Systemy automatyki w zakładzie przetwórstwa mleka

Bezprzewodowe systemy sterowania ułatwiają utrzymanie wydajności produkcji na wysokim poziomie. Zwłaszcza w przedsiębiorstwach, które wytwarzają szeroki i zróżnicowany asortyment produktów, jak na przykład zakłady przetwórstwa mleka.  

Mleko to surowiec niezwykle wymagający. Nawet niewielkie zmiany jego temperatury poza wyznaczony zakres mogą spowodować nieodwracalne zmiany własności, struktury, a w ostateczności smaku produktu. Dlatego też, aby utrzymać delikatną równowagę pomiędzy tymi wartościami w czasie całego procesu przetwórczego, operatorzy muszą wykorzystywać w pełni funkcjonalny i precyzyjny system monitoringu i sterowania. Taki, który umożliwia dokładne śledzenie wszystkich etapów przetwarzania mleka oraz wprowadzanie ewentualnych szybkich korekt. Nie jest to łatwe. Szczególnie w sytuacji, gdy monitorowany surowiec nie jest bezpośrednio widoczny, ale przez ponad 90% czasu znajduje się w zbiornikach lub rurach. Zakłady wytwarzające ten sam produkt przez długi czas mają nieco ułatwione zadanie. Wraz z jego upływem nabierają doświadczenia i mogą odpowiednio zoptymalizować parametry procesowe. Jednak w przypadku zakładów, gdzie często następuje zmiana asortymentu produktów finalnych, konieczne jest utrzymanie wysokiego poziomu elastyczności systemów monitoringu i sterowania. Ważna jest także ich możliwie szybka adaptacja do nowych warunków funkcjonowania procesów przetwórczych. 

Dobrym przykładem tego typu przedsiębiorstwa jest Dietrich’s Specialty Processing, specjalizujący się w produkcji niewielkich partii różnych produktów spożywczych. Zakład wytwarza między innymi artykuły koszerne oraz półprodukty dla innych artykułów żywnościowych.

Podobnie jak każdy inny zakład przetwórstwa mleka Dietrich’s Specialty Processing musi dokładnie czyścić wszystkie swoje maszyny pomiędzy kolejnymi partiami produkcji – zgodnie z wymogami niezwykle rygorystycznych przepisów sanitarnych. Czynności te dodatkowo komplikują dość znaczne zróżnicowanie tych wymogów dla różnego typu produktów dostarczanych przez firmę – tradycyjne, koszerne, mleczne, bezmleczne itp.

Jako dostawcę oraz integratora systemów monitoringu i sterowania w omawianych zakładach wybrano Kline Process Systems. KPS specjalizuje się w dostarczaniu rozwiązań systemowych dla przemysłu przetwórstwa mleka. Firma została założona w 1991 roku i od początku koncentrowała się na tej właśnie branży. Zaczynała wówczas, gdy zaawansowane technologie automatyki nie były w tej branży tak popularne, jak obecnie. KPS zdobyło spore doświadczenie w zakresie mechaniki, inżynierii i elektroniki. Potrafi zaprojektować, zainstalować i zaprogramować kompleksowe systemy sterowania dla konkretnych aplikacji i wymagań klientów. Dysponuje profesjonalną ekipą spawaczy, montujących urządzenia przetwórcze oraz elektryków instalujących panele i okablowanie. Aktualnie odbiorcy z branży przetwórstwa żywności i napojów to około 75% klientów firmy.

Do zakładów Dietrich’s Specialty Processing dostarczyliśmy produkty i rozwiązania systemowe najwyższej klasy – ze względu na postawione przez odbiorcę wymogi co do wysokiej jakości produktów – mówi Kirby Powell, kierownik w KPS. – Determinowało to przede wszystkim konieczność wysokiej dokładności monitoringu parametrów przetwarzanego surowca i sprawnego systemu sterowania poszczególnymi maszynami.

KPS zdecydowało się na zastosowanie kompleksowego systemu sterowania Totally Integrated Automation (TIA) firmy Siemens. System zawiera wszystkie niezbędne elementy: poczynając od sterowników PLC, paneli operatorskich, napędów i układów sterowania silnikami, aż po programowy system zbierania i prezentacji danych typu SCADA – WinCC.  

Jedna platforma do wszystkich zadań

Wybór tego systemu był w zasadzie przesądzony od samego początku, gdy tylko KPS dostała zlecenie na wykonanie aplikacji systemu monitoringu i sterowania dla zakładów spożywczych i przetwórstwa mleka.

Ponieważ inżynierowie Siemensa kładą szczególny nacisk na kwestię integracji wszystkich elementów automatyki, można być przekonanym, że wszystkie urządzenia tej firmy będą z sobą kompatybilne – wyjaśnia Kirby Powell. – To znacznie ułatwia pracę integratora.

Pierwszym produktem, który zwrócił uwagę pracowników KPS, był moduł Mobic Tablet T8 – przenośny tablet o wzmocnionej obudowie do zastosowań typowo przemysłowych.

Przedstawiciele Dietrich’s Specialty Processing byli żywo zainteresowani możliwością zdalnej, bezprzewodowej obsługi systemu sterowania – wspomina Powell. – Biorąc pod uwagę charakter i ciągłość procesów produkcyjnych, pracownicy obsługi upoważnieni są do podejmowania szybkich decyzji i natychmiastowego działania w przypadku wystąpienia sytuacji nadzwyczajnych lub symptomów możliwych awarii. Dlatego też tak ważna jest kwestia ich mobilności, w połączeniu z możliwością natychmiastowego wprowadzania zmian parametrów pracy linii produkcyjnej czy poszczególnych maszyn.

Wspomniane moduły przenośnych tabletów mają gumowe osłony, chroniące je przed uderzeniami oraz zniszczeniem nawet przy upadku z wysokości około 2,5 m. Ponadto są wodoodporne i chronione przed kurzem i pyłem, nagminnym przy produkcji artykułów sproszkowanych. Kirby Powell podkreśla, że panel Mobic wyposażony w ekran dotykowy, system operacyjny Microsoft Windows CE z pakietem zdalnego sterowania Remote Desktop tworzy idealne, mobilne narzędzie pracy dla personelu obsługi. Jego zdaniem inne panele oraz interfejsy HMI nie są tak wytrzymałe i zarazem wygodne w użyciu.   

Sukces bez kabli 

Przedstawiciele Dietrich’s Specialty Processing są zadowoleni z wdrożenia systemu bezprzewodowej komunikacji pomiędzy modułami sterowania. Pracownicy obsługują wszystkie urządzenia i maszyny z poziomu przenośnych paneli operatorskich. Dzięki temu zarząd zawsze wie, gdzie znajduje się dany pracownik i jakie ewentualne problemy zgłasza.

Wiele parametrów procesowych może być trudnych do zmierzenia lub wykrycia przez czujniki – mówi Thomas Dietrich. – Pewne zjawiska, wibracje, zapachy czy dźwięki nie mogą być dostrzeżone z poziomu monitora w centrum sterowania. Kiedy w zakładach zainstalowany był tradycyjny, scentralizowany system monitorująco-sterujący, operatorzy posiadający najlepszą wiedzę i doświadczenie siedzieli w centrum sterowania i komunikowali się radiowo z pracownikami zatrudnionymi na linii produkcyjnej. Niestety, ci nie zawsze posiadali odpowiednie umiejętności i mogli nie dostrzegać pewnych istotnych czynników czy symptomów. W rezultacie pewne istotne informacje mogły być w ogóle niezauważone i nie dotrzeć do ekspertów. Wprowadzenie mobilnych paneli monitoringu i sterowania pozwoliło na wyeliminowanie takich sytuacji.

Systemy sterowania w przemyśle mleczarskim muszą mieć zdolność precyzyjnego monitorowania wielu parametróww skomplikowanych układach naczyń i rur, zapewniając utrzymanie właściwych standardów produkcji.                                              Źródło: Siemens Energy & Automation

Obsługa systemu sterowania realizowana jest z poziomu przeglądarki internetowej Microsoft Internet Explorer, na zasadzie wymiany informacji między klientami sieci. Dzięki temu pracownicy mogą użyć jako interfejsu HMI dowolnego komputera klasy PC, znajdującego się w przedsiębiorstwie. Co więcej, użytkownicy posiadający odpowiednią autoryzację, mogą zalogować się do sieci zakładowej dzięki VPN – wirtualnej sieci prywatnej, z dowolnego komputera przyłączonego do Internetu. W ten sposób uzyskują wgląd do wszystkich parametrów systemu, tak jakby znajdowali się w zakładzie. Ma to szczególne znaczenie dla użytkowników, którzy chcą mieć stały dostęp do informacji o istotnych parametrach na danym etapie produkcji.   

Operatorzy uzyskali tę samą funkcjonalność i osiągi systemu, jakie zapewniały dotychczas jedynie konwencjonalne rozwiązania przewodowe bezpośrednio połączone z jednostką centralną.   

Specyficzny profil produkcji

Zakłady Dietrich’s Specialty Processing specjalizują się w wytwarzaniu półproduktów, takich jak: mleko oddzielone od śmietany czy wytwarzanie surowych składników niezbędnych przy produkcji organicznych napojów odżywczych itp. Powstałe półprodukty są następnie przesyłane do innych zakładów, gdzie poddaje się je dalszemu przetwarzaniu lub pakowaniu. Ponieważ większość odbiorców to firmy spożywcze, które chcą utrzymać jak najwyższą jakość produktów, jest ona najważniejszym parametrem w ocenie poprawności procesów produkcyjnych w DSP. Firma wyspecjalizowała się w dostarczaniu półproduktów dla niewielkich, w zasadzie niszowych przedsiębiorstw, wytwarzających produkty alternatywne w niedużych partiach. Z tego powodu proces produkcji jest często zmieniany i ponownie uruchamiany. 

