摘要：产品生产过程中的后段包装生产工艺，简称后包装。它是产品生产的最后一道工序，是生产全过程的组成部分。当前大多数企业已实现基于PLC与触摸屏为技术的自动化包装，很大程度上提高了企业的生产效率和质量。但不同厂商的包装设备的接口对接、设备与工控机、信息与设备之间的传输方式遇到了很大难题。设备与设备间的无缝对接，高度集成的自动化系统，将是未来后包装的数字化发展趋势，进而与制造执行系统（MES）链接构建智能工厂。
关键词：后包装；自动化；数字化；
1.包装机械的发展
包装机械在化工、建材、药品、食品、电子、家电等包装工业中具有独特的作用。目前全球包装机械需求年增长率在5.3%左右，中国是世界上公认的发展最快的包装市场。中国每年都进口大量的包装设备，是美、日、德、意等国的主要包装机械进口国[1]。
我国包装机械起步较晚，经过20多年的发展，中国包装机械已成为机械工业中十大行业之一，为中国包装工业快速发展提供了有效的保障，有些包装机械填补了国内空白，已能基本满足国内市场的需求，部分产品还有出口[2]。我国包装机械的发展经历仿制、改进，到如今的技术创新。当前，世界先进包装机械的发展已呈现出集机、电、气、软为一体的势头，高度自动化、高效率化、柔性化、模块化、智能化已成趋势，这将是产品后包装的数字化发展方向。
2.数字化后包装中的技术应用；
图1 电子产品后包装工艺流程
不同行业不同产品的后包装生产工艺不尽相同，以电子、家电产品的后包装生产工艺为例，生产工艺如下图1，后包装的生产工艺中涉及封装设备、称重及检测设备、装箱设备、物流设备、机器人等等，其中的关键自动化技术应用有PLC及触摸屏技术、现场总线技术、机器人及视觉技术、信息与软件技术等等。目前多数生产企业的后包装生产工艺中已实现了半自动化生产，半自动化生产即某个工序或多个工序仍然需要人参与。无人化、柔性化、模块化的全自动化后包装即数字化后包装仅有少数企业初步实现。随着技术成本的降低，数字化后包装将普及大多数企业。
2.1 PLC及触摸屏技术
数字化后包装中的PLC是自动化设备执行控制的末端，设备的动作根据PLC的逻辑控制程序动作。触摸屏技术实现人机交互输入，比如工位端需要改变产品的包装参数，可通过触摸屏设定你需要的数值，实际的设定值会写入到PLC的数据寄存器区域里面，PLC有个区域，是专门存放这些设定的数值的，PLC的程序是不会改变的，改变的只是参与运算的数据寄存器内的数据值。
如今在后包装生产过程中，开箱、装箱、封箱等工位全面采用了PLC及触摸屏技术，基本实现了自动化控制。目前市面上的大多数PLC都已配备了工业网络接口，可以通过以太网连接不同设备，配合现场总线技术实现不同设备的联动。PLC及触摸屏技术是后包装自动化的基础技术，也是建设数字化后包装的基石。
2.2 现场总线技术
现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术，现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
现有的运动控制总线有多种多样，基于以太网技术的高速总线有奥地利 B&R公司的POWERLINK，德国BECKHOFF的ETHERCAT，德国SIEMENS的PROFINET，以及其他一些公司运用的SERCOS Ⅲ等等。高速总线有以下几个特点：1、直达IO（输入输出）的实时以太网；2、没有网关；3、输入输出传感器，显示单元等所有设备在同一个总线上；4、全双工速度可达 2X100M；5、对 TCP/IP协议兼容等等。并且高速总线可以向下兼容现有的 PLC 或者是变频器或者是传感器等等，拥有很强的开放性[3]。当前后包装生产中的设备与设备间的接口对接、设备与工控机、信息与设备之间的传输方式还未全面应用到现场总线技术，仅实现点对点的应用，没有连成一条线。信息技术的发展要求企业从现场控制层到管理层能全面实现无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架。通过现场总线实现分布式控制方式和数据集成，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能，同时以以太网为主体的现场总线连接将是后包装数字化的桥梁。
2.3 机器人技术
自动化包装行业是机器人使用最为广泛的行业之一，机器人之所以能得到包装行业的青睐，是基于其本身的特点：灵活，且多功能，不仅能适应各种不同的环境，且能在恶劣的环境下高强度的工作。当前机器人在后包装工艺中，主要应用功能是搬运、运输、检测等，如装箱工位、分拣、码垛工位、机器人视觉检测工位、以及AGV输送回仓等场景。机器人搭载现场总线技术，可以实现实时在线动态检测与控制，可以与自动化控制系统深度融合。
图2 数字化后包装软件构架
2.4 信息与软件技术
智能工厂化的发展，对产品后包装提出了信息化、柔性化和智能化的需求。同时包装设备发展的趋势也是向着生产的高效率、柔性强、故障易排除、有自动识别能力的方向。所以，数字化后包装离不开信息化以及软件管理系统。信息化是将后包装生产设备实时连接以及收集生产数据，其中软件管理系统是收集和处理管理过程中有关信息，为企业生产提供帮助的一种信息处理系统。
3.数字化后包装车间
数字化车间是指以制造资源（Resource）、生产操作（Opera—tion）和产品（Product）为核心，将数字化的产品设计数据，在现有实际制造系统的数字化现实环境中，对生产过程进行计算机仿真优化的虚拟制造方式[4]。数字化后包装中的数字化机械不仅可以提供更大的产量和更强的设备柔性，还增加了许多新特性，如：远程维护、与公司ERP系统进行集成、对生产数据的评估等[5]。
4.数字化后包装的软件构架；
数字化后包装软件系统构架分为三层：企业层、MES系统层和设备控制层。
图3 数字化后包装软件构架
4.1 企业层
企业层是整个数字化后包装车间的控制顶层及权限最高层，产品的包装形式、工艺参数、生产计划等待通过ERP下发由制造企业生产过程执行系统MES（Manufacturing Execution System）执行，各设备端具体操作。后包装数字化车间是ERP数字化工厂中的一个模块单元，是整个生产的组成部分。
4.2 MES系统层
MES系统层是企业层与设备控制层的承接层，接收企业层的信息转化为具体生产工艺传递给设备控制层。MES是数字化车间的核心。MES通过数字化生产过程控制，借助自动化和智能化技术手段，实现车间制造控制智能化、生产过程透明化、制造装备数控化和生产信息集成化。车间MES主要包括车间管理系统、质量管理系统、资源管理系统及数据采集和分析系统等，由技术平台层、网络层以及设备层实现。
MES从ERP系统中获得主生产计划及物料、供应、采购和库存等生产准备相关信息后，进行车间计划排产，并将生产任务下发给DNC系统安排数控加工，将检验任务下发给质量系统用于质量跟踪。同时，MES通过数据采集系统获得生产过程中的任务执行、加工、物料、工时、设备、工装和人员等信息，用于生产过程监控和车间事件处理。
4.3 设备控制层
设备控制层是整个后包装数字化车间的基础，也是重要的硬件组成部分。包装工艺的实现由设备作业完成，设备跟PLC控制程序执行具体的动作。包装设备根据市场分类。有一次包装机械、二次包装机械、包装容器制造机械、包装材料制造机械、包装印刷机械、包装检测设备、物流仓储设备及系统、包装生产线整体集成等等，其中码垛机、封装机、灌装机、喷/印机、称重设备、检测设备、流水线、立体仓库是最常见的包装机械。
后包装的数字化不能脱离自动化，也不能脱离企业实际情况。实现数字化后包装任重道远，数字化是个系统工程，首先要实现生产自动化，以及导入ERP系统，最后导入MES系统承上启下，另外也需要高层次的人才以及规范化的作业流程作为支撑。
