Существуют ли промышленные смесители со встроенным управлением рецептурами и сбором технологических данных по стандартам Индустрии 4.0?
Да. Современные промышленные смесители могут оснащаться встроенным управлением рецептурами, сбором технологических данных и стандартизированными интерфейсами. Однако действительно ли система выполняет желаемые функции Индустрии 4.0, зависит от конкретной архитектуры автоматизации, интерфейсов, моделей данных, мер безопасности и интеграции в имеющийся ИТ- и ОТ-ландшафт.
Управление рецептурами обычно реализуется в ПЛК (программируемом логическом контроллере) с подключённым HMI или промышленным ПК. Оно может контролируемо выполнять технологические этапы серии, например дозирование, загрузку, смешивание, термостатирование, выдержку, выгрузку и очистку. Во многих применениях структурирование серийных процессов ориентируется на ISA-88 или МЭК 61512. Стандарт поддерживает разделение между информацией, связанной с продуктом и технологией, с одной стороны, и связанными с установкой возможностями — с другой. Благодаря этому рецептуры, допустимые диапазоны параметров, последовательности добавления, время смешивания, частоты вращения, температурные профили и размеры серий могут структурированно управляться без того, чтобы каждая адаптация обязательно требовала изменения программы ПЛК.
На практике базовая рецептура, площадочная рецептура, генеральная (master) рецептура и управляющая (control) рецептура могут отображать разные уровни управления рецептурами. Базовая рецептура описывает общую логику изготовления продукта. Площадочная рецептура дополняет её требованиями, специфичными для конкретной площадки. Генеральная рецептура конкретизирует изготовление для определённой установки или производственной среды, тогда как управляющая рецептура содержит информацию управления, необходимую для фактического выполнения серии. Какие из этих уровней реализуются, зависит от сложности, производственной модели и существующего ландшафта систем.
Управление рецептурами должно защищать разрешённые версии рецептур, прослеживаемо документировать изменения и ограничивать доступ к функциям и параметрам на основе риска. Системы штрихкода или RFID (радиочастотной идентификации) могут идентифицировать сырьё, тару, партии и рецептуры и тем самым снижать риск путаницы. Прямое подключение к MES (Manufacturing Execution System) может обеспечивать автоматическую передачу производственных заказов, разрешений рецептур, информации о материалах и данных партий. Решающее значение имеет то, чтобы передача данных, привязка идентификаторов и обращение с исключениями были однозначно определены.
Сбор технологических данных обычно охватывает значимые измеряемые и событийные данные из процесса смешивания. К ним относятся, например, частота вращения, крутящий момент, ток двигателя, температура, давление, вакуум, уровень заполнения, масса, влажность, вибрации, положения клапанов, рабочие состояния, аварийные сигналы и временные метки отдельных фаз процесса. Выбор данных должен ориентироваться на критические параметры процесса, требования к качеству, концепцию технического обслуживания и предусмотренную цель анализа. Не каждая доступная измеряемая величина автоматически создаёт пользу; слишком большой объём неконтекстуализированных данных может даже затруднять анализ.
Для прослеживаемости временные ряды и события должны быть связаны с однозначным идентификатором партии (batch ID), идентификатором продукта, версией рецептуры, идентификацией установки и фазой процесса. Таким образом можно проследить, какое сырьё, заданные и фактические значения, вмешательства оператора, аварийные сигналы и данные о качестве относятся к определённой партии. Данные могут сохраняться в Historian, MES, Manufacturing Data Lake или другой подходящей платформе данных. Важны надёжная синхронизация временных меток, контролируемое хранение и задокументированное происхождение данных.
