從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化生產(chǎn)——自動(dòng)化功能設(shè)計(jì)的知識(shí)轉(zhuǎn)移
發(fā)布時(shí)間：2024-07-26 作者：Kendon Jacobson
▲生的和干的紅高粱提取物。
一家生物提取物的制造商與系統(tǒng)集成商合作，通過采用開放的架構(gòu)和自動(dòng)化系統(tǒng)，將其獨(dú)特的紅高粱提取工藝從試點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)槿娴墓I(yè)化生產(chǎn)。
經(jīng)過數(shù)年的產(chǎn)品開發(fā)，生物提取物制造商RedLeaf Biologics從其獨(dú)特的紅高粱植物中提取的物質(zhì)在商業(yè)和經(jīng)濟(jì)上都達(dá)到了可行的程度，可用于食品、飲料和化妝品等多個(gè)市場(chǎng)。在此之前，整個(gè)工藝僅在試點(diǎn)項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證。這種產(chǎn)品不僅是同類產(chǎn)品中的第一種，而且還需要定制提取設(shè)備。因此，用于初級(jí)提取和隨后的下游處理所需的過程需要適合當(dāng)前的工業(yè)設(shè)施。系統(tǒng)集成商Gray Solutions被要求提供過程和自動(dòng)化集成服務(wù)，以支持這項(xiàng)工作。
最初，RedLeaf團(tuán)隊(duì)依靠內(nèi)部資源開始構(gòu)建。系統(tǒng)集成商則在其它關(guān)鍵領(lǐng)域提供援助，包括合同文件、配電、壓縮空氣系統(tǒng)和工藝設(shè)計(jì)。然而，最終，該項(xiàng)目包括了自動(dòng)化設(shè)計(jì)、可編程邏輯控制器（PLC）和人機(jī)界面（HMI）開發(fā)、過程集成、新生產(chǎn)過程的安裝和調(diào)試。它為客戶提供了一個(gè)從研發(fā)環(huán)境轉(zhuǎn)向自動(dòng)化食品級(jí)生產(chǎn)設(shè)施的解決方案，包括原材料接收、材料處理、工藝、包裝、CIP、數(shù)據(jù)收集、質(zhì)量、可追溯性以及與其它OEM控制系統(tǒng)的接口。
01 自動(dòng)化功能設(shè)計(jì)的知識(shí)轉(zhuǎn)移
在啟動(dòng)一個(gè)具有關(guān)鍵工藝控制范圍的項(xiàng)目時(shí)，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)盡可能了解工藝技術(shù)的最新進(jìn)展。系統(tǒng)集成商先前對(duì)基于植物的萃取和干燥技術(shù)的了解，可用于促進(jìn)與客戶之間的知識(shí)轉(zhuǎn)移交流。RedLeaf團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了數(shù)年的時(shí)間正確識(shí)別和指定其運(yùn)營所特有的參數(shù)，包括特殊溶劑或助溶劑、植物流變行為、期望和不需要的反應(yīng)數(shù)據(jù)、首選脫水技術(shù)以及與安全和質(zhì)量有關(guān)的問題。
該團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)關(guān)于工廠未來規(guī)模的愿景，并將其分為三個(gè)階段。第一階段是小規(guī)模試點(diǎn)，隨后是該過程的概念驗(yàn)證。其余兩個(gè)階段與工廠產(chǎn)能基準(zhǔn)掛鉤。作為其中的一部分，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都在早期進(jìn)行范圍開發(fā)，以從規(guī)模和功能角度確定自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵客戶需求。
集成團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)之一是如何將已有的硬件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、開關(guān)裝置和撬裝設(shè)備與新系統(tǒng)結(jié)合起來。因此，部分工作范圍包括對(duì)此類設(shè)備需求的評(píng)估。選擇新的工藝閥門和儀器，以支持工藝控制和監(jiān)測(cè)方面的潛在發(fā)展。還要考慮在每個(gè)工藝步驟之間，液體提取物轉(zhuǎn)移的首選自動(dòng)化順序。也考慮了數(shù)字通信總線，但最終確定不需要為未來提供支持。因此，設(shè)備要么是離散的，要么是模擬的，不包括驅(qū)動(dòng)器。所選驅(qū)動(dòng)器配置了用于所有三相設(shè)備的EtherNet/IP。
