מתענגים על הצלחה: תנועה יעילה עבור יצרני ציוד מקורי (OEMs) בתחום המזון ומשקאות

אמינות בבקרת תנועה של אוטומציה היא גורם קריטי עבור יצרני ציוד מקורי (OEMs). משפיעים ישירות על יעילות ציוד כוללת של המכונה, שלושת המשתנים העיקריים התורמים לאמינות הם‏ דיוק מיקום סרוו, חזרתיות מסלול ויעילות כוללת של המערכת. כל כשל במשתנים אלה יכול להוביל לתוצאות שליליות כגון זמני תכנון ארוכים יותר של ציוד חדש, חריגה במשאבי תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות ועלויות ייצור מוגדלות עבור משתמשים סופיים.

יצרני OEM מתמודדים עם האתגר של‏ הגדלת מספר המאפיינים‏ התחרותיים בציוד שלהם תוך הקפדה על אילוצי תכנון שמטרתם לשמור על שולי רווחיות. בהקשר זה, אמון בבקרת תנועה של אוטומציה הופך להיות חיוני. על ידי הבטחת רמות גבוהות של‏ אמינות בדיוק מיקום סרוו, חזרתיות מסלול ויעילות מערכת, יצרנים יכולים להפחית סיכונים ולשפר את היתרון התחרותי שלהם. הביטחון הזה בבקרת תנועה של אוטומציה מאפשר להם לספק ציוד העומד בציפיות הלקוחות, מפחית זמן דמימה ומייעל את תהליכי הייצור.

איור 1: מאפיה אוטומטית. (מקור תמונה: Getty Images‏)

במאמר זה, נעקוב אחר מחזור חיי מכונת OEM של מזון ומשקאות, מתכנון, עד תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות ועד ייצור. יוצגו שיטות עבודה מומלצות המשפרות את ביטחון הציוד באמצעות דיוק בקרת תנועה, חזרתיות ויעילות. בכל מקטע, המיקוד יהיה על מקסום ביצועי מערכת באמצעות פשטות תכנון, תוך הבטחה שפריסה עתידית של צבירת נתונים אינה פולשנית.

איור 2: מפעל מילוי בקבוקים אוטומטי. (מקור תמונה: Getty Images‏)

תכנון

כשמתכננים מערכות בקרת אוטומציה,‏ חשוב לקחת בחשבון מהתחלה דיוק, חזרתיות ויעילות. הבחירה של‏ פרוטוקול רשת משחקת תפקיד‏ משמעותי בקביעת המורכבות והביצועים של‏ המכונה במורד הזרם. המורכבות של‏ תקשורת התקן ניתנת למדידה על ידי מדידת ציר הזמן לעדכוני תכנון וקנה המידה של מפרט החומרים (BOM). במתקני מזון ומשקאות, היכן שמחזורי חיי המוצר יכולים להימשך שנים רבות, בחירת פרוטוקול הרשת המתאים יכולה להשפיע במידה רבה על עלויות הבעלות לטווח-רחוק של הפעלת המכונה, על ידי הקטנת עלויות הסמכה מחדש של ציוד מקורי למינימום.

התכנון של‏ דיוק מיקום - ®EtherCAT עבור סינכרון זמן. הפרוטוקול התעשייתי הפתוח גלובלית, ®EtherCAT, מתוכנן עבור יעילות תקשורת. ה-EtherCAT® master מתקשר באמצעות מנה (Packet) יחידה של נתונים שעוברת לכל אחד מהתקני השטח, מוסרת ומקבלת נתונים ל/מכל התקן כשהמנה עוברת דרך כל צומת וחזרה, בעוד תעבורת Ethernet היא שיחה פרטנית בין PLC וכל התקן שדה, ללא קשר לפרוטוקול. ®EtherCAT משיג תקשורת דטרמיניסטית בזמן אמת, עם קצבי מחזור קצרים עד כדי ‎125 μs‏. תקשורת מהירות-גבוהה זו מסירה ריצוד ממערכות הסרוו היכול למנוע בקרת תנועה מדויקת. ביישומי איטום, להיות מסוגל לאטום במדויק הוא‏ קריטי. זה לא רק מסייע להקטין למינימום בזבוז חומרים למשתמשים במורד הזרם, אלא גם מחזק מוניטין מותג ושביעות רצון לקוחות.

