PackML： 包裝設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)與數(shù)字化協(xié)同

　　1 PackML：復(fù)雜包裝生產(chǎn)中的“化繁為簡(jiǎn)”

　　對(duì)于CPG(Consumer Packed Goods)消費(fèi)品包裝領(lǐng)域，包括食品飲料、制藥、個(gè)人護(hù)理品包裝這些行業(yè)而言，其不變的就是“變化”——這對(duì)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，如何能夠被快速“重構(gòu)”，以解決產(chǎn)線的快速換型，以及OEE的提升。要解決“重構(gòu)”問(wèn)題，就得回到工程設(shè)計(jì)階段的“解構(gòu)”——即，如何分解機(jī)器的模塊，以實(shí)現(xiàn)最有效的模塊拆分，并能基于簡(jiǎn)單的機(jī)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的協(xié)作。這就是機(jī)器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想，它不僅適用于包裝工業(yè)，同樣，每個(gè)機(jī)器裝備制造業(yè)都是具有相通性的。PackML作為包裝機(jī)器語(yǔ)言，是自1990年代即由OMAC組織建立并持續(xù)升級(jí)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(shí)又是機(jī)電系統(tǒng)模塊劃分、協(xié)作機(jī)制的工程設(shè)計(jì)思想的經(jīng)典體現(xiàn)，本文剖析了這種工程設(shè)計(jì)思想，以期對(duì)機(jī)器設(shè)計(jì)人士有所啟發(fā)。

　　2 模塊化設(shè)計(jì)——高內(nèi)聚，低耦合思想

　　PackML作為包裝機(jī)器通信規(guī)約，匹配機(jī)器機(jī)電及軟件“模塊化”設(shè)計(jì)的思想。首先，如何劃分模塊就成為了問(wèn)題的關(guān)鍵。這里，我們結(jié)合飲料灌裝線為例，將其思想進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。

　　圖1中，瓶胚經(jīng)由理胚機(jī)，將瓶胚輸送至加熱爐快速加熱，然后通過(guò)星輪送至吹瓶站的模具中，經(jīng)過(guò)各個(gè)閥的動(dòng)作及伺服拉伸桿的上下動(dòng)作，完成吹瓶。接著經(jīng)過(guò)清洗、殺菌進(jìn)入灌裝單元，經(jīng)過(guò)升瓶、吹掃、低速、高速灌裝等動(dòng)作，完成精準(zhǔn)的灌裝。通過(guò)星輪機(jī)構(gòu)送出至旋蓋單元，再通過(guò)伺服旋蓋，進(jìn)入貼標(biāo)單元，貼標(biāo)站會(huì)根據(jù)所需的長(zhǎng)度、位置進(jìn)行精準(zhǔn)的貼標(biāo)。然后進(jìn)入膜包單元，瓶子經(jīng)過(guò)分道形成所需的2*3、2*6、4*6等規(guī)格隊(duì)列，經(jīng)過(guò)挑膜、裹膜、熱收縮動(dòng)作，完成等多種規(guī)格的膜包。后續(xù)再經(jīng)過(guò)碼垛機(jī)對(duì)其進(jìn)行碼垛，輸送至物流倉(cāng)庫(kù)。

    PackML的模塊化設(shè)計(jì)思想，提供了控制、機(jī)器模塊、單元和產(chǎn)線四個(gè)層級(jí)的模塊化構(gòu)建指導(dǎo)，并據(jù)此設(shè)計(jì)機(jī)器的控制、運(yùn)行、管理的模塊化系統(tǒng)。

　　? 控制層面：在控制軟件層面，機(jī)器以完整的檢測(cè)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(biāo)和膜包中的放卷與張力控制，以及在貼標(biāo)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(lái)構(gòu)成。在這個(gè)層面，PackML對(duì)于編程，則是推薦PLCopen作為基本的標(biāo)準(zhǔn)，作為PLC廠商，基本都會(huì)遵循這一編程標(biāo)準(zhǔn);

圖 1 飲料灌裝線的模塊化設(shè)計(jì)

圖 2 PackML 的機(jī)器軟件模塊化層級(jí)

