Automatyzacja produkcji cukru i etanolu

Nowoczesny system sterowania to podstawowy element optymalizacji procesu produkcji mieszanek cukrowych dla przemysłu spożywczego i etanolu jako ekologicznego paliwa w jednej z brazylijskich kompanii gorzelniano-cukrowniczej. Zmiany wymusił współczesny, dynamiczny rynek paliwowy i spożywczy.

Jeden z największych brazylijskich producentów cukru spożywczego i etanolu wytwarza w swoim zakładzie jednocześnie energię elektryczną zużywaną do jego zasilania oraz dodatkowo sprzedawaną do sieci zewnętrznej. W związku z burzliwymi zmianami na światowych rynkach paliw kierownictwo cukrowni zdecydowało się podjąć wyzwanie zwiększenia produkcji etanolu. Jednak bez konieczności dodatkowych, nadmiernych inwestycji.

Aplikacje pakietu Proficy Plant w sposób graficzny obrazują sekwencje zdarzeń na linii produkcyjnej oraz harmonogram wszystkich zaplanowanych operacji. Źródło: GE Fanuc
Głównymi bodźcami takiejdecyzji są: dość wysoka cena cukru jako surowca eksportowego oraz obserwowany rozwój nowoczesnych technologii silników samochodowych, które wykorzystują jako paliwo alkohole lub ich mieszanki z benzyną. Obecnie w Brazylii 90% sprzedawanych nowych samochodów wyposażonych jest w silniki dostosowane do takich paliw. Etanol stanowi około 20% ogólnej ilości sprzedawanych paliw. Benzyna w Brazylii sprzedawana jest zwykle jako mieszanka 20% etanolu i 80% benzyny.

Większość etanolu w brazylijskich cukrowniach pozyskiwana jest z cukru w procesie fermentacji drożdży i ich destylacji. Co ciekawe, wymaga on dostarczenia mniejszych ilości energii z zewnątrz, niż stosowany w USA proces wytwarzania etanolu z kukurydzy. W efekcie końcowym ilość energii uzyskiwanej z etanolu cukrowego ponad ośmiokrotnie przewyższa ilość energii niezbędnej do jego wytworzenia. Podczas gdy w przypadku etanolu kukurydzianego tylko 1,5-krotnie.

Trzcina cukrowa zbierana jest na plantacjach ręcznie lub mechanicznie. Następnie specjalnie przystosowane ciężarówki transportują zbiory do kilkuset gorzelni w całym kraju. Gorzelnie te prowadzone są zwykle na farmach zlokalizowanych w pobliżu zakładów przetwórczych i produkcyjnych (w większości w stanie Sao Paulo). Na wstępie trzcina jest prasowana walcami, w celu wyciśnięcia soku znajdującego się pomiędzy włóknami zwanymi bagassą. Następnie sok poddawany jest fermentacji w drożdżach, gdzie powstaje sacharoza i etanol. Kolejnym etapem jest poddanie uzyskanej substancji destylacji, w celu uzyskania etanolu uwodnionego. Zużyta bagassa w procesie spalania dostarcza ciepła potrzebnego do destylacji i suszenia oraz energię elektryczną, która jest zużywana na potrzeby zakładu (a niekiedy sprzedawana na zewnątrz).  

Strategia automatyzacji
Podczas gdy dla większości producentów cukru i etanolu podstawą strategii rozwoju jest budowa dodatkowych, nowych gorzelni, przedstawiana w artykule kompania poszła inną drogą. Zdecydowała się na zastosowanie w już istniejących zakładach najnowszych technologii z zakresu automatyki przemysłowej, tak by zwiększyć wydajność posiadanych maszyn. Kierownictwo kompanii jest przekonane, że taka właśnie modernizacja przyczyni się do zmniejszenia liczby i czasu trwania przestojów w produkcji. Jednocześnie poprawie ulec ma jakość produktów finalnych i w ostateczności rentowność zakładów. Nie bez znaczenia jest również oferowana przez nowoczesne systemy automatyki możliwość szczegółowego monitorowania i śledzenia produkcji poszczególnych partii czy asortymentów produktów. Przydaje się to zarówno kierownikom działów, jak też menadżerom firmy.

Jednym z podstawowych wskaźników umożliwiających firmie utrzymanie niskich kosztów produkcji jest wskaźnik całkowitej efektywności urządzeń (ang. OEE). Dlatego też w opisywanych zakładach w pierwszym rzędzie zdecydowano się na uruchomienie instalacji pilotażowej modułu firmy GE Fanuc – Proficy Plant Application w dziale wstępnej obróbki trzciny cukrowej. Dzięki niemu uzyskano dostęp do wielu istotnych parametrów procesowych, takich jak: czasy wyłączeń urządzeń, liczba wyłączeń, a nawet sekwencja zdarzeń w procesie. Przy prawidłowej aplikacji takiego modułu można otrzymywać precyzyjne, bieżące raporty na temat stanu procesów. Umożliwia to ich optymalizację i zwiększenie przepustowości, przy zachowaniu tego samego sprzętu, pracowników obsługi i materiałów.
Instalacja pilotażowa miała na celu przetestowanie układu w rzeczywistej aplikacji. Miało to ułatwić decyzję o tym, gdzie i jak zaimplementować jeszcze dwa takie moduły. Wstępne wyniki eksperymentu były bardzo pomyślne i w ciągu kilku miesięcy zdecydowano się na wdrożenie kolejnych modułów. Tego typu rozwiązanie zainstalowano również w dziale fermentacji, gdzie jest ono niezwykle przydatne w utrzymaniu standardów procesu zgodnego z recepturami oraz odpowiednimi przepisami zewnętrznymi. Oprócz modułów Plant Application zainstalowano również systemy Proficy Portal i Proficy Historian, które objęły sobą 10 000 punktów kontrolnych i 30 stacji klienckich. Ponadto w całym systemie sterowania i monitoringu zastosowano również: system Proficy HMI/SCADA Cimplicity, sterowniki PACSystem, sterowniki PLC serii 90-30 oraz moduły Genius.
Ze względu na otwartość architektury systemów Proficy możliwe jest ich łatwe połączenie z interfejsem istniejącego w zakładach systemu ERP – planowania zasobów przedsiębiorstwa.

Kilkuetapową implementację systemów powierzono dwóm grupom integratorów z firm STI Canada i STI do Brasil. W etapie pierwszym zastąpiono dotychczasowe metody kontroli jakości i raportowania stanów produkcyjnych nowymi funkcjonalnościami systemów. Pozwalają one na dokładniejszą i szybszą weryfikację uzyskanych parametrów i informacji.

Przejście do nowego systemu sterowania
Przed uruchomieniem pierwszej instalacji pilotażowej platforma operatorsko-sterująca w zakładzie miała dość prostą formę. Rozwijana była w trakcie czteroletniego użytkowania przez samych pracowników i operatorów. Nie spełniała ona jednak oczekiwań menadżerów. Ich pracownicy nie mogli pozyskiwać z systemu interesujących danych w sposób sprawny i szybki. Dlatego też zdecydowano się na wdrożenie nowych rozwiązań w tym zakresie. Przy sporządzaniu wstępnej listy wymagań stawianych systemowi przez działy biznesowe niemal od razu kilka z nich wyselekcjonowano jako szczególnie istotne. Za najbardziej krytyczny wymóg uznano maksymalną redukcję nieplanowanych przestojów linii produkcyjnej. W zakładzie pracującym w trybie 24/7, nawet niewielkie przestoje – około 30-minutowe – mają olbrzymie znaczenie dla miesięcznego bilansu produkcji. Po krótkich analizach okazało się, że najczęściej takie przestoje zdarzają się w dziale rozdrabniania i wyciskania. To znaczy tam, gdzie otrzymuje się z trzciny sok, który jest podstawowym surowcem do produkcji cukru i etanolu.  

O tym, który z produktów należy poddać większej kontroli ze strony menadżerów, zawsze decyduje jego aktualna cena i ogólna sytuacja rynkowa. Jest ona zwykle dość stabilna i ewentualne zmiany strategii produkcji analizowane są przeważnie w perspektywie kilku dni lub tygodni. Większe zmiany wprowadzane są najczęściej dwu- lub trzykrotnie w sezonie. Ponieważ kompania wytwarza dwa produkty, ma znacznie większe możliwości w zakresie regulacji i organizacji produkcji oraz zarządzania spodziewanymi przychodami, niż konkurenci produkujący tylko etanol lub jedynie cukier.
Zastosowany system sterowania i monitoringu znacząco przyczynia się do utrzymania odpowiedniej elastyczności działań zakładu. Ułatwia szybkie wprowadzanie nawet niewielkich zmian. Tak, aby na bieżąco utrzymywać jak najwyższy poziom rentowności produkcji.  

Etanol to współcześnie jeden z najbardziej dochodowych produktów. Cukier, surowiec, z którego się go wytwarza, jest bardzo wydajny i pozwala na produkowanie etanolu w bardzo dużych ilościach. Brazylia zaś to kraj o największych na świecie zasobach trzciny cukrowej. W trakcie globalnego wzrostu zapotrzebowania na cukier i etanol brazylijscy producenci mocno zainwestowali we wprowadzenie nowoczesnych technologii w swoich zakładach, żeby zmniejszyć koszty produkcji. Na przykład w latach 80-tych XX wieku koszt produkcji jednego galona etanolu wynosił około 2,5 dolara. Obecnie, dzięki unowocześnieniom linii produkcyjnych, koszt spadł do 0,75 USD.

Oczywiście spory potencjał drzemie również w samym cukrze, który może być różnej jakości i klasy. Wiele zależy od przebiegu poszczególnych etapów jego pozyskiwania z trzciny. Choć w zakładach produkcyjnych powstają różne klasy cukru, zwykle są na końcu mieszane i sprzedawane po cenie zależnej od procentowego udziału określonych klas. Inżynierowie dążą jednak do opracowania odpowiedniej platformy monitorująco-sterującej, aby uzyskać lepszą kontrolę nad procesami produkcji. Umożliwiłoby to separację kilku odrębnych klas cukru, które trafiałyby do odrębnych silosów. Odbiorcom oferowano by wówczas produkty finalne o wymaganej przez nich konkretnej jakości czy klasie.

Zarządzanie jakością
Jednym z najbardziej znaczących elementów automatyzacji procesów w fabrykach etanolu są działania laboratoryjne i doświadczalne. Ściślej rzecz ujmując, chodzi o kwestię dysponowania wynikami. Obecnie w większości zakładów są one gromadzone w postaci baz, arkuszy itp. Ewentualne ich wprowadzenie do systemu odbywa się na drodze manualnej. Jeżeli na przykład testy określonej partii produktu wypadną niepomyślnie, konieczne jest kompleksowe powtórzenie czynności procesowych. To oczywiście zwiększa koszty i powoduje dodatkową stratę czasu.

Jednakże po sprawnej implementacji aplikacji Proficy Plant dane pomiarowe z urządzeń testujących i czujników mogą być pobrane na bieżąco. Po analizie zmian są wprowadzane bezpośrednio do układów monitorujących i sterujących, co przyczynia się do: wzrostu wydajności produkcji, poprawy jakości produktu i skrócenia czasu niezbędnego na ewentualne poprawki. Ponieważ cały świat stara się ograniczyć zużycie ropy naftowej, paliwa z surowców odnawialnych – jak etanol – zaczynają odgrywać coraz większą rolę na rynku. Ich komercyjny sukces zależy w dużej mierze od sprawnego zarządzania wydajnością i jakością produkcji oraz utrzymania konkurencyjnych cen.  

Brandon Henning, GE Fanuc  
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie