Можно ли модульно расширять смесительные установки, например, дозированием жидкости или дополнительными точками измерения?
Да. Промышленные смесительные установки часто можно расширять дополнительными модулями дозирования, измерения, автоматизации и периферии. Однако технически ли целесообразна и экономически ли осуществима дооснастка, зависит от имеющейся механической конструкции, несущей способности, доступного монтажного пространства, энерго- и медиаснабжения, требований безопасности, а также существующей архитектуры системы управления. Чем раньше варианты расширения учитываются уже на этапе планирования, тем проще реализуются последующие адаптации.
Частым расширением является интеграция дозирования жидкости. Она применяется для контролируемого введения в процесс смешивания воды, масел, связующих, ароматизаторов, добавок, растворов действующих веществ или других жидких компонентов. Выбор системы дозирования определяется вязкостью, температурой, дозируемым количеством, точностью дозирования, требованиями к очистке, химической совместимостью и возможной взрывозащитой. Для непрерывных или воспроизводимых задач дозирования подходят, например, объёмные насосные системы, такие как шестерённые, эксцентрошнековые, мембранные или перистальтические насосы. Если требуется особо точный массовый баланс, могут применяться гравиметрические системы с тензодатчиками или измерением расхода. Кориолисовы массовые расходомеры могут измерять массу и плотность, тогда как электромагнитные расходомеры подходят для достаточно электропроводных жидкостей.
Точка ввода и способ подачи должны быть согласованы с соответствующим процессом смешивания. Неудачно расположенное копьё для жидкости может вызывать локальное переувлажнение, агломераты, налипания или неравномерное распределение. Поэтому жидкость следует вводить по возможности в достаточно подвижную зону продукта. При тонких, пылящих или гигроскопичных порошках решающими для результата могут быть также размер капли, направление распыления, температура жидкости, скорость дозирования и при необходимости распыление. Поэтому перед дооснасткой целесообразны испытания с фактическим продуктом, особенно если добавление жидкости изменяет структуру частиц, текучесть, однородность или пригодность к очистке.
Также можно дооснащать дополнительными точками измерения, если имеются подходящие места монтажа или их можно создать. Датчики температуры, такие как Pt100 или Pt1000, могут служить для мониторинга температуры продукта, охлаждения, нагрева или возможных реакционных процессов. Для определения влажности в зависимости от продукта и задачи измерения подходят микроволновые, ёмкостные или основанные на ближнем инфракрасном излучении методы измерения. Датчики давления и вакуума особенно значимы при закрытых процессах смешивания, вакуумной сушке, инертизации или работе под избыточным давлением. Для жидких или пастообразных сред дополнительно могут быть целесообразны измерения pH или электропроводности. Крутящий момент, потребление тока или мощность привода смесителя могут давать указания на степень наполнения, консистенцию продукта, трение, ход смешивания или возможные налипания, однако они не являются универсальными и самостоятельно достаточно надёжными индикаторами качества.
Механическая интеграция дополнительных датчиков должна выполняться так, чтобы сохранялись пригодность к очистке, безопасность продукта и герметичность. В гигиенически чувствительных применениях особенно важны подходящие монтажные штуцеры, заподлицо расположенные подключения датчиков и конструкции с минимальными застойными зонами. Соединения Tri-Clamp или фланцевые подключения могут обеспечивать стандартизированную интеграцию; однако их пригодность зависит от класса давления, работы под вакуумом, метода очистки, материалов и гигиенической концепции. Уже предусмотренные при базовом планировании резервные подключения, заглушки фланцев и свободные монтажные позиции значительно снижают трудозатраты на последующую дооснастку.
Для расширения разнообразия рецептур также могут дополняться модули дозирования твёрдых веществ. К ним относятся, например, силосы, станции опорожнения мешков или биг-бэгов, шнековые транспортёры, вибрационные лотки, дифференциальные дозирующие весы, микродозаторы или ручные станции загрузки. Они обеспечивают автоматизированную или частично автоматизированную подачу основных и малых компонентов. При планировании необходимо учитывать текучесть, сводообразование, риски расслоения, пылеобразование, риски перекрёстного загрязнения, пригодность к очистке и точное взвешивание отдельных партий сырья. Особенно при малых компонентах точность дозирования может существенно влиять на качество продукта.
Смесительные установки можно также дополнять другими технологическими модулями. В зависимости от продукта и цели процесса могут подойти, например, сита, магнитные сепараторы, дробилки комков, гомогенизаторы, системы охлаждения или нагрева, вакуумные устройства, установки обеспыливания, фильтрующие блоки, транспортная техника или системы фасовки. Однако расширение часто изменяет не только материальный поток, но и требования к системе управления, концепции безопасности, стратегии очистки и техническому обслуживанию. Поэтому перед реализацией следует проверить, действительно ли новый компонент повышает мощность смесительной установки или лишь перемещает ранее незаметное узкое место на другую технологическую ступень.
Помимо механики центральной частью любой дооснастки является интеграция в систему управления. Дополнительным насосам, клапанам, весам и датчикам требуются свободные входы и выходы, достаточно рассчитанная ёмкость шкафа управления, подходящие узлы полевой шины, энергоснабжение, а также при необходимости среды сжатого воздуха, охлаждающей воды, пара, вакуума или очистки. Распространённые интерфейсы автоматизации включают, например, PROFINET, EtherCAT, Profibus (Process Field Bus) и IO-Link. Для вертикальной интеграции данных с вышестоящими системами, такими как SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning) или платформы анализа, может использоваться OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). Подходящий интерфейс определяется имеющимся ландшафтом системы управления, требованиями к реальному времени, требованиями безопасности и желаемой моделью данных.
Модульная структура программного обеспечения помогает контролируемо интегрировать расширения. Технологические модули, такие как дозирующие скиды, могут выполняться как самостоятельные функциональные модули с чётко определёнными интерфейсами, рабочими состояниями, сообщениями и сервисами. Module Type Package, сокращённо MTP, поддерживает нейтральное по отношению к производителю описание функций и интерфейсов таких технологических модулей. MTP можно импортировать в инжиниринг системы управления процессом и тем самым облегчить интеграцию стандартизированных модулей. Подход описан в директиве VDI/VDE/NAMUR 2658; MTP также продвигается NAMUR и ZVEI как элемент модульной автоматизации процессов.
Для серийных производственных процессов целесообразно ориентировать структуру системы управления и рецептур на ISA-88. Стандарт предоставляет модели и понятия для серийного управления и описывает, среди прочего, рецепты, процедуры, фазы процесса и модули оборудования. Это облегчает корректную привязку новых модулей дозирования или измерения к рецептурам, партиям и технологическим этапам. Благодаря этому расширения не обязательно должны вызывать полное перепрограммирование установки; однако им всегда требуются техническая спецификация, чёткий дизайн интерфейсов, а также квалифицированные испытания изменённых функций.
Для экономичной дооснастки помимо механических резервных подключений следует предусматривать также резервы в системе управления, энергоснабжении, шкафу управления, сети, сжатом воздухе и медийных трубопроводах. Так же важны актуальная документация установки и электрики, чётко структурированная архитектура программного обеспечения, актуальные схемы КИПиА (P&ID), действующие оценки безопасности и однозначная документация имеющейся сенсорики и интерфейсов. Новые измеряемые значения должны быть интегрированы в визуализацию, управление аварийными сигналами, управление рецептурами, хранение данных и при необходимости в оценку качества. Если критические параметры процесса дополняются или изменяются, диапазон измерения, точность, калибровка, техническое обслуживание, качество данных и интерпретация измеряемых значений должны быть определены до продуктивного применения.
В регулируемых отраслях расширения должны выполняться через задокументированную процедуру управления изменениями (change control). Изменение следует оценивать с точки зрения безопасности продукта, пригодности процесса, очистки, локализации (containment), целостности данных, квалификации и статуса валидации. В зависимости от последствий могут потребоваться адаптации анализа рисков, SOP, технической документации, программного обеспечения системы управления, процедур очистки, а также частичные или повторные квалификации. FDA указывает, что изменения спецификаций, методов, процессов или процедур должны быть верифицированы, а при необходимости валидированы до их реализации; при изменениях или отклонениях процесса процесс необходимо оценить и при необходимости повторно валидировать.
Модульность и возможность дооснастки у amixon®
Смесительные установки amixon® можно рассчитывать на переменные размеры серий, рецептуры и требования процесса. При подходящем расчёте продукта и процесса один и тот же смеситель может перерабатывать разные степени наполнения без необходимости механической переделки. Однако это не модульное расширение, а выражение достаточно широкого и подтверждённого испытаниями рабочего диапазона. Достижимое качество смешивания при этом всегда зависит от свойств используемых порошков, степени наполнения, рецептуры, последовательности дозирования и выбранных параметров процесса.
Интенсивность смешивания можно в зависимости от исполнения аппарата регулировать через время смешивания, частоту вращения, конфигурацию инструмента и дополнительные технологические органы. Профили смешивания, дозирования и температуры могут храниться в рецептурах на базе ПЛК и воспроизводимо выполняться от партии к партии. При определённых применениях для дезагломерации или улучшенного введения жидкостей могут использоваться режущие роторы или инструменты высокого сдвига. Целесообразна ли более интенсивная обработка, необходимо проверять для конкретного продукта, поскольку чувствительные частицы или гранулят могут изменяться под воздействием повышенных сдвиговых усилий.