Для интеграции машин и систем в качестве важного стандарта зарекомендовал себя OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). Архитектура обеспечивает не зависящий от производителя и семантически структурированный обмен промышленными данными. OPC UA может предоставлять данные с уровня поля и системы управления для платформ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), MES, ERP (Enterprise Resource Planning) или анализа. Дополнительно могут применяться другие протоколы, такие как Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP или MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Однако эти протоколы выполняют разные задачи: Profinet, EtherNet/IP и Modbus TCP часто используются для коммуникации на уровне автоматизации, тогда как OPC UA и MQTT могут особенно подходить для структурированного подключения к вышестоящим ИТ-, IIoT- или облачным приложениям. Выбор должен ориентироваться на требования к реальному времени, интероперабельность, требования безопасности и имеющуюся модель данных.
Edge computing может разумно дополнять архитектуру данных. При этом данные предварительно обрабатываются, фильтруются, проверяются на правдоподобие или уплотняются непосредственно на машине или в непосредственной близости от неё. Это может разгружать сети и центральные ИТ-системы и помогает промежуточно сохранять значимые данные при временных перебоях связи. Одновременно необходимо регламентировать, какие данные сохраняются как исходные, какие расчёты выполняются на edge-уровне, как контролируются изменения программного обеспечения и как данные впоследствии полностью и корректно передаются в вышестоящие системы.
За счёт связи данных о рецептурах, партиях и процессе промышленные смесители могут интегрироваться в сквозную информационную цепочку от полевого устройства через систему управления, SCADA и MES до системы ERP. Благодаря этому можно, среди прочего, рассчитывать показатели OEE, анализировать время выполнения и приоритизировать причины простоев. В процессе смешивания особенно значимы время дозирования, загрузки, смешивания, выгрузки, смены продукта и очистки. Если эти фазы точно фиксируются, узкие места и время потерь можно дифференцированно анализировать. Предпосылкой является то, что запланированное и незапланированное время, а также соответствующие причины простоев однозначно определены в масштабах предприятия.
Техническое обслуживание, ориентированное на состояние, или предиктивное обслуживание также могут поддерживаться данными процесса. Трендовые данные по крутящему моменту, току двигателя, вибрации, температуре, времени наработки и числу циклов переключения могут указывать на изменившиеся рабочие состояния или износ. Однако надёжная концепция предиктивного обслуживания требует больше, чем простой сбор данных датчиков. Ей нужны подходящие точки измерения, достаточное качество данных, известные механизмы отказа, определённые предупредительные и пороговые значения, а также процесс технического обслуживания, из которого выводятся конкретные мероприятия по обнаруженным отклонениям.
Цифровой двойник может быть полезен для расчёта, симуляции и оптимизации процесса смешивания. Его польза зависит от степени зрелости модели. Простая модель может отображать рецептуры, мощности и время выполнения; более сложный двойник может учитывать свойства веществ, кинетику смешивания, внесение энергии или эффекты масштабирования. Надёжный перенос с лабораторного на производственный масштаб в любом случае требует испытаний и проверки, привязанной к применению, поскольку геометрия, степень наполнения, сдвиговая нагрузка и условия течения не могут быть полностью отображены общей моделью данных.
Удалённый доступ может облегчать диагностику, поддержку со стороны производителя, обслуживание программного обеспечения и мониторинг производительности. Однако он не должен выполняться как постоянно открытое соединение. Для промышленных систем управления руководящие принципы безопасности рекомендуют логическое и по возможности физическое разделение производственных и корпоративных сетей, чётко задокументированные и по возможности немногочисленные точки доступа, ограничительные правила межсетевого экрана, а также принцип минимальных прав. Удалённые доступы должны быть ограничены по времени, разрешены, зашифрованы, протоколированы и при необходимости дополнительно защищены многофакторной аутентификацией.
Безопасность данных и соответствие требованиям нуждаются в многослойной концепции. OPC UA может поддерживать шифрование, защиту целостности, а также идентификацию пользователей и приложений. Защищённые каналы (Secure Channels) могут подписывать и шифровать сообщения; для входа пользователя OPC UA поддерживает, среди прочего, имя пользователя и пароль, сертификаты X.509 или JSON Web Tokens. Однако фактическая безопасность зависит от безопасной конфигурации, управления сертификатами, управления пользователями, управления исправлениями и уязвимостями, сегментации сети, а также мониторинга систем.
