Batch technológiák automatizálása 1. rész

Bevezetés 

A vegyipari technológiák automatizálásában az ötvenes évek végén megjelent a közvetlen számítógépes irányítás (DDC, Monsanto ammónia gyár, 1959.), amely a nagy mennyiségeket gyártó folyamatosan működő technológiákhoz illeszkedett optimálisan, ugyanis ezen technológiákat egyszer kellett elindítani ill. leállítani, s az hosszú időn át (hónapok, évek) automatikusan működött az időben állandósult munkapontok közelében. Fenti okból ebben az időben a trend a szakaszos rendszerek folyamatos rendszerekké való átalakítása volt. A számítás- és információtechnikára épülő folyamatirányítás rohamos fejlődése, valamint a kis mennyiségű de nagy értékű speciális vegyipari termékek iránti növekvő piaci igények a trend irányát napjainkra megváltoztatták. Terjed a szakaszos technológiák építése, automatizálása. Ezzel együtt a szakaszos technológiák automatizálása számos olyan problémát felvet, amely a folyamatos technológiáknál nem jelentkezik.

Cikksorozatunkban a szakaszos technológiák automatizálásának általunk fontosnak és jellemzőnek ítélt elemeit mutatjuk be a PID.hu olvasóinak.

Témakörök:

• A szakaszos rendszerek jellemzése
• Batch szabványok, terminológia
• A szakaszos- és folyamatos technológiák irányításának összehasonlítása
• Batch algoritmusok
• Batch rendszerek validálása

Hogyan osztályozzuk a gyártó rendszereket?

A vegyészmérnöki szakkönyvekben az osztályozás alapja a folyamatjellemzők (pl. hőmérséklet, nyomás, koncentráció) időbeli alakulása a berendezés adott pontján. Ha a változás elenyésző és nem szándékos (a technológia állandósult, ún. stacioner állapotban van), akkor a gyártást folyamatos működésűnek nevezzük, ellenkező esetben pedig szakaszos rendszerről beszélünk. A gépgyártást ettől elkülönítendő, diszkrét technológiának nevezzük.

Folyamatos technológia:

• A feldolgozandó nyersanyag folyamatosan különböző berendezéseken halad keresztül,
• A berendezések stacioner állapotban üzemelnek és mindegyik egy meghatározott feladatot lát el,
• A termék folyamatosan képződik.

Tipikus folyamatos technológia: pl. timföldgyártás, kőolajfeldolgozás, stb.

Szakaszos (batch) technológia:

• A nyersanyagok feldolgozása adagokban (batch, sarzs) történik,
• A feldolgozás meghatározott sorrendben elvégzett műveleteket jelent,
• Nagy flexibilitást igényel.

Tipikus szakaszos rendszer: pl. gyógyszergyári- és élelmiszeripari technológiák, finomkémiai termékeket előállító technológiák, stb.

Diszkrét technológia:

• A terméket darabra számolható tételekben (lot ~ azonos nyersanyag és gyártási eljárás) állítják elő,
• Adott mennyiségű termék mozog a megmunkáló állomások között,
• Minden egyes darab azonosítható és a gyártása követhető (dokumentálható).

Tipikus diszkrét rendszer: pl. autógyárak, gépgyártó üzemek, TV gyártás, stb.

Az automatizálás szempontjából is hasznos összefüggések olvashatók ki az alábbi összeállításból:

A kilencvenes évek jellemző iparági statisztikáját adja az alábbi táblázat:

Mi tehát a szakaszos (batch) rendszer?

Szakaszos (batch) rendszereknek azokat a rendszereket nevezzük, amelyekben - figyelembe véve a berendezések fizikai struktúráját és gazdasági szempontokat is - a gyártási folyamat meghatározott sorrendben végrehajtott lépések (fázisok) sorozatából áll. Ezeknek a lépéseknek a végrehajtása során véges mennyiségű (adag, sarzs) végterméket kapunk. Nagyobb mennyiségű termék előállításához a lépéssorozatot ismételni kell.

Szabványosításra van szükség!

