Quelles fonctionnalités soutiennent la saisie des données de procédé et l'optimisation OEE dans les procédés de mélange ?
La saisie des données de procédé et l'optimisation du rendement global des équipements, en anglais Overall Equipment Effectiveness et en abrégé OEE, reposent sur l'interaction d'une instrumentation adaptée, d'une intégration de données fiable, de définitions claires des pertes et d'une exploitation rigoureuse. L'OEE se compose de la disponibilité, de la performance et de la qualité. Dans les procédés de mélange, ces indicateurs doivent toujours être considérés dans le contexte de la charge et du produit, car, outre le temps de mélange proprement dit, l'alimentation, le dosage, la vidange, le changement de produit, le nettoyage, le prélèvement d'échantillons et les libérations influencent également le temps d'installation réellement disponible.
Pour la saisie automatisée des données de procédé, souvent appelée PDE (Prozessdatenerfassung), des points de mesure sont nécessaires, qui reflètent de façon pertinente l'état du procédé, la qualité et l'état de l'installation. Cela comprend la vitesse de rotation, le couple, le courant moteur et la puissance absorbée de l'entraînement du mélangeur. Ces données peuvent fournir des indications sur le comportement du produit, le taux de remplissage, le frottement, l'avancement du mélange ou d'éventuels collages. Elles ne constituent toutefois pas des grandeurs de substitution universelles pour la qualité de mélange ou la viscosité. Leur pertinence doit être vérifiée pour chaque produit, chaque recette et chaque type de mélangeur par comparaison avec des données de qualité appropriées.
Les capteurs de température, de pression, de vide, de niveau de remplissage et d'humidité aident à surveiller de manière fiable les paramètres de procédé critiques. Le point de mesure nécessaire dépend de la tâche de mélange. Pour les poudres hygroscopiques, l'humidité peut être déterminante ; pour les procédés exothermiques ou les produits sensibles à la température, la température ; et pour les procédés fermés, inertés ou assistés par le vide, la pression et le vide. Les points de mesure ne devraient pas seulement exister techniquement, mais remplir un objectif clair : ils doivent surveiller un paramètre de procédé pertinent, permettre de détecter précocement un écart ou soutenir une décision traçable dans le procédé.
L'analyse en ligne, c'est-à-dire une mesure directement dans le flux de procédé ou dans le récipient, peut améliorer l'évaluation du procédé et de la qualité. Selon l'application, on peut recourir par exemple à la mesure spectroscopique en ligne de l'humidité, à des mesures de conductivité, à des mesures granulométriques ou à des mesures de viscosité. Ces méthodes peuvent permettre un retour plus rapide qu'un simple prélèvement manuel en laboratoire. Leur utilisation suppose toutefois que le point de mesure, l'étalonnage, l'algorithme d'évaluation, la maintenance et le traitement des valeurs non plausibles soient définis de façon appropriée pour l'usage prévu. Dans les applications réglementées, une qualification ou une validation de la méthode peut être nécessaire à cet effet.
La surveillance des dosages est elle aussi centrale. Les systèmes gravimétriques dosent en fonction de la masse, par exemple via des cellules de pesée ou des balances doseuses différentielles. Les systèmes volumétriques dosent en fonction du volume, par exemple via des vis, des pompes ou des volumes de course définis. Pour la traçabilité des charges, les quantités théoriques et réelles, les lots de matières premières, les horodatages, l'ordre de dosage et les corrections éventuelles devraient être enregistrés. Cela facilite l'analyse des causes lorsque des écarts de qualité, des pesées erronées ou des interruptions de procédé surviennent.
Les mesures de vibration, de température et de courant sur les moteurs, paliers, réducteurs et joints peuvent soutenir la maintenance orientée état. Cette approche est souvent désignée par le terme de Condition Monitoring. Elle sert à détecter précocement les changements dans l'état de fonctionnement. Sur cette base, une maintenance prévisionnelle, en anglais Predictive Maintenance, peut être développée. Elle utilise des données historiques et des schémas de défaillance connus pour estimer le besoin probable de maintenance. Toute courbe de mesure ne se prête pas automatiquement à une prévision fiable de défaillance. Des points de mesure appropriés, une qualité de données suffisante, des mécanismes d'usure connus et un processus de maintenance clair, qui transforme les données anormales en mesures de contrôle ou de maintenance concrètes, en sont les conditions préalables.
Pour l'évaluation de l'OEE, les données de procédé, d'événement et de qualité doivent être reliées entre elles de façon univoque dans le temps. Des horodatages précis pour l'alimentation, le dosage, le mélange, la vidange, le nettoyage, le changement de produit, les arrêts et le redémarrage sont nécessaires. Une saisie des événements qui détecte automatiquement les arrêts imprévus, les brèves interruptions et les temps d'attente, et qui est complétée par des causes standardisées par les opérateurs ou la maintenance, est particulièrement utile. Les arrêts devraient être classés au minimum en planifiés et non planifiés, ainsi que selon des causes techniques, liées au matériau, organisationnelles et liées à la qualité. Sans une classification uniforme, les évaluations OEE peuvent certes produire des chiffres, mais elles fournissent difficilement des pistes d'amélioration solides.
Les six grandes catégories de pertes connues sous le nom de « Six Big Losses » proviennent du domaine de la Total Productive Maintenance, c'est-à-dire de la maintenance productive globale. Elles comprennent typiquement les pannes, les temps de réglage et de changement de série, les arrêts courts, la vitesse réduite, les pertes au démarrage et les pertes de qualité. Pour les procédés par charges, ces catégories de pertes devraient être adaptées au déroulement réel. Ainsi, des nettoyages trop longs, des temps d'attente pour les matières premières ou les libérations qualité, des remixages et des vidanges retardées peuvent, par exemple, constituer des catégories de pertes propres plus pertinentes qu'une reprise inchangée d'un modèle issu de la fabrication en série.
Une architecture de données structurée permet d'éviter que les données de mesure restent isolées. Des standards de communication et de bus de terrain normalisés permettent un échange de données structurées entre systèmes, indépendant du fabricant, entre les commandes, les systèmes historian, les systèmes de conduite et les applications de niveau supérieur, par exemple pour des transmissions de données orientées événement ou pour le raccordement à des applications relevant de l'internet industriel des objets et du cloud. L'interface appropriée dépend du besoin de temps réel, de l'architecture d'automatisation existante, des exigences de sécurité et du modèle de données souhaité.
Un historian est une base de données spécialisée pour les données de procédé et d'événement horodatées. Il permet de stocker et d'exploiter les valeurs de mesure, les états, les alarmes et les séries temporelles sur des périodes prolongées. Pour les procédés par charges, les données devraient en outre être liées à un identifiant de charge (Batch-ID), c'est-à-dire une identification univoque de la charge, un identifiant de produit, une version de recette, un identifiant d'installation et une phase de procédé. La norme ISA-88, également désignée ISA S88 ou CEI 61512, décrit des modèles et des notions pour la commande par charges. Cela comprend les recettes, les modules d'installation, les opérations, les phases et les protocoles de charge. ISA-88 peut donc constituer une base appropriée pour structurer de manière uniforme la gestion des recettes, les étapes de procédé et la documentation des charges.
Une gestion numérique des recettes réduit le risque d'erreurs de saisie manuelle et soutient l'exécution contrôlée des paramètres validés. Elle peut gérer par exemple le temps de mélange, la vitesse de rotation, les profils de température, l'ordre de dosage, le taux de remplissage, les quantités théoriques et les étapes de validation. Dans des environnements réglementés, les recettes devraient être versionnées, protégées contre les modifications non autorisées et gérées par des processus de validation définis. Les modifications doivent être traçables. Lorsque des enregistrements ou des signatures électroniques relèvent d'exigences réglementaires applicables, les exigences relatives à l'intégrité des données, aux pistes d'audit (Audit Trails) et, le cas échéant, aux signatures électroniques doivent également être prises en compte.
Une comparaison de type « Golden Batch » compare le déroulement d'une charge actuelle avec un déroulement de référence défini, celui d'une charge dont le succès a été démontré. Le terme « Golden Batch » ne signifie pas pour autant qu'une charge unique constitue nécessairement la référence parfaite. En pratique, une plage de référence statistiquement étayée, issue de plusieurs charges appropriées, est souvent plus solide. Les écarts de couple, de température, de temps de dosage, de durée de mélange ou d'autres paramètres critiques peuvent ainsi devenir visibles précocement. La question de savoir si et comment intervenir doit être fixée dans une stratégie de procédé claire, afin que toute dispersion normale du procédé ne déclenche pas d'alarmes ou d'interventions d'opérateur inutiles.
Différentes méthodes d'analyse conviennent à l'optimisation du procédé. La maîtrise statistique des procédés, Statistical Process Control, en abrégé SPC, surveille la stabilité et la dispersion des paramètres de procédé importants sur de nombreuses charges. Elle aide à détecter les tendances, les dérives et les motifs inhabituels avant que les valeurs limites définies ne soient dépassées. La planification statistique des expériences, Design of Experiments, en abrégé DoE, étudie systématiquement la manière dont plusieurs grandeurs d'entrée influencent conjointement un résultat. Cela permet par exemple d'optimiser de façon ciblée le temps de mélange, la vitesse de rotation, le taux de remplissage, l'ordre de dosage ou le profil de température. Une analyse de données multivariée peut en outre être utile lorsque de nombreuses données de procédé et de qualité interconnectées doivent être évaluées simultanément.
Un jumeau numérique est un modèle numérique d'un produit, d'un procédé ou d'une installation réels. Il peut se présenter sous différentes formes : d'une simple représentation des recettes, des capacités et des durées de cycle jusqu'à un modèle physiquement fondé de la cinétique de mélange, du transfert thermique, de l'apport d'énergie ou des propriétés des matières. Les jumeaux numériques peuvent aider à la simulation des stratégies d'exploitation, à la planification des capacités et à l'évaluation d'éventuelles modifications de procédé. Ils ne remplacent toutefois pas les essais avec le produit réel, en particulier lorsque les flux de particules, les adhérences de produit, la qualité de mélange ou le comportement à la vidange ne peuvent être modélisés que de façon limitée.
Le nettoyage influence considérablement la disponibilité dans de nombreux procédés de mélange. Le Cleaning in Place, en abrégé CIP, désigne le nettoyage de parties d'installation en place, sans démontage important. Le Sterilization in Place, en abrégé SIP, désigne la stérilisation de parties d'installation en place, souvent à la vapeur ou par un autre procédé approprié. Des capteurs de conductivité, de débit, de température, de pression et de temps peuvent aider à surveiller les cycles de nettoyage et de stérilisation. Un nettoyage adapté aux besoins peut réduire les ressources et les temps d'arrêt, mais ne doit pas se faire au détriment de l'hygiène requise ou de l'efficacité de nettoyage validée. Dans les applications réglementées, les critères de nettoyage, les limites d'acceptation et la gestion des écarts doivent être clairement définis.
Pour l'exploitation et l'évaluation, les données devraient être visualisées de façon adaptée au public visé. Des tableaux de bord basés sur les rôles peuvent montrer aux opérateurs les états de procédé actuels et les alarmes, fournir aux chefs d'équipe les temps de perte et les tendances OEE, et permettre aux ingénieurs qualité ou procédé des analyses détaillées de procédé et de charges. Une gestion efficace des alarmes évite que les opérateurs soient submergés par une multitude de messages simultanés et non priorisés. EEMUA 191 est une directive de l'Engineering Equipment and Materials Users' Association, en abrégé EEMUA, pour la conception, la gestion et l'évaluation des alarmes dans les installations de procédé. Elle sert fréquemment de référence pour la priorisation des alarmes et la réduction des avalanches d'alarmes.
