A Bologna, Elau ha parlato al cuore di un'industria, quella del packaging, indicando alcune delle nuove strade che i diversi “attori” dovranno, inevitabilmente, percorrere nei prossimi anni. Suggerimenti e spunti di tecnologia per lo sviluppo delle macchine automatiche.
Mario Salmon
Difficile riassumere in poco spazio una serie complessa di pensieri, che spaziavano dall’analisi di aspetti scientifici e di ricerca a quelli più umani e legali del mondo del packaging. La giornata, organizzata da Elau il 20 settembre scorso nel magnifico Palazzo Re Enzo, è stata infatti caratterizzata da interventi di ampio respiro, dove gli oratori hanno approfondito e sviscerato in modo specialistico le "facce" di questo comparto industriale.
Questa nota ha quindi lo scopo di fornire un'idea delle diverse problematiche sul tavolo (un "flavor", direbbero gli Americani), non solo per trasferire ad altri le molte informazioni recepite, ma soprattutto per far capire che, "dietro" alle macchine automatiche di imballaggio, c'è ancora molto da indagare, a partire dai requisiti richiesti a un sistema, che sappia rispondere in modo adeguato a funzioni sempre più complesse.
Una giornata particolare
Punto di forza della giornata è stata, per certi versi, proprio l'eterogeneità e poca uniformità delle relazioni, che hanno spaziato dalla tecnica "pura" (leggi del moto, calcolo di rapporti di trasmissione) alla strategia industriale (standard, ruoli, efficacia operativa, sostenibilità dello sviluppo). La giornata ha avuto infatti il grande, e invero raro, merito di indicare alcune nuove vie che i diversi “attori” dell’imballaggio dovranno, inevitabilmente, seguire nei prossimi anni.
Come molti oratori hanno sottolineato, l’avvento della meccatronica e delle tecnologie informatiche e di collegamento (ICT, Information and Communication Technologies) non devono essere viste e utilizzate solo per migliorare le macchine, ma devono diventare lo strumento per una re-visione della "vita totale” di un sistema, e quindi per ri-pensare e ri-progettare tutti i parametri connessi all’utilizzo delle macchine stesse.
E, infine, per far emergere un valore, in grado di "rigenerare" la nostra industria, ovvero la spinta a passare dalla cultura del prodotto a quella del servizio in senso lato.
Per fare un facile esempio, si deve ricordare che l’azienda che compra un trapano non desidera possedere il prodotto, bensì "fare i "buchi": il valore aggiunto deriva dal funzionamento della macchina e, quindi, è necessario focalizzarsi su questa fase, più che sulle prestazioni di “targa” dei mezzi in altre parole: non interessa acquistare il "prodotto trapano" ma il "servizio foratura".
Ovviamente questo non toglie nulla alla centralità delle prestazioni, ma esse diventano “una” condizione necessaria, ma non più l'unica, a garantire il successo.
Dopo questa lunga premessa, andiamo ora a esaminare i punti focali dei vari interventi specialistici, a cui abbiamo "assegnato d'ufficio" un ordine logico e in naturale crescendo: dal progettista, al ricercatore, all’utilizzatore, al lavoro di gruppo interfunzionale e interaziendale.
Gabriele Canini (packaging expert - TMC Tissue Machinery Company)
Più che una sintesi, la sua relazione meriterebbe un'“espansione”, per poter dar voce ai molti concetti nuovi e interessanti, esposti in una trattazione fitta di molte formule matematiche, ma anche di riflessioni in gran parte innovative e, comunque, poco note ai più.
La relazione affrontava il problema del dimensionamento di sistemi di azionamento caratterizzati dai moti tipici delle camme elettroniche e copriva sia gli aspetti di progetto della parte elettromeccanica, motore e trasmissione, sia quelli software della legge del moto.
Il caso particolare affrontato era quello della movimentazione rettilinea ciclica di una massa traslante (figura 1).
La prima osservazione importante riguarda l’andamento discontinuo dei costi del motore e dell'azionamento al variare delle dimensioni del motore: contrariamente ai modelli teorici infatti, il costo reale di un sistema aumenta (figura 2) in modo discontinuo al variare della taglia, mentre resta all’incirca costante quando si utilizza lo stesso motore.
