良好的規劃、模塊化的設計以及最新的運動控制、機器視覺和軟件方法等將帶來更小巧的機器、更快的轉換時間以及更高的生產率。 雖然包裝過無數產品的各種包裝機械并不算是新事物，但是當今的自動化技術提供了一個全新的包裝率水平。大部分以前的自動化局限于一種架構，它通過由主電機驅動的大型機械動力軸、動力設備和執行器來完成各種包裝功能。這些所謂的第一代包裝機不能提供或提供很少的變速操作。這樣，術語“自動化孤島”同樣具體地形容了包裝線。 現在的情況已大不相同。當今的第三化包裝機都是電動的，它具有伺服控制并通過先進的性能如電子傳動裝置和凸輪系統將多軸運動緊密地同步化。這個演變過程中至少還插入一個階段——第二代的混合包裝機，它大部分運用機械自動化，但在一些關鍵的運動插入伺服控制。第二代包裝機擁有很大的安裝基礎，并仍在許多應用中處于統治地位。 規劃非常重要 任何一個包裝線自動化項目必須從一個整體的規劃開始。Dan Throne, Bosch Rexroth 公司電氣驅動和控制業務部門的食品和包裝行業經理，建議一個3步的規劃，它聚焦于決定項目的需要、選擇正確的自動化伙伴以及評估長期的目標和成本。 Throne 將生產量、精度和轉換時間列為主要參數，用于衡量所需要的自動化水平，包括包裝線的總體布局和用于處理指定成套產品的生產線數量。這需要OEM和自動化伙伴。他推薦在選擇OEM之前選擇自動化伙伴，從而保證與最新技術和控制系統結構方面的專家保持緊密的聯系。 Forte Industries （Mason,OH）,一個專門從事改進供應鏈分配操作的知名專業公司，也強調整體的規劃和多步驟的方法使自動化方案獲得成功。“重視關鍵的業務需求。了解你的生產過程、生產量及相關事項。控制的復雜性與過程的復雜性緊密相關。”Forte公司的系統顧問David Gealy這樣說。 Bill Tyng, Forte公司的另一個顧問，建議要檢查產品的可變性和生產過程中的瓶頸。這些預備工作有助于評估包裝線的數量及體積要求等。一個自動化項目應按照概念設計和細節設計的典型步驟進行——據此來鑒別供應商和發布用于報價的投標書——接下來的工作由所選的廠商實現。 同樣，Omron Electronics的傳感器市場經理David Grimmett說：“包裝線的自動化必須強調公司的業務需求以及純粹的技術問題。”他認為，用于自動化的成本需要5至10年的時間才能證明是合理的。“自動化的目標在于更快的投運以及用于短期生產的產品的快速轉換。” 對于自動化系統的集成人員來說，在向客戶發貨之前，在中央實驗室中建立原型生產線進行演示，這是正常的。 選擇結構 PLC仍然在包裝線所有控制結構中占統治地位，然而基于軟件和基于PC的控制呈上升趨勢。Omron的Grimmett認為，PLC對PC的比例約是80對20。Bosch Rexroth也有相同的觀點。對于前兩代包裝機的大量安裝基礎，估計基于PLC的結構仍保持勝過運動控制類型的結構，其比例大概為70比30。 Forte Industries的Tyng認為，控制結構的類型取決于誰將支持這個系統。一些用戶對于PLC有著特別的偏愛。“它也取決于控制系統的復雜程度。如果不具備支持PLC的專長，那么PC控制就是你的選擇，”他補充說。 直到最近，PLC結構和HMI特性相結合在包裝機領域中才比較明顯。 “現在對于全電氣化的機器，伺服控制的內容非常重要，以致用戶主要關心這樣的問題，例如’我應該使用哪種運動控制器？’或’控制器需要哪些接口？’”Bosch Rexroth公司的Throne說，PLC已成為可用于這一類全電氣化機器上的附加選擇，被降級到完成相對次要的控制任務。“但PLC仍然是滿足客戶提出的技術規格和要求的控制器”，他進行補充。Elau Inc.——專門從事控制第三代包裝機解決方案的自動化技術公司——強調在過去的5年中注重包裝自動化是提高各種不同機器生產量的原因。成功來自于使用伺服控制，在同一個處理器上集成IEC61131-3運動和邏輯控制以及OMAC（Open Modular Architecture Controls開放、模塊化結構控制）Plug-and-Pack Guideline（即插即封裝導則）的各種不同的創新部件。 