全集成過程和樓宇自動(dòng)化

　　Engelhard Arzneimittel 公司位于美因河畔的法蘭克福，公司創(chuàng)立于 1872 年，至今已有 150 年的歷史，它是一家家族式企業(yè)，目前已發(fā)展到第五代。其位于法蘭克福附近的下多爾費(fèi)爾登工廠共有職工 450 名，其中從事生產(chǎn)類工作的約有 100 人。2019 年，Engelhard 為應(yīng)對(duì)需求的巨大增長，建造了一棟新的行政大樓和一座生產(chǎn)大樓。公司在設(shè)計(jì)大樓時(shí)最注重的是建筑能效和可持續(xù)性。生產(chǎn)大樓于 2020 年夏天竣工，面積約為 10000 平方米，能源足跡低于德國 KfW 55 新建筑能源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值，更重要的是，新建的液體制劑生產(chǎn)設(shè)施完全使用綠電。公司還擁有自己的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以滿足企業(yè)自身約 20% 的電力需求。

　　在儲(chǔ)罐設(shè)施和清管系統(tǒng)等區(qū)域，信號(hào)通過防護(hù)等級(jí)為 IP67 的 EtherCAT 端子盒采集。

　　Engelhard Arzneimittel 公司工程部主管 Rüdiger John 負(fù)責(zé)整個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目的實(shí)施，包括液體制劑生產(chǎn)線的規(guī)劃、實(shí)施以及調(diào)試，期間倍福系統(tǒng)工程部為其提供技術(shù)支持。“早在 2014 年我們第一次在舊廠房中配備倍福技術(shù)時(shí)，我就被基于 PC 的控制技術(shù)所帶來的靈活性深深吸引。”John 說道，他對(duì)于與倍福系統(tǒng)工程部的 Stefan Maßmann、Andreas Wieners 和 Jürgen Bolte 之間的稱贊不已。

　　下多爾費(fèi)爾登工廠主要生產(chǎn)液體制劑。“工廠主要生產(chǎn) Prospan 止咳糖漿等液體產(chǎn)品，將它們封裝到小袋包裝中，工廠還能生產(chǎn)止咳藥。”John 在解釋工廠的經(jīng)營范圍時(shí)說道。此外，Engelhard 公司的產(chǎn)品還包括洗必泰等牙科專用漱口水，以及 Velgastin 西甲硅油等嬰幼兒滴劑。“我們目前正在分析在該工廠生產(chǎn)這些產(chǎn)品是否有意義。”John 說道。每當(dāng)生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換新產(chǎn)品時(shí)，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)各項(xiàng)清潔周期，這也是工廠的特色之一。“我們?cè)?TwinCAT 控制平臺(tái)中創(chuàng)建了各種清洗周期以及液體制劑生產(chǎn)配方，然后在基于 TwinCAT HMI 的配方管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。”Stefan Maßmann 說道，他從自動(dòng)化項(xiàng)目的最初規(guī)劃階段開始就一直與 Andreas Wieners 和 Jürgen Bolte 合作，提供技術(shù)支持。

　　咳嗽糖漿、止咳藥水以及其它液體制劑

　　Engelhard 公司的下多爾費(fèi)爾登工廠主要生產(chǎn)和包裝銷往全球市場的藥品。新設(shè)備的存儲(chǔ)和產(chǎn)能設(shè)計(jì)用于滿足這種規(guī)模的生產(chǎn)：僅五個(gè)批次內(nèi)就包含了兩個(gè)容積為 10,000 升的容器和三個(gè)容積為 5000 升的容器。此外，還有額外的儲(chǔ)罐用于存放基本物質(zhì)和中間產(chǎn)品。這個(gè)生產(chǎn)區(qū)域主要使用防護(hù)等級(jí)高達(dá) IP67 的 EtherCAT 端子模塊，采集傳感器和執(zhí)行器發(fā)出的信號(hào)。