In realtà quindi dimensionamenti quasi uguali, come i casi A e B della figura sono pressoché equivalenti come “dati teorici”, ma differiscono fortemente per costo (di installazione, ma anche di costo "a vita totale", che tiene conto anche dei consumi di energia in esercizio). In realtà, quindi, il progettista non deve ricercare dei dimensionamenti “ottimali” teorici ma “selezionare” il motore di costo minimo e, in contemporanea, definire il rapporto di trasmissione tra il motore e il carico utile supposto puramente inerziale.
Il metodo, diciamo così tradizionale (se si può parlare di tradizione dopo una decina di anni di applicazione) definiva il rapporto di trasmissione ideale, corrispondente alla massima accelerazione ottenibile con un dato motore, basato sul principio della equidistribuzione dell’energia: metà energia assorbita per accelerare il motore e metà per accelerare il carico oppure, in altri termini, inerzia riflessa dal carico sul motore uguale all’inerzia del motore.
Il metodo tradizionale richiedeva però poi una serie di iterazioni in corrispondenza alle diverse taglie e inerzia dei motori “papabili”. Il metodo quindi perdeva di trasparenza e richiedeva un certo numero di ricicli.
Il procedimento illustrato da Canin “sintetizzava” invece la selezione in un unico grafico (figura 3) chiaro e di facile lettura, che riporta le caratteristiche dei diversi motori da selezionare e la curva delle coppie richieste dal carico per raggiungere il valore desiderato di accelerazione.
Il grafico ha come parametro l’inerzia del motore e come ascissa le coppie generate dai motori e richieste dal carico, consentendo così di visualizzare le dimensioni minime del motore necessario a ottenere le prestazioni richieste.
Dopo aver definito la taglia del motore e il rapporto di trasmissione, il progettista di un sistema meccatronico deve definire la legge del moto: in realtà le due fasi devono essere realizzate in modo iterativo ma, chiaramente, in questo ambito è stato ipotizzato di realizzare le due fasi in successione senza verificare il motore a valle della scelta della legge del moto.
Nella seconda parte della presentazione, Canini ha preso i esame diverse leggi del moto quali:
- polinomiali di grado 2,3 e 4;
- trapezia modificata;
- sinusoidale modificata;
- cicloidale.
Per ognuna di queste leggi sono stati illustrati i diagrammi tipici e, cosa molto interessante, sono stati indicati i criteri che consentono di tener conto delle:
- limitazione della velocità massima istantanea;
- limitazione delle accelerazioni di picco e del loro valore quadratico medio;
- discontinuità delle derivate della legge del moto (la cosi detta dolcezza della legge);
o contenuti armonici per limitare gli effetti vibrazionali indotti sul elemento condotto;
o contenuto armonico della corrente richiesta all’azionamento.
La figura 4 riassume, per un caso esemplare, i diversi valori ottenibili, a parità di tempo di spostamento, per la velocità massima, l’accelerazione massima e l’accelerazione quadratica media.
Dopo molte formule, Canini ha fatto qualche considerazione progettuale basata sull’esperienza, suggerendo di selezionare la legge del moto anche in base alla rigidezza del sistema meccanico. Nei sistemi rigidi, infatti, alcune leggi permettono di contenere i valori di velocità e accelerazione di picco a scapito della dolcezza del moto, in quanto, in questi casi, difficilmente si possono introdurre vibrazioni inaccettabili dovute ai cedimenti elastici.
L'esauriente carrellata sui metodi di progettazione meccatronica attuali, terminava con un pensiero al futuro; in particolare sulla necessità di “chiudere il loop” di controllo con alcuni sistemi di visione, utilizzando dei sistemi di controllo capaci di integrare tutti gli aspetti del motion control e i sistemi di visione stessi (figura 5).
Cesare Fantuzzi
(Università di Modena e Reggio Emilia)
Fantuzzi ha espresso le proprie considerazioni in merito ai problemi emergenti dell’ingegneria del software, ovvero ai metodi e ai mezzi necessari per “scrivere” i programmi destinati all’automazione industriale, caratterizzati da qualità elevata e riduzione di tempi e costi di sviluppo. Il software deve essere caratterizzato da:
- assenza di errori;
- capacità di “resistere” a situazioni inattese;
- facilità di estensione ad altre applicazioni;
- prevedibilità e certezza di tempi e costi .