Pracownicy często muszą sprawdzać aktualny stan maszyn, np. po zakończonym procesie produkcji konkretnego półproduktu, a następnie po wprowadzeniu nowych parametrów pracy uruchamiać kolejne maszyny linii produkcyjnej ze sterowni – tłumaczy Thomas Dietrich. – Wprowadzenie mobilnych pulpitów sterujących znacznie ułatwiło i przyspieszyło procesy ponownego uruchamiania i doboru nastaw parametrów pracy. Teraz praca może być wykonywana na miejscu, bezpośrednio przy maszynach.  
Wysoka jakość dzięki wizualizacji

Jednym z najważniejszych zadań systemu monitorująco-sterującego zrealizowanego w zakładach Dietrich’s Specialty Processing było stworzenie operatorom możliwości pełnego oglądu sytuacji i pełnej sterowalności linii produkcyjnych. W zbudowanym systemie możliwe są do realizacji m.in. następujące funkcjonalności:

  • utrzymanie odpowiednich temperatur mleka oraz innych surowców, półproduktów, a także dokumentacja ich poziomów,
  • zapewnienie czystości wszystkich naczyń, zgodnie z zaleceniami odpowiednich norm i przepisów,
  • zapewnienie pełnej informacji o stanie procesów operatorom i upoważnionym pracownikom. 

Ponadto system gwarantuje również natychmiastowe powiadomienie obsługi o wszelkich nieprawidłowościach przebiegu procesów przetwarzania i produkcji. Dostarcza informacji o istotnych dla danego zdarzenia parametrach, tak aby możliwa była szybka identyfikacja i analiza sytuacji oraz jej rozwiązanie.

Pakiet WinCC zbiera z systemudane dotyczące temperatury, wilgotności oraz innych kluczowych parametrów procesowych ze sterowników PLCrozmieszczonych w całym zakładzie. Na bieżąco umożliwia ich podgląd na przenośnych panelach Mobic Web lub komputerach PC. Ekrany interfejsów użytkownika mogą być dostosowane do indywidualnych potrzeb danego pracownika, który poprzez dotyk odpowiednich ikon lub elementów graficznych może wysyłać do sterowników informację zwrotną typu „zamknij / otwórz zawór”, „zmień temperaturę” lub „ustaw odpowiedni poziom przepływu” itp. Następnie silniki i napędy sterowne Siemensa wykonują odpowiednie zadania na podstawie sygnałów ze sterowników. Najważniejszym z parametrów procesowych jest temperatura przetwarzanego surowca, która bezpośrednio oddziałuje na jego czystość, jakość, zapach, smak i konsystencję. Operatorzy w każdej chwili powinni otrzymywać informację o poziomie temperatury oraz mieć możliwość ewentualnej korekty.  

Weryfikacja poprawności procesu

Integrator KPS zdecydował się również na wykorzystanie systemu zarządzania produkcją MES Simatic IT. Zapewnia on możliwość zarządzania informacjami procesowymi i menadżerskimi w całym zakładzie produkcyjnym. Histogramy generowane w tym systemie pozwalają na prześledzenie trendów zmian parametrów produkcji w wybranych okresach. Następnie mogą być wykorzystane w raportach dotyczących utrzymania odpowiednich standardów produkcji, czystości linii zgodnie z obowiązującymi normami itp.

Dawniej zorganizowanie systemu zarządzania produkcją wymagało zapisania wielu linijek kodu programowego, ustalających zależności czasowe, priorytety zadań, a nawet konkretne funkcje do realizacji – mówi Kirby Powell. – Każdy system był tworzony niemal od zera, stąd częste błędy w sterowaniu procesami produkcji. Przewagą Simatic IT jest to, że składa się w większości z gotowych, predefiniowanych modułów. Obecnie, zamiast pisania programów od początku, wykorzystuje się gotowe szablony dla konkretnych zadań. Dzięki temu integrator może skupić się głównie na odpowiedniej ich aranżacji na potrzeby danej aplikacji. Procedura taka pozwala na uniknięcie wielu błędów w procesie integracji systemu, a tym samym przyspiesza implementację.
System wdrożony w zakładach Dietrich’s Specialty Processing może służyć za przykład porządnego wykonania tego typu instalacji. Operatorzy są z niego bardzo zadowoleni. Cieszą ich szczególnie funkcje związane z mobilnością paneli sterowniczych i szybkością reakcji na zadawane zdalnie parametry. Wprowadzenie systemu umożliwiło znaczne zwiększenie wydajności produkcji i usprawnienie obsługi odbiorców.  
Walter Staehle,
Siemens Energy&Automation
 
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie