Quali caratteristiche depongono a favore di un'integrazione Industria 4.0 negli impianti di miscelazione (per es. OEE, condition monitoring)?
Un'integrazione Industria 4.0 non esiste già solo perché un miscelatore acquisisce dati o dispone di un'interfaccia di rete. È determinante se i dati vengono rilevati in modo affidabile, contestualizzato e sicuro, se sono integrati nei processi produttivi e aziendali e se ne derivano miglioramenti dimostrabili in disponibilità, prestazione, qualità, impiego di energia o tracciabilità. Il beneficio deve quindi essere misurabile; semplici collegamenti a dashboard o al cloud senza casi d'uso chiari non costituiscono una prova solida di Industria 4.0.
Una caratteristica essenziale è una valutazione OEE solida. OEE sta per Overall Equipment Effectiveness, in italiano efficacia complessiva dell'impianto, e combina disponibilità, prestazione e qualità. Per i processi di miscelazione questo indicatore deve tuttavia essere adattato a svolgimenti orientati al lotto. Oltre al tempo di miscelazione sono rilevanti anche carico, dosaggio, svuotamento, campionamento, pulizia, cambio prodotto, rilascio qualità e tempi di attesa. Una soluzione OEE utilizzabile rileva queste fasi con timestamp univoci e distingue i fermi pianificati da quelli non pianificati. Assegna inoltre i guasti in modo tracciabile a categorie quali errore tecnico, carenza di materiale, necessità di pulizia, intervento dell'operatore, scostamento di qualità o attesa per un impianto a valle.
Il confronto tra tempi di ciclo obiettivo ed effettivi dovrebbe avvenire in modo specifico per prodotto e per ricetta. Un tempo obiettivo generico per polveri, dimensioni di lotto e requisiti di pulizia diversi genera indicatori fuorvianti. Allo stesso modo, le perdite di qualità devono essere definite con precisione. Tra queste rientrano scarti, rimiscelazioni, rilavorazioni, lotti non rilasciabili, perdite di prodotto allo scarico o al cambio prodotto ed eventualmente un tasso Right First Time. Right First Time significa che un lotto soddisfa la specifica al primo passaggio, senza rilavorazione o ripetizione. Una valutazione OEE è davvero utile solo quando non si limita a mostrare le perdite, ma ne rende visibili anche le cause e le priorità.
Una seconda caratteristica importante è il monitoraggio dello stato, chiamato anche Condition Monitoring. In questo caso vengono rilevati dati di stato rilevanti relativi ad azionamento, supporti, riduttore, guarnizioni, organi di scarico e sistemi di dosaggio. Grandezze di misura tipiche sono vibrazione, rumore strutturale, temperatura, assorbimento di corrente, coppia, tempo di funzionamento, cicli di commutazione ed eventualmente lo stato del lubrificante. Queste grandezze possono fornire indicazioni precoci su usura, squilibrio, problemi ai cuscinetti, depositi, attrito maggiorato o sovraccarico. Devono tuttavia essere sempre valutate nel contesto di prodotto, grado di riempimento, modalità operativa e ricetta. Una coppia elevata può ad esempio indicare un difetto meccanico, ma può anche essere causata da una ricetta modificata deliberatamente, da un'umidità maggiore o da una quantità di lotto più grande.
La manutenzione predittiva, spesso chiamata Predictive Maintenance, va oltre il semplice monitoraggio dello stato. Cerca di stimare un probabile momento di manutenzione sulla base di dati storici, meccanismi di guasto noti e modelli idonei. L'apprendimento automatico o l'intelligenza artificiale possono essere d'aiuto, ma non sono un presupposto né una garanzia di risultati migliori. Per molti impianti di miscelazione, un modello di stato basato su regole trasparenti, con limiti chiari, monitoraggio delle tendenze e misure di manutenzione definite, è inizialmente più efficace di un modello di IA complesso e difficilmente spiegabile. Un concetto predittivo ha senso solo se sono disponibili dati sufficientemente di qualità, quadri di guasto noti, responsabilità chiare e un'organizzazione di manutