|
Komplexní automatizace mísírny surovin
Společnost Ireks Enzyma spol. s r. o., Kroměříž, pro kterou je realizován dále popsaný komplexní automatizační systém mísírny surovin, je potravinářský podnik vyrábějící zlepšující přípravky, směsi a speciální suroviny pro pekárny a cukrárny. V České republice a na Slovensku zaujímá na trhu s těmito výrobky významnou pozici. V roce 1995 postavila moderní výrobní závod v Kroměříži. Tak jak se rozšiřoval sortiment výrobků a byly kladeny stále větší požadavky na výrobu, se firma v roce 2003 rozhodla modernizovat v tomto závodě automatizační systém.
Hlavním požadavkem společnosti Enzyma bylo vytvořit plně integrovaný automatizovaný systém řízení (ASŘ) výroby. Uvedený požadavek zahrnoval propojení řídicího systému mísírny, systému pro správu receptur a dalších funkcí kategorie MES (Manufacturing Execution Systems) s podnikovým informačním systémem Dimenze. Podle zadání vytvořila zvolená dodavatelská firma COMPAS automatizace s. r. o., s využitím své vlastní platformy technologického informačního systému s označením COMES (COMPAS MES řešení), komplexní softwarové řešení, které zajišťuje:
- komunikaci s podnikovým informačním systémem Dimenze,
- komunikaci s inovovaným řídicím systémem vybudovaným na bázi automatizačních komponent od firmy Siemens,
- řízení výroby podle receptur,
- vlastní funkce systému typu MES spočívající v předávání veškerých potřebných informací správným lidem, na správné místo a ve správnou dobu.
Článek stručně zmiňuje nový řídicí systém mísírny a dále se věnuje systému COMES jako řešení pro řídicí úroveň MES s jeho komunikační složkou (databázovou) a složkou pro recepturové řízení výroby (tzv. batch systém).
Prostředky pro realizaci automatického řízení a funkcí MES
V rámci návrhu systému řízení vlastního chodu mísírny surovin bylo třeba zvolit prostředky, které zajistí:
- automatické řízení výrobního zařízení (technologie),
- ovládání a vizualizaci technologie,
- archivaci historických dat,
- řízení výroby podle receptur.
Volba byla v daném případě následující.
K řízení procesu mísení jsou použity standardní prostředky a vývojová prostředí z nabídky firmy Siemens. Řídicí systém je vytvořen na bázi programovatelného automatu Simatic S7-414. Protože se jednalo o modernizaci zastaralého řešení řídicího systému původního dodavatele (ne celé elektroinstalace), byly využity již existující moduly I/O ze systému Simatic S5-115. Nově připojovaná zařízení jsou připojena na vstupy a výstupy systému ET200M.
Celková mohutnost ohledně počtu I/O řídicího systému je takováto:
- 260 digitálních vstupů,
- 350 digitálních výstupů,
- 8 analogových výstupů,
- 6 analogových vstupů (systém Siwarex).
Ovládání a vizualizace jednotlivých procesů jsou řešeny s použitím operátorských panelů OP7 a OP170B firmy Siemens. Tyto prostředky umožňují v provozu sledovat aktuální provozní stavy i modifikovat zadávané výrobní parametry a současně obsahují systém správy hlášení poruch pro detekci a odstraňování poruch v provozu.
Vizualizace chodu celé mísírny a archivace historických dat včetně zobrazování hlášení o poruchách a časových průběhů sledovaných veličin jsou řešeny s použitím vizualizačního systému WinCC (Windows Control Center), který je rovněž produktem firmy Siemens. Systém WinCC patří k nejvýkonnějším v kategorii systémů SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) a skýtá široké možnosti spolupráce s prostředky nadřazených databází, internetem apod.
K řízení výroby podle receptur slouží systém COMES Batch. Je to vlastní produkt firmy COMPAS automatizace a součást jejího firemního řešení COMES. Jedná se o variantu řešení recepturové automatizace pro malé a střední výrobní provozy, jež je vytvořena v programovém prostředí Microsoft Access 2000 nad systémem řízení báze dat Microsoft SQL Server 2000 Personal Edition. Velikost použité verze databázového serveru je sice omezená, ale bude-li to zákazník potřebovat, lze ji bez problémů modernizovat na MS SQL Server 2000 Standard nebo Enterprise.
Co se týče výkonnosti, má řídicí systém dostatečné rezervy pro případné další rozšiřování. Jeho architekturu ukazuje obr. 1.
Úroveň MES
Úroveň MES je v popisovaném ASŘ vytvořena jako zákaznické řešení na základě již zmíněné platformy COMES (dále jen systém COMES – obr. 2). Základem systému COMES jsou standardní prostředky dodávané společností Microsoft. Jako systém řízení báze dat je v daném případě použit produkt Microsoft SQL Server 2000 Personal Edition. Nadstavbová část nad databázovou vrstvou je zpracována v prostředí Microsoft Access 2000, které je v této verzi již plně integrováno s použitým systémem řízení báze dat.
Systém elektronického řízení COMES
Celý ASŘ je vytvořen na bázi dlouhodobého projektu firmy COMPAS automatizace s názvem COMES, který umožňuje průmyslovým podnikům zavést plně elektronický systém řízení výroby, nevyžadující papírové dokumenty. Systém (platforma) COMES využívá standardní produkty světových výrobců v oblasti MES (varianta řešení především vhodná pro velké mezinárodní podniky) i vlastní produkty firmy COMPAS automatizace pro menší a střední provozy, kde je možné řešení zcela přizpůsobit požadavkům zákazníka i konkrétním podmínkám.
Uvedený systém se v případě řešení pro firmu Enzyma skládá ze dvou základních části: z databáze (komunikační části) a ze systému recepturového řízení výroby COMES Batch.
Komunikační část systému COMES je založena na systému řízení báze dat Microsoft SQL Server 2000. Tato základna byla zvolena s přihlédnutím ke skutečnosti, že dosavadní podnikový informační systém firmy Enzyma i mnoha dalších podniků využívá také databázový stroj MS SQL Server 2000. Použití stejné databázové základny pro zákazníka znamená podstatně menší náklady vlastnictví softwaru (správci produkt již znají, a není tudíž nutné speciální školení, údržba může být vykonávána centrálně z jednoho pracoviště správce informačního systému firmy atd.). Dalším podstatným důvodem, který hovoří pro použití produktu MS SQL Server 2000, je jeho vysoký výkon. V současné době se denní zatížení SQL databáze při dvousměnném provozu pohybuje mezi 2 až 2,5 milionu transakcí.
Komunikace COMES s podnikovým informačním systémem
Řídicí úroveň MES a podnikový informační systém spolu komunikují prostřednictvím navzájem propojených databází MS SQL Server obou úrovní. V databázi systému COMES jsou vytvořeny speciální tabulky a uloženy procedury, které umožňují podnikovému informačnímu systému zapsat požadovaná data, s nimiž může systém COMES dále pracovat. Stejný způsob byl zvolen i pro export dat ze systému COMES do podnikové úrovně řízení. V daném případě se tedy nepoužívají žádné textové či XML soubory a oba databázové servery spolu komunikují přímo.
Komunikace s podnikovým informačním systémem zahrnuje:
přenos údajů o požadovaných výrobních šaržích vytvářených z objednávek zákazníků: z informací načtených z podnikového informačního systému vytváří systém COMES, za použití technologického postupu, tzv. mísicí programy, podle kterých potom pracuje recepturový systém COMES Batch; na konci výrobní směny jsou příslušnému modulu informačního systému podniku předány údaje o uskutečněné výrobě,
synchronizaci údajů o surovinách, polotovarech a výrobcích (skladových položkách) mezi systémem COMES a skladovým modulem informačního systému: systém COMES tak získává všechny podstatné informace o skladových položkách a je schopen kontrolovat dostupnost použitých materiálů (např. nepovolí vytvořit technologický postup výroby s použitím materiálu, který není evidován ve skladovém modulu informačního systému podniku). Dále jsou po dokončení výrobní směny informačnímu systému předány veškeré informace o vyrobených produktech a spotřebovaných materiálech – proto není zapotřebí ruční přepisování zmíněných informací z jednoho systému do druhého a je minimalizována možnost chyby při předávání těchto dat.
