Какие варианты существуют для модульных расширений (например, дополнительные точки дозирования, сенсорика, клапаны) в смесительных установках?
Модульные расширения касаются дополнительных функциональных модулей на существующей смесительной установке, например точек дозирования, сенсорики, клапанов, техники очистки или автоматизации. Они особенно экономичны, если механические подключения, место, обеспечение средами, резервы системы управления и концепция безопасности уже были предусмотрены при первоначальном расчёте. Если этих предпосылок нет, дооснащение зачастую остаётся возможным, но вызывает дополнительные затраты на конструирование, монтаж, программное обеспечение, проверку и при необходимости квалификацию.
Частой областью расширения является дозирование. Твёрдые вещества можно вводить через дополнительные шнековые дозаторы, дифференциальные дозировочные весы, ячейковые питатели или системы микродозирования. Для жидкостей в зависимости от вязкости, дозируемого количества, температуры, химической стойкости и требований к точности подходят, например, мембранные, шланговые, шестерённые или эксцентрово-шнековые насосы. Копья для жидкости, форсунки впрыска или кольцевые трубопроводы могут обеспечивать подачу в смесительное пространство. Решающее значение имеют не только точность дозирования и баланс массы, но и правильное место ввода, размер капель, скорость дозирования и интенсивность смешивания. В противном случае могут возникать локальное переувлажнение, агломераты, налипания или неравномерное распределение продукта.
Дополнительная сенсорика может улучшать ведение процесса, обеспечение качества и техническое обслуживание. Целесообразны только точки измерения с чёткой целью применения. Датчики температуры, давления, вакуума, уровня заполнения, расхода и веса часто дают непосредственно пригодную к использованию информацию о процессе. Крутящий момент, ток двигателя, вибрация и температура подшипника могут давать указания на поведение продукта, налипания или механические изменения. Однако без оценки, привязанной к продукту и установке, они не являются прямым доказательством качества смешивания или качества продукта.
Более сложная инлайн-аналитика может быть значимой в зависимости от процесса. К ней относятся, например, ближняя инфракрасная спектроскопия для исследования определённых признаков продукта, кориолисово измерение массового расхода для баланса жидкостей, измерение влажности или измерение электропроводности в подходящих средах. Технологическая аналитика процесса, чаще всего обозначаемая как PAT, может сокращать число лабораторных проб и делать отклонения заметными раньше. Однако она предполагает подходящие точки измерения, калибровку, обслуживание, надёжную интерпретацию данных и при необходимости валидацию. Значение pH, окислительно-восстановительный потенциал, мутность или рефрактометрия целесообразны прежде всего для жидких или пастообразных систем; для сухих порошковых смесей они обычно не подходят.
Клапаны и арматура также являются типичными модулями расширения. Пневматически или электрически приводимые запорные и регулирующие клапаны могут управлять потоками жидкостей, газов, вакуума или моющих сред. Многоходовые клапаны и клапанные блоки могут переключать потоки сред между несколькими ёмкостями, точками дозирования или путями очистки. В гигиенически требовательных применениях в зависимости от среды и стратегии очистки подходят мембранные, седельные или двухседельные клапаны. Предохранительные клапаны и разрывные мембраны могут защищать от недопустимого избыточного или пониженного давления. Однако их расчёт не является стандартной последующей мерой, а должен определяться расчётом давления, сценариями нагрузки, средой, температурой, нормами и имеющейся установкой.
Байпасные модули могут встраивать фильтры, теплообменники, гомогенизаторы или внешние контуры. Они целесообразны только тогда, когда процесс действительно допускает циркуляцию или внешнюю обработку. У многих сухих порошковых смесителей жидкостеподобный контур продукта технически отсутствует или экономически нецелесообразен. Соответственно, поддающиеся прочистке поршнем трубопроводы значимы прежде всего для вязких жидкостей, паст и продуктопроводящих трубопроводных систем; для сухих порошков обычно важнее другие меры, такие как остаточное опорожнение, подходящая транспортная техника и удобные для очистки геометрии.
Механические расширения могут включать дополнительные инструменты для смешивания или дезагломерации, термостатирующие рубашки, вакуумные подключения, фильтры, выгрузные органы или модули очистки. High-shear инструмент, то есть инструмент с высокой сдвиговой нагрузкой, может разрушать агломераты или интенсивнее вводить жидкости. Однако он также может повреждать частицы, увеличивать подводимую энергию или изменять распределение частиц по размерам. Термостатирующие рубашки могут быть полезны при экзотермических или эндотермических процессах, но требуют подходящих греющих или охлаждающих сред, соответствующего регулирования и оценки теплопередачи. Вакуум может поддерживать дегазацию или сушку, но предъявляет более высокие требования к стойкости к давлению, герметичности, фильтровальной технике и концепции безопасности.
Системы очистки, такие как Cleaning in Place (сокращённо CIP) или Sterilization in Place (сокращённо SIP), также могут быть дооснащены. CIP обозначает очистку во встроенном состоянии без значительной разборки, SIP — стерилизацию во встроенном состоянии. Дооснащение включает не только моющие форсунки, но и обеспечение средами, клапанную технику, обратную линию, контроль электропроводности, температуры и расхода, а также эффективную концепцию опорожнения и сушки. Фактическая эффективность очистки или стерилизации должна быть подтверждена для продукта, загрязнения и метода; автоматизированный цикл очистки не валидирован автоматически.
Каждое функциональное расширение требует подходящей интеграции автоматизации. К ней относятся свободные входы и выходы, сетевая ёмкость, резервы шкафа управления, логика управления, концепции аварийных сигналов и блокировок, визуализация и безопасные рабочие состояния. Децентрализованные модули ввода-вывода, часто называемые I/O-модулями, могут подключать клапаны, датчики и приводы вблизи установки. Такие интерфейсы, как IO-Link, PROFINET, EtherCAT или другие стандартизированные протоколы связи и промышленных шин, могут поддерживать коммуникацию. Их выбор зависит от требований к реальному времени, имеющейся автоматизации, кибербезопасности, модели данных и удобства обслуживания.
Для ориентированных на партии процессов смешивания расширение также следует встраивать в логику рецептур и партий. Стандарт ISA-88 предлагает для этого модели и понятия для рецептур, этапов процесса, модулей установки и документирования партий. Новые точки дозирования или измерения должны не просто подключаться электрически, а интегрироваться в систему управления как контролируемые фазы процесса с заданными значениями, предельными значениями, сообщениями об ошибках, разрешениями и протоколированием.
Нейтральные по отношению к производителю описания модулей могут облегчать программную интеграцию подходящих, в значительной степени автономных технологических модулей. Такие стандарты описания структурированно и нейтрально по отношению к производителю фиксируют функции и интерфейсы автоматизации модуля и особенно подходят для обособленных технологических модулей, например скидов дозирования или термостатирования. Однако они не заменяют ни механическую интеграцию, ни проверку совместимости с продуктом, гигиеной, безопасностью и процессом.
Предпосылкой для экономичного дооснащения являются актуальные технологические схемы R&I, конструкторские чертежи, перечни подключений, электрические схемы, версии программного обеспечения, анализы рисков и чёткая матрица интерфейсов. Она должна определять, где лежит механическая, электрическая, связанная со средами, управляющая и относящаяся к безопасности ответственность. На регулируемых установках изменения должны оцениваться через управление изменениями (Change Control). В зависимости от риска требуется актуализация инструкций по эксплуатации, анализов рисков, методов очистки, программного обеспечения системы управления, квалификационной документации и валидаций.
Модульность и возможность дооснащения в amixon®
Смесительная установка не становится модульной автоматически лишь потому, что она может обрабатывать разные рецептуры или предлагаться в нескольких типоразмерах. Настоящая модульность касается дооснащаемых функциональных модулей и чётко подготовленных интерфейсов. К ним относятся механические подключения, достаточное монтажное пространство, обеспечение средами, резервы системы управления, техника безопасности и документированные точки передачи. Если эти предпосылки уже учтены в User Requirement Specification, сокращённо URS, последующие расширения можно планировать существенно более контролируемо и экономично. URS — это документированная спецификация требований эксплуатирующей организации.
У amixon® аппараты могут рассчитываться индивидуально для проекта на основе URS. Если предвидится, что в дальнейшем потребуется дозировать жидкости, собирать дополнительные данные процесса, регулировать температуру или расширять функции очистки, можно предусмотреть резервные подключения, свободные патрубки, монтажные позиции, запас места, дополнительные входы и выходы, а также резервы мощности для энергии, сжатого воздуха, вакуума и моющих сред. Без такой подготовки дооснащение не исключено, но может потребовать значительного вмешательства в ёмкость, трубопроводы, несущую конструкцию, систему управления, концепцию безопасности и гигиеническое исполнение.
