Jakie dane są potrzebne do zaplanowania integracji instalacji z istniejącymi liniami (zasyp, dozowanie, wyładunek)?
Do integracji nowej instalacji mieszającej lub dodatkowych komponentów z istniejącą linią produkcyjną potrzebna jest kompletna i uzgodniona podstawa danych. Musi ona obejmować przepływ materiału od zasypu i dozowania, przez proces mieszania, aż po wyładunek, a jednocześnie uwzględniać interfejsy mechaniczne, procesowe, elektryczne, sterownicze, bezpieczeństwa i medialne. Celem jest instalacja, która pasuje technicznie, może być bezpiecznie eksploatowana, osiąga wymaganą wydajność i daje się zintegrować z istniejącym stanem bez nieplanowanych prac dodatkowych.
Na początku stoją dane procesowe i materiałowe. Należą do nich gęstość nasypowa, rozkład wielkości cząstek, wilgotność, właściwości płynięcia, kohezja, ścieralność, temperatura oraz możliwa skłonność do segregacji. W przypadku proszków szczególnie ważne są zachowanie podczas wyładunku, zdolność do transportu, tworzenie się mostków, pylenie oraz wrażliwość na obciążenia mechaniczne. Dodatkowo muszą być udokumentowane właściwości chemiczne i istotne dla bezpieczeństwa, takie jak korozyjność, reaktywność, toksyczność, parametry wybuchowości oraz ewentualne wymagania higieniczne lub regulacyjne. Jeżeli może wystąpić atmosfera wybuchowa, należy wcześnie wyjaśnić podział na strefy, właściwości pyłu, gazu, pary lub mgły oraz wynikające z nich wymagania wobec urządzeń i systemów ochronnych. Dyrektywa produktowa ATEX 2014/34/UE dotyczy urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do stosowania w przestrzeniach zagrożonych wybuchem; dyrektywa 1999/92/WE reguluje minimalne wymagania dotyczące bezpieczeństwa i ochrony zdrowia pracowników w takich przestrzeniach.
Równie niezbędne są dane dotyczące wydajności, zdolności produkcyjnej i czasu. Należą do nich minimalne, nominalne i maksymalne strumienie masowe lub objętościowe, wielkości wsadów, cykle produkcyjne, czasy taktu, planowane czasy pracy, oczekiwana dostępność oraz pożądane OEE. Trzeba jednoznacznie ustalić, czy instalacja będzie pracować w sposób ciągły, nieciągły czy kampanijnie. Dla zadań dozowania istotne są wymagana dokładność, powtarzalność, dopuszczalne odchylenia, rodzaj dozowania oraz wymagania kontrolne i kalibracyjne. Ponadto trzeba znać liczbę receptur, częstotliwość zmiany produktu, strategię czyszczenia, kryteria zwolnienia, koncepcje przepłukiwania i opróżniania oraz możliwe ryzyka zanieczyszczenia krzyżowego.
Do planowania mechanicznego potrzebne są aktualne dokumenty stanu istniejącego. Idealnie dostępne są dane CAD 2D i 3D, plany rozstawienia, przekroje, rzędne wysokościowe oraz dokumentacja fotograficzna istniejącej instalacji. Decydujące są rzeczywiście dostępne przestrzenie montażowe i serwisowe, wysokości stropów, drogi transportu i montażu, możliwości dźwigowe lub podnoszenia, drogi ratunkowe, drogi ewakuacyjne oraz istniejące przeszkody. Przy inwentaryzacji dane te powinny zostać zweryfikowane na miejscu, ponieważ starsze rysunki często nie odpowiadają już w pełni rzeczywistemu stanowi instalacji.
W punktach przekazania między nowym komponentem a istniejącymi agregatami muszą zostać precyzyjnie ujęte geometrie przyłączy. Należą do nich średnice rur i średnice nominalne, typy kołnierzy i rozstawy otworów, wysokości przekazania, położenia zabudowy, kąty nachylenia, drogi spadku, geometrie rynien i lejów oraz dostępne kierunki przyłączenia. Przy przekazywaniu materiału siłą grawitacji konieczne różnice wysokości i rzeczywiste właściwości płynięcia produktu muszą być ocenione łącznie. Dla podłączenia do techniki transportu mechanicznego lub pneumatycznego trzeba uwzględnić wysokość transportu, drogę transportu, wydajność transportu, prędkość taśmy, poziom ciśnienia lub podciśnienia, prowadzenie przewodów, efekty spiętrzenia zwrotnego oraz dostępne objętości buforowe.
Wcześnie należy sprawdzić także obciążenia statyczne i dynamiczne. Potrzebne są dane o nośności podłoża, fundamentu, pomostu, konstrukcji stalowej i zawieszeń. Oprócz ciężaru własnego nowej instalacji trzeba uwzględnić masy produktu, napełnienia mediami, obciążenia serwisowe, drgania, momenty rozruchowe, uderzenia ciśnieniowe oraz ewentualne siły z rurociągów. Przy agregatach istotnych z punktu widzenia drgań lub czułej technice ważenia należy dodatkowo ocenić przenoszenie drgań z sąsiednich instalacji, możliwe rezonanse oraz środki odsprzęgające. Wymagane wartości graniczne dla hałasu, pyłu i innych emisji powinny również zostać uwzględnione w planowaniu.
Integracja elektryczna i sterownicza wymaga pełnego opisu istniejącej infrastruktury. Należą do niej dostępne poziomy napięcia, częstotliwość, moc zwarciowa, moc przyłączeniowa, zabezpieczenia, układ sieci, uziemienie, wyrównanie potencjałów oraz wolne rezerwy w rozdzielnicach i trasach kablowych. Dla integracji sterowania trzeba znać producenta i wersję sterownika PLC (programowalnego sterownika logicznego), system nadrzędny, środowisko SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) lub DCS, wizualizację, architekturę sieci, istniejące magistrale polowe i protokoły komunikacyjne. Typowymi interfejsami mogą być PROFINET, PROFIBUS (Process Field Bus), EtherCAT, Modbus TCP lub OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). Dodatkowo planowanie wymaga kompletnych list sygnałów cyfrowych i analogowych, list punktów danych, wartości zadanych i rzeczywistych, komunikatów alarmowych i diagnostycznych oraz wymagań wobec historiana, systemu MES (Manufacturing Execution System), systemu ERP (Enterprise Resource Planning), dokumentacji wsadów i identyfikowalności.
Szczególnie ważna jest jednoznacznie zdefiniowana logika interfejsów. Dla zasypu, dozowania i wyładunku muszą zostać ustalone stany pracy, zwolnienia, blokady i komunikaty błędów. Typowymi sygnałami są na przykład „gotowość do zasypu”, „zwolnienie dozowania”, „zbiornik pełny”, „wyładunek aktywny”, „instalacja następcza gotowa do przyjęcia”, „usterka” lub „stop awaryjny aktywny”. Sygnały te muszą zostać udokumentowane z jasnym kierunkiem, priorytetem, zachowaniem czasowym i odpowiedzialnością. Trzeba też ustalić, która instalacja przy usterce lub awarii komunikacji przechodzi w stan bezpieczny i jak przebiega ponowny rozruch.
Dla bezpieczeństwa funkcjonalnego należy ująć istniejące łańcuchy stopu awaryjnego, czujniki bezpieczeństwa, drzwi ochronne, strefy bezpieczeństwa, sterowniki bezpieczeństwa oraz wymagane poziomy bezpieczeństwa. Zależnie od oceny ryzyka mogą być istotne poziom zapewnienia bezpieczeństwa (Performance Level) lub poziom nienaruszalności bezpieczeństwa (Safety Integrity Level). Nowy komponent nie może zakłócać istniejącej funkcji bezpieczeństwa i musi być prawidłowo włączony w architekturę bezpieczeństwa całej instalacji. Przy usieciowionych sterowaniach i dostępach do danych należy uwzględnić także wymagania dotyczące cyberbezpieczeństwa przemysłowego. Norma IEC 62443-3-2 opisuje w tym celu podejście oparte na ryzyku, w którym przemysłowe systemy automatyki i sterowania dzieli się na strefy i kanały (conduits), ocenia ryzyka i ustala docelowe poziomy bezpieczeństwa.
Do niezbędnych danych zaopatrzeniowych należą sprężone powietrze, woda, para, media chłodzące i grzewcze, próżnia, gazy obojętne, powietrze wywiewane, odpylanie oraz ewentualnie ścieki. Dla każdego rodzaju medium trzeba znać nie tylko miejsce przyłączenia i średnicę nominalną, lecz także ciśnienie, temperaturę, strumień objętościowy, jakość, dostępność i dopuszczalne wahania. Przy sprężonym powietrzu istotne są na przykład ciśnienie, zużycie szczytowe, jakość powietrza i dostępne przekroje przewodów. Przy centralnych instalacjach odciągowych i odpylających trzeba ocenić strumień objętościowy, dostępne podciśnienie, koncepcję filtracji, obciążenie pyłowe, ochronę przeciwwybuchową, koncepcję powietrza powrotnego oraz wpływ na bilans ciśnienia w pomieszczeniu. Jeżeli konieczna jest inertyzacja, trzeba zdefiniować rodzaj gazu, czystość, poziom ciśnienia, zużycie, nadzór i środki bezpieczeństwa.
Na planowanie integracji wpływają również warunki eksploatacyjne i otoczenia. Należą do nich temperatura otoczenia, wilgotność powietrza, obciążenie pyłem, ryzyko kondensacji lub oblodzenia, strefy czystego pomieszczenia lub higieniczne, strefy zagrożenia wybuchem, dopuszczalne wartości emisji oraz lokalne wymagania BHP. Model zmianowy, okna serwisowe, planowanie produkcji i oczekiwane cele dostępności określają, jak można zorganizować montaż, rozruch, fazy testowe i późniejsze konserwacje.
Poprzedzające i następujące etapy procesu muszą być rozpatrywane jako całościowy system. Dla zasypu ważne są objętości zapasowe, pojemności buforowe, cykle uzupełniania, sposób udostępniania surowców, technika transportu, granice poziomu napełnienia i logika wyłączania. Dla dozowania trzeba znać technikę ważenia, zarządzanie recepturami, protokoły dozowania, koncepcje kalibracji, czasy reakcji i tolerancje. Przy wyładunku muszą być jasno zdefiniowane kolejne etapy przetwarzania, wydajność przyjęcia, bufory, zachowanie przy spiętrzeniu zwrotnym, opróżnianie awaryjne oraz wymagania wobec przekazywania ciągłego lub wsadowego. Problemy integracyjne powstają często nie w samej nowej maszynie, lecz na źle uzgodnionych przejściach między zasypem, dozowaniem, mieszalnikiem, techniką transportu i pakowaniem.
Wymagania normatywne, regulacyjne i dokumentacyjne powinny zostać ustalone już na początku projektu. Należą do nich, zależnie od zastosowania, aktualnie obowiązujące prawo maszynowe, ATEX, prawo dotyczące urządzeń ciśnieniowych, GMP, EHEDG, przepisy prawa żywnościowego, lokalne wymogi budowlane i środowiskowe oraz standardy zakładowe. Dla nowych maszyn do 19 stycznia 2027 roku zasadniczo nadal obowiązuje dyrektywa maszynowa 2006/42/WE; europejskie rozporządzenie maszynowe (UE) 2023/1230 będzie ogólnie stosowane od 20 stycznia 2027 roku. Aktualne schematy R&I, opisy funkcjonalne, schematy elektryczne, dokumentacja E-CAD, analizy ryzyka, instrukcje eksploatacji, historie konserwacji, protokoły usterek oraz znane słabe punkty istniejącej linii są cennymi materiałami do planowania. Pokazują one nie tylko stan docelowy, lecz także rzeczywiste ryzyka eksploatacyjne i powtarzające się wąskie gardła.
Centralną rolę odgrywają jasno zdefiniowane granice zakresu dostawy (Battery Limits). Określają one, w których punktach kończy się odpowiedzialność instalacji istniejącej, a zaczyna odpowiedzialność dostawcy lub integratora nowego komponentu. Battery Limits obejmują przejścia mechaniczne, takie jak kołnierze, rurociągi, organy transportowe, przyłącza konstrukcji stalowej i fundamentów. Dotyczą one również przyłączy medialnych dla prądu, sprężonego powietrza, wody, pary, chłodzenia, gazu obojętnego, powietrza wywiewanego i ścieków, a także interfejsów sterowniczych, bezpieczeństwa i danych. Battery Limits powinny być nie tylko zaznaczone na rysunku, lecz opisane w wiążącej liście interfejsów. Powinny w niej być określone dla każdego punktu przekazania: właściciel, zakres dostawy, dane techniczne, zakres badań, zwolnienia, odpowiedzialność montażową i kryteria odbioru.
Niejasne granice zakresu dostawy prowadzą często do luk w planowaniu rurociągów, konstrukcji stalowej, okablowaniu, logice sterowania, środkach ochronnych i rozruchu. Powstają z tego dodatkowe zlecenia, przesunięcia terminów, unikalne przeplanowania i konflikty interfejsów. Wczesna inwentaryzacja, uzgodniony schemat R&I, techniczna macierz interfejsów oraz wspólny przegląd z produkcją, utrzymaniem ruchu, automatyką, bezpieczeństwem pracy, zapewnieniem jakości i zewnętrznymi dostawcami są zatem decydujące dla bezpiecznej i efektywnej integracji instalacji.
W ten sposób amixon® integruje dozowanie, wyładunek i peryferia przy mieszalniku proszków
Bezpieczna i wydajna integracja instalacji zaczyna się od jasnego zdefiniowania punktów przekazania między zasypem, dozowaniem, mieszalnikiem, wyładunkiem a dalszym przetwarzaniem. Podstawę stanowią specyfikacja wymagań użytkownika (User Requirement Specification, w skrócie URS) operatora oraz kompletne dane dotyczące produktu, wydajności, wielkości wsadu, receptury, przepływu materiału, istniejących przyłączy, warunków ustawienia, sterowania i zaopatrzenia w media. Trzeba przy tym ustalić, które komponenty dostarcza amixon®, które agregaty pochodzą od operatora lub innych dostawców oraz jak wykonane są interfejsy mechaniczne, elektryczne, pneumatyczne i sterownicze.
Po stronie wyładunku organ wyładowczy, czas opróżniania, opróżnianie resztkowe i dalszy transport w decydujący sposób wpływają na całkowitą wydajność linii. Armatura DosiFlap® firmy amixon® może zamykać przestrzeń mieszania z minimalną liczbą stref martwych i wspierać dozowane wydawanie produktu. Zależnie od produktu i wykonania może być stosowana do bezpośredniego napełniania opakowań, big bagów lub kolejnych etapów procesu. Czy sama armatura wyładowcza wystarcza do wystarczająco dokładnego napełniania, zależy od płynności produktu, gęstości nasypowej, ilości wyładowywanej, tolerancji dozowania, koncepcji ważenia i pożądanej powtarzalności. Dla procesów napełniania podlegających legalizacji lub szczególnie precyzyjnych z reguły potrzebny jest dopasowany system ważenia.
Alternatywnie można przewidzieć znormalizowane króćce z klapami wylotowymi, systemy klapowe lub odporne na próżnię i ciśnienie zawory kulowo-segmentowe. Decydujące jest to, aby wybrany organ wyładowczy pasował do produktu, pracy pod ciśnieniem lub próżnią, wymagań containment, strategii czyszczenia oraz geometrii przyłącza instalacji następczej. amixon® opisuje DosiFlap® jako organ wyładowczy uszczelniający z minimalną liczbą stref martwych; przy określonych zastosowaniach możliwe są szybkie opróżnienia oraz podział wyładunku na kilka zbiorników.
Technologia ComDisc® może wspierać opróżnianie, przemieszczając pozostałe resztki produktu pod koniec wyładunku w kierunku wylotu. Może to zwiększyć wydajność produktową, ułatwić zmianę produktu i obniżyć nakład czyszczenia. Według amixon® możliwe są, zależnie od produktu i wykonania, stopnie opróżnienia sięgające około 99,98 procent. Rzeczywiście osiągalne opróżnianie resztkowe musi jednak zostać zweryfikowane z danym produktem, ponieważ zależy od wielkości cząstek, wilgotności, skłonności do przylegania, gęstości nasypowej, ilości produktu i geometrii aparatu.
Do planowania zasypu muszą być znane rodzaj i właściwości surowców, liczba komponentów, technika transportu, zbiorniki zapasowe, pojemności buforowe, systemy odważania i dokładności dozowania. Istotnymi danymi są między innymi gęstość nasypowa, właściwości płynięcia, kohezja, wilgotność, rozkład wielkości cząstek, pylenie, ścieralność i możliwa skłonność do segregacji. Konieczne są również informacje o minimalnych, nominalnych i maksymalnych strumieniach masy, wielkościach wsadów, czasach uzupełniania i zmianach receptury. Informacje te decydują o tym, czy zasyp powinien odbywać się na przykład przez silosy, opróżnianie worków, stacje big bag, przenośniki ślimakowe, transport pneumatyczny czy dozowniki grawimetryczne.
W przypadku ciągłego procesu mieszania dozowanie, mieszalnik i wyładunek muszą być planowane jako spójny system regulacji. Ciągły mieszalnik amixon® typu AMK obrazuje tę zasadę: dozowniki grawimetryczne są uruchamiane na początku jednocześnie z niewielkim strumieniem masy i wzajemnie uzgadniane. Stopień napełnienia najpierw rośnie; napęd mieszalnika uruchamia się przy w przybliżeniu połowie ilości napełnienia. Po osiągnięciu przez dozowniki stacjonarnego punktu pracy i uzyskaniu pożądanego stopnia napełnienia, organ wyładowczy stopniowo się otwiera. W opisanym trybie pracy stopień napełnienia utrzymywany jest na stałym poziomie około 80 procent objętości użytkowej, podczas gdy strumienie dozowania są regulowane w kierunku zwiększenia do docelowego strumienia masy.
Ten przykład pokazuje, że dobór instalacji ciągłej nie kończy się na wyborze poszczególnych komponentów. Potrzebne są uzgodniona logika sterowania, niezawodne pomiary strumieni dozowania, zdefiniowane stany pracy, wystarczające bufory oraz jasna regulacja rozruchu, pracy normalnej, usterki, zmiany produktu i zatrzymania. Dane dotyczące braku strat rozruchowych lub końcowych zależą od zastosowania i powinny być oceniane dla konkretnej receptury, dokładności dozowania i sposobu prowadzenia procesu. amixon® opisuje dla AMK kontrolowany przebieg rozruchu i zatrzymania, który ma ograniczać straty produktu.
W instalacjach wsadowych trzeba wyjaśnić porównywalne kwestie interfejsów. Należą do nich odważanie receptury, kolejność dodawania, zwolnienie zasypu, start procesu mieszania, pobieranie próbek, zwolnienie wyładunku oraz przekazanie do instalacji następczej. Dla każdego interfejsu powinny zostać zdefiniowane sygnały handshake, blokady, reakcje na błędy, maksymalne czasy oczekiwania i warunki ponownego rozruchu. Typowymi sygnałami są na przykład „mieszalnik gotowy do przyjęcia”, „dozowanie zwolnione”, „wsad kompletny”, „wyładunek zwolniony”, „instalacja następcza gotowa do przyjęcia”, „usterka” i „stop awaryjny aktywny”.
