Czy istnieją mieszalniki przemysłowe ze zintegrowanym sterowaniem recepturami i rejestracją danych procesowych zgodnie ze standardami Przemysłu 4.0?
Tak. Nowoczesne mieszalniki przemysłowe mogą być wyposażone w zintegrowane sterowanie recepturami, rejestrację danych procesowych oraz znormalizowane interfejsy. Czy dany system rzeczywiście spełnia pożądane funkcje Przemysłu 4.0, zależy jednak od konkretnej architektury automatyzacji, interfejsów, modeli danych, środków bezpieczeństwa oraz integracji z istniejącym środowiskiem IT i OT.
Sterowanie recepturami jest zazwyczaj realizowane w sterowniku PLC (programowalnym sterowniku logicznym) z podłączonym panelem HMI lub komputerem przemysłowym. Może ono w sposób kontrolowany wykonywać etapy procesu wsadu, na przykład dozowanie, napełnianie, mieszanie, doprowadzanie do temperatury, utrzymywanie, opróżnianie i czyszczenie. W wielu zastosowaniach strukturyzacja procesów wsadowych opiera się na normie ISA-88 lub IEC 61512. Norma ta wspiera rozdzielenie między informacjami związanymi z produktem i procesem z jednej strony a zdolnościami związanymi z instalacją z drugiej strony. Dzięki temu receptury, dopuszczalne zakresy parametrów, kolejność dodawania składników, czasy mieszania, prędkości obrotowe, profile temperaturowe i wielkości wsadów mogą być zarządzane w sposób ustrukturyzowany, bez konieczności zmiany programu sterownika PLC przy każdej modyfikacji.
W praktyce receptura podstawowa (general recipe), receptura zakładowa (site recipe), receptura wzorcowa (master recipe) i receptura sterująca (control recipe) mogą odwzorowywać różne poziomy zarządzania recepturami. Receptura podstawowa opisuje ogólną logikę wytwarzania produktu. Receptura zakładowa uzupełnia ją o wytyczne specyficzne dla danej lokalizacji. Receptura wzorcowa konkretyzuje wytwarzanie dla określonej instalacji lub środowiska produkcyjnego, natomiast receptura sterująca zawiera informacje sterujące niezbędne do faktycznego wykonania wsadu. To, które z tych poziomów zostaną wdrożone, zależy od złożoności, modelu produkcji i istniejącego środowiska systemowego.
Sterowanie recepturami powinno chronić zatwierdzone wersje receptur, dokumentować zmiany w sposób możliwy do prześledzenia oraz ograniczać dostęp do funkcji i parametrów w oparciu o ryzyko. Systemy kodów kreskowych lub RFID (Radio-Frequency Identification) mogą identyfikować surowce, opakowania, wsady i receptury, zmniejszając w ten sposób ryzyko pomyłek. Bezpośrednie połączenie z systemem MES (Manufacturing Execution System) może umożliwiać automatyczne przekazywanie zleceń produkcyjnych, zatwierdzeń receptur, informacji o materiałach i danych wsadów. Decydujące znaczenie ma to, aby transmisja danych, przyporządkowanie identyfikatorów oraz sposób postępowania z wyjątkami były jednoznacznie zdefiniowane.
Rejestracja danych procesowych obejmuje zazwyczaj istotne dane pomiarowe i zdarzeniowe z procesu mieszania. Należą do nich na przykład prędkość obrotowa, moment obrotowy, prąd silnika, temperatura, ciśnienie, próżnia, poziom napełnienia, masa, wilgotność, wibracje, położenia zaworów, stany eksploatacyjne, alarmy oraz znaczniki czasu poszczególnych faz procesu. Dobór danych powinien być dostosowany do krytycznych parametrów procesowych, wymagań jakościowych, koncepcji utrzymania ruchu oraz przewidzianego celu analizy. Nie każda dostępna wielkość pomiarowa automatycznie generuje wartość dodaną; zbyt duża ilość danych pozbawionych kontekstu może wręcz utrudniać analizy.
