Quali funzioni supportano l'acquisizione dei dati di processo e l'ottimizzazione OEE nei processi di miscelazione?
L'acquisizione dei dati di processo e l'ottimizzazione dell'efficacia complessiva dell'impianto, in inglese Overall Equipment Effectiveness e abbreviata OEE, si basano sull'interazione tra sensoristica adeguata, integrazione dei dati affidabile, definizioni chiare delle perdite e una valutazione coerente. L'OEE è composta da disponibilità, prestazione e qualità. Nei processi di miscelazione questi indicatori devono sempre essere considerati nel contesto del lotto e del prodotto, poiché oltre al tempo di miscelazione vero e proprio anche carico, dosaggio, svuotamento, cambio prodotto, pulizia, campionamento e rilasci influenzano il tempo effettivamente disponibile dell'impianto.
Per l'acquisizione automatizzata dei dati di processo, spesso indicata come PDE, sono necessari punti di misura che rappresentino in modo sensato lo stato del processo, la qualità e lo stato dell'impianto. Tra questi rientrano velocità, coppia, corrente del motore e potenza assorbita dell'azionamento del miscelatore. Questi dati possono fornire indicazioni sul comportamento del prodotto, sul grado di riempimento, sull'attrito, sull'avanzamento della miscelazione o su eventuali incrostazioni. Non sono tuttavia grandezze sostitutive universali della qualità di miscelazione o della viscosità. La loro significatività deve essere verificata per ogni prodotto, ogni ricetta e ogni tipo di miscelatore mediante confronto con dati di qualità idonei.
Sensori di temperatura, pressione, vuoto, livello e umidità aiutano a monitorare in modo affidabile i parametri di processo critici. Quale punto di misura sia necessario dipende dal compito di miscelazione. Nelle polveri igroscopiche l'umidità può essere determinante, nei processi esotermici o nei prodotti sensibili al calore lo è la temperatura, e nei processi chiusi, inertizzati o sottovuoto lo sono pressione e vuoto. I punti di misura non dovrebbero essere presenti solo tecnicamente, ma soddisfare uno scopo chiaro: devono monitorare un parametro di processo rilevante, rendere riconoscibile precocemente uno scostamento o supportare una decisione dimostrabile nel processo.
L'analitica inline, cioè una misurazione direttamente nel flusso di processo o nel contenitore, può migliorare la valutazione di processo e di qualità. A seconda dell'applicazione entrano in gioco, ad esempio, la misurazione spettroscopica inline dell'umidità, misurazioni di conducibilità, misurazioni di particelle o misurazioni di viscosità. Questi metodi possono consentire un riscontro più rapido rispetto a un campionamento di laboratorio puramente manuale. Il loro impiego presuppone tuttavia che punto di misura, taratura, algoritmo di valutazione, manutenzione e gestione dei valori non plausibili siano definiti in modo idoneo allo scopo previsto. Nelle applicazioni regolamentate può essere necessaria a tal fine una qualificazione o validazione del metodo.
Anche il monitoraggio dei dosaggi è centrale. I sistemi gravimetrici dosano in base alla massa, ad esempio tramite celle di carico o bilance dosatrici differenziali. I sistemi volumetrici dosano in base al volume, ad esempio tramite coclee, pompe o volumi di mandata definiti. Per la tracciabilità dei lotti dovrebbero essere rilevati quantità obiettivo ed effettive, lotti di materie prime, timestamp, sequenza di dosaggio ed eventuali correzioni. Ciò facilita l'analisi delle cause quando si presentano scostamenti di qualità, pesature errate o interruzioni di processo.
Misurazioni di vibrazione, temperatura e corrente su motori, cuscinetti, riduttori e guarnizioni possono supportare la manutenzione orientata allo stato. Questo approccio è spesso indicato come Condition Monitoring. Serve a riconoscere precocemente le variazioni nello stato di esercizio. Su questa base può essere sviluppata una manutenzione predittiva, in inglese Predictive Maintenance. Essa utilizza dati storici e schemi di guasto noti per stimare il probabile fabbisogno di manutenzione. Non ogni curva di misura si presta automaticamente a una previsione affidabile dei guasti. Sono presupposti punti di misura idonei, una qualità dei dati sufficiente, meccanismi di usura noti e un processo di manutenzione chiaro che traduca i dati anomali in interventi concreti di verifica o manutenzione.
Per la valutazione dell'OEE, i dati di processo, di evento e di qualità devono essere collegati tra loro in modo univoco dal punto di vista temporale. Sono necessari timestamp precisi per carico, dosaggio, miscelazione, svuotamento, pulizia, cambio prodotto, fermi e riavvio. Particolarmente utile è una rilevazione degli eventi che riconosca automaticamente fermi non pianificati, brevi interruzioni e tempi di attesa, e che venga integrata dall'operatore o dalla manutenzione con cause standardizzate. I fermi dovrebbero essere classificati almeno in pianificati e non pianificati, nonché per cause tecniche, legate al materiale, organizzative e legate alla qualità. Senza una classificazione uniforme, le valutazioni OEE possono sì generare numeri, ma offrono a malapena spunti solidi per il miglioramento.
Le sei grandi tipologie di perdita note come «Six Big Losses» provengono dall'ambito della Total Productive Maintenance, cioè la manutenzione produttiva integrale. Comprendono tipicamente guasti, tempi di attrezzaggio e regolazione, brevi fermi, velocità ridotta, perdite di avviamento e perdite di qualità. Per i processi a lotti queste tipologie di perdita dovrebbero essere adattate al reale svolgimento. Ad esempio, pulizie eccessivamente lunghe, attese per materie prime o rilasci di qualità, rimiscelazioni e svuotamenti ritardati possono essere categorie di perdita più sensate rispetto a una ripresa invariata di un modello proveniente dalla produzione in serie.
Un'architettura dati strutturata fa sì che i dati di misura non restino isolati. Standard di comunicazione e bus di campo standardizzati consentono uno scambio interoperabile di dati strutturati tra controllori, sistemi historian, sistemi di supervisione e applicazioni sovraordinate, ad esempio per trasmissioni dati orientate agli eventi o per il collegamento ad applicazioni Industrial Internet of Things e cloud. Quale interfaccia sia adeguata dipende dal fabbisogno di tempo reale, dall'architettura di automazione esistente, dai requisiti di sicurezza e dal modello dati desiderato.
Un historian è un database specializzato per dati di processo e di evento con timestamp. Consente di memorizzare e valutare valori di misura, stati, allarmi e serie temporali per periodi prolungati. Per i processi a lotti i dati dovrebbero inoltre essere collegati a un Batch-ID, cioè un identificativo di lotto univoco, a un Product-ID, alla versione di ricetta, all'identificativo dell'impianto e alla fase di processo. Lo standard ISA-88, indicato anche come ISA S88 o IEC 61512, descrive modelli e termini per il controllo a lotti. Tra questi rientrano ricette, moduli di impianto, operazioni, fasi e protocolli di lotto. ISA-88 può quindi costituire una base idonea per strutturare in modo uniforme la gestione delle ricette, le fasi di processo e la documentazione di lotto.
Una gestione digitale delle ricette riduce il rischio di errori di immissione manuale e supporta l'esecuzione controllata dei parametri rilasciati. Può gestire, ad esempio, tempo di miscelazione, velocità, profili di temperatura, sequenza di dosaggio, grado di riempimento, quantità obiettivo e passaggi di rilascio. In ambienti regolamentati le ricette dovrebbero essere versionate, protette da modifiche non autorizzate e gestite tramite processi di rilascio definiti. Le modifiche devono essere tracciabili. Se le registrazioni o le firme elettroniche rientrano nell'ambito dei requisiti normativi applicabili, devono inoltre essere considerati i requisiti relativi all'integrità dei dati, agli audit trail ed eventualmente alle firme elettroniche.
