Cyfrowy bliźniak

Jak wykorzystać technologię cyfrowego bliźniaka w produkcji wsadowej i hybrydowej

Produkcja materiałów budowlanych, przemysł chemiczny, farmaceutyczny czy spożywczy, to przykładowe sektory, w których wykorzystywana jest produkcja wsadowa. Pozwala tworzyć końcowy produkt poprzez poddanie surowców wejściowych sekwencji procedur oraz takie ich przetworzenie w wybranej jednostce czasu, by osiągnąć pożądane parametry. Te procesy przebiegają według ściśle określonej specyfikacji, tzw. receptur.

Pierwszym etapem jest dozowanie surowców do naczynia przetwarzającego, drugim jest poddanie ich rozmaitym formom oddziaływania (ogrzewanie, ochładzanie, zmiana ciśnienia, reakcje chemiczne). Trzecim – odebranie gotowego produktu. Wytwarzanie produktów w krótkich partiach, charakterystyczne dla produkcji wsadowej, ułatwia kontrolę jakości. Jeśli wada ujawni się w jednej partii, można poddać produkt dodatkowej obróbce w celu uzyskania oczekiwanej jakości lub dokonać korekty w następnej partii. Inną cechą produkcji wsadowej jest mniejsze ryzyko niepowodzenia przy wprowadzaniu nowych produktów na rynek. Jeśli efekty innowacyjnych działań okażą się niezadowalające, można je łatwo poprawić. Minusem tego typu produkcji są jednak przestoje pomiędzy poszczególnymi partiami, z którymi trzeba się liczyć, zwłaszcza, kiedy produkt jest modyfikowany. Zredukowanie tych przestojów, a także sprawienie, by produkcja wsadowa była płynna, wymaga planowania i analizowania danych.

Modyfikacje produktów są obecnie coraz częstsze, ponieważ niezależnie od gałęzi przemysłu, fabryki dążą do zwiększenia swojej konkurencyjności na rynku oraz do poprawy efektywności operacyjnej. Sprowadza się to do tego, że chcą nie tylko produkować towary o jak najwyższej i powtarzalnej jakości, ale też mieć możliwość szybkiej zmiany oferty produktowej, aby nadążyć za zmieniającymi się trendami rynkowymi i wymaganiami klientów. Wszystko to przy utrzymaniu możliwie najmniejszych stanów magazynowych surowców i produktów gotowych. Cyfrowy bliźniak, a więc wirtualna kopia realnych maszyn i procesów, może pomóc w realizacji tych celów.

Konkretne zadania dla cyfrowych bliźniaków

Budowa i poprawne wykorzystanie cyfrowego bliźniaka we wdrażaniu systemów sterowania procesami produkcji wsadowej pozwala na skuteczne przeprowadzenie modernizacji lub uruchomienie nowej instalacji w krótkim czasie. Integracja cyfrowego bliźniaka z systemem sterującym procesem produkcyjnym pozwala na testy urządzeń, testy blokad procesowych i blokad bezpieczeństwa, testy faz i sekwencji, tworzenie receptur, wirtualne prowadzenie produkcji z utrzymaniem zadanych parametrów procesowych oraz szkolenie operatorów.

Przygotowane i przetestowane oprogramowanie umożliwia wdrożenie systemu sterowania, który w przemyślany sposób zarządza precyzyjnym utrzymaniem parametrów procesu produkcyjnego.

Najczęstsze problemy, z jakimi spotykają się użytkownicy starszych systemów sterowania produkcją wsadową oraz sposoby na ich rozwiązanie dzięki wykorzystaniu technologii cyfrowych bliźniaków:

Skomplikowany system tworzenia receptur

Wiele starszych systemów sterowania produkcją wsadową zostało opracowanych w czasach, gdy programowanie było złożonym procesem i wymagało specjalistycznej wiedzy. Dlatego ich interfejs był projektowany z myślą o specjalistach, którzy mieli doświadczenie w programowaniu. Jednak z biegiem czasu technologia uległa zmianie i najnowsze systemy sterowania produkcją wsadową oferują graficzny, bardziej intuicyjny i łatwiejszy w obsłudze interfejs użytkownika.

Poza ułatwieniem samego sposobu tworzenia receptur, wykorzystanie symulatora procesów produkcyjnych pozwala na przeprowadzenie testów oraz dopasowanie nowych receptur do istniejącej instalacji. To znacznie skraca czas projektowania nowych produktów i minimalizuje ryzyko wystąpienia błędów w pierwszych partiach.

Cyfrowy bliźniak procesu produkcyjnego jest wirtualną reprezentacją całej instalacji produkcyjnej i wszystkich procesów w niej zachodzących (np. symulacja reakcji chemicznych).

Problemy ze stabilnością utrzymania parametrów procesowych

Wytworzenie danego produktu wymaga utrzymania wielu parametrów procesu produkcyjnego w ściśle określonych wartościach. Dobór odpowiednich parametrów procesowych można wykonać na dwa różne sposoby: metodami prób i błędów na pracującej instalacji lub wykorzystując symulator procesu produkcyjnego – cyfrowego bliźniaka. Oba sposoby są dobre, przy czym wykorzystanie symulatora procesu pozwoli osiągnąć ten sam cel, oszczędzając czas i ograniczając możliwe straty surowców, przy zachowaniu najwyższego bezpieczeństwa ludzi i instalacji.

Ograniczona powtarzalność jakości produktów gotowych

Kiedy parametry procesu wytwarzania nadzorowane są przez technologów, często trudno je utrzymać na stałym przewidywalnym poziomie. Symulator procesu produkcyjnego – cyfrowy bliźniak – pozwala osiągnąć ten cel po ustaleniu najbardziej odpowiednich warunków wytwarzania produktu. Dodatkowo odpowiednio wdrożony system sterowania, czerpiący informacje z cyfrowego bliźniaka, pozwala w powtarzalny sposób utrzymać zadane parametry na każdym etapie produkcji. Nawet jeśli pewne czynności muszą zostać wykonane manualnie przez operatora, system w przejrzysty sposób daje wskazówki, polecenia i weryfikuje poprawność wykonanych operacji.

Brak systemu raportowania lub system, który nie spełnia norm i wymagań odbiorców

W wielu gałęziach przemysłu, gdzie jakość wyrobu końcowego ma kluczowe znaczenie, istotną rolę odgrywa możliwość śledzenia historii procesów produkcyjnych, od chwili pozyskania surowców, poprzez przetwarzanie, aż do momentu końcowej produkcji i dystrybucji.

Wykorzystując dane historyczne do odtworzenia danego scenariusza na symulatorze procesu produkcyjnego – cyfrowym bliźniaku – użytkownik jest w stanie szybciej zlokalizować źródło nieprawidłowości, a także wykonać odpowiednie zmiany i testy w celu uniknięcia pomyłek w przyszłości.

Wysokie koszty utrzymania systemów sterowania i ograniczona dostępność wsparcia technicznego

Wykorzystanie symulatora linii produkcyjnej lub całego zakładu produkcyjnego ułatwia utrzymanie i rozbudowę systemu sterowania. Mając możliwość symulowania planowanych zmian, użytkownik może sprawdzić, jaki będą one miały wpływ na bieżący proces, a następnie zaplanować i wdrożyć wcześniej sprawdzone rozwiązania. Cyfrowy bliźniak może też służyć do analityki predykcyjnej.

Ograniczone możliwości rozbudowy

Systemy i aplikacje kontrolujące złożone procesy technologiczne z natury rzeczy są rozległe i skomplikowane. W przypadku rozbudowy lub modyfikacji linii produkcyjnej, zmiana i dopasowanie oprogramowania do implementowanych zmian mogą być trudne i czasochłonne. Dlatego wykorzystanie wirtualnej kopii tych systemów ułatwia rozbudowę, skalowanie i powielanie sprawdzonych rozwiązań w kolejnych liniach produkcyjnych i w innych lokalizacjach w organizacji.

