飲料包裝行業(yè)對自動化系統(tǒng)的需求
2014-12-09 11:47 來源：中國包裝機械網(wǎng) 責編：顧穎瑩
- 摘要：
- 據(jù)統(tǒng)計，中國飲料的年產(chǎn)量基本呈逐年增長的趨勢，保持在兩位數(shù)的百分比增長率，約10％——20％，平均每年的總產(chǎn)量已接近3000萬噸，是食品工業(yè)中發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。隨著行業(yè)競爭越來越激烈，產(chǎn)品逐漸細化和細分，飲料包裝行業(yè)對包裝設備提出了更高的要求。
【CPP114】訊：據(jù)統(tǒng)計，中國飲料的年產(chǎn)量基本呈逐年增長的趨勢，保持在兩位數(shù)的百分比增長率，約10％——20％，平均每年的總產(chǎn)量已接近3000萬噸，是食品工業(yè)中發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。隨著行業(yè)競爭越來越激烈，產(chǎn)品逐漸細化和細分，飲料包裝行業(yè)對包裝設備提出了更高的要求。
1.聯(lián)線生產(chǎn)的需求
聯(lián)線生產(chǎn)是將原來的各個分立的單元進行組合為一個連續(xù)的生產(chǎn)過程，取消了物料在生產(chǎn)過程中的搬運、在線儲存等環(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器，將吹瓶、清洗、在線檢測、灌裝、壓蓋、貼標、熱膜包裝、堆垛、裝箱整個構(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)，因為取消了整個生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)的周轉(zhuǎn)時間，使得整廠效率大幅度提升。另外，整個生產(chǎn)過程在嚴格的管理系統(tǒng)監(jiān)控之下，數(shù)據(jù)可以被集成在一個大的整廠架構(gòu)下，以便能夠?qū)崿F(xiàn)對整個生產(chǎn)過程中的品質(zhì)數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等進行實時分析和進行工藝改善和質(zhì)量追溯，這一切都能使得整個生產(chǎn)系統(tǒng)效率得到大幅度的提升。
而在瓦楞紙展上我們也看到國內(nèi)的制造商開發(fā)出從瓦楞紙板的開槽印刷、模切、糊盒、碼垛一體化的機器，這些都將整個生產(chǎn)過程效率得到大幅度的提升，包括預印的柔版技術(shù)，也能將面紙與瓦楞線進行集成，使得，瓦楞紙板直接就可以進行裁切使用，而無需經(jīng)后道的印刷即可，不僅提高了效率，而且也提高了品質(zhì)，因為預印技術(shù)能夠更好的保持瓦楞面的強度。
聯(lián)線生產(chǎn)對于自動化的要求在以下幾個方面：
1）.開放而靈活的接口設計：一個開放的系統(tǒng)才能連接到各個傳感器、儀器儀表、安全系統(tǒng)、這不僅包括了設備的之間的互聯(lián)，也包括了與上位的ERP/MES，CIMS等系統(tǒng)的互聯(lián)能力，包括開放的接口如OPCServer，與數(shù)據(jù)庫的連接等。
2.）靈活的硬件設計-首先要有完整的產(chǎn)品線來滿足各種控制系統(tǒng)的產(chǎn)品，如B&R的GMC就包含了針對同步伺服、異步伺服、直流、步進、液壓等的控制，同時也包含了機器人和CNC庫的支持能力。
2.更為柔性的生產(chǎn)：快速工藝切換
由于包裝對象的巨大變化能力，對于生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性提出了巨大的挑戰(zhàn)，一方面，工藝要快速切換，另一方面，無需為一個新的生產(chǎn)設計新的機器，這就體現(xiàn)在生產(chǎn)系統(tǒng)的適應范圍上，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，由自動化系統(tǒng)提供的則是快速的工藝切換，以及帶來的生產(chǎn)范圍的擴展。在這個方面，運動控制技術(shù)帶來的貢獻頗為巨大，運動控制如何改變了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性呢?我們從幾個例子可以看到：
2.1裁切：最為常見的包裝動作是熱封動作，無論在臥式還是立式的食品包裝機械里都存在這個單元，而裁切動作變化的是尺寸和壓力，而這些最容易在運動控制上來實現(xiàn)，因為只需要一個裁切尺寸和壓力的扭矩輸出值的變化就可以實現(xiàn)這一點，而原有的系統(tǒng)則需要根據(jù)參數(shù)的變化進行機械的調(diào)整。
2.2灌裝：系統(tǒng)可以根據(jù)瓶子的容量需求自動調(diào)整灌裝過程，根據(jù)不同的飲料例如碳酸飲料、啤酒、水修改各閥的動作邏輯，這些對于自動化系統(tǒng)而言都是非常簡便的。
