Aktuální vydání

celé číslo

10

2019

Automatizace v chemii a petrochemii

Hladinoměry

celé číslo

Plně integrovaná automatizace Siemens v potravinářské výrobě

V průmyslových odvětvích s šaržovými výrobními postupy, jako je potravinářství, farmacie a kosmetika, nabývá na významu kvalita automatizace výrobních procesů. Výsledkem úspěšného zavedení komplexního automatického systému řízení jsou zde nejen zvýšení produktivity výroby, ale také splnění požadavků na jakost, která musí v současné době vyhovovat aktuálním předpisům EU na ochranu spotřebitelů.
 

Úvod

 
Plně integrovaná automatizace na bázi komponent firmy Siemens a výrobního informačního systému Comes jsou základem mnoha projektů modernizace nebo výstavby nových výrobních linek. Příkladem je projekt realizovaný v předním světovém potravinářském koncernu. Projekt zahrnoval rekonstrukci systému automatizace výroby čokoládových hmot a integraci dalších, dosud samostatných technologických celků do jednotného řízení. Zákazník zvolil řešení navržené společností Compas Automatizace ze Žďáru nad Sázavou.
 
Požadoval, aby mu systém přinesl zvýšení produktivity, jakosti, bezpečnosti a zlepšení dokumentace výroby. Podle těchto kritérií byly specifikovány požadavky, kterým má vyhovovat automatický systém řízení (ASŘ) výroby. Tyto požadavky jsou uvedeny v tab. 1 a beze zbytku je umožňuje splnit vertikálně integrovaná architektura, která je na úrovni automatizace řešena pomocí řídicího systému Simatic S7 řady 400 s vizualizací WinCC. Na úrovni výrobního informačního systému je použit systém Comes s moduly:
  • Comes Batch pro šaržové řízení výroby, správu technologických předpisů a vytváření záznamů o šarži,
  • Comes Historian pro záznam provozních dat a hlášení,
  • Comes Modeller pro vytváření a zobrazení výrobních protokolů.
 

Stručný popis výrobního postupu

 

Výroba čokoládové hmoty

Linka na výrobu čokoládové hmoty se skládá ze tří částí – zásobníků surovin a jejich dávkovacích zařízení, válcovacího zařízení a hnětacího zařízení (konže) čokoládové hmoty, jak ukazuje přehledová vizualizace na obr. 1.
 
Do zásobníků velkého objemu jsou automaticky doplňovány suroviny. Sypké materiály (např. cukr) se do zásobníků dopravují pneumatickými systémy a tekuté suroviny (např. kakaové máslo) čerpadly. Suroviny jsou ze zásobníků dávkovány do válcovacího zařízení, které vytváří sypkou kakaovou hmotu. Kakaová hmota je pásovými dopravníky přemístěna do tzv. pětiválců (na obr. 1 vlevo dole), kde je rozmělněna a poté dalšími dopravníky přepravena do hnětačů – konží (na obr. 1 vpravo dole), kde hnětením a doplněním tuků vzniká čokoládová hmota. Ta je dopravována potrubním pneumatickým systémem do zásobníků výrobních linek nebo je expedována do dalších zpracovatelských podniků koncernu v regionu. Takové operace, jako je temperace konží, rozvody tekutých komponent i vyrobené hmoty, jsou řízeny z podpůrných technologických provozů.
 

Linka na cukr

Cukr je dopravován dmychadlem do zásobníků, kde je vysoušen, a poté je přes drtičky pneumaticky přemístěn do předzásobníku. Z něho je společně s tekutými komponentami navažován na váze a odtud si připravenou hmotu odebírají výrobní linky.
 

Podpůrné technologické provozy

Podpůrné technologické provozy zajišťují pro výrobní linku čokoládových hmot a ostatní provozy závodu ohřev a chlazení médií, jejich distribuci, temperaci výrobních prostor a monitorování spotřeby elektrické a tepelné energie. Energetická náročnost výrobního postupu vedla k instalaci tepelného čerpadla, jehož výkon umožnil napojit i další technologické celky, což povede k významnému snížení nákladů na tepelnou energii.
 

Realizace automatizovaných systémů řízení

Komplexní řešení ASŘ šaržového technologického procesu, v němž se na několika linkách vyrábí několik produktů, se skládá z těchto komponent:
  • spolehlivý řídicí systém výroby a strojů na bázi PLC Simatic S7,
  • komfortní ovládací zařízení automatizace z multiklientských operátorských stanic WinCC,
  • řízení elektrických pohonů (Master Drives CBP2) a jejich parametrizace,
  • šaržové řízení výrobních procesů se záznamy EBR z modulu Comes Batch,
  • zařízení pro sběr a archivaci technologických údajů, provozních dat a provozních hlášení v systému Comes Historian,
  • systém protokolování výroby v modulu Comes Modeller.

Koncepce ASŘ výroby čokoládové hmoty

Pro řízení technologie, připojení čidel a akčních členů se používá PLC řady Simatic S7 416 a 414 s centrálně i decentrálně připojenými vstupy a výstupy (obr. 2). Výkonné a spolehlivé systémy firmy Siemens jsou všeobecně známy, takže je není třeba podrobněji popisovat.
 
Součástí ASŘ jsou také moderní akční členy. Čokoládová hmota klade na počátku hnětení míchadlu konže značný odpor, protože je sypká a velmi viskózní. Proto jsou na pohonech konží instalovány výkonné měniče Siemens řady Master Drives CBP2, které jsou momentově řízeny. Po snížení viskozity jsou otáčky konže postupně zvyšovány, až přejde čokoládová hmota do relativně tekutého stavu.
 
Zajímavou součástí ASŘ je regulační systém tepelného čerpadla a řídicí systém distribuce příslušných energií.
 
Šaržové řízení výrobních procesů, elektronické záznamy o výrobě (EBR), sběr výrobních dat, zpracování protokolů a další datové funkce je ideální řešit mimo řídicí systémy jako informační funkce úrovně MES (Manufacturing Execution Systems).
Pro tuto úroveň je využit výrobní informační systém Comes, který firma Compas automatizace dlouhodobě vyvíjí i s podporou z veřejných prostředků Ministerstva průmyslu a obchodu ČR.
 
Systém Comes využívá webové informační nástroje prostředí Microsoft Visual Studio. Využívá i konfigurační informace uložené v databázích MS SQL Server. Pro vývoj se používají prostředky ASP.NET, C# a Transact-SQL. Pro uživatele využívající informace systému Comes na jednotlivých pracovních stanicích ve výrobě nebo jakémkoliv jiném počítači připojeném v podnikové informační síti, je klientem systému pouze webový prohlížeč Microsoft Internet Explorer (součást operačního systému Windows) ve verzi 6 nebo vyšší. Svými funkcemi je Comes modulární systém MES. Jednotlivé moduly mohou být použity samostatně nebo v libovolné kombinaci tak, že každý modul zajišťuje předem určený okruh funkcí.
 
V popisovaném případě jsou jednotlivé moduly Comes se svými připravenými funkcemi pouze konfigurovány pro okruh funkcí požadovaný zákazníkem. Veškeré ovládání je intuitivní v souladu se zvyklostmi práce s MS Windows, Internet Explorer a MS Office (Excel). Komunikaci s řídicími systémy zajišťuje komunikační modul Comes CCI, který poskytuje mnoho komunikačních možností. Jednou z nich je i komunikace prostřednictvím rozhraní OPC, kde je jako server OPC využíván Simatic NET.
 
Řídicí systém výroby čokoládové hmoty řídí dvě výrobní linky s odlišnými způsoby finálního zpracování čokoládové hmoty a podpůrné technologické procesy. Jádrem řídicího systému je zde tepelné čerpadlo řízené opět za použití PLC Simatic S7.
 
Operátoři ve velínu využívají operátorské stanice vybavené dvěma monitory, které umožňují vizualizovat a řídit technologie a také výrobní kroky prostřednictvím modulu Comes Batch (obr. 3). Takto integrovaný systém ovládání výroby umožňuje pohodlnou obsluhu rozsáhlého výrobního zařízení.
 
