Nowe aspekty w automatyzacji pakowania w branży spożywczej

Ryszard Kiernicki, MULTIVAC

Procesy i urządzenia pakujące w zastoso-waniach przemysłu spożywczego stają się w coraz większym stopniu kompleksowe. Powstają coraz bardziej rozbudowane linie składające się z wielu elementów (urządzeń) niezbędnych do zautomatyzowania procesu produkcji i pakowania. Całkowita integracja wszystkich elementów od porcjowania do „wyjścia” zapakowanego i skontrolowanego produktu w kartonie i na palecie wymaga profesjonalnego zarządzania całą linią i integracją wszystkich elementów składowych.

Procesy i urządzenia pakujące w zastosowaniach przemysłu spożywczego stają się w coraz większym stopniu kompleksowe. Powstają coraz bardziej rozbudowane linie składające się z wielu elementów (urządzeń) niezbędnych do zautomatyzowania procesu produkcji i pakowania. Całkowita integracja wszystkich elementów od porcjowania do „wyjścia” zapakowanego i skontrolowanego produktu w kartonie i na palecie wymaga profesjonalnego zarządzania całą linią i integracją wszystkich elementów składowych.
Na początku jest produkt, który ma trafić od producenta do konsumenta. Aby dotarł on tam bezpiecznie, zgodnie z przeznaczeniem i w dobrej jakości musi być też odpowiednio jakościowo zapakowany.
Szczególnie istotne jest to w przypadku pakowania próżniowego i pakowania w atmosferze gazów ochronnych MAP.
Dlatego biorąc pod uwagę ten aspekt, punktem wyjściowym dla zastosowania odpowiedniego rozwiązania pakowania nie może być linia pakująca czy pojedyncza maszyna pakująca, lecz produkt, który ma być zapakowany. Jego specyficzne wymagania muszą wyznaczać kierunek, w którym pójdzie rozwiązanie. Tylko wtedy może być ono właściwie dobrane.
Przy tak właśnie odpowiednio dobranym rozwiązaniu, z reguły w jednej linii pakującej należy umieścić wiele różnych modułów. Rozumie się tutaj zarówno systemy doprowadzające, jak i same maszyny pakujące z urządzeniami ważącymi i kontrolnymi, kończąc na automatach odprowadzających, systemach inspekcji „end-of” i systemach znakujących. Nie można pominąć przygotowania logistycznego mając na myśli kartonowanie, paletyzację i etykietowanie końcowe. Samo to wyliczenie pozwala zrozumieć, jak wiele elementów musi współgrać ze sobą. Bezawaryjne współdziałanie pod centralną kontrolą sprawnego sterowania i poprzez ujednolicony panel obsługi jest tutaj nieodzowne. Dlatego użytkownicy powinni uwzględnić te pojedyncze elementy oraz traktować je jako nieodzowną całość i domagać się kompleksowych rozwiązań.
Rewolucja automatyzacyjna szybko wkracza na te obszary przemysłu spożywczego, które do niedawna nie miały tego rodzaju rozbudowanych wymagań. Mamy na myśli przemysł mięsny oraz mleczarski (produkcja serów i twarogów), gdzie większość produktów pakowanych jest próżniowo lub w MAP.
Zwiększenie wydajności linii i tempa pakowania produktów przy jednoczesnym zmniejszaniu i standaryzacji wagi porcji handlowych, jednoznaczne ukierunkowanie na wysokie wymagania higieniczne sprawiło, że coraz więcej czołowych producentów branży mięsnej i mleczarskiej decyduje się na rozwiązania kompleksowo zautomatyzowane, zwiększające tempo produkcji przy pełnej kontroli i wyeliminowaniu generujących straty błędów, które mogą powstać przy udziale czynnika ludzkiego.
Najlepszym tego przykładem jest pakowanie wyrobów plastrowanych, czy parówek.
Proces pakowania można zautomatyzować, automatyzując i koordynując jego poszczególne elementy pracujące w układzie linii technologicznej. Pierwszym elementem jest doprowadzenie pakowanego produktu, krojenie i porcjowanie oraz automatyczne nakładanie w gniazda opakowań maszyny pakującej (termoformujące maszyny rolowe lub traysealery). Służą temu wielogłowicowe naważarki wagowe oraz automatyczne krajalnice wykorzystujące przenośniki taśmowe, czy moduły manipulacyjne – roboty. Po zapakowaniu, gotowe opakowania z produktem w środku należy „online” przekazać do następnych procesów częściowych, takich jak kontrola masy i zanieczyszczeń, ważenie i etykietowanie, kartonowanie, paletyzowanie itp. Procesy te obsługują różne maszyny, czy moduły zestawione w jedną linię technologiczną. Procesy te podlegają też automatyzacji w sposób skoordynowany i synchroniczny dla całej linii produkcyjnej. Wydawać by się mogło, że przeniesienie elementów automatyki i robotyzacji z przemysłu technicznego do branży spożywczej będzie bardzo proste i „automatyczne”. Nic bardziej mylnego. Przemysł spożywczy, a w szczególności mięsny i mleczarski oraz ich produkty mają szczególną specyfikę, w której nie będą mogły się odnaleźć roboty, czy rozwiązania konstrukcyjne przeniesione wprost z przemysłu technicznego. Dotyczy to wysokich standardów higieny (hygienic design), agresywnego środowiska pracy (wilgoć, środki myjące) oraz wysokich wymagań dotyczących bezpośredniego kontaktu z produktem spożywczym.
Należało wykonać ogromne prace badawczo-rozwojowe dotyczące konstrukcji, budowy i technologii tego rodzaju maszyn. Przykładem są ostatnie rozwiązania firmy Multivac Sepp Haggenmueller, największego producenta maszyn do pakowania próżniowego, dotyczące automatyzacji procesów związanych z pakowaniem w bezpośrednim otoczeniu maszyny pakującej.
Opracowano zupełnie nowy typoszereg modułów do obsługi. Moduły realizują zadania mogące przebiegać w trybie automatycznym w kooperacji z maszynami pakującymi (maszyny rolowe, traysealery). Moduły, składające się ze szkieletu, robota i sterowania są zgodne z higienicznym designem nowej generacji maszyn rolowych Multivac (rys. 1).
Moduły do obsługi produktów i opakowań wykorzystują jako element roboczy dwu-, trzy- i czteroosiowe roboty, również nowej konstrukcji Multivac. Mają wymienne układy chwytaków, co zapewnia niezwykle wysoki stopień uniwersalności i umożliwia dopasowanie do najróżniejszych produktów i opakowań. Moduły te można stosować do najróżniejszych zadań: od automatycznego nakładania produktów do wytłoczek, jak i do sortowania niewłaściwych opakowań, poprzez stosowanie jako podajników do liniowania opakowań, urządzenia do obracania lub szeregowania gotowych opakowań, aż do kartonowania. Opakowania można również odkładać bezpośrednio na wagę lub taśmy ważące – rozwiązanie zajmujące bardzo mało miejsca w stosunku do konwencjonalnych rozwiązań szeregowania opakowań.
Opatentowany szkielet ze stali szlachetnej, zgodny z normami FDA, został zbudowany w każdym szczególe pod kątem zachowania higieny i umożliwia mycie na mokro całej jednostki konstrukcyjnej. Otwarty, łatwo dostępny profil ramy wykonany jest bez żadnych wcięć czy wewnętrznych rogów i jest łatwy w myciu. Konstrukcja zajmująca mało miejsca, higieniczne wykonanie ze stali szlachetnej pozwala – jeśli takie jest życzenie – na zastosowanie nawet w najbardziej surowych warunkach przemysłu spożywczego (klasa ochrony IP 67). Dzięki swojej kratowej konstrukcji z połączeniami na spawy, wszystkie powstające siły są idealnie rozkładane, co nadaje całemu szkieletowi dużą stabilność przy względnie niskim zużyciu materiału. Również jednostki wykonawcze – roboty zaprojektowane są w zupełnie odmienny do przemysłowych sposób: higieniczna konstrukcja, tytanowe nie pylące ramiona, nowego rodzaju wymienne chwytaki.
 W przypadku szybkich i wysoko zautomatyzowanych linii pakujących bardzo ważny jest proces jednostkowania (liniowania) opakowań i transportu ich online do poszczególnych składników linii. Tego rodzaju procesy jednostkowania można ekonomicznie zautomatyzować dzięki modułowi H 050 lub H100. Nowy moduł H 050 czy H100 (rys. 2 i 3) stosowany jest na wylocie maszyny pakującej. Moduł pozwala zarówno na wyodrębnienie kompletnych cykli, jak i na wyodrębnienie pojedynczych „niewłaściwych opakowań”. Ponadto moduł H 050 umieszcza opakowanie szybko i precyzyjnie w żądanej pozycji. Składa się z 2-osiowej jednostki roboczej, sterowania i panela. Jednostka robocza dzięki silnikom linearnym umieszcza nawet 2-kg opakowania szybko i precyzyjnie w żądane miejsce. Do tego wyposażona jest w chwytak przyssawkowy do pobierania całego rzędu. Zamknięty profil ramy zapewnia optymalne odprowadzanie naprężeń. Szerokie otwory serwisowe ułatwiają dostęp do wnętrza. Moduł ma własne sterowanie, którego graficzna obsługa następuje na terminalu maszyny pakującej Multivac.