Wszystkie te zastosowania technologii cyfrowego bliźniaka są odpowiedzią na konkretne wyzwania produkcji wsadowej, ale efekty ich działania sumują się. Prowadzą do poprawy zarządzania procesem produkcji, zarówno na poziomie operacyjnym jak i biznesowym, co w rezultacie przekłada się na lepsze wyniki finansowe firm produkcyjnych i większą satysfakcję klientów.

STUDIA PRZYPADKU:

Dowiedz się więcej

Dowiedz się więcej o cyfrowym bliźniaku w nowej publikacji „Cyfrowy bliźniak 4.0. Jak budować cyfrowe bazy wiedzy w przemyśle.„

Transformacja cyfrowa

Produkcja wsadowa, czyli elastyczna fabryka

Produkcja wsadowa jest metodą produkcji, która prowadzi do wytworzenia określonej ilości produktu poprzez poddanie surowców wejściowych uporządkowanemu zestawowi operacji technologicznych. Proces wsadowy przebiega ściśle według specyfikacji i receptur. Na początku surowce są dozowane do naczynia przetwarzającego, którym może być mieszalnik lub reaktor, w którym poddawane są obróbce (np. mieszaniu, obróbce cieplnej lub chemicznej). Zazwyczaj mamy do czynienia z całą linią urządzeń przetwarzających. Gotowy produkt – zwykle w sposób automatyczny – trafia do zbiorników lub cystern załadowczych.

Na każdym z etapów procesu realizowana jest kontrola jakości. W chwili, gdy wytworzenie całej partii jest zakończone, można rozpocząć przetwarzanie nowego wsadu surowców.

Wsadowe metody produkcji wykorzystuje się m.in. w produkcji materiałów budowlanych, w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i spożywczym.

Produkcja wsadowa a proces ciągły

Produkcja ciągła różni się od wsadowej tym, że – jak sama nazwa wskazuje – produkty wytwarzane są w sposób ciągły. Surowce w tym przypadku są nieustannie dozowane do instalacji, a następnie przetwarzane, a gotowy produkt – również w sposób ciągły – jest transportowany do zbiorników magazynowych.

Produkcja ciągła charakteryzuje się zwykle większym wolumenem – produkujemy pojedynczy produkt w dużych ilościach. W przypadku produkcji wsadowej produkowane ilości są mniejsze, ale za to łatwiej zmienić asortyment, tzn. rodzaj produkowanego produktu. Przykładem produkcji ciągłej będzie np. linia wytwarzania amoniaku lub oleju napędowego. Z kolei przykładem produkcji wsadowej będzie linia produkcji farb, która może wykonywać różne rodzaje farb na zamówienie klienta.

Wady i zalety obu rodzaju procesów produkcyjnych

Oba te rodzaje procesów produkcyjnych mają swoje plusy i minusy. Produkcję ciągłą łatwiej jest zautomatyzować, ponieważ jest ona zaprojektowana do wyrobu konkretnego produktu. W efekcie potrzebna jest mniejsza liczba operatorów do obsługi takiej instalacji. Pracuje ona z reguły bez przerw, a więc 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu – przestoje są bardzo rzadkie. Oznacza to, że koszt produkcji na jednostkę produktu jest niski.

Wadą procesu ciągłego jest z pewnością wysoki koszt budowy samej instalacji. Należy też zauważyć, że minusem może być również cecha, którą powyżej wymieniliśmy jako zaletę – a więc fakt, że instalacja przeznaczona jest wyłącznie do produkowania jednego produktu. Jego zmiana na inny wymaga przebudowania instalacji albo wręcz jest niemożliwa.

