La via al successo: l'efficienza del movimento per gli OEM del settore della trasformazione alimentare

L'affidabilità del controllo assi nell'automazione è un fattore critico per i produttori di apparecchiature originali (OEM). Con un impatto diretto sull'efficienza complessiva di una macchina, le tre variabili chiave che contribuiscono all'affidabilità sono la precisione della posizione del servocomando, la ripetibilità della traiettoria e l'efficienza complessiva del sistema. Qualsiasi errore in queste variabili può avere conseguenze negative, come l'allungamento dei tempi di progettazione delle nuove apparecchiature, l'insufficienza delle risorse per la messa in funzione e l'aumento dei costi di produzione per gli utenti finali.

Gli OEM si trovano ad affrontare la sfida di aumentare il numero di caratteristiche competitive delle loro apparecchiature, rispettando al contempo i vincoli di progettazione che mirano a mantenere alti i margini di redditività. In questo contesto, avere fiducia nel controllo del movimento per l'automazione diventa essenziale. Garantendo alti livelli di affidabilità in fatto di precisione della posizione, ripetibilità della traiettoria ed efficienza del sistema, i produttori possono ridurre i rischi e aumentare il loro vantaggio competitivo. Questa fiducia nel controllo assi dell'automazione consente loro di fornire apparecchiature che soddisfano le aspettative dei clienti, riducono i tempi di fermo e ottimizzano i processi produttivi.

Figura 1: Panificio automatizzato. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Questo articolo segue il ciclo di vita delle macchine OEM per alimenti (Figura 1) e bevande (Figura 2) dalla progettazione, alla messa in funzione, fino alla produzione. Sono introdotte le best practice che migliorano la sicurezza delle apparecchiature grazie all'accuratezza, alla ripetibilità e all'efficienza del controllo del movimento. In ogni sezione, l'attenzione si concentra sulla massimizzazione delle prestazioni del sistema attraverso la semplicità della progettazione, garantendo al contempo che la futura distribuzione dell'aggregazione dei dati non sia intrusiva.

Figura 2: Fabbrica di imbottigliamento automatizzata. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Progettazione

Quando si progettano sistemi di controllo dell'automazione, è importante considerare fin dall'inizio la precisione, la ripetibilità e l'efficienza. La scelta del protocollo di rete gioca un ruolo significativo nel determinare la complessità e le prestazioni della macchina a valle. La complessità della comunicazione del dispositivo può essere misurata misurando la tempistica delle revisioni del progetto e l'entità della distinta base. Negli impianti per la produzione di alimenti e bevande, dove i cicli di vita dei prodotti possono durare molti anni, la scelta del protocollo di rete appropriato può incidere notevolmente sui costi di gestione a lungo termine della macchina, riducendo al minimo i costi di ricertificazione delle apparecchiature originali.

Progettare la precisione di posizionamento - EtherCAT® per la sincronizzazione temporale. Il protocollo industriale aperto a livello mondiale, EtherCAT®, è concepito per garantire l'efficienza della comunicazione. Il master EtherCAT® comunica attraverso un singolo pacchetto di dati che viaggia verso ciascuno dei dispositivi di campo, lasciando e ricevendo dati per ciascun dispositivo mentre attraversa ciascun nodo e torna indietro. Per contro, il traffico Ethernet è una conversazione individuale tra un PLC e ciascun dispositivo di campo, indipendentemente dal protocollo. EtherCAT® consente una comunicazione deterministica in tempo reale, con velocità di ciclo fino a 125 μs. Questa comunicazione ad alta velocità elimina il jitter dei servocomandi che può ostacolare il controllo preciso del movimento. Nelle applicazioni di sigillatura, la capacità di sigillare con precisione è fondamentale. Questo non solo contribuisce a ridurre al minimo gli sprechi di materiale per gli utenti a valle, ma rafforza anche la reputazione del marchio e la soddisfazione dei clienti.

Progettare la ripetibilità della traiettoria - EtherCAT® per una consegna garantita delle commesse. EtherCAT® è concepito per garantire il controllo del movimento in tempo reale. Elimina le collisioni di pacchetti che potrebbero verificarsi quando un PLC ha una conversazione individuale con ogni dispositivo e assicura che il pacchetto giusto sia consegnato alla posizione giusta, al momento giusto. Nelle applicazioni che richiedono precisione per numerosi cicli, come le macchine di riempimento e sigillatura, le linee di imbottigliamento e i sistemi di sterilizzazione, EtherCAT® offre una precisione di movimento ripetibile. L'unità di elaborazione centrale sincronizza tutte le operazioni EtherCAT® in base al compito di movimento primario. A seconda del livello di ripetibilità desiderato, è possibile selezionare tre modalità EtherCAT® principali.

• Modalità libera - Il ciclo EtherCAT® è asincrono rispetto al ciclo del bus del controller. Quando vengono rimossi più aggiornamenti durante un ciclo EtherCAT® , gli ingressi e le uscite non vengono aggiornati contemporaneamente in tutta la rete.
• Modalità sincrona - Il ciclo EtherCAT® è sincronizzato con il ciclo del bus del controller. La lettura sincrona degli ingressi e l'aggiornamento sincrono delle uscite avvengono a intervalli fissi su più dispositivi EtherCAT® contemporaneamente.
• Modalità temporale - Il ciclo EtherCAT® è sincronizzato con il ciclo del bus del controller. La lettura sincrona delle voci si basa sul clock distribuito EtherCAT® . Ciò offre tempistiche precise nell'ordine dei microsecondi.

Progettare l'efficienza del sistema - EtherCAT® per una progettazione rapida e una scalabilità futura. EtherCAT® è un protocollo industriale aperto a livello globale, che consente a diversi produttori di comunicare su una rete condivisa. Questo ha portato a un tasso di adozione costante del 12% di crescita annuale composta negli ultimi quattordici anni. Questa crescita non è solo una testimonianza dell'accuratezza e della precisione di EtherCAT®, ma anche del vantaggio competitivo che offre a coloro che hanno adottato questo protocollo di rete completo. I trasformatori e i confezionatori che hanno implementato EtherCAT® nel 2010 non solo si sono posizionati per la crescita futura, ma hanno anche evitato notevoli costi di riprogettazione.

Messa in funzione

Con una solida progettazione dell'architettura, la convalida delle prestazioni prima del primo passaggio non solo riduce notevolmente il rischio che le prestazioni non soddisfino le aspettative del cliente, ma consente anche di eliminare le inefficienze di un sistema prima della distribuzione. Il processo di messa in funzione massimizza le prestazioni della macchina, riducendo al contempo al minimo i rischi associati all'installazione nell'impianto dell'utente a valle. Mentre solitamente la messa in funzione viene completata durante la fase di rodaggio, dove l'apparecchiatura è completamente assemblata, la messa in funzione può essere completata in parallelo alla costruzione della macchina senza alcun hardware, riducendo il tempo di produzione totale senza erodere i solidi standard di qualità che hanno consolidato i forti OEM.

Messa in funzione con precisione di posizionamento - Selezione del servocomando senza hardware. Il corretto dimensionamento di un servocomando è fondamentale sia per l'economicità sia per la precisione delle prestazioni della macchina. Il sovradimensionamento di un servocomando aumenta il costo complessivo della macchina, mentre il sottodimensionamento ne pregiudica le prestazioni. Utilizzando un ambiente di sviluppo integrato su una piattaforma di automazione completa, gli OEM possono semplificare il processo.

Con questo approccio, è possibile utilizzare un unico programma per verificare le prestazioni della macchina, incorporando add-in di dimensionamento del motore per garantire la corretta selezione. Completando la verifica delle dimensioni del motore e del programma della macchina all'interno dello stesso pacchetto software, si elimina la complessità di software aggiuntivi, riducendo il rischio di errori durante la selezione. Questo approccio integrato semplifica il processo e aumenta l'accuratezza del dimensionamento, con conseguente miglioramento delle prestazioni della macchina.

Messa in funzione della ripetibilità della traiettoria – Simulazione del movimento senza hardware.Le traiettorie di movimento hanno un effetto simmetrico sull'efficienza complessiva del sistema, dove l'accelerazione, la decelerazione e i percorsi interessano i tempi di throughput, la probabilità di incidenti e la qualità finale del prodotto in modo non proporzionale rispetto ad altri aspetti della progettazione della macchina. La simulazione delle traiettorie nello stesso ambiente software in cui viene creato il programma non solo elimina i rischi di creare un processo instabile in fabbrica, ma dà agli utenti finali la certezza che il prodotto funzionerà in produzione nello stesso modo in cui funziona durante il rodaggio.

Messa in funzione dell'efficienza del sistema - Simulazione 3D senza hardware. La simulazione 3D può essere utilizzata al posto dell'hardware fisico per simulare l'intero assemblaggio, migliorando notevolmente il processo di messa in funzione. È importante considerare che il movimento non è l'unico fattore. È inoltre necessario verificare il movimento insieme ai processi di sicurezza e alla raccolta dei dati. Ciò è tipico quando la tracciabilità e la visione sono intricate nei processi di produzione. Utilizzando i modelli 3D forniti dai produttori e simulandoli nello stesso ambiente software del programma, si può garantire la sicurezza senza introdurre rischi durante la messa in funzione. Inoltre, ciò consente di creare una procedura operativa ottimale e permette ai team di rodaggio di convalidare le prestazioni rispetto a uno standard noto prima di approvare la costruzione dell'apparecchiatura. Questo aumenta significativamente la probabilità che la macchina superi le aspettative degli utenti a valle prima di investire nella costruzione fisica.

Produzione

La progettazione e la messa in funzione di un'apparecchiatura originale possono rappresentare un investimento significativo per i produttori. Tuttavia, la chiave per assicurarsi clienti abituali risiede nella fase delle prestazioni del ciclo di vita dell'apparecchiatura. Fattori come la scalabilità futura, il tempo di attività dei processi e la capacità di raccogliere dati sui processi possono influire notevolmente sulla soddisfazione complessiva del cliente nei confronti del sistema di automazione e sul suo potenziale di business futuro.