　　所有的控制和自動(dòng)化技術(shù)都由倍福系統(tǒng)工程部采用 TwinCAT 3 平臺(tái)設(shè)計(jì)和編程。

　　Rüdiger John 根據(jù)他之前在建造生產(chǎn)車間時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，采用了倍福基于 PC 的控制技術(shù)確保生產(chǎn)過程順利進(jìn)行。其中，Elektro Beckhoff（倍福集團(tuán)旗下公司）負(fù)責(zé)完成大部分的電氣規(guī)劃和安裝工作，Andreas Wieners 說道：“這顯著簡化了我們將樓宇設(shè)備集成到過程自動(dòng)化系統(tǒng)中的工作。”

　　他以生產(chǎn)過程會(huì)涉及到供暖和散熱需要的咳嗽糖漿的生產(chǎn)為例進(jìn)行了說明。用于供暖和散熱的組件通常位于屋頂或地下室，并通過熱交換器連接至工廠。當(dāng)然，它們也為生產(chǎn)車間本身以及辦公室提供空調(diào)。想要平衡各個(gè)方面并不容易。“在設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制工程的過程中，各種技術(shù)系統(tǒng)通過包括 TwinCAT 在內(nèi)的基于 PC 的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，我們會(huì)將因此取得的優(yōu)勢繼續(xù)保持下去。”Andreas Wieners 說道。Rüdiger John 補(bǔ)充道：“除了一些較小的組件和子系統(tǒng)之外，生產(chǎn)過程中使用的所有控制產(chǎn)品都來自倍福，包括軟件和工程設(shè)計(jì)。”

　　窺一斑而知全豹，實(shí)際使用的裝置和組件數(shù)量非常可觀：過程自動(dòng)化包含 335 個(gè)驅(qū)動(dòng)器（閥門和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)），17 個(gè)泵和攪拌器，加上約 240 個(gè)測量點(diǎn)（壓力、溫度以及質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、液位傳感器等）和 13 個(gè)跟蹤加熱器。此外，系統(tǒng)還集成了純水供應(yīng)、通過四個(gè)清管系統(tǒng)進(jìn)行的產(chǎn)品輸送、廢水處理、中央排氣系統(tǒng)、氮?dú)夂蜌鍤夤?yīng)以及生產(chǎn)含乙醇止咳藥水所需的乙醇儲(chǔ)存等子系統(tǒng)。工廠內(nèi)的這一部分使用了很多 ELX 系列 EtherCAT 防爆端子模塊，可以覆蓋各種過程數(shù)據(jù)。整個(gè)控制系統(tǒng)通過 EtherCAT 和分布在多個(gè)控制柜中的各種 I/O 端子模塊和防護(hù)等級(jí)為 IP67 的 EtherCAT 端子盒進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。Engelhard 公司總共安裝了約 460 個(gè) EtherCAT 從站端子模塊，包括多個(gè)用于集成 RFID 讀寫頭的 IO-Link 主站端子模塊。

　　過程可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量是第一位

　　Rüdiger John 在強(qiáng)調(diào)其中一個(gè)突出的特點(diǎn)是儲(chǔ)罐中集成了視頻監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)說道：“這讓我們能夠監(jiān)測儲(chǔ)罐中的泡沫情況，無需打開儲(chǔ)罐即可檢查液位高度。”這樣做可以防止藥品被污染。基于 TwinCAT HMI 的工廠可視化系統(tǒng)中共集成了 16 臺(tái)相機(jī)和照明。需要時(shí)，每個(gè)操作人員都可以通過分布在整個(gè)工廠的 16 臺(tái)倍福控制面板和面板型 PC 中的其中一臺(tái)顯示實(shí)時(shí)圖像。Rüdiger John 在團(tuán)隊(duì)管理辦公室中直接安裝了一臺(tái) CP3716-1076 控制面板。“這樣管理人員就可以從辦公室完全訪問，無需將辦公室的 IT 系統(tǒng)連接到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)。”Rüdiger John 說道。

　　“在規(guī)劃我們的全新液體制劑生產(chǎn)設(shè)備的最初階段，我就非常喜歡倍福基于 PC 的控制技術(shù)、TwinCAT 3 以及倍福系統(tǒng)工程部實(shí)現(xiàn)的高度靈活性。”Engelhard Arzneimittel 公司工程部主管 Rüdiger John 說道。