Komunikace COMES s řídicím systémem technologie
Komunikace systému COMES s řídicím systémem technologie je obousměrná. Zmíněný systém je schopen data z řídicího systému číst i do něj zapisovat (a tím ovlivňovat průběh výroby). Pro komunikaci je použit standard OPC, protože systém WinCC tento standard podporuje (je OPC serverem). Systém COMES se připojuje k systému WinCC jako klient. Tím získá rozhraní, které mu umožňuje komunikovat s řídicím systémem. Tato komunikace zahrnuje:
komunikaci s recepturovým systémem, spočívající ve spouštění jednotlivých fází výrobní procedury uložených v řídicím systému na základě mísicího programu vytvořeného pro jednotlivé výrobní šarže,
synchronizaci údajů ze skladového modulu informačního systému se skutečnými stavy v jednotlivých zásobnících surovin, polotovarů a hotových výrobků,
komunikaci recepturového systému řízení výroby s ovládacími panely jednotlivých výrobních zařízení.
Systém recepturového řízení výroby COMES Batch
Systém řízení výroby podle receptur COMES Batch je modulární. Jeho tři základní moduly nesou názvy:
- Technolog,
- Operátor,
- Display.
První dva z uvedených modulů jsou podrobněji popsány v dalším textu. Úkolem modulu Display je zobrazovat informace získané z podnikového informačního systému a kombinované s informacemi z technologických postupů operátorům, kteří se starají o přesun surovin ze skladu do výroby. Zobrazuje údaje o množstvích surovin potřebných na výrobu jednotlivých výrobních šarží. Pro omezený rozsah článku se jím dále nelze zabývat.
Modul Technolog
Modul Technolog umožňuje technologům nejen vytvářet receptury, ale také je na základě analýzy průběhu výroby upravovat a optimalizovat, a to i za chodu výroby bez ovlivnění postupu výroby již zpracovávaných šarží. Hlavní funkce podporované modulem Technolog jsou:
tvorba a správa receptur (technologických postupů),
manuální vkládání požadavků na výrobu (např. speciální šarže, které připraví zařízení na výrobu dalšího produktu),
sledování aktuálních (real-time) i analýza historických dat vzniklých během výroby, přičemž lze sledovat průběh jednotlivých výrobních šarží v časových souvislostech, včetně historie spotřeby použitých materiálů.
Způsob tvorby a správy receptur v systému COMES je ilustrován na obr. 3. Jak je naznačeno, lze vytvářet nejen jednoduché postupy, které se uskutečňují krok za krokem, ale také technologické postupy obsahující paralelní spouštění fází výroby. Po zadání celého technologického postupu je možné požádat modul Technolog o validaci receptury. Validace znamená, že se program pokusí vytvořit mísicí program a nasimulovat jeho vykonávání řídicím systémem. Je-li vše v pořádku, je receptura uvolněna pro výrobu. Takto jednoduše systém minimalizuje chyby v technologickém postupu, které by jinak mohly zapříčinit znehodnocení výrobní šarže.
Prostřednictvím analýzy historických dat, která je jednou z velmi podstatných vlastností systému COMPAS Batch, lze neustále kontrolovat a zdokonalovat používané výrobní postupy. Modul Technolog zde pracuje s velkým množstvím údajů, které v průběhu své činnosti generuje a do své databáze ukládá modul Operátor. Prostřednictvím okna Prohlížení historie výroby (obr. 4) je možné získat podrobné informace o průběhu jednotlivých fází výrobní procedury, kterými musela výrobní šarže během výroby projít. V databázi jsou zaznamenány časové údaje, údaje o množství vyrobeného produktu i podrobné údaje o použitých materiálech (až na jednotlivé šarže) a veškeré akce, které uskutečnil operátor v průběhu výroby (např. pozastavení fáze apod.).
Zmíněný modul, zejména jeho podpora analýzy historických dat, umožňuje technologům podrobně analyzovat průběh výroby podle jednotlivých výrobních postupů a na základě této analýzy jej upravovat. Přitom cílem je dosáhnout co nejlepších výrobních výsledků. Modul Technolog je možné volně instalovat na pracovní stanice kdekoliv v podniku.
Modul Operátor
Modul Operátor tvoří operátorské rozhraní pro řízení výroby on-line a je jádrem celého systému Batch. Stará se o:
tvorbu mísicích programů pro výrobu šarží podle údajů předaných z informačního systému podniku do úrovně MES,
spouštění a řízení výroby jednotlivých výrobních šarží,
komunikaci s podnikovým informačním systémem (import požadavků na výrobu a export dat z průběhu výroby),
protokolování průběhu výroby.
Dále umožňuje okamžitě korigovat umístění jednotlivých skladových položek v zásobnících, včetně synchronizace s údaji řídicího systému. Rovněž lze, stejně jako s modulem Technolog, prohlížet historická data vzniklá v průběhu výroby.
Protože počet funkcí tohoto modulu je velký a přesahuje rámec tohoto článku, budou v dalších odstavcích popsány pouze dvě jeho základní funkce. Bude to řízení výroby a tvorba výrobních protokolů.
Řízení výroby
Jako většina recepturových systémů pracuje i COMES Batch na principu spouštění fází (kroků) výrobní procedury. Jednotlivé fáze se tedy naprogramují v řídicím systému Simatic S7-414 a poté je jejich rozhraní přeneseno a nakonfigurováno v systému COMES Batch. Systém COMES Batch také zná modely zařízení a spojů (cest) mezi jednotlivými zařízeními. Všechny tyto informace jsou součástí konfigurace systému. Pokud tedy je přidáno nebo odebráno zařízení, není nutné systém COMES Batch programovat – stačí jen změnit konfigurační parametry.
Jak již bylo uvedeno, prvním krokem je vytvoření mísicích programů pro jednotlivé výrobní šarže. Tuto úlohu spustí operátor na začátku každé směny. Po vytvoření mísicích programů operátor spustí výrobu, o jejíž chod se stará systém COMES Batch.
Během výroby může operátor prostřednictvím rozhraní zasahovat do uskutečňování jednotlivých fází a reagovat na požadavky systému Batch (např. dojde-li některá surovina v zásobníku, musí operátor zvolit jiný zásobník, popř. surovinu do zásobníku doplnit). Dále je možné pozastavit chod výroby či vykonávání některé šarže nebo fáze (obr. 5).
Jednou ze zvláštností systému Batch je jeho schopnost reagovat na povely z ovládacích panelů umístěných přímo na jednotlivých zařízeních. Některá zařízení lze ovládat z ovládacího panelu téměř ve stejné míře jako z rozhraní systému Batch (je možné pozastavit nebo ukončit fázi, měnit parametry navažovaných materiálů apod.).
Systém Batch je vytvořen tak, aby umožnil na maximum využívat výrobní zařízení: např. v případě, kdy některá z šarží uvolní váhy a začne se mísit v mísiči, jsou automaticky spuštěny fáze navažování další šarže čekající ve frontě. Dále podporuje paralelní provádění fází výroby, takže je-li např. v technologickém postupu uvedeno, že systém bude vážit na třech vahách, bude vážení spuštěno paralelně, a to opět z důvodu maximálního využití výrobního zařízení.
Tvorba protokolů
Tvorba protokolů je jednou z nejdůležitějších funkcí, které systém COMES Batch zajišťuje. Veškeré protokoly v systému jsou vytvořeny podle požadavků zákazníka a jsou mu takřka „ušity na míru„. Prostřednictvím jednotlivých protokolů lze zobrazit a vytisknout téměř všechny údaje, které COMES Batch ukládá do své databáze. Některé protokoly jsou také přenášeny do podnikového informačního systému, kde jsou podle nich aktualizovány stavy jednotlivých skladových položek či stavy objednávek zákazníků.
Vizualizace chodu mísírny ve WinCC
Jak již bylo uvedeno, jsou vizualizace chodu celé mísírny a archivace historických dat, včetně zobrazování hlášení o poruchách a časových průběhů sledovaných veličin, řešeny na úrovni řídicího systému s použitím vizualizačního systému WinCC. Ve WinCC jsou podrobně zobrazena všechna technologická zařízení (zásobníky, ventily atd.), včetně barevné signalizace jejich stavu (klid/chod/blokování/porucha). Kterékoliv zařízení lze přepnout do ručního režimu, v němž ho lze ovládat ze zobrazení v systému WinCC. Možnost přístupu osob do systému a úrovně jejich oprávnění k zásahům do jeho řízení jsou dány uživatelskými jmény a hesly.
Systém WinCC zobrazuje a zaznamenává tyto typy hlášení o průběhu navažování:
porucha, tj. hlášení o poruše, které je třeba potvrdit,
varování, tj. varovné hlášení o nějakém nestandardním, výjimečném jevu, které je třeba potvrdit,
zásahy operátora jako zvláštní typ hlášení, neboť systém WinCC archivuje veškeré zásahy do procesu uskutečněné operátorem (seznam zásahů s udáním času, osoby přihlášené do systému WinCC a popisem zásahu lze zobrazit v reálném čase).
Vedle uvedených hlášení se v průběhu dávkování zaznamenávají také časové průběhy vybraných veličin (rychlost dávkování, průběh hmotnosti navažovaných surovin atd.).
Několik příkladů zobrazení poskytovaných systémem WinCC je na obr. 6, obr. 7 a obr. 8.
Podpora zákazníka
Celý ASŘ – řídicí část Simatic S7-414 a WinCC i systém COMES – je možné dálkově spravovat prostřednictvím softwaru PC Anywhere od firmy Symantec. S jeho pomocí se pracovníci firmy COMPAS automatizace mohou kdykoliv připojit přímo do řídicího systému a pomoci obsluze řešit některé složité situace, popř. upravovat funkce systému.
V případě jakýchkoliv problémů s dodaným ASŘ mají pracovníci společnosti Enzyma ve firmě COMPAS automatizace k dispozici nepřetržitě, tj. 24 hodin denně po sedm dní v týdnu, servisní linku (hot-line).
Archivace dat
Přeje-li si to zákazník, může modul Operátor systému Batch zálohovat systém řízení báze dat systému COMES. Zálohování je možné nakonfigurovat takovým způsobem, že program po vytvoření zálohy databáze vytvořený záložní soubor zkomprimuje a přesune na zvolený server kdekoliv v počítačové síti společnosti Enzyma.
Závěr
Hlavním cílem popsaného projektu ASŘ mísírny bylo nejen vytvořit kvalitní automatizační systém včetně nadstavbové úrovně MES, ale především vyloučit veškeré předávání údajů mezi podnikovým informačním systémem a systémem řízení výroby v tzv. papírové formě. „Bezpapírová“ (elektronická) forma předávaných dat nejenže je několikanásobně rychlejší, ale zejména zabraňuje vzniku informačních šumů, nebo dokonce ztráty dat vedoucí k chybám a ekonomickým ztrátám ve výrobě. Popsaný projekt je příkladem řešení firmy COMPAS automatizace umožňujících uživatelům automatizačních systémů uskutečnit vizi plně elektronicky řízené výroby bez papírových dokumentů.
V současné době pracuje firma COMPAS automatizace na webovém řešení celého systému COMES. Tento nový, zdokonalený systém by měl umožnit všem pracovníkům uživatele získávat potřebné informace kdekoliv a kdykoliv a tím výrazně zefektivnit jejich práci.
Souhrnně lze říci, že hlavním úkolem zde představeného řešení na úrovni MES od firmy COMPAS automatizace je sbírat data ze všech dostupných zdrojů, z těchto dat získávat prostřednictvím vhodných agregačních nástrojů skutečné informace a tyto předávat správným lidem, na správné místo a zejména ve správné době tak, aby se mohli správně rozhodovat ve prospěch svého podnikání.
Ing. Jaromír Bořil,
Ing. Antonín Prokop,
COMPAS automatizace s. r. o.
|