PackML-復雜包裝生產(chǎn)中的“化繁為簡(jiǎn)”

對于CPG（Consumer Packed Goods）領(lǐng)域，包括食品飲料、制藥、個(gè)人護理品這些產(chǎn)業(yè)而言。其不變的就是“變化”—這對于系統的應變能力提出了需求。尤其在于設備的軟件，如何被快速“重構”，以能解決產(chǎn)線(xiàn)的快速換型，以及OEE的提升。要解決“重構”問(wèn)題，就得回到工程設計階段的“解構”—即，我們如何分解機器的模塊，以實(shí)現最有效的模塊拆分，并能基于簡(jiǎn)單的機制，來(lái)實(shí)現模塊間的協(xié)作。

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

模塊化設計-高內聚，低耦合思想

PackML作為包裝機器通信規約，匹配機器機電及軟件“模塊化”設計的思想。首先，如何劃分模塊就成為了問(wèn)題的關(guān)鍵。這里，我們結合飲料灌裝線(xiàn)為例，將其思想進(jìn)行簡(jiǎn)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(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(zhù)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，完成精準的灌裝。通過(guò)星輪機構送出至旋蓋單元，通過(guò)伺服旋蓋，進(jìn)入貼標單元，貼標站會(huì )根據所需的長(cháng)度、位置進(jìn)行精準的貼標。再進(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等規格隊列，經(jīng)過(guò)挑膜、裹膜、熱收縮動(dòng)作，完成等多種規格的膜包。后續還有碼垛機隊其進(jìn)行碼垛，輸送至物流倉庫。

PackML的模塊化設計思想，提供了控制、機器模塊、單元和產(chǎn)線(xiàn)四個(gè)層級的模塊化構建指導。并據此設計機器的控制、運行、管理的模塊化系統。

·  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)構成最小的單元。例如：在飲料線(xiàn)，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(pán)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)構成。在這個(gè)層面，PackML對于編程，則是推薦PLCopen作為基本的標準，作為PLC廠(chǎng)商，基本都會(huì )遵循這一編程標準。

·  設備模塊：它是機器的每個(gè)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、吹瓶模組、閥組、氣路/水路、機械同步機構、安全機構構成。這里需要強調的是它是一個(gè)“機電一體”對象，即，它包括了獨立的閉環(huán)控制軟件和實(shí)體的機電對象，構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式貼標單元，同樣如此，它由1或多個(gè)貼標模塊、回轉機構的托盤(pán)機構等構成。在一個(gè)貼標模塊，就由材料放卷、送標、切標控制模塊構成了整個(gè)貼標模塊。而圓盤(pán)貼標則包括了電機獨立驅動(dòng)的托盤(pán)旋轉機構，以應對那些非圓形，或者需要特別貼標位置的貼標定位。

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

·  整線(xiàn)層面：通常一條灌裝線(xiàn)，會(huì )由不同的設備單元組成，這些設備有可能來(lái)自多個(gè)供應商。PackML為這些包裝線(xiàn)定義了機器間的協(xié)作規范與機制，包括機器間的協(xié)作信息、產(chǎn)線(xiàn)與MES系統間的通信交互規范。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)。在設備和單元間同樣包括命令/狀態(tài)的完成信息反饋，以及設備模塊的事件信息反饋。在單元和產(chǎn)線(xiàn)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、設備模塊、單元設備、產(chǎn)線(xiàn)，PackML提供了多層級的模塊化開(kāi)發(fā)。這樣，機器將會(huì )由這些模塊一層層搭建，形成整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)級的運行。機器的變化，將由獨立的功能單元、設備來(lái)進(jìn)行參數的變化、狀態(tài)的切換來(lái)實(shí)現控制、連接、運行、管理。

實(shí)際上，不僅包裝類(lèi)設備，包括印刷類(lèi)、半導體、光伏、電池類(lèi)，具有長(cháng)流程產(chǎn)線(xiàn)集成的設備，其機器/產(chǎn)線(xiàn)的軟件構建都可以遵循這樣的模塊化思想。

復雜協(xié)作簡(jiǎn)化為邏輯編程

在圖1-2中我們看到了機器被模塊化設計，但機器協(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，它將復雜的機器協(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(gè)不同的狀態(tài)。

在機器層面，由各個(gè)單元構成的機器，將通過(guò)PackML的協(xié)作機制來(lái)進(jìn)行協(xié)作。

機器的運行將在這一系列的狀態(tài)下進(jìn)行，無(wú)論出現了產(chǎn)品的更換、突發(fā)的故障、缺料、急停等，都會(huì )使得機器進(jìn)入另一個(gè)狀態(tài)，并調用相應的程序，并在外部條件、觸發(fā)下重新轉入新的狀態(tài)。機器就在這些狀態(tài)的觸發(fā)下自動(dòng)的運行。

包裝產(chǎn)線(xiàn)的數字化協(xié)作

PackML通過(guò)各種信息標簽形式，實(shí)現數據流分組與交互功能。例如，VisualTags作為統一的界面，簡(jiǎn)化了操作，盡管來(lái)自于不同的廠(chǎng)商，PackML使得各個(gè)廠(chǎng)商均采用了統一的HMI操作界面。啟動(dòng)、執行、保持、停機、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-讓指令被統一交互，實(shí)際上，在PackML中主要定義了三種數據標簽（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、速度、遠程接口等狀態(tài)數據；

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

·  命令標簽：這些標簽主要是機器的開(kāi)啟、停止，及攜帶的參數。

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(xiàn)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)內的產(chǎn)線(xiàn)數據交互的便利性。

運營(yíng)的關(guān)鍵-OEE計算

在圖6中，我們看到了HMI的統一設計界面，事實(shí)上，這背后也是用于計算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，也計算各個(gè)機器可用性（Availability）的時(shí)間數據。

·  可用性：可用性與Execute、Holding、Suspending、Held、Stopped、Aborted這幾個(gè)參數背后的計時(shí)器數據相關(guān)，由系統自動(dòng)計算，并作為可用性參數。

·  性能：這個(gè)可以在狀態(tài)和管理標簽中的相關(guān)參數來(lái)自動(dòng)計算。

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

通過(guò)可用性*性能*良品率這三個(gè)指標，即可計算出整線(xiàn)的OEE指標。

因此，我們可以看到，在PackML的信息模型中，這些數據用于資產(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）”。

貝加萊內嵌PackML功能

貝加萊一直是CPG消費品包裝領(lǐng)域的深度自動(dòng)化方案提供商，在A(yíng)utomation Studio中，也對PackML進(jìn)行了封裝，以便包裝設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內嵌的mappPackML模塊可以被用戶(hù)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)域對于數據可追溯性的需求，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(jìn)行電子記錄，并以不可篡改形式保存（如圖8）。

PackML作為一個(gè)獨立模塊，可以與配方、用戶(hù)、數據管理等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內對HMI界面進(jìn)行配置，在A(yíng)utomation Studio中，這些均為標準模塊，根據機器的實(shí)際進(jìn)行配置即可形成，統一的HMI畫(huà)面。并且，如前所說(shuō)，每個(gè)操作背后的狀態(tài)數據被用于計算OEE，也被用于審計追蹤等。

應用-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(chǎng)商及OCME飲料包裝設備上采用了PackML的統一界面。PackML對于CPG的終端生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，帶來(lái)的好處包括：

·  統一的操作界面，降低了學(xué)習成本；

·  易于連接設備到MES系統；

·  便于不同控制廠(chǎng)商的設備集成；

·  統一的標準，便于設備的替換；

對于機器制造商，PackML提供了幾個(gè)好處：

·  標準化的機器設計，降低機器軟件重組成本；

·  快速響應市場(chǎng)對機器的變化需求；

·  快速融入用戶(hù)的數字化系統；

·  統一標準，易于集成以及操作；

PackML是一個(gè)非常好的數字化規范，它所蘊含的機器模塊化設計思想、信息建模都可以作為一種深刻的“洞見(jiàn)”為機器開(kāi)發(fā)企業(yè)所用。