基于等效的單體包裝機(jī)軟件模塊化設(shè)計(jì)研究*

呂健群，溫浩然，史珊海

基于等效的單體包裝機(jī)軟件模塊化設(shè)計(jì)研究*

呂健群，溫浩然，史珊海

(廣東省自動(dòng)化研究所，廣州 510000)

通過(guò)研究包裝自動(dòng)生產(chǎn)線中的單體包裝機(jī)軟件系統(tǒng)，以解決與包裝機(jī)械企業(yè)合作中當(dāng)下實(shí)際存在的相關(guān)問(wèn)題。將包裝自動(dòng)生產(chǎn)線中的多類別的單體包裝機(jī)通過(guò)等效理論進(jìn)行等效處理，抽象化包裝機(jī)，建立統(tǒng)一的簡(jiǎn)化模型。再以簡(jiǎn)化模型為對(duì)象，進(jìn)行模型軟件控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。將各模塊分為固定模塊和選定模塊兩大類，通過(guò)合理設(shè)計(jì)各模塊之間的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)單體包裝機(jī)的控制、工藝等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)規(guī)范包裝機(jī)生產(chǎn)企業(yè)軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后從成本和效益等方面估計(jì)該研究的影響，能獲得預(yù)期效果。

等效；單體包裝機(jī)；軟件；模塊化

0 引言

包裝是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)三大基本環(huán)節(jié)之一，因此包裝機(jī)械在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要作用。我國(guó)包裝行業(yè)經(jīng)改革開(kāi)放三十余年的發(fā)展，已成為十大工業(yè)機(jī)械行業(yè)之一。但目前仍有總產(chǎn)值較低、整體質(zhì)量穩(wěn)定性不高、生產(chǎn)規(guī)模較小等諸多問(wèn)題，與包裝行業(yè)處于國(guó)際領(lǐng)先地位的意大利、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家差距還比較大。隨著我國(guó)將智能制造標(biāo)準(zhǔn)化提上日程，并極力推進(jìn)自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)的制定，自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線制造行業(yè)將迎來(lái)新的挑戰(zhàn)和發(fā)展。

當(dāng)下我國(guó)包裝生產(chǎn)線中單體包裝機(jī)雖有采用模塊化設(shè)計(jì)的理念，但我國(guó)大多數(shù)為單機(jī)制造，各單機(jī)制造單位模塊化開(kāi)發(fā)模式大相徑庭，以致生產(chǎn)線制造類型企業(yè)需要花費(fèi)大量時(shí)間精力對(duì)單機(jī)進(jìn)行處理，決解工藝流程、平臺(tái)兼容、資料存留等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙生產(chǎn)線全自動(dòng)化進(jìn)程，造成定制靈活性不強(qiáng)，可靠性降低等問(wèn)題。包裝自動(dòng)生產(chǎn)線是按照產(chǎn)品包裝工藝過(guò)程，利用分流、合流、儲(chǔ)存、傳送裝置把包裝機(jī)以及輔助設(shè)備連接起來(lái)而形成[1]，而包裝機(jī)械按照主要功能分類有填充機(jī)械、灌裝機(jī)械等等15大類[2]。雖然包裝機(jī)械種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且組成不盡相同，但各包裝機(jī)之間仍存在共性。本文通過(guò)對(duì)包裝機(jī)械之間共性的分析，基于等效理論，類比電路學(xué)中的戴維南-諾頓定理，對(duì)自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線中的單體包裝機(jī)建立簡(jiǎn)化模型，并通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化模型的進(jìn)一步分析，提出標(biāo)準(zhǔn)化單體包裝機(jī)控制系統(tǒng)。從底層單體包裝機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)始，由下到上，解決包裝生產(chǎn)線制造存在的信息流、整合銜接等關(guān)鍵問(wèn)題，而不是僅僅追求所研究的單體包裝機(jī)的自動(dòng)化、柔性化和智能化等。各單體包裝機(jī)研發(fā)制造單位采用統(tǒng)一或合作開(kāi)放的基于等效的軟件模塊化設(shè)計(jì)模式，降低生產(chǎn)線制造行業(yè)開(kāi)發(fā)和后續(xù)維護(hù)成本，提高生產(chǎn)線制造的定制靈活性、可靠性和自動(dòng)化程度。