Do bezpośredniego nakładania produktu, czy umieszczania opakowań w pojemnikach czy kartonach mają zastosowanie moduły obsługi Multivac H130 z trzy i czteroosiowymi robotami działającymi w układzie „pick & place” (rys. 4 i 5). Szczególnym wyzwaniem było zadanie opracowania nowego rodzaju chwytaków odpowiednich i skutecznych dla tak wymagających produktów, jak np. steki i elementy ze świeżego mięsa, plastry łososia, wędlin czy sera, krokiety, produkty mączne lub kostki twarogu.
Miękkie i giętkie produkty w branży żywnościowej, takie jak steki, łosoś czy świeża pizza stawiają wysokie wymagania w zautomatyzowanym procesie pakowania. Ze względu na niestabilność jest bardzo trudno zautomatyzować proces ich przemieszczania czy podawania, tak więc do chwili obecnej umieszczało się je ręcznie w opakowaniu. Multivac opracował jednak system chwytaków, który pozwala na delikatne podejmowanie ich bez uszkadzania. Po raz pierwszy udało się stworzyć w pełni zautomatyzowane podawanie takich produktów, co znacznie zredukowało koszty przy spełnieniu jednocześnie ist-
niejących standardów dotyczących higieny.
Zapakowane mięso i wędliny, plasterki sera czy dania mączne to produkty powszechnie spotykane w branży spożywczej. Przy tym coraz większym zainteresowaniem cieszą się wśród coraz liczniejszych małych gospodarstw domowych małe i bardzo małe porcje, które przy tym charakteryzować się powinny rozsądną ceną. Prowadzi to do ostrej konkurencji między producentami, co oznacza, że wysoki stopień automatyzacji pakowania tego rodzaju produktów jest kwestią gospodarczego „być albo nie być”.
Jednak całkowita automatyzacja procesu pakowania tego typu „giętkich” produktów jest bardzo trudna do osiągnięcia. Można sobie wyobrazić skalę problemu, jeśli przyjmiemy, że chcemy umieścić stek lub produkt mączny w „rękach” robota, zwykle sterowanych mechanicznie lub pneumatycznie. Wprawdzie takie „ręce” (chwytaki) potrafią prawie w 100% bezpiecznie zapakować świeże jaja, ale z takim miękkim produktem mają problemy.
Kiedy takie produkty chce się gdzieś umieścić, to zawsze spadną nie tam, gdzie ich miejsce. Albo bardziej fachowo: „Poprzez przyłożenie sił i momentów w takich miękkich elementach dochodzi do dużych odkształceń i zmian. Często odkształcenia takiego nie można ani zdefiniować ani przewidzieć”.
Należało wyposażyć chwytak w takie siły uchwytu, na które z jednej strony wpływ miałaby masa danego produktu, a z drugiej strony dynamika drogi, którą miałby ten chwytak przebyć. Z kolei należałoby wykluczyć zjawisko uszkodzenia produktu przez te siły. I na końcu proces chwytania i pakowania musiałby zgadzać się z taktami obecnych linii pakujących, aby można było uzyskać ekonomiczne rozwiązanie całego pomysłu.
W zasadzie istnieje nieograniczona ilość zasad fizycznych mających zastosowanie w automatycznych systemach chwytających. Począwszy od mechanicznego przemieszczenia, podczas którego siły chwytania działają w sposób pośredni poprzez zamknięcia kształtowe – przykładem mogą tu być chwytaki szczękowe, igłowe i inne – poprzez przemieszczania bezpośrednie, gdzie siły uchwytu powstają poprzez próżnię, również przez przemieszczanie na zasadzie przyczepności, gdzie siły uchwytu wytwarzane są na zasadzie przyczepności cząsteczek płynów, a skończywszy na umieszczaniu bezdotykowym.
Jednak te procesy w przypadku produktów miękkich nie zdają egzaminu. Albo niszczą one strukturę bądź powierzchnię produktu, albo pozostawiają resztki – jak w przypadku przyczepności cząsteczek płynów, co naturalnie w przypadku żywności jest absolutnie niedopuszczalne. Często nie nadają się one dla takich produktów, jak steki czy sznycle ze względu na siłę chwytu, jak na przykład chwytak poduszkowy.
Stosowana standardowo w branży spożywczej technika zasysania jest trudna do użycia w przypadku miękkich produktów. Jeśli przykładowo zasysamy sznycel, to nie tylko deformuje się on, ale i oddzielane są i zasysane kawałki produktu, co nie tylko powoduje uszkodzenie produktu, ale i narusza zasady higieny żywności, co jest akurat nie do przyjęcia.
Postępem mógłby być chwytak produktu od dołu. Taka technologia jest wprawdzie możliwa w branży spożywczej, ale w wielu przypadkach przysparza sporych problemów, ponieważ powstające w takim procesie tarcia powodują pękanie chwytanych w ten sposób produktów lub innego rodzaju uszkodzenia. Poszukuje się więc takiego rozwiązania, które wyeliminowałoby tarcie. I tak właśnie skonstruowany został podchwytak firmy Multivac (rys. 6). Nowy system potrafi przenosić steki, łososia, pizzę i podobne produkty prawie jak w rękach, ale w sposób zautomatyzowany. Przez zastosowanie tego systemu unika się tarcia, produkt jest delikatnie traktowany i zachowuje swój kształt. Dzięki własnej nowej konstrukcji w trakcie każdego ruchu podchwytaka unika się niepotrzebnego tarcia.
Rozwiązanie to rewolucjonizuje automatyczne przetwarzanie produktów miękkich i otwiera producentom żywności pakowa-nej nowe możliwości tworzenia linii pakujących, z jednej strony uwzględniających standardy higieny, z drugiej strony ograniczających powstawanie odrzutów, co w końcu przekłada się na większe oszczędności.
Nowoczesne, w pełni zautomatyzowane linie pakujące składają się nie tylko z samych maszyn pakujących, ale poza tym mają w swoim składzie przeróżne moduły robocze, wagi i urządzenia kontrolne, taśmociągi, kartoniarki itd. Każda powinna mieć wydajny system kontrolny, funkcjonujący jako czujne oko, funkcjonujący perfekcyjnie nawet przy dużej prędkości roboczej. W nowoczesnych liniach pakujących pomiary dokonywane są m.in. przez systemy sporządzania i analizy zdjęć. Przykładem jest opracowany przez firmę Multivac system MVS (Multivac Vision System), który można zastosować zarówno do sterowania robotami, jak i do kontroli jakości.
MVS to system przewidziany zarówno do optycznego rozpoznania obiektu, jak i do kontroli jakości. Rozpoznanie obiektu to z jednej strony rozpoznanie miejsca i ułożenia obiektu, z drugiej strony jego klasyfikacja pod względem wzoru, koloru, powierzchni i umiejscowienia.
Kontrola jakości obejmuje stwierdzenie, czy opakowanie w ogóle jest i czy jest kompletne lub ewentualnie kompletnie napełnione. Następnie system MVS może sprawdzić, czy materiał wypełniający lub etykietka itp. są na właściwym miejscu i czy pozostałe indywidualne elementy opakowania są obecne lub są we właściwym kształcie.
Typowym zastosowaniem MVS w systemach roboczych „pick & place” jest przekazanie pozycji i umiejscowienia obiektów, które mają zostać przeniesione i przesłanie tych danych do sterowania robota „pick & place”. Obojętne, czy chodzi o umieszczenie produktu w tacce, czy o kartonowanie: system wizyjny podaje wiarygodne informacje do sterowania robotem, tak, że produkty, nawet jeśli ich struktura i wymiary różnią się, mogą zostać precyzyjnie usytuowane.
Kolejnym ważnym obszarem zastosowania MVS jest kontrola końcowa opakowań. Opakowania są sprawdzane pod kątem, czy zawartość jest kompletna, czy opis jest właściwy i czy umiejscowienie etykietki albo drukowanego bezpośrednio na folii kodu kreskowego jest prawidłowe. Wszystkie opakowania, które nie mieszczą się w obszarze tolerancji są wychwytywane i odrzucane.
Całym systemem zarządza nadrzędna jednostka Multivac Line Control sterująca automatyzacją całej linii produkcyjnej.
Automatyzacja linii pakujących w przemyśle spożywczym w Polsce na pewno nie jest chwilowym i przemijającym trendem. Jest koniecznością wynikającą z rozwoju produkcji tej branży w kontekście zwiększających się zamówień sieci sprzedaży samoobsługowej, eksportu, wysokich wymagań jakościowych odbiorców i konsumentów oraz naturalnej konkurencji rynkowej wymuszającej obniżanie kosztów produkcji.