Savourer le succès : mouvement efficace pour les OEM dans l'industrie agroalimentaire

La fiabilité du contrôle de mouvement dans l'automatisation est un facteur critique pour les équipementiers (OEM). Ayant un impact direct sur le rendement global des machines, les trois variables clés qui contribuent à la fiabilité sont la précision de la position des servos, la répétabilité de la trajectoire et le rendement global du système. Toute défaillance de ces variables peut avoir des conséquences négatives telles que l'allongement des délais de conception pour les nouveaux équipements, le dépassement des ressources de mise en service et l'augmentation des coûts de production pour les utilisateurs finaux.

Les équipementiers sont confrontés au défi d'augmenter le nombre de fonctionnalités concurrentielles sur leurs équipements tout en respectant les contraintes de conception visant à maintenir les marges de rentabilité. Dans ce contexte, la confiance dans le contrôle de mouvement d'automatisation est essentielle. En garantissant de hauts niveaux de fiabilité en matière de précision de position des servos, de répétabilité de trajectoire et de rendement du système, les fabricants peuvent atténuer les risques et améliorer leur avantage concurrentiel. Cette confiance dans le contrôle de mouvement d'automatisation leur permet de fournir des équipements qui répondent aux attentes des clients, réduisent les temps d'arrêt et optimisent les processus de production.

Figure 1 : Usine de fabrication de pain automatisée. (Source de l'image : Getty Images)

Cet article suit le cycle de vie des machines OEM pour l'alimentation (Figure 1) et les boissons (Figure 2), de la conception à la production en passant par la mise en service. Il présente les meilleures pratiques permettant d'améliorer la confiance dans les équipements grâce à la précision, à la répétabilité et au rendement du contrôle de mouvement. Chaque section met l'accent sur l'optimisation des performances du système grâce à la simplicité de conception, tout en veillant à ce que le déploiement futur de l'agrégation des données ne soit pas intrusif.

Figure 2 : Ligne d'embouteillage automatisée. (Source de l'image : Getty Images)

Conception

Lors de la conception de systèmes de contrôle d'automatisation, il est important de prendre en compte la précision, la répétabilité et le rendement dès le départ. Le choix du protocole réseau joue un rôle important dans la détermination de la complexité et des performances de la machine en aval. La complexité de communication des dispositifs peut être mesurée en évaluant le temps requis pour les révisions de conception et l'ampleur de la nomenclature. Dans les installations agroalimentaires, où le cycle de vie des produits peut s'étendre sur de nombreuses années, la sélection du protocole réseau approprié peut avoir un impact considérable sur les coûts de possession à long terme de la machine en minimisant les coûts de recertification de l'équipement d'origine.

Conception de la précision de position - EtherCAT® pour la synchronisation temporelle. Le protocole industriel ouvert à l'échelle mondiale, EtherCAT®, est conçu pour des communications efficaces. Le maître EtherCAT® communique via un seul paquet de données qui se déplace vers chacun des dispositifs de terrain, déposant et recevant des données pour chaque dispositif à mesure que le paquet passe par chaque nœud et revient, tandis que le trafic Ethernet est une conversation individuelle entre un PLC et chaque dispositif de terrain, quel que soit le protocole. EtherCAT® permet une communication déterministe en temps réel, avec des fréquences de seulement 125 μs. Cette communication haute vitesse supprime la gigue des servos, susceptible de nuire à la précision du contrôle de mouvement. Dans les applications d'étanchéité, il est essentiel de pouvoir réaliser une étanchéité précise. Cela permet non seulement de minimiser le gaspillage de matériaux pour les utilisateurs en aval, mais également de renforcer la réputation de la marque et la satisfaction des clients.

Conception de la répétabilité de la trajectoire – EtherCAT® pour une transmission de commande garantie. EtherCAT® est conçu pour garantir un contrôle de mouvement en temps réel. Il élimine les collisions de paquets susceptibles de se produire lorsqu'un PLC a une conversation individuelle avec chaque dispositif et garantit que le bon paquet est livré au bon endroit, au bon moment. Dans les applications où la précision est requise sur de nombreux cycles, comme les machines de remplissage et de scellage, les lignes d'embouteillage et les systèmes de stérilisation, EtherCAT® offre une précision de mouvement reproductible. L'unité de traitement centrale synchronise toutes les opérations EtherCAT® en fonction de la tâche de mouvement principale. En fonction du niveau de répétabilité souhaité, trois modes EtherCAT® principaux peuvent être sélectionnés.

• Mode d'exécution libre - Le cycle EtherCAT® est asynchrone par rapport au cycle de bus de contrôleur. Plusieurs actualisations sont supprimées au cours d'un cycle EtherCAT®, même si les entrées et les sorties ne sont pas actualisées en même temps sur le réseau.
• Mode synchrone - Le cycle EtherCAT® est synchronisé avec le cycle de bus de contrôleur. La lecture synchrone des entrées et l'actualisation synchrone des sorties sont effectuées à intervalles fixes sur plusieurs dispositifs EtherCAT® simultanément.
• Mode d'horodatage - Le cycle EtherCAT® est synchronisé avec le cycle de bus de contrôleur. La lecture synchrone des entrées est basée sur l'horloge distribuée EtherCAT®. Cela permet des synchronisations précises de l'ordre des microsecondes.

Conception du rendement du système – EtherCAT® pour une conception rapide et une évolutivité future. EtherCAT® est un protocole industriel ouvert à l'échelle mondiale, permettant à différents fabricants de communiquer sur un réseau partagé. Cela a conduit à un taux d'adoption constant de 12 % de croissance annuelle composée au cours des quatorze dernières années dans l'industrie. Cette croissance témoigne non seulement de l'exactitude et de la précision d'EtherCAT®, mais également de l'avantage concurrentiel durable qu'il offre à ceux qui ont adopté ce protocole réseau inclusif. Les transformateurs et les conditionneurs qui ont mis en œuvre EtherCAT® en 2010 se sont non seulement positionnés pour une croissance future, mais ont également évité des coûts de reconception importants au cours du processus.

Mise en service

Avec une conception d'architecture robuste, la validation des performances avant la première phase réduit non seulement considérablement le risque que les performances ne répondent pas aux attentes des clients, mais permet également à l'équipe d'éliminer les inefficacités d'un système avant de le déployer. Le processus de mise en service maximise les performances de la machine tout en minimisant les risques associés au déploiement dans l'installation en aval. Alors que la mise en service est généralement effectuée au cours de la phase de finalisation, au moment où l'équipement est entièrement assemblé, elle peut être effectuée parallèlement à la construction de la machine sans aucun matériel, réduisant le temps de production total sans compromettre les normes de qualité rigoureuses des équipementiers réputés.

Mise en service de la précision de position – Sélection de servos sans matériel. Le dimensionnement approprié d'un servo est crucial pour atteindre à la fois la rentabilité et la précision des performances de la machine. Le surdimensionnement d'un servo augmente le coût global de la machine, tandis que son sous-dimensionnement nuit aux performances globales de la machine. En utilisant un environnement de développement intégré sur une plateforme d'automatisation tout-en-un, les équipementiers peuvent rationaliser le processus.

Avec cette approche, un seul programme peut être utilisé pour vérifier les performances de la machine, intégrant des modules complémentaires de dimensionnement de moteur pour garantir la sélection correcte. En effectuant la vérification de la taille du moteur et du programme de la machine au sein du même progiciel, la complexité liée à l'utilisation de logiciels supplémentaires est éliminée, réduisant ainsi le risque d'erreurs lors du processus de sélection. Cette approche intégrée simplifie le processus et améliore la précision du dimensionnement des servos, conduisant à de meilleures performances de la machine.

Mise en service de la répétabilité de trajectoire – Simulation de mouvement sans matériel. Les trajectoires de mouvement ont un effet symétrique sur le rendement global de l'équipement, où l'accélération, la décélération et les trajectoires de mouvement affectent les délais d'exécution, les probabilités de collision et la qualité du produit final à un taux disproportionné par rapport à d'autres aspects de la conception de la machine. La simulation de trajectoires dans le même environnement logiciel que celui dans lequel le programme est créé élimine non seulement le risque d'un processus instable dans l'usine, mais donne également aux utilisateurs finaux l'assurance que le produit aura les mêmes performances en production que pendant la phase de finalisation.

Mise en service du rendement du système – Simulation 3D sans matériel. La simulation 3D peut être utilisée à la place du matériel physique pour simuler l'assemblage complet, ce qui peut grandement améliorer le processus de mise en service. Il est important de garder à l'esprit que le mouvement n'est pas le seul facteur dans l'usine. Il est également nécessaire de vérifier le mouvement parallèlement aux processus de sécurité et à la collecte de données. C'est souvent le cas lorsque la traçabilité et la vision font partie intégrante des processus de production. En utilisant les modèles 3D fournis par les fabricants et en effectuant leur simulation dans le même environnement logiciel que le programme, les équipes peuvent garantir la sécurité sans introduire de risques lors de la mise en service. De plus, cela permet aux équipes de créer une procédure opérationnelle optimale et aux équipes de finalisation de valider les performances par rapport à une norme connue avant d'approuver la construction de l'équipement. Cela augmente considérablement la probabilité que la machine dépasse les attentes des utilisateurs en aval avant d'investir dans la construction physique.

Production

La conception et la mise en service d'équipements d'origine peuvent représenter un investissement important pour les fabricants. Cependant, la clé pour fidéliser les clients réside dans la phase de performances du cycle de vie de l'équipement. Des facteurs tels que l'évolutivité future, la disponibilité des processus et la capacité à collecter des données de processus peuvent avoir un impact considérable sur la satisfaction globale des clients à l'égard du système d'automatisation et sur un potentiel commercial futur.

Production de la précision de position – Modularité d'automatisation flexible pour répondre à la demande future. Les plateformes d'automatisation tout-en-un les plus performantes disposent non seulement de centaines de références d'E/S modulaires prêtes à l'emploi pour une installation plug-and-play, mais également d'un logiciel unique avec programmation par glisser-déposer. Ces plateformes se connectent à l'aide de protocoles industriels ouverts à l'échelle mondiale au-delà d'EtherCAT®, étendant la connectivité d'un PLC modulaire au-delà d'un mouvement en exploitant les effets de réseau de ces réseaux ouverts et en utilisant Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Link, MQTT, OPC UA® et SQL, comme chacun d'entre eux a été conçu pour être utilisé. Les plateformes d'automatisation les plus favorables pour les équipementiers ont été conçues pour permettre l'adoption rapide de nouvelles technologies dès le départ et sans introduire de complexité excessive dans l'usine. Par exemple, la traçabilité portable qui communique via Ethernet est de plus en plus courante dans les applications de mouvement. Les équipementiers peuvent utiliser des guides de connectivité et des blocs fonctionnels tiers pré-publiés pour aider à combler le fossé entre les fabricants tout en préservant la modularité requise pour que les fabricants de produits alimentaires et de matières premières restent flexibles face à l'évolution des normes industrielles, aux nouveaux matériaux d'emballage et à l'évolution des tendances de consommation.

Production de répétabilité - Lecture automatisée capturant les événements de production de manière autonome. Lorsque des problèmes d'automatisation entraînent des événements provoquant des temps d'arrêt, il est essentiel de trouver rapidement la cause première du problème et de vérifier les résultats pour restaurer la confiance dans la stabilité des processus. La convergence des données, de la vidéo, de la structure du programme et du langage ladder lors de la lecture devient de plus en plus la norme. Toutes les lectures sont synchronisées dans le temps et déclenchées par des événements pour permettre aux membres des équipes locales et distantes de diagnostiquer les problèmes avec rapidité et précision sans interrompre la production ni exiger la présence de l'opérateur pendant la défaillance. Lorsqu'elle est associée à des performances simulées lors de la mise en service, la lecture des données sur des protocoles ouverts tels qu'EtherCAT® donne aux utilisateurs en aval la possibilité de réaliser des améliorations continues sans compromettre les mesures de performances de la machine.

Production du rendement du système – Serveurs intégrés OPC UA®™ alimentant des données de processus holistiques vers des emplacements centraux. Les fonctionnalités du serveur OPC UA®™, constituant désormais une caractéristique standard sur de nombreux contrôleurs, permettent une communication ouverte avec les dispositifs de terrain. Cela garantit que le logiciel SCADA peut répondre à ses exigences de communication, car le serveur OPC UA®™ embarqué permet des connexions simultanées à partir de plusieurs clients. En optant pour OPC UA™, les utilisateurs de machines en aval peuvent rapidement tirer parti des avantages de sécurité offerts par OPC UA®™ pour empêcher tout accès client non autorisé. Avec la prévalence des fonctionnalités du serveur OPC UA®™, les équipementiers peuvent établir des connexions plus solides avec les utilisateurs. Cela leur permet d'offrir une assistance plus complète pour les équipements existants et d'obtenir des informations précieuses sur les opportunités potentielles d'équipements futurs au sein de leur base d'installation.

La satisfaction des utilisateurs en aval du contrôle de mouvement des équipementiers repose sur la capacité du mouvement à répondre aux paramètres de production clés d'aujourd'hui sans entraver le succès opérationnel de demain. Pour améliorer la compétitivité de leurs équipements, les équipementiers doivent donner la priorité à des conceptions robustes, inspirer confiance durant la mise en service et permettre un dépannage efficace. Cela est d'autant plus important que les normes industrielles exigent des niveaux de conformité plus élevés. En se concentrant sur ces aspects, les fabricants peuvent étendre la gamme de fonctionnalités compétitives offertes par leurs équipements, augmentant ainsi leur part de marché. Les plateformes d'automatisation tout-en-un utilisent des protocoles industriels ouverts à l'échelle mondiale, tels qu'EtherCAT®, pour créer des architectures simples tout au long de la phase de conception, créer de multiples simulations dans un environnement de conception unique pendant la phase de mise en service, et créer une agrégation de données flexible pour une future mise à l'échelle pendant la production.

Conclusion

Alors que nous anticipons les défis futurs de l'industrie agroalimentaire, certaines normes émergent. Il s'agit notamment de la nécessité de réseaux efficaces et inclusifs, du développement rapide de nouveaux équipements robustes et de l'agrégation de données non intrusive mais holistique. La bonne nouvelle, c'est que les technologies requises pour relever ces défis sont déjà disponibles. Les équipementiers peuvent tirer parti de ces technologies dès aujourd'hui pour renforcer leur avantage concurrentiel durable pour l'avenir. À cette fin, Omron Automation and Safety propose des équipements compatibles EtherCAT® disponibles pour les conceptions d'automatisation et de contrôle afin de garantir la réussite des opérations industrielles.