贝加莱工业自动化（中国）有限公司技术传播经理 宋华振
将数字化的控制、计算技术与印刷行业的机器设计、创新过程紧密结合，可以为印刷装备制造商提供机器高效开发的思路和启发。本文以贝加莱在印刷领域的工程设计为例，结合行业的发展，介绍了如何运用数字技术提高印刷装备的创新开发效率。
当今，数字化浪潮呼啸而来。对于企业而言，数字化转型意味着通过数字化获得企业持续竞争力的不断提升，打造软实力。面对纷繁的数字化潮流，我们必须清晰地认识到，装备制造业的企业与离散组装型企业有着诸多不同，每个行业都需要结合自身的特点，选择合适的创新组织与规划、方法与工具。
借助数字化，我们的目的在于实现创新设计，以获得市场的持续竞争力。数字化的特点在于灵活，在于它可以封装 Know-How 保护知识产权，也在于通过数字化建立持续创新的基础，因为数字化的显著特征也在于知识的传承和复用。
创新是一个严谨的过程
制造业的装备开发，需要严谨的工业设计过程来支撑。材料科学为我们提供油墨、纸张与薄膜的物理化学特性，而材料与机械、电气控制与传动的融合设计，可以稳定加工，获得所需的高品质产品。而这些必须通过建模仿真、反复的测试、软件封装才能收敛到经济性，即能够获得高性价比的机器。而形成的技术要具有可复用性，这样才能使得机器在研发阶段的高成本被摊薄，进而有竞争力。如图 1 所示，创新经由科学的知识、工程收敛，形成可复用的知识，进而为用户带来价值。
图 1 创新是一个严谨的过程
由于印刷工业是融合材料（纸张、薄膜）、机械传动、控制的复杂系统，数字化涵盖其数字化设计、赋予机器灵活性、机器作为印刷工厂的数字化节点提供运营管理的数字化能力。而远程维护与诊断，基于数字化方法来降低成本，如云平台较之专用的网络体系更为经济性。
图 2 OEE 计算方法
创新，用户导向的设计
对于各个终端生产企业而言，OEE 是最为直观的评价机器的综合指标，由图 2 可知，OEE 的计算通常由可用性、性能、质量三个因素决定。如果换做印刷机，我们可以对 OEE 进行如下解析：
1. 可用性
重点关注设备故障、设置与调整。因为机械发生故障、机器换单时的机械与电气参数配置，都会影响正常生产。而机械的调校时间往往较长，因此会对可用性造成损失。
2. 性能
怠速、非计划的停机、减速会造成机器的性能损失，无法达到设计的额定速度。如果机械本身发生故障也将无法获得高性能，甚至可能造成临时停机。
3. 质量
重点关注开机浪费。因为机器需要穿纸路达到稳态生产，在换料过程中，如果机器不能稳定工作，出现故障就会导致产生废品，或者因套印不准等会造成良品的损失。
通常，终端生产企业都会有一套针对现场设备的OEE 考评方法，以对设备进行综合评估。因此，对于印刷设备制造商而言，基本上所有的设计都要围绕这些问题来展开。创新就是要为用户解决问题，提升机器的 OEE，才能让客户获得高投资回报。随着竞争的加剧，作为一项重要的资产，设备的 OEE 关乎着印刷企业的盈利能力。
无论是稳定性、可靠性、易用性，其实，最终都会归于 OEE 的评价——完全量化的评价指标。而 OEE也是装备制造业数字化的可量化指标之一。
图 3 采用传统机械长轴的印刷机
电子轴传动技术在装备中的普遍应用
在早期，印刷机械采用的是机械传动方式，贯穿整个机械的长轴经由蜗轮蜗杆机构，将长轴的旋转转换为版辊、牵引系统的旋转。这种机械长轴存在的主 要问题是机械结构复杂、维护不便，机器的操控依赖于师傅的经验，在换单时需要进行很多的机械调校，时间较长。图 3 所示为采用传统机械长轴的印刷机。
用户的需求是，希望通过高品质、快速换单来提升交付并降低成本。而从 OEE 计算中，我们可以看到，这些都会影响 OEE 的指标。解决这些问题就需要通过技术创新，这种创新既可以是微创新，也可以是较大的变革。
1. 传动方式的创新
电子轴是一种变革，需要在伺服驱动与电机成本下降的前提下才能实现。伺服电机自 20 世纪 60 年代就已经推出了商业化的产品，但因为价格比较高而未能得到大规模使用。—直到 90 年代伺服系统的应用普及，电子轴的价格逐步下降，才为印刷机械所广泛采用。如图 4 所示，采用电子传动可以获得更高的精度、更为灵活的换单能力。
图 4 贝加莱集成套色的电子轴传动系统
2. 集成套色系统的创新
在传统的印刷控制中，由于传统的 PLC 无法满足高级算法的设计，因此，通常的分立套色需要采用专用的系统来实现。而集成套色经由总线传递解耦结果给控制系统，控制系统经由传动系统就可以实现相位调节了。传统分立套色系统与集成套色系统的差异如图 5 所示。
图 5 分立套色系统与集成套色系统的差异
贝加莱的 PLC 基于 RTOS 可以支持高级语言 (C/C++) 编程，对于套色的多变量系统耦合和解耦算法，可以在高性能的 PLC 上得以实现，无需专用的套色系统。此外，运动控制也可以通过 PLC 直接控制，而无需采用传统的 PLC ＋运动控制模组的方式来实现，这是只有借助高性能的控制系统才能实现的。
因此，要实现创新，就需要合适的平台，新的控制技术可以为机器提供更为丰富的功能，提供便利性。建模仿真，确保低测试验证成本和开发效率除了要提升 OEE，我们发现，印刷品的材料多样性。
建模仿真，确保低测试验证成本和开发效率
除了要提升 OEE，我们发现，印刷品的材料多样性也得到了增强。为了满足各种场景，如更为精美的书籍装帧、体现高端品质的印刷和烫金、便利的纸盒包装，满足环保性设计、功能性设计的更为安全的材质得到大量使用，使得印刷的材料、油墨、表面处理材料等都发生着千差万别的场景变化。每种材料的物理特性都在发生着变化，这些变化给加工过程中的压力、机械传动、温度带来了影响，会导致机器的印刷品质和生产效率发生变化。
1. 物理建模
为了解决这些问题，必须对机器进行大量的物理性测试，包括机械结构本身、印刷材料、油墨等，而这又要消耗较大的成本。只有针对各种材料进行测试，才能获得匹配的参数以及控制工艺的适配性。只有这样，机器才能在变化时实现快速的机械、工艺参数、传动控制参数的适配性，从而降低开机浪费、节省工艺切换时间，获得高 OEE 生产。
在欧美，建模仿真是机器开发的关键技术之一，而对应的建模仿真软件也是今天中国制造业比较欠缺的一部分。建模主要是通过机械、控制建模来获得机器的机械传动、控制工艺参数的模型，然后通过仿真对其中的参数进行虚拟测试，有模型才能进行虚拟测试。而另一方面，数字时代的这种测试验证包括了机械、控制与工艺的三方协同仿真问题，即将几个部分耦合以获得联合仿真，让机械、控制、工艺三方的相互影响作用得以在软件中体现，进而能够获得设计的优化与改善。
数字化设计，首先要在测试验证环节降低物理的测试验证成本；其次，它可以获得设计可持续使用的复用知识，即以软件形式存在的知识，这些凝聚了工程师智慧的知识，只有在复用中才能稀释成本。
2. 数据驱动建模
传统物理建模可以解决既有的知识问题，而对于隐性知识、非线性、不确定问题，则可以通过数据驱动的智能算法来建模（Data-Driven Modeling）。例如，通过学习师傅对于水墨均衡的调节过程来获得这种经验，并记录为机器用于判断，通过机器视觉获得产品灰度值，为印刷压力调节提供判断依据。这些机器的智能应用，都是以软件形式将经验由隐性转化为显性，可以被复用。
软件，形成机器的差异化竞争力
数字化赋予了机器灵活性，而这种灵活性是以软件负载的，软件在这里作为一个容器，可以应用于Know-How 的封装。在印刷工业，控制系统能够为机器赋予灵活性，帮助企业打造差异化竞争力，如图 6 所示。它需要通过各种应用软件来保障，这些软件包括以下几个方面：
图 6 软件功能性设计形成差异化竞争力
1）工艺软件：色标处理、张力控制、温度控制、套色控制算法。
2）配方管理：包括机器的各种工艺配方管理及配方记忆功能。
3）HMI 设计：易于操作，降低了学习成本。
图 7 基于组件的应用开发
4）基础设施管理：包括对 I/O、伺服轴的状态监测，机器的状态曲线显示、报警趋势、诊断维护、用户管理，这些都属于机器的基础能力。
标准化与规范化
企业的数字化工厂要积极应对变化，创新性设计所用到的技术需要被标准化，而机器则需要更为灵活的组织，其软件能力也需要通过“高内聚、低耦合”的模块来实现封装，新的机器将由这些软件模块快速组装。贝加莱的 mapp 技术即基于组件技术开发（如图7 所示），不仅可以快速配置新的机器应用系统，同时这些张力、温度、色标亦可以从凹版扩展至轮转胶印、柔版，而张力控制则涵盖了各个卷筒纸机型。对于印刷机械，mapp 的控制还包括了胶印的水墨曲线控制、压力调节，数据管理的配方记忆、品质数据显示，并且提供更为方便的 mappVIEW。
图 8 知识复用至其他印刷机组控制
例如，从凹版印刷扩展到如图 8 所示的柔版印刷，其采用了原有凹版开发中的收放卷张力控制、电子轴传动控制、套色算法、裁切电子凸轮等。
结语
对于印刷机械而言，创新是多个维度的，重点包括以下几个方面：
1）创新的目标为客户带来价值：装备制造商，首先一定要清楚地知道客户的痛点、痒点（那些始终存在却不好解决的问题）、盲点（未能看到，但能带来价值提升）。
2）横向科技支持：随着控制器技术、感测技术、AI 算力的成本逐渐下降，先进的机器控制方式可以得以实现，因此，对于制造商而言，要不断关注前沿技术，及时拿来为我所用。
3）开创精神与魄力：投资技术，获得高回报，这也是需要企业具有开创精神。
4）工程效率支持：通过建模仿真、虚拟测试与验证、软件组件技术来获得机器开发效率的提升。
5）合作与信任：上下游合作伙伴要相互信任，并致力于共同的价值目标。
6）标准化与规范化：让机器能够复用，在不断迭代过程中提升，并降低成本，以此获得长期的经济性。