　　每個(gè)操作站都配備一個(gè) RFID 閱讀器，生產(chǎn)工人在采取任何行動(dòng)之前必須使用該閱讀器登錄系統(tǒng)。此外，操作員的 RFID 芯片已經(jīng)加裝了 RMD ASIC，可以兼容大樓門禁控制系統(tǒng)。“這些標(biāo)簽不僅讓員工能夠授權(quán)登錄操作站，還可以核準(zhǔn)員工進(jìn)出大樓和生產(chǎn)區(qū)域。”John 說道。

　　Rüdiger John 與 Stefan Maßmann、Andreas Wieners 和 Jürgen Bolte 一起，根據(jù)每個(gè)人相關(guān)的任務(wù)定義了共 10 個(gè)用戶配置文件，并在 TwinCAT HMI 中實(shí)施。這些配置文件涵蓋了針對(duì)包裝工人、設(shè)備操作員、系統(tǒng)工程師以及實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員的所有內(nèi)容。

　　將人工軟管工位集成到控制系統(tǒng)中

　　考慮到安全問題，Rüdiger John 對(duì)于工廠的敏感性區(qū)域采取一些特殊措施：建立軟管工位。盡管其它一切工序幾乎已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，但在這種情況下，各個(gè)容器仍然通過軟管手動(dòng)連接。這是另一個(gè)自動(dòng)化工程師采用 RFID 技術(shù)的區(qū)域，它能夠可靠地檢測出軟管連接錯(cuò)誤或端蓋缺失等故障。每根軟管上的標(biāo)簽和生產(chǎn)線連接處安裝的 RFID 閱讀器能夠識(shí)別出所有組件及其在工藝中的位置的唯一標(biāo)識(shí)符，確保對(duì)生產(chǎn)全過程的質(zhì)量控制。

　　對(duì)于每個(gè)生產(chǎn)過程，可視化和控制系統(tǒng)存儲(chǔ)了所有必須由工作人員手動(dòng)建立的軟管連接信息，其方式類似于配方說明（例如，“拿起軟管 5，用它來連接噴嘴 4 和 8”）。只有當(dāng)所有的軟管（標(biāo)簽）與正確的噴嘴（RFID 閱讀器）匹配時(shí)，TwinCAT 才會(huì)啟動(dòng)下一道工序：例如，將一個(gè)批次的產(chǎn)品泵送到用于下一道灌裝和包裝生產(chǎn)線的儲(chǔ)罐中。“我們甚至可以使用軟管上的標(biāo)簽進(jìn)行檢測，確保我們只使用適用于介質(zhì)并事先經(jīng)過清洗的軟管。”Stefan Maßmann 解釋道。如果某個(gè)工作人員在進(jìn)行連接時(shí)出錯(cuò)，TwinCAT 會(huì)根據(jù)無效的標(biāo)簽 ID 立即識(shí)別出這一錯(cuò)誤，并中斷此工序，直至該名員工正確連接好軟管并確認(rèn)。

　　按照計(jì)劃，會(huì)將 50 個(gè) RFID 閱讀器中的一部分安裝到軟管工位中。“我們希望能夠盡早解決這個(gè)問題。”Rüdiger John 在展望擴(kuò)大生產(chǎn)下一階段的工作時(shí)說道。他的發(fā)展規(guī)劃還包括將生產(chǎn)規(guī)劃與來自上位 ERP 系統(tǒng)的活動(dòng)和需求預(yù)測聯(lián)系起來等方面。“某些時(shí)候，我們希望在 SAP 系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施配方。”John 在介紹具體的擴(kuò)展方式時(shí)補(bǔ)充道。他認(rèn)為，開放、靈活的 PC 控制平臺(tái)也可以輕松實(shí)現(xiàn)這種整合。

　　關(guān)于德國倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專注于自動(dòng)化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動(dòng)化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)者，倍福定義了自動(dòng)化領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)的制定者和推動(dòng)者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和 TwinCAT 自動(dòng)化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個(gè)工控領(lǐng)域提供開放式自動(dòng)化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機(jī)構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個(gè)國家和地區(qū)。

　　倍福于 1997 年進(jìn)入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機(jī)械、物流輸送以及樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并已入編工信部的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽(yù)。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)完美融合在一起，為實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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