Framgångens sötma: Effektiva rörelser för OEM-tillverkare inom livsmedel och drycker

Tillförlitligheten hos automatiserad rörelsestyrning är en viktig faktor för OEM-tillverkare. De tre viktigaste variablerna som bidrar till tillförlitlighet och direkt påverkar maskinens totala effektivitet är servolägets noggrannhet, banans repeterbarhet och systemets totala effektivitet. Eventuella brister i respektive variabel kan leda till negativa konsekvenser, som t.ex. längre utvecklingstid för ny utrustning, driftsättningar som kräver för mycket resurser och ökade produktionskostnader för slutanvändarna.

OEM-tillverkare står inför utmaningen att öka antalet konkurrenskraftiga funktioner i sin utrustning samtidigt som de måste följa konstruktionsbegränsningar som syftar till att bibehålla lönsamhetsmarginalerna. I detta sammanhang blir det viktigt att ha förtroende för automatiserad rörelsestyrning. Genom att garantera hög tillförlitlighet för servolägets noggrannhet, banans repeterbarhet och systemets prestanda kan tillverkare minska riskerna och förbättra sin konkurrenskraft. Detta förtroende för automatiserad rörelsestyrning gör det möjligt för dem att leverera utrustning som uppfyller kundernas förväntningar, minskar stilleståndstid och optimerar produktionsprocesser.

Figur 1: Automatiserad brödfabrik. (Bildkälla: Getty Images)

I den här artikeln kommer livscykeln för OEM-maskinen för livsmedel (figur 1) och dryck (figur 2) att följas, från konstruktion till driftsättning och produktion. De bästa arbetssätten för att förbättra utrustningens tillförlitlighet genom rörelsestyrningens noggrannhet, repeterbarhet och effektivitet kommer att presenteras. Respektive avsnitt fokuserar på att maximera systemets prestanda genom konstruktionens enkelhet, samtidigt som man säkerställer att ett framtida införande av datasammanställning inte har någon påverkan

Figur 2: Automatiserad buteljeringsanläggning. (Bildkälla: Getty Images)

Konstruktion

När man konstruerar automatiserade styrsystem är det viktigt att redan från början tänka på noggrannhet, repeterbarhet och effektivitet. Valet av nätverksprotokoll spelar en viktig roll när det gäller att bestämma komplexiteten och prestandan hos maskinen nedströms. Komplexiteten i enhetens kommunikation kan mätas genom att mäta tidslinjen för förändringar i konstruktionen och materiallistans omfattning. I livsmedels- och dryckesanläggningar, där produkternas livscykler kan vara många år, kan valet av lämpligt nätverksprotokoll ha stor inverkan på de långsiktiga ägandekostnaderna för att driva maskinen genom att minimera eventuella omcertifieringskostnader för originalutrustningen.

Konstruktion av lägesnoggrannhet - EtherCAT® för tidssynkronisering. Det globala öppna industriprotokollet EtherCAT® är utformat för effektiv kommunikation. Master-enheten för EtherCAT® kommunicerar genom att ett datapaket skickas till respektive fältenhet och lämnar eller tar emot data i respektive enhet när paketet passerar genom respektive nod och tillbaka, medan Ethernet-trafiken är en individuell konversation mellan en PLC och respektive fältenhet, oavsett protokoll. EtherCAT® uppnår deterministisk kommunikation i realtid med cykelhastigheter på ända ner till 125 μs. Denna mycket snabba kommunikation avlägsnar jitter i servomotorn som kan förhindra en noggrann rörelsestyrning. I förslutningstillämpningar är det avgörande med noggrann förslutning. Det bidrar inte bara till att minimera materialavfallet för användarna nedströms, utan stärker även varumärkets anseende och kundens tillfredsställelse.

Utformning av banans repeterbarhet - EtherCAT® för garanterad kommandoleverans. EtherCAT® är utformat för att säkerställa rörelsestyrning i realtid. Det eliminerar paketkollisioner som kan uppstå när en PLC har en individuell konversation med respektive enhet och säkerställer att rätt paket levereras till rätt plats, vid rätt tidpunkt. I tillämpningar där många cykler kräver noggrannhet, som t.ex. fyllnings- och förslutningsmaskiner, buteljeringslinjer och steriliseringssystem, erbjuder EtherCAT® repeterbar rörelsenoggrannhet. Den centrala processorenheten synkroniserar alla EtherCAT®-åtgärder baserat på den primära rörelseuppgiften. Beroende på önskad nivå av repeterbarhet kan tre huvudsakliga lägen för EtherCAT® väljas.

• Läge för fri körning - cykeln för EtherCAT® är asynkron i förhållande till styrenhetens busscykel. Flera uppdateringar tas bort under en EtherCAT®-cykel, även om in- och utgångar inte uppdateras samtidigt i hela nätverket.
• Synkront läge - cykeln för EtherCAT® är synkroniserad i förhållande till styrenhetens busscykel. Synkron avläsning av ingångar och synkron uppdatering av utgångar utförs med fasta intervaller på flera EtherCAT®-enheter samtidigt.
• Läge för tidsstämpel - EtherCAT®-cykeln är synkroniserad med styrenhetens busscykel. Synkron avläsning av posterna baseras på den distribuerade EtherCAT®-klockan. Detta möjliggör noggranna tidsangivelser ända ner till mikrosekunder.

