Automatyzacja w przemyśle spożywczym

Przemysł spożywczy to jeden z największych odbiorców różnorodnych rozwiązań oferowanych przez dostawców automatyki. Presja rynku wymusza nieustanne obniżanie kosztów produkcji, stawiając coraz wyższe wymagania dotyczące jakości produktów. Te dwa, pozornie sprzeczne ze sobą, cele można obecnie osiągnąć jedynie dzięki automatyzacji procesu produkcyjnego.
W zakładach produkcji spożywczej coraz częściej można spotkać dziś nowoczesne rozwiązania z obszaru automatyki, np. nowoczesne roboty przemysłowe zastępujące bądź wspomagające pracę ludzi, specjalistyczne maszyny i urządzenia oraz systemy przyczyniające się do zwiększenia wydajności produkcji oraz zredukowania kosztów przedsiębiorstwa.
Zdaniem Grzegorza Purzyckiego, dyrektora ds. rozwiązań dla produkcji spożywczej z firmy ASTOR, główne cele stawiane przez producentów żywności dla urządzeń wyposażonych w systemy automatyki czy roboty przemysłowe to: wyprodukowanie produktu bezpiecznego dla zdrowia człowieka, odpowiednie jego zapakowanie czy ograniczanie kosztów samego procesu wytwórczego. Nie bez znaczenia jest powtarzalność wytworzonej receptury i identyfikacja surowców, a także operacji wchodzących w skład wyrobu finalnego. Dlatego przed automatyką stoi szereg wyzwań zarówno od strony budowy samych urządzeń wykonawczych, jak i metod prowadzenia procesu.
Złożony proces produkcji żywności
Każdy produkt spożywczy musi przejść długą drogę, zanim trafi do naszego kosza zakupowego. Wytwarzanie żywności składa się z wielu etapów technologicznych, w których ma miejsce szereg czynności prowadzących do otrzymania końcowego produktu. Pokrótce wygląda to następująco: po dostarczeniu surowców do zakładu produkcyjnego rozpoczyna się etap wstępny polegający na myciu, czyszczeniu lub segregacji surowców. W dalszej kolejności następuje etap pomocniczy, w którym dochodzi np. do: rozdrabniania, miksowania, krojenia, siekania, mielenia oraz dzielenia na porcje. W etapie głównym surowce poddawane są działaniu różnych procesów ? w zależności od rodzaju produkowanej żywności, wśród których można wyróżnić m.in. pieczenie, smażenie, duszenie, blanszowanie, mrożenie czy suszenie, a także sterylizację i pasteryzację. Następnie ma miejsce etap końcowy, na któryskładają się pakowanie lub rozlewanie oraz etykietowanie. Na końcu odbywa się magazynowanie i wysyłka gotowych wyrobów.
Obecnie coraz więcej zakładów produkcyjnych korzysta z dostępnych na rynku nowoczesnych rozwiązań, które w większym lub mniejszym stopniu zapewniają zautomatyzowanie wymienionych etapów produkcji żywności.
Zdaniem Mateusza Wądzyńskiego, inżyniera wsparcia technicznego z firmy Simex, przemysł spożywczy niezmiennie od lat jest jednym z najważniejszych rynków końcowych dla wielu dostawców automatyki, a budżety przeznaczane przez firmy na automatyzację procesów produkcji stale rosną. ? Produkcja żywności to proces niezwykle złożony i na każdym etapie wspierany przez elementy automatyki oraz aparaturę kontrolno-pomiarową. Począwszy od linii transportowych, przez roboty przemysłowe, sterowniki PLC, szeroką gamę sensorów optycznych oraz ultradźwiękowych, pompy, czujniki temperatury czy przetworniki ciśnienia ? tłumaczy ekspert, podkreślając, że w celu spełnienia wysokich standardów higieny wszelkie komponenty automatyki muszą wykazać się odpornością na specyficzne dla branży spożywczej procesy czyszczenia.
Standardem jest stopień ochrony IP65, ale podczas mycia wysokociśnieniowego niezbędny jest stopień IP69K. Obok szczelności obudowy niezwykle ważny jest również rodzaj zastosowanego materiału. Bardzo popularna w przemyśle spożywczym jest stal nierdzewna, stosunkowo niedroga i ? jak wszystkie powierzchnie mające kontakt z żywnością ? nieprzepuszczalna, nieporowata, odporna na korozję, nietoksyczna, niebrudząca oraz łatwa w czyszczeniu.
