孫維峰，蔣新躍

（福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，福州 福建 350005）

隨著自動(dòng)化、信息化和數(shù)字化技術(shù)的高度發(fā)展，智能化發(fā)展已經(jīng)成為引領(lǐng)當(dāng)今社會(huì)和生活的主流。飼料包裝系統(tǒng)的發(fā)展也不例外，也緊隨時(shí)代發(fā)展步伐，逐步向智能化方向邁進(jìn)。

1 飼料包裝系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

包裝工業(yè)的自動(dòng)化約開始于上世紀(jì)90年代，發(fā)展至今，經(jīng)歷全機(jī)械式包裝設(shè)備、自動(dòng)化包裝設(shè)備和完全電子化包裝設(shè)備3個(gè)階段。第一代全機(jī)械式包裝設(shè)備通過配置的一臺(tái)PLC（可編程控制器）控制邏輯功能驅(qū)動(dòng)機(jī)械動(dòng)力軸，完成包裝相關(guān)工序動(dòng)作，但是生產(chǎn)的產(chǎn)品單一化。隨著產(chǎn)品趨于多樣化，對(duì)設(shè)備提出更多靈活性要求，隨之產(chǎn)生的第二代自動(dòng)化包裝設(shè)備則將較多的機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)由電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來接管，但邏輯功能仍然采用PLC控制。隨著社會(huì)對(duì)成套設(shè)備柔性要求的提高，電子運(yùn)動(dòng)功能逐步替代由PLC控制的邏輯功能，第三代完全電子化包裝設(shè)備，通過先進(jìn)的伺服控制技術(shù)，不僅能大大提高產(chǎn)量和提供更高效的設(shè)備柔性，而且還具有可以進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)、與企業(yè)ERP/MES系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接集成、對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確的評(píng)估等眾多新特性。現(xiàn)代國際飼料工業(yè)采用的包裝設(shè)備以自動(dòng)供袋、自動(dòng)套袋、自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)封包（縫包、覆膠紙帶、折邊、抽真空和封包）、自動(dòng)檢重和檢金屬（包括自動(dòng)剔除系統(tǒng)）、自動(dòng)壓包、自動(dòng)碼包和自動(dòng)覆蓋PVC薄膜等系統(tǒng)自動(dòng)化過程組合設(shè)備為主。

我國飼料工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了萌芽、起步、快速發(fā)展3個(gè)階段后，飼料加工機(jī)械從單機(jī)半自動(dòng)化、單機(jī)自動(dòng)化到整套設(shè)備系統(tǒng)自動(dòng)化，取得了較大的發(fā)展和進(jìn)步。飼料成品包裝作為飼料加工的重要后道工序也取得了很大的發(fā)展。飼料加工中的包裝系統(tǒng)主要由自動(dòng)計(jì)量包裝系統(tǒng)和封包系統(tǒng)組成，自動(dòng)計(jì)量包裝系統(tǒng)主要由喂料、稱量、卸料、套袋和控制組成；封包系統(tǒng)主要由縫包、熱封、輸送和控制組成。目前自動(dòng)計(jì)量包裝系統(tǒng)和封包系統(tǒng)逐步由分工套袋向自動(dòng)套袋方向發(fā)展，封包由人工向自動(dòng)方向發(fā)展，由單個(gè)環(huán)節(jié)或動(dòng)作自動(dòng)趨于整套設(shè)備全自動(dòng)。

2 飼料包裝系統(tǒng)的組成及存在的問題

2.1 飼料包裝系統(tǒng)的常用組成形式

2.1.1 2人一組套袋、封包系統(tǒng)

上袋、套袋和縫包等工序需要人工輔助完成，存在生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、安全性不夠好等缺陷。目前一些小型飼料廠還采取這種方式進(jìn)行包裝生產(chǎn)（見圖1）。

圖1 人工套袋、封包系統(tǒng)組成

2.1.2 自動(dòng)上袋、套袋、封包系統(tǒng)

相比較人工套袋、封包系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上袋、套袋（夾袋）和封包（縫包）工序的自動(dòng)化流程，很大程度提高了生產(chǎn)效率和操作的可靠性，同時(shí)減少了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境（見圖2）。

2.1.3 典型連續(xù)自動(dòng)包裝機(jī)系統(tǒng)

從供袋上袋、套袋（夾袋）、稱量灌包、袋口封裝（縫包）、倒袋整形、檢測重量、輸送碼垛系統(tǒng)等一整套流程全程自動(dòng)化完成，整個(gè)過程控制采用數(shù)字化控制和管理，生產(chǎn)速度快，安全可靠。一般的連續(xù)自動(dòng)包裝一體機(jī)組成如圖3-1和圖3-2所示。

該系統(tǒng)通過程序控制對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線工作過程進(jìn)行自動(dòng)控制，全程連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，具有故障報(bào)警、顯示和自動(dòng)連鎖停機(jī)功能，根據(jù)客戶需求，配備相應(yīng)的通訊接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷和網(wǎng)絡(luò)化管理等功能操作。目前，中大規(guī)模的飼料廠大都采用這種方式進(jìn)行飼料包裝生產(chǎn)，或者在原有半自動(dòng)包裝生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行全自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線的改造和升級(jí)，碼包系統(tǒng)大都升級(jí)采用以智能化機(jī)械手碼包的形式進(jìn)行碼包作業(yè)。

2.2 飼料包裝系統(tǒng)具備的功能及存在的問題

2.2.1 具備的功能

飼料包裝系統(tǒng)作為飼料生產(chǎn)的最后一道關(guān)鍵工序，其包裝的速度、高效性直接影響前面工序的生產(chǎn)和周期；包裝環(huán)節(jié)的流暢性直接影響后續(xù)物流環(huán)節(jié)的工作；包裝的精度、外觀以及飼料各種信息的統(tǒng)計(jì)記錄也影響后期產(chǎn)品的銷售和售后服務(wù)。因此，生產(chǎn)廠家對(duì)包裝環(huán)節(jié)的重視程度也日益提高。

圖2 自動(dòng)上袋、套袋、封包系統(tǒng)組成

圖3-1 全自動(dòng)飼料包裝一體機(jī)組成

圖3-2 某飼料廠現(xiàn)場生產(chǎn)使用全自動(dòng)飼料包裝一體機(jī)效果圖圖3 典型連續(xù)自動(dòng)化飼料包裝一體機(jī)

目前，大多數(shù)飼料廠家使用的全自動(dòng)連續(xù)式包裝生產(chǎn)線，主要解決的問題是：

⑴ 減少操作人員的數(shù)量，降低企業(yè)人工成本；

⑵ 包裝環(huán)節(jié)的各個(gè)工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)化，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)能大大提高；

⑶ 飼料裝包環(huán)節(jié)密封，粉塵泄漏得到抑制，生產(chǎn)環(huán)境得到很好改善，安全生產(chǎn)得到保障；

⑷ 生產(chǎn)線采用PLC程序控制，具有故障報(bào)警、各環(huán)節(jié)自動(dòng)連鎖停機(jī)、產(chǎn)能實(shí)時(shí)記錄等功能，設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)管理變得清晰流暢；

⑸ 具備外部通訊接口，根據(jù)需求，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷，生產(chǎn)現(xiàn)狀信息可實(shí)時(shí)掌控，處理突發(fā)事件及時(shí)有效。

2.2.2 存在的問題

通過研究調(diào)查，大多數(shù)的飼料廠采用全自動(dòng)包裝線主要還是為了解決人工成本，提高產(chǎn)量產(chǎn)能，考慮的層面還停留在早期的生產(chǎn)觀念（薄利多銷，以量取勝）上。

調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，通常飼料廠現(xiàn)場使用的包裝生產(chǎn)線存在以下問題：

⑴ 包裝機(jī)的前端供袋機(jī)大多采用人工將堆疊好的包裝袋放置到供袋機(jī)輸送盤上，由輸送盤輸送到位后，等待上袋機(jī)構(gòu)（真空吸盤結(jié)構(gòu)）上袋。對(duì)于包裝袋是否擺正、袋口邊緣是否有折角，缺少包裝袋位置矯正裝置和包裝袋口折角檢測裝置，將對(duì)后續(xù)的開袋、套袋和縫口工序產(chǎn)生影響。包裝袋未擺正，可能導(dǎo)致套袋開口兩邊夾持的不平衡，袋口無法全部套在出料口上，灌包時(shí)物料從袋口處泄漏；袋口邊緣有折角現(xiàn)象，縫合時(shí)折角處不能有效被縫合，會(huì)導(dǎo)致物料泄漏。飼料廠生產(chǎn)現(xiàn)場，通常要專門配備人員對(duì)包裝袋口折角未縫合的包裝產(chǎn)品進(jìn)行挑選、剔除，以確保產(chǎn)品包裝質(zhì)量。

⑵ 電子稱量秤部件未配置在線物料品種檢驗(yàn)裝置，存在包裝與物料品種不匹配的風(fēng)險(xiǎn)。配備物料品種檢驗(yàn)裝置，可以將前段工序中錯(cuò)誤的操作所產(chǎn)生的損失降低，將造成的不良后果杜絕在出廠之前，使影響范圍縮到最小。

⑶ 視覺檢測系統(tǒng)在飼料包裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用很少，包裝流程的多個(gè)環(huán)節(jié)可借助視覺檢測系統(tǒng)提高包裝效率和可靠性。比如，包裝系統(tǒng)碼垛前一工序可增加二維碼掃描系統(tǒng)，記錄包裝物料的品名、生產(chǎn)日期及保質(zhì)期、生產(chǎn)設(shè)備的編號(hào)、重量、生產(chǎn)廠家、飼喂范圍、使用注意事項(xiàng)等信息，可供使用者查詢參考和后期溯源。

⑷ 包裝設(shè)備生產(chǎn)規(guī)格單一化，結(jié)構(gòu)模塊化和柔性不夠。隨著客戶的需求多樣化，飼料品種的針對(duì)性也越來越細(xì)化，這使包裝多樣化的要求也隨之提高。針對(duì)不同飼料品種的包裝工藝程序模塊化，包裝系統(tǒng)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，控制系統(tǒng)的參數(shù)匹配調(diào)節(jié)性能等有待進(jìn)一步提高和改善。

⑸ 設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)難度提高，專業(yè)維護(hù)人員緊缺。隨著包裝設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，對(duì)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的知識(shí)要求也隨之提高，維護(hù)人員的素質(zhì)日顯不足，專業(yè)綜合型維護(hù)人員難求，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，只能求助于生產(chǎn)廠家，維護(hù)的成本加大、周期變長，突發(fā)故障不能得到有效及時(shí)的處理，生產(chǎn)受到一定程度的影響。

⑹ 現(xiàn)場包裝設(shè)備運(yùn)作管理混亂，缺乏系統(tǒng)優(yōu)化管理。目前多數(shù)飼料廠配備多條包裝生產(chǎn)線，設(shè)備的運(yùn)作依靠現(xiàn)場生產(chǎn)管理人員來調(diào)度安排，生產(chǎn)能力的發(fā)揮十分依賴管理調(diào)度人員，設(shè)備利用率較低，不能得到充分發(fā)揮。

⑺ 大多飼料企業(yè)使用的包裝設(shè)備都未配置網(wǎng)絡(luò)通訊器材，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷功能，只有少數(shù)知名大規(guī)模飼料企業(yè)配置了監(jiān)控室進(jìn)行電腦實(shí)時(shí)監(jiān)控操作，多數(shù)飼料生產(chǎn)廠家還處于現(xiàn)場單機(jī)觸摸屏操作，甚至于一些小型飼料廠還使用傳統(tǒng)的按鈕式操作方式。

3 智能化的特點(diǎn)及飼料包裝系統(tǒng)智能化發(fā)展前景

智能化系統(tǒng)，指的是由現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、行業(yè)技術(shù)、智能控制技術(shù)匯集而成的針對(duì)某一個(gè)方面的應(yīng)用的智能集合，主要是解決“人、機(jī)械、IT之間的合作”問題。智能化系統(tǒng)涵蓋了智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)、可視化、MES應(yīng)用、SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）技術(shù)、質(zhì)量缺陷分析、設(shè)備可維護(hù)性分析等技術(shù)領(lǐng)域。生產(chǎn)現(xiàn)場是企業(yè)運(yùn)營管理的核心，智能化生產(chǎn)就是以現(xiàn)場為起點(diǎn)，經(jīng)營改善為目標(biāo)，通過“人、機(jī)械、IT”三者的互通合作，靈活運(yùn)用生產(chǎn)現(xiàn)場的智能產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的TOC（Total Cost of Ownership總體擁有成本）成本削減，以提升企業(yè)市場價(jià)值和市場競爭力。反之，做好企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的“可視化、可分析性、可改善性”，解決企業(yè)所關(guān)心的生產(chǎn)效率、成本和能耗等關(guān)鍵問題，才能實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能化的轉(zhuǎn)變。

3.1 智能化生產(chǎn)及智能化產(chǎn)線的特點(diǎn)

智能化生產(chǎn)控制系統(tǒng)可以簡單理解為“數(shù)據(jù)化+AI（Artificial Intelligence人工智能）”，即以現(xiàn)場智能設(shè)備為基礎(chǔ)，基于各種多源工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，通過MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)manufacturing execution system）等分析、判斷和決策，提供最優(yōu)解決方案，控制各生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。其結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

圖4 智能化生產(chǎn)控制框架圖

衡量一個(gè)企業(yè)的能力首先是從生產(chǎn)設(shè)備開始考量，生產(chǎn)設(shè)備的先進(jìn)程度直接影響到其在業(yè)界的影響力，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞通常與生產(chǎn)設(shè)備的先進(jìn)程度有著直接關(guān)系。同樣，企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，首先要以智能化生產(chǎn)設(shè)備作為基礎(chǔ)。智能化設(shè)備主要組成部分是：智能控制器（設(shè)備的大腦）；工業(yè)機(jī)器人（設(shè)備的動(dòng)作執(zhí)行者）；伺服電機(jī)（設(shè)備動(dòng)力的肌肉）；傳感器（設(shè)備的觸覺）；變頻器（設(shè)備的交換器）；電磁閥（設(shè)備的開關(guān)）；工業(yè)相機(jī)（設(shè)備的眼睛）；儀器儀表（設(shè)備的調(diào)節(jié)系統(tǒng)）；自動(dòng)化軟件（設(shè)備的心臟）；控制柜（設(shè)備的中樞系統(tǒng)）。智能化設(shè)備一般具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：生產(chǎn)高速自動(dòng)化和柔性化；準(zhǔn)確的感知能力；數(shù)據(jù)采集和在線檢測能力；生產(chǎn)質(zhì)量管理和設(shè)備管理能力；設(shè)備聯(lián)網(wǎng)能力（實(shí)現(xiàn)M2M，即Machine-to-Machine/Man）；生產(chǎn)狀況可視化管理（監(jiān)控及指揮系統(tǒng)）等。

3.2 智能化包裝系統(tǒng)技術(shù)在飼料生產(chǎn)上的應(yīng)用展望

國內(nèi)飼料生產(chǎn)企業(yè)大多采用的飼料包裝設(shè)備還是半自動(dòng)生產(chǎn)線，少部分企業(yè)已經(jīng)采用了自動(dòng)化生產(chǎn)一體機(jī)，后端碼垛普遍都采用了工業(yè)機(jī)械手碼垛，但整體產(chǎn)線沒有形成智能包裝體系，實(shí)現(xiàn)智能化包裝生產(chǎn)和控制還有很大潛力可以挖掘和改善。下面就飼料包裝生產(chǎn)線智能化改善和應(yīng)用的前景進(jìn)行淺析。

3.2.1 開口袋上袋、裝袋環(huán)節(jié)設(shè)備機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用

瑞士布勒集團(tuán)的新型MWPG全自動(dòng)包裝機(jī)具有帶位置自動(dòng)矯正機(jī)構(gòu)；裝袋口采用新型的螺旋進(jìn)料裝置，實(shí)現(xiàn)無粉塵裝袋并壓實(shí)；根據(jù)產(chǎn)能需求，可輕松實(shí)現(xiàn)雙工位模塊組合，擴(kuò)大產(chǎn)能。如圖5所示。

加拿大博泰集團(tuán)生產(chǎn)的PTR-1030系列機(jī)器人開口袋裝袋機(jī)（如圖6），使用兩個(gè)FANUC柔性機(jī)械手，分別用于空包裝袋的上袋和控制填裝好的包裝袋與自動(dòng)封包（縫包）機(jī)進(jìn)行對(duì)接。

