Когда целое больше, чем сумма составляющих: модульность готовит почву для Индустрии 4.0. Отчет о тенденциях ACHEMA 2018
Персонализация касается не только машин, одежды или каши на завтрак. Химическая и фармацевтическая промышленность переживает бум спроса на продукты, изготовленные с учетом индивидуальных потребностей заказчика. Сокращение сроков разработки и жизненного цикла продуктов создает сложности при традиционном подходе к производству. Решить эту проблему позволяет модульный подход к проектированию заводов, приобретающий все большую популярность в мире. Модульность позволяет достичь гибкости как в регулировании объемов производства (например, за счет параллельного выпуска одного продукта на нескольких линиях), так и в ассортименте товаров (с помощью замены технологических модулей или изменения завершающих этапов производства), а также избавиться от привязки к сырьевой базе или к месту производства (например, посредством использования мобильных модулей). Таким образом, общедоступные стандартизированные производственные модули дают возможность повысить конкурентоспособность предприятия, особенно если это популярные модели, серийный выпуск которых позволил значительно снизить отпускную цену.
Модульность от стадии планирования и далее
Преимуществами модульности можно воспользоваться уже на этапе планирования постройки предприятия. Отсутствие необходимости заново полностью разрабатывать проектную документацию и возможность использования готовых данных на различных этапах реализации проекта значительно ускоряют процесс запуска производства и вывод продукции на рынок. Не стоит забывать, что физическая модуляризация должна быть предварена стандартизированным процессом модульного планирования.
Физическая модуляризация заводов позволяет создать универсальные непрерывно работающие производственные линии и запустить децентрализованное производство. Модули, из которых будет состоять система, обладают необходимым набором качеств для выполнения всех прописанных в проекте задач. Физическая модуляризация может быть осуществлена на аппаратном, общезаводском или логистическом уровне как на определенном предприятии, так и в производственной сети. Для ее введения совместимые модули проектируют в качестве адаптируемых единиц и затем объединяют в производственные линии для создания многоцелевых предприятий. При этом взаимозаменяемость отдельно взятых модулей упрощает уход и сервисное обслуживание оборудования, а также сокращает время его переналадки при переходе на выпуск другой продукции. Эксплуатационные данные, полученные в процессе производства, инженер по оборудованию может непосредственно использовать для определения стратегии технического обслуживания и оптимизации уже спланированных модулей для имплементации в будущих проектах. После прекращения производства завод может быть демонтирован, а его компоненты и полученная информация могут использоваться повторно. Это обеспечивает непрерывное совершенствование всех процессов и передачу производственного опыта.
Физическая модуляризация: модуль следует за функцией
Для имплементации систематического модульного подхода на всех этапах – от разработки производственного процесса до демонтажа завода – процесс можно условно разделить на группы оборудования, задействованные на различных этапах. Это упрощает работу над проектом и позволяет создать блоки оборудования, пригодные для повторного использования. Всю проектную документацию, необходимую для производства модулей, объединяют в блоки – так называемые PED-модули (Process Equipment Design – проектирование промышленного оборудования), которые сохраняют в виде баз данных. Как правило, PED включает в себя как минимум один основной аппаратный узел, выполняющий определенную технологическую операцию, а также все необходимые для его функционирования периферийные компоненты. При этом в рамках одного PED-модуля существует возможность замены основного аппаратного узла другим для лучшего соответствия определенным условиям работы. Каждый PED хранят в виде элемента базы данных, включающего всю информацию и документацию.
PED-модули следует дополнять симуляционными моделями, позволяющими моделировать конфигурацию узлов, начиная с описания функций данного PED. В зависимости от выполняемых функций PED делятся по категориям на производственные и обслуживающие. Производственные модули непосредственно контактируют с реагентами, технологическим потоком или стоком отходов (например, обеспечивают хранение и дозировку, проведение реакций, последовательные производственные циклы, приготовление химических составов, упаковку продукции). Обслуживающие модули обеспечивают поддержку одного или нескольких производственных модулей (например, их энергоснабжение) и несвязаны непосредственно с технологическим потоком. Эти отличия, отраженные в базах данных, позволяют значительно расширить варианты повторного применения модулей и ускорить время выхода продукта на рынок.
Отдельные PED-модули можно объединять в PPD (Process Plant Design – проектирование перерабатывающих предприятий), получая таким образом полноценный модульный завод со всей документацией, необходимой для постройки и успешной эксплуатации. PPD включает в себя расположение отдельных PED-модулей и все связи между ними, а также виртуально представляет желаемый производственный процесс.
Модульное оборудование как основа
Фундаментальной предпосылкой для создания эффективной и в то же время универсальной производственной среды является наличие надежного технологического оборудования для промышленной обработки малых партий сырья. Это включает в себя как валидированные модели технологического оборудования для интенсификации процесса, так и устройства, обеспечивающие надежность промышленного класса. Единицу оборудования можно считать модульной, если она обладает хотя бы одной из нижеперечисленных характеристик:
• изначально присущая ей модульная конструкция, позволяющая последовательно или параллельно увеличить количество базовых элементов (например, канальный химический реактор с возможностью увеличения количества каналов или их длины) или другая важная характеристика, необходимая для повторного использования оборудования;
• изначально присущая ей модульная конструкция, включающая конфигурируемые элементы, позволяющие приспособить оборудование к различным условиям работы (например, модульная система управления технологическими процессами, предусматривающая различные варианты интеграции модуля в основную систему);
• серия оборудования, благодаря которому достигается одинаковая функциональность в разных эксплуатационных масштабах (например, серия насосов, обеспечивающая различные диапазоны объемного расхода с использованием одного и того же операционного принципа).
Физическая модульность отлично подходит для многоцелевых заводов или заводов, производящих широкий диапазон продукции, для которых характерна частая реконфигурация производственных линий при запуске новых продуктов или перезапуске ранее выпускаемых. Кроме того, возможна интеграция мелкомасштабного постоянно работающего оборудования в пилотные или многоцелевые заводы для реализации концепции высокоэффективного гибридного производства. В этом случае завод будет состоять из отдельных узлов, так называемых PEA – Process Equipment Assembly (узел промышленного оборудования). PEA представляет собой физическое воплощение проекта PED, осуществленное с учетом дополнительных особенностей геометрического и технического проектирования, что позволяет обеспечить совместимость независимо спланированных модулей. При этом взаимозаменяемость отдельных модулей упрощает обслуживание и сервис и сокращает сроки переналадки оборудования.
Продолжение статьи читайте на страницах журнала "Фармацевтическая отрасль" № (67), апрель 2018 г.
03.05.2018
