Quali dati sono necessari per pianificare l'integrazione di un impianto in linee esistenti (carico, dosaggio, scarico)?
Per l'integrazione di un nuovo impianto di miscelazione o di ulteriori componenti in una linea di produzione esistente è necessaria una base dati completa e coordinata. Essa deve coprire il flusso di materiale dal carico e dal dosaggio, attraverso il processo di miscelazione, fino allo scarico, e al tempo stesso tenere conto delle interfacce meccaniche, di processo, elettriche, di controllo, di sicurezza e degli impianti ausiliari. L'obiettivo è un impianto tecnicamente adeguato, gestibile in sicurezza, che raggiunga la prestazione richiesta e che si integri nell'esistente senza rilavorazioni non pianificate.
All'inizio ci sono i dati di processo e di materiale. Tra questi rientrano densità apparente, distribuzione granulometrica, umidità, comportamento di scorrimento, coesione, abrasività, temperatura ed eventuale tendenza alla segregazione. Per le polveri sono particolarmente importanti il comportamento allo scarico, la trasportabilità, la formazione di ponti, lo sviluppo di polvere e la sensibilità alla sollecitazione meccanica. Devono inoltre essere documentate le proprietà chimiche e rilevanti per la sicurezza, quali corrosività, reattività, tossicità, i parametri caratteristici di esplosione, nonché eventuali requisiti igienici o normativi. Se può presentarsi un'atmosfera esplosiva, la classificazione delle zone, le caratteristiche di polvere, gas, vapore o nebbia, nonché i requisiti che ne derivano per apparecchi e sistemi di protezione, devono essere chiariti fin dall'inizio. La direttiva prodotti ATEX 2014/34/UE riguarda apparecchi e sistemi di protezione destinati a essere utilizzati in atmosfera potenzialmente esplosiva; la direttiva 1999/92/CE disciplina i requisiti minimi per la sicurezza e la salute dei lavoratori nelle aree a rischio di esplosione.
Sono altrettanto necessari i dati su portata, capacità e tempistiche. Tra questi rientrano le portate massiche o volumetriche minime, nominali e massime, le dimensioni di lotto, i cicli di produzione, i tempi di ciclo, gli orari di esercizio previsti, la disponibilità attesa e l'OEE desiderata. Deve essere definito in modo univoco se l'impianto funziona in continuo, in discontinuo o a campagne. Per le operazioni di dosaggio sono rilevanti la precisione richiesta, la ripetibilità, gli scostamenti ammessi, il tipo di dosaggio, nonché i requisiti di verifica e taratura. Devono inoltre essere noti il numero di ricette, la frequenza dei cambi di prodotto, la strategia di pulizia, i criteri di rilascio, i concetti di risciacquo e svuotamento, nonché eventuali rischi di contaminazione crociata.
Per la pianificazione meccanica sono necessari documenti aggiornati dello stato di fatto. Idealmente sono disponibili dati CAD 2D e 3D, planimetrie, sezioni, quote di livello e documentazione fotografica dell'impianto esistente. Determinanti sono gli spazi effettivamente disponibili per il montaggio e la manutenzione, le altezze dei soffitti, i percorsi di trasporto e montaggio, le possibilità di sollevamento con gru o paranco, le vie di soccorso, le vie di fuga e i vincoli di ingombro esistenti. In un rilievo dello stato di fatto questi dati dovrebbero essere verificati in loco, perché i disegni più datati spesso non corrispondono più completamente alle condizioni reali dell'impianto.
Nei punti di consegna tra il nuovo componente e le apparecchiature esistenti le geometrie di collegamento devono essere rilevate con precisione. Tra queste rientrano diametri delle tubazioni e diametri nominali, tipi di flange e cerchi forati, altezze di consegna, posizioni di montaggio, angoli di inclinazione, tratti di caduta, geometrie di scivoli e tramogge, nonché le direzioni di collegamento disponibili. Nei trasferimenti di materiale basati sulla gravità, i dislivelli necessari e le proprietà di flusso effettive del prodotto devono essere valutati congiuntamente. Per il collegamento a sistemi di trasporto meccanici o pneumatici occorre considerare altezza e percorso di trasporto, potenza di trasporto, velocità del nastro, livello di pressione o vuoto, tracciato delle tubazioni, effetti di contropressione e volumi di accumulo disponibili.
Anche i carichi statici e dinamici devono essere verificati fin dall'inizio. Sono necessari dati sulla portata di pavimento, fondazione, piattaforma, carpenteria metallica e sospensioni. Oltre al peso proprio del nuovo impianto, devono essere considerati le masse di prodotto, i riempimenti di fluidi, i carichi di manutenzione, le vibrazioni, i momenti di avviamento, i colpi di pressione ed eventuali forze provenienti dalle tubazioni. In presenza di apparecchiature soggette a vibrazioni o di tecnica di pesatura sensibile, dovrebbero inoltre essere valutate le trasmissioni di vibrazioni da impianti adiacenti, possibili risonanze e misure di disaccoppiamento. Anche i limiti richiesti per rumore, polvere e altre emissioni dovrebbero confluire nella pianificazione.
L'integrazione elettrica e di controllo richiede una descrizione completa dell'infrastruttura esistente. Tra questi rientrano i livelli di tensione disponibili, la frequenza, la potenza di cortocircuito, la potenza allacciata, la protezione, il tipo di rete, la messa a terra, l'equipotenzialità e le riserve libere nei quadri elettrici e nei percorsi cavi. Per l'integrazione del controllo devono essere noti marca e versione del PLC (controllore logico programmabile), il sistema di supervisione, l'ambiente SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) o DCS, la visualizzazione, l'architettura di rete, i bus di campo esistenti e i protocolli di comunicazione. Interfacce tipiche possono essere PROFINET, PROFIBUS (Process Field Bus), EtherCAT, Modbus TCP o OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture). La pianificazione richiede inoltre elenchi completi dei segnali digitali e analogici, liste dei punti dati, valori obiettivo ed effettivi, messaggi di allarme e diagnostica, nonché requisiti per historian, MES (Manufacturing Execution System), ERP (Enterprise Resource Planning), documentazione di lotto e tracciabilità.
Particolarmente importante è una logica di interfaccia definita in modo univoco. Per carico, dosaggio e scarico devono essere stabiliti stati di esercizio, abilitazioni, interblocchi e messaggi di errore. Segnali tipici sono ad esempio «pronto per il carico», «dosaggio abilitato», «contenitore pieno», «scarico attivo», «impianto a valle pronto a ricevere», «guasto» o «arresto di emergenza attivo». Questi segnali devono essere documentati con direzione, priorità, comportamento temporale e responsabilità chiaramente definiti. Va inoltre stabilito quale impianto, in caso di guasto o di interruzione della comunicazione, passa in uno stato sicuro e come avviene il riavvio.
Per la sicurezza funzionale devono essere rilevati le catene di arresto di emergenza esistenti, i sensori di sicurezza, le porte di protezione, le zone di sicurezza, i controlli di sicurezza, nonché i livelli di sicurezza richiesti. A seconda della valutazione dei rischi possono essere rilevanti il Performance Level o il Safety Integrity Level. Il nuovo componente non deve compromettere la funzione di sicurezza esistente e deve essere integrato correttamente nell'architettura di sicurezza dell'intero impianto. In presenza di controlli in rete e di accessi ai dati, dovrebbero essere considerati anche i requisiti di cybersicurezza industriale. La norma IEC 62443-3-2 descrive a tal fine un approccio basato sul rischio, in cui i sistemi di automazione e controllo industriale vengono suddivisi in zone e conduit, i rischi vengono valutati e vengono definiti i livelli di sicurezza obiettivo.
Tra i dati di alimentazione necessari rientrano aria compressa, acqua, vapore, fluidi di raffreddamento e riscaldamento, vuoto, gas inerti, aria di scarico, abbattimento polveri ed eventualmente acque reflue. Per ogni tipo di fluido ausiliario devono essere noti non solo la posizione di allacciamento e il diametro nominale, ma anche pressione, temperatura, portata volumetrica, qualità, disponibilità e oscillazioni ammesse. Per l'aria compressa sono rilevanti, ad esempio, pressione, consumo di punta, qualità dell'aria e sezioni delle tubazioni esistenti. Per gli impianti centralizzati di aspirazione e abbattimento polveri devono essere valutati portata volumetrica, depressione disponibile, concetto di filtrazione, carico di polvere, protezione antideflagrante, concetto di ricircolo dell'aria e l'effetto sul bilancio di pressione ambientale. Se è necessaria l'inertizzazione, devono essere definiti tipo di gas, purezza, livello di pressione, consumo, monitoraggio e misure di sicurezza.
