Smaken av suksess: Effektiv bevegelse for OEM-er i næringsmiddelindustrien

Pålitelighet innen automasjonsbevegelsesstyring er en avgjørende faktor for originalprodusenter av utstyr (OEM – original equipment manufacturer). De tre viktigste variablene som direkte påvirker maskinens totale utstyrseffektivitet og bidrar til pålitelighet, er servoens posisjonsnøyaktighet, repeterbarhet i banen og den totale systemeffektiviteten. Feil i disse variablene kan føre til negative konsekvenser som lengre konstruksjonstider for nytt utstyr, overdreven bruk av ressurser under idriftsetting og økte produksjonskostnader for sluttbrukere.

OEM-er står overfor utfordringer forbundet med å øke antallet konkurransedyktige funksjoner på utstyret, samtidig som de må ta hensyn til konstruksjonsbegrensninger som har som mål å opprettholde lønnsomhetsmarginene. Derfor er det svært viktig å ha tillit til automasjonsbevegelsesstyringen. Ved å sikre høye nivåer av pålitelighet i servoens posisjonsnøyaktighet, banerepeterbarhet og systemeffektivitet, kan produsentene redusere risikoen og øke konkurransefortrinnet. Denne tilliten til automasjonsbevegelsesstyring gjør dem i stand til å levere utstyr som oppfyller kundenes forventninger, reduserer nedetid og optimaliserer produksjonsprosesser.

Figur 1: Automatisert brødfabrikk. (Bildekilde: Getty Images)

I denne artikkelen vil OEM-maskinens livssyklus for mat (figur 1) og drikke (figur 2) følges fra konstruksjon til idriftsetting til produksjon. Anbefalte fremgangsmåter som forbedrer utstyrets sikkerhet ved hjelp av bevegelsesstyringens nøyaktighet, repeterbarhet og effektivitet, vil bli introdusert. I hver del vil fokuset ligge på å maksimere systemytelsen ved å bruke en ukomplisert konstruksjon, samtidig som det sikres at fremtidig distribusjon av dataaggregering ikke er inntrengende.

Figur 2: Automatisert flaskefyllingsfabrikk. (Bildekilde: Getty Images)

Konstruksjon

Når automasjonsstyringssystemer skal konstrueres, er det viktig å ta hensyn til nøyaktighet, repeterbarhet og effektivitet fra starten av. Valget av nettverksprotokoll spiller en betydelig rolle når det gjelder å fastsette kompleksiteten og ytelsen til maskinen som ligger nedstrøms. Kompleksiteten for enhetskommunikasjon kan måles ved å måle tidslinjen for konstruksjonsrevisjoner og omfanget av materiallisten. I næringsmiddelanlegg, der produktlivssykluser kan vare i mange år, kan valg av riktig nettverksprotokoll ha stor innvirkning på maskinens langsiktige eierkostnader ved å minimere resertifiseringskostnader for originalutstyr.

Utforming av posisjonsnøyaktighet – EtherCAT® for tidssynkronisering. Den globalt åpne industriprotokollen, EtherCAT®, er utviklet for kommunikasjonseffektivitet. EtherCAT® Master kommuniserer gjennom en enkelt datapakke som går til hver feltenhet, og den leverer og mottar data for hver enhet når pakken passerer gjennom hver node og tilbake, mens Ethernet-trafikk er en individuell samtale mellom en PLS og hver feltenhet, uavhengig av protokollen. EtherCAT® oppnår deterministisk sanntidskommunikasjon, med syklushastigheter på ned til 125 μs. Denne høyhastighetskommunikasjonen fjerner jitter fra servoene, som kan hindre nøyaktig bevegelsesstyring. I utrustninger for forsegling er det svært viktig at forseglingen utføres nøyaktig. Dette bidrar ikke bare til å minimere materialavfall for brukere nedstrøms, men styrker også merkevarens omdømme og kundetilfredshet.

