充滿變化的包裝機械市場

貝加萊工業自動化（上海）有限公司 宋華振

1 永遠不變的是變化

包裝機械是最為廣泛而又充滿變化的市場，因為包裝機械所針對對象的生產無時無刻不在變化，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（如藥品內部瓶裝、外部盒裝等，盒子再裝更大的盒），其它的機械制造業沒有一個行業像包裝機械這樣具有如此多的變化。并且，按照其包裝對象和材料等的不同也劃分了很多包裝領域。

? 食品與飲料：包含了啤酒、可樂、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：包含了瓦楞紙設備、裁切設備、折盒糊盒訂箱等設備；

? 醫藥包裝：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機械和控制系統提出了挑戰，我們要思考的是，如何去適應如此多的變化？

2 包裝技術的發展趨勢以及對自動化系統的需求

2.1 聯線生產的需求

聯線生產是將原來的各個分立的單元組合為一個連續的生產過程，取消了物料在生產過程中的搬運、在線儲存等環節，降低在線物流和取消中間物流環節從而大大提高效率。

在2010年的Chinabrew& China Beverage（中國國際啤酒、飲料工業展）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、裝箱整體構成一條生產線，這樣，飲料制造商就可以在最為高速的情況下生產，因為取消了生產中間環節的周轉時間，使得整廠效率大幅度提升。另外，整個生產過程在嚴格的管理系統監控之下，數據可以被集成在一個大的整廠架構下，以便能夠實現對整個生產過程中的品質數據、能耗數據等進行實時分析和進行工藝改善和質量追溯，這一切都能使得整個生產系統效率得到大幅度的提升。

圖1 一體化機器生產流程

而在瓦楞紙展上我們也看到國內的制造商開發出從瓦楞紙板的開槽印刷、模切、糊盒、碼垛一體化的機器，這些都將整個生產過程效率得到大幅度的提升，包括預印的柔版技術，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，而無需經后道印刷即可，不僅提高了效率，而且也提高了品質，因為預印技術能夠更好地保持瓦楞面的強度。

在嬰兒紙尿褲的生產線中將各種材料的放卷、裁切、壓合、理片、碼垛、裝包、熱封、裝箱進行復合，能夠快速地生產出各種不同的產品。

聯線生產對于自動化的要求有以下幾個方面：

? 開放而靈活的接口設計：一個開放的系統才能連接到各個傳感器、儀器儀表、安全系統、這不僅包括了設備之間的互聯，也包括了與上位的ERP/MES，CIMS等系統的互聯能力，包括開放的接口如OPC Server，與數據庫的連接等。

? 靈活的硬件設計：首先要有完整的產品線來滿足各種控制系統的產品，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。

2.2 更為柔性的生產：快速工藝切換

由于包裝對象的不斷變化，對于生產系統的柔性也提出了巨大的挑戰，一方面，工藝要快速切換，另一方面，無需為一個新的生產設計新的機器，這就體現在生產系統的適應范圍上，而生產系統的柔性不僅體現在生產工廠的組織、流程的優化，在執行面上，由自動化系統提供的則是快速的工藝切換，以及帶來的生產范圍的擴展。在這一方面，運動控制技術帶來的貢獻頗為巨大，運動控制如何改變了生產系統的柔性呢？我們從幾個例子可以看到。

（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，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這一點，而原有的系統則需要根據參數的變化進行機械的調整。

（2）灌裝

系統可以根據瓶子的容量需求自動調整灌裝過程，根據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而言都是非常簡便的。

對于控制技術而言，例如B&R的運動控制ACOPOS可實現電子凸輪的在線切換，可以“邊運動，邊計算”。它是依賴于實時通信技術來保證各個運動軸之間關系的快速切換，實現在線的工藝切換能力。

2.3 安全技術

隨著終端用戶以及政府對于人身安全的重視，系統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定義了整個產品生命周期里的安全技術，從系統安全的識別、評估、系統設計、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EN 62601，61784等定義了整個安全設計，以及EN61800-5-2定義的可調速系統的安全標準，即Safe Motion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SafeLOGIC，Safe Motion以及Safety Fieldbus技術，而值得一提的是B&R推出的openSAFETY技術，它可以運行在不同的現場總線和以太網技術之上，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（Open Source Technology）。

2.4 統一而標準的操作

OMAC組織是全球知名的包裝用戶如P&G，Nestlé，Coca Cola及知名的自動化廠商Rockwell Automation，SIEMENS，B&R等共同組建的國際組織，一直致力于使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，使得終端生產者如P&G，Coca Cola，Nestlé等可以在安裝無論哪家廠商的機械系統和電氣系統時都可以自如操作，因為所有的操作界面被設計為統一的，任何人都可以快速地實現對機器的操作。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地進行程序的修改以及為工藝調整而進行的程序調整。

圖2 PackML標準化的操作界面

PackML定義了機器的不同狀態如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易學的畫面。同時，OMAC也定義了機器系統的硬件設計的統一架構，包含了基于PC、PLC和驅動器為控制中心的各種不同的系統設計。

統一而標準的操作，是包裝機械的未來發展需求，而大型的終端用戶的加入必然使得這一趨勢得以實現。