Robot Kawasaki Robotics z systemem wizyjnym Photoneo w Centrum Innowacji oraz Badań Prozdrowotnej i Bezpiecznej Żywności UR w Krakowie

Testuj zanim wykorzystasz w procesie produkcyjnym – współpraca przemysłu z Uniwersytetem Rolniczym w Krakowie

Stanowisko umożliwia firmom produkcyjnym prowadzenie rozmaitych testów, np. sprawdzenie jakiego rodzaju chwytaki są optymalne do określonego rodzaju produktów, testowanie schematów paletyzacji, praktyczne ustalenie jak powinno wglądać i z jakich komponentów się składać stanowisko do paletyzacji.

Poniżej publikujemy artykuł, który pierwotnie ukazał się „Biuletynie Automatyki”, wyjaśniający techniczne aspekty tego rozwiązania, ale też korzyści jakie z jego wykorzystania mogą odnieść firmy produkcyjne.

Centrum Innowacji oraz Badań Prozdrowotnej i Bezpiecznej Żywności jest jednostką Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, której celem jest wspieranie środowiska naukowego oraz firm z branży spożywczej, poprzez kompleksowe podejście do badań w zakresie produkcji żywności. Przedmiotem badań jest całość procesu wytwarzania – począwszy od analizy surowców, poprzez zaprojektowanie nowego produktu lub procesu produkcyjnego w laboratoriach, uruchomienie produkcji i analizę efektów, aż po optymalizację warunków przechowywania produktów i gospodarkę odpadami.

W skład Centrum Innowacji oraz Badań Prozdrowotnej i Bezpiecznej Żywności wchodzi szereg nowoczesnych pracowni specjalistycznych, w tym:

• pracownie technologiczne: piekarsko-ciastkarska, technologii mięsa i ryb, minibrowar ze śrutownią, pracownia sensoryczna,
• laboratoria: mikrobiologii żywności i bezpieczeństwa mikrobiologicznego, analityczne, HPLC MS-MS, technologii przetwarzania odpadów,
• pracownia procesów podstawowych, wyposażona m.in. w ekstruder dwuślimakowy wraz z przystawką teksturującą do białek, ekstraktor CO2 w stanie nadkrytycznym, suszarkę rozpyłową, wyparkę próżniową, liofilizator, maszynę wielozadaniową, urządzenie do utrwalania żywności metodą wysokich ciśnień.

Centrum Innowacji oraz Badań Prozdrowotnej i Bezpiecznej Żywności dysponuje również specjalistycznymi laboratoriami, umożliwiającymi współpracę naukową z innymi ośrodkami akademickimi i badawczymi. W ich skład wchodzą między innymi laboratorium wysokospecjalistycznych technik analitycznych (wyposażone w analizator zapachów), technologii soków, napojów i win, technologii przetwórstwa mleka, pracownia gastronomiczna, pracownia bioprocesów, laboratorium fizycznych modyfikacji (wyposażone w stanowiska do utrwalania żywności za pomocą pulsacyjnego pola elektrycznego oraz promieniowania elektromagnetycznego), laboratorium suszarnicze i odzyskania substancji prozdrowotnych oraz laboratorium sortowania, konfekcjonowania, pakowania i znakowania surowców.

Laboratorium sortowania, konfekcjonowania, pakowania i znakowania surowców

Rolnictwo wraz z przemysłem spożywczym stanowią jedne z najważniejszych i najszybciej rozwijających się dziedzin polskiej gospodarki. Udział branży rolno-spożywczej w 2019 r. w całkowitej wartości produkcji sprzedanej przemysłu był znaczący i wyniósł blisko 17% (Przemysł rolno-spożywczy w Polsce, 2024). Przedsiębiorstwa tej branży, aby pozostać konkurencyjnymi i utrzymać pozycję na rynku, muszą inwestować w innowacyjne techniki i technologie, do których należy zaliczyć automatyzację i robotyzację, wspierane przez systemy detekcji, sortowania, konfekcjonowania i pakowania produktów rolno-spożywczych. Wdrożenie nowoczesnych systemów technicznych, a przez to ograniczenie ingerencji człowieka w proces produkcyjny, pozwala na poprawę bezpieczeństwa pracy, obniżenie kosztów oraz zwiększenie wydajności i elastyczności produkcji. Istotna jest również możliwość uzyskania i dotrzymania wysokich standardów jakościowych, trudnych do osiągnięcia przy wykorzystaniu tradycyjnych metod produkcji.

Świadomość złożoności zagadnień towarzyszących implementacji nowoczesnych technik i technologii w branży rolno-spożywczej przyczyniła się do powstania w Centrum Innowacji oraz Badań Prozdrowotnej i Bezpiecznej Żywności laboratorium sortowania, konfekcjonowania, pakowania i znakowania surowców. Aktywność tej jednostki skupiać się będzie na zapewnieniu wsparcia przedsiębiorcom sektora rolno-spożywczego poprzez dostarczenie rozwiązań z zakresu zrobotyzowanych linii technologicznych. Laboratorium oferuje im możliwość przetestowania wstępnych koncepcji projektów, związanych z procesem pakowania i paletyzacji. Czynnikiem utrudniającym realizację procesu zrobotyzowanego pakowania jest, występująca głównie w przemyśle rolno-spożywczym, duża różnorodność cech produktów. Należy tu wymienić zmienność takich własności jak: masa, kształt, wymiary geometryczne, właściwości powierzchni miejsc uchwycenia, sztywność, podatność na naprężenia zewnętrzne, a także wrażliwość na uszkodzenia.

Głównym elementem laboratorium jest system składający się z robota Kawasaki Robotics, zintegrowanego z zaawansowanym układem wizyjnym Photoneo 3D Vision. Współpraca pomiędzy robotem a układem wizyjnym pozwala na precyzyjne monitorowanie i analizowanie procesów produkcyjnych, co przekłada się na efektywną reakcję na wszelkie zmiany w środowisku produkcyjnym. Takie podejście zapewnia systemowi elastyczność, umożliwiającą dostosowanie do zmieniających się warunków produkcji, zwłaszcza w kontekście dynamicznych zmian asortymentu produkowanych towarów. Laboratorium ma być nie tylko przestrzenią testowania nowatorskich rozwiązań, ale także miejscem wymiany doświadczeń i know-how pomiędzy przedsiębiorcami. Dzięki laboratorium przedsiębiorcy z branży rolno-spożywczej zyskają nie tylko dostęp do zaawansowanej technologii, ale także możliwość budowania silnej wspólnoty, która sprzyja wzajemnej inspiracji i rozwojowi. W rezultacie laboratorium nie tylko będzie odpowiadać na bieżące potrzeby przedsiębiorców, ale także stanie się źródłem innowacyjnych rozwiązań, które mają potencjał odmienić oblicze branży rolno-spożywczej.

Stanowisko badawcze z robotem paletyzującym Kawasaki Robotics

Głównym elementem stanowiska jest robot BX100L firmy Kawasaki Robotics, wyposażony w chwytak podciśnieniowy firmy Piab. Współpracuje on z systemem wizyjnym Photoneo Vision 3D, który wykorzystuje techniki sztucznej inteligencji: sieci neuronowe oraz uczenie maszynowe. Za bezpieczeństwo stanowiska odpowiadają urządzenia Telemecanique Sensors. W standardowej konfiguracji stanowiska badawczego worki podawane są na taśmę wejściową. Każdy worek poruszający się na taśmie jest poddawany analizie przez system wizyjny, który w pierwszym rzędzie rozpoznaje, czy obiekt znajdujący się na taśmie faktycznie jest workiem. Jest to możliwe dzięki algorytmom sztucznej inteligencji, które zostały „nauczone” definicji worka. Jeżeli na taśmę trafi obiekt, który nie zostanie rozpoznany, stanowisko zatrzymuje się. Rola systemu wizyjnego nie kończy się na samym rozpoznaniu worka. W następnej kolejności wykonywane są zdjęcia oraz skanowany jest dokładny kształt i umiejscowienie worka na taśmie. Na podstawie tych zdjęć oraz zeskanowanej chmury punktów system Photoneo wyznacza miejsce, w którym powinien zostać przyłożony chwytak, a także dokładną orientację chwytaka, która będzie optymalna, tak aby worek został jak najlepiej uchwycony.

