包装生产线的模块化设计

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欢迎访问e展厅 展厅 9 自动包装机械展厅 枕式包装机, 立式包装机, 定量包装秤, 透明膜包装机, 充填包装机械... 良好的规划、模块化的设计以及最新的运动控制、机器视觉和软件方法等将带来更小巧的机器、更快的转换时间以及更高的生产率。 虽然包装过无数产品的各种包装机械并不算是新事物，但是当今的自动化技术提供了一个全新的包装率水平。大部分以前的自动化局限于一种架构，它通过由主电机驱动的大型机械动力轴、动力设备和执行器来完成各种包装功能。这些所谓的第一代包装机不能提供或提供很少的变速操作。这样，术语“自动化孤岛”同样具体地形容了包装线。 现在的情况已大不相同。当今的第三化包装机都是电动的，它具有伺服控制并通过先进的性能如电子传动装置和凸轮系统将多轴运动紧密地同步化。这个演变过程中至少还插入一个阶段——第二代的混合包装机，它大部分运用机械自动化，但在一些关键的运动插入伺服控制。第二代包装机拥有很大的安装基础，并仍在许多应用中处于统治地位。 规划非常重要 任何一个包装线自动化项目必须从一个整体的规划开始。Dan Throne, Bosch Rexroth 公司电气驱动和控制业务部门的食品和包装行业经理，建议一个3步的规划，它聚焦于决定项目的需要、选择正确的自动化伙伴以及评估长期的目标和成本。 Throne 将生产量、精度和转换时间列为主要参数，用于衡量所需要的自动化水平，包括包装线的总体布局和用于处理指定成套产品的生产线数量。这需要OEM和自动化伙伴。他推荐在选择OEM之前选择自动化伙伴，从而保证与最新技术和控制系统结构方面的专家保持紧密的联系。 Forte Industries (Mason,OH),一个专门从事改进供应链分配操作的知名专业公司，也强调整体的规划和多步骤的方法使自动化方案获得成功。“重视关键的业务需求。了解你的生产过程、生产量及相关事项。控制的复杂性与过程的复杂性紧密相关。”Forte公司的系统顾问David Gealy这样说。 Bill Tyng, Forte公司的另一个顾问，建议要检查产品的可变性和生产过程中的瓶颈。这些预备工作有助于评估包装线的数量及体积要求等。一个自动化项目应按照概念设计和细节设计的典型步骤进行——据此来鉴别供应商和发布用于报价的投标书——接下来的工作由所选的厂商实现。 同样，Omron Electronics的传感器市场经理David Grimmett说：“包装线的自动化必须强调公司的业务需求以及纯粹的技术问题。”他认为，用于自动化的成本需要5至10年的时间才能证明是合理的。“自动化的目标在于更快的投运以及用于短期生产的产品的快速转换。” 对于自动化系统的集成人员来说，在向客户发货之前，在中央实验室中建立原型生产线进行演示，这是正常的。 选择结构 PLC仍然在包装线所有控制结构中占统治地位，然而基于软件和基于PC的控制呈上升趋势。Omron的Grimmett认为，PLC对PC的比例约是80对20。Bosch Rexroth也有相同的观点。对于前两代包装机的大量安装基础，估计基于PLC的结构仍保持胜过运动控制类型的结构，其比例大概为70比30。 Forte Industries的Tyng认为，控制结构的类型取决于谁将支持这个系统。一些用户对于PLC有着特别的偏爱。“它也取决于控制系统的复杂程度。如果不具备支持PLC的专长，那么PC控制就是你的选择，”他补充说。 直到最近，PLC结构和HMI特性相结合在包装机领域中才比较明显。 “现在对于全电气化的机器，伺服控制的内容非常重要，以致用户主要关心这样的问题，例如‘我应该使用哪种运动控制器？’或‘控制器需要哪些接口？’”Bosch Rexroth公司的Throne说，PLC已成为可用于这一类全电气化机器上的附加选择，被降级到完成相对次要的控制任务。“但PLC仍然是满足客户提出的技术规格和要求的控制器”，他进行补充。Elau Inc.——专门从事控制第三代包装机解决方案的自动化技术公司——强调在过去的5年中注重包装自动化是提高各种不同机器生产量的原因。成功来自于使用伺服控制，在同一个处理器上集成IEC61131-3运动和逻辑控制以及OMAC（Open Modular Architecture Controls开放、模块化结构控制）Plug-and-Pack Guideline(即插即封装导则)的各种不同的创新部件。 运动控制的作用 根据Bosch Rexroth 的经验，在当前出售的包装机中，30%~40%有伺服驱动和运动控制。令人吃惊的是，根据Throne所说，对于整个系统而言，第三代和第一代机器之间的成本差别相当小。部分的原因在于前者的机械部件减少了80%，而机械部件会带来损耗和增加维护费用。Omron的Grimmett预计在新的包装设备中会有更高比例的伺服电机控制系统。 以前的包装“自动化”典型地使用一个具有变速箱、链条和滑轮等的主电机来传送动力和扭距到需要的地方。这也意味着转换的时间需要几个小时，例如改变纸箱包装机上纸箱的大小。“现在使用的（到伺服电机的）编码器反馈可以快速地调整导轨或其他包装机械的功能。”Grimmett解释说。 出乎工程人员的想象，对增强的运动控制来说，几乎没有什么限制。在采用先进技术的终点，有自动化的连接板，它拼接包装材料的一个滚筒到紧邻位置，因而操作员不需要停止机器的运行就能装载一个新的滚筒。伺服控制还能在生产线的尾端帮助包装物或瓶子进行定向以用于检验或粘贴标签。 视觉系统、传感器及其他 包装线的自动化程度日益增加，促使将机器视觉系统用于检验产品。因为视觉系统能检查产品的某种特性或检查产品是否到位与/或校正标签的位置。推动这股潮流的动力在于其成本更低，同时更多的用户对使用视觉系统的意识增强。 要求精密和可靠的应用系统是采用视觉系统的另外一个因素。药品包装的要求最高，需要加工过程100%的有效。“在加工过程中安装一个视觉系统，能发现并清除批量生产中不合格的产品。这相当于在过程中闭合了回路，”Omron的Grimmett说。 Grimmett解释，在一些包装应用中，对能感知到干净、清洁的物体（如储物袋、瓶子等）的要求日益增强。一个产品例子就是Omron的E3Z-B后反射传感器，它能侦测到非常小的亮度变化。定制的光学和电子技术使具有这种先进水准的传感器成为可能。典型的应用是PET塑料瓶生产线，能够检查瓶盖和商标的位置。 Forte公司的Gealy说，触摸屏（显示在线诊断、重量标定的操作作员站）和类似的设备代表了自动化的另一个分支。对于操作员接口和显示器来说，关键是能过滤掉提供的大量数据并向用户传达最有意义的信息。在自动化过程中必须能识别对操作者是关键的图形和数据。 分布式控制 也许第三代包装技术中最具优势的地方在于它能将运动控制分散到每个单独的机器或生产段中。处理特定包装站的每个伺服驱动和伺服电机能够由一个控制器通过光纤网络（如SERCOS）精确地进行同步。 Bosch Resroth的第三代包装机的运动/逻辑控制器采取的不是基于机架（一般指PLC）就是基于PC的形式。一个控制器处理多达40个运动轴从而减轻系统控制器的负担，运行20个轴的更为典型，Throne说。多控制器能够处理多达1280个轴。 以前，不能通过同步化以形成一个集成的生产线，Elau公司高级技术人员Tom Jensen说。“包装线过去依靠许多聚集起来的设备，这样在机器之间的加工过程中必须排队进行。现在，包装者意识到将包装线更加紧密地进行同步化的好处。”传送装置更多地作为机器之间的产品收集器，包括一些灵巧的变型，例如节省地面空间的螺旋形传送带。 包装线中控制器之间的同步是独立于电机驱动同步的一个令人关注的问题。这种同步参照OMAC的同步化总线（基于IEEE1588），为了保证最优化的数据流，它力求在分布式测试、测量或控制系统中的不同部分统一时钟。 现在生产商设计更加模块化、多功能的机器，它摆脱了长期以来累积的瓶颈问题并减少了体积大小。模块化的设计还加速包装形式的改变并使重新配置未来机器成为可能。 一个OEM能够，例如，将一个纸板包装模块插入到一个填充/封装机，或增加一个箱体包装机器人到纸板包装机中。在控制层中，增加一个大代码块（如IEC功能块）就能实现这个附加功能，而不需要更多的控制硬件。“控制的可伸缩程度是第三代包装机的一个重要属性，”Jensen补充。 他认为要使第三代的包装机更具有竞争力，至少应该采取集成的运动和逻辑控制。 