Come si possono integrare i dati di processo degli impianti di miscelazione in sistemi MES/ERP?
L'integrazione non dovrebbe essere progettata come un collegamento diretto tra miscelatore e software aziendale, bensì come una catena di dati controllata che va da sensoristica e controllo, attraverso uno storico o un sistema edge, fino al Manufacturing Execution System e all'Enterprise Resource Planning System. Un Manufacturing Execution System, in breve MES, controlla e documenta la produzione operativa. Un Enterprise Resource Planning System, in breve sistema ERP, gestisce ordini, materiali, scorte, pianificazione e logistica.
Architettura e modello dei dati
Per i processi a lotti è opportuna una struttura orientata alla ISA-88. La ISA-88 descrive ricette, moduli di impianto, fasi di processo e dati di lotto. La ISA-95, ovvero la IEC 62264, descrive l'interfaccia tra il livello di produzione e quello aziendale. Questi modelli aiutano a collegare i dati di processo con ID di lotto, versione di ricetta, impianto, timestamp e fase di processo.
Sul miscelatore il controllo rileva valori rilevanti quali pesate, tempo di miscelazione, velocità di giro, coppia, temperatura, umidità, pressione, consumo energetico, stato, allarmi e interventi dell'operatore. Dovrebbero essere trasmessi solo i dati rilevanti per la conduzione del processo, la qualità, la rintracciabilità, la manutenzione o gli indicatori. I dati ad alta frequenza, ad esempio le vibrazioni o gli andamenti dettagliati della coppia, vengono spesso memorizzati e preelaborati in uno storico o in un sistema edge. Al MES vengono quindi trasferiti indicatori condensati, tendenze, eventi o superamenti dei valori limite.
Interfacce e flusso di dati
OPC Unified Architecture, in breve OPC UA, si presta come standard indipendente dalla piattaforma per lo scambio sicuro e strutturato tra controlli, sensori, applicazioni MES, ERP e cloud. OPC UA offre modelli informativi nonché funzioni per autenticazione, crittografia e protezione dell'integrità.
Altre interfacce hanno ruoli specifici: PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP e IO-Link collegano tipicamente dispositivi di campo e controlli. Il Message Queuing Telemetry Transport, in breve MQTT, può essere utile per la trasmissione dati orientata agli eventi o per applicazioni Industrial Internet of Things. Le interfacce REST, abbreviazione di Representational State Transfer, vengono spesso utilizzate tra MES, ERP e piattaforme di integrazione. Negli impianti brownfield i gateway possono trasferire interfacce proprietarie o più datate in modelli di dati standardizzati. Tali gateway devono tuttavia gestire in modo affidabile qualità dei dati, timestamp, cybersecurity e comportamento in caso di guasto.
Tipicamente il sistema ERP trasmette al MES ordini di produzione, distinte base, dati anagrafici e specifiche dei materiali. Il MES concretizza da questi l'esecuzione: mette a disposizione le ricette, coordina i lotti, gestisce le fasi di processo e crea protocolli elettronici di lotto. Dal MES tornano all'ERP i riscontri su consumo effettivo, quantità prodotta, scarti, rilavorazioni, stato e dati di qualità. Il controllo del miscelatore non dovrebbe essere impiegato direttamente come sistema guida per le registrazioni dei materiali o i rilasci dei lotti.
Lotti e conformità
Per la rintracciabilità, i lotti delle materie prime, le pesate teoriche ed effettive, la versione di ricetta, i parametri di processo, gli orari, gli allarmi, gli scostamenti, gli interventi dell'operatore e i rilasci devono essere assegnati in modo univoco a un determinato lotto di prodotto finito. Un Electronic Batch Record, in breve EBR, può riunire queste informazioni in un protocollo elettronico di lotto.
Nelle applicazioni regolamentate devono essere considerati i diritti utente, gli audit trail, le firme elettroniche, l'archiviazione dei dati, i backup e la leggibilità durante il periodo di conservazione. Il 21 CFR Part 11 è rilevante quando registrazioni o firme elettroniche vengono tenute in base ad altre norme FDA applicabili. Non è sufficiente esportare i dati da un PLC (controllore a logica programmabile); l'intera catena di dati, comprese interfacce, base temporale e processi di correzione, deve essere controllata.
La sincronizzazione temporale tra controllo, storico, MES ed ERP è particolarmente importante. Il Network Time Protocol, in breve NTP, è spesso sufficiente per le valutazioni dei lotti e dell'OEE. Il Precision Time Protocol, in breve PTP, può essere necessario per requisiti più elevati di precisione temporale. Ciò che conta è che gli scostamenti vengano monitorati e che gli eventi provenienti da sistemi diversi possano essere correlati correttamente.
Sicurezza e implementazione
L'integrazione dovrebbe iniziare con una chiara matrice dei dati e delle interfacce: quali dati nascono dove, quale sistema è quello guida, chi può leggere o scrivere, come vengono rilevati gli errori e come avviene la ripartenza dopo un'interruzione della comunicazione? Altrettanto importanti sono convenzioni di denominazione uniformi per impianti, tag, lotti e ricette.
La cybersecurity deve essere parte integrante dell'architettura. Il modello di sicurezza secondo la IEC 62443 suddivide i sistemi industriali di automazione e controllo in zone con requisiti di protezione comparabili e percorsi di comunicazione controllati, detti conduit. L'accesso da MES o ERP non dovrebbe quindi arrivare in modo incontrollato fino al livello di controllo. Segmentazione della rete, regole firewall restrittive, account utente univoci, accessi remoti sicuri, gestione delle patch e modifiche controllate sono misure centrali.
Collegamento a MES ed ERP in amixon®
amixon® integra i dati di processo in modo specifico per progetto nel panorama di automazione e IT esistente del gestore. Il punto di partenza è la User Requirement Specification, in breve URS. Essa stabilisce quali dati vengono rilevati, come vengono assegnati a un lotto e attraverso quali interfacce vengono trasmessi al sistema di controllo di processo, al Manufacturing Execution System o all'Enterprise Resource Planning System. Un Manufacturing Execution System, in breve MES, supporta il controllo della produzione e la documentazione dei lotti; un sistema Enterprise Resource Planning, in breve sistema ERP, gestisce tra l'altro ordini, materiali e logistica.
L'impianto di miscelazione può essere dotato di un controllore a logica programmabile, in breve PLC. Le ricette con tempo di miscelazione, velocità di giro, sequenza di dosaggio, profilo di temperatura e altri parametri possono essere eseguite lì per lotto. A seconda del compito di miscelazione possono essere rilevati, ad esempio, coppia, temperatura, umidità, pressione, vuoto, quantità dosate, tempi di funzionamento, cicli, segnalazioni di allarme e interventi dell'operatore. amixon® non fissa l'estensione dei dati come un pacchetto standard rigido, ma la adatta a processo, prodotto, requisito di qualità e panorama di sistemi esistente.
Un'identificazione basata su codice a barre può collegare materie prime, contenitori, versioni di ricetta e lotti di produzione. In questo modo diventano disponibili valori teorici ed effettivi, numeri di lotto e dati di processo selezionati per la rintracciabilità, i protocolli elettronici di lotto e le valutazioni OEE. L'efficacia globale dell'impianto, in inglese Overall Equipment Effectiveness e in breve OEE, valuta disponibilità, prestazione e qualità. La sua significatività presuppone che timestamp, cause dei fermi, assegnazione dei lotti e responsabilità dei dati siano regolati in modo univoco in tutti i sistemi coinvolti.
Nelle applicazioni regolamentate amixon® può orientare l'automazione ai requisiti di documentazione, ruoli utente, audit trail e dati elettronici. amixon® supporta Design Qualification, Installation Qualification e Operational Qualification, in breve DQ, IQ e OQ. Secondo le indicazioni dell'azienda, la documentazione e l'esecuzione possono essere orientate a EU-GMP e FDA 21 CFR Part 11. La responsabilità per la convalida dell'intera catena di dati, per l'integrità dei dati e per il rilascio regolatorio resta in capo al gestore.
I dati operativi del miscelatore possono inoltre supportare la manutenzione orientata allo stato. Tempi di funzionamento, cicli di commutazione, andamenti della coppia, corrente del motore, temperatura e anomalie possono indicare variazioni di azionamento, supporti, guarnizioni o organi di scarico. amixon® combina questa base di dati con una costruzione favorevole alla manutenzione, tra cui un organo di miscelazione supportato al di sopra della camera di miscelazione. Se una manutenzione predittiva sia opportuna dipende da meccanismi di guasto misurabili, dalla qualità dei dati e dall'organizzazione di manutenzione del gestore.
La progettazione tecnica del rilevamento dati può essere preparata nel centro prove con il prodotto originale. A Paderborn, secondo amixon®, sono disponibili più di 35 impianti di prova; centri prove complementari esistono negli Stati Uniti e in diversi paesi asiatici. Le prove possono mostrare quali grandezze di processo sono rilevanti per la qualità di miscelazione, la delicatezza sul prodotto, l'apporto energetico, lo svuotamento o la pulibilità. Forniscono così una base per la scelta di una sensoristica adeguata e per la struttura dei dati di ricetta e di processo.
amixon® sviluppa e produce, secondo le proprie indicazioni, in modo centralizzato a Paderborn. L'elevata profondità di fabbricazione facilita il coordinamento tra miscelatore, bocchettoni per sensori, automazione, documentazione e successivi retrofit. Manutenzione, modernizzazione, fornitura di ricambi e adattamenti specifici delle interfacce per progetto possono essere seguiti lungo l'intero ciclo di vita dell'impianto.