Средства управления и автоматизации для упаковочного оборудования – что нас ждет в будущем ?

Когда бываешь на выставках типа Pack Expo International или разговариваешь со специалистами-упаковщиками о средствах управления и автоматизации, невольно возникает вопрос: что же еще они придумают? 

Кажется, каждый месяц приносит новое упаковочное оборудование и системы управления, которые обладают все большими возможностями и точностью. Требуется все меньше действий для выполнения задач, число которых растет по экспоненциальному закону, и контроллеры могут знать о работе оборудования больше, чем вы можете придумать вопросов. Но, в конце концов, уже XXI век. Современный мир систем управления упаковочного оборудования не испытывает недостаток в технологиях, которые не так давно казались такими же фантастическими, как и идея домашнего компьютера или карманного телефона. 

Хотя технологии, применяемые в упаковочной отрасли, меняются, изготовители комплексного оборудования и фирмы-упаковщики фокусируются на такой же старой основе, как и сама индустрия. «Люди нуждаются в системах управления, которые работают быстро и производят больше продукции, и поэтому все системы остаются конкурирующими. Чего бы не достигло экономичное решение, цели будут тем, к чему направлены эти решения», — говорит Ник Инфелиз, менеджер по маркетингу RFID-оборудования, программируемых логических контроллеров, сервомеханизмов и приводов компании Omron (Шумберг, штат Иллинойс), разработавшей усовершенствованную мощную серию CJ1 программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Например, программируемый логический контроллер CJ1 от Omron претендует на самое быстрое время сканирования на всем рынке при размерах, втрое меньших аналогичных устройств. Сочетание CJ1 и серии Omron NS интерфейса пользователь-машина (ИПМ) дает возможность при использовании Smart Active Parts (протестированные коммуникационные компоненты, которые сообщаются напрямую с компонентами системы управления) выводить всю диагностическую информацию сразу на ИПМ.

«Так оператору и/или обслуживающему персоналу предоставляется уникальная информация для быстрого решения проблем, которые могут возникнуть в системе, — говорит г-н Инфелиз. — В большинстве случаев в цехе нет необходимости держать компьютеры, что экономит время и исключает возможность повреждения дорогого оборудования».

В последние годы ключами к такому решению были серводвигатели и программное обеспечение. Устройства, известные как Gen3, прошедшие эволюцию от механических компонентов до электроники и компьютерной программы, позволили изготовителям комплексного оборудования добавлять и синхронизировать в своих системах все больше степеней подвижности. Среди многих преимуществ этой цифровой автоматизирующей системы — высокая производительность и гибкость, увеличенная надежность и качество, короткое время переключения и самый важный фактор — снижение стоимости оборудования и эксплуатационных затрат.

Обычно на программное обеспечение приходится до 40 % от стоимости оборудования Gen3, столько же — на механическую часть. Многие предсказывают, что по мере того, как программные модули с увеличивающейся скоростью занимают место дискретных аппаратных частей, этот баланс может измениться: программное обеспечение будут составлять 60 % стоимости, а механическая часть — 20 % в течение следующих пяти лет.

«Подумайте о преимуществах, которые дают точные функции управления сервоприводом на основе программного обеспечения, например, при определении вращающего момента машины для укупорки бутылок, — говорит кандидат наук Томас Корд, менеджер по проектно-конструкторской работе в компании ELAU Inc., расположенной также в Шумберге, штат Иллинойс. — Уменьшена зависимость от механических сцеплений, которые нужно постоянно контролировать, сервоприводы отслеживают точность для вас и даже посылают сигнал тревоги оператору при потенциальном сбое задолго до того, как он фактически наступает».

Джон Ковал, менеджер по маркетингу в ELAU, добавляет, что система PacDrive компании замещает механические приводы трансмиссии и обычные ПЛК полностью интегрированным автоматизированным контроллером, цифровыми сервоприводами, программируемыми моторами и ИПМ. «Тогда как ПЛК оптимизируются для обработки битов, используемых в логических операциях, PacDrive на платформе Pentium M предназначен для работы с серьезными данными, включая строки, математические и высокоуровневые операции, — говорит он. — Это, наряду с полностью документированным программным шаблоном IEC 61131-3 и программной библиотекой IEC, делает программы модульными, легкими в визуализации и проверке, а также пригодными для повторного использования».