Jensen的观点是，自动化的架构必须超出PLC类型的数据结构，这样才能有效地接口到MES（制造执行系统）数据、接口到影响生产量的上游操作以及能看到设备效率的整体画面。 使包装生产线有效地自动化的3个步骤 确定你的需要 确定你的包装线的生产量、精确性和需要转换的频繁程度—即生产线的数量和在同一生产线运作不同产品的灵活性类型。这将有助于你决定生产线类型的布局以及你需要的自动化机器的水准。如果你的生产线是一条慢速的且只生产一种产品的专用线，则在机器上需要运行一个固定的机械装置。 对为您制造机器的原始设备制造商（OEM）自动化水平进行调查，如： ◆ 第1代——非伺服，生产线上的机器由机械轴驱动； ◆ 第2代——混合型，在关键的机器区有少数伺服； ◆ 第3代——都是基于伺服的电气设备，提供最高的生产量和灵活的操作转换。 请注意OEM使用的是哪种控制器（或他们的自动化伙伴是谁）——用于运动、逻辑、伺服、HMI、I/O系列和电机等。找出大多数你的OEM所使用的是哪个自动化供应商提供的解决方案；由于已经为OEM所接收、认可，供应商将为你提供较低成本的控制解决方案的最好机遇。研究这个自动化方案供应商提供的技术，它是否适合于你的要求和灵活程度。一旦OEM作为被担保人过期，你必须能支持你所选择的自动化解决方案。 选择您需要的自动化伙伴 在选择OEM之前，请选择一个自动化伙伴。 A 选择了解这个行业并精通食品和包装应用的伙伴。你需要一个关心您的利益并能够在恶酷的生产环境下进行管理的伙伴。 B 要求一个开放架构的运动控制器系统，而不是一个锁定于特定控制器、驱动和电机等的专用架构。 C 选择一个可以为你的应用提供正确技术的伙伴，例如用于高速生产线（如连续作业卷绕机和纸板包装机）的交流伺服驱动和用于纸箱包装机以及码垛机的气动技术，它需要的自动化技术的成本最低。同样，应该为你的机器的传送带和其他部件考虑自动化机械的解决方案。 D 选择一个伙伴，他能在全球范围内提供技术支持并能对你的要求足够地重视。你的伙伴应该专心致志、工作努力，并为正确地完成任务而提供适用资源。 E 选择一个真正的全球性伙伴，他在北美、欧洲和亚洲有坚实的基础。为什么呢？因为你的一些OEM供应的设备可能来自其他国家。 F 选择一个注重更高性能系统的伙伴，而不是只能处理你的系统的60%~70%，但将更困难的部分留给其他供应商的人。在这种情况下，你将会有两种控制系统满足你的需要——而最终将限制整个生产量。 G 向当今顶尖的自动化伙伴要求提供关键的技术： ◆ 在单个控制器上，伺服的多轴同步高达40个； ◆ 到驱动系统的数字SERCOS光纤通信； ◆ 230~480V交流（能自动测定范围）的更高电压的驱动，三相输入，这样不需要使用变压器； ◆ 内置的、完全的电机反馈，您的机器不需要归原位，从而节省时间和金钱； ◆ 控制、驱动和电机上有可拆卸的闪存（flash memory）的性能，这样能快速方便的进行更换。不需要通过膝上型计算机下载最新的软件修订本； ◆ 当您试图集成来自不同OEM的机器，将一台机器的控制与另一台进行同 步化的能力会大大地减少了接口的问题。这能够节省几个月在工厂进行集成的时间，因而能将你的产品更快地推向市场。 不要因小失大 选择稳定的和易于沟通业务的OEM。要明确他们理解你的长远目标并能准时地提供资源。 如果可能的话，为你的整个自动化生产线选择一个OEM伙伴——附非你的生产过程非常特殊，因而需要对该应用是唯一的OEM。可以考虑选择最大、最有能力的OEM，他可以将工作分别承包给一些小的OEM。这样你的责任可以单一化，避免了通信和集成的问题。 一旦你选定了自动化伙伴和OEM，可以在项目启动前召开一次集中的会议，包括OEM、系统集成商（如果有的话）、自动化伙伴和您公司的项目经理。这个会议应该得到的结果包括： ◆ 确保每个与会人都认可他/她的责任； ◆ 制定并认可项目的阶段表； ◆ 确立相互沟通的基本规则； ◆ 同意在项目中出现重大问题的时候随时召开会议； ◆ 在项目全部完成并可以鉴定好或坏的实践效果时召开会议。如果一切进行顺利，则将来还有合作的机会。 这将有利于项目的平滑进行，减少意外事件的发生。(end)

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