★貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司

越來(lái)越高的生產(chǎn)需求

飲料灌裝線(xiàn)的速度越來(lái)越高，以能夠在單位時(shí)間輸出更大的產(chǎn)能，進(jìn)而降低成本。為了提高效率，整個(gè)飲料從吹瓶、清洗、灌裝、旋蓋都是連線(xiàn)生產(chǎn)，而在旋蓋之后，就是貼標。為了達到高度的協(xié)作，貼標系統也同樣被要求大幅提高速度。

圓盤(pán)貼標機是飲料后道的關(guān)鍵貼標設備，考慮到現在的高速灌裝系統已經(jīng)能夠達到72,000~108,000瓶/小時(shí)的灌裝速度，這意味著(zhù)后道的貼標也必須與之匹配。否則生產(chǎn)線(xiàn)上就會(huì )產(chǎn)生較大的堆積。

另外，就是標站的數量，像普通礦泉水，考慮成本則僅1個(gè)標簽即可。而對于高端的礦泉水則通常會(huì )有兩個(gè)標簽，而啤酒則通常會(huì )包括頸標、背標、正面標簽三個(gè)標站。當然，也有標簽為多工位，為了提升速度，例如對于速度大于60,000瓶/小時(shí)乃至108,000瓶/小時(shí)這個(gè)級別高速系統更多的托盤(pán)，則需要采用雙工位奇偶貼標的方式進(jìn)行貼標。

圖1 不干膠大圓盤(pán)貼標機結構與流程

如圖1所示，貼標機通常由送瓶螺桿將瓶子送入到星輪機構，它會(huì )機械卡住瓶子并送入托盤(pán)。在進(jìn)入托盤(pán)后，托盤(pán)就會(huì )旋轉，以使得視覺(jué)系統可以檢測到瓶子，并知道該貼標位置。然后，托盤(pán)要將這個(gè)貼標位置與標站進(jìn)行同步，并按照所需旋轉并使得瓶子進(jìn)入標站時(shí)，觸發(fā)標站的不干膠標簽準確的定位到貼標起始位置，并隨著(zhù)旋轉覆蓋整個(gè)標簽位置。然后進(jìn)入第二標站，再至第三標站。最后，還有視覺(jué)系統對貼完標的標簽進(jìn)行檢測，如果不合格，則會(huì )將信號高速傳遞給剔除機構，當瓶子運動(dòng)到該位置后剔除。

精密貼標的復雜需求

對于貼標而言，如圖2（a）這種瓶型為圓形，且對于貼標起始位置沒(méi)有要求的，則是最為簡(jiǎn)單的。但是，如圖2（b）所示，如果出現了異形，如方形，則其貼標位置，必須從一個(gè)固定位置起始，才能貼好。還有比較復雜的，像圖2（c）標簽必須精準地貼在瓶子上的凸起部分，或固定的某個(gè)形狀標記處；這意味必須精準的貼到指定的未知，而不能有偏差，否則，就會(huì )影響該產(chǎn)品的品質(zhì)形象。而更難的則是2（d）這種在凹進(jìn)去的部分貼標，它的精度要求更高，因為即使0.2mm的偏差，也會(huì )影響其形象。通常，對于高端的飲用水、白酒、橄欖油等而言，這種細節的偏差都會(huì )影響其品牌的品質(zhì)。因為，對于一個(gè)高端品牌而言，不僅產(chǎn)品要高端，整個(gè)產(chǎn)品的每一個(gè)細節都需要高品質(zhì)。

圖2 復雜的貼標類(lèi)型

圖2反映了常見(jiàn)的瓶子貼標類(lèi)型，當然，真實(shí)的組合不止于此，因為對于異形瓶，盡管它并不多見(jiàn)，但會(huì )給貼標帶來(lái)復雜性的設計需求。

高速高精度的運動(dòng)控制

在這個(gè)高速貼標系統中，輸送的螺桿、入瓶星輪盤(pán)、大圓盤(pán)的主軸電機、托盤(pán)電機、出瓶星輪多達30乃至60多個(gè)伺服軸，需要精準的位置同步，才能實(shí)現高精度且高速的貼標任務(wù)。貝加萊在該機器上采用了ACOPOSmotor系列的伺服驅動(dòng)與電機一體化的硬件系統，滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面的設計需求。

圖3 大圓盤(pán)灌裝系統的系統架構

（1）緊湊的布局設計：由于大圓盤(pán)貼標機少則18個(gè)，多則36/48/60組托盤(pán)需要由伺服電機驅動(dòng)，并且要布局在機器的旋轉單元內，因此其空間很狹窄，這就需要高緊湊型的伺服驅動(dòng)系統來(lái)接入。ACOPOSmotor是將伺服電機和驅動(dòng)集成于一體，整體比較緊湊，專(zhuān)為食品飲料行業(yè)而設計。

（2）高防護等級：由于食品飲料行業(yè)需要沖水或液體濺射等情況，因此，HMI、驅動(dòng)等均需要高防護等級。ACOPOSmotor采用的是IP65防護等級的設計，可以直接安裝于旋轉機械本體內。

（3）更少的接線(xiàn)：由于軸比較多，接線(xiàn)成本也會(huì )更高，因此，ACOPOSmotor采用了單電纜設計，即采用菊花鏈連接方式，接線(xiàn)成本大幅降低。

（4）滑環(huán)連接：整個(gè)伺服系統接在機器的旋轉圓盤(pán)內部，與外部的動(dòng)力、信號、通信必須通過(guò)滑環(huán)連接。ACOPOSmotor的通信、動(dòng)力和信號都集成于一體，使得其可以方便地通過(guò)滑環(huán)連接。

如圖3所示，通過(guò)滑環(huán)連接，多達18/24/36/48或更多的伺服軸安裝于機器內，并通過(guò)POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與主軸、星輪等外部伺服軸進(jìn)行高速協(xié)作。

另外，食品行業(yè)對于Gamp認證，也需要更高防護等級和滿(mǎn)足食品環(huán)境的HMI，貝加萊的Panel PC有支持IP69K防護等級，且客體采用不銹鋼、純平面的面板設計，懸臂安裝的方式也滿(mǎn)足行業(yè)客戶(hù)的特殊需求。

托盤(pán)工站的電子凸輪曲線(xiàn)

除了運動(dòng)控制的硬件系統特殊的設計需求—滑環(huán)連接，以及單電纜等。在軟件方面，貝加萊的mappMOTION庫也為機器的高速、高精度運動(dòng)控制提供了便捷的開(kāi)發(fā)支持。

在圓盤(pán)貼標里，最為重要在于每個(gè)托盤(pán)必須在多種情況下，確保與貼標站的標簽達到高精度的位置同步。如圖4所示，需要獲得一個(gè)旋轉角度使得其剛好可以作為貼標的起點(diǎn)，而另一方面，這個(gè)托盤(pán)在進(jìn)入貼標區域的時(shí)候，它必須與貼標頭保持線(xiàn)速度的一致，然后再去回零，整個(gè)過(guò)程根據貼標尺寸的變化，是一個(gè)電子凸輪曲線(xiàn)（CAM）位置環(huán)控制，這個(gè)就需要托盤(pán)高速跟隨主軸，并且隨著(zhù)貼標尺寸規格的變化可以自動(dòng)計算凸輪曲線(xiàn)，并獲得光滑的切換能力。圖4則顯示了每個(gè)托盤(pán)都需要進(jìn)行的這一運動(dòng)控制過(guò)程。

圖4 托盤(pán)的檢測與運動(dòng)控制

ACOPOSmotor本身的電子凸輪曲線(xiàn)（AutoCAM）能夠達到極高精度，可以規避機械的精度不足，且能夠獲得非常光滑的曲線(xiàn)，確保低的機械沖擊。另外，在程序實(shí)現上，可以多種靈活的觸發(fā)，編碼器、程序或時(shí)間觸發(fā)均可。

機器的功能性設計

在圓盤(pán)貼標機中，針對冷膠、熱熔膠、不干膠標準可以實(shí)現自動(dòng)在線(xiàn)監測、自由配對，機械模塊化、電氣硬件模塊化，同時(shí)軟件也實(shí)現模塊化。

（1）配方存儲與切換：在該機器中，由于經(jīng)常需要重復生產(chǎn)，或者經(jīng)常變化尺寸規格、材料等，工藝配方可以進(jìn)行存儲并調用。

（2）缺瓶檢測：確保無(wú)瓶不貼標，降低不必要的標簽損耗，節省成本；

（3）自動(dòng)換卷、換標、自動(dòng)接標：可以實(shí)現連續生產(chǎn)，保持整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)的高OEE運營(yíng)狀態(tài)，并可以對OEE狀態(tài)進(jìn)行計算并記錄。

數字化集成

除了在機器本身控制方面的設計，貝加萊的mapp數字化模塊，也讓機器能夠提供更強的數字化集成能力，在圓盤(pán)灌裝及其他食品飲料設備中，這些模塊也被廣泛應用。

（1）mappOEE

食品飲料的生產(chǎn)企業(yè)，尤其關(guān)注OEE這個(gè)指標。在貝加萊mapp中OEE可以獲取機器相關(guān)的速度、運營(yíng)時(shí)間、良品計數等參數，提供OEE計算的支持。

（2）mappRecipe

在貼標機中，機器的各種工藝配方（尺寸規格、機械傳動(dòng)參數）均可被配置，并在機器運行中由操作人員進(jìn)行配置。隨著(zhù)機器變得更為復雜，需要對各種控制工藝、產(chǎn)品規格等進(jìn)行配方管理，而在這里mappRecipe可以讓機器的開(kāi)發(fā)者快速配置出更好的機器。

（3）mappUserX

對于工廠(chǎng)的機器而言，它需要考慮安全性，那么，對于不同的人，它就會(huì )需要不同的訪(fǎng)問(wèn)權限。mappUserX可以建立這樣的“角色”，這來(lái)自于OPCUA的角色分配。因為基于面向服務(wù)的架構，數據作為一項服務(wù)獨立于用戶(hù)。

mappUserX可以對機器的相關(guān)人員進(jìn)行權限管理，加密與授權訪(fǎng)問(wèn)。制造避免未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)。在食品飲料這樣的行業(yè)尤為關(guān)鍵，它必須符合21CFRPart11的認證，以獲得不可篡改的電子簽名認證。

其它mapp如mappAlarmX用于對機器的報警進(jìn)行記錄、呈現與報告。mappReport可以生成機器的報表，以PDF、CSV等不可篡改形式提供。

精彩觀(guān)點(diǎn)

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司技術(shù)傳播經(jīng)理 宋華振

記者：貝加萊近年來(lái)在食品飲料行業(yè)發(fā)展情況如何？您認為當前食品飲料行業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)正發(fā)生著(zhù)哪些變化，呈現出哪些特點(diǎn)？

宋華振：食品飲料市場(chǎng)是貝加萊最為成熟、業(yè)績(jì)最為廣泛的領(lǐng)域，尤其是在飲料灌裝領(lǐng)域，基本上國際國內的主要設備制造商，均采用貝加萊的系統。這與貝加萊在包裝領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗、業(yè)績(jì)緊密相關(guān)。食品飲料包裝領(lǐng)域最為顯著(zhù)的特點(diǎn)就是“變化”，因為產(chǎn)品的規格、工藝、流程千變萬(wàn)化，這使得食品飲料包裝是一個(gè)對于系統靈活性設計、模塊化能力具有特別高要求的領(lǐng)域。

食品飲料領(lǐng)域一直以來(lái)都是變化比較大的領(lǐng)域，只是當前這種變化加劇，更為明顯。例如，現在的復合型飲料就超出想象，果汁+牛奶、咖啡+牛奶、茶+果汁等，這些使得飲料的組合變得更為豐富。這就對灌裝、包裝設備也產(chǎn)生了非常大的挑戰。因此，為了提供更為靈活的生產(chǎn)，在自動(dòng)化領(lǐng)域，像柔性輸送技術(shù)就開(kāi)始進(jìn)入了產(chǎn)線(xiàn)規劃中，貝加萊的ACOPOStrak就是為了這樣的場(chǎng)景而設計，目前已經(jīng)在眾多的飲料企業(yè)得到應用。

記者：貝加萊為食品飲料行業(yè)提供的產(chǎn)品或者解決方案具有哪些特色或優(yōu)勢？

宋華振：眾所周知，在自動(dòng)化行業(yè)，貝加萊是一個(gè)“方案導向型”公司。貝加萊的產(chǎn)品技術(shù)都是源自行業(yè)的需求，最初可能源自某個(gè)大的客戶(hù)需求，然后有更多的該領(lǐng)域用戶(hù)的共性需求，匯集這個(gè)共性為一個(gè)標準化產(chǎn)品。

首先，在硬件上，針對食品飲料行業(yè)的防護等級，貝加萊的PanelPC有專(zhuān)門(mén)IP69K防護等級的產(chǎn)品，就是為飲料、制藥等領(lǐng)域的機器設計的。而ACOPOSmotor伺服驅動(dòng)與電機一體，也是為了食品飲料行業(yè)設備空間緊湊、防護等級要求高，它是IP65防護等級，并且采用了“單電纜技術(shù)”，即，通信、動(dòng)力和信號都被集成在一根電纜中，這樣可以像以太網(wǎng)一進(jìn)一出的連接方式擴展，大幅降低接線(xiàn)，因為在很多設備上往往數十個(gè)伺服軸。而為了響應高速灌裝電子閥控制，貝加萊還有專(zhuān)門(mén)的閥島控制器。包括1微秒級的reACTION功能，也是為了高速的I/O需求而設計。

在軟件層面，針對食品飲料的特殊行業(yè)需求，貝加萊包含色標、張力、溫控、電子凸輪裁切、稱(chēng)重等功能塊集成。其實(shí)，食品飲料類(lèi)設備，基本上都是由這些功能構成，例如物料稱(chēng)重與填充、材料放卷、熱封裁切，吹瓶溫控、貼標的凸輪曲線(xiàn)等，機器都會(huì )由不同的工藝模塊搭建，貝加萊積累了數十年該領(lǐng)域的機器應用模塊，讓客戶(hù)可以快速搭建機器的軟件。其它的還包括這個(gè)領(lǐng)域專(zhuān)有的需求，貝加萊的mapp中包括mappPackML針對包裝領(lǐng)域的設備連接規范、mappAudit針對食品飲料、制藥行業(yè)的審計追蹤需求、mappOEE針對產(chǎn)線(xiàn)的設備綜合效率統計。

記者：在智能化轉型升級的發(fā)展趨勢下，您認為食品飲料行業(yè)面臨的挑戰體現在哪些方面？對此，貝加萊有哪些針對性的策略解決？

宋華振：所以，食品飲料行業(yè)的挑戰一直存在，當前的趨勢是時(shí)間粒度更小、組合更多、批量卻又更小。對于制造生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，個(gè)性化會(huì )導致品質(zhì)下降（不良品率大幅上升）、交付能力下降。因此，過(guò)去、今天、未來(lái)，我們都要致力解決這些問(wèn)題。

貝加萊前瞻性地觀(guān)察道這一行業(yè)趨勢，結合用戶(hù)需求，在2019年即推出ACOPOStrak柔性輸送，它可以在產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)現產(chǎn)品的分流、合流，通過(guò)動(dòng)子的任意組合形成產(chǎn)品的變化，取消過(guò)去的螺桿送瓶機構，并可以在機器間形成有序隊列，同步的連續生產(chǎn)，由于沒(méi)有太多機械的磨損，可以大幅提高產(chǎn)品的后道組裝效率。并且，在2022年推出更為靈活的ACOPOS 6D，在日化、制藥領(lǐng)域已經(jīng)為客戶(hù)所采用。

另外，貝加萊在2022年還推出并聯(lián)型機器人，其是為食品飲料、制藥行業(yè)等潔凈度要求高的領(lǐng)域而設計的機器人，主要用于撿取、分類(lèi)，因為這是食品飲料行業(yè)的主要場(chǎng)景。

除了在硬件上的組合擴充，貝加萊還針對食品飲料強化了智能軟件方面的研發(fā)，包括智能的配料稱(chēng)重、液體稱(chēng)重、在貼標機上集成視覺(jué)缺陷檢測。針對機器的關(guān)鍵零配件的預測性維護M.Doctor的開(kāi)發(fā)。并且，針對ACOPOStrak增強了其軟件、在線(xiàn)任務(wù)檢測、調度等方面的能力。

未來(lái)，貝加萊仍將聚焦在“柔性輸送技術(shù)”，我們確信，ACOPOStrak、ACOPOS 6D技術(shù)的確能夠為食品飲料工業(yè)帶來(lái)“變革”，因為它改變了原有的復雜產(chǎn)線(xiàn)設計，并且使得“軟件定義制造”成為可能。此外，貝加萊將會(huì )繼續結合包裝領(lǐng)域用戶(hù)應用，開(kāi)發(fā)更為靈活易用的功能，如mappTrak就是為了讓軌道編排任務(wù)更為方便而設計的，我們還有很多正在整合中的技術(shù)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