Модульное расширение касается дополнительных функциональных модулей на существующей смесительной установке или внутри неё. К ним относятся, например, дозирование жидкости с копьями подачи или двухкомпонентными форсунками, дополнительная сенсорика и точки измерения, температурные рубашки, вакуумные подключения, режущие роторы, моющие копья, функции WIP или CIP, а также органы выгрузки и дозирования, такие как DosiFlap®. Такие расширения можно особенно эффективно реализовать, если они уже учтены при первоначальном конструировании. Резервные подключения, свободные монтажные позиции, подготовленные штуцеры, достаточно рассчитанные медийные трубопроводы, резервы площади, дополнительные ёмкости I/O и масштабируемая архитектура системы управления существенно снижают последующие конструктивные и автоматизационные затраты.
Если эти подготовки отсутствуют, дооснастки тем не менее могут быть технически осуществимы. Затраты при этом возрастают, поскольку, например, необходимо создавать новые точки подключения, конструктивно адаптировать смесительную ёмкость, дополнять трубопроводы, расширять систему управления и функции безопасности или заново оценивать меры по взрывозащите и пригодности к очистке. В регулируемых отраслях дополнительно могут потребоваться управление изменениями (change control), адаптации анализа рисков, актуализации документации, а также частичные или повторные квалификации. amixon® может поддерживать эксплуатирующие организации при дооснастках, технологических адаптациях и модернизациях существующих установок.
Дооснастка дозированием жидкости должна рассчитываться в соответствии с продуктом и процессом. Расположение точки ввода, размер капли, скорость дозирования, характеристика распыления, температура жидкости и имеющиеся потоки продукта влияют на то, равномерно ли распределяется жидкость или возникают локальное переувлажнение, агломераты и налипания. Дополнительные точки измерения следует интегрировать так, чтобы сохранялись герметичность, пригодность к очистке и при необходимости локализация (containment). Они могут измерять, например, температуру, влажность, давление, вакуум, уровень заполнения, крутящий момент или другие величины процесса. Перед реализацией следует однозначно определить, какую пользу для процесса или качества должно давать дополнительное измерение и как данные включаются в систему управления, документацию и анализ.
Замена на большую или меньшую смесительную установку не является модульным расширением, а представляет собой адаптацию мощности. Перенос рецептур или параметров процесса на другой типоразмер необходимо технологически проверить. Даже при использовании того же принципа смешивания могут изменяться условия течения, степень наполнения, окружная скорость, теплопередача, поведение дозирования, время смешивания и выгрузка. Для больших мощностей при контейнерном смесителе альтернативой могут стать дополнительные Mixtainer®, чтобы организационно разделить взвешивание, смешивание, транспортировку и фасовку. Фактический прирост мощности зависит, однако, от логистики контейнеров, продолжительности очистки, процессов разрешения и последующих технологических этапов.
Эффективность запланированного расширения следует проверять с оригинальным продуктом. В испытательных центрах amixon® в условиях, близких к реальным, можно оценивать, среди прочего, качество смешивания, распределение жидкости, нагрузку на продукт, структуру частиц, сыпучесть, внесение энергии, выгрузку и пригодность к очистке. Документированные результаты поддерживают технический расчёт дооснастки и снижают риски перед реализацией. Однако они не заменяют приёмку переоборудованной установки и, при необходимости, квалификацию или валидацию в последующей производственной эксплуатации.
Для воспроизводимости и прослеживаемости программы смешивания с временем смешивания, частотами вращения, последовательностями дозирования и температурными профилями могут храниться в ПЛК. Может предусматриваться специфичное для проекта подключение к ERP, MES или другим вышестоящим системам. Идентификация материалов и партий по штрихкоду может связывать рецептуру, партию и параметры процесса друг с другом. Чтобы эти данные были пригодны для прослеживаемости партий, анализа OEE или оценки качества, необходимо чётко определить интерфейсы, модель данных, временные метки, права пользователей, целостность данных и обращение с ошибками передачи.
В регулируемых средах amixon® может предоставлять техническую документацию для квалификации и поддерживать эксплуатирующие организации при DQ, IQ и OQ. Установка может выполняться с учётом специфичных для проекта требований, таких как соответствующий GMP гигиенический дизайн, ATEX, EHEDG, требования FDA, 3-A Sanitary Standards или ASME. Ответственность за нормативную оценку, валидацию процесса и очистки, а также валидацию компьютеризированных систем и при необходимости 21 CFR Part 11 остаётся за эксплуатирующей организацией.
По собственным данным, amixon® сопровождает установки техническим обслуживанием, модернизацией, дооснасткой и долгосрочным обеспечением запасными частями. Устойчивая стратегия расширения при этом всегда требует актуальной технической документации, контролируемых версий программного обеспечения, прослеживаемых перечней компонентов и заблаговременного согласования по критическим запасным частям, подключениям сред и интерфейсам.