Dla zapewnienia identyfikowalności szeregi czasowe i zdarzenia muszą być powiązane z jednoznacznym identyfikatorem wsadu (batch ID), identyfikatorem produktu, wersją receptury, oznaczeniem instalacji i fazą procesu. Dzięki temu można prześledzić, jakie surowce, wartości zadane, wartości rzeczywiste, interwencje operatora, alarmy i dane jakościowe należą do danego wsadu. Dane mogą być przechowywane w systemie historian, MES, Manufacturing Data Lake lub innej odpowiedniej platformie danych. Ważne są niezawodna synchronizacja znaczników czasu, kontrolowane przechowywanie oraz udokumentowane pochodzenie danych.
Dla integracji maszyn i systemów ważnym standardem stał się OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). Architektura ta umożliwia międzyproducencką i semantycznie ustrukturyzowaną wymianę danych przemysłowych. OPC UA może udostępniać dane z poziomu polowego i sterowania systemom SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), MES, ERP (Enterprise Resource Planning) lub platformom analitycznym. Dodatkowo mogą być stosowane inne protokoły, takie jak Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP lub MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Protokoły te pełnią jednak różne zadania: Profinet, EtherNet/IP i Modbus TCP są często wykorzystywane do komunikacji na poziomie automatyzacji, natomiast OPC UA i MQTT mogą być szczególnie odpowiednie do ustrukturyzowanego połączenia z nadrzędnymi aplikacjami IT, IIoT lub chmurowymi. Wybór powinien być dostosowany do zapotrzebowania na komunikację w czasie rzeczywistym, interoperacyjności, wymagań bezpieczeństwa oraz istniejącego modelu danych.
Edge computing może w sensowny sposób uzupełniać architekturę danych. Polega to na wstępnym przetwarzaniu, filtrowaniu, sprawdzaniu wiarygodności lub agregacji danych bezpośrednio przy maszynie lub w jej bezpośrednim sąsiedztwie. Może to odciążać sieci i centralne systemy IT oraz pomagać w tymczasowym buforowaniu istotnych danych podczas przerw w połączeniu. Jednocześnie musi być uregulowane, które dane są zachowywane jako dane surowe, jakie obliczenia są wykonywane na brzegu sieci (edge), jak kontrolowane są zmiany oprogramowania oraz w jaki sposób dane są następnie w pełni i poprawnie przekazywane do systemów nadrzędnych.
Dzięki powiązaniu danych receptur, wsadów i procesów mieszalniki przemysłowe mogą zostać włączone w ciągły łańcuch informacyjny od urządzenia polowego, poprzez sterowanie, SCADA i MES, aż po system ERP. Umożliwia to między innymi obliczanie wskaźników OEE, analizę czasów przejścia oraz priorytetyzację przyczyn przestojów. W procesie mieszania istotne są przede wszystkim czasy dozowania, napełniania, mieszania, opróżniania, zmiany produktu i czyszczenia. Jeśli fazy te są prawidłowo rejestrowane, można w zróżnicowany sposób analizować wąskie gardła i czasy strat. Warunkiem jest, aby czasy planowane i nieplanowane oraz odpowiednie przyczyny przestojów były jednoznacznie zdefiniowane w całym zakładzie.
Także konserwacja oparta na stanie technicznym lub predykcyjna może być wspierana przez dane procesowe. Dane trendowe dotyczące momentu obrotowego, prądu silnika, wibracji, temperatury, czasu pracy i cykli przełączania mogą wskazywać na zmienione stany eksploatacyjne lub zużycie. Wiarygodna koncepcja predictive maintenance wymaga jednak czegoś więcej niż samego gromadzenia danych z czujników. Potrzebne są odpowiednie punkty pomiarowe, wystarczająca jakość danych, znane mechanizmy awarii, zdefiniowane granice ostrzegawcze i interwencyjne oraz proces utrzymania ruchu, który na podstawie wykrytych nieprawidłowości wyprowadza konkretne działania.
Cyfrowy bliźniak (digital twin) może być pomocny przy projektowaniu, symulacji i optymalizacji procesu mieszania. Jego użyteczność zależy od stopnia dojrzałości modelu. Prosty model może odwzorowywać receptury, wydajności i czasy przejścia; bardziej zaawansowany bliźniak może uwzględniać właściwości substancji, kinetykę mieszania, wprowadzanie energii lub efekty skalowania. Wiarygodne przeniesienie z skali laboratoryjnej na produkcyjną wymaga w każdym przypadku prób i weryfikacji odniesionej do konkretnego zastosowania, ponieważ geometria, stopień napełnienia, obciążenie ścinające i warunki przepływu nie mogą zostać w pełni odwzorowane przez ogólny model danych.
Zdalny dostęp może ułatwiać diagnostykę, wsparcie ze strony producenta, konserwację oprogramowania i monitorowanie wydajności. Nie powinien być on jednak realizowany jako trwale otwarte połączenie. W przypadku przemysłowych systemów sterowania wytyczne bezpieczeństwa zalecają logiczne, a w miarę możliwości również fizyczne rozdzielenie sieci produkcyjnej i sieci przedsiębiorstwa, jasno udokumentowane i możliwie nieliczne punkty dostępu, restrykcyjne reguły zapory sieciowej (firewall) oraz zasadę minimalnych uprawnień. Dostępy zdalne powinny być ograniczone czasowo, zatwierdzane, szyfrowane, rejestrowane i w razie potrzeby dodatkowo zabezpieczone uwierzytelnianiem wieloskładnikowym.
Bezpieczeństwo danych i zgodność z przepisami wymagają wielowarstwowej koncepcji. OPC UA może wspierać szyfrowanie, ochronę integralności oraz identyfikację użytkowników i aplikacji. Bezpieczne kanały (secure channels) mogą podpisywać i szyfrować komunikaty; do logowania użytkowników OPC UA obsługuje między innymi nazwę użytkownika i hasło, certyfikaty X.509 lub tokeny JSON Web Token. Rzeczywisty poziom bezpieczeństwa zależy jednak od bezpiecznej konfiguracji, zarządzania certyfikatami, zarządzania użytkownikami, zarządzania poprawkami i podatnościami, segmentacji sieci oraz monitorowania systemów.
W branżach regulowanych, takich jak farmacja czy przemysł spożywczy, obok technicznego połączenia sieciowego trzeba uwzględnić także integralność danych, koncepcje uprawnień, ścieżki audytu, zatwierdzenia, przechowywanie danych oraz w razie potrzeby walidację systemów skomputeryzowanych. Jeśli zapisy elektroniczne lub podpisy elektroniczne podlegają obowiązującym przepisom FDA, należy sprawdzić i wdrożyć odpowiednie wymagania z 21 CFR Part 11. Zintegrowane sterowanie recepturami samo w sobie nie oznacza więc automatycznie zgodności z GMP lub Part 11. Taka zgodność powstaje dopiero dzięki współdziałaniu odpowiedniego projektu systemu, udokumentowanej oceny ryzyka, zwalidowanych funkcji, kontrolowanych przebiegów pracy oraz rzeczywiście stosowanego zarządzania jakością.
Mieszalniki przemysłowe ze sterowaniem recepturami i rejestracją danych procesowych są stosowane przede wszystkim tam, gdzie wymagana jest stała jakość produktu, pełna identyfikowalność wsadów oraz wysoka przejrzystość procesu. Należą do nich między innymi przemysł chemiczny, produkcja farmaceutyczna, przemysł spożywczy i paszowy, przetwórstwo tworzyw sztucznych, produkcja baterii i materiałów oraz producenci mineralnych materiałów budowlanych. Konkretne rozwiązanie techniczne powinno być zawsze wyprowadzone z danego zadania mieszania, ryzyka dla produktu i użytkownika oraz z wymagań istniejących systemów produkcyjnych i IT.
Integracja z Przemysłem 4.0 w amixon®: sterowanie recepturami, połączenie danych i identyfikowalność
Mieszalniki amixon® mogą być dostarczane ze sterowaniem opartym na sterowniku PLC oraz automatyzacją zaprojektowaną specyficznie dla danego projektu. W sterowniku można zapisać programy mieszania lub receptury, za pomocą których parametry procesowe, takie jak czas mieszania, prędkość obrotowa, kolejność dozowania, profil temperaturowy, stopień napełnienia lub inne specyficzne dla zastosowania wartości zadane, mogą być realizowane w sposób kontrolowany i powtarzalny. Konkretna głębokość funkcjonalna sterowania recepturami jest przy tym ustalana na podstawie specyfikacji wymagań użytkownika (User Requirement Specification) operatora. Zależy ona między innymi od produktu, złożoności procesu, otoczenia regulacyjnego, istniejących systemów automatyzacji oraz wymagań dotyczących dokumentacji wsadów.
Połączenie z systemem ERP operatora może być przewidziane w sposób specyficzny dla danego projektu. Skanery kodów kreskowych mogą być również zintegrowane w celu identyfikacji surowców, opakowań, receptur i wsadów oraz przyporządkowania danych procesowych do jednoznacznego wsadu. Dzięki temu można wspierać ciągłą dokumentację wersji receptury, numeru wsadu, wartości zadanych i rzeczywistych, interwencji operatora oraz wybranych zdarzeń procesowych. Warunkiem wiarygodnej identyfikowalności jest jasne zdefiniowanie w projekcie odpowiednich modeli danych, interfejsów, zakresów odpowiedzialności i reguł wyjątków.
amixon® projektuje urządzenia na podstawie danej specyfikacji URS. Dotyczy to, obok doboru mechanicznego i procesowego, także automatyzacji i połączenia danych. To, jakie dane procesowe mają być rejestrowane, ustalane jest wspólnie z operatorem. W zależności od zadania mieszania i celu mogą do nich należeć na przykład moment obrotowy, prędkość obrotowa, temperatura, ciśnienie, próżnia, wilgotność, czasy pracy, cykle, poziomy napełnienia, ilości dozowania, położenia zaworów lub komunikaty alarmowe i statusowe. Określane jest również, za pomocą jakich interfejsów dane są przekazywane do systemu nadrzędnego, historian, MES, systemu ERP lub platformy analitycznej.
Takie podejście specyficzne dla projektu może pomóc w dopasowaniu automatyzacji do istniejącego środowiska systemowego operatora. Decydujące znaczenie ma nie samo udostępnienie interfejsu, lecz udokumentowana i funkcjonalnie sprawdzona integracja danych. Należą do niej między innymi model danych, jakość danych, znaczniki czasu, przyporządkowanie wsadów, dostępność komunikacji, koncepcja uprawnień oraz kontrolowany sposób postępowania z błędami transmisji i awariami systemu.
W branżach regulowanych, takich jak farmacja czy przemysł spożywczy, amixon® może udostępniać dokumentację techniczną istotną dla kwalifikacji oraz wspierać operatora przy kwalifikacji projektowej, kwalifikacji instalacyjnej i kwalifikacji funkcjonalnej. Wykonanie techniczne i dokumentacja mogą być przy tym dostosowane do wymagań GMP specyficznych dla danego projektu. Jeśli zapisy elektroniczne lub podpisy elektroniczne są stosowane w zakresie objętym 21 CFR Part 11, uprawnienia użytkowników, ścieżki audytu, podpisy elektroniczne, zabezpieczenie danych, archiwizacja oraz długoterminowa dostępność istotnych danych muszą zostać uwzględnione w koncepcji walidacji operatora. amixon® może wspierać wymagane funkcje automatyzacji i interfejsy w uzgodnionym zakresie projektu. Odpowiedzialność za zgodność z GMP, walidację całego systemu oraz spełnienie obowiązujących wymagań regulacyjnych pozostaje jednak po stronie operatora.
Dane eksploatacyjne, takie jak czasy pracy, liczba wsadów, cykle, przebiegi momentu obrotowego, prąd silnika, alarmy i przyczyny przestojów, mogą stanowić ważną podstawę dla konserwacji opartej na stanie technicznym. Regularne inspekcje i konserwacja zapobiegawcza pomagają długoterminowo zapewnić dostępność instalacji mieszającej. amixon® oferuje, według własnych danych, na życzenie również wsparcie przy koncepcjach predictive maintenance. Czy i w jakim zakresie ma to sens, zależy od dostępnych wielkości pomiarowych, typowych mechanizmów awarii, jakości danych oraz włączenia w organizację utrzymania ruchu operatora. Wymagane dane i rozwiązanie techniczne powinny być zatem ustalone w ramach projektowania. amixon® wymienia regularne inspekcje, konserwację zapobiegawczą oraz na życzenie predictive maintenance jako elementy swojej oferty serwisowej.
Cechy konstrukcyjne, takie jak mieszadło łożyskowane wyłącznie powyżej przestrzeni mieszania oraz niska prędkość obrotowa, mogą zmniejszać nakład na konserwację i liczbę uszczelnień mających kontakt z produktem. Nie zastępują one jednak konserwacji opartej na stanie technicznym. Wysoka dostępność instalacji wynika ze współdziałania odpowiedniej konstrukcji, doboru dostosowanego do produktu, fachowej obsługi, planowanej konserwacji, wystarczającego zaopatrzenia w części zamienne oraz konsekwentnej analizy danych eksploatacyjnych.
amixon® projektuje i produkuje, według własnych danych, w lokalizacji w Paderborn. Scentralizowana produkcja może wspierać jednolitą kontrolę jakości, przyporządkowanie dokumentacji technicznej oraz dokumentację komponentów specyficznych dla danego projektu. Dla operatorów szczególnie istotne jest, aby informacje materiałowe, rysunki, protokoły badań, listy komponentów i zmiany pozostawały w sposób kontrolowany możliwe do prześledzenia. Długoterminowe ponowne wytworzenie poszczególnych elementów zależy, obok dokumentacji technicznej, także od dostępności odpowiednich materiałów, komponentów zakupowych oraz obowiązujących wymagań bezpieczeństwa lub regulacyjnych.
Do sprawdzenia procesów mieszania przed inwestycją w centrum prób amixon® w Paderborn dostępnych jest ponad 30 urządzeń testowych w różnych wielkościach. Według danych firmy, dodatkowe centra prób i regionalne możliwości testowe istnieją w Stanach Zjednoczonych, Chinach, Japonii, Indiach, Tajlandii i Korei Południowej. Próby mogą być przeprowadzane z użyciem oryginalnego produktu w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. W zależności od zadania można w ten sposób zbadać jakość mieszania, łagodność wobec produktu, wprowadzanie energii, zachowanie podczas opróżniania, możliwość czyszczenia oraz możliwość przeniesienia na skalę produkcyjną.
Próby w centrum prób dostarczają ważnych informacji do doboru urządzenia, projektowania procesu oraz definiowania pierwszych parametrów receptury i procesu. Wyniki mogą być dokumentowane i oceniane wspólnie z operatorem. Zmniejszają one ryzyko techniczne i ekonomiczne przed inwestycją, nie zastępują jednak wymaganych odbiorów, kwalifikacji instalacji oraz walidacji procesu w późniejszym środowisku produkcyjnym.
amixon® uzupełnia dostawę instalacji o usługi serwisowe, takie jak konserwacja, modernizacja, doposażenie i zaopatrzenie w części zamienne. Według danych firmy części zamienne są utrzymywane w lokalizacjach Paderborn, Japonia i USA w celu skrócenia czasów przestoju. Konkretną dostępność danej części zamiennej oraz czas dostawy dla komponentów krytycznych należy wiążąco uzgodnić w ramach strategii części zamiennych lub umowy serwisowej.