Будни инженера: что и как (не) работает в наших цехах

Снова привет, Хабр! Я главный инженер производства, отвечаю за подбор, установку, настройку, обслуживание и ремонт технического оборудования. Часто разгребаю факапы технологов, операторов, производителей, поставщиков и прочих причастных. У нас то оператор оборудования накосячит, то производитель оборудования привезёт сюрприз, то просто звёзды сойдутся неправильно, и оборудование начинает выдавать необъяснимые ошибки. С этими вещами мириться нельзя, поэтому нужны мы, инженеры.


Цилиндры автоматической фасовочной линии. Эта машина используется для розлива больших партий продукции.

Сейчас расскажу, как у нас выглядит производство в целом — от вакуумных реакторов до этикеток. И покажу ещё пару особенных решений. Ну, тех самых, которые то ли предельно безумные, то ли гениальные. То ли и то и то сразу.

Допроизводственный этап

Чтобы начать производить что-то большое, сначала надо это смоделировать в миниатюре.

Сразу из лаборатории масштабировать не получится, потому что лаборанты, условно говоря, изготовляют тестовые образцы продукции в маленьких ёмкостях, напоминающих обычный миксер.


На этом 10-литровом китайском «малыше» мы отрабатываем технологию производства

У нас есть купленный недавно в Китае химический реактор на 10 литров. Реактор — это такой агрегат для смешивания компонентов и проведения химических реакций и физических процессов (приготовление растворов, эмульсий, дисперсий и т. д.). Реакторы состоят из следующих элементов:

• Основной ёмкости, которая поддерживает определённые условия (температуру, давление) для протекания химических реакций и физических процессов.
• Перемешивающего устройства, главная задача которого — создать однородную смесь для максимально полного взаимодействия компонентов друг с другом.
• Обвязки — входных и выходных патрубков, датчиков, органов управления, запорной арматуры и т. д.
• Подготовительной ёмкости для реакторов большого объёма — она присоединяется к входному патрубку реактора, служит для загрузки и первоначального смешивания компонентов, а также других подготовительных процессов.
• Дополнительного функционального оборудования.

Если вы когда-нибудь готовили тесто для блинов, то наверняка замечали, что в нём образуются комки муки. Чтобы они исчезли, нужно весьма долго и усердно мешать, а особо упрямые комки вообще давить ложкой. Аналогично — при изготовлении косметики и фармы: не все компоненты легко растворяются в воде, масса будет неоднородной. Поэтому между подготовительной ёмкостью и самим реактором устанавливается диспергатор (гомогенизатор).

Он имеет такую конструкцию:

• Сначала идёт втягивающий винт — напоминает лодочный, он втягивает полупродукт внутрь рабочей камеры гомогенизатора.
• За винтом расположена система из двух «корон» — концентрических колец с несколькими рядами зубцов. Причём ряды одной «короны» (вращающейся) расположены между рядами другой (неподвижной).

Когда в гомогенизатор начинают поступать компоненты, они проходят между этими «коронами». Одна из них вращается со скоростью до 5 000 оборотов в минуту и разбивает крупные комки в мелкую фракцию. В сам реактор компоненты попадают уже измельчёнными и там смешиваются с остальными компонентами.


Свои диспергаторы вскрывать ради фото мы не стали, но выглядит это примерно так

В 10-литровом реакторе такой диспергатор установлен внутри основной ёмкости для большего контроля в процессе разработок и меньшей потери продукта в трубопроводах.

Так вот, на этом китайском 10-литровом мини-реакторе мы производим MVP — небольшую тестовую партию продукта, которая имеет все или почти все потребительские свойства. И заодно отрабатываем технологию производства: какие ингредиенты, в каких пропорциях, в каком порядке нужно вводить, сколько перемешивать и т. д.

Приготовление продукта

Полноценные цеховые агрегаты в целом имеют те же конструкцию и принцип действия. То есть это те же ёмкости с перемешивающими устройствами и обвязкой. Но для разных продуктов и в зависимости от размера производства мы используем различные модели таких агрегатов.

Стеклянные реакторы на 50–100 литров. Они оснащены насосом хитрой конструкции, который перемешивает содержимое посредством забора жидкости снизу ёмкости и выдачи его сверху. Это «стекляшки» чешского производства, очень старые, ещё 80-х годов выпуска, хотя всё ещё не сдаются и продолжают работать. Но мы их постепенно выводим из эксплуатации:

• Во-первых, потому что достать для них запчасти практически невозможно.
• Во-вторых, стараемся уходить от мелких заказов. А 50 литров — это мало, когда можно производить 200 и более литров.

В основном сейчас они у нас используются для выполнения контрактных заказов, которые бывают очень малых объёмов (30–40 литров). В этом случае выгоднее использовать их, чем большие реакторы на 200 и более литров. Но если у нас ломается такой «стеклянный старичок», то мы его не выбрасываем, а «каннибализируем» на запчасти для тех, которые ещё работают.

Стальные. Более практичные реакторы: все детали, контактирующие с продуктом, изготовлены из пищевой нержавеющей стали. Используются на производстве косметики. Они тоже различаются по объёму и конструкции:

• Открытые на 200 литров. Применяются чаще всего для приготовления лосьонов, компоненты которых легко растворяются в воде, поэтому гомогенизатор на таких реакторах не стоит. По сути, это просто баки с механическими мешалками. Открытыми называются потому, что негерметичные и невакуумные, а соответственно и требования к конструкции минимальные.
• Закрытые (вакуумные) на 400 литров. Используются для приготовления более широкого списка продуктов как более технологичные, поэтому оснащаются гомогенизатором.

На производстве фармы мы тоже используем стальные реакторы:

• Один на 350 литров открытого типа без гомогенизатора.
• Четыре 700-литровых вакуумного типа с гомогенизатором и подготовительной ёмкостью. В случае если нужно ускорить процессы, используем подкатные мешалки.
• Два по 1,5 тонны вакуумного типа с гомогенизатором и подготовительной ёмкостью со стационарно установленной мешалкой на 400 литров.

Пример вакуумного реактора на 1-1,5 т

С каждым годом мы сталкиваемся с теми или иными проблемами, в том числе и с конкурентами. Для того чтобы быть более привлекательными на рынке, нужно контролировать себестоимость, а это значит, что нужно использовать более выгодное сырьё и под него совершенствовать оборудование.

Реакторы на 700 литров имеют подготовительную ёмкость на 250 литров, но без мешалки. И для работы с новым сырьём мы заказали специальную подкатную мешалку: подкатили к любой из ёмкостей, размешали, убрали в дальний угол.

Реакторы на 1,5 тонны имеют подготовительную ёмкость, но уже на 400 литров. Из-за их больших размеров дополнительную мешалку использовать уже крайне затруднительно. Поэтому в подготовительных ёмкостях таких реакторов уже есть свои стационарные мешалки, которые предварительно разводят полимер в некотором объёме воды. Получается быстрее и технологичнее.

Все стальные реакторы, которые мы используем уже в цеху, — российского производства: из Москвы, Ногинска или Электростали. Импортные у нас только чешские «стекляшки» да китайский тестовый агрегат на 10 литров. Но мы частично будем переходить на китайские «большие» реакторы, но об этом — чуть позже.

Фасовка

Фасовка — это розлив готового продукта из реактора в небольшие флаконы. И здесь в зависимости от объёма производства конкретного продукта есть два варианта этого процесса.

Ручной розлив. Применяется для небольших партий продуктов. Процесс выглядит следующим образом:

• Из реактора продукт поступает в накопительную ёмкость объёмом 20 литров.
• Из накопительной ёмкости продукт поступает в цилиндры фасовочной машины. Из них через фасовочные носики он попадает во флаконы, которые оператор подносит вручную, а после их заполнения меняет на пустые.
• Как только смесь в накопительной ёмкости заканчивается, оператор активирует насос, который перекачивает в неё новую порцию из реактора, и цикл повторяется снова.

