3 4 Sterowanie sys prod w przem spożyw

3.4. Sterowanie systemem produkcyjnym w zautomatyzowanym przemyśle spożywczym

Przemysł spożywczy jest rynkiem bardzo podatnym na automatyzację ze względu na szerokie możliwości jakie daje wprowadzenie takiego rodzaju sterowania. Co za tym idzie nakłady finansowe na wyposażenie fabryk w tym przemyśle są coraz większe. Dzięki temu są w nich wdrażane najnowocześniejsze rozwiązania techniczne, przykładowo na wielu stanowiskach pracują roboty przemysłowe, a cechy produktów kontrolowane są za pomocą automatycznych systemów inspekcji. W rezultacie odpowiednio do wzrostu wolumenu oraz złożoności produkcji rosną także jej wydajność, rentowność oraz jakość.

Produkcja żywności jest złożonym, wieloetapowym procesem, który rozpoczyna się od przybycia do magazynów zakładu surowców poddawanych następnie wstępnej obróbce. Usuwane są m.in. łodygi, liście oraz korzenie owoców i warzyw,
a w przypadku surowego mięsa usuwa się skórę oraz tłuszcz. Natomiast produkty mrożone poddawane są procesowi rozmrażania. Później surowce
są sortowane, na przykład według rozmiaru. Na kolejnym etapie rośliny obiera się ze skórki, z ryb usuwa ości, a mięso oddziela od kości. Tak przygotowane produkty tnie się na części, kroi na plasterki, sieka, mieli, kruszy lub rozciera. Następnie surowce oraz różne dodatki są ze sobą mieszane. Kolejnymi etapami obróbki są m.in. wędzenie, blanszowanie, pieczenie, smażenie, prażenie, mrożenie lub suszenie. Przed rozlaniem do butelek, włożeniem do plastikowych pudełek, kartonów, metalowych puszek lub wyłożeniem na tackach, które są foliowane, produkty konserwuje się (sterylizuje, pasteryzuje). Opakowania te umieszcza się później w pojemnikach zbiorczych. Te ostatnie są ładowane do samochodów dostawczych i wysyłane do odbiorców lub transportowane do magazynów. Do wielu tych zadaniach można wykorzystać zautomatyzowane systemy sterowania. Przez uzyskać można zwiększenie wydajności produkcji, zmniejszenie braków.

Poniższy IDEF przedstawia schemat sterowania systemem produkcyjnym
w przemyśle produkcyjnym.

Zautomatyzowane systemy sterowania świetnie odnajdują się przede wszystkim
w zadaniach przenoszenia, czyli typu pick & place (podnieś i umieść). Przykładem jest sortowanie (np. zdejmowanie z przenośnika uszkodzonych opakowań), pakowanie (m.in. mięsa na tacki, pudełek do kartonów) oraz rozładowywanie (wyjmowanie pustych butelek lub słoików ze skrzynek) i ładowanie (kontenerów, palet, skrzynek, opakowań). Systemy te można wykorzystać do zadań specjalnych, na przykład rozbioru tusz zwierzęcych
i porcjowania mięsa. Dodając takiemu systemowi funkcje wizyjną uzyskuje się automatyczną kontrolę jakości. Robi się to w ten sposób, że na podstawie zdjęcia wykonanego przez kamerę umieszczoną nad przenośnikiem lub obok niego w specjalnym oprogramowaniu przeprowadzane jest porównanie danej cechy produktu (koloru, kształtu, rozmiarów) ze wzorcem. Jeżeli zostaną wykryte jakiekolwiek rozbieżności, wówczas do sterownika robota przesyłany jest odpowiedni zestaw instrukcji, zgodnie z którymi zdejmuje on z taśmy wadliwy produkt. Oprócz tego na podstawie obrazu rejestrowanego przez kamerę można sterować robotem, ustalając miejsca na przenośniku, z którego produkt ma być zdjęty lub gdzie ma zostać położony (rys. 2.).

Rysunek 2: Wizyjny system sterowania robotem (źródło: http://www.damatik.pl/automatyzacja-produkcji/automatyzacja-produkcji/)

Warto zaznaczyć, że w robotach przemysłowych przeznaczonych do zastosowań w branży spożywczej stosuje się specjalne rozwiązania konstrukcyjne. Są to m.in. dodatkowe uszczelnienia ruchomych elementów zabezpieczające przed wnikaniem do wewnątrz kwasów, wody, środków czyszczących oraz pyłów. Obudowy robotów są także lakierowane w celu zwiększenia gładkości powierzchni oraz ułatwienia utrzymania jej w czystości. Stosowane są też wyłącznie smary dopuszczone w produkcji żywności (np. tłuszcz spożywczy). Aby wybrać odpowiedniego robota, należy dopasować jego szybkość, precyzję, udźwig, obszar roboczy i sposób montażu do wymagań danej aplikacji.

