗為巨大，運(yùn)動(dòng)控制如何改變了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性呢？我們從幾個(gè)例子可以看到。

（1）裁切

最為常見(jiàn)的包裝動(dòng)作是熱封動(dòng)作，無(wú)論在臥式還是立式的食品包裝機(jī)械里都存在這個(gè)單元，而裁切動(dòng)作變化的是尺寸和壓力，而這些最容易在運(yùn)動(dòng)控制上來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)裁切尺寸和壓力的扭矩輸出值的變化就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而原有的系統(tǒng)則需要根據(jù)參數(shù)的變化進(jìn)行機(jī)械的調(diào)整。

（2）灌裝

系統(tǒng)可以根據(jù)瓶子的容量需求自動(dòng)調(diào)整灌裝過(guò)程，根據(jù)不同的飲料例如碳酸飲料、啤酒、水，修改各閥的動(dòng)作邏輯，這些對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)而言都是非常簡(jiǎn)便的。

對(duì)于控制技術(shù)而言，例如B&R的運(yùn)動(dòng)控制ACOPOS可實(shí)現(xiàn)電子凸輪的在線切換，可以“邊運(yùn)動(dòng)，邊計(jì)算”。它是依賴于實(shí)時(shí)通信技術(shù)來(lái)保證各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間關(guān)系的快速切換，實(shí)現(xiàn)在線的工藝切換能力。

2.3 安全技術(shù)

隨著終端用戶以及政府對(duì)于人身安全的重視，系統(tǒng)的安全性必須得到重視，這是強(qiáng)制性的，尤其是中國(guó)的包裝機(jī)械制造商，如果想要進(jìn)入歐洲市場(chǎng)的話，這個(gè)是必須去考慮的。

遵循IEC61508定義了整個(gè)產(chǎn)品生命周期里的安全技術(shù)，從系統(tǒng)安全的識(shí)別、評(píng)估、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試、運(yùn)行、維護(hù)與拆除的整個(gè)過(guò)程都定義對(duì)應(yīng)的方法與標(biāo)準(zhǔn)，包括EN 62601，61784等定義了整個(gè)安全設(shè)計(jì)，以及EN61800-5-2定義的可調(diào)速系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，即Safe Motion的SLS，SS1，SS2，SBC等的定義。

為此各自動(dòng)化廠商均推出了具有滿足SIL3和PLe等級(jí)的SafeLOGIC，Safe Motion以及Safety Fieldbus技術(shù)，而值得一提的是B&R推出的openSAFETY技術(shù)，它可以運(yùn)行在不同的現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)技術(shù)之上，對(duì)于最終用戶和機(jī)械制造商而言均可使用，并且它是一項(xiàng)開(kāi)源技術(shù)（Open Source Technology）。

2.4 統(tǒng)一而標(biāo)準(zhǔn)的操作

OMAC組織是全球知名的包裝用戶如P&G，Nestlé，Coca Cola及知名的自動(dòng)化廠商Rockwell Automation，SIEMENS，B&R等共同組建的國(guó)際組織，一直致力于使包裝機(jī)械具有一致的操作界面，并且具有程序上的公用性模塊化設(shè)計(jì)，使得終端生產(chǎn)者如P&G，Coca Cola，Nestlé等可以在安裝無(wú)論哪家廠商的機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)時(shí)都可以自如操作，因?yàn)樗械牟僮鹘缑姹辉O(shè)計(jì)為統(tǒng)一的，任何人都可以快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的操作。而即使對(duì)于維護(hù)人員而言，軟件的模塊化和開(kāi)放性也使得他們能夠快速地進(jìn)行程序的修改以及為工藝調(diào)整而進(jìn)行的程序調(diào)整。

圖2 PackML標(biāo)準(zhǔn)化的操作界面

PackML定義了機(jī)器的不同狀態(tài)如Starting，Suspended，stopping，aborted等，機(jī)器的運(yùn)行過(guò)程是在這些過(guò)程之間的切換和組合，無(wú)論機(jī)器的運(yùn)行多么復(fù)雜，而展示給操作者的是簡(jiǎn)單易學(xué)的畫(huà)面。同時(shí)，OMAC也定義了機(jī)器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的統(tǒng)一架構(gòu)，包含了基于PC、PLC和驅(qū)動(dòng)器為控制中心的各種不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

統(tǒng)一而標(biāo)準(zhǔn)的操作，是包裝機(jī)械的未來(lái)發(fā)展需求，而大型的終端用戶的加入必然使得這一趨勢(shì)得以實(shí)現(xiàn)。