从实验室到工业化生产——自动化功能设计的知识转移

▲生的和干的红高粱提取物。图片来源：RedLeaf Biologics

作者 | Kendon Jacobson

一家生物提取物的制造商与系统集成商合作，通过采用开放的架构和自动化系统，将其独特的红高粱提取工艺从试点和实验室规模转变为全面的工业化生产。

经过数年的产品开发，生物提取物制造商RedLeaf Biologics从其独特的红高粱植物中提取的物质在商业和经济上都达到了可行的程度，可用于食品、饮料和化妆品等多个市场。在此之前，整个工艺仅在试点项目或实验室内进行了验证。这种产品不仅是同类产品中的第一种，而且还需要定制提取设备。因此，用于初级提取和随后的下游处理所需的过程需要适合当前的工业设施。系统集成商Gray Solutions被要求提供过程和自动化集成服务，以支持这项工作。

最初，RedLeaf团队依靠内部资源开始构建。系统集成商则在其它关键领域提供援助，包括合同文件、配电、压缩空气系统和工艺设计。然而，最终，该项目包括了自动化设计、可编程逻辑控制器（PLC）和人机界面（HMI）开发、过程集成、新生产过程的安装和调试。它为客户提供了一个从研发环境转向自动化食品级生产设施的解决方案，包括原材料接收、材料处理、工艺、包装、CIP、数据收集、质量、可追溯性以及与其它OEM控制系统的接口。

01

自动化功能设计的知识转移

在启动一个具有关键工艺控制范围的项目时，团队应尽可能了解工艺技术的最新进展。系统集成商先前对基于植物的萃取和干燥技术的了解，可用于促进与客户之间的知识转移交流。RedLeaf团队花费了数年的时间正确识别和指定其运营所特有的参数，包括特殊溶剂或助溶剂、植物流变行为、期望和不需要的反应数据、首选脱水技术以及与安全和质量有关的问题。

该团队提供了一个关于工厂未来规模的愿景，并将其分为三个阶段。第一阶段是小规模试点，随后是该过程的概念验证。其余两个阶段与工厂产能基准挂钩。作为其中的一部分，两个团队都在早期进行范围开发，以从规模和功能角度确定自动化系统的关键客户需求。

集成团队面临的挑战之一是如何将已有的硬件、现场设备、开关装置和撬装设备与新系统结合起来。因此，部分工作范围包括对此类设备需求的评估。选择新的工艺阀门和仪器，以支持工艺控制和监测方面的潜在发展。还要考虑在每个工艺步骤之间，液体提取物转移的首选自动化顺序。也考虑了数字通信总线，但最终确定不需要为未来提供支持。因此，设备要么是离散的，要么是模拟的，不包括驱动器。所选驱动器配置了用于所有三相设备的EtherNet/IP。

运行每次提取的功能对整个过程至关重要。该批次对时间和pH值敏感，并且这两个参数都需要控制和定时。必须通过两个管道入口添加水，操作员可以选择每个位置的添加量。团队对分批顺序进行进一步的讨论，认为需要采用一种自动和手动混合的方法来逐步进行。操作员需要向自动化系统发出命令，以确认批处理状态的变化。

在批量模式（如 pH 值调整步骤）和连续模式（如脱水）下运行的单元操作之间需要信号交换。按照混合方法进行分批处理，脱水前的保持时间是一个关键参数。保持时间自动倒计时，并在开始脱水前提醒运行人员。然而，最终从保持状态转变为过渡状态，需要操作员的干预。

在项目开工前，产品脱水设备已经选定。系统集成商评估了第三方技术的可集成性以及其它OEM功能。最后确定，核心操作将保留在现有设备上，主要是因为它包含了驱动器的自定义斜坡程序。来自撬装设备的离散状态信号，可用于提供潜在的可操作性信号交换。例如，如果信号指示“运行”状态，则可以相应地转移原产品。

在进行了包括识别现场设备在内的一系列调研和探讨之后，团队开始最终的硬件选择。这确实需要快速的响应和决策周转时间。供应链中断仍然普遍存在，在制定订单进度时，该团队评估了组件的优先级。系统集成商采用了带有440C-CR30安全继电器的CompactLogix 5069-L320ER PLC。CR30允许在整个过程中根据需要划分安全区域。然后，如果决定改变分区，只需要对规划进行微小的修改。

