Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Elektronické řízení výroby kosmetiky

Elektronické řízení výroby je moderní koncepce, kterou firma COMPAS® automatizace nabízí zákazníkům pro podporu optimálního řízení výroby. Kritérii optimality jsou pro podniky vysoká a rovnoměrná jakost výrobků, velká produktivita výroby a minimální výrobní náklady. Elektronické řízení výroby je tak metoda podporující výrobní tým v jeho snaze dosahovat co nejlepších výsledků. Článek přibližuje problematiku elektronického řízení výroby v závodě na výrobu kosmetiky.
 
Z technického pohledu je koncepce elektronického řízení výroby v pojetí firmy Compas automatizace založena na vertikální integraci tří standardních vrstev systémů, které odpovídají základním vrstvám funkcí při řízení výroby v podniku. Jsou to:
  • celopodnikový informační systém podporující dlouhodobější plánování a řízení včetně zajišťování zdrojů a materiálů (vrstva ERP),
  • výrobní informační systém COMES® pro operativní řízení výroby (MES),
  • automatizační technika na bázi komponent značky Siemens přímo řídící technologická zařízení (MCS).
K libovolnému systému ERP zákazníka lze připojit systém COMES, který firma Compas automatizace vyvinula na bázi webových technik běžných v informatice (IT). Integrace systémů COMES a řídicích systémů na úrovni MCS je, díky mnoholetým zkušenostem firmy v oboru průmyslové automatizace, samozřejmostí.
 
Dále uvedený příklad popisuje jedno z použití koncepce elektronického řízení výroby v šaržově orientovaných provozech, která má blízko k ideální metodě operativního řízení výroby, v daném případě kosmetiky.
 

Systém řízení výroby kosmetiky

 
Závod na výrobu kosmetiky je pro daný účel vhodné rozdělit na pět celků. Jsou to:
  • sklad surovin,
  • navažovna surovin,
  • varna polotovarů,
  • sklad vyrobených polotovarů,
  • plnírna a balírna.
Hierarchické uspořádání jednotlivých řídicích vrstev (ERP, MES, MCS) a jejich vazbu na výrobní celky ukazuje obr. 1, současně obsahující také symboly modulů Modeller (modře) a Batch (zeleně) systému COMES využívaných k organizaci a řízení chodu výroby.
 
Uspořádání celého řídicího systému v závodě a jeho vrstev (dílčích systémů) ERP, MES a MCS je znázorněno na obr. 2.
 

Principy komunikace mezi systémy ERP – MES – MCS (automatizace)

 
Informace nutné k organizování a řízení výroby vznikají v každém podniku v některé z již uvedených tří řídicích vrstev bez ohledu na to, zda jsou v dané vrstvě instalovány odpovídající systémy IT či nikoliv. K dosažení optimální organizace výroby je proto vhodné nejen ve všech řídicích vrstvách instalovat odpovídající systémy IT, ale také zajistit přenosy potřebných dat řídicími vrstvami navzájem. Součástí systému elektronického řízení výroby je nejen zajištění odpovídající komunikace, ale také její správné načasování. Cílem je dosáhnout optimální synchronizace chodu celé výroby a činnosti výrobního týmu tak, aby potřebné informace byly dodávány správné, ve správném čase a na správné místo (člověk či systém).
 

Práce s materiály ve výrobě a využití čteček čárového kódu

 
Důležitou oblastí vzniku výrobních dat je práce s materiály (suroviny, meziprodukty a produkty). Práce s materiály jsou téměř vždy součástí systémů ERP (minimálně z účetního hlediska). Operativně se s materiály pracuje ve výrobě (vrstva MES). Vlastní fyzické pohyby materiálů a jejich zpracování v technologickém zařízení obvykle zajišťuje automatizační technika (vrstva MCS), popř. v kombinaci s manuální činností pracovníků ve výrobě.
 
Materiály jsou ve výrobě evidovány a sledovány elektronicky systémem COMES prostřednictvím čteček čárového kódu. Čtečky jsou využívány jak v navažovně surovin, tak i ve varně polotovarů.
 

Zpracování výrobní zakázky

 
Posloupnost procesů při zpracování výrobní zakázky při výrobě kosmetiky je takováto:
  • import aktuálního plánu výroby z vrstvy ERP do vrstvy MES,
  • rozplánování výrobních dávek (jejich šarží) do modulu COMES Batch podle plánu výroby,
  • odeslání požadavku na navažování surovin pro naplánované šarže,
  • odeslání požadovaných surovin ze skladu surovin do navažovny surovin,
  • navážení požadovaných množství surovin a označení obalů etiketou s čárovým kódem,
  • odeslání navážených surovin příslušejících jedné šarži společně do varny polotovarů,
  • výroba šarže polotovaru podle výrobního předpisu v modulu COMES Batch,
  • rozvážení polotovaru do polotovarových obalů a jejich označení etiketou s čárovým kódem,
  • odeslání informace o vyrobených polotovarech (obalech s polotovary) zpět do systému ERP.
Následující odstavce popisují, jak uvedené procesy probíhají v rámci systému elektronického řízení výroby kosmetiky od firmy Compas automatizace.
 