Il software per le applicazioni industriali non ha seguito lo sviluppo delle applicazioni “business” dove, da molti anni, si opera in ambienti di sviluppo strutturati utilizzando metodi ad oggetti; nel mondo industriale invece spesso il codice viene scritto pressoché direttamente, senza una vera strutturazione dello sviluppo. Ma ormai i tempi sono maturi per un salto di qualità, e nel software industriale devono "migrare" concetti e abitudini consolidate nell’area business, come per esempio l'utilizzo delle norme IEC 61131 o la stesura modulare dei programmi articolata in programmi, funzioni e blocchi.
Ma questo approccio, in gran parte già oggi possibile anche se poco utilizzato, non basterà a soddisfare i requisiti degli utilizzatori e, in questa ottica, Fantuzzi propone di definire degli “oggetti meccatronici” corrispondenti, nel software, a sotto-assieme di macchine di imballaggio e che si prestano a una stesura “a oggetti”.
Una struttura di questo tipo richiede poi di essere completata con un'opportuna strutturazione delle fasi di sviluppo: il linguaggio UML (acronimo di Unified Modelling Language), già molto utilizzato nel settore ricerca, si presta a essere utilizzato per la stesura dei livelli più alti dei programmi e per la generazione automatica del codice per i PLC ed i sistemi di motion control.
Infine, un esempio applicativo riferito a una pesatrice a teste multiple, che permetteva di “toccare con mano” la proposta e di apprezzarne i punti di forza.
Alberto Tonielli (Università di Bologna)
Tonielli ha “alzato il tiro”, passando a osservare i requisiti dei sistemi meccatronici di automazione nel loro complesso cioè, si potrebbe dire, a “vita totale”: dalla progettazione all'utilizzo industriale e alla riprogrammazione, fino al loro riuso.
In quest'ottica ha evidenziato gli elementi fondamentali delle tendenze nella progettazione di macchine automatiche per l’imballaggio, che rappresentano la chiave di volta dei futuri sviluppi.
I fattori di sviluppo sono:
- la progettazione integrata dei componenti meccanici, elettronici e software dei sistemi meccatronici e dei sistemi di motion control, da perseguire con una pluralità di mezzi e metodi fortemente diversi tra loro
(nuovi motori ad alte prestazione e nuovi tipi di motori come i motori lineari; nuovi mezzi per la simulazione in fase di progetto basati su sistemi CAD e altri sistemi di simulazione; nuove strutture del software; meccaniche migliori progettate in modo specifico). In questa area è fondamentale la disponibilità di tecnici con conoscenze specifiche interdisciplinari, oggi particolarmente rari, ma che saranno invece “prodotti” dal nuovo corso di laurea in Ingegneria dell’automazione, mirato in modo specifico a eliminare le carenze di formazione;
- la progettazione strutturata e sistematica del software, che deve essere facilmente “portabile”, mantenibile e "debuggabile": l’utilizzo anche in questo settore dei principi di “ingegneria del software” insieme alle ultime evoluzioni delle normative IEC 1131 forniscono buone risposte;
- le interfacce verso il Web, dato che la possibilità di connessione alla rete Internet apre nuove prospettive per poter realizzare interventi remoti di assistenza, aggiornamento del software, ricerca guasti in modo da ridurre le voci di costo relative alla manutenzione delle macchine;
- la flessibilità per tutti gli utenti, con una maggiore attenzione all'affidabilità e disponibilità delle macchine. In particolare questi obiettivi vengono perseguiti con sistemi di autodiagnostica, telediagnostica e con una progettazione affidabile, che ottimizza le dimensioni dei motori e il comportamento elastodinamico della meccanica.
In questo gruppo di requisiti assume sempre maggior importanza la reale flessibilità della macchine per passare, per esempio, da un formato ad un altro delle confezioni, illustrati in figura 6 e realizzati con le macchine di figura 7.
In conclusione: la tecnologia dei sistemi di motion control rappresenta un elemento fondamentale nello sviluppo delle macchine per imballaggio, e sono possibili grandi miglioramenti nelle prestazioni, soprattutto se misurate in un'ottica di “vita totale”.
Thomas Cord (ELAU)
Ricorrendo ad esempi di applicazioni dirette, Cord ha enumerato i trend in atto e le risposte fornite dal produttore tedesco alle richieste dei costruttori di macchine automatiche.
Come è noto la tendenza è verso la realizzazione di macchine di nuova generazione, la "terza" come si vede dalla figura 8, nella quale appunto sono indicate le macchine meccaniche della prima generazione, le attuali macchine ibride (la seconda), e infine le macchine del domani, basate completamente su azionamenti distribuiti.
Queste nuove macchine devono rispondere ai seguenti requisiti:
- miglior qualità dell’imballaggio;
- riduzione dei tempi di consegna;
- miglior produttività;
- flessibilità nei cambi formato;
- facilità di conduzione;
- dimensioni minori.
Per raggiungere questi obiettivi la ELAU ha già sviluppato un sistema integrato, illustrato in figura 9, che contiene anche una serie di strumenti di supporto, indicati in figura 10, alle diverse fasi della vita del prodotto; in particolare gli strumenti più importanti disponibili sono:
- strumenti di definizione delle leggi e di assistenza nella selezione dei motori (per la progettazione delle leggi del moto);
- supporti strutturati specifici (per la configurazione del sistema);
- subroutine a standard IEC 6 1131(in parte approvati dalla FDA Food And Drug Admnistration);
- sistemi di tuning e testing (per l’avviamento);
- sistemi di teleintervento e teleassitenza oltre che di autodiagnistica, (per la diagnostica e manutenzione).
Con questi mezzi e questi strumenti, ELAU si appresta a permettere la realizzazione non solo di macchine della terza generazione ma anche di linee integrate di imballaggio formate da macchine diverse sincronizzate che si scambiano tra loro dati per realizzare l’ottimizzazione funzionale e l’analisi delle prestazioni.
Ulisse Pedretti (Coop Italia)
Il manager ha affrontato il problema della sostenibilità dell’imballaggio, pensando alla riduzione dell’impatto ecologico e, in generale, delle “perdite” causate dagli imballaggi al sistema globale. In quest'ottica la nota tracciava alcune strade percorribili:
- smaterializzazione dei prodotti/servizi resi, per ridurre gli scarti e l'impiego di energia;
- utilizzo di materiali a basso impatto ambientale (dalla produzione alla distribuzione, secondo le norme ISO 14.000);
- impiego più diffuso di materiali riciclati e riciclabili.
Gli esempi di interventi operati dalla COOP su diversi prodotti e in diverse fasi hanno reso testimonianza di una forte riduzione dell’impatto, senza nulla togliere all'immagine promozionale e alla qualità.
Robert Martell (Pharmacia)
Uno dei punti di forza di questa giornata è stato quello di proporre diversi “punti di vista" dell’automazione nel packaging: così dopo le presentazioni di costruttori di macchine si è potuto anche sentire la vera ”voce del cliente”, cioè dell’utilizzatore delle macchine automatiche.
Robert Martell di Pharmacia (un gigante con 43.00 impiegati e 13 miliardi di dollari di fatturato che, nel caso di una fusione con la Pfizer, diventerà la più grande azienda farmaceutica del mondo) ha parlato delle opportunità e sfide delle nuove forme di automazione.
Le condizioni di mercato si riflettono sull’imballaggio, imponendo al settore farmaceutico prestazioni analoghe a quello dei beni di largo consumo:
- vita sempre più breve degli imballaggi;
- maggior flessibilità nella produzione;
- elevata capacità di riprogrammazione dinamica;
- grande attenzione all’efficienza e ai costi.
Non vanno dimenticate poi le operazioni di validazione, in rispondenza alle norme specifiche, che incidono fino al 40% sul costo di sviluppo: in particolare, molto complessa, costosa e particolarmente difficile per l'imballaggio risulta la dimostrazione della GMP (Good Manufacturing Practice).
Per perseguire questi obiettivi è necessario riesaminare il “triangolo” formato da costruttori di moduli tecnologici (come la ELAU), produttori di macchine (OEM, Original Equipment Manufacturers) e utilizzatori finali (come la Pharmacia appunto), che devono adesso interfacciarsi e integrarsi attraverso standard industriali (figura 11) condivisi.
Oltre a questi, l’industria farmaceutica chiede ai costruttori un “aiuto” per ridurre i costi delle validazioni di processo, già elevati e in aumento, e quindi chiede: una chiara rappresentazione degli stati macchina, un ambiente di sviluppo software standard e un approccio alla progettazione standardizzato e ben documentato (figura 12).
Keith Campbell (ex Hershey Foods)
Costruttori e utilizzatori chiedono fondamentalmente di “integrare” i diversi requisiti, che le macchine di imballaggio devono essere in grado di soddisfare. Per questo motivo è sorto negli USA il “packaging Workgroup” all’interno della OMAC (no profit organisation), nato proprio per favorire lo scambio e una visione comune sui problemi dell’automazione nell’industria manifatturiera, così da aumentare la collaborazione tra utilizzatori di macchine da imballaggio, costruttori e produttori di componenti. L’obiettivo del gruppo di lavoro è di far evolvere le macchine verso una situazione di “plug-and-pack” cioè di rapido avviamento e facile utilizzo delle macchine e, in generale di accelerare lo sviluppo verso una riduzione:
dei tempi di: consegna, di avviamento e riattrezzaggio, di pulizia; di non disponibilità; delle dimensioni e degli ingombri ; degli scarti di materiale; del MTBF; del numero di parti in movimento.
Parametri che si pensa possano essere ridotti, nel futuro, in una percentuale prossima al 50%.
In conclusione
Questa giornata “passerà alla storia” del mondo del packaging non solo per i valori “quali/quantitativi” (tenore delle relazioni, numero dei partecipanti, organizzazione) ma soprattutto per essere stato un momento di informazione a tutto tondo sul mondo del packaging.
Di fatto, ELAU, non si è limitata a trattare in forma indiretta la propria tecnologia di motion control ma ha trovato il modo di orchestrare interventi a più “voci”, fra cui, decisiva, quella degli utenti finali-utilizzatori: che hanno avuto il merito di evidenziare come il progetto di una macchina di imballaggio debba sempre considerato in un'ottica di “progetto a vita totale”, nel quale la pura funzionalità è solo un prerequisito, e che deve invece considerare un numero elevato di altri fattori. Sintetizziamo i più “gettonati”: affidabilità, mantenibilità, facile avviamento, flessibilità, efficienza operativa globale (la cosidetta OEE, Operational equipment efficiency); riutilizzo e riuso. In altre parole la “terza generazione” delle macchine automatiche deve permettere all'industria nel suo complesso, di effettuare un salto di qualità, per rispondere con efficienza alle sfide della globalizzazione e dell'attuale situazione economica.
Mario Salmon
M.S. Automation ([email protected])
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New ideas for new machines
At Bologna Elau spoke to the heart of an industry, that of packaging, indicating some of the new approaches the different “actors” will inevitably have to adopt in the coming years. Technological suggestions and hints for the development of automatic machines.
Mario Salmon
With only a small amount of space available it is difficult to sum up a complex series of thoughts, that range from the analysis of scientific and research aspects to the human and legal ones of the world of packaging. The day, organized by Elau 20th September last, in fact featured extensive talks, the orators going into considerable depth, dissecting the various “faces” of this industrial segment in the manner of specialists.
This article hence wishes to give an idea of the different problems (offering a “flavor” as the Americans would say) that have to be tackled, not only in order transfer the great amount of information received to others, but to aboveall allow people to understand that a lot still needs to be gone into “behind” automatic packaging machines, starting off from the requisites required from a system, so that it might adequately respond to evermore complex functions.
A special day
Strongpoint of the day in a certain sense was the heterogenous nature and the lack of uniformity of the talks, that ranged from “pure” technology (laws of motion, gear ratio calculations) to industrial strategy (standard roles, working effectiveness, sustainability of development). The day in fact had the great and indeed rare merit of pointing out the new ways the different “actors” of packaging will have to inevitably follow in the years to come. As many orators underlined, the advent of Information and Communication Technologies (ICT) should not only be seen and used in terms of improving the machines, but ought to become the tool for a revision of the “total life” of a system, and hence for re-thinking and re-planning all the parameters related to the use of the machines themselves.
And, finally, to allow a feature to emerge, capable of “regenerating” our industry, or that is the drive to pass from a product culture to a service culture in the general sense.
To give the simplest of examples, it should be remembered that the company that buys a drilling tool does not wish to possess the product, but rather “make holes”: the added value derives from the machine function and, hence, one needs to focus on this phase, more than on the proclaimed performance of the means, in other words: they are not interested in buying the drill product but a “holing service”.
Obviously this does not in any way detract from the key nature of the performance, but this has to become “a” necessary condition, no longer the unique one, in order to guarantee success.
After this ambling foreword let us now pass on to examining the focal points of the various specialist talks, which have been officially set out in a gathering crescendo: going from designer to research worker, from user, to interfunctional and inter company groupwork.
Gabriele Canini (packaging expert - TMC Tissue Machinery Company)
More than a synthesis, his report deserves an “expansion”, to express the many new and interesting concepts set out in a treatise full of mathematical formulas, but also made up of the most innovatory reflections, at any rate raising points little known to the many.
The report tackled the problem of dimensioning drive systems featuring typical motion of electronic cams and covered both questions of electromechanical-, motor- and transmission- as well as software design in relation to the law of motion.
The particular case tackled was that of rectilinear cyclical motion of a travelling mass (figure 1). The first important observation regards the discontinuous run of the cost of the motor and the drive in relation to the varying dimensions of the motor: as opposed to the theoretic models, the real costs of the system increase (figure 2) discontinuously as the size varies, while the cost remains roughly constant when you use the same motor.
Hence in actual fact dimensions that are virtually the same as in cases A and B in the illustration are virtually equivalent in terms of “theoretical” data”, but they differ highly in terms of costs (installation but also “total life” cost, that also consider energy consumed while running). In actual fact hence, the system designer shouldn’t seek “optimum” theoretical dimensions but should “select” the motor with the minimum cost, at the same time defining the gear ratio between the motor and the supposed purely inertial payload.
What could be called the traditional method (if one is able to speak of tradition after a decade of application) defined the ideal gear ratio as corresponding to the max. attainable acceleration with a given motor, based on the principle of equal distribution of energy: half the energy absorbed for accelerating the motor and half for accelerating the load or, in other terms, inertia reflected by load over motor equals motor inertia.
The traditional method though required a series of iterations corresponding to the different sizes and inertias of the various possible motors.
The method was hence not very transparent and required a certain number of recycles.
The procedure illustrated by Canini in turn “synthesised” the selection in one graph (figure 3) that is clear and easy to read, and that shows the characteristics of the different motors to be selected in a curve of the torque required by the load in order to reach the desired value of acceleration.
The graph has the inertia of the motor as its parameter and the torque generated by the motor and demanded by the load as the abscissa, thus enabling a visualisation of the minimum dimensions of the motor needed to obtain the required performance. After having defined the size of the motor and the velocity ratio, the designer of a mechatronic system has to define the law of motion: in actual fact the two phases have to be carried out iteratively but clearly, in this case the idea is to make the two phases successively without verifying the motor downstream as regards the choice of the law of motion.
In the second part of the presentation, Canini examined the various laws of motion such as:
- grade 2.3 and 4 polynomials;
- modified trapezoid,
- modified sinusoidal;
- cycloidal.
For each of these laws typical diagrams were illustrated and, very interestingly, the speaker indicated the criteria that enabled one to consider the:
- limitation of the max instantaneous speed;
- limitation of peak acceleration and its average quadratic value;
- discontinuity of the derivates of the law of motion (the so-called smoothness of the law);
- harmonic contents to limit the induced vibrational effects on the conducted element;
- harmonic content of the electric power fed to the drive.
Figure 4 sums up, in an example, the different values obtainable with the same displacement time, for maximum velocity, maximum acceleration and the average quadratic acceleration.
After many formulas, Canini made some design considerations based on experience, suggesting also that the law of motion be selected on the basis of the rigidity of the mechanical system.
In fact, in rigid systems some laws enable containment of peak speed and acceleration to the detriment of the smoothness of motion, inasmuch in these cases, it is not very likely that unacceptable vibrations due to elastic yielding may be generated.
