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智能设备:实现更智能的生产

来源:荣格 发布时间:2017-04-11 877
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无论食品公司是为了立志成为一家智能工厂,还是仅仅为了新产品需求而提高灵活性,自动化都能提供帮助。

一年一度的慕尼黑啤酒节正是一个你与630万亲密酒友一同发酒疯的好机会,还有很多集市活动。古董拖拉机,Eva's Trip和Paradise等嘉年华游乐设施,应有尽有。Eva's Trip是20世纪初的一套游艺设备,没有旋转转轮,由原来的11 马力西门子电机提供动力,自1939年投入运行至今。德国人把它称为过山车,但相比于其它游乐场上的设备,它可以算是一个温顺的遗迹。

类似的比喻也同样适用于加工食品的设备。混料器、烤箱甚至机器人,几十年来一直重复着相同的功能,但自动化的进步奠定了一个明显的性能差异。正如他们所说,好戏还在后面。

可编程逻辑控制器PLC其实就是自动化版的Eva's Trip游艺设施。没有一家自动化厂商会大声宣扬他们每年数百万的销售业绩,但PLC已经过时是不争的事实。当然,它提供所需的安全和有效地运行机器的逻辑,其工业领域的可靠性不容置疑,但基于PC机的控制系统才是大数据时代所必不可少的。

自动化的软肋是灵活性的缺失,当生产计划是固定不变的时候,这无关紧要。而食品饮料行业的发展趋势是与其相悖的,德国西门子过程自动化首席执行官EckardEberle指出。灵活性对于拥有多个截然不同的工厂的企业而言挑战更大。这违背了运营效率。

从传感器和现场设备以及控制器提取数据固然好,但除非这些数据能够转换为有用的信息,否则所有努力都是白费。收集数据并不难,西门子运动控制高级产品经理Craig Nelson说。他举例说,某家生产商目前每分钟可以从工厂中整合三万个数据点。“数字化工厂将数据视为资产利用、减少浪费和控制高峰需求的竞争优势。”Nelson说。

产品系统

数据推动了供应链的优化。Barilla集团最近正在进行一个实验,用产品序列化和原料系统作出匹配。

Barilla和意大利Cisco事业部合作,将二维码打印在意大利国内销售的意面和番茄酱包装上。

购物者用手机扫描二维码,可以链接到某个网站,网站上详细说明所有该产品采用的原料产地,粮食的研磨地,加工的工厂以及产品发货时间。这个嵌在二维码中的“数字护照”提高了食品安全,回答了消费者对产品出处的所有问题。当然,最显著的优势可能是供应链的可视性。

“互联网改变了我们种植、加工、运输和消费食品的方式,更透明,更安全。”Cisco意大利首席执行官Agostino Santoni在事先准备好的声明中提到。但这个试点项目更远大的目标是追溯Barilla超过1,000种原料,从农田一直到超市。要做到这一点需要处理大规模数据,意面和调味酱是试点的第一步。

大数据和它的姊妹物联网,在Cisco的另一个项目中也扮演着重要角色。这家客户是俄亥俄州的Sugar Creek包装公司,最近这家公司正在调试一套从破产的加工商手中收购的系统。据首席信息官Ed Rodden解释,高效率的工作团队必须收集大量的数据并及时将这些数据进行分析,转化为可操作的信息。

“高绩效工作团队和你在传统肉类加工厂看到的很不一样,传统肉类加工厂采用的是由上至下的管理模式。”Rodden说。半自治团队工作缺乏监管,生产、维修和人力资源问题由不同的团队成员处理。如果他们要达到生产目标,就需要有实际意义的反馈。数字视频监控和KPI 数据是完全不够的。

真空低温蒸煮是工厂的核心。“这是一项颠覆性的烹饪技术,采用的是一套高度自动化的系统,有数以百计的传感器来控制整个工艺过程。”Rodden说。团队成员利用Cisco移动应用程序Jabber访问数据。“其实本质上是一部IP电话。”他补充道。传统手机在工业设施上的表现参差不齐,安装额外的改进系统将增加300-500万美元的项目成本。Jabber基本上像一个桌面电话,可以很便捷的整合到工厂软件中。

无线网络也可跟踪员工的位置,通过员工佩戴的防护头盔内的RFID标签,范围在1 米以内。Rodden说:“主要是出于安全考虑。在肉类加工厂,很难知道员工的工作点,尤其是移动最频繁的点。”数据过滤是更大的问题,甚至可能成为一场灾难。他补充道:“通过改进软件,情况有所好转,但根本问题并没有得到解决。”

数据过剩确实是一个问题,罗克韦尔自动化公司包装消费品总监David Sharpe表示,但这条数据隧道的尽头出现了微弱的亮光。“数据需要被概念化,有些工具可以帮助我们整合数据,了解工艺的具体状况。”他说,“但在你试图解决这些问题之前,你需要知道问题所在。数字化连接程度越是高的企业,推动生产效率的选择性越多。”

紧凑的食品行业机器人

Pepperidge Farm是一个明显的特例,此外食品加工业在上世纪90年代之前很少采用机器人应用。最先出现的是用于堆垛的机器人手臂。之后机器人应用开始逐渐进入上游,但由于场地问题使用依旧有限。与流水线工人并肩工作的协作机器人的出现正在改善空间受限的弊端,扩大自动化的机会,只要这些机器人对于工业环境而言足够坚固耐用。

手臂末端工具、机器人材料介绍和其它因素值得考量,而OEM的风险评估和终端用户的具体安装推动了这些机器人的应用发展。在评估中主要参考四个因素:力、功率、速度和动量。如果评估确定机器人对人体健康或相邻设备不构成威胁,该应用则被认为符合美国、加拿大和全球安全标准。

丹麦Universal等协作机器人供应商最强调的是机器人成本和编程简易性。在过去10年中,Universal向美国输入了4,000台协作机器人设备。

机器人控制系统中包括了传感器和安全装置,根据高级技术支持经理Brent Bartson介绍,系统集成商可以插入光幕,安全PLC,激光扫描仪和其它组件,创建“机器人虚拟墙”。有效载荷有所限制,Universal最大的机器人只能处理22磅,而这些控制是有专利的。Universal采用开放架构,方便通过以太网/IP 或其它通信协议传输数据。

“这是一片处女地,如果我是一个食品生产商,我会想知道这家集成商的培训证书,和他在安全标准方面的专业知识。”Bartson提醒说。协作机器人在安装前必须通过“Pilz自动化安全”等独立机构的风险评估。Universal凭借在欧洲的经验摸索了一套设备安全的新方法,并逐渐开始在美洲应用。欧洲设备用内置逻辑驱动器和运动控制取代了安全PLC和电子启停装置,用“侵略性减速”削减响应时间,防止碰撞和安全转矩,减少可能造成的影响,博世力士乐公司工程师Monte Swinford介绍说。

由运行代码和机器速度判断,传统安全控制需要长达100毫秒停止机器,这等于几英寸甚至英尺的运动。如果采用内置逻辑和运动装置,停机仅需短短2毫秒。

这种类型的控制自动化不仅更安全,还可以促进生产率大大提高,Swinford指出。如果电源被切断,电容器必须重新充电,才能恢复运行。通过切换到安全模式,高级驱动器避免停机时间。

即便是通用变频器也可以为如今的生产设施提供可再生能源,西门子的Nelson说。电阻中的能源也不会丢失。现在的控制技术可以从电机中回收制动能量,传送给其它用能装置或存储在电池中供以后使用。

能源效率、供应链的可追溯性和更安全的工作环境至关重要,倍福自动化公司区域销售经理Joe Martin说。然而,更大的灵活性和便于切换是现代制造业的口头禅。“灵活性是开放性PC控制系统的商标。”Martin强调。

“通过转换到基于PC 的系统,生产商在收集和重新利用大量工厂信息和生产数据方面的能力将大大提升。”他说。

“传统的PLC虽然极其出色的取代了继电器,但并不适合现代PC控制系统的处理能力。”PC还可以推动云数据库的使用,发送和访问加密数据,有利于采取纠错行动,预测性维护和更快的转换。

自动化并不会取代所有的人工过程,至少在目前来看。不同规模食品企业的自动化需求也不尽相同。无论他们是否有意建设面向未来的工厂或只是初级的设备,食品加工商需要知道需要改进的地方所在,掌握最适合工厂运行的方式。

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