對于控制技術(shù)而言，例如，B&R的運動控制ACOPOS可實現(xiàn)電子凸輪的在線切換，可以“邊運動，邊算”-它是依賴于實時通信技術(shù)來保證各個運動軸之間的關系快速切換，實現(xiàn)在線的工藝切換能力。
3.安全技術(shù)
隨著終端用戶以及政府對于人身安全的重視，系統(tǒng)的安全性必須得到重視，這是強制性的，尤其是中國的包裝機械制造商如果想要進入歐洲市場的話，這個是必須去考慮的。
遵循IEC61508定義了整個產(chǎn)品生命周期里的安全技術(shù)，從系統(tǒng)安全的識別、評估、系統(tǒng)設計、測試、運行、維護與拆除的整個過程都定義對應的方法與標準，包括EN62601，61784等定義了整個安全設計，以及EN61800-5-2定義的可調(diào)速系統(tǒng)的安全標準，即SafeMotion的SLS，SS1，SS2，SBC等的定義。
為此各自動化廠商均推出了具有滿足SIL3和PLe等級的的SafeLOGIC，SafeMotion以及SafetyFieldbus技術(shù)，而值得一提的是B&R推出的openSAFETY技術(shù)，它可以運行在不同的現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術(shù)之上，對于最終用戶和機械制造商而言均可使用，并且它是一項開源技術(shù)（OpenSourceTechnology）
4.OMAC/PackML
OMAC組織由全球知名的包裝用戶如P&G，Netstle，CocaCola及知名的自動化廠商RockwellAB，SIEMENS，B&R等共同組建的國際組織，一直致力于使得包裝機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計，使得終端生產(chǎn)者如P&G，CocaCola，Netstle等可以在安裝無論哪家廠商的機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)時都可以自如操作，因為所有的操作界面被設計為統(tǒng)一的，任何人都可以快速的實現(xiàn)對機器的操作，而即使對于維護人員而言，軟件的模塊化和開放性也使得他們能夠快速的進行程序的修改以及為工藝調(diào)整而進行的程序調(diào)整。
PackML定義了機器的不同狀態(tài)如Starting，Suspended，stopping，aborted等，機器的運行過程是在這些過程之間的切換和組合，無論機器的運行多么復雜，而展示給操作者的是簡單的易于學習的畫面。
同時，OMAC也定義了機器系統(tǒng)的硬件設計的統(tǒng)一架構(gòu)，包含了基于PC，PLC和驅(qū)動器為控制中心的各種不同的系統(tǒng)設計。
統(tǒng)一而標準的操作，是包裝機械的未來發(fā)展需求，而大型的終端用戶的加入必然使得這一趨勢得到實現(xiàn)。
1.聯(lián)線生產(chǎn)的需求
聯(lián)線生產(chǎn)是將原來的各個分立的單元進行組合為一個連續(xù)的生產(chǎn)過程，取消了物料在生產(chǎn)過程中的搬運、在線儲存等環(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器，將吹瓶、清洗、在線檢測、灌裝、壓蓋、貼標、熱膜包裝、堆垛、裝箱整個構(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)，因為取消了整個生產(chǎn)的中間環(huán)節(jié)的周轉(zhuǎn)時間，使得整廠效率大幅度提升。另外，整個生產(chǎn)過程在嚴格的管理系統(tǒng)監(jiān)控之下，數(shù)據(jù)可以被集成在一個大的整廠架構(gòu)下，以便能夠?qū)崿F(xiàn)對整個生產(chǎn)過程中的品質(zhì)數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等進行實時分析和進行工藝改善和質(zhì)量追溯，這一切都能使得整個生產(chǎn)系統(tǒng)效率得到大幅度的提升。
而在瓦楞紙展上我們也看到國內(nèi)的制造商開發(fā)出從瓦楞紙板的開槽印刷、模切、糊盒、碼垛一體化的機器，這些都將整個生產(chǎn)過程效率得到大幅度的提升，包括預印的柔版技術(shù)，也能將面紙與瓦楞線進行集成，使得，瓦楞紙板直接就可以進行裁切使用，而無需經(jīng)后道的印刷即可，不僅提高了效率，而且也提高了品質(zhì)，因為預印技術(shù)能夠更好的保持瓦楞面的強度。
聯(lián)線生產(chǎn)對于自動化的要求在以下幾個方面：
1）.開放而靈活的接口設計：一個開放的系統(tǒng)才能連接到各個傳感器、儀器儀表、安全系統(tǒng)、這不僅包括了設備的之間的互聯(lián)，也包括了與上位的ERP/MES，CIMS等系統(tǒng)的互聯(lián)能力，包括開放的接口如OPCServer，與數(shù)據(jù)庫的連接等。