Tej wady nie ma produkcja wsadowa, gdzie jedna instalacja może być wykorzystywana do wytwarzania większej liczby produktów, nawet kilkuset. Możemy produkować np. farby w kilkudziesięciu różnych kolorach. Linia tego typu jest więc bardzo elastyczna – można ją szybko przekonfigurować do produkcji dowolnego produktu, na który jest aktualnie zapotrzebowanie. Ułatwia to również kontrolę jakości, którą możemy prowadzić na każdym etapie procesu, szybko wprowadzając poprawki.

Przy wszystkich swoich zaletach produkcja wsadowa jest trudniejsza w automatyzacji, wymagając również z reguły większego personelu operatorskiego. Z oczywistych względów większa jest też liczba przestojów takiej linii – konieczne są przezbrojenia i inne czynności przygotowawcze przy każdej zmianie produkowanego asortymentu. Trzeba też pamiętać, że w produkcji wsadowej łatwiej jest o pomyłki, które nam zazwyczaj nie grożą w produkcji ciągłej, gdy bez przerwy produkujemy ten sam produkt. A każdy błąd jest bardzo kosztowny. Jeżeli zepsujemy cały wsad, nadaje się on wyłącznie do utylizacji, za którą trzeba dodatkowo zapłacić.

Systemy informatyczne wspomagające produkcję wsadową

Wymienione wyżej wady produkcji wsadowej charakterystyczne są jednak przede wszystkim dla zakładów o niskim poziomie automatyzacji. Nowoczesne systemy automatyki i informatyki przemysłowej pozwalają skutecznie zminimalizować ich znaczenie. Skorzystać na tym mogą producenci wysoko wyspecjalizowanych produktów, takich jak żywice, poliole, suplementy diety czy kolorowe farby. Na tego typu rynkach trendy bardzo szybko się zmieniają, a w takim przypadku zalety produkcji wsadowej mogą okazać się bardzo cenne. Skuteczny system sterowania i zarządzania pozwala na szybkie rekonfiguracje linii produkcyjnej, a tym samym na szybką odpowiedź na zmieniające się zapotrzebowanie.

Korzyści z automatyzacji i informatyzacji procesu wsadowego

Pierwszą ważną korzyścią jest zapewnienie stałej i zgodnej ze specyfikacją jakości produktów, niezależnie od partii produkcyjnej. System informatyczny steruje sekwencją wykonywania zadań, a większość operacji wykonywana jest automatycznie. Jeżeli konieczna jest ingerencja operatora, otrzymuje on jasne informacje i polecenia, a system rejestruje efekty wykonanych przez niego czynności.

Druga korzyść to lepsze wykorzystanie zasobów i poprawa efektywności operacyjnej. System dynamicznie przypisuje lokalizację surowców do zbiorników, dzięki czemu produkcja jest realizowana zgodnie ze specyfikacją receptury niezależnie od położenia surowców. Również wykorzystanie urządzeń jest bardziej efektywne – każde urządzenie, które zakończyło działanie w ramach jednej partii produkcyjnej, jest od razu dostępne dla kolejnego wsadu.

Niezwykle istotne jest zapewnienie większego poziomu bezpieczeństwa produkcji. Jedną z funkcji sytemu jest zarządzanie blokadami (process and safety interlocks), gwarantujące bezpieczeństwo całej instalacji oraz personelu. Dzięki zastosowaniu redundancji na każdym z poziomów, a więc na poziomie automatyki, wizualizacji oraz systemu recepturowania, a także dzięki zastosowaniu wirtualizacji, system zapewnia ciągłość prowadzenia procesu.

Genealogia produkcji

Wszystkie informacje związane z przebiegiem procesu produkcyjnego są rejestrowane w bazie danych. Dotyczy to również danych dotyczących wykonywania poszczególnych partii produktów. Rejestr zawiera genealogię produktów, zadania wykonane podczas produkcji, parametry faz, zmiany statusów sprzętu (rezerwacje urządzeń i udostępnienia do produkcji), czynności i komentarze operatorów, a także kompletny zapis wszystkich wydarzeń. Automatyczny sposób zapisywania i udostępniania danych eliminuje papierowy przepływ dokumentów.

