COMES – nadčasové řešení automatizace šaržově orientovaných výrob

COMES – nadčasové řešení automatizace šaržově orientovaných výrob

Řešení automatizace pružných výrobních technologií tzv. šaržově orientovanými řídicími systémy nabývá v současném konkurenčním prostředí, charakteristickém značným tlakem na efektivnost výroby při rychlých obměnách vyráběného sortimentu, velmi na významu. Šaržové řídicí systémy jsou tudíž důležitou součástí současných systémů řízení výroby (Manufacturing Execution Systems – MES). Firma COMPAS automatizace nabízí pod označením COMES kompletní elektronické řízení šaržových výrob, založené na všeobecně uznávaných standardech a na nejnovějších technikách „bezpapírové“ výroby.

Stručně o automatizaci šaržových výrob

Šaržově (batch, jinak také vsádkově, dávkově¹⁾) orientované výrobní technologie zažívají v poslední době velký rozmach. Investoři aktivní ve farmaceutickém, chemickém a potravinářském průmyslu a dalších oborech využívají jejich menší investiční náročnost oproti kontinuálním výrobním technologiím a především flexibilitu, umožňující šaržovým výrobám rychle přecházet z jednoho produktu na jiný podle požadavků trhu. Pro tyto své vlastnosti představují šaržové výroby pro investory také daleko menší investiční riziko.

Rychlé přechody na nové výrobní programy u šaržových výrobních procesů a zařízení umožňuje a zajišťuje pružný řídicí systém založený na určitých jedinečných šaržově orientovaných řídicích funkcích. Spolu s dostatečnými funkčními schopnostmi takového řídicího systému je podmínkou jeho úspěšného použití také optimální inženýrské zpracování daného řešení, počínaje analýzou šaržového procesu a požadavků jím kladených, na kterou dále navazují návrh základních automatizačních funkcí – fází, projekt, konfigurování softwaru atd.

Kapacitní náročnost inženýrských činností spojených se šaržově orientovaným automatizačním projektem může být oproti např. automatizaci kontinuálních procesů až několikanásobná. Například pracnost projektu středně velkého validovaného šaržového procesu ve farmacii může být až desetinásobkem pracnosti projektu tradičního kontinuálního chemického procesu obdobné velikosti.

Efektivní řešení automatizace šaržově orientovaných procesů nyní nabízí firma Compas automatizace, přední dodavatel mj. řídicích systémů technologických procesů pro zpracovatelský průmysl (farmacie, biotechnologie, chemie, sklářství a potravinářství), opírající se ve svých dodávkách o řídicí techniku firmy Siemens. Pro šaržově orientované úlohy nabízí řešení COMES, tj. COMPAS MES, což je automatizační systém doplněný o specifické šaržově orientované funkce.

Charakteristika COMES

COMES je vyzkoušené řešení pro elektronické řízení výroby zaměřené na šaržové výrobní procesy. Jeho funkční schopnosti splňují většinu požadavků zákazníků na zmíněný způsob řízení anebo i tento rámec překračují (viz též informace na třetí straně obálky č. 5/2002 časopisu Automa).

Řešení COMES má modulární architekturu, umožňující implementovat právě ty funkce, které jsou třeba, kde jsou třeba a kdy jsou třeba (obr. 1). Současně je řešení COMES dokonale integrováno s řídicími systémy Siemens Simatic S5, S7 a PCS7 a se systémem pro správu laboratorních údajů (Laboratory Information Management System – LIMS), jako významné součásti systému řízení jakosti. Je také možné připojit nebo využít řídicí systémy jiných výrobců, které v technologii již existují.

Řešení COMES svou koncepcí umožňuje:

• modelovat výrobní proces a toky materiálu i informací,

• vytvářet a spravovat základní (master) receptury, jejich verze a životní cykly produktů,

• plánovat výrobu a přetvářet objednávky ze systému ERP (Enterprise Resource Planning) do kampaní, lotů (skupin šarží) a jednotlivých výrobních šarží s použitím počítače bez potřeby příkazů předávaných na papíře,

• spouštět výrobu šarží a elektronicky ukládat informace o jejím průběhu,

• sledovat tok materiálu technologickým procesem a vytvářet genealogii produktu,

• zprůhledňovat a dokumentovat výrobu pomocí protokolů, které mohou být přístupné prostřednictvím síťové technologie (internet).

Jako celek je řešení COMES v souladu s mezinárodně uznávanými standardy ANSI/ISA-88 (krátce S88) a ANSI/ISA-95 (S95) pro šaržové systémy, které zajišťují funkční kontinuitu a neustálou integritu řízení technologického procesu výroby s řízením procesů v podniku a s podnikovými informačními systémy. Tyto standardy jsou výsledkem těsné spolupráce světových výrobců s dodavateli systémů pro šaržové řízení výroby v minulých letech: např. standard S88-01 platí od roku 1995, ale již předtím sloužil jako vodítko pro výrobce a dodavatele při návrhu šaržových výrobních procesů a aplikací pro jejich řízení (obr. 2).

Přínosy řešení COMES

Přínosy COMES pro řízení podniku
Řešení COMES především poskytuje možnost v reálném čase sledovat a řídit postup šaržové výroby, využití výrobních zařízení a rozpracovanou výrobu. K tomu mj.:

• převádí objednávky zákazníků evidované v systémech ERP do skutečné výroby,

• zabezpečuje snadné ovládání výjimečných stavů v části receptury,

• elektronickým sledováním a řízením průběhu práce zvyšuje produktivitu výroby,

• zabudovanými funkcemi sledování toku materiálu s minimálními operátorskými vstupy poskytuje dokumentaci podle požadavků systému řízení jakosti bez negativních dopadů na produktivitu výroby.

Přínosy COMES pro operátory ve výrobě
Operátoři ve výrobě během let nashromáždí velké množství znalostí o technologii, kterou řídí. Neustále musejí pečlivě sledovat všechny změny, které v technologii téměř nepřetržitě nastávají. A udržet stejnou úroveň znalostí každého operátora a celé směny dosud nebylo myslitelné bez nepřetržitého vzdělávání pracovníků a údržby, téměř nekonečného počtu psaných instrukcí a procedur. COMES umožňuje dosáhnout takového stavu, že:

• operátoři mají jednotný systém a metodologii podporující je při plnění každého úkolu, od řízení procesu až k provádění testů a administraci výroby,

• do systému lze kdykoliv vložit výrobní reglement s instrukcemi pro operátory ke každému výrobnímu kroku (standardní operátorská procedura – SOP),

• náklady na školení jsou podstatně redukovány a jsou vytvářeny nové příležitosti pro rotaci kádrů s oporou pružné organizační struktury,

• receptury jsou spravovány a zpracování šarží řízeno elektronicky při vyloučení „papírového“ řízení, náchylného k chybám,

• v nabízeném řídicím systému je integrováno uživatelské rozhraní COMES, a tudíž není třeba pro každou úlohu budovat oddělené pracoviště.

Přínosy COMES pro logistiku a plánování výroby
Řešení COMES podporuje správu receptur, výrobní operace a celou šíři podpůrných operací, od příjmu a vykládky až po nakládku a přepravu, které může přímo zapojovat do procesu výroby. Současně poskytuje bezprostřední pohled na plán výroby a inventurní stav zásob surovin i produktů. Umožňuje tedy předvídat změny a měnit výrobní plány podle aktuálních potřeb.

Přínosy COMES pro kontrolu a řízení kvality
Odběry vzorků produkce mohou být modelovány jako procedurální krok receptury a výsledky analýz předávány operátorovi elektronicky během výroby (obr. 3). Řešení COMES je dokonale integrováno s dodávaným LIMS, popř. je i možné použít stávající LIMS zákazníka.

Kvalita výrobků je tak jednoznačně svázána s ovládáním výrobního procesu a výsledky analýz mohou být základem automatických rozhodování. Protože řešení COMES velmi výrazně redukuje nestálost výstupního produktu výpočtem cílových hodnot receptury, založených na aktuálních výsledcích ověřování kvality během provádění receptury, vyjde výsledný produkt ve správné kvalitě zpravidla již napoprvé.

COMES maximálně vyhovuje požadavkům kladeným z hlediska zajištění jakosti s kompletním protokolem o průběhu zpracování šarže a toku materiálu. Zpracování lotů a šarží je optimalizováno pomocí funkcí ověřování neshod a hlášení odchylek, tvořících součást COMES.

Přínos COMES při vývoji nových produktů
Řešení COMES je navrženo pro výrobu většího počtu produktů a pro pružné výrobní toky. Značně zkracuje dobu potřebnou k uvedení nového produktu na trh. V prostředí práce na objednávku a práce na speciální objednávku vnáší zcela nový pohled na koncept rychlé odezvy výroby na požadavky zákazníků. Návrháři receptur v něm mají nebývalou volnost, podporovanou existencí předem definovaných objektů, které zestruční a zabezpečí všechny stránky řízení procesu. Je garantováno rychlé vytváření receptur a v COMES mohou být uvedeny nové receptury nevyžadující změny na úrovni řízení technologického procesu, čímž se zkracuje doba nezbytného přerušení výroby.

Funkce správy verzí a životního cyklu receptur podporují proces uvádění nových produktů do života a zajišťují, že při plánování výroby budou vždy použity správné receptury.

Přínos COMES pro inženýrink a IT
Řešení COMES je navrženo s ohledem na odstupňovanou a postupnou implementaci s dokonalou integrací jednotlivých složek, eliminující nezávislé ostrůvky automatizace a aplikace informačních technologií (IT) v podniku. Jde o řešení od začátku navržené a posléze ověřené k použití v nepřetržitém provozu po 24 hodin denně, sedm dní v týdnu a 52 týdnů v roce. Příslušný software plně využívá bezpečnostní techniky obnovy dat v případě poruchy hardwaru nebo přerušení dodávky elektrické energie.

Základem řešení COMES jsou modely, které současně vytvářejí důležitou část dokumentace uživatelova podniku. Co je namodelováno, to se bude dělat a dokumentace vždy zachycuje okamžitý skutečný stav.

Řešení COMES lze označit za „vytvořené k integraci“ a současně „vytvořené k rozvoji“. K integraci proto, že jeho otevřená databázová koncepce, využívající účelné profesionální standardy jako S88, S95, ActiveX, DCOM a OPC, zajišťuje nejmenší náklady na integraci s doplňujícími aplikacemi. A k rozvoji proto, že zatím každému jeho uživateli s mnoha provozy se podařilo významně redukovat cenu implementace a údržby díky tomu, že COMES umožňuje transparentní obsluhu napříč celou aplikací. Historicky je prokázáno, že se systémy „ušitými na míru“ jednotlivým provozům je toto obvykle obtížné a často prostě neproveditelné.

Základní funkce COMES

Modularita COMES podporuje jeho částečnou implementaci. Je tedy nejen možné použít COMES u nově budovaných výrobních zařízení, ale i krok za krokem modernizovat systémy řízení stávajících technologií bez nutnosti dlouhých přerušení jejich provozu.

Cesta k inteligenci ve výrobě…
Základem řešení COMES je koncept centrální relační databáze s předem definovanými databázovými modely. To znamená, že informace je vždy, nezávisle na procesu nebo aplikaci, uložena ve stejné struktuře, založené na standardech S88 a S95. K tomu patří předdefinované vztahy mezi zařízením, produktem, recepturami, operacemi, toky materiálu atd. Databáze, jako centrální studnice informací o výrobě, typicky obsahuje, popř. podporuje:

modely zařízení,
• definice materiálů a receptur,
• plánování výroby,
• sledování materiálu a vytváření genealogie produktů,
• historické údaje o výrobě, obsahující záznamy o průběhu zpracování a kvalitě šarží.

Jako část svého standardního databázového modelu přináší COMES do závodu prostředí pro tvorbu protokolů při použití webových technologií (přístupných přes internet). Uživatelé mohou jednoduše vytvářet nové sestavy a zpřístupňovat je všem, kdo je v závodě potřebují, a to bez znalosti jazyka SQL nebo bez speciálního školení.

…od jejího začátku až do ukončení
Výroba začíná v COMES příjmem materiálu a pokračuje přes vlastní proces výroby až k vyexpedování a přepravě finálního produktu. Veškeré materiály jsou v COMES nepřetržitě sledovány od jejich příjmu až po přepravu výsledného produktu, a to včetně úplné synchronizace s odvíjením se obchodních případů, odběry vzorků pro zjišťování kvality apod.

Ve výrobě COMES podporuje jak jednoduché výrobní procesy typu „smíchej a zabal“, tak i procesy velmi komplikované, vyžadující efektivní a synchronizovaný chod mnoha složitých operací.

Implementace COMES od počátku do konce výroby znamená, že:

• vykonávání výrobních operací je sladěno ve všech úsecích výroby,

• je zabezpečena úplná kontrola pohybu materiálu v závodě,

• vedoucí výrobních úseků a technologové mají v reálném čase plnou kontrolu nad všemi aktivitami a je jim poskytována veškerá podpora pro včasné rozhodování.

Správa receptur
Správa receptur je v COMES založena na standardu S88.01 a jeho čtyřúrovňové hierarchii. Rozlišují se tudíž:

• všeobecné receptury,
• místní receptury,
• hlavní receptury,
• řídicí receptury.

COMES převádí místní receptury orientované na produkty do výrobně orientovaných hlavních a řídicích receptur. Hlavní receptura má v COMES, v souladu s normou S88, čtyři sekce: hlavičku, požadavky na zařízení, procedury a předpisy. Důležitým rysem je detailní dohled nad verzemi a sledování receptur založené na elektronickém podpisu se zaručenou úplnou kontrolou přístupů po celý životní cyklus receptury.

V COMES je ovšem zajištěno mnohem více než jen obsluha a vykonání receptury uvolněné do výroby: např. logistické operace, přesun a příjem materiálu, doprava, čištění a údržba jsou pouze některé z aktivit, které lze v systému naplánovat a poté sledovat jako výrobní operace. Koncept COMES tudíž umožňuje standardně uskutečnit něco tak komplexního, jako je naplánování sekvence deseti šarží, čisticí operace, sekvence dalších dvaceti šarží a potom plánované údržby části výrobní linky. Operace každého typu se přitom ovládá jednotným a stálým způsobem.

Výroba podle plánu
Typicky se výrobní operace v COMES inicializují takto:

• plánovač výroby převádí objednávky ze systému ERP do výrobního plánu šarží s patřičnou recepturou na vhodném výrobním zařízení nebo lince,

• s použitím nástrojů k plánování produkce a k výpočtu optimálního výrobního plánu vytvoří plánovač plán, který předá do výroby, kde budou jednotlivé šarže zpracovávány,

• operátor obdrží výrobní plán a podle něj spouští zpracování jednotlivých šarží,

• operátor je oprávněn spustit spěšnou objednávku a odmítnout běžný plán výroby,

• oddělení údržby plánuje operace údržby, které přerušují chod výrobních zařízení.

Řešení COMES obsahuje standardní API (Application Programming Interface) na podporu uvedených činností a umožňuje zahájit zpracování šarže a výrobní operaci jakémukoliv externímu systému. Současně obsahuje i standardní klientskou aplikaci určenou k zadávání a udržování výrobního plánu plánovači výroby.

Dynamické receptury zmenšují proměnlivost výrobku
Spolehlivost výroby závisí především na schopnosti zařízení vyrábět přesně podle zadání. Dosavadní řešení zpravidla vykonávají pevnou sekvenci operací při kvalitě produktu známé až na konci výrobního cyklu v naději, že případný nevyhovující produkt bude možné opravit nebo znovu využít k výrobě bez velké investice času anebo peněz. Proč ale spoléhat na náhodu, když COMES oproti tomu předvídá odchylky ve výrobě a nabízí tyto cesty k jejich vyloučení:

• cílové hodnoty dané operace mohou být určeny v závislosti na kvalitě nebo hodnotách technologických veličin naměřených v předchozí operaci,

• v reálném čase je automaticky on-line sledován a technologům okamžitě indikován výskyt neshod, a to u všech parametrů receptury,

• systém může „inteligentně“ volit základní suroviny i z několika míst uložení v závislosti na změřené kvalitě materiálu,

• lze použít zpožděnou vazbu při alokaci výrobních zdrojů, což, je-li třeba, dovoluje oddálit rozhodnutí o zvolené výrobní cestě,

• procedury COMES v sobě mohou obsahovat obsluhu výjimek, takže při odchylce ve výrobě nebo výstražném hlášení lze spustit příslušné speciální operace.

Plně dokumentovaná výroba a genealogie produktu
Výrobní databáze COMES uchovává a poskytuje informace o všech jednotlivých okolnostech výrobních operací, mezi nimi i elektronický záznam o šarži (Electronic Batch Record – EBR) a genealogii produktu. EBR obsahuje všechny údaje zaznamenané při zpracovávání šarže, tj. vykonané operace, cílové parametry, mezní a aktuální hodnoty, časové značky, autorizace, elektronické podpisy, časové průběhy, výstrahy, neshody, reakce operátora, údaje o použitých materiálech atd. COMES EBR poskytuje vše, co podle norem FDA požadují inspektoři při kontrole systému řízení jakosti ve farmacii.

V řešení COMES se vytváří také kompletní genealogie – rodokmen produktu (obr. 4). Několika kliknutími myší lze zjistit vztah surovin k finálnímu produktu anebo vazbu mezi hotovým zbožím na jedné konkrétní paletě a vstupními materiály. Unikátní vyhledávací a sledovací prohlížeč COMES obsahuje více než 200 standardních dotazů poskytujících úplný profil různých informačních objektů. Přímo jsou dostupné otázky typu „Kolik šarží běželo na lince X?“ nebo „Které šarže použily suroviny z lotu X?“.

Časové průběhy a archivace
Funkce sledování a archivace časových průběhů umožňují doplňovat EBR také historickými údaji a časovými průběhy veličin.

Integrační aspekty
Díky konceptu otevřené databáze a integračním nástrojům může být řešení COMES začleněno do téměř libovolného podniku a výrobního systému. V různých implementacích již spolupracovalo s podnikovými systémy typu ERP, systémy pro správu životního cyklu výrobku (Product Lifecycle Management – PLM) i těmito (výrobními) systémy:

• LIMS,
• rozšířené plánování výroby,
• systémy správy údržby,
• systémy správy skladu,
• technologické řídicí systémy a systémy SCADA (při integraci do řízení technologie založeného na událostech s použitím techniky OPC).

Komponenty řešení COMES

Hlavními komponentami řešení COMES jsou:

• modelování procesu,
• produkty,
• správa receptur, správa výrobních operací,
• správa šarží, vinventarizace a sledování,
• elektronický podpis.

Podrobný seznam dílčích komponent COMES a jimi zajišťovaných funkcí je v tab. 1.

Tab. 1. Komponenty řešení COMES

Závěr

Automatizační systém COMES je komplexní řešení firmy COMPAS automatizace, jež je určeno pro automatizaci šaržově orientovaných (batch) výrobních technologií. Zahrnuje jak technické a programové prostředky a systémy automatizace, tak i řešení od analýzy problému po implementaci systému u konečného zákazníka. Stručný popis struktury a funkčních schopností řešení COMES předložený v článku lze kdykoliv doplnit jeho předvedením v demonstračním centru firmy ve Žďáru nad Sázavou.

Ing. Roman Brázda, Ing. Vlastimil Braun,
COMPAS automatizace s. r. o.

COMPAS automatizace s. r. o.
Nádražní 26
591 01 Žďár nad Sázavou
tel.: 0616/65 01 11
fax: 0616/65 01 12
e-mail: compas@compas.cz
http://www.compas.cz

¹⁾ Anglický termín batch označuje v průmyslové automatizaci proces hybridního charakteru s rysy zčásti kontinuální a zčásti nespojité (diskrétní) výroby. K němu ani ke spojením typu batch processes, batch control apod. bohužel neexistují ustálené české ekvivalenty. Nejčastěji se lze setkat – v řazení podle abecedy – s výrazy dávka, šarže a vsádka Jednoznačný termín vsádka (vsádkové procesy apod.), běžně používaný specialisty v oboru chemického inženýrství, se mimo tento obor v podstatě neujal. Často používaný výraz dávka. (dávkový) naproti tomu nepokládáme pro daný účel sám o sobě za dostatečně jednoznačný. V článku se proto, na návrh autorů, batch překládá jako šarže (šaržový). Co se týče slova dávka (dávkový), použijeme je tam, kde nejde o výrobní proces čistě šaržový (s jednotlivými, zcela oddělenými šaržemi): např. v pivovaru se jednotlivé šarže-várky v průběhu výroby smíchávají a výsledkem je určité množství, tj. vyrobená dávka piva (pozn. red.).