Przechowywanie surowców
Warunki, w jakich przechowywane są surowce, zanim zostaną poddane procesowi produkcyjnemu, mają ogromny wpływ na jakość wytwarzanej żywności. Również gotowe produkty, które niekiedy z różnych powodów muszą być przechowane przez pewien okres, zanim zostaną przetransportowane do odbiorców, powinny być ulokowane w bezpiecznym miejscu.
W tym celu najczęściej stosuje się komory chłodnicze lub mroźnicze, umożliwiające utrzymanie właściwej, stałej temperatury. I tu również z pomocą przychodzi automatyka. Automatycznie sterowane komory wyposażone są m.in. w regulatory ciśnienia i temperatury, termostaty, sterowniki, czujniki, przetworniki oraz elektroniczne lub termostatyczne zawory. Dzięki automatyce chłodniczej można skutecznie opóźnić rozwój mikroorganizmów i zapobiec niszczeniu przechowywanych surowców czy gotowych wyrobów.
Produkty muszą się przemieszczać
Często stosowanym w zakładach sposobem przemieszczania produktów są rurociągi. Ważne jest, żeby instalacja rurowa nie miała żadnych ślepych odcinków. W razie konieczności zaślepienia rur odcinki te powinny być możliwie najkrótsze, aby nie dopuścić do zalegania płynów. Podstawowymi elementami systemów transportu rurowego są pompy i zawory. Wybór pompy powinien być uzależniony od parametrów przepływu, takich jak: gęstość produktu, stopień lepkości, skłonność do osadzania. Istotna jest także odporność chemiczna, a także możliwość pracy w odpowiednim zakresie temperatury i ciśnienia. Pompy świetnie sobie radzą zarówno z transportem cieczy czystych, lepkich i gęstych, takich jak marmolady, pasty, przeciery, syropy itd., jak i z dużo bardziej gęstymi substancjami typu majonez, twaróg itp.
Warto również wspomnieć o uszczelnieniach stosowanych w pompach, które bardzo często tworzą zestaw pojedynczych elementów. Znajduje to swoje uzasadnienie: w sytuacji wystąpienia awarii pierwszego z pojedynczych uszczelnień jego funkcję przejmuje kolejne. Dzięki takiemu rozwiązaniu można zoptymalizować zachowanie szczelności.
Pompy powinny być tak skonstruowane, aby wyeliminować możliwość powstawania martwych stref ? zakamarków utrudniających dostęp substancji myjących. Bardzo ważna jest też możliwość łatwego i szybkiego demontażu pompy, bez potrzeby użycia jakichkolwiek narzędzi, oraz prostego i dokładnego czyszczenia, a także sterylizacji wszystkich jej części.
Ponadto powierzchnie robocze rurociągów, pomp i zaworów muszą wykazywać odporność na korozję oraz reakcję z produktem lub środkami myjącymi stosowanymi w procesie. Ich powierzchnia nie może być zbyt chropowata, ponieważ utrudniałoby to poprawne mycie.
Bez przenośników ani rusz
Bardzo popularnym sposobem transportu produktów są przenośniki, których dobór powinien zależeć przede wszystkim od rodzaju transportowanego towaru. Najczęściej można spotkać w zakładach przenośniki taśmowe. Ze względu jednak na trudności w ich czyszczeniu najbardziej nadają się one do transportowania zapakowanych już produktów spożywczych.
Innym rodzajem przenośników wykorzystywanych w przemyśle spożywczym są przenośniki wibracyjne. Używa się ich np. do transportu surowych warzyw i owoców, wykorzystuje się je także przy pakowaniu, podczas którego transportowany towar musi być wstrzymywany bramkami lub przekierowywany w różne miejsca. Poza tym ze względu na to, że wibracje powodują oddzielanie się wilgoci od powierzchni produktów, przenośniki wibracyjne sprawdzają się w sytuacjach, w których w trakcie transportu korzystne jest suszenie produktu. Przenośniki te mogą też służyć do oddzielania towaru, uwzględniając jego grubość (przesiewanie). W porównaniu z taśmociągami są łatwiejsze w czyszczeniu (wykonane są ze stali nierdzewnej) oraz tańsze w utrzymaniu (ich napędy nie wymagają smarowania ani wymiany oleju).
Jeszcze łatwiejsze w czyszczeniu oraz tanie w utrzymaniu są przenośniki horyzontalne, których używa się np. do transportowania produktów posypanych przyprawami czy w polewie. Wykonywane przez nie poziome ruchy są bardzo delikatne, dzięki czemu nic nie osypuje się ani nie spływa z produktów. Przenośniki te wykorzystuje się do przemieszczania delikatnych obiektów, które są wrażliwe np. na obijanie (ciasteczka, jabłka itd.).
Krajalnice, ocieraczki i inne maszyny
Trudno sobie wyobrazić sprawne funkcjonowanie zakładu produkcyjnego bez specjalistycznych maszyn. W produkcji żywności niezbędne są m.in.: krajalnice (do krojenia na kostkę, paski lub plastry, w zależności od zastosowania zespołów tnących), plastrownice (do krojenia np. warzyw w plastry gładkie lub falowane o różnej grubości), szatkowniki (do szatkowania kapusty), blanszowniki (do blanszowania wszelkiego rodzaju warzyw, grzybów oraz wyrobów mięsnych), ocieraczki (do usuwania np. skórek z warzyw i owoców).
Bardzo przydatne są też: mieszalniki, dozowniki, płuczki, otrząsacze zanieczyszczeń, urządzenia do destylacji i ekstrakcji, separatory powietrzne przeznaczone do oczyszczania mrożonych warzyw i owoców z lekkich zanieczyszczeń, kalibrowniki służące do sortowania, a także np. etykieciarki.
Roboty na usługach branży spożywczej
W nowoczesnych zakładach produkcja jest coraz częściej wspomagana przez roboty. Dzięki nim możliwe jest wykonywanie czynności według zadanych parametrów, a także osiągnięcie powtarzalności operacji oraz wysokiej wydajności produkcji. Pod tymi względami są one bezkonkurencyjne w porównaniu z pracą wykonywaną przez człowieka. W przeciwieństwie do zwykłego pracownika nie męczą się, nie potrzebują przerw, ani się nie dekoncentrują, co skutkuje mniejszą liczbą braków i wyższą jakością towarów trafiających do sprzedaży. Ponadto nie straszne są im trudne warunki pracy (wysoka lub niska temperatura, duża wilgotność itd.), doskonale nadają się do przenoszenia bardzo dużych ciężarów (nawet do 1000 kg), chwytania grupowego (co przyspiesza proces produkcyjny, np. pakowanie), są nieskomplikowane w czyszczeniu, zapewniają wyeliminowanie kontaktu człowieka z żywnością, a koszt ich zakupu może zwrócić się już po roku.
Dużym atutem robotów jest także łatwość przeprogramowywania zadań. W przypadku zmienności obiektu (rozmiaru, kształtu, struktury) zazwyczaj nie jest konieczne wprowadzanie zmian mechanicznych, lecz tylko programowych. Programowo realizuje się różnego rodzaju zamówienia na ten sam typ wyrobu lub zestawyproduktów. Natomiast podczas krótkich serii produktów możliwe jest korzystanie z biblioteki programów.
Roboty nie mają sobie równych, jeśli chodzi o spostrzegawczość, co w przypadku wizualnej kontroli jakości jest kwestią fundamentalną. Przykładem niech będzie aplikacja do rozbioru tusz wieprzowych. Dzięki współpracy robotów z systemami wizyjnymi możliwe jest uzyskanie maksymalnej wydajności linii, co jest dużym osiągnięciem, zważywszy na specyfikę tak trudnych w obróbce obiektów jak tusze, z których każda jest inna.
Współczesne roboty w połączeniu z zaawansowanymi systemami wizyjnymi umożliwiają śledzenie i odpowiednie uchwycenie obiektów przemieszczających się na taśmie produkcyjnej, a także zapewniają efektywną kontrolę jakości. Potrafią odróżnić i odrzucić dany obiekt, jeśli nie jest zgodny z wzorcem.