Zautomatyzowany proces budowania aplikacji

Dobrze zaprojektowany system zarządzania produkcją wsadową jest otwarty, łatwy do modyfikowania i rozbudowy oraz prosty w obsłudze przez operatorów. Przykładowo autorskie narzędzia Control-Service pozwalają znacznie zredukować czas tworzenia i uruchamiania aplikacji oraz zminimalizować prawdopodobieństwo popełnienia błędów. Graficzny interfejs receptur umożliwia łatwe i szybkie tworzenie, kopiowanie i modyfikowanie receptur – co ważne, bez konieczności angażowania programistów. Znacząco skraca to czas i obniża koszty uruchamiania produkcji nowych wyrobów.

Szczególną zaletą systemu jest intuicyjny interfejs użytkownika, który pozwala w bezpieczny i uporządkowany sposób kontrolować procesy zachodzące w instalacji. Wszystkie zdarzenia zachodzące w instalacji, takie jak alarmy, blokady technologiczne czy kroki sekwencji, są w intuicyjny i czytelny sposób pokazywane operatorowi, co ułatwia dokładne śledzenie procesu produkcyjnego.’

Symulator procesu wsadowego

Elementem systemu zarządzającego produkcją wsadową może być symulator procesu produkcyjnego. Jest to kompletny, wirtualny model fabryki, który dokładnie odwzorowuje cały proces wytwarzania. Taki symulator (zwany też „cyfrowym bliźniakiem” – digital twin) umożliwia gruntowne przetestowanie całego systemu przed jego implementacją na obiekcie. Możemy zweryfikować poprawność działania wszystkich elementów i skontrolować zależności pomiędzy nimi. Możemy sprawdzić funkcjonowanie blokad i prawidłowość przebiegu procesów krok po kroku, w zależności od wyboru różnych produktów i receptur.

Wszystko to jest możliwe całkowicie wirtualnie, co oznacza, że możemy przeprowadzać testy bez ryzykowania strat wynikających z uszkodzenia instalacji czy złej jakości gotowego produktu. Dzięki symulatorowi można znacząco skrócić czas uruchomienia instalacji, tak by np. wdrożenie trwało 2 dni zamiast 2-3 tygodni.

Kolejną zaletą cyfrowego symulatora procesu jest możliwość szkolenia personelu z zakresu obsługi całego systemu. Dzięki temu pracownicy mogą nauczyć się wszystkiego, co niezbędne, w komfortowych warunkach i bez ryzyka popełnienia kosztownych błędów. Po zakończeniu takiego wirtualnego szkolenia i nabraniu odpowiedniego doświadczenia operatorzy mogą zacząć bezpiecznie sterować rzeczywistą produkcją.

Cyfrowy symulator produkcji pozwala wreszcie na łatwe testowanie wszelkich planowanych modyfikacji w procesie. Możemy łatwo sprawdzić, jaki będą one miały wpływ na produkcję, czy są bezpieczne i czy przyniosą oczekiwane efekty. Dopiero po symulacyjnym zweryfikowaniu wprowadzamy zmiany w rzeczywistej instalacji. Pozwala to obniżyć koszty i zminimalizować ryzyko.

Podsumowanie

Systemy produkcji wsadowej umożliwiają szybką reakcję na zmiany zapotrzebowania ze strony klientów. Ułatwiają tworzenie nowych produktów oraz modyfikowanie już istniejących – poprzez łatwe wprowadzanie korekt w recepturach ich wytwarzania. Systemy takie świetnie sprawdzają się tam, gdzie mamy do czynienia z mieszaniem i obróbką termiczną, ciśnieniową oraz chemiczną wielu składników w celu uzyskania gotowego produktu, a więc w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, spożywczym i nie tylko.