Какие варианты существуют для модульной конструкции с целью адаптации установок к меняющимся продуктам?
Модульная конструкция может облегчать адаптацию установки к меняющимся продуктам, рецептурам и производительности. Однако она не является самоцелью и не гарантирует в общем виде, что любую функцию впоследствии можно будет быстро заменить. Установка действительно модульна только тогда, когда её механические, связанные со средами, электрические, управляющие и связанные с безопасностью интерфейсы уже на этапе планирования были однозначно определены, задокументированы и достаточно рассчитаны. Если этих предпосылок нет, дооснащение зачастую остаётся возможным, но представляет собой скорее переоборудование с соответствующими затратами на инжиниринг, проверку, простой и при необходимости квалификацию.
В технологической промышленности особенно целесообразны чётко разграниченные функциональные единицы. К ним могут относиться модули дозирования, подачи жидкости, смешивания, термостатирования, вакуумирования, фильтрации, очистки, транспортировки или розлива. Такому модулю требуются не только определённые механические подключения, но и однозначные точки передачи для энергии, сжатого воздуха, воды, пара, вакуума, отводимого воздуха, сигналов управления, функций безопасности и данных процесса. Только когда эти точки передачи чётко установлены, модуль можно с приемлемыми затратами добавить или заменить.
У смесительных установок типичными опциями модуляризации являются прежде всего дополнительные функциональные модули внутри существующей установки или на ней. К ним относятся дозирование жидкости, форсунки впрыска, двухкомпонентные сопла, дополнительная сенсорика, термостатирующие рубашки, вакуумные подключения, режущие или дезагломерирующие инструменты, модули очистки, выгрузные органы и последующая техника просеивания, транспортировки или розлива. Такие расширения особенно эффективны, если резервные подключения, свободные монтажные позиции, запас места, дополнительные входы и выходы в системе управления, достаточно большие кабельные трассы и свободные мощности энергоснабжения и обеспечения средами были предусмотрены уже при первоначальном планировании.
Механическая модуляризация может осуществляться через стандартизированные фланцы, кламповые соединения, трубопроводные подключения, переходные плиты, рамы-скиды, мобильные агрегаты или стандартизированные контейнеры. Однако одни лишь стандартизированные подключения не гарантируют простую взаимозаменяемость. Также должны соответствовать нагрузки, стойкость к давлению и вакууму, требования герметичности, гигиена, взрывозащита, очищаемость, доступность и фактические свойства материала. Именно для сыпучих материалов характер течения, насыпная плотность, влажность, абразивность, склонность к расслоению и пылевое поведение существенно влияют на то, будет ли новый модуль дозирования или транспортировки надёжно работать вместе с имеющейся установкой.
Системы быстрой смены особенно целесообразны тогда, когда зависящие от продукта компоненты часто меняются, а базовая установка остаётся неизменной. Примерами являются сменные дозирующие копья, сита, инструменты, адаптеры выгрузки, ёмкости, фильтрующие элементы, приспособления для загрузки или быстроизнашивающиеся детали. В дискретном производстве также очень эффективными могут быть системы нулевой точки зажима, головки для смены инструмента и стандартизированные держатели заготовок. Для порошковых смесительных установок их значение обычно меньше, чем в механообработке или роботизированной сборке, поскольку очищаемость, герметичность, локализация (containment) и поток материала часто важнее, чем чисто механически быстрая смена инструмента.
Замена смесителя на больший или меньший типоразмер — это не модульное расширение, а адаптация мощности. Даже при использовании того же принципа смешивания могут измениться кинетика смешивания, степень наполнения, окружная скорость, теплопередача, поведение при дозировании, опорожнение и нагрузка на продукт. Поэтому рецептуры и параметры процесса нельзя без дополнительной проверки переносить на другой типоразмер. Требуются технологическая оценка и во многих случаях испытания с оригинальным продуктом.
Масштабируемая архитектура системы управления и программного обеспечения важна для настоящей модульности не менее, чем механика. Новым компонентам требуются однозначные функции, режимы работы, фазы процесса, сообщения, аварийные сигналы, блокировки, заданные значения и безопасные состояния. Модульное программирование ПЛК может помочь структурированно интегрировать эти функции. ПЛК означает программируемый логический контроллер и обозначает промышленный компьютер для управления машинами и процессами. Интерфейсы к вышестоящим системам, например к АСУ ТП, Manufacturing Execution System или Enterprise Resource Planning System, также должны быть описаны. Manufacturing Execution System, сокращённо MES, поддерживает оперативное управление производством и документирование партий. Enterprise Resource Planning System, сокращённо ERP-система, поддерживает планирование и управление заказами, материалами и ресурсами.
Module Type Package, сокращённо MTP, может поддерживать автоматизационную интеграцию модульных технологических единиц. MTP — это формальное, нейтральное по отношению к производителю описание функций и интерфейсов технологического модуля. Оно описывается в рамках серии директив VDI/VDE/NAMUR 2658 и позволяет встраивать подходящий модуль в вышестоящий уровень оркестрации процесса. MTP может содержать данные об экранах управления, сервисах модуля, диагностической и сервисной информации, а также коммуникационных интерфейсах. Оно особенно подходит для обособленных, в значительной степени автономных технологических модулей, например скидов дозирования или термостатирования. Однако MTP не делает излишней механическую или технологическую проверку совместимости и не приводит автоматически к «Plug and Produce». Для этого система управления процессом, технологические модули, модели данных и рабочие процессы действительно должны быть выполнены совместимыми с MTP.
Для связи между модулями и уровнем оркестрации процесса часто применяется OPC Unified Architecture, сокращённо OPC UA. OPC UA поддерживает структурированный, независимый от производителя обмен данными о процессе и состоянии. Однако он не решает вопросы ответственности, разрешений, логики безопасности, качества данных или корректного взаимодействия нескольких модулей. Настоящая гибкость возникает только тогда, когда технические интерфейсы, семантические модели данных, логика рецептур, функции безопасности и рабочие процессы согласованы друг с другом.
Мобильные или перемещаемые модули могут улучшать гибкость компоновки, например в случае контейнеров, мобильных станций дозирования, фильтровальных установок, скид-систем или агрегатов розлива. Однако они подходят не для каждого применения. Дополнительные операции сцепки, транспортировки и позиционирования могут создавать риски для герметичности, гигиены, охраны труда, подключения сред и путаницы материалов. Беспилотные транспортные средства, также называемые Automated Guided Vehicles или сокращённо AGV, могут автоматизировать логистику материалов, но требуют достаточно места, безопасных путей движения, надёжной концепции передачи и надёжной интеграции в планирование производства. Для очень запылённых, взрывоопасных или строго гигиенических зон их применение следует оценивать особенно тщательно.
Модульное обеспечение средами может значительно облегчать последующие расширения. К нему относятся подготовленные подключения и достаточно рассчитанные резервы для электроэнергии, сетей, сжатого воздуха, воды, пара, охлаждения, вакуума, инертного газа, отводимого воздуха и сточных вод. Многоканальные муфты могут сокращать время монтажа, но должны соответствовать уровню давления, среде, концепции очистки и безопасности. При гигиенически или регуляторно критичных применениях дополнительные точки соединения не должны создавать новых застойных зон, рисков утечек, опасностей путаницы или недостаточно очищаемых участков.
Цифровые модели и виртуальный ввод в эксплуатацию могут подготавливать переоборудование и снижать риски. Виртуальный ввод в эксплуатацию использует модель установки и логики управления для тестирования рабочих состояний, интерфейсов, блокировок, сценариев ошибок и последовательностей действий ещё до фактического монтажа. Он может делать ошибки видимыми раньше и сокращать время ввода в эксплуатацию на месте. National Institute of Standards and Technology описывает виртуальный ввод в эксплуатацию как использование моделирования для разработки, проверки и оценки систем управления до их соединения с реальной установкой.
От этого следует отличать цифровой двойник. Настоящий цифровой двойник — это целевое цифровое отображение наблюдаемого физического элемента, синхронизированное с этим элементом. Для процессов смешивания достоверный, физически обоснованный двойник был бы особенно сложным: он должен был бы отображать не только геометрию, привод, логику управления и измеряемые данные, но и свойства сыпучего материала и их изменение в ходе процесса. К ним относятся, например, распределение частиц по размерам, насыпная плотность, влажность, характер течения, когезия, склонность к агломерации, абразивность, налипания и при необходимости эффект добавления жидкости. Эти свойства часто колеблются между партиями сырья и изменяются в ходе процесса смешивания. На практике они редко представлены полностью, достаточно точно и в динамически моделируемом виде. Поэтому многие приложения, называемые цифровыми двойниками, на самом деле являются скорее моделями данных, виртуальными моделями управления, моделями мощностей или историями процесса. Они могут быть очень полезны, но их не следует путать с достоверным прогнозированием качества смешивания или поведения продукта.
Способность установки к адаптации в целом повышается за счёт сочетания конструктивно подготовленных функциональных модулей, чётких интерфейсов, достаточно рассчитанных резервов сред и системы управления, модульного программного обеспечения и продуманной архитектуры процесса и безопасности. Особенно при смене продуктов решающее значение имеет также подходящая стратегия очистки. Не каждую вариацию продукта можно экономически выгодно решить модульным переоборудованием. Если свойства материала, требования гигиены, локализация, взрывозащита или цели качества меняются принципиально, отдельный технологический путь, дополнительная установка или иной расчёт аппарата могут быть экономичнее и безопаснее, чем непрерывное переоборудование существующей смесительной установки.
Модульность и возможность дооснащения в amixon®
Смесительную установку нельзя назвать модульной лишь потому, что она способна обрабатывать разные рецептуры или размеры партий. Обработка меняющихся продуктов в пределах определённого рабочего диапазона — это прежде всего вопрос технологического расчёта. Настоящая же модульность касается дополнительных или сменных функциональных модулей, а также конструктивно подготовленных механических, связанных со средами, электрических и управляющих интерфейсов.
amixon® может рассчитывать смесители индивидуально для проекта на основе User Requirement Specification, сокращённо URS. URS — это документированная спецификация требований эксплуатирующей организации. Если будущие расширения уже предвидятся, в конструкцию можно заложить резервные подключения, свободные монтажные позиции, запас места, дополнительные входы и выходы в системе управления, а также резервы мощности для энергии, сжатого воздуха, жидкостей, вакуума или моющих сред. Благодаря этому последующие адаптации часто удаётся реализовать экономичнее. Если этих предпосылок нет, дооснащение остаётся в принципе возможным, но обычно требует более обширной механической, управляющей и связанной с безопасностью проверки.
При соответствующем расчёте смесители amixon® могут обрабатывать разные степени наполнения, размеры партий и рецептуры. Для некоторых аппаратов и применений amixon® указывает возможный диапазон степени наполнения примерно от 10 до 100 процентов. Однако этот диапазон не следует понимать как общее обещание для любой рецептуры. Качество смешивания, время смешивания, опорожнение и щадящее воздействие на продукт зависят, среди прочего, от насыпной плотности, распределения частиц по размерам, влажности, когезии, последовательности дозирования, доли жидкости, степени наполнения и конфигурации мешалки. Поэтому пригодность для меняющихся продуктов необходимо проверять с фактическим продуктом.
Программы смешивания можно закладывать в программируемый логический контроллер, сокращённо ПЛК, и воспроизводимо выполнять для каждой партии. ПЛК — это промышленный компьютер для управления машинами и процессами. В рецептуре могут храниться, например, время смешивания, частота вращения, последовательность дозирования, температурный профиль и другие заданные значения. Смена рецептуры через пользовательский интерфейс целесообразна и допустима только тогда, когда параметры утверждены, технически правдоподобны и защищены от несанкционированных изменений. При критичных для качества или регулируемых применениях управление рецептурами дополнительно требует контроля версий, концепций полномочий, аудиторских следов и упорядоченного управления изменениями.
Интенсивность смешивания в зависимости от исполнения аппарата можно регулировать через время смешивания, частоту вращения, исполнение мешалки и дополнительные технологические органы. Режущие роторы или high-shear инструменты могут применяться в определённых случаях для дезагломерации или лучшего введения жидкостей. Однако они могут повреждать частицы, вносить тепло, изменять распределение частиц по размерам или влиять на характер течения. Поэтому более интенсивная обработка не является общим преимуществом, а должна оцениваться для конкретного продукта и цели процесса.
К модульно дооснащаемым функциональным модулям могут относиться, например, дозирование жидкости через копья подачи или двухкомпонентные сопла, дополнительная сенсорика, термостатирующие рубашки, вакуумные подключения, промывочные копья, модули очистки, режущие роторы, выгрузные органы и функции дозирования. Дооснащение подачи жидкости влияет, например, на смачивание, агломерацию, налипания, затраты на очистку и структуру продукта. Дополнительные точки измерения должны монтироваться так, чтобы сохранялись герметичность, очищаемость, локализация и при необходимости взрывозащита. Термостатирующая рубашка также требует оценки теплопередачи, стойкости к давлению, подключений сред, регулирования и возможного влияния на продукт.
amixon® может поддерживать эксплуатирующие организации при технической оценке, модернизации и дооснащении существующих установок. Однако фактическую пользу небольших переоборудований не следует обещать в общем виде. Улучшение сыпучести, качества продукта или длительности цикла предполагает, что причина существующей проблемы понята и предложенное изменение адресует именно эту причину. Например, дополнительное копьё для жидкости может улучшить качество продукта, но при неудачном расположении или неподходящем распределении капель также может вызвать налипания и неоднородные участки.
Замена смесителя на больший или меньший типоразмер — это не модульное расширение, а адаптация мощности. Даже при том же принципе смешивания рецептуры и параметры нельзя без дополнительной проверки переносить на другой типоразмер. Могут измениться условия течения, кинетика смешивания, степень наполнения, окружная скорость, подводимая энергия, теплопередача, поведение при дозировании и опорожнение. amixon® предлагает для определённых серий смесителей типоразмеры с шагом от 100 литров до 50 кубических метров; для смесителя Gyraton® по данным компании указываются типоразмеры до 100 кубических метров. Эти варианты типоразмеров могут облегчать выбор подходящей мощности, но не являются доказательством прямой, неизменной масштабируемости рецептур.
У контейнерного смесителя типа COM расширение мощности может осуществляться за счёт дополнительных Mixtainer®. Это не расширение самого смесителя, но может повышать производительность системы за счёт того, что взвешивание, смешивание, промежуточное хранение, очистка, транспортировка и розлив организационно разделяются. Польза зависит от числа Mixtainer®, доступной станции смешивания, логистики контейнеров, продолжительности очистки, времени разрешения, а также предшествующих и последующих этапов процесса. Таким образом, дополнительные ёмкости не улучшают производительность автоматически; однако они могут снижать узкие места, если вся система соответствующим образом рассчитана. amixon® описывает COM как контейнерную смесительную систему для сухих и влажных продуктов при варьирующихся степенях наполнения.
Перед дооснащением или переоборудованием следует провести испытания с оригинальным продуктом. В испытательных центрах amixon® можно исследовать, среди прочего, качество смешивания, распределение жидкости, дезагломерацию, щадящее воздействие на продукт, подводимую энергию, развитие температуры, опорожнение, налипания и очищаемость. Результаты могут служить технической основой для принятия решения и помогать снижать риски перед реализацией. Однако они не заменяют проверки на фактически переоборудованной производственной установке. Особенно при изменённых требованиях к продукту, требованиях гигиены, локализации, взрывозащите или спецификациях качества влияние изменения необходимо оценивать в реальных условиях производства. По собственным данным, amixon® эксплуатирует испытательные центры в Германии, США и нескольких азиатских странах.
Для прослеживаемости рецептуры, партии и параметры процесса могут вестись в ПЛК, а также подключаться через системы штрихкодов и индивидуальные для проекта интерфейсы к системе планирования ресурсов предприятия, сокращённо ERP-системе, или к системе управления производством, сокращённо MES. ERP-система поддерживает планирование и управление материалами, заказами и ресурсами. MES поддерживает оперативное управление производством и документирование партий. Такое подключение может поддерживать прослеживаемость партий, анализ общей эффективности оборудования и контролируемое ведение рецептур. Общая эффективность оборудования по-английски называется Overall Equipment Effectiveness, сокращённо OEE. Её информативность зависит от полноты данных, согласованных временных меток, чётких категорий простоев и надёжного сбора данных о качестве.
В регулируемых средах amixon® может предоставлять техническую документацию и поддерживать при проведении Design Qualification (сокращённо DQ), Installation Qualification (сокращённо IQ) и Operational Qualification (сокращённо OQ). DQ документирует соответствие дизайна установленным требованиям. IQ подтверждает надлежащий монтаж. OQ доказывает, что установка функционирует в пределах предусмотренного рабочего диапазона. Исполнение может ориентироваться на индивидуальные для проекта требования, такие как Good Manufacturing Practice (сокращённо GMP), ATEX, EHEDG, требования FDA, стандарты 3-A Sanitary или ASME. Ответственность за управление изменениями (Change Control), оценку рисков, валидацию очистки и процесса, а также валидацию электронных систем остаётся за эксплуатирующей организацией.
По собственным данным, amixon® сопровождает установки через обслуживание, модернизацию, дооснащение и сервис запасных частей. Эта поддержка может повышать долгосрочную способность к адаптации. Однако решающее значение по-прежнему имеет актуальная техническая документация с чертежами, перечнями материалов и компонентов, версиями программного обеспечения системы управления, описаниями интерфейсов, протоколами испытаний и чёткой стратегией обеспечения запасными частями. Только тогда запланированные расширения можно технически оценивать и контролируемо реализовывать даже спустя годы.