Genieten van succes: Efficiënte beweging voor OEM's in voeding en dranken

Betrouwbaarheid in motion control voor automatisering is een kritieke factor voor OEM's (Original Equipment Manufacturers). De drie belangrijkste variabelen die direct van invloed zijn op de algehele efficiëntie van de machine en die bijdragen aan betrouwbaarheid zijn servopositienauwkeurigheid, trajectherhaalbaarheid en algehele systeemefficiëntie. Elke fout in deze variabelen kan leiden tot negatieve gevolgen zoals langere ontwerptijden voor nieuwe apparatuur, het in gebruik nemen van hulpmiddelen en hogere productiekosten voor eindgebruikers.

OEM's staan voor de uitdaging om het aantal concurrerende functies op hun apparatuur te vergroten en tegelijkertijd vast te houden aan de ontwerpbeperkingen om de winstmarges te behouden. In deze context is het essentieel om vertrouwen te hebben in de motion control van automatisering. Door te zorgen voor hoge betrouwbaarheidsniveaus in servopositienauwkeurigheid, trajectherhaalbaarheid en systeemefficiëntie kunnen fabrikanten risico's beperken en hun concurrentievoordeel vergroten. Dankzij dit vertrouwen in de motion control van automatisering kunnen ze apparatuur leveren die voldoet aan de verwachtingen van de klant, de stilstandtijd vermindert en de productieprocessen optimaliseert.

Afbeelding 1: Geautomatiseerde broodfabriek. (Bron afbeelding: Getty Images)

In dit artikel wordt de levenscyclus van OEM-machines voor voedingsmiddelen (Afbeelding 1) en dranken (Afbeelding 2) gevolgd, van ontwerp tot ingebruikname en productie. Er worden best practices geïntroduceerd die de betrouwbaarheid van apparatuur vergroten door middel van nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en efficiëntie van de bewegingsbesturing. In elk onderdeel ligt de nadruk op het maximaliseren van de systeemprestaties door een eenvoudig ontwerp, terwijl ervoor gezorgd wordt dat toekomstige inzet van gegevensaggregatie niet opdringerig is.

Afbeelding 2: Geautomatiseerde bottelfabriek. (Bron afbeelding: Getty Images)

Ontwerp

Bij het ontwerpen van besturingssystemen voor automatisering is het belangrijk om vanaf het begin rekening te houden met nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en efficiëntie. De keuze van het netwerkprotocol speelt een belangrijke rol bij het bepalen van de complexiteit en prestaties van de machine downstream. De complexiteit van apparaatcommunicatie kan worden gemeten door de tijdlijn voor ontwerprevisies en de omvang van de stuklijst te meten. In voedsel- en drankfaciliteiten, waar productlevenscycli vele jaren kunnen duren, kan de keuze van het juiste netwerkprotocol de eigendomskosten van de machine op de lange termijn sterk beïnvloeden door hercertificeringskosten voor originele apparatuur te minimaliseren.

Het ontwerp van positienauwkeurigheid - EtherCAT® voor tijdsynchronisatie. Het wereldwijd open industriële protocol EtherCAT® is ontworpen voor efficiënte communicatie. De EtherCAT®-master communiceert via een enkel gegevenspakket dat naar elk veldapparaat gaat, waarbij het pakket gegevens voor elk apparaat aflevert en ontvangt terwijl het langs elk knooppunt en terug gaat, terwijl ethernetverkeer een individueel gesprek is tussen een PLC en elk veldapparaat, ongeacht het protocol. EtherCAT® maakt realtime deterministische communicatie mogelijk, met cyclussnelheden tot 125 μs. Deze snelle communicatie verwijdert jitter van de servo's die een nauwkeurige bewegingsbesturing kan belemmeren. Bij afdichtingstoepassingen is het van cruciaal belang om nauwkeurig af te dichten. Dit helpt niet alleen bij het minimaliseren van materiaalafval voor downstreamgebruikers, maar versterkt ook de merkreputatie en klanttevredenheid.

