Den Erfolg genießen: Effiziente Motorsteuerung für OEMs in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie

Die Zuverlässigkeit der Motorsteuerung in der Automatisierung ist ein entscheidender Faktor für die Hersteller von Originalausrüstungen (OEMs). Die drei Schlüsselvariablen, die sich direkt auf die Gesamteffizienz der Maschine auswirken, sind die Servopositionsgenauigkeit, die Wiederholbarkeit der Trajektorien und die Gesamteffizienz des Systems. Jedes Versagen dieser Variablen kann negative Folgen haben, wie z. B. längere Konstruktionszeiten für neue Anlagen, Überschreitung der Inbetriebnahmeressourcen und höhere Produktionskosten für die Endnutzer.

OEMs stehen vor der Herausforderung, die Anzahl der wettbewerbsfähigen Merkmale ihrer Geräte zu erhöhen und gleichzeitig die Designvorgaben einzuhalten, die darauf abzielen, die Rentabilitätsspannen zu erhalten. In diesem Zusammenhang ist das Vertrauen in die Motorsteuerung für die Automatisierung von entscheidender Bedeutung. Durch die Gewährleistung eines hohen Maßes an Zuverlässigkeit bei der Servopositionsgenauigkeit, der Bahnwiederholbarkeit und der Systemeffizienz können Hersteller Risiken minimieren und ihren Wettbewerbsvorteil ausbauen. Dieses Vertrauen in die Automatisierungstechnik ermöglicht es ihnen, Anlagen zu liefern, die die Erwartungen der Kunden erfüllen, Ausfallzeiten reduzieren und Produktionsprozesse optimieren.

Abbildung 1: Automatisierte Brotfabrik. (Bildquelle: Getty Images)

In diesem Artikel wird der Lebenszyklus von OEM-Maschinen für die Lebensmittel- (Abbildung 1) und Getränkeindustrie (Abbildung 2) von der Konstruktion über die Inbetriebnahme bis hin zur Produktion betrachtet. Es werden bewährte Verfahren vorgestellt, die das Vertrauen in die Ausrüstung durch Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Effizienz der Motorsteuerung erhöhen. In jedem Abschnitt wird der Schwerpunkt auf der Maximierung der Systemleistung durch ein einfaches Design liegen, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die künftige Einführung der Datenaggregation nicht beeinträchtigend verläuft.

Abbildung 2: Automatisierte Abfüllanlage. (Bildquelle: Getty Images)

Design

Bei der Entwicklung von Steuerungssystemen für die Automatisierung ist es wichtig, von Anfang an auf Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Effizienz zu achten. Die Wahl des Netzprotokolls spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Komplexität und Leistung der nachgeschalteten Maschine. Die Komplexität der Gerätekommunikation lässt sich anhand der Zeitspanne für Designänderungen und des Umfangs der Stückliste messen. In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wo die Produktlebensdauer viele Jahre betragen kann, kann die Wahl des geeigneten Netzwerkprotokolls die langfristigen Betriebskosten der Maschine erheblich beeinflussen, da die Kosten für die Neuzertifizierung der Originalausrüstung minimiert werden.

Design und Positioniergenauigkeit - EtherCAT® zur Zeitsynchronisation. Das weltweit offene Industrieprotokoll EtherCAT® ist auf effiziente Kommunikation ausgelegt. Der EtherCAT®-Master kommuniziert über ein einziges Datenpaket, das an jedes der Feldgeräte übermittelt wird, wobei er Daten für jedes Gerät abgibt und empfängt, während das Paket jeden Knoten durchläuft und wieder zurückkehrt, während der Ethernet-Verkehr eine individuelle Konversation zwischen einer SPS und jedem Feldgerät ist, unabhängig vom Protokoll. EtherCAT® ermöglicht eine deterministische Kommunikation in Echtzeit mit Zyklusraten von bis zu 125 μs. Diese Highspeed-Kommunikation beseitigt Jitter bei den Servos, die eine genaue Motorsteuerung behindern können. Bei Anwendungen zur Versiegelung ist es entscheidend, dass die Versiegelung präzise vorgenommen werden kann. Dies trägt nicht nur dazu bei, den Materialabfall für nachgeschaltete Anwender zu minimieren, sondern stärkt auch den Ruf der Marke und die Kundenzufriedenheit.

