★贝加莱工业自动化（中国）有限公司

越来越高的生产需求

饮料灌装线的速度越来越高，以能够在单位时间输出更大的产能，进而降低成本。为了提高效率，整个饮料从吹瓶、清洗、灌装、旋盖都是连线生产，而在旋盖之后，就是贴标。为了达到高度的协作，贴标系统也同样被要求大幅提高速度。

圆盘贴标机是饮料后道的关键贴标设备，考虑到现在的高速灌装系统已经能够达到72,000~108,000瓶/小时的灌装速度，这意味着后道的贴标也必须与之匹配。否则生产线上就会产生较大的堆积。

另外，就是标站的数量，像普通矿泉水，考虑成本则仅1个标签即可。而对于高端的矿泉水则通常会有两个标签，而啤酒则通常会包括颈标、背标、正面标签三个标站。当然，也有标签为多工位，为了提升速度，例如对于速度大于60,000瓶/小时乃至108,000瓶/小时这个级别高速系统更多的托盘，则需要采用双工位奇偶贴标的方式进行贴标。

图1 不干胶大圆盘贴标机结构与流程

如图1所示，贴标机通常由送瓶螺杆将瓶子送入到星轮机构，它会机械卡住瓶子并送入托盘。在进入托盘后，托盘就会旋转，以使得视觉系统可以检测到瓶子，并知道该贴标位置。然后，托盘要将这个贴标位置与标站进行同步，并按照所需旋转并使得瓶子进入标站时，触发标站的不干胶标签准确的定位到贴标起始位置，并随着旋转覆盖整个标签位置。然后进入第二标站，再至第三标站。最后，还有视觉系统对贴完标的标签进行检测，如果不合格，则会将信号高速传递给剔除机构，当瓶子运动到该位置后剔除。

精密贴标的复杂需求

对于贴标而言，如图2（a）这种瓶型为圆形，且对于贴标起始位置没有要求的，则是最为简单的。但是，如图2（b）所示，如果出现了异形，如方形，则其贴标位置，必须从一个固定位置起始，才能贴好。还有比较复杂的，像图2（c）标签必须精准地贴在瓶子上的凸起部分，或固定的某个形状标记处；这意味必须精准的贴到指定的未知，而不能有偏差，否则，就会影响该产品的品质形象。而更难的则是2（d）这种在凹进去的部分贴标，它的精度要求更高，因为即使0.2mm的偏差，也会影响其形象。通常，对于高端的饮用水、白酒、橄榄油等而言，这种细节的偏差都会影响其品牌的品质。因为，对于一个高端品牌而言，不仅产品要高端，整个产品的每一个细节都需要高品质。

图2 复杂的贴标类型

图2反映了常见的瓶子贴标类型，当然，真实的组合不止于此，因为对于异形瓶，尽管它并不多见，但会给贴标带来复杂性的设计需求。

高速高精度的运动控制

在这个高速贴标系统中，输送的螺杆、入瓶星轮盘、大圆盘的主轴电机、托盘电机、出瓶星轮多达30乃至60多个伺服轴，需要精准的位置同步，才能实现高精度且高速的贴标任务。贝加莱在该机器上采用了ACOPOSmotor系列的伺服驱动与电机一体化的硬件系统，满足以下几个方面的设计需求。

图3 大圆盘灌装系统的系统架构

（1）紧凑的布局设计：由于大圆盘贴标机少则18个，多则36/48/60组托盘需要由伺服电机驱动，并且要布局在机器的旋转单元内，因此其空间很狭窄，这就需要高紧凑型的伺服驱动系统来接入。ACOPOSmotor是将伺服电机和驱动集成于一体，整体比较紧凑，专为食品饮料行业而设计。

（2）高防护等级：由于食品饮料行业需要冲水或液体溅射等情况，因此，HMI、驱动等均需要高防护等级。ACOPOSmotor采用的是IP65防护等级的设计，可以直接安装于旋转机械本体内。

（3）更少的接线：由于轴比较多，接线成本也会更高，因此，ACOPOSmotor采用了单电缆设计，即采用菊花链连接方式，接线成本大幅降低。

（4）滑环连接：整个伺服系统接在机器的旋转圆盘内部，与外部的动力、信号、通信必须通过滑环连接。ACOPOSmotor的通信、动力和信号都集成于一体，使得其可以方便地通过滑环连接。