La produzione della precisione di posizionamento - Modularità dell'automazione flessibile alla domanda futura. Le piattaforme di automazione complete più performanti non solo hanno centinaia di componenti IO modulari pronti per l'installazione plug-and-play, ma hanno anche un unico software con programmazione drag-and-drop. Queste piattaforme si connettono utilizzando protocolli industriali aperti a livello globale oltre a EtherCAT®, estendendo la connettività di un PLC modulare al di là del movimento, sfruttando gli effetti di queste reti aperte e utilizzando Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Link, MQTT, OPC UA® e SQL nel modo in ciascuno è stato concepito. Le piattaforme di automazione più favorevoli agli OEM sono state progettate per adottare rapidamente le nuove tecnologie fin dall'inizio e senza introdurre un'eccessiva complessità nell'impianto. Ad esempio, la tracciabilità portatile che comunica via Ethernet sta diventando sempre più comune nelle applicazioni di movimento. Gli OEM possono utilizzare guide alla connettività e blocchi funzionali di terze parti pubblicati in precedenza per colmare il divario tra i produttori, preservando al contempo la modularità necessaria ai produttori di alimenti e materie prime per rimanere flessibili all'evoluzione degli standard industriali, ai nuovi materiali di confezionamento e alle mutevoli tendenze dei consumatori.

Produzione di ripetibilità - La riproduzione dell'automazione che registra gli eventi di produzione in modo autonomo. Quando i guasti nell'automazione provocano eventi che causano tempi di fermo, trovare rapidamente la causa principale del guasto e verificarla è fondamentale per ripristinare la fiducia nella stabilità del processo. La convergenza di dati, video, struttura del programma e logica ladder nella riproduzione sta diventando sempre più la norma. Tutta la riproduzione è sincronizzata nel tempo e attivata da eventi per consentire ai membri dei team locali e remoti di diagnosticare i problemi in modo rapido e accurato senza interrompere la produzione né richiedere la presenza dell'operatore durante i guasti. Se abbinata a prestazioni simulate nello stato di messa in funzione, la riproduzione dei dati su protocolli aperti come EtherCAT® offre agli utenti a valle la possibilità di realizzare miglioramenti continui senza compromettere le metriche prestazionali della macchina.

Produzione di efficienza del sistema - Server integrati OPC UA®™ che forniscono dati di processo olistici a postazioni centrali. La funzionalità server OPC UA®™, ormai standard su molti controller, offre una comunicazione aperta con i dispositivi sul campo. Ciò garantisce che il software SCADA possa soddisfare i suoi requisiti di comunicazione, poiché il server OPC UA®™ incorporato consente connessioni simultanee da più client. Scegliendo OPC UA™, gli utenti delle macchine a valle possono utilizzare prontamente i vantaggi di sicurezza offerti da OPC UA®™ per impedire l'accesso non autorizzato ai client. Con la crescente diffusione delle funzionalità dei server OPC UA®™, gli OEM possono stabilire connessioni più forti con gli utenti. Ciò consente loro di offrire un'assistenza più completa per le apparecchiature esistenti e di ottenere preziose informazioni sulle potenziali opportunità future di apparecchiature all'interno della loro base installata.

La soddisfazione degli utenti a valle nel controllo assi degli OEM si basa sulla capacità del controllo assi di soddisfare le metriche di produzione chiave di oggi senza ostacolare il successo operativo di domani. Per migliorare la competitività delle loro apparecchiature, gli OEM devono dare priorità a progetti robusti, infondere fiducia durante la messa in funzione e offrire una risoluzione efficiente dei problemi. Ciò è particolarmente importante in quanto gli standard del settore richiedono livelli di conformità sempre più elevati. Concentrandosi su questi aspetti, i produttori possono ampliare la gamma di caratteristiche competitive offerte dalle loro apparecchiature, aumentando così la loro quota di mercato. Le piattaforme di automazione complete utilizzano protocolli industriali aperti a livello globale, come EtherCAT®, per creare architetture semplici durante la fase di progettazione, creare simulazioni multiple in un unico ambiente di progettazione durante la fase di messa in funzione e creare un'aggregazione di dati flessibile per la scalabilità futura durante la produzione.

Conclusione

In previsione delle sfide future del settore alimentare e delle bevande, emergeranno nuovi standard. Tra questi, la necessità di reti efficienti e inclusive, lo sviluppo rapido di nuove apparecchiature robuste e l'aggregazione non intrusiva ma olistica dei dati. La notizia incoraggiante è che la tecnologia necessaria per affrontare queste sfide è già disponibile oggi. Gli OEM possono sfruttare questa tecnologia oggi per rafforzare il loro vantaggio competitivo sostenibile per il futuro. A tal fine, Omron Automation and Safety offre apparecchiature compatibili con EtherCAT® per progetti di automazione e controllo che garantiscono il successo delle operazioni industriali.