התכנון של חזרתיות‏ מסלול – ®EtherCAT עבור מסירת פקודות מובטחת. ®EtherCAT‏ מתוכנן להבטיח בקרת תנועה בזמן-אמת. תפקידו למנוע התנגשויות של מנות (Packets‏) היכולות להתרחש כאשר ל-PLC יש שיחה פרטנית עם כל התקן, ולהבטיח שהמנה הנכונה נמסרת למיקום הנכון, בזמן הנכון. ביישומים בהם נדרש דיוק‏ לאורך מספר מחזורים, כמו מכונות מילוי ואיטום, קווי מילוי בקבוקים ומערכות סטריליזציה, ®EtherCAT מציע דיוק תנועה חוזר. ‏יחידת העיבוד המרכזית מסנכרנת את כל פעולות ה-®EtherCAT בהתבסס על משימת התנועה הראשית. בהתאם לרמת החזרתיות המבוקשת, ניתן לבחור בשלושה מצבי ®EtherCAT עיקריים.

• מצב ריצה חופשית - מחזור ה-®EtherCAT הוא אסינכרוני למחזור אפיק הבקר. היכן שרענונים מרובים מוסרים במהלך מחזור ®EtherCAT, גם כניסות ויציאות אינן עוברות רענון באותו הזמן ברחבי הרשת.
• מצב סינכרוני - מחזור ה-®EtherCAT מסונכרן עם מחזור אפיק הבקר. קריאה‏ סינכרונית של כניסות ורענון סינכרוני של‏ היציאות מתבצעים בו-זמנית במרווחי זמן קבועים על התקני ®EtherCAT מרובים.
• מצב חותמת-זמן - מחזור ה-®EtherCAT מסונכרן עם מחזור אפיק הבקר. קריאה סינכרונית של נתונים מבוססת על שעון ה-®EtherCAT המבוזר. זה מאפשר תזמון מדויק עד כדי מיקרו-שניות.

התכנון של‏ יעילות מערכת – ®EtherCAT עבור תכנון מהיר ומדרגיות (Scalability) עתידית. ®EtherCAT‏‏ הוא פרוטוקול תעשייתי הפתוח גלובלית, מאפשר ליצרנים שונים לתקשר על‏ רשת משותפת. זה הוביל לגידול אימוץ שנתי ממוצע של 12% בארבע-עשרה השנים האחרונות בתעשייה. גידול זה הוא לא רק עדות לדיוק ולדיוק-החוזר של ®EtherCAT, אלא גם ליתרון התחרותי המתמשך שהוא מספק למי שאימץ את פרוטוקול הרשת הכוללני הזה. מעבדים ואורזים שיישמו ®EtherCAT ב-2010, לא רק מקמו את עצמם לצמיחה עתידית אלא גם מנעו עלויות תכנון-מחדש משמעותיות בתהליך.

תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות (Commission)

עם תכנון ארכיטקטורה איתן, אימות ביצועים לפני ריצה ראשונה לא רק מפחית מאוד את הסיכון לביצועים שאינם עומדים בציפיות לקוח אלא גם מאפשר לצוות להסיר חוסר יעילות ממערכת לפני פריסה. תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות ממקסם ביצועי מכונה תוך כדי מזעור כל סיכון הקשור עם פריסה במתקן המשתמש במורד הזרם. בעוד תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות מושלם‏ בדרך כלל במהלך שלב ההרצה, כשהציוד מורכב‏ כולו, ניתן להשלים את תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות במקביל לבניית המכונה ללא כל חומרה, לצמצם זמן ייצור כולל מבלי לשחוק את תקני האיכות האיתנים שמסדו יצרני OEM חזקים.

תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות של‏ דיוק מיקום – בחירת סרוו‏ ללא חומרה. קביעת הגודל המתאים של סרוו היא חיונית להשגת הפעלה משתלמת ודיוק בביצועי מכונה. סרוו גדול מדי מגדיל את העלות הכוללת של המכונה, בעוד קטן מדי פוגע בביצועים הכוללים של המכונה. על ידי שימוש בסביבת פיתוח משולבת על פלטפורמת אוטומציה All-in-One, יצרני OEM יכולים ליעיל ולהחליק את התהליך.

עם גישה זו, ניתן להשתמש בתוכנית יחידה כדי לבדוק את ביצועי המערכת, תוך שילוב תוספות גודל מנוע כדי להבטיח את הבחירה הנכונה. על ידי השלמת הבדיקה של גודל‏ מנוע ותוכנית המכונה באותה חבילת תוכנה, נמנעת מורכבות השימוש בתוכנה נוספת, דבר המקטין את הסיכון לשגיאות במהלך תהליך הבחירה. גישה משולבת זו מפשטת את התהליך ומגדילה את הדיוק של קביעת גודל הסרוו, מובילה לביצועי מכונה משופרים.

תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות של‏‏ חזרתיות מסלול – סימולציית תנועה ללא חומרה. למסלולי תנועה יש‏ השפעה סימטרית על יעילות ציוד כוללת, היכן שהאצה, האטה ומסלולי תנועה משפיעים על זמני תפוקה, הסתברויות של‏ תקיעות ואיכות של המוצר הסופי, בשיעור דיספרופורציונלי בהשוואה להיבטים אחרים של תכנון המכונה. סימולציה של מסלולים באותה סביבת תוכנה בה נוצרת התוכנית לא רק מסירה את הסיכונים של יצירת תהליך בלתי יציב על רצפת המפעל, אלא ‏מעניקה למשתמשים הסופיים ביטחון שביצועי המוצר בשלב הייצור יהיו זהים לביצועים במהלך ההרצה.

תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות של יעילות‏ מערכת – סימולציית 3D‏ ללא חומרה. ניתן להשתמש בסימולציית 3D‏ במקום חומרה פיזית כדי לבצע סימולציה של המכלול כולו, שיכול לשפר במידה ניכרת את תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות. חשוב להביא בחשבון שתנועה אינה הגורם היחיד על רצפת המפעל.‏ דרוש גם לבדוק תנועה ‏לצד תהליכי בטיחות ואיסוף נתונים. זה‏ נפוץ כשעקיבות וראייה הן חלק מתהליכי הייצור. על ידי שימוש בדגמי 3D‏ המסופקים על ידי יצרנים וסימולציה שלהם באותה סביבת תוכנה כמו התוכנית, צוותים יכולים להבטיח בטיחות מבלי להציג סיכונים במהלך ההכנה להכנסה לשירות. נוסף לכך, זה מאפשר לצוותים ליצור נוהל עבודה אופטימלי ומאפשר לצוותי הרצה לוודא ביצועים כנגד תקן ידוע לפני אישור הבנייה של הציוד. זה מגדיל משמעותית את הסבירות שהמכונה תעלה על הציפיות של משתמשים במורד הזרם לפני שמשקיעים בבנייה פיזית.

ייצור

תכנון והכנה לפני הכנסה לשירות של ציוד מקורי יכולים להוות השקעה‏ משמעותית עבור יצרנים. עם זאת, המפתח להבטיח לקוחות חוזרים נמצא בשלב הביצועים של מחזור החיים של הציוד. גורמים כגון מדרגיות (Scalability) עתידית, זמן פעולה תקינה של מכונה ללא כשל, והיכולת לאסוף נתוני תהליך יכולים להשפיע במידה רבה על שביעות הרצון הכולל של הלקוחות ממערכת האוטומציה והפוטנציאל לעסקים בעתיד.

הייצור של דיוק‏ מיקום – מודולריות אוטומציה גמישה לדרישות עתידיות. פלטפורמות האוטומציה All-in-One בעלות הביצועים הגבוהים ביותר יש להן לא רק מאות מק"טים של I/O מודולרי מוכן-מן-המדף עבור התקנת חבר-והפעל אלא גם תוכנה יחידה עם תכנות גרור-ושחרר. פלטפורמות אלו מחברות שימוש בפרוטוקולים תעשייתיים פתוחים גלובלית מעבר ל-®EtherCAT, מרחיבים קישוריות PLC מודולרי מעבר לתנועה על ידי מינוף השפעות הרשת של רשתות פתוחות אלו ושימוש באל-כשל דרך ®EtherCAT,‏ ™EtherNET/IP,‏ ™CIP Safety,‏ IO-Link,‏ MQTT,‏ ®OPC UA ו-SQL, כולם כפי שכל אחד מהם נועד לשמש. פלטפורמות האוטומציה התורמות ביותר ל-OEM‏ תוכננו לאמץ טכנולוגיות חדשות במהירות כבר מהתחלה ומבלי להכניס מורכבות מיותרת לרצפת המפעל. לדוגמה, עקיבות ידנית המתקשרת דרך Ethernet‏ הופכת נפוצה יותר ביישומי תנועה. יצרני OEM יכולים להשתמש במדריכי קישוריות ובלוקים של פונקציות של צד שלישי שפורסמו מראש כדי לעזור לגשר על המרווח בין יצרנים תוך שמירה על המודולריות הדרושה ליצרני מזון ומצרכים להישאר גמישים לתקני תעשייה מתפתחים, חומרי אריזה חדשים ומגמות צריכה משתנות.