如图3所示，通过滑环连接，多达18/24/36/48或更多的伺服轴安装于机器内，并通过POWERLINK实时以太网与主轴、星轮等外部伺服轴进行高速协作。

另外，食品行业对于Gamp认证，也需要更高防护等级和满足食品环境的HMI，贝加莱的Panel PC有支持IP69K防护等级，且客体采用不锈钢、纯平面的面板设计，悬臂安装的方式也满足行业客户的特殊需求。

托盘工站的电子凸轮曲线

除了运动控制的硬件系统特殊的设计需求—滑环连接，以及单电缆等。在软件方面，贝加莱的mappMOTION库也为机器的高速、高精度运动控制提供了便捷的开发支持。

在圆盘贴标里，最为重要在于每个托盘必须在多种情况下，确保与贴标站的标签达到高精度的位置同步。如图4所示，需要获得一个旋转角度使得其刚好可以作为贴标的起点，而另一方面，这个托盘在进入贴标区域的时候，它必须与贴标头保持线速度的一致，然后再去回零，整个过程根据贴标尺寸的变化，是一个电子凸轮曲线（CAM）位置环控制，这个就需要托盘高速跟随主轴，并且随着贴标尺寸规格的变化可以自动计算凸轮曲线，并获得光滑的切换能力。图4则显示了每个托盘都需要进行的这一运动控制过程。

图4 托盘的检测与运动控制

ACOPOSmotor本身的电子凸轮曲线（AutoCAM）能够达到极高精度，可以规避机械的精度不足，且能够获得非常光滑的曲线，确保低的机械冲击。另外，在程序实现上，可以多种灵活的触发，编码器、程序或时间触发均可。

机器的功能性设计

在圆盘贴标机中，针对冷胶、热熔胶、不干胶标准可以实现自动在线监测、自由配对，机械模块化、电气硬件模块化，同时软件也实现模块化。

（1）配方存储与切换：在该机器中，由于经常需要重复生产，或者经常变化尺寸规格、材料等，工艺配方可以进行存储并调用。

（2）缺瓶检测：确保无瓶不贴标，降低不必要的标签损耗，节省成本；

（3）自动换卷、换标、自动接标：可以实现连续生产，保持整个产线的高OEE运营状态，并可以对OEE状态进行计算并记录。

数字化集成

除了在机器本身控制方面的设计，贝加莱的mapp数字化模块，也让机器能够提供更强的数字化集成能力，在圆盘灌装及其他食品饮料设备中，这些模块也被广泛应用。

（1）mappOEE

食品饮料的生产企业，尤其关注OEE这个指标。在贝加莱mapp中OEE可以获取机器相关的速度、运营时间、良品计数等参数，提供OEE计算的支持。

（2）mappRecipe

在贴标机中，机器的各种工艺配方（尺寸规格、机械传动参数）均可被配置，并在机器运行中由操作人员进行配置。随着机器变得更为复杂，需要对各种控制工艺、产品规格等进行配方管理，而在这里mappRecipe可以让机器的开发者快速配置出更好的机器。

（3）mappUserX

对于工厂的机器而言，它需要考虑安全性，那么，对于不同的人，它就会需要不同的访问权限。mappUserX可以建立这样的“角色”，这来自于OPCUA的角色分配。因为基于面向服务的架构，数据作为一项服务独立于用户。

mappUserX可以对机器的相关人员进行权限管理，加密与授权访问。制造避免未经授权的访问。在食品饮料这样的行业尤为关键，它必须符合21CFRPart11的认证，以获得不可篡改的电子签名认证。

其它mapp如mappAlarmX用于对机器的报警进行记录、呈现与报告。mappReport可以生成机器的报表，以PDF、CSV等不可篡改形式提供。

精彩观点

贝加莱工业自动化（中国）有限公司技术传播经理 宋华振

记者：贝加莱近年来在食品饮料行业发展情况如何？您认为当前食品饮料行业自动化市场正发生着哪些变化，呈现出哪些特点？

宋华振：食品饮料市场是贝加莱最为成熟、业绩最为广泛的领域，尤其是在饮料灌装领域，基本上国际国内的主要设备制造商，均采用贝加莱的系统。这与贝加莱在包装领域的丰富经验、业绩紧密相关。食品饮料包装领域最为显著的特点就是“变化”，因为产品的规格、工艺、流程千变万化，这使得食品饮料包装是一个对于系统灵活性设计、模块化能力具有特别高要求的领域。