Utforming av banerepeterbarhet – EtherCAT® for garantert kommandolevering. EtherCAT® er utviklet for å sikre bevegelsesstyring i sanntid. Eliminere pakkekollisjoner som kan oppstå når en PLS har en individuell samtale med hver enhet, og sikre at riktig pakke leveres til riktig sted og rett tid. I utrustninger der det kreves presisjon over mange sykluser, for eksempel fylle- og forseglingsmaskiner, flaskefyllingslinjer og steriliseringssystemer, tilbyr EtherCAT® repeterbar bevegelsesnøyaktighet. Den sentrale behandlingsenheten synkroniserer alle EtherCAT®-handlinger basert på den primære bevegelsesoppgaven. Avhengig av ønsket repeterbarhetsnivå, kan tre hovedmoduser for EtherCAT® velges.

• Frikjøringsmodus – EtherCAT®-syklusen er asynkron med styringsbussens syklus. Der flere oppdateringer fjernes under en EtherCAT®-syklus, selv om innganger og utganger ikke oppdateres samtidig på tvers av nettverket.
• Synkron-modus – EtherCAT®-syklusen er synkronisert med styringsbussens syklus. Synkron avlesning av innganger og synkron oppdatering av utgangene utføres med faste intervaller på flere EtherCAT®-enheter samtidig.
• Tidsstempelmodus – EtherCAT®-syklusen er asynkron med styringsbussens syklus. Synkron avlesning av oppføringene er basert på den distribuerte EtherCAT®-klokken. Dette muliggjør nøyaktig timing ned til noen få mikrosekunder.

Utforming av systemeffektivitet – EtherCAT® for rask konstruksjon og fremtidig skalerbarhet. EtherCAT® er en industriprotokoll som er åpen globalt, noe som gjør det mulig for ulike produsenter å kommunisere på et delt nettverk. Dette har ført til et konsekvent innføringsforhold på 12 % årlig vekst over de siste fjorten årene i bransjen. Denne veksten er ikke bare et bevis på nøyaktigheten til EtherCAT®, men også det vedvarende konkurransefortrinnet det gir til de som tok i bruk denne inkluderende nettverksprotokollen. Behandlere og pakkere som implementerte EtherCAT® i 2010 posisjonerte seg ikke bare for fremtidig vekst, men unngikk også i denne prosessen betydelige kostnader forbundet med redesign.

Idriftsetting

Med en robust arkitekturutforming vil validering av ytelsen før en første gjennomkjøring sørge for at ytelsen oppfyller kundenes forventninger, og gjør det også mulig for teamet å fjerne ineffektivitet fra et system før implementering. Idriftsettingsprosessen maksimerer maskinens ytelse, og minimerer samtidig risikoen forbundet med distribusjon i brukeranlegg lenger nedstrøms. Idriftsetting fullføres vanligvis under oppstartsfasen, siden utstyret er ferdig montert, men idriftsetting kan også fullføres parallelt med oppbygningen av maskinen, uten noen maskinvare. Dette reduserer den totale produksjonstiden, uten å bryte ned de robuste kvalitetsstandardene som har etablert sterke OEM-selskaper.

Idriftsetting av posisjonsnøyaktighet – valg av servo uten maskinvare. Riktig dimensjonering av en servo er avgjørende når det gjelder å oppnå både kostnadseffektiv og nøyaktig maskinytelse. Overdimensjonering av en servo øker maskinens totale kostnader, mens underdimensjonering hemmer maskinens totale ytelse. Ved å bruke et integrert utviklingsmiljø (IDE) på en alt-i-ett-automasjonsplattform, kan OEM-er strømlinjeforme prosessen.

Med denne tilnærmingen kan et enkelt program brukes til å verifisere ytelsen til maskinen, og innlemme tilleggsprogrammer for motorstørrelse for å sikre riktig valg. Ved å fullføre verifiseringen av motorstørrelsen og maskinprogrammet i samme programvarepakke, elimineres kompleksiteten forbundet med å bruke tilleggsprogramvare, noe som reduserer risikoen for feil under utvelgelsesprosessen. Denne integrerte tilnærmingen forenkler prosessen og forbedrer nøyaktigheten til servodimensjonering, noe som fører til forbedret maskinytelse.

Idriftsetting av banerepeterbarhet – bevegelsessimulering uten maskinvare.Bevegelsesbaner har en symmetrisk virkning på den totale utstyrseffektiviteten, der akselerasjon, bremsing og bevegelsesbaner påvirker gjennomløpstider, krasjsannsynligheter og kvaliteten på sluttproduktet, med en uforholdsmessig hyppighet sammenlignet med andre aspekter av maskinkonstruksjonen. Simulering av baner i samme programvaremiljø som programmet opprettes, fjerner ikke bare risikoen for å skape en ustabil prosess på fabrikkgulvet, men gir sluttbrukerne tillit til at produktet vil fungere på samme måte under produksjonen som det gjør i oppstartsfasen.

Idriftsetting av systemeffektivitet– 3D-simulering uten maskinvare. 3D-simulering kan brukes i stedet for fysisk maskinvare til å simulere hele sammenstillingen, noe som kan forbedre idriftsettingsprosessen betydelig. Det er viktig å huske at bevegelse ikke er den eneste faktoren på fabrikkgulvet. Det er også nødvendig å verifisere bevegelse parallelt med sikkerhetsprosesser og datainnsamling. Dette er vanlig når sporbarhet og maskinsyn er en intrikat del av produksjonsprosessene. Ved å bruke 3D-modeller levert av produsenter og simulere dem i samme programvaremiljø som programmet, kan team sørge for at sikkerheten opprettholdes uten å introdusere risiko under idriftsetting. I tillegg gjør dette at team kan lage en optimal driftsprosedyre, og det gjør det mulig for oppstartsteam å validere ytelse mot en kjent standard før de godkjenner utstyrets konstruksjon. Dette øker sannsynligheten for at maskinen overgår forventningene til brukere nedstrøms før de investerer i fysisk konstruksjon.

Produksjon

Konstruksjon og idriftsetting av originalutstyr kan være en betydelig investering for produsenter. En viktig faktor for å sikre gjentatte kunder, ligger imidlertid i ytelsesfasen av utstyrets livssyklus. Faktorer som fremtidig skalerbarhet, oppetid for prosesser og muligheten til å samle inn prosessdata kan ha stor innvirkning på automasjonssystemets generelle kundetilfredshet og potensialet for fremtidig arbeid.

Produksjon av posisjonsnøyaktighet – automasjonsmodularitet som er fleksibel for fremtidig etterspørsel. Alt-i-ett-automasjonsplattformene med høyest ytelse har ikke bare hundrevis av standard modulære IO-delenumre for «plug-and-play»-installasjon, men også en programvare med dra-og-slipp-programmering. Disse plattformene kobles til ved å bruke globalt åpne industriprotokoller utover EtherCAT®, og utvider konnektivitetsmulighetene til en modulær PLS utover en bevegelse ved å dra nytte av nettverksvirkningene til disse åpne nettverkene og bruke Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Link, MQTT, OPC UA® og SQL, slik hver av disse var ment å brukes. De mest OEM-fremmende automasjonsplattformene har blitt utviklet slik at de raskt tar i bruk ny teknologi fra begynnelsen, uten å introdusere unødig kompleksitet til fabrikkgulvet. For eksempel blir håndholdt sporbarhet som kommuniserer over Ethernet stadig mer vanlig i utrustninger med bevegelse. OEM-er kan bruke forhåndspubliserte tredjeparts konnektivitetsveiledninger og funksjonsblokker til å bygge bro over skillet mellom produsenter, samtidig som de bevarer modulariteten som kreves for at matvare- og råvareprodusenter skal kunne være fleksible når det gjelder nye bransjestandarder, nye emballasjematerialer og skiftende forbrukertrender.

