对于CPG(Consumer Packed Goods)领域,包括食品饮料、制药、个人护理品这些产业而言。其不变的就是“变化”—这对于系统的应变能力提出了需求。尤其在于设备的软件
CONTROL ENGINEERING China版权所有,如何被快速“重构”,以能解决产线的快速换型,以及
OEE的提升。要解决“重构”问题,就得回到工程设计阶段的“解构”—即,我们如何分解机器的模块,以实现最有效的模块拆分,并能基于简单的机制,来实现模块间的协作。
这就是
机器软件系统设计的核心思想,它不仅适用于
包装工业,同样,每个机器装备制造业都是具有相通性的。PackML作为包装机器语言 ,是自1990年代即由OMAC组织建立并持续升级的通信规范,并作为OPC UA的行业信息模型。但它背后,同时又是机电系统模块划分、协作机制的工程设计思想的经典体现。本文剖析这种工程设计思想,以期机器设计人士有所启发。
模块化设计-高内聚,低耦合思想
PackML作为包装机器通信规约,匹配机器机电及软件“模块化”设计的思想。首先,如何划分模块就成为了问题的关键。这里,我们结合饮料灌装线为例,将其思想进行简要的阐述:
图1-饮料灌装线的模块化设计
图1中,瓶胚经由理胚机,将瓶胚输送至加热炉快速加热,然后通过星轮送至吹瓶站的模具中,经过各个阀的动作及伺服拉伸杆的上下动作,完成吹瓶。接着经过清洗、杀菌进入灌装单元,经过升瓶、吹扫、低速、高速灌装等动作,完成精准的灌装。通过星轮机构送出至旋盖单元,通过伺服旋盖,进入贴标单元,贴标站会根据所需的长度、位置进行精准的贴标。再进入膜包单元,瓶子经过分道形成所需的2*3、2*6、4*6等规格队列,经过挑膜、裹膜、热收缩动作,完成等多种规格的膜包。后续还有码垛机队其进行码垛,输送至物流仓库。
PackML的模块化设计思想,提供了控制、机器模块、单元和产线四个层级的模块化构建指导。并据此设计机器的控制、运行、管理的模块化系统。
● 控制层面:在控制软件层面,机器以完整的检测与控制闭环构成最小的单元。例如:在饮料线,包括瓶胚加热和膜包中的温度闭环、吹瓶和灌装中的高速电子阀逻辑控制、吹瓶中的伺服拉伸、旋盖的扭矩与速度控制、贴标和膜包中的放卷与张力控制,以及在贴标中托盘的伺服定位控制。即,在最底层的软件控制由这些小的模块来构成。在这个层面,PackML对于编程,则是推荐PLCopen作为基本的标准,作为PLC厂商,基本都会遵循这一编程标准。
● 设备模块:它是机器的每个独立机电一体化模块,例如,在吹瓶中,它包括了理胚、输送、加热炉、星轮机构、吹瓶模组、阀组、气路/水路、机械同步机构、安全机构构成。这里需要强调的是它是一个“机电一体”对象,即,它包括了独立的闭环控制软件和实体的机电对象,构成了具有独立功能的机器模块。
例如,在饮料灌装的后道的回转式贴标单元,同样如此,它由1或多个贴标模块、回转机构的托盘机构等构成。在一个贴标模块,就由材料放卷、送标、切标控制模块构成了整个贴标模块。而圆盘贴标则包括了电机独立驱动的托盘旋转机构控制工程网版权所有,以应对那些非圆形,或者需要特别贴标位置的贴标定位。
● 单元层面:由设备模块会构成独立的设备单元控制工程网版权所有,这些设备单元在商业上,实际上既可以由单一厂商提供,也可以由不同的厂商提供。在技术上,它由独立的PLC进行集中式的逻辑控制、定位与同步,以及本单元独立的HMI操作,整个机电软一体化,构成了具有独立运行的机器。
● 整线层面:通常一条灌装线,会由不同的设备单元组成,这些设备有可能来自多个供应商。PackML为这些包装线定义了机器间的协作规范与机制,包括机器间的协作信息、产线与MES系统间的通信交互规范。以使得机器可以获得水平方向和垂直方向的信息高效交互。
图2-PackML的机器软件模块化层级
图2即是其软件模块的层级,在控制和设备间包括了状态信息的上行反馈、命令的下行分发。在设备和单元间同样包括命令/状态的完成信息反馈,以及设备模块的事件信息反馈。在单元和产线间,包括了状态、管理信息的反馈,以及PackML的指令下发、作业配方的下发。
从最小的机电单元、设备模块、单元设备、产线,PackML提供了多层级的模块化开发。这样,机器将会由这些模块一层层搭建,形成整个产线级的运行。机器的变化,将由独立的功能单元、设备来进行参数的变化、状态的切换来实现控制、连接、运行、管理。
实际上,不仅包装类设备,包括印刷类、半导体、光伏、电池类,具有长流程产线集成的设备,其机器/产线的软件构建都可以遵循这样的模块化思想。
复杂协作简化为逻辑编程
在图1-2中我们看到了机器被模块化设计,但机器协作起来的状态模型又是一个“化繁为简”思想的典范。即,它将复杂的机器协作问题,采用了逻辑这种方式来进行编程。这就使得机器的变化,仅需简单的编排即可。