הייצור של חזרתיות - פעולות חוזרות של האוטומציה בעקבות לכידת אירועי ייצור באופן אוטונומי. כשתקלות באוטומציה גורמות לאירועים הגורמים זמן דמימה, איתור שורש התקלה במהירות ואימות הממצא הם קריטיים להשבת הביטחון ביציבות התהליך.  ההתכנסות של נתונים, וידאו, מבנה תוכנית ו-Ladder logic בפעולה חוזרת נעשית הנורמה יותר ויותר. כל פעולה חוזרת מסונכרנת בזמן ומעוררת-ארוע כדי לאפשר לצוותים מקומיים ומרוחקים לאבחן בעיות במהירות ובדייקנות מבלי להפסיק ייצור ולדרוש נוכחות מפעיל במהלך תקלות. כשמזווגים עם ביצועים מדומים בשלב תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות, נתונים חוזרים בפרוטוקולים פתוחים כגון ®EtherCAT נותנים למשתמשים במורד הזרם את היכולת לממש שיפור מתמיד מבלי להתפשר על מדדי הביצועים של המכונה.

הייצור של‏ יעילות מערכת – שרתים מובנים ™®‎OPC UA מזינים נתוני תהליכים הוליסטיים למיקומים מרכזיים. פונקציונליות שרת ™®OPC UA, שהיא עכשיו‏ מאפיין‏ סטנדרטי בבקרים רבים, מאפשרת תקשורת פתוחה עם התקני שטח. זה מבטיח שתוכנת ה-SCADA יכולה לעמוד בדרישות התקשורת שלה, כיוון ששרת ה-™®OPC UA המשובץ מאפשר חיבורים סימולטניים מלקוחות מרובים. על ידי בחירה ב-™OPC UA, משתמשים של‏ מכונות במורד הזרם יכולים להשתמש מיידית ביתרונות האבטחה המוצעות על ידי ™®OPC UA כדי למנוע גישה של לקוח לא מורשה. כיוון שפונקציונליות שרת ™®OPC UA הופכת לנפוצה יותר ויותר, יצרני OEM יכולים ליצור קשרים חזקים יותר עם משתמשים. זה מאפשר להם להציע תמיכה מקיפה יותר לציוד קיים ולקבל תובנות חשובות לגבי הזדמנויות ציוד פוטנציאליות עתידיות בבסיס המותקן שלהם.

במורד-הזרם שביעות רצון משתמש מבקרת תנועה של יצרני OEM מושרשת ביכולת של התנועה לעמוד במדדי ייצור מרכזיים כיום מבלי לפגוע בהצלחה התפעולית של מחר. כדי להגביר את התחרותיות של‏ הציוד שלהם, יצרני OEM חייבים לתעדף תכנים איתנים, להחדיר ביטחון במהלך תהליך ההכנה לפני הכנסה לשירות ולאפשר איתור תקלות יעיל. זה ‏חשוב במיוחד כיוון שתקני תעשייה דורשים רמות גבוהות יותר של‏ תאימות. על ידי התמקדות בהיבטים אלה, יצרנים יכולים להרחיב את מגוון המאפיינים‏ התחרותיים המוצעים על ידי הציוד שלהם, בסופו של דבר להגדיל את נתח השוק שלהם. פלטפורמות אוטומציה All-in-One משתמשות בפרוטוקולים תעשייתיים פתוחים גלובלית, כגון ®EtherCAT, כדי ליצור ארכיטקטורות פשוטות לאורך שלב התכנון, ליצור סימולציות מרובות‏ בסביבת תכנון יחידה במהלך שלב ההכנה לפני הכנסה לשירות, וליצור צבירת נתונים גמישה עבור מדרוג עתידי במהלך הייצור.

סיכום

מכיוון שאנו צופים אתגרים עתידיים בתעשיית המזון והמשקאות, יצוצו סטנדרטים חדשים מסוימים. אלה כוללים את הצורך ברשתות יעילות וכוללניות, פיתוח מהיר של‏ ציוד חדש עם איתנות, וצבירת נתונים לא פולשנית אך הוליסטית. החדשות המעודדות הן שהטכנולוגיה הדרושה לענות על אתגרים אלה כבר קיימת. יצרני OEM יכולים למנף טכנולוגיה זו עוד היום כדי לחזק את היתרון התחרותי בר הקיימא שלהם לעתיד. כדי להשיג את זה, ל-Omron Automation and Safety יש ציוד תואם ®EtherCAT הזמין עבור תכנוני אוטומציה ובקרה כדי להבטיח תפעול תעשייתי מצליח.