Rozmowa z przedstawicielami Grupy Żywiec oraz firm Bonair i VIX Automation

To ostatnie obejmuje kilka modułów systemu Proficy firmy GE Intelligent Platforms, które zaimplementowała i uruchomiła zajmująca się integracją systemów IT firma Bonair. Odpowiedzialne są one za monitorowanie pracy linii rozlewniczej oraz zautomatyzowaną analizę jakości piwa w celu zapewnienia jego jakości podczas procesu filtracji (pomiary in-line). O przebiegu i specyfice wdrożeń oraz o technologiach produkcyjnych stosowanych w browarze opowiadają przedstawiciele Grupy Żywiec oraz osoby odpowiedzialne za wykonanie aplikacji.

• Jakie są najważniejsze liczby i fakty związane z browarem w Warce?

Matylda Regulska, Grupa Żywiec: Jest ich wiele, gdyż historia tutejszego piwowarstwa sięga XV wieku. Nastąpił wtedy jego rozkwit, a w 1478 roku książę mazowiecki Bolesław V wydał przywilej wyłączności dostaw wareckiego piwa na dwór książęcy i sprzedaż w ratuszu w Warszawie. Warka to najbardziej piwna nazwa ze wszystkich marek. Świadczy o tym także etymologia nazwy miasta i flagowego produktu tutejszego browaru. W fachowym słowniku piwowarskim "warka" to jednostka miary oznaczająca porcję piwa uzyskaną podczas jednego warzenia piwa.

Obecny Browar Warka powstał w latach 70. zeszłego wieku, po czym był kilkakrotnie rozbudowywany i modernizowany. Największe zmiany miały miejsce po naszej prywatyzacji, a więc w połowie lat 90., a następnie po przejęciu w 1999 roku przez koncern Heineken. Obecnie jesteśmy częścią Grupy Żywiec, do której należą m.in. browary w Cieszynie, Elblągu, Leżajsku i w Żywcu. Grupa zatrudnia ponad pięć tysięcy pracowników.

Wewnątrz warzelni

Przechodząc już do samego piwa, zacząć można od omówienia naszej zdolności produkcyjnej - wynosi ona 3,5 mln hektolitrów rocznie. Rok po uruchomieniu browaru w Warce, czyli w 1975, wyprodukowaliśmy 12,3 tys. hl, po pierwszej rozbudowie - niemalże 500 tys. hl, a w ostatnich latach nasza produkcja dochodzi do prawie 3 mln hektolitrów. Ważne jest przy tym, że cały czas korzystamy z naturalnych surowców - słodu i chmielu. Ten ostatni w 100% pochodzi z Polski, głównie z regionu lubelskiego.

Obecnie warzymy piwa takie jak Warka, Strong, Królewskie, do tego kilka odmian Tatry, a nawet piwa Heineken i Desperados. Mówiąc o liczbach, warto jeszcze wymienić moce naszych linii produkcyjnych. Mamy cztery takie linie - do butelek 0,5 litra o wydajności 55 tys. sztuk na godzinę, puszek - 60 tys. na godzinę oraz produkującą 48 tys. sztuk na godzinę linię do butelek o pojemnościach innych niż pół litra. Czwarta przeznaczona jest dla gastronomii i opakowaniami są w jej przypadku zbiorniki typu keg.

• Jak przebiega produkcja piwa?

Leszek Skalski, Grupa Żywiec: Można powiedzieć, że łączymy tradycyjną recepturę z nowoczesnymi metodami produkcji. Podstawą jest jak w przypadku każdego piwa słód jęczmienny, który magazynujemy w zautomatyzowanych silosach. Następnie trafia on do warzelni, gdzie mają miejsce kolejne procesy przygotowania brzeczki, czyli w uproszczeniu półproduktu wytwarzanego ze słodu, chmielu i wody. Wytworzony zacier jest poddawany działaniu enzymów naturalnie zawartych w słodzie. Potem ma miejsce filtracja, w trakcie której od brzeczki oddzielane jest młóto, czyli tzw. wysłodziny, które sprzedawane są jako pasza.

W naszym browarze kilka lat temu oddana została do użytku nowa warzelnia, w której mamy największą kadź filtracyjną w Polsce i Europie, a drugą na świecie w całej branży piwowarskiej. Ma ona średnicę 13,5 metra i powierzchnię sita wynoszącą 139 m² . Po procesie filtracji brzeczka jest zbierana w kotle warzelnym, gdzie dodaje się chmiel, a następnie ma miejsce warzenie, czyli w uproszczeniu gotowanie. Korzystamy z procesu dynamicznego, który pozwala nam skracać czas gotowania i redukować zużycie energii. Po transferze do kadzi wirowej odbieramy osady gorące, brzeczkę schładzamy, a następnie ją napowietrzamy i kierujemy do fermentowni. Tam dodawane są drożdże, które odpowiadają za wytworzenie się alkoholu i dwutlenku węgla w piwie. Zależnie od marki stosujemy odpowiednie profile fermentacji, mamy też różne szczepy drożdży, które tworzą odpowiedni bukiet piwa. Omawiane procesy odbywają się automatycznie, przy czym kontrolują je operatorzy z centralnej sterowni.

Jeżeli chodzi o fermentację, to na tym etapie używamy unitanków, z których największe mają po 5,5 tys. hektolitrów. Zachodzą w nich właściwie dwa procesy, gdyż wraz z fermentacją w tych samych zbiornikach odbywa się leżakowanie piwa. Po wymrożeniu jest ono później kierowane do filtracji, a następnie na linie rozlewnicze. W międzyczasie, podczas filtracji mamy jeszcze etap standaryzacji sycenia piwa dwutlenkiem węgla oraz regulacji ekstraktu i alkoholu wodą odgazowaną. Przed rozlewaniem piwo przechowywane jest w zbiornikach piwa klarownego BBT (Bright Beer Tank). Mamy ich kilkanaście, przy czym każdy ma objętość 2 tys. hektolitrów, czyli 200 m³.

• Końcowa filtracja jest jednym z kluczowych procesów, przy czym stosujecie tutaj filtry membranowe. Jakie są korzyści z nimi związane?

Leszek Skalski: Filtry membranowe to coś, z czego - oprócz samej warzelni - jesteśmy bardzo dumni. Z tego co wiem, w kraju tylko my z nich korzystamy, natomiast w Europie byliśmy prekursorami tej technologii. Jako pierwsi wraz z jednym z browarów w Hiszpanii wprowadzaliśmy je do użycia w 2001 roku, eliminując instalacje bazujące na ziemi okrzemkowej.

Hala filtrów membranowychi

Dzisiaj korzystamy z dwóch filtrów o wydajności 650 hl/godzinę i 300 hl/godzinę, przy czym ze względu na stosowany u nas proces HGB daje to efektywnie po rozcieńczeniu około 900 i 470 hl/godzinę. High Gravity Brewing polega na warzeniu brzeczki wysoko stężonej, która później rozcieńczana jest wodą odgazowaną. Jeżeli zaś chodzi o ideę działania samych filtrów, to zawierają one moduły filtracyjne (świece) z odpowiednimi membranami, przez które pod ciśnieniem przepuszczane jest piwo. To czyste wypychane jest na zewnątrz, natomiast zagęszczone - z resztkami drożdży i innych składników - cyrkuluje, a na końcu jest usuwane z procesu.

Dwa lata temu Heineken podjął decyzję, że wszystkie nowe filtry instalowane w zakładach koncernu będą właśnie typu membranowego. Związane jest to z lepszą filtracją, ich łatwiejszą obsługą - nie trzeba bowiem stosować ręcznego załadunku ziemi okrzemkowej, a także ekologią i kwestiami zdrowotnymi.

• Kilka lat temu podjęto decyzję o zastosowaniu w zakładzie oprogramowania klasy MES, m.in. do monitorowania jakości piwa po filtracji. Co wdrożono?

Paweł Czepiel, VIX Automation: W Warce wykorzystano oprogramowanie Proficy firmy GE Intelligent Platforms. Patrząc pod względem funkcjonalnym, najważniejsze były cztery moduły zawarte w Proficy Plant Applications - są nimi te służące do kontroli wydajności, jakości, wytwarzania oraz analizy produkcji wsadowej. Oprogramowanie śledzące wydajność na liniach pakujących wyświetla dane na wielkoformatowych ekranach pokazujących w czasie rzeczywistym wydajność. Operatorzy i kontrola w sterowni mają również dostęp do wyników z modułu jakości oraz związanego z genealogią produkcji. Z kolei zadaniem modułu Batch jest kontrola realizacji procedury produkcji piwa, przy czym firma Bonair dodatkowo opracowała interfejs do wprowadzania danych przez operatorów. Wykorzystywane są także narzędzia raportujące, które zapewniają analizy dla personelu produkcyjnego oraz kierownictwa zakładu.

Podstawą działania wszystkich modułów jest przemysłowa baza danych Proficy Historian, która rejestruje około 5 tys. zmiennych. To dosyć dużo, ale sam monoblok będący główną maszyną na linii rozlewniczej podaje około tysiąca sygnałów. Baza danych komunikuje się z linią produkcyjną za pomocą modułu OPC Server, natomiast większość danych uzyskiwanych jest bezpośrednio ze sterowników PLC i przesyłanych przez przemysłową sieć ethernetową. Ta ostatnia zapewnia nam elastyczność rozbudowy i możliwość korzystania z dowolnych tagów procesowych do wizualizacji oraz raportowania.

Warto przy tym zaznaczyć, że zadaniem wykonującej aplikację firmy Bonair było nie tyle wdrożenie kompletnego systemu MES w browarze, co raczej rozwiązanie konkretnych problemów technicznych. Takimi były te związane z efektywnością pracy linii butelkowania, co wykonano w pierwszym etapie wdrożenia, oraz kontrolą parametrów filtracji membranowej. W drugim z przypadków celem było monitorowanie jakości piwa w czasie jego rozlewania i efektywności pracy linii filtracyjnej. Rolą firmy VIX Automation, która uczestniczyła w tym projekcie od samego początku, było zarówno dostarczenie oprogramowania od GE Intelligent Platforms, jak też konsultacje podczas całego procesu jego wdrażania.

• Porozmawiajmy o szczegółach wdrożenia związanego z linią rozlewniczą. Na co pozwala wdrożony system?

Jacek Kownacki, Bonair: Wdrożenie na linii rozlewniczej, a więc to związane z monitorowaniem wydajności produkcji, zaczęliśmy realizować w 2007 roku. Linie tego typu składają się z ciągu maszyn, w tym wspomnianej podstawowej, którą jest monoblok. Do ich wydajnej pracy, a jednocześnie utrzymywania odpowiednio wysokiego wskaźnika OEE, ważne jest eliminowanie przestojów każdej z nich.

Maszyny zatrzymują się jednak z bardzo różnych powodów - np. braku surowców, niewłaściwych parametrów czy błędów wynikających z przyczyn niezależnych od samego zakładu - związanych choćby z zasilaniem. Dawniej operator musiał ręcznie wprowadzać informacje o przestojach do bazy danych, co zajmowało jego czas. Nie było to też precyzyjne, gdyż nie zapisywał on tzw. mikroawarii, a więc zatrzymań trwających przykładowo kilkadziesiąt sekund. Tymczasem kierownicy chcieli mieć jak najpełniejszy wgląd w pracę linii, tak aby móc rejestrować przyczyny wszystkich przestojów i analizować powody spadku prędkości produkcji.

Sterownia - oprowadza Leszek Skalski, kierownik działu technologii i jakości

W ramach wdrożenia, które sumarycznie trwało pięć miesięcy, linia została w niewielkim stopniu doposażona w infrastrukturę sprzętową, a następnie wykonano aplikację zbierającą dane przede wszystkim ze sterowników PLC. Zaczęliśmy rejestrować dostępne sygnały w bazie danych Proficy Historian i tworzyć drzewa przyczyn przestojów. Pierwszy etap zakończono uruchomieniem systemu ze standardowym raportowaniem, w kolejnym zaś wdrożono system wizualizacji w hali produkcyjnej, zainstalowano też skanery i panele operatorskie. Rozszerzyliśmy również funkcjonalność aplikacji pod względem możliwości raportowania.

Obecnie, dzięki automatycznemu monitoringowi pracy maszyn, system MES zbiera dokładne dane na temat czasów i przyczyn awarii, zapewniając precyzyjne informacje o wydajności pracy instalacji. Proficy Historian rejestruje komplet sygnałów ze wszystkich maszyn, a następnie używa się określonych algorytmów, aby wskazać przyczyny przestojów. Dane z procesu produkcyjnego trafiają też do raportów zbiorczych zawierających podsumowanie wyników za wybrany okres. Ponieważ informacje te zbierane są już od kilku lat, daje to duże możliwości ich porównań. Regularnie zbiera się zespół osób z browaru, który analizuje działania konieczne do poprawy wskaźnika wydajności.

• Jakie wnioski można wyciągać na podstawie gromadzonych danych?

Jacek Kownacki: System MES, bazując na gromadzonych informacjach z linii produkcyjnej i mając wprowadzoną jej konfigurację, może pomóc we wnioskowaniu. Czasami jednak zatrzymania nie są związane z samą produkcją - wynikają ze szkolenia załogi lub tego, że operator przykładowo zauważa złą jakość opakowań. Wtedy może ręcznie zatrzymać maszynę i wprowadzić do systemu przyczynę przestoju. Pomocą jest dostępny miniworkflow, który prowadzi go przez ten proces.

Jednym z problemów, które rozwiązaliśmy dzięki wdrożeniu, było zredukowanie liczby bardzo krótkich, czasami kilkusekundowych zatrzymań transportera. W takim przypadku ujawnia się przewaga automatycznego raportowania danych - okazało się bowiem, że wiele takich zatrzymań występowało m.in. z powodu niedostosowania prędkości maszyn na linii produkcyjnej. Ponieważ kolejna z maszyn na linii butelkującej nie mogła na czas odbierać towaru, cały proces tracił na wydajności.

Czasami przyczyny zatrzymań można znaleźć, analizując korelację różnych parametrów. Przykładowo powodem tego, że etykieciarka działa niesprawnie, może być za wysoka temperatura kleju lub problemy z zasilaniem. System zbiera kilka tysięcy różnych danych w czasie rzeczywistym i znając moment wystąpienia problemów na linii, jesteśmy w stanie znaleźć zależność między awarią a potencjalnymi czynnikami, umieszczając wybrane parametry na wykresie na osi czasu. W przypadku instalacji technologicznych, gdzie oprócz parametrów pracy urządzeń zbieramy informacje o recepturach i wykonywanych krokach, możemy na oglądany wykres nałożyć dodatkowo informacje o tym, na jakim etapie procesu była dana linia. Możemy wreszcie oglądać też specyfikację, obserwując, czy określony parametr mieścił się w wyznaczonym dla niego zakresie, oraz filtrować dane różnymi innymi parametrami. Sądzę, że wnioskowanie jest ważniejsze od samego zbierania danych, ale nie byłoby możliwe bez dostępu do kompletnych danych historycznych rejestrowanych przez system.

• Co było tematem wdrożenia w przypadku obszaru związanego z kontrolą jakości? Jakie dodatkowe rozwiązania zastosowano?

Wojciech Tucholski, Bonair: W browarze w Warce znajdują się dwie linie filtracyjne oraz 14 dużych zbiorników BBT, w których przechowywane jest piwo po filtracji. Z tych ostatnich jest ono rozlewane do opakowań, przy czym podczas tego procesu wybierane mogą być różne zbiorniki, a rozlewanie można przerywać zależnie od potrzeb. Kluczowe w tym procesie jest utrzymanie siedmiu parametrów, które związane są z jakością piwa - jego ekstraktu, barwy, zmętnienia, poziomu alkoholu, nasycenia dwutlenkiem węgla i innych. Dotychczas korzystano z czujników znajdujących się na końcu linii, aczkolwiek mierzono wartości chwilowe wymienionych wskaźników. Dodatkowo proces nalewania nie zawsze był ciągły i zmieniały się przepływy. O tym, co tak naprawdę było w danym zbiorniku, dowiadywano się z badań laboratoryjnych. Ponadto, ponieważ partie piwa w BBT są duże (2000 hl), więc pobieranych było wiele próbek, a przed butelkowaniem lub puszkowaniem trzeba i tak było czekać na wyniki badań, co obniżało wydajność całego procesu.

Aby zapewnić automatyzację pomiarów jakościowych piwa klarownego oraz wizualizację i raportowanie tych danych, dla dwóch linii filtracyjnych wdrożono odpowiedni moduł MES. Oczywiście konieczna była w tym przypadku instalacja urządzeń pomiarowych in-line, które zapewniają informacje konieczne do wyliczania parametrów dla każdej partii produkcyjnej. Proces nalewania jest rejestrowany cały czas i operatorzy w każdej chwili mają dostęp do danych bieżących i raportów historycznych. Wdrożono też śledzenie genealogii partii produkcyjnej.

Zbiorniki BBT i skład opakowań

Obecnie operatorzy korzystają z dwóch dużych ekranów w sterowni, na których wyświetlane są dane, w tym w szczególności siedem wymienionych parametrów. Nie są to wartości chwilowe, ale rzeczywiste, narastająco uśredniane wartości parametrów piwa. Są one wyświetlane na białym tle, natomiast gdy ich wartości wychodzą poza strefę dopuszczalną, kolor zmienia się na żółty lub czerwony, co natychmiastowo sygnalizuje problem. Można przy tym wyświetlać dwa dowolne parametry i obserwować ich wartości chwilowe - jest to o tyle ważne, że daje możliwość wykonania podstawowej analizy i np. szybkiego stwierdzenia, że choć alkohol spadł poniżej pewnej wartości, nie było to problemem, gdyż wtedy przepływ był zerowy. Do tego operator na bieżąco obserwuje specyfikacje zależne od gatunku piwa, informacje o nalaniu, zakresie czasowym procesu, a także to, z których zbiorników pobierane było piwo do filtracji. Zaimplementowano również system alarmów, które uruchamiane są w momencie wystąpienia zdefiniowanego trendu.

Warto dodać, że we wdrożeniu wykorzystaliśmy wymienione wcześniej moduły, poza tym korzystamy z różnych funkcji samego oprogramowania MES. Plant Applications ma szereg takich możliwości - używamy ich w szczególności do raportowania. W stworzonej aplikacji dostępne są lokalnie i zdalnie takie raporty jak sekwencyjny, produkcyjny, statystyczny czy R& R. Do tego obserwować można przebieg procesów, przy czym na życzenie browaru zapewniliśmy też możliwość pokazywania danych statystycznych. Ponadto w celu ułatwienia pracy operatorów wykonaliśmy interfejs umożliwiający łatwe podawanie specyfikacji dla określonego gatunku piwa.

• Jakie są korzyści z wykonanych wdrożeń? Jak wygląda konserwacja i utrzymanie ruchu omawianych systemów?

Leszek Skalski: W przypadku kontroli parametrów filtracji najważniejsze jest zagwarantowanie odpowiedniej i stałej jakości piwa oraz uproszczenie kontroli całego procesu. Operator, patrząc na ekran kontrolny, może od razu stwierdzić, czy piwo ma poprawne parametry fizykochemiczne. Jeżeli wszystko jest w porządku i na ekranie wizualizacyjnym nie ma czerwonych lub żółtych punktów, to może ono być rozlewane. Dla browaru to duża wartość dodana do wdrożenia, która przekłada się na zmniejszenie kosztów osobowych i wydatków na testy laboratoryjne.

Linie do rozlewania w butelki

Wprawdzie te ostatnie robimy okresowo w celu kontroli systemu, ale dzięki automatyzacji pomiarów liczba wykonywanych badań spadła o kilka tysięcy rocznie. Przyniosło to wymierne oszczędności, gdyż do każdego konieczne było ponad ćwierć litra gotowego piwa, przy pobieraniu którego wylewało się znacznie więcej. Zużywaliśmy też wiele odczynników i sprzętu laboratoryjnego. Dawniej pojedyncze próbki pobierane ze zbiornika piwa przed rozlewem nie dawały pewności, że jakość produktu jest jednakowa w całej objętości naczynia (pojemność jednego BBT wynosi 2000 hl). Dziś filtrując piwo monitorujemy jego podstawowe parametry w przepływie, można powiedzieć, hektolitr po hektolitrze. Dzięki temu unikamy niespodzianek wynikających z niejednorodności jakościowych w czasie rozlewu.

Jeżeli chodzi o część związaną z monitorowaniem pracy linii rozlewniczej, to jej automatyzacja zapewnia nam dokładność zbierania danych bez absorbowania obsługi. Jednocześnie na bieżąco dostępne są wszystkie informacje o pracy linii zarówno dla operatorów, jak też kierownictwa. Możemy łatwo wybrać numer partii produkcyjnej i oglądać żądane parametry na wykresach czasowych. Pozwala to niejako zajrzeć w głąb procesu oraz wyciągać wnioski umożliwiające optymalizację pracy maszyn. Wdrożony system funkcjonuje już kilku lat i przez ten czas nie mieliśmy z nim problemów. Dobrze działa również alarmowanie przez wiadomości SMS oraz e-maile. Dostęp do systemu możliwy jest też przez Internet, z czego korzysta firma Bonair, świadcząc nam usługi serwisowe. Konieczna jest również regularna kalibracja urządzeń pomiarowych.

Linia do rozlewania w puszki

Warto dodać, że omawiane wdrożenia to nasza własna inicjatywa. Oczywiście w ramach całej korporacji o tego typu oprogramowaniu też myślimy, szukając najlepszych praktyk w browarach i referencji - a tych ostatnich jest cały czas niewiele. W planach mamy kolejne wdrożenie związane z systemem do pomiarów na liniach rozlewniczych. Będzie on oparty na oprogramowaniu MES i posłuży do wizualizacji zarówno występowania różnych zdarzeń w czasie, jak też wszystkich kroków, receptur i sekwencji zdarzeń.

• Dziękujemy za rozmowę.

Podziękowania dla przedstawicieli firmy VIX Automation, dystrybutora oprogramowania GE Intelligent Platforms i jednocześnie organizatora wizyty w browarze w Warce. Miało ono miejsce w czerwcu 2013 roku podczas "I Konferencji Użytkowników Proficy".