В регулируемых отраслях, таких как фармацевтика или пищевая промышленность, помимо технической связи необходимо также учитывать целостность данных, концепции прав доступа, аудиторские следы, разрешения, хранение данных и при необходимости валидацию компьютеризированных систем. Если электронные записи или подписи подпадают под применимые предписания FDA, необходимо проверить и реализовать соответствующие требования из 21 CFR Part 11. Поэтому встроенное управление рецептурами само по себе автоматически не означает соответствие GMP или Part 11. Такое соответствие возникает лишь из взаимодействия подходящей архитектуры системы, задокументированной оценки риска, валидированных функций, контролируемых рабочих процессов и живого менеджмента качества.
Промышленные смесители с управлением рецептурами и сбором технологических данных применяются прежде всего там, где требуются постоянное качество продукта, сквозное отслеживание партий и высокая прозрачность процесса. К ним относятся, среди прочего, химическая промышленность, фармацевтическое производство, пищевая и кормовая промышленность, переработка пластмасс, производство батарей и материалов, а также производители минеральных строительных материалов. Конкретное техническое исполнение всегда должно выводиться из соответствующей задачи смешивания, риска для продукта и пользователя, а также из требований существующих производственных и ИТ-систем.
Интеграция Индустрии 4.0 у amixon®: управление рецептурами, подключение данных и прослеживаемость
Смесители amixon® могут поставляться с управлением на базе ПЛК и специфичной для проекта автоматизацией. В системе управления могут храниться программы смешивания, то есть рецептуры, с помощью которых параметры процесса, такие как время смешивания, частота вращения, последовательность дозирования, температурный профиль, степень наполнения или другие специфичные для применения заданные значения, могут контролируемо и воспроизводимо выполняться. Конкретная функциональная глубина управления рецептурами определяется на основе спецификации требований пользователя эксплуатирующей организации. Она зависит, среди прочего, от продукта, сложности процесса, нормативной среды, существующих систем автоматизации и требований к документации партий.
Подключение к ERP-системе эксплуатирующей организации может предусматриваться индивидуально для проекта. Также могут быть интегрированы сканеры штрихкода для идентификации сырья, тары, рецептур и партий и привязки технологических данных к однозначной партии. Благодаря этому может поддерживаться сквозная документация версии рецептуры, номера партии, заданных и фактических значений, вмешательств оператора, а также выбранных событий процесса. Предпосылкой для надёжной прослеживаемости является то, чтобы значимые модели данных, интерфейсы, ответственность и правила исключений были чётко определены в проекте.
amixon® разрабатывает аппараты на основе соответствующей URS. Это касается не только механического и технологического расчёта, но и автоматизации и подключения данных. Какие технологические данные должны собираться, определяется совместно с эксплуатирующей организацией. В зависимости от задачи смешивания и цели к ним могут относиться, например, крутящий момент, частота вращения, температура, давление, вакуум, влажность, время наработки, циклы, уровни заполнения, дозируемые количества, положения клапанов или сообщения об аварийных сигналах и статусе. Также определяется, через какие интерфейсы данные передаются в систему управления, Historian, MES, систему ERP или платформу анализа.
Такой специфичный для проекта подход может помочь встроить автоматизацию в имеющийся ландшафт систем эксплуатирующей организации. Решающее значение имеет не просто предоставление интерфейса, а задокументированная и функционально проверенная интеграция данных. К ней относятся, среди прочего, модель данных, качество данных, временные метки, привязка к партии, доступность связи, концепция прав, а также контролируемое обращение с ошибками передачи и отказами системы.
