At nyde succes: Effektiv bevægelse for OEM'er i føde- og drikkevareindustrien

Pålidelighed i automatiseret bevægelseskontrol er en kritisk faktor for producenter af originalt udstyr (OEM'er). De tre nøglevariabler, der har direkte indflydelse på maskinens samlede effektivitet, er servopositionens nøjagtighed, banens repeterbarhed og systemets samlede effektivitet. Enhver fejl i disse variabler kan føre til negative konsekvenser såsom længere designtider for nyt udstyr, indkøring af ressourcer og øgede produktionsomkostninger for slutbrugerne.

OEM'er står over for den udfordring at øge antallet af konkurrencedygtige funktioner på deres udstyr og samtidig overholde designbegrænsninger, der har til formål at opretholde rentabilitetsmarginer. I denne sammenhæng er det vigtigt at have tillid til automatiseret bevægelseskontrol. Ved at sikre en høj grad af pålidelighed i servopositionens nøjagtighed, banens repeterbarhed og systemets effektivitet kan producenterne mindske risici og forbedre deres konkurrenceevne. Denne tillid til automation motion control gør dem i stand til at levere udstyr, der opfylder kundernes forventninger, reducerer nedetid og optimerer produktionsprocesser.

Figur 1: Automatiseret brødfabrik. (Billedkilde: Getty Images)

I denne artikel følges OEM-maskinens livscyklus for fødevarer (figur 1) og drikkevarer (figur 2) fra design til idriftsættelse og produktion. Der vil blive introduceret bedste praksis, som øger udstyrets tillid gennem bevægelseskontrollens nøjagtighed, gentagelsesnøjagtighed og effektivitet. I hvert afsnit vil fokus være på at maksimere systemets ydeevne gennem et enkelt design, samtidig med at det sikres, at fremtidig implementering af dataaggregering ikke er påtrængende.

Figur 2: Automatiseret aftapningsfabrik. (Billedkilde: Getty Images)

Design

Når man designer kontrolsystemer til automatisering, er det vigtigt at tænke på nøjagtighed, repeterbarhed og effektivitet fra starten. Valget af netværksprotokol spiller en væsentlig rolle for kompleksiteten og ydeevnen af maskinen downstream. Kompleksiteten i enhedskommunikation kan måles ved at måle tidslinjen for designrevisioner og omfanget af materialelisten. I føde- og drikkevareanlæg, hvor produkternes livscyklus kan vare i mange år, kan valget af den rette netværksprotokol have stor indflydelse på de langsigtede ejeromkostninger ved at minimere eventuelle omkostninger til gencertificering af det originale udstyr.

Design af positionsnøjagtighed - EtherCAT® til tidssynkronisering. Den globalt åbne industrielle protokol, EtherCAT®, er designet til kommunikationseffektivitet. EtherCAT®-masteren kommunikerer via en enkelt datapakke, der rejser til hver af feltenhederne og afgiver og modtager data for hver enhed, når pakken passerer gennem hver node og tilbage, hvorimod Ethernet-trafik er en individuel samtale mellem en PLC og hver feltenhed, uanset protokollen. EtherCAT® opnår deterministisk kommunikation i realtid med cyklushastigheder ned til 125 μs. Denne højhastighedskommunikation fjerner jitter fra servoerne, som kan hindre præcis bevægelseskontrol. I tætningsapplikationer er det afgørende at kunne tætne præcist. Det hjælper ikke kun med at minimere materialespild for downstream-brugere, men styrker også brandets omdømme og kundetilfredsheden.

Design af banerepetition - EtherCAT® for garanteret kommandolevering. EtherCAT® er designet til at sikre bevægelseskontrol i realtid. Eliminering af pakkekollisioner, der kan opstå, når en PLC har en individuel samtale med hver enhed, og sikring af, at den rigtige pakke leveres til det rigtige sted på det rigtige tidspunkt. I applikationer, hvor der kræves præcision over mange cyklusser, som f.eks. påfyldnings- og forseglingsmaskiner, tappelinjer og steriliseringssystemer, giver EtherCAT® gentagelig bevægelsesnøjagtighed. Den centrale behandlingsenhed synkroniserer alle EtherCAT®-operationer baseret på den primære bevægelsesopgave. Afhængigt af det ønskede niveau af repeterbarhed kan der vælges mellem tre EtherCAT®-tilstande.

• Free Run Mode - EtherCAT®-cyklussen er asynkron i forhold til controllerens buscyklus. Hvor flere opdateringer fjernes i løbet af en EtherCAT®-cyklus, selvom ind- og udgange ikke opdateres på samme tid i hele netværket.
• Synkron tilstand - EtherCAT®-cyklussen er synkroniseret med controllerens buscyklus. Synkron aflæsning af indgange og synkron opdatering af udgange udføres med faste intervaller på flere EtherCAT®-enheder samtidigt.
• Time Stamp Mode - EtherCAT®-cyklussen er synkroniseret med controllerens buscyklus. Synkron aflæsning af posterne er baseret på det distribuerede EtherCAT®-ur. Det giver mulighed for præcise timings ned til mikrosekunder.

