Getränkehersteller erweitert Kapazität und steigert Konsistenz

Getränkehersteller erweitert Kapazität

Herausforderung

  • Erweiterung und Migration eines vorhandenen Batch-Systems zur Steigerung des Durchsatzes und der Konsistenz von Produktionsprozessen in der Getränkeindustrie

Lösungen

  • PlantPAx-Prozessautomatisierungssystem – Ein integriertes, vollständig redundantes System mit Servervirtualisierung für bessere Verfügbarkeit
  • Transparente, skalierbare, interdisziplinäre Steuerungsplattform mit Kommunikationsfunktionen und eigensicheren E/A
  • Übergeordnete Visualisierungsfunktionen bieten Bedienern optimale Einblicke in Prozessinformationen
  • Datenmanagement, Leistung, Transparenz und Software für das Produktionsmanagement optimieren Prozess- und Batch-Steuerung

Ergebnisse

  • Steigerung der Effizienz und des Durchsatzes des Systems insgesamt
  • Verbesserung der Prozesskonsistenz – Ziel von nicht mehr als einer Batch-Korrektur pro Batch wurde erreicht
  • Erhöhung der Systemflexibilität – Automatische Anpassung an Abweichungen in den Rohzutaten und Optimierung der Rezepterstellung
  • Verbesserung der Systemsicherheit durch individuelle Zugangsdaten, elektronische Unterschriften und automatische Abmeldung

Hintergrund
Produktsicherheit und Konsistenz sind in der Getränkeherstellung von entscheidender Bedeutung. Jahrzehntelang haben sich Getränkehersteller auf nicht standardisierte Batch-Systeme verlassen, um Prozessqualität und -durchsatz zu sichern.

Die wachsende Anzahl an Vorschriften, der zunehmende Mangel an Fachkräften und die unermüdliche Marktnachfrage nach mehr Produktvarianten bewegen Getränkehersteller nun aber dazu, mehr Standardisierung einzuführen.

Als ein weltweit vertretener Hersteller von destillierten Getränken, Bier und Wein plante, die Kapazität seiner Anlage in Illinois zu erweitern, wandte er sich an Barnum Mechanical, Inc., ein Unternehmen für Prozessdesign, mit der Bitte um eine schlüsselfertige Lösung. Barnum beauftragte die Industrial Automation Group mit der Entwicklung des neuen Steuerungssystems.

Die in Modesto, Kalifornien, ansässige Industrial Automation Group hat sich auf Prozesssteuerungslösungen für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie spezialisiert. Das Unternehmen ist ein von Rockwell Automation anerkannter Systemintegrator und zertifiziertes Mitglied der CSIA (Control System Integrators Association).

Herausforderung
„Die Verbesserung der Prozesseffizienz der installierten Basis war für das Getränkeunternehmen das Hauptziel“, so Niniv Tamimi, Program Manager bei der Industrial Automation Group. „Außerdem sollte die Gesamtkapazität durch Hinzufügen von Tanks als Speicher für Rohzutaten, für Zwischenprodukte, zur Dosierung und Abfüllung erhöht werden.“

Die umfangreiche Anlagenerweiterung erhöhte im Wareneingang die Anzahl der Eisenbahn- und Lkw-Stationen um etwa 75 %. Eine ähnliche Zunahme verzeichnete der Mischraum. Der Abfüllung wurden Tanks hinzugefügt, und einige der vorhandenen Tanks wurden zu „flexiblen Tanks“ umgestaltet, die entweder zur Abfüllung oder als Speicher für Rohzutaten verwendet werden können.

„Mit der Erweiterung des Betriebs plante das Unternehmen eine Migration zu einer ‚All-in-one‘-Batch-Lösung“, erklärt Tamimi. „Wir sollten ein effizientes, S88-konformes System installieren.“

Die Norm ANSI/ISA-88 (S88) umfasst eine konsistente Terminologie und Standards für die Batch-Steuerung in industriellen Automatisierungssystemen, darunter Angaben zum physischen Modell, zu Prozeduren und zum Rezeptmanagement. Das vorhandene System entsprach S88 nicht.

„Für die Rezeptspeicherung wurde kommerzielle Datenbanksoftware verwendet, und das gesamte Dosiersystem wurde mit der alten Bedienerschnittstelle in VBA (Visual Basic for Applications) programmiert“, erzählt Tamimi. Um mit dem vorhandenen System eine akzeptable Produktqualität zu erreichen, waren pro Batch oft zwei oder drei Batch-Korrekturen in der Anlage erforderlich. Die Testzeit für jede Batch-Korrektur betrug etwa zwei Stunden. Außerdem verfügte das System über keinerlei Ausfall- oder redundante Funktionen.

„Wenn ein Server ausfiel, so konnte dies das gesamte System für zwei oder drei Stunden lahmlegen“, so Tamimi. „Zusätzlich zur Produktqualität musste unser Kunde auch die Systemverfügbarkeit erhöhen.“

Nicht zuletzt benötigte das Unternehmen auch eine bessere Sicherheit. Für das vorhandene System gab es nur drei Benutzerkennungen: Bediener, Supervisor und Administrator. Die Kennwörter wurden von allen Benutzern gemeinsam verwendet. Der Kunde wünschte, dass das neue Prozesssystem eine benutzerspezifische Anmeldung, automatische Abmeldung und elektronische Unterschriften enthalten solle.

Lösung
Die Industrial Automation Group führte eine Steuerungslösung ein, die auf dem PlantPAx®-Prozessautomatisierungssystem beruht, einem modernen Prozessleitsystem (DCS) von Rockwell Automation.

„Mit einer PlantPAx-Lösung lassen sich Hochverfügbarkeitssysteme entwickeln, in denen neue Technologien zum Einsatz kommen, zum Beispiel Virtualisierung“, erklärt Tamimi. „Bei dieser Anwendung haben wir uns für eine virtuelle Umgebung entschieden.“

Rockwell Automation unterstützt die Virtualisierung mit VMware® Ready-Software und empfiehlt den Einsatz von Servervirtualisierung und VMware vSphere® für Laufzeit-Produktionsanwendungen. Servervirtualisierung beendet die Abhängigkeit von vollständigen Host-Betriebssystemen (OS) und bietet eine stabilere Umgebung für kritische Anwendungen.

Das neue System umfasst eine transparente, skalierbare, interdisziplinäre Steuerungsplattform, die Prozess- und diskrete Steuerung mit Kommunikation und eigensicherer E/A kombiniert. Das vollständig redundante System steuert die Anwendungen in den Verarbeitungsbereichen wie auch die CIP-Skids (Clean in Place-Skids). Für die gefährliche Verarbeitung der Klasse 1, Division 1, wurde eine dezentrale Steuerung integriert. In der Steuerzentrale und den Dosierräumen wurden Bediener-Workstations eingerichtet. Für die Echtzeitoptimierung der Prozesse wurde in der Steuerzentrale außerdem eine Engineering-Workstation aufgestellt.

Die übergeordneten Visualisierungsfunktionen des PlantPAx-Systems bieten darüber hinaus Bedienern optimale Einblicke in Prozessinformationen. Datenmanagement, Leistung, Transparenz und Software für das Produktionsmanagement optimieren die Prozess- und Batch-Steuerung.

Um die Anlage während des Upgrades so weit wie möglich weiter betreiben zu können, implementierte die Industrial Automation Group das System in Phasen. Zunächst wurde der Wareneingang für flüssiges Massengut hergerichtet, was neue Lkw- und Eisenbahnstationen umfasste, und neue Massenspeichertanks wurden in Betrieb genommen. CIP-Sequenzen wurden auch auf diese Ressourcen angewendet.

Dann wurde das neue Dosiersystem hinzugefügt. Zur Implementierung des Systems wurden 120 Originalrezepte neu erstellt. Aufgrund der Anlagenerweiterung und der neuen Ressourcen im System wurde die Reihenfolge geändert, in der Material hinzugefügt wird, um bei verkürzten Batch-Zeiten die Qualität aufrecht zu erhalten.

„Rigoroses Testen und Qualitätskontrolle waren extrem wichtig“, hebt Tamimi hervor. „Wir mussten beweisen, dass das neue System die alten Rezepte ausführen kann, bevor wir das alte System außer Betrieb nehmen konnten.“ Nach der Werksabnahmeprüfung integrierte das Team das neue Steuerungssystem während einer zweiwöchigen Systemabschaltung. Das System wurde weiter getestet, und Parameter sowie Rezepte wurden wie erforderlich abgestimmt.


Ergebnisse
„Die Anlage hat den Gesamtdurchsatz und die Konsistenz verbessert“, stellt Tamimi fest. „Mit dem neuen Batch-System kann das Unternehmen außerdem neue Rezepte einfacher hinzufügen, da die meisten Betriebsvorgänge und viele Einheitenprozeduren gemeinsam genutzt werden.“

Um die Rezeptentwicklung noch einfacher zu machen, ermöglicht das System die dynamische Priorisierung, basierend auf der Bedienereingabe oder anderen definierten Variablen. Dank der Materialmanagementfunktionen der Batch-Software brauchen Rezepte nicht mehr umgeschrieben zu werden, wenn sich das gleiche Material in einem anderen Tank befindet.

Während der Inbetriebnahmephase half die Industrial Automation Group dem Getränkeunternehmen bei der Einführung 50 neuer Rezepte.

Das System verbessert auch die CIP-Berichterstellung. Es verfolgt die gesamte Ablaufsteuerung und erstellt nach jedem CIP-Zyklus automatische Berichte zur Dokumentation ordnungsgemäßer Reinigungsprozeduren vor Ausführung des nächsten Batches.

Das System sichert außerdem die Produktkonsistenz.

„Rohzutaten treten oft nicht in exakt dem Zustand in das System ein, den das Rezept vorsieht“, erklärt Tamimi. „In einem solchen Fall können wir die Parameter im System aktualisieren. Die Zutaten für jedes Rezept werden dann automatisch eingestellt.“

Dank des PlantPAx-Systems erreichte die Getränkeanlage das Ziel von nicht mehr als einer Batch-Korrektur pro Batch.

Durch individuelle Zugangsdaten und elektronische Unterschriften wurde die Systemsicherheit erhöht. Das System verfügt für alle wichtigen Elemente außerdem über eine automatische Abmeldung nach 15 Minuten. Die Benutzerdaten müssen anschließend erneut eingegeben werden.