Existe-t-il des mélangeurs industriels avec gestion intégrée des recettes et saisie des données de procédé selon les standards Industrie 4.0 ?
Oui. Les mélangeurs industriels modernes peuvent être équipés d'une gestion des recettes intégrée, d'une saisie des données de procédé et d'interfaces normalisées. La question de savoir si un système remplit effectivement les fonctions Industrie 4.0 souhaitées dépend toutefois de l'architecture d'automatisation concrète, des interfaces, des modèles de données, des mesures de sécurité et de l'intégration dans le paysage IT et OT existant.
La gestion des recettes est typiquement mise en œuvre dans un automate programmable industriel (API) avec une interface homme-machine (IHM) ou un PC industriel raccordés. Elle peut exécuter de manière contrôlée les étapes de procédé d'une charge, par exemple le dosage, le remplissage, le mélange, la mise en température, le maintien, la vidange et le nettoyage. Dans de nombreuses applications, la structuration des procédés par charges s'oriente sur la norme ISA-88 ou la CEI 61512. La norme prend en charge la séparation entre, d'une part, les informations liées au produit et au procédé et, d'autre part, les capacités liées à l'installation. Cela permet de gérer de manière structurée les recettes, les plages de paramètres admissibles, les ordres d'ajout, les temps de mélange, les vitesses de rotation, les profils de température et les tailles de charge, sans que chaque adaptation nécessite forcément une modification du programme de l'automate.
Dans la pratique, la recette générale, la recette de site, la recette maître et la recette de conduite peuvent représenter différents niveaux de la gestion des recettes. La recette générale décrit la logique de fabrication générale d'un produit. La recette de site complète les prescriptions spécifiques au site. La recette maître précise la fabrication pour une installation ou un environnement de production définis, tandis que la recette de conduite contient les informations de commande nécessaires à l'exécution effective de la charge. Les niveaux effectivement mis en œuvre dépendent de la complexité, du modèle de production et du paysage système existant.
Une gestion des recettes devrait protéger les versions de recette libérées, documenter les modifications de manière traçable et limiter l'accès aux fonctions ainsi qu'aux paramètres selon une approche basée sur le risque. Des systèmes à code-barres ou RFID (Radio-Frequency Identification) peuvent identifier les matières premières, les contenants, les charges et les recettes, réduisant ainsi le risque de confusion. Une connexion directe à un MES (Manufacturing Execution System) peut permettre que les ordres de fabrication, les libérations de recettes, les informations sur les matières et les données de charge soient transmis automatiquement. Il est déterminant que la transmission des données, l'affectation des identifications et la gestion des exceptions soient clairement définies.
La saisie des données de procédé comprend généralement les données de mesure et d'événements pertinentes issues du processus de mélange. En font partie par exemple la vitesse de rotation, le couple, le courant moteur, la température, la pression, le vide, le niveau de remplissage, la masse, l'humidité, les vibrations, les positions de vannes, les états de fonctionnement, les alarmes et les horodatages des différentes phases de procédé. Le choix des données devrait s'orienter sur les paramètres de procédé critiques, les exigences de qualité, le concept de maintenance et l'objectif d'analyse visé. Toute grandeur mesurable disponible ne génère pas automatiquement une utilité ; une quantité trop importante de données non contextualisées peut même compliquer les évaluations.
Pour la traçabilité, les séries temporelles et les événements doivent être reliés à un ID de charge (batch ID) univoque, à un ID produit, à une version de recette, à un identifiant d'installation et à une phase de procédé. On peut ainsi établir quelles matières premières, valeurs de consigne, valeurs réelles, interventions de l'opérateur, alarmes et données de qualité se rapportent à une charge déterminée. Les données peuvent être stockées dans un historian, un MES, un Manufacturing Data Lake ou une autre plateforme de données appropriée. Une synchronisation fiable de l'horodatage, un stockage contrôlé ainsi qu'une provenance des données documentée sont importants.
Pour l'intégration des machines et des systèmes, OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) s'est imposé comme un standard important. Cette architecture permet un échange de données industrielles multifournisseur et structuré sur le plan sémantique. OPC UA peut mettre à disposition des données issues du niveau terrain et du niveau de commande pour des plateformes SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), MES, ERP (Enterprise Resource Planning) ou d'analyse. D'autres protocoles tels que Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP ou MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) peuvent en outre être utilisés. Ces protocoles remplissent toutefois des fonctions différentes : Profinet, EtherNet/IP et Modbus TCP sont souvent utilisés pour la communication au niveau de l'automatisation, tandis qu'OPC UA et MQTT peuvent être particulièrement adaptés à une connexion structurée vers des applications IT, IIoT ou cloud de niveau supérieur. Le choix devrait s'orienter sur le besoin de temps réel, l'interopérabilité, les exigences de sécurité et le modèle de données existant.
L'Edge Computing peut compléter utilement l'architecture de données. Les données y sont prétraitées, filtrées, contrôlées en plausibilité ou agrégées directement sur la machine ou à proximité immédiate de celle-ci. Cela peut décharger les réseaux et les systèmes IT centraux et aide à mettre en mémoire tampon les données pertinentes en cas d'interruptions temporaires de connexion. Il faut en même temps régler quelles données sont conservées en tant que données brutes, quels calculs sont exécutés en périphérie (edge), comment les modifications logicielles sont contrôlées et comment les données sont ensuite transmises de manière complète et correcte aux systèmes de niveau supérieur.
En reliant les données de recette, de charge et de procédé, les mélangeurs industriels peuvent être intégrés dans une chaîne d'information continue, de l'appareil de terrain jusqu'au système ERP en passant par la commande, le SCADA et le MES. Cela permet entre autres de calculer des indicateurs OEE, d'évaluer les temps de cycle et de prioriser les causes d'arrêt. Dans le processus de mélange, les temps de dosage, de remplissage, de mélange, de vidange, de changement de produit et de nettoyage sont particulièrement pertinents. Si ces phases sont saisies avec précision, les goulots d'étranglement et les temps de perte peuvent être analysés de manière différenciée. Cela suppose que les temps planifiés et non planifiés ainsi que les causes d'arrêt respectives soient clairement définis à l'échelle de l'exploitation.
La maintenance conditionnelle ou prédictive peut elle aussi être soutenue par les données de procédé. Les données de tendance relatives au couple, au courant moteur, aux vibrations, à la température, à la durée de fonctionnement et aux cycles de commutation peuvent fournir des indications sur des états de fonctionnement modifiés ou de l'usure. Un concept de maintenance prédictive fiable exige toutefois davantage que la simple collecte de données de capteurs. Il nécessite des points de mesure appropriés, une qualité de données suffisante, des mécanismes de défaillance connus, des seuils d'alerte et d'intervention définis, ainsi qu'un processus de maintenance qui déduit des mesures concrètes des anomalies détectées.
Un jumeau numérique peut être utile pour la conception, la simulation et l'optimisation d'un processus de mélange. Son utilité dépend du degré de maturité du modèle. Un modèle simple peut représenter les recettes, les capacités et les temps de cycle ; un jumeau plus élaboré peut tenir compte des propriétés des matières, de la cinétique de mélange, de l'apport d'énergie ou des effets d'échelle. Une transposition fiable de l'échelle laboratoire à l'échelle de production nécessite dans tous les cas des essais et une vérification liée à l'application, car la géométrie, le taux de remplissage, la sollicitation de cisaillement et les conditions d'écoulement ne peuvent pas être entièrement représentés par un modèle de données général.
L'accès à distance peut faciliter le diagnostic, l'assistance par le fabricant, la maintenance logicielle et la surveillance des performances. Il ne devrait toutefois pas être réalisé sous la forme d'une connexion en permanence ouverte. Pour les systèmes de commande industriels, les lignes directrices de sécurité recommandent une séparation logique et, autant que possible, physique entre les réseaux de production et d'entreprise, des points d'accès clairement documentés et aussi peu nombreux que possible, des règles de pare-feu restrictives ainsi que le principe du moindre privilège. Les accès distants devraient être limités dans le temps, autorisés, chiffrés, journalisés et, si nécessaire, sécurisés en outre par une authentification multifacteur.
La sécurité des données et la conformité nécessitent un concept à plusieurs niveaux. OPC UA peut prendre en charge le chiffrement, la protection de l'intégrité ainsi que l'identification des utilisateurs et des applications. Les canaux sécurisés (Secure Channels) peuvent signer et chiffrer les messages ; pour l'authentification des utilisateurs, OPC UA prend en charge entre autres le nom d'utilisateur et le mot de passe, les certificats X.509 ou les JSON Web Tokens. La sécurité effective dépend toutefois d'une configuration sûre, de la gestion des certificats, de la gestion des utilisateurs, de la gestion des correctifs et des vulnérabilités, de la segmentation réseau ainsi que de la surveillance des systèmes.
Dans les secteurs réglementés comme la pharmacie ou l'agroalimentaire, outre la mise en réseau technique, l'intégrité des données, les concepts d'autorisation, les pistes d'audit, les libérations, la conservation des données et, le cas échéant, la validation des systèmes informatisés doivent également être pris en compte. Lorsque des enregistrements ou des signatures électroniques relèvent des réglementations FDA applicables, les exigences correspondantes du 21 CFR Part 11 doivent être vérifiées et mises en œuvre. Une gestion des recettes intégrée ne signifie donc pas à elle seule automatiquement une conformité BPF ou Part 11. Cette conformité résulte uniquement de l'interaction entre une conception de système appropriée, une évaluation des risques documentée, des fonctions validées, des déroulements de travail contrôlés et un management de la qualité réellement vécu.
Les mélangeurs industriels dotés d'une gestion des recettes et d'une saisie des données de procédé sont utilisés en particulier là où une qualité de produit constante, une traçabilité des charges sans lacune et une transparence de procédé élevée sont requises. En font partie notamment l'industrie chimique, la production pharmaceutique, l'industrie alimentaire et des aliments pour animaux, la transformation des matières plastiques, la production de batteries et de matériaux, ainsi que les fabricants de matériaux de construction minéraux. La conception technique concrète devrait toujours être déduite de la tâche de mélange concernée, du risque pour le produit et l'utilisateur, ainsi que des exigences des systèmes de production et informatiques existants.
Intégration Industrie 4.0 chez amixon® : gestion des recettes, connexion des données et traçabilité
Les mélangeurs amixon® peuvent être livrés avec une commande basée sur automate et une automatisation conçue spécifiquement pour le projet. Des programmes de mélange, ou recettes, peuvent y être enregistrés, permettant d'exécuter de manière contrôlée et reproductible des paramètres de procédé tels que le temps de mélange, la vitesse de rotation, l'ordre de dosage, le profil de température, le taux de remplissage ou d'autres valeurs de consigne spécifiques à l'application. La profondeur fonctionnelle concrète de la gestion des recettes est définie sur la base de la spécification des exigences utilisateur de l'exploitant. Elle dépend notamment du produit, de la complexité du procédé, de l'environnement réglementaire, des systèmes d'automatisation existants et des exigences en matière de documentation des charges.
Une connexion au système ERP de l'exploitant peut être prévue au cas par cas selon le projet. Des scanners de codes-barres peuvent également être intégrés afin d'identifier les matières premières, les contenants, les recettes et les charges, et d'attribuer les données de procédé à une charge univoque. Cela peut permettre de soutenir une documentation continue de la version de recette, du numéro de charge, des valeurs de consigne et réelles, des interventions de l'opérateur ainsi que d'événements de procédé sélectionnés. Une traçabilité fiable suppose que les modèles de données pertinents, les interfaces, les responsabilités et les règles d'exception soient clairement définis dans le projet.
amixon® développe ses appareils sur la base de l'URS respective. Cela concerne, outre la conception mécanique et de procédé, également l'automatisation et la connexion des données. Les données de procédé à saisir sont définies conjointement avec l'exploitant. Selon la tâche de mélange et l'objectif visé, cela peut par exemple inclure le couple, la vitesse de rotation, la température, la pression, le vide, l'humidité, les durées de fonctionnement, les cycles, les niveaux de remplissage, les quantités dosées, les positions de vannes ou les messages d'alarme et d'état. Il est également défini par quelles interfaces les données sont transmises à un système de conduite, un historian, un MES, un système ERP ou une plateforme d'analyse.
Cette approche spécifique au projet peut aider à intégrer l'automatisation dans le paysage système existant de l'exploitant. Ce qui est déterminant n'est pas la simple mise à disposition d'une interface, mais une intégration de données documentée et vérifiée sur le plan fonctionnel. Cela comprend notamment le modèle de données, la qualité des données, l'horodatage, l'affectation des charges, la disponibilité de la communication, le concept de droits d'accès ainsi que la gestion contrôlée des erreurs de transmission et des pannes système.
