Menestyksen maku: Tehokas liikkeenohjaus elintarvike- ja juomateollisuuden OEM-valmistajille

Liikkeenohjauksen luotettavuus automaatiossa on kriittinen tekijä alkuperäisille laitevalmistajille (OEM). Kolme keskeistä luotettavuuteen vaikuttavaa muuttujaa ovat servon paikoitustarkkuus, liikeradan toistettavuus ja järjestelmän kokonaistehokkuus. Näillä on suora vaikutus koneen yleiseen laitetehokkuuteen. Näiden muuttujien epäonnistuminen voi johtaa negatiivisiin seurauksiin, kuten uusien laitteiden suunnitteluaikojen pidentymiseen, käyttöönottoresurssien ylittymiseen ja korkeampiin tuotantokustannuksiin loppukäyttäjille.

OEM-valmistajien haasteena on lisätä laitteiden kilpailukykyä parantavien ominaisuuksien määrää ja samalla pysyä sellaisten suunnittelurajoituksien sisällä, joilla pyritään säilyttämään kannattavuusmarginaalit. Tässä kontekstissa liikkeenohjauksen luotettavuus automaatiossa on olennaisen tärkeää. Valmistajat voivat vähentää riskejä ja parantaa kilpailuetuaan varmistamalla korkean luotettavuustason servon paikoitustarkkuudessa, liikeradan toistettavuudessa ja järjestelmän tehokkuudessa. Tämä liikkeenohjauksen luotettavuus automaatiossa tarjoaa heille mahdollisuuden toimittaa laitteita, jotka täyttävät asiakkaiden odotukset, vähentävät seisokkiaikoja ja optimoivat tuotantoprosesseja.

Kuva 1: Automatisoitu leipomo. (Kuvan lähde: Getty Images)

Tässä artikkelissa seurataan elintarvike- (kuva 1) ja juomateollisuuden (kuva 2) OEM-koneiden elinkaarta suunnittelusta käyttöönottoon ja tuotantoon. Artikkelissa esitellään parhaita käytäntöjä, jotka parantavat laitteiden luotettavuutta liikkeenohjauksen tarkkuuden, toistettavuuden ja tehokkuuden kautta. Kussakin kohdassa keskitytään maksimoimaan järjestelmän suorituskyky yksinkertaisilla ratkaisuilla ja varmistamaan, että tietojen yhdistäminen on tulevaisuudessa ei-intrusiivista.

Kuva 2: Automatisoitu pullotustehdas. (Kuvan lähde: Getty Images)

Suunnittelu

Automaation ohjausjärjestelmiä suunniteltaessa on tärkeää ottaa alusta alkaen huomioon tarkkuus, toistettavuus ja tehokkuus. Verkkoprotokollan valinnalla on merkittävä rooli perään kytketyn koneen kompleksisuuden ja suorituskyvyn määrittämisessä. Laitekommunikaation kompleksisuutta voidaan mitata suunnittelumuutosten tekemiseen kuluvalla ajalla ja materiaaliluettelon laajuudella. Elintarvike- ja juomateollisuustiloissa, joissa tuotteiden kestoikä voi olla useita vuosia, sopivan verkkoprotokollan valinnalla voi olla merkittävä vaikutus koneen pitkän aikavälin käyttökustannuksiin, koska se minimoi alkuperäisten laitteiden uudelleensertifiointikustannukset.

Paikoitustarkkuuden suunnittelu – EtherCAT® aikasynkronointiin. Globaalisti avoin teollisuusprotokolla EtherCAT® on suunniteltu tehokkaaseen tiedonsiirtoon. EtherCAT®-master kommunikoi yhden datapaketin välityksellä, joka kulkee jokaisen kenttälaitteen kautta. Kukin laite lukee siitä dataa ja lisää siihen dataa kun se kulkee solmun kautta. Ethernet-liikenne on puolestaan yksittäinen keskustelu PLC:n ja kunkin kenttälaitteen välillä protokollasta riippumatta. EtherCAT® mahdollistaa deterministisen tiedonsiirron reaaliajassa jopa 125 μs:n syklinopeudella. Tämä nopea tiedonsiirto poistaa servoista värinän, joka voi estää tarkan liikkeenohjauksen. Tiivistyssovelluksissa on ratkaisevan tärkeää pystyä tiivistämään tarkasti. Tämä ei ainoastaan auta minimoimaan materiaalihävikkiä tuotteiden käyttäjien keskuudessa, vaan myös vahvistaa tuotemerkin mainetta ja asiakastyytyväisyyttä.

Liikeradan toistettavuuden suunnittelu – EtherCAT® takaa komentojen välityksen. EtherCAT® on suunniteltu takaamaan reaaliaikainen liikkeenohjaus. Se eliminoi pakettien törmäykset, joita voi syntyä, kun PLC käy yksittäistä keskustelua kunkin laitteen kanssa, ja varmistaa, että oikea paketti toimitetaan oikeaan paikkaan oikeaan aikaan. EtherCAT® tarjoaa toistettavan liiketarkkuuden sovelluksissa, joissa vaaditaan tarkkuutta useiden syklien ajan, kuten täyttö- ja sulkemiskoneissa, pullotuslinjoissa ja sterilointijärjestelmissä. Keskusyksikkö synkronoi kaikki EtherCAT®-toiminnot ensisijaisen liiketehtävän mukaisesti. Valittavissa on kolme EtherCAT®-pääkäyttötilaa halutun toistettavuustason mukaan.

• Vapaa käyttötila – EtherCAT®-sykli on asynkroninen ohjausväyläsyklin kanssa. Useita päivityksiä poistetaan EtherCAT®-syklin aikana, vaikka tuloja ja lähtöjä ei päivitetäkään samaan aikaan koko verkossa.
• Synkroninen tila – EtherCAT®-sykli on synkronoitu ohjausväyläsyklin kanssa. Tulojen synkroninen lukeminen ja lähtöjen synkroninen päivitys suoritetaan useissa EtherCAT®-laitteissa samanaikaisesti kiintein väliajoin.
• Aikaleimatila – EtherCAT®-sykli synkronoidaan ohjausväyläsyklin kanssa. Kirjausten synkroninen lukeminen perustuu EtherCAT®-protokollan hajautettuun kelloon. Tämä mahdollistaa tarkan ajoituksen mikrosekuntien tarkkuudella.

Järjestelmän tehokkuuden suunnittelu – EtherCAT® nopeaa suunnittelua ja tulevaa skaalautuvuutta varten EtherCAT® on globaalisti avoin teollisuusprotokolla, jonka välityksellä eri valmistajat voivat kommunikoida yhteisessä verkossa. Tämä on johtanut alalla tasaiseen 12 prosentin vuotuiseen kasvuun viimeisten neljäntoista vuoden aikana. Tämä kasvu ei ole vain osoitus EtherCAT®-protokollan tarkkuudesta ja täsmällisyydestä, vaan myös sen tarjoamasta kestävästä kilpailuedusta niille, jotka ovat ottaneet käyttöön tämän kattavan verkkoprotokollan. Prosessoijat ja pakkaajat, jotka ottivat EtherCAT®-protokollan käyttöön vuonna 2010, eivät olleet ainoastaan valmiita tulevaan kasvuun, vaan he myös välttyivät merkittäviltä uudelleensuunnittelukustannuksilta.

Käyttöönotto

Robusti arkkitehtuurisuunnittelu mahdollistaa suorituskyvyn validoinnin ennen ensimmäistä vaihetta ja vähentää huomattavasti sen riskiä, että suorituskyky ei täyttäisikään asiakkaan odotuksia. Lisäksi tiimi voi poistaa järjestelmän tehottomuudet ennen käyttöönottoa. Käyttöönottoprosessi maksimoi koneen suorituskyvyn ja minimoi samalla riskit, jotka liittyvät käyttöönottoon myöhemmin käyttäjän tiloissa. Käyttöönotto suoritetaan yleensä testausvaiheessa, jolloin laitteet on koottu valmiiksi. Käyttöönotto voidaan kuitenkin suorittaa samanaikaisesti koneen rakentamisen kanssa ilman laitteistoa, mikä lyhentää kokonaistuotantoaikaa vahvojen OEM-valmistajien laatimia vakiintuneita vankkoja laatustandardeja heikentämättä.

Paikoitustarkkuuden testaaminen – Servon valinta ilman laitteistoa. Servon sopiva mitoitus on ratkaisevan tärkeää sekä koneen kustannustehokkuuden että tarkkuuden saavuttamiseksi. Servon ylimitoitus kasvattaa koneen kokonaiskustannuksia, kun taas alimitoitus heikentää koneen yleistä suorituskykyä. OEM-valmistajat voivat tehostaa prosessia käyttämällä integroitua kehitysympäristöä all-in-one-automaatioalustassa.

Tässä lähestymistavassa koneen suorituskyky voidaan varmentaa yhdellä ainoalla ohjelmalla. Tässä voidaan käyttää lisäosia oikein mitoitetun moottorin valitsemiseksi. Kun moottorin koon ja koneohjelman tarkistus suoritetaan samassa ohjelmistopaketissa, ylimääräisten ohjelmistojen käytön kompleksisuus jää pois, mikä vähentää virheiden riskiä valintaprosessin aikana. Tämä integroitu lähestymistapa yksinkertaistaa prosessia ja tehostaa servon mitoitustarkkuutta sekä parantaa koneen suorituskykyä.

Liikeratojen toistettavuuden testaaminen – liikesimulointi ilman laitteistoa.Liikeradoilla on symmetrinen vaikutus laitteiston kokonaistehokkuuteen, sillä kiihdytykset, hidastukset ja liikeradat vaikuttavat tuotantoaikoihin, kaatumistodennäköisyyksiin sekä lopputuotteen laatuun. Itse asiassa niiden vaikutus on suurempi kuin muiden konesuunnittelun osa-alueiden. Liikeratojen simulointi samassa ohjelmistoympäristössä, jossa ohjelma luodaan, poistaa riskin, että prosessi olisi epästabiili tehdasympäristössä. Lisäksi se antaa loppukäyttäjille varmuuden siitä, että tuote toimii tuotannossa samalla tavalla kuin se toimii testauksen aikana.

Järjestelmän tehokkuuden testaaminen – 3D-simulointi ilman laitteistoa. 3D-simulointia voidaan käyttää fyysisen laitteiston sijasta koko kokoonpanon simulointiin, mikä voi parantaa huomattavasti käyttöönottoprosessia. On tärkeää ottaa huomioon, että liike ei ole ainoa tekijä tehdastiloissa. Liike täytyy tarkistaa myös turvallisuusprosessien ja tiedonkeruun yhteydessä. Tämä on yleistä, kun jäljitettävyys ja konenäkö ovat hankalia tuotantoprosesseissa. Hyödyntämällä valmistajien toimittamia 3D-malleja ja simuloimalla niitä samassa ohjelmistoympäristössä kuin ohjelmaa, tiimit voivat varmistaa turvallisuuden ilman riskinottoa käyttöönoton aikana. Tämän ansiosta tiimit voivat myös luoda optimaalisen toimintamenettelyn, ja testaustiimit voivat validoida suorituskyvyn tunnettuja standardeja vasten ennen laitteiden rakentamisen hyväksymistä. Tämä lisää merkittävästi sen todennäköisyyttä, että kone ylittää jatkokäyttäjien odotukset ennen fyysiseen rakentamiseen investoimista.

Tuotanto

Alkuperäisten laitteiden suunnittelu ja käyttöönotto voi tarkoittaa valmistajille merkittävää investointia. Avain säännöllisten asiakkaiden saamiseen piilee kuitenkin laitteen elinkaaren suorituskykyvaiheessa. Sellaiset tekijät kuten tuleva skaalautuvuus, prosessin käyttöaika ja mahdollisuus kerätä prosessidataa voivat vaikuttaa suuresti asiakkaiden yleiseen tyytyväisyyteen automaatiojärjestelmään ja mahdollisiin tuleviin hankintoihin.

Paikoitustarkkuus tuotannossa – Automaation modulaarisuus tarjoaa joustavuutta tulevan kysynnän täyttämiseksi. Kaikkein tehokkaimpiin all-in-one-automaatioalustoihin kuuluu satojen valmiiden modulaarisien IO-komponenttien plug & play -asennuksen lisäksi yksittäinen ohjelmistoympäristö vedä ja pudota -ohjelmoinnilla. Nämä alustat on yhdistetty toisiinsa käyttämällä EtherCAT®-protokollan lisäksi globaalisti avoimia teollisuusprotokollia. Tämä laajentaa modulaaristen PLC-ohjaimien liitettävyyttä liikkeenohjausta pidemmälle hyödyntämällä näiden avointen verkkojen verkkovaikutuksia ja käyttämällä protokollia Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Link, MQTT, OPC UA® ja SQL siten kuin kukin niistä on tarkoitettu käytettäväksi. OEM-asiakkaita parhaiten palvelevat automaatioalustat on suunniteltu siten, että uudet teknologiat voidaan ottaa käyttöön nopeasti alusta alkaen ilman, että ne monimutkaistavat tehtaan toimintaa kohtuuttomasti. Esimerkiksi Ethernetin kautta kommunikoiva kannettava jäljitysjärjestelmä on yleistymässä liikesovelluksissa. OEM-valmistajat voivat käyttää valmiita kolmannen osapuolen liitettävyysoppaita ja toimilohkoja, jotka auttavat kuromaan umpeen valmistajien väliset kuilut. Näin voidaan säilyttää modulaarisuus, jota elintarvike- ja hyödykevalmistajat tarvitsevat pysyäkseen joustavina kehittyvien teollisuusstandardien, uusien pakkausmateriaalien ja muuttuvien kuluttajatrendien suhteen.

Toistettavuus tuotannossa – Toistettavuuden automatisointi tallentamalla tuotantotapahtumat itsenäisesti. Kun automaatiossa ilmenevät viat johtavat seisokkiaikoja aiheuttaviin tapahtumiin, vian perimmäisen syyn nopea löytäminen ja löydöksen varmentaminen on ratkaisevan tärkeää, jotta luottamus prosessin stabiilisuuteen voidaan palauttaa. Toistossa datan, videon, ohjelmarakenteen ja tikapuulogiikan yhdistyminen on käymässä yhä yleisemmäksi. Kaikki toisto on ajallisesti synkronoitu ja tapahtumakohtaisesti käynnistetty, jotta paikalliset ja etäryhmän jäsenet voivat diagnosoida ongelmat nopeasti ja tarkasti keskeyttämättä tuotantoa tai vaatimatta operaattorin läsnäoloa vikojen aikana. Kun datan toisto yhdistetään simuloituun suorituskykyyn käyttöönottotilassa, avoimien protokollien, kuten EtherCAT®, kautta tapahtuva datan toisto antaa jatkokäyttäjille mahdollisuuden toteuttaa jatkuvia parannuksia koneen suorituskykymittareista tinkimättä.

Järjestelmän tehokkuus tuotannossa – Sisäänrakennetut OPC UA®™ -palvelimet syöttävät holistista prosessidataa keskitettyihin kohtiin. OPC UA®™ -palvelintoiminto, joka on nykyään vakio-ominaisuus monissa ohjaimissa, mahdollistaa avoimen kommunikoinnin kenttälaitteiden kanssa. Näin varmistetaan, että SCADA-ohjelmisto voi täyttää kommunikaatiovaatimukset, sillä sisäänrakennettu OPC UA®™-palvelin mahdollistaa useiden asiakkaiden samanaikaiset yhteydet. Valitsemalla OPC UA™ -teknologian, prosessiketjussa seuraavien koneiden käyttäjät voivat hyödyntää OPC UA®™ -teknologian tarjoamia tietoturvaetuja ja estää luvattoman asiakaskäytön. OPC UA®™-palvelintoimintojen yleistyessä OEM-valmistajat voivat luoda vahvemman yhteyden käyttäjien kanssa. Näin ne voivat tarjota kattavampaa tukea olemassa oleville laitteille ja hankkia arvokasta tietoa mahdollisista tulevista laitemahdollisuuksista asennuskannassaan.

OEM-valmistajien liikkeenohjauksen jatkokäyttäjien tyytyväisyys perustuu siihen, että liikkeen avulla pystytään täyttämään nykyhetken tärkeimmät tuotantomittarit ilman, että se haittaisi huomisen toiminnallista menestystä. OEM-valmistajat voivat parantaa laitteidensa kilpailukykyä asettamalla etusijalle robustin suunnittelun, luomalla luottamusta käyttöönoton aikana ja mahdollistamalla tehokas vianmääritys. Tämä on erityisen tärkeää, koska alan standardit edellyttävät entistä korkeampaa vaatimustenmukaisuutta. Keskittymällä näihin seikkoihin valmistajat voivat laajentaa laitteidensa tarjoamien kilpailukykyisten ominaisuuksien valikoimaa ja kasvattaa näin markkinaosuuttaan. All-in-one-automaatioalustat käyttävät globaalisti avoimia teollisuusprotokollia, kuten EtherCAT®. Sen ansiosta suunnitteluvaiheessa voidaan luoda yksinkertaisia arkkitehtuureja, käyttöönottovaiheessa voidaan luoda useita simulaatioita yhdessä ainoassa suunnitteluympäristössä ja se mahdollistaa joustavan tietojen yhdistämisen tulevaa tuotannon aikaista skaalausta varten.

Yhteenveto

Kun ennakoimme elintarvike- ja juomateollisuuden tulevia haasteita, syntyy tiettyjä standardeja. Niihin kuuluvat muun muassa tehokkaiden ja kattavien verkkojen, uusien laitteiden nopean ja kestävän kehityksen sekä ei-intrusiivisten sekä kuitenkin holististen tietojen yhdistämisen tarve. Rohkaiseva uutinen on se, että näihin haasteisiin vastaamiseen tarvittava teknologia on jo saatavilla. OEM-valmistajat voivat hyödyntää tätä teknologiaa jo nyt ja vahvistaa kestävää kilpailuetuaan tulevaisuutta varten. Omron Automation and Safety tarjoaa EtherCAT®-yhteensopivia laitteita automaatio- ja ohjausratkaisuja, joita teollisuusoperaatioiden onnistuminen vaatii.