Významný potravinářský koncern Opavia – LU, s.r.o., si zvolil řešení společnosti COMPAS automatizace spol. s r.o. (dále jen COMPAS) pro rekonstrukci řídicího systému surovinového hospodářství závodu v Opavě vyrábějícího známé sušenky a oplatky. Důvodem rekonstrukce byla výměna zastaralého řídicího systému technologie Guerin, zlepšení plánování, řízení a dokumentování výroby, které by vyhovovalo požadavkům pro dávkové řízení dle normy ANSI/ISA 88 (batch).

Požadavky společnosti Opavia specifikovaly:

• vysoce spolehlivé řízení a monitorování technologie pracující v nepřetržitém provozu,
• komfortní správu receptur a dávkově orientované řízení technologie (batch),
• zajištění automatizované traceability materiálů od příjmu surovin po vstup do linek,
• archivaci provozních a technologických dat získaných z výrobního procesu,
• monitorování výrobní technologie do MES systému.

Stručný popis technologie

Surovinové hospodářství slouží k přípravě materiálů pro plně automatizované výrobní linky s vysokou průběžnou spotřebou surovin v nepřetržitém provozu. Příprava surovin se skládá z příjmu, skladování, přesunů, vážení, plánovaného dávkování a sledování pohybů velkých objemů surovin v reálném čase. Z autocisteren se nejprve doplňují venkovní sila na mouku a cukr. Z těchto sil se poté průběžně doplňují vnitřní zásobníky mouky a cukru (obr. 1). Vnitřní zásobníky syrovátky a kakaa jsou doplňovány z bigbagů. Následuje navažování jednotlivých složek požadované směsi z těchto zásobníků a jejich doprava do jednotlivých výrobních linek. Do linek lze v případě potřeby dávkovat také požadované množství tuku.


Obr. 1: Příklad vizualizace hospodářství s cukrem

Návrh prostředků pro řešení

Navržený koncept architektury moderního řídicího systému Siemens dle obrázku 2 zajišťuje rozšiřitelnost pro případ doplňování technologie. Proto byl projektován systém jako distribuovaný s procesní sběrnicí Profibus DP pro připojení vstupně/výstupních signálů. Pro vyšší komunikaci byla navržena standardní sběrnice Ethernet.
Srdcem řídicího systému Simatic S7 je procesorový modul CPU414-3 PN/DP. CPU komunikuje po komunikační sběrnici Profibus DP s decentrálními částmi systému ET200M a digitálně připojenými pohony:

• moduly ET 200M obsahují vstupy a výstupy technologických veličin, čítačové vstupy, moduly Siwarex pro řízení navažování materiálů, moduly pro komunikaci pomocí Modbus protokolu s regulátory Eurotherm,
• pro řízení turniketů jsou doplněny frekvenční měniče Micromaster 440 fy Siemens.

Pro potřeby ovládání technologie jsou použity operátorské stanice PC se SCADA HMI WinCC v 7.0 pro vizualizaci a operátorské panely v technologii s WinCC flexible.


Obr. 2: Architektura systému
Úroveň výrobního IT nadřazeného recepturového řízení je řešena pomocí systému COMES.
Systém COMES využívá moduly:

• COMES Logon – zajišťuje autorizaci a správu uživatelů a systémové funkce,
• COMES Batch – slouží k řízení nespojitých výrobních procesů podle výrobních předpisů, dle normy ANSI/ISA 88,
• COMES Historian – je určen pro sběr a archivaci historických dat z technologických procesů prostřednictvím řídicích systémů a následnou prezentaci uložených dat,
• COMES Modeller – slouží k výpočtům s daty, generování statistik a protokolů s využitím vestavěných konfiguračních a modelovacích nástrojů.

Klíčová funkčnost je konfigurována v modulu COMES Batch (obr. 3), který zajišťuje plánování a řízení dávek materiálů pro zásobníky výrobních linek pomocí uživatelem konfigurovatelných předpisů (výrobních postupů).


Obr. 3: Uživatelské rozhraní systému COMES Batch – spuštěný výrobní předpis
COMES Batch konfigurace zahrnuje logiku přípravy dávek sypkých materiálů a tuků (všechny materiály dle zvolené receptury v požadovaném množství) pro cílové zásobníky výroby těsta a krémů. Tato procedura byla připravena dle požadavků zadavatele: Suroviny se do cílového zásobníku dávkují v tom samém pořadí, v jakém jsou zapsány v receptuře. Při transferu předchozí suroviny se již připravuje (váží) další surovina a připravuje se na transfer do cílového zásobníku, současně se zpracovává více dávek pro maximální úsporu času a tím dosažení nejvyššího výkonu technologie.
COMES Batch dále umožňuje:

