Cyfrowy system automatyki w Zakładach Tłuszczowych Kruszwica

Kiedy Zakłady Tłuszczowe Kruszwica postanowiły w pełni zautomatyzować nowy zakład produkcji oleju rzepakowego, wybrały cyfrową architekturę PlantWeb firmy Emerson Process Management, system sterowania DeltaV oraz inteligentne urządzenia wykorzystujące protokół HART. W porównaniu z poprzednim zakładem znacznie spadło zużycie mediów użytkowych, a koszty utrzymania ruchu zmalały o 50%.

Zakład w Kruszwicy został przejęty od Skarbu Państwa w 2001 r. przez firmę Cereol, francuskiego przetwórcę olejów. Był wówczas jednym z najbardziej zautomatyzowanych zakładów przetwórczych tego typu w Polsce. Jednak spora część urządzeń pochodziła jeszcze z lat 50-tych ubiegłego wieku. Sterowanie opierało się głównie na ręcznych i pneumatycznych zaworach oraz bardzo prostych i przestarzałych układach PLC. Zgodnie z umową ze Skarbem Państwa nowy właściciel nie podjął się modernizacji starej instalacji, ale wybudowania całkowicie nowego zakładu, który miał stanąć naprzeciw starego, po drugiej stronie drogi.
Aby zapewnić firmie wiodącą pozycję na rynku tłuszczów roślinnych, postanowiono, opierając się na zaawansowanej architekturze sterowania procesem, zbudować nowy, w pełni zautomatyzowany zakład produkcyjny, efektywny i ekonomiczny w utrzymaniu. ZT Kruszwica miały zmniejszyć koszty operacyjne i zaimplementować rozwiązania optymalizujące parametry procesowe, by ograniczyć zużycie energii i mediów użytkowych.
ZT Kruszwica chciały, by nowa instalacja zapewniała wysoką jakość produktu zgodnie z zasadami dobrej praktyki produkcyjnej (Good Manufacturing Practice GMP). Głównym celem tej polityki jest sterowanie i zarządzanie procesami produkcji w sposób zapewniający wysoką jakość i niezmienność składu produktów.
Precyzyjne sterowanie minimalizuje zmienność procesu produkcyjnego, zmniejszając ilość produktu niezgodnego z recepturą, eliminując problemy związane ze złą jakością oraz ograniczając ilość odpadów i produktów wymagających ponownego przetworzenia. Dodatkową korzyścią jest zmniejszenie wpływu procesu produkcyjnego na środowisko naturalne. Polityka ochrony środowiska ZT Kruszwica zakłada jak najmniejsze zużycie wody i ograniczenie produkcji ścieków i innych odpadów zgodnie ze standardami europejskimi oraz redukcję emisji zanieczyszczeń do atmosfery.
Aby spełnić te wymagania, konieczne było zbudowanie w pełni zautomatyzowanego zakładu produkcyjnego, z architekturą wykorzystującą otwarte standardy komunikacyjne do połączenia dużej liczby urządzeń monitorujących, sterujących, systemów i aplikacji w jedną sieć zakładową. Takie podejście zapewnia szeroki i łatwy dostęp do wszystkich krytycznych danych dotyczących procesu. Za projekt systemu sterowania produkcją dla całego zakładu, łącznie ze wszystkimi liniami technologicznymi, odpowiedzialny był Jacek Brauer z ZT Kruszwica, specjalista automatyki przemysłowej i kierownik projektu.

W 2002 roku ZT Kruszwica wybrały rozwiązanie oparte na cyfrowej architekturze PlantWeb firmy Emerson z systemem sterowania DeltaV i protokołem HART do komunikacji z siecią inteligentnych urządzeń polowych.
Protokół HART umożliwia w czasie rzeczywistym zmianę zakresów pomiarowych i jednostek miary w urządzeniach pomiarowych. Wybór padł na komunikację cyfrową HART także dlatego, że jest ona w pewnym sensie naturalnym następcą systemów 4-20 mA. ZT Kruszwica chciały, by w przyszłości wszystkie modyfikacje lub zmiany mogły być wykonywane szybko i łatwo przez lokalnych inżynierów. Ponadto pewna liczba przetworników HART już pracowała w starym zakładzie produkcyjnym w Kruszwicy.
Głównym powodem wyboru architektury PlantWeb było przekonanie Jacka Brauera, że będzie ona bardziej efektywna od porównywalnych systemów opartych na sterownikach PLC. Kiedy okazało się, że każdy procesor w zakładzie może być sterowany i konfigurowany z każdej stacji inżynierskiej, wybór stał się oczywisty.
Jacek Brauer po dokładnym zapoznaniu się z alternatywnymi rozwiązaniami wybrał Plant- Weba, gdyż najlepiej pasował do potrzeb ZT Kruszwica. Rozważano różne sterowniki, lecz tylko system DeltaV spełniał wszystkie stawiane wymagania. Krytycznym warunkiem było, żeby rozwiązanie dawało operatorom szerokie możliwości w zakresie zarządzania i prowadzenia procesów technologicznych. Istotną zaletą była jedna baza danych i jednolite środowisko konfiguracyjne (w tym dla schematów sekwencyjnych) systemu DeltaV zgodne z normą IEC61131-3.
System musiał być stabilny i łatwy do wdrożenia i utrzymania. Ważny był szybki rozruch, gwarantujący wcześniejszy zwrot nakładów inwestycyjnych. ZT Kruszwica poszukiwały rozwiązania, które nie generowałoby dodatkowych kosztów utrzymania ruchu i nie wymagałoby zewnętrznych prac inżynierskich przy nowych projektach lub modyfikacji już istniejących.
Nowy zakład produkcyjny w Kruszwicy, w porównaniu ze starym, zwiększył produkcję prawie dwukrotnie – z 700 do 1300 ton dziennie. Udało się to osiągnąć głównie dzięki zainstalowaniu nowych maszyn, m.in. dużego ekstraktora. Architektura PlantWeb pomogła w dalszym zwiększaniu produkcji. Dostęp do większej liczby danych pomiarowych umożliwił identyfikację wąskich gardeł procesu obniżających wydajność zakładu.
System sterowania DeltaV firmy Emerson odegrał kluczową rolę w zmniejszeniu zmienności procesu produkcyjnego. Łatwy dostęp do danych trendowych umożliwił określenie odchyleń od wartości optymalnych. Wykorzystując te informacje, Jacek Brauer zmodyfikował i ulepszył algorytmy sterowania wykorzystywane przez system DeltaV i zoptymalizował proces. Dzięki temu można było prowadzić proces bliżej maksymalnej wydajności bez pogorszenia jakości produktu końcowego.
Na niektórych etapach procesu filtracji i wybielania wydajność wzrosła prawie o 50%, a produkcja, w porównaniu z sytuacją tuż po rozruchu, wzrosła o 10%.
Wprowadzenie w nowym zakładzie cyfrowego systemu automatyki firmy Emerson przyniosło spore oszczędności. Na przykład znacznie spadło zużycie surowców i mediów użytkowych. Zużycie heksanu i wybielaczy zmniejszyło się o 25%. To efekt nieustannie modyfikowanych algorytmów systemu DeltaV. Na przykład nowy, zamknięty system odzyskujący wodę dla procesu zmniejszył zużycie wody o 75%.
Podstawowym wymaganiem każdego zakładu przetwórstwa żywności i produkcji napojów jest łatwy dostęp do danych historycznych. Tak, aby móc śledzić jakość i bezpieczeństwo produktu na każdym etapie produkcji. Dane historyczne zintegrowane są z systemem jakości ZT Kruszwica, zgodnym z normą ISO 9001:2000,  zawierającym analizę zagrożeń i punktów krytycznych (Hazard Analysis and Critical Control Points HACCP). DeltaV zbiera wszystkie potrzebne dane w module historycznym (historian), umożliwiając śledzenie jakości produktu. Łatwy dostęp do tych informacji usprawnia prowadzenie procesu i raportowanie, rozliczanie itp. Elastyczne funkcje raportowania spełniają złożone wymagania krajowych i zagranicznych klientów, także w zakresie uzyskiwania certyfikatów analizy. Istnieje również możliwość integracji z systemami zarządzania przedsiębiorstwem ERP (Enterprise Resource Planning).