美國哈默-費(fèi)希貝恩（Hamer-Fischbein）公司的1800 RBH自動(dòng)裝袋系統(tǒng)（如圖7），通過機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填裝好的包裝袋到縫口機(jī)的轉(zhuǎn)移。

圖5 瑞士布勒新型MWPG 全自動(dòng)包裝機(jī)

圖6 加拿大博泰PTR-1030系列機(jī)器人開口袋裝袋機(jī)

圖7 Hamer-Fischbein1800 RBH自動(dòng)裝袋機(jī)構(gòu)

3.2.2 物料在線檢測系統(tǒng)

通過NIR智能傳感器配以視覺檢測系統(tǒng)，快速對(duì)物料品質(zhì)信息進(jìn)行在線檢測，實(shí)時(shí)監(jiān)測物料品質(zhì)變化，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2.3 包裝質(zhì)量檢測及產(chǎn)品信息采集系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過視覺系統(tǒng)對(duì)包裝袋口的封裝進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保袋口封裝質(zhì)量無泄漏；通過射頻技術(shù)進(jìn)行條碼或二維碼掃描，實(shí)時(shí)采集物料品種、重量、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)線編號(hào)等數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程全程可追蹤，為溯源提供數(shù)據(jù)支持；通過現(xiàn)場看板系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示包裝線運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品類別信息、實(shí)時(shí)產(chǎn)能信息、廢品數(shù)量信息等。

3.2.4 MES系統(tǒng)

制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system）是連接企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)與現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的核心中間環(huán)節(jié)，將計(jì)劃層的ERP、WMS、SCM、BOM等數(shù)據(jù)信息根據(jù)現(xiàn)場控制層的需求進(jìn)行優(yōu)化整合并傳遞；同時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀況數(shù)據(jù)通過MES系統(tǒng)再向上層進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，形成閉環(huán)生產(chǎn)過程系統(tǒng)（如圖8）。MES系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的管理、過程管理、質(zhì)量管理、物料追蹤管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集及分析等一系列工作（如圖9）。MES系統(tǒng)通過對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備各生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集分析處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及利用率，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的變化，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)優(yōu)化處理，提高設(shè)備利用率，可快速靈活響應(yīng)生產(chǎn)的需求。通過MES系統(tǒng)可檢測設(shè)備故障并進(jìn)行報(bào)警，通過故障數(shù)據(jù)分析可提供故障診斷建議，指導(dǎo)維修人員快速解決設(shè)備故障，及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)，縮短維修周期。

圖9所示是典型的智能產(chǎn)線生產(chǎn)應(yīng)用場景，涵蓋了產(chǎn)線智能化系統(tǒng)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)

3.2.5 碼垛系統(tǒng)更具柔性化

圖8 MES系統(tǒng)管理平臺(tái)框架

圖9 智能產(chǎn)線典型應(yīng)用場景

碼垛機(jī)械手安裝視覺系統(tǒng)檢測物料位置擺放狀況，預(yù)防物料擺放偏移，及時(shí)給予修正，避免坍塌事故發(fā)生；根據(jù)包裝袋大小及重量，自動(dòng)在備件庫中選擇合適的手抓配件進(jìn)行更換、碼包，可適應(yīng)多種規(guī)格包裝袋的抓取碼包工作。

4 結(jié)束語

綜上所述，為了滿足人們越來越多樣化和個(gè)性化的需求，企業(yè)競爭也是非常激烈，通過智能化升級(jí)生產(chǎn)設(shè)備等相關(guān)生產(chǎn)要素，可以有效解決企業(yè)生產(chǎn)效率和成本控制等問題，同時(shí)可以使企業(yè)對(duì)市場多樣化需求做出快速響應(yīng)，在短周期內(nèi)推出高品質(zhì)產(chǎn)品，迅速占領(lǐng)市場，提高企業(yè)競爭力?？傊悄芑l(fā)展是企業(yè)發(fā)展的趨勢，也是傳統(tǒng)單一生產(chǎn)模式向“生產(chǎn)+服務(wù)”模式轉(zhuǎn)變的必由之路。