1 簡(jiǎn)化模型

電路學(xué)中，戴維南-諾頓定理指出，任何一個(gè)線性有源一端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)外電路而言，可以用一個(gè)電壓源(電流源)和一個(gè)電阻串(并)聯(lián)組合等效替代[3]。而包裝自動(dòng)生產(chǎn)線[1]可抽象表示如圖1所示(中間存儲(chǔ)器可根據(jù)工藝需求添加或去除)。通過(guò)比較電路學(xué)中戴維南-諾頓等效電路一端口網(wǎng)絡(luò)和包裝自動(dòng)生產(chǎn)線簡(jiǎn)化模型中的單體包裝機(jī)，發(fā)現(xiàn)兩者極其相似，包裝機(jī)可以運(yùn)用戴維南-諾頓定理的等效理念簡(jiǎn)化其包裝工藝復(fù)雜過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種類繁多的包裝機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。因此提出單體包裝機(jī)簡(jiǎn)化模型，由輸入、輸出和黑匣子組成單體包裝機(jī)。任何一種單體包裝機(jī)，對(duì)于包裝自動(dòng)生產(chǎn)線而言，可以用上一工序成品輸入和本工序成品輸出進(jìn)行連接；中間處理過(guò)程，依功能不同，定義為不同的黑匣子。

1.被包裝物品 2.包裝機(jī) 3.中間存儲(chǔ)器 4.成品圖1 包裝自動(dòng)生產(chǎn)線簡(jiǎn)化模型

2 軟件系統(tǒng)模塊化

包裝機(jī)簡(jiǎn)化模型建立，可以將包裝自動(dòng)生產(chǎn)線中種類、功能繁多的單體包裝機(jī)復(fù)雜工序處理部分定義為黑匣子，將黑匣子中的各功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模塊化，即可實(shí)現(xiàn)以單一模型替代類別繁多的包裝機(jī)。單體包裝機(jī)軟件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化模型如圖2所示，主要圍繞輸入處理、輸出處理和工藝處理功能來(lái)建立，并將工藝處理功能細(xì)分為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，來(lái)構(gòu)成包裝機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)軟件系統(tǒng)。

圖2 模塊化簡(jiǎn)化模型

2.1 固定模塊

主程序模塊，完成所有子模塊的調(diào)度，是實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的最基本模塊。以最小系統(tǒng)模式進(jìn)行構(gòu)建。

安全控制模塊，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)安全技術(shù)要求的功能，例如急停控制、安全運(yùn)行模式等功能，對(duì)于特殊產(chǎn)品還有衛(wèi)生控制功能。此模塊可在眾多單體包裝機(jī)械中通用。

通信接口模塊，以不同硬件廠商共同支持的協(xié)議，如Modbus協(xié)議、TCP/IP協(xié)議等實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前工藝處理狀態(tài)的信號(hào)交互、接受外部控制指令調(diào)節(jié)工藝處理節(jié)拍等。此模塊開(kāi)放信息，是裝配包裝生產(chǎn)線的關(guān)鍵模塊之一。

輸入控制模塊，接受原材料或上一個(gè)處理工序傳遞過(guò)來(lái)的半成品，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。例如灌裝機(jī)在接收吹瓶機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的空瓶時(shí)，會(huì)對(duì)空瓶進(jìn)行擺正等預(yù)處理動(dòng)作，以方便灌裝工序的進(jìn)行。此處空瓶的擺正等處理動(dòng)作在輸入控制模塊中實(shí)現(xiàn)。

輸出控制模塊，將工藝處理模塊完成的工藝處理成品從單體包裝機(jī)進(jìn)行輸出動(dòng)作控制。

工藝處理模塊，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)對(duì)原材料或半成品的工藝處理功能，例如螺旋式供送機(jī)通過(guò)控制轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的供送工藝的功能。

故障診斷模塊，監(jiān)測(cè)單體包裝機(jī)工作狀態(tài)，對(duì)包裝機(jī)出現(xiàn)的異常情況做出響應(yīng)，保證包裝機(jī)安全有效的工作。故障診斷模塊與通信接口模塊之間形成松散公共耦合，故障診斷模塊將診斷異常數(shù)據(jù)發(fā)出，通信接口模塊獲得異常數(shù)據(jù)，與外部組合系統(tǒng)或上層控制系統(tǒng)交互。

