Публикация пресс-релизов Поиск по компании
Решения, технологии, стандарты Рынок, отрасль, люди Основы
Отменить подписку Подписка
Производители Системные интеграторы Дистрибьюторы
Продукты месяца Поиск по категории Добавить продукт
Добавить мероприятие
Добавить вакансию Специалисты по АСУ ТП, КИП Специалисты по электротехнике, энергетике Главные инженеры, технологи, электрики Менеджеры по продажам, консультанты, другое
Технические требования Публикация статей Публикация пресс-релизов Media Kit 2014
 


 

Решения, технологии, стандарты - статьи Ua.Automation.com

Упаковка пищевых продуктов: мехатроника в действии

Упаковка пищевых продуктов: мехатроника в действии
Исходные предпосылки 
 
Во всем мире и в нашей стране, в частности, наблюдается устойчивый рост потребления упакованных продуктов питания. Неупакованные машинным способом продукты фактически ушли в прошлое. Потребители уже привыкли к регулярной смене дизайна привычных упаковок, появлению новых и коррекции существующих типов упаковок по размеру, по типу материала, форме и т. д. Маркетологи производителей продуктов питания быстро отзываются на спрос потребителей ко всему новому и регулярно проводят акции по смене упаковки. В результате, рынок упаковки последние 10 лет растет опережающими темпами. В то же время само производство зачастую ограничено в площадях и не всегда имеет возможности для простого расширения, а расширение площадей ограничивает рост стоимости недвижимости.  Другим важным фактором является рост заработной платы работников, т.е. рост затрат на персонал.
 
 
Потребности производителей продуктов питания
 
В условиях растущего спроса и ограниченности занимаемых площадей, ключевым вопросом становится повышение производительности существующего производства. Чтобы вовремя реагировать на изменения на рынке, удовлетворять потребности в быстрой смене ассортимента и типа упаковки, производство должно иметь высокую гибкость. Одновременно с повышением производительности и гибкости производства стоит задача повышения его эффективности, в т.ч. сокращения затрат на обслуживающий и рабочий персонал.
 
Решение 
 
Решением обозначенных задач во всем мире становятся упаковочные и пищевые автоматы повышенной производительности, функциональности и степени автоматизации. Повышение производительности автоматов дает возможность получать большее количество готовой продукции с той же занимаемой площади. Повышение функциональности автоматов дает большую гибкость к возможным переналадкам с продукта на продукт, с одной упаковки на другую, позволяет сокращать время переходов, т.е. повышает общую гибкость производства. Повышение степени автоматизации в части функций самодиагностики и безопасности предусматривает фокусирование внимания со стороны обслуживающего персонала на предотвращение выхода из строя оборудования, а как следствие ведет к увеличению эффективности персонала и сокращению дорогостоящих простоев.
 
 
Основы решения Festo
 
Системный подход
 
Задачи повышения производительности и функциональности оборудования (пищевого и упаковочного, в частности) являются комплексными и требуют системного подхода для их решения. Festo использует системный подход на всех уровнях: начиная от формирования концепции автоматизации и продуктовой линейки и заканчивая решением конкретных задач. 
 
Таким системным подходом для FESTO являются концепции Мехатроники и Интегрированной автоматизации. В рамках концепции Мехатроники разработан оптимизированный набор компонентов (пневматических, механических, электрических и электронных), программные средства для расчета и выбора элементов системы перемещения, а также для конфигурирования, настройки и программирования. Все механические, электрические и электронные интерфейсы стандартизованы, благодаря чему можно гибко подбирать состав системы перемещения под конкретную задачу. Базовые компоненты системы дополнены исчерпывающим набором опций и переходных элементов, что позволяет решать задачи построения и оптимизации мехатронных систем в комплексе. Концепция Интегрированной автоматизации основана на заключении системы управления пневматикой, электрикой, электромеханикой и системы сбора данных в одном конструктиве: пневмоостров-контроллер. 
 