Возможность обрабатывать разные размеры партий или рецептуры одной и той же машиной в принципе не является модульным расширением. У некоторых смесителей amixon® в зависимости от продукта и расчёта можно обрабатывать варьирующиеся степени наполнения. Однако достигаются ли фактически высокие показатели качества смешивания в диапазоне примерно от 10 до 100 процентов степени наполнения, необходимо исследовать для соответствующей рецептуры. Порошки различаются по насыпной плотности, распределению частиц по размерам, влажности, когезии, характеру течения, абразивности и склонности к расслоению. Последовательность дозирования, доля жидкости, конфигурация мешалки и время смешивания также существенно влияют на результат. Поэтому меняющаяся степень наполнения сама по себе не является общим доказательством гибкости процесса.
На интенсивность смешивания можно влиять через время смешивания, частоту вращения, исполнение мешалки и при необходимости через режущий ротор или high-shear инструмент. High Shear означает высокую сдвиговую нагрузку. Такие инструменты в определённых применениях могут разрушать агломераты или улучшать введение жидкостей. Однако они также могут изменять распределение частиц по размерам, вносить тепло, повреждать чувствительные частицы, создавать истирание или ухудшать сыпучесть. Поэтому более высокая интенсивность смешивания не является в общем случае лучшей. Она должна выводиться из чёткой цели, связанной с продуктом и качеством.
В качестве фактически дооснащаемых модулей в зависимости от исходной ситуации рассматриваются, например, дозирование жидкости, копья подачи, двухкомпонентные сопла, дополнительная сенсорика, термостатирующие рубашки, вакуумные подключения, промывочные копья, системы Cleaning in Place или Wet in Place, выгрузные органы и функции дозирования. Cleaning in Place, сокращённо CIP, означает очистку во встроенном состоянии без значительной разборки. Wet in Place, сокращённо WIP, обозначает мокрую очистку встроенной установки, степень автоматизации которой может различаться в зависимости от концепции.
Дооснащение дозирования жидкости — это больше, чем установка насоса и копья. Дозируемое количество, точность дозирования, вязкость, температура, химическая совместимость, расположение точки впрыска, размер капель, картина распыления, скорость дозирования и течение продукта определяют, будет ли жидкость распределена равномерно. Неудачный расчёт может привести к локальному переувлажнению, агломерации, налипаниям, ухудшению сыпучести или увеличению времени очистки. Поэтому функцию следует испытывать с оригинальным продуктом, а не рассчитывать только на основе геометрических предположений.
Дополнительные датчики создают пользу только тогда, когда измеряемая величина чётко связана с решением или оценкой. Измерения температуры, давления, вакуума, уровня заполнения и расхода могут контролировать важные параметры процесса. Крутящий момент, потребляемый ток или вибрации могут давать указания на степень наполнения, налипания, поведение продукта или механические изменения. Однако они не являются прямым доказательством качества смешивания, однородности или качества продукта. При дооснащении датчиков необходимо определить место монтажа, диапазон измерения, точность, калибровку, очищаемость, герметичность, передачу данных, границы аварийных сигналов и реакцию на ошибки измерения.
Термостатирующие рубашки или внешние системы нагрева и охлаждения могут быть полезны при термочувствительных, экзотермических или эндотермических процессах. Однако они требуют достаточно рассчитанных подключений сред, подходящего регулирования, оценки нагрузки по давлению и температуре, а также проверки фактически достижимой теплопередачи. Термостатирующая рубашка может ограничивать отклонения температуры, но не гарантирует равномерную температуру продукта для любого порошка или размера партии.
Функции вакуума могут быть полезны при дегазации, сушке или определённых реакционных этапах. Они предъявляют более высокие требования к прочности ёмкости, герметичности, фильтровальной технике, выгрузным органам, оценке безопасности и при необходимости взрывозащите. Поэтому последующее дооснащение может быть более объёмным, чем можно предположить по простому монтажу присоединительного патрубка.
Промывочные копья, а также функции CIP или WIP могут поддерживать очистку. Однако одно лишь наличие промывочного копья не доказывает ни полного смачивания, ни эффективной очистки. Для достоверного расчёта необходимо оценить картину распыления, расположение форсунок, расход, давление, химию очистки, температуру, время воздействия, ситуацию со стоком и геометрию всех контактирующих с продуктом поверхностей. В регулируемых областях эффективность очистки должна подтверждаться применительно к продукту и загрязнению. Автоматическая мокрая очистка не является автоматически валидированной очисткой.
Выгрузные органы, такие как DosiFlap®, можно интегрировать в установку индивидуально для проекта. Они могут поддерживать контролируемую выдачу продукта, герметичность смесительного пространства и при необходимости более полное опорожнение. Выполняют ли они фактически точную функцию дозирования, зависит от характера течения, насыпной плотности, дозируемого количества, допуска, концепции взвешивания, условий давления и последующей тары или транспортной техники. Для гравиметрически точного розлива, как правило, требуется согласованная весоизмерительная техника. Выбор выгрузного органа должен также учитывать очищаемость, локализацию, режим давления и вакуума, а также интерфейс с последующей установкой.
Переход на больший или меньший типоразмер смесителя — это не модульное расширение, а адаптация мощности. Даже если принцип смешивания остаётся тем же, рецептуры и параметры нельзя переносить без дополнительной проверки. Могут измениться условия течения, степень наполнения, окружная скорость, подводимая энергия, теплопередача, время смешивания, опорожнение и нагрузка на продукт. По собственным данным, amixon® предлагает для определённых серий типоразмеры с шагом от 100 литров до 50 кубических метров, а смеситель Gyraton® — до 100 кубических метров. Этот выбор позволяет подобрать подходящую установку, но не заменяет испытания по масштабированию для конкретного продукта.
У контейнерного смесителя типа COM дополнительные Mixtainer® могут сделать всю систему более гибкой за счёт разделения взвешивания, смешивания, очистки, промежуточного хранения, транспортировки и розлива. Это не модульное расширение самого смесителя, но может улучшать мощность всей системы. Польза зависит от числа контейнеров, логистики, очистки, времени смешивания, разрешений и производительности последующих этапов процесса. Без анализа мощности инвестиция в дополнительные ёмкости может лишь переместить узкое место в другое место.
amixon® может поддерживать техническое дооснащение, модернизацию и испытания в испытательном центре. По данным amixon®, в Падерборне доступно более 30 испытательных машин; дополнительные испытательные центры работают в США и нескольких азиатских странах. С оригинальным продуктом можно оценить, среди прочего, распределение жидкости, качество смешивания, дезагломерацию, ход температуры, подводимую энергию, опорожнение, налипания и очищаемость. Такие испытания особенно ценны для дооснащения, поскольку проверяют предположения о поведении продукта. Однако они образуют лишь основу для расчёта и не заменяют приёмку, оценку безопасности и при необходимости повторную квалификацию переоборудованной установки на фактической производственной площадке.
Программы смешивания можно управлять в программируемом логическом контроллере, сокращённо ПЛК, и выполнять для каждой партии. ПЛК — это промышленный компьютер для управления машинами и процессами. Индивидуальное для проекта подключение к системе планирования ресурсов предприятия, сокращённо ERP-системе, или к системе управления производством, сокращённо MES, может связывать рецептуру, партию и параметры процесса. ERP-система поддерживает управление заказами, материалами и ресурсами предприятия. MES поддерживает оперативное производство, сбор данных и документирование партий. Сканеры штрихкодов могут поддерживать идентификацию материалов. Чтобы такое решение работало надёжно, необходимо определить модель данных, временные метки, версию рецептуры, права пользователей, целостность данных, аудиторские следы и поведение при сбоях связи.
Для регулируемых применений amixon® может предоставлять документацию для квалификации и поддерживать при проведении Design Qualification (сокращённо DQ), Installation Qualification (сокращённо IQ) и Operational Qualification (сокращённо OQ). DQ документирует, что дизайн установки соответствует установленным требованиям. IQ подтверждает надлежащий монтаж. OQ доказывает, что установка функционирует в определённом рабочем диапазоне. Техническое исполнение может быть согласовано с индивидуальными для проекта требованиями, такими как Good Manufacturing Practice (сокращённо GMP), ATEX, EHEDG, требования FDA, стандарты 3-A Sanitary или ASME. Регуляторная ответственность, оценка изменений, валидация очистки и процесса, а также валидация электронных систем остаются за эксплуатирующей организацией.
Резюме
Установки amixon® могут быть подготовлены для последующих функциональных модулей, таких как дозирование жидкости, сенсорика, термостатирование, вакуум, техника очистки и выгрузки. Однако польза и объём дооснащения решающим образом зависят от того, были ли подключения, монтажное пространство, среды, система управления, безопасность и очищаемость учтены уже при первоначальном расчёте. Меняющаяся степень наполнения, новые рецептуры или другой типоразмер не являются модульными расширениями и должны технологически оцениваться применительно к фактическому продукту и конкретной целевой установке.