Les accès mobiles peuvent améliorer la disponibilité de l'information, mais nécessitent un concept clair d'autorisations, de sécurité et de validation. En particulier pour les accès en écriture ou les accès à distance aux commandes, les accès devraient être limités dans le temps, chiffrés, journalisés et conçus selon le principe du moindre privilège. Des rapports standardisés et des réunions shopfloor régulières, c'est-à-dire de brèves réunions opérationnelles directement sur le lieu de production, aident à transformer les données OEE, de qualité et d'arrêt en mesures d'amélioration concrètes.
Ainsi amixon® peut soutenir l'OEE des installations de mélange de poudres
Le rendement global des équipements, en anglais Overall Equipment Effectiveness et en abrégé OEE, évalue la disponibilité, la performance et la qualité d'une installation de production. Pour les installations de mélange de poudres, ces trois facteurs ne dépendent pas uniquement du temps de mélange. L'alimentation, le dosage, la vidange, le changement de produit, le nettoyage, la maintenance, le flux de matière, la gestion des recettes et la qualité des matières premières utilisées sont tout aussi pertinents. amixon® peut aider les exploitants, grâce à une construction d'appareil adaptée au produit, une automatisation spécifique au projet, des essais en halle d'essais et des prestations de service, à améliorer ces facteurs d'influence et à évaluer de façon solide les potentiels d'OEE.
La disponibilité d'une installation de mélange peut être favorisée par des caractéristiques constructives faciles à entretenir. Sur de nombreux mélangeurs amixon®, l'outil de mélange est monté au-dessus de la chambre de mélange. Cela supprime un passage d'arbre inférieur avec un joint supplémentaire en contact avec le produit. Une vitesse de rotation comparativement basse et un nombre réduit de composants soumis à l'usure peuvent diminuer l'effort de maintenance. La durée de vie réelle dépend toutefois du produit, du mode d'exploitation, du procédé de nettoyage, de la sollicitation et de la stratégie de maintenance. Des inspections régulières et une maintenance préventive aident à réaliser les travaux de maintenance de façon planifiable et à réduire les arrêts imprévus.
Selon ses propres indications, amixon® propose également, sur demande, un soutien pour la maintenance orientée état ou prévisionnelle, en anglais Predictive Maintenance. Cela nécessite des données d'exploitation et d'état appropriées, par exemple les durées de fonctionnement, les cycles de commutation, les courbes de couple, le courant moteur, la température ou les vibrations. Ces données permettent de détecter d'éventuels changements dans l'état de l'installation. Un concept efficace nécessite, outre les données de mesure, des limites d'alarme et d'évaluation claires ainsi que des mesures définies en cas d'anomalies. Selon ses propres indications, amixon® tient à disposition une grande partie des pièces de rechange à Paderborn, propose un approvisionnement en pièces de rechange à vie et peut mettre à disposition de l'exploitant certaines pièces d'usure sélectionnées dès la première livraison.
Pour l'indicateur de performance de l'OEE, le temps de charge complet est déterminant. Selon le procédé, celui-ci comprend non seulement le mélange, mais aussi le dosage, le remplissage, la vidange, le changement de produit et le nettoyage. Les systèmes de mélange amixon® peuvent contribuer à raccourcir certaines de ces étapes. Le mélangeur vertical type HM génère des flux de mélange superposés, qui peuvent favoriser un brassage intense et en même temps ménageant pour le produit. Le mélangeur KoneSlid® type KS peut, pour certaines applications, permettre des temps de mélange courts et une vidange rapide. Les indications relatives à une qualité de mélange atteinte après 20 à 30 tours sont toutefois toujours des résultats d'essais liés au produit et à l'application. Elles ne doivent pas être comprises comme une garantie générale valable pour toutes les poudres, tous les taux de remplissage et toutes les recettes.
La vidange influence elle aussi l'OEE, car elle détermine en partie le temps de cycle, le rendement produit, l'effort de nettoyage et le changement de produit. Le mélangeur KoneSlid® type KS peut, selon le produit et l'exécution de l'appareil, être vidangé en quelques secondes. La technologie ComDisc® favorise l'évacuation des quantités de produit restantes vers la sortie. Selon les indications d'amixon®, cela permet d'atteindre, selon le produit et l'application, des taux de vidange élevés allant jusqu'à environ 99,99 pour cent. Une vidange aussi complète que possible peut réduire les pertes de produit, simplifier le nettoyage et diminuer le risque de contamination croisée lors du changement de produit. La vidange résiduelle réellement réalisable devrait être vérifiée avec le produit concret.
Le temps de changement de produit est déterminé non seulement par la mécanique du mélangeur, mais aussi par la stratégie de nettoyage, la séquence des produits, le concept hygiénique, la disponibilité du personnel et les processus de validation. Une chambre de mélange bien accessible, conçue pour faciliter le nettoyage et à espaces morts réduits, peut faciliter le nettoyage manuel, l'inspection et la maintenance. Des lances de lavage ainsi que le Cleaning in Place, en abrégé CIP, ou le Wet in Place, en abrégé WIP, peuvent être prévus selon le projet. Le CIP désigne le nettoyage de parties d'installation en place, sans démontage important. Le WIP décrit un nettoyage humide dans l'installation en place, qui peut s'effectuer, selon le concept, de façon manuelle ou semi-automatisée. La durée et l'efficacité réelles du nettoyage doivent être définies spécifiquement par l'exploitant pour le produit, la salissure, l'agent de nettoyage et le procédé, et validées le cas échéant.
Avec le mélangeur conteneur type COM, le mélange, le transport des conteneurs, le nettoyage et le remplissage peuvent être découplés dans l'espace ou dans le temps. La station de mélange centrale peut ainsi continuer à être utilisée pendant la préparation ou le nettoyage d'autres conteneurs. Le temps de nettoyage ne bloque toutefois pas automatiquement la capacité de mélange. L'effet réel dépend du nombre de conteneurs disponibles, de la logistique des conteneurs, des stations de nettoyage, du changement de produit, des libérations qualité et des étapes de procédé en aval.
La composante qualité de l'OEE est influencée, entre autres, par la qualité de mélange, la conformité à la recette, la précision de dosage, le rendement produit et le nombre de remixages ou de charges rebutées. Un dimensionnement d'appareil approprié peut contribuer à obtenir une qualité de mélange élevée et reproductible dans une plage de fonctionnement définie. La qualité de mélange n'est toutefois pas garantie de façon générale sur une plage de taux de remplissage de 10 à 100 pour cent. Elle doit être vérifiée pour chaque recette en tenant compte de la granulométrie, des différences de densité, de l'humidité, de l'ordre de dosage, de la taille des charges et des paramètres de procédé.
Les recettes peuvent être enregistrées dans un automate programmable industriel, en abrégé API. Un API est un ordinateur industriel destiné à la commande de machines et de procédés. La gestion des recettes peut aider à appliquer de façon reproductible les temps de mélange, les vitesses de rotation, les ordres de dosage et d'autres paramètres de procédé validés. L'identification des matières et des charges par code-barres, ainsi qu'une connexion à un système de planification des ressources de l'entreprise, en abrégé système ERP, peuvent soutenir la traçabilité. Un système ERP est un logiciel d'entreprise destiné à la planification et à la gestion des ressources, des commandes, des matières et des processus commerciaux. Pour que les écarts puissent être détectés et évalués de façon fiable, le modèle de données, les horodatages, les droits d'utilisateur, la gestion des alarmes, l'intégrité des données et la gestion des pannes de communication doivent être clairement réglementés.
Pour le mélangeur continu type AMK, amixon® décrit un fonctionnement contrôlé au démarrage et à l'arrêt. Les doseurs gravimétriques démarrent d'abord ensemble avec un faible débit massique et sont coordonnés entre eux. Le taux de remplissage augmente ; l'évacuation n'est ouverte que lorsqu'un état de fonctionnement défini est atteint. À la fin, les débits de dosage sont réduits de façon contrôlée et le mélangeur est vidangé. Ce procédé peut réduire les pertes au démarrage et à l'arrêt. La question de savoir si cela permet d'éviter des produits hors spécification, en anglais off specification ou en abrégé off-spec, dépend de la recette concrète, de la stabilité du dosage, des propriétés des matières premières, de la régulation et des critères de qualité.