• Zaplánování předpisu již v době, kdy ještě běží předchozí předpisy (dávkovací postupy). Pokud má předpis nastavenou volbu Sériové spouštění, je další batch automaticky spuštěn ihned po ukončení předchozího.
• Spolupráce s ovládáním technologie – modul COMES Batch je schopen předat systému WinCC informace: cílový počet dávek, počet vyrobených dávek, jméno předpisu, stav výroby pro cílový zásobník (výroba běží / výroba je ukončena).
• Automatické generování záznamů o výrobě, tzv. electronic batch report (EBR). Modulem COMES Modeller jsou tyto záznamy využity pro vytvoření výrobních protokolů: Bilance spotřeb ingrediencí, Seznam dávek, Traceability výrobního předpisu, Traceability šarže suroviny (obr. 4).
• Vestavěný recepturový systém umožňuje operátorům připravovat pojmenované sady parametrů, řídit i životní cyklus předpisu (předpis v návrhu, v testování, v produkci, zastaralý).
• Integrovaný grafický editor pro vytvoření výrobních postupů a logiky řízení.

Obr. 4: Příklad výrobního protokolu
Obsluha technologie probíhá následně. Operátor zaplánuje v systému COMES připravenou recepturu včetně množství dávek. Po zaplánování receptury dojde ke spuštění předpisu, který synchronizuje jednotlivé činnosti jak automatizace, tak obsluhy v technologii (indikace na lokálním panelu umožňuje provádět další operace jako spouštění nebo pozastavení jednotlivé dávky, dávkování tuku, spouští vysypání směsi do linky atd.) v závislosti postupu spuštěného předpisu. O průběhu výroby je informován pomocí indikace na ovládacím panelu.

Realizace projektu

Celý projekt byl realizován v krátkém čase tří měsíců včetně zpracování detailní funkční specifikace. Cílem navrženého postupu projektování, vývoje softwaru, montáží, zkoušek a zprovozňování nové automatizace byla minimalizace doby odstávky surovinového hospodářství během konce roku 2009. Díky možnosti simulace výrobních postupů ve fázi vývoje systému COMES bylo možné otestovat z velké části aplikaci před započetím vlastního oživování v technologii.
Oživování rekonstrukce přípravny hmot bylo rozděleno na odzkoušení všech hardwarových prvků, zkoušky jednotlivých výrobních fází bez materiálu a s materiály. Řídicí systém řídí 850 vstupních a 650 výstupních technologických veličin. I při tomto rozsahu bylo dosaženo krátké doby zprovozňování v délce šestnácti dní.

Přínosy nového řešení

Hlavním přínosem komplexní modernizace řízení výroby surovinového hospodářství v Opavia je dosažení vysoké spolehlivosti, produktivity a jakosti technologie. Realizace moderního ovládání technologie zajišťujícího vyšší produktivitu a jakost výroby. Operátoři mohou z obou operátorských panelů naplánovat výrobu, upravovat parametry a sledovat její aktuální průběh, generovat záznamy o výrobě, sledovat historické záznamy a hlášení. Operátoři jsou také upozorňováni na výjimečné stavy s tím, že řídicí systém reaguje tak, aby nedošlo k poškození produktu. Obě operátorské stanice jsou v případě hardwarové poruchy PC vzájemně zastupitelné. Ovládání řídicího systému z operátorských stanic je možné pouze po úspěšné autorizaci (přihlášení) operátora a veškeré zásahy operátorů jsou dokumentovány.
Nasazený systém COMES nově nabízí pracovníkům Opavia možnosti plánování výroby, konfigurovatelné výrobní postupy, trasování šarží materiálů (traceability) a tvorbu elektronické dokumentace výroby. To vše díky využití systémové integrace úrovně výrobního IT (MES) a automatizace výroby – řešení „Elektronické řízení výroby“ firmy COMPAS. Přináší také cenovou úsporu díky tomu, že výrobní postupy není třeba realizovat složitou logikou v řídicím systému.

Definice vybraných pojmů a zkratek

• COMES
  Výrobní informační systém firmy COMPAS automatizace, spol. s r.o.
• HMI
  Human machine interface – prostředek pro ovládání řízené technologie
• MES
  Manufacturin execution system – úroveň výrobního IT pro operativní řízení výroby
• PC
  Personal computer – osobní počítač
• PLC
  Programovatelný logický automat, používá se pro řízení technologického zařízení nebo celku
• SCADA
  Supevisory control and data acquisition – systémy pro ovládání a vizualizaci řízené technologie

Všichni autoři, Ing. Aleš Kovařík, Ing. Jaroslav Novotný a Ing. Vlastimil Braun, působí ve společnosti COMPAS automatizace, spol. s r.o.