Inteligentna automatyzacja: wykorzystanie sztucznej inteligencji i robotyki do optymalizacji bezpieczeństwa procesów

W pełni zautomatyzowana linia mieszania i podawania surowców dla receptur wieloskładnikowych bez transportu pneumatycznego

W przemyśle materiałów sypkich mieszanie proszków i granulatów należy do kluczowych etapów procesu technologicznego. Dobór zasady mieszania oraz odpowiedniego mieszalnika zazwyczaj wynika z właściwości produktu, struktury cząstek i wymagań aplikacyjnych. Znacznie rzadziej wystarczającą uwagę poświęca się jednak sposobowi podawania surowców — a to właśnie on w dużej mierze decyduje o jakości produktu końcowego, bezpieczeństwie procesu i ekonomice całej instalacji, szczególnie w przypadku złożonych receptur wieloskładnikowych.

W prezentowanym projekcie wyzwaniem było przetwarzanie receptur składających się z 8 do 15 komponentów. W zależności od produktu ilości poszczególnych składników mieściły się w przedziale od 1 do 100 kg, przy jednoczesnej konieczności bardzo precyzyjnego dozowania małych porcji poniżej 5 kg. Kluczowym wymaganiem była maksymalna elastyczność produkcji, umożliwiająca szybkie zmiany receptur i wielkości partii.

Jednym z najważniejszych założeń technicznych była całkowita rezygnacja z transportu pneumatycznego. Celem było ograniczenie starzenia się produktu, zjawiska segregacji składników oraz zużycia energii. System miał być również skalowalny, tak aby w przyszłości mógł obsługiwać nawet 100 różnych surowców wykorzystywanych w dynamicznie zmieniających się recepturach.

Kluczowe wymagania projektowe

Założenia projektu przełożyły się na jasno zdefiniowane cele technologiczne. Instalacja musiała zapewniać wysoką dokładność dozowania w całym zakresie od 1 do 100 kg, a także pełną powtarzalność receptur i pełną identyfikowalność wszystkich partii. Równie istotne było ograniczenie do minimum czasu przezbrojenia i czyszczenia przy zmianie produktu oraz skuteczne zmniejszenie ryzyka zanieczyszczeń krzyżowych.

Priorytetem było również maksymalne ograniczenie ręcznych interwencji operatora, aby zwiększyć bezpieczeństwo, stabilność procesu i wydajność produkcji. Całość musiała ponadto zostać płynnie zintegrowana z istniejącymi systemami ERP i MES, zgodnie z założeniami nowoczesnego zakładu produkcyjnego w standardzie Przemysłu 4.0.

Ręczne opróżnianie worków z bezpośrednim podawaniem

W pełni automatyczne, zrobotyzowane opróżnianie worków typu Smart Pick firmy Sacchi  

Analiza możliwych koncepcji podawania surowców

Na początku rozpatrzono wariant ręcznego zasilania instalacji. W klasycznym układzie stosuje się ręczną stację opróżniania worków zlokalizowaną nad mieszalnikiem. Surowce są ważone w centralnym punkcie wagowym, przygotowywane na paletach, a następnie ręcznie wsypywane do mieszalnika we właściwym momencie procesu. Zaletą tego rozwiązania są relatywnie niskie nakłady inwestycyjne. W praktyce jednak oznacza ono wysokie koszty pracy, duże obciążenie ergonomiczne operatorów, większe ryzyko błędów, wyższy poziom emisji pyłu oraz mniejszą stabilność procesu. Dodatkowo ograniczona pozostaje identyfikowalność partii, a elastyczność produkcji nie spełnia wymagań nowoczesnych zakładów.

W kolejnym etapie przeanalizowano częściowo zautomatyzowany system wykorzystujący pojemniki buforowe. W tym wariancie surowce są ręcznie wsypywane do buforów o różnej pojemności, a następnie — zgodnie z recepturą — dozowane metodą loss-in-weight lub przy użyciu dozowników ślimakowych do mobilnych kontenerów zbiorczych, które później trafiają do mieszalnika. Rozwiązanie to ogranicza udział pracy ręcznej na etapie dozowania, jednak szybko ujawniły się jego ograniczenia: dodatkowe punkty styku w procesie, duże zapotrzebowanie na przestrzeń dla zbiorników dziennych i buforowych oraz mniejsza elastyczność przy częstych zmianach produktu. Ręczna obsługa worków nadal pozostaje niezbędna, co oznacza utrzymujące się zapylenie, dodatkowy nakład pracy oraz ryzyko operacyjne.

W pełni zautomatyzowane zasilanie mieszalnika

Odpowiedzią na te wyzwania stała się koncepcja w pełni zautomatyzowanej instalacji opartej na sprawdzonej technologii robotycznej SmartPick firmy Sacchi. Celem było stworzenie systemu, który nie wymaga dużych centralnych zbiorników buforowych, lecz bazuje na bezpośrednim, kontenerowym przygotowywaniu receptur. Tak zaprojektowana instalacja spełnia wysokie wymagania w zakresie higieny, elastyczności, efektywności energetycznej i skalowalności.

Celowo wybrano koncepcję bezzbiornikową, rozwijaną przez Sacchi z myślą o nowoczesnych środowiskach typu smart factory. Zarówno przepływ materiałów, jak i informacji może być tu w pełni odwzorowany cyfrowo i całkowicie zautomatyzowany. Już na etapie projektowania uwzględniono więc nie tylko wydajność, ale również wysoki poziom bezpieczeństwa procesu i pełną powtarzalność produkcji.

