Savurarea succesului: Mișcare eficientă pentru producătorii de echipamente industriale din industria alimentară și a băuturilor

Fiabilitatea sistemelor de control al mișcării în automatizare este un factor critic pentru producătorii de echipamente originale (OEM). Având impact direct asupra eficienței generale a echipamentului utilajelor, cele trei variabile cheie care contribuie la fiabilitate sunt precizia poziției servo, repetabilitatea traiectoriei și eficiența generală a sistemului. Orice eroare a acestor variabile poate duce la consecințe negative, cum ar fi prelungirea timpului de proiectare pentru noile echipamente, depășirea resurselor disponibile pentru punerea în funcțiune și creșterea costurilor de producție pentru utilizatorii finali.

Producătorii originali de echipamente se confruntă cu provocarea de a crește numărul de caracteristici competitive ale echipamentelor lor, respectând în același timp constrângerile de proiectare ce vizează menținerea marjelor de rentabilitate. În acest context, încrederea în controlul automat al mișcării devine esențială. Prin asigurarea unor niveluri ridicate de fiabilitate în precizia poziționării servo, repetabilitatea traiectoriei și eficiența sistemului, producătorii pot reduce riscurile și își pot îmbunătăți avantajul competitiv. Această încredere în automatizarea controlului mișcării le permite să furnizeze echipamente care să îndeplinească așteptările clienților, să reducă timpul de nefuncționare și să optimizeze procesele de producție.

Figura 1: Fabrică automatizată de pâine. (Sursa imaginii: Getty Images)

În acest articol vom examina etapele prin care trec utilajele OEM destinate produselor alimentare (Figura 1) și băuturilor (Figura 2), începând de la faza de proiectare, continuând cu punerea în funcțiune și ajungând la producție. Vor fi prezentate cele mai bune practici care sporesc încrederea în echipamente prin precizia, repetabilitatea și eficiența controlului mișcării. În fiecare secțiune, accentul va fi pus pe maximizarea performanței sistemului prin simplitatea proiectării, asigurându-se, în același timp, realizarea integrării ulterioare a agregării de date fără ca aceasta să afecteze în mod intruziv structura existentă.

Figura 2: Fabrică automatizată de îmbuteliere. (Sursa imaginii: Getty Images)

Proiectare

La proiectarea sistemelor de control al automatizării, este important să se ia în considerare de la început precizia, repetabilitatea și eficiența. Alegerea protocolului de rețea joacă un rol semnificativ în determinarea complexității și performanței utilajelor din aval. Complexitatea comunicării dispozitivelor poate fi măsurată prin măsurarea intervalului de timp pentru revizuirile proiectului și a dimensiunii listei de materiale. În instalațiile de produse alimentare și băuturi, unde ciclurile de viață ale produselor pot dura mulți ani, selectarea protocolului de rețea adecvat poate avea un impact major asupra costurilor de proprietate pe termen lung pentru operarea utilajelor, minimizând orice costuri de recertificare pentru echipamentul original.

Proiectarea preciziei de poziție - EtherCAT® pentru sincronizarea în timp. Protocolul industrial deschis la nivel global, EtherCAT®, este conceput pentru comunicare eficientă. Masterul EtherCAT® comunică printr-un singur pachet de date care se deplasează către fiecare dispozitiv de teren, transmițând și primind date pentru fiecare dispozitiv pe măsură ce pachetul trece prin fiecare nod și înapoi, în timp ce traficul Ethernet este o conversație individuală între un PLC și fiecare dispozitiv de teren, indiferent de protocol. EtherCAT® oferă comunicații deterministe în timp real, cu viteze de ciclu de până la 125 μs. Această comunicare de mare viteză elimină fluctuațiile de la servomotoare, care pot îngreuna controlul precis al mișcării. În aplicațiile de etanșare, capacitatea de etanșare precisă este esențială. Acest lucru nu numai că ajută la minimizarea deșeurilor de materiale pentru utilizatorii din aval, dar consolidează și reputația mărcii și satisfacția clienților.

Proiectarea repetabilității traiectoriei - EtherCAT® pentru livrarea garantată a comenzilor. EtherCAT® este conceput pentru a asigura controlul mișcării în timp real. Eliminarea coliziunilor de pachete care ar putea apărea atunci când un PLC are o conversație individuală cu fiecare dispozitiv și asigurarea livrării pachetului potrivit la locul potrivit, la momentul potrivit. În aplicațiile în care este nevoie de precizie pe parcursul a mai multor cicluri, cum ar fi utilajele de umplere și sigilare, liniile de îmbuteliere și sistemele de sterilizare, EtherCAT® oferă o precizie repetabilă a mișcării. Unitatea centrală de procesare sincronizează toate operațiunile EtherCAT® pe baza sarcinii principale de mișcare. În funcție de nivelul dorit de repetabilitate, pot fi selectate trei moduri EtherCAT® principale.

• Modul Free Run - Ciclul EtherCAT® este asincron cu ciclul magistralei controlerului. Atunci când mai multe reîmprospătări sunt eliminate în timpul unui ciclu EtherCAT®, deși intrările și ieșirile nu sunt reîmprospătate în același timp în întreaga rețea.
• Modul sincron - Ciclul EtherCAT® este sincronizat cu ciclul magistralei controlerului. Citirea sincronă a intrărilor și actualizarea sincronă a ieșirilor sunt efectuate simultan la intervale fixe pe mai multe dispozitive EtherCAT®.
• Modul Time Stamp - Ciclul EtherCAT® este sincronizat cu ciclul magistralei controlerului. Citirea sincronă a intrărilor se bazează pe ceasul distribuit EtherCAT®. Acest lucru permite cronometrări precise de până la nivelul microsecundelor.

Proiectarea eficienței sistemului - EtherCAT® pentru proiectare rapidă și scalabilitate viitoare. EtherCAT® este un protocol industrial care este deschis la nivel global, permițând diferiților producători să comunice într-o rețea comună. Acest lucru a condus la o rată de adopție constantă cu o creștere anuală combinată de 12% în ultimii paisprezece ani în industrie. Această creștere nu este doar o mărturie a acurateței și preciziei EtherCAT®, ci și a avantajului competitiv susținut pe care îl oferă celor care au adoptat acest protocol de rețea cuprinzător. Procesatorii și ambalatorii care au implementat EtherCAT® în 2010 nu numai că s-au poziționat pentru creștere viitoare, dar au și evitat costuri semnificative de reproiectare în cadrul acestui proces.

Punerea în funcțiune

Cu un design robust al arhitecturii, validarea performanței înainte de prima trecere nu numai că diminuează considerabil riscul ca performanța să nu satisfacă așteptările clienților, ci permite echipei și să elimine ineficiențele dintr-un sistem înainte de implementare. Procesul de punere în funcțiune maximizează performanța utilajelor, minimizând în același timp orice riscuri asociate cu implementarea în instalația utilizatorului din aval. În timp ce punerea în funcțiune este, de obicei, finalizată pe durata etapei de testare finală, în care echipamentul este complet asamblat, punerea în funcțiune poate fi finalizată în paralel cu construcția utilajelor fără hardware, reducând timpul total de producție fără a afecta standardele de calitate solide care au stabilit producători puternici de echipamente originale.

Punerea în funcțiune a preciziei poziției - Selectarea servomotoarelor fără hardware. Dimensionarea corectă a unui servomotor este esențială pentru a obține atât rentabilitate, cât și precizie în performanța utilajelor. Supradimensionarea unui servomotor crește costul total al utilajului, în timp ce subdimensionarea acestuia îi îngreunează performanța generală. Prin utilizarea unui mediu de dezvoltare integrat pe o platformă de automatizare completă, producătorii OEM pot simplifica procesul.