Un confronto Golden Batch confronta l'andamento di un lotto attuale con un andamento di riferimento definito di un lotto dimostrabilmente riuscito. Il termine «Golden Batch» non significa in questo caso che un singolo lotto rappresenti necessariamente il riferimento perfetto. Nella pratica un intervallo di riferimento statisticamente consolidato, ricavato da più lotti idonei, è spesso più solido. Gli scostamenti in coppia, temperatura, tempo di dosaggio, durata di miscelazione o altri parametri critici possono così diventare visibili precocemente. Se e come intervenire deve essere stabilito in una strategia di processo chiara, affinché non ogni normale variazione di processo scateni allarmi o interventi dell'operatore non necessari.
Per l'ottimizzazione di processo sono adatti diversi metodi di analisi. Lo Statistical Process Control, abbreviato SPC e in italiano controllo statistico di processo, monitora la stabilità e la dispersione dei parametri di processo importanti su molti lotti. Aiuta a riconoscere tendenze, derive e schemi insoliti prima che vengano superati i limiti definiti. Il Design of Experiments, abbreviato DoE e in italiano progettazione statistica degli esperimenti, esamina sistematicamente come più grandezze in ingresso influenzino congiuntamente un risultato. Con esso è possibile ottimizzare in modo mirato, ad esempio, tempo di miscelazione, velocità, grado di riempimento, sequenza di dosaggio o profilo di temperatura. Un'analisi dati multivariata può essere inoltre utile quando devono essere valutati simultaneamente molti dati di processo e di qualità tra loro correlati.
Un gemello digitale è un modello digitale di un prodotto, di un processo o di un impianto reale. Può presentare configurazioni diverse: da una semplice rappresentazione di ricette, capacità e tempi di attraversamento fino a un modello fisicamente fondato della cinetica di miscelazione, del trasferimento di calore, dell'apporto energetico o delle proprietà delle sostanze. I gemelli digitali possono essere utili nella simulazione di strategie operative, nella pianificazione delle capacità e nella valutazione di possibili modifiche di processo. Non sostituiscono tuttavia le prove con il prodotto effettivo, in particolare quando flussi di particelle, adesioni al prodotto, qualità di miscelazione o comportamento di svuotamento possono essere modellati solo in misura limitata.
La pulizia influenza in modo significativo la disponibilità in molti processi di miscelazione. Cleaning in Place, abbreviato CIP, indica la pulizia di parti dell'impianto nello stato installato senza uno smontaggio esteso. Sterilization in Place, abbreviato SIP, indica la sterilizzazione di parti dell'impianto nello stato installato, spesso con vapore o un altro metodo idoneo. Sensori di conducibilità, portata, temperatura, pressione e tempo possono aiutare a monitorare i cicli di pulizia e sterilizzazione. Una pulizia commisurata al bisogno può ridurre risorse e tempi di fermo, ma non deve avvenire a scapito dell'igiene richiesta o dell'efficacia di pulizia validata. Nelle applicazioni regolamentate, i criteri di pulizia, i limiti di accettazione e la gestione degli scostamenti devono essere definiti chiaramente.
Per l'utilizzo e la valutazione, i dati dovrebbero essere visualizzati in modo adeguato al target. Dashboard basati sui ruoli possono mostrare agli operatori gli stati di processo attuali e gli allarmi, fornire ai capiturno i tempi di perdita e le tendenze OEE, e consentire agli ingegneri di qualità o di processo analisi dettagliate di processo e di lotto. Una gestione efficace degli allarmi impedisce che gli operatori vengano sopraffatti da una moltitudine di segnalazioni simultanee e non prioritizzate. EEMUA 191 è una linea guida della Engineering Equipment and Materials Users' Association, abbreviata EEMUA, per la progettazione, la gestione e la valutazione degli allarmi negli impianti di processo. Viene spesso utilizzata come riferimento per la prioritizzazione degli allarmi e la riduzione delle ondate di allarme.
Gli accessi mobili possono migliorare la disponibilità delle informazioni, ma richiedono un concetto chiaro di autorizzazione, sicurezza e rilascio. In particolare per gli accessi in scrittura o gli accessi remoti ai controlli, gli accessi dovrebbero essere limitati nel tempo, cifrati, protocollati e progettati secondo il principio del privilegio minimo. Report standardizzati e riunioni operative regolari sul reparto produttivo, cioè brevi incontri operativi direttamente nell'area di produzione, aiutano a tradurre i dati OEE, di qualità e di fermo in concrete misure di miglioramento.
Così amixon® può supportare l'OEE degli impianti di miscelazione di polveri
L'efficacia complessiva dell'impianto, in inglese Overall Equipment Effectiveness e in breve OEE, valuta disponibilità, prestazione e qualità di un impianto di produzione. Negli impianti di miscelazione di polveri questi tre fattori non dipendono soltanto dal tempo di miscelazione. Sono altrettanto rilevanti carico, dosaggio, svuotamento, cambio prodotto, pulizia, manutenzione, flusso di materiale, gestione delle ricette e la qualità delle materie prime impiegate. amixon® può supportare i gestori, tramite una costruzione dell'apparecchio adeguata al prodotto, un'automazione specifica per progetto, prove nel centro prove e prestazioni di servizio, nel migliorare questi fattori di influenza e valutare in modo solido i potenziali OEE.
La disponibilità di un impianto di miscelazione può essere supportata da caratteristiche costruttive facili da manutenere. In molti miscelatori amixon® l'organo miscelante è supportato al di sopra del vano di miscelazione. Questo elimina un passaggio d'albero inferiore con una guarnizione aggiuntiva a contatto con il prodotto. Una velocità relativamente bassa e un numero ridotto di componenti soggetti a usura possono diminuire l'onere di manutenzione. La durata effettiva dipende tuttavia da prodotto, modalità operativa, procedimento di pulizia, sollecitazione e strategia di manutenzione. Ispezioni regolari e manutenzione preventiva aiutano a eseguire i lavori di manutenzione in modo pianificabile e a ridurre i fermi non pianificati.
Secondo quanto indicato dall'azienda, amixon® offre su richiesta anche supporto per la manutenzione orientata allo stato o predittiva, in inglese Predictive Maintenance. A tal fine sono necessari dati di esercizio e di stato idonei, ad esempio tempi di funzionamento, cicli di commutazione, andamenti di coppia, corrente del motore, temperatura o vibrazioni. Da questi dati è possibile riconoscere eventuali variazioni nello stato dell'impianto. Un concetto efficace richiede, oltre ai dati di misura, limiti chiari di allarme e valutazione, nonché misure definite in caso di anomalie. Secondo quanto indicato dall'azienda, amixon® tiene disponibile a Paderborn una gran parte dei ricambi, offre fornitura di ricambi per tutta la vita utile e può fornire al gestore determinati pezzi soggetti a usura già con la prima consegna.
Per l'indicatore di prestazione dell'OEE è determinante il tempo di lotto completo. A seconda del processo, questo comprende non solo la miscelazione, ma anche dosaggio, riempimento, svuotamento, cambio prodotto e pulizia. I sistemi di miscelazione amixon® possono contribuire ad accorciare alcune di queste fasi. Il miscelatore verticale tipo HM genera flussi di miscelazione sovrapposti, che possono supportare una miscelazione intensa e allo stesso tempo delicata sul prodotto. Il miscelatore KoneSlid® tipo KS può consentire, per determinate applicazioni, tempi di miscelazione brevi e uno svuotamento rapido. Le indicazioni relative a una qualità di miscelazione dopo 20-30 giri sono tuttavia sempre risultati di prova specifici per prodotto e applicazione. Non devono essere interpretate come una promessa generale valida per tutte le polveri, i gradi di riempimento e le ricette.
Anche lo svuotamento influenza l'OEE, perché determina in parte tempo di attraversamento, resa di prodotto, onere di pulizia e cambio prodotto. Il miscelatore KoneSlid® tipo KS può essere svuotato, a seconda del prodotto e dell'esecuzione dell'apparecchio, nel giro di pochi secondi. La tecnologia ComDisc® supporta lo scarico delle quantità di prodotto rimaste convogliandole verso lo scarico. Secondo quanto indicato da amixon®, con essa sono ottenibili, a seconda di prodotto e applicazione, gradi di svuotamento elevati fino a circa il 99,99 per cento. Uno svuotamento il più possibile completo può ridurre le perdite di prodotto, semplificare la pulizia e diminuire il rischio di contaminazione crociata in caso di cambio prodotto. Lo svuotamento residuo effettivamente raggiungibile dovrebbe essere verificato con il prodotto concreto.
Il tempo di cambio prodotto è determinato non solo dalla meccanica del miscelatore, ma anche dalla strategia di pulizia, dalla sequenza dei prodotti, dal concetto igienico, dalla disponibilità di personale e dai processi di rilascio. Un vano di miscelazione ben accessibile, progettato in modo favorevole alla pulizia e con spazi morti ridotti, può facilitare pulizia manuale, ispezione e manutenzione. Lance di lavaggio, nonché Cleaning in Place, abbreviato CIP, o Wet in Place, abbreviato WIP, possono essere previsti in modo specifico per progetto. Il CIP indica la pulizia delle parti installate dell'impianto senza uno smontaggio esteso. Il WIP descrive una pulizia a umido nell'impianto installato, che a seconda del concetto può avvenire manualmente o in modo semiautomatizzato. La durata effettiva della pulizia e l'efficacia di pulizia devono essere definite in modo specifico per il gestore, in base a prodotto, contaminazione, mezzo di pulizia e procedimento, ed eventualmente validate.
Nel miscelatore a container tipo COM, miscelazione, trasporto dei contenitori, pulizia e riempimento possono essere disaccoppiati nello spazio o nel tempo. In questo modo la stazione di miscelazione centrale può continuare a essere utilizzata durante la preparazione o la pulizia di altri contenitori. Il tempo di pulizia non blocca tuttavia automaticamente la capacità di miscelazione. L'effetto reale dipende dal numero di contenitori disponibili, dalla logistica dei contenitori, dalle stazioni di pulizia, dal cambio prodotto, dai rilasci di qualità e dalle fasi di processo a valle.
La componente qualità dell'OEE è influenzata, tra l'altro, da qualità di miscelazione, fedeltà alla ricetta, precisione di dosaggio, resa di prodotto e numero di rimiscelazioni o lotti di scarto. Un dimensionamento adeguato dell'apparecchio può contribuire a ottenere una qualità di miscelazione elevata e riproducibile all'interno di un intervallo operativo definito. La qualità di miscelazione non è tuttavia garantita in modo generico per un grado di riempimento dal 10 al 100 per cento. Deve essere verificata per la rispettiva ricetta tenendo conto di dimensioni delle particelle, differenze di densità, umidità, sequenza di dosaggio, dimensione del lotto e parametri di processo.
Le ricette possono essere memorizzate in un controllore logico programmabile, in breve PLC. Un PLC è un computer industriale per il controllo di macchine e processi. La gestione delle ricette può aiutare ad applicare in modo ripetibile tempi di miscelazione, velocità, sequenze di dosaggio e ulteriori parametri di processo rilasciati. L'identificazione di materiale e lotto basata su codice a barre, nonché un collegamento a un sistema Enterprise Resource Planning, in breve sistema ERP, possono supportare la tracciabilità. Un sistema ERP è un software aziendale per la pianificazione e la gestione di risorse, ordini, materiali e processi aziendali. Affinché gli scostamenti possano essere riconosciuti e valutati in modo affidabile, devono essere chiaramente regolamentati modello dati, timestamp, diritti utente, gestione degli allarmi, integrità dei dati e gestione delle interruzioni di comunicazione.
Per il miscelatore continuo tipo AMK, amixon® descrive un esercizio di avviamento e arresto controllato. I dosatori gravimetrici partono inizialmente insieme con una portata massica ridotta e vengono coordinati tra loro. Il grado di riempimento aumenta; lo scarico viene aperto solo quando è raggiunto uno stato di esercizio definito. Alla fine, i flussi di dosaggio vengono ridotti in modo controllato e il miscelatore viene svuotato. Questo procedimento può ridurre le perdite di avviamento e di fine produzione. Se ciò eviti realmente la formazione di prodotti fuori specifica, in inglese off specification o in breve off-spec, dipende dalla ricetta concreta, dalla stabilità del dosaggio, dalle proprietà delle materie prime, dalla regolazione e dai criteri di qualità.
Valutazioni OEE solide non dovrebbero basarsi su ipotesi generiche. Sono necessari tempi obiettivo ed effettivi specifici per prodotto relativi a carico, dosaggio, miscelazione, svuotamento, pulizia e cambio prodotto. amixon® può esaminare e documentare queste fasi di processo nel centro prove con il prodotto originale. Tali risultati possono fornire una base solida per il dimensionamento dell'apparecchio, la definizione di tempi obiettivo provvisori e il confronto con un impianto esistente. La trasferibilità alla taglia obiettivo deve essere verificata sulla base di prodotto, grado di riempimento, geometria, utensile di miscelazione, flusso di materiale e requisiti di processo. Le prove nel centro prove riducono i rischi prima dell'investimento, ma non sostituiscono il collaudo di prestazione nel successivo esercizio di produzione.
In ambienti di produzione regolamentati amixon® può fornire documentazione rilevante per la qualificazione e supportare il gestore nella Design Qualification, in breve DQ, nella Installation Qualification, in breve IQ, e nella Operational Qualification, in breve OQ. La DQ documenta che il design dell'impianto pianificato soddisfa i requisiti definiti. La IQ conferma l'installazione a regola d'arte. La OQ dimostra che l'impianto funziona correttamente nell'intervallo operativo definito. Il punto di partenza è la User Requirement Specification, in breve URS, ossia la specifica dei requisiti documentata dal gestore.
L'impianto può essere dimensionato in base a requisiti specifici di progetto quali Good Manufacturing Practice, in breve GMP, ATEX, EHEDG, requisiti FDA, 3-A Sanitary Standards o ASME. GMP sta per buona pratica di fabbricazione e descrive i requisiti per processi produttivi controllati. ATEX indica le disposizioni europee per apparecchi e sistemi di protezione nelle aree a rischio di esplosione. EHEDG sta per European Hygienic Engineering and Design Group e pubblica linee guida per la progettazione igienica degli impianti. La Food and Drug Administration, in breve FDA, è l'autorità statunitense per farmaci, alimenti e altri prodotti regolamentati. ASME sta per American Society of Mechanical Engineers e sviluppa, tra l'altro, standard tecnici per recipienti a pressione e componenti d'impianto. La valutazione dei requisiti normativi, la validazione di processo e di pulizia, nonché la validazione dei sistemi elettronici, incluso il 21 CFR Part 11, rimangono in capo al gestore.
amixon® sviluppa e produce, secondo quanto indicato dall'azienda, presso la sede di Paderborn. Una produzione centralizzata e un controllo qualità documentato possono supportare la tracciabilità delle specifiche tecniche, la fornitura di documentazione rilevante per la qualificazione e la fornitura di ricambi a lungo termine. La riproduzione a lungo termine di singoli componenti dipende, oltre che dalla documentazione tecnica disponibile, anche dalla disponibilità di materiali idonei, componenti di acquisto, nonché dai requisiti di sicurezza e normativi di volta in volta vigenti.
Sintesi
amixon® può supportare l'OEE degli impianti di miscelazione di polveri tramite una costruzione facile da manutenere, sistemi di miscelazione e scarico adeguati, un hygienic design orientato alla pulizia, gestione delle ricette, tracciabilità dei lotti e prove documentate nel centro prove. Determinanti sono i tempi rilevati in modo specifico per il prodotto per miscelazione, svuotamento, pulizia e cambio prodotto, nonché una rilevazione chiara di fermi, rilavorazioni e perdite di qualità. L'OEE effettivamente raggiungibile dipende sempre dall'interazione tra dimensionamento dell'apparecchio, prodotto e ricetta, qualità delle materie prime, pianificazione della produzione, pulizia, manutenzione, conduzione e controllo qualità.