Saboreando o sucesso: movimento eficiente para OEMs no setor de alimentos e bebidas

A confiabilidade no controle de movimento da automação é um fator crítico para os fabricantes de equipamentos originais (OEMs). Com impacto direto sobre a eficiência geral dos equipamentos da máquina, as três principais variáveis que contribuem para a confiabilidade são a precisão da posição do servo, a repetibilidade da trajetória e a eficiência geral do sistema. Qualquer falha nessas variáveis pode levar a consequências negativas, como prazos de projeto mais longos para novos equipamentos, insuficiência no comissionamento de recursos e aumento dos custos de produção para os usuários finais.

Os OEMs enfrentam o desafio de aumentar o número de recursos competitivos em seus equipamentos e, ao mesmo tempo, aderir às restrições de design que visam manter as margens de lucratividade. Nesse contexto, é essencial ter confiança no controle de movimento da automação. Ao garantir altos níveis de confiabilidade na precisão da posição do servo, na repetibilidade da trajetória e na eficiência do sistema, os fabricantes podem reduzir os riscos e aumentar sua vantagem competitiva. Essa confiança no controle de movimento da automação permite que eles forneçam equipamentos que atendam às expectativas dos clientes, reduzam a paralisação e otimizem os processos de produção.

Figura 1: Fábrica de pães automatizada. (Fonte da imagem: Getty Images)

Neste artigo, o ciclo de vida da máquina OEM para alimentos (Figura 1) e bebidas (Figura 2) será acompanhado desde o projeto, passando pelo comissionamento até a produção. Serão apresentadas as práticas recomendadas que aumentam a confiança no equipamento por meio da precisão, repetibilidade e eficiência do controle de movimento. Em cada seção, o foco será maximizar o desempenho do sistema por meio da simplicidade do projeto e, ao mesmo tempo, garantir que a implantação futura da agregação de dados não seja intrusiva.

Figura 2: Fábrica de envase automatizado. (Fonte da imagem: Getty Images)

Projeto

Ao projetar sistemas de controle de automação, é importante considerar a precisão, a repetibilidade e a eficiência desde o início. A escolha do protocolo de rede desempenha um papel significativo na determinação da complexidade e do desempenho a jusante da máquina. A complexidade da comunicação do dispositivo pode ser medida pelo cronograma de revisões do projeto e pela escala da lista de materiais. Nas instalações de alimentos e bebidas, onde os ciclos de vida dos produtos podem durar muitos anos, a seleção do protocolo de rede adequado pode ter um grande impacto nos custos de propriedade de longo prazo da operação da máquina, minimizando os custos de nova certificação do equipamento original.

O projeto da precisão de posição - EtherCAT® para sincronização de tempo. O protocolo industrial aberto globalmente, EtherCAT®, foi projetado para a eficiência da comunicação. O mestre EtherCAT® se comunica por meio de um único pacote de dados que viaja para cada um dos dispositivos de campo, descartando e recebendo dados de cada dispositivo à medida que o pacote passa por cada nó e volta, enquanto o tráfego Ethernet é uma conversa individual entre um CLP e cada dispositivo de campo, independentemente do protocolo. O EtherCAT® alcança comunicação determinística em tempo real, com taxas de ciclo de até 125 μs. Essa comunicação de alta velocidade elimina o jitter dos servos que pode prejudicar o controle preciso do movimento. Nas aplicações de vedação, a capacidade de vedar com precisão é fundamental. Isso não apenas ajuda a minimizar o desperdício de material para os usuários subsequentes, mas também fortalece a reputação da marca e a satisfação do cliente.

O projeto da repetibilidade da trajetória - EtherCAT® para entrega garantida de comandos. O EtherCAT® foi projetado para garantir o controle de movimento em tempo real. Eliminando as colisões de pacotes que poderiam ocorrer quando um CLP está tendo uma conversa individual com cada dispositivo e garantindo que o pacote certo seja entregue no local certo, no momento certo. Em aplicações em que a precisão é necessária em vários ciclos, como máquinas de enchimento e selagem, linhas de envase e sistemas de esterilização, o EtherCAT® oferece reprodução na precisão de movimentos. A unidade de processamento central sincroniza todas as operações EtherCAT® com base na tarefa do movimento principal. Dependendo do nível desejado de repetibilidade, três modos principais do EtherCAT® podem ser selecionados.

• Modo de execução livre - O ciclo EtherCAT® é assíncrono ao ciclo do barramento do controlador. Onde várias atualizações são removidas durante um ciclo EtherCAT®, embora as entradas e saídas não sejam atualizadas ao mesmo tempo em toda a rede.
• Modo síncrono - O ciclo EtherCAT® é sincronizado com o ciclo do barramento do controlador. A leitura síncrona das entradas e a atualização síncrona das saídas são realizadas em intervalos fixos em vários dispositivos EtherCAT® simultaneamente.
• Modo de registro de data e hora - O ciclo EtherCAT® é sincronizado com o ciclo do barramento do controlador. A leitura síncrona das entradas é baseada na distribuição de clock do EtherCAT®. Isso permite temporizações precisas de até microssegundos.

O projeto da eficiência do sistema - EtherCAT® para projeto rápido e escalabilidade futura. O EtherCAT® é um protocolo industrial aberto globalmente, que permite que diferentes fabricantes se comuniquem em uma rede compartilhada. Isso levou a uma taxa de adoção consistente de 12% do crescimento anual composto nos últimos quatorze anos no setor. Esse crescimento não é apenas uma prova da exatidão e precisão do EtherCAT®, mas também da vantagem competitiva sustentada que ele proporciona àqueles que adotaram esse protocolo de rede inclusivo. Os processadores e empacotadores que implementaram o EtherCAT® em 2010 não apenas se posicionaram para o crescimento futuro, mas também evitaram custos significativos de reprojeto no processo.

Comissão

Com um projeto de arquitetura robusto, a validação do desempenho antes da primeira passagem não só diminui muito o risco de o desempenho não atender às expectativas do cliente, mas também permite que a equipe remova as ineficiências de um sistema antes da implementação. O processo de comissionamento maximiza o desempenho da máquina e, ao mesmo tempo, minimiza os riscos associados à implantação nas instalações do usuário subsequente. Embora o comissionamento seja normalmente concluído durante o estágio de validação, em que o equipamento está totalmente montado, o comissionamento pode ser concluído paralelamente à construção da máquina sem nenhum hardware, reduzindo o tempo total de produção sem afetar os padrões de qualidade robustos que estabeleceram OEMs fortes.

O comissionamento da precisão da posição - Seleção do servo sem hardware. O dimensionamento adequado de um servo é fundamental para obter uma boa relação custo-benefício e precisão no desempenho da máquina. O superdimensionamento de um servo aumenta o custo geral da máquina, enquanto o subdimensionamento prejudica o desempenho geral da máquina. Ao utilizar um ambiente de desenvolvimento integrado em uma plataforma de automação tudo em um, os OEMs podem otimizar o processo.

Com essa abordagem, um único programa pode ser usado para verificar o desempenho da máquina, incorporando complementos de dimensionamento do motor para garantir a seleção correta. Ao concluir a verificação do tamanho do motor e do programa da máquina no mesmo pacote de software, a complexidade do uso de software adicional é eliminada, reduzindo o risco de erros durante o processo de seleção. Essa abordagem integrada simplifica o processo e aumenta a precisão do dimensionamento do servo, levando a um melhor desempenho da máquina.

O comissionamento da repetibilidade da trajetória – Simulação do movimento sem o hardware.As trajetórias dos movimentos têm um efeito simétrico sobre a eficiência geral do equipamento, em que a aceleração, a desaceleração e os percursos do movimento afetam os prazos de produção, as probabilidades de falhas e a qualidade do produto final em uma taxa desproporcional em comparação com outros aspectos do projeto da máquina. A simulação de trajetórias no mesmo ambiente de software em que o programa é criado não só elimina os riscos de criar um processo instável no chão de fábrica, como também dá aos usuários finais a confiança de que o produto terá o mesmo desempenho na produção que teve durante a validação.

O comissionamento da eficiência do sistema - simulação 3D sem hardware. A simulação 3D pode ser usada em vez do hardware físico para simular toda a montagem, o que pode melhorar muito o processo de comissionamento. É importante considerar que o movimento não é o único fator no chão de fábrica. Também é necessário verificar o movimento aliado com os processos de segurança e a coleta de dados. Isso é comum quando a rastreabilidade e a visão são intrincadas aos processos de produção. Utilizando modelos 3D fornecidos pelos fabricantes e simulando-os no mesmo ambiente de software do programa, as equipes podem garantir a segurança sem introduzir riscos durante o comissionamento. Além disso, isso permite que as equipes criem um procedimento operacional ideal e que as equipes de validação comprovem o desempenho em relação a um padrão conhecido antes de aprovar a construção do equipamento. Isso aumenta significativamente a probabilidade de a máquina exceder as expectativas dos usuários subsequentes antes de investir na construção física.

Produção

O projeto e o comissionamento de equipamentos originais podem ser um investimento significativo para os fabricantes. No entanto, o segredo para garantir a fidelidade dos clientes está no estágio de desempenho do ciclo de vida do equipamento. Fatores como a escalabilidade futura, o tempo de operação do processo e a capacidade de coletar dados do processo podem afetar muito a satisfação geral do cliente com o sistema de automação e seu potencial para negócios futuros.

