自动化包装线

虽然对于生产无数包装产品的各种包装机器来说，这不是一个新的发展，但自动化现在提供了一个全新的包装生产力水平。以前的自动化大多局限于由主电机驱动的大型机械线轴、动力装置和执行器来完成各种包装功能的架构。

通过Frank J. Bartos，控制工程二零零三年七月一日

一目了然

自动化计划至关重要
模块化设计减少足迹
伺服控制流行
软件/PC控制增长
运动，逻辑在一个控制器上

栏:
变速操作升级清洁拭子包装线
在线额外
有效自动化包装线的三个步骤

虽然对于生产无数包装产品的各种包装机器来说，这不是一个新的发展，但自动化现在提供了一个全新的包装生产力水平。以前的自动化大多局限于由主电机驱动的大型机械线轴、动力装置和执行器来完成各种包装功能的架构。这些所谓的第一代机器几乎没有变速操作，如果有的话。因此，术语“自动化孤岛”同样适用于包装线。

这种情况在很大程度上已经改变。今天的第三代机器都是电动的，通过电子传动和凸轮等先进功能，伺服控制可以紧密同步多轴运动。这种进化至少有一个中间阶段，第2代混合机器，主要采用机械自动化，但增加了某些关键运动的伺服控制。第二代计算机拥有庞大的安装基础，在许多应用中仍然占据主导地位。

计划是最重要的

任何包装生产线自动化项目都必须从周密的计划开始。博世力士乐公司(Bosch Rexroth Corp.)电气驱动和控制事业部食品和包装行业经理Dan Throne提出了一个三步走的计划，重点是确定项目需求、选择合适的自动化合作伙伴、评估长期目标和成本。

来自博世力士乐电气驱动和控制部门的伺服运动控制，使用电子传动装置和凸轮来同步机器足迹和最大的产品流量。

Throne将吞吐量、准确性和转换时间列为衡量所需自动化水平的主要参数，包括包装线的总体布局和处理给定产品集所需的生产线数量。同时需要OEM和自动化合作伙伴。他建议选择自动化合作伙伴之前确保与最新技术和控制体系结构方面的专业知识保持持续联系。有关Throne的“有效自动化包装生产线的三个步骤”的详细版本，请访问www.globalelove.com/issues。

Forte Industries (Mason, OH)是一家全国知名的供应链分销业务改进专业公司，同样强调全面的计划和多步骤的自动化成功方法。“看看关键的业务需求。了解您的流程，产品数量和混合。控制复杂性与过程复杂性相伴而生，”Forte系统顾问戴维•吉利(David Gealy)表示。

复地的另一位顾问Bill Tyng建议检查产品的可变性和流程瓶颈。这些初步工作有助于估计包装线的数量、占地面积要求等。自动化项目沿着概念设计、详细设计(确定供应商并发布报价的投标包)的典型步骤进行，然后由选定的供应商实施。

欧姆龙电子公司的传感器营销经理David Grimmett也有类似的想法，他说:“包装生产线的自动化不仅要解决纯技术问题，还要解决公司的业务需求。”他建议，自动化成本在5到10年的周期内是合理的。“自动化的目标是更快的调试和快速的产品转换，以实现短期生产。”

对于自动化系统集成商来说，在向客户发货之前在中心设施中设置原型线以进行演示是很常见的。

体系结构的选择

plc仍然主导着包装线的整体控制架构，然而基于软件和基于pc的控制正在上升。欧姆龙的Grimmett认为，plc和pc的比例约为80-20。博世力士乐(Bosch Rexroth)持类似观点。由于前三代机器的大量安装基础，它估计基于plc的架构仍然比运动控制类型的架构拥有大约70-30的优势。

根据复地工业的Tyng的说法，控制架构的类型取决于谁将支持系统。某些客户有特定的PLC偏好。“这也取决于控制的复杂程度。如果没有专业知识来支持PLC，那么也许PC控制是一种选择。”

直到最近，PLC架构和HMI功能在包装机中都很突出。“现在的全电动机器，伺服控制的含量是如此之高，以至于用户关注的问题是，‘我该用哪个运动控制器?或“控制器需要什么接口?”’”博世力士乐的王座说。plc已经成为这些机器上的一个额外的选择，降级到做相对较小的控制任务。“plc仍然在机器上，以满足客户的规格和要求，”他补充说。

Elau公司是第三代机器控制解决方案的自动化技术专家，他指出，过去五年包装自动化的重点是提高单个机器的吞吐量。成功来自于使用伺服器，在同一处理器上集成IEC 61131-3运动和逻辑控制，以及现在OMAC(开放模块化体系结构控制)即插即用指南的各种举措。

