Ing. Roman Brázda, Ing. Vlastimil Braun,
COMPAS automatizace s. r. o., Žďár nad Sázavou
Funkce MES v systému Simatic PCS7
Článek popisuje funkce řídicí úrovně MES realizované prostředky distribuovaného řídicího systému Simatic PCS7 ve firmě Kraft Foods Valašské Meziříčí (káva Dadák).
Stručně o projektu
Kraft Foods Valašské Meziříčí je předním zpracovatelem kávy v České republice. Dodává na trh kávu pod mediálně známými značkami Dadák a Jacobs. V roce 1995 bylo rozhodnuto v podniku vybudovat centrální řídicí systém (Central Control System – CCS), který, vystavěn postupně v osmi etapách, plně nahradí stávající ostrůvkovou automatizaci a umožní komplexní moderní řízení celé výrobny. Pro uskutečnění tohoto záměru byl vybrán projekt firmy COMPAS automatizace, založený na distribuovaném systému (Distributed Control System – DCS) pro řízení procesů Simatic PCS7 firmy Siemens. Současně s realizací základního automatizovaného systému řízení technologických procesů požadoval zákazník nadstavbové funkce, které jsou řazeny do řídicí úrovně MES (Manufacturing Execution Systems). Tyto funkce MES, jako např. dávkově (šaržově) orientované řízení pomocí receptur, detailní sledování výrobního procesu a jeho optimalizace, sledování kvality, protokolování dat, archivace a přenos dat mezi úrovněmi základní automatizace, MES a informačním systémem podniku (IS), řešené prostředky řídicího systému typu DCS Simatic PCS7, jsou popsány v následujících odstavcích.
Sledování a řízení technologického procesu výroby kávy s využitím funkcí MES
Zelená káva se z kamionů přesouvá do sil na zelenou kávu. Před zahájením příjmu zboží se do řídicího systému zapisují údaje zobrazené na operátorské stanici (obr. 1) v okně Data pro příjem zelené kávy (obr. 2). Po vložení dat je káva z příjmu transportována přes vstupní váhu a ukládána do vybraného sila. Vstupní váha (tzv. naskladňovací) je certifikována pro obchodní vážení. Podléhá pravidelným auditům a kontrolním vážením, vykonávaným orgány státního dozoru. Vážní procesor předává údaje o jednotlivých navážkách do řídicího systému, kde jsou ukládány v databázi historických dat. Káva je na váze navažována po dávkách s nastavitelnou hmotností dávky. Každému naváženému množství je systémem přiděleno číslo dávky a do protokolu o příjmu zelené kávy je zaznamenán údaj o dávce. Po vyložení celého kamionu ukončí obsluha příjem nákladu příslušným povelem řídicímu systému. Současně s ukončením příjmu nákladu zelené kávy řídicí systém zapíše zadané údaje do souboru, který je odeslán a dále se zpracovává v ekonomickém modulu informačního systému.
Následně se zelená káva dopravuje do provozních sil (obr. 3), ve kterých jsou uloženy různé druhy kávy, ze kterých se skládají a praží výsledné právě vyráběné směsi.
Káva je opět dopravována po dávkách s vážením každé dávky na váze. Každé dávce je opět přiděleno jedinečné číslo (v kombinaci s datem a časem) a údaje jsou zapsány do protokolu.
Z provozních sil jsou na míchací váze z jednotlivých druhů kávy navažovány výrobní dávky jednotlivých směsí kávy, které se praží a následně dopravují do sil pražené kávy. Vyráběný sortiment, tj. určení, jaké směsi (druhy) kávy se mají navažovat a pražit, zadává obsluha podle výrobního plánu, který je generován podle požadavků trhu v IS. Z knihovny receptur (tzv. Hlavní receptář, obsahující stovky receptur), uložené v úrovni MES řídicího systému, vybírá operátor konkrétní tzv. Řídicí recepturu, určující druh kávy (čísla míchaných směsí) pro pražení na pražičkách (obr. 3). Recepturami je řízeno míchání směsí na míchací váze i průběh vlastního pražení.