運動控制的作用 根據Bosch Rexroth 的經驗，在當前出售的包裝機中，30%～40%有伺服驅動和運動控制。令人吃驚的是，根據Throne所說，對于整個系統而言，第三代和第一代機器之間的成本差別相當小。部分的原因在于前者的機械部件減少了80%，而機械部件會帶來損耗和增加維護費用。Omron的Grimmett預計在新的包裝設備中會有更高比例的伺服電機控制系統。 以前的包裝“自動化”典型地使用一個具有變速箱、鏈條和滑輪等的主電機來傳送動力和扭距到需要的地方。這也意味著轉換的時間需要幾個小時，例如改變紙箱包裝機上紙箱的大小。“現在使用的（到伺服電機的）編碼器反饋可以快速地調整導軌或其他包裝機械的功能。”Grimmett解釋說。 出乎工程人員的想象，對增強的運動控制來說，幾乎沒有什么限制。在采用先進技術的終點，有自動化的連接板，它拼接包裝材料的一個滾筒到緊鄰位置，因而操作員不需要停止機器的運行就能裝載一個新的滾筒。伺服控制還能在生產線的尾端幫助包裝物或瓶子進行定向以用于檢驗或粘貼標簽。 視覺系統、傳感器及其他 包裝線的自動化程度日益增加，促使將機器視覺系統用于檢驗產品。因為視覺系統能檢查產品的某種特性或檢查產品是否到位與/或校正標簽的位置。推動這股潮流的動力在于其成本更低，同時更多的用戶對使用視覺系統的意識增強。 要求精密和可靠的應用系統是采用視覺系統的另外一個因素。藥品包裝的要求最高，需要加工過程100%的有效。“在加工過程中安裝一個視覺系統，能發現并清除批量生產中不合格的產品。這相當于在過程中閉合了回路，”Omron的Grimmett說。 Grimmett解釋，在一些包裝應用中，對能感知到干凈、清潔的物體（如儲物袋、瓶子等）的要求日益增強。一個產品例子就是Omron的E3Z-B后反射傳感器，它能偵測到非常小的亮度變化。定制的光學和電子技術使具有這種先進水準的傳感器成為可能。典型的應用是PET塑料瓶生產線，能夠檢查瓶蓋和商標的位置。 Forte公司的Gealy說，觸摸屏（顯示在線診斷、重量標定的操作作員站）和類似的設備代表了自動化的另一個分支。對于操作員接口和顯示器來說，關鍵是能過濾掉提供的大量數據并向用戶傳達最有意義的信息。在自動化過程中必須能識別對操作者是關鍵的圖形和數據。 分布式控制 也許第三代包裝技術中最具優勢的地方在于它能將運動控制分散到每個單獨的機器或生產段中。處理特定包裝站的每個伺服驅動和伺服電機能夠由一個控制器通過光纖網絡（如SERCOS）精確地進行同步。 Bosch Resroth的第三代包裝機的運動/邏輯控制器采取的不是基于機架（一般指PLC）就是基于PC的形式。一個控制器處理多達40個運動軸從而減輕系統控制器的負擔，運行20個軸的更為典型，Throne說。多控制器能夠處理多達1280個軸。 以前，不能通過同步化以形成一個集成的生產線，Elau公司高級技術人員Tom Jensen說。“包裝線過去依靠許多聚集起來的設備，這樣在機器之間的加工過程中必須排隊進行。現在，包裝者意識到將包裝線更加緊密地進行同步化的好處。”傳送裝置更多地作為機器之間的產品收集器，包括一些靈巧的變型，例如節省地面空間的螺旋形傳送帶。 包裝線中控制器之間的同步是獨立于電機驅動同步的一個令人關注的問題。這種同步參照OMAC的同步化總線（基于IEEE1588），為了保證最優化的數據流，它力求在分布式測試、測量或控制系統中的不同部分統一時鐘。 現在生產商設計更加模塊化、多功能的機器，它擺脫了長期以來累積的瓶頸問題并減少了體積大小。模塊化的設計還加速包裝形式的改變并使重新配置未來機器成為可能。 一個OEM能夠，例如，將一個紙板包裝模塊插入到一個填充/封裝機，或增加一個箱體包裝機器人到紙板包裝機中。在控制層中，增加一個大代碼塊（如IEC功能塊）就能實現這個附加功能，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的一個重要屬性，”Jensen補充。 他認為要使第三代的包裝機更具有競爭力，至少應該采取集成的運動和邏輯控制。 