品尝成功：适用于食品和饮料行业 OEM 的高效运动

对于原始设备制造商 (OEM) 而言，自动化运动控制的可靠性是一个关键因素。伺服系统位置精度、轨迹可重复性和系统整体效率是直接影响机器整体设备效率的三个关键变量。这三个变量稍有闪失都可能导致负面后果，例如延长新设备的设计时间、调试资源溢出，以及增加最终用户的生产成本。

OEM 面临的挑战是，既要在设备上增加有竞争力的特性，又要遵守旨在保持利润率的设计限制。在这种情况下，对自动化运动控制的信心就变得至关重要。通过确保伺服系统位置精度、轨迹可重复性和系统效率方面的高可靠性，制造商可以降低风险，增强竞争优势。这种对自动化运动控制的信心使制造商能够提供满足客户期望、减少停机时间并优化生产流程的设备。

图 1：自动化面包厂。（图片来源：Getty Images）

本文将介绍食品（图 1）和饮料（图 2）OEM 机器从设计、调试到生产的整个生命周期。此外，还将介绍通过运动控制精度、可重复性和效率增强设备信心的最佳做法。各部分内容都将着重于通过简化设计实现系统性能最大化，同时确保未来以非侵入性方式部署数据聚合。

图 2：自动化装瓶工厂。（图片来源：Getty Images）

设计

在设计自动化控制系统时，从一开始就考虑精度、可重复性和效率非常重要。网络协议的选择在决定机器下游的复杂性和性能方面起着重要作用。设备通信的复杂性可以通过设计修改的时间表和物料清单的规模进行衡量。在食品和饮料工厂中，产品的生命周期可能长达数年，选择合适的网络协议可以最大限度降低原始设备的重新认证成本，从而大幅降低运营机器的长期拥有成本。

位置精度设计 - EtherCAT® 可实现时间同步。全球开放式工业协议 EtherCAT® 专为提高通信效率而设计。EtherCAT® 主设备通过单个数据包与每个现场设备通信，在数据包通过每个节点并返回的过程中，每个设备都会丢弃和接收数据，而以太网流量则是 PLC 与每个现场设备之间的单独对话，与协议无关。EtherCAT® 可实现实时确定性通信，周期率可低至 125 μs。这种高速通信消除了伺服系统中可能妨碍精确运动控制的抖动。在密封应用中，能够准确密封至关重要。这不仅有助于最大限度减少下游用户的材料浪费，而且还能提高品牌声誉和客户满意度。

轨迹可重复性设计 - EtherCAT® 可保证命令传输。EtherCAT® 的设计可确保实时运动控制。消除 PLC 与每个设备进行单独对话时可能出现的数据包冲突，确保在对的时间将对的数据包传输到对的位置。在灌封机、装瓶线和消毒系统等需要在多次循环中保持精度的应用中，EtherCAT® 可提供可重复的运动精度。中央处理器根据主要运动任务同步所有 EtherCAT® 操作。根据所需的可重复性水平，可选择三种主要 EtherCAT® 模式。

• 自由运行模式 - EtherCAT® 周期与控制器总线周期异步。在一个 EtherCAT® 周期中，虽然输入和输出不会在整个网络中同时刷新，但多次刷新会被移除。
• 同步模式 - EtherCAT® 周期与控制器总线周期同步。在多个 EtherCAT® 设备上同时以固定间隔同步读取输入和同步刷新输出。
• 时间戳模式 - EtherCAT® 周期与控制器总线周期同步。基于 EtherCAT® 分布式时钟同步读取条目。这样就能实现精确到微秒的定时。

系统效率设计 - EtherCAT® 可实现快速设计和未来可扩展性。EtherCAT® 是一种在全球范围内开放的工业协议，能够让不同制造商在一个共享网络上进行通信。因此，在过去的十四年里，业界采用率一直保持着 12% 的复合年增长率。这种增长不仅证明了 EtherCAT® 的准确性和精确性，而且还为采用这一包容性网络协议的企业带来了持续的竞争优势。在 2010 年采用 EtherCAT® 的加工商和包装商不仅为自己的未来发展做好了准备，而且还在此过程中避免了大量的重新设计成本。

调试

有了强大的架构设计，在首过前验证性能不仅能大幅降低性能无法满足客户期望的风险，而且还能让团队在部署前消除系统中的低效问题。调试过程可最大限度提高机器性能，同时还能最大限度降低下游用户设施中的部署相关风险。调试通常在设备完全组装完成后的试运行阶段完成，但调试也可与机器制造同时完成，无需任何硬件，这样便可缩短总生产时间，同时还不会降低强大 OEM 赖以生存的健全质量标准。

位置精度调试 - 无需硬件的伺服系统选型。要实现机器的成本效益和精度，伺服系统的正确选型至关重要。伺服系统尺寸过大会增加机器的总体成本，而尺寸过小则会影响机器的总体性能。通过在一体化自动化平台上使用集成开发环境，OEM 可以简化流程。

采用这种方法，只需使用一个程序就能验证机器的性能，同时还能结合使用电机选型插件，确保选型正确。通过在同一软件包中完成电机尺寸和机器程序的验证，消除了使用其他软件的复杂性，并且降低了在选型过程中出错的风险。这种集成方法可简化流程，提高伺服系统选型的准确性，从而提高机器性能。

