Мехатроника в действии. Повышение производительности циклических автоматов

Опубликовано в номере:
PDF версия
Рынок упаковки продуктов питания стремительно развивается. Чтобы вовремя реагировать на происходящие изменения, производство должно иметь высокую гибкость. Этому могут способствовать упаковочные и пищевые автоматы повышенной производительности, функциональности и степени автоматизации.

Во всем мире, и в нашей стране в частности, наблюдается устойчивый рост потребления упакованных продуктов питания. Потребители уже привыкли к регулярной смене дизайна привычных упаковок, появлению новых и коррекции существующих типов упаковок по размеру, типу материала, форме и т. д. Маркетологи быстро отзываются на интерес потребителей ко всему новому и регулярно проводят акции по смене упаковки. В то же время само производство зачастую ограничено в площадях и не всегда имеет возможности для простого расширения (в основном из-за роста стоимости недвижимости).

 

Задача

Таким образом, 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 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 (рис. 1). Повышение производительности автоматов дает возможность получать большее количество готовой продукции с той же занимаемой площади. Повышение функциональности автоматов дает большую гибкость для переналадок 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 со стороны обслуживающего персонала фокусировку внимания на предотвращении выхода из строя оборудования, что, как следствие, ведет к увеличению эффективности персонала и сокращению дорогостоящих простоев.

Рис. 1. Автоматы: а) для розлива в бутылки (слева); б) для упаковки наггетсов

 

Системный подход

Задачи повышения производительности и функциональности оборудования (пищевого и упаковочного, в частности) являются комплексными и требуют системного подхода на всех уровнях: начиная от формирования концепции автоматизации и продуктовой линейки и заканчивая решением конкретных задач.

Таким системным подходом для Festo являются концепции «Мехатроника» и «Интегрированная автоматизация». В рамках «Мехатроники» компанией 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 «Интегрированная автоматизация» 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 сформировала общие рекомендации.

Рис. 2. График циклограмм работы всех механизмов

Для получения максимального эффекта при минимуме затрат на разработку и конструирование новых автоматов проще и эффективней оптимизировать зарекомендовавшее себя оборудование, производимое серийно. Сначала необходимо зафиксировать текущие характеристики, снять циклограмму работы всех механизмов и свести ее в единый график (рис. 2). Это позволяет наглядно получить представление о работе всей системы и выявить ограничивающие узлы и элементы. В конечном итоге ограничивающими становятся один или два 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 (рис. 3), замена асинхронных электроприводов на сервоприводы. Однако ограниченная мощность управляющего контроллера часто мешает реализации оптимального алгоритма. Поэтому использование более мощных контроллеров — один 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.

Рис. 3. Увеличение производительности приводов

 

Сравнение исполнительных приводов

Остановимся более подробно на сравнении характеристик пневмо- и электромеханических приводов, а также электроприводов на базе асинхронных двигателей и сервоприводов.

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 и, как следствие, более высокую производительность при частых пусках и остановах. Кроме 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.

 

Пример структуры системы управления циклическим автоматом

Структурная схема применения концепций «Мехатроника» и «Интегрированная автоматизация» для решения задачи повышения производительности упаковочного автомата приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема повышения производительности упаковочного автомата

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 на 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. На рис. 5 представлен пример использования пневмоострова-контроллера СРХ-МРА в системе управления установками CIP мойки.

Рис. 5. Система управления установками CIP мойки

 

Применения

Описанные решения и подходы находят свое применение в различных пищевых и упаковочных автоматах, работающих в жестком цикле. Это вертикальные автоматы фасовки сыпучих продуктов (рис. 6), линейные, роторные автоматы фасовки жидких и пастообразных продуктов (рис. 7), выдувные автоматы ПЭТ-тары, линии розлива и укупорки и т. д.

Рис. 6. Вертикальный автомат фасовки сыпучих продуктов

 

Преимущества решения Festo

Подход Festo на базе концепций «Мехатроника» и «Интегрированная автоматизация» 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 один-два исполнительных механизма, пересмотреть циклограмму работы и использовать производительную систему управления.

Рис. 7. Автомат фасовки жидких продуктов

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, дает возможность 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 гарантирует надежность 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 его гибкости к плановым и текущим изменениям в маркетинговой политике, а также оптимизировать затраты на обслуживающий персонал.

ООО «ФЕСТО-РФ»

+7(495)737-34-87

sales@festo.ru

www.festo.com

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *