成功を味わう：食品・飲料業界におけるOEM向けの効率的なモーション

オートメーションモーション制御における信頼性は、OEM（自社ブランド製品製造会社）にとって非常に重要な要素です。これには、機械全体の装置効率に直接影響し、信頼性に寄与する重要な変数が3つあります。サーボの位置精度、軌道の再現性、およびシステム全体の効率です。これらの変数に不具合が生じると、新しい装置の設計期間が長くなったり、試運転のリソースが不足したり、あるいはエンドユーザーの生産コストが増加するなど、悪影響が生じる可能性があります。

OEMは、利益率の維持を目的とした設計上の制約を守りつつ、装置上に競争力ある機能を増やすという課題に直面しています。このような状況では、オートメーションモーション制御への信頼が不可欠となります。サーボ位置精度、軌道の再現性、システム効率において高い信頼性を確保することで、メーカーはリスクを軽減し、競争力を高めることができます。オートメーションモーション制御に対するこのような信頼が、顧客の期待に応え、ダウンタイムを減らし、生産工程を最適化する装置を提供することを可能にするのです。

図1：自動化されたパン工場。（画像提供：Getty Images）

この記事では、食品（図1）と飲料（図2）のOEM機械のライフサイクルを、設計から試運転、生産まで追っていきます。モーション制御の精度、再現性、効率を通じて装置の信頼性を高めるベストプラクティスを紹介します。各セクションでは、将来的なデータアグリゲーションの配備を非侵入型にしつつ、設計の簡素化によってシステムの性能を最大化することに焦点を当てて説明します。

図2：自動化されたボトリング工場。（画像提供：Getty Images）

設計

オートメーション制御システムを設計する際には、最初から精度、再現性、効率を考慮することが重要です。ネットワークプロトコルの選択は、マシンダウンストリームの複雑さとパフォーマンスを左右する重要な要素です。デバイスの通信の複雑さを測るには、設計変更のタイムラインと部品表の規模を測定します。製品のライフサイクルが何年にもわたる食品・飲料施設では、適切なネットワークプロトコルを選択することで、オリジナルの装置の再認証コストを最小限に抑え、機械の長期的な所有コストに大きな影響を与えることができます。

位置精度に向けた設計 - EtherCAT®による時間同期。EtherCAT®は、グローバルにオープンな産業用プロトコルで、通信効率を考慮して設計されています。EtherCAT®マスターは各フィールドデバイスに送信される1つのデータパケットを通して通信し、パケットが各ノードを通過して戻ってくる際に各デバイスのデータを受信します。一方、Ethernetトラフィックはプロトコルに関係なくPLCと各フィールドデバイス間の個別の対話です。EtherCAT®は125μsまでのサイクルレートでリアルタイムの確定性通信を実現します。この高速通信により、正確なモーション制御の妨げとなるサーボのジッタが取り除かれます。シーリング用途では、正確にシールできることが重要です。これは、川下ユーザーの材料廃棄を最小限に抑えるだけでなく、ブランドの評判と顧客満足の強化にもつながります。

軌道再現性に向けた設計 - EtherCAT®でコマンド配信を保証。EtherCAT®はリアルタイムのモーション制御を保証するように設計されています。PLCが各デバイスと個別に対話する際に発生し得るパケットの衝突を排除し、適切なパケットを適切な場所に適切なタイミングで確実に配信します。充填機やシーリング機、ボトリングライン、滅菌システムなど、多数のサイクルにわたって精密さが要求される用途において、EtherCAT®は再現可能なモーション精度を提供します。中央処理装置はプライマリモーションタスクに基づいてすべてのEtherCAT®動作を同期させます。要求される再現性のレベルに応じて、3つの主要なEtherCAT®モードを選択できます。

• フリーランモード - EtherCAT®サイクルはコントローラのバスサイクルに非同期です。入力と出力はネットワーク全体で同時にリフレッシュされませんが、EtherCAT®サイクル中の複数のリフレッシュが排除されています。
• 同期モード - EtherCAT®サイクルはコントローラのバスサイクルに同期しています。入力の同期読み出しと出力の同期リフレッシュは、同時に複数のEtherCAT®デバイス上で、一定間隔で実行されます。
• タイムスタンプモード - EtherCAT®サイクルはコントローラのバスサイクルに同期しています。エントリの同期読み出しはEtherCAT®分散クロックに基づいています。これにより、マイクロ秒単位の正確なタイミングが可能になります。

システム効率に向けた設計 - EtherCAT®による迅速な設計と将来のスケーラビリティ。EtherCAT®はグローバルにオープンな産業用プロトコルであり、異なる製造業者が共有ネットワーク上で通信することを可能にします。このため、業界では過去14年間の年平均成長率が12%と、安定した採用率が続いています。この成長は、EtherCAT®の精度と精密さの証であると同時に、この包括的なネットワークプロトコルを採用した企業が持続的な競争優位性を得られることの証でもあります。2010年にEtherCAT®を導入した加工業者や包装業者は、将来の成長に備えるだけでなく、その過程における大幅な再設計コストを回避することもできました。

試運転

堅牢なアーキテクチャ設計により、初回通過前にパフォーマンスを検証することで、パフォーマンスが顧客の期待に応えられないリスクを大幅に低減できます。また、チームは配備前にシステムから非効率な部分を取り除くことができます。試運転プロセスでは、機械の性能を最大限に引き出すと同時に、川下ユーザーの施設への配備に伴うリスクを最小限に抑えます。試運転は通常、装置が完全に組み立てられたランオフ段階で完了しますが、ハードウェアを一切使用せずに機械構築と並行して試運転を完了することができるため、優れたOEMの確立を実現した強固な品質基準を損なうことなく、総生産時間を短縮することができます。

位置精度に向けた試運転 - ハードウェアなしのサーボ選択。サーボの適切なサイジングは、費用対効果と機械性能の精度の両方を達成するために非常に重要です。サーボのサイズを大きくしすぎると機械全体のコストが高くなり、小さくすると機械全体の性能が低下します。オールインワンの自動化プラットフォームで統合開発環境を利用することにより、OEMはプロセスを合理化することができます。

このアプローチでは、1つのプログラムを使って機械の性能を検証し、モータのサイジングアドインを組み込んで確実に正しい選択をすることができます。同じソフトウェアパッケージ内でモータサイズと機械プログラムの検証を完了することで、追加のソフトウェアを使用する複雑さを排除し、選択プロセスでのエラーのリスクを低減します。この統合されたアプローチは、プロセスを簡素化し、サーボサイジングの精度を高め、機械性能を向上させます。

軌道反復性に向けた試運転 - ハードウェアなしのモーションシミュレーション。モーション軌道は、装置全体の効率に均一な影響を及ぼします。一方で、加速、減速、およびモーション経路は、機械設計の他の側面と比較して、スループット時間、クラッシュの確率、および最終製品の品質に不均一な影響を及ぼします。プログラムが作成されるのと同じソフトウェア環境で軌道をシミュレートすることは、工場現場で不安定なプロセスを作り出すリスクを取り除くだけでなく、エンドユーザーに、その製品が生産現場でランオフ時と同じパフォーマンスを発揮するという信頼を与えます。

システム効率に向けた試運転 - ハードウェアなしの3Dシミュレーション。物理的なハードウェアの代わりに3Dシミュレーションを使用してアセンブリ全体をシミュレートすることができ、試運転プロセスを大幅に改善することができます。工場の現場では、モーションだけが要素ではないことを考慮することが重要です。また、安全プロセスやデータ収集と並行してモーションを検証することも必要です。これは、トレーサビリティとビジョンが生産工程に入り組んでいる場合によく見られます。メーカーが提供する3Dモデルを活用し、プログラムと同じソフトウェア環境でシミュレーションを行うことで、チームは試運転中にリスクを招くことなく安全性を確保できます。さらに、これによってチームは最適な操作手順を作成することができ、ランオフチームは装置の工事を承認する前に、既知の標準に照らして性能を検証することができます。これにより、物理的な工事に投資する前に、機械が川下ユーザーの期待を上回る可能性を大幅に向上できます。

本番環境

オリジナル装置の設計と試運転は、メーカーにとって大きな投資となります。しかし、リピーターを確保する鍵は、装置のライフサイクルにおけるパフォーマンスにあります。将来のスケーラビリティ、プロセスのアップタイム、プロセスデータの収集能力などの要素は、オートメーションシステムに対する顧客全体の満足度と、将来のビジネスの可能性に大きな影響を与える可能性があります。

位置精度に向けた生産 - 将来の需要に柔軟に対応するオートメーションのモジュール化。最高性能のオールインワンオートメーションプラットフォームは、何百もの既製のモジュール式IO部品番号を持っており、プラグアンドプレイで設置できるだけでなく、ドラッグアンドドロップでプログラミングできる単一のソフトウェアを備えています。これらのプラットフォームは、EtherCAT®を超えてグローバルにオープンな産業用プロトコルを使用して接続します。これらのオープンネットワークのネットワーク効果を活用し、Fail Safe Over EtherCAT®、EtherNET/IP™、CIP Safety™、IO-Link、MQTT、OPC UA®、SQLをそれぞれ意図されたとおりに使用することで、モジュール式PLCのコネクティビティをモーション以外にも拡張します。最もOEMに適したオートメーションプラットフォームは、工場現場に過度な複雑さをもたらすことなく、新しいテクノロジーを最初から迅速に導入できるように設計されています。たとえば、モーション用途では、Ethernetで通信するハンドヘルドトレーサビリティが一般的になりつつあります。OEMは、食品・日用品メーカーが進化する業界標準、新しい包装材料、消費者動向の変化に柔軟に対応するために必要なモジュール性を維持しながら、メーカー間のギャップを埋めるために、事前に公表されたサードパーティのコネクティビティガイドと機能ブロックを使用することができます。

再現性に向けた生産 - オートメーションプレイバックは自律的に生産イベントをキャプチャします。オートメーションにおける欠陥がダウンタイムの原因となるイベントを引き起こした場合、欠陥の根本原因を迅速に発見し、その発見内容を検証することは、プロセスの安定性に対する信頼を回復する上で極めて重要です。プレイバックにおけるデータ、ビデオ、プログラム構造、ラダーロジックの融合は、ますます標準になっています。すべてのプレイバックは時間同期され、イベントトリガされるため、ローカルおよびリモートのチームメンバーが生産を中断することなく、かつ不具合があった場合にオペレータが現場にいる必要なく、迅速かつ正確に問題を診断できます。EtherCAT®のようなオープンプロトコルでのデータプレイバックは、試運転状態でのシミュレーション性能と組み合わせることで、機械の性能指標を損なうことなく継続的な改善を実現します。

システム効率に向けた生産 - OPC UA®内蔵サーバが、全体的なプロセスデータを中央ロケーションに供給します。現在、多くのコントローラに標準装備されているOPC UA®サーバ機能は、現場の機器とのオープンな通信を可能にします。これにより、内蔵OPC UA®™サーバが複数のクライアントからの同時接続を可能にするため、SCADAソフトウェアが通信要件を満たすことができます。OPC UA™を選択することで、ダウンストリーム機器のユーザーは、OPC UA®™が提供するセキュリティの利点を速やかに利用し、クライアントからの不正アクセスを防止することができます。OPC UA®™サーバ機能がますます普及するにつれ、OEMはユーザーとより強固な関係性を築くことができます。これにより、既存の装置に対してより包括的なサポートを提供し、設置ベースにおける将来の装置の可能性について貴重な洞察を得ることができます。

OEMのモーション制御に対する川下ユーザーの満足度は、明日の運用の成功を妨げることなく、モーションが今日の主要な生産指標を満たすことができるかどうかにかかっています。装置の競争力を高めるために、OEMは堅牢な設計を優先し、試運転時に信頼感を与え、効率的なトラブルシューティングを可能にしなければなりません。これは、業界標準としてより高いレベルのコンプライアンスが要求されるため、特に重要です。このような面に注力することで、メーカーは自社の装置が提供する競争力のある機能の幅を広げ、最終的に市場シェアを拡大することができるのです。オールインワンオートメーションプラットフォームは、EtherCAT®のようなグローバルにオープンな産業用プロトコルを使用し、設計段階を通じてシンプルなアーキテクチャを作成し、試運転段階では単一の設計環境で複数のシミュレーションを作成し、生産時には将来のスケーリングのために柔軟なデータアグリゲーションを作成します。

まとめ

食品・飲料業界における将来の課題を予測する中で、一定の標準が生まれるでしょう。これには、効率的で包括的なネットワークの必要性、堅牢性を備えた新しい装置の迅速な開発、非侵入的でありながら包括的なデータアグリゲーションなどが含まれます。心強いニュースは、こうした課題に対処するために必要な技術はすでに利用可能だということです。OEMは今すぐこの技術を活用することで、将来に向けて持続可能な競争優位性を強化することができます。この目的のため、Omron Automation and Safetyは、EtherCAT®と互換性のある装置をオートメーションや制御設計に提供し、産業オペレーションを成功に導きます。