Anche le condizioni di esercizio e ambientali influenzano la pianificazione dell'integrazione. Tra queste rientrano temperatura ambiente, umidità dell'aria, carico di polvere, rischi di condensazione o formazione di ghiaccio, zone a camera bianca o igieniche, zone Ex, valori di emissione ammessi e requisiti locali di sicurezza sul lavoro. Il modello di turni, le finestre di manutenzione, la pianificazione della produzione e gli obiettivi di disponibilità attesi determinano come possono essere organizzati montaggio, avviamento, fasi di test e successive manutenzioni.
Le fasi di processo a monte e a valle devono essere considerate come sistema complessivo. Per il carico sono importanti i volumi di stoccaggio, le capacità di buffer, i cicli di rabbocco, il tipo di fornitura delle materie prime, la tecnica di trasporto, i limiti di livello e le logiche di arresto. Per il dosaggio devono essere note la tecnica di pesatura, la gestione delle ricette, i protocolli di dosaggio, i concetti di taratura, i tempi di reazione e le tolleranze. Per lo scarico devono essere definiti chiaramente le fasi di lavorazione successive, la capacità di ricezione, i buffer, il comportamento di contropressione, lo svuotamento di emergenza e i requisiti per consegne continue o a lotti. Spesso i problemi di integrazione non nascono nella nuova macchina in sé, ma in transizioni mal coordinate tra carico, dosaggio, miscelatore, tecnica di trasporto e confezionamento.
I requisiti normativi, regolamentari e documentali dovrebbero essere definiti già all'inizio del progetto. A seconda dell'applicazione rientrano tra questi la normativa macchine attualmente vigente, ATEX, la normativa sulle attrezzature a pressione, le GMP, EHEDG, le disposizioni della legislazione alimentare, i requisiti edilizi e ambientali locali, nonché gli standard aziendali. Per le macchine nuove, fino al 19 gennaio 2027 continua fondamentalmente ad applicarsi la direttiva macchine 2006/42/CE; il regolamento macchine europeo 2023/1230 è generalmente applicabile a partire dal 20 gennaio 2027. Schemi P&I aggiornati, descrizioni funzionali, schemi elettrici, documenti E-CAD, analisi dei rischi, istruzioni operative, cronologie di manutenzione, protocolli dei guasti e punti deboli noti della linea esistente sono documenti di pianificazione preziosi. Mostrano non solo lo stato nominale, ma anche i rischi operativi effettivi e i colli di bottiglia ricorrenti.
Un ruolo centrale è svolto dai battery limits chiaramente definiti. Essi stabiliscono in quali punti termina la responsabilità dell'impianto esistente e inizia quella del fornitore o dell'integratore del nuovo componente. I battery limits comprendono i punti di transizione meccanici come flange, tubazioni, organi di trasporto, collegamenti di carpenteria metallica e fondazione. Riguardano inoltre gli allacciamenti dei fluidi ausiliari per corrente, aria compressa, acqua, vapore, raffreddamento, gas inerte, aria di scarico e acque reflue, nonché le interfacce di controllo, di sicurezza e dati. I battery limits non dovrebbero essere solo indicati in un disegno, ma descritti in un elenco vincolante delle interfacce. In esso dovrebbero essere definiti, per ogni punto di consegna, proprietario, fornitura, dati tecnici, ambito delle verifiche, rilasci, responsabilità di montaggio e criteri di collaudo.
Battery limits non chiari portano spesso a lacune nella progettazione delle tubazioni, nella carpenteria metallica, nel cablaggio, nella logica di controllo, nelle misure di protezione e nella messa in servizio. Ne derivano supplementi, slittamenti dei termini, ripianificazioni evitabili e conflitti alle interfacce. Un rilievo tempestivo dello stato di fatto, uno schema P&I concordato, una matrice tecnica delle interfacce, nonché un riesame congiunto con produzione, manutenzione, automazione, sicurezza sul lavoro, assicurazione qualità e fornitori esterni sono quindi determinanti per un'integrazione dell'impianto sicura ed efficiente.
Così amixon® integra dosaggio, scarico e periferia sul miscelatore di polveri
Un'integrazione dell'impianto sicura e performante inizia con una definizione chiara dei punti di consegna tra carico, dosaggio, miscelatore, scarico e lavorazione a valle. La base è costituita dalla User Requirement Specification del gestore, nonché da dati completi su prodotto, portata, dimensione del lotto, ricetta, flusso di materiale, allacciamenti esistenti, condizioni di installazione, controllo e alimentazione dei fluidi ausiliari. In questo contesto va definito quali componenti fornisce amixon®, quali apparecchiature provengono dal gestore o da altri fornitori e come vengono realizzate le interfacce meccaniche, elettriche, pneumatiche e di controllo.