Každá řídicí receptura definuje jeden vyráběný druh kávy. Obsahuje zadání až dvaceti komponent a deseti parametrů. Jsou v ní uvedeny jednotlivé druhy zelené kávy, které vstupují do výsledné směsi, jejich hmotnostní poměry a technologické údaje nezbytné pro pražení. Každé namíchané dávce je přiděleno číslo dávky a údaje o míchání jsou opět uloženy do protokolu. Technologické údaje pro pražení se přenášejí do pražiček, které mají kvůli bezpečnosti samostatný autonomní řídicí systém Siemens, dodávaný výrobcem pražiček. Parametry tohoto lokálního řídicího systému se nastavují prostřednictvím integrované komunikace daty z úrovně MES jako součásti CCS. Na každé pražičce lze současně zadat výrobu několika různých dávek – druhů kávy. Zadání se uchovávají ve frontě a po ukončení pražení žádaného množství jednoho druhu se automaticky přechází na další druh.
Z jednotlivých dávek upražené kávy jsou automaticky odebírány vzorky a měřeny hodnoty barvy a vlhkosti, které jsou opět ukládány do protokolu spolu s číslem příslušné dávky a časovou značkou. Naměřené hodnoty jsou určeny ke zpětné optimalizaci procesu pražení (obr. 4).
Upražená káva je z pražiček přes váhu dopravována do sil pražené kávy (obr. 4). Na této váze se určuje úbytek hmotnosti kávy při pražení (propražek).
Ze sil pražené kávy je káva po splnění požadovaných technologických podmínek dopravována buď do násypek baliček zrnkové kávy nebo přes váhu do mlýnů (obr. 4, obr. 5). Veškeré údaje o dopravované kávě jsou opět ukládány do příslušného protokolu.
Z mlýnů je káva dopravována do odplyňovacích sil (doprava se opět dokumentuje), odkud je po splnění všech technologických podmínek dopravována na balicí linky (obr. 6). Údaje o jednotlivé dávce jsou opět ukládány do protokolů, stejně jako údaje o balených dávkách.
Systém protokolů o výrobě
Kromě protokolování údajů o jednotlivých dávkách při dopravě kávy jsou vytvářeny také sumární protokoly v podobě denních přehledů, jež sumárně udávají pohyby kávy v jednotlivých skupinách sil. Dále se protokolují přepnutí doprav AUTOMAT/SEŘIZOVÁNÍ a v systému též vzniká denní záznam (log), do kterého se ukládají zásahy obsluhy a všechny události generované v systému.
Přenosy dat
Z informačního systému podniku (IS) jsou do úrovně MES přenášeny údaje o požadavcích na množství a sortiment vyráběné kávy a o číslech druhů kávy.
Do IS jsou přenášeny protokoly vybrané uživatelem, jako např. Příjem zelené kávy, O barvě a vlhkosti pražené kávy, informace Aktuálně provozované receptury anebo počet vyrobených kartonů kávy. Dále se do databáze SQL informačního systému přenášejí ke zpracování další technologická data a parametry. Přenosy údajů jsou průběžně doplňovány podle požadavků uživatele.
Data mohou být, podle svého určení v IS, přenášena do jednotlivých návazných systémů v závodě uživatele, jako jsou technologické databáze, ekonomika, plánování nákupu a prodeje. Tyto části systému nebyly realizovány firmou COMPAS automatizace a způsob komunikace s nimi a popis přenášených dat jsou důvěrnými informacemi zákazníka.
Archivace dat
Všechna vytvářená historická data jsou archivována v diskové paměti systému. Po nastavené době jsou automatickým archivačním systémem přenesena na záložní médium (magnetooptický disk). Kromě toho si zákazník nezávisle kopíruje vybraná data do jednotlivých částí vlastního IS.
Zkušenosti a poznatky z realizace projektu
Vlastní realizace projektu komplexní automatizace ve firmě Kraft Foods Valašské Meziříčí byla poměrně dlouhodobým procesem, který kombinoval požadavky investora na rozložení investice na etapy, minimální odstávky ve výrobě a narůstající požadavky na intenzifikaci výkonu výrobny spolu s optimalizací výrobního procesu a řízení jeho jakosti. Tyto požadavky, sice dosti protichůdné, ale zato s velmi významnými ekonomickými dopady, přinášely při uskutečňování projektu množství komplikací, které bylo třeba dostatečně řešit.