This exhaustive review of current mechatronic design methods terminated with a thought to the future; in particular on the necessity of “closing the control loop” with some vision systems, using control units capable of integrating all the motion control aspects and the vision systems themselves (figure 5).
Cesare Fantuzzi (University
of Modena and Reggio Emilia)
Fantuzzi expressed his own considerations as to the emerging problems of software engineering, or that is the methods and the means necessary for “writing” programs destined for industrial automation, featuring high quality and a reduction in development times and costs. The software should feature:
- absence of errors;
- a capacity to “stand up to” unexpected situations;
- easy extension to other applications;
- predicable and certain times and costs.
The software for industrial applications has not followed the development of the “business” applications where, for many years, one has worked in structured development environments using object oriented methods; in turn in the industrial world codes are often virtually written directly, without a true structuring of development. But now the times are ripe for a qualitative leap, and concepts and habits consolidated in the business area, as for example the use of IEC 61131 standards or the modular drawing up of programs articulated in programs, functions and blocks, have to “migrate” to industrial software.
But this approach, for the most nowadays already possible even if little used, will not suffice to satisfy user requisites and, with this in view, Fantuzzi proposes defining correspondent “mechatronic objects”, in software, corresponding to sub systems of packaging machines, that lend themselves to being draughted in an objectified manner.
A structure of this type then needs to be completed with a suitable structuring of the development phases: UML (acronym for Unified Modeling Language), already much used in the research sector, is suited for use in defining the highest level of programs and for the automatic generation of codes for PLCs and motion control systems.
Finally an applicative example referring to a multi-head check-weigher was given thus allowing people to become better acquainted with the proposal and appreciate its strongpoints.
Alberto Tonielli (University of Bologna)
Tonielli is aiming higher by going on to observing the requisites of mechatronics automation systems seen in their entirety, or rather one could say as regards their “total life”: from design to industrial use and to reprogramming up to their reuse:
With this in view he highlighted the fundamental elements of automatic packaging machine design trends, that represent the keystone of future development.
The development factors are:
- the integrated design of mechanical, electronic and software components of mechatronic systems and motion control systems, to be pursued with a plurality of means and methods that differ notably from each other (new high performance motors and new types of motors such as linear motors; new means for in phase simulation of projects based on CAD and other simulation systems; new software structure; better specifically designed mechanics. In this area the availability of technicians with specific interdisciplinary knowledge is fundamental, a figure that is particularly rare nowadays, but that will be “produced” by the new Automation Engineering degree course, aimed specifically a eliminating training deficits;
- the structured and systematic design of software, that has to be easily “portable”, maintainable and “debuggable: the use also in this sector of “software engineering” principles together with the latest evolutions of the IEC 1131 standards have shown good results;
o the interface onto the Web, given that the possibility of connecting to the Internet give rise to new prospects, enabling remote assistance, software updates, search for malfunctions so as to reduce costs regarding the machine maintenance;
- flexibility for all the users, with greater attention to reliability and flexibility of machines. In particular these objectives are being pursued with selftest capability and telediagnostic systems and with reliable design work, that optimizes the dimensions of the motors and the elastodynamic behavior of the mechanics.
In this group of requisites the real flexibility of the machine, in for example passing from one format of pack to another, takes on ever greater importance, as illustrated in figure 6 and created with the machines in figure 7.
To conclude: the technology of the motion control systems represents a fundamental point in the development of packaging machines, and great improvements are possible in performance, aboveall if measured with a view to “total life”.
Thomas Cord (ELAU)
Resorting to examples of direct application, Cord listed the trends underway and the responses supplied by the German producer to the demand from automatic machine constructors.
As is known the trend is towards the creation of new generation machines, the “third” as one can see from figure 8, where the first generation mechanical machines, the current hybrid machines (second generation) and finally the machines of tomorrow, based completely on distributed drives, are indicated.
These new machines have to respond to the following requisites.
- better quality of packaging;
- reduction of delivery times;
- better productivity;
- flexibility of format changes;
- operational friendliness;
- smaller size.