Mieszalniki w wykonaniu pionowym mogą ułatwiać włączenie do istniejących linii, ponieważ zasyp od góry i wyładunek ku dołowi często odpowiadają zasadzie grawitacji. Mimo to muszą zostać sprawdzone rzeczywiste stosunki wysokościowe, punkty przekazania, kąty leja, drogi rurociągów, konieczne drogi spadku i właściwości płynięcia produktu. Kompaktowa budowa aparatu nie oznacza automatycznie, że dostępna jest wystarczająca przestrzeń dla techniki transportu, filtrów, dozowników, dostępów serwisowych, przyłączy czyszczących i montażu. Dla wiarygodnego planowania potrzebne są aktualne rysunki rozstawienia, dane 3D lub precyzyjny pomiar na miejscu.
Automatyzacja łączy odważanie, proces mieszania, wyładunek i dokumentację wsadów. Programy mieszania mogą być zapisane w sterowniku PLC i wykonywane dla każdego wsadu z określonymi czasami mieszania, prędkościami obrotowymi, kolejnością dozowania i innymi parametrami procesowymi. Podłączenie do systemów ERP, MES lub nadrzędnych może zostać przewidziane w zależności od projektu, podobnie jak integracja skanerów kodów kreskowych. Dzięki temu surowce, wersje receptur, wsady i parametry procesowe można w sposób możliwy do prześledzenia powiązać ze sobą. Dla analiz OEE potrzebne są ponadto precyzyjne znaczniki czasowe dla zasypu, dozowania, mieszania, opróżniania, czyszczenia, przestojów i zmiany produktu.
To, czy integracja instalacji osiąga pożądaną wydajność, nie powinno być oceniane wyłącznie na podstawie danych konstrukcyjnych. Próby w centrum prób z oryginalnym produktem mogą pomóc z wyprzedzeniem ocenić jakość mieszania, zdolność do dozowania, zachowanie przy opróżnianiu, sypkość, wprowadzanie energii i możliwe wymagania czyszczenia. Wyniki pomagają przy doborze mieszalników, organów dozujących, dróg wyładunku i wstępnych parametrów procesowych. Ostateczna ocena wydajności następuje jednak we współdziałaniu z rzeczywistą linią zasypu, dozowania i wyładunku u operatora.
W środowiskach regulowanych amixon® może udostępnić dokumentację istotną dla kwalifikacji oraz wspierać przy DQ, IQ i OQ. Mogą do niej należeć atesty materiałowe, dane dotyczące powierzchni, dokumentacja spawalnicza, protokoły badań oraz dokumenty dotyczące komponentów mających kontakt z produktem. Wykonanie techniczne może być dostosowane do wymagań specyficznych dla projektu, takich jak zgodne z GMP projektowanie higieniczne, ATEX, EHEDG, wymagania FDA, standardy 3-A Sanitary lub ASME. Ostateczna odpowiedzialność za ocenę regulacyjną, walidację procesu, walidację czyszczenia oraz walidację systemów elektronicznych pozostaje po stronie operatora.
amixon® opracowuje i produkuje według własnych danych w Paderborn i towarzyszy instalacjom przez cały cykl życia poprzez zaopatrzenie w części zamienne, konserwację, modernizację i doposażenie. Dla długoterminowo pewnej eksploatacyjnie integracji decydujące są jednoznaczna dokumentacja komponentów, określona strategia części zamiennych, kontrolowane oprogramowanie sterujące oraz wiarygodne dokumenty interfejsów. Szczególnie pomocna jest wiążąca macierz interfejsów, która dla każdego przekazania mechanicznego, medialnego, elektrycznego i informatycznego określa, kto dostarcza, kto montuje, kto sprawdza i kto przejmuje odpowiedzialność.