Design af systemeffektivitet - EtherCAT® til hurtigt design og fremtidig skalerbarhed. EtherCAT® er en industriel protokol, der er åben globalt, og som gør det muligt for forskellige producenter at kommunikere på et fælles netværk. Det har ført til en konstant udbredelse på 12 % sammensat årlig vækst i løbet af de sidste 14 år i branchen. Denne vækst er ikke kun et bevis på EtherCAT®'s nøjagtighed og præcision, men også på den vedvarende konkurrencefordel, den giver dem, der har taget denne inkluderende netværksprotokol i brug. Processorer og pakkerier, der implementerede EtherCAT® i 2010, positionerede ikke kun sig selv til fremtidig vækst, men undgik også betydelige omkostninger til redesign i processen.

Kommissionen

Med et robust arkitekturdesign mindsker validering af ydeevnen før første gennemløb ikke kun risikoen for, at ydeevnen ikke lever op til kundens forventninger, men giver også teamet mulighed for at fjerne ineffektivitet fra et system, før det implementeres. Ibrugtagningsprocessen maksimerer maskinens ydeevne, samtidig med at den minimerer eventuelle risici i forbindelse med implementering i downstream-brugerens anlæg. Mens idriftsættelse normalt afsluttes under afviklingsfasen, hvor udstyret er fuldt samlet, kan idriftsættelse afsluttes parallelt med maskinopbygning uden hardware, hvilket reducerer den samlede produktionstid uden at udhule de robuste kvalitetsstandarder, der har etableret stærke OEM'er.

Ibrugtagning af positionsnøjagtighed - Servovalg uden hardware. Den rette dimensionering af en servo er afgørende for at opnå både omkostningseffektivitet og nøjagtighed i maskinens ydeevne. Overdimensionering af en servo øger maskinens samlede omkostninger, mens underdimensionering hæmmer maskinens samlede ydeevne. Ved at bruge et integreret udviklingsmiljø på en alt-i-en-automatiseringsplatform kan OEM'er strømline processen.

Med denne tilgang kan man bruge et enkelt program til at verificere maskinens ydeevne og indarbejde add-ins til motordimensionering for at sikre det korrekte valg. Ved at gennemføre verifikationen af motorstørrelsen og maskinprogrammet i samme softwarepakke elimineres kompleksiteten ved at bruge ekstra software, hvilket reducerer risikoen for fejl under udvælgelsesprocessen. Denne integrerede tilgang forenkler processen og øger nøjagtigheden af servodimensioneringen, hvilket fører til forbedret maskinydelse.

Bevægelsesbanerhar en symmetrisk effekt på udstyrets samlede effektivitet, hvor acceleration, deceleration og bevægelsesbaner påvirker gennemløbstider, sandsynligheden for nedbrud og kvaliteten af det endelige produkt med en uforholdsmæssig stor hastighed i forhold til andre aspekter af maskindesignet. Simulering af baner i det samme softwaremiljø, som programmet skabes i, fjerner ikke kun risikoen for at skabe en ustabil proces på fabriksgulvet, men giver også slutbrugerne tillid til, at produktet vil fungere på samme måde i produktionen, som det gør under afviklingen.

Idriftsættelse af systemeffektivitet - 3D-simulering uden hardware. 3D-simulering kan bruges i stedet for fysisk hardware til at simulere hele samlingen, hvilket i høj grad kan forbedre idriftsættelsesprocessen. Det er vigtigt at tænke på, at bevægelse ikke er den eneste faktor på fabriksgulvet. Det er også nødvendigt at verificere bevægelse sammen med sikkerhedsprocesser og dataindsamling. Dette er almindeligt, når sporbarhed og vision er indviklet i produktionsprocesser. Ved at bruge 3D-modeller fra producenterne og simulere dem i det samme softwaremiljø som programmet, kan teams sørge for sikkerhed uden at introducere risici under idriftsættelsen. Derudover giver det teams mulighed for at skabe en optimal driftsprocedure og gør det muligt for runoff-teams at validere ydeevnen i forhold til en kendt standard, før de godkender konstruktionen af udstyret. Det øger sandsynligheden for, at maskinen overgår downstream-brugernes forventninger, før der investeres i den fysiske konstruktion.

Produktion

Design og idriftsættelse af originalt udstyr kan være en betydelig investering for producenterne. Men nøglen til at sikre tilbagevendende kunder ligger i præstationsfasen af udstyrets livscyklus. Faktorer som fremtidig skalerbarhed, processens oppetid og muligheden for at indsamle procesdata kan i høj grad påvirke den overordnede kundetilfredshed med automatiseringssystemet og deres potentiale for fremtidig forretning.