食品饮料领域一直以来都是变化比较大的领域，只是当前这种变化加剧，更为明显。例如，现在的复合型饮料就超出想象，果汁+牛奶、咖啡+牛奶、茶+果汁等，这些使得饮料的组合变得更为丰富。这就对灌装、包装设备也产生了非常大的挑战。因此，为了提供更为灵活的生产，在自动化领域，像柔性输送技术就开始进入了产线规划中，贝加莱的ACOPOStrak就是为了这样的场景而设计，目前已经在众多的饮料企业得到应用。

记者：贝加莱为食品饮料行业提供的产品或者解决方案具有哪些特色或优势？

宋华振：众所周知，在自动化行业，贝加莱是一个“方案导向型”公司。贝加莱的产品技术都是源自行业的需求，最初可能源自某个大的客户需求，然后有更多的该领域用户的共性需求，汇集这个共性为一个标准化产品。

首先，在硬件上，针对食品饮料行业的防护等级，贝加莱的PanelPC有专门IP69K防护等级的产品，就是为饮料、制药等领域的机器设计的。而ACOPOSmotor伺服驱动与电机一体，也是为了食品饮料行业设备空间紧凑、防护等级要求高，它是IP65防护等级，并且采用了“单电缆技术”，即，通信、动力和信号都被集成在一根电缆中，这样可以像以太网一进一出的连接方式扩展，大幅降低接线，因为在很多设备上往往数十个伺服轴。而为了响应高速灌装电子阀控制，贝加莱还有专门的阀岛控制器。包括1微秒级的reACTION功能，也是为了高速的I/O需求而设计。

在软件层面，针对食品饮料的特殊行业需求，贝加莱包含色标、张力、温控、电子凸轮裁切、称重等功能块集成。其实，食品饮料类设备，基本上都是由这些功能构成，例如物料称重与填充、材料放卷、热封裁切，吹瓶温控、贴标的凸轮曲线等，机器都会由不同的工艺模块搭建，贝加莱积累了数十年该领域的机器应用模块，让客户可以快速搭建机器的软件。其它的还包括这个领域专有的需求，贝加莱的mapp中包括mappPackML针对包装领域的设备连接规范、mappAudit针对食品饮料、制药行业的审计追踪需求、mappOEE针对产线的设备综合效率统计。

记者：在智能化转型升级的发展趋势下，您认为食品饮料行业面临的挑战体现在哪些方面？对此，贝加莱有哪些针对性的策略解决？

宋华振：所以，食品饮料行业的挑战一直存在，当前的趋势是时间粒度更小、组合更多、批量却又更小。对于制造生产来说，个性化会导致品质下降（不良品率大幅上升）、交付能力下降。因此，过去、今天、未来，我们都要致力解决这些问题。

贝加莱前瞻性地观察道这一行业趋势，结合用户需求，在2019年即推出ACOPOStrak柔性输送，它可以在产线上实现产品的分流、合流，通过动子的任意组合形成产品的变化，取消过去的螺杆送瓶机构，并可以在机器间形成有序队列，同步的连续生产，由于没有太多机械的磨损，可以大幅提高产品的后道组装效率。并且，在2022年推出更为灵活的ACOPOS 6D，在日化、制药领域已经为客户所采用。

另外，贝加莱在2022年还推出并联型机器人，其是为食品饮料、制药行业等洁净度要求高的领域而设计的机器人，主要用于捡取、分类，因为这是食品饮料行业的主要场景。

除了在硬件上的组合扩充，贝加莱还针对食品饮料强化了智能软件方面的研发，包括智能的配料称重、液体称重、在贴标机上集成视觉缺陷检测。针对机器的关键零配件的预测性维护M.Doctor的开发。并且，针对ACOPOStrak增强了其软件、在线任务检测、调度等方面的能力。

未来，贝加莱仍将聚焦在“柔性输送技术”，我们确信，ACOPOStrak、ACOPOS 6D技术的确能够为食品饮料工业带来“变革”，因为它改变了原有的复杂产线设计，并且使得“软件定义制造”成为可能。此外，贝加莱将会继续结合包装领域用户应用，开发更为灵活易用的功能，如mappTrak就是为了让轨道编排任务更为方便而设计的，我们还有很多正在整合中的技术。

摘自《自动化博览》2024年5月刊