Utformning av systemets effektivitet - EtherCAT® för snabb konstruktion och framtida skalbarhet. EtherCAT® är ett globalt industriellt protokoll som är öppet och gör det möjligt för olika tillverkare att kommunicera i ett gemensamt nätverk. Detta har lett till en konstant användningsgrad med en genomsnittlig årlig tillväxt på 12 % under de senaste fjorton åren i branschen. Tillväxten är inte bara ett bevis på noggrannheten och precisionen i EtherCAT®, utan även på den konkurrensfördel som det ger dem som använder detta inkluderande nätverksprotokoll. Bearbetnings- och förpackningsföretag som implementerade EtherCAT® under 2010 positionerade sig inte bara för framtida tillväxt utan undvek även betydande kostnader för omkonstruktion.

Driftsättning

Med en robust arkitekturkonstruktion minskar valideringen av prestandan före en första genomgång inte bara risken för att prestandan inte uppfyller kundens förväntningar, utan gör det även möjligt för teamet att ta bort ineffektiva funktioner i ett system före driftsättning. Tillvägagångssättet vid driftsättning maximerar maskinens prestanda samtidigt som det minimerar eventuella risker i användarens anläggning nedströms. Driftsättning sker vanligtvis i uppstartsfasen, då utrustningen är färdigmonterad, men driftsättning kan ske parallellt med uppbyggnaden av maskinen, utan någon hårdvara, vilket minskar den totala produktionstiden utan att undergräva de robusta kvalitetsstandarder som har skapat starka OEM-företag.

Driftsättning av lägesnoggrannhet - val av servomotor utan hårdvara. Rätt dimensionering av en servomotor är avgörande för att uppnå både kostnadseffektivitet och noggrannhet för maskinens prestanda. Överdimensionering av en servomotor ökar maskinens totala kostnad, medan underdimensionering försämrar maskinens totala prestanda. Genom att använda en integrerad utvecklingsmiljö på en heltäckande automationsplattform kan OEM-tillverkare effektivisera tillvägagångssätten.

Med denna strategi kan ett enda program användas för att verifiera maskinens prestanda, med tillägg för motorstorlek, för att säkerställa rätt val. Genom att verifieringen av motorstorleken och programmet för maskinen görs i samma programpaket slipper man använda ytterligare programvara, vilket minskar risken för fel i urvalsprocessen. Detta integrerade tillvägagångssätt förenklar processen och ökar noggrannheten vid dimensionering av servomotorer, vilket leder till förbättrad maskinprestanda.

Driftsättning av banans repeterbarhet - Rörelsesimulering utan hårdvara Rörelsebanor har en symmetrisk effekt på den totala utrustningens effektivitet där acceleration, inbromsning och rörelsebanor påverkar genomloppstider, sannolikheten för krockar och kvaliteten på slutprodukten i en oproportionerlig takt jämfört med andra aspekter av maskinkonstruktionen. Genom att simulera banor i samma programvarumiljö som programmet skapas i elimineras inte bara riskerna med att skapa en instabil process på fabriksgolvet, utan slutanvändarna kan även lita på att produkten kommer att prestera på samma sätt i produktionen som den gör vid testerna.

Driftsättning för systemeffektivitet - 3D-simulering utan hårdvara. En tredimensionell simulering kan användas i stället för fysisk hårdvara för att simulera hela anläggningen, vilket kan förbättra driftsättningensprocessen avsevärt. Det är viktigt att tänka på att rörelse inte är den enda faktorn på fabriksgolvet. Det är även nödvändigt att verifiera rörelsen tillsammans med säkerhetsflöden och datainsamling. Detta är vanligt när spårbarhet och bildsystem är en viktig del av produktionen. Genom att använda tredimensionella modeller från tillverkare och simulera dem i samma programvarumiljö som programmet kan teamen garantera säkerheten utan att införa risker vid driftsättningen. Detta gör det dessutom möjligt för teamen att skapa en optimal driftrutin och medför att testteamen att validera prestandan mot en känd standard innan de godkänner utrustningens konstruktion. Sannolikheten för att maskinen kommer att överträffa förväntningarna hos användarna nedströms ökar avsevärt, innan man investerar i fysisk konstruktion.

Produktion

Att konstruera och driftsätta originalutrustning kan vara en omfattande investering för tillverkare. Nyckeln till att säkra återkommande kunder ligger dock i prestandafasen av utrustningens livscykel. Faktorer som t.ex. framtida skalbarhet, processens drifttid och möjlighet att samla in data om processen kan i hög grad påverka kundens övergripande tillfredsställelse med automationssystemet och potentiella framtida affärer.

