飼料生產(chǎn)智能化包裝系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用*

孫維峰，蔣新躍

（福建省農(nóng)業(yè)機械化研究所，福州 福建 350005）

隨著自動化、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)當今社會和生活的主流。飼料包裝系統(tǒng)的發(fā)展也不例外，也緊隨時代發(fā)展步伐，逐步向智能化方向邁進。

1 飼料包裝系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

包裝工業(yè)的自動化約開始于上世紀90年代，發(fā)展至今，經(jīng)歷全機械式包裝設(shè)備、自動化包裝設(shè)備和完全電子化包裝設(shè)備3個階段。第一代全機械式包裝設(shè)備通過配置的一臺PLC（可編程控制器）控制邏輯功能驅(qū)動機械動力軸，完成包裝相關(guān)工序動作，但是生產(chǎn)的產(chǎn)品單一化。隨著產(chǎn)品趨于多樣化，對設(shè)備提出更多靈活性要求，隨之產(chǎn)生的第二代自動化包裝設(shè)備則將較多的機械動力驅(qū)動由電子驅(qū)動系統(tǒng)來接管，但邏輯功能仍然采用PLC控制。隨著社會對成套設(shè)備柔性要求的提高，電子運動功能逐步替代由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，而且還具有可以進行遠程維護、與企業(yè)ERP/MES系統(tǒng)進行對接集成、對生產(chǎn)數(shù)據(jù)做出準確的評估等眾多新特性。現(xiàn)代國際飼料工業(yè)采用的包裝設(shè)備以自動供袋、自動套袋、自動計量、自動封包（縫包、覆膠紙帶、折邊、抽真空和封包）、自動檢重和檢金屬（包括自動剔除系統(tǒng)）、自動壓包、自動碼包和自動覆蓋PVC薄膜等系統(tǒng)自動化過程組合設(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個階段后，飼料加工機械從單機半自動化、單機自動化到整套設(shè)備系統(tǒng)自動化，取得了較大的發(fā)展和進步。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)主要由自動計量包裝系統(tǒng)和封包系統(tǒng)組成，自動計量包裝系統(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。目前自動計量包裝系統(tǒng)和封包系統(tǒng)逐步由分工套袋向自動套袋方向發(fā)展，封包由人工向自動方向發(fā)展，由單個環(huán)節(jié)或動作自動趨于整套設(shè)備全自動。

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、勞動強度大、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 自動上袋、套袋、封包系統(tǒng)

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

2.1.3 典型連續(xù)自動包裝機系統(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化完成，整個過程控制采用數(shù)字化控制和管理，生產(chǎn)速度快，安全可靠。一般的連續(xù)自動包裝一體機組成如圖3-1和圖3-2所示。

該系統(tǒng)通過程序控制對整個生產(chǎn)線工作過程進行自動控制，全程連續(xù)運轉(zhuǎn)，具有故障報警、顯示和自動連鎖停機功能，根據(jù)客戶需求，配備相應(yīng)的通訊接口，可實現(xiàn)對生產(chǎn)線狀況的實時監(jiān)控、遠程診斷和網(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行飼料包裝生產(chǎn)，或者在原有半自動包裝生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上進行全自動化包裝生產(chǎn)線的改造和升級，碼包系統(tǒng)大都升級采用以智能化機械手碼包的形式進行碼包作業(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)廠家對包裝環(huán)節(jié)的重視程度也日益提高。

圖2 自動上袋、套袋、封包系統(tǒng)組成

圖3-1 全自動飼料包裝一體機組成

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

目前，大多數(shù)飼料廠家使用的全自動連續(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)的各個工序?qū)崿F(xiàn)自動化、連續(xù)化，工人勞動強度降低，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，具有故障報警、各環(huán)節(jié)自動連鎖停機、產(chǎn)能實時記錄等功能，設(shè)備維護和生產(chǎn)統(tǒng)計管理變得清晰流暢；

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

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 包裝機的前端供袋機大多采用人工將堆疊好的包裝袋放置到供袋機輸送盤上，由輸送盤輸送到位后，等待上袋機構(gòu)（真空吸盤結(jié)構(gòu)）上袋。對于包裝袋是否擺正、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，灌包時物料從袋口處泄漏；袋口邊緣有折角現(xiàn)象，縫合時折角處不能有效被縫合，會導(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包裝袋口折角未縫合的包裝產(chǎn)品進行挑選、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裝置，存在包裝與物料品種不匹配的風(fēng)險。配備物料品種檢驗裝置，可以將前段工序中錯誤的操作所產(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、重量、生產(chǎn)廠家、飼喂范圍、使用注意事項等信息，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，飼料品種的針對性也越來越細化，這使包裝多樣化的要求也隨之提高。針對不同飼料品種的包裝工藝程序模塊化，包裝系統(tǒng)各個工藝環(huán)節(jié)的機械結(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)性能等有待進一步提高和改善。

