微秒精度的調味汁定量分配
和完美的重復定位精度
在處理連續產品流時，如何將番茄醬涂在比薩餅底或將大蒜醬涂在皮塔餅上？如何飛速裝飾好圣誕節或復活節餅干？總部位于荷蘭奈梅亨的 Foodjet 公司已研發出各種食物分配系統以應對上述這些挑戰，其中一款就是大型可移動沉積裝置（MDL）。
“我們的 MDL 定量加料裝置的優點是，可以靈活地根據每個產品的尺寸和形狀調整打印圖案。”Foodjet 公司銷售和市場主管 Dirk Schindler 解釋道。例如，隨著越來越多的供應商傾向于使用手工制作比薩面餅，傳統的圓形比薩餅底正逐步被非標準圓形的餅底所取代。事實上，很多食物的形狀都不是圓形的，但這些產品仍應始終保持邊緣干凈。“這意味著我們必須精確掃描裝配線上的每一個比薩餅座，這樣我們的打印頭就能準確地知道在哪里沉積調味汁。”Dirk Schindler 指出了第一個挑戰。畢竟，確保設備產能不受影響是至關重要的。
??? 裝配線上不再有不受歡迎的手工作業
“MDL 能夠幫助客戶解決其中一個痛點問題。”Dirk Schindler 強調道。盡管一些工藝流程已完全自動化，但很多情況下，仍需要有人員站在裝配線上用勺子將調味汁涂在餅底四周。“這項工作不僅壓力很大，而且涂抹量也會不精確，會造成重量上下波動。”如果需要，Foodjet 可以很輕松地為有興趣的買家量化這個成本池。
裝飾品的投資回報率也很難計算：裝飾品實際能貢獻多少銷售額？這真的是一種爭取更多市場份額的有效方式嗎？“可能是的。”這是 Dirk Schindler 一直以來聽到的最多的答案。
Foodjet 注意到，這是市場目前高度關注的話題，因為已經有第一批食品制造商做出了改變，沒有人愿意、也不應該被甩在身后。因此，企業現在必須能夠根據季節調整配料，靈活地裝飾自己的產品，比如圣誕節的星星、復活節的兔子以及情人節的愛心，等等。倍福基于 PC 的控制技術幫助 Foodjet 克服了這類技術挑戰。
例如，為了保持比薩餅生產線高速運轉，Foodjet 的設備必須能夠以閃電般的速度確定配料模式。相機系統和分配頭之間的距離通常為 85 厘米，只有半秒鐘的時間進行所需的計算。“相機必須在一幀內捕捉到比薩餅。”控制系統工程師 Ed de Leur 解釋道。只有在比薩餅底被全部掃描后，才能創建圖案并計算打印頭的各個點，讓一切與正在運行中的傳送帶同步。
由 AX8000 多軸伺服系統控制的 AM8800 不銹鋼伺服電機將調味汁可靠地泵送給打印頭。
??? 以微秒精度單獨控制 48 個打印頭
第二個挑戰是需要高重復精度。“我們對伺服泵進行了研究，以便能夠在最恰當的時機將所需的調味汁推過噴嘴。”Ed de Leur 說道。將這些噴嘴精確控制在毫升范圍內對液滴形狀有重要影響，因此也會影響調味汁的沉積整齊程度。“通過 MDL 中集成的倍福控制系統，這個精度可以達到 20 μs。”Ed de Leur 說道。
此外還須考慮打印頭的特殊布局：最多可有 48 個打印頭布署在多個平版印刷排中，并向著傳送帶的行進方向傾斜。這樣就可以通過縮短噴嘴之間的有效作用距離來提高分辨率；但前排的噴嘴必須比后排的噴嘴更早開始工作。這意味著：“我們必須單獨控制每個噴嘴，同時確保每個噴嘴分配相同份量的調味汁。”Ed de Leur 解釋道。
??? 用軟件功能取代機械裝置
“我們經常看到制造商會想出各種花樣，將面餅底整整齊齊地排列在傳送帶上。”Dirk Schindler 透露道。而使用 MDL 就完全不需要這些工作，因為面餅的形狀和方向不再重要。在使用 Foodjet Food Designer 軟件創建配方時，只需要設置調味汁和餅底邊緣之間的距離參數。隨后，系統就可以精準地分層放置每個產品。Ed de Leur 解釋道：“對客戶來說，他們不再需要示教設備各種式樣，這是一個重大的勝利。”
如果需要，甚至是比薩和法棍也可以在傳送帶上一個接一個地隨機運行，并且仍能在上面添加配料。更重要的是，MDL 可以在掃描過程中識別出不符合規格要求的餅底，并能夠在添加配料之前將這些餅底分揀出來。“這種控制方法已經成為我們的固定工作流程。”Dirk Schindler 說道。