Компания Hoffman Estates (Иллинойс), входящая в Bosch Rexroth Corporation, называет свое решение “GenNext”. «Мы хотим изменить парадигму, разрабатывая оборудование с нуля до уровня, удовлетворяющего всем нуждам потребителей, — говорит представитель компании Джон Вензлер. — Наша система создана на основе сервоприводов, но, кроме того, во все остальные части оборудования, где возможно, встроены микропроцессоры, а также расширена коммуникация с окружающими устройствами».

Г-н Вензлер утверждает, что одним из благоприятных последствий такого решения будет улучшение фактора безопасности. Особенности интегрированной технологии обеспечения безопасности, воплощенной компанией в системе Indradrive, широко использовались в Европе под стандартом EN 954-1 для тех элементов систем управления, которые связаны с обеспечением безопасности.

«Интегрированная технология обеспечения безопасности позволяет проводить экономичный независимый мониторинг сигналов системы безопасности без дополнительного оборудования, — говорит он. — В течение периодов техобслуживания система может быть переведена в один или более “безопасных режимов”, что позволяет персоналу проводить техобслуживание без каких-либо угроз. После этого система перезапускается быстро, что уменьшает общее время простоя». 

Чтобы ни говорили, на продолжающееся развитие технологии систем управления сильно влияет еще один фактор: простота. Только то, что система управления напичкана различными возможностями, еще не означает, что пользователю она подойдет.

«Мы переходим от нововведений, диктуемых поставщиками технологий к нововведениям, диктуемым изготовителями комплексного оборудования и конечными пользователями, — говорит г-н Вензлер. — Такой подход основан на выгодах: увеличение периода работоспособности, гибкости и диагностических возможностей».

Майк Вагнер, менеджер по проектно-деловой работе в компании Rockwell Automation в Милуоки, соглашается с этим утверждением. «У нас много различных технологий и возможностей. Но теперь индустрия принуждает нас свернуть их», — говорит он.

«Сегодня мы снабжаем производителей, которые выпускают полностью интегрированные системы, — говорит г-н Вагнер. — Если конечный пользователь хочет изменить продукт, изготовители перепрограммируют необходимые данные так, что оператору выдается графически вся информация, необходимая для замены каких-либо механически частей оборудования. Контроллеры в этом случае перестраиваются автоматически».

Если раньше для этих действий требовались специалисты, обширная документация и, возможно, несколько дней, то сейчас, по словам г-на Вагнера, «этим занимается машинный оператор, причем без бумажной документации». «В большинстве случае система восстанавливается за несколько часов», отмечает он.

Движение навстречу простоте заставляет вспомнить об оборудовании Gen3 — скорость его усложнения превышает скорость развития навыков операторов.

«Благодаря различным факторам у конечных пользователей остается все меньше ресурсов, — говорит г-н Вагнер. — От одних и тех же операторов требуется все больше и больше действий, например, управлять составным оборудованием и проводить все более частые замены. Раньше разработка интегрированного движения составляла большую часть времени при проектировании оборудования. Теперь мы тратим 80 % времени на решения ИПМ (интерфейс «пользователь-машина»), снабжая операторов графическим и интуитивным интерфейсом».

Никто не поспевает за всеми этими технологиями, так же как никто не может стать экспертом во всех областях. В результате фирмы-упаковщики все больше опираются на изготовителей комплексного оборудования и компаний по управляющим системам.

Крис Баумгартнер, консультант по упаковочной продукции Alpharetta из Siemens Energy and Automation (Джорджия), говорит, что теперь целью является не производство системы управления, а «производство целого модуля со всеми запрограммированными основными технологиями». «Также мы поставляем конфигурационное программное обеспечение, нужное потребителю для завершения установки. Это позволяет потребителю сосредоточиться на основных процессах, а не отладочных программах», — отмечает он.

