PackML - 复杂包装生产中的“化繁为简”
PackML - 复杂包装生产中的“化繁为简”
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，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，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，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，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，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。