Design und Wiederholbarkeit der Bewegungsabläufe - EtherCAT® für garantierte Befehlsübermittlung. EtherCAT® wurde entwickelt, um Motorsteuerung in Echtzeit zu gewährleisten. Vermeidung von Paketkollisionen, die auftreten können, wenn eine SPS mit jedem Gerät einzeln kommuniziert, und Sicherstellung, dass das richtige Paket zur richtigen Zeit an den richtigen Ort geliefert wird. In Anwendungen, in denen Präzision über viele Zyklen hinweg erforderlich ist, wie z. B. bei Abfüll- und Versiegelungsmaschinen, Abfüllanlagen und Sterilisationsanlagen, bietet EtherCAT® wiederholbare Bewegungsgenauigkeit. Die Zentraleinheit synchronisiert alle EtherCAT®-Operationen auf Basis des primären Bewegungsablaufs. Je nach gewünschter Wiederholgenauigkeit können drei EtherCAT®-Hauptmodi gewählt werden.

• Freier Betriebsmodus - Der EtherCAT®-Zyklus ist asynchron zum Buszyklus der Steuerung. Wenn mehrere Auffrischungen während eines EtherCAT®-Zyklus entfernt werden, obwohl Eingänge und Ausgänge nicht zur gleichen Zeit im gesamten Netzwerk aufgefrischt werden.
• Synchroner Modus - Der EtherCAT®-Zyklus wird mit dem Buszyklus der Steuerung synchronisiert. Das synchrone Lesen der Eingänge und das synchrone Auffrischen der Ausgänge erfolgt in festen Intervallen auf mehreren EtherCAT®-Geräten gleichzeitig.
• Zeitstempelmodus - Der EtherCAT®-Zyklus wird mit dem Buszyklus der Steuerung synchronisiert. Das synchrone Lesen der Einträge erfolgt auf Basis des EtherCAT®-Verteilertaktes. Dies ermöglicht präzise Zeitsteuerungen bis auf Mikrosekunden genau.

Design und Systemeffizienz - EtherCAT® für schnelles Design und zukünftige Skalierbarkeit. EtherCAT® ist ein weltweit offenes Industrieprotokoll, das es verschiedenen Herstellern ermöglicht, über ein gemeinsames Netzwerk zu kommunizieren. Dies hat in den letzten vierzehn Jahren in der Branche zu einer konstanten Wachstumsrate von 12 % pro Jahr geführt. Dieses Wachstum ist nicht nur ein Beweis für die Genauigkeit und Präzision von EtherCAT®, sondern auch für den anhaltenden Wettbewerbsvorteil, den es denjenigen bietet, die dieses umfassende Netzwerkprotokoll einsetzen. Verarbeiter und Verpacker, die EtherCAT® im Jahr 2010 implementiert haben, haben sich nicht nur für zukünftiges Wachstum positioniert, sondern auch erhebliche Redesignkosten vermieden.

Inbetriebnahme

Mit einem robusten Architekturdesign wird durch die Validierung der Performance vor dem ersten Durchlauf nicht nur das Risiko, dass die Performance die Kundenerwartungen nicht erfüllt, erheblich verringert, sondern das Team kann auch Ineffizienzen im System vor der Bereitstellung beseitigen. Der Prozess der Inbetriebnahme maximiert die Performance der Maschine und minimiert gleichzeitig die Risiken, die mit dem Einsatz in der Anlage des nachgeschalteten Anwenders verbunden sind. Während die Inbetriebnahme in der Regel in der Anlaufphase erfolgt, in der die Ausrüstung vollständig montiert ist, kann die Inbetriebnahme parallel zum Bau der Maschinen ohne jegliche Hardware erfolgen, wodurch die Gesamtproduktionszeit verkürzt wird, ohne dass die robusten Qualitätsstandards, die starke OEMs etabliert haben, untergraben werden.

Inbetriebnahme und Positionsgenauigkeit - Servoauswahl ohne Hardware. Die richtige Dimensionierung eines Servos ist entscheidend, um sowohl Kosteneffizienz als auch Genauigkeit in der Maschinenleistung zu erreichen. Eine Überdimensionierung eines Servos erhöht die Gesamtkosten der Maschine, während eine Unterdimensionierung die Gesamtleistung der Maschine beeinträchtigt. Durch den Einsatz einer integrierten Entwicklungsumgebung auf einer kompletten Automatisierungsplattform können OEMs den Prozess rationalisieren.

Mit diesem Ansatz kann ein einziges Programm verwendet werden, um die Performance der Maschine zu überprüfen, und es können Add-Ins zur Motorauslegung hinzugefügt werden, um die richtige Auswahl zu gewährleisten. Da die Überprüfung der Motorgröße und des Maschinenprogramms innerhalb desselben Softwarepakets erfolgt, entfällt die Komplexität der Verwendung zusätzlicher Software, wodurch das Risiko von Fehlern während des Auswahlprozesses reduziert wird. Dieser integrierte Ansatz vereinfacht den Prozess und erhöht die Genauigkeit der Servoauslegung, was zu einer verbesserten Maschinenleistung führt.

Inbetriebnahme und Wiederholbarkeit von Bewegungsabläufen - Bewegungssimulation ohne Hardware.Bewegungstrajektorien wirken sich symmetrisch auf die Gesamteffizienz der Anlage aus, wobei Beschleunigung, Abbremsung und Bewegungspfade die Durchlaufzeiten, die Wahrscheinlichkeit von Abstürzen und die Qualität des Endprodukts im Vergleich zu anderen Aspekten des Maschinendesigns überproportional beeinflussen. Die Simulation von Bewegungsabläufen in derselben Softwareumgebung, in der das Programm erstellt wird, beseitigt nicht nur das Risiko eines instabilen Prozesses in der Fabrikhalle, sondern gibt den Endbenutzern auch die Gewissheit, dass das Produkt in der Produktion genauso funktioniert wie während des Ablaufs.

Inbetriebnahme und Systemeffizienz - 3D-Simulation ohne Hardware. Die 3D-Simulation kann anstelle von physischer Hardware verwendet werden, um die gesamte Maschinengruppe zu simulieren, was den Inbetriebnahmeprozess erheblich verbessern kann. Es ist wichtig zu bedenken, dass Bewegung nicht der einzige Faktor in der Fabrikhalle ist. Es ist notwendig, die Bewegungsabläufe zusammen mit Sicherheitsprozessen und der Datenerfassung zu prüfen. Dies ist häufig der Fall, wenn Rückverfolgbarkeit und Bildverarbeitung in die Produktionsprozesse eingebunden sind. Durch die Verwendung von 3D-Modellen, die von den Herstellern zur Verfügung gestellt werden, und deren Simulation in derselben Softwareumgebung wie das Programm, können die Teams die Sicherheit gewährleisten, ohne Risiken bei der Inbetriebnahme einzugehen. Außerdem können die Teams so ein optimales Betriebsverfahren erstellen und die Leistung anhand eines bekannten Standards validieren, bevor sie den Bau der Ausrüstung genehmigen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit erheblich, dass die Maschine die Erwartungen der nachgeschalteten Anwender übertrifft, bevor sie in die physische Konstruktion investiert.

Produktion

Die Entwicklung und Inbetriebnahme von Erstausrüstungen kann für die Hersteller eine erhebliche Investition darstellen. Der Schlüssel zur Sicherung von Stammkunden liegt jedoch in der Leistungsphase des Lebenszyklus der Geräte. Faktoren wie die künftige Skalierbarkeit, die Betriebszeit von Prozessen und die Möglichkeit, Prozessdaten zu erfassen, können die Gesamtzufriedenheit der Kunden mit dem Automatisierungssystem und ihr Potenzial für künftige Geschäfte stark beeinflussen.

Produktion und Positioniergenauigkeit - Automatisierungsmodularität flexibel für zukünftige Anforderungen. Die leistungsstärksten kompletten Automatisierungsplattformen verfügen nicht nur über Hunderte von standardmäßigen modularen IO-Bauteilen für die Plug&Play-Installation, sondern auch über eine einzige Software mit Drag&Drop-Programmierung. Diese Plattformen verbinden sich mit weltweit offenen Industrieprotokollen, die über EtherCAT® hinausgehen, und erweitern die Vernetzung einer modularen SPS über eine Motorsteuerung hinaus, indem sie die Netzwerkeffekte dieser offenen Netzwerke nutzen und Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Link, MQTT, OPC UA® und SQL so verwenden, wie sie jeweils vorgesehen sind. Die OEM-freundlichsten Automatisierungsplattformen sind so konzipiert, dass neue Technologien von Anfang an schnell und ohne übermäßige Komplexität in der Fabrikhalle eingeführt werden können. So werden beispielsweise tragbare Rückverfolgungsgeräte, die über Ethernet kommunizieren, immer häufiger bei Motorsteuerungsanwendungen eingesetzt. OEMs können vorveröffentlichte Vernetzungsleitfäden und Funktionsblöcke von Drittanbietern verwenden, um die Kluft zwischen den Herstellern zu überbrücken und gleichzeitig die Modularität zu bewahren, die für Lebensmittel- und Rohstoffhersteller erforderlich ist, um flexibel auf sich entwickelnde Industriestandards, neue Verpackungsmaterialien und wechselnde Verbrauchertrends reagieren zu können.