轨迹可重复性调试 – 无需硬件的运动仿真运动轨迹对设备综合效率的影响是对称的，与机器设计的其他方面相比，加速、减速和运动路径对吞吐时间、碰撞概率和最终产品质量的影响不成比例。在创建程序的同一软件环境中模拟轨迹不仅能消除在工厂车间建立不稳定流程的风险，而且还能增强最终用户的信心，让他们相信产品在生产过程中的表现将与试运行过程中的表现相同。

系统效率调试 - 无需硬件的三维仿真。可以使用三维仿真代替物理硬件来模拟整个装配线，这样能够大幅改善调试过程。重要的是要考虑到运动并不是工厂车间的唯一因素。在验证安全流程和数据收集的同时，也有必要对运动进行验证。这在可追溯性和可视性对于生产流程而言错综复杂的情况下很常见。通过利用制造商提供的三维模型，并在与程序相同的软件环境中进行仿真，团队不仅可以确保安全性，而且不会在调试过程中引入风险。此外，这还能让团队创建一个最佳操作规程，并让试运行团队在建造设备得到批准之前，根据已知标准验证性能。这样就大幅提高了机器在投入实体建造之前超越下游用户预期的可能性。

生产

设计和调试原始设备对制造商而言是一项重大投资。但是，确保回头客的关键在于设备生命周期的性能阶段。未来可扩展性、流程正常运行时间以及流程数据收集能力等因素会极大地影响客户对自动化系统的整体满意度以及未来的业务潜力。

位置精度的实现 - 自动化系统模块化可灵活满足未来需求。最高性能的多功能自动化平台不仅拥有数百个现成的模块化 IO 部件号（可实现即插即用式安装），而且还拥有可实现拖放式编程的单一软件。这些平台使用比 EtherCAT® 更优的全球开放式工业协议进行连接，通过利用这些开放式网络的网络效应和使用 Fail Safe Over EtherCAT®、EtherNET/IP™、CIP Safety ™、IO-Link、MQTT、OPC UA® 以及 SQL，将模块化 PLC 的连接扩展到了运动之外。对 OEM 最有利的自动化平台从一开始就能快速采用新技术，而且不会在工厂车间中引入不必要的复杂性。例如，在运动应用中，通过以太网进行通信的手持式跟踪设备正变得越来越普遍。OEM 可以使用预先发布的第三方连接指南和功能模块，帮助缩小制造商之间的差距，同时还可保留食品和商品制造商所需的模块性，以灵活应对不断变化的行业标准、新包装材料以及消费趋势的转变。

可重复性的实现 - 自动化回放功能可自动捕捉生产事件。当自动化故障导致停机事件发生时，迅速找到故障根源并对找到的故障进行验证对于恢复对流程稳定性的信心至关重要。在回放中融合数据、视频、程序结构以及梯形逻辑正日益成为常态。所有回放都是时间同步和事件触发的，允许本地和远程团队成员快速准确地诊断问题，而无需中断生产，并且故障期间也无需操作员在场。与调试状态下的仿真性能匹配时，通过 EtherCAT® 等开放式协议进行的数据回放使得下游用户能够在不影响机器性能指标的情况下实现持续改进。

系统效率的实现 - OPC UA®™ 内置服务器可将整体流程数据传输到中央位置。OPC UA®™ 服务器功能现已成为许多控制器的标配，该功能可以实现与现场设备的开放式通信。这可确保 SCADA 软件满足其通信要求，这是因为嵌入式 OPC UA®™ 服务器支持多个客户端同时连接。通过选择 OPC UA™，下游机器的用户可以立即利用 OPC UA®™ 提供的安全优势，防止未经授权的客户端访问。随着 OPC UA®™ 服务器功能的日益普及，OEM 能够与用户建立更紧密的联系。这使得他们能够为现有设备提供更全面的支持，同时获得宝贵见解，了解其安装用户中的未来潜在设备商机。

下游用户对 OEM 运动控制的满意度取决于运动能否在不妨碍未来成功运营的情况下，满足当今的关键生产指标。为了提高设备的竞争力，OEM 必须重点考虑强大的设计，在试运行期间树立信心，并实现高效的故障排除。随着行业标准对合规性的要求越来越高，这一点变得尤为重要。通过重点关注这些方面，制造商可以为设备提供更多具有竞争力的特性，从而最终提高市场份额。多功能自动化平台采用全球开放式工业协议（如 EtherCAT®），在设计阶段创建简单的架构，在调试阶段于单一设计环境中创建多种模拟，并在生产阶段创建灵活的数据聚合系统，以便在未来进行扩展。

结语

当我们预测食品和饮料行业的未来挑战时，可以预见将会出现某些标准。其中包括需要高效和包容的网络、快速开发稳健的新设备，以及非侵入性的整体数据聚合。令人鼓舞的是，应对这些挑战所需的技术已经问世。现在，OEM 可以利用这项技术巩固其未来的可持续竞争优势。为此，Omron Automation and Safety 为自动化和控制设计提供了 EtherCAT® 兼容设备，以确保工业运营成功。