Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Řešení Siemens pro procesní laboratoře

Při pohledu na inovační cykly výrobků, které se v posledních desetiletích velmi podstatně zkrátily, je patrné, že právě podniky působící v oblasti spojitých procesů (chemický, petrochemický, farmaceutický průmysl apod.) musí vynakládat značné úsilí na výzkum a vývoj, aby obstály v proměnlivém globálním tržním prostředí. Za této situace roste význam funkční spolehlivosti, kvality a užitných vlastností vyráběných produktů – a to při rostoucím tlaku na ceny. Pro vývoj nových postupů v průmyslu spojitých procesů je nezbytné vybavit laboratoře sestavami nejrozmanitějších nástrojů, analytických přístrojů a vah. S využitím takovýchto sestav jsou získávány informace potřebné pro popis dané syntézy a pro její optimalizaci. Vybavení laboratoří musí být flexibilní, aby bylo možné řešit široké spektrum úloh při řízení a dohledu. I v laboratorním prostředí je stále důležitější optimalizace nákladů a růst efektivnosti. Podstatná je i otázka bezpečnosti a ochrany personálu i vybavení laboratoře. Proto je důležité používat přesně cílená technická řešení. Společnost Siemens nyní přichází s novým produktem Simatic PCS 7 Lab, jenž byl navržen právě pro laboratoře.
 

Získávat informace efektivně

Efektivní získávání reprodukovatelných informací o procesech je prubířským kamenem vývoje a optimalizace postupů (obr. 1). Běžnou praxí je, že se v procesní laboratoři uskutečňuje mnoho experimentů náročných na čas i personál, aby byla nalezena taková konfigurace prověřované chemické reakce s vhodnými katalyzátory, která povede k nejlepším výsledkům (obr. 2). Všeobecně známým příkladem uvedeného postupu je vývoj Haberovy-Boschovy syntézy [1] pro technickou výrobu amoniaku ve velkém rozsahu. Mnoho sérií pokusů poskytlo údaje, které vedly k nalezení podmínek, za nichž je výtěžnost výroby optimální (viz rámeček).
Získávání informací je velmi náročné, neboť pracovníci laboratoře musí často odečítat hodnoty zkoušeného procesu a ručně je vkládat do systému zpracování dat. Tento pracný postup může vést k mnoha chybám. Moderní technika řízení procesů dokáže výzkumnou práci účinně usnadnit v několika směrech:
  • umožní reprodukovatelnost sérií provedených zkoušek,
  • výrazně zlepší kvalitu výsledků.
  • zkrátí potřebné doby, a podstatně tak urychlí zavedení výrobku na trh.
Automatické systémy pro procesní laboratoře však podléhají zvláštním požadavkům,“ vysvětluje Miguel-Angel Fernandez, vedoucí Competence Center Chemie společnosti Siemens. „Automatizační systém musí být tak jednoduchý a flexibilní, aby takové operace, jako je například přidání jednoho dodatečného měřicího místa nebo změna ve stávající konfiguraci, mohly být prováděny pracovníky, kteří k tomu nejsou speciálně vyškoleni.“ A navíc musí být systém vybaven tak, aby bylo možné předávat získané výsledky ve formě vhodné k dalšímu využití.
 

Přizpůsobené řešení

Právě pro splnění požadavků laboratoří nabízí Siemens nový produkt Simatic PCS 7 Lab (obr. 3). Tento systém je založen na osvědčených standardních komponentách produktů řady Simatic. Decentralizované a modulární uspořádání ve stabilní skříni dovoluje flexibilní použití na různých místech. Integrovaný řídicí systém se stará o bezpečnost a spolehlivé ovládání, alarmová hlášení a kompletní protokolování událostí. To vede k výraznému zlepšení rentability a kvality při vývoji postupů.
Přístroj Simatic PCS 7 Lab usnadňuje návrh řešení pro procesní laboratoř i optimalizaci postupů. Zařízení doplňuje nabídku firmy Siemens pro laboratoře, zahrnující také nový mikroprocesorový systém Siprocess [2], který pracuje s PCS 7 a je určen pro automatizované vyhodnocování mikroreakcí kapalných komponent. Uživatelům se tak otevírají nové možnosti, protože metody automatizace laboratoře se zdokonalují současně s výrobními zařízeními. Pro servis a skladování náhradních dílů je výhodné používat v laboratoři systémy jednoho výrobce.
Jádrem systému Simatic PCS 7 Lab je stanice pro zpracování dat založená na jednotce Simatic PCS 7 Box. V jednom kompaktním přístroji jsou sdruženy funkce pro automatizaci, obsluhu a sledování a rovněž pro inženýrink. Přístroj jako plnoprávný člen skupiny Simatic PCS 7 pracuje se standardním systémovým softwarem, který je škálovatelný a rozšiřitelný. Výsledky tak mohou být bez problémů dále používány v reálných technických nebo výrobních zařízeních. Tuto zpracovatelskou stanici lze provozovat jak samostatně, tak i jako součást většího řídicího celku, takže laboratoře mohou být v případě potřeby bez problému integrovány do celkového technického automatizačního řešení podniku.
 

