Smak sukcesu: sprawność ruchów dla producentów oryginalnego sprzętu (OEM) w branży spożywczej i napojów

Niezawodność sterowania ruchami w automatyce jest kluczowym czynnikiem dla producentów oryginalnego sprzętu (OEM). Na niezawodność wpływają trzy kluczowe zmienne, które mają bezpośredni wpływ na ogólną sprawność sprzętu maszyny: dokładność pozycji serwomechanizmu, powtarzalność trajektorii i ogólna sprawność systemu. Wszelkie błędy w tych zmiennych mogą prowadzić do negatywnych konsekwencji, takich jak dłuższe czasy projektowania nowych urządzeń, nadmierne zużycie zasobów podczas rozruchu i zwiększone koszty produkcji dla użytkowników końcowych.

Producenci oryginalnego sprzętu (OEM) stoją przed wyzwaniem zwiększenia liczby konkurencyjnych funkcji w swoich urządzeniach przy jednoczesnym przestrzeganiu ograniczeń projektowych, których celem jest utrzymanie marży rentowności. W tym kontekście niezbędne staje się zaufanie do sterowania ruchami automatyki. Zapewniając wysoki poziom niezawodności dokładności pozycji serwomechanizmu, powtarzalności trajektorii i sprawności systemu, producenci mogą ograniczać ryzyko i zwiększać swoją przewagę nad konkurencją. Zaufanie do automatycznego sterowania ruchami pozwala dostarczać urządzenia, które spełniają oczekiwania klientów, skracają czasy przestojów i optymalizują procesy produkcyjne.

Ilustracja 1: zautomatyzowana fabryka chleba. (Źródło ilustracji: Getty Images)

W niniejszym artykule prześledzimy cykl życia maszyny OEM do produkcji żywności (ilustracja 1) i napojów (ilustracja 2), począwszy od projektu, poprzez uruchomienie, aż do produkcji. Przedstawione zostaną najlepsze praktyki, które zwiększają zaufanie do sprzętu dzięki dokładności, powtarzalności i sprawności sterowania ruchami. W poszczególnych sekcjach nacisk zostanie położony na maksymalizację parametrów działania systemu dzięki prostocie projektowania, przy jednoczesnym zapewnieniu, że przyszłe wdrożenie agregacji danych będzie nieinwazyjne.

Ilustracja 2: zautomatyzowana rozlewnia. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Projekt

Podczas projektowania systemów sterowania automatyki należy od samego początku brać pod uwagę dokładność, powtarzalność i sprawność. Podczas określania złożoności i parametrów działania maszyny znajdującej się w dalszym punkcie linii produkcyjnej znaczącą rolę odgrywa wybór protokołu sieciowego. Złożoność komunikacji urządzeń można określić, mierząc harmonogram zmian projektu i skalę wykazu materiałów. W zakładach produkcji żywności i napojów, gdzie cykle życia produktów mogą trwać wiele lat, wybór odpowiedniego protokołu sieciowego może znacznie wpłynąć na długoterminowe koszty posiadania maszyny, minimalizując wszelkie koszty ponownej certyfikacji oryginalnego sprzętu.

Projekt a dokładność pozycji - EtherCAT® do synchronizacji czasu. Globalnie otwarty protokół przemysłowy, EtherCAT®, ma za zadanie zwiększyć sprawność komunikacji. Urządzenie nadrzędne EtherCAT® komunikuje się za pośrednictwem pojedynczego pakietu danych, który przesyłany jest do każdego z urządzeń polowych, przekazując i odbierając dane dla poszczególnych urządzeń, gdy pakiet przechodzi przez każdy węzeł i z powrotem, podczas gdy ruch Ethernet jest indywidualną konwersacją pomiędzy sterownikiem PLC i poszczególnymi urządzeniami polowymi, niezależnie od protokołu. EtherCAT® zapewnia komunikację deterministyczną w czasie rzeczywistym z czasem trwania cykli zaledwie 125μs. Tak szybka komunikacja eliminuje fluktuacje serwomechanizmów, które mogą utrudniać dokładne sterowanie ruchami. W zastosowaniach zamykających możliwość dokładnego zamknięcia ma kluczowe znaczenie. Pomaga to nie tylko zminimalizować straty materiałowe dla dalszych użytkowników, ale także wzmacnia reputację marki i satysfakcję klientów.

Projekt a powtarzalność trajektorii - EtherCAT® do niezawodnego dostarczania poleceń. Technologia EtherCAT® została zaprojektowana z myślą o sterowaniu ruchami w czasie rzeczywistym. Eliminacja kolizji pakietów, które mogą wystąpić, gdy sterownik PLC prowadzi indywidualną konwersację z poszczególnymi urządzeniami i zapewnienie dostarczenia właściwego pakietu we właściwe miejsce we właściwym czasie. W zastosowaniach wymagających precyzji w wielu cyklach, takich jak maszyny do napełniania i zamykania, linie butelkowania i systemy sterylizacji, technologia EtherCAT® zapewnia powtarzalną dokładność ruchów. Jednostka centralna synchronizuje wszystkie operacje EtherCAT® w oparciu o główne zadanie ruchu. W zależności od żądanego poziomu powtarzalności można wybrać trzy główne tryby EtherCAT®.

• Tryb swobodnego działania - cykl EtherCAT® jest asynchroniczny w stosunku do cyklu magistrali kontrolera. Wprawdzie podczas cyklu EtherCAT® usunięto wielokrotne odświeżania, jednak wejścia i wyjścia w sieci nie są odświeżane w tym samym czasie.
• Tryb synchroniczny - cykl EtherCAT® jest zsynchronizowany z cyklem magistrali kontrolera. Synchroniczny odczyt wejść i synchroniczne odświeżanie wyjść odbywa się w stałych odstępach czasu na wielu urządzeniach EtherCAT® jednocześnie.
• Tryb znacznika czasu - cykl EtherCAT® jest zsynchronizowany z cyklem magistrali kontrolera. Synchroniczne odczytywanie wpisów opiera się na zegarze rozproszonym EtherCAT®. Pozwala to na precyzyjne taktowanie z dokładnością do mikrosekund.

Projektowanie a sprawność systemu - EtherCAT® do szybkiego projektowania i skalowalności w przyszłości. EtherCAT® to otwarty globalnie protokół przemysłowy, który umożliwia różnym producentom komunikację we wspólnej sieci. Dzięki temu osiągnięto stałe tempo wdrażania równe 12% łącznego rocznego wzrostu w branży w ciągu ostatnich czternastu lat. Ten wzrost jest nie tylko świadectwem dokładności i precyzji technologii EtherCAT®, ale także trwałej przewagi konkurencyjnej, jaką zapewnia tym, którzy przyjęli ten kompleksowy protokół sieciowy. Firmy przetwarzające i pakujące, które wdrożyły technologię EtherCAT® w 2010 roku, nie tylko przygotowały się na przyszły rozwój, ale także uniknęły znacznych kosztów przeprojektowywania w tym procesie.

Przekazywanie do użytkowania

Dzięki solidnej architekturze, walidacja parametrów działania przed pierwszym uruchomieniem nie tylko znacznie zmniejsza ryzyko, że parametry działania nie spełnią oczekiwań klienta, ale także pozwala zespołowi zaradzić nieefektywności systemu przed jego wdrożeniem. Proces przekazywania do użytkowania maksymalizuje parametry działania maszyny, jednocześnie minimalizując wszelkie ryzyko związane z wdrożeniem w zakładzie dalszego użytkownika. Przekazywanie do użytkowania zwykle kończy się na etapie pełnego montażu urządzeń, jednak może ono odbywać się równolegle do budowy maszyn bez użycia sprzętu. Skraca to całkowity czas produkcji bez naruszania surowych standardów jakości, które definiują liczących się producentów oryginalnego sprzętu (OEM).

Przekazywanie do użytkowania a dokładność pozycji - dobór serwomechanizmów bez sprzętu. Właściwe rozmiary serwomechanizmu mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia zarówno opłacalności, jak i dokładności działania maszyny. Zbyt duże rozmiary serwomechanizmu zwiększają całkowity koszt maszyny, podczas gdy zbyt małe zmniejszają ogólne parametry działania maszyny. Producenci OEM mogą usprawnić ten proces dzięki wykorzystaniu zintegrowanego środowiska rozwojowego na uniwersalnej platformie automatyki.

Dzięki takiemu podejściu do weryfikacji parametrów działania maszyny można użyć jednego programu, zawierającego dodatki do wymiarowania silnika, dzięki którym możemy mieć pewność, że dokonany wybór jest prawidłowy. Dzięki weryfikacji rozmiaru silnika i programu maszyny w tym samym pakiecie oprogramowania, eliminuje się złożoność korzystania z dodatkowego oprogramowania, co zmniejsza ryzyko błędów podczas procesu doboru. To zintegrowane podejście upraszcza proces i zwiększa dokładność doboru serwomechanizmu, co prowadzi do poprawy parametrów działania maszyny.

Przekazywanie do użytkowania a powtarzalność trajektorii - symulacja ruchu bez sprzętu. Trajektorie ruchu mają symetryczny wpływ na ogólną sprawność urządzenia, przy czym ścieżki przyspieszenia, zwalniania i ruchu wpływają na czasy produkcji, prawdopodobieństwo awarii i jakość produktu końcowego w nieproporcjonalnym stopniu w porównaniu z innymi aspektami konstrukcji maszyny. Symulacja trajektorii w tym samym środowisku oprogramowania, w którym tworzony jest program, nie tylko eliminuje ryzyko niestabilnego procesu w fabryce, ale daje użytkownikom końcowym pewność, że produkt będzie działał w produkcji tak samo, jak podczas uruchomienia.

Przekazywanie do użytkowania a sprawność systemu - symulacja 3D bez sprzętu. Do symulacji całego zespołu zamiast fizycznego sprzętu można wykorzystać symulację 3D, co może znacznie usprawnić proces przekazywania do użytkowania. Należy pamiętać, że ruch nie jest jedynym czynnikiem w hali produkcyjnej. Obok weryfikacji ruchów konieczna jest również weryfikacja procesów bezpieczeństwa i gromadzenia danych. Często identyfikowalność i widzenie są skomplikowanymi czynnikami w procesach produkcyjnych. Dzięki wykorzystaniu modeli 3D dostarczonych przez producentów i symulowaniu ich w tym samym środowisku oprogramowania, co program, zespoły mogą zapewnić bezpieczeństwo bez stwarzania ryzyka podczas przekazywania do użytkowania. Ponadto pozwala to na stworzenie optymalnej procedury działania i umożliwia zespołom odpowiedzialnym za uruchomieniową walidację parametrów działania według znanego standardu przed zatwierdzeniem konstrukcji sprzętu. Zwiększa to znacznie prawdopodobieństwo, że maszyna przewyższy oczekiwania dalszych użytkowników przed inwestycją w konstrukcję fizyczną.

Produkcja

Zaprojektowanie i przekazanie do użytkowania oryginalnego sprzętu może być dla producentów poważną inwestycją. Jednak klucz do pozyskania stałych klientów leży na etapie zapewniania pożądanych parametrów działania w cyklu życia sprzętu. Czynniki takie jak przyszłościowa skalowalność, czas pracy procesów i możliwość gromadzenia danych procesowych mogą mieć duży wpływ na ogólne zadowolenie klientów z systemu automatyki i ich potencjał biznesowy w przyszłości.

Produkcja a dokładność pozycji - modułowość automatyki umożliwiająca dostosowanie do przyszłych potrzeb. Uniwersalne platformy automatyki o najwyższych parametrach działania nie tylko zawierają setki gotowych produktów katalogowych w postaci modułów wejścia-wyjścia do instalacji plug-and-play, ale także pojedyncze oprogramowanie z funkcją programowania metodą „przeciągnij i upuść”. Platformy te łączą się za pomocą globalnie otwartych protokołów przemysłowych wykraczających poza EtherCAT®, rozszerzając łączność modułowego sterownika PLC poza ruch poprzez wykorzystanie efektów sieciowych wspomnianych sieci otwartych oraz wykorzystanie protokołów Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety™, IO-Link, MQTT, OPC UA® i SQL, wszystkie zgodnie z przeznaczeniem. Platformy automatyki, które najlepiej nadają się dla producentów OEM, od samego początku zostały zaprojektowane z myślą o szybkim wdrażaniu nowych technologii bez nadmiernej złożoności w hali produkcyjnej. Korzystanie z urządzeń przenośnych do celów identyfikowalności, które komunikują się za pośrednictwem sieci Ethernet, jest coraz bardziej powszechne w zastosowaniach obejmujących sterowanie ruchami. Producenci oryginalnego sprzętu (OEM) mogą korzystać z wcześniej opublikowanych przewodników po łączności i bloków funkcyjnych innych firm, aby wypełnić lukę między nimi a producentami, jednocześnie zachowując modułowość wymaganą od producentów żywności i innych towarów, aby zachować elastyczność wobec ewoluujących standardów branżowych, nowych materiałów opakowaniowych i zmieniających się trendów konsumenckich.

Produkcja a powtarzalność - odtwarzanie pracy automatyki w celu identyfikacji zdarzeń produkcyjnych w sposób autonomiczny. Gdy usterki w automatyce skutkują zdarzeniami powodującymi przestoje, szybkie znalezienie przyczyny usterki i weryfikacja jej stwierdzenia ma kluczowe znaczenie dla przywrócenia pewności co do stabilności procesu. Konwergencja danych, wideo, struktury programu i logiki drabinkowej w odtwarzaniu staje się coraz częściej normą. Całe odtwarzanie jest synchronizowane czasowo i wyzwalane zdarzeniem, aby umożliwić lokalnym i zdalnym członkom zespołu szybkie i dokładne diagnozowanie problemów bez przerywania produkcji i konieczności obecności operatora podczas usterek. W połączeniu z symulacją parametrów działania w stanie przekazania do użytkowania, odtwarzanie danych za pośrednictwem protokołów otwartych, takich jak EtherCAT®, daje dalszym użytkownikom możliwość ciągłej poprawy bez pogorszenia parametrów działania maszyny.

Produkcja a sprawność systemu - wbudowane serwery OPC UA®™ przekazują całościowe dane procesowe do lokalizacji centralnych. Współpraca z serwerem OPC UA®™ jest obecnie standardową funkcją wielu kontrolerów i umożliwia otwartą komunikację z urządzeniami polowymi. Dzięki temu oprogramowanie SCADA jest w stanie spełnić wymagania dotyczące komunikacji, ponieważ wbudowany serwer OPC UA®™ pozwala na jednoczesne połączenia z wieloma klientami. Decydując się na standard OPC UA™, użytkownicy maszyn znajdujących się w dalszej części instalacji mogą szybko skorzystać z zalet zabezpieczeń oferowanych przez OPC UA®™, aby zapobiec dostępowi nieautoryzowanych klientów. Dzięki temu, że obsługa serwerów OPC UA®™ staje się coraz bardziej powszechna, producenci OEM mogą nawiązywać silniejsze połączenia z użytkownikami. Pozwala to na oferowanie bardziej kompleksowego wsparcia dla istniejącego sprzętu i uzyskiwanie cennych informacji o potencjalnych możliwościach przyszłego sprzętu z ich bazy instalacyjnej.

Zadowolenie użytkowników dalszej części systemu ze sterowania ruchami w sprzęcie producentów OEM wynika z jego zdolności do spełniania kluczowych parametrów produkcyjnych dzisiaj, bez szkody dla sukcesu operacyjnego w przyszłości. Aby zwiększyć konkurencyjność swoich urządzeń, producenci oryginalnego sprzętu (OEM) muszą traktować priorytetowo wytrzymałe konstrukcje, wzbudzać zaufanie podczas przekazywania do użytkowania i umożliwiać skuteczne rozwiązywanie problemów. Jest to szczególnie ważne, ponieważ normy branżowe wymagają wyższych poziomów zgodności. Koncentrując się na tych aspektach, producenci mogą poszerzyć zakres konkurencyjnych funkcji oferowanych przez ich urządzenia, zwiększając ostatecznie swój udział w rynku. Uniwersalne platformy automatyki wykorzystują globalnie otwarte protokoły przemysłowe, takie jak EtherCAT®, do budowania prostych architektur na etapie projektowania, tworzenia wielu symulacji w jednym środowisku projektowym na etapie przekazywania do użytkowania oraz zapewniania elastycznej agregacji danych do przyszłego skalowania podczas produkcji.

Podsumowanie

Według naszych przewidywań odnośnie do przyszłych wyzwań w branży spożywczej i napojów, w obszarze tym niektóre wymagania staną się normą. Będzie to m.in. zapotrzebowanie na sprawne i integracyjne sieci, szybki rozwój nowego, solidnego sprzętu oraz nieinwazyjną, ale całościową agregację danych. Zachęcające jest to, że technologia niezbędna do sprostania tym wyzwaniom jest już dostępna. Producenci OEM mogą wykorzystać tę technologię już dzisiaj, aby wzmocnić swoją trwałą przewagę konkurencyjną w przyszłości. W celu zaspokojenia opisanych w artykule potrzeb, firma Omron Automation and Safety oferuje urządzenia kompatybilne z technologią EtherCAT®, odpowiednie do projektów automatyki i sterowania i pozwalające zapewnić pomyślność działalności przemysłowej.