自動化インフラの構築

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真新しい最先端の工場を運営している場合を除き、おそらく、さまざまな年代のネットワークやアプリケーション ソフトウェアのサポートを備えた、老朽化し​​た加工および包装機器が寄せ集められた施設を所有しており、おそらくいくつかの分野で手作業が必要となります。 しかし、今日は真新しい工場であっても、明日には老朽化した施設となり、最小限のダウンタイム、最高の効率、一貫した製品品質で稼働し続けるためには、最終的には機器とソフトウェアのアップデートが必要になります。

古い施設の場合、どこで何を自動化するか、何を優先すべきかを知ることは、現在および将来の競争力を維持するために重要です。 新しい植物を育てている人にとって、将来の目標を計画するのに遅すぎるということはありません。 この記事では、古い施設でいつ、どこで、何を自動化するかを知る方法を検討します。 もちろん、これらの質問に対する答えはすべての植物で同じではありません。

食品加工業者が業務を自動化する主な動機には、労働力の削減、生産効率の向上、製品品質の向上が含まれると、制御システムインテグレーター協会 (CSIA) 認定会員である Concept Systems, Inc. の Kennewick 地域エンジニアリング マネージャー、CAP の Ryan Beesley 氏は述べています。 。 しかしここ数年、特に労働面が深刻な問題となっている。

「新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより、これまで完全には明らかになっていなかった業界の労働関連の課題が浮き彫りになった」とビーズリー氏は言う。 「パンデミックへの対応として、食品加工業者は、多数の従業員に影響を与える可能性がある不安定な労働市場に対処しながら、国民に製品を安定的に供給できるようにする必要がありました。食料生産は必要不可欠なサービスとして分類されていたため、需要に応えなければなりませんでした」 」

生産ラインを追加すると生産量が増加しますが、どのプロジェクトでも労働力は依然として重要な考慮事項です。 「当社には、大幅な追加生産能力を必要とする食品メーカーがあり、追加の生産ラインの設計と設置の必要性が高まっていました」と、Burns & McDonnell のグローバル施設プロジェクト マネージャーの Alfredo Valadez 氏は述べています。 これらのラインは、人員を削減して品質を向上させる最新の自動化テクノロジーを使用して設計されており、労働力不足による操業中断からの保護も別途追加されています。 生産ラインの操作に必要な人数が減ったので、人が来ずに生産に混乱が生じるリスクが軽減されました。

Burns & McDonnell のグローバル施設部門マネージャーである David Campbell 氏によると、Valadez 氏が先ほど説明した施設では、新しい生産ラインの追加により生産能力が 60% 増加し、生産能力を増強するために完全に自動化された 40,000 パレット位置の倉庫が追加されました。 倉庫の自動化により、現場の保管場所を統合することで、1 件あたりのコストが 50% 削減されました。 また、自動化コンポーネントにより、ケースあたりの人件費が 40% 削減され、時代遅れの自動化プロセスが廃止されたことでメンテナンスが 50% 削減されました。

ESI グループ自動倉庫担当副社長のマーク・ライブセイ氏は、物流コストが上昇し、仕事の遂行が困難になっているため、倉庫は常に労働集約的なエリアであり、さらに人々は寒い環境で働くことにあまり意欲がなくなっている、と付け加えた。 製品に対する需要の増加は生産能力の増加を意味し、それが倉庫の拡大を促進します。 敷地制限があり、土地の価格が高騰しており、生産施設を別の場所に移転することが現実的ではないことが多いため、AS/RS 施設を経由して垂直化することは理にかなっています。 製品をドックに運び、消費者に輸送するには自動化の必要性がますます高まっています。 在庫が 100% 正確で追跡可能であるため、AS/RS 自動化により製品の収縮はほとんど排除されます。

品質 - 自動化を使用して品質を向上させ、無駄やスクラップを減らしてみてはいかがでしょうか? たとえば、CSIA メンバーである Glassdome のビジネス開発ディレクターである Pete Gabor 氏によると、大手菓子メーカーは品質逸脱事件の問題に直面していました。 過去 5 年間で、SKU の数は 2 倍以上に増加しました。 新しい原材料、設備、手順の導入により、品質逸脱の件数が 2 倍以上に増加しました。 主要なラインのサイズ、厚さ、風味の品質テストの 1 つは手作業で行われており、労力がかかりました。 ガボール氏によると、一定の間隔でサンプルがラインから採取され、測定され、仕訳帳に手書きで記入され、品質管理システムに入力されていました。

「このプロセスを自動化するために、ライン上の Glassdome IoT ゲートウェイに接続されたビジョン システムを導入しました」と Gabor 氏は付け加えます。 「システムはすべての製品のサイズと厚さを測定し、結果を自動的に記録しました。私たちはすべての履歴プロセスデータをロードし、味の品質の偏差に対処するためにそれを官能品質検査レポートと関連付けました。最適なパラメーター、周囲の温度、湿度、湿度の相関関係を見つけるために、配合温度、オーブンの湿度、マシュマロの粘稠度、サイズ、チョコレートの温度が検査され、このアプローチでは品質違反をリアルタイムで検出して表示しましたが、いつ異常が発生するかを予測する必要もありました。

「この問題に対処するために、私たちはリアルタイムの異常検出と予測を含むデータ モデルを作成しました」とガボール氏は言います。 「オーブンゾーンの異常などの問題を特定し、品質の一貫性を維持するためにプラントの状態を変更する必要がある場合に早期警告システムを提供することができました。」

このソリューションにより、人員と品質の偏差が削減され、より多くのユニットを製造できるようになりました。 キャンディメーカーは、手動テスト担当者を工場の他のエリアに再配置すると同時に、サイズの標準偏差を 69%、厚さの標準偏差を 64% 削減することができたとガボール氏は報告しています。

ダウンタイムの削減 — ご存知のとおり、ほんの少しのダウンタイムで大きな損失が発生します。 PE、CSCP、MBA、そして Stellar のプロセス電気/制御エンジニアリング担当ディレクターである Rao Kolla 氏は、包装機器の大幅なダウンタイムに悩まされている施設を持つフォーチュン 500 食品メーカーと協力したと報告しています。 「私たちは包装ラインの 1 つにダウンタイム ソフトウェアを導入し、課題と提案された解決策を確認できる部門横断的なチームを結成するよう工場長にアドバイスしました。

「その包装ラインでの精度を検証するには適切なデータ収集に時間がかかりましたが、それが確立されるとすぐに工場長から電話があり、他のラインでもいつ同じことができるか尋ねられました」とコラ氏は言います。 「この自動化により、全体のダウンタイムが 5% 削減され、最終的には全体の 60% の改善につながりました。あたかも、包装ラインを構築することなく追加の包装ラインを獲得したかのようでした。」

プロセス オートメーション - Grey Company である Gray Solutions のアドバンスト オートメーション担当シニア ディレクターであるディーン エルキンス氏は、原材料の受領と配送から製造、梱包、完成品の積み込みまでプラントを自動化しました。 「プロセス制御と製造データの実装と監視、自動化された工程内テストと検査手順、および食品と産業の安全基準を満たしながら人的資源を増強する柔軟な自動化によって、効率の向上が実現しました。」

ただし、施設全体を自動化できない場合は、バッチ処理から始めるのがよいでしょう。 「当社は食品加工施設全体にソリューションを導入してきましたが、当社のバッチング ソリューションがお客様に最も大きな影響を与えていることがわかりました」と、CSIA 認定メンバーである Cyber​​trol Engineering の自動化ソリューション担当バイスプレジデントである Tim Barthel 氏は述べています。 「このプロセスを最適化することで、スループットが向上し、ダウンタイムと再作業が減少し、これらのプロセスの自動化における顧客の課題を理解することで品質が向上しました。また、保存されている顧客のレシピの統合と自動化など、付加価値のあるソリューションも提供しています」 ERP システムでは、これまでクリップボードと紙が必要でした。」

標準化 - 標準化自体は自動化の利点ではないかもしれませんが、悪名高き自動化の孤島を防ぐためには確かに必要な要素です。 「標準化により、工場からのさまざまな機械、ライン、生産エリアの統合が容易になります」と、シーメンス AG デジタル インダストリーズのファクトリー オートメーション テクニカル アカウント マネージメントの Enmanuel Aparicio-Velazquez 氏は述べています。 「利点: 製造現場の接続により、データを生産の透明性とリソースの最適化のためのパフォーマンス指標に変換できるようになります。」