W przemyśle spożywczym bardzo ważny jest także dobór wyposażenia maszyny.
Niekiedy roboty są uzupełniane o specjalne narzędzia, np. na stanowiskach rozbierania tusz są to różnego rodzaju akcesoria do cięcia i piłowania mięsa oraz kości. W kompletowaniu stanowiska typu pick & place najważniejszy natomiast jest wybór odpowiednich chwytaków. Ich konstrukcja powinna być dopasowana do specyfiki produktu, którym robot będzie miał za zadanie manipulować. Przykładowo do podnoszenia worków wykorzystuje się chwytaki widłowe. Oprócz tego dostępne są manipulatory o konstrukcji zoptymalizowanej pod kątem wytrzymałości na duże obciążenia oraz precyzyjne, służące do przekładania np. plastrów sera. Do podnoszenia wyrobów, które można łatwo uszkodzić (szklanych, kruchych) zalecane są chwytaki wyposażone w sensory (np. dotykowe).

Przemysł spożywczy kładzie także duży nacisk na jakość, bezpieczeństwo oraz higienę na wszystkich etapach produkcji. Najlepsze wyniki w tym zakresie można uzyskać, wdrażając w zakładzie system zarządzania jakością. Zgodnie z wytycznymi Unii Europejskiej wymagane są przede wszystkim: Dobre Praktyki Higieniczne (GHP) oraz Dobre Praktyki Wytwarzania (GMP). Określają one działania, które producent musi podjąć oraz warunki, które musi spełniać na wszystkich etapach produkcji
i transportu żywności, aby nie była ona szkodliwa dla zdrowia i życia ludzi. System Analizy Zagrożeń
i Krytycznych Punktów Kontrolnych (HACCP) określa
z kolei procedury identyfikacji zagrożeń (mikrobiologicznych, chemicznych, fizycznych), które mogą wpłynąć na jakość żywności. Ich źródłem mogą być m.in. surowce, proces technologiczny, maszyny oraz otoczenie, w tym personel. HACCP ułatwia również szacowanie ryzyka ich wystąpienia oraz zapobieganie im, poprzez m.in. kontrolę różnorakich parametrów procesowych oraz otoczenia (przykładowo temperatury, poziomu wilgotności, ciśnienia). Zasady GHP, GMP oraz HACCP stanowią dla producentów systemów sterowania produkcją spożywczą cenną wskazówkę. Uwzględniając je w projektach swoich urządzeń, lepiej mogą oni odpowiedzieć na zapotrzebowanie klientów i wspierać ich w zapewnianiu najwyższej jakości w procesach produkcyjnych.

W obrębie linii produkcyjnych w przemyśle spożywczym instaluje się też różnego rodzaju czujniki. Są to na przykład enkodery, które są m.in. częścią systemów sterowania np. prędkością przenośników. Z kolei czujniki optyczne (np. laserowe) są używane w pomiarach odległości. Montuje się je w chwytakach robotów oraz używa do zliczania produktów transportowanych taśmociągiem. Przy przenośnikach instaluje się również czytniki kodów kreskowych oraz sensory wizyjne sprawdzające czytelność i poprawność nadruków na etykietach produktów. Sensory ultradźwiękowe oraz pojemnościowe są natomiast wykorzystywane w kontroli poziomu napełnienia zbiorników, np. silosów. Wyniki pomiarów tych wielkości są zwykle przesyłane do systemów sterowania napełnianiem oraz opróżnianiem pojemników. Czujniki indukcyjne są z kolei używane do detekcji obecności oraz przemieszczenia. Na przykład wykrywają one pojawienie się na podajniku aluminiowych tacek, do których z przenośnika przekładany jest produkt. Wyniki pomiarów parametrów przepływu w rurociągach są skojarzone z systemami sterowania pompami oraz zaworami. Powszechnie wykorzystuje się także czujniki temperatury, ciśnienia, lepkości, masy oraz parametrów fizykochemicznych, np. pH. Zdecydowana większość procesów technologicznych (m.in. fermentacja, pasteryzacja, suszenie, mrożenie) musi bowiem zachodzić w ściśle określonych warunkach opisanych tymi parametrami. Monitorowane są też warunki otoczenia, gdyż przykładowo przekroczenie wartości dopuszczalnych temperatury lub wilgotności powietrza może spowodować zepsucie się produktu. Wiele maszyn wykorzystywanych w produkcji żywności wymaga też monitorowania poziomu wibracji. Nadmierna wartość tego parametru jest zwykle wskaźnikiem awarii, przykładowo niewyważenia wirnika, co może prowadzić do poważnych konsekwencji. Taka sytuacja może wystąpić w wyniku nagromadzania się zanieczyszczeń (m.in. pyłów z mąki, tłuszczowych osadów). Dlatego używane są czujniki w wykonaniu wysoce higienicznym. Charakteryzuje je odpowiednio wysoka jakość wykonania i sterylność. Do ich produkcji wykorzystywane są również wybrane materiały. Nie powinny one na przykład zawierać elementów ze szkła, które mogą się w trakcie użytkowania czujnika stłuc. Części sensora wykonane z tego materiału należy odpowiednio zabezpieczyć, np. obudową z nietłukącego się materiału.