Het ontwerp van trajectherhaalbaarheid - EtherCAT® voor gegarandeerde opdrachtlevering. EtherCAT® is ontworpen voor real-time motion control. Het elimineren van pakketbotsingen die kunnen optreden wanneer een PLC een individueel gesprek voert met elk apparaat en ervoor zorgen dat het juiste pakket op het juiste moment op de juiste locatie wordt afgeleverd. In toepassingen waar precisie gedurende vele cycli vereist is, zoals vul- en sluitmachines, bottellijnen en sterilisatiesystemen, biedt EtherCAT® een herhaalbare bewegingsnauwkeurigheid. De centrale verwerkingseenheid synchroniseert alle EtherCAT®-bewerkingen op basis van de primaire bewegingstaak. Afhankelijk van het gewenste niveau van herhaalbaarheid kunnen drie EtherCAT®-modi geselecteerd worden.

• Vrije loopmodus - De EtherCAT®-cyclus is asynchroon met de buscyclus van de controller. Waar meerdere vernieuwingen worden verwijderd tijdens een EtherCAT®-cyclus, worden ingangen en uitgangen niet tegelijkertijd vernieuwd in het hele netwerk.
• Synchrone modus - De EtherCAT®-cyclus wordt gesynchroniseerd met de buscyclus van de controller. Synchroon lezen van ingangen en synchroon verversen van uitgangen worden met vaste intervallen uitgevoerd op meerdere EtherCAT®-apparaten tegelijk.
• Tijdstempelmodus - De EtherCAT®-cyclus wordt gesynchroniseerd met de buscyclus van de besturing. Het synchroon lezen van de ingangen is gebaseerd op de gedistribueerde klok van EtherCAT®. Hierdoor zijn nauwkeurige timings tot op microseconden mogelijk.

Het ontwerp van systeemefficiëntie - EtherCAT® voor snel ontwerp en toekomstige schaalbaarheid. EtherCAT® is een industrieel protocol dat wereldwijd open is, waardoor verschillende fabrikanten kunnen communiceren op een gedeeld netwerk. Dit heeft geleid tot een consistente adoptiegraad van 12% samengestelde jaarlijkse groei in de afgelopen veertien jaar in de industrie. Deze groei getuigt niet alleen van de nauwkeurigheid en precisie van EtherCAT®, maar ook van het aanhoudende concurrentievoordeel dat het biedt aan degenen die dit inclusieve netwerkprotocol hebben overgenomen. Processors en verpakkers die EtherCAT® in 2010 implementeerden, positioneerden zichzelf niet alleen voor toekomstige groei, maar vermeden ook aanzienlijke kosten voor herontwerp in het proces.

Commissie

Met een robuust architectuurontwerp vermindert het valideren van de prestaties voor de eerste keer niet alleen het risico dat de prestaties niet aan de verwachtingen van de klant voldoen, maar kan het team ook inefficiënties uit een systeem verwijderen voordat het wordt ingezet. Het inbedrijfstellingsproces maximaliseert de machineprestaties en minimaliseert tegelijkertijd de risico's die gepaard gaan met de inzet in de faciliteit van de downstreamgebruiker. Terwijl de inbedrijfstelling meestal wordt voltooid tijdens de afbouwfase, waarbij de apparatuur volledig wordt geassembleerd, kan de inbedrijfstelling parallel aan de machinebouw worden voltooid zonder hardware, waardoor de totale productietijd wordt verkort zonder de robuuste kwaliteitsnormen aan te tasten die sterke OEM's hebben gevestigd.

De inbedrijfstelling van positienauwkeurigheid - Servoselectie zonder hardware. De juiste dimensionering van een servo is cruciaal om zowel kosteneffectiviteit als nauwkeurigheid in machineprestaties te bereiken. Een te grote servo verhoogt de totale kosten van de machine, terwijl een te kleine servo de algehele prestaties van de machine nadelig beïnvloedt. Door gebruik te maken van een geïntegreerde ontwikkelomgeving op een alles-in-één automatiseringsplatform kunnen OEM's het proces stroomlijnen.

Met deze benadering kan een enkel programma worden gebruikt om de prestaties van de machine te verifiëren, met invoegtoepassingen voor de dimensionering van de motor om de juiste selectie te garanderen. Door de verificatie van de motorgrootte en het machineprogramma binnen hetzelfde softwarepakket uit te voeren, vervalt de complexiteit van het gebruik van extra software, waardoor de kans op fouten tijdens het selectieproces afneemt. Deze geïntegreerde benadering vereenvoudigt het proces en verbetert de nauwkeurigheid van de servomaatvoering, wat leidt tot betere machineprestaties.

De inbedrijfstelling van trajectherhaalbaarheid - Bewegingssimulatie zonder hardware.Bewegingstrajecten hebben een symmetrisch effect op de algehele efficiëntie van apparatuur, waarbij de versnelling, vertraging en bewegingspaden de doorlooptijden, kans op vastlopen en kwaliteit van het eindproduct onevenredig beïnvloeden in vergelijking met andere aspecten van het machineontwerp. Het simuleren van trajecten in dezelfde softwareomgeving als waarin het programma wordt gemaakt, neemt niet alleen de risico's weg van het creëren van een instabiel proces op de fabrieksvloer, maar geeft eindgebruikers ook het vertrouwen dat het product in de productie hetzelfde zal presteren als tijdens de run-off.

De inbedrijfstelling van systeemefficiëntie - 3D-simulatie zonder hardware. 3D-simulatie kan worden gebruikt in plaats van fysieke hardware om de volledige assemblage te simuleren, wat het inbedrijfstellingsproces aanzienlijk kan verbeteren. Het is belangrijk om te bedenken dat beweging niet de enige factor is op de fabrieksvloer. Het is ook noodzakelijk om beweging te verifiëren naast veiligheidsprocessen en gegevensverzameling. Dit komt vaak voor wanneer traceerbaarheid en visie ingewikkeld zijn voor productieprocessen. Door gebruik te maken van 3D-modellen van fabrikanten en deze te simuleren in dezelfde softwareomgeving als het programma, kunnen teams de veiligheid garanderen zonder risico's te introduceren tijdens de inbedrijfstelling. Bovendien stelt dit teams in staat om een optimale werkprocedure te creëren en stelt dit runoff-teams in staat om de prestaties te valideren ten opzichte van een bekende standaard voordat de constructie van de apparatuur wordt goedgekeurd. Dit vergroot de kans aanzienlijk dat de machine de verwachtingen van downstreamgebruikers overtreft voordat er in de fysieke bouw wordt geïnvesteerd.

Productie

Het ontwerpen en in bedrijf stellen van originele apparatuur kan een aanzienlijke investering zijn voor fabrikanten. De sleutel tot het behouden van terugkerende klanten ligt echter in de prestatiefase van de levenscyclus van de apparatuur. Factoren zoals toekomstige schaalbaarheid, uptime van processen en de mogelijkheid om procesgegevens te verzamelen, kunnen van grote invloed zijn op de algehele klanttevredenheid over het automatiseringssysteem en hun potentieel voor toekomstige zaken.

De productie van positienauwkeurigheid - Modulaire automatisering die flexibel is voor toekomstige vraag. De best presterende alles-in-één automatiseringsplatforms hebben niet alleen honderden kant-en-klare modulaire IO-onderdeelnummers voor plug-and-play-installatie, maar ook één software met drag-and-drop programmering. Deze platforms maken verbinding met behulp van wereldwijd open industriële protocollen die verder gaan dan EtherCAT®, waardoor de connectiviteit van een modulaire PLC verder reikt dan een motion door gebruik te maken van de netwerkeffecten van deze open netwerken en Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety™, IO-Link, MQTT, OPC UA® en SQL te gebruiken zoals elk van deze protocollen bedoeld is. De automatiseringsplatforms die het meest geschikt zijn voor OEM's zijn ontworpen om nieuwe technologieën vanaf het allereerste begin snel toe te passen zonder onnodige complexiteit te introduceren op de fabrieksvloer. Handheld traceerbaarheid die communiceert via Ethernet wordt bijvoorbeeld steeds gebruikelijker in bewegingstoepassingen. OEM's kunnen vooraf gepubliceerde connectiviteitshandleidingen en functieblokken van derden gebruiken om de kloof tussen fabrikanten te helpen overbruggen, terwijl de modulariteit behouden blijft die fabrikanten van voedingsmiddelen en basisproducten nodig hebben om flexibel te kunnen blijven inspelen op veranderende industrienormen, nieuwe verpakkingsmaterialen en veranderende consumententrends.