Sul lato scarico, l'organo di scarico, il tempo di svuotamento, lo svuotamento residuo e il trasporto a valle influenzano in modo determinante la prestazione complessiva della linea. La valvola DosiFlap® di amixon® può chiudere il vano di miscelazione con ridotta presenza di spazi morti e supportare un'erogazione dosata del prodotto. A seconda del prodotto e dell'esecuzione, può essere impiegata per il riempimento diretto di contenitori, big bag o fasi di processo a valle. Se sia possibile un dosaggio sufficientemente preciso tramite il solo organo di scarico dipende dalla scorrevolezza del prodotto, dalla densità apparente, dalla quantità scaricata, dalla tolleranza di dosaggio, dal concetto di pesatura e dalla riproducibilità desiderata. Per processi di riempimento omologabili o particolarmente precisi è di norma necessario un sistema di pesatura dedicato.
In alternativa possono essere previsti raccordi normalizzati con valvole a farfalla, sistemi a valvola o valvole a segmento sferico resistenti al vuoto e alla pressione. È determinante che l'organo di scarico scelto sia adatto al prodotto, all'esercizio in pressione o sottovuoto, ai requisiti di contenimento, alla strategia di pulizia e alla geometria di collegamento dell'impianto a valle. amixon® descrive DosiFlap® come un organo di scarico a tenuta con ridotta presenza di spazi morti; per determinate applicazioni sono possibili svuotamenti rapidi e una suddivisione dello scarico su più contenitori.
La tecnologia ComDisc® può supportare lo svuotamento convogliando verso lo scarico i residui di prodotto rimasti al termine dello scarico. Ciò può aumentare la resa di prodotto, facilitare i cambi di prodotto e ridurre l'onere di pulizia. Secondo quanto indicato da amixon®, a seconda del prodotto e dell'applicazione sono raggiungibili gradi di svuotamento fino a circa il 99,98 per cento. Il grado di svuotamento residuo effettivamente ottenibile deve tuttavia essere verificato con il rispettivo prodotto, poiché dipende da dimensione delle particelle, umidità, tendenza all'adesione, densità apparente, quantità di prodotto e geometria dell'apparecchio.
Per la pianificazione del carico devono essere noti tipo e proprietà delle materie prime, numero di componenti, tecnica di trasporto, serbatoi di stoccaggio, capacità di buffer, sistemi di pesatura e precisioni di dosaggio. Dati rilevanti sono tra l'altro densità apparente, comportamento di scorrimento, coesione, umidità, distribuzione granulometrica, sviluppo di polvere, abrasività ed eventuale tendenza alla segregazione. Sono inoltre necessarie indicazioni su portate massiche minime, nominali e massime, dimensioni di lotto, tempi di rabbocco e cambi di ricetta. Queste informazioni determinano se il carico debba avvenire, ad esempio, tramite silos, svuotamento sacchi, stazioni per big bag, coclee di trasporto, trasporto pneumatico o dosatori gravimetrici.
In un processo di miscelazione continuo, dosaggio, miscelatore e scarico devono essere pianificati come un sistema di regolazione unico e coerente. Il miscelatore continuo amixon® tipo AMK illustra questo principio: i dosatori gravimetrici vengono avviati contemporaneamente all'inizio con una portata massica ridotta e coordinati tra loro. Il grado di riempimento aumenta inizialmente; l'azionamento del miscelatore si avvia a circa metà del riempimento. Dopo che i dosatori hanno raggiunto il loro punto di lavoro stazionario ed è presente il grado di riempimento desiderato, l'organo di scarico si apre gradualmente. Nella modalità operativa descritta, il grado di riempimento viene mantenuto costante intorno all'80 per cento del volume utile, mentre i flussi di dosaggio vengono aumentati in modo regolato fino alla portata massica prevista.
Questo esempio mostra che il dimensionamento di un impianto continuo non si esaurisce con la scelta dei singoli componenti. Sono necessarie una logica di controllo coordinata, misurazioni affidabili dei flussi di dosaggio, stati di esercizio definiti, buffer sufficienti e una regolazione chiara per avviamento, esercizio normale, guasto, cambio prodotto e arresto. Le indicazioni relative all'assenza di perdite in avviamento o a fine produzione dipendono dall'applicazione e dovrebbero essere valutate per la ricetta concreta, la precisione di dosaggio e la conduzione del processo. amixon® descrive per l'AMK un processo di avviamento e arresto controllato, volto a ridurre le perdite di prodotto.
Negli impianti a lotti vanno chiarite questioni di interfaccia analoghe. Tra queste rientrano la pesatura della ricetta, l'ordine delle aggiunte, l'abilitazione del carico, l'avvio della miscelazione, il campionamento, l'abilitazione allo scarico e la consegna all'impianto a valle. Per ogni interfaccia dovrebbero essere definiti segnali di handshake, interblocchi, reazioni agli errori, tempi di attesa massimi e condizioni di riavvio. Segnali tipici sono ad esempio «miscelatore pronto a ricevere», «dosaggio abilitato», «lotto completo», «scarico abilitato», «impianto a valle pronto a ricevere», «guasto» e «arresto di emergenza attivo».
I miscelatori a esecuzione verticale possono facilitare l'inserimento in linee esistenti, perché il carico dall'alto e lo scarico verso il basso seguono spesso il principio della gravità. Devono comunque essere verificati i rapporti di altezza effettivi, i punti di consegna, gli angoli della tramoggia, i percorsi delle tubazioni, i tratti di caduta necessari e le proprietà di flusso del prodotto. Una struttura apparecchiativa compatta non significa automaticamente che vi sia spazio sufficiente per tecnica di trasporto, filtri, dosatori, accessi di manutenzione, allacciamenti di pulizia e montaggio. Per una pianificazione solida sono necessari disegni di installazione aggiornati, dati 3D o un rilievo preciso in loco.
L'automazione collega pesatura, processo di miscelazione, scarico e documentazione di lotto. I programmi di miscelazione possono essere memorizzati in un PLC ed eseguiti per ogni lotto con tempi di miscelazione, velocità, sequenze di dosaggio e ulteriori parametri di processo definiti. Un collegamento a sistemi ERP, MES o di supervisione, nonché l'integrazione di lettori di codici a barre, può essere previsto in modo specifico per progetto. Ciò consente di collegare in modo tracciabile materie prime, versioni di ricetta, lotti e parametri di processo. Per le valutazioni OEE sono inoltre necessari timestamp precisi per carico, dosaggio, miscelazione, svuotamento, pulizia, fermi e cambio prodotto.
Se l'integrazione dell'impianto raggiunga la prestazione desiderata non dovrebbe essere valutato solo sulla base dei dati costruttivi. Prove nel centro prove con il prodotto originale possono contribuire a valutare in anticipo qualità di miscelazione, dosabilità, comportamento di svuotamento, scorrevolezza, apporto energetico ed eventuali requisiti di pulizia. I risultati sono utili per il dimensionamento di miscelatori, organi di dosaggio, percorsi di scarico e parametri di processo provvisori. La valutazione finale della prestazione avviene tuttavia nell'interazione con la reale linea di carico, dosaggio e scarico presso il gestore.
In ambienti regolamentati amixon® può fornire documentazione rilevante per la qualificazione e supportare DQ, IQ e OQ. Tra questi possono rientrare certificati dei materiali, indicazioni sulle superfici, documentazione di saldatura, protocolli di prova e documenti relativi ai componenti a contatto con il prodotto. L'esecuzione tecnica può essere adattata a requisiti specifici di progetto quali hygienic design conforme alle GMP, ATEX, EHEDG, requisiti FDA, 3-A Sanitary Standards o ASME. La responsabilità finale per la valutazione normativa, la validazione di processo, la validazione della pulizia e la validazione dei sistemi elettronici rimane in capo al gestore.
amixon® sviluppa e produce, secondo quanto indicato dall'azienda, presso la sede di Paderborn e accompagna gli impianti lungo il loro ciclo di vita con fornitura di ricambi, manutenzione, ammodernamento e retrofit. Per un'integrazione affidabile nel lungo periodo sono determinanti una documentazione univoca dei componenti, una strategia dei ricambi definita, un software di controllo controllato e documenti delle interfacce solidi. Particolarmente utile è una matrice vincolante delle interfacce che stabilisca, per ogni consegna meccanica, dei fluidi ausiliari, elettrica e informatica, chi fornisce, chi monta, chi verifica e chi assume la responsabilità.