Vychutnávání úspěchu: efektivní pohyb pro výrobce OEM v potravinářském a nápojovém průmyslu

Spolehlivost automatizace řízení pohybu je kritickým faktorem pro výrobce originálního vybavení („original equipment manufacturer“, OEM). Tři klíčové proměnné, které přímo ovlivňují celkovou účinnost zařízení stroje, jsou přesnost polohy serva, opakovatelnost trajektorie a celková účinnost systému. Jakékoli selhání v těchto proměnných může vést k negativním důsledkům, jako je prodloužení doby návrhu nového zařízení, přetížení zdrojů při uvádění do provozu a zvýšení výrobních nákladů pro koncové uživatele.

Výrobci OEM čelí výzvě, jak zvýšit počet konkurenčních funkcí svých zařízení a zároveň dodržet konstrukční omezení, jejichž cílem je udržet ziskové marže. V této souvislosti se důvěra v automatizaci řízení pohybu stává zásadním faktorem. Zajištěním vysoké úrovně spolehlivosti přesnosti polohy serva, opakovatelnosti trajektorie a účinnosti systému mohou výrobci zmírnit rizika a zvýšit svou konkurenční výhodu. Tato důvěra v automatizaci řízení pohybu jim umožňuje dodávat zařízení, která splňují očekávání zákazníků, snižují prostoje a optimalizují výrobní procesy.

Obrázek 1: Automatizovaná pekárna chleba. (Zdroj obrázku: společnost Getty Images)

V tomto článku bude sledován životní cyklus potravinářských (obrázek 1) a nápojových (obrázek 2) strojů OEM od návrhu, přes uvedení do provozu až po výrobu. Budou zde představeny osvědčené postupy, které zvyšují spolehlivost zařízení díky přesnosti, opakovatelnosti a účinnosti řízení pohybu. V každé části bude kladen důraz na maximalizaci výkonu systému prostřednictvím jednoduchosti návrhu a zároveň na zajištění toho, aby budoucí nasazení agregace dat nebylo rušivé.

Obrázek 2: Automatizovaná lahvárna. (Zdroj obrázku: společnost Getty Images)

Návrh

Při navrhování automatizačních řídicích systémů je důležité brát v úvahu přesnost, opakovatelnost a účinnost od začátku. Významnou roli při určování složitosti a výkonu navazujícího stroje hraje výběr síťového protokolu. Složitost komunikace zařízení lze měřit měřením časové osy revizí návrhu a rozsahu kusovníku. V potravinářských a nápojových závodech, kde mohou životní cykly produktů trvat mnoho let, může výběr vhodného síťového protokolu výrazně ovlivnit dlouhodobé náklady na vlastnictví a provoz stroje tím, že minimalizuje náklady na recertifikaci původního zařízení.

Návrh přesnosti polohy – EtherCAT® pro synchronizaci času. Celosvětově otevřený průmyslový protokol EtherCAT® je navržen pro efektivní komunikaci. Nadřazený systém EtherCAT® komunikuje prostřednictvím jediného datového paketu, který putuje do každého ze zařízení v terénu, přičemž při průchodu paketu jednotlivými uzly a zpět vysazuje a přijímá data pro každé zařízení, zatímco ethernetový provoz je individuální komunikace mezi PLC a jednotlivými zařízeními v terénu bez ohledu na protokol. Systém EtherCAT® dosahuje deterministické komunikace v reálném čase s rychlostí cyklu až 125 μs. Tato vysokorychlostní komunikace odstraňuje jitter ze serv, který může bránit přesnému řízení pohybu. V těsnicích aplikacích je zásadní schopnost těsnit přesně. To nejen pomáhá minimalizovat plýtvání materiálem u následných uživatelů, ale také posiluje pověst značky a spokojenost zákazníků.

Návrh opakovatelnosti trajektorie – EtherCAT® pro zaručené doručení příkazů. Systém EtherCAT® je navržen tak, aby zajistil řízení pohybu v reálném čase. Eliminuje kolize paketů, které by mohly nastat, když PLC vede individuální komunikaci s každým zařízením, a zajišťuje, aby byl správný paket doručen na správné místo ve správný čas. V aplikacích, kde je vyžadována přesnost v mnoha cyklech, jako jsou plnicí a uzavírací stroje, stáčecí linky a sterilizační systémy, nabízí systém EtherCAT® opakovatelnou přesnost pohybu. Centrální procesorová jednotka synchronizuje všechny operace EtherCAT® na základě primární pohybové úlohy. V závislosti na požadované úrovni opakovatelnosti lze vybrat tři hlavní režimy EtherCAT®.

• Režim volného chodu – cyklus EtherCAT® je asynchronní s cyklem sběrnice řídicí jednotky. Zde je během cyklu EtherCAT® odstraněno více obnovení, ačkoli vstupy a výstupy nejsou v síti obnovovány současně.
• Synchronní režim – cyklus EtherCAT® je synchronizován s cyklem sběrnice řídicí jednotky. Synchronní čtení vstupů a synchronní obnova výstupů se provádí v pevných intervalech na více zařízeních EtherCAT® současně.
• Režim časového razítka – cyklus EtherCAT® je synchronizován s cyklem sběrnice řídicí jednotky. Synchronní čtení záznamů je založeno na distribuovaných hodinách EtherCAT®. To umožňuje přesné načasování až na úroveň mikrosekund.