С точки зрения оператора в этом процессе можно выделить такт наполнения цилиндров фасовочной машины и такт выдачи продукта во флаконы. Он может заранее отрегулировать их длительность, а потом просто успевать менять флаконы. Каждый раз нажимать на кнопку ему не нужно: это автоматический процесс.


Та самая фасовочная машина для ручной фасовки: оператор наполняет флаконы из двух носиков-дозаторов

Предчувствую возражения вроде: «Да как же так, живой думающий человек должен целый день просто механически менять флаконы?» Да, это максимально примитивный, но вместе с тем безотказный способ фасовки. У него есть два больших преимущества:

• Минимальные потери продукта. Фасовка происходит до полного опустошения накопителя, но когда продукт опускается ниже допустимого минимума, вес уже не выдерживается, и она прекращается. В 20-литровом накопителе (на его стенках и дне), двух соединительных трубках и двух дозаторах при ручной фасовке потери составляют примерно полтора–три килограмма. На линии розлива с её большим накопителем,,, длинным трубопроводом и множеством цилиндров эти потери достигают 12–15 кг. Поэтому для производства небольших партий гораздо выгоднее использовать ручную фасовку.
• Быстрая очистка. Перед сменой продукта на другой остатки старого надо вымыть из системы. Естественно, сделать это с небольшими накопителями и фасовочными машинами гораздо проще.

К тому же оператор только меняет флаконы по мере их заполнения. Это монотонный, но физически лёгкий процесс.

Автоматический розлив. При производстве больших партий мы используем полностью автоматизированную линию. Схема у неё примерно такая же, как у фасовочной машины: реактор — накопитель — фасовочный механизм с цилиндрами. Отличие только в размерах накопителей (вместо 20 литров — 100–150), большем количестве цилиндров (от четырёх до шести вместо двух) и степени автоматизации. Такая линия управляется программируемыми контроллерами. Оператору нужно только ставить пустые флаконы в начале линии, а второму оператору потом снять с неё уже заполненные, укупоренные, с наклеенной этикеткой и нанесённой маркировкой.


Фасовочная головка автоматической линии с шестью дозаторами

Укупорка

Работа укупорочной машины: видны стопоры и закручивающие крышку ролики

Здесь тоже есть два варианта.

Ручной. Тут всё понятно: оператор накручивает крышку на флакон своими руками. Ручная укупорка используется при производстве малых партий, обычно в комплексе с такой же фасовкой.

Автоматизированный. Если партия большая, от нескольких десятков единиц, то заполненные флаконы подаются на укупорочную машину. У неё есть конвейер, по которому двигаются заполненные флаконы, закручивающий механизм в виде нескольких роликов и делитель. Схема работы такая:

• Партия флаконов двигается по ленте в сторону роликов, попутно оператор надевает на них крышки.
• Как только первый в очереди флакон оказывается в поле работы оптического датчика, выдвигается делитель, отсекающий его от остальной партии и удерживающий на месте.
• Вращающиеся ролики зажимают крышку и закручивают её с необходимым усилием.
• Делитель отодвигается, пропуская укупоренный флакон дальше и поджидая следующую «жертву».

Есть вариант и полностью автоматизированной укупорки. На фото — специальный податчик крышек надевает их на флаконы перед закручиванием.

Полуавтоматизированный. Он получается, если из полностью автоматизированной линии исключить ленту и стопоры. То есть просто поставить флакон с крышкой под укупоривающий механизм, нажать кнопку, дождаться полной закрутки крышки и убрать готовый флакон. Этот вариант обычно используется при производстве небольших партий после ручной фасовки.

Есть разновидности укупорочной машины в зависимости от того, какие флаконы используются. Выше описан процесс для обычной тары с завинчивающимся колпачком. А есть вакуумная упаковка, у которой крышка не навинчивается, а вдавливается и защёлкивается специальным пневматическим прессом. Такая машина у нас тоже используется.

Помимо флаконов, косметика и фарма фасуются в ламинатные или пластиковые тубы на тубной машине. Схема работы у них такая:

• Туба (с припаянным горлышком и навинченным колпачком) помещается в тубодержатель (тубы приходят чистые в закрытом пакете).
• Стакан с тубой перемещается по кругу сначала под позиционирующий узел, по фотометке выставляет тубу так, чтобы принт был правильно отцентрован, а потом — под дозатор, который заполняет её продуктом.
• Далее в зависимости от типа машины и используемого материала применяем ультразвуковую или термическую запайку торца тубы.
• После этого туба поступает на маркировку и обрезку хвостика.
• Запаянные тубы с содержимым выталкиваются из стакана и направляются на накопительный стол.

В тубной машине наполнение, укупорка и маркировка производятся по так называемой «карусельной» схеме, и используется одна машина. В случае с флаконами они раздельные, выполняются на нескольких разных машинах.

Всё оборудование каждый раз настраиваются под характеристики конкретного контейнера: объём, высоту, силу затяжки или сжатия и т. д. Все этапы автоматизированной упаковки управляются компьютером по заранее заданной операторами программе.

Наклеивание этикеток

Сейчас для наклеивания этикеток на флаконы у нас используется полностью автоматическая машина. Участие оператора сводится к первоначальной настройке параметров наклеек, загрузке и выгрузке тары. Устройство и принцип работы такой машины сводятся к следующему:

• Заполненная и укупоренная тара подаётся по ленте с роликовым механизмом, который вращает флаконы вокруг своей оси.
• Сбоку от конвейерной ленты располагается аппликатор с бобиной этикеток — сплошной лентой из подложки и наклеенных на неё этикеток. На машине установлено два вала, на одном располагается лента с этикетками, а на второй наматывается уже пустая подложка. Между этими бобинами располагается металлическая пластина (нож), которая натягивает ленту и разворачивает её почти на 180°. При таком переломе подложки сама этикетка за счёт своей толщины не поворачивает за лентой, а отклеивается от неё и подаётся в сторону флакона.
• Когда вращающийся флакон подходит к точке наклеивания, одновременно происходят зажатие флакона между тремя роликами и вращение валов бобины, при этом отклеенный край этикетки прилипает к флакону. За счёт вращения тара «заворачивается» в этикетку и перемещается дальше, а пустая подложка наматывается на вторую бобину.

Система бобин с этикетками и конвейерный податчик флаконов с вращающимися роликами

Во всём этом процессе самое сложное — правильно настроить машину при смене бобины с этикетками на другой тип, а именно — момент касания этикеткой флакона. Наклейки на подложке имеют определённую жёсткость и клейкость, в зависимости от этого они по-разному «встречают» тару. Если неправильно настроить геометрию машины, то этикетка может либо загнуться, либо наклеиться на флакон с пузырями воздуха, либо закрутиться на нём спиралью, когда один конец выше другого. Чаще всего именно на этапе наклейки нужна помощь инженера с настройкой или устранением неисправностей. Оператор же может выполнить только какую-то базовую настройку, например, отрегулировать высоту наклеивания и установить необходимые параметры печати маркиратора. Хотя со временем, подсматривая за работой инженеров, и операторы для экономии времени начинают выполнять некоторые наладки самостоятельно.

Предварительная наладка машины всегда происходит только на тестовом флаконе, который специально помечен, чтобы его не пустили в продажу и который в своей жизни повидал многое. Готовая продукция не может быть в 10 слоях клея, на котором обязательно образуется пыль и останутся отпечатки. Этот тестовый флакон мы ставим на машину и смотрим, как она клеит. Если всё ОК, то запускается рабочий процесс, если нет — мы срываем наклейку с тестовой тары, корректируем работу машины и начинаем всё заново. Как правило, при наладке в утиль уходит не менее 20–30 этикеток.

Маркировка

Этот на первый взгляд простой этап на деле вызывал у меня наибольшую боль и страдания. У нас была большая проблема: наносимая чернилами маркировка (партия, дата изготовления, срок годности) стирается с этикетки из-за трения флаконов друг о друга, о коробку и т. д.

Мы пробовали разные марки и виды чернил, растворителей. Какие-то были лучше, какие-то — хуже, но проблема всё равно оставалась. Потом в определённый момент я присмотрелся к лазерным принтерам. Первый купили в России — не во всём он нас устроил, но маркировка теперь стираться перестала, потому что чернила больше не используются.

В итоге разобрались, как с ним работать, изучили меню, сумели «подвязать» к этикетировочной машине. Учитывая успешный опыт заказов оборудования из Китая напрямую, приняли нелёгкое, но в итоге максимально успешное решение — купить следующий принтер именно у них. Как минимум сильно подкупала цена, которая в полтора-два раза меньше. И все последующие брали там же.


Лазерный принтер

Что может пойти не так?

Мы своё производство организовали так, чтобы свести человеческий фактор — основную причину поломок — к минимуму. Проще говоря, закупили автоматизированное оборудование, оснастили «защитой от дурака».


На этом фото видны установленные костыли как «защита от дурака» на случай, если оператор нальёт больше воды, чем записано в техкартах. При наборе вакуума капельки воды начнут засасываться в трубопровод: через прозрачный шланг это сразу будет заметно, и у оператора есть несколько минут на реагирование и устранение ошибки. Такой момент очень критичен, поскольку мы используем вакуумные насосы с масляной ванной. Но если и это не помогло — здравствуйте, весёлые рабочие выходные, полная разборка и чистка вакуумного насоса. Автолюбители отлично поймут, что попадание воды в масло ничем хорошим не заканчивается.

В итоге — потраченные время и материалы.

В принципе на моей памяти такой случай был только один. Но инженеров не всегда привлекают для исправления косяков, так что могло быть и больше.

Был ещё случай, когда запустили тубную машину без подключённого воздуха, и у неё не было той самой «защиты от дурака». В итоге — несколько погнутых деталей, поскольку пневмоцилиндры вовремя не отработали. В целом из больших косяков это всё. К тому же у нас внедрена система двойных проверок, так что шансов совершить ошибку у операторов практически нет.

Конечно, бывают поломки, и не зависящие от человека, например, ломаются редукторы и двигатели, разрушаются муфты, уплотнители, манжеты и т. д. Чисто из-за естественного износа. Тогда мы просто заменяем неисправную деталь на исправную у производителя или ищем аналогичную у другого поставщика.

Лично для меня самое большое опасение — это контроллеры. Исходный код является интеллектуальной собственностью компании-изготовителя, и доступа к нему нет. Допустим, заглючила винда на компе — просто ставишь новую. С контроллерами так не работает. Решений подобной проблемы есть несколько. Тут либо просить специалиста, который может написать весь код с нуля по описанным по памяти алгоритмам работы машины, либо обращаться на завод-изготовитель, выпустивший этот контроллер, и просить заменить вышедший из строя на аналогичный. Но, слава Богу, за время моей семилетней работы в компании таких проблем пока не возникало.

Сколько это всё стоит и где покупается

На данный момент происхождение нашего оборудования следующее:

• Тестовый мини-реактор на 10 литров, линии розлива, укупорки, этикирования и маркировки — из Китая.
• Большие стальные реакторы на 200 и более литров — из России (Москва, Ногинск, Электросталь).
• Старые 50-литровые стеклянные реакторы — из Чехии (сейчас почти не используются).

Одна из моих задач как инженера — это подбор оборудования. К нему предъявляются определённые требования по цене, качеству/функциональности, доставке и обслуживанию/ремонту. Очевидно, что порой эти требования вступают во взаимное противоречие, и вот тут начинается настоящее искусство.

Начнём с цены. Может показаться, что оборудование из России должно быть самым дешёвым из-за отсутствия дорогой доставки из-за границы. На практике я столкнулся с тем, что так называемое «российское производство» очень часто заключается в закупке оборудования в Китае, смене шильда, ну, может, ещё русификации меню. И за это ушлые российские поставщики накидывают цену в два-три раза больше закупочной. Например, мне в России предложили купить полуавтоматическую укупорочную машину за 190 тысяч, в то время как в Китае за ту же цену можно найти полностью автоматическую модель. При этом в стоимость уже будут включены доставка и растаможка. С Европой в плане цен всё плохо. Даже до всем известных событий стоимость на аналогичную технику была в два-три раза больше, чем в России, а по сравнению с Китаем соответственно — в шесть–восемь раз. При этом в плане гарантий китайцы не уступают русским ни в чём. Так зачем платить больше?

Да, есть у китайцев определённые проблемы с качеством производства. Не слишком большие, но встречаются. Зато у меня есть свой собственный опыт работы конструктором, плюс я знаю людей, которые очень хороши в плане доработки оборудования. Поэтому лично я в последнее время склоняюсь к такой стратегии: купить в Китае оборудование-полуфабрикат, доработать его и получить конфетку за малые деньги.

Поясню на примере. Мы блок розлива с укупором и пневматическим прессом для 30-миллилитровых флаконов купили в Китае за 1,6-1,8 миллиона рублей. У него были некоторые проблемы: не очень качественные сварные швы, микроцарапины на внутренней поверхности накопительного бака. Это потенциально ржавчина, большие потери продукта и проблемы с микробиологией. Но есть у нас один подрядчик, очень хороший спец по работе с нержавейкой, который способен устранить любые проблемы подобного характера. Познакомились мы с ним достаточно давно при заказе небольшой и относительно простой работы, но он выполнил её настолько хорошо и красиво, что при последующих работах уже не стоял вопрос, к кому нам обратиться. С его помощью на всю доработку китайского блока розлива мы потратили примерно 200–250 тысяч. В итоге у нас полностью подстроенное под наши потребности оборудование за 1,8-2 миллиона.

А в России нам аналогичный блок розлива предлагали за пять-шесть миллионов — и это без доработки! А допиливать напильником однозначно пришлось бы, то есть плюс ещё те же самые 200–250 тысяч.

Что самое обидное, у нас есть такие исключительные специалисты в стране, а российское машиностроение сейчас переживает не самые лучшие времена. Ведь куда проще купить готовое и перепродать дороже.

Функционал. В целом он у российского, европейского, американского и китайского оборудования примерно одинаковый, потому что технологические процессы схожи. Некоторая разница может быть в уровне автоматизации и работе контроллеров. Тут больше подбор идёт под особенности технологического процесса, объём производства, тип продукции, упаковки и т. д.

Доставка. В этом плане, конечно, российское и китайское оборудование — вне конкуренции. Европейцы, американцы из-за санкций либо сильно ограничили, либо полностью прекратили поставки в Россию. Китай же поставляет без проблем, причём, как я уже говорил, даже с учётом расходов на перевозку и растаможку закупать оттуда гораздо дешевле, а по времени — почти так же, как у российских производителей (которые сами часто в Китае и закупаются).

Обслуживание. В этом плане что российские, что китайские производители оборудования идут навстречу. Но есть нюансы по времени. Часто производителям из России нужно больше времени на поиск детали и её замену, чем их коллегам из Китая. Подозреваю, что наши эти запчасти в том же Китае сами и закупают.

Ещё один момент. Предприятия, которые производят сами машины, комплектующие для них (сервоприводы, цилиндры, уплотнители и т. д.) закупают у других компаний. То есть если мы по какой-то причине прекратили отношения с производителем, например, линии розлива, то для замены неисправной запчасти обращаемся не к нему, а напрямую в компанию, выпускающую эту деталь.

Реально от производителя зависят только контроллеры.

В целом по совокупности всех этих требований я на данный момент — за закупку оборудования в Китае. Это дёшево, доступно, без проблем в плане логистики и обслуживания. А качество так и так приходится допиливать напильником. Конечно, это в первую очередь касается дорогого и сложного оборудования. То, что попроще и подешевле, вполне можно закупать и у нас.