В регулируемых отраслях, таких как фармацевтика или пищевая промышленность, amixon® может предоставлять значимую для квалификации техническую документацию и поддерживать эксплуатирующую организацию при квалификации проекта, квалификации монтажа и функциональной квалификации. Техническое исполнение и документация могут при этом ориентироваться на специфичные для проекта требования GMP. Если электронные записи или подписи применяются в области действия 21 CFR Part 11, права пользователей, аудиторские следы, электронные подписи, резервное копирование данных, архивирование и долгосрочная доступность значимых данных должны учитываться в концепции валидации эксплуатирующей организации. amixon® может поддерживать необходимые функции автоматизации и интерфейсы в согласованном объёме проекта. Однако ответственность за соответствие GMP, валидацию всей системы и соблюдение применимых нормативных требований остаётся за эксплуатирующей организацией.
Эксплуатационные данные, такие как время наработки, число партий, циклы, кривые крутящего момента, ток двигателя, аварийные сигналы и причины простоев, могут образовывать важную основу для технического обслуживания, ориентированного на состояние. Регулярные инспекции и профилактическое техническое обслуживание помогают долгосрочно обеспечивать доступность смесительной установки. По собственным данным, amixon® по желанию также предлагает поддержку при разработке концепций предиктивного обслуживания. Насколько это целесообразно и в каком объёме, зависит от имеющихся измеряемых величин, типичных механизмов отказа, качества данных и интеграции в организацию технического обслуживания эксплуатирующей организации. Поэтому необходимые данные и техническое оформление следует определять в рамках проектирования. amixon® называет регулярные инспекции, профилактическое техническое обслуживание и по желанию предиктивное обслуживание составными частями своего сервисного предложения.
Конструктивные признаки, такие как опора мешалки исключительно сверху смесительной камеры и низкая частота вращения, могут сокращать затраты на техническое обслуживание и число контактирующих с продуктом уплотнительных точек. Однако они не заменяют техническое обслуживание, ориентированное на состояние. Высокая доступность установки возникает благодаря взаимодействию подходящей конструкции, расчёта, соответствующего продукту, квалифицированной эксплуатации, планового технического обслуживания, достаточного обеспечения запасными частями и последовательного анализа эксплуатационных данных.
По собственным данным, amixon® разрабатывает и изготавливает продукцию на площадке в Падерборне. Централизованное производство может поддерживать единый контроль качества, привязку технической документации и документирование специфичных для проекта компонентов. Для эксплуатирующих организаций особенно важно, чтобы сведения о материалах, чертежи, протоколы испытаний, перечни компонентов и изменения оставались контролируемо прослеживаемыми. Долгосрочное повторное изготовление отдельных деталей зависит помимо технической документации также от доступности подходящих материалов, покупных компонентов и действующих требований безопасности или нормативных требований.
Для проверки процессов смешивания перед инвестицией в испытательном центре amixon® на площадке в Падерборне доступно более 30 испытательных установок различных размеров. По данным компании, дополнительные испытательные центры или региональные возможности испытаний существуют в США, Китае, Японии, Индии, Таиланде и Южной Корее. Испытания могут проводиться с оригинальным продуктом в условиях, близких к реальным. При этом в зависимости от задачи можно исследовать качество смешивания, щадящую обработку продукта, внесение энергии, поведение при выгрузке, пригодность к очистке и переносимость на производственный масштаб.
Испытания в испытательном центре дают важные знания для выбора аппарата, расчёта процесса и определения первых параметров рецептуры и процесса. Результаты могут документироваться и оцениваться совместно с эксплуатирующей организацией. Они снижают технические и экономические риски перед инвестицией, однако не заменяют необходимые приёмки, квалификацию установки и валидацию процесса в последующей производственной среде.
amixon® дополняет поставку установки сервисными услугами, такими как техническое обслуживание, модернизация, дооснащение и обеспечение запасными частями. По данным компании, запасные части хранятся на площадках в Падерборне, Японии и США, чтобы сокращать время простоя. Конкретную доступность определённой запасной части и срок поставки следует для критических компонентов обязательно согласовывать в рамках стратегии обеспечения запасными частями или сервисного договора.