A szakaszos technológiák fogalomrendszerének kialakítását nagyban segítették a különböző szabványok, mint a NAMUR (Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der Chemischen Industrie), de leginkább az IEC 61512-1 (S88.01). Ezen szabványok célja standard terminológia és összehangolt, egymáshoz illeszkedő modellek kidolgozása, a jobb megértés végett. Ez hozzájárul ahhoz, hogy:

• Csökkenjen egy új termék bevezetésének, felfutásának ideje,
• A gyártók megfelelő folyamatirányító rendszert gyártsanak,
• A felhasználók pontosan meg tudják fogalmazni igényeiket,
• A receptúra szerkesztését irányítástechnikai szakember nélkül lehessen elvégezni,
• Csökkenjenek a batch automatizálásának költségei,
• Csökkenjenek a mérnöki ráfordítások.

E szabványokról szólunk részletesebben a következő részben.

Vonatkozó szabványok:

A szakaszos technológiák területén legelterjedtebben alkalmazott szabvány az ISA S88.01. E szabvány európai megfelelője az IEC 61512-1, magyar megfelelője pedig az MSZ EN 61512-1 szám alatt jelenik meg. (A továbbiakban az egyszerűség és az irodalommal való kompatibilitás érdekében megmaradunk az S88.01 jelölésnél). A szabvány a szakaszos technológiáknál és azok irányításával használt legfontosabb fogalmakat és modelleket foglalja össze és ezzel megalapozza a felmerülő irányítási feladatok megoldásához szükséges elemek és kapcsolataik egységes kezelését és értelmezését. A szabvány következő része az S88.02 a receptúráknak megfelelő adatmodelleket, adatátadási- és leírási módszerket foglalja össze. A folyamatirányítás és a vállalatirányítás információs kapcsolatát az S95.01 szabvány tárgyalja. Szorosan kapcsolódó további szabványok az IEC 60902, mely az ipari folyamatok mérésével és irányításával kapcsolatos fogalmakat tartalmazza, és az IEC 60848, amely a funkciódiagramokkal,az eljárásvezérlés egyik eszközével foglalkozik.

Az S88.01 elemeit - terjedelmi okból - két részben fogjuk bemutatni: Ebben a cikkben az alapvető modelleket és ezek kapcsolatát részletezzük. A folytatásban az ezen modellhez kapcsolódó receptúra típusokat és a szakaszos technológiákhoz kötődő irányítási tevékenységeket fogjuk tárgyalni.

A szakaszos technológiák alapvető modelljei:

Az alkalmazott megközelítés három alapvető hierarchikus modellre épül:

• a technológiai berendezések
• a lejátszódó folyamatok
• az irányítási tevékenységek modelljeire.

A modellek külön kezelik a termékekre illetve a technológiai berendezésekre vonatkozó információkat, ily módon a szabvány szerint ugyanaz a berendezés többféle termék gyártására is alkalmazható vagy ugyanazon termék különböző berendezésegyüttesekben is előállítható. Kritikus fontosságúnak tartjuk a modelleknek megfelelő megnevezések elsajátítását, hiszen egy automatizálási projectben többen is részt vesznek, és a félreértések elkerüléséhez elengedhetetlen, hogy az együttműködő felek közös műszaki nyelvet beszéljenek!

A technológiai folyamat modell:

A termék előállítása során lejátszódó fizikai és kémiai folyamatokat egy négyszintű modellel   írjuk le (jobboldali ábra). A technológiai folyamat nem más, mint egy adott termék gyártása során lejátszódó valamennyi lépés együttese. A technológiai részfolyamat a teljes gyártás olyan   része, ami a többi részfolyamattól függetlenül megy végbe. A technológiai részfolyamatok időben soros és/vagy párhuzamos elrendezésben alkotják a technológiai folyamatot. A technológiai részfolyamatokat technológiai műveletekre bonthatjuk. A technológiai műveletek a kémiai vagy fizikai átalakulást eredményező fő gyártási lépések, pl. előkészítés, reagáltatás, stb. A technológiai beavatkozások kisebb technológiai tevékenységekből állnak, pl. felfűtés, adagolás, stb.