Cu această abordare, se poate utiliza un singur program pentru a verifica performanța utilajului, încorporând module suplimentare de dimensionare a motorului pentru a asigura selecția corectă. Prin realizarea verificării dimensiunii motorului și a programului utilajului în cadrul aceluiași pachet software, complexitatea utilizării software-ului suplimentar este eliminată, reducând riscul de apariție a erorilor în timpul procesului de selecție. Această abordare integrată simplifică procesul și îmbunătățește acuratețea dimensionării servomotoarelor, ceea ce duce la îmbunătățirea performanței utilajului.

Punerea în funcțiune a repetabilității traiectoriilor - Simularea mișcării fără hardware.Traiectoriile mișcării au un efect simetric asupra eficienței generale a echipamentului, unde accelerația, decelerația și căile de mișcare afectează timpii de producție, probabilitățile de apariție a erorilor și calitatea produsului final într-o rată disproporționată în comparație cu alte aspecte ale proiectării utilajului. Simularea traiectoriilor în același mediu software în care este creat programul nu numai că elimină riscurile de creare a unui proces instabil în fabrică, dar oferă utilizatorilor finali încrederea că produsul va funcționa în producție la fel ca în timpul testării finale.

Punerea în funcțiune a eficienței sistemului - Simulare 3D fără hardware. Simularea 3D poate fi utilizată în locul hardware-ului fizic pentru a simula întregul ansamblu, ceea ce poate îmbunătăți considerabil procesul de punere în funcțiune. Este important să se ia în considerare faptul că mișcarea nu este singurul factor din fabrică. De asemenea, este necesar ca mișcarea să fie verificată împreună cu procesele de siguranță și colectarea datelor. Acest lucru este comun atunci când trasabilitatea și vederea sunt complexe pentru procesele de producție. Prin utilizarea modelelor 3D furnizate de producători și simularea acestora în același mediu software ca și programul, echipele pot garanta siguranța fără a introduce riscuri în timpul punerii în funcțiune. În plus, acest lucru permite echipelor să creeze o procedură de operare optimă și să valideze performanța în raport cu un standard cunoscut înainte de a aproba construcția echipamentului. Acest lucru crește semnificativ probabilitatea ca utilajul să depășească așteptările utilizatorilor din aval înainte de a investi în construcția fizică.

Producție

Proiectarea și punerea în funcțiune a echipamentelor originale poate fi o investiție semnificativă pentru producători. Cu toate acestea, cheia pentru atragerea clienților fideli constă în etapa de performanță a ciclului de viață al echipamentului. Factori precum scalabilitatea viitoare, timpul de funcționare a procesului și capacitatea de a colecta date despre proces pot avea un impact major asupra satisfacției generale a clienților cu privire la sistemul de automatizare și asupra potențialului lor de a face afaceri în viitor.

Producția de precizie a poziției - Modularitatea automatizării, flexibilă pentru cererea viitoare. Platformele de automatizare complete cu cele mai înalte performanțe nu numai că au sute de numere de piese IO modulare generice pentru instalarea plug-and-play, dar au și un singur software cu programare „drag-and-drop”. Aceste platforme se conectează utilizând protocoale industriale deschise la nivel global ce depășesc EtherCAT®, extinzând conectivitatea unui PLC modular dincolo de mișcări prin valorificarea efectelor de rețea ale acestor rețele deschise și utilizând Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Link, MQTT, OPC UA® și SQL, toate conform utilizării sale prevăzute. Cele mai favorabile platforme de automatizare pentru OEM au fost concepute pentru a adopta rapid tehnologii noi încă de la început și fără a introduce o complexitate nejustificată la nivelul fabricii. De exemplu, trasabilitatea portabilă care comunică prin Ethernet devine din ce în ce mai comună în aplicațiile de mișcare. Producătorii OEM pot utiliza ghiduri de conectivitate și blocuri funcționale prepublicate de la terți pentru a reduce decalajul dintre producători, păstrând în același timp modularitatea necesară pentru ca producătorii de alimente și produse de bază să rămână flexibili față de evoluția standardelor din industrie, noile materiale de ambalare și tendințele în schimbare ale consumatorilor.

Producția de repetabilitate - Redarea automatizată captează în mod autonom evenimentele de producție. Atunci când defecțiunile de automatizare duc la evenimente care cauzează opriri, găsirea rapidă a cauzei principale a defecțiunii și verificarea acesteia sunt esențiale pentru restabilirea încrederii în stabilitatea procesului. Convergența datelor, a materialelor video, a structurii programului și a logicii în scară în timpul redării devine din ce în ce mai frecventă. Toate redările sunt sincronizate în timp și declanșate de evenimente pentru a permite membrilor echipei locale și la distanță să diagnosticheze problemele rapid și precis, fără a întrerupe producția și fără a necesita prezența operatorului în timpul defecțiunilor. Atunci când este asociată cu performanța simulată în starea de punere în funcțiune, redarea datelor prin protocoale deschise precum EtherCAT® oferă utilizatorilor din aval posibilitatea de a realiza îmbunătățiri continue fără a compromite parametrii de performanță ai utilajului.

Producția de eficiență a sistemului - Servere încorporate OPC UA®™ care furnizează date de proces holistice către locații centrale. Funcționalitatea de server OPC UA®™, care este acum o caracteristică standard pe multe controlere, permite comunicarea deschisă cu dispozitivele de teren. Aceasta garantează că software-ul SCADA își poate îndeplini cerințele de comunicare, deoarece serverul OPC UA®™ încorporat permite conexiuni simultane de la mai mulți clienți. Prin alegerea sistemului OPC UA™, utilizatorii utilajelor din aval se pot bucura imediat de beneficiile de securitate oferite de OPC UA®™ pentru a preveni accesul neautorizat al clienților. Pe măsură ce funcționalitatea serverului OPC UA®™ devine tot mai răspândită, producătorii de echipamente originale pot stabili legături mai puternice cu utilizatorii. Acest lucru le permite să ofere asistență mai cuprinzătoare pentru echipamentele existente și să obțină informații valoroase cu privire la potențialele oportunități ale echipamentelor viitoare în baza lor de instalare.

Satisfacția utilizatorilor din aval în ceea ce privește controlul mișcării de către OEM este înrădăcinată în capacitatea mișcării de a îndeplini astăzi parametrii cheie de producție fără a împiedica succesul operațional de mâine. Pentru a spori competitivitatea echipamentelor lor, producătorii OEM trebuie să acorde prioritate proiectelor robuste, să insufle încredere în timpul punerii în funcțiune și să permită depanarea eficientă. Acest lucru este deosebit de important pe măsură ce standardele industriale impun niveluri mai ridicate de conformitate. Prin punerea accentului pe aceste aspecte, producătorii pot extinde gama de caracteristici competitive oferite de echipamentele lor, sporindu-și în cele din urmă cota de piață. Platformele de automatizare complete utilizează protocoale industriale deschise la nivel global, cum ar fi EtherCAT®, pentru a crea arhitecturi simple în faza de proiectare, pentru a crea simulări multiple într-un singur mediu de proiectare în timpul fazei de punere în funcțiune și pentru a crea o agregare de date flexibilă pentru scalarea viitoare în timpul producției.

Concluzie

Provocările viitoare din industria alimentară și a băuturilor vor duce la apariția anumitor standarde noi. Acestea includ nevoia de rețele eficiente și incluzive, dezvoltarea rapidă de noi echipamente robuste și agregarea neintruzivă, dar holistică, a datelor. Vestea încurajatoare este că tehnologia necesară pentru a face față acestor provocări este deja disponibilă. Producătorii de echipamente originale pot profita de această tehnologie astăzi pentru a-și consolida avantajul competitiv durabil pentru viitor. În acest scop, Omron Automation and Safety oferă echipamente compatibile EtherCAT® pentru proiecte de automatizare și control, pentru a asigura funcționarea industrială de succes.