浅谈食品包装机械中自动化技术的应用与发展

申海鹏

近年来，我国食品工业企业组织结构发生了显著变化。规模以上食品制造业和饮料制造业的企业数量、从业人员年均数量均呈现不同程度的增长。据国家统计局统计，从2005年到2010年，我国规模以上食品制造业和饮料制造业企业数量，分别从5428家和3448家增加至9179家和6412家，增幅分别达69.10％和85.96％；而规模以上食品制造业和饮料制造业的全部从业人员年均人数，也分别由116.59万及87.54)K增加至168.78万和124.64万，增幅分别达44.77％和42.37％。由此可见，我国对食品饮料工业从业人员的需求大幅增加，每年劳动力市场的短缺与制造业订单增加之间的矛盾日渐浮现，迫使企业考虑采用自动化技术来解决一问题，以提高劳动生产率及统一产品质量标准。

在一个充满了竞争和以客户为导向的商业化环境中，对设备灵活性、稳定性和可靠性的要求也越来越多。目前，包装系统从第1代发展到了第4代，正在逐步实现更高程度的自动化水平，而且还大大增加了相关软件的应用比例。

自动化对企业生产的重要性

通过消除人工错误，自动化设备可以带来更高的生产能力，它速度更快，操作更加精确，特别适合于重复性和比较关键的操作步骤。

主要以机械零件为主的包装设备可能会因零件问题而导致生产速度减慢，并且增加了发生潜在差错的可能性。为确保所有的机械组件都能保持良好的运行状态，日常的维护是很有必要的，但糟糕的是，这些包装机械设计无法使用现代控制器所用的那些先进的故障诊断和排除工具，无法改善不必要的停机状况。因此，包装界正在增加其设备的自动化程度，以便满足用户日益增长的相关需求。

包装设备的演变过程

第1代设备会使用一个主电机、几个齿轮箱及一些链条和滑轮来传递动力和扭矩，将手工操作转成自动化操作。直到今天，许多这样的设备仍然在使用。

第2代包装设备本质上是混合使用了基本的机械自动化技术和对关键运动进行控制的伺服系统。这种设备在包装界中应用很广泛，仍然是某些包装应用场合的首选。

第3代包装设备，这种全电子的设备采用了伺服控制，以便使多轴的运动能保持精确的同步。其特点包括可变速操作，高灵活性和高精确度，因此该类设备正在世界范围内得到越来越多的应用。

然而，技术的发展永远不会停止不前，当用户和消费者还在继续了解第3代设备的好处时，第4代设备已经处于开发制造过程中了。

第4代设备的优势

与从机械、伺服混合的第2代转向以伺服为主的第3代不同，第4代包装设备提高了今天可扩展的、基于标准的软硬件的基础。这种新设备的关键技术是简化的操作和诊断方法、加工和包装过程的在线集成，与MES系统的完全集成，以及扩展的相关法规。被称为GenNext的第4代技术是远超过第3代的下一代技术。第3代设备是在一个M级的奔腾处理器上集成相关的动作和逻辑指令，这为下一代设备的软件发展提供了一个可扩展的基础。现在第4代设备应用了分布式智能技术，比第3代取得了很大的提高，扩展了电子、气动和液压技术的能力，增加了生产力，提高了可靠性并加强了通讯的能力。

从伺服到软件为包装设备带来的变化

虽然第4代设备已在欧洲得到了商业化，但在其他地方第3代设备仍占主--导地位。我们可以看T，从伺服到软件等各种不同的技术为包装设备带来了哪些变化。

伺服控制：虽然伺服技术在驱动设备方面已被使用了很长时间，但它在高速运转下的可靠性和可重复性直到最近才被提高到能替代包装设备中主轴的程度。通过与控制器和内部通讯网络集成到一起，这种电子机械式的驱动机制创造出一种虚拟的主轴，用户可以通过重新设定动作来对它进行重新设置。

