Systém plně integrované automatizace v závodě Zora Olomouc

V potravinářském průmyslu je kladen stále větší důraz na úplnou automatizaci výrobního procesu. Výsledkem úspěšného zavedení takto koncipovaného systému řízení jsou nejen větší produktivita a efektivnější využití výrobního zařízení, ale také splnění nových požadavků na jakost v potravinářské výrobě, diktovaných aktuálními předpisy EU zaměřenými na ochranu spotřebitelů. Koncept plně integrované automatizace byl tudíž zvolen za základ projektu automatizace výroby čokoládových hmot pro země sdružené v CEFTA, který byl realizován koncernem Nestlé v závodě Zora Olomouc.

Obr. 1 - Zásobniky surovin a technologie pro jejich dávkování

Jednou z klíčových částí nově vybudovaného výrobního zařízení je jeho automatizovaný systém řízení. Podle standardů společnosti NESTLÉ bylo společností Compas automatizace ze Žďáru nad Sázavou realizováno řešení s použitím moderního řídicího systému Siemens řady Simatic S7. Pro zpracování vizualizace, recepturového řízení, sběr, ukládání a poskytování velkého množství technologických dat včetně tvorby výrobních reportů byla použita koncernově preferovaná softwarová platforma Wonderware Systém Platform a Wonderware MES.

Obr. 2 - Pětiválec válcovny čokoládových hmot

V článku je po stručném představení dané technologie výroby a požadovaných řídicích funkcí popsána navržená architektura ASŘ a její technická realizace při použití uvedených komponent od firmy Siemens.

Technologie výroby čokoládových hmot
Jednotlivá linka na průmyslovou výrobu čokoládových hmot se skládá ze tří základních částí, kterými jsou:
•    zásobníky a zařízení pro dávkování surovin (obr. 1),
•    válcovací zařízení,
•    zařízení pro vlastní hnětení (konžování) čokoládových hmot.

Zásobníky surovin jsou velkoobjemové s možností automatického doplňování surovin. Sypké materiály, jako např. cukr, se do zásobníků dopravují pneumaticky, tekuté suroviny, např. kakaové máslo, čerpadly. Ze zásobníků jsou suroviny dávkovány do válcovacího zařízení, které vytváří sypkou kakaovou hmotu. Kakaová hmota je pomocí pásových dopravníků přepravena do tzv. pětiválců (obr. 2), kde se veškeré zbylé kousky rozmělní až na zcela jemnou práškovou směs. Jemně namletá kakaová směs je dalšími dopravníky přepravena do hnětačů – konží, kde se po přidání dalších surovin, jako např. kakaového másla, hnětením získá výsledná čokoládová hmota. Ta je pneumaticky, speciálním zařízením Molch, dopravována do zásobníků výrobních linek závodu Zora Olomouc nebo je expedována pro použití v dalších výrobních závodech koncernu Nestlé.

Požadavky na ASŘ výroby čokoládových hmot
Od komplexního řešení ASŘ několika produktových šaržových výrob daného typu se standardně požaduje:
•    spolehlivé řízení výrobního zařízení a strojů,
•    komfortní ovládání automatizovaného systému řízení z operátorských stanic,
•    místní ovládání technologických zařízení prostřednictvím operátorských panelů,
•    parametrizace a řízení elektrických pohonů,
•    sběr a archivace technologických veličin a provozních údajů.

Koncepce ASŘ ve firmě Nestlé, závod Zora Olomouc
Koncepce ASŘ realizovaná firmou Compas automatizace, jako dodavatelem, a vybraná koncernem Nestlé staví na komponentách od firmy Siemens, především na systému PLC Simatic S7. Pro připojení a řízení snímačů a akčních členů jsou použity především výkonné řídicí stanice řady Simatic S7-400 s centrální i decentrální výstavbou vstupů a výstupů (obr. 3).

Obr. 3 - Archirektura části řídicího systému Simatic S7 400

Vyšší úroveň ASŘ je tvořena počítači-servery s operačním systémem Windows  Server s klienty Windows, na nichž jsou realizovány jednotlivé funkce vizualizace, ovládání, tvorby protokolů, záznam a grafické zobrazování mimořádných stavů a hlášení o poruchách, řízení průběhu a správa receptur šaržových procesů atd. Vizualizační úroveň tvoří systém Wonderware Applikation Server s vizualizací Wonderware Intouch s recepturovou nadstavbou (obr. 4, obr. 5), ukazující přehled výroby práškové kakaové směsi.

