Pakowanie: Standard PackML

Branża opakowań, niezależnie od przedmiotu produkcji staje przed uniwersalnymi dylematami jakimi są organizacja produkcji, redukcja kosztów i kontrola pakowania. Ponadto producenci stoją przed realizacją w praktyce licznych wymogów bezpośrednio dotyczących realizowanych zadań produkcyjnych jak i pakujących. Dynamika zmian jest bardzo duża, zróżnicowane i szybko zmieniające się trendy na rynku, rodzaje produktów, narastająca presja związana z niemal natychmiastowym wprowadzaniem produktów do obrotu czy skomplikowane zlecenia ze strony klientów sprawiają, że poszukiwane są rozwiązania z zakresu automatyki, logistyki celem zapewnienia płynności i konkurencyjności przedsiębiorstw w środowisku ostrej rywalizacji i walki o klienta. Bardzo często zdarza się, że zakłady produkcyjne posiadają oddzielne systemy sterowania produkcją. Systemy te w sposób rozłączny sterują poszczególnymi procesami, zasilaniem, sterowaniem bezpieczeństwem itp., a taka strategia powoduje konieczność utrzymywania wielu systemów, które to z kolei stanowią obciążenie operacyjne ograniczając elastyczność produkcji czy szybkość reakcji na zaistniałe zdarzenia wynikłe w trakcie procesów produkcyjnych i poza nimi. Uzasadnione zatem staje się dążenie do optymalizacji pracy całego zakładu wytwórczego w zakresie technologii sterowania, która zniweluje ograniczenia wynikłe z niekomunikujących się ze sobą rozwiązań. Niezależnie jednak od kierunku specjalizacji przedsiębiorstwa produkcyjnego zwiększenie efektywności pakowania dotyczy wielu gałęzi przemysłu spożywczego i nie tylko.

Funkcjonalność podzespołów maszyn pakujących scala program sterujący daną maszyną, a brak standardu dla programu komplikuje i znacznie utrudnia integrację wyposażenia linii pakującej, dlatego też rozpoczęły się prace dążące do opracowania takiego standardu. Słowo PackML to skrótowiec pochodzący z języka angielskiego – oznacza Packaging Machine Language – co dosłownie oznacza „język maszyny pakującej” i tym właśnie jest w kontekście automatyki przemysłowej. PackML obowiązuje od 2008 r. jako ISA-TR88.00.02 w którym został opisany algorytm pracy maszyn automatycznych zalecany w przemyśle opakowaniowym. Należy zaznaczyć, że zakres stosowania tego standardu nie jest zawężony tylko do tej branży. Standard techniczny PackML został opracowany i rozwinięty przez Organizację Automatyki i Sterowania Maszyn (z j. ang. w skrócie OMAC Organization for Machine Automation and Control Packaging Workgroup) we współpracy z Międzynarodowym Towarzystwem Automatyki (ang. ISA International Society of Automation – Międzynarodowe Stowarzyszenie Automatyzacji) do sterowania maszynami pakującymi.

W dużym uproszczeniu w standardzie PackML podzielono tryby pracy maszyny np. automatyczny, półautomatyczny, ręczny, konfiguracji i zdefiniowano jako uporządkowane zbiory stanów, które charakteryzują daną czynność, przejścia między nimi odbywające się w ustalonej kolejności, a także komend. Przewidziano 17 różnych stanów, które można również określić samodzielnie, dodatkowo stany te zostały podzielone na trzy rodzaje: aktywne, oczekiwania oraz dualne. Inne standardowe stany to np. zatrzymanie, przerwanie zadania, wstrzymanie zadania spowodowane blokadą procesu nadrzędnego, podrzędnego lub decyzją operatora. W standardzie PackML zdefiniowany został także przepływ danych z maszyny i do niej tzw. PackTags, które z kolei podzielono na trzy kategorie zawierające komendy sterujące, informujące o statusie urządzenia oraz dane administracyjne – przeznaczone dla systemów nadrzędnych, warto pamiętać, że nadmiarowość PackTagów dodatkowo komplikują program.

Uzupełnieniem standardu PackML, które znacząco ułatwia jego wdrożenie jest koncepcja swoistej modułowości programowej. Modułowość programowa polega na organizacji kodu w bloki, które odwzorowują strukturę maszyny na zalecanych poziomach organizacyjnych tj. przedsiębiorstwo, zakład, linia produkcyjna, maszyna – czyli jednym zdaniem – zbiór modułów sprzętowych, funkcjonalnych, na które składa się jeden lub kilka modułów sterowania odpowiedzialnych za realizację pojedynczego zadania. Bloki kodu mogą być używane wielokrotnie, zatem pisanie programu czy jego analiza są prostsze. Standard PackML ułatwia przesyłanie i pobieranie, czyli usprawnia komunikację w pobieraniu spójnych danych maszynowych. Pracując z maszyną w standardzie PackML można oczekiwać wspólnego wyglądu, sposobu działania, a także spójnie zdefiniowanych zachowań. Co więcej możliwa jest integracja maszyn i urządzeń, nawet jeśli pochodzą od innych producentów i pracują na różnych systemach sterowania. Co więcej, środowisko pracy jest jednolite zarówno dla operatora linii jak i dla serwisu, ustandaryzowane wejścia i wyjścia danych, skrócenie czasu wdrażania i debugowania. Debugowanie (ang. debbugging), to wyrażanie stosowane do określenia czynności systematycznego redukowania liczby błędów w oprogramowaniu czy też w systemie mikroprocesowym. W procesie debugowania można wyszczególnić kilka ogólnych etapów takich jak: reprodukcja błędu, wyizolowanie źródła wykrytego błędu, zidentyfikowanie przyczyn awarii, wyeliminowanie defektu oraz końcowa weryfikacja powodzenia naprawy.

Co więcej standard PackML znacznie upraszcza proces integracji pomiędzy maszynami, a także pomiędzy linią a systemem MES. System MES (ang. Manufacturing Execution System) to system realizacji produkcji obok systemu APS (ang. Advanced Planning and Scheduling) Planowania i Uruchomienia Produkcji, systemu CPR (Control and Production Registration) Kontroli i Rejestracji Prac, wskaźników OEE Wydajności Maszyn, funkcji QMS (ang. Quality Management System) Kontroli Jakości czy funkcji TPM (ang. Total Productive Maintenance) utrzymania ruchu. Stanowi element całościowego systemu produkcyjnego mającego na celu dostarczanie informacji o całościowym bieżącym postępie prac produkcyjnych z uwzględnieniem istniejącego parku maszynowego. System realizacji produkcji MES to zestaw wbudowanych funkcji, które służą do wydajnego, efektywnego zbierania i gromadzenia informacji w czasie rzeczywistym, pochodzących bezpośrednio z danych stanowisk produkcyjnych oraz transferowanie tych danych na obszar biznesowy – opłacalności produkcji, kosztów itp. Informacja o stanie i realizacji zadań produkcyjnych jest bazową, podstawową informacją mającą fundamentalny wpływ na podejmowanie strategicznych decyzji w zakresie dalszej produkcji, jej opłacalności i strategii biznesowej przedsiębiorstwa, a także wpływu na realizację planów w przyszłości.

Patrząc z perspektywy na całość system taki umożliwia tworzenie kalendarzy i szeroko rozumianą organizację produkcji, pracy maszyn i ludzi, monitorowanie realnych kosztów bieżącego zlecenia produkcyjnego i porównywanie ich np. z dotychczas planowanymi. Kluczowe staje się uzyskanie odpowiedzi na pytania takie jak:

• liczba pracowników pracujących w czasie rzeczywistym nad danym zleceniem,
• bieżące obciążenie stanowisk produkcyjnych,
• wydajność stanowisk produkcyjnych,
• bieżące zużycie materiałów,
• rzeczywisty koszt wytworzenia w porównaniu z technicznym kosztem wytworzenia i dokładnością jego wyliczenia,
• terminowość realizacji bieżących zadań,
• sposób komunikacji systemów produkcyjnych między sobą,
• skala braków,
• czas poświęcony na wprowadzanie powtarzalnych danych w wielu programach,
• wydajność pracy maszyn, urządzeń, pracowników itp.

System MES przychodzi w sukurs realizując profil zadaniowy do którego można zaliczyć następujące czynności: planowanie wielkości produkcji w czasie rzeczywistym na podstawie otrzymanych zleceń/zamówień, tworzenie czytelnych harmonogramów tworzonych po dowolnie wybranych okresach, dopracowane i uszczegółowione wykresy pracy w formie diagramu Gantta w odniesieniu do pracy parku maszynowego, realizacji zleceń, projektów czy całościowo ujętego planu produkcyjnego, integracja z systemem planowania zasobów przedsiębiorstwa ERP – oprogramowania do kompleksowego zarządzania przedsiębiorstwem, integrację z dowolnymi urządzeniami także ze sterownikami PLC, obsługa braków, zwrotów, powodów wstrzymań itp., cyfryzacja danych i dostęp do dokumentacji w wersji elektronicznej, intuicyjna obsługa czy przekrojowe raportowanie wielomodułowe.

Wracając do PackML to z technicznego punktu widzenia jest to protokół strukturyzujący informacje, które zostają udostępniane między urządzeniami do pakowania, liniami pakującymi czy rozwiązaniami stosowanymi do przechowywania danych w chmurze. Ta ostatnia opcja jest powiązana z myślą przewodnią przemysłu 4.0. Ponadto stosując standard PackML możliwe jest połączenie maszyny pakującej ze sterownikiem linii pakującej bądź z systemem SCADA, pod warunkiem, że spełniają one wymogi standardu PackML umożliwiające współpracę maszyn.

PackTag to zestaw ujednoliconych struktur nazewnictwa danych, dzięki takiej standaryzacji możliwe jest łatwe przesyłanie informacji (w ramach danego systemu) pomiędzy urządzeniami produkcyjnymi a urządzeniami kontrolnymi. System SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition) to zaawansowany system zarządzania produkcją. Jako system komputerowy integruje sterowniki PLC, które dostarczają niezbędnych informacji do wizualizacji przebiegu procesów, a także umożliwiają sterowanie tymi procesami. Jest to oprogramowanie stosowane w fabrykach do prowadzenia nadzoru i kontroli nad prowadzonymi w zakładzie procesami technologicznymi, produkcyjnymi pełniąc rolę informatora na temat aktualnego stanu urządzeń objętych nadzorem, umożliwiają sterowanie urządzeniami, uruchamianie, zatrzymywanie, wysyłanie komend celem wykonania czynności typowych dla danego urządzenia. Najczęściej prezentowany jest schemat linii produkcyjnej z naniesionymi nań różnego rodzaju informacjami na temat kontrolowanego procesu jak np. wartość temperatury, wartość ciśnienia, stan zasilania itp. Ponadto z jednego miejsca możliwe jest zaawansowane sterowanie większą liczbą urządzeń dając możliwości komunikacyjne pomiędzy daną maszyną a jej operatorem czy nadzorcą. Umożliwia także alarmowanie i archiwizację danych.

Komponentami systemu SCADA są sprzęt: komputery, PLC/PAC, moduły komunikacyjne; technologia komunikacji: Ethernet, Modbus, OPC itp; oprogramowanie: runtime, inżynieryjne czy drivery komunikacyjne. Algorytm i logika działania wiąże się z zastosowaniem zewnętrznych urządzeń swobodnie programowalnych PLC (ang. Programmable Logic Controller). Systemy SCADA tworzone są na indywidualne potrzeby pozwalając na zdalny monitoring procesu, który może być zastosowany do rozwiązań nieskomplikowanych o niskim poziomie trudności oraz do większych przedsięwzięć, gdzie poziom komplikacji systemu znacząco wzrasta. System SCADA jest szczególnie polecany tym przedsiębiorstwom, które wykorzystują w swojej pracy procesy ciągłe. Dostawcami systemu SCADA są firmy: Siemens, Wonderware, Askom. 

W zakres systemu SCADA najczęściej wchodzą całe instalacje procesowe przemysłu, nie tylko ich fragmenty. Systemy SCADA są stosowane praktycznie w każdej gałęzi przemysłu, a ich rozbudowane funkcje wizualizacji oraz archiwizacji danych pomiarowych umożliwiają sprawne sterowanie niemal każdym procesem, zaś odpowiednio zebrane i przetworzone informacje pozwalają na zapanowanie i kontrolę nad całym układem automatyki operatorom prowadzącym i nadzorującym produkcję. Standaryzacja języka maszyn pakujących umożliwia integrację, współpracę i funkcjonowanie maszyn pakujących w środowisku przemysłowym i w kontekście wykonywanych przez nie zadań. Spójność działania maszyn w procesach produkcyjnych ma fundamentalne znaczenie. Odpowiedni model stanu maszyn definiuje tryby i stany maszyn w ich interfejsie wraz ze wspólną, ustandaryzowaną metodą przesyłania istotnych danych o systemie przy użyciu znaczników PackTag. Znaczniki PackTag są to nazwane elementy danych do wymiany danych między maszynami pakującymi ich zadaniem jest precyzyjne opisanie stanu maszyny w ściśle określonym standardowym formacie. Ponadto znaczniki PackTag mogą poprawić komunikację oraz efektywność linii produkcyjnej. Na przykład firma Ormon proponuje swoim klientom integrację maszyny pakującej ze linią pakującą wykorzystując do tego System Studio PackML, który umożliwia i jednocześnie gwarantuje zachowanie norm jakości komunikacji pomiędzy maszynami, monitoringiem produkcji i konserwacją. Standard PackML posłuży zatem do integracji i funkcjonalnej współpracy w środowisku produkcyjnym, zaś model stanu maszyn definiuje szereg stanów i trybów w interfejsach maszyn. Co więcej standard PackML oferuje ujednoliconą, wspólną metodę przesyłania istotnych danych o systemie przy użyciu wspomnianych znaczników PackTag. Znaczniki PackTag są to nazwane elementy danych do wymiany informacji – danych pomiędzy maszynami pakującymi. Znaczniki te opisują jednocześnie stan takiej maszyny w ściśle określonym, standardowym formacie. Takie rozwiązanie zdecydowanie upraszcza i ułatwia zintegrowanie maszyn między sobą i w środowisku produkcyjnym rozpatrywanym jako całość, a także ułatwia komunikację pomiędzy halą produkcyjną a najwyższym poziomem zarządzania oraz integrację z systemem MES czyli z systemem realizacji produkcji.

Podstawowym celem standardu PackML jest zapewnienie jednolitego wyglądu, stylu, spójności operacyjnej wszystkim elementom – maszynom – tworzącym linię pakowania. Warto dodać, że standard PackML może być używany także do innych rodzajów procesów dyskretnych, czyli uzupełniających się wzajemnie operacji, które są uwarunkowane logicznie w czasie i przestrzeni o zmiennej strukturze i jednocześnie przystosowane do ilościowo – jakościowej charakterystyki wytwarzanych wyrobów, tworzonych z bezpośrednim udziałem człowieka, który w różny sposób ingeruje w proces, zaś doskonalenie i rozwój procesów odbywa się przez ich automatyzację i robotyzację.

PackML zapewnia standardowo zdefiniowane stany maszyny oraz przepływ operacyjny, dane dotyczące kwestii całkowitej efektywności sprzętu (wskaźniki OEE), dane analizy przyczyn źródłowych RCA (Root Cause Analysis), elastyczne schematy procedur oraz wspólne wejścia SCADA bądź MES. Definicje standardu PackML mają przede wszystkim na celu tworzenie bardziej sprawnych maszyn, prostszego ponownego wdrożenia w środowisko produkcyjne. Co więcej, koncepcje standardu PackML znalazły także zastosowanie w środowiskach wspomnianego już sterowania dyskretnego, tj. przetwarzanie i robotyka. Warto dodać, że firma Procter&Gamble opracowała przewodnik wdrażania PackML (PackML Implementation Guide) wraz z szablonem oprogramowania i plikami pomocy, które zaś zostały z kolei udostępnione firmie OMAC między innymi bez opłat licencyjnych. Zawiera implementację i koncepcje hierarchicznego modelu maszyna/jednostka/stacja/moduł wyposażenia, urządzenie sterujące/moduł sterowania. Przewodnik implementacji przekształcania opisu systemu lub programu na obiekt fizyczny np. działający program – zawiera wytyczne dotyczące standardu PackML, struktury danych, a także minimalny zestaw zalecanych PackTagów, a ściślej rzecz ujmując tych, które są zazwyczaj wymagane dla pakietów komercyjnych systemu MES. Wytyczne, które dotyczą samej implementacji zapewniają tym samym metodę dostarczania kontroli stanu, komunikacji w relacji maszyna-maszyna, a także komunikacji w relacji maszyna-informacja. Przewodnik wdrażania standardu PackML jest zorientowany na systemy sterowania Rockwell. Wielu dostawców sterowników, takich jak: Siemens, Bosch, Lenze, Rockwell, Beckhoff opracowało swój własny szablon oprogramowania PackML. 

Standard PackML zapewnia użytkownikom końcowym korzyści w postaci szybkiej integracji maszyn różnego rodzaju w ramach jednej, całej linii, zwiększoną transparentność danych maszynowych celem zwiększenia produktywności oraz elastyczności, sama standaryzacja zaś wspiera projektowanie oraz wdrażanie rozwiązań modułowych pozwalając na obniżenie kosztów inżynieryjnych, szybsze tworzenie dokumentacji. Co więcej usługi powiązane między sobą stają się prostsze w koordynacji, zaś sam standard PackML staje się strategiczny z wielu powodów tj. dobrze rozwinięty system MES oraz intensyfikowanie wdrażania standardu w obszarze produkcji i pakowania celem zapewnienia większej aktywności tych obszarów przemysłu. To także kwestia przebudowywania, tworzenia nowych rozwiązań do komunikacji pomiędzy dostawcami różnych technologii i rozwiązań, które mają na celu poprawę, podniesienie parametrów związanych z pracą, wydajnością maszyn, ich konstrukcją i możliwościami. Organizacja Automatyki i Sterowania Maszyn (OMAC) łączy użytkownika końcowego z producentem, dostawcą automatyki, technologii itp. dzięki tej organizacji dostawcy technologii mają szansę spotkać się celem uzgodnienia przyszłych kierunków rozwoju, a także mogą ściśle współpracować z wiodącymi w branży producentami.

Dzięki usprawnieniu zbierania i dystrybucji danych standard PackML przynosi producentom korzyści zwłaszcza w obszarze urządzeń przeznaczonych do kontroli produktów, które kontrolując jakość tych produktów zapobiegają wycofywaniu ich z obrotu i umożliwiają analizę procesów produkcyjnych. Jednolity protokół komunikacyjny wiąże się z ułatwionym dostęp do danych produkcyjnych, a także eksportowanie danych ze wszystkich urządzeń na linii produkcyjnej. Ponadto możliwość tworzenia własnych znaczników oraz możliwość łatwego włączania ich już do istniejącej struktury PackML zapewnia elastyczność, która jest szczególnie istotna w sytuacjach, gdy urządzenia kontrolujące produkty mogą posiadać dodatkowe dane produkcyjne, które są przydatne i powinny być łatwo dostępne.