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Sara
Lee/Douwe Egberts :
Grootschalige toepassing van DCS-systeem
met FF
Ronald Bruins, PT Industrieel Management
version française
Sara Lee/Douwe Egberts bouwde in het Amerikaanse Suffolk een fabriek van 93
miljoen dollar, een kopie van de plant in het Nederlandse Joure, maar dan wel
met de nieuwste besturingstechnologie. Gekozen werd voor een gedistribueerde
architectuur en een MES-systeem voor tracking & tracing. Het MES-systeem brengt
de belangrijkste Key Performance Indicatoren in beeld en integreert de gegevens
van de werkvloer met die van de ERP-omgeving.
Naast de gangbare ‘droge’ koffie, waarmee consumenten koffie zetten, bestaat er
ook gezette koffie in geconcentreerde vloeibare vorm (koffie-extract). Voor
Douwe Egberts vindt de productie ervan plaats in het Nederlandse Joure, de
bakermat van het bedrijf. Het hele productieproces van dit extract volgt een
aantal processtappen. Het begint bij het branden van de koffiebonen. Het
verkregen koffie-extract gaat naar opslagtanks en wordt uiteindelijk verpakt in
plastic zakken van twee liter met een doseersysteem in een kartonnen doos. Om
de houdbaarheid te verlengen gaan de pakken in vrieshuizen, die de koffie onder
een temperatuur van min 20°C bewaren. Uiteindelijk vinden de pakken hun weg naar
restaurants, hotels en bedrijven, niet alleen in Europa maar ook in de Verenigde
Staten en Japan.
Proceskennis
Vanwege de groeiverwachtingen en de export van veel vloeibare koffie (liquid
coffee) naar de Verenigde Staten, heeft Sara Lee/DE ongeveer vijf jaar geleden
besloten om een fabriek in de Verenigde Staten te bouwen. Omdat in Joure sinds
1950 de nu wereldwijd opererende centrale engineeringgroep (Manufacturing
Technology) is gevestigd, met uitgebreide kennis van industrieel koffiezetten,
is het niet meer dan logisch dat deze Manufacturing Technology verantwoordelijk
wordt gemaakt voor de bouw van de nieuwe fabriek. “Het proces moet een kopie van
het bewezen proces in Joure zijn”, wat de betrouwbaarheid van het
productieproces daar ten goede komt, zo vertelt Jan Vogel, Section Leader
Electrical Manufacturing Technology bij Sara Lee/DE, en verantwoordelijk voor
de besturing van de fabriek. “Met de toevoeging dat daarbij hedendaagse
technologie wordt gebruikt, zonder te kort te doen aan de betrouwbaarheid.”
Plaats van handeling wordt uiteindelijk Suffolk in de staat Virginia. Vanuit
Joure wordt de productietechnologie en de operationele kennis geleverd.
Daarnaast wordt Suffolk vanuit Friesland van productiebegeleiding en het
opleidingstraject voorzien. In totaal kost de nieuwe fabriek, vanaf
procesinstallaties, procesbesturingssysteem en verdere apparatuur (exclusief
gebouwen), ongeveer 93 miljoen Amerikaanse dollar. Een klein basisteam, waarvan
Vogel deel uitmaakt, fabriceert de blauwdrukken en de basisplannen voor de
fabriek. “Eigenlijk een globaal beeld van hoe je de fabriek wilt neerzetten en
besturen.”
Amerikaanse en Europese machines
Met het basisplan onder de arm ging Vogel onder meer langs verschillende
aanbieders van procesbesturingssystemen. Uiteindelijk bleven er drie serieuze
kandidaten voor levering over. Er werd gekozen voor Rockwell Automation. “Zij
konden aantonen dat ze een ‘look alike’ van het besturingssysteem in Joure
konden maken.” Daarnaast maakt hun besturingssysteem gebruik van netwerken
gebaseerd op ‘open’ standaarden waardoor integratie met andere delen van de
fabriek gemakkelijk is. “Dat moet ook wel”, geeft Vogel aan, “want als de
besturing in de VS eenmaal is geïnstalleerd, moet het samenwerken met machines
van zowel Amerikaanse als Europese oem-ers.” Om de integratie te waarborgen
moeten alle leveranciers in het project zich conformeren aan de ‘preferred
equipment list’. Verder ziet Vogel een pluspunt in DeviceNet, om gemakkelijk
motorstarters, frequentieregelaars, sensoren en afsluitermatrixen aan te
koppelen. “Dat zorgt voor een gedistribueerde opzet van de veldapparatuur in het
productieproces, met de nodige flexibiliteit”, aldus Vogel. Voor het
gedistribueerde procesbesturingssysteem kiest Sara Lee/DE voor het Logix
Platform (ControILogix) van dezelfde leverancier. De circa tien DCS-besturingen
en acht PLC-besturingen in dit systeem communiceren via Ethernet, ControlNet,
DeviceNet of Fieldbus Foundation. Het Devicenet-netwerk van Sara Lee/DE in de VS
kent maar liefst 1.268 knooppunten, waaronder motorstarters,
frequentieregelaars, afsluiter-matrixen en sensoren. In conventionele vorm
zouden dit circa 12.000 IlO signalen zijn. Sara Lee/DE heeft als eerste in de
voedingsindustrie op grote schaal instrumenten met Fieldbus Foundation
toegepast (circa 400 instrumenten). Op dit netwerk zijn instrumenten
(debietmeters, regelafsluiters, enzovoorts) van verschillende leveranciers
aangesloten om hun meetwaarden en instrumentcondities aan het besturingssysteem
door te geven. Op basis van de instrumentcondities wordt onder meer preventief
onderhoud ingepland om stilstand zoveel als mogelijk te voorkomen. Sara Lee/DE
heeft bewust gekozen voor een gedistribueerd besturingssysteem, waarbij de
aansturing (zoals motorstarters) van de veldapparatuur zoals motoren en pompen
dicht bij de veldapparatuur op de fabrieksvloer is geplaatst. Zo kan de
operator of de onderhoudstechnicus een storing aan bijvoorbeeld een afsluiter,
een pomp of een sensor ter plekke verhelpen. Als afsluitermatrix zijn ‘mixed
proof’ afsluiters met Devicenet Think Top van Alfa Laval gebruikt. Dit geeft,
naast aansturing en terugmelding van een uitgevoerde actie, de benodigde
informatie om preventief onderhoud mogelijk te maken.
Fieldbus Foundation
Vogel gaat in Amerika aan de slag met het op één lijn krijgen van de
oem-ers. In de fabriek moeten vriesmachines, koelmachines, een
blastfreeze-installatie, verpakkingslijnen, vulmachines en een stoomboiler
worden geïnstalleerd. De machinebouwers moeten materialen uit de ‘preferred
equipment list’ toepassen, waaronder dus ook het besturingsysteem ControlLogix,
om voor de volledige integratie te zorgen met de besturing. Begin 2002 wordt de
opdracht toegewezen. Sara Lee’s Manufacturing Technology Group neemt het gehele
hardwareontwerp voor haar rekening en voert de applicatiesoftware uit van
processen zoals Extraction, Stripping, Evaporation en Spraydrying. Rockwell
neemt de eerdergenoemde blauwdrukken (specificaties) van Sara Lee/DE als
uitgangspunt en concentreert zich wat betreft de procesapplicaties voornamelijk
op Routing, Storage, Decanter, Pasteur & CIP van de procesbesturing. Voor wat
betreft het procesbesturingssysteem heeft het project een looptijd van circa
twaalf maanden waarna de inbedrijfstelling in Suffolk begint. Daarnaast levert
Rockwell Automation een Manufacturing Execution System (MES) dat de data van de
werkvloer integreert met die van de kantooromgeving, in dit geval een
ERP-systeem van JD Edwards. Cijfers vanuit de werkvloer over batches en
geproduceerde hoeveelheden koffie zijn direct beschikbaar voor de administratie.
Maar het MES-systeem zorgt ook voor traceerbaarheid, kwaliteitscontrole en
overzicht op het productieproces. Zo beschikt de fabrieksleiding in Suffolk op
elk moment over een actueel overzicht van de capaciteit, kwaliteit en planning.
“Bij een proces als dit proberen we zoveel mogelijk nieuwe technologie toe te
passen”, aldus Vogel. Eén daarvan was de grootschalige toepassing van Foundation
Fieldbus, als open standaard waaraan diverse instrumentatieleveranciers zich
hebben geconformeerd. Sara Lee/DE is één van de eerste bedrijven in de
voedingsindustrie die dit netwerk op grote schaal gebruikt. “Toepassen van
nieuwe technieken in combinatie met de aanwezige proceskennis geven ons als
Manufacturing Technology een voorsprong in kennis. Dit is een toegevoegde waarde
ten opzichte van andere commerciële ingenieursbureau’s. Uitgebreide kennis van
processen en technieken is dan ook een absolute must voor de engineers.” Om de
onderlinge communicatie en efficiëntie te bevorderen, is besloten de
projectteams van Rockwell Automation en Sara Lee/DE in de kantoren van Sara
Lee/DE in Joure onder te brengen. Bijkomend voordeel is dat ze gemakkelijk in de
fabriek kunnen gaan kijken om te zien hoe een bepaald proces is gerealiseerd.
“In dit geïntegreerd team hadden we zo ieder onze taak”, aldus Vogel. “Dat
schept duidelijkheid, overzicht en de juiste verantwoordelijkheid.”
MES-systeem
Bij Beenen in het Nederlandse Gorredijk is de hardware van het
besturingssysteem met de motorstarters en frequentieregelaars van Rockwell
Automation in meer dan 150 besturingspanelen gebouwd. De besturingspanelen en
andere procesonderdelen zijn vervolgens per container naar Amerika gegaan waar
een lokale contractor het geheel heeft geïnstalleerd onder verantwoordelijkheid
van Manufacturing Technology. De applicatiesoftware is vóór de inbedrijfstelling
uitvoerig getest in Joure en later op CD naar Suffolk gestuurd en daar
geïnstalleerd op het intussen al aanwezige besturingssysteem. De ontwikkeling
van de applicatiesoftware heeft ongeveer negen maanden geduurd, waarna het
uitvoerige testen drie maanden in beslag neemt. Vogel wil de software
functioneel in Nederland testen, maar omdat het ‘proces’ er niet aan gekoppeld
is, kun je niet alles voor 100 procent testen. “Je moet op een gegeven moment de
oversteek maken en met het eraan gekoppelde proces de testen en de
inbedrijfstelling beginnen.” Het MES-systeem brengt de belangrijkste Key
Performance Indicatoren van de fabriek in beeld, bijvoorbeeld KPl’s over
productiekwaliteit, -kwantiteit en prestatie van machines. Historische gegevens
voor tracking en tracing worden opgeslagen, zodat die onmiddellijk beschikbaar
zijn om een geleverd product te traceren. Dat alles gebeurt waar mogelijk
realtime, dus tijdens de productie. Het MES-systeem houdt bij wat Sara Lee/DE
verbruikt aan grondstoffen en wat daarvan op welk moment en waar in het
eindproduct is terechtgekomen (tracking & tracing). In het MES-systeem wordt de
configuratietool RSBatch toegepast (gebaseerd op de S88-structuur) voor
receptuurbeheer, tracking & tracing en de uitwisseling van gegevens naar het
erp-systeem, in dit geval JDEdwards. Volgens Wim Koot, Sectionleader Proces
Automation Manufacturing Technology bij Sare Lee/DE en verantwoordelijk voor
het MES-systeem, zijn de logistieke integratie en de registratie van
procesgevens om tot verdere procesoptimalisatie te komen, “belangrijke redenen
om MES toe te passen”. Sara Lee/DE heeft een groot aantal functies van de
S95-standaard voor MES ingevuld. Op de vraag waarom men voor een MES-laag kiest
en die niet in ERP onderbrengt, geeft Koot aan dat de productie met lokale
middelen operationeel moet kunnen blijven met een hoge beschikbaarheid. Het
ERP-systeem is in dit opzicht kwetsbaar en dient meer als informatieverstrekker
van orderinfo, material master, voorraadbeheer en BOM (bill of material) ,
terwijl MES de controle en uitvoer op de productievloer regelt. Een belangrijke
eis aan Rockwell voor wat betreft MES is dat alle beschikbare data
selecteerbaar en printbaar moet zijn. In elk scherm moeten bijvoorbeeld de
gegevens kunnen worden geselecteerd en alles wat op het scherm zichtbaar is moet
kunnen worden uitgeprint of naar Excel geëxporteerd. “Die opzet is goed
geslaagd” aldus Koot. “Het procesbesturingssysteem en het MES draaien goed”,
constateert Jan Vogel. Half september 2004 is de fabriek in Suffolk geopend. Het
hele project kostte, exclusief gebouwen, 93 miljoen dollar. <<
Bron: PT Industrieel Management
Sara Lee/Douwe
Egberts:
Application à grande échelle de Foundation Fieldbus
Ronald Bruins, PT Industrieel Management
Sara Lee/Douwe Egberts a construit à Suffolk, aux Etats-Unis, une usine de 93
millions de dollars. Copie conforme de l’usine installée à Joure aux Pays-Bas,
elle est toutefois dotée de la toute dernière technologie de commande. L’usine
dispose d’une architecture distribuée et d’un système MES assurant la
traçabilité. Le système MES permet d’obtenir les principaux indicateurs de
performance et intègre les données du terrain à celles de l’environnement d’ERP.
Outre le traditionnel café ‘sec’ qui sert à faire du café, Douwe Egberts
fabrique aussi du café sous la forme de liquide concentré (extrait de café).
Douwe Egberts produit ce café à Joure, le berceau de la société. Le processus de
production de cet extrait suit plusieurs étapes de production. Il commence par
la torréfaction des grains de café. L’extrait de café obtenu est ensuite
acheminé vers des cuves de stockage et est finalement emballé dans des sacs
plastiques de deux litres dotés d’un système de dosage, dans une boîte en
carton. Afin de prolonger le délai de conservation, les paquets sont stockés
dans des entrepôts frigorifiques qui permettent la conservation du café à une
température de – 20°C. Finalement, les paquets partent vers les restaurants, les
hôtels et les sociétés, en Europe, aux Etats-Unis et au Japon.
Connaissance du processus
Vu la croissance de marché escomptée et l’exportation d’une grande quantité
de café liquide (liquid coffee) vers les Etats-Unis, Sara Lee/DE a décidé il y a
cinq ans de construire une usine aux Etats-Unis. Puisque le groupe d’ingénierie
central opérant à l’échelle mondiale (Manufacturing Technology) est installé
depuis 1950 à Joure et qu’il dispose de vastes connaissances dans la fabrication
industrielle de café, il est logique que ce groupe soit responsable de la
construction de la nouvelle usine. “Le processus devait être une copie du
processus éprouvé à Joure”, afin d’assurer la fiabilité du processus de
production, explique Jan Vogel, Section Leader Electrical Manufacturing
Technology chez Sara Lee/DE et responsable de la commande de l’usine. “Seule
différence, l’usine américaine fait appel à une technologie moderne sans
toutefois entraver la fiabilité.” Le lieu choisi fut la ville de Suffolk en
Virginie. La technologie de production et les connaissances opérationnelles sont
fournies au départ de Joule. La Frise assura en outre l’accompagnement de
production et le processus de formation à Suffolk. Au total, la nouvelle usine a
coûté environ 93 millions de dollars américains avec les installations de
processus, le système de commande de processus et d’autres équipements
(bâtiments non compris). Une petite équipe de base dont fait partie Jan Vogel, a
conçu les projets et plans de base de l’usine. “ En fait, nous avons élaboré une
vue globale de la manière dont nous voulions implémenter et piloter l’usine.”
Machines américaines et européennes
Le plan de base réalisé, Jan Vogel partit voir plusieurs fournisseurs de
systèmes de commande de processus. Finalement, il restait en lice trois
candidats sérieux. Jan Vogel choisit Rockwell Automation. “Ils ont pu démontrer
qu’ils pouvaient fabriquer un ‘look alike’ du système de commande de Joure.” Par
ailleurs, leur système de commande recourt à des réseaux basés sur des standards
‘ouverts’, ce qui facilite l’intégration avec d’autres parties de l’usine. “Cela
est nécessaire” remarque Jan Vogel “car dès que la commande est installée aux
Etats-Unis, elle doit collaborer avec des machines construites par des OEM
américains et européens.” Afin de garantir l’intégration, tous les fournisseurs
du projet devaient se conformer à la liste d’équipements préférentiels. Jan
Vogel voit aussi dans DeviceNet la possibilité de relier aisément des
départs-moteurs, des convertisseurs de fréquence, des capteurs et des matrices
de vannes. “Cela permet une structure distribuée de l’équipement de terrain dans
le processus de production, avec la flexibilité nécessaire” remarque-t-il. Pour
le système de commande de processus distribuée, Sara Lee/DE a opté pour la
plate-forme Logix (ControlLogix) du même fournisseur. La dizaine de commandes
DCS et les huit commandes PLC du système communiquent via Ethernet, ControlNet,
DeviceNet ou Fieldbus Foundation. Le réseau DeviceNet de Sara Lee/DE aux
Etats-Unis compte pas moins de 1268 nœuds parmi lesquels des départs-moteurs,
des convertisseurs de fréquence, des matrices de vannes et des capteurs. En
format conventionnel, cela représenterait environ 12.000 signaux d’E/S. Sara
Lee/DE est la première dans l’industrie alimentaire à mettre en œuvre à grande
échelle des instruments équipés de Fieldbus Foundation (environ 400
instruments). Ces instruments (débitmètres, vannes de régulation…) provenant de
différents fournisseurs sont raccordés au réseau pour transmettre leurs valeurs
de mesure et statuts au système de commande. Ces statuts servent à la
planification de l’entretien préventif afin d’éviter autant que possible les
arrêts. Sara Lee/DE a sciemment opté pour un système de commande distribuée où
la commande (un départ-moteur par exemple) de l’équipement de terrain (les
moteurs et pompes par exemple) est placée dans l’usine à proximité de
l’équipement de terrain concerné. L’opérateur ou le technicien d’entretien peut
ainsi résoudre sur place la panne d’une vanne, d’une pompe ou d’un capteur par
exemple. Comme matrices de vannes, la société utilise des vannes ‘mixed proof’
dotées d’une Think Top DeviceNet d’Alfa Laval. Outre la commande et le retour
d’informations, ces têtes donnent les informations nécessaires pour une
maintenance préventive.
Fieldbus Foundation
Jan Vogel s’attaqua ensuite aux Etats-Unis à la mise en ligne des OEM. Les
machines de congélation, les machines frigorifiques, une installation de
surgélation, les lignes d’emballage, les machines de remplissage et une
chaudière à vapeur ont été installées. Les constructeurs de machines doivent
utiliser des équipements repris dans la liste d’équipements préférentiels parmi
lesquels nous retrouvons le système de commande ControlLogix, afin d’assurer
l’intégration complète avec la commande. Début 2002, la mission fut attribuée.
Le Manufacturing Technology Group de Sara Lee se chargea de l’ensemble du
concept matériel et réalisa les logiciels de processus applicatifs tels que
l’Extraction, le Stripping, l’Evaporation et le Spraydrying. Rockwell partit des
plans cités ci-dessus (spécifications) de Sara Lee/De et se concentra
principalement sur les applications de Routing, Storage, Decanter, Pasteur & CIP
de la commande de processus. En ce qui concerne le système de commande de
processus, le projet a duré environ douze mois, avant que ne démarre la mise en
service à Suffolk. Rockwell Automation a aussi fourni un Manufacturing Execution
System (MES) qui intègre les données de l’atelier avec celles du bureau, dans ce
cas, un système d’ERP de JD Edwards. Les chiffres provenant de l’atelier sur les
lots et les quantités de café produites sont directement disponibles au niveau
administratif. Cependant, le système MES assure aussi la traçabilité et le
contrôle qualité et permet d’établir un aperçu du processus de production. La
direction de l’usine de Suffolk dispose ainsi à chaque instant d’un aperçu
actualisé de la capacité, de la qualité et du planning. “Dans un processus comme
celui-ci, nous essayons d’appliquer au maximum les nouvelles technologies”
remarque Jan Vogel. L’application à grande échelle de Foundation Fieldbus en est
un exemple. Foundation Fieldbus est appliqué comme standard ouvert et les divers
fournisseurs d’instruments s’y sont conformés. Sara Lee/DE est une des premières
sociétés de l’industrie alimentaire à utiliser ce réseau à grande échelle.
“L’application de nouvelles techniques en combinaison avec les connaissances
présentes au niveau des processus nous confèrent une avance en savoir-faire. Il
s’agit là d’une valeur ajoutée par rapport à d’autres bureaux d’ingénierie
commerciaux. Des connaissances détaillées des processus et techniques sont un
must absolu pour les ingénieurs. Afin d’améliorer la communication mutuelle et
l’efficacité, il fut décidé d’héberger les équipes de projet de Rockwell
Automation et Sara Lee/DE dans les bureaux de Sara Lee/DE à Joure. Ainsi, elles
pouvaient aussi vérifier aisément la réalisation d’un processus déterminé dans
l’usine. “Chacun de nous avait sa propre tâche dans cette équipe intégrée”
explique Jan Vogel. “Cela garantit une clarté, un bon aperçu et des
responsabilités équilibrées.”
Système MES
La société Beenen, établie à Gorredijk aux Pays-Bas, a intégré le matériel
du système de commande avec les
départs-moteurs et les convertisseurs de fréquence de Rockwell Automation dans
plus de 150 pupitres de commande. Les pupitres de commande et autres composants
du processus sont ensuite partis par conteneur vers les Etats-Unis où un
entrepreneur local a installé l’ensemble sous la responsabilité de Manufacturing
Technology. Le logiciel applicatif a été largement testé à Joure avant la mise
en service et envoyé ensuite sur CD à Suffolk. Là, il a été installé sur le
système de commande déjà présent. Le développement du logiciel applicatif a pris
environ neuf mois et les tests trois mois supplémentaires. Jan Vogel souhaitait
tester toutes les fonctionnalités du logiciel aux Pays-Bas mais comme le
processus n’y était pas relié, il ne put tester le tout à 100%. “ À un certain
moment, il faut faire le pas et démarrer les tests et la mise en service avec le
processus relié.” Le système MES présente les principaux indicateurs de
performance clés de l’usine, par exemple les KPI relatifs à la qualité de
production, à la quantité de production et à la performance des machines. Les
données historiques sont stockées à des fins de traçabilité. Elles sont ainsi
immédiatement disponibles pour le traçage d’un produit fourni. Tout cela se fait
autant que possible en temps réel, en d’autres termes durant la production. Le
système MES tient à jour les consommations de matières premières de Sara Lee/DE
ainsi que les quantités ayant abouti, à un moment donné, à tel endroit dans le
produit fini (traçabilité). Le système MES recourt à l’outil de configuration
RSBatch (basé sur la structure S88) pour la gestion des recettes, la traçabilité
et l’échange de données vers le système d’ERP, dans ce cas JDEdwards. Selon Wim
Koot, Section leader Proces Automation Manufacturing Technology chez Sara Lee/DE
et responsable du système MES, l’intégration et l’enregistrement logistiques des
données de processus afin d’optimiser davantage le processus constituent “des
raisons essentielles pour recourir à un MES”. Sara Lee/DE a rempli un grand
nombre de fonctions du standard S95 pour MES. Quand on lui demande pourquoi la
société a choisi une couche MES et qu’elle ne l’héberge pas sous l’ERP, Wim Koot
répond que la production doit pouvoir rester opérationnelle et garantir une
grande disponibilité avec des moyens locaux. Dans ce sens, le système d’ERP est
fragile et sert plus à fournir les infos des commandes, du material master, de
la gestion des stocks et du BOM (bill of material). En revanche, le MES assure
le contrôle et l’exécution au niveau de la production. Sara Lee/DE a posé à
Rockwell une exigence importante en termes de MES, à savoir que toutes les
données disponibles devaient pouvoir être sélectionnées et imprimées. Dans
chaque écran, les données doivent par exemple pouvoir être sélectionnées et tout
ce qui apparaît à l’écran doit pouvoir être imprimé ou exporté vers Excel.
“Cette exigence a été parfaitement rencontrée” remarque Wim Koot. “Le système de
commande de processus et le MES tournent bien” constate Jan Vogel. L’usine de
Suffolk a ouvert ses portes mi-septembre 2004. Le coût de l’ensemble du projet,
hors bâtiments, s’élève à 93 millions de dollars.
Source : PT Industrieel Management
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