Innymi słowy system wizyjny weryfikuje, jaki worek porusza się po taśmie, jak szybko się porusza, jak dokładnie wygląda – i jak należy go chwycić, aby zapewnić optymalne pobranie. W opisywanym rozwiązaniu program robota nie jest zdefiniowany w sposób sztywny, gdyż punkt pobrania, a przez to trajektoria dojazdu robota do worka, jest każdorazowo wyliczana przez system Photoneo. Należy przy tym podkreślić, że cała operacja odbywa się w czasie ruchu worka po taśmie, bez konieczności jej zatrzymania. Zastosowanie systemu wizyjnego Photoneo zapewnia nie tylko maksymalną wydajność procesu, ale również niezwykłą uniwersalność stanowiska. Nie wymaga ono rekonfiguracji ani przeprogramowywania przy zmianie asortymentu worków. Prawidłowo nauczony algorytm rozpozna każdy worek, niezależnie od koloru czy rozmiaru. W warunkach dużej zmienności parametrów utrudniających uchwycenie worka, zadawalającą efektywność procesu pakowania pozwala uzyskać zastosowanie chwytaka o specjalnej konstrukcji, umożliwiającej dostosowanie parametrów związanych z uchwyceniem i czynnościami manipulacyjnymi do indywidualnych cech pakowanych produktów. W opisywanym stanowisku robot Kawasaki Robotics wyposażony został w chwytak podciśnieniowy firmy Piab. Jest to najłatwiejsze i najefektywniejsze rozwiązanie do pobierania worków.

Chwytak jest prosty w obsłudze i uniwersalny – posiada szeroki zakres gabarytów pobieranych worków. Może współpracować z przenośnikiem taśmowym i pobierać worki w ruchu. Alternatywa w postaci chwytaka mechanicznego wymaga dostosowania konstrukcji urządzenia do konkretnego rodzaju worków, a także wymusza zatrzymanie transportu worka przed jego pobraniem. Dodatkową zaletą zastosowanego chwytaka jest możliwość jego przekonfigurowania w taki sposób, aby mógł przenosić kartony.

Systemy bezpieczeństwa

Opisywane stanowisko ma charakter uniwersalny, dlatego zastosowane zostały w nim różnorodne systemy bezpieczeństwa. Są to systemy bierne, takie jak wygrodzenie mechaniczne, chroniące przestrzeń pracy robota, a także aktywne systemy bezpieczeństwa firmy Telemecanique Sensors, m.in. kurtyny świetlne, chroniące otwory technologiczne i dostępowe do stanowiska. W przypadku kurtyn zachowana została strefa dobiegu, a dodatkowym uzupełnieniem jest system bezpieczeństwa Cubic-S, charakterystyczny dla robotów Kawasaki Robotics. Umożliwia on dodatkowe zabezpieczenie obszaru pracy robota w sposób wirtualny. Wystarczy programowo zdefiniować, jaka przestrzeń pracy jest dozwolona, a każdorazowe wyjście robota poza tę przestrzeń spowoduje zatrzymanie urządzenia. Część kurtyn bezpieczeństwa w połączeniu z dodatkowymi czujnikami realizuje funkcję mutingu, która umożliwia podanie do zabezpieczonego obszaru wybranych obiektów. Dodatkowe czujniki rozpoznają, czy obiekt który przeciął kurtynę to worek i w zależności od tego uruchamiają alarm lub nie. Tego rodzaju kurtyna została zastosowana w taśmie wejściowej dla worków. Prawidłowo podany worek może przejść przez kurtynę, natomiast jeżeli znajdzie się w tym miejscu inny obiekt (np. ręka operatora), system zostanie awaryjnie zatrzymany. Zastosowanie wielu różnych zabezpieczeń sprawiło, że możliwe jest testowanie różnych aplikacji i konfiguracji stanowiska. Dzięki zachowaniu otwartego dostępu do stanowiska mogą, np. w odpowiednim momencie cyklu, wjechać roboty autonomiczne, dostarczające lub odbierające palety.

Co można zweryfikować na stanowisku badawczym?

Opisywane stanowisko umożliwia przeprowadzenie testów i badań, które pomogą zweryfikować w praktyce koncepcje przeznaczone do wdrożenia w realiach przemysłowych. Producenci żywności, dostarczający swoje produkty w workach, mogą dzięki niemu uzyskać trzy istotne korzyści.

1. Sprawdzenie, czy określone produkty mogą być pobierane tego typu chwytakami. Stanowisko umożliwia weryfikację, czy chwytak podciśnieniowy prawidłowo pobierze konkretny worek. A jeżeli tak, to jak on będzie się zachowywał podczas przenoszenia i układania. Czy folia utrzyma ciśnienie? Jak zachowa się produkt w worku? Czy istnieje ryzyko uszkodzenia produktu? Wszystkie te aspekty mogą być sprawdzone w praktyce, w warunkach laboratoryjnych.

2. Przetestowanie schematów paletyzacji. W podstawowej konfiguracji stanowiska worki są przez robota przekładane na taśmę wyjściową. Ale stanowisko można przekonfigurować, umieszczając w miejscu tej taśmy stację do paletyzacji. Po umieszczeniu w niej palety możliwe jest testowanie paletyzacji worków, w tym także mixing worków na paletach. Pozwala to przekonać się, że proces jest realny (proof-of-concept). Możliwe jest także zmierzenie czasów cyklu, a także sprawdzenie, jak dynamiczne ruchy mogą być wykonywane bez ryzyka uszkodzenia worków. Dodatkowo, jak wspomniano wyżej, chwytak może być przekonfigurowany do pracy z kartonami, dzięki czemu możliwe jest również testowanie paletyzacji kartonów.

3. Praktyczne sprawdzenie, jak powinno wyglądać stanowisko do paletyzacji. Opisywane wdrożenie pokazuje, jak wygląda całe stanowisko do paletyzacji: ile potrzeba miejsca, jakie elementy są wymagane i jak rozwiązać temat bezpieczeństwa. Można przekonać się, jak wygląda przestrzeń robocza robota, jakie wygrodzenia należy zastosować. Jest to więc gotowy wzorzec, który stanowi realistyczną symulację podobnych lub też większych systemów w przemyśle.

Opisane stanowisko zrealizowane zostało we współpracy z firmami ASTOR i DYNAMOTION. Należy podkreślić, że jego aktualna konfiguracja nie jest niezmienna. W zależności od potrzeb klienta zgłaszającego się z pomysłem na realizację procesu pakowania możliwe jest przezbrojenie stanowiska (dobór chwytaka, zmiana algorytmu sterowania itd.) w celu przetestowania założeń dowolnej koncepcji.

Współautorem artykułu jest dr inż. Stanisław Lis z Katedry Inżynierii Bioprocesów, Energetyki i Automatyzacji na Wydziale Inżynierii Produkcji i Energetyki na Uniwersytecie Rolniczym w Krakowie.

PackML – poznajmy język maszyn

Problemy komunikacyjne w świecie maszyn, procesów i systemów

Arne Svendsen z Arla Foods, członek organizacji OMAC, porównuje standard PackML do standardu USB w komputerach. Jeżeli wybierzemy się do sklepu i kupimy tam zestaw bezprzewodowy „myszkę wraz z klawiaturą” i podepniemy go do naszego komputera, zadziała ona natychmiastowo i nie będziemy potrzebować żadnej ingerencji czy konfiguracji. Niezależnie jaki to będzie sprzęt: ładowarka, słuchawki, dysk twardy, lampka, jeżeli wyposażone są w złącze USB, biorąc je pierwszy raz do ręki od razu wiemy co z nimi zrobić, jak je podłączyć i nie musimy niczego konfigurować. 

Patrząc na nasz zakład produkcyjny z lotu ptaka, możemy wyróżnić kilka poziomów dekompozycji: hale produkcyjnie, w nich linie, składające się z maszyn, które wykorzystuj urządzenia różnych dostawców, kartoniarki dozowniki, paletyzery, drukarki etykiet, dozowniki, zakręcarki. Każda z tych maszyn wykorzystuje komponenty różnych dostawców, silniki, falowniki, komputery przemysłowe, ekrany HMI, każda zaprogramowana jest w inny sposób, posiada inne wizualizacje, inne zmienne itp. 

Wiąże się to ze sporymi problemami dla użytkownika końcowego. W pierwszym etapie – przy wdrożeniu i uruchomieniu systemów w zakładzie, które wymaga dodatkowego czasu i zasobów, aby skonfigurować systemy pomiędzy sobą. Następnie w trakcie użytkowania systemu, gdzie utrudnione jest uzyskanie spójnych i przejrzystych danych na temat produkcji, wydłużony zostaje również czas wyszkolenia operatorów oraz utrudnione jest przemieszczanie ich pomiędzy różnymi stanowiskami pracy, na których muszą uczyć się od nowa obsługi danej maszyny. 

Jeżeli użytkownik posiada kilka zakładów, problem stanowi także wysłanie maszyny z jednego z nich do drugiego. Pomimo, że dana maszyna pracuję już w naszej firmie od kilku lat to w nowym zakładzie musimy wdrożyć ją jak zupełnie nową. 

Co więcej, patrząc z perspektywy drugiej strony – producenta maszyn, sytuacja wcale nie jest lepsza. Posiadamy opracowaną maszynę, gotową do implementacji, ale pojawia się u nas End User, który chce, aby była ona wykonana w oparciu o konkretny system sterowania, inny od użytego przez nas, który jest u niego standardem. 

Sprawia to, że musimy poświęcić czas, aby na nowo opracować algorytm sterowania i zaimplementować go, zamiast skupić się na poszukiwaniu nowych rozwiązań i innowacji dla rozwoju naszego biznesu i konkurencyjności. Wpływa to również na wydłużenie czasu wdrożenia, generuje większe koszty oraz utrudnia późniejszą diagnostykę przez serwisantów, którzy przyjeżdżając od zakładu, muszą nauczyć się nowego systemu sterowania. 

Wyzwania użytkownika końcowego	Wyznania OEM
– Dynamicznie rozwijające się rynki i coraz większa presja z szybszym prowadzeniem produktu do obrotu  – Braki kadrowe, duża rotacja operatorów pomiędzy maszynami  – Połączenia w ramach jednej linii produkcyjnej maszyn od różnych dostawców  – Zebranie wiarygodnych danych na temat produkcji z maszyn różnych producentów  – Brak jasnych informacji o przyczynie awarii	– Poświęcanie czasu na „przeprogramowanie” istniejącej maszyny zamiast budowie innowacji dla konkurencyjności  – Długi czas wyszkolenia serwisantów we wszystkich używanych systemach sterowania   – Konieczność budowania przewagi konkurencyjnej przez wprowadzanie innowacji

Czym jest PackML? 

W odpowiedzi na te wyzwania, organizacja OMAC, w skład której wchodzą czołowi dostawcy komponentów do budowy maszyn, użytkownicy końcowi oraz OEM, opracowała standard PackML. Jako podstawa pod opracowanie standardu wykorzystana została norma ISA-S88 dla procesów batch’owcyh. Pracę ruszyły w roku 2000, aby w 2008 wydać standard PackML, jako część składową normy ISA-S88 – ISA-TR88.00.02. Na standard PackML składają się trzy główne elementy; tryby pracy, model stanów oraz Packtagi.

Podstawowym celem standardu PackML jest wsparcie spójnego „spojrzenia i odczucia” w zakładzie produkcyjnym oraz zachęcenie i umożliwienie wprowadzenia innowacji w przemyśle. Choć otwarty standard przemysłowy PackML, możemy śmiało określić jako język maszyn pakujących, nie można dać zmylić się jego nazwie. Z powodzeniem może być on bowiem stosowany do wszystkich maszyn i urządzeń wykorzystywanych w procesach dyskretnych, nie tylko do maszyn pakujących. 

Co daje używanie PackML? 

Jeżeli skorzystamy ze standardu PackML, określimy model stanów, tryby prace oraz informacje wymieniane pomiędzy maszynami, to jakiekolwiek dwie maszyny, w których zastosowane zostaną te definicje mogą się z sobą komunikować, niezależnie od zastosowanego systemu sterującego. Jako otwarty standard, PackML nie jest bowiem przywiązany do żadnej konkretnej technologii. 

Dzięki takiemu rozwiązaniu nie potrzebujemy żadnego obszernego systemu do translacji pomiędzy nimi. Znacząco ułatwia to integrację poziomą – maszyna do maszyny w ramach linii produkcyjnej, jak również integrację pionową – linii produkcyjnej z nadrzędnym systemem (MES, SCADA, Historian) w celu obliczenia kluczowych wskaźników produkcyjnych (KPI) np. OEE. 

Standard PackML nie jest ponadto protokołem komunikacyjnym, a to, jaki protokół zostanie użyty w danej maszynie zależy od End Usera. PackML określa, w jaki sposób maszyny będą komunikować się pomiędzy sobą przy użyciu któregokolwiek z Ethernetowych protokołów komunikacyjnych. Dzięki temu maszyny mogą udostępniać informacje do sieci w taki sposób, aby każda inna maszyna do niej podłączona również mogła ją zrozumieć. 

Korzyści użytkownika końcowego

Korzyści OEM

– Skrócenie czasu przestojów  – Skrócenia czasu wdrożenia  – Szybka integracja maszyn różnych dostawców w jedną linię produkcyjną/ pakującą  – Redukcja czasu potrzebnego na szkolenia operatorów, przełożonych i utrzymania ruchu  – Łatwe wpięcie maszyny zgodnej ze standardem PackML do linii/systemu Scada / MES czy sterownika linii  – Wymiana informacji pomiędzy maszynami pakującymi i liniami pakującymi oraz w dobie przemysłu 4.0 z danymi w chmurze  – Standaryzacja danych wejściowych i wyjściowych – PackTags

– Ochrona know-how – Krótszy czas wdrożenia serwisantów  – Łatwiejszy serwis maszyn  – Standaryzacja pozwala na modułowość  – Niższe koszty inżynieringu  – Koncentracja na rozwoju innowacji

 

Czy PackML jest dla mnie? 

Czwarta rewolucja przemysłowa jest faktem.  Żyjemy w czasach, w których rośnie potrzeba personalizacji produktu i zbierania coraz większej ilości danych dla optymalizacji procesów, a wszystkie urządzenia muszą nawiązywać z sobą komunikację w ramach IoT. Wydaje się zatem, że jednolity język maszyn pakujących może służyć za panaceum na sporą ilość bolączek, które mogą czekać nas w przyszłości. Spróbujmy więc odpowiedzieć sobie na kilka pytań: 

1. Chcesz wdrożyć założenia 4. rewolucji przemysłowej w swoim zakładzie? 
2. Przygotowujesz się do wdrożenia nadrzędnego systemu zarządzania przedsiębiorstwem (MES, SCADA ERP)? 
3. Masz problem z zatrudnieniem pracowników i dużą rotację pomiędzy stanowiskami? 
4. Budujesz nowy zakład, w którym musisz połączyć w sprawną linię produkcyjną maszyny od wielu dostawców? 
5. Produkujesz maszyny i potrzebujesz zwolnić zasoby czasowe swoich pracowników dla rozwoju nowych rozwiązań i budowy przewagi konkurencyjnej?  

Jeżeli na któreś z tych pytań odpowiedź brzmi TAK, oznacza to, że powinniśmy zainteresować się standardem PackML, i zacząć mówić… w języku swoich maszyn. 

Źródła zdjęć:

https://unsplash.com/photos/AUxh4Tccuf8