De productie van herhaalbaarheid - Automatisering playbackt het autonoom vastleggen van productiegebeurtenissen. Wanneer fouten in de automatisering leiden tot gebeurtenissen die stilstand veroorzaken, is het snel vinden van de hoofdoorzaak van de fout en het verifiëren van de fout essentieel om het vertrouwen in de processtabiliteit te herstellen. De convergentie van gegevens, video, programmastructuur en ladderlogica bij het afspelen wordt steeds meer de norm. Alle weergave wordt gesynchroniseerd met tijd en gebeurtenissen, zodat lokale teamleden en teamleden op afstand snel en nauwkeurig problemen kunnen vaststellen zonder de productie te onderbreken of de aanwezigheid van een operator tijdens storingen te vereisen. In combinatie met gesimuleerde prestaties in de inbedrijfstellingstoestand, biedt het afspelen van gegevens via open protocollen zoals EtherCAT®-downstreamgebruikers de mogelijkheid om continue verbeteringen te realiseren zonder afbreuk te doen aan de prestatiegegevens van de machine.

De productie van systeemefficiëntie - OPC UA®™ ingebouwde servers die holistische procesgegevens naar centrale locaties sturen. De OPC UA®™-serverfunctionaliteit, die nu standaard aanwezig is op veel controllers, maakt open communicatie met veldapparatuur mogelijk. Dit zorgt ervoor dat de SCADA-software kan voldoen aan de communicatievereisten, aangezien de ingebouwde OPC UA®™-server gelijktijdige verbindingen van meerdere clients mogelijk maakt. Door te kiezen voor OPC UA™ kunnen gebruikers van downstream machines direct gebruik maken van de beveiligingsvoordelen die OPC UA®™ biedt om ongeautoriseerde clienttoegang te voorkomen. Nu de OPC UA®™-serverfunctionaliteit steeds meer ingang vindt, kunnen OEM's een sterkere band opbouwen met gebruikers. Hierdoor kunnen ze uitgebreidere ondersteuning bieden voor bestaande apparatuur en waardevolle inzichten verwerven in potentiële toekomstige mogelijkheden voor apparatuur binnen hun installatiebestand.

Downstream gebruikerstevredenheid van de motion control van OEM's is gebaseerd op het vermogen van de motion om vandaag te voldoen aan belangrijke productiegegevens zonder het operationele succes van morgen te belemmeren. Om de concurrentiepositie van hun apparatuur te verbeteren, moeten OEM's prioriteit geven aan robuuste ontwerpen, vertrouwen wekken tijdens de inbedrijfstelling en efficiënte probleemoplossing mogelijk maken. Dit is vooral belangrijk omdat industrienormen hogere niveaus van naleving vereisen. Door zich op deze aspecten te richten, kunnen fabrikanten de reeks concurrerende functies van hun apparatuur uitbreiden en uiteindelijk hun marktaandeel vergroten. All-in-one automatiseringsplatforms maken gebruik van wereldwijd open industriële protocollen, zoals EtherCAT®, om eenvoudige architecturen te creëren tijdens de ontwerpfase, meerdere simulaties te creëren in een enkele ontwerpomgeving tijdens de inbedrijfstellingsfase en flexibele gegevensaggregatie te creëren voor toekomstige schaalvergroting tijdens de productie.

Conclusie

Aangezien we anticiperen op toekomstige uitdagingen in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, zullen er bepaalde standaarden ontstaan. Deze omvatten de behoefte aan efficiënte en inclusieve netwerken, snelle ontwikkeling van nieuwe apparatuur met robuustheid en niet-intrusieve maar holistische gegevensaggregatie. Het bemoedigende nieuws is dat de technologie die nodig is om deze uitdagingen aan te gaan al beschikbaar is. OEM's kunnen deze technologie nu al gebruiken om hun duurzame concurrentievoordeel voor de toekomst te versterken. Daarom heeft Omron Automation and Safety EtherCAT®-compatibele apparatuur beschikbaar voor automatiserings- en besturingsontwerpen om een succesvolle industriële werking te garanderen.