圖 3 PackML 的機(jī)器狀態(tài)模型切換關(guān)系

? 設(shè)備模塊：它是機(jī)器的每個(gè)獨(dú)立機(jī)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(jī)構(gòu)、吹瓶模組、閥組、氣路/水路、機(jī)械同步機(jī)構(gòu)、安全機(jī)構(gòu)構(gòu)成。這里需要強(qiáng)調(diào)的是它是一個(gè)“機(jī)電一體”對(duì)象，即，它包括了獨(dú)立的閉環(huán)控制軟件和實(shí)體的機(jī)電對(duì)象，構(gòu)成了具有獨(dú)立功能的機(jī)器模塊。例如，在飲料灌裝的后道的回轉(zhuǎn)式貼標(biāo)單元，同樣如此，它由1或多個(gè)貼標(biāo)模塊、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的托盤機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。在一個(gè)貼標(biāo)模塊，就由材料放卷、送標(biāo)、切標(biāo)控制模塊構(gòu)成了整個(gè)貼標(biāo)模塊。而圓盤貼標(biāo)則包括了電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的托盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)那些非圓形，或者需要特別貼標(biāo)位置的貼標(biāo)定位;

　　? 單元層面：由設(shè)備模塊會(huì)構(gòu)成獨(dú)立的設(shè)備單元，這些設(shè)備單元在商業(yè)上，實(shí)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(dú)立的PLC進(jìn)行集中式的邏輯控制、定位與同步，以及本單元獨(dú)立的HMI操作，整個(gè)機(jī)電軟一體化，構(gòu)成了具有獨(dú)立運(yùn)行的機(jī)器;

　　? 整線層面：通常一條灌裝線，會(huì)由不同的設(shè)備單元組成，這些設(shè)備有可能來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商。PackML為這些包裝線定義了機(jī)器間的協(xié)作規(guī)范與機(jī)制，包括機(jī)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(jī)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(jí)，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(jī)電單元、設(shè)備模塊、單元設(shè)備、產(chǎn)線，PackML提供了多層級(jí)的模塊化開(kāi)發(fā)。這樣，機(jī)器將會(huì)由這些模塊一層層搭建，形成整個(gè)產(chǎn)線級(jí)的運(yùn)行。機(jī)器的變化，將由獨(dú)立的功能單元、設(shè)備來(lái)進(jìn)行參數(shù)的變化、狀態(tài)的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)控制、連接、運(yùn)行、管理。

　　實(shí)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(zhǎng)流程產(chǎn)線集成的設(shè)備，其機(jī)器/產(chǎn)線的軟件構(gòu)建都可以遵循這樣的模塊化思想。

       3 復(fù)雜協(xié)作簡(jiǎn)化為邏輯編程

　　在圖1、2中我們看到了機(jī)器被模塊化設(shè)計(jì)，但機(jī)器協(xié)作起來(lái)的狀態(tài)模型又是一個(gè)“化繁為簡(jiǎn)”思想的典范。即，它將復(fù)雜的機(jī)器協(xié)作問(wèn)題，采用了邏輯這種方式來(lái)進(jìn)行編程，這就使得機(jī)器的變化僅需簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)軸/軸組的協(xié)作。而PackML則在機(jī)器功能單元間、機(jī)器間定義了狀態(tài)機(jī)。分為了十余個(gè)不同的狀態(tài)。

　　在機(jī)器層面，由各個(gè)單元構(gòu)成的機(jī)器，將通過(guò)PackML的協(xié)作機(jī)制來(lái)進(jìn)行協(xié)作(圖3)。機(jī)器的運(yùn)行將在這一系列的狀態(tài)下進(jìn)行，無(wú)論出現(xiàn)了產(chǎn)品的更換、突發(fā)的故障、缺料、急停等，都會(huì)使得機(jī)器進(jìn)入另一個(gè)狀態(tài)，并調(diào)用相應(yīng)的程序，在外部條件、觸發(fā)下重新轉(zhuǎn)入新的狀態(tài)自動(dòng)運(yùn)行。

　　4 包裝產(chǎn)線的數(shù)字化協(xié)作

　　PackML通過(guò)各種信息標(biāo)簽形式，實(shí)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(jiǎn)化了操作，盡管來(lái)自于不同的廠商，但PackML使得各個(gè)廠商均采用了統(tǒng)一的HMI操作界面。啟動(dòng)、執(zhí)行、保持、停機(jī)、中止等操作按鈕，實(shí)際上背后就是每個(gè)狀態(tài)的切換邏輯，如圖4所示。

　　PackTags讓指令被統(tǒng)一交互，實(shí)際上，在PackML中主要定義了三種數(shù)據(jù)標(biāo)簽(如圖5)，用于機(jī)器的協(xié)作：

　　? 狀態(tài)標(biāo)簽：這包括機(jī)器的狀態(tài)返回、參數(shù)、速度、遠(yuǎn)程接口等狀態(tài)數(shù)據(jù);

　　? 管理標(biāo)簽：例如報(bào)警信息、計(jì)數(shù)信息(良品率計(jì)算)、報(bào)錯(cuò)原因等，主要是和生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量與根源分析

　　等任務(wù)相關(guān)的;

　　? 命令標(biāo)簽：這些標(biāo)簽主要是機(jī)器的開(kāi)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(duì)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(duì)性，并提高了行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)線數(shù)據(jù)交互的便利性。

　　5 運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵——OEE計(jì)算

　　在圖6中，我們看到了HMI的統(tǒng)一設(shè)計(jì)界面，事實(shí)上，這背后也是用于計(jì)算OEE的關(guān)鍵。在這個(gè)按鍵的背后，都會(huì)啟用一個(gè)定時(shí)器，同時(shí)計(jì)算各個(gè)機(jī)器可用性(Availability)的時(shí)間數(shù)據(jù)。

圖 4 PackML 的 HMI 操作界面

圖 5 PackML 的數(shù)據(jù)標(biāo)簽

圖 6 關(guān)于狀態(tài)的背后計(jì)算

圖 7 Automation Studio 中對(duì) PackML 模塊的配置

圖 8 mpPackML 中對(duì)審計(jì)追蹤的配置

圖 9 PackML 的編程

圖 10 PackML 的 HMI 頁(yè)面配置

　　?可用性：可用性與Execute、Holding、Suspending、Held、Stopped、Aborted這幾個(gè)參數(shù)背后的計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)相關(guān)，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算，并作為可用性參數(shù);

　　? 性能：這個(gè)可以在狀態(tài)和管理標(biāo)簽中的相關(guān)參數(shù)來(lái)自動(dòng)計(jì)算;

　　? 良品率：良品參數(shù)則與機(jī)器的整個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)品計(jì)數(shù)、良品計(jì)數(shù)相關(guān)，然后計(jì)算獲得。

　　通過(guò)可用性、性能、良品率這三個(gè)指標(biāo)，即可計(jì)算出整線的OEE指標(biāo)。

　　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(píng)估，因此，它不僅是機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)的信息(StatusTags)，也包括了管理標(biāo)簽(AdminTags)，以及任務(wù)變更的“命令標(biāo)簽(CommandTags)”。

圖 11 在制藥設(shè)備上采用的 PackML 界面

圖 12 在啤酒飲料后道設(shè)備上的 PackML

　　6 貝加萊內(nèi)嵌PackML功能

　　貝加萊一直是CPG消費(fèi)品包裝領(lǐng)域的深度自動(dòng)化方案提供商，在Automation Studio中，也對(duì)PackML進(jìn)行了封裝，以便包裝設(shè)備制造商可以快速的在其機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)審計(jì)追蹤功能的配置，可以對(duì)PackML的操作、狀態(tài)運(yùn)行等進(jìn)行電子記錄，并以不可篡改的形式保存(如圖8)。

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

　　圖10是在mappPackML內(nèi)對(duì)HMI界面進(jìn)行配置，在Automation Studio中，這些均為標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)機(jī)器的實(shí)際進(jìn)行配置即可形成統(tǒng)一的HMI畫面。并且，如前所說(shuō)，每個(gè)操作背后的狀態(tài)數(shù)據(jù)均可被用于計(jì)算OEE，也可被用于審計(jì)追蹤等。

　　7 應(yīng)用——為包裝簡(jiǎn)化了操作

　　圖11、12是來(lái)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(duì)于CPG的終端生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，帶來(lái)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(biāo)準(zhǔn)，便于設(shè)備的替換。

　　對(duì)于機(jī)器制造商，PackML提供了以下應(yīng)用益處：

　　? 標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)器設(shè)計(jì)，降低機(jī)器軟件重組成本;

　　? 快速響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)機(jī)器的變化需求;

　　? 快速融入用戶的數(shù)字化系統(tǒng);

　　? 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，易于集成以及操作。

　　PackML是一個(gè)非常好的數(shù)字化規(guī)范，它所蘊(yùn)含的機(jī)器模塊化設(shè)計(jì)思想、信息建模都可以作為一種深刻的“洞見(jiàn)”為機(jī)器開(kāi)發(fā)企業(yè)所用。