System sterowania pomaga w eliminacji błędów ludzkich, który może pogorszyć jakość produktu końcowego. System DeltaV wykorzystuje do optymalizacji procesu zaawansowane algorytmy napisane przez Jacka Brauera, zmniejszając zużycie energii i zużycie surowców przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej jakości produktu.
Urządzenia firmy Emerson i system sterowania DeltaV pomagają zmiejszyć zużycie energii w ZT Kruszwica. Jednym z przykładów jest wprowadzenie nowych punktów pomiarowych temperatury na wymienniku ciepła. Zamiast jednego przetwornika temperatury działają teraz cztery. Większa ilość danych z dodatkowych przetworników wykazała tylko 50% wydajność wymiennika ciepła. Poprawki wprowadzone do programu sterującego działaniem tej części procesu technologicznego i zaimplementowane w systemie sterowania podniosły wydajność wymiennika do 90%. To pozwoliło oszczędzić 1 300 GJ miesięcznie, czyli 77 000 EUR rocznie.
Jako część cyfrowego systemu automatyki inteligentne urządzenia polowe firmy Emerson są wykorzystywane do pomiarów i monitorowania wszystkich etapów procesu technologicznego, począwszy od tłoczenia, a na uzyskiwaniu finalnego produktu kończąc. Urządzenia wykorzystywane są do: ciągłych pomiarów natężenia przepływu i gęstości oleju, kontroli chemikaliów i gazów wykorzystywanych podczas procesów odśluzowywania, oczyszczania kaustycznego i wybielania. Monitorowaniu podlegają również temperatura i poziom oleju w zbiornikach, a ilości oleju dostarczanego do klientów obliczane są na podstawie pomiarów przepływu rozliczeniowego.
Wyjątkowość ZT Kruszwica polega na tym, że produkują one wyjątkowo szeroki asortyment produktów końcowych dla odbiorców zewnętrznych. Mimo że zakłady działają w trybie pracy ciągłej, wykorzystują również quasi system wsadowy z wieloma recepturami do produkcji różnych produktów końcowych. Produkty te wysyłane są przez specjalny system rurociągów, połączeń i zaworów regulacyjnych do oddzielnych zbiorników. Proces ten jest w pełni zautomatyzowany dzięki architekturze PlantWeb, która wykorzystuje ponad 100 zaworów regulacyjnych marek Baumann i Fisher oraz ponad 950 zaworów dwustanowych On/Off, wyposażonych w siłowniki Emersona El-O-Matic. Wszystkie zawory sterowane są przez system DeltaV, zapewniając wydajne i czyste środowisko dystrybucji produktów. 
System DeltaV ma 6 200 We/Wy i podłączonych jest do niego ponad 1 000 urządzeń HART, takich jak przetworniki, zawory itp. ZT Kruszwica zamiast dotychczasowych przepływomierzy o zmiennym przekroju (rotametrów), zastosowały przepływomierze masowe Coriolisa firmy Micro Motion, które mogą mierzyć przepływ zanieczyszczonego, surowego oleju. Przepływomierze Micro Motion są również wykorzystywane do pomiarów natężenia przepływu i gęstości surowego oleju między kolejnymi etapami oczyszczania, gdyż są to urządzenia dokładne, łatwe w obsłudze, niezawodne i wyjątkowo proste w instalacji i konserwacji. Media użytkowe są mierzone przez przepływomierze Vortex firmy Rosemount i elektromagnetyczne przepływomierze kołnierzowe.
Przetworniki temperatury Rosemount 3144 i przetworniki ciśnienia Rosemont 3051 są stosowane, by spełnić wymagania HACCP. Podwójne czujniki w tych urządzeniach są wykorzystywane nie do rekalibracji i uzyskania zgodności z właściwymi normami, lecz do zweryfikowania prawidłowego działania. System DeltaV kontroluje, czy pomiary z obu czujników nie różnią się między sobą, bo to potwierdza poprawne działanie urządzeń.