Návrh účinnosti systému – EtherCAT® pro rychlý návrh a budoucí škálovatelnost. EtherCAT® je průmyslový protokol, který je celosvětově otevřený a umožňuje různým výrobcům komunikovat ve sdílené síti. To vedlo za posledních čtrnáct let k trvalému 12% ročnímu růstu jeho přijímání v tomto odvětví. Tento růst je nejen důkazem přesnosti a preciznosti protokolu EtherCAT®, ale také trvalé konkurenční výhody, kterou poskytuje těm, kteří tento inkluzivní síťový protokol přijali. Zpracovatelské a balírenské závody, které protokol EtherCAT® implementovali v roce 2010, si nejen zajistili pozici pro budoucí růst, ale také se přitom vyhnuli značným nákladům na opětovný návrh.

Uvedení do provozu

Ověřování výkonu před prvním spuštěním díky robustnímu návrhu architektury nejen výrazně snižuje riziko, že výkon nesplní očekávání zákazníků, ale také umožňuje týmu odstranit neefektivitu systému ještě před nasazením. Proces uvádění do provozu maximalizuje výkonnost stroje a zároveň minimalizuje veškerá rizika spojená s nasazením v závodu následného uživatele. Přestože je uvedení do provozu obvykle dokončeno ve fázi rozběhu, kdy je zařízení kompletně smontováno, lze uvedení do provozu dokončit souběžně se stavbou strojů bez jakéhokoli hardwaru, čímž se zkrátí celková doba výroby, aniž by došlo k narušení robustních standardů kvality, které silní výrobci OEM zavedli.

Uvedení přesnosti polohy do provozu – výběr serva bez hardwaru. Správné dimenzování serva je zásadní pro dosažení jak hospodárnosti, tak přesnosti výkonu stroje. Předimenzování serva zvyšuje celkové náklady na stroj, zatímco poddimenzování celkový výkon stroje brzdí. Využitím integrovaného vývojového prostředí na automatizační platformě vše v jednom mohou výrobci OEM proces zefektivnit.

S tímto přístupem lze k ověření výkonu stroje použít jediný program, který obsahuje doplňky pro dimenzování motoru k zajištění správného výběru. Tím, že se ověření velikosti motoru a programu stroje provede v rámci jediného softwarového balíku, odpadá složitost s používáním dalšího softwaru, čímž se během procesu výběru snižuje riziko chyb. Tento integrovaný přístup zjednodušuje proces a zvyšuje přesnost dimenzování serv, což vede ke zlepšení výkonu stroje.

Uvedení opakovatelnosti trajektorie do provozu – simulace pohybu bez hardwaru. Trajektorie pohybu mají symetrický vliv na celkovou účinnost zařízení, kde zrychlení, zpomalení a dráhy pohybu ovlivňují dobu průchodu, pravděpodobnost havárií a kvalitu finálního produktu v nepoměrné míře ve srovnání s jinými aspekty konstrukce stroje. Simulace trajektorií ve stejném softwarovém prostředí, v jakém je program vytvořen, nejenže odstraňuje rizika vytvoření nestabilního procesu v továrně, ale také dává koncovým uživatelům jistotu, že produkt bude ve výrobě fungovat stejně jako během rozběhu.

Uvedení účinnosti systému do provozu – 3D simulace bez hardwaru. K simulaci celé sestavy lze místo fyzického hardwaru použít 3D simulaci, což může proces uvádění do provozu výrazně zlepšit. Je důležité vzít v úvahu, že pohyb není v továrně jediným faktorem. Pohyb je nutné ověřovat spolu s bezpečnostními procesy a sběrem dat. To je běžné, když jsou sledovatelnost a vidění složité pro výrobní procesy. Využitím 3D modelů poskytovaných výrobci a jejich simulací ve stejném softwarovém prostředí jako program mohou týmy zajistit bezpečnost během uvádění do provozu bez zavádění rizik. Navíc to týmům umožňuje vytvořit optimální provozní postup a umožňuje týmům starajícím se o rozběh, aby ověřovaly výkon podle známého standardu před schválením konstrukce zařízení. Výrazně se tak zvýší pravděpodobnost, že stroj překročí očekávání následných uživatelů ještě před investicí do fyzické konstrukce.

Výroba

Návrh a uvedení originálního zařízení do provozu může být pro výrobce významnou investicí. Klíč k zajištění stálých zákazníků však spočívá ve výkonnostní fázi životního cyklu zařízení. Faktory, jako je budoucí škálovatelnost, doba provozuschopnosti procesů a schopnost shromažďovat procesní data, mohou výrazně ovlivnit celkovou spokojenost zákazníků s automatizačním systémem a jejich potenciál pro budoucí podnikání.

Výroba přesnosti polohy – modularita automatizace flexibilní podle budoucí poptávky. Nejvýkonnější automatizační platformy typu vše v jednom mají nejen stovky hotových modulárních čísel IO dílů pro instalaci plug-and-play, ale také jeden software s programováním „drag-and-drop“. Tyto platformy se připojují pomocí celosvětově otevřených průmyslových protokolů nad rámec protokolu EtherCAT®, rozšiřují konektivitu modulárního PLC nad rámec pohybu využitím síťových efektů těchto otevřených sítí a pomocí Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety™, IO-Link, MQTT, OPC UA® a SQL, vše tak, jak bylo zamýšleno. Automatizační platformy, které nejvíce OEM podporují, byly navrženy tak, aby nové technologie přijímaly rychle od samého začátku a bez zavádění nepřiměřené složitosti do továrny. V pohybových aplikacích je například stále běžnější ruční sledovatelnost, která komunikuje přes ethernet. Výrobci OEM mohou používat předem publikované průvodce konektivitou a funkčními bloky třetích stran, které pomáhají překlenout rozdíly mezi výrobci a zároveň zachovávají modularitu, která je pro výrobce potravin a komodit nezbytná k tomu, aby zůstali flexibilní vůči vyvíjejícím se průmyslovým standardům, novým obalovým materiálům a měnícím se trendům spotřebitelů.

Výroba opakovatelnosti – automatizované přehrávání autonomně zachycující výrobní události. Když poruchy v automatizaci vyústí v události, které způsobí prostoje, je pro obnovení důvěry ve stabilitu procesu zásadní rychlé nalezení hlavní příčiny poruchy a ověření nálezu. Konvergence dat, videa, programové struktury a žebříkové logiky se při přehrávání stává stále více normou. Veškeré přehrávání je časově synchronizováno a spouštěno událostmi, což umožňuje místním i vzdáleným členům týmu diagnostikovat problémy rychle a přesně, aniž by během poruchy došlo k přerušení výroby nebo nutnosti přítomnosti operátora. Ve spojení se simulovaným výkonem ve stavu uvedení do provozu poskytuje přehrávání dat prostřednictvím otevřených protokolů, jako je EtherCAT®, následným uživatelům možnost realizovat neustálé zlepšování bez ohrožení výkonnostních ukazatelů stroje.

Výroba účinnosti systému – vestavěné servery OPC UA®™ dodávají holistická procesní data do centrálních míst. Funkce serveru OPC UA®™, která je nyní standardní funkcí mnoha řídicích jednotek, umožňuje otevřenou komunikaci se zařízeními v terénu. Tím je zajištěno, že software SCADA dokáže splnit své komunikační požadavky, protože vestavěný server OPC UA®™ umožňuje současné připojení z více klientů. Díky volbě OPC UA™ mohou uživatelé navazujících strojů okamžitě využívat bezpečnostní výhody, které OPC UA®™ nabízí k zabránění neoprávněnému přístupu klientů. Vzhledem k tomu, že funkce serveru OPC UA®™ jsou stále rozšířenější, mohou výrobci OEM navázat pevnější spojení s uživateli. To jim umožňuje nabízet komplexnější podporu pro stávající zařízení a získat cenné poznatky o potenciálních budoucích možnostech zařízení v rámci jejich instalační základny.

Spokojenost následných uživatelů s řízením pohybu výrobců OEM je zakořeněna ve schopnosti pohybu splňovat klíčové výrobní ukazatele již dnes, aniž by to bránilo provoznímu úspěchu v budoucnosti. Ke zvýšení konkurenceschopnosti svých zařízení musí výrobci OEM upřednostňovat robustní návrhy, vzbuzovat důvěru při uvádění do provozu a umožňovat efektivní řešení problémů. To je zvláště důležité, protože průmyslové normy vyžadují vyšší úroveň souladu. Zaměřením se na tyto aspekty mohou výrobci rozšířit řadu konkurenceschopných funkcí, které jejich zařízení nabízí, a v konečném důsledku tak zvýšit svůj podíl na trhu. Automatizační platformy typu vše v jednom využívají celosvětově otevřené průmyslové protokoly, jako je EtherCAT®, k vytváření jednoduchých architektur ve fázi návrhu, k vytváření více simulací v jediném návrhovém prostředí během fáze uvádění do provozu a k vytváření flexibilní agregace dat pro budoucí škálování během výroby.

Závěr

S předvídáním budoucích výzev v potravinářském a nápojovém průmyslu se objeví určité standardy. Patří mezi ně potřeba účinných a inkluzivních sítí, rychlý vývoj nových zařízení s robustností a neintruzivní, ale přesto holistická agregace dat. Potěšující zprávou je, že technologie potřebná k řešení těchto problémů je již k dispozici. Výrobci OEM mohou tuto technologii využít již dnes, a posílit tak svou udržitelnou konkurenční výhodu do budoucna. Za tímto účelem má společnost Omron Automation and Safety k dispozici zařízení kompatibilní s EtherCAT® pro návrhy automatizace a řízení k zajištění úspěšného průmyslového provozu.