Saboreando el éxito: Movimiento eficiente para OEM de alimentación y bebidas

La fiabilidad del control del movimiento en automatización es un factor crítico para los fabricantes de equipamiento original (OEM). Las tres variables clave que contribuyen a la fiabilidad son la precisión de la posición del servo, la repetibilidad de la trayectoria y la eficiencia general del sistema. Cualquier fallo en estas variables puede acarrear consecuencias negativas, como plazos más largos para el diseño de nuevos equipos, la puesta en marcha de recursos y el aumento de los costos de producción para los usuarios finales.

Los fabricantes de equipos originales (OEM) se enfrentan al reto de aumentar el número de funciones competitivas de sus equipos y, al mismo tiempo, respetar las restricciones de diseño que pretenden mantener los márgenes de rentabilidad. En este contexto, tener confianza en el control de los movimientos de automatización se convierte en algo esencial. Al garantizar altos niveles de fiabilidad en la precisión de la posición del servo, la repetibilidad de la trayectoria y la eficiencia del sistema, los fabricantes pueden mitigar los riesgos y mejorar su ventaja competitiva. Esta confianza en el control del movimiento de automatización les permite suministrar equipos que satisfacen las expectativas de los clientes, reducen los tiempos de inactividad y optimizan los procesos de producción.

Figura 1: Fábrica de pan automatizada. (Fuente de la imagen: Getty Images)

En este artículo, se seguirá el ciclo de vida de las máquinas OEM de alimentación (Figura 1) y bebidas (Figura 2) desde el diseño, pasando por la puesta en marcha, hasta la producción. Se presentarán las mejores prácticas que mejoran la confianza en los equipos gracias a la precisión, repetibilidad y eficacia del control de movimiento. En cada sección, la atención se centrará en maximizar el rendimiento del sistema a través de la simplicidad del diseño, garantizando al mismo tiempo que la futura implementación de la agregación de datos no sea intrusivo.

Figura 2: Fábrica de embotellado automatizada. (Fuente de la imagen: Getty Images)

Diseño

Al diseñar sistemas de control de automatización, es importante tener en cuenta desde el principio la precisión, la repetibilidad y la eficiencia. La elección del protocolo de red desempeña un papel importante a la hora de determinar la complejidad y el rendimiento de la máquina en sentido descendente. La complejidad de la comunicación de los dispositivos puede medirse midiendo los plazos de revisión del diseño y la escala de la lista de materiales. En las instalaciones de alimentos y bebidas, donde los ciclos de vida de los productos pueden durar muchos años, la selección del protocolo de red adecuado puede tener un gran impacto en los costes de propiedad a largo plazo del funcionamiento de la máquina, al minimizar cualquier coste de recertificación de los equipos originales.

El diseño de la precisión de posición - EtherCAT® para la sincronización horaria. El protocolo industrial abierto a nivel mundial, EtherCAT®, está diseñado para una comunicación eficaz. El maestro EtherCAT® se comunica a través de un único paquete de datos que viaja a cada uno de los dispositivos de campo, dejando y recibiendo datos para cada dispositivo a medida que el paquete pasa por cada nodo y de vuelta, mientras que el tráfico Ethernet es una conversación individual entre un PLC y cada dispositivo de campo, independientemente del protocolo. EtherCAT® consigue una comunicación determinista en tiempo real, con velocidades de ciclo de hasta 125 μs. Esta comunicación de alta velocidad elimina las fluctuaciones de los servos que pueden impedir un control preciso del movimiento. En las aplicaciones de sellado, es fundamental poder sellar con precisión. Esto no solo ayuda a minimizar los residuos de material para los usuarios intermedios, sino que también refuerza la reputación de la marca y la satisfacción del cliente.

El diseño de la repetibilidad de trayectorias - EtherCAT® para garantizar la entrega de comandos. EtherCAT® está diseñado para garantizar el control del movimiento en tiempo real. Elimina las colisiones de paquetes que podrían producirse cuando un controlador lógico programable (PLC) mantiene una conversación individual con cada dispositivo y garantiza que el paquete correcto llegue al lugar adecuado, en el momento adecuado. En aplicaciones en las que se requiere precisión a lo largo de numerosos ciclos, como máquinas de llenado y sellado, líneas de embotellado y sistemas de esterilización, EtherCAT® ofrece precisión de movimiento repetible. La unidad central de procesamiento sincroniza todas las operaciones EtherCAT® en función de la tarea de movimiento principal. En función del nivel de repetibilidad deseado, pueden seleccionarse tres modos principales de EtherCAT®.

• Modo Free Run: El ciclo EtherCAT® es asíncrono al ciclo del bus del controlador. Cuando se eliminan múltiples refrescos durante un ciclo EtherCAT®, aunque las entradas y salidas no se refrescan al mismo tiempo en toda la red.
• Modo síncrono: El ciclo EtherCAT® está sincronizado con el ciclo del bus del controlador. La lectura síncrona de las entradas y el refresco síncrono de las salidas se realizan a intervalos fijos en varios dispositivos EtherCAT® simultáneamente.
• Modo Time Stamp: El ciclo EtherCAT® se sincroniza con el ciclo del bus del controlador. La lectura síncrona de las entradas se basa en el reloj distribuido EtherCAT®. Esto permite cronometrar con precisión de microsegundos.

El diseño de la eficiencia del sistema - EtherCAT® para un diseño rápido y escalabilidad futura. EtherCAT® es un protocolo industrial abierto a nivel mundial que permite a distintos fabricantes comunicarse en una red compartida. Esto ha dado lugar a una tasa de adopción constante del 12% de crecimiento anual compuesto en los últimos catorce años en el sector. Este crecimiento no es solo un testimonio de la exactitud y precisión de EtherCAT®, sino también de la ventaja competitiva sostenida que proporciona a quienes adoptaron este protocolo de red integrador. Los procesadores y envasadores que implantaron EtherCAT® en 2010 no solo se posicionaron para el crecimiento futuro, sino que también evitaron importantes costes de rediseño en el proceso.

Comisión

Con un diseño de arquitectura sólido, la validación del rendimiento antes de una primera pasada no sólo disminuye en gran medida el riesgo de que el rendimiento no cumpla las expectativas del cliente, sino que también permite al equipo eliminar las ineficiencias de un sistema antes de su implantación. El proceso de puesta en servicio maximiza el rendimiento de la máquina a la vez que minimiza los riesgos asociados a la implantación en las instalaciones del usuario intermedio. Mientras que la puesta en servicio suele completarse durante la fase de escorrentía, en la que los equipos están totalmente ensamblados, la puesta en servicio puede completarse en paralelo a la construcción de las máquinas sin necesidad de hardware, lo que reduce el tiempo total de producción sin erosionar los sólidos estándares de calidad que han consolidado a los OEM.

Puesta en servicio de la precisión de posición - Selección de servo sin hardware. El dimensionamiento adecuado de un servo es crucial para lograr tanto rentabilidad como precisión en el rendimiento de la máquina. Sobredimensionar un servo aumenta el costo total de la máquina, mientras que subdimensionarlo perjudica el rendimiento global de la misma. Al utilizar un entorno de desarrollo integrado en una plataforma de automatización todo en uno, los OEM pueden agilizar el proceso.

Con este enfoque, se puede utilizar un único programa para verificar el rendimiento de la máquina, incorporando complementos de dimensionamiento del motor para garantizar la selección correcta. Al completar la verificación del tamaño del motor y el programa de la máquina dentro del mismo paquete de software, se elimina la complejidad de utilizar software adicional, lo que reduce el riesgo de errores durante el proceso de selección. Este enfoque integrado simplifica el proceso y mejora la precisión del dimensionamiento de los servomotores, lo que se traduce en una mejora del rendimiento de la máquina.

Puesta en servicio de la repetibilidad de trayectorias - Simulación de movimiento sin hardware.Las trayectorias de movimiento tienen un efecto simétrico en la eficiencia general del equipo, en el que la aceleración, la deceleración y las trayectorias de movimiento afectan a los tiempos de producción, las probabilidades de colisión y la calidad del producto final a un ritmo desproporcionado en comparación con otros aspectos del diseño de la máquina. La simulación de trayectorias en el mismo entorno de software en el que se crea el programa no solo elimina los riesgos de crear un proceso inestable en la planta de producción, sino que ofrece a los usuarios finales la confianza de que el producto funcionará en la producción igual que durante la escaleta.

Puesta en servicio de la eficiencia del sistema: simulación 3D sin hardware. La simulación 3D puede utilizarse en lugar del hardware físico para simular todo el ensamblaje, lo que puede mejorar enormemente el proceso de puesta en marcha. Es importante tener en cuenta que el movimiento no es el único factor en la fábrica. También es necesario verificar el movimiento junto con los procesos de seguridad y recopilación de datos. Esto es habitual cuando la trazabilidad y la visión son intrincadas en los procesos de producción. Utilizando modelos 3D proporcionados por los fabricantes y simulándolos en el mismo entorno de software que el programa, los equipos pueden garantizar la seguridad sin introducir riesgos durante la puesta en marcha. Además, esto permite a los equipos crear un procedimiento operativo óptimo y permite a los equipos de ejecución validar el rendimiento con respecto a una norma conocida antes de aprobar la construcción del equipo. Esto aumenta significativamente la probabilidad de que la máquina supere las expectativas de los usuarios finales antes de invertir en la construcción física.

Producción

El diseño y la puesta en marcha de equipos originales puede suponer una inversión importante para los fabricantes. Sin embargo, la clave para conseguir clientes habituales reside en la fase de rendimiento del ciclo de vida del equipo. Factores como la escalabilidad futura, el tiempo de actividad de los procesos y la capacidad de recopilar datos de los procesos pueden influir enormemente en la satisfacción general del cliente con el sistema de automatización y en su potencial para futuros negocios.