该项目中使用了Power Flex 525的一些功能，包括安全扭矩关闭（STO）和自动设备配置（ADC）。STO功能减少了安全系统的设计和编程时间，同时也允许变频器在受控安全停止期间保持供电。该设计可以无需断开线路电源。ADC允许将驱动器的参数存储在PLC中，这样在更换变频器时可以节省大量时间。它还有助于防止参数的意外错误配置并限制访问。因此，根据所使用的开关类型，几乎不需要任何配置就可以简化驱动器更换。PLC可以自动将参数下载到驱动器。

02

利用开放式架构和基于Web的平台

从定义工厂系统的ISA 95模型开始，每一层都需要一定程度的灵活性和敏捷性来支持项目。在范围界定阶段，通常认为在未来仍需要进一步定义质量体系，因为它涉及记录保存和数据安全。一般情况下，为了便于访问历史数据库，最好使用相同的系统进行工厂控制。尽管在编写文件时没有选择制造执行系统（MES），但需要考虑一个支持潜在无缝集成的平台。



▲图1（上面）是传统HMI界面示例。图2（下面）是高性能HMI界面示例。图片来源：Inductive Automation

系统集成商最终选择采用了Ignition的HMI和监控与数据采集（SCADA）软件。选择Ignition的决定主要是基于未来的考虑，它的可扩展性、无限许可模式、跨平台兼容性、基于web的部署、开源技术和开发效率，是其对替代方案的主要优势。Ignition的开源平台允许从其它控制器、系统和现场设备轻松收集数据，将数据存储在SQL数据库中，用于历史化、趋势化、报告、报警和可追溯性。为了进行验证，客户希望能够查看是谁更改、修改或启动了过程。

该平台包括一个内置的审计系统来支持这一功能，它记录用户登录/注销、标签写入、数据库写入、查询和脚本执行、警报通知、报告执行等操作。这些信息显示在一个可过滤的功能表中，以便快速查找标签或操作。Ignition还通过其命名查询、事务组和查询生成器简化了数据库编程。构建表、修改列或读/写、创建或修改，不需要专门的数据库编程培训。它可以访问在开发阶段使用的大量培训视频和用户手册库。在进行工厂验收试验（FAT）时，该团队还能够使用基于Web的平台以虚拟方式完成这项工作。

在这个项目中，系统集成商与客户合作，采用遵循ISA 101标准开发的高性能HMI。ISA 101标准的一些优势包括一致性、导航效率、减少干扰和眩光等，最重要的是能够突出显示异常情况。与许多HMI开发项目一样，有不同层级的可视化，但其目的是让运行人员一眼就能看到任何警报或异常。

客户对于是否可以将质量数据整合到系统中十分关心。Ignition平台可以实现无缝添加，因此客户能够在整个系统中快速添加批次ID、产品ID、化学品ID、pH值、叶重、水重和其它产品重量等信息。所有这些数据都存储在SQL数据库中，并显示给客户，以满足他们的可追溯性和质量平衡需求。

03

释放未来潜力

在物理和数字架构都满足当前项目需求后，还要考虑可扩展性。尽管具体的生产目标是讨论的一部分，但重点是未来的可持续增长和创新。虽然重点放在原料加工和提取物回收上，但RedLeaf团队已经建立了垂直整合的生产模式。这包括在农场以及高粱选择和相关开发计划。这些改进为可追溯性和集成增加了一层复杂性。

虽然制造执行系统（MES）不在该项目范围之内，但Ignition也为RedLeaf提供了一个创建或集成潜在系统的平台，包括合作伙伴模块，如整体设备效率（OEE）、跟踪和追踪、统计过程控制（SPC）和批处理程序等。随着RedLeaf开始整合多个地点的业务，IIoT集成也将成为关键。

关键概念：

■ 了解如何将现存硬件、现场设备和其它设备集成到新的工厂或设施中。

■ 了解如何使用开放式架构来简化未来的扩展工作。

■ 探索从研发环境到自动化食品级生产设施的扩展过程。

思考一下：

您如何为工厂未来的规模化工作奠定基础？