2.2 選定模塊

自動(dòng)控制模塊、手動(dòng)控制模塊對(duì)于手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的功能要求比較強(qiáng)的單體包裝機(jī)，可以設(shè)計(jì)這兩個(gè)模塊添加到軟件系統(tǒng)中。功能需求不強(qiáng)，則可在固定模塊的主程序模塊中集成。

輔助功能模塊，根據(jù)客戶特供需求開(kāi)發(fā)的功能模塊。例如報(bào)表打印、能耗、生產(chǎn)曲線、審計(jì)等輔助功能。

3 效益分析

3.1 節(jié)省成本

如圖3所示，當(dāng)企業(yè)在設(shè)計(jì)好合適開(kāi)發(fā)模塊后，軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)總成本將取在低值。對(duì)于企業(yè)而言，將會(huì)有更多資本投入新產(chǎn)品、新技術(shù)的研發(fā)當(dāng)中。

圖3 模塊數(shù)與開(kāi)發(fā)工作量的關(guān)系圖

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，能比較清晰直觀的顯示軟件系統(tǒng)框架和實(shí)現(xiàn)。重復(fù)工藝動(dòng)作可以直接采用優(yōu)化穩(wěn)定模塊，降低開(kāi)發(fā)成本，提高穩(wěn)定性。同時(shí)可以減少技術(shù)、專利、人員流失風(fēng)險(xiǎn)，提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 良好兼容

之前由于硬件廠商不同，單體包裝機(jī)械不能進(jìn)行簡(jiǎn)易的聯(lián)接組裝包裝自動(dòng)生產(chǎn)線。目前市面上很多包裝機(jī)之間是不能進(jìn)行良好的組裝匹配，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)軟件控制系統(tǒng)時(shí)，并沒(méi)有考慮到與其他產(chǎn)品的組裝。本文提及的模塊化設(shè)計(jì)強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)通信接口模塊，控制系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)兼容接口，實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)包裝機(jī)聯(lián)接組裝。

4 應(yīng)用案例

表1是與某企業(yè)生產(chǎn)線相關(guān)的解決方案實(shí)例相關(guān)明細(xì)配置。該企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線由多平臺(tái)包裝機(jī)組裝而成，存在該類企業(yè)普遍有的問(wèn)題，采用本研究的軟件模塊化設(shè)計(jì)，獲得較理想效果。

表1 設(shè)備及控制系統(tǒng)類型明細(xì)實(shí)例

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從企業(yè)需求的角度進(jìn)行軟件系統(tǒng)模塊化研究和設(shè)計(jì)，有效的解決了包裝生產(chǎn)線裝備企業(yè)遇到單體包裝機(jī)械之間平臺(tái)不兼容、信息不能互通、工序重復(fù)、定制性不強(qiáng)等問(wèn)題，同時(shí)在減少企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)成本、降低風(fēng)險(xiǎn)、提高穩(wěn)定性等方面也有一定效果。

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(編輯 李秀敏)

Based on Equivalence of Single Packaging Machine Software Modular Design

LV Jian-qun,WEN Hao-ran ,SHI Shan-hai

(Guangdong Institute of Automation, Guangzhou 510000, China)

Aiming at solving the actual problems of packaging machinery companies with in cooperation, our team do research of single packaging machinery software system designing in automatic production line. Seek equivalence of the diversity packaging machines in automatic production line by equivalence theory. Abstract packaging machines and establish unified simplified models. Then, conduct modular design of software control system of the simplified models. Divide the whole modules into two parts, the stable part and optional part. Comply the control, craft functions by reasonable designing of dispatching among the modules. Specify software control system of packaging machinery companies. The differences of the research from aspects, like costs and benefits, show the research can realize expected results at last.

equivalence; single packaging machinery; software; modular

1001-2265(2017)02-0134-02

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.034

2016-03-07；

2016-04-28

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目：顆粒制品全流程優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)研究(156200021)

呂健群(1973—)，男，湖北武穴人，廣東省自動(dòng)化研究所高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化等，(E-mail)jq.lv@giim.ac.cn；通訊作者：史珊海(1989—)，男，長(zhǎng)沙人，廣東省自動(dòng)化研究所電氣工程師，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制等，(E-mail)sh.shi@gia.ac.cn。

TH122;TG506

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