运动控制的作用

根据博世力士乐的经验，今天销售的包装机中有30-40%具有伺服驱动器和运动控制内容。令人惊讶的是，根据王座的说法，基于整个系统，第3代和第1代机器之间的成本差异可能非常小。在某种程度上，这是由于机械部件减少了80%，从而减少了磨损和维护成本。欧姆龙的格里米特估计，新的包装设备将采用更高比例的伺服电机控制。

旧的包装“自动化”通常采用一个主电机与齿轮箱，链条，滑轮等，传送功率和扭矩需要的地方。这也意味着要花几个小时来更换，例如，改变纸箱上的盒子大小。“现在编码器反馈[伺服电机]用于快速调整导轨或其他包装机械功能，”格里米特解释说。

除了工程想象力之外，运动控制的增强几乎没有限制。在复杂的一端，有一卷包装材料的自动织网拼接到下一卷，消除了操作员停止机器加载新卷的需要。伺服控制还可以在生产线的后端帮助定位包装或瓶子以进行检查，贴标等。

视觉系统、传感器等等

包装生产线自动化越来越多地利用机器视觉进行产品检测。这可以是检查项目的某些特征或检测标签的存在和/或正确位置。推动这一趋势的是更低的成本和更高的用户对视觉系统的认识。

应用程序的重要性是另一个因素。药品包装的要求最高，包括需要提供100%的工艺验证。“通过在生产过程中加入视觉系统，可以检测并消除批次中的不良产品。欧姆龙的格里默特说:“这就像在过程中关闭了一个循环。”

感知能力清晰的材料(储存袋、瓶子等)在一些包装应用中有越来越大的需求。一个产品的例子是欧姆龙的E3Z-B反向反射传感器，能够检测非常小的亮度变化，格里米特解释说。定制光学和电子器件使传感器具有这种复杂程度成为可能。典型应用于PET塑料瓶生产线，检查瓶盖和标签的位置。[以防你问，PET是聚对苯二甲酸乙二醇酯的缩写——一种用于制造瓶子的常见塑料树脂。]

触摸屏、带有在线诊断功能的操作员显示器、称和类似设备代表了自动化的另一个分支。Forte的Gealy解释说，对于操作员界面和显示器，关键是过滤大量可用数据，并向用户呈现最有意义的信息。在自动化过程中，必须识别对操作员至关重要的图形和数据。

分布式控制

也许第三代封装技术的最大进步是能够将运动控制分配到每个单独的机器或生产线部分。处理特定包装站的单个伺服驱动器和伺服电机可以由一个控制器通过光纤网络(例如，SERCOS)精确同步，如“同步机器部分”图中典型的罐装灌装封装机线所示。

博世力士乐用于第三代机器的运动/逻辑控制器采用基于机架或基于pc的形式。Throne解释说，一个控制器可以处理多达40个运动轴，以减轻系统控制器的负担，尽管20个轴更常见。多个控制器可以容纳多达1,280轴。

在过去，包装机器部分是不同步的，以形成一个完整的线，解释汤姆詹森，高级技术传道者在埃劳。“包装生产线依靠堆积装置在机器之间排队工作。现在，包装商正在认识到更紧密同步包装线的好处。”传送带经常被用作机器各部分之间的产品收集器，包括像螺旋传送带这样的聪明变种，可以节省地板空间。

包装生产线中控制器之间的同步是与电机驱动不同的问题。这指的是OMAC的同步总线(基于IEEE 1588)，它试图统一分布式测试、测量或控制系统不同部分的时钟，以确保最佳的数据流。

制造商现在设计更多的模块化、多功能机械，这消除了积累瓶颈，减少了占地面积(单位尺寸)。模块化设计还可以实现更快的包装格式更改和未来的机器重新配置。

例如，OEM可以将装盒模块集成到灌装/封口机中，或将装箱机器人添加到装盒机中。在控制层，这种额外的功能可以通过添加代码块(如IEC功能块)来实现，而不需要更多的控制硬件。“这种水平的控制可扩展性是第三代包装机械的重要属性，”詹森补充说。

他认为，要在第三代机器水平上具有竞争力，最低要求是采用集成的运动和逻辑控制。根据Jensen的说法，自动化架构必须超越plc类型的数据结构，以实现与MES数据、上游操作的有效接口，以了解其对吞吐量的影响，并了解设备有效性的总体情况。