Obr. 4 - HMI vizualizace výroby čokoládových hmot

Vzhledem k tomu, že zprvu jde o sypkou hmotu s velkou hutností, klade čokoládová hmota na počátku hnětení míchadlu konže značný odpor. Proto jsou v pohonech konží instalovány výkonné měniče (na modernizovaných konžích řady Siemens Master Drives CBP2), které jsou momentově řízeny. Po přidání tekutých přísad se směs stane viskózní. S postupným promícháváním směsi klesá její viskosita, a otáčky míchadel konží jsou tudíž postupně zvětšovány, až se dosáhne konečného stavu relativně tekuté čokoládové hmoty.

Kvalitní inženýrink je cesta k fungující automatizaci výroby
Vytvořit dobře fungující automatizaci je úkolem inženýrinku. Pro kvalitní návrh řídicího systému šaržové výroby je třeba analyzovat výrobní kroky, které lze vykonat na daném technologickém zařízení, a to včetně podchycení všech možných výjimečných stavů a veškerých jejich důsledků. Rozsah inženýrských prací je v porovnání s kontinuálními procesy několikanásobný.

Inženýrink začíná sestavením zadání tvořeným mnoha dokumenty specifikujícími požadavky na všechny jednotlivé funkce ASŘ. Musí být možné tyto funkce ověřit a výsledky ověření zaznamenat. Celkové ověření souladu ASŘ s pravidly správné výrobní praxe se nazývá validace. V rámci realizace projektu vznikají a používají se např. tyto dokumenty:
•    zadání (uživatelská specifikace): soupis celkových požadavků uživatele na výsledný systém řízení,
•    specifikace funkcí (Functional Specification – FS): podrobná specifikace jednotlivých funkcí řídicího systému,
•    návody pro provozní obsluhu (operátory), správce systému, archivační postupy atd.,
•    zkušební dokumentace: záznam způsobu provedení a výsledků testů softwarových modulů a jejich integrace i přejímky řídicího systému u dodavatele (FAT) a na místě použití (SAT).

Obr. 5 - vizualizace a ovládání konží

Vytvořit všechny potřebné aplikační programy je velmi rozsáhlý úkol. Vývojové prostředky zvoleného automatizačního systému Simatic S7 umožňují, aby na projektu paralelně pracovalo mnoho programátorů současně. Tím je zajištěna konzistence vývoje aplikace. Po zkonfigurování softwarových modulů, vizualizace (příklad na obr. 5. - zobrazení konže na lince), receptur a dalších funkcí aplikačního softwaru nastává velmi důležitá etapa testů, které prokazují dosažení shody s požadavky formulovanými v zadání a specifikacích funkcí řídicího systému.

Velký význam při návrhu i realizaci ASŘ má těsná spolupráce dodavatele a zákazníka. Je tomu tak proto, že realizační tým se skládá ze specialistů na technologii, ASŘ, organizaci výroby atd., jejichž specializace se nepřekrývají. Jinými slovy řečeno, neexistuje odborník, který zná celý rozsah problematiky a mohl by z tohoto titulu rozhodovat o řešení. Proto jsou analýza takto složitého projektu a na ni navazující tvorba vlastních zadávacích a realizačních specifikací obzvláště náročné na komunikaci uvnitř týmu a vyžadují mimořádné úsilí od pracovníků všech zúčastněných stran.

Dobře navržená automatizace je základem úspěšné produkce
Dobře navržená průmyslová automatizace šaržových potravinářských procesů poskytuje výrobcům mnoho výhod, jako např. pružnost při změnách výrobního sortimentu, ochranu investic vložených do automatizace, možnost plánování výrobního procesu, optimalizaci výrobních procesů formou trasování a statistického porovnávání průběhu výroby a výsledných vlastností jednotlivých šarží, dosažení shody s požadavky na kvalitu a vedení záznamů o průběhu výroby a mnohé jiné. Ani při použití špičkových automatizačních prostředků však nemusí být vždy dosaženo optimálních výsledků, pokud se současně dokonale neanalyzují možnosti technologického zařízení a nedocení se inženýrské zpracování projektu. Výhody, které dokonale řešená automatizace šaržových procesů svým vlastníkům přináší, však vložené úsilí mnohonásobně vrátí v úspěšné produkci širšího sortimentu produktů způsobem just in time – bez nutnosti vytváření zásob – přesně podle požadavků dynamicky se měnícího, velmi konkurenčního prostředí současného trhu.

Autor: Vlastimil Braun, COMPAS automatizace, spol. s r.o.