Firma Labplas przeprojektowuje dopasowane do swoich potrzeb maszyny produkcyjne, wykorzystując takie technologie, jak EtherCAT, robotykę oraz sztuczną inteligencję. Zapewnia to zwrot z inwestycji w czasie krótszym od jednego roku dla wszystkich modernizacji oraz wzrost produkcji od 15 do 35%. Pomaga w tym zwłaszcza sztuczna inteligencja (AI).
Zwracanie uwagi na standardy jakości oraz elastyczność produkcji to sprawy kluczowe dla przemysłu produkującego aseptyczne woreczki na próbki. Woreczki te muszą mieścić gąbki do pobierania próbek, żywność, środki farmaceutyczne lub materiał organiczny dowolnych wymiarów, przeznaczone do testowania w laboratoriach. Muszą one także zabezpieczać próbki przed zanieczyszczeniem czy skażeniem, aby zapewnić bezpieczeństwo konsumentom.
Firma Labplas w swoim zakładzie produkcyjnym w Montrealu projektuje, tworzy i wdraża najbardziej wiodące technologie. Specjalnie skonstruowana linia maszyn produkuje wyroby dopasowane do klientów. Są to głównie worki i woreczki na próbki o szerokości od 3″ do 33″ (76,2 ? 838,2 mm), produkowane z materiałów różnych typów na zamówienie klientów po dokonaniu tylko kilku zmian w maszynach, a nie tylko worki i zestawy na próbki o standardowych wymiarach.
? Stale ulepszamy nasze systemy dzięki automatyce, dlatego uzyskujemy coraz większą wydajność, jednocześnie utrzymując naszą płynność produkcji ? mówi Benoit Brouillette, dyrektor generalny firmy Labplas.
Firma Labplas z siedzibą w Sainte-Julie, stan Quebec (Kanada), obsługuje klientów między innymi z przemysłu spożywczego, rolniczego, farmaceutycznego oraz branży weterynaryjnej. Posiada sieć 55 niezależnych dystrybutorów w około 55 krajach. Produkuje sterylne woreczki na próbki, zestawy testowe, woreczki dla przemysłu spożywczego oraz przyjazne dla środowiska woreczki biodegradowalne. Firma w ostatnich latach stworzyła własne laboratorium mikrobiologiczne, zajmujące się badaniami i rozwojem wyrobów, w celu zapewnienia jakości produktów i ich zgodności ze standardami i przepisami, aby próbki były niezawodnie dostarczane do badań. Jednak główny postęp technologiczny w firmie dokonał się w automatyce i sterowaniu.
Seria linii maszyn MM w okresie pomiędzy pierwszym uruchomieniem dwadzieścia lat temu a chwilą obecną, gdy firma posiada 24 linie produkcyjne, przeszła wiele iteracji. Podczas niedawnego przeprojektowania kilku linii MM dział konstrukcyjny wdrożył dodatkową robotykę oraz kamery w standardzie GigE w celu poprawy wydajności i powtarzalności produkcji. Obecnie, jak mówi Christian Fontaine, kierownik działu badawczo-rozwojowego Labplas, inżynierowie firmy są w trakcie wdrażania technologii sztucznej inteligencji (AI) w maszynach w celu poprawy kontroli jakości wyrobów. Dla Labplas kluczowe dla każdej modernizacji jest staranne analizowanie platformy systemu sterowania ? aż do poziomu poszczególnych komponentów.
? Aby pozostać wystarczająco elastycznym w produkcji wyrobów dopasowanych do klienta, linia MM musi utrzymać wysoki poziom złożoności. Jeśli nie możecie zaufać każdej części waszej maszyny, to niemożliwe jest zaufanie wynikom końcowym ? mówi Christian Fontaine.
Niezawodne i otwarte technologie próbkowania
Zespół inżynierów firmy nadał priorytet otwartości systemu, co jest niezbędne dla zwiększenia akwizycji danych oraz integracji komponentów i oprogramowania pochodzących od innych producentów w czasie rzeczywistym. Na przykład firma Labplas chciała zmodernizować swoją technologię montażu w celu formowania woreczków na próbki i wkładania akcesoriów do próbkowania, takich jak gąbki, szmatki, łyżeczki lub nożyczki, za pomocą ramienia robota. Poprzednio operatorzy ręcznie wkładali gąbki i umieszczali zestawy w gotowym, otwartym u góry woreczku. Aby zmodernizować konstrukcję linii MM, firma Labplas przeanalizowała różnych dostawców sprzętu do formowania, napełniania i uszczelniania oraz opracowała metodę integrowania tego sprzętu za pomocą robota o sześciu osiach obrotu.
Wszystkie wymagane komponenty współpracują ze sobą w czasie rzeczywistym, bez problemów wynikających z komunikacji pomiędzy różnymi dostawcami. Dane są zbierane i zapisywane na serwerach firmy lub przez dedykowany sprzęt komputerowy w celu raportowania i ulepszania procesów.
Ponadto oczekiwano, że przeprojektowana seria MM będzie służyła jako model dla przyszłych ulepszeń wprowadzanych w całej fabryce w celu zwiększenia wydajności i ułatwienia pracy operatorom oraz personelowi utrzymania ruchu przy przechodzeniu z jednej linii na inną.
? Naszym celem jest opracowanie standaryzowanego systemu, w którym sprzęt automatyki oraz maszyny będą tak ustalone, jak to możliwe, nawet gdybyśmy mieli bardzo elastyczne uniwersalne linie z maszynami zdolnymi wytwarzać ponad 1000 różnych typów produktów ? mówi Benoit Brouilette.
Ponieważ tradycyjne programowalne sterowniki logiczne (PLC) od poprzedniego producenta nie były w stanie spełniać wymagań robotyki, a co dopiero technologii AI, firma Labplas rozpoczęła poszukiwania nowych partnerów biznesowych w 2015 roku. Zespół inżynierów firmy zidentyfikował układy sterowania oparte na komputerach typu PC jako najlepsze podejście do tematu.
Technologie automatyki i sterowania, wraz z usługami wartości dodanej, stały się komponentami dla procesów i maszyn.
Robotyka i oprogramowanie zwiększają produkcję
W nowych konstrukcjach maszyn zawarto wiele rozwiązań automatyki opartej na komputerach PC, sprzęt do sterowania ruchem oraz uniwersalne oprogramowanie automatyki z kinematyką. Firma Labplas wykorzystywała roboty w 15 liniach produkcyjnych, zaś roboty typu pick-and-place (?podnieś i umieść?) oraz inne osie ruchu są wyposażone w serwomotory sterowane przez serwonapędy EtherCAT. Te serwomotory synchroniczne o wysokich parametrach charakteryzują się bardzo małą bezwładnością wirnika oraz bardzo wysoką przeciążalnością dla aplikacji dynamicznych. Są połączone z napędami jednym kablem, co redukuje ilość oprzewodowania dzięki połączeniu zasilania i przesyłania sygnałów. Serwonapędy cechują się szybkimi algorytmami sterowania przy minimalnym prądzie pobieranym przez układ sterujący, precyzyjną regulacją prędkości i położenia w czasie 62,5 ?s.
? Serwonapędy muszą charakteryzować się niewiarygodną precyzją i przyśpieszeniem w sterowaniu serwomotorami, szczególnie w przypadku robotów delta ? mówi Christian Fontaine.
Zastosowano także zintegrowaną kartę bezpieczeństwa funkcjonalnego napędu z wbudowanymi funkcjami STO (bezpieczne wyłączenie momentu obrotowego, safe torque off) i SS1 (bezpieczny stop 1, safe stop 1), wraz z opcją dodania sprzętowych wejść/wyjść bezpieczeństwa z programowaniem za pomocą standardowego oprogramowania dla automatyki.
Poza bezpieczeństwem to oprogramowanie automatyki służy jako uniwersalna platforma software?owa dla sterowników PLC linii produkcyjnych MM, sterowania ruchem oraz realizacji innych wymagań. Dodatki transformacji kinematycznej tego oprogramowania pozwalają na projektowanie i uruchamianie różnych typów robotów, w tym typu delta i pick-and-place.
? Przy wykorzystaniu transformacji kinematycznej możliwy jest ruch o wysokiej precyzji, nawet z wysokimi prędkościami i przyśpieszeniami, dzięki zintegrowanemu wstępnemu sterowaniu dynamicznemu, a pakiet oprogramowania automatyki czyni możliwym sterowanie robotami i linią maszyn w czasie rzeczywistym ? mówi Ted Sarazin, regionalny menedżer sprzedaży w firmie Beckhoff Automation.
? Oprogramowanie to wspiera jednoczesne programowanie w wielu językach, w tym w każdym opisanym w normie IEC 61131-3 z obiektowo zorientowanymi rozszerzeniami dla języków C, tak więc możemy wykorzystać odpowiedni język da każdej aplikacji ? mówi Christian Fontaine. ? Darmowe okresy próbne pozwalają użytkownikowi zdefiniować swoje potrzeby projektowe i obniżyć ryzyko związane z zakupem pełnej wersji.
Sterowniki przemysłowe oparte na komputerach typu PC oraz układy We/Wy
Aby zwiększyć elastyczność i powtarzalność produkcji, linia maszyn MM wykorzystuje pewną liczbę innych rozwiązań automatyki. Inżynierowie i operatorzy sterują maszynami MM za pomocą wbudowanych paneli z szerokim ekranem wielodotykowym o stopniu ochrony IP65 po stronie zewnętrznej. Połączenia wykonane są jednym kablem, który przesyła zasilanie, sygnał USB 3.0 oraz sygnał wideo DVI do paneli sterowniczych nawet odległych o 100 m od sterownika PC maszyny.
Osadzony komputer PC (embedded PC), montowany na szynie typu DIN, jest głównym sterownikiem maszynowym dla zaawansowanych linii MM. Ten sterownik ma procesor dwurdzeniowy w celu automatyzowania produkcji wyrobów przeznaczonych do próbek, przy wykorzystaniu uniwersalnego oprogramowania dla automatyki.
? Te komputery PC klasy przemysłowej sterują całym zautomatyzowanym sprzętem linii maszyn MM, w tym serwonapędami, czujnikami i tak dalej ? mówi Christian Fontaine. ? Na przykład na iteracji MM9 mały osadzony sterownik musi dostarczać moc obliczeniową wymaganą do sterowania naszą złożoną maszyną z siedmioma osiami ruchu oraz robotami Delta ? jednym pięcioosiowym i dwoma trzyosiowymi. Jednocześnie jego CPU nadal posiada dostępną moc obliczeniową, wystarczającą do monitorowania jakości oraz obsługi potencjalnego oprogramowania samonaprawiającego się.
Osadzony komputer PC ma też wystarczającą moc obliczeniową do zainstalowania oprogramowania innych producentów, przeznaczonego do uruchamiania w środowisku Microsoft Windows. Takie oprogramowanie obejmuje wdrożenie sztucznej inteligencji dopasowanej do kontroli jakości w firmie Laplas.
? Obecnie wdrażamy narzędzia AI na linii produkcyjnej woreczków, głównie w celu autonomicznego wykrywania i naprawiania wad produkcyjnych wyrobów oraz przewidywania jakości wyrobów poprzez monitoring stanu technicznego sprzętu na podstawie danych z silników, czujników i kamer ? mówi Benoit Brouilette. ? To byłoby niemożliwe bez posiadania znacznej mocy obliczeniowej.
Dalej zwiększając otwartość systemu, technologia EtherCAT umożliwia maszynom z linii MM pracę w sieci w czasie rzeczywistym oraz wykorzystanie rozwiązań We/Wy. Christian Fontaine wyjaśnia, w jaki sposób montowanie na szynie DIN układy We/Wy są łączone z osadzonymi komputerami PC i jak są rozłożone, aby łączyć się z czujnikami, zaworami, kartami terminalowymi, przekaźnikami półprzewodnikowymi (SSR) oraz innymi urządzeniami zainstalowanymi w maszynach MM.
? Protokół EtherCAT pozwala nam na przesyłanie informacji pomiędzy komponentami przy wykorzystaniu tylko jednego kabla ethernetowego z większą prędkością niż czas cyklu sterownika oraz posiadanie funkcjonalności bezpieczeństwa ? dodaje Christian Fontaine.
Ujawnienie wielkości produkcji oraz elastyczności w przyszłości
Poprzez wdrożenie otwartych rozwiązań opartych na komputerach PC każda zmodernizowana linia maszyn w firmie Labplas osiągnęła zwrot z inwestycji (ROI) w czasie krótszym od jednego roku. Rozwiązania te zwiększyły także elastyczność maszyn MM, dzięki czemu mogą one produkować więcej typów wyrobów przy mniejszej ilości przestawień w celu zmiany produkcji oraz umożliwiły wykorzystanie technologii AI oraz robotów do szybkiej realizacji produkcji wyrobów o najwyższej jakości.
? Poprzez wykonywanie kontroli jakości za pomocą technologii AI bezpośrednio na maszynie, operator może skupić się raczej na dostawach i pakowaniu produktów, niż na ich kontroli jakości. Ponadto pozwala nam to na wdrożenie konserwacji prognozowanej, czyli zajęcie się rozwiązywaniem problemów związanych ze sprzętem i procesem zanim zatrzymają one produkcję ? mówi Benoit Brouilette.
Poza zapewnieniem lepszej jakości wyrobów firma Labplas zwiększyła także produkcję woreczków na próbki wszystkich rozmiarów, osiągając przeciętny wzrost o 25% na przeprojektowanych maszynach serii MM.
? Gdy zwiększamy szerokość woreczków, to zyski z wydajności lekko spadają. A zatem uzyskaliśmy przeciętnie 15% większą produkcję w przypadku woreczków szerszych od 10″ (254 mm) i aż o 35% w przypadku naszych mniejszych formatów ? mówi Benoit Brouilette. ? Ponadto wkładanie zestawów do pobierania próbek w maszynach MM8 jest obecnie sześć razy szybsze dzięki dodaniu robotów oraz wdrożeniu innych nowoczesnych rozwiązań.
Christian Fontaine i jego zespół zaprojektowali, skonstruowali i wdrożyli te maszyny we własnej firmie dzięki robotyce oraz szkoleniom i pomocy technicznej ze strony inżynierów aplikacji oraz wsparcia.
James Figy, starszy specjalista ds. treści w firmie Beckhoff Automation LLC.