变速操作升级清洁拭子包装线

医疗和工业清洁拭子必须在Solon Manufacturing位于缅因州Skowhegan的主要包装工厂生产，必须按照精确的规格生产，并且速度快，浪费少。

梭伦的棉签涂抹器过程包括几个轮子(用于从连续的线圈中拾取、粘合和旋转棉签棒周围的纤维)、一个成型轨道来塑造棉签的形状，以及一个涂抹粘合剂的工作站。一台定速电机和一套可调节的皮带和滑轮为这部分机器提供控制。如果需要改变棉签数量、纤维类型或针尖配置，所需的机械调整需要20到40分钟(插图照片)。

在下一个分拣阶段，机械收集臂、照相眼和计数器将棉签分成100组，并将它们移动到传送带上。然而，由于机械的突然运动使一些棉签散落，造成了大量的浪费。此外，该工艺在输送带上的棉签批次之间没有明确的分离，导致机器操作员过度包装高达2%的棉签包装，以确保客户不会被欺骗。

2001年中期，Solon与Horizon Solutions Corp. (Rockwell Automation的产品和服务分销商)合作，分析现有的控制并评估改进。经确定，罗克韦尔自动化公司的Allen-Bradley PowerFlex 4变频驱动器(VFD)可以更精确地控制棉签倾斜设备，并加快不同纤维和尖端配置的变化。有了变速操作，这样的改变现在只需按一下按钮。PowerFlex 4交流微型驱动器的额定功率高达5马力。

第二个PowerFlex 4 VFD升级了分拣带，允许变速(高达40 Hz的一秒和2 Hz的约10秒)分离棉签组，因此机器操作员可以轻松确定每个包裹的正确棉签数量。变速驱动也消除了机械臂和气缸，大大减少了分散的拭子。新机器操作员受益于在学习过程中容易“跟上速度”;由于停机次数减少，机器受益于减少磨损。

Solon Manufacturing的工艺工程师Peter Martell说:“为了足够灵活地满足客户的需求并生产出最佳产品，我们还意识到，对于一些特种纤维棉签，我们需要在机器上进行变速控制。”棉签涂布线升级的结果超出预期:产量提高了10%，废物减少了50%。

有效自动化包装线的三个步骤

确定你的需求
确定您的包装线所需的吞吐量、准确性和转换水平，即在同一条生产线上运行不同产品的生产线数量和灵活性类型。这将帮助您确定线布局的类型和自动化机器的水平，您将需要。如果您正在运行一条专用生产线，以低速生产一种产品，那么您应该在机器上运行固定的机械设置。

调查在你的自动化水平范围内生产机器的原始设备制造商。例如:

第1代:非伺服、机械线轴机床;

第二代混合动力，机械机器与几个伺服器在机器的关键领域使用;或

第三代全电动伺服机器，提供最高的吞吐量和灵活的转换。

注意原始设备制造商使用的控制供应商(或自动化合作伙伴)——用于运动、逻辑、伺服、人机界面、I/O线、电机等。寻找大多数oem使用的自动化供应商;由于OEM的接受，供应商最有可能为您提供低成本的控制解决方案。查看自动化供应商的技术，看看它是否适合您的需求和灵活性。一旦OEM保修到期，您将不得不支持您选择的自动化。

选择合适的自动化合作伙伴
在选择oem之前，请先选择自动化合作伙伴。

a)选择一个了解行业并擅长食品和包装应用的合作伙伴。您需要一个能说您的语言并能管理恶劣生产环境的供应商。

b)要求一个开放架构的运动控制器系统，而不是专有架构，你被锁定在使用特定的控制，驱动器和电机等。

c)选择为您的应用提供合适技术的合作伙伴，例如用于流包装机和纸箱等高速生产线的交流伺服驱动器，以及需要最低自动化成本的装箱机和码垛机的气动。机械解决方案也应考虑输送机和部件为您的机器。

d)选择一个能够提供全球支持并给予你适当关注的合作伙伴。你的伴侣应该尽心尽力，提供适当的资源来完成工作。

e)选择一个真正的全球合作伙伴，在北美、欧洲和亚洲拥有强大的机构。为什么?因为你们的一些原始设备制造商可能从其他国家供应设备。

f)选择一个专注于更高性能系统的合作伙伴，而不是一个只能解决你60-70%应用程序的合作伙伴，把更复杂的应用程序留给其他供应商。在这种情况下，您将需要两个控制系统来满足您的需求，并且最终会限制您的吞吐量。

g)要求当今顶级自动化合作伙伴提供的关键技术;

多轴同步多达40轴的伺服在一个单一的控制器;

数字SERCOS光纤通信接口到驱动器;

具有230-480 V ac(自动量程)三相输入的更高电压驱动器，从而消除了对变压器的需求;

内置，绝对的电机反馈，以消除回家为您的机器，节省时间和金钱;