Ismerje meg a siker ízét: hatékony mozgatás eredeti berendezésgyártók számára az élelmiszer- és italiparban

Az automatizálásban használt mozgásvezérlés megbízhatósága kritikus tényező az eredeti berendezésgyártók (OEM, original equipment manufacturer) számára. A gép összhatékonyságát közvetlenül befolyásoló három kulcsfontosságú változó, amely hozzájárul a megbízhatósághoz, a szervomechanizmus helyzetpontossága, a mozgási pálya ismételhetősége és a rendszer általános hatásfoka. Ezen változók bármilyen hibája negatív következményekkel járhat, ilyen lehet például az új berendezések hosszabb tervezési ideje, az üzembe helyezésre előirányzott források túllépése és a végfelhasználók megnövekedett termelési költségei.

Az eredeti berendezésgyártóknak azzal a nehézséggel kell szembenézniük, hogy növelniük kell a berendezéseik versenyképes funkcióinak számát, miközben betartják a tervezési korlátozásokat, amelyek célja a nyereségességi árrés fenntartása. Ebben az összefüggésben alapvető fontosságúvá válik az automatizálásban használt mozgásvezérlésbe vetett bizalom. A szervomechanizmus helyzetpontosságának, a mozgási pálya ismételhetőségének és a rendszer hatásfokának magas szintű megbízhatóságát garantálva a gyártók csökkenthetik a kockázatokat, és növelhetik a versenyelőnyüket. Az automatizálásban használt mozgásvezérlésbe vetett bizalom lehetővé teszi számukra, hogy olyan berendezéseket szállítsanak, amelyek megfelelnek az ügyfelek elvárásainak, csökkentik az állásidőt, és optimalizálják a gyártási folyamatokat.

1. ábra: Automatizált kenyérgyár (kép: Getty Images)

Ebben a cikkben az eredeti berendezésgyártóktól származó élelmiszer- (1. ábra) és italgyártó (2. ábra) gépek életciklusát követjük nyomon a tervezéstől az üzembe helyezésen át a velük végzett gyártásig. Bemutatjuk azokat a bevált megoldásokat, amelyek a mozgásvezérlés pontossága, a mozgási pálya ismételhetősége és a gép hatásfoka révén növelik a berendezések iránti bizalmat. Az egyes szakaszokban a hangsúly a rendszer teljesítményének a berendezés egyszerűségén keresztül történő maximalizálásán van, biztosítva egyúttal, hogy az adatgyűjtés későbbi megvalósítása ne okozzon kényelmetlenséget.

2. ábra: Automatizált palackozóüzem (kép: Getty Images)

Tervezés

Az automatizálásban használt vezérlőrendszerek tervezésekor fontos, hogy már a kezdetektől fogva figyelembe vegyük a mozgásvezérlés pontosságát, a mozgási pálya ismételhetőségét és a gép hatásfokát. A hálózati protokoll megválasztása jelentős szerepet játszik abban, hogy mennyire lesz bonyolult a gépi folyamatok egymásutánisága, és milyen lesz a gép teljesítménye. Az eszközök közti kommunikáció bonyolultsága a készüléken végzett módosítások időrendjének és a módosításokhoz szükséges anyagok nagyságrendjének mérésével mérhető. Az élelmiszer- és italgyártó létesítményekben, ahol a termékek életciklusa több év is lehet, a megfelelő hálózati protokoll kiválasztása nagyban befolyásolhatja a gép üzemeltetésének hosszú távú tulajdonlási költségeit azáltal, hogy minimálisra csökkennek az eredeti berendezések újratanúsítási költségei.