Техобслуживание также становится все проще. «Мы добавили много функций, чтобы сделать оборудование проще в обращении и обслуживании, — говорит г-н Корд из ELAU. — Некоторые производители оборудования решили встраивать руководство по техобслуживанию в интерфейс “пользователь-машина”. Если контроллер обнаруживает ошибку, ведущую к сбою, он автоматически выдает информацию для устранения этой ошибки».

Но это не значит, что оператором может стать любой прохожий. «Вспомните, ведь ранние операционные системы от Microsoft требовали некоторого технического понимания и только недавно стали очень дружественными к пользователю, — говорит г-н Баумгартнер. — Мы еще не на этой стадии, но прогресс не стоит на месте».

Но все же, как замечает г-н Инфелиз из компании Omron, «в работу вовлекается несложное программирование, поэтому операторам и техникам не требуется звание кандидата наук. Для всего обслуживающего персонала, работающего на заводе, становится легче понять ситуацию и соответственно действовать. Это облегчает жизнь всем сотрудникам».

Одним из результатов внедрения Gen3 и последующих продуктов было продвижение к стандартизации различных аспектов автоматизированного процесса упаковки. Организации, занимающиеся стандартизацией, например, World Batch Forum и OMAC Packaging Workgroup сделали много полезного для развития общих принципов конструирования систем управления и их приложений. Большинство конструкторов ПЛК перешли на IEC 51131-3, что дает большую степень совместимости исходных программ, структуры и внешнего вида.

«Разработка общих технологических положений не может не повлиять положительно на всю индустрию, — считает г-н Баумгартнер. — Это ускоряет каждую фазу производства продукта — от проектирования и интеграции до работы и обслуживания конечным пользователем».

Стандартизация является, по словам г-на Вагнера из Rockwell, типичным явлением для развитой индустрии, но к ней также нужно относиться осторожно. «Интегрирование, от самого процесса до отдельных операций, требует, чтобы все оборудование говорило на одном языке, чтобы отдельные компоненты понимали друг друга, — объясняет он. — Однако организации, занимающиеся стандартизацией, должны помнить о том, что изготовители комплексного оборудования нуждаются в гибкости, позволяющей делать нововведения. Возможно, хотя и не легко, разработать стандарты, которые будут удобны и для изготовителей, и для конечных пользователей, и для поставщиков». 

По всей видимости, будущие системы управления будут выглядеть примерно так же, как и современные, но будет расширено использование модульных программ для работы с усложняющимися функциями, увеличена интеграция компонентов системы и более оптимизированы функции, что приведет к увеличению эффективности, надежности и экономичности упаковочного оборудования.

«Вероятно, главной задачей станет предсказание и предотвращение сбоев, — говорит г-н Инфелиз. — Также мы увидим более широкое использование элементов Smart Active, что уменьшит время разработки. Еще, возможно, мы увидим большее сближение технологий, например, устройств управления и сетей RFID для достижения “бесшовной стыковки” во всей цепи поставки».

Другим шагом в будущем будет преобразование машинной информации в форму, доступную всем сотрудникам организации. «С возрастающим интересом производители разрабатывают “умное” оборудование, которое сможет захватывать все огромное количество данных и передавать их удобным способом персоналу, — говорит г-н Вагнер. — Например, операторы машин, менеджеры и другие работники завода смогут иметь прямой доступ к детальной информации в реальном масштабе времени о работе оборудования или уровня производства целой линии устройств. Это позволит им без труда производить изменения для увеличения уровня производства, причем не отдельной линии, а завода в целом».

«Наверное, лучший прогноз — ожидать неожиданное, — говорит г-н Вензлер. — Мы ведь не ожидали, что другие устройства вроде пневматических клапанов и направляющих могли быть объединены с такой легкостью, поэтому нельзя точно утверждать, что нас ждет впереди».