Požadavek na etapový průběh vyžadoval podrobnou analýzu dosavadních automatizačních systémů, které bylo nutné nahrazovat po částech, aniž by byla ovlivněna funkce zbývajících částí zařízení. Často se např. řešil úkol, jak nahradit stávající systém automatizace určitého technologického uzlu, který má ještě připojeny jisté vstupy a výstupy z jiných technologických uzlů, má na ně určité vazby a vykonává pro ně určité automatizační funkce. Do doby plného vyzkoušení nového řídicího systému byla zákazníkem požadována také možnost návratu k původnímu řešení, pokud by se nové řešení neosvědčilo. Pro takovéto zásahy do již existujících systémů vyvinula společnost COMPAS automatizace vlastní metodiku, kterou je možné částečnou modernizací komplexních technologií efektivně řešit.
Pro splnění požadavku na co nejkratší dobu odstávek bylo nutné pečlivě plánovat jednotlivé realizační kroky, z nichž některé byly uskutečněny ještě před odstávkou za provozu.
Požadavek na připojení technologií tzv. balených jednotek (např. pražiček) s sebou přinesl nutnost připojit jejich lokální řidicí systémy na CCS. To se podařilo mj. i z důvodu konzultační podpory firmy COMPAS firmě Kraft Foods při jednáních o typech a architekturách nabízených řídicích systémů, které dodavatelé těchto „balených“ jednotek museli přizpůsobit požadavkům CCS.
Prostředky vlastních nadstavbových funkcí MES k základní automatizaci nejsou u běžných řídicích systémů standardní součástí jejich funkce, ale příslušné činnosti musí být zajištěny pomocí dodatečně zakoupených softwarových modulů (v lepším případě, nebo neexistují vůbec – horší případ). Zvolená verze distribuovaného řídicího systému Simatic PCS7 obsahovala softwarové moduly realizující funkce MES jako součást základního „balíku“ systémového softwaru (BCL – Batch Control Language, Recipe Editor, Report Editor, funkce nad historickými daty, statistické analýzy nebo prostředky na přenos dat do IS). To umožnilo ekonomicky uskutečnit náročné a stále se rozšiřující požadavky zákazníka (s extenzivním rozvojem technologií i intenzifikací využití možností CCS). Opět se potvrdila známá pravda, že minimální pořizovací náklady na počátku investic do automatizace většinou neznamenají minimální náklady na vybudování komplexní automatizace technologického procesu nebo výrobny.
Prvořadě ovšem k úspěchu projektu přispěly snaha zákazníka co nejdokonaleji využít veškeré možnosti nabízené použitým řídicím systémem a jeho snaha o neustálé vylepšování technologického procesu a jakosti výroby.
Na základě zkušeností společnosti COMPAS automatizace v oblasti potravinářství je možné konstatovat, že úkoly kladené na automatizační systém a jeho funkce MES, splněné ve společnosti Kraft Foods Valašské Meziříčí, je možné často využít i v mnoha jiných aplikací, a to nejen v potravinářském průmyslu.
Závěr
Automatizační systém uvedený do provozu ve firmě Kraft Foods Valašské Meziříčí je jedním z příkladů, jak lze funkce MES realizovat prostředky mocného řídicího systému typu DCS. Tyto funkce umožňují moderním způsobem – pomocí šaržově orientovaného automatizačního systému s přesným sledováním jednotlivých vyráběných a dopravovaných množství kávy – řídit a současně dokumentovat podmínky výroby s cílem sledovat kvalitu a zajistit celkovou optimalizaci chodu výrobny. Úspěšná komplexní modernizace uskutečněná v Kraft Foods Valašské Meziříčí s mnohonásobným nárůstem výrobní kapacity je jedním z příkladů, jak účinně mohou být funkce MES uplatněny v průmyslové praxi.
|