MDL 系統必須實時計算出各種式樣，Ed de Leur 很清楚的一點是：“控制技術必須來自倍福。我對所有競爭對手都很熟悉，但由于我們的應用非常特殊，因而沒有幾家控制器廠家提供的產品是我們真正需要的。倍福產品不僅能夠提供足夠的算力，還可以直接在 Windows 內核上編程，這是其他 PLC 廠家根本無法提供的，就算有，價格也太貴，根本買不起。”倍福荷蘭分公司業務拓展專員 Nikolas Eimer 補充道：“不是每個客戶都需要如此大規模地使用我們的嵌入式控制器產品。Foodjet 的工藝是速度最快的高端應用之一。”
Foodjet 公司使用了一臺搭載 Intel® CoreTM i7 四核處理器的 CX2040 嵌入式控制器，確保在 150 μs 內完成計算過程，并通過 EtherCAT 傳輸計算結果，完成最重要的實際打印任務。填充打印頭中的緩沖區可能需要更長的時間，而伺服泵的運動控制任務，Ed de Leur 估計需要 500 μs。最后，還有 HMI、安全功能和壓力測量等一些常規任務，對于這些任務，50 毫秒的周期時間就足夠了。Ed de Leur 對倍福平臺提供的自由選擇非常滿意：“倍福的 I/O 產品種類非常豐富，不僅有用于控制閥門或泵的標準端子模塊，還有一些特殊型號。”
對于 HMI，Foodjet 決定使用 C# 開發可視化應用，并在 Windows 環境下運行。基于 PC 的控制技術的優點是，盡管對于打印頭的實時性要求很高，但應用程序可以在同一臺控制計算機上運行，這是因為 HMI 在不同的 CPU 內核上運行。“基于 PC 的控制技術的另一個真正優勢是，軟件開發人員可以在同一個硬件平臺上自由運行不同的應用程序。” Ed de Leur 說道。這位自動化專家對于與倍福的合作也稱贊不已：“我是一個典型的軟件工程師，喜歡直接上手并嘗試解決一些問題。”由于交付周期很短，問題往往出現在交付后。因此，對于 Ed de Leur 來說，迅速獲得解決問題的辦法和支持最為重要。“與倍福的合作在這方面也卓有成效。”Ed de Leur 強調道。
Foodjet 公司的視覺系統目前仍在使用單獨的 PC；但他們的目標是將圖像處理系統也整合到倍福平臺中，因為兩個系統之間的定時同步可能相當復雜。“倍福技術已經為集成做好了準備，只是我們還沒有時間來落實。”Ed de Leur 解釋道。
Foodjet 公司工程師 Ed de Leur 正在設置 MDL 系統。“我們必須在最恰當的時機將適量的調味汁推過數十個噴嘴。我實在想不出還有什么比基于 PC 的控制技術更適合實現這項具有挑戰性的任務。”
??? 從全表面繪畫到復雜的繪圖
“下一個邏輯步驟是將 MDL 技術也應用于食物裝飾，但這將涉及到不同的速度、分辨率和產量。”Dirk Schindler 說道，這是目前面臨的挑戰。Foodjet 已經順應這一市場需求成功研發出了設備，并決定為這些設備全部配備基于 PC 的控制技術。我們的目標是針對所有行業和應用領域開發一個通用的控制平臺。
Foodjet 還在研究通過兩套依次放置的 MDL 系統混合不同的調味汁。第一臺 MDL 用于打印番茄醬，第二臺設備用于添加意大利乳清干酪、法式白醬或橄欖油。“這樣的效果已經很好了，”Dirk Schindler 說道，“但還有改進空間。”例如，如果在依次涂抹完奶酪的餅底上再添加少量的番茄醬，就可以保證比薩餅口味的一致性。或者可以將配料分成兩半，在比薩餅的一邊涂上番茄醬，將另一邊做成較辣的版本。有了 Foodjet Designer Studio 軟件和基于 PC 的控制技術，就能夠實現這些改變，滿足各種個性化需求。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作伙伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶于上海市北高新產業園區，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用于風力發電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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