この標準化は、オートメーション ハードウェアおよびソフトウェア テクノロジの本質的な部分である必要があります。 製造現場向けのデータ通信プロトコル (OMAC、MTP など) を定義し、SCADA、KPI モニタリング、運用管理、予知保全などの標準化されたソリューションをリンクします。

同じ自動化ソリューションは 2 つとなく、誰もが独自のものです。 「カスタム自動化ソリューションは通常、既存の運用とデータの詳細な分析を含む実現可能性と構想段階から始まります」と Burns & McDonnell の Campbell 氏は述べています。 「これに続いて、詳細な設計と確定したコスト見積もりが提供されます。最後に、オンサイトでの実行フェーズには通常、エンジニアリングの監視、建設、システムの設置とスタートアップのサービスが含まれます。」

「E Tech は、お客様が制御システムに戦略的にアプローチできるよう支援するフロントエンド エンジニアリングおよび設計 (FEED) の研究を専門としています。」と、E Tech Group のバカビル、ライフ サイエンスのオペレーション ディレクターである Cassy Gardner 氏は述べています。 「私たちは、扱いにくく、終わりのない問題を解決するためにクライアントに提供する実証済みのプロセスを持っています。

「私たちの経験の中で、成功に最も重要なことは、すべての利害関係者のニーズと結果が最初に明確に定義されていることです。それを体系的に行うことで、利害関係者を団結させ、コストのかかる後期段階での変更を減らすことができます。」とガードナー氏は言います。

「評価の開始時に、経営陣が現在のシステムのどこに欠陥があると認識しているかを理解し、それによって焦点を絞るための概要が得られます」と Concept Systems の Beesley 氏は述べています。 「その後、生産マネージャー、生産責任者、オペレーターにインタビューして、懸念される領域を特定します。通常、生産責任者やオペレーターはプロセスに関する豊富な知識を持っており、問題のある領域を簡単に指示できます。私たちは、彼らがどのように機器を操作するかを観察し、仕事の効率と使いやすさを向上させる方法。私たちの目的は、オペレーターを排除することではなく、仕事のプロセスをより効果的に行うために必要なツールをオペレーターに提供することです。たとえば、これには、オペレーターに、より実用的なデータを提供することが含まれます。 HMI は、肉体的または精神的に負担のかかるプロセスを完全に自動化します。」

次に、Concept Systems は、反復性が高く、最小限の社内トレーニングが必要なプロセス、または複雑ではあるが自動化された操作をほぼ模倣したオペレーターによって通常実行される操作を伴うプロセスを優先します。

評価後、システム インテグレーター (SI) は関係者と会い、最良の ROI を提供するプロジェクトを選択します。 その範囲は、データ収集の改善 (最新化が必要な領域を特定するために使用されます) から、機械制御の改修や複数年にわたるアップグレードにまで及びます。 このプロセスでは、評価の洞察を使用して、組織の戦略目標に合致し、具体的なメリットをもたらすプロジェクトに優先順位を付けます。

おそらく、より良い質問は価値に基づいたものであるべきだと、シーメンスのアパリシオ・ベラスケス氏は言います。 「製造分野を自動化する決定は、実装の容易さや困難さではなく、価値に焦点を当てるべきです。すぐに成功するのは問題ありません。しかし、それらは、ビジネス推進要因を調査、特定、決定、分析した後に実行されたアクションの結果として得られるものでなければなりません。会社のステークホルダー全員。」

Valadez 氏によると、包装前の製品の取り扱いはそれほど複雑ではないため、通常、加工または事前包装が自動化するのが最も簡単です。 パッケージング要件により、自動化の設計がさまざまに複雑になる可能性があります。 自動化を容易にするために自動化を目的として設計されたパッケージもあれば、使いやすさを目的として設計されたパッケージもあります。 たとえば、小売用のケースは、ケースと製品の方向性により、自動化が最も簡単ではない場合があります。 これらのパッケージ デザインは、小売店でのプレゼンテーションや消費者の関心を引きやすくすることを目的としていますが、必ずしもオートメーション機器向けではありません。