Dans les secteurs réglementés comme la pharmacie ou l'agroalimentaire, amixon® peut fournir une documentation technique pertinente pour la qualification et soutenir l'exploitant pour la Design Qualification, l'Installation Qualification et l'Operational Qualification. L'exécution technique et la documentation peuvent s'orienter à cet égard sur les exigences BPF spécifiques au projet. Lorsque des enregistrements ou des signatures électroniques sont utilisés dans le champ d'application du 21 CFR Part 11, les droits d'utilisateur, les pistes d'audit, les signatures électroniques, la sauvegarde des données, l'archivage et la disponibilité à long terme des données pertinentes doivent être pris en compte dans le concept de validation de l'exploitant. amixon® peut soutenir les fonctions d'automatisation et les interfaces nécessaires dans le périmètre de projet convenu. La responsabilité de la conformité BPF, de la validation du système global et du respect des exigences réglementaires applicables reste toutefois à l'exploitant.
Les données d'exploitation telles que les durées de fonctionnement, le nombre de charges, les cycles, les courbes de couple, le courant moteur, les alarmes et les causes d'arrêt peuvent constituer une base importante pour la maintenance conditionnelle. Des inspections régulières et une maintenance préventive aident à garantir durablement la disponibilité d'une installation de mélange. amixon® propose également, selon ses propres indications et sur demande, un soutien pour des concepts de maintenance prédictive. La question de savoir si, et dans quelle mesure, cela est judicieux dépend des grandeurs mesurées disponibles, des mécanismes de défaillance typiques, de la qualité des données et de l'intégration dans l'organisation de maintenance de l'exploitant. Les données nécessaires et la conception technique devraient donc être définies dans le cadre de la planification du projet. amixon® mentionne les inspections régulières, la maintenance préventive et, sur demande, la maintenance prédictive comme composantes de son offre de service.
Des caractéristiques constructives telles qu'un outil de mélange monté exclusivement au-dessus de la chambre de mélange et une vitesse de rotation basse peuvent réduire la charge de maintenance et le nombre de points d'étanchéité en contact avec le produit. Elles ne remplacent toutefois pas la maintenance conditionnelle. Une disponibilité élevée de l'installation résulte de l'interaction entre une construction appropriée, une conception adaptée au produit, une conduite conforme aux règles de l'art, une maintenance planifiée, un approvisionnement suffisant en pièces de rechange et une exploitation systématique des données d'exploitation.
amixon® développe et fabrique, selon ses propres indications, sur le site de Paderborn. La fabrication centralisée peut soutenir un contrôle qualité homogène, l'affectation de la documentation technique et la documentation des composants spécifiques au projet. Pour les exploitants, il est particulièrement pertinent que les informations sur les matériaux, les plans, les procès-verbaux de contrôle, les listes de composants et les modifications restent traçables de manière contrôlée. Une refabrication à long terme de certains composants dépend, outre de la documentation technique, également de la disponibilité de matériaux appropriés, de composants achetés et des exigences de sécurité ou réglementaires en vigueur.
Pour la vérification des processus de mélange avant un investissement, plus de 30 appareils d'essai de tailles différentes sont disponibles dans la halle d'essais amixon® du site de Paderborn. Selon les indications de l'entreprise, des halles d'essais complémentaires ou des possibilités d'essai régionales existent aux États-Unis, en Chine, au Japon, en Inde, en Thaïlande et en Corée du Sud. Les essais peuvent être réalisés avec le produit d'origine dans des conditions proches de la réalité. Selon la tâche posée, il est ainsi possible d'examiner la qualité de mélange, le ménagement du produit, l'apport d'énergie, le comportement à la vidange, l'aptitude au nettoyage et la transposabilité à l'échelle de production.
Les essais en halle d'essais fournissent des connaissances importantes pour le choix de l'appareil, la conception du procédé et la définition des premiers paramètres de recette et de procédé. Les résultats peuvent être documentés et évalués conjointement avec l'exploitant. Ils réduisent les risques techniques et économiques avant un investissement, mais ne remplacent pas les réceptions nécessaires, la qualification de l'installation et la validation du procédé dans l'environnement de production ultérieur.
amixon® complète la livraison de l'installation par des prestations de service telles que la maintenance, la modernisation, le rééquipement et l'approvisionnement en pièces de rechange. Selon les indications de l'entreprise, des pièces de rechange sont conservées sur les sites de Paderborn, du Japon et des États-Unis afin de réduire les temps d'arrêt. La disponibilité concrète d'une pièce de rechange déterminée et le délai de livraison devraient être convenus de manière contraignante pour les composants critiques dans le cadre d'une stratégie de pièces de rechange ou d'un contrat de service.