Ефективни решения за автоматизация в ХВП

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 7/2020 • 30.10.2020

Нарастващото търсене на пакетирани храни в модерния свят на глобализация, урбанизация, а отскоро и в условията на пандемия, поставя към хранително-вкусовата промишленост невиждани досега изисквания по отношение на производствените обеми, безопасността и качеството. Закупуването на допълнителни машини и наемането на повече персонал обаче невинаги се оказва рентабилен вариант за производителите в сектора.

Гъвкав и адекватен отговор за предизвикателствата на съвременния пазар предприятията от тази индустрия биха могли да открият в автоматизацията, убедени са експертите. Постепенното повишаване степента на автоматизация на производственото оборудване неизменно е сред водещите приоритети в най-новия етап от историята на хранително-вкусовата промишленост през последните няколко десетилетия. Тази отчетлива тенденция дефинира посоките на технологично развитие и през настоящата година, сочи актуално проучване на списание Food Engineering. Автоматизираните решения за отрасъла включват мащабни платформи като Индустрия 4.0 и свързаните с нея иновации – роботика, изкуствен интелект, машинно обучение, интелигентни сензори, Big Data и т. н.

Сред средствата за подобряване на ефективността, в които все повече предприятия от бранша инвестират, са и машинното зрение, автоматизираните системи за мониторинг, интелигентните машини, линии и спомагателно оборудване за обработка (пещи, режещи и формоващи машини, миксери и смесители, пълначни автомати, сортиращи устройства и др.) Все по-популярни в сектора с оглед увеличаване на производствената ефективност стават още самонасочващите се превозни средства и другите автоматизирани системи във вътрешнозаводския транспорт на изходните суровини и готовата продукция, решенията за автоматизация в опаковъчните линии и т. н. Освен ползите по линия на ефективността основни цели на тази повсеместна технологична модернизация са повишаване на производителността, стриктно покриване на високите стандарти за безопасност, както и оптимизиране на качеството.

 

Потенциал за автоматизиране

Ако трябва да дадем кратък и еднозначен отговор на въпроса кои етапи от производството в хранително-вкусовата индустрия подлежат на автоматизиране, най-коректно би било да кажем “Всички”. Новата епоха в развитието на технологиите за индустриална автоматизация доказва, че една умна фабрика би могла да съществува и функционира напълно пълноценно и автономно – без нужда от човешка намеса. Макар за много малки и средни предприятия от ХВП такъв сценарий все още да звучи като картина от далечното бъдеще, все повече глобални корпорации в бранша се доближават до изцяло автоматизираното производство, непрекъснато повишавайки степента на технологична модернизация в заводите си.

Благодарение на дигитализацията (и нейното повсеместно популяризиране в индустрията през последните години) модерни средства за автоматизация и интелигентни системи могат да бъдат открити под някаква форма във всички етапи на производството, преработката, приготвянето, опаковането и дистрибуцията на храни.

И макар в далечното минало автоматизираните функции на оборудването в много цехове често да са се изчерпвали например с таймери за готовност на продукцията и автоматични релета за температура, съвременните достижения при сензорите, роботиката, изкуствения интелект и машинното зрение създават цяла вселена от нови възможности. В комбинация те могат напълно ефикасно да заменят човека в редица трудоемки, опасни и повторяеми задачи, осигурявайки по-висока скорост, прецизност, безопасност и производителност при работа.

Сред най-търсените технологични решения в ХВП през последните години са автоматизираните системи за мониторинг на процесни променливи, както и т. нар. смарт машини, линии и спомагателно оборудване за първична и вторична обработка на храните. Все по-популярни стават автоматизираните системи за рязане, кълцане, филетиране, миксиране, смесване, формоване, пълнене, дозиране и т. н. Нарастващо търсене регистрират и автоматичните пелетизатори и екструдери за различни течни, твърди и прахообразни продукти, включително гранулирани храни, брашна, зърнени закуски и снаксове, сладкарски и захарни изделия и др.

В сегмента термична обработка на храните производителите обръщат поглед към фурни и пещи с интелигентни функции, както и комбинирано оборудване, съчетаващо възможности за изсушаване, варене, печене, пържене, затопляне, продължително готвене на ниска температура и т. н. Подобни уреди могат да бъдат оборудвани с различни смарт технологии, включително сензори и камери за мониторинг на процеса по приготвяне и контрол на качеството, системи за отдалечено управление, както и инструменти за автоматичен контрол на температурата в зависимост от това какъв продукт се приготвя.

 

Още възможности за оптимизация

Технологиите за автоматизация могат да намерят най-разнообразна форма в ХВП – от относително простите средства за автоматично управление на даден дискретен процес до пълното дигитализиране на цяла фабрика или т. нар. концепция за тотално интегрирана автоматизация.

Сред най-ефективните приложения на автоматизацията в хранително-вкусовата индустрия са цялостните автоматизирани производствени линии. При тях изходната суровина се подава в единия край на линията, преминава различни етапи на преработка, превръща се в завършено изделие, което бива опаковано, за да се получи крайният продукт. Продължителността на работните цикли е в пъти по-кратка от тази при традиционните поточни линии, в които хора извършват отделните операции. Допълнителни предимства са устойчиво високото качество и подобрената безопасност за операторите, които запазват контролните си функции, но вече не се налага да рискуват здравето си с тежки, трудоемки, повторяеми или опасни задачи, например обезкостяване и кълцане на месо.

Все повече цехове за преработка и складове за съхранение на хранителни продукти добавят към технологичния си арсенал самонасочващи се превозни средства, които служат за прецизен автоматизиран транспорт на суровините, готовата продукция и/ли складовите единици – вместо традиционните, управлявани от хора високоповдигачи. В допълнение към оптималните си траектории на движение, скоростта и точността си на работа, тези съвременни средства за автоматизация могат да бъдат и изключително внимателни към пренасяния товар, за да не нарушат целостта му и да не го повредят.

Като още по-ефективно решение се доказват автоматизираните складове и роботизираните складови системи, които позволяват и работа в напълно автономен режим – без нужда от човешки труд и изобщо присъствие на оператор в полевата зона.

 

Предимства

Възможността за абсолютно възпроизвеждане на външния вид, вкусовите характеристики и качеството на даден хранителен продукт с минимална загуба на суровини и ресурси е ключова не само за имиджа на дадена марка, а и за управлението на оперативните разходи на предприятието, неговата печалба и графиката на продажбите. Освен устойчиво качество хранителните продукти на пазара е необходимо да притежават и безупречна безопасност. За тази цел всичките им съставки и особености е задължително да бъдат подробно описани в етикета, а за проследимостта на всеки единичен продукт или партида се грижат автоматизирани системи за сканиране и разчитане на баркодове, графични изображения и други стандартизирани символи в тази индустрия.

Решението дали да се инвестира в дадена технология за автоматизация може значително да повлияе на ефективността, продажбите и реномето на дадено предприятие от хранително-вкусовия бранш. Отчетлива тенденция при все повече компании от отрасъла е да реализират капиталовложения в решения, оптимизиращи т. нар. първична обработка на храните – превръщането на изходната суровина в готов продукт и пакетирането му в индивидуална опаковка до получаването на крайно изделие. Подобна оптимизация цели да извлече максимален капацитет от вече наличното оборудване, утвърдените технологични процеси и продуктови асортименти. Колкото по-прост е даден производствен процес и колкото по-малка гъвкавост изисква при изпълнението си, толкова по-подходящ кандидат за автоматизация е той, гласи стара максима. Тя се обяснява с това, че несложните производствени приложения изискват по-малък ресурс и съответно – по-малко вложения в системи за автоматизация. Благодарение на модерните технологии в сегмента партидните производства могат да бъдат превърнати в непрекъснати, тъй като за разлика от човека автоматизираното оборудване няма нужда от почивки и работа на смени.

Повишаването на степента на автоматизация носи множество ползи и в т. нар. етап на вторично пакетиране на хранителните продукти, където индивидуалните опаковки биват обединявани в кутии, кашони, стекове и т. н. Консолидирани в по-големи количества и със съответната вторична опаковка, която да ги защитава, изделията стават още по-подходящи за бързо обслужване, транспорт и складиране посредством автоматизирани системи.

Все по-често първичната обработка на хранителните продукти и опаковъчните операции се поверяват на pick-and-place роботи, коботи, роботизирани палетизатори и други специално проектирани за приложения в ХВП автоматизирани решения. Наред с останалите популярни и широко дискутирани ползи от роботизацията на сектора, сред основните предимства на този процес, особено през призмата на пандемията от коронавирус, е свеждането до минимум на риска от замърсяване на даден хранителен продукт вследствие на контакт с човек в производствената фаза. Роботите и останалото оборудване в хигиенно изпълнение, което се използва в етапа на първична обработка на продуктите, подлежат на щателно почистване и стерилизация. Веднъж пакетирани в своята индивидуална опаковка в защитена среда, в много случаи изделията позволяват с тях да се борави и посредством конвенционални системи за автоматизация, дори те да не са със санитарен дизайн.

 

Подобрения в качеството и производителността

Наред с безопасността качеството е сред ключовите характеристики на хранителните продукти, които подлежат на стриктно регламентиране, стандартизация и проверка. В мащабните съвременни фабрики, които произвеждат милиони индивидуални изделия, би могло да се окаже сложно прецизното проследяване на качеството особено ако инспекцията се извършва ръчно.

Ето защо все повече предприятия инвестират в модерни системи за машинно зрение, които гарантират високото и устойчиво качество на продукцията, като същевременно се грижат за свеждане на разходите до минимум. Освен за визуална инспекция по отношение на безопасността на изделията, тези технологии могат да се използват и за управление на опаковането, етикетирането, проследимостта, инвентаризацията, складовите операции и други критични етапи в жизнения цикъл на продукта.

Оборудвани с подходящата система за автоматизирана визуална инспекция, предприятията от ХВП могат навременно да регистрират различни дефекти и проблеми с продукцията – на много по-ранна фаза в рамките на веригата на доставките. Така значително се ограничава броят на дефектните изделия и партиди, които подлежат на бракуване или на тези, които напускат завода и влизат в търговската мрежа. Автоматизираната инспекция позволява бързо и точно локализиране на проблема без нужда от излишно физическо лутане из производствената зона и продължителни нежелани престои на оборудването.

Що се отнася до цялостната производителност на едно предприятие, важно е да се отбележи, че в общия случай всяка автоматизирана машина или система може да работи по-бързо и прецизно в сравнение с човека. Така персоналът, ангажиран с трудоемка, рискова за здравето и уморителна производствена дейност, може да бъде преквалифициран и пренасочен към по-важни задачи със стратегическо бизнес значение.

 

Индустрия 4.0 в ХВП

Роботите, изкуственият интелект и комплексните алгоритми за машинно зрение са само част от върховите иновации, които четвъртата индустриална революция предлага на съвременното производство. Процесът по дигитализация на отрасъла е неизменен отговор на повишеното търсене на опаковани храни през последните десетилетия в синхрон с нарастващата урбанизация и постепенния преход на модерния човек от селскостопанската действителност към мегаполиса. Необходимо е да бъдат произведени много повече бройки от дадено изделие и то по-бързо, по-икономично и по-ефективно от преди, за да успее да запази съответното предприятие своята конкурентоспособност на динамичния и пренаситен съвременен пазар на хранителни стоки.

Високопроизводителните машини сами по себе си вече се оказват недостатъчни да задоволят това свръхпотребление. На дневен ред излиза потребността от интелигентно и свързано оборудване – машини, които функционират в единна мрежа, комуникират и обменят данни помежду си и са способни да се самонаблюдават, самодиагностицират и самокоригират. Умното цифрово производство днес е възможно благодарение на еволюцията на самостоятелните производствени машини в киберфизични системи, напълно интегрирани и колаборативни, които могат в реално време да отговарят на промени в търсенето или в работните условия. Така класическата индустриална автоматизация се слива с функционалността на информационните и комуникационни технологии.

Вследствие на множеството интегрирани в оборудването сензори и интелигентни измервателни прибори се генерира гигантски и непрекъснат поток от данни от и за производствените системи, познат в контекста на Industry 4.0 като Big Data. Тези огромни информационни масиви могат да бъдат селектрирани, систематизирани, обработвани, анализирани и съхранявани с различни цели – от мониторинг на статуса на оборудването, през прогнозна поддръжка, проучване на тенденциите в производителността и откриване на зони и системи с потенциал за повишаване на енергийната, ресурсната и икономическата ефективност.

Интелигентните машини в зората на четвъртата индустриална революция могат да комуникират помежду си напълно прозрачно и проследимо по цялата производствена верига. Това гарантира безупречното качество и безопасност на готовата продукция, както и тяхното постигане с максимална ефективност. Функциите за самодиагностика на умното оборудване в модерните дигитални фабрики от ХВП позволяват превантивно откриване и отстраняване на различни критични проблеми, предстоящи повреди и неизправности и свързаните с тях разходи и нежелани производствени прекъсвания. В резултат значително се съкращава периодът, за който даден продукт достига от входа на завода до рафта в магазина, което спомага за цялостна оптимизация на бизнеса, разходите и печалбите.

Технологии от последно поколение
Свързаните и интегрирани производствени машини могат да осигурят множество ценни ползи за предприятията, които се стремят да повишат технологичния си капацитет чрез целенасочени инвестиции в модерни средства за автоматизация. Така процесите и оборудването в различни етапи на производството – например обработка на суровини, дозиране и пълнене или пък дистрибуция на крайните изделия, могат в реално време да обменят информация помежду си и да се синхронизират с цел оптимизация на цялостната верига. В резултат на тази многопосочна координация се постигат по-висока гъвкавост и ефективност на производството, по-малко загуби и подобрена рентабилност.

На база големите обеми данни, събирани от интелигентното оборудване, съхранявани и анализирани в облачни сървъри, могат да бъдат генерирани комплексни алгоритми за машинно обучение, автоматизирано вземане на решения и прогнозна поддръжка, целящи оптимално ефективно оползотворяване на наличните ресурси. На практика такива алгоритми могат да помогнат на един производител на хранителни продукти да проследи в детайли как се изпълняват производствените програми, къде се очертават потенциални проблеми, кои процеси и машини имат нужда от оптимизация и т. н.

Сред най-любопитните нововъведения в хранително-вкусовата индустрия по отношение на повишаване степента на автоматизация безспорно са носимата електроника и устройствата за добавена и виртуална реалност. С тяхна помощ, както и с тази на концепцията за цифрови двойници на физическото оборудване, могат да бъдат симулирани, създавани, управлявани и препроектирани цели фабрики. Възможно е също отдалеченото оказване на специализирана помощ от експертен персонал при обслужването на дадена полева система от технически екип, което може да спести време и множество нежелани разходи.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top