Рекомендации
 
Поскольку задача повышения производительности циклических автоматов является весьма распространенной – для ее решения Festo сформировало общие рекомендации:
 
Для получения максимального эффекта с минимумом затрат на разработку и конструирование новых автоматов проще и эффективней оптимизировать зарекомендовавшее себя оборудование, производимое серийно. Сначала необходимо зафиксировать текущие характеристики и снять циклограмму работы всех механизмов и свести ее в единый график. Это позволяет наглядно получить представление о работе всей машины и выявить ограничивающие узлы и элементы. В конечном итоге ограничивающими становятся 1 или 2 узла. После этого необходимо построить оптимальную с точки зрения производительности циклограмму работы с учетом безопасного наложения циклов отдельных механизмов.  Для повышения производительности всей системы необходимо увеличить производительность ограничивающих элементов. Например, замена пневмоприводов на высокодинамичные электромеханические приводы, замена асинхронных электроприводов на сервопривода.
 
 
Часто в качестве ограничений выступают нагревательные процессы, которые также нужно оптимизировать для повышения производительности. Наиболее сложным для идентификации является ограниченная мощность управляющего контроллера, которая часто не дает возможности для реализации оптимального алгоритма. Поэтому использование более мощных контроллеров является одним из ключевых моментов для повышения производительности. Использование гибкости электромеханических приводов для возможных переналадок и адаптации систем к новым условиям, а также производительных контроллеров со встроенными функциями безопасности и сервиса позволяет повысить функциональность автоматов. 
 
 
Сравнение исполнительных приводов
 
Остановимся более подробно на сравнении характеристик пневмоприводов и электромеханических приводов, а также электроприводов на базе асинхронных двигателей и сервоприводов. Как уже было сказано, для повышения производительности ограничивающих узлов возможно использовать сервоприводы и электромеханические приводы. В чем же их преимущества по сравнению с асинхронными двигателями  и пневмоприводами? 
 
Сервоприводы при тех же номинальных характеристиках по мощности, что и асинхронные, имеют существенно меньший момент инерции ротора, большую перегрузочную способность по моменту и высокий КПД (до 98%), что в совокупности дает более высокую динамику перемещений, а как следствие и более высокую производительность при частых пусках и остановах. Корме того, сервоприводы способны осуществлять точное позиционирование исполнительных механизмов. Для получения максимального эффекта повышения производительности вращательных перемещений нужно также задумываться о замене общепромышленных редукторов на планетарные, которые имеют существенно меньший момент инерции, высокий КПД (92-96%) и более компактную конструкцию, что позволяет устанавливать сервоприводы меньшей номинальной мощности в целях экономии инвестиционных средств и потребляемой энергии.
 
Основные отличия электромеханического привода от пневматического – это полный контроль над траекторией перемещения и гибкое позиционирование в любую точку с высокой точностью и динамикой. Например, для задачи объемного дозирования данные свойства электромеханических приводов позволяют сокращать время цикла за счет отсутствия расплескивания и вспенивания продукта, для задач перемещения позволяют оптимизировать алгоритмы и траектории, что в свою очередь дополнительно повышает быстродействие, сохраняя высокий ресурс электромеханического привода.
 
Линейные приводы Festo
 
Линейные приводы Festo представлены 6-ю технологиями: стандартная пневматика, сервопневматика, зубчатые ремень, винт-гайка, ШВП и линейный двигатель, причем для решения одной и той же задачи возможно использовать сразу несколько технологий перемещения с различными характеристиками.
 
 
Для повышения производительности пищевого и упаковочного оборудования чаще всего используются электромеханические приводы на базе зубчатого ремня и ШВП. Приводы с зубчатым ремнем обладают  высоким быстродействием: скорость до 10 м/с и ускорение до 50 м/с2 , при повторяемости до 0,08 мм.  Приводы с ШВП обладают высокой жесткостью перемещения и повторяемостью до 0.02 мм при быстродействии: скорость до 2 м/с, ускорение до 25 м/с2. Для реализации программных перемещений в состав электромеханических приводов включены сервоприводы на базе синхронных, либо шаговых двигателей. Механические интерфейсы исполнительных приводов Festo стандартизованы. Например, пневматический цилиндр DNC и электрический цилиндр DNCE – имеют практически идентичные крепежные и присоединительные размеры, что позволяет свести затраты на конструктивные изменения при переходе с одного привода на другой до минимума.
 
Пример структуры системы управления циклическим автоматом
 
Структурно схематическую иллюстрацию применения концепций Мехатроники и Интегрированной автоматизации для решения задачи повышения производительности упаковочного автомата можно увидеть на рисунке:
 
 
 
ядром системы является производительный пневмоостров-контроллер CPX-MPA, который реализует оптимальные алгоритмы работы, собирает дискретные сигналы от датчиков, управляет пневматикой через пневмоостров, электромеханикой через CAN-интерфейс и осуществляет функции диагностики и безопасности. Исходная схема управления предусматривала стандартный ПЛК и отдельно стоящий пневмоостров. Большая часть узлов перемещения остается без изменений, в двух узлах произведена замена: вместо асинхронного двигателя и пневмоцилиндра применены сервопривод и электрический цилиндр.
 
  
 
Данное решение позволяет повысить производительность до 40-50% (при реализации оптимального алгоритма работы, построенного после ревизии циклограммы), повысить функциональность в части гибкости к переналадкам, безопасности и сервиса. Встроенные в пневмоостров-контроллер CPX-MPA функции диагностики позволяют определять отработанный ресурс пневмоавтоматики, как клапанов, так и цилиндров, задолго до выхода их из строя и отослав, например, SMS-сообщение обслуживающему персоналу, заблаговременно запланировать замену этих компонентов. Таким образом, возможно увеличить эффективность персонала, сократив до минимума дорогостоящие простои. Кроме того, такое решение позволяет сэкономить до 60% времени на сборку, отладку, монтаж и программирование системы управления автоматом, поскольку «ядро» системы управления пневмоостров-контроллер поставляется в собранном оттестированном виде, а интерфейсы подключения пневматики, электрики и электромеханики стандартизованы. 
 
Применения 
 
Описанные решения и подходы находят свое применение в различных пищевых и упаковочных автоматах, работающих в жестком цикле. Это и вертикальные автоматы фасовки сыпучих продуктов, и линейные и роторные автоматы фасовки жидких и пастообразных продуктов, и выдувные автоматы ПЭТ-тары, и линии розлива и укупорки и т.д.
 
 
 
Преимущества решения Festo
 
Подход Festo на базе концепций Мехатроники и Интегрированной автоматизации позволяет получать максимальный эффект в решении задач повышения производительности и функциональности циклических автоматов, при минимуме изменений в их конструкции. По опыту, для повышения производительности на 30-40% достаточно заменить 1-2 исполнительных механизма, пересмотреть циклограмму работы, и использовать производительную систему управления.
 
Наличие широкой линейки продуктов Festo (от пневматики до электромеханических приводов, производительных контроллеров и Touch-screen панелей, согласованных между собой на уровне интерфейсов), созданной для решения высокопроизводительных задач, позволяет заниматься техническим оснащением пищевого и упаковочного оборудования по принципу «все из одних рук».  Данный принцип позволяет быть уверенным в работоспособности разрабатываемого и эксплуатируемого оборудования, а также сокращать логистические издержки, как при производстве, так и при дальнейшей эксплуатации оборудования. 
 
Высокий ресурс исполнительных приводов, а также возможность его предварительного расчета позволяет быть уверенным в надежности высокопроизводительного оборудования. Автоматы повышенной производительности естественным образом быстрее вырабатывают стандартные ресурсы исполнительных механизмов. Компоненты Festo исходно рассчитаны на высокоцикличные и высокодинамичные режимы работы, кроме того, наличие целого набора программных средств и методик расчета срока службы и оптимизации траекторий движений позволяет на стадии проектирования заложить правильный типоразмер и комплектацию используемых компонентов.
 
Таким образом, комплексное решение Festo позволяет удовлетворить потребности производителей продуктов питания в повышении производительности производства, повышении гибкости производства к плановым и текущим изменениям в маркетинговой политике, а также оптимизировать затраты на обслуживающий персонал.
 
 
ДП «Фесто»
 
[email protected] – для заявок
[email protected] – для технических запросов
 
Виталий Мысечко,
менеджер направления
Электромеханический привод и мехатроника