Sprawne zarządzanie produkcją wymaga wdrożenia w zakładzie właściwego systemu sterowania. Jeszcze kilka lat temu zwykle najpierw należało zdecydować, czy zastosować rozproszony system sterowania (DCS), czy PLC - Programowalny Sterownik Logiczny
(z ang. Programmable Logic Controller), czyli uniwersalne urządzenie mikroprocesorowe przeznaczone do sterowania pracą maszyny lub urządzenia technologicznego.

Sterownik PLC musi zostać dostosowany do danego obiektu sterowania poprzez zakodowanie w jego pamięci żądanego algorytmu działania obiektu. Cechą charakterystyczną sterowników PLC odróżniającą ten sterownik od innych sterowników komputerowych jest cykliczny obieg pamięci programu. Sterownik wyposaża się w odpowiednią liczbę układów wejściowych zbierających informacje o stanie obiektu i żądaniach obsługi oraz odpowiednią liczbę i rodzaj układów wyjściowych połączonych z elementami wykonawczymi, sygnalizacyjnymi lub transmisji danych.

Wybór między DCS a PLC zależał od tego, czy miała być kontrolowana produkcja procesowa, czy dyskretna. Zasadnicza różnica między tymi systemami polega na tym, że gotowego wyrobu powstałego w ramach tej pierwszej nie można rozłożyć na części, z których powstał. W produkcji procesowej bowiem składniki produktu przetwarza się, przeprowadzając różne reakcje chemiczne lub poprzez nieodwracalną zmianę ich właściwości fizycznych. Realizowane jest to często w ramach procesów wsadowych, które przebiegają według określonych receptur. Produkcja dyskretna polega natomiast na wytworzeniu produktu, z którego później można wyodrębnić poszczególne elementy składowe.

Rysunek 4: Procentowy rozkład wykorzystywania systemów sterowania na świecie w 2008 roku (źródło: http://www.utrzymanieruchu.pl/menu-gorne/artykul/article/napedy-i-systemy-sterowania-w-przemysle/)

Powszechnie przyjęło się do sterowania produkcją procesową wykorzystywać system DCS, natomiast za domenę systemu PLC uważać produkcję dyskretną. W przypadku produkcji żywności i napojów taki wyraźny podział niestety nie istnieje. Przykładem jest wytwarzanie lodów. Zasadnicza część produkcji ma w ich wypadku charakter procesowy. Sporządza się je z mleka, do którego dodawany jest cukier, tłuszcz, emulgatory, stabilizatory, barwniki, aromaty oraz dodatki smakowe. Substancje te miesza się z sobą, podgrzewa, homogenizuje, pasteryzuje, a następnie schładza. Każdy z tych procesów przeprowadza się
w określonej temperaturze, doprecyzowane są też jego ramy czasowe. Podobnie jest
w przypadku produkcji masła. Wytwarza się je ze śmietany, którą najpierw schładza się do określonej temperatury. W tym stanie przechowuje się ją przez pewien czas, a następnie ubija. Prowadzi to do uformowania się kulek masła oraz maślanki. Produkty te są rozdzielane. Następnie kulki soli się i łączy ze sobą, tworząc kostki masła. Gotowe produkty, już
w ramach procesów w produkcji dyskretnej, są pakowane. Lody porcjuje się i przekłada do pojemników, natomiast masło zawija w folię. Inne przykłady zadań dyskretnych to pakowanie czekoladek w blistry następnie wkładane do pudełek, które umieszcza się w kartonie lub pakowanie mrożonych owoców do torebek, których brzegi się zgrzewa.

Najlepszym rozwiązaniem w produkcji spożywczej byłoby zatem połączenie obu typów systemów sterowania. Obecnie jest to ułatwione, ponieważ różnice między PLC i DCS zacierają się. Jest to możliwe dzięki rozwojowi technologii sterowników programowalnych (m.in. zwiększeniu ich mocy obliczeniowej i pojemności pamięci oraz rozszerzaniu możliwości komunikacji sieciowej). Ważna jest też tendencja do implementowania funkcjonalności PLC w rozproszonych systemach sterowania. W rezultacie DCS i PLC różnią się obecnie głównie pod względem stopnia komplikacji procesów konfiguracji, programowania oraz nadzoru nad systemem, w bardziej złożonych aplikacjach często na niekorzyść PLC.

Źródła:


Wyszukiwarka