Jensen的觀點是，自動化的架構必須超出PLC類型的數據結構，這樣才能有效地接口到MES（制造執行系統）數據、接口到影響生產量的上游操作以及能看到設備效率的整體畫面。 使包裝生產線有效地自動化的3個步驟 確定你的需要 確定你的包裝線的生產量、精確性和需要轉換的頻繁程度—即生產線的數量和在同一生產線運作不同產品的靈活性類型。這將有助于你決定生產線類型的布局以及你需要的自動化機器的水準。如果你的生產線是一條慢速的且只生產一種產品的專用線，則在機器上需要運行一個固定的機械裝置。 對為您制造機器的原始設備制造商（OEM）自動化水平進行調查，如： ◆ 第1代——非伺服，生產線上的機器由機械軸驅動； ◆ 第2代——混合型，在關鍵的機器區有少數伺服； ◆ 第3代——都是基于伺服的電氣設備，提供最高的生產量和靈活的操作轉換。 請注意OEM使用的是哪種控制器（或他們的自動化伙伴是誰）——用于運動、邏輯、伺服、HMI、I/O系列和電機等。找出大多數你的OEM所使用的是哪個自動化供應商提供的解決方案；由于已經為OEM所接收、認可，供應商將為你提供較低成本的控制解決方案的最好機遇。研究這個自動化方案供應商提供的技術，它是否適合于你的要求和靈活程度。一旦OEM作為被擔保人過期，你必須能支持你所選擇的自動化解決方案。 選擇您需要的自動化伙伴 在選擇OEM之前，請選擇一個自動化伙伴。 A 選擇了解這個行業并精通食品和包裝應用的伙伴。你需要一個關心您的利益并能夠在惡酷的生產環境下進行管理的伙伴。 B 要求一個開放架構的運動控制器系統，而不是一個鎖定于特定控制器、驅動和電機等的專用架構。 C 選擇一個可以為你的應用提供正確技術的伙伴，例如用于高速生產線（如連續作業卷繞機和紙板包裝機）的交流伺服驅動和用于紙箱包裝機以及碼垛機的氣動技術，它需要的自動化技術的成本最低。同樣，應該為你的機器的傳送帶和其他部件考慮自動化機械的解決方案。 D 選擇一個伙伴，他能在全球范圍內提供技術支持并能對你的要求足夠地重視。你的伙伴應該專心致志、工作努力，并為正確地完成任務而提供適用資源。 E 選擇一個真正的全球性伙伴，他在北美、歐洲和亞洲有堅實的基礎。為什么呢？因為你的一些OEM供應的設備可能來自其他國家。 F 選擇一個注重更高性能系統的伙伴，而不是只能處理你的系統的60%～70%，但將更困難的部分留給其他供應商的人。在這種情況下，你將會有兩種控制系統滿足你的需要——而最終將限制整個生產量。 G 向當今頂尖的自動化伙伴要求提供關鍵的技術： ◆ 在單個控制器上，伺服的多軸同步高達40個； ◆ 到驅動系統的數字SERCOS光纖通信； ◆ 230～480V交流（能自動測定范圍）的更高電壓的驅動，三相輸入，這樣不需要使用變壓器； ◆ 內置的、完全的電機反饋，您的機器不需要歸原位，從而節省時間和金錢； ◆ 控制、驅動和電機上有可拆卸的閃存（flash memory）的性能，這樣能快速方便的進行更換。不需要通過膝上型計算機下載最新的軟件修訂本； ◆ 當您試圖集成來自不同OEM的機器，將一臺機器的控制與另一臺進行同 步化的能力會大大地減少了接口的問題。這能夠節省幾個月在工廠進行集成的時間，因而能將你的產品更快地推向市場。 不要因小失大 選擇穩定的和易于溝通業務的OEM。要明確他們理解你的長遠目標并能準時地提供資源。 如果可能的話，為你的整個自動化生產線選擇一個OEM伙伴——附非你的生產過程非常特殊，因而需要對該應用是唯一的OEM。可以考慮選擇最大、最有能力的OEM，他可以將工作分別承包給一些小的OEM。這樣你的責任可以單一化，避免了通信和集成的問題。 一旦你選定了自動化伙伴和OEM，可以在項目啟動前召開一次集中的會議，包括OEM、系統集成商（如果有的話）、自動化伙伴和您公司的項目經理。這個會議應該得到的結果包括： ◆ 確保每個與會人都認可他/她的責任； ◆ 制定并認可項目的階段表； ◆ 確立相互溝通的基本規則； ◆ 同意在項目中出現重大問題的時候隨時召開會議； ◆ 在項目全部完成并可以鑒定好或壞的實踐效果時召開會議。如果一切進行順利，則將來還有合作的機會。 這將有利于項目的平滑進行，減少意外事件的發生。