Проект автоматизации: экстракция сорго

Команде RedLeaf Biologics потребовалось несколько лет, чтобы перевести исследования в области создания экстракта красного сорго в коммерчески выгодный для различных рынков продукт (рис. 1). Этот экстракт может использоваться как пищевая добавка в продуктах питания и напитках или же в косметической отрасли. До этого экстракция проводилась только в лаборатории. К оборудованию по переработке такого сырья предъявляются особые требования, поэтому его пришлось проектировать специально для проекта.

Рис. 1. Экстракты необработанного и высушенного красного сорго

В результате помещение, предназначенное для первичной экстракции и последующей переработки, потребовало переоборудования в промышленную линию выпуска. К этой задаче был привлечен системный интегратор — компания Gray Solutions, предоставляющая услуги по интеграции производственных процессов и внедрению автоматизации.

В Gray Solutions были готовы оказать помощь в различных сферах: управление контрактной документацией, распределение электроэнергии и сжатого воздуха, проектирование процессов производства. В поиске оптимального решения RedLeaf, полагаясь в том числе и на внутренние ресурсы, одобрил проект с развертыванием новой производственной линии с системами автоматизации, управляемой программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) и устройствами человеко-машинного интерфейса (HMI).

Так деятельность Redleaf Biologics трансформировалась из научно-исследовательской в сложное автоматизированное пищевое производство. В проект были включены не только такие этапы, как прием сырья, погрузочно-разгрузочные работы, процесс изготовления, упаковка, CIP-мойка, но и сбор и анализ данных, контроль качества и взаимо­действие с другими системами управления OEM.

Проектирование технологической линии

Для безошибочной разработки проекта автоматизированной производственной линии команда проектировщиков должна быть как можно лучше осведомлена о технологическом процессе. В RedLeaf были потрачены годы на определение и конкретизацию оптимальных параметров проведения экстракции, подобраны специальные растворители, изучены сопутствующие химические реакции и реологические свойства сорго. Специалистам удалось найти предпочтительные технологии обезвоживания и ответить на вопросы, касающиеся безопасности и качества.

Компания RedLeaf представила разработчикам свое видение развития производственной линии, выделив три этапа. Первоначальный запуск должен был осуществляться на низкой мощности. На этом этапе предполагалось отработать технологию, подтвердив соответствие проведенных ранее испытаний с выбранной концепцией технологического процесса. Оставшиеся два этапа, связанные с последовательным увеличением мощности, были привязаны к контрольным временным точкам.

Перед реализацией проекта обе команды проработали требования к системам автоматизации с учетом необходимой функциональности и возможности дальнейшего масштабирования.

Одной из задач, поставленных перед Gray Solutions, стало добавление в существующие системы новых полевых устройств, коммутационных аппаратов и аппаратных платформ. Поэтому в объем работ вошла и оценка потребностей в таких устройствах. Клапаны и измерительные приборы были выбраны с учетом изменения процесса при дальнейших разработках и модернизации технологической линии. После тщательного изучения проекта было решено не использовать сетевую коммуникацию большей части оборудования, организовав управление стандартными аналоговыми или дискретными сигналами. Только трехфазные приводы были связаны по протоколу EtherNet/IP ODVA.

При выполнении экстракции сорго важно принимать во внимание точные пропорции компонентов, соблюдая временную выдержку и контролируя pH. Для этого было предусмотрено переключение оборудования в полуавтоматический режим. Оператор имел возможность взаимодействовать с системой автоматики, корректируя pH путем открытия водной подпитки в двух точках линии, а также изменять другие параметры технологического процесса.

Необходимо было связать между собой работу линии в полуавтоматическом (регулирование pH) и автоматическом (например, дегидратация) режимах. Для дегидратации ключевым параметром является время выдержки перед началом операции. В проекте это было реализовано следующим образом: время отсчитывалось автоматически и система выдавала соответствующее уведомление, однако для переключения на следующий этап требовалось ручное подтверждение оператора.

Оборудование для дегидратации сырья было выбрано еще до начала реализации проекта. Группа системного интегратора рассматривала вариант использования сторонних устройств, но после тщательной оценки приняла решение проводить автоматизацию существующего оборудования. Это связано в первую очередь с существованием специального программного обеспечения для плавного управления приводами. Функции разрешения запуска были выполнены дискретными сигналами состояния. Например, при активном сигнале «в работе» необработанный продукт перенаправлялся на соответствующую ступень.

Окончательный выбор оборудования продолжился с определения полевых устройств, что тоже потребовало тщательного изучения. В алгоритм работы линии были заложены и возможные перебои в поставках компонентов. Системный интегратор выбрал ПЛК CompactLogix 5069-L320ER с реле безопасности 440CCR30 от Rockwell Automation. CR30 позволяет разделять зоны безопасности по мере необходимости на протяжении всего производства. Если же в будущем понадобилось бы изменить это зонирование, то вопрос решился бы незначительными корректировками в управляющую программу.

В данном проекте были использованы частотные преобразователи PowerFlex серии 525 с задействованными функциями безопасного отключения момента (STO) и автоматическим конфигурированием подключаемых устройств (ADC). STO упростило проект, снизив трудо­затраты на программирование. Технически эта функция позволяет не снимать питание с частотных преобразователей во время контролируемых аварийных остановов. С помощью ADC было предусмотрено упрощение возможной замены частотного преобразователя: параметры сохраняются в памяти ПЛК и автоматически загружаются в новое устройство, что значительно сокращает время установки и помогает предотвратить случайные ошибки в конфигурировании.

Использование открытой архитектуры для коммерциализации продуктов и процессов

Начиная с модели ISA 95 для определения системы предприятия каждый уровень требовал определенной степени гибкости для поддержки проекта. На этапе определения сферы охвата было понятно, что системы качества все еще будут нуждаться в дальнейшем определении, поскольку это касается ведения учета и безопасности данных. В целом было предпочтительно использовать ту же систему для контроля на уровне предприятия, что и для обеспечения доступности к архивам. Хотя на момент написания этой статьи конкретная система управления производством (MES) не была выбрана, рассматривались платформы с возможностью потенциальной бесшовной интеграции.

В качестве программного обеспечения верхнего уровня для HMI и служб диспетчерского управления SCADA системным интегратором был выбран Ignition от Inductive Automation. Это решение основывалось в первую очередь на соображениях будущего масштабирования проекта. Ignition является кросс-платформенным приложением с неограниченной моделью лицензирования по проекту и предполагает неограниченное количество тегов, клиентов и пользователей без дополнительных затрат. Эта SCADA-система имеет веб-интерфейс, что обеспечивает удобство применения и удаленный доступ к данным и управлению. Кроме этого, Ignition поставляется с открытым исходным кодом, что позволяет упростить сбор данных и их хранение в базе, архивацию, построение трендов, настройку оповещений. В RedLeaf Biologics хотели иметь возможность видеть, кто вносил изменения в тот или иной процесс. Данная SCADA поддерживает эту функцию и сохраняет историю таких действий, как вход или выход из системы, запись тегов, запись в базу данных, выполнение запросов и сценариев, уведомления о тревогах, выполнение отчетов и т. д. Эта информация отображается в специальной таблице, которую можно отфильтровать и быстро найти нужный тег или событие.

Ignition упрощает программирование баз данных благодаря именованным запросам, сгруппированным операциям и удобному методу ввода запросов. Для построения таблиц, изменения столбцов или чтения/ записи, создания или модификации не требуется специального обучения программированию баз данных. Эта SCADA имеет подробную документацию с большим количеством обучающих видеороликов и руководств, которые и использовались начиная с этапа разработки.

Еще одна полезная функция Ignition выявлена при проведении пусконаладочных работ: команда выполняла большинство действий удаленно через веб-интерфейс.

В рамках данного проекта HMI разрабатывались с учетом концепций ISA 101. Данный стандарт имеет ряд преимуществ, главными из которых являются повышенная согласованность, эффективная навигация, снижение отвлекающих факторов, повышение качества изображения на дисплее и, что наиболее важно, способность выделять нештатные ситуации. Главной задачей при разработке стало предоставление оператору возможности увидеть любые сигналы тревоги или отклонения от нормы сразу в нескольких уровнях визуализации. В примерах на рис. 2 и 3 сравниваются традиционные и продвинутые мнемосхемы HMI.

Рис. 2. Пример типичной мнемосхемы HMI. Продвинутый вариант этой же мнемосхемы показан на рис. 3

Рис. 3. Продвинутый вариант мнемосхемы, показанной на рис. 2

Для обеспечения более эффективной навигации в SCADA применялась многоуровневая панель навигации (рис. 4). Было важно включить в систему диспетчеризации данные о качестве продукта, и эту задачу удалось легко решить. В SCADA были добавлены данные о поступающих партиях сырья и используемых химических реагентах, отображены уровни pH и веса компонентов разных участков линии, выведен счетчик упаковки готовой продукции. Эти сведения записывались в базу данных и могли использоваться для отслеживания и дальнейшего анализа.

Рис. 4. Двухуровневая панель навигации повышает эффективность

Запуск и потенциал

Физическая и цифровая архитектуры позволили удовлетворить текущие требования проекта, и после их создания были приняты во внимание вопросы дальнейшей масштабируемости. Текущие производственные задачи были в приоритете, дальнейший рост и внедрение инноваций не были упущены из вида. На начальном этапе производства акцент был сделан на переработке растительного сырья и извлечении экстракта, далее у команды RedLeaf было запланировано внедрение вертикально интегрированной модели производства с самостоятельным выращиванием и селекцией сорго.

Системы управления производством (MES) не были включены в проект, но инструменты для создания предусмотрены в SCADA Ignition. Этих целей можно достичь модулями OEE (общая эффективность оборудования), «Отслеживание и трассировка», SPC (статистический контроль процессов), «Пакетные процедуры» и MES Enterprise. Поскольку в RedLeaf производство осуществляется из нескольких локаций, важным дополнением станет возможность использования промышленного «Интернета вещей» (IIoT).