Produktion af positionsnøjagtighed - modulopbygget automatisering, der er fleksibel i forhold til fremtidig efterspørgsel. De højtydende alt-i-en-automatiseringsplatforme har ikke kun hundredvis af modulære IO-partsnumre til plug-and-play-installation, men også en enkelt software med træk-og-slip-programmering. Disse platforme forbindes ved hjælp af globalt åbne industriprotokoller ud over EtherCAT®, hvilket udvider en modulær PLC's tilslutningsmuligheder ud over en bevægelse ved at udnytte netværkseffekterne af disse åbne netværk og bruge Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety™, IO-Link, MQTT, OPC UA® og SQL, som de hver især er beregnet til at blive brugt. De mest OEM-venlige automatiseringsplatforme er designet til at tage nye teknologier i brug hurtigt fra begyndelsen og uden at introducere unødig kompleksitet på fabriksgulvet. For eksempel bliver håndholdt sporbarhed, der kommunikerer via Ethernet, mere og mere almindeligt i bevægelsesapplikationer. OEM'er kan bruge forhåndsudgivne tilslutningsvejledninger og funktionsblokke fra tredjeparter til at bygge bro over kløften mellem producenterne og samtidig bevare den modularitet, der er nødvendig for, at fødevare- og råvareproducenter kan forblive fleksible over for nye industristandarder, nye emballagematerialer og skiftende forbrugertrends.

Produktion af repeterbarhed - Automatiseret afspilning, der selvstændigt fanger produktionsbegivenheder. Når fejl i automatiseringen resulterer i hændelser, der forårsager nedetid, er det afgørende at finde den grundlæggende årsag til fejlen hurtigt og verificere fundet for at genoprette tilliden til processtabiliteten. Konvergensen mellem data, video, programstruktur og ladder-logik i afspilningen bliver i stigende grad normen. Al afspilning er tidssynkroniseret og hændelsesudløst, så lokale og eksterne teammedlemmer kan diagnosticere problemer hurtigt og præcist uden at afbryde produktionen eller kræve operatørens tilstedeværelse under fejl. Når dataafspilning via åbne protokoller som EtherCAT® kombineres med simuleret ydeevne i idriftsætningstilstanden, giver det downstream-brugere mulighed for at opnå løbende forbedringer uden at gå på kompromis med maskinens ydeevne.

Produktion af systemeffektivitet - OPC UA®™ indbyggede servere, der leverer holistiske procesdata til centrale steder. OPC UA®™-serverfunktionalitet, som nu er en standardfunktion på mange controllere, muliggør åben kommunikation med feltenheder. Det sikrer, at SCADA-softwaren kan opfylde sine kommunikationskrav, da den indbyggede OPC UA®™-server giver mulighed for samtidige forbindelser fra flere klienter. Ved at vælge OPC UA™ kan brugere af downstream-maskiner straks udnytte de sikkerhedsfordele, som OPC UA®™ tilbyder, til at forhindre uautoriseret klientadgang. Efterhånden som OPC UA®™-serverfunktionalitet bliver mere og mere udbredt, kan OEM'er etablere stærkere forbindelser med brugerne. Det gør dem i stand til at tilbyde mere omfattende support til eksisterende udstyr og få værdifuld indsigt i potentielle fremtidige udstyrsmuligheder inden for deres installationsbase.

Downstream-brugernes tilfredshed med OEM'ernes bevægelseskontrol er forankret i bevægelsens evne til at opfylde vigtige produktionsmålinger i dag uden at hindre morgendagens driftssucces. For at forbedre deres udstyrs konkurrenceevne skal OEM'erne prioritere robuste designs, indgyde tillid under idriftsættelse og muliggøre effektiv fejlfinding. Det er især vigtigt, fordi industristandarder kræver højere grad af overholdelse. Ved at fokusere på disse aspekter kan producenterne udvide udvalget af konkurrencedygtige funktioner, der tilbydes af deres udstyr, og i sidste ende øge deres markedsandel. Alt-i-en-automatiseringsplatforme bruger globalt åbne industriprotokoller, såsom EtherCAT®, til at skabe enkle arkitekturer gennem designfasen, skabe flere simuleringer i et enkelt designmiljø under idriftsættelsesfasen og skabe fleksibel dataaggregering til fremtidig skalering under produktionen.

Konklusion

Når vi forudser fremtidige udfordringer i føde- og drikkevareindustrien, vil der opstå visse standarder. Disse omfatter behovet for effektive og inkluderende netværk, hurtig udvikling af nyt udstyr med robusthed og ikke-indgribende, men holistisk dataaggregering. Den opmuntrende nyhed er, at den teknologi, der er nødvendig for at løse disse udfordringer, allerede er tilgængelig. OEM'er kan udnytte denne teknologi i dag til at styrke deres bæredygtige konkurrencefordel i fremtiden. Derfor har Omron Automation and Safety EtherCAT®-kompatibelt udstyr til rådighed til automatiserings- og kontroldesigns for at sikre en vellykket industriel drift.