キャンベル氏によると、処理および生産タスクは、通常、高いレベルの再現性と一貫性を備えているため、自動化の主な対象となり得るとのことです。 生産のボトルネックとなる工場内のその他の領域も自動化の機が熟しています。 これらの領域では通常、多額の人件費が費やされます。あるいは、ステージングされて処理を待っている大量の緩衝材が存在するか、手動プロセスにより高率の品質欠陥が発生します。 これらの領域を自動化すると、大きな投資収益率が得られます。

「自動化のしやすさと、自動化をエンドユーザーに正当化することのしやすさの両方が、この問題の考慮すべき部分です」と Cyber​​trol の Barthel 氏は言います。 「施設内の洗浄システムやプロセス システムに自動化を追加するのは簡単ですが、それはエンド ユーザーが自動化制御を可能にするために必要な機器を追加する意思がある場合に限られます。たとえば、CIP に関しては実証済みの改善がいくつかあります。システムの実装にはそれほど労力はかかりませんが、この種の改善を可能にするためにエンド ユーザーにインストルメンテーションを追加してもらうことが最初のハードルとなる可能性があります。」

Gray Solutions の OT インフラストラクチャ担当マネージャー、Paige Minier 氏は、加工業者が安全性と効率の向上を目指している場合、マテリアルハンドリングの自動化から始めるのが最適である可能性があると述べています。 工場内を移動するフォークリフトが減り、材料を手動で移動することによる職場での怪我が減り、コンベヤ、ロボット、その他の自動システムを介して材料を移動することにより効率が向上します。

Glassdome の Gabor 氏は、「作業の変動性が高く、手作業が多く、同じエリア内に固有のアイテムが多数存在するエリアは、自動化が最も困難です」と述べています。 「オートメーション エンジニアは、オートメーション ソリューションを開発する際に悲観的になる必要があります。考えられるあらゆるネガティブなシナリオを考慮し、それを回避するソリューションを考案する必要があります。変動性が大きくなるにつれて、ソリューションはますます困難になります。」

「業界全体にとって、特定の困難な分野を指摘するのは困難です」と Valadez 氏は言います。 「それは製品とプロセスによって異なります。たとえば、自動化向けに設計されていないパッケージングを自動化すると、問題が発生し、費用がかかる可能性があります。また、少量/多品種のプロセスは、大幅な柔軟性を必要とするため、自動化が困難です。」これは、規模の経済性が低く、ROI が低い高価なシステムを意味します。」

生産要件、資材の取り扱い、実行されるその他のタスクのいずれかに大きな変動がある業務は、自動化が難しい場合があるとキャンベル氏は付け加えます。

「製品の均一性がほとんど見られない工場の領域を自動化するのは難しい場合があります」と Gray の Elkins 氏は言います。 備品、ロボット、包装機械などのデバイスは、期待される部品のプレゼンテーションで機能するように設計されています。 不均一性は多くの場合、マシン ビジョン システムなどのセンサーを追加することで解決できますが、これによりソリューションが複雑になり、コストが増加する可能性があります。 もう 1 つの考慮事項は、自動化機器の環境への適合性です。 たとえば、低温エリアや洗浄エリア、または食品グレードのグリースを必要とする機器では、特別な注意が必要です。

ESI グループの Livesay によると、すべての分野が安価なソリューションに適しているわけではありません。たとえば、製品の取り扱い、梱包、倉庫保管 (保管と注文のピッキング) などの労働集約的な分野です。 ピースピッキングなど、自動化に非常に費用がかかり、良好な ROI が得られない領域がいくつかあります。 完全なパレットを出荷するのは簡単で、層ピッキングのシナリオを正当化できますが、ピースピッキングレベルに到達するために追加の自動化費用を正当化できるかどうか、ある時点で決定を下す必要があります。

「これらのシステムは現在工場を稼働させており、場合によっては交換することで将来のダウンタイムを回避するだけであるため、レガシー システムでのアップグレードの機会が最も難しい売り込みであることがわかりました。コストと真の生産 ROI の定義が課題になります」 」とサイバートロールのバーセルは言います。 プロセッサーが自動化から得られる長期的な利益を考慮せずにコストを最小限に抑えたいと考えている場合、アップグレードを販売することは困難です。 コストだけに注目すると、メーカーはレガシー システムによるダウンタイムの可能性が低い、より堅牢なシステムを実装できなくなる可能性があります。 機器を追加したくないと、生産性を向上させるために必要な非常に貴重な情報の収集が妨げられる、と Barthel 氏は付け加えます。

