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PackML-復(fù)雜包裝生產(chǎn)中的“化繁為簡”

對于CPG（Consumer Packed Goods）領(lǐng)域，包括食品飲料、制藥、個人護理品這些產(chǎn)業(yè)而言。其不變的就是“變化”—這對于系統(tǒng)的應(yīng)變能力提出了需求。尤其在于設(shè)備的軟件，如何被快速“重構(gòu)”，以能解決產(chǎn)線的快速換型，以及OEE的提升。要解決“重構(gòu)”問題，就得回到工程設(shè)計階段的“解構(gòu)”—即，我們?nèi)绾畏纸鈾C器的模塊，以實現(xiàn)最有效的模塊拆分，并能基于簡單的機制，來實現(xiàn)模塊間的協(xié)作。

這就是機器軟件系統(tǒng)設(shè)計的核心思想，它不僅適用于包裝工業(yè)，同樣，每個機器裝備制造業(yè)都是具有相通性的。PackML作為包裝機器語言 ，是自1990年代即由OMAC組織建立并持續(xù)升級的通信規(guī)范，并作為OPC UA的行業(yè)信息模型。但它背后，同時又是機電系統(tǒng)模塊劃分、協(xié)作機制的工程設(shè)計思想的經(jīng)典體現(xiàn)。本文剖析這種工程設(shè)計思想，以期機器設(shè)計人士有所啟發(fā)

模塊化設(shè)計-高內(nèi)聚，低耦合思想

PackML作為包裝機器通信規(guī)約，匹配機器機電及軟件“模塊化”設(shè)計的思想。首先，如何劃分模塊就成為了問題的關(guān)鍵。這里，我們結(jié)合飲料灌裝線為例，將其思想進行簡要的闡述： 

圖1中，瓶胚經(jīng)由理胚機，將瓶胚輸送至加熱爐快速加熱，然后通過星輪送至吹瓶站的模具中，經(jīng)過各個閥的動作及伺服拉伸桿的上下動作，完成吹瓶。接著經(jīng)過清洗、殺菌進入灌裝單元，經(jīng)過升瓶、吹掃、低速、高速灌裝等動作，完成精準的灌裝。通過星輪機構(gòu)送出至旋蓋單元，通過伺服旋蓋，進入貼標單元，貼標站會根據(jù)所需的長度、位置進行精準的貼標。再進入膜包單元，瓶子經(jīng)過分道形成所需的2*3、2*6、4*6等規(guī)格隊列，經(jīng)過挑膜、裹膜、熱收縮動作，完成等多種規(guī)格的膜包。后續(xù)還有碼垛機隊其進行碼垛，輸送至物流倉庫。

PackML的模塊化設(shè)計思想，提供了控制、機器模塊、單元和產(chǎn)線四個層級的模塊化構(gòu)建指導(dǎo)。并據(jù)此設(shè)計機器的控制、運行、管理的模塊化系統(tǒng)。

·  控制層面：在控制軟件層面，機器以完整的檢測與控制閉環(huán)構(gòu)成最小的單元。例如：在飲料線，包括瓶胚加熱和膜包中的溫度閉環(huán)、吹瓶和灌裝中的高速電子閥邏輯控制、吹瓶中的伺服拉伸、旋蓋的扭矩與速度控制、貼標和膜包中的放卷與張力控制，以及在貼標中托盤的伺服定位控制。即，在最底層的軟件控制由這些小的模塊來構(gòu)成。在這個層面，PackML對于編程，則是推薦PLCopen作為基本的標準，作為PLC廠商，基本都會遵循這一編程標準。

·  設(shè)備模塊：它是機器的每個獨立機電一體化模塊，例如，在吹瓶中，它包括了理胚、輸送、加熱爐、星輪機構(gòu)、吹瓶模組、閥組、氣路/水路、機械同步機構(gòu)、安全機構(gòu)構(gòu)成。這里需要強調(diào)的是它是一個“機電一體”對象，即，它包括了獨立的閉環(huán)控制軟件和實體的機電對象，構(gòu)成了具有獨立功能的機器模塊。

例如，在飲料灌裝的后道的回轉(zhuǎn)式貼標單元，同樣如此，它由1或多個貼標模塊、回轉(zhuǎn)機構(gòu)的托盤機構(gòu)等構(gòu)成。在一個貼標模塊，就由材料放卷、送標、切標控制模塊構(gòu)成了整個貼標模塊。而圓盤貼標則包括了電機獨立驅(qū)動的托盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，以應(yīng)對那些非圓形，或者需要特別貼標位置的貼標定位。

·  單元層面：由設(shè)備模塊會構(gòu)成獨立的設(shè)備單元，這些設(shè)備單元在商業(yè)上，實際上既可以由單一廠商提供，也可以由不同的廠商提供。在技術(shù)上，它由獨立的PLC進行集中式的邏輯控制、定位與同步，以及本單元獨立的HMI操作，整個機電軟一體化，構(gòu)成了具有獨立運行的機器。

·  整線層面：通常一條灌裝線，會由不同的設(shè)備單元組成，這些設(shè)備有可能來自多個供應(yīng)商。PackML為這些包裝線定義了機器間的協(xié)作規(guī)范與機制，包括機器間的協(xié)作信息、產(chǎn)線與MES系統(tǒng)間的通信交互規(guī)范。以使得機器可以獲得水平方向和垂直方向的信息高效交互。

圖2即是其軟件模塊的層級，在控制和設(shè)備間包括了狀態(tài)信息的上行反饋、命令的下行分發(fā)。在設(shè)備和單元間同樣包括命令/狀態(tài)的完成信息反饋，以及設(shè)備模塊的事件信息反饋。在單元和產(chǎn)線間，包括了狀態(tài)、管理信息的反饋，以及PackML的指令下發(fā)、作業(yè)配方的下發(fā)。

從最小的機電單元、設(shè)備模塊、單元設(shè)備、產(chǎn)線，PackML提供了多層級的模塊化開發(fā)。這樣，機器將會由這些模塊一層層搭建，形成整個產(chǎn)線級的運行。機器的變化，將由獨立的功能單元、設(shè)備來進行參數(shù)的變化、狀態(tài)的切換來實現(xiàn)控制、連接、運行、管理。

實際上，不僅包裝類設(shè)備，包括印刷類、半導(dǎo)體、光伏、電池類，具有長流程產(chǎn)線集成的設(shè)備，其機器/產(chǎn)線的軟件構(gòu)建都可以遵循這樣的模塊化思想。

復(fù)雜協(xié)作簡化為邏輯編程

在圖1-2中我們看到了機器被模塊化設(shè)計，但機器協(xié)作起來的狀態(tài)模型又是一個“化繁為簡”思想的典范。即，它將復(fù)雜的機器協(xié)作問題，采用了邏輯這種方式來進行編程。這就使得機器的變化，僅需簡單的編排即可。

在控制任務(wù)層面，PLCopen Motion也提供了狀態(tài)模型，來實現(xiàn)軸/軸組的協(xié)作。而PackML則在機器功能單元間、機器間定義了狀態(tài)機。分為了十余個不同的狀態(tài)。

在機器層面，由各個單元構(gòu)成的機器，將通過PackML的協(xié)作機制來進行協(xié)作。

機器的運行將在這一系列的狀態(tài)下進行，無論出現(xiàn)了產(chǎn)品的更換、突發(fā)的故障、缺料、急停等，都會使得機器進入另一個狀態(tài)，并調(diào)用相應(yīng)的程序，并在外部條件、觸發(fā)下重新轉(zhuǎn)入新的狀態(tài)。機器就在這些狀態(tài)的觸發(fā)下自動的運行。

包裝產(chǎn)線的數(shù)字化協(xié)作

PackML通過各種信息標簽形式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流分組與交互功能。例如，VisualTags作為統(tǒng)一的界面，簡化了操作，盡管來自于不同的廠商，PackML使得各個廠商均采用了統(tǒng)一的HMI操作界面。啟動、執(zhí)行、保持、停機、中止等操作按鈕，實際上背后就是每個狀態(tài)的切換邏輯。如圖4所示。

PackTags-讓指令被統(tǒng)一交互，實際上，在PackML中主要定義了三種數(shù)據(jù)標簽（如圖5），用于機器的協(xié)作：

·  狀態(tài)標簽：這包括機器的狀態(tài)返回、參數(shù)、速度、遠程接口等狀態(tài)數(shù)據(jù)；

·  管理標簽：例如報警信息，計數(shù)信息（良品率計算）、報錯原因等，主要是對生產(chǎn)過程的質(zhì)量與根源分析等任務(wù)相關(guān)的。

·  命令標簽：這些標簽主要是機器的開啟、停止，及攜帶的參數(shù)。

因此，PackML作為OPC UA的行業(yè)信息模型，它定義了針對包裝產(chǎn)線生產(chǎn)所需的信息建模。這種信息建模，更具有行業(yè)針對性，并提高了行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)線數(shù)據(jù)交互的便利性。

運營的關(guān)鍵-OEE計算

在圖6中，我們看到了HMI的統(tǒng)一設(shè)計界面，事實上，這背后也是用于計算OEE的關(guān)鍵。在這個按鍵的背后，都會啟用一個定時器，也計算各個機器可用性（Availability）的時間數(shù)據(jù)。

·  可用性：可用性與Execute、Holding、Suspending、Held、Stopped、Aborted這幾個參數(shù)背后的計時器數(shù)據(jù)相關(guān)，由系統(tǒng)自動計算，并作為可用性參數(shù)。

·  性能：這個可以在狀態(tài)和管理標簽中的相關(guān)參數(shù)來自動計算。

·  良品率：良品參數(shù)則與機器的整個生產(chǎn)產(chǎn)品計數(shù)、良品計數(shù)，然后計算獲得。

通過可用性*性能*良品率這三個指標，即可計算出整線的OEE指標。

因此，我們可以看到，在PackML的信息模型中，這些數(shù)據(jù)用于資產(chǎn)效率評估，因此，它不僅是機器的運行狀態(tài)的信息（StatusTags），也包括了管理標簽（AdminTags），以及任務(wù)變更的“命令標簽（CommandTags）”。

貝加萊內(nèi)嵌PackML功能

貝加萊一直是CPG消費品包裝領(lǐng)域的深度自動化方案提供商，在Automation Studio中，也對PackML進行了封裝，以便包裝設(shè)備制造商可以快速的在其機器中嵌入PackML。

圖7可以看到，Automation Studio內(nèi)嵌的mappPackML模塊可以被用戶所配置和使用。它符合OMAC PackML標準的mpPackMLCore和PackML的模塊mpPackMLModule。

考慮到在食品飲料、制藥領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)據(jù)可追溯性的需求，mappPackML中，還包括了對審計追蹤功能的配置，可以對PackML的操作、狀態(tài)運行等進行電子記錄，并以不可篡改形式保存（如圖8）。

PackML作為一個獨立模塊，可以與配方、用戶、數(shù)據(jù)管理等mapp模塊通過連接的方式編程。圖9為PackML的頁面編程。

圖10是在mappPackML內(nèi)對HMI界面進行配置，在Automation Studio中，這些均為標準模塊，根據(jù)機器的實際進行配置即可形成，統(tǒng)一的HMI畫面。并且，如前所說，每個操作背后的狀態(tài)數(shù)據(jù)被用于計算OEE，也被用于審計追蹤等。

應(yīng)用-為包裝簡化了操作

圖11-12是來自Korber旗下的制藥裝備廠商及OCME飲料包裝設(shè)備上采用了PackML的統(tǒng)一界面。PackML對于CPG的終端生產(chǎn)企業(yè)來說，帶來的好處包括：

·  統(tǒng)一的操作界面，降低了學(xué)習(xí)成本；

·  易于連接設(shè)備到MES系統(tǒng)；

·  便于不同控制廠商的設(shè)備集成；

·  統(tǒng)一的標準，便于設(shè)備的替換；

對于機器制造商，PackML提供了幾個好處：

·  標準化的機器設(shè)計，降低機器軟件重組成本；

·  快速響應(yīng)市場對機器的變化需求；

·  快速融入用戶的數(shù)字化系統(tǒng)；

·  統(tǒng)一標準，易于集成以及操作；

PackML是一個非常好的數(shù)字化規(guī)范，它所蘊含的機器模塊化設(shè)計思想、信息建模都可以作為一種深刻的“洞見”為機器開發(fā)企業(yè)所用。