⑸ 設(shè)備維護保養(yǎng)難度提高，專業(yè)維護人員緊缺。隨著包裝設(shè)備自動化程度的提高，對設(shè)備維護保養(yǎng)的知識要求也隨之提高，維護人員的素質(zhì)日顯不足，專業(yè)綜合型維護人員難求，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，只能求助于生產(chǎn)廠家，維護的成本加大、周期變長，突發(fā)故障不能得到有效及時的處理，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，無法實現(xiàn)設(shè)備遠程監(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)控室進行電腦實時監(jiān)控操作，多數(shù)飼料生產(chǎn)廠家還處于現(xiàn)場單機觸摸屏操作，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)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、行業(yè)技術(shù)、智能控制技術(shù)匯集而成的針對某一個方面的應(yīng)用的智能集合，主要是解決“人、機械、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、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)備可維護性分析等技術(shù)領(lǐng)域。生產(chǎn)現(xiàn)場是企業(yè)運營管理的核心，智能化生產(chǎn)就是以現(xiàn)場為起點，經(jīng)營改善為目標，通過“人、機械、IT”三者的互通合作，靈活運用生產(chǎn)現(xiàn)場的智能產(chǎn)線，實現(xiàn)整個企業(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

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)的實時采集，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)備進行協(xié)同工作，實現(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)備的先進程度有著直接關(guān)系。同樣，企業(yè)實現(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)機器人（設(shè)備的動作執(zhí)行者）；伺服電機（設(shè)備動力的肌肉）；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（設(shè)備的眼睛）；儀器儀表（設(shè)備的調(diào)節(jié)系統(tǒng)）；自動化軟件（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特點：生產(chǎn)高速自動化和柔性化；準確的感知能力；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)備還是半自動生產(chǎn)線，少部分企業(yè)已經(jīng)采用了自動化生產(chǎn)一體機，后端碼垛普遍都采用了工業(yè)機械手碼垛，但整體產(chǎn)線沒有形成智能包裝體系，實現(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)用的前景進行淺析。

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

瑞士布勒集團的新型MWPG全自動包裝機具有帶位置自動矯正機構(gòu)；裝袋口采用新型的螺旋進料裝置，實現(xiàn)無粉塵裝袋并壓實；根據(jù)產(chǎn)能需求，可輕松實現(xiàn)雙工位模塊組合，擴大產(chǎn)能。如圖5所示。

加拿大博泰集團生產(chǎn)的PTR-1030系列機器人開口袋裝袋機（如圖6），使用兩個FANUC柔性機械手，分別用于空包裝袋的上袋和控制填裝好的包裝袋與自動封包（縫包）機進行對接。

美國哈默-費希貝恩（Hamer-Fischbein）公司的1800 RBH自動裝袋系統(tǒng)（如圖7），通過機械手實現(xiàn)自動填裝好的包裝袋到縫口機的轉(zhuǎn)移。

圖5 瑞士布勒新型MWPG 全自動包裝機

圖6 加拿大博泰PTR-1030系列機器人開口袋裝袋機

圖7 Hamer-Fischbein1800 RBH自動裝袋機構(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)，快速對物料品質(zhì)信息進行在線檢測，實時監(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)對包裝袋口的封裝進行實時監(jiān)控，確保袋口封裝質(zhì)量無泄漏；通過射頻技術(shù)進行條碼或二維碼掃描，實時采集物料品種、重量、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)線編號等數(shù)據(jù)信息并進行存儲，實現(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)可實時顯示包裝線運行狀態(tài)、產(chǎn)品類別信息、實時產(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)場控制層的需求進行優(yōu)化整合并傳遞；同時，生產(chǎn)現(xiàn)場的實時生產(chǎn)狀況數(shù)據(jù)通過MES系統(tǒng)再向上層進行數(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)可實現(xiàn)對現(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，實時監(jiān)測設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)及利用率，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的變化，進行設(shè)備運轉(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)備故障并進行報警，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)管理平臺框架

圖9 智能產(chǎn)線典型應(yīng)用場景

碼垛機械手安裝視覺系統(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，自動在備件庫中選擇合適的手抓配件進行更換、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性化的需求，企業(yè)競爭也是非常激烈，通過智能化升級生產(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，同時可以使企業(yè)對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。總之，智能化發(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。