A helyzetpontosság megtervezése – EtherCAT® az időbeli szinkronizáláshoz. A világszerte elterjedt EtherCAT® nyílt ipari protokollt a kommunikáció hatékonyságának javítására tervezték. A központi EtherCAT®-készülék egyetlen adatcsomag révén kommunikál, amely minden egyes helyi eszközre eljut, és mindegyik számára adatokat küld és mindegyiktől adatokat fogad, ahogy a csomag áthalad az egyes csomópontokon, majd visszatér. Ezzel szemben az Ethernet-forgalom egy egyedi párbeszéd a programozható logikai vezérlőegység (PLC, programmable logic controller) és az egyes helyi eszközök között, függetlenül a protokolltól. Az EtherCAT® valós idejű, determinisztikus kommunikációt tesz lehetővé, akár 125 μs-os ciklusidővel. Ez a nagy sebességű kommunikáció kiküszöböli a szervomechanizmusokból eredő és a pontos mozgásvezérlést akadályozó remegést. A hermetikus zárást végző gépek esetében létfontosságú a pontos tömítésre való képesség. Ez nemcsak a gép felhasználói számára segít minimálisra csökkenteni az anyaghulladékot, de erősíti a márka hírnevét és az ügyfelek elégedettségét is.

A mozgási pálya ismételhetőségének megtervezése – EtherCAT® a garantált parancsátvitelért. Az EtherCAT® protokollt úgy tervezték, hogy valós idejű mozgásvezérlést tegyen lehetővé. Megszünteti a csomagütközéseket, amelyek akkor fordulhatnak elő, amikor a PLC minden egyes eszközzel külön párbeszédet folytat, és biztosítja, hogy minden csomag a megfelelő helyre, a kellő időben érkezzen meg. Azokon a felhasználási területeken, ahol több cikluson keresztül van szükség pontosságra, például töltő- és hermetikus zárást végző gépek, palackozósorok és sterilizálórendszerek esetében az EtherCAT® megismételhető mozgáspontosságot kínál. A központi feldolgozóegység (CPU) az összes EtherCAT®-műveletet az elsődleges mozgatási feladat alapján szinkronizálja. A kívánt ismételhetőségi szinttől függően három fő EtherCAT®-üzemmód közül lehet választani.

• Szabadonfutó üzemmód – Az EtherCAT®-ciklus nincs szinkronizálva a vezérlőegység sínciklusával. Lehetőség van arra, hogy egy EtherCAT®-ciklus során több frissítést távolítsanak el, bár a be- és kimenetek frissítése nem ugyanakkor történik a teljes hálózaton belül.
• Szinkronizált üzemmód – Az EtherCAT®-ciklus szinkronizálva van a vezérlőegység sínciklusával. A bemenetek szinkronizált olvasása és a kimenetek szinkronizált frissítése megadott időközönként történik, egyszerre több EtherCAT®-eszközön.
• Időbélyegzős üzemmód – Az EtherCAT®-ciklus szinkronizálva van a vezérlőegység sínciklusával. A bejegyzések szinkronizált olvasása az elosztott EtherCAT®-órán alapul. Ez lehetővé teszi a mikroszekundumra pontos időzítést.

A rendszer hatásfokának megtervezése – EtherCAT® a gyors tervezéshez és a jövőbeli méretezhetőséghez. Az EtherCAT® egy világszerte elterjedt nyílt ipari protokoll, amely lehetővé teszi a különböző gyártók számára, hogy közös hálózaton keresztül kommunikáljanak. Ez az elmúlt tizennégy évben a protokoll használatának következetes évi 12%-os összetett növekedését eredményezte az ágazatban. Ez a növekedés nemcsak az EtherCAT® pontosságát és precizitását bizonyítja, hanem azt a tartós versenyelőnyt is, amelyet az EtherCAT® nyújt azoknak, akik ezt a sokrétű hálózati protokollt használják. Azok a feldolgozó- és csomagolóüzemek, amelyek 2010-ben bevezették az EtherCAT® protokollt, nemcsak a jövőbeli növekedésre álltak rá, hanem jelentős újratervezési költségeket is megúsztak.

Üzembe helyezés

Ha strapabíró architektúrát használunk, a teljesítmény előzetes értékelése nemcsak annak a kockázatát csökkenti jelentősen, hogy a teljesítmény nem felel majd meg az ügyfél elvárásainak, hanem azt is lehetővé teszi a csapat számára, hogy még a kiépítés előtt eltávolítsa a rendszerből a rossz hatásfokú megoldásokat. Az üzembe helyezési folyamat maximálisra növeli a gép teljesítményét, miközben minimálisra csökkent a felhasználó létesítményében történő üzembe helyezéssel kapcsolatos minden kockázatot. Bár az üzembe helyezés általában a kiszállítás előtti szakaszban történik, amikor a berendezések már teljesen össze vannak szerelve, a művelet a gép gyártásával párhuzamosan, hardver nélkül is elvégezhető, ami anélkül csökkenti a teljes gyártási időt, hogy az erős eredeti berendezésgyártók által kialakított szigorú minőségi szabványokat aláásná.

A helyzetpontosság ellenőrzése az üzembe helyezés során – a szervomechanizmusok kiválasztása hardver nélkül. A szervomechanizmusok megfelelő méretezése döntő fontosságú mind a költségtakarékosság, mind a gép működési pontossága szempontjából. A szervomechanizmusok túlméretezése növeli a gép összköltségét, míg az alulméretezés rontja a gép általános teljesítményét. Az eredeti berendezésgyártók egy mindenre kiterjedő automatizálási platformon valamilyen beépített fejlesztőkörnyezetet (IDE, integrated development environment) használva egyszerűsíthetik a folyamatot.

Ezzel a módszerrel egyetlen olyan programmal ellenőrizhető a gép teljesítménye, amely a megfelelő szervomechanizmus kiválasztása érdekében tartalmazza a villanymotor méretezéséhez szükséges beépülő modulokat is. Azzal, hogy a villanymotor méretének kiválasztását és a gépen futó programnak az ellenőrzését ugyanazzal a szoftvercsomaggal végezzük el, megszűnik a további szoftverek használata jelentette bonyolultság, és csökken a hibák lehetőségének kockázata a kiválasztási folyamat során. Ez az egyesített módszer leegyszerűsíti a folyamatot és növeli a szervomechanizmus méretezésének pontosságát, ami a gép teljesítményének javulásához vezet.

A mozgási pálya megismételhetőségének ellenőrzése az üzembe helyezés során – mozgásszimuláció hardver nélkül.A mozgási pályák szimmetrikus hatással vannak a berendezés általános hatásfokára, ahol a gyorsulás, a lassulás és a mozgási pályák megtervezése a géptervezés egyéb szempontjaihoz képest aránytalanul nagymértékben befolyásolja az egy termék gyártásához szükséges időt, az ütközések valószínűségét és a végtermék minőségét. Ha a mozgási pályákat ugyanabban a szoftverkörnyezetben szimuláljuk, amelyikben a programot is létrehoztuk, az nemcsak annak kockázatát küszöböli ki, hogy helyben, a gyárban valamilyen instabil folyamatot hoznak létre, hanem a végfelhasználó is bízhat abban, hogy a termék élesben, a gyártás során ugyanúgy fog teljesíteni, mint az átadás során.

A rendszer hatásfokának ellenőrzése az üzembe helyezés során – 3D szimuláció hardver nélkül. A fizikai hardver helyett használhatunk 3D szimulációt a teljes berendezés szimulálására, ami jelentősen javíthatja az üzembe helyezési folyamatot. Fontos figyelembe venni, hogy a mozgás nem az egyetlen számításba veendő tényező a gyárban. A biztonsági folyamatok és az adatgyűjtés mellett a mozgást is ellenőrizni kell. Ez akkor gyakori, ha bonyolult a gyártási folyamatok nyomon követhetősége és a folyamatokra való rálátás. A gyártók által biztosított 3D modellek használatával és a gépen futó programmal azonos szoftverkörnyezetben történő szimulálásukkal a csapatok anélkül tudják garantálni a biztonságot, hogy kockázatoknak tennék ki a gépet és a személyeket az üzembe helyezés során. Ezenkívül ez lehetővé teszi a csapatok számára, hogy optimális működési eljárást alakítsanak ki, valamint a berendezést átadó csapatok számára, hogy a teljesítményt egy ismert szabványhoz képest értékeljék, mielőtt jóváhagyják a berendezés szerkezeti kialakítását. Ez jelentősen növeli annak valószínűségét, hogy a gép a fizikai készülékbe történő beruházás előtt felülmúlja a felhasználók elvárásait.

Gyártás

Az eredeti berendezések tervezése és üzembe helyezése jelentős beruházást jelenthet a gyártók számára. A visszatérő ügyfelek megszerzésének kulcsa azonban a berendezés életciklusának üzemi fázisában rejlik. Az olyan tényezők, mint a jövőbeli méretezhetőség, a folyamatok rendelkezésre állási ideje és a folyamatadatok gyűjtésének képessége nagyban befolyásolhatják az ügyfelek általános elégedettségét az automatizálási rendszerrel és a jövőbeli üzleti lehetőségeiket.

A helyzetpontosság megteremtése – az automatizálás modulrendszerű felépítése lehetővé teszi a jövőbeli igényekhez való rugalmas alkalmazkodást. A legnagyobb teljesítményű, mindenre kiterjedő automatizálási platformokhoz nemcsak több száz fajta használatra készen kapható, csatlakoztatás után azonnal használható (Plug-and-Play) modulrendszerű be- és kimeneti egység szerezhető be, hanem egyetlen mindenre kiterjedő, egérrel való húzással programozható szoftver is. Ezek a platformok az EtherCAT® protokoll mellett más világszerte elterjedt nyílt ipari protokollokat is használnak a kapcsolatokhoz, kihasználva ezen nyílt hálózatok hálózati hatásait és a tervezett használati módjuknak megfelelően használva a Fail Safe Over EtherCAT®, az EtherNET/IP™, a CIP Safety ™, az IO-Link, az MQTT, az OPC UA® és az SQL protokollt, ily módon a mozgáson túlra is kiterjesztve a modulrendszerű PLC-k csatlakozási lehetőségeit. Az eredeti berendezésgyártók a felhasználókat segítő legtöbb automatizálási platformot úgy tervezték, hogy az új technikákat már a kezdetektől fogva gyorsan átvegyék, anélkül, hogy ez indokolatlanul megbonyolítaná a gyárat. Például a mozgatással kapcsolatos felhasználási területeken egyre gyakoribbá válik az Ethernet protokollon keresztül kommunikáló kézi eszközökkel végzett nyomkövetés. Az eredeti berendezésgyártók az egyes gyártók közötti szakadék áthidalására használhatnak előre kiadott, harmadik féltől származó csatlakoztatási útmutatókat és funkcióblokkokat, miközben megőrizhetik az élelmiszer- és alapanyaggyártók számára szükséges modulrendszerű felépítést, ami azért elengedhetetlen, hogy ezen gyártók kellően rugalmasak tudjanak maradni, és alkalmazkodni tudjanak a folyamatosan fejlődő ágazati szabványokhoz, az új csomagolóanyagokhoz és a változó fogyasztói trendekhez.

Az ismételhetőség megteremtése – automatikus futtatás, amely önállóan rögzíti a termelési eseményeket. Ha az automatizálásban fellépő hibák leállást okozó eseményekhez vezetnek, a hiba okának gyors megkeresése és a talált probléma igazolása kritikus fontosságú a folyamat stabilitásába vetett bizalom helyreállításához. Egyre inkább normává válik a futtatás során az adatok, a videó, a programszerkezet és a létradiagram egymáshoz igazítása. Minden futtatás időben szinkronizált és eseményvezérelt, hogy a helyi és távoli csapattagok gyorsan és pontosan diagnosztizálhassák a hibákat anélkül, hogy meg kellene szakítani a termelést, vagy hogy a hibák fennállása idején a kezelő jelenlétére lenne szükség. Ha az üzembe helyezés során szimuláljuk a működést, az adatok nyílt protokollokon, például az EtherCAT®-en keresztül történő futtatása lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy folyamatos fejlesztéseket hajtsanak végre a gép teljesítmény-mérőszámainak veszélyeztetése nélkül.

A rendszer hatásfokának megteremtése – OPC UA®™ beépített kiszolgálók, amelyek holisztikus folyamatadatokat küldenek a központi helyekre. Az OPC UA®™ kiszolgálófunkció, amely ma már számos vezérlőegység alapfunkciójának számít, lehetővé teszi a nyílt kommunikációt a helyi eszközökkel. Ez biztosítja, hogy a SCADA szoftver teljesíteni tudja a kommunikációs követelményeket, mert a beágyazott OPC UA®™ kiszolgáló lehetővé teszi a több ügyféllel való egyidejű kapcsolatot. Az OPC UA™ funkciót választva a gépek felhasználói azonnal kihasználhatják az OPC UA®™ által kínált biztonsági előnyöket az illetéktelen ügyfélhozzáférés megakadályozása érdekében. Ahogy az OPC UA®™ kiszolgálófunkciók egyre elterjedtebbé válnak, az eredeti berendezésgyártók szorosabb kapcsolatot alakíthatnak ki a felhasználókkal. Ez lehetővé teszi számukra, hogy átfogóbb támogatást nyújtsanak a meglévő berendezésekhez, és az ügyfeleknél kiépített rendszereik alapján értékes információkat nyerjenek a jövőbeli berendezésekkel kapcsolatos lehetőségeket illetően.

Az eredeti berendezésgyártók által szállított mozgásvezérléssel kapcsolatos felhasználói elégedettség abban gyökerezik, hogy a mozgás képes-e ma megfelelni a kulcsfontosságú termelési mérőszámoknak anélkül, hogy akadályozná a holnapi sikeres működést. Berendezéseik versenyképességének növelése érdekében az eredeti berendezésgyártóknak kiemelt szempontként kell kezelniük a strapabíró konstrukciókat, bizalmat kell kelteniük az üzembe helyezés során, és lehetővé kell tenniük a hatékony hibakeresést. Ez utóbbi különösen fontos, mivel az ágazati szabványok egyre magasabb szintű megfelelést követelnek meg. Ezekre a szempontokra összpontosítva a gyártók képesek lehetnek a berendezéseik által kínált versenyképes funkciók körének bővítésére, és végső soron növelhetik a piaci részesedésüket. A mindenre kiterjedő automatizálási platformok világszerte elterjedt nyílt ipari protokollokat – például az EtherCAT® protokollt – használnak, hogy a tervezési fázisban egyszerű architektúrákat alakítsanak ki, az üzembe helyezési fázisban több szimulációt hozzanak létre egyetlen tervezési környezetben, a gyártás során pedig rugalmas adatösszegzést valósítsanak meg a jövőbeli méretezhetőség érdekében.

Összegzés

Amennyire képesek vagyunk előre látni az élelmiszer- és italgyártás jövőbeni kihívásait, bizonyos új normák jönnek majd létre. Ezek közé tartoznak a hatékony és sok területre kiterjedő hálózatok, a strapabíró új berendezések gyors fejlesztése, valamint a beavatkozásmentes, mégis holisztikus adatgyűjtés iránti igény. A biztató hír az, hogy az ezeknek a nehézségeknek a leküzdéséhez szükséges technika már rendelkezésre áll. Az eredeti berendezésgyártók már ma kihasználhatják ezt a technikát, hogy megerősítsék fenntartható versenyelőnyüket a jövőre nézve. Ezen a területen a sikeres ipari működés biztosítása érdekében az Omron Automation and Safety cég EtherCAT®-kompatibilis berendezéseket kínál az automatizálási és vezérlőberendezésekbe.