5.数字化后包装的发展趋势；
5.1 更加自动化的设备
未来的自动化发展趋势是设备更小型、更灵活机动、多用途高效率、高可靠性、更环保且利于回收利用。追求的是组合化、简介化、可移动性，有效降低成本。新型包装机械将实现高智能数控系统、编码器及数字控制组件、动力负载控制等，使设备使用者在操作过程中更具独立性、高效率和兼容性。目前的电子运动功能正在取代原先由PLC执行的逻辑功能，包装工业的自动化实现了跨越式发展[6]。
自动化技术的应用可以提升计算机系统在包装机械中的作用，方便故障的诊断和排除。包装机械自动化发展的趋势要求输入指令后计算机系统能自主地检测其中的故障，也可以通过远程诊断排除设备的故障。具有自动识别功能，该功能通过传感器和逻辑程序实现，增加自动识别能力后，包装机械的整个生产就可以在一定的范围内成为独立的个体，满足生产的各种需求。
5.2 柔性化生产
数字化产线需要根据企业产品的更新快速切换生产线，进行一种或多种类似产品的同时生产。如消费产品特别是食品，生命周期缩短，产品趋向多样化，激发出对于设备灵活性的更大需求。
柔性化生产还体现在可视化的监控和管理，监管整个生产流程。数字化车间系统与物理系统的互连接口通过LAN、现场总线等其他技术把数字化车间的指令送到真实的设备上，控制设备进行生产。同时物理系统的信息也通过接口反馈给数字化车间，让数字化车间同步表现真实车间的生产状态。监控人员可以以数字化车间为接口监控工厂生产，通过可视化方式监控生产过程甚至车间内所有发生的事件；同时把数字化系统作为控制中断，对生产进行计划外的干预，以应对各自突发状况。
5.3 产业政策支撑
机械制造业的技术水平和行业规模是衡量一个国家工业化程度和国民经济综合实力的重要标志之一，也是决定一个国家产业分工中地位的重要因素。国务院和各级政府高度重视先进包装机械制造业的发展，出台了一系列支持政策，包括科技产业政策、技术创新政策、税收减免政策、科技攻关政策和资金支持政策等。“十二五”以来，在国家有关部委政策支持下，特别是工信部《“十二五”智能制造装备产业发展规划》，财政部、工信部、保监会三部委《首台（套）重大技术装备保险补偿机制试点工作》，发改委、工信部实施《国家智能装备发展专项资金计划》、农业部《关于实施主食加工业提升行动》，科技部“863”计划及《国家科技支撑计划》等，都对我国包装机械行业发展提供了较大支持，对行业的发展起到了积极的推动作用。
6.结论
智能设备的快速发展，在促进国民经济建设和提高人们生活水平方面具有极其重要的作用，数字化包装技术的提高不仅大大满足了广大消费者的体验需要，同时高适应性是数字化包装技术顺利占领商业市场的关键因素。随着自动化技术及信息软件技术不断进步，高度自动化的数字化后包装将在不久的将来成为可能。
参考文献：
［1］王德祥，宋春华，许超，刘江涛，黄林雄.柔性控制技术在包装机械自动化中的应用［J］，石油化工应用.2007，26（4）；
［2］杨坛，关于自动化在包装机械中的应用探讨［J］，科技展望.2016，26（14）；
［3］张扬辉，食品包装行业自动控制技术发展方向［J］，科学与财富.2015，（7）；
［4］李世杰，张艳蕊.数字化车间的构建策略［J］，机械设计与制造.2009，（9）；
［5］赵亚茹，数字化包装机械的发展与趋势［J］，中小企业管理与科技.2011，（10）；
［6］陈明泉，浅谈包装机械自动化、智能化的发展［J］，科技风.2011，（16）
论文作者:乔平贵
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/1
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