Cyfrowy odbiór dostaw i pełna identyfikowalność

Pierwszym elementem systemu jest cyfrowy odbiór surowców. Każdy materiał przy przyjęciu identyfikowany jest za pomocą kodu kreskowego lub RFID i automatycznie rejestrowany w systemie ERP/MES. W zależności od potrzeb identyfikację można rozszerzyć o systemy wizyjne, które automatycznie weryfikują produkt, rodzaj opakowania oraz dane partii. To pierwszy krok do zapewnienia pełnej identyfikowalności i niezawodności procesu.

Zautomatyzowany transport

Spaletyzowane worki są dostarczane dokładnie na czas do robotycznej stacji opróżniania SmartPick przez systemy transportu bezzałogowego (AGV/FTS) lub rozwiązania shuttle. Ta elastyczna logistyka stanowi integralną część koncepcji automatyzacji Sacchi i umożliwia zaopatrywanie stacji zgodnie z bieżącym zapotrzebowaniem, bez konieczności magazynowania pośredniego. Dostarczanie materiału na żądanie ogranicza transport wewnętrzny i eliminuje potrzebę utrzymywania zbędnych zapasów buforowych.

Robotyczne opróżnianie worków

Sercem rozwiązania jest system SmartPick firmy Sacchi, odpowiedzialny za w pełni automatyczne depaletyzowanie, otwieranie i opróżnianie worków. Dzięki opatentowanym technologiom chwytania i cięcia proces ten przebiega bezpiecznie, powtarzalnie i przy minimalnej emisji pyłu. Opcjonalnie system może zostać wyposażony w kamery dokumentujące zarówno produkt, jak i stan worka, co dodatkowo wzmacnia identyfikowalność i kontrolę jakości. Automatyzacji może podlegać również usuwanie pustych worków oraz opróżnianie resztek materiału.

Bezpośrednie, precyzyjne dozowanie do kontenera

Składniki są dozowane bezpośrednio ze stacji SmartPick do mobilnych kontenerów wagowych. Wysokorozdzielcze czujniki wagowe umożliwiają bardzo precyzyjne dozowanie metodą gain-in-weight, nawet w przypadku niewielkich ilości. Opracowana przez Sacchi koncepcja gwarantuje, że każda partia powstaje dokładnie zgodnie z recepturą — bez pośredniego magazynowania i bez ryzyka niepożądanego wymieszania materiałów.

Bezpośrednie ważenie w kontenerze transportowym eliminuje dodatkowe etapy przesypywania, co przekłada się zarówno na wyższą dokładność dozowania, jak i lepszy poziom higieny procesu. Worki są automatycznie pobierane, otwierane i opróżniane do odpowiednich stanowisk, a materiał trafia bezpośrednio do kontenera. Puste opakowania są następnie automatycznie zgniatane i usuwane.

Zautomatyzowany załadunek mieszalnika

Po zakończeniu ważenia system transportu bezzałogowego przewozi kontener bezpośrednio do mieszalnika. Automatyczne opróżnianie zapewnia ciągłe i powtarzalne podawanie materiału bez udziału operatora. Rozwiązanie to pozwala zasilać zarówno pojedyncze mieszalniki, jak i elastycznie integrować kilka linii produkcyjnych w ramach jednego zakładu.

Worki są automatycznie pobierane, otwierane i opróżniane do przewidzianych stanowisk,
a następnie materiał jest ważony i dozowany do kontenera. Puste worki są automatycznie zgniatane i usuwane.

Najważniejsze korzyści dla producenta

Rezygnacja ze zbiorników buforowych i przejście na bezpośrednie tworzenie receptur przynoszą szereg wymiernych korzyści. Przede wszystkim maleje zapotrzebowanie na przestrzeń, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej skalowalności systemu. Znacząco wzrasta bezpieczeństwo procesu, ponieważ liczba ręcznych interwencji zostaje ograniczona do minimum.

System zapewnia pełną identyfikowalność partii i bardzo wysoką dokładność dozowania — również przy niewielkich ilościach surowców. Mniejsza liczba powierzchni mających kontakt z produktem poprawia warunki higieniczne, a zmiany produktu mogą być realizowane wyjątkowo sprawnie dzięki programowemu zarządzaniu recepturami. W praktyce oznacza to większą elastyczność produkcji, wyższą jakość końcową i niższe koszty operacyjne.

Tak zaprojektowana instalacja szczególnie dobrze sprawdza się w środowiskach produkcyjnych charakteryzujących się dużą różnorodnością receptur, krótkim cyklem życia produktów oraz rosnącymi wymaganiami jakościowymi.

Wnioski

Projekt pokazuje, że kompleksowe rozwiązanie SmartPick firmy Sacchi stanowi trafną odpowiedź na potrzeby związane z przetwarzaniem złożonych receptur wieloskładnikowych. Połączenie zrobotyzowanego opróżniania worków, bezpośredniego dozowania do kontenerów oraz transportu bezzałogowego umożliwia prowadzenie produkcji w sposób wysoce elastyczny, higieniczny i ekonomiczny.

Wyraźnie widać, że największy potencjał optymalizacji nowoczesnych instalacji mieszania nie leży już wyłącznie w samym procesie mieszania, lecz przede wszystkim w inteligentnym, w pełni zautomatyzowanym i cyfrowo zintegrowanym systemie podawania surowców. Zestawienie robotycznej obsługi worków, bezpośredniego dozowania kontenerowego i transportu bezzałogowego pozwala bezpiecznie, powtarzalnie i efektywnie przetwarzać złożone receptury wieloskładnikowe bez wykorzystania transportu pneumatycznego.

Dla operatora oznacza to wyższą jakość produktu, większe bezpieczeństwo procesu, niższe koszty eksploatacji oraz gotowość do pracy w nowoczesnym, cyfrowym środowisku produkcyjnym zgodnym z ideą Przemysłu 4.0.