Produktion und Wiederholbarkeit - Automatisierte Wiedergabe, die Produktionsereignisse selbstständig erfasst. Wenn Fehler in der Automatisierung zu Ereignissen führen, die Stillstandzeiten verursachen, ist es entscheidend, die Fehlerursache schnell zu finden und zu verifizieren, um das Vertrauen in die Prozessstabilität wiederherzustellen. Die Konvergenz von Daten, Video, Programmstruktur und Kontaktplanlogik bei der Wiedergabe wird zunehmend zur Norm. Die gesamte Wiedergabe ist zeitlich synchronisiert und ereignisgesteuert, so dass lokale und entfernte Teammitglieder Probleme schnell und genau diagnostizieren können, ohne die Produktion zu unterbrechen oder die Anwesenheit eines Bedieners während der Störung zu erfordern. In Verbindung mit der simulierten Leistung bei der Inbetriebnahme gibt die Datenwiedergabe über offene Protokolle wie EtherCAT® den nachgeschalteten Anwendern die Möglichkeit, kontinuierliche Verbesserungen zu erzielen, ohne die Leistungskennzahlen der Maschine zu beeinträchtigen.

Produktion und Systemeffizienz - OPC-UA®™-integrierte Server, die ganzheitliche Prozessdaten an zentrale Stellen liefern. Die OPC-UA®™-Serverfunktionalität, die inzwischen bei vielen Steuerungen zum Standard gehört, ermöglicht eine offene Kommunikation mit Feldgeräten. Dies stellt sicher, dass die SCADA-Software ihre Kommunikationsanforderungen erfüllen kann, da der eingebettete OPC-UA®™-Server gleichzeitige Verbindungen von mehreren Clients zulässt. Durch die Entscheidung für OPC UA™ können Anwender von nachgelagerten Maschinen sofort die Sicherheitsvorteile nutzen, die OPC UA®™ bietet, um unautorisierte Client-Zugriffe zu verhindern. Mit der zunehmenden Verbreitung der OPC-UA®™-Serverfunktionalität können OEMs engere Verbindungen zu den Anwendern aufbauen. Auf diese Weise können sie einen umfassenderen Support für bestehende Geräte anbieten und erhalten wertvolle Einblicke in potenzielle künftige Ausrüstungsmöglichkeiten innerhalb ihrer Installationsbasis.

Die Zufriedenheit der nachgelagerten Anwender mit der Motorsteuerung der OEMs beruht auf der Fähigkeit der Motorsteuerung, die wichtigsten Produktionskennzahlen von heute zu erfüllen, ohne den betrieblichen Erfolg von morgen zu behindern. Um die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Anlagen zu verbessern, müssen OEMs Wert auf robuste Konstruktionen legen, bei der Inbetriebnahme Vertrauen schaffen und eine effiziente Fehlersuche ermöglichen. Dies ist besonders wichtig, da die Industrienormen ein höheres Maß an Konformität verlangen. Indem sie sich auf diese Aspekte konzentrieren, können die Hersteller die Palette der wettbewerbsfähigen Merkmale ihrer Geräte erweitern und letztlich ihren Marktanteil erhöhen. Komplett-Automatisierungsplattformen nutzen weltweit offene Industrieprotokolle wie EtherCAT®, um einfache Architekturen in der Entwurfsphase zu schaffen, mehrere Simulationen in einer einzigen Entwurfsumgebung während der Inbetriebnahmephase zu erstellen und eine flexible Datenaggregation für zukünftige Skalierungen während der Produktion zu ermöglichen.

Fazit

Im Vorgriff auf künftige Herausforderungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie werden sich bestimmte Standards herausbilden. Dazu gehören der Bedarf an effizienten und integrativen Netzen, die rasche Entwicklung neuer, robuster Geräte und die nicht-intrusive, aber ganzheitliche Datenaggregation. Die ermutigende Nachricht ist, dass die zur Bewältigung dieser Herausforderungen erforderliche Technologie bereits verfügbar ist. OEMs können diese Technologie schon heute nutzen, um ihren nachhaltigen Wettbewerbsvorteil für die Zukunft zu festigen. Zu diesem Zweck bietet Omron Automation and Safety EtherCAT®-kompatible Geräte für Automatisierungs- und Steuerungskonzepte an, um einen erfolgreichen industriellen Betrieb sicherzustellen.