A fizikai modell:

A modell felső három szintjét az üzleti tényezők határozzák meg, ezért a szabvány ezekkel részletesebben nem foglalkozik. Az alsó négy szint képezi le a termék gyártásában felhasználható technológiai eszközöket (jobboldali ábra). A technológiai cella tartalmazza a sarzsok gyártásához szükséges valamennyi technológiai egységet, berendezés   illetve irányító modult. Ehhez a szinthez kötődik a sarzsok ütemezése és a teljes rendszert átfogó irányítási   stratégiák alkalmazása.

A technológiai egység egy vagy több alapvető feldolgozási lépés (pl. keverés, kristályosítás,   reagáltatás, stb.) elvégzéséhez szükséges eszközöket foglal magába. Általában egy központi   berendezés köré épül. Egy időben csak egy sarzs feldolgozását végzi. A technológiai egységek   egymástól függetlenül működnek.

A berendezés modulok néhány egyszerűbb feldolgozási lépés (adagolás, hűtés, stb.) elvégzésére   alkalmasak. Le hetnek önállóak vagy technológiai egység részei. Ezek szerint egy berendezés   modul tartalmazhat további berendezés modult!

Az irányító modul vezérlési és/vagy szabályozási funkciókat ellátó, önállóan kezelhető eszközök csoportja. Állhat érzékelőkből, beavatkozókból, alapszintű irányító eszközökből illetve alsóbb irányító modulokból is.

Az eljárás vezérlési modell:

Az eljárás vezérlési modell a szakaszos gyártás végrehajtásához szükséges irányítási lépéseket írja le (jobboldali ábra). Ebben a modellben határozhatjuk meg a technológiai feladatok végrehajtásának sorrendjét. A modell legmagasabb szintje az eljárás, ami a fő technológiai tevékenységek végrehajtásának stratégiáját definiálja. A technológiai egység eljárás az eljárás olyan része, amely egy technológiai egységen belül időben sorban végrehajtott műveleteket jelent. Az eljáráson belül a technológiai egység eljárások végrehajtása sorosan vagy párhuzamosan is történhet. A művelet általában fizikai vagy kémiai változással járó, nagyobb tevékenységsorozatot jelent. A műveletek határát célszerű úgy megállapítani, hogy ott a végrehajtás biztonsággal felfüggeszthető legyen. A fázis az a legkisebb elem, amely még technológia-orientált feladatot hajt végre. A fázisok beavatkozásokat kezdeményezhetnek vagy hajthatnak végre.

A modellek kapcsolata:

Bár a szabvány az egyes modellek megalkotásában nagy szabadságot hagy a rendszer tervezőjének, alkalmazása - az egyes modellek felbontására vonatkozó elveket gondosan követve - moduláris felépítésű, jól áttekinthető és könnyen módosítható irányítási rendszer felépítését teszi lehetővé. Megfelelően kialakított modellek esetén a három modell kapcsolata megfelel az alábbi ábrán bemutatott elrendezésnek, azaz az eljárás-vezérlési modell egyes szintjeit a fizikai modell megfelelő szintjeivel kombinálva (azokon végrehajtva) a technológiai folyamat modell megfelelő szintű elemei játszódnak le és így a kívánt terméket állítjuk elő.

Meg kell jegyeznünk, hogy az S88.01 szabvány elveket és definíciókat tartalmaz. Az ábrákon is bemutatott konkrét modelleket egy lehetséges megoldásként mutatja be. Az alkalmazás során megengedett ezen modellek szűkítése vagy akár bővítése is. Lényeges, hogy a fizikai modellből sem a technológiai egység sem az irányító modul szint nem maradhat ki.

Következő cikkünkben tovább tárgyaljuk az MSz EN 61512-1 szabványt.

FIGYELEM:

A batch technológiák iránt érdeklődő kollégák számára ajánljuk a Magyar Batch Fórum honlapját, ahol információkat gyűjthetnek, és tanfolyamokra is jelentkezhetnek.