Łatwość programowania i uniwersalność robotów sprawia, że idealnie nadają się do wykonywania prac związanych z załadunkiem, rozładunkiem, pakowaniem oraz paletyzacją. Zrobotyzowane stanowisko paletyzujące może przynieść wiele korzyści, np. zajmuje mniej miejsca w porównaniu ze zwykłym urządzeniem paletyzującym. Poza tym dzięki robotom paletyzującym możliwa jest szybka i łatwa zmiana asortymentu produktów oraz zredukowanie ryzyka uszkodzenia opakowań podczas przenoszenia. Roboty mogą pobierać paletę, układać na niej produkty, oddzielać warstwy palety płytami tekturowymi, a nawet owijać palety folią.
Roboty pracujące w aplikacjach szybkiego pobierania i odkładania produktów (pick & place) mogą wykonywać powtarzalne zadania łatwo i precyzyjnie. Również w tego rodzaju aplikacjach standardem jest już wykorzystanie systemów wizyjnych, umożliwiających śledzenie linii przez robota. W konsekwencji produkty są rozpoznawane, właściwie i szybko pobierane i odkładane na miejsce, bez potrzeby zatrzymywania linii.
Warto wspomnieć także o możliwości wielozadaniowej obsługi stanowiska przez robota, który może być wyposażony w system automatycznej wymiany narzędzi (m.in. noże, piły) i chwytaków realizujących różne funkcje. Przykładowo przy paletyzacji worków stosuje się chwytaki widłowe, a podczas pakowania butelek (np. w rozlewniach napojów, mleczarniach) wykorzystuje się pneumatyczne chwytaki membranowe.
Roboty używane w przemyśle spożywczym muszą być pyłoszczelne i bryzgoszczelne (IP65) oraz oczywiście spełniać wymagania norm w zakresie zabezpieczenia przed pyłem i wodą (IP54), a także ochrony przed porażeniem prądem (IP67). Obecnie w ofercie wszystkich liczących się na rynku producentów znajdują się roboty w specjalnej wersji, tzw. cleanroom. Są one wykonane ze stali nierdzewnej lub specjalnych materiałów eliminujących powstawanie cząstek drobnodyspersyjnych, które mogłyby zanieczyścić poddawane obróbce produkty.
Aparatura pomiarowa
Przemysł spożywczy charakteryzuje się wysokimi wymaganiami stawianymi również aparaturze pomiarowej. Wysoki stopień ochrony IP67 oraz IP69, specjalistyczne przyłącza montażowe i certyfikaty materiałowe są już normą. Do rzetelnego źródła informacji o tym, co dzieje się na danym etapie procesu produkcyjnego niewątpliwie można zaliczyć enkodery (używane w układach sterowania ruchem przenośników) oraz różnego rodzaju czujniki spełniające wysokie wymogi higieniczne. Oprócz powszechnie stosowanych czujników temperatury, ciśnienia, masy, lepkości, przewodności itd. w zautomatyzowanych zakładach produkcyjnych coraz częściej instalowane są czujniki optyczne, ultradźwiękowe czy pojemnościowe.
Czujniki optyczne stosuje się np. do identyfikacji obiektów umieszczonych na przesuwających się taśmociągach, do określenia poziomu cieczy i materiałów sypkich itd. Natomiast czujnikiultradźwiękowe używane są również do pomiaru poziomu cieczy i materiałów sypkich, a także do detekcji i pomiaru odległości od obiektów. W porównaniu z czujnikami optycznymi wykazują jednak większą odporność na pracę w środowisku zapylonym oraz wilgotnym. Zasada działania tych czujników polega na pomiarze czasu upływającego między wysłanym sygnałem ultradźwiękowym a odebranym echem, które odbija się od przeszkody, przy czym czas ten jest proporcjonalny do odległości wykrywanego obiektu od czoła czujnika. Z kolei do kontroli poziomu cieczy w zbiornikach ? która może się odbywać także przez wykonaną z tworzywa ściankę zbiornika ? służą pojemnościowe czujniki zbliżeniowe.
Systemy wspomagające produkcję
Produkcja w przemyśle spożywczym opiera się głównie na procesach wsadowych, które są realizowane według określonych receptur. Narzędziem umożliwiającym sterowanie recepturowe jest odpowiedni system automatyki, dobrany pod kątem specyfiki danej aplikacji. Powinien on cechować się szerokim wachlarzem funkcji oraz rozbudowanym i elastycznym modułem recepturowania.
Opisane wymogi spełnia np. DCS (Distributed Control System) ? rozproszony system sterowania. Odpowiada on za sterowanie i wizualizację procesu przemysłowego. W odróżnieniu od systemu stworzonego na bazie SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) i sterowników programowalnych PLC (Programmable Logic Controller) ma on wspólną bazę danych dla sterowania i wizualizacji.
Bardzo przydatne są też inne systemy optymalizujące proces produkcyjny, które również wykorzystuje się w branży spożywczej. Według Tomasza Zielińskiego, prezesa zarządu z firmy Queris, do poprawy efektywności produkcji w dużym stopniu przyczyniają się takie rozwiązania, jak systemy klasy MES (Manufacturing Execution System) czy CMMS (Computerised Maintenance Management Systems) ? wspomagające utrzymanie ruchu. Oprócz harmonogramowania przeglądów (zmniejszających ryzyko wystąpienia awarii i pomagających lepiej wykorzystać czas przewidziany na pracę maszyny) umożliwiają one bardzo szeroko pojęte zarządzanie całą strukturą zakładu ? od zwizualizowania całych linii produkcyjnych, przez monitorowanie zapasów części zamiennych, podgląd ich struktury, planowanie ich wykorzystania, aż po możliwości zamawiania odpowiednich części zamiennych i zarządzanie dostawami materiałów.
? Każdy, kto zajmuje się zarządzaniem produkcją, wie, jak ważna, oprócz sprawności parku maszynowego, jest jego wydajność. Pomiar wydajności dzięki systemom klasy MES umożliwia dokładną analizę i wyciągnięcie wniosków z obecnego stanu, a następnie podjęcie konkretnych i efektywnych decyzji. Stały podgląd pracy maszyn w czasie rzeczywistym daje pełną kontrolę nad bieżącym wskaźnikiem OEE. Jest on liczony nie tylko dla całej linii, ale także dla poszczególnych maszyn osobno. Dzięki temu może przyczynić się np. do eliminacji tzw. wąskich gardeł ? wyjaśnia Tomasz Zieliński.
Generalnie im lepiej przystosowana jest linia do monitorowania i zarządzania nią, tym większa efektywność produkcji, czyli większe przychody firmy. Aktualnie to prawdopodobnie właśnie te dwa narzędzia (systemy klasy MES i CMMS) są najczęściej poszukiwanymi przez firmy produkcyjne rozwiązaniami automatyzacji, które skutecznie poprawiają sprawność i wydajność produkcji. Z tego powodu na polskim rynku pojawia się coraz więcej firm, które takie rozwiązania oferują.
W myśl zasady, że ?nie da się poprawić tego, czego nie da się zmierzyć?, nowoczesne rozwiązania (w tym systemy służące do zarządzania) zapewniają pracownikom z obszarów produkcji, UR, jakości oraz doskonalenia procesów produkcyjnych dostęp do danych pochodzących z procesu, informacji dotyczących organizacji pracy zespołów (technicznych, produkcyjnych), a więc dostarczają wiarygodną informację identyfikującą szereg zdarzeń produkcyjnych. ? Korzyścią, która się z tym wiąże, jest dostęp przedsiębiorcy do danych, które poddane analizie i działaniom doskonalącym przynoszą spore możliwości wypracowania wzrostu efektywności linii lub ograniczenia kosztów prowadzonego procesu ? twierdzi Grzegorz Purzycki z firmy ASTOR.
Branża spożywcza to jeden z głównych obszarów wykazujących ogromne zapotrzebowanie na rozwiązania z dziedziny automatyki i robotyki. Dzięki wdrożeniu w przedsiębiorstwie odpowiednio dobranych do potrzeb rozwiązań możliwe jest osiągnięcie w stosunkowo krótkim czasie wielu korzyści, o których można jedynie pomarzyć w przypadku niezautomatyzowanej produkcji.
CE