伺服技术使得在运行过程中更改参数成为可能，而不再需要去更改某个机械凸轮的形状。这样也有可能在停止包装某种尺寸的盒子之后，只需要很少的产品缓冲量就可以通过简单地改变设置去包装另一种尺寸的盒子。当所做出的设置生效后，所有的伺服系统都会做出相应的调整。计算能力是伺服电机能在包装设备中得到日益普及的一个关键因素，与过去相比，今天的信号处理器更快更聪明，还更便宜。因此，制造商可以使用必要的计算能力来对高速运转时的复杂动作进行控制。

用于包装的PAC.制造商利用现代计算机技术的另一个方法是为他们的设备安装更灵活的控制器，有时也被称为PAC，即可编程自动控制器。这种控制器将可编程逻辑控制器(PLC)与开放式计算机和通讯技术结合在了一起。其优点之一是在包装过程中，它们负责对逻辑和运动进行同时控制。PAC提升了开放式架构网络，就像在使用基于PC的控制一样。使用PAC的好处是使得设备可以通过局域网和所指定的针对SERCOSIII的外部通讯接口与外界进行交流。

模块化：随着自动化控制器在包装设备上得到了越来越多的应用，推动了一种模块化的、面向对象的编程标准的产生。在这种控制器上的微处理器具有处理以IEC61131-3标准编程语言编写的功能模块的计算能力。IEC61131-3是一种针对控制器的开放式标准。这些功能模块是一些对象，或者说是一些孤立的子程序，当被程序调用时，它可以执行某一特定的任务。

PLC处理器顺序执行一系列逻辑程序，与之不同的是，采用功能模块来编程主要是要从控制器的程序库中提取某些功能模块，然后按正确的顺序将它们连接到一起。从功能模块创建程序的能力可以产生大量的不同功能动作。制造商可以对它们的最佳实践方法进行编程和验证，然后将其存储在一个以后可能会用到的程序库中。能够使用早已编好并经过验证程序的能力可以大大缩短设计新设备和对旧设备进行重新设置的交货时间。因为这些代码是已经预打包的，因此与繁乱的梯状逻辑程序相比，现在的编程变得更加直接了。所以设备很易于使用、升级和排除故障。

从机械的角度来说，这些设备同样也是容易制造和升级。因为制造商通常会针对机械模块开发出他们的软件模块，他们可以对这些机械模块进行混合和匹配，以便制造出相应的设备。通常能够对每一种机制只设计一次，就能进行批量生产，制造商可以通过大量的设备生产来分摊开发和制造成本，从而降低单位生产成本。并且，能够随时使用那些已经设计好甚至可能是可以拿来就用的功能机制，能够节省大量的时间。设计过程只涉及到对相关的模块进行连接，以及为生产开发出必要的工具。在自动控制器中的微处理器，即PAC，也能够通过Ethernet网接口和其他个人电脑所用的标准通讯协议与外部世界相连接。包装机械自动化的发展趋势

全世界的包装设备生产企业都在需求自动化系统、集成控制和可编程的自动化控制器。目前自动化的趋势表明，包装设备自动化已超越了运动和逻辑的范围，它还包括了一种对包装和加工生产线进行集成的趋势。这些新的术语与那些正推动第4代包装设备的领先包装设备和自动化技术开发商的眼光是一致的。随着包装设备中软件比例的不断增加，动作和逻辑将会继续起到一种非常重要的作用，但是新的应用程度也同样正起着十分重要的作用。在驱动技术方面，将会对以前由独立的电子硬件所处理的各种功能进行集成，包括温度控制器、可编程的限制开发、视觉系统和机器人控制器等。

专家还预计在下一代包装设备自动化方面，将会出现与传统控制功能完全不同的全新提升。这包括其可以更好地获取操作设备有效性(OEE)、生产执行系统(MES)、供应链管理系统(SCM)和其他企业应用程序所产生的数据。