A produção de precisão da posição - modularidade de automação flexível para demandas futuras. As plataformas de automação multifuncionais de mais alto desempenho não apenas têm centenas de números de peças de E/S modulares prontas para uso na instalação plug-and-play, mas também tem um único software com programação do tipo arrastar e soltar. Essas plataformas se conectam usando protocolos industriais abertos globalmente além do EtherCAT®, estendendo a conectividade de um CLP modular além de um movimento, aproveitando os efeitos de rede dessas redes abertas e usando Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Link, MQTT, OPC UA® e SQL, tudo como cada um foi planejado para ser usado. As plataformas de automação mais favoráveis aos OEMs foram projetadas para adotar novas tecnologias rapidamente desde o início e sem introduzir uma complexidade indevida no chão de fábrica. Por exemplo, a rastreabilidade portátil que se comunica por Ethernet está se tornando mais comum em aplicações de movimento. Os OEMs podem usar guias de conectividade e blocos de funções pré-publicados de terceiros para ajudar a preencher a lacuna entre os fabricantes e, ao mesmo tempo, preservar a modularidade necessária para que os fabricantes de alimentos e commodities permaneçam flexíveis em relação aos padrões em evolução do setor, aos novos materiais de embalagem e às tendências de mudança dos consumidores.

A produção da repetibilidade - Reprodução da automação capturando eventos de produção de forma autônoma. Quando as falhas na automação resultam em eventos que causam paralisação, encontrar a causa raiz da falha rapidamente e verificar a descoberta é fundamental para restaurar a confiança na estabilidade do processo. A convergência de dados, vídeo, estrutura de programa e lógica ladder na reprodução está se tornando cada vez mais a norma. Toda a reprodução é sincronizada com o tempo e acionada por eventos para permitir que os membros da equipe local e remota diagnostiquem os problemas de forma rápida e precisa, sem interromper a produção nem exigir a presença do operador durante as falhas. Quando combinada com o desempenho simulado no estado de comissionamento, a reprodução de dados em protocolos abertos, como o EtherCAT®, oferece aos usuários subsequentes a capacidade de realizar melhorias contínuas sem comprometer as métricas de desempenho da máquina.

A produção da eficiência do sistema - servidores integrados OPC UA®™ que alimentam os dados holísticos do processo em localizações centrais. A funcionalidade do servidor OPC UA®™, que agora é um recurso padrão em muitos controladores, permite a comunicação aberta com dispositivos de campo. Isso garante que o software SCADA possa atender aos seus requisitos de comunicação, pois o servidor OPC UA®™ incorporado permite conexões simultâneas de vários clientes. Ao optar pelo OPC UA™, os usuários de máquinas a jusante podem utilizar prontamente os benefícios de segurança oferecidos pelo OPC UA®™ para evitar o acesso não autorizado de clientes. À medida que a funcionalidade do servidor OPC UA®™ se torna cada vez mais predominante, os OEMs podem estabelecer conexões mais fortes com os usuários. Isso permite que eles ofereçam um suporte mais abrangente para os equipamentos existentes e obtenham insights valiosos sobre possíveis oportunidades de equipamentos futuros em sua base de instalação.

A satisfação do usuário subsequente ao controle de movimento dos OEMs está enraizada na capacidade do movimento de atender às principais métricas de produção atualmente, sem prejudicar o sucesso operacional futuro. Para aumentar a competitividade de seus equipamentos, os OEMs devem priorizar projetos robustos, inspirar confiança durante o comissionamento e permitir a solução eficiente de problemas. Isso é particularmente importante, pois os padrões do setor exigem níveis mais altos de conformidade. Ao se concentrarem nesses aspectos, os fabricantes podem expandir a gama de recursos competitivos oferecidos por seus equipamentos, aumentando, em última análise, sua participação no mercado. As plataformas de automação multifuncionais usam protocolos industriais abertos globalmente, como o EtherCAT®, para criar arquiteturas simples durante a fase de projeto, criar várias simulações em um único ambiente de projeto durante a fase de comissionamento e criar uma agregação de dados flexível para escalonamento futuro durante a produção.

Conclusão

À medida que antecipamos os desafios futuros no setor de alimentos e bebidas, certos padrões surgirão. Isso inclui a necessidade de redes eficientes e inclusivas, o rápido desenvolvimento de novos equipamentos com robustez e a agregação de dados holísticos, porém não intrusivo. A notícia animadora é que a tecnologia necessária para enfrentar esses desafios já está disponível. Os OEMs podem aproveitar essa tecnologia hoje para fortalecer sua vantagem competitiva sustentável no futuro. Para isso, a Omron Automation and Safety tem equipamentos compatíveis com EtherCAT® disponíveis para projetos de automação e controle a fim de garantir uma operação industrial bem-sucedida.