2.）靈活的硬件設計-首先要有完整的產(chǎn)品線來滿足各種控制系統(tǒng)的產(chǎn)品，如B&R的GMC就包含了針對同步伺服、異步伺服、直流、步進、液壓等的控制，同時也包含了機器人和CNC庫的支持能力。
2.更為柔性的生產(chǎn)：快速工藝切換
由于包裝對象的巨大變化能力，對于生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性提出了巨大的挑戰(zhàn)，一方面，工藝要快速切換，另一方面，無需為一個新的生產(chǎn)設計新的機器，這就體現(xiàn)在生產(chǎn)系統(tǒng)的適應范圍上，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，由自動化系統(tǒng)提供的則是快速的工藝切換，以及帶來的生產(chǎn)范圍的擴展。在這個方面，運動控制技術(shù)帶來的貢獻頗為巨大，運動控制如何改變了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性呢?我們從幾個例子可以看到：
2.1裁切：最為常見的包裝動作是熱封動作，無論在臥式還是立式的食品包裝機械里都存在這個單元，而裁切動作變化的是尺寸和壓力，而這些最容易在運動控制上來實現(xiàn)，因為只需要一個裁切尺寸和壓力的扭矩輸出值的變化就可以實現(xiàn)這一點，而原有的系統(tǒng)則需要根據(jù)參數(shù)的變化進行機械的調(diào)整。
2.2灌裝：系統(tǒng)可以根據(jù)瓶子的容量需求自動調(diào)整灌裝過程，根據(jù)不同的飲料例如碳酸飲料、啤酒、水修改各閥的動作邏輯，這些對于自動化系統(tǒng)而言都是非常簡便的。
對于控制技術(shù)而言，例如，B&R的運動控制ACOPOS可實現(xiàn)電子凸輪的在線切換，可以“邊運動，邊算”-它是依賴于實時通信技術(shù)來保證各個運動軸之間的關系快速切換，實現(xiàn)在線的工藝切換能力。
3.安全技術(shù)
隨著終端用戶以及政府對于人身安全的重視，系統(tǒng)的安全性必須得到重視，這是強制性的，尤其是中國的包裝機械制造商如果想要進入歐洲市場的話，這個是必須去考慮的。
遵循IEC61508定義了整個產(chǎn)品生命周期里的安全技術(shù)，從系統(tǒng)安全的識別、評估、系統(tǒng)設計、測試、運行、維護與拆除的整個過程都定義對應的方法與標準，包括EN62601，61784等定義了整個安全設計，以及EN61800-5-2定義的可調(diào)速系統(tǒng)的安全標準，即SafeMotion的SLS，SS1，SS2，SBC等的定義。
為此各自動化廠商均推出了具有滿足SIL3和PLe等級的的SafeLOGIC，SafeMotion以及SafetyFieldbus技術(shù)，而值得一提的是B&R推出的openSAFETY技術(shù)，它可以運行在不同的現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)技術(shù)之上，對于最終用戶和機械制造商而言均可使用，并且它是一項開源技術(shù)（OpenSourceTechnology）
4.OMAC/PackML
OMAC組織由全球知名的包裝用戶如P&G，Netstle，CocaCola及知名的自動化廠商RockwellAB，SIEMENS，B&R等共同組建的國際組織，一直致力于使得包裝機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計，使得終端生產(chǎn)者如P&G，CocaCola，Netstle等可以在安裝無論哪家廠商的機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)時都可以自如操作，因為所有的操作界面被設計為統(tǒng)一的，任何人都可以快速的實現(xiàn)對機器的操作，而即使對于維護人員而言，軟件的模塊化和開放性也使得他們能夠快速的進行程序的修改以及為工藝調(diào)整而進行的程序調(diào)整。
PackML定義了機器的不同狀態(tài)如Starting，Suspended，stopping，aborted等，機器的運行過程是在這些過程之間的切換和組合，無論機器的運行多么復雜，而展示給操作者的是簡單的易于學習的畫面。
同時，OMAC也定義了機器系統(tǒng)的硬件設計的統(tǒng)一架構(gòu)，包含了基于PC，PLC和驅(qū)動器為控制中心的各種不同的系統(tǒng)設計。
統(tǒng)一而標準的操作，是包裝機械的未來發(fā)展需求，而大型的終端用戶的加入必然使得這一趨勢得到實現(xiàn)。
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