La producción de precisión de posición - Modularidad de automatización flexible a la demanda futura. Las plataformas de automatización "todo en uno" de mayor rendimiento no sólo disponen de cientos de referencias de E/S modulares listas para usar para una instalación "plug-and-play", sino también de un único software con programación de arrastrar y soltar. Estas plataformas se conectan utilizando protocolos industriales abiertos globalmente más allá de EtherCAT®, ampliando la conectividad de un PLC modular más allá de un movimiento aprovechando los efectos de red de estas redes abiertas y utilizando Fail Safe Over EtherCAT®, EtherNET/IP™, CIP Safety ™, IO-Enlace, MQTT, OPC UA® y SQL, todo como cada uno estaba destinado a ser utilizado. Las plataformas de automatización más propicias para los OEM se han diseñado para adoptar nuevas tecnologías con rapidez desde el principio y sin introducir una complejidad excesiva en la planta de producción. Por ejemplo, la trazabilidad portátil que se comunica a través de Ethernet es cada vez más común en aplicaciones de movimiento. Los OEM pueden utilizar guías de conectividad y bloques de funciones prepublicados de terceros para ayudar a salvar las distancias entre fabricantes y, al mismo tiempo, preservar la modularidad necesaria para que los fabricantes de alimentos y materias primas sigan siendo flexibles ante la evolución de las normas del sector, los nuevos materiales de envasado y los cambios en las tendencias de consumo.

La producción de la repetibilidad - Automatización de la reproducción capturando eventos de producción de forma autónoma. Cuando los fallos en la automatización dan lugar a incidencias que provocan tiempos de inactividad, encontrar rápidamente la causa raíz del fallo y verificar el hallazgo es fundamental para restablecer la confianza en la estabilidad del proceso. La convergencia de datos, video, estructura de programación y lógica de escalera en la reproducción se está convirtiendo cada vez más en la norma. Todas las reproducciones se sincronizan en el tiempo y se activan por eventos para que los miembros del equipo local y remoto puedan diagnosticar los problemas con rapidez y precisión sin interrumpir la producción ni requerir la presencia de un operario durante los fallos. Cuando se combina con el rendimiento simulado en el estado de puesta en servicio, la reproducción de datos a través de protocolos abiertos como EtherCAT® ofrece a los usuarios posteriores la posibilidad de realizar mejoras continuas sin comprometer las métricas de rendimiento de la máquina.

La producción de la eficiencia del sistema - Servidores integrados OPC UA®™ que alimentan datos de procesos holísticos a ubicaciones centrales. La funcionalidad de Servidor OPC UA®™, que ahora es una característica estándar en muchos controladores, permite la comunicación abierta con dispositivos de campo. Esto garantiza que el software SCADA pueda cumplir sus requisitos de comunicación, ya que el Servidor OPC UA®™ integrado permite conexiones simultáneas desde varios clientes. Al optar por OPC UA™, los usuarios de máquinas posteriores pueden utilizar rápidamente las ventajas de seguridad que ofrece OPC UA®™ para evitar el acceso de clientes no autorizados. A medida que la funcionalidad del Servidor OPC UA®™ se hace cada vez más frecuente, los OEM pueden establecer conexiones más sólidas con los usuarios. Esto les permite ofrecer una asistencia más completa para los equipos existentes y obtener valiosas perspectivas sobre posibles oportunidades de equipamiento futuro dentro de su base de instalaciones.

La satisfacción del usuario final del control de movimiento de los OEM se basa en la capacidad del movimiento para cumplir los parámetros clave de producción actuales sin obstaculizar el éxito operativo del futuro. Para mejorar la competitividad de sus equipos, los OEM deben dar prioridad a los diseños robustos, infundir confianza durante la puesta en servicio y permitir una resolución de problemas eficaz. Esto es especialmente importante a medida que las normas del sector exigen mayores niveles de cumplimiento. Si se centran en estos aspectos, los fabricantes pueden ampliar la gama de características competitivas que ofrecen sus equipos y, en última instancia, aumentar su cuota de mercado. Las plataformas de automatización todo en uno utilizan protocolos industriales abiertos en todo el mundo, como EtherCAT®, para crear arquitecturas sencillas durante la fase de diseño, crear varias simulaciones en un único entorno de diseño durante la fase de puesta en servicio y crear una agregación de datos flexible para futuras ampliaciones durante la producción.

Conclusión:

Al anticiparnos a los retos futuros de la industria de la alimentación y las bebidas, surgirán ciertas normas. Entre ellas figuran la necesidad de redes eficientes e integradoras, el rápido desarrollo de nuevos equipos con robustez y la agregación de datos no intrusiva pero holística. La noticia alentadora es que la tecnología necesaria para afrontar estos retos ya está disponible. Los OEM pueden aprovechar hoy esta tecnología para reforzar su ventaja competitiva sostenible de cara al futuro. Para ello, Omron Automation & Safety dispone de equipos compatibles con EtherCAT® para diseños de automatización y control que garantizan el éxito de las operaciones industriales.