運(yùn)行每次提取的功能對(duì)整個(gè)過程至關(guān)重要。該批次對(duì)時(shí)間和pH值敏感，并且這兩個(gè)參數(shù)都需要控制和定時(shí)。必須通過兩個(gè)管道入口添加水，操作員可以選擇每個(gè)位置的添加量。團(tuán)隊(duì)對(duì)分批順序進(jìn)行進(jìn)一步的討論，認(rèn)為需要采用一種自動(dòng)和手動(dòng)混合的方法來逐步進(jìn)行。操作員需要向自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)出命令，以確認(rèn)批處理狀態(tài)的變化。
在批量模式（如 pH 值調(diào)整步驟）和連續(xù)模式（如脫水）下運(yùn)行的單元操作之間需要信號(hào)交換。按照混合方法進(jìn)行分批處理，脫水前的保持時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。保持時(shí)間自動(dòng)倒計(jì)時(shí)，并在開始脫水前提醒運(yùn)行人員。然而，最終從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡狀態(tài)，需要操作員的干預(yù)。
在項(xiàng)目開工前，產(chǎn)品脫水設(shè)備已經(jīng)選定。系統(tǒng)集成商評(píng)估了第三方技術(shù)的可集成性以及其它OEM功能。最后確定，核心操作將保留在現(xiàn)有設(shè)備上，主要是因?yàn)樗蓑?qū)動(dòng)器的自定義斜坡程序。來自撬裝設(shè)備的離散狀態(tài)信號(hào)，可用于提供潛在的可操作性信號(hào)交換。例如，如果信號(hào)指示“運(yùn)行”狀態(tài)，則可以相應(yīng)地轉(zhuǎn)移原產(chǎn)品。
在進(jìn)行了包括識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在內(nèi)的一系列調(diào)研和探討之后，團(tuán)隊(duì)開始最終的硬件選擇。這確實(shí)需要快速的響應(yīng)和決策周轉(zhuǎn)時(shí)間。供應(yīng)鏈中斷仍然普遍存在，在制定訂單進(jìn)度時(shí)，該團(tuán)隊(duì)評(píng)估了組件的優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)集成商采用了帶有440C-CR30安全繼電器的CompactLogix 5069-L320ER PLC。CR30允許在整個(gè)過程中根據(jù)需要?jiǎng)澐职踩珔^(qū)域。然后，如果決定改變分區(qū)，只需要對(duì)規(guī)劃進(jìn)行微小的修改。
該項(xiàng)目中使用了Power Flex 525的一些功能，包括安全扭矩關(guān)閉（STO）和自動(dòng)設(shè)備配置（ADC）。STO功能減少了安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和編程時(shí)間，同時(shí)也允許變頻器在受控安全停止期間保持供電。該設(shè)計(jì)可以無需斷開線路電源。ADC允許將驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)存儲(chǔ)在PLC中，這樣在更換變頻器時(shí)可以節(jié)省大量時(shí)間。它還有助于防止參數(shù)的意外錯(cuò)誤配置并限制訪問。因此，根據(jù)所使用的開關(guān)類型，幾乎不需要任何配置就可以簡化驅(qū)動(dòng)器更換。PLC可以自動(dòng)將參數(shù)下載到驅(qū)動(dòng)器。
02 利用開放式架構(gòu)和基于Web的平臺(tái)
從定義工廠系統(tǒng)的ISA 95模型開始，每一層都需要一定程度的靈活性和敏捷性來支持項(xiàng)目。在范圍界定階段，通常認(rèn)為在未來仍需要進(jìn)一步定義質(zhì)量體系，因?yàn)樗婕坝涗洷４婧蛿?shù)據(jù)安全。一般情況下，為了便于訪問歷史數(shù)據(jù)庫，最好使用相同的系統(tǒng)進(jìn)行工廠控制。盡管在編寫文件時(shí)沒有選擇制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），但需要考慮一個(gè)支持潛在無縫集成的平臺(tái)。
▲圖1（上面）是傳統(tǒng)HMI界面示例。
圖2（下面）是高性能HMI界面示例。
系統(tǒng)集成商最終選擇采用了Ignition的HMI和監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）軟件。選擇Ignition的決定主要是基于未來的考慮，它的可擴(kuò)展性、無限許可模式、跨平臺(tái)兼容性、基于web的部署、開源技術(shù)和開發(fā)效率，是其對(duì)替代方案的主要優(yōu)勢(shì)。Ignition的開源平臺(tái)允許從其它控制器、系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輕松收集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫中，用于歷史化、趨勢(shì)化、報(bào)告、報(bào)警和可追溯性。為了進(jìn)行驗(yàn)證，客戶希望能夠查看是誰更改、修改或啟動(dòng)了過程。
該平臺(tái)包括一個(gè)內(nèi)置的審計(jì)系統(tǒng)來支持這一功能，它記錄用戶登錄/注銷、標(biāo)簽寫入、數(shù)據(jù)庫寫入、查詢和腳本執(zhí)行、警報(bào)通知、報(bào)告執(zhí)行等操作。這些信息顯示在一個(gè)可過濾的功能表中，以便快速查找標(biāo)簽或操作。Ignition還通過其命名查詢、事務(wù)組和查詢生成器簡化了數(shù)據(jù)庫編程。構(gòu)建表、修改列或讀/寫、創(chuàng)建或修改，不需要專門的數(shù)據(jù)庫編程培訓(xùn)。它可以訪問在開發(fā)階段使用的大量培訓(xùn)視頻和用戶手冊(cè)庫。在進(jìn)行工廠驗(yàn)收試驗(yàn)（FAT）時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還能夠使用基于Web的平臺(tái)以虛擬方式完成這項(xiàng)工作。
在這個(gè)項(xiàng)目中，系統(tǒng)集成商與客戶合作，采用遵循ISA 101標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的高性能HMI。ISA 101標(biāo)準(zhǔn)的一些優(yōu)勢(shì)包括一致性、導(dǎo)航效率、減少干擾和眩光等，最重要的是能夠突出顯示異常情況。與許多HMI開發(fā)項(xiàng)目一樣，有不同層級(jí)的可視化，但其目的是讓運(yùn)行人員一眼就能看到任何警報(bào)或異常。
客戶對(duì)于是否可以將質(zhì)量數(shù)據(jù)整合到系統(tǒng)中十分關(guān)心。Ignition平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)無縫添加，因此客戶能夠在整個(gè)系統(tǒng)中快速添加批次ID、產(chǎn)品ID、化學(xué)品ID、pH值、葉重、水重和其它產(chǎn)品重量等信息。所有這些數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫中，并顯示給客戶，以滿足他們的可追溯性和質(zhì)量平衡需求。
03 釋放未來潛力
在物理和數(shù)字架構(gòu)都滿足當(dāng)前項(xiàng)目需求后，還要考慮可擴(kuò)展性。盡管具體的生產(chǎn)目標(biāo)是討論的一部分，但重點(diǎn)是未來的可持續(xù)增長和創(chuàng)新。雖然重點(diǎn)放在原料加工和提取物回收上，但RedLeaf團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了垂直整合的生產(chǎn)模式。這包括在農(nóng)場(chǎng)以及高粱選擇和相關(guān)開發(fā)計(jì)劃。這些改進(jìn)為可追溯性和集成增加了一層復(fù)雜性。
雖然制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）不在該項(xiàng)目范圍之內(nèi)，但I(xiàn)gnition也為RedLeaf提供了一個(gè)創(chuàng)建或集成潛在系統(tǒng)的平臺(tái)，包括合作伙伴模塊，如整體設(shè)備效率（OEE）、跟蹤和追蹤、統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）和批處理程序等。隨著RedLeaf開始整合多個(gè)地點(diǎn)的業(yè)務(wù)，IIoT集成也將成為關(guān)鍵。
關(guān)鍵概念：
■ 了解如何將現(xiàn)存硬件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和其它設(shè)備集成到新的工廠或設(shè)施中。
■ 了解如何使用開放式架構(gòu)來簡化未來的擴(kuò)展工作。
■ 探索從研發(fā)環(huán)境到自動(dòng)化食品級(jí)生產(chǎn)設(shè)施的擴(kuò)展過程。
思考一下：
您如何為工廠未來的規(guī)模化工作奠定基礎(chǔ)？