Flexibilní a přizpůsobitelný

Simatic PCS 7 Lab poskytuje ve vstupní a výstupní stanici velký počet již nakonfigurovaných I/O kanálů (analogových a binárních) a rovněž sériová rozhraní, např. k připojení laboratorních vah. Zásuvné připojení jednotlivých I/O kanálů podstatně zjednodušuje sestavení laboratorní aparatury. Nabízená standardní konfigurace může být s využitím modulů vstupů a výstupů řady ET 200M modifikována podle požadavků uživatele. Pro projektování systému jsou k dispozici hotové návrhy řešení, tzv. Equipment Modul Templates, pro nejdůležitější postupy v laboratoři obvyklé (např. dávkování, temperování, inertizace a mnoho dalších). Opakované použití osvědčených řešení jednak zkracuje dobu potřebnou na vývoj laboratorní úlohy a jednak zvyšuje kvalitu, protože vyvinutá řešení mohou být v průběhu experimentování upřesňována.
 

Spolehlivý a bezpečný

Automatizovaný provoz a integrované protokolování parametrů zajišťují reprodukovatelnost zkoušek a verifikaci výsledků. Získané výsledky mohou být exportovány a dále zpracovávány speciálními softwarovými prostředky.
Hlídání navržených mezních hodnot a spolehlivá signalizace jejich překročení nebo i jiných nepředpokládaných situací výrazně zvyšují produktivitu laboratoře. Kontinuálně vedené pokusy je možné uskutečňovat trvale po sedm dnů v týdnu – a to i bez přítomnosti techniků sledujících průběh, protože automatizovaný systém umožňuje sledování a zásahy také na dálku – např. prostřednictvím webových technologií.
 

Shrnutí

Efektivní výzkum a vývoj procesních postupů a přenositelnost řešení příznivě ovlivňují hospodářské výsledky podniku. Systém Simatic PCS 7 Lab rozšiřuje možnosti podniku v oblasti vývoje procesních postupů, a přináší tak synergické efekty při použití řídicí techniky. V rámci koncepce plně integrované automatizace (TIA) poskytuje společnost Siemens ucelenou nabídku navzájem sladěných výrobků, systémů a řešení pro průmysl spojitých procesů – od nejnižší úrovně, přes úroveň řízení výroby až po připojení k úrovni ERP, a to pro všechny fáze životního cyklu výrobku. Tato moderní automatizační technika vede k optimálním nákladům po celý cyklus života přístrojů (snižování zásob náhradních dílů, optimální servis apod.). Vedle jistoty správných výpočtů získají uživatelé i dlouhodobé zajištění investice, což jim pomůže obstát v globálním konkurenčním prostředí.
 
Dipl.-Ing. Martina Walter,
Siemens AG
 
Odkazy na internet:
 
Obr. 1. Aby bylo možné přenést syntézu látky z laboratoře na výrobní úroveň, musí být uskutečněno mnoho pokusů vedoucích k nalezení nejvhodnější konfigurace
Obr. 2. Četné pokusy jsou zdrojem informací – získané údaje jsou dále zpracovávány vždy nejvhodnějším nástrojem, např. s využitím MS Excel
Obr. 3. Optimálně upravený systém řízení procesů Simatic PCS 7 Lab účinně podporuje vývoj technických postupů
 

Postup Haberovy-Boschovy syntézy
Plyn amoniak se vzorcem NH3 je v chemii důležitým meziproduktem, např. pro výrobu hnojiv. Haberův-Boschův postup byl vyvinut mezi roky 1905 a 1913 německým chemikem Fritzem Haberem (1868–1934) a inženýrem Carlem Boschem (1874–1940). Amoniak se při tomto postupu vyrábí z dusíku a vodíku podle této reakční rovnice:
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
dusík+vodík ↔ amoniak
 
Haber a Bosch došli během mnohaletých pokusů k závěru, že při této rovnovážné reakci mezi dusíkem a vodíkem je vytvářeno největší množství amoniaku za těchto podmínek:
  • při teplotě 500 °C,
  • za velmi vysokého tlaku: 45 MPa,
  • při použití katalyzátoru k urychlení reakce.
Při velmi vysokých tlacích se rovnováha posunuje a výtěžek se zvětšuje. Vysoké teploty však podle Le Chatelierova principu opět výtěžek zmenšují. Proto byla zvolena střední cesta a použití katalyzátorů, které rychlost reakce zvyšují. Teprve když nastanou všechny tři reakční podmínky současně, je výtěžek amoniaku optimální.