«Я слышал о безумных идеях относительно будущего, в особенности насчет инструментальных программных средств, — добавляет г-н Баумгартнер. — В конце концов, только работоспособные подходы будут иметь смысл для рынка». 

Сервосистема переменного тока — название вращательного электропривода, работающего на синусоидальном токе.

 

Аналоговый сервомеханизм — сервосистема, использующая аналоговые системы контроля и обратной связи, например, изменение напряжения, давления и т. д. Аналоговые сервомеханизмы обычно применяются в гидравлических и подобных системах.

 

Бесщеточный сервомеханизм — сервопривод, в котором передача тока осуществляется посредством электроники, а не через механические щетки и коммутатор.

 

Шина — один или более проводников в виде канала, по которым передается информация от одного из многих источников к одному из многих пунктов назначения.

 

Централизованное управление — система управления, в которой вся первичная обработка производится в одном месте, нежели в нескольких точках по всей системе.

 

Шина постоянного напряжения — тип электрической цепи или протокола, который служит общим каналом для коммуникации нескольких компонентов; для создания опорного напряжения используется постоянный ток.

 

Цифровое управление движением: система управления движением, использующая двоичный код для всех логических и контрольных функций. Аналоговые входы могут использоваться в цифровой системе, но перед обработкой в этом случае сигнал проходит через аналого-цифровой преобразователь.

 

Привод — электронное устройство, переводящее данную команду от контроллера движения в электрический ток, приводящий в действие двигатель.

 

Шифратор — устройство обратной связи, переводящее механическое движение в электрические сигналы для определения точного положения. Самыми распространенными являются инкрементные шифраторы и абсолютные датчики положения.

 

Ethernet — открытый сетевой стандарт, широко используемый в автоматизации конторских работ, и теперь все чаще используемый в сетях паковочного оборудования. Новые версии обладают скоростью до 100 мегабит в секунду.

 

Протокол Fieldbus — локальная сеть управления процессами, используемая для соединения датчиков, приводов и устройств управления, согласно стандарту ISA S50.02.

 

Управление в реальном масштабе времени — определяется способностью контроллера реагировать на событие немедленно, без запаздывания. Тогда как программируемые логические контроллеры (ПЛК) разрабатываются именно с этой целью, персональные компьютеры в этом отношении менее надежны.

 

Интерфейс «пользователь-машина» (ИПМ) — консоль, посредством которой оператор или механик взаимодействует с паковочным оборудованием.

 

Открытая архитектура — аппаратное и/или программное обеспечение, разработанное с возможностью взаимозаменяемости компонентов и совместимости с продуктами других производителей.

 

Разомкнутая/замкнутая петля — управление по разомкнутой петле относится к системе управления движением без внешних датчиков, посылающих коррекционные сигналы о положении или скорости. Управление по замкнутой петле относится к системе управления движением, которая имеет обратную связь по положению и скорости для генерирования коррекционных сигналов сравнением положения и скорости с требуемыми значениями.

 

Программируемый логические контроллер (ПЛК) — тип компьютера, который обеспечивает управление в реальном масштабе времени упаковочным и другим оборудованием благодаря короткому детерминированному времени сканирования.

 

Последовательный стандарт коммуникации в реальном времени (SERCOS) — открытый протокол сообщения (утвержден как IEC 1491), специально разработанный для сетей управления движением.

 

Серводвигатель — двигатель, который вместе со своим решающим устройством или шифратором можно контролировать с большой точностью. Решающее устройство или шифратор обеспечивает привод, питающий двигатель, постоянной и очень точной обратной связью по положению ротора двигателя, его скорости и крутящего момента.

 

Диспетчерское управление и сбор данных (система SCADA) — программное и аппаратное обеспечение, которое позволяет управлять всей линией паковочного оборудования и автоматически собирать данные о работе всей этой линии.

 

Виртуальный ведущий механизм — сигнал шифратора, сгенерированный программным обеспечением системы управления для синхронизации нескольких сервосистем. Обычно оборудование снабжается несколькими шифраторами, генерирующими такие сигналы.

 

По материалам PMT

Перевел Максим Макуков