包裝自動(dòng)化技術(shù)(自動(dòng)化包裝全過程)
來源：好上學(xué) ??時(shí)間：2022-06-24
圖片來源：Schneider Electric.
作者 | Mark T. Hoske
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本文通過3個(gè)最新的包裝自動(dòng)化集成應(yīng)用案例的解析，為新建包裝系統(tǒng)和舊系統(tǒng)升級提出了參考建議和注意事項(xiàng)。
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先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備和控制技術(shù)可以幫助制造商實(shí)現(xiàn)包裝系統(tǒng)的集成和升級。根據(jù)應(yīng)用需求和環(huán)境的不同，自動(dòng)化系統(tǒng)集成商需要為客戶考慮到所有可能出現(xiàn)的困難，幫助他們在最短的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)升級和高效運(yùn)營。
一家蔬菜加工廠想要為冷凍蔬菜產(chǎn)品線安裝一條全新的包裝線。新的包裝線包括新的加工設(shè)備和包裝設(shè)備（包括碼垛設(shè)備）。該生產(chǎn)線上涉及到各種蔬菜混合物、餐食和其它物品。該工廠生產(chǎn)多種產(chǎn)品，并需要定期進(jìn)行切換。
NCC 自動(dòng)化系統(tǒng)公司承接了這項(xiàng)交鑰匙工程，為這家蔬菜加工商提供完全集成的包裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括全方位的包裝設(shè)備，例如多頭組合秤、VFFS 裝袋機(jī)、機(jī)器人裝箱機(jī)、制箱器和封箱器、機(jī)器人碼垛機(jī)以及長約1,000英尺的輸送機(jī)等。該項(xiàng)目的造價(jià)為750 萬美元，其中不包括由客戶購買的組合秤和裝袋機(jī)。
▎袋式輸送機(jī)系統(tǒng)將檢查過的產(chǎn)品收集到包裝箱中。圖片來源：NCC 公司
在新安裝生產(chǎn)線相鄰的區(qū)域，正在運(yùn)行類似的生產(chǎn)線，包括袋子和箱子生產(chǎn)線。客戶希望該項(xiàng)目完成后，將提供一套高效的包裝生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠以期望的速率生產(chǎn)所有包裝和包裝盒。該系統(tǒng)可為生產(chǎn)線上的所有員工提供安全的操作環(huán)境。NCC 公司的總裁Kevin Mauger說，在此項(xiàng)目中主要遇到了4 個(gè)方面的挑戰(zhàn)：
? 立式袋（新產(chǎn)品）的運(yùn)行狀況；
? 項(xiàng)目交付時(shí)間表；
? 非常小的箱子運(yùn)輸和碼垛；
? 對現(xiàn)有控制系統(tǒng)的改造。
新系統(tǒng)安裝了新的產(chǎn)品分配系統(tǒng)、4 個(gè)裝袋機(jī)和4 個(gè)秤。此外，還安裝了一條新的包裝線，以處理裝袋機(jī)生產(chǎn)的袋子。包裝線生產(chǎn)的箱子通過新的高架箱子輸送機(jī)進(jìn)行輸送，該輸送機(jī)將由新的碼垛系統(tǒng)進(jìn)行碼垛。現(xiàn)有的拉伸包裝機(jī)用于包裝完整的托盤。
整套包裝自動(dòng)化系統(tǒng)的流程包括：首先，冷凍產(chǎn)品從客戶提供的冷凍機(jī)中傳出，進(jìn)入產(chǎn)品分配系統(tǒng)。每臺裝袋機(jī)每分鐘最多可輸出80 袋。裝袋機(jī)卸料輸送帶包括1 臺翻袋機(jī)，以便將袋的密封面朝下放置。2 個(gè)制箱器用于制作紙箱毛坯，然后將它們放置在空箱輸送機(jī)上，以供4 個(gè)箱子裝載器使用。
接下來，通過自動(dòng)裝載器將袋子裝進(jìn)空箱中。袋子從一側(cè)進(jìn)入箱子裝載器，空箱子則從另一側(cè)進(jìn)入箱子裝載器。裝箱機(jī)使用2 個(gè)視覺引導(dǎo)的機(jī)械手進(jìn)行一次拾取配置，因此可以360 度校正包裝袋錯(cuò)位。完整的箱子從每個(gè)箱子加載器中輸出，然后經(jīng)過密封的箱體被輸送到箱體輸送機(jī)上。箱體將從傾斜螺旋輸送機(jī)輸送到高架輸送機(jī)上。