Produktion med lägesnoggrannhet - modulär automation som är anpassningsbar för framtida behov. De mest avancerade heltäckande automationsplattformarna har inte bara hundratals leveransklara artikelnummer medIO-moduler för installation med plug and play, utan också en enda programvara med dra och släpp-programmering. Plattformarna ansluter via globala öppna industriella protokoll utöver EtherCAT®, vilket utökar anslutningsmöjligheterna till mer än en rörelse för en modulär PLC genom att utnyttja nätverkseffekterna av dessa öppna nätverk och använda Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety™, IO-Link, MQTT, OPC UA® och SQL, alla på det sätt som de var avsedda att användas. De automationsplattformar som anpassats mest för OEM-tillverkare har utformats för att snabbt kunna ta till sig ny teknik redan från början och utan att göra det onödigt avancerat på fabriksgolvet. Det blir exempelvis allt vanligare med handhållen spårbarhet som kommunicerar via Ethernet i rörelsetillämpningar. OEM-tillverkare kan använda förpublicerade anslutningsguider och funktionsblock från tredje part för att hantera klyftan mellan tillverkarna och samtidigt bevara den moduluppbyggnad som krävs för att livsmedels- och råvarutillverkare ska kunna vara flexibla när det gäller att utveckla branschstandarder, nya förpackningsmaterial och växlande konsumenttrender.

Produktion av repeterbarhet - Automatiserad uppspelning fångar produktionshändelser autonomt. När automationsfel leder till händelser som orsakar driftstopp är det avgörande att snabbt hitta grundorsaken till felet och verifiera resultatet för att återställa förtroendet för metodens stabilitet. Konvergensen mellan data, video, programstruktur och steglogik i uppspelningen blir alltmer norm. All uppspelning är tidssynkroniserad och händelsestyrd så att lokala och icke-lokala teammedlemmar kan diagnostisera problem snabbt och exakt utan att avbryta produktionen eller kräva närvaro av en operatör vid ett fel. I kombination med simulerad prestanda vid driftsättning ger datauppspelning, via öppna protokoll som t.ex. EtherCAT®, användare nedströms möjlighet att genomföra kontinuerliga förbättringar utan att kompromissa med maskinens prestanda.

Produktion av systemets effektivitet - Inbyggda OPC UA®™- servrar som matar holistisk processdata till centrala platser. Serverfunktionen OPC UA®™, som nu är standard i många styrenheter, möjliggör öppen kommunikation med fältenheter. Detta säkerställer att SCADA-programmet kan uppfylla sina kommunikationskrav, eftersom den inbyggda servern för OPC UA®™ möjliggör flera samtidiga klientanslutningar. Genom att välja OPC UA™ kan användare av maskiner nedströms omedelbart utnyttja de säkerhetsfördelar som OPC UA®™ erbjuder för att förhindra obehörig klientåtkomst. I takt med att serverfunktionaliteten för OPC UA®™ blir allt vanligare kan OEM-tillverkare etablera starkare band med användarna. Detta gör det möjligt för dem att erbjuda mer omfattande support för befintlig utrustning och få värdefulla insikter om potentiella framtida utrustningsmöjligheter inom deras installationsbas.

Användarnas tillfredsställelse med OEM-tillverkarnas rörelsestyrning nedströms är baserad på att rörelsen idag kan uppfylla viktiga produktionsmått utan att hindra morgondagens framgångsrika verksamhet. För att öka konkurrenskraften för sin utrustning måste OEM-tillverkare prioritera robusta konstruktioner, inge förtroende vid driftsättningen och möjliggöra en effektiv felsökning. Detta är särskilt viktigt när branschstandarder kräver högre grad av efterlevnad. Genom att fokusera på dessa aspekter kan tillverkare utöka utbudet av konkurrenskraftiga funktioner i deras utrustning, vilket i slutänden ökar deras marknadsandelar. Heltäckande automationsplattformar använder globala öppna industriprotokoll, som t.ex. EtherCAT®, för att skapa enkla arkitekturer i konstruktionsfasen, skapa flera simuleringar i en enda konstruktionsmiljö i driftsättningsfasen och skapa anpassningsbar sammanställning av data för framtida skalning i produktionen.

Sammanfattning

När vi förutser framtida utmaningar inom livsmedels- och dryckesindustrin kommer vissa standarder att växa fram. Det handlar bland annat om behovet av effektiva och inkluderande nätverk, snabb utveckling av ny utrustning med robusthet samt icke-påträngande men holistisk datainsamling. Den positiva nyheten är att den teknik som krävs för att ta itu med dessa utmaningar redan finns tillgänglig. OEM-tillverkare kan nyttja denna teknik redan idag för att stärka sin hållbara konkurrensfördel inför framtiden. Omron Automation and Safety har för det ändamålet utrustning som är kompatibel med EtherCAT® och är tillgänglig för automations- och styrkonstruktioner för att säkerställa framgångsrik industriell drift.