W sumie koszty utrzymania ruchu w porównaniu ze starym zakładem zmalały o 50%. Nowe, wysokiej jakości urządzenia kontrolno-pomiarowe i sterujące firmy Emerson znacznie przyczyniły się do obniżenia kosztów, gdyż wymagają mniejszych nakładów prac serwisowych. Nowy system sterowania wyeliminował konieczność stosowania urządzeń monitorujących, a nowe procedury umożliwiają szybkie i wydajne określenie źródeł problemów. 
Po napełnieniu zbiorników wymaganą ilością oleju produkt jest sprzedawany. Sprzedaż realizowana jest na dwa sposoby. Olej może być dostarczany hurtowo w cysternach samochodowych lub kolejowych albo zostać zabutelkowany i zapakowany w zakładzie. W obu przypadkach ilośćoleju pobierana ze zbiorników jest mierzona przy użyciu przepływomierzy Micro Motion. Wyniki pomiarów wysyłane są przy użyciu protokołu HART i zapisywane w systemie DeltaV, który gromadzi informacje konieczne do wydruku receptury dostarczonego oleju i faktury. ZT Kruszwica mają również linię butelkowania, gdzie olej jest butelkowany i pakowany zgodnie z zamówieniem.
Drugi strumień wysokiej jakości produktów stałych (margaryny itp.) kierowany jest do linii technologicznej, gdzie jest pakowany i pudełkowany. Do przesuwania oleju w rurociągach wykorzystywany jest azot. Po otwarciu zaworu w zbiorniku azot pod ciśnieniem wymusza przepływ stałego produktu do pakowaczek. Procesem sterują siłowniki Emersona El-o-Matic i zawory ASCO Numatics.
Konfiguracja
Ponieważ cały system sterowania został stworzony właściwie w całości przez dwuosobowy zespół składający się z Jacka Brauera i Zbigniewa Klesyka, ważne było silne wsparcie ze strony dostawcy przy konfiguracji systemu sterowania. Przy tym ZT Kruszwica wolały same skonfigurować proces produkcyjny i system sterowania, niż zlecać prace zewnętrznym integratorom lub dostawcy. Tak więc Jacek Brauer wykonał samodzielnie większość prac związanych z programowaniem i konfiguracją.
Jacek Brauer przystąpił do programowania systemu po jednodniowym szkoleniu w zakresie konfiguracji architektury PlantWeb. Język sekwencyjny systemu DeltaV okazał się bardzo łatwy do wyrażania potrzeb zakładu i umożliwił stworzenie własnych narzędzi programowych do automatycznego generowania strategii sterowania. Do przyspieszenia konfiguracji prostych części procesu wykorzystano Microsoft Excel. Około 80% zbiorów konfiguracyjnych DeltaV zostało wygenerowanych automatycznie, a funkcja symulacji znacznie skróciła czas potrzebny na stworzenie kodu. Umożliwiło to wyjątkowo szybki rozruch, ponieważ Emerson dostarczył wszystkie urządzenia pomiarowe wstępnie skonfigurowane zgodnie z parametrami podanymi przez ZT Kruszwica. 
Przed rozruchem Jacek Brauer sprawdził poprawność instalacji i konfiguracji wszystkich urządzeń za pomocą programu AMS Suite – kluczowego elementu architektury cyfrowej PlantWeb. Przyśpieszyło to znacznie proces przekazania do eksploatacji i wniosło znaczny wkład w bezproblemowy rozruch instalacji. Gdy wystąpiły jakiekolwiek problemy, można było zapytać system o lokalizację urządzenia i zaworu w instalacji, sieci fizycznej lub przy użyciu innych kryteriów. Narzędzie to pomogło małemu zespołowi ZT skonfigurować poszczególne instalacje zakładu w ciągu dwóch dni.
AMS jest obecnie używany do sprawdzania działania czujników w przepływomierzach oraz sprawdzania i rekalibracji urządzeń do pomiarów poziomu. Monitoruje także stan urządzeń krytycznych, w szczególności tych zainstalowanych w obszarach zagrożonych. W strefach Ex demontaż przetworników jest utrudniony, więc program AMS znacznie ułatwia ich konfigurację.
Piotr Burgs, Sales Manager, Emmerson Process Management