Quelles données sont nécessaires pour planifier l'intégration d'une installation dans des lignes existantes (alimentation, dosage, évacuation) ?
Pour intégrer une nouvelle installation de mélange ou des composants supplémentaires dans une ligne de production existante, une base de données complète et coordonnée est nécessaire. Elle doit couvrir le flux de matière depuis l'alimentation et le dosage, en passant par le procédé de mélange, jusqu'à l'évacuation, et prendre en compte simultanément les interfaces mécaniques, relatives au procédé, électriques, relatives à la commande, à la sécurité et aux fluides. L'objectif est une installation techniquement adaptée, pouvant être exploitée en toute sécurité, atteignant la performance requise et s'intégrant dans l'existant sans reprises imprévues.
Les données de procédé et de matériau viennent en premier lieu. Elles comprennent la masse volumique apparente, la distribution granulométrique, l'humidité, le comportement à l'écoulement, la cohésion, l'abrasivité, la température et une éventuelle tendance à la ségrégation. Pour les poudres, le comportement à l'évacuation, l'aptitude au transport, la formation de voûtes, le dégagement de poussière et la sensibilité aux sollicitations mécaniques sont particulièrement importants. Il convient en outre de documenter les propriétés chimiques et relatives à la sécurité telles que la corrosivité, la réactivité, la toxicité, les caractéristiques d'explosivité, ainsi que les éventuelles exigences hygiéniques ou réglementaires. Si une atmosphère explosible peut se former, le classement en zones, les propriétés de la poussière, du gaz, de la vapeur ou du brouillard, ainsi que les exigences qui en découlent pour les appareils et les systèmes de protection doivent être clarifiés dès le début. La directive produit ATEX 2014/34/UE concerne les appareils et les systèmes de protection destinés à être utilisés en atmosphères explosibles ; la directive 1999/92/CE fixe les prescriptions minimales visant à améliorer la protection en matière de sécurité et de santé des travailleurs susceptibles d'être exposés au risque d'atmosphères explosibles.
Des données de débit, de capacité et de temps sont également nécessaires. Elles comprennent les débits massiques ou volumiques minimaux, nominaux et maximaux, les tailles de charges, les cycles de production, les temps de cycle, les temps de fonctionnement prévus, la disponibilité attendue et l'OEE visé. Il doit être clairement établi si l'installation fonctionne en continu, de façon discontinue ou par campagnes. Pour les tâches de dosage, la précision exigée, la répétabilité, les écarts admissibles, le type de dosage ainsi que les exigences de contrôle et d'étalonnage sont pertinents. En outre, le nombre de recettes, la fréquence des changements de produit, la stratégie de nettoyage, les critères de libération, les concepts de purge et de vidange ainsi que les risques éventuels de contamination croisée doivent être connus.
Pour la planification mécanique, des documents actualisés de l'existant sont nécessaires. Idéalement, on dispose de données CAO 2D et 3D, de plans d'implantation, de coupes, de cotes de niveau et d'une documentation photographique de l'installation existante. Les espaces d'implantation et de maintenance réellement disponibles, les hauteurs sous plafond, les voies de transport et de montage, les possibilités de levage ou de pontage, les voies de secours, les issues de secours et les contours d'encombrement existants sont déterminants. Lors d'un état des lieux, ces données devraient être vérifiées sur site, car les anciens plans ne correspondent souvent plus intégralement à l'état réel de l'installation.
Aux points de transfert entre le nouveau composant et les équipements existants, les géométries de raccordement doivent être relevées avec précision. Cela comprend les diamètres de tuyauterie et les diamètres nominaux, les types de brides et les entraxes de perçage, les hauteurs de transfert, les positions de montage, les angles d'inclinaison, les hauteurs de chute, les géométries des goulottes et des trémies, ainsi que les directions de raccordement disponibles. Pour les transferts de matière par gravité, les différences de hauteur nécessaires et les propriétés d'écoulement réelles du produit doivent être évaluées conjointement. Pour le raccordement à une technique de transport mécanique ou pneumatique, il faut tenir compte de la hauteur de transport, du trajet de transport, de la capacité de transport, de la vitesse de bande, du niveau de pression ou de vide, du tracé des conduites, des effets de refoulement et des volumes tampons disponibles.
Les charges statiques et dynamiques doivent elles aussi être vérifiées dès le début. Des données sur la capacité portante du sol, de la fondation, de la plateforme, de la construction métallique et des suspensions sont nécessaires. Outre le poids propre de la nouvelle installation, il faut prendre en compte les masses de produit, les remplissages de fluides, les charges de maintenance, les vibrations, les couples de démarrage, les coups de bélier et, le cas échéant, les efforts issus des tuyauteries. Pour les équipements sensibles aux vibrations ou les systèmes de pesage sensibles, les transmissions de vibrations provenant d'installations voisines, les résonances possibles et les mesures de découplage devraient également être évaluées. Les valeurs limites requises pour le bruit, la poussière et d'autres émissions devraient également être intégrées à la planification.
L'intégration électrique et relative à la commande nécessite une description complète de l'infrastructure existante. Cela comprend les niveaux de tension disponibles, la fréquence, la puissance de court-circuit, la puissance de raccordement, la protection, le régime de neutre, la mise à la terre, l'équipotentialité et les réserves disponibles dans les armoires électriques ainsi que dans les chemins de câbles. Pour l'intégration de la commande, la marque et la version de l'automate programmable industriel (API), le système de conduite, l'environnement SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) ou DCS, la visualisation, l'architecture réseau, les bus de terrain existants et les protocoles de communication doivent être connus. Les interfaces typiques peuvent être PROFINET, PROFIBUS (Process Field Bus), EtherCAT, Modbus TCP ou OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). La planification nécessite en outre des listes complètes des signaux numériques et analogiques, des listes de points de données, des valeurs de consigne et des valeurs réelles, des messages d'alarme et de diagnostic, ainsi que les exigences relatives à l'historian, au MES (Manufacturing Execution System), à l'ERP (Enterprise Resource Planning), à la documentation des charges et à la traçabilité.
Une logique d'interface clairement définie est particulièrement importante. Pour l'alimentation, le dosage et l'évacuation, les états de fonctionnement, les autorisations, les verrouillages et les messages de défaut doivent être définis. Les signaux typiques sont par exemple « prêt pour l'alimentation », « autorisation dosage », « récipient plein », « évacuation active », « installation aval prête à recevoir », « défaut » ou « arrêt d'urgence actif ». Ces signaux doivent être documentés avec un sens de signal clair, une priorité, un comportement temporel et une responsabilité définis. Il convient également de déterminer quelle installation passe dans un état sûr en cas de défaut ou de panne de communication, et comment s'effectue un redémarrage.
Pour la sécurité fonctionnelle, les chaînes d'arrêt d'urgence existantes, les capteurs de sécurité, les portes de protection, les zones de sécurité, les commandes de sécurité ainsi que les niveaux de sécurité requis doivent être relevés. Selon l'évaluation des risques, le niveau de performance (Performance Level) ou le niveau d'intégrité de sécurité (Safety Integrity Level) peuvent être pertinents. Le nouveau composant ne doit pas compromettre la fonction de sécurité existante et doit être correctement intégré dans l'architecture de sécurité de l'installation globale. Pour les commandes en réseau et les accès aux données, les exigences relatives à la cybersécurité industrielle devraient également être prises en compte. La norme IEC 62443-3-2 décrit à cet effet une approche fondée sur le risque, dans laquelle les systèmes d'automatisation et de commande industriels sont répartis en zones et conduits, les risques sont évalués et les niveaux de sécurité cibles sont définis.
Les données d'alimentation nécessaires comprennent l'air comprimé, l'eau, la vapeur, les fluides de refroidissement et de chauffage, le vide, les gaz inertes, l'air évacué, le dépoussiérage et, le cas échéant, les eaux usées. Pour chaque type de fluide, il faut connaître non seulement la position de raccordement et le diamètre nominal, mais aussi la pression, la température, le débit volumique, la qualité, la disponibilité et les variations admissibles. Pour l'air comprimé, par exemple, la pression, la consommation de pointe, la qualité de l'air et les sections de conduite disponibles sont pertinentes. Pour les installations centrales d'aspiration et de dépoussiérage, le débit volumique, la dépression disponible, le concept de filtration, la charge en poussière, la protection contre les explosions, le concept de retour d'air et l'incidence sur le bilan de pression du local doivent être évalués. Si une inertisation est nécessaire, le type de gaz, la pureté, le niveau de pression, la consommation, la surveillance et les mesures de sécurité doivent être définis.
Les conditions de fonctionnement et d'environnement influencent elles aussi la planification de l'intégration. Cela comprend la température ambiante, l'humidité de l'air, la charge en poussière, les risques de condensation ou de givrage, les zones à salle blanche ou hygiéniques, les zones Ex, les valeurs d'émission admissibles et les exigences locales de protection du travail. Le modèle d'équipes, les fenêtres de maintenance, la planification de la production et les objectifs de disponibilité attendus déterminent la manière dont le montage, la mise en service, les phases de test et les maintenances ultérieures peuvent être organisés.
Les étapes de procédé en amont et en aval doivent être considérées comme un système global. Pour l'alimentation, les volumes de stockage, les capacités tampons, les cycles de réapprovisionnement, le mode de mise à disposition des matières premières, la technique de transport, les seuils de niveau de remplissage et les logiques d'arrêt sont importants. Pour le dosage, la technique de pesage, la gestion des recettes, les protocoles de dosage, les concepts d'étalonnage, les temps de réaction et les tolérances doivent être connus. Pour l'évacuation, les étapes de traitement en aval, la capacité de réception, les volumes tampons, le comportement en cas de refoulement, la vidange d'urgence et les exigences relatives aux transferts continus ou par charges doivent être clairement définis. Les problèmes d'intégration ne proviennent souvent pas de la nouvelle machine elle-même, mais de transitions mal coordonnées entre l'alimentation, le dosage, le mélangeur, la technique de transport et le conditionnement.
Les exigences normatives, réglementaires et documentaires devraient être établies dès le début du projet. Cela comprend, selon l'application, la législation actuelle relative aux machines, ATEX, la réglementation relative aux équipements sous pression, les BPF (bonnes pratiques de fabrication), l'EHEDG, les prescriptions du droit alimentaire, les exigences locales en matière de construction et d'environnement, ainsi que les normes internes à l'entreprise. Pour les machines neuves, la directive Machines 2006/42/CE reste en principe applicable jusqu'au 19 janvier 2027 ; le règlement européen Machines 2023/1230 est généralement applicable à compter du 20 janvier 2027. Les schémas de procédé et d'instrumentation (P&ID) actuels, les descriptions fonctionnelles, les schémas électriques, les documents E-CAO, les analyses de risques, les instructions d'exploitation, les historiques de maintenance, les protocoles de défauts et les points faibles connus de la ligne existante sont des documents de planification précieux. Ils montrent non seulement l'état cible, mais aussi les risques opérationnels réels et les goulots d'étranglement récurrents.
Des limites de batterie (Battery Limits) clairement définies jouent un rôle central. Elles déterminent à quels points la responsabilité de l'installation existante s'arrête et où commence celle du fournisseur ou de l'intégrateur du nouveau composant. Les limites de batterie comprennent les transitions mécaniques telles que les brides, les tuyauteries, les organes de transport, ainsi que les raccords de construction métallique et de fondation. Elles concernent également les raccordements de fluides pour l'électricité, l'air comprimé, l'eau, la vapeur, le refroidissement, le gaz inerte, l'air évacué et les eaux usées, ainsi que les interfaces de commande, de sécurité et de données. Les limites de batterie ne devraient pas seulement être repérées sur un plan, mais décrites dans une liste d'interfaces contraignante. Celle-ci devrait fixer, pour chaque point de transfert, le propriétaire, l'étendue de la fourniture, les données techniques, l'étendue des contrôles, les autorisations, la responsabilité de montage et les critères de réception.
Des limites de batterie mal définies entraînent fréquemment des lacunes dans la planification des tuyauteries, la construction métallique, le câblage, la logique de commande, les mesures de protection et la mise en service. Il en résulte des avenants, des reports de délais, des replanifications évitables et des conflits d'interfaces. Un état des lieux précoce, un schéma P&ID coordonné, une matrice d'interfaces techniques ainsi qu'une revue commune avec la production, la maintenance, l'automatisation, la sécurité du travail, l'assurance qualité et les fournisseurs externes sont donc déterminants pour une intégration d'installation sûre et efficace.
Ainsi amixon® intègre le dosage, l'évacuation et la périphérie au mélangeur de poudres
Une intégration d'installation sûre et performante commence par une définition claire des points de transfert entre l'alimentation, le dosage, le mélangeur, l'évacuation et le traitement en aval. La base est constituée par la User Requirement Specification de l'exploitant ainsi que par des données complètes sur le produit, le débit, la taille des charges, la recette, le flux de matière, les raccordements existants, les conditions d'implantation, la commande et l'alimentation en fluides. Il faut alors déterminer quels composants sont fournis par amixon®, quels équipements proviennent de l'exploitant ou d'autres fournisseurs, et comment sont réalisées les interfaces mécaniques, électriques, pneumatiques et relatives à la commande.
Côté évacuation, l'organe d'évacuation, le temps de vidange, la vidange résiduelle et le transport en aval influencent de façon déterminante la performance globale de la ligne. La vanne DosiFlap® d'amixon® peut fermer la chambre de mélange avec un minimum d'espace mort et favoriser une distribution dosée du produit. Selon le produit et l'exécution, elle peut être utilisée pour le remplissage direct de contenants, de big bags ou d'étapes de procédé en aval. La question de savoir si un remplissage suffisamment précis est possible par le seul organe d'évacuation dépend de la fluidité du produit, de la masse volumique apparente, de la quantité évacuée, de la tolérance de dosage, du concept de pesage et de la reproductibilité souhaitée. Pour les processus de remplissage aptes à la vérification métrologique ou particulièrement précis, un système de pesage adapté est généralement nécessaire.
Il est également possible de prévoir des tubulures normalisées avec clapets de sortie, des systèmes à clapets ou des vannes à segment sphérique résistantes à la pression et au vide. Il est déterminant que l'organe d'évacuation choisi corresponde au produit, au mode de fonctionnement en pression ou sous vide, aux exigences de confinement, à la stratégie de nettoyage et à la géométrie de raccordement de l'installation aval. amixon® décrit DosiFlap® comme un organe d'évacuation étanche à faible espace mort ; pour certaines applications, des vidanges rapides et une répartition de l'évacuation sur plusieurs récipients sont possibles.
La technologie ComDisc® peut faciliter la vidange en acheminant les restes de produit vers la sortie en fin d'évacuation. Cela peut augmenter le rendement produit, faciliter les changements de produit et réduire les efforts de nettoyage. Selon les indications d'amixon®, des taux de vidange allant jusqu'à environ 99,98 pour cent sont atteignables selon le produit et l'exécution. La vidange résiduelle réellement réalisable doit toutefois être vérifiée avec le produit concerné, car elle dépend de la granulométrie, de l'humidité, de la tendance à l'adhérence, de la masse volumique apparente, de la quantité de produit et de la géométrie de l'appareil.
Pour la planification de l'alimentation, la nature et les propriétés des matières premières, le nombre de composants, la technique de transport, les réservoirs de stockage, les capacités tampons, les systèmes de pesée et les précisions de dosage doivent être connus. Les données pertinentes comprennent notamment la masse volumique apparente, le comportement à l'écoulement, la cohésion, l'humidité, la distribution granulométrique, le dégagement de poussière, l'abrasivité et une éventuelle tendance à la ségrégation. Des indications sur les débits massiques minimaux, nominaux et maximaux, les tailles de charges, les temps de réapprovisionnement et les changements de recette sont également nécessaires. Ces informations déterminent si l'alimentation doit par exemple s'effectuer par silos, vidange de sacs, stations de big bags, vis de transport, transport pneumatique ou doseurs gravimétriques.
Pour un procédé de mélange continu, le dosage, le mélangeur et l'évacuation doivent être planifiés comme un système de régulation cohérent. Le mélangeur continu amixon® type AMK illustre ce principe : les doseurs gravimétriques sont démarrés simultanément au début avec un faible débit massique et coordonnés entre eux. Le taux de remplissage augmente d'abord ; l'entraînement du mélangeur démarre à environ la moitié du volume de remplissage. Une fois que les doseurs ont atteint leur point de fonctionnement stationnaire et que le taux de remplissage souhaité est atteint, l'organe d'évacuation s'ouvre progressivement. Dans le mode de fonctionnement décrit, le taux de remplissage est maintenu constant à environ 80 pour cent du volume utile, tandis que les débits de dosage sont augmentés de façon régulée jusqu'au débit massique prévu.
Cet exemple montre que le dimensionnement d'une installation continue ne se limite pas au choix de composants individuels. Une logique de commande coordonnée, des mesures fiables des débits de dosage, des états de fonctionnement définis, des tampons suffisants ainsi qu'une régulation claire pour le démarrage, le fonctionnement normal, les défauts, les changements de produit et l'arrêt sont nécessaires. Les indications relatives à l'absence de pertes au démarrage ou à l'arrêt dépendent de l'application et devraient être évaluées pour la recette concrète, la précision de dosage et la conduite du procédé. amixon® décrit pour l'AMK un processus de démarrage et d'arrêt contrôlé, destiné à réduire les pertes de produit.
Pour les installations discontinues, des questions d'interface comparables doivent être clarifiées. Cela comprend la pesée des recettes, l'ordre des ajouts, l'autorisation de l'alimentation, le démarrage du processus de mélange, le prélèvement d'échantillons, l'autorisation d'évacuation et le transfert vers l'installation aval. Pour chaque interface, des signaux de synchronisation (handshake), des verrouillages, des réactions aux défauts, des temps d'attente maximaux et des conditions de redémarrage devraient être définis. Les signaux typiques sont par exemple « mélangeur prêt à recevoir », « dosage autorisé », « charge complète », « évacuation autorisée », « installation aval prête à recevoir », « défaut » et « arrêt d'urgence actif ».
Les mélangeurs de construction verticale peuvent faciliter l'intégration dans des lignes existantes, car l'alimentation par le haut et l'évacuation vers le bas suivent souvent le principe de la gravité. Néanmoins, les rapports de hauteur réels, les points de transfert, les angles de trémie, les tracés de tuyauterie, les hauteurs de chute nécessaires et les propriétés d'écoulement du produit doivent être vérifiés. Une construction d'appareil compacte ne signifie pas automatiquement qu'il existe suffisamment d'espace pour la technique de transport, les filtres, les doseurs, les accès de maintenance, les raccordements de nettoyage et le montage. Pour une planification fiable, des plans d'implantation actuels, des données 3D ou un relevé précis sur site sont nécessaires.
L'automatisation relie la pesée, le processus de mélange, l'évacuation et la documentation des charges. Les programmes de mélange peuvent être enregistrés dans un automate programmable et exécutés pour chaque charge avec des temps de mélange, des vitesses de rotation, des séquences de dosage et d'autres paramètres de procédé définis. Une connexion aux systèmes ERP, MES ou de conduite, ainsi que l'intégration de lecteurs de codes-barres, peuvent être prévues selon le projet. Cela permet de relier de façon traçable les matières premières, les versions de recette, les charges et les paramètres de procédé. Pour les évaluations OEE, des horodatages précis pour l'alimentation, le dosage, le mélange, la vidange, le nettoyage, les arrêts et les changements de produit sont en outre nécessaires.
La question de savoir si l'intégration de l'installation atteint la performance souhaitée ne devrait pas être évaluée uniquement sur la base de données de construction. Des essais en halle d'essais avec le produit d'origine peuvent contribuer à évaluer au préalable la qualité de mélange, l'aptitude au dosage, le comportement à la vidange, la coulabilité, l'apport d'énergie et les éventuelles exigences de nettoyage. Les résultats aident au dimensionnement des mélangeurs, des organes de dosage, des voies d'évacuation et des paramètres de procédé provisoires. L'évaluation finale de la performance s'effectue toutefois en interaction avec la ligne réelle d'alimentation, de dosage et d'évacuation chez l'exploitant.
Dans des environnements réglementés, amixon® peut fournir une documentation pertinente pour la qualification et soutenir la DQ, l'IQ et l'OQ. Cela peut comprendre des certificats matières, des indications de rugosité de surface, des documentations de soudage, des protocoles de contrôle et des documents relatifs aux composants en contact avec le produit. L'exécution technique peut être adaptée à des exigences spécifiques au projet telles qu'une conception hygiénique conforme aux BPF, ATEX, EHEDG, aux exigences de la FDA, aux normes 3-A Sanitary ou à l'ASME. La responsabilité finale de l'évaluation réglementaire, de la validation du procédé, de la validation du nettoyage et de la validation des systèmes électroniques reste à l'exploitant.
Selon ses propres indications, amixon® développe et fabrique sur son site de Paderborn et accompagne les installations tout au long de leur cycle de vie avec la fourniture de pièces de rechange, la maintenance, la modernisation et le rétrofit. Pour une intégration durablement fiable en exploitation, une documentation univoque des composants, une stratégie de pièces de rechange définie, un logiciel de commande maîtrisé et des documents d'interface solides sont déterminants. Une matrice d'interfaces contraignante, qui définit pour chaque transfert mécanique, de fluides, électrique et de données qui fournit, qui monte, qui contrôle et qui assume la responsabilité, est particulièrement utile.