Czy instalacje mieszające można modułowo rozbudowywać, np. o dozowanie cieczy lub dodatkowe punkty pomiarowe?
Tak. Przemysłowe instalacje mieszające można często rozbudowywać o dodatkowe moduły dozowania, pomiarowe, automatyzacji i peryferyjne. Czy doposażenie jest sensowne technicznie i wykonalne ekonomicznie, zależy jednak od istniejącej konstrukcji mechanicznej, nośności, dostępnej przestrzeni zabudowy, zasilania w energię i media, wymagań bezpieczeństwa oraz istniejącej architektury sterowania. Im wcześniej opcje rozbudowy zostaną uwzględnione już na etapie planowania, tym łatwiej można zrealizować późniejsze dostosowania.
Częstą rozbudową jest integracja dozowania cieczy. Stosuje się ją do kontrolowanego wprowadzania do procesu mieszania wody, olejów, spoiw, aromatów, dodatków, roztworów substancji czynnych lub innych składników płynnych. Wybór systemu dozowania zależy od lepkości, temperatury, ilości dozowania, dokładności dozowania, wymagań dotyczących czyszczenia, kompatybilności chemicznej oraz ewentualnej ochrony przeciwwybuchowej. Do zadań dozowania ciągłego lub powtarzalnego nadają się na przykład wolumetryczne systemy pompowe, takie jak pompy zębate, mimośrodowe (ślimakowe), membranowe lub perystaltyczne. Jeśli wymagany jest szczególnie dokładny bilans masowy, można zastosować systemy grawimetryczne z czujnikami tensometrycznymi lub pomiarem przepływu. Przepływomierze masowe Coriolisa mogą mierzyć masę i gęstość, natomiast przepływomierze magnetyczno-indukcyjne nadają się dla cieczy o wystarczającej przewodności elektrycznej.
Miejsce wtrysku i sposób wprowadzania muszą być dostosowane do danego procesu mieszania. Niekorzystnie umieszczona lanca cieczy może powodować miejscowe przewilgocenie, aglomeraty, przywieranie lub nierównomierny rozkład. Ciecz powinna być zatem wprowadzana w miarę możliwości w strefę produktu o wystarczającym ruchu. W przypadku drobnych, pylących lub higroskopijnych proszków decydujące dla wyniku mogą być ponadto wielkość kropli, kierunek rozpylania, temperatura cieczy, prędkość dozowania oraz, w razie potrzeby, sposób atomizacji. Przed doposażeniem sensowne są zatem próby z rzeczywistym produktem, w szczególności gdy dodanie cieczy zmienia strukturę cząstek, sypkość, homogeniczność lub zdolność do czyszczenia.
Także dodatkowe punkty pomiarowe można doposażyć, jeśli istnieją lub można stworzyć odpowiednie miejsca montażu. Czujniki temperatury, takie jak czujniki Pt100 lub Pt1000, mogą służyć do monitorowania temperatury produktu, chłodzenia, ogrzewania lub możliwych procesów reakcji. Do oznaczania wilgotności, w zależności od produktu i zadania pomiarowego, stosuje się metody mikrofalowe, pojemnościowe lub oparte na bliskiej podczerwieni. Czujniki ciśnienia i próżni są istotne szczególnie w zamkniętych procesach mieszania, przy suszeniu próżniowym, inertyzacji lub pracy pod nadciśnieniem. W przypadku mediów ciekłych lub pastowatych sensowne mogą być dodatkowo pomiary pH lub przewodności. Moment obrotowy, pobór prądu lub moc napędu mieszadła mogą dostarczać wskazówek dotyczących stopnia napełnienia, konsystencji produktu, tarcia, postępu mieszania lub możliwego przywierania, nie są jednak uniwersalnymi i samodzielnie wystarczająco wiarygodnymi wskaźnikami jakości.
Mechaniczna integracja dodatkowych czujników powinna być przeprowadzona w taki sposób, aby zachować możliwość czyszczenia, bezpieczeństwo produktu i szczelność. W zastosowaniach wrażliwych higienicznie szczególnie ważne są odpowiednie króćce montażowe, przyłącza czujników montowane w licu oraz konstrukcje o niskim udziale martwych przestrzeni. Połączenia Tri-Clamp lub przyłącza kołnierzowe mogą umożliwiać standaryzowaną integrację; ich przydatność zależy jednak od stopnia ciśnienia, pracy pod próżnią, metody czyszczenia, materiałów i koncepcji higienicznej. Zarezerwowane już w podstawowym planowaniu przyłącza rezerwowe, kołnierze ślepe i wolne pozycje montażowe znacznie zmniejszają nakład późniejszego doposażenia.
Dla rozszerzenia różnorodności receptur można dodać także moduły dozowania ciał stałych. Należą do nich na przykład silosy, stacje opróżniania worków lub big-bagów, przenośniki ślimakowe, rynny wibracyjne, wagi dozujące różnicowe, mikrodozowniki lub stanowiska ręcznego załadunku. Umożliwiają one zautomatyzowane lub częściowo zautomatyzowane podawanie składników głównych i drobnych. Przy planowaniu należy uwzględnić zachowanie płynięcia, sklepianie, ryzyko rozdzielania frakcji, powstawanie pyłu, ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego, możliwość czyszczenia oraz dokładne ważenie poszczególnych wsadów surowców. Szczególnie w przypadku składników drobnych dokładność dozowania może mieć istotny wpływ na jakość produktu.
Instalacje mieszające mogą być ponadto uzupełniane o dalsze moduły procesowe. W zależności od produktu i celu procesowego wchodzą w grę na przykład przesiewacze, separatory magnetyczne, rozdrabniacze grudek, homogenizatory, systemy chłodzące lub grzewcze, urządzenia próżniowe, instalacje odpylające, jednostki filtracyjne, technika transportowa lub systemy napełniania. Rozbudowa często zmienia jednak nie tylko przepływ materiału, lecz także wymagania wobec sterowania, koncepcji bezpieczeństwa, strategii czyszczenia i konserwacji. Przed realizacją należy więc sprawdzić, czy nowy komponent rzeczywiście zwiększa wydajność instalacji mieszającej, czy jedynie przesuwa dotąd niewidoczne wąskie gardło na inny etap procesu.
Obok mechaniki kluczową częścią każdego doposażenia jest integracja sterowania. Dodatkowe pompy, zawory, wagi i czujniki wymagają wolnych wejść i wyjść, wystarczająco wymiarowanych pojemności szafy sterowniczej, odpowiednich węzłów magistrali polowej, zasilania energetycznego oraz, w razie potrzeby, sprężonego powietrza, wody chłodzącej, pary, próżni lub mediów czyszczących. Typowe interfejsy automatyzacji obejmują na przykład PROFINET, EtherCAT, Profibus (Process Field Bus) i IO-Link. Do pionowej integracji danych z systemami nadrzędnymi, takimi jak SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning) lub platformami analitycznymi, można wykorzystać OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). Odpowiedni interfejs zależy od istniejącego środowiska sterowania, zapotrzebowania na komunikację w czasie rzeczywistym, wymagań bezpieczeństwa oraz pożądanego modelu danych.
Modułowa struktura oprogramowania pomaga w kontrolowanej integracji rozbudów. Moduły procesowe, takie jak skidy dozujące, mogą być wykonane jako samodzielne moduły funkcjonalne z jasno zdefiniowanymi interfejsami, stanami eksploatacyjnymi, komunikatami i usługami. Module Type Package, w skrócie MTP, wspiera neutralny wobec producenta opis funkcji i interfejsów takich modułów procesowych. MTP może zostać zaimportowany do inżynierii systemu sterowania procesem, ułatwiając tym samym integrację zestandaryzowanych modułów. Podejście to zostało opisane w wytycznej VDI/VDE/NAMUR 2658; MTP jest ponadto rozwijane przez NAMUR i ZVEI jako element modułowej automatyzacji procesów.
Dla procesów produkcyjnych zorientowanych na wsady sensowne jest dostosowanie struktury sterowania i receptur do normy ISA-88. Norma ta dostarcza modele i pojęcia dla sterowania wsadowego oraz opisuje między innymi receptury, procedury, fazy procesu i moduły wyposażenia. Ułatwia to przejrzyste przyporządkowanie nowych modułów dozowania lub pomiarowych do receptur, wsadów i etapów procesu. Rozbudowy nie muszą dzięki temu koniecznie wywoływać całkowitego przeprogramowania instalacji; wymagają jednak zawsze specyfikacji technicznej, jasnego projektu interfejsów oraz kwalifikowanych testów zmienionych funkcji.
Dla ekonomicznego doposażenia, obok mechanicznych przyłączy rezerwowych, powinny być przewidziane rezerwy w sterowaniu, zasilaniu energetycznym, szafie sterowniczej, sieci, sprężonym powietrzu i przewodach medialnych. Równie ważne są aktualna dokumentacja instalacji i dokumentacja elektryczna, jasno ustrukturyzowana architektura oprogramowania, aktualne schematy R&I, ważne oceny bezpieczeństwa oraz jednoznaczna dokumentacja istniejącej sensoryki i interfejsów. Nowe wartości pomiarowe muszą zostać zintegrowane z wizualizacją, zarządzaniem alarmami, zarządzaniem recepturami, przechowywaniem danych oraz, w razie potrzeby, z oceną jakości. Jeśli krytyczne parametry procesowe są uzupełniane lub zmieniane, przed wdrożeniem produkcyjnym należy ustalić zakres pomiarowy, dokładność, kalibrację, konserwację, jakość danych oraz interpretację wartości pomiarowych.
W branżach regulowanych rozbudowy muszą przebiegać poprzez udokumentowaną procedurę kontroli zmian (Change Control). Zmiana powinna zostać oceniona pod kątem bezpieczeństwa produktu, zdolności procesu, czyszczenia, containment, integralności danych, kwalifikacji i statusu walidacji. W zależności od wpływu konieczne mogą być dostosowania analizy ryzyka, SOP, dokumentacji technicznej, oprogramowania sterującego, procedur czyszczenia oraz częściowe lub ponowne kwalifikacje. FDA wskazuje, że zmiany specyfikacji, metod, procesów lub procedur muszą zostać zweryfikowane przed ich wdrożeniem i, w razie potrzeby, zwalidowane; w przypadku zmian lub odchyleń procesowych proces należy ocenić i w razie potrzeby ponownie zwalidować.
Modułowość i możliwość doposażenia w amixon®
Instalacje mieszające amixon® mogą być zaprojektowane pod kątem zmiennych wielkości wsadów, receptur i wymagań procesowych. Przy odpowiednim doborze produktu i procesu ten sam mieszalnik może przetwarzać różne stopnie napełnienia bez konieczności przebudowy mechanicznej. Nie jest to jednak rozbudowa modułowa, lecz wyraz wystarczająco szerokiego, potwierdzonego próbami zakresu eksploatacyjnego. Osiągalna jakość mieszania zależy przy tym zawsze od właściwości stosowanych proszków, stopnia napełnienia, receptury, kolejności dozowania i wybranych parametrów procesowych.
Intensywność mieszania można, w zależności od wykonania urządzenia, dostosowywać za pomocą czasu mieszania, prędkości obrotowej, konfiguracji narzędzi i dodatkowych organów procesowych. Profile mieszania, dozowania i temperatury mogą być zapisane w recepturach opartych na sterowniku PLC i wykonywane w sposób powtarzalny dla poszczególnych wsadów. W określonych zastosowaniach można stosować rotory tnące lub narzędzia typu high-shear do deaglomeracji lub lepszego wprowadzania cieczy. Czy bardziej intensywna obróbka jest sensowna, należy sprawdzić na podstawie produktu, ponieważ wrażliwe cząstki lub granulki mogą zostać zmienione pod wpływem zwiększonych sił ścinających.
Rozbudowa modułowa dotyczy dodatkowych modułów funkcjonalnych na istniejącej instalacji mieszającej lub wewnątrz niej. Należą do nich na przykład dozowanie cieczy za pomocą lanc dozujących lub dysz dwuczynnikowych, dodatkowa sensoryka i punkty pomiarowe, płaszcze temperujące, przyłącza próżniowe, rotory tnące, lance myjące, funkcje WIP lub CIP oraz organy wyładunkowe i dozujące, takie jak DosiFlap®. Takie rozbudowy można zrealizować szczególnie efektywnie, jeśli zostały już uwzględnione w pierwotnej konstrukcji. Przyłącza rezerwowe, wolne pozycje montażowe, przygotowane króćce, odpowiednio wymiarowane przewody medialne, rezerwy przestrzeni, dodatkowe pojemności I/O oraz skalowalna architektura sterowania znacznie zmniejszają późniejszy nakład konstrukcyjny i automatyzacyjny.
Jeśli takie przygotowania nie istnieją, doposażenie może mimo to być technicznie wykonalne. Nakład wówczas rośnie, ponieważ konieczne jest na przykład stworzenie nowych punktów przyłączeniowych, konstrukcyjne dostosowanie zbiornika mieszającego, uzupełnienie rurociągów, rozbudowa sterowania i funkcji bezpieczeństwa lub ponowna ocena środków ochrony przeciwwybuchowej i możliwości czyszczenia. W branżach regulowanych dodatkowo konieczne mogą być kontrola zmian (Change Control), dostosowania analizy ryzyka, aktualizacje dokumentacji oraz częściowe lub ponowne kwalifikacje. amixon® może wspierać użytkowników przy doposażeniach, dostosowaniach procesowych i modernizacjach istniejących instalacji.
Doposażenie dozowania cieczy musi być zaprojektowane odpowiednio do produktu i procesu. Położenie miejsca dodawania, wielkość kropli, prędkość dozowania, charakterystyka rozpylania, temperatura cieczy oraz istniejące przepływy produktu wpływają na to, czy ciecz zostanie równomiernie rozprowadzona, czy też powstanie miejscowe przewilgocenie, aglomeraty i przywieranie. Dodatkowe punkty pomiarowe powinny być zintegrowane w taki sposób, aby zachować szczelność, możliwość czyszczenia oraz, w razie potrzeby, containment. Mogą one rejestrować na przykład temperaturę, wilgotność, ciśnienie, próżnię, poziom napełnienia, moment obrotowy lub inne wielkości procesowe. Przed wdrożeniem należy jednoznacznie ustalić, jaką korzyść procesową lub jakościową ma przynieść dodatkowy pomiar oraz w jaki sposób dane zostaną włączone do sterowania, dokumentacji i analizy.
Wymiana na większą lub mniejszą instalację mieszającą nie jest rozbudową modułową, lecz dostosowaniem wydajności. Przeniesienie receptur lub parametrów procesowych na inną wielkość konstrukcyjną musi zostać sprawdzone procesowo. Nawet przy zastosowaniu tej samej zasady mieszania mogą się zmieniać warunki przepływu, stopień napełnienia, prędkość obwodowa, wymiana ciepła, zachowanie dozowania, czas mieszania i opróżnianie. Dla większych wydajności alternatywą w przypadku mieszalnika kontenerowego mogą być dodatkowe pojemniki Mixtainer®, umożliwiające organizacyjne rozdzielenie ważenia, mieszania, transportu i napełniania. Rzeczywisty wzrost wydajności zależy jednak od logistyki pojemników, czasu czyszczenia, procesów zwalniania i kolejnych etapów procesu.
Skuteczność planowanej rozbudowy powinna być sprawdzona z użyciem oryginalnego produktu. W lokalizacjach centrów prób amixon® można w warunkach zbliżonych do rzeczywistych ocenić między innymi jakość mieszania, rozprowadzenie cieczy, obciążenie produktu, strukturę cząstek, zachowanie sypkie, wprowadzanie energii, opróżnianie i możliwość czyszczenia. Udokumentowane wyniki wspierają techniczny dobór doposażenia i zmniejszają ryzyko przed wdrożeniem. Nie zastępują one jednak odbioru przebudowanej instalacji oraz, w razie potrzeby, kwalifikacji lub walidacji w późniejszej eksploatacji produkcyjnej.
Dla powtarzalności i identyfikowalności programy mieszania z czasami mieszania, prędkościami obrotowymi, sekwencjami dozowania i profilami temperaturowymi mogą być zapisane w sterowniku PLC. Można przewidzieć połączenie specyficzne dla danego projektu z systemami ERP, MES lub innymi systemami nadrzędnymi. Identyfikacja materiałów i wsadów wspomagana kodami kreskowymi może łączyć ze sobą recepturę, wsad i parametry procesowe. Aby dane te mogły być wykorzystywane do identyfikowalności wsadów, analizy OEE lub ocen jakościowych, konieczne jest jasne określenie interfejsów, modelu danych, znaczników czasu, uprawnień użytkowników, integralności danych oraz sposobu postępowania z błędami transmisji.
W środowiskach regulowanych amixon® może udostępniać dokumentację techniczną do kwalifikacji oraz wspierać użytkowników przy DQ, IQ i OQ. Instalacja może zostać wykonana z uwzględnieniem wymagań specyficznych dla danego projektu, takich jak zgodny z GMP hygienic design, ATEX, EHEDG, wymagania FDA, normy 3-A Sanitary lub ASME. Odpowiedzialność za ocenę regulacyjną, walidację procesu i czyszczenia oraz walidację systemów skomputeryzowanych, a w razie potrzeby także 21 CFR Part 11, pozostaje po stronie użytkownika.
amixon® towarzyszy instalacjom, według własnych danych, poprzez konserwację, modernizację, doposażenie i długoterminowe zaopatrzenie w części zamienne. Trwała strategia rozbudowy wymaga przy tym zawsze aktualnej dokumentacji technicznej, kontrolowanych wersji oprogramowania, możliwych do prześledzenia list komponentów oraz wczesnego uzgodnienia w zakresie krytycznych części zamiennych, przyłączy medialnych i interfejsów.