Des évaluations OEE solides ne devraient pas reposer sur des hypothèses générales. Des temps théoriques et réels spécifiques au produit pour l'alimentation, le dosage, le mélange, la vidange, le nettoyage et le changement de produit sont nécessaires. amixon® peut étudier et documenter ces étapes de procédé en halle d'essais avec le produit d'origine. De tels résultats peuvent fournir une base solide pour le dimensionnement de l'appareil, la définition de temps théoriques provisoires et la comparaison avec une installation existante. La transposabilité à la taille cible doit alors être vérifiée en fonction du produit, du taux de remplissage, de la géométrie, de l'outil de mélange, du flux de matière et des exigences de procédé. Les essais en halle d'essais réduisent les risques avant l'investissement, mais ne remplacent pas la réception des performances lors de l'exploitation de production ultérieure.
Dans des environnements de production réglementés, amixon® peut fournir des documents pertinents pour la qualification et soutenir l'exploitant lors de la Design Qualification, en abrégé DQ, de l'Installation Qualification, en abrégé IQ, et de l'Operational Qualification, en abrégé OQ. La DQ documente que la conception d'installation prévue satisfait aux exigences définies. L'IQ confirme l'installation conforme. L'OQ démontre que l'installation fonctionne correctement dans la plage de fonctionnement définie. Le point de départ est la User Requirement Specification, en abrégé URS, c'est-à-dire le cahier des charges documenté de l'exploitant.
L'installation peut être conçue en fonction d'exigences spécifiques au projet telles que les bonnes pratiques de fabrication (Good Manufacturing Practice, en abrégé GMP), ATEX, EHEDG, les exigences de la FDA, les normes 3-A Sanitary ou l'ASME. GMP signifie bonnes pratiques de fabrication et décrit les exigences relatives à des procédés de fabrication contrôlés. ATEX désigne les réglementations européennes relatives aux appareils et systèmes de protection destinés à être utilisés en atmosphères explosibles. EHEDG signifie European Hygienic Engineering and Design Group et publie des lignes directrices pour la conception hygiénique des installations. La Food and Drug Administration, en abrégé FDA, est l'autorité américaine chargée des médicaments, des denrées alimentaires et d'autres produits réglementés. ASME signifie American Society of Mechanical Engineers et développe entre autres des normes techniques pour les appareils à pression et les composants d'installation. L'évaluation des exigences réglementaires, la validation du procédé et du nettoyage ainsi que la validation des systèmes électroniques, y compris le 21 CFR Part 11, restent à la charge de l'exploitant.
Selon ses propres indications, amixon® développe et fabrique sur son site de Paderborn. Une fabrication centralisée et un contrôle qualité documenté peuvent soutenir la traçabilité des spécifications techniques, la mise à disposition de documents pertinents pour la qualification et l'approvisionnement en pièces de rechange à long terme. La refabrication à long terme de composants individuels dépend, outre des documents techniques existants, également de la disponibilité de matériaux appropriés, de pièces d'achat, ainsi que des exigences de sécurité et réglementaires respectivement en vigueur.
Résumé
amixon® peut soutenir l'OEE des installations de mélange de poudres grâce à une construction facile à entretenir, des systèmes de mélange et d'évacuation adaptés, une conception hygiénique orientée nettoyage, une gestion des recettes, une traçabilité des charges et des essais en halle d'essais documentés. Des temps déterminés de façon spécifique au produit pour le mélange, la vidange, le nettoyage et le changement de produit, ainsi qu'une saisie claire des arrêts, des reprises et des pertes de qualité sont déterminants. L'OEE réellement atteignable dépend toujours de l'interaction entre le dimensionnement de l'appareil, le produit et la recette, la qualité des matières premières, la planification de la production, le nettoyage, la maintenance, l'exploitation et l'assurance qualité.