品嚐成功滋味：食品飲料業 OEM 講究的有效動作

對原始設備製造商 (OEM) 來說，自動化動作控制的可靠度是一大關鍵要素。伺服機位置的準確度、軌跡重現性和整體系統效率，這三個重要變數不止會影響可靠度，也對機器的整體設備效率有直接影響。這三個變數稍有閃失都可能導致不良後果，例如新設備的設計時間拉長、試運轉的資源過溢、使用者的生產成本增加。

OEM 面臨的挑戰在於，既要為設備添加具有競爭力的特點，還要遵守設計限制以維持盈利能力。在此情況下，擁有值得信賴的自動化動作控制成了關鍵。確保伺服機位置準確度、軌跡重現性和系統效率都達到高可靠度，製造商才可減輕風險及增強其競爭優勢。有值得信賴的自動化動作控制，就可提供符合客戶期望的設備、縮短停機時間，並達到最佳化的生產流程。

圖 1：自動化麵包廠。(圖片來源：Getty Images)

本文會先探討食品 (圖 1) 和飲料 (圖 2) OEM 的機器生命週期，接著探討設計、試運轉與生產層面。也會介紹最佳實務，透過動作控制準確度、重現性和效率來提高設備信賴度。各章節內容都將著重於如何透過簡化的設計發揮最大的系統效能，同時確保未來以非侵入方式部署資料彙總。

圖 2：自動化裝瓶廠。(圖片來源：Getty Images)

設計

設計自動化控制系統時，從一開始就務必要將準確度、重現性和效率納入考慮。網路協定的選擇，在判定下游機器的複雜性和效能時扮演著重要角色。評估設計改版的時間表和物料清單的規模，就可衡量裝置通訊的複雜性。食品飲料設施的產品生命週期可以持續多年，因此挑選適當的網路協定，就可將原始設備的重新認證成本減至最低，進而大幅降低機器運作的長期擁有成本。

講究位置準確度的設計 - EtherCAT® 可達成時間同步。全球開放式工業協定 EtherCAT® 專為通訊效率而設計。EtherCAT® 主控元件會透過單一數據封包進行通訊，且會傳送到各個現場裝置，在通過每個節點並返回時，會留下資料並接收各裝置的資料；在此過程中，乙太網路的流量是 PLC 和各個現場裝置之間的個別交流 (無論協定為何)。EtherCAT® 可達到即時的確定性通訊，循環率最低至 125 μs。這種高速通訊能消除伺服機的抖動，以免妨礙動作控制的準確性。在密封應用中，準確的密封非常重要。這不僅有助於下游使用者將材料浪費降至最低，還能增進品牌聲譽和客戶滿意度。

講究軌跡重現性的設計 – EtherCAT® 可確保命令傳遞。EtherCAT® 的設計可確保即時動作控制。如此一來，就可在 PLC 與各個裝置單獨交流時消除可能發生的封包衝突，並確保在對的時間將對的封包傳送到對的位置。在填充和密封機、裝瓶線和滅菌系統等應用中，許多動作循環都要達到精準性，EtherCAT® 可重現動作準確度。中央處理器會依據主要動作任務，將所有 EtherCAT® 作業同步化。視所需的重現度而定，有三種主要的 EtherCAT® 模式可挑選。

• 自由執行模式 - EtherCAT® 循環與控制器匯流排循環並非同步。在 EtherCAT® 循環中，多個重新整理事件會遭到移除，但網路上的輸入和輸出並不會同時重新整理。
• 同步模式 - EtherCAT® 循環會跟控制器匯流排循環同步。多個 EtherCAT® 裝置會同時以固定的時間間隔，執行輸入的同步讀取以及輸出的同步重新整理。
• 時間戳記模式 - EtherCAT® 循環與控制器匯流排循環同步。會依據 EtherCAT® 分散式時脈同步讀取條目。如此一來，就可達到最小至微秒的精密計時。

講究系統效率的設計 – EtherCAT® 可加速設計並提供未來擴充性。EtherCAT® 屬於全球開放式工業協定，能讓不同製造商在共用網路上通訊。因此過去 14 年間，業界的採用率穩定一致，年複合成長率達到 12%。此成長幅度不僅證明 EtherCAT® 兼具準度和精度，亦證明此兼容並蓄的網路協定可為採用者提供長期的競爭優勢。在 2010 年就實作 EtherCAT® 的加工業者與包裝業者，不僅為未來的成長做好準備，更可在過程中避免大量的重新設計成本。

試運轉

憑藉穩健的架構設計，對效能進行驗證以確保一次成功，不僅可大幅降低效能未達客戶預期的風險，團隊也能在系統部署前避開效率不彰的問題。試運轉的過程可發揮最大的機器效能，同時將下游使用者設施部署相關的任何風險降至最低。雖然試運轉通常是在最終定案階段 (此時設備已完全組裝) 完成，但試運轉也可隨著機器建構，在未搭配任何硬體的情況下完成，藉此縮短總生產時間，且無損完備的品質標準，而這些標準正是 OEM 廠商強大的根基。

講究位置準確度的試運轉 – 無需硬體就可挑選伺服機。挑選正確大小的伺服機，對達到機器的成本效益和機器效能的準確度來說非常重要。伺服機尺寸過大會增加機器的整體成本，而尺寸過小則有礙於機器的整體效能。在多功能合一的自動化平台上採用整合式開發環境，OEM 就可將流程化繁為簡。

藉由此作法，只要使用單一程式就能驗證機器的效能，並可結合馬達選型增益集，確保做出正確的選擇。在同一個軟體套件中完成馬達尺寸和機器程式的驗證，就不必經歷其他軟體的複雜操作，還可在挑選過程中降低出錯的風險。這種整合式作法能簡化流程並提高伺服機選型的準確度，進而提升機器效能。

講究軌跡重現性的試運轉 – 無需無硬體就可模擬動作。動作軌跡對整體設備效率有全面一致的影響，與機器設計的其他層面相比，加速、減速和動作路徑會以不成比例的方式影響吞吐時間、碰撞機率以及最終產品的品質。在建立程式時所用的相同軟體環境中模擬軌跡，不僅能消除在廠區建立不穩定流程的相關風險，也能讓最終使用者感到安心，確信產品在生產時的效能，會與最終定案時展現的效能保持一致。

講究系統效率的試運轉 – 無需硬體即可 3D 模擬。可利用 3D 模擬 (而非實體硬體) 來模擬整個組裝，進而大幅改善試運轉流程。務必考量到動作並非廠區裡的唯一因素，除了動作的驗證外，也必須考量安全流程及資料收集。當生產流程注重可追溯性和能見度時，此情況相當常見。利用製造商提供的 3D 模型，並在與程式相同的軟體環境中模擬這些模型，團隊就可在試運轉期間確保安全且不會引發風險。此外，這能讓團隊建立最佳化的操作程序，並可讓定案團隊在批准建造設備之前，依據已知標準進行效能驗證。如此一來，就可在實際投入建造前，讓機器超出下游使用者期望的機率大幅增加。

生產

原始設備的設計與試運轉，對製造商來說是一項重大投資。但是，確保客戶持續往來的關鍵在於設備生命週期的效能階段。未來可擴充性、製程運作時間和製程資料的收集能力等因素，都會顯著影響客戶對自動化系統的整體滿意度，以及自動化系統用於未來業務的潛力。

講究位置準確度的生產 – 自動化模組性可靈活因應未來需求。具有最高效能的多功能合一自動化平台，不僅擁有數百個現成的模組化 IO 零件編號，可達到隨插即用的安裝流程，還擁有可進行拖放式編程的單一軟體。除了 EtherCAT® 外，這些平台也可使用其他全球開放式工業協定進行連接，可將模組化 PLC 的連接性延伸到動作之外，方法在於運用這些開放式網路的網路效益，並以各自的預期使用方式發揮 Fail Safe Over EtherCAT®、EtherNET/IP™、CIP Safety™、IO-Link、MQTT、OPC UA® 和 SQL 的作用。對 OEM 最有助益的自動化平台，在設計上能從一開始就迅速採用新技術，且不會對廠區帶來過多複雜性。舉例而言，透過乙太網路通訊的手持式追溯能力，在動作應用中越來越普遍。OEM 可使用預先發佈的第三方連接性指南和功能方塊圖，拉近製造商之間的差距，同時維持食品與日用品製造商所需的模組性，以便持續靈活因應不斷變化的產業標準、新包裝材料和多變的消費趨勢。

講究重現性的生產 - 自動化回放可自主擷取生產事件。自動化出現故障而引發停機事件時，必須快速找到故障的根本原因並驗證發現結果，才能對製程的穩定性重拾信心。在回放中融合資料、影片、程式結構和梯形圖邏輯，已逐漸成為標準常態。所有回放都經過時間同步且由事件觸發，可讓本地和遠端團隊成員快速、準確地診斷問題，無需中斷生產，且出錯時也無需操作人員在場。若搭配試運轉狀態下的模擬效能，同時透過 EtherCAT® 等開放式協定來回放資料，下游使用者就能在不影響機器效能指標的情況下，達到持續改善。

講究系統效率的生產 – OPC UA®™ 內建伺服器可將製程全面性資料饋送到中央位置。OPC UA®™ 伺服器功能已是許多控制器的標準特點之一，有助於與現場裝置達到開放式通訊。如此便能確保 SCADA 軟體滿足通訊要求，因為嵌入式 OPC UA® 伺服器可從多個用戶端同時連線。選擇 OPC UA™ 的好處在於，下游機器的使用者能迅速利用 OPC UA®™ 提供的安全優勢，避免未授權的用戶端存取。隨著 OPC UA®™ 伺服器功能日益普及，OEM 能與使用者建立更強大的連線。如此一來，便能為既有設備提供更全面的支援，同時獲得寶貴洞察，瞭解其安裝用戶中的未來潛在設備商機。

要讓下游使用者對 OEM 的動作控制感到滿意，追根究柢就是，既要動作滿足現今的關鍵生產指標，又不會阻礙日後的順利營運。要提高設備的競爭力，OEM 必須優先考量設計的穩健性、在試運轉時累積可信賴度，並且有效排除障礙。這特別重要，因為業界標準對合規性的要求更高。若製造商可專注在這些層面，就可為設備提供更多具有競爭力的特點，最終提高製造商的市佔率。多功能合一的自動化平台採用 EtherCAT® 等全球開放式工業協定，在整個設計階段建立簡易的架構、在試運轉階段以單一設計環境建立多個模擬作業，以及建立彈性的資料彙總型態，以便日後在生產期間進行擴充。

結論

在預測食品飲料產業未來將面臨的挑戰同時，有些標準勢必會誕生，包括使用兼容並蓄的高效網路、快速開發穩健的新設備，還有以非侵入但全面的方式彙總資料。好消息是，如今已有技術能應付這些挑戰。OEM 能運用這項技術，持續強化其面對未來的競爭優勢。為此，Omron Automation and Safety 針對自動化與控制設計提供 EtherCAT® 相容設備，確保工業活動無往不利。