新的碼垛系統(tǒng)包括向系統(tǒng)展示碼垛的箱式輸送機(jī)、叉式托盤分配器、3 排空托盤輸送機(jī)、2 個(gè)用于正確構(gòu)建碼型的機(jī)器人、3 排全托盤輸送機(jī)和電動(dòng)滾筒輸送機(jī)（與現(xiàn)有的拉伸包裝輥輸送機(jī)匹配），以及所需的安全圍欄/防護(hù)裝置和控制面板。
全新的帶有機(jī)器人、碼垛系統(tǒng)和傳送帶的自動(dòng)蔬菜加工和包裝生產(chǎn)線，每分鐘最高可處理320 個(gè)袋子，并且可以靈活處理和定期切換多種產(chǎn)品。Mauger 說，“通過預(yù)先識別已知的風(fēng)險(xiǎn)，我們制定了緩解和應(yīng)急計(jì)劃。使得該項(xiàng)目可以按時(shí)、按計(jì)劃和按預(yù)算進(jìn)行?！?/p>
▎箱式輸送機(jī)將產(chǎn)品送入機(jī)器人碼垛系統(tǒng)。
Stone 技術(shù)公司的的客戶經(jīng)理RobbieKerfoot，最近參與了一個(gè)項(xiàng)目，需要為客戶分布在不同地點(diǎn)的8 個(gè)工廠中實(shí)現(xiàn)包裝、記錄和原材料的更新、集成和自動(dòng)化。
該項(xiàng)目由硬件、軟件以及與各種本地和企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）解決方案的通信組成，客戶的目標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)化其各個(gè)生產(chǎn)線終端的標(biāo)簽和報(bào)告，以確保將其在北美地區(qū)8 個(gè)生產(chǎn)設(shè)施中所生產(chǎn)的制成品自動(dòng)標(biāo)記以進(jìn)行分配。所有的原材料都會被統(tǒng)計(jì)和記錄以進(jìn)行跟蹤。
在本地直接與現(xiàn)有包裝設(shè)備進(jìn)行對接，以確保利用自動(dòng)化的準(zhǔn)確性，從而減少任何可能的人工數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤。Stone 公司為這個(gè)項(xiàng)目提供了一些新的硬件（例如，標(biāo)記設(shè)備和服務(wù)器），編寫在新硬件和現(xiàn)有控制系統(tǒng)之間進(jìn)行接口所需的接口編碼，并且由于新系統(tǒng)已經(jīng)就位，在許多情況下可以修改現(xiàn)有控制系統(tǒng)，以提升其效率。
最大的挑戰(zhàn)之一是與客戶團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)解決方案，然后將該解決方案部署到各個(gè)本地站點(diǎn)，“每個(gè)站點(diǎn)都有其獨(dú)特的障礙需要克服，同時(shí)仍要實(shí)現(xiàn)公司整體的解決方案?！盞erfoot 說。克服這一特殊挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是確保始終傳達(dá)、討論客戶和利益相關(guān)者的所有期望，并在存在分歧時(shí)盡早制定解決方案。
在過去3 年中，Avanceon公司注意到在包裝項(xiàng)目中有一種趨勢，就是解決系統(tǒng)技術(shù)過時(shí)的問題。傳統(tǒng)上，包裝生產(chǎn)線所在的工廠區(qū)域每年必須保證24x7x365 安全運(yùn)行，因此，對其態(tài)度通常是“如果沒有故障，就不需要修理”。近年來，由于技術(shù)過時(shí)，制造商不得不對包裝系統(tǒng)進(jìn)行升級。面臨的挑戰(zhàn)主要來自兩個(gè)方面：
1. 從來沒有一個(gè)好的停機(jī)時(shí)間窗口。
2. 系統(tǒng)需要在外觀和性能上與停機(jī)前完全一樣，以確保運(yùn)行人員能夠接受該系統(tǒng)。
最近對一家工廠的面包生產(chǎn)線包裝系統(tǒng)的升級解決了這些問題。Avanceon 公司幫助升級了舊的控制系統(tǒng)，以控制和協(xié)調(diào)面包工廠的包裝區(qū)域。包裝系統(tǒng)由7 條生產(chǎn)線組成，每分鐘處理20箱以上。由于匯聚到此包裝區(qū)域的生產(chǎn)線數(shù)量眾多，因此需要在非常有限的停機(jī)時(shí)間范圍內(nèi)完成升級，沒有犯錯(cuò)誤的時(shí)間。
該項(xiàng)目需要用4 個(gè)機(jī)架和超過60 個(gè)模塊來替換PLC 5/25，這些模塊通過遠(yuǎn)程輸入/ 輸出（I/O）和過時(shí)的數(shù)據(jù)高速公路通信協(xié)議，連接到工廠的其余部分。舊的處理器和系統(tǒng)被可編程的自動(dòng)化控制器和基于以太網(wǎng)的I/O 所取代。此外，還涉及到軟件轉(zhuǎn)換、更新現(xiàn)有（破爛不堪的）電氣設(shè)計(jì)文檔。
Robert Herman 是Avanceon公司的項(xiàng)目經(jīng)理兼高級工程師，他參與了這個(gè)包裝項(xiàng)目?！斑@個(gè)項(xiàng)目的主要挑戰(zhàn)是啟動(dòng)時(shí)間窗口短（只有一個(gè)為期3 天的周末假期）和開始生產(chǎn)后的穩(wěn)定運(yùn)行?！盚erman 說，“在為期3 天的項(xiàng)目實(shí)施過程中，不僅需要更換控制器，重新編程并更新網(wǎng)絡(luò)，還需要系統(tǒng)集成商檢查并測試代碼?！?/p>
該項(xiàng)目的目標(biāo)是更換所有硬件（現(xiàn)有處理器已滿，無法再對其進(jìn)行編輯），測試新的I/O，并在啟動(dòng)前確?，F(xiàn)有功能的順利實(shí)現(xiàn)。由于項(xiàng)目基于硬件，并且缺少人機(jī)界面（HMI）屏幕，因此在上線之前無法對這類項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)全面仿真以進(jìn)行測試。為了降低啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在代碼轉(zhuǎn)換、交叉檢查代碼、圖紙審查等質(zhì)量管理方面格外小心。
停機(jī)時(shí)間選在了勞動(dòng)節(jié)周末的3 天假日。電氣團(tuán)隊(duì)從周六上午12 點(diǎn)開始接線，并在周日凌晨5 點(diǎn)結(jié)束。在周日，控制團(tuán)隊(duì)完成了所有I /O 檢查，然后進(jìn)行了功能測試。由于質(zhì)量控制做的很好，代碼測試進(jìn)行得很順利，經(jīng)過漫長的一天，團(tuán)隊(duì)最終完成了工作。這樣，就有星期一作為備用，可以進(jìn)行更多測試，并有機(jī)會讓團(tuán)隊(duì)休息。該系統(tǒng)在啟動(dòng)爬坡（2 秒內(nèi)從0 到60 mph）內(nèi)進(jìn)行了調(diào)試，與項(xiàng)目相關(guān)的總停機(jī)時(shí)間僅為20 分鐘。通過強(qiáng)有力的執(zhí)行質(zhì)量計(jì)劃、嚴(yán)格的驗(yàn)收時(shí)間表和詳細(xì)的現(xiàn)場驗(yàn)收測試清單，該項(xiàng)目的完成時(shí)間比預(yù)期提前，這為額外的測試留出了緩沖時(shí)間。
對于老舊的項(xiàng)目，尤其是在時(shí)間至關(guān)重要的包裝應(yīng)用領(lǐng)域，從中學(xué)到的最大的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是要密切注意序列時(shí)間。新的處理器和通信協(xié)議通常比舊的處理速度快得多。經(jīng)歷的短暫停機(jī)是由于先前邏輯程序中的周期時(shí)間異相而導(dǎo)致的。需要重寫此邏輯程序以匹配速度更快的處理器。“我們花了更多時(shí)間專注于時(shí)間關(guān)鍵領(lǐng)域。當(dāng)生產(chǎn)線全速運(yùn)行時(shí)，我們相應(yīng)調(diào)整了計(jì)時(shí)器以及掃描時(shí)間?！?Herman 表示。
關(guān)鍵概念：
■ 通過預(yù)先識別已知的風(fēng)險(xiǎn)，制定緩解和應(yīng)急計(jì)劃。
■ 對于老舊的項(xiàng)目，尤其是在時(shí)間至關(guān)重要的包裝應(yīng)用中，升級系統(tǒng)時(shí)應(yīng)密切注意序列時(shí)間。
■ 系統(tǒng)升級需要在所有生產(chǎn)設(shè)施之間進(jìn)行跟蹤并保持一致性。
思考一下：
下一代自動(dòng)化技術(shù)可以幫助您重新設(shè)計(jì)新的包裝生產(chǎn)線嗎？