Plánování výroby

Na základě objednávek zákazníků se vytváří ve vrstvě ERP týdenní plán výrobních zakázek (dávek). Tento plán je pravidelně načítán do modulu COMES Modeller, kde popř. aktualizuje plán již v modulu uložený. Vedoucí výroby podle plánu zakázek naplánuje v modulu COMES Batch výrobní šarže. Každá jednotlivá šarže má přiřazeno jedinečné označení a je svázána s číslem týdenního plánu, na jehož základě byla zařazena do plánu v modulu COMES Batch. Z aktuálních údajů o stavu výroby jednotlivých šarží přítomných v modulu COMES Batch lze tudíž získat aktuální informaci o stavu plnění plánu výroby. Součástí plánu výroby šarže je etapa navažování surovin i etapa výroby polotovaru.
 
Ze systému ERP je dále načítán kusovník polotovarů, jejichž výroba byla zařazena do plánu v modulu COMES Batch. Jestliže materiálová skladba podle kusovníku polotovaru odpovídá surovinám, jejichž dávkování je nakonfigurováno v rámci výrobního předpisu zařazeného do plánu, je podle kusovníků naplánováno navažování surovin pro danou šarži. Před vytvořením plánu navažování se tedy provede základní kontrola správnosti konfigurace výrobního předpisu z hlediska dávkovaných surovin. Současně jsou údaje o šaržích zařazených do plánu exportovány do vrstvy ERP a je v předstihu odeslán požadavek na přípravu dostatečného množství příslušných surovin k vydání ze skladu.
 

Navažování a vratka surovin

Suroviny lze navažovat ručně nebo při použití čtečky čárových kódů.
 
Systém řízení navažovny surovin podporuje i tzv. vratku surovin, kdy je výroba šarže zrušena a suroviny pro ni navážené jsou vráceny do skladu. Do vrstvy ERP je odesílána informace o zrušené šarži spolu s informací o surovinách (typ, množství, popř. počet, apod.), které se vrátí do skladu.
 

Označování materiálů ve výrobě

Jak obaly s naváženými jednotlivými surovinami, tak i palety, na nichž jsou tyto obaly pro dopravu do varny umístěny, se označují etiketou s čárovým kódem. Označení palety odpovídá vždy číslu šarže, pro kterou jsou suroviny na paletě určeny.
 
Jednotlivé navažovací obaly jsou označeny čárovým kódem odkazujícím na všechny údaje o surovině v obalu (kód suroviny, šarži výrobní dávky, pro kterou je surovina určena, šarži suroviny, množství suroviny v obalu, expiraci atd.). Podle tohoto kódu je následně při výrobě ověřováno dávkování správné suroviny do správného varného kotle, v němž se zpracovává příslušná šarže (vyrábí polotovar).
 

Řízení výroby

Výroba polotovaru je z vrstvy MES řízena pomocí výrobního předpisu z modulu COMES Batch, který přes rozhranní CCI (COMES Communication Interface) komunikuje s výrobními kroky naprogramovanými v automatizačním systému (MCS). Výrobní kroky lze rozdělit do těchto tří hlavních skupin na:
– technologické, které jsou naprogramovány pro jednotlivé varné kotle a spočívají v napouštění jednotlivých surovin, míchání, homogenizaci, ohřevu a chlazení, řízení tlaku (vakua), přepouštění a konečném vypuštění obsahu kotle,
– čisticí (CIP), také naprogramované pro jednotlivé kotle a spočívající v plnění čisticími roztoky a řízení jejich cirkulace a vypouštění, ale také v ovládání tzv. jednotky CIP, zvláště části určené pro úsporu energií, kdy je zbytkové teplo vypouštěného čisticího média ještě využito k ohřevu vody v bojleru,
– pomocné, které zajišťují ovládání podpůrných částí technologického zařízení, zejména obsluhu smyčky cirkulující demineralizované vody, která je jednou z hlavních výrobních surovin, a různé poloautomatické funkce, např. ruční vložení dávky suroviny do sudu apod.; pomocné technologické kroky nejsou součástí výrobních předpisů výrobků, neboť je operátor aktivuje jako samostatné funkce.
 
Výrobní kroky jsou navrženy tak, aby bylo možné bez jejich úpravy, tj. pouze změnou ve výrobním předpisu, vyrábět různé výrobky. Každý výrobní krok má sadu parametrů nastavovaných před spuštěním, ale i v průběhu výroby z modulu COMES Batch. Další sady parametrů, které bezprostředně nesouvisejí s konkrétně vyráběným výrobkem, lze nastavit z operátorské stanice se zobrazením vytvořeným ve vizualizačním prostředí WinCC (obr. 3). Z tohoto prostředí lze prostřednictvím ovládacích oken spouštět také jednotlivé výrobní kroky samostatně. V tom případě se parametry kroků nastavují ručně bezprostředně před jejich spuštěním. Tento způsob ovládání se využívá hlavně při zkušební výrobě, kdy se nevyplatí vytvářet předpis nebo ještě není jasná jeho konečná podoba.
 
Každý výrobní krok je samostatnou sekvencí řídicích akcí, kterými již přímo ovládá příslušné akční členy, převážně ventily a motory. Také tato zařízení lze ovládat prostřednictvím jejich ovládacích oken ručně zásahem operátora. Tato možnost se využívá především pro seřizovací účely.
 

Proces dávkování surovin

Suroviny mohou být v daném systému dávkovány dvěma způsoby, a to:
  • při použití čtečky čárového kódu,
  • dávkováním z centrálních rozvodů.
S použitím čtečky lze dávkovat všechny suroviny navážené v navažovně, jelikož jejich obaly jsou označeny etiketou s čárovým kódem. Podle údajů uvedených na etiketě se kontroluje, zda je dávkována správná surovina do správné šarže.
Je-li výsledek kontroly pozitivní, je surovina z obalu vložena do kotle a je zaznamenáno její množství. Protože je možné rozvážit surovinu pro jednu šarži do několika navažovacích obalů, je proces dávkování spouštěn v cyklu tak dlouho, dokud není do kotle vložen obsah všech příslušných obalů. Na etiketě každého navažovacího obalu je uveden taktéž celkový počet obalů, do kterých byla surovina rozvážena.
 
Nenavážené suroviny se dávkují z centrálních rozvodů. V navažovně lze navažovat pouze suroviny, které jsou již ve skladu surovin označeny čárovým kódem. Potřebné velikosti dávek surovin, které takto označeny nejsou (např. demineralizovaná voda), jsou stanoveny výpočetními funkcemi modulu COMES Batch s využitím příslušného kusovníku a suroviny se dávkují přímo z centrálních rozvodů v technologických krocích ve vrstvě MCS.
 

Záznamy a protokoly o výrobě

V modulu COMES Modeller se během zpracování šarží vytvářejí tyto protokoly:
  • EBR (Electronic Batch Record),
  • protokol z navažování surovin,
  • BP (Batch Protokol).
Záznam EBR, tj. standardizovaný elektronický záznam o výrobě, se vytváří během zpracování každé jednotlivé šarže. Obsahuje detailní údaje z procesu zpracování šarže zachycené při jeho řízení modulem COMES Batch. Struktura EBR vychází ze standardní struktury, podle níž se výrobní předpis rozpadá na jednotlivé výrobní operace, které se dále rozpadají na jednotlivé výrobní kroky. Součástí tohoto záznamu jsou i grafy časových průběhů důležitých veličin a hlášení vzniklá během výroby, která jsou přebírána z vrstvy MCS.
 
Protokol z navažování surovin je vytvořen pro každou výrobní šarži. Jde o záznam dokumentující průběh navažování surovin určených pro danou šarži. Obsahuje všechny důležité údaje uvedené současně také na navažovacích obalech, do nichž byly suroviny rozváženy. K takovým údajům patří např. identifikace suroviny, množství suroviny v obalu, pořadové číslo obalu a celkový počet obalů, do kterých byla surovina rozvážena, identifikace obsluhy, která surovinu navážila, doba strávená navažováním suroviny do tohoto obalu atd.
 
Batch protokol je v systému vytvářen ze standardního elektronického záznamu o šarži. Vedoucí výroby mohou využít buď standardní komplexní protokol, který obsahuje všechny informace o zpracování šarže. Dále lze vytvářet dílčí protokoly anebo souhrnný protokol shrnující všechny údaje důležité např. pro propouštění dané šarže do dalšího zpracování.
 

Závěr

 
Elektronické řízení výroby je účinný nástroj vyvinutý firmou Compas automatizace k dosažení optimálního řízení šaržových nebo sériových výrob. Umožňuje podnikům efektivně řídit a optimalizovat jakost výrobků, produktivitu výroby a výrobní náklady. To je umožněno jak poskytováním informací manažerům a výrobním týmům v reálném čase, tak efektivním rozdělováním úkolů, včetně přímého řízení technologických zařízení.
 
Systém popsaný v článku znamená mimořádný přínos pro výrobní podniky v často se měnící tržní situaci jak ekonomické deprese s obvyklým cílem minimalizace nákladů, tak v období konjunktury, kdy je třeba maximálně využít existující kapacity. Elektronické řízení výroby je nástroj umožňující maximálně využít instalované technologické zařízení i další výrobní prostředky tak, aby podnik dosahoval co největší konkurenceschopnosti.
 
Pavel Vaněk, Martin Horký, Vlastimil Braun,
 
Obr. 1. Vztah výrobních celků a řídicích vrstev ERP, MES (COMES) a MCS (Siemens)
Obr. 2. Architektura řídicího systému závodu s vyznačenými symboly použitých modulů COMES (Logon, Historian, Modeller, Batch) a komunikačního rozhraní CCI (COMES Communication Interface)
Obr. 3. Příklad zobrazení technologického zařízení v prostředí WinCC s ovládacími okny kroku dávkování demineralizované vody (vlevo), zobrazením pomocných parametrů (vpravo dole) a ovládacím oknem motoru míchadla v ručním režimu (vpravo nahoře)