To achieve this objective ELAU has already developed an integrated system, illustrated in figure 9, that also contains a series of support tools, indicated in figure 10, for the different product life cycle phases; in particular the most important tools available are:
- tools for defining the laws and assistance in selecting motors (for the planning of laws of motion);
- specific structured supports (for the system configuration);
- IEC 6 1131 standard subroutines (in part approved by the Food and Drug Administration);
- Systems for tuning and testing (for start-up);
- Systems of teleintervention and teleassistance as well as autodiagnostics, (for diagnostics and maintenance).
With these means and these tools, ELAU is not only close to being able to let designer create third generation machines but also let its customer integrated packaging lines formed by different synchronized machines that exchange data in order to achieve functional optimization and analysis of performance.
Ulisse Pedretti (Coop Italia)
The manager faced the problem of the sustainability of packaging, thinking of the reduction of ecological impact and in general, the “losses” that packaging causes to the global system. In view of his note traced some approaches that might be adopted:
- dematerialization of products/services, to reduce waste and use of energy;
- use of material with a low environmental impact (from production to distribution, according to standards ISO 14,000),
- greater use of recycled and recyclable materials.
The examples of adjustments carried out by COOP on different products and in different phases have borne witness to a strong reduction of impact, without in any way detracting from promotional image and quality.
Robert Martell (Pharmacia)
One of the main features of this day was that of the proposal of different “viewpoints” regarding packaging automation: thus after the machine constructors presentation one was also able to hear the “voice of the customer”, that is the user of the automatic machines.
Robert Martell of Pharmacia (a giant with 43,000 employees and 13 billion dollars of turnover that, in the event of a merger with Pfizer, will become the largest pharmaceutical concern in the world) spoke of the opportunities and challenges of the new forms of automation.
The market conditions reflect on packaging, forcing performances on the pharmaceutical sector that are the similar as those of broadly consumed goods:
- ever shorter packaging life
- greater product flexibility;
- great attention to efficiency and costs.
One should not also forget the validation operations, in response to specific standards, that account for 40% of development costs: in particular, the demonstration of Good Manufacturing Practise (GMP) is very complex, costly and particularly difficult for packaging.
In order to pursue this objective one has to re-examine the “triangle” formed by providers of technological models (such as ELAU) machine producers
(OEM - Original Equipment Manufacturers) and end users (like for example Pharmacia), that have to now interface and integrate through shared industrial standards (figure 11).
On top of this, the pharmaceutical industry requests a helping hand for reducing the costs of process validations, already high and on the increase, and hence asks: a clear representation of the machine states, a standard software development environment and a standardized and well-documented approach to design (figure 12).
Keith Campbell (formerly Hershey Foods)
Constructors and users fundamentally ask to “integrate” the different requisites, that the packaging machines have to be capable of satisfying. This is why in the US the “packaging Workgroup” was set up within OMAC (no profit organisation) set up for the very reason of favoring the exchange of a common vision of problems of automation in the manufacturing industry, so as to increase the cooperation between users of packaging machines, constructors and components producers.
The objective of the workgroup is to make the machines evolve towards a situation of “plug and pack” that is fast start-up, user friendly machines and, in general to accelerate the development towards a reduction of delivery, start-up and retooling times, of cleaning, of lack of availability; of size and bulk; of material waste; of MTBF; of the numbers of moving parts. Parameters that one thinks can be reduced in the future by close on 50%.
In conclusion
This day will go down in history in the world of packaging not only for the quali/quantitative values (level of relations, number of participants, organization) but aboveall for being a moment of information all round on the world of packaging.
In actual fact ELAU did not limit itself to indirectly talking about its motion control technology but has found the way of orchestrating talks with numerous “voices“, among which, decisive, that of the final users: that had the merit of highlighting how the design of a packaging machine has to always be considered in terms of a “total life cycle design” where pure functionality is only one prerequisite and where a high number of other factors ought to be considered. Synthesizing the most “requested”: reliability, maintainability, easy start-up, flexibility, global working efficiency (the so-called OEE Operational equipment efficiency); reuse.
In other words the “third generation” of automatic machines has to allow the industry as a whole to make a qualitative leap in order to effectively respond to the challenges of globalisation and the current economic situation.
Mario Salmon
M.S. Automation ([email protected])
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