Produksjon av repeterbarhet – automasjonsavspilling som på egen hånd fanger opp produksjonshendelser. Når automasjonsfeil resulterer i hendelser som forårsaker nedetid, er det svært viktig å raskt finne hovedårsaken til feilen og verifisere funnet for å gjenopprette tillit i prosesstabiliteten. Konvergensen av data, video, programstruktur og stigelogikk i avspilling blir stadig mer vanlig. All avspilling er tidssynkronisert og utløst av hendelser, slik at lokale og eksterne teammedlemmer raskt og nøyaktig kan diagnostisere problemer uten å avbryte produksjonen eller kreve at operatøren er til stede under feiltilstander. Når dataavspilling over åpne protokoller, f.eks. EtherCAT®, parres med simulert ytelse i idriftsettingstilstanden, får brukere nedstrøms muligheten til å realisere kontinuerlige forbedringer uten at det går på akkord med maskinens ytelsesmål.

Produksjon av systemeffektivitet – integrerte OPC UA®™-servere som mater helhetlige prosessdata til sentrale steder. OPC UA®™-serverfunksjonalitet, som nå er en standardfunksjon på mange styringer, muliggjør åpen kommunikasjon med feltenheter. Dette sikrer at SCADA-programvaren kan oppfylle kommunikasjonskravene, ettersom den integrerte OPC UA®™-serveren muliggjør parallelle tilkoblinger fra flere klienter. Ved å velge OPC UA™, kan brukere av maskiner nedstrøms raskt dra nytte av sikkerhetsfordelene som tilbys av OPC UA®™ for å forhindre uautorisert klienttilgang. Etter hvert som OPC UA®™-serverfunksjonalitet blir stadig mer utbredt, kan OEM-er etablere sterkere forbindelser med brukere. Dette gjør dem i stand til å tilby mer omfattende støtte for eksisterende utstyr og få verdifull innsikt i potensielle fremtidige utstyrsmuligheter i installasjonsbasen.

Tilfredsheten til nedstrømsbrukere av OEM-bevegelsestyringen er forankret i bevegelsens evne til å møte viktige produksjonsmål i dag, uten å hindre morgendagens driftssuksess. For å forbedre utstyrets konkurranseevne må OEM-er prioritere robuste konstruksjoner, skape tillit under idriftsetting og muliggjøre effektiv feilsøking. Dette er spesielt viktig ettersom bransjestandarder krever høyere nivåer av samsvar. Ved å fokusere på disse aspektene, kan produsenter utvide spekteret av konkurransedyktige funksjoner som tilbys av utstyret deres, noe som til syvende og sist kan øke markedsandelen. Alt-i-ett automasjonsplattformer bruker globalt åpne industriprotokoller, for eksempel EtherCAT®, til å skape enkle arkitekturer i utviklingsfasen, lage flere simuleringer i et enkelt utviklingsmiljø under idriftsetting og skape fleksibel dataaggregering for fremtidig skalering under produksjon.

Konklusjon

Etter hvert som vi forutser fremtidige utfordringer i næringsmiddelindustrien, vil visse standarder vise seg. Disse inkluderer behovet for effektive og inkluderende nettverk, rask utvikling av nytt robust utstyr og ikke-påtrengende, men likevel helhetlig dataaggregering. Den oppmuntrende nyheten er at teknologien som kreves for å løse disse utfordringene allerede er tilgjengelig. OEM-er kan utnytte denne teknologien i dag for å styrke sitt bærekraftige konkurransefortrinn for fremtiden. For dette formålet har Omron Automation and Safety EtherCAT®-kompatibelt utstyr tilgjengelig for automasjons- og styringskonstruksjoner for å sikre vellykket industridrift.