在控制任务层面,PLCopen Motion也提供了状态模型,来实现轴/轴组的协作。而PackML则在机器功能单元间、机器间定义了状态机。分为了十余个不同的状态。
在机器层面,由各个单元构成的机器,将通过PackML的协作机制来进行协作。
图3-PackML的机器状态模型切换关系
机器的运行将在这一系列的状态下进行,无论出现了产品的更换、突发的故障、缺料、急停等,都会使得机器进入另一个状态,并调用相应的程序,并在外部条件、触发下重新转入新的状态。机器就在这些状态的触发下自动的运行。
包装产线的数字化协作
PackML通过各种信息标签形式,实现数据流分组与交互功能。例如,VisualTags作为统一的界面,简化了操作,尽管来自于不同的厂商,PackML使得各个厂商均采用了统一的HMI操作界面。启动、执行、保持、停机、中止等操作按钮,实际上背后就是每个状态的切换逻辑。如图4所示。
图4-PackML的HMI操作界面
PackTags-让指令被统一交互,实际上,在PackML中主要定义了三种数据标签(如图5),用于机器的协作:
● 状态标签:这包括机器的状态返回、参数、速度、远程接口等状态数据;
● 管理标签:例如报警信息,计数信息(良品率计算)、报错原因等,主要是对生产过程的质量与根源分析等任务相关的。
● 命令标签:这些标签主要是机器的开启、停止,及携带的参数。
图5-PackML的数据标签
因此,PackML作为OPC UA的行业信息模型,它定义了针对包装产线生产所需的信息建模。这种信息建模,更具有行业针对性,并提高了行业内的产线数据交互的便利性。
运营的关键-OEE计算
在图6中,我们看到了HMI的统一设计界面,事实上,这背后也是用于计算OEE的关键。在这个按键的背后,都会启用一个定时器,也计算各个机器可用性(Availability)的时间数据。
图6-关于状态的背后计算
● 可用性:可用性与Execute、Holding、Suspending、Held、Stopped、Aborted这几个参数背后的计时器数据相关,由系统自动计算,并作为可用性参数。
● 性能:这个可以在状态和管理标签中的相关参数来自动计算。
● 良品率:良品参数则与机器的整个生产产品计数、良品计数,然后计算获得。
通过可用性*性能*良品率这三个指标,即可计算出整线的OEE指标。
因此,我们可以看到,在PackML的信息模型中,这些数据用于资产效率评估控制工程网版权所有,因此,它不仅是机器的运行状态的信息(StatusTags),也包括了管理标签(AdminTags),以及任务变更的“命令标签(CommandTags)”。
贝加莱内嵌PackML功能
贝加莱一直是CPG消费品包装领域的深度自动化方案提供商,在Automation Studio中,也对PackML进行了封装,以便包装设备制造商可以快速的在其机器中嵌入PackML。
图7-Automation Studio中对PackML模块的配置
图7可以看到,Automation Studio内嵌的mappPackML模块可以被用户所配置和使用。它符合OMAC PackML标准的mpPackMLCore和PackML的模块mpPackMLModule。
图8-mpPackML中对审计追踪的配置
考虑到在食品饮料、制药领域对于数据可追溯性的需求,mappPackML中,还包括了对审计追踪功能的配置,可以对PackML的操作、状态运行等进行电子记录,并以不可篡改形式保存(如图8)。
图9-PackML的编程
PackML作为一个独立模块,可以与配方、用户、数据管理等mapp模块通过连接的方式编程。图9为PackML的页面编程。
图10-PackML的HMI页面配置
图10是在mappPackML内对HMI界面进行配置,在Automation Studio中,这些均为标准模块,根据机器的实际进行配置即可形成控制工程网版权所有,统一的HMI画面。并且,如前所说,每个操作背后的状态数据被用于计算OEE,也被用于审计追踪等。
应用-为包装简化了操作
图11-12是来自Korber旗下的制药装备厂商及OCME饮料包装设备上采用了PackML的统一界面。
PackML对于CPG的终端生产企业来说,带来的好处包括:
● 统一的操作界面,降低了学习成本;
● 易于连接设备到MES系统;
● 便于不同控制厂商的设备集成;
● 统一的标准,便于设备的替换;
图11-在制药设备上采用的PackML界面
图12-在啤酒饮料后道设备上的PackML
对于机器制造商,PackML提供了几个好处:
● 标准化的机器设计,降低机器软件重组成本;
● 快速响应市场对机器的变化需求;
● 快速融入用户的数字化系统;
● 统一标准,易于集成以及操作;
PackML是一个非常好的数字化规范,它所蕴含的机器模块化设计思想、信息建模都可以作为一种深刻的“洞见”为机器开发企业所用。