Zákazník požadoval, aby bylo možné ze všech klientských stanic ovládat různé části technologického postupu. Proto byl využit vizualizační systém Siemens WinCC v multiklientské konfiguraci. Operátoři, technologové a servisní pracovníci mohou obsluhovat a spravovat na svém klientském pracovišti několik výrobních operací, které „běží“ na rozdílných serverech. To vše na základě přístupových práv specifikovaných pro každého přihlášeného pracovníka.
 
Na klientských pracovištích jsou realizovány funkce vizualizace, ovládání, záznam zásahů operátorů, grafické zobrazování provozních stavů a poruchových hlášení, monitoring průběhu jednotlivých výrobních kroků atd. Pro vizualizaci ve WinCC byla použita nová knihovna ovládacích oken (faceplate) vyvinutá firmou Compas, kterou uživatelé oceňují jako velmi přehlednou. Knihovna operátorovi např. umožňuje doplnit pro naměřené analogové hodnoty své vlastní funkce, aniž by bylo třeba měnit kód v řídicím systému. Příkladem takových funkcí je včasné varování při nutném ručním zásahu.
 
Součástí ASŘ je také detailní zaznamenávání a protokolování výroby, jejichž výstupy jsou např. výrobní protokoly o každé šarži nebo statistiky spotřeby jednotlivých materiálů aj.
 

Inženýrink

 
Vytvořit propracovaný ASŘ je úkolem oddělení inženýrinku společnosti Compas, které se mj. dlouhodobě specializuje na řízení šaržových a sériových výrobních procesů. Kvalitní zpracování systému automatizace šaržových řídicích systémů vyžaduje analýzu výrobních kroků, které daná technologie umožňuje, včetně řešení všech výjimečných stavů. Rozsah a náročnost inženýrských prací jsou ve srovnání s klasicky vytvořenou automatizací větší a pro kvalitní řešení za příznivé ceny je třeba značných zkušeností. Aby bylo možné analyzovat daný proces a zpracovat detailní specifikaci funkcí, je třeba být odborným partnerem zákazníka. Správný postup začíná specifikací funkcí, která se předloží zákazníkovi ke schválení. Poté je realizován projekt včetně programového vybavení, následuje testování realizovaných funkcí u dodavatele (FAT), řízení montáží systémů elektro, měření a regulace hardwaru u zákazníka a poté je systém vyzkoušen v provozu (SAT). Poslední etapou projektu je zpracování dokumentace a zaškolení příslušných pracovníků zákazníka. Samozřejmostí je také dlouhodobá podpora systému, nyní často realizovaná prostřednictvím dálkové správy.
 

Závěr

Plně integrovaná automatizace šaržové výroby umožňuje flexibilně měnit výrobní postupy, jejich řízení a dokumentaci podle požadavků trhu (změny sortimentu výrobků, výrobních předpisů a plánů). Systémy firmy Compas automatizace, neustále zdokonalované podle zkušeností z desítek realizovaných projektů, umožňují podnikům účinně optimalizovat výrobu a zlepšovat její produktivitu a jakost a zároveň minimalizovat náklady. Řešení je doplněno užitím výrobního informačního systému, který kromě mnoha důležitých funkcí řeší také komplexní vertikální integraci od úrovně automatizace po celopodnikový informační systém ERP (přejímání výrobních objednávek, informací o materiálech, předávání informací o stavu výroby, spotřeby a KPI). Společnost Compas automatizace nabízí elektronický řídicí systém výroby, a pomáhá tak výrobním podnikům dosahovat konkurenceschopnosti na trhu.
 
Josef Nováček,
Ing. Vlastimil Braun,
 
Obr. 1. Přehledová vizualizace linky 2
Obr. 2. Architektura řídicích systémů a její diagnostika v operátorské stanici
Obr. 3. Výrobní předpis a ovládání výrobních kroků v Comes Batch
Obr. 4. Ukázka z výrobního protokolu o šarži generovaného modulem Comes Modeller
 
Tab. 1. Požadavky na systém automatizace výroby čokoládových hmot