関連する問題は次のとおりです。 プラント現場のオペレーターから賛同を得ることは、プラントの自動化を進める上で最も大きな障害の 1 つになる可能性がある、と Stellar の Kolla 氏は言います。 一部の人にとって変化は本質的に難しいものですが、多くの人は「自動化」を「自分が置き換えられる」ことと同一視することがよくありますが、そうでないこともよくあります。 テクノロジーは急速に進化しており、この「未知への恐怖」がメーカーの成長、場合によっては生き残る能力を大きく妨げる可能性があるため、教育は非常に重要です。

最後に、自動化プロジェクトを検討している場合、成功した取り組みを台無しにする可能性のある隠れた罠が常に存在します。 これらの問題には次のようなものがあります。

自動化 — 自動化なしでは生きていくことも、競争力を維持することもできません。 「多くの場合、オートメーションは商品とみなされますが、実際には、機器が設置されて減価償却が始まると、オートメーションがメーカーの事業における収益性を促進します」とサイバートロールのバーセル氏は言います。

「自動化は、それが会社の業務にどのように統合されているか、企業文化が自動化をどれほど熱心に受け入れているか、自動化は常に進化するという前提と同じくらい優れています」と Glassdome の Gabor 氏は言います。 「私が参加して最も成功したプロジェクトには、これら 3 つの哲学が取り入れられていました。あなたにも同じようにすることをお勧めします。」

アプリケーションをクラウドに移行する場合の考慮事項

クラウドベースのサービスの信頼性とセキュリティが大幅に向上したため、多くのベンダーが自社のサービスをクラウドベースのサービスに移行しています。 たとえば、データ記録装置のメーカーは、従来の紙シートベースのデータレコーダーに代わる、食品の安全性とサイバーセキュリティのすべての要件を満たすクラウドベースのソリューションを提供しています。 これは、データの保持とコンプライアンスにとって優れた代替手段です。

クラウドベースのシステムは、特定の食品生産者にとって賢明でコスト効率の高い選択肢となり得ますが、切り替える前にメリットとデメリットを注意深く系統的に評価することが重要です。 一部の食品加工業者は、クラウドベースのサービスがエンタープライズレベルの業務のほとんどを管理するのに適していると考えるかもしれませんが、他の食品加工業者は、従来の制御システムから移行するのが難しいかもしれません。

クラウドベースの制御システムへの移行を検討する場合、プロセスの安全性と信頼性を最優先する必要があります。 ローカル制御なしでプロセスを安全かつ確実に制御できるかどうかを判断することが重要です。 自信を持って答えられず、運用および管理のあらゆるレベルからの同意がなければ、そのプロセスはクラウドベースの制御の候補と見なされるべきではありません。

クラウドベースの制御システムへの移行の決定には、食品加工業務の特定のニーズと要件を徹底的に評価するだけでなく、リスクと利点を慎重に検討する必要があります。 クラウドベースの制御システムが必要なレベルの安全性と信頼性を提供できれば、アクセシビリティ、柔軟性、スケーラビリティの向上など、多くの利点を提供できます。 ただし、これらの利点がプロセスの安全性と信頼性を犠牲にしないようにすることが重要です。

クラウドベースの制御システムに完全に移行するための 1 つの選択肢は、さまざまなクラウドベースのサービスを提供する Rockwell Automation のような企業のソフトウェア サービスを利用することです。 たとえば、同社の FactoryTalk Design Hub ソフトウェアは、工場担当者が複数のソフトウェア リビジョンやプログラムを必要とせずにシステムを進化させ、保守できるようにする開発ツールを提供します。

このアプローチでは、従来のある程度の制御を維持しながら、クラウドベースのサービスの利点を提供できます。 クラウドを通じて必要なツールやソフトウェアにアクセスできるため、より効率的かつ合理化された開発プロセスが可能になります。 同時に、緊急かつ重要な機能のためのローカル制御システムを維持することで、プロセスの安全性と信頼性を確保するのに役立ちます。

— Ryan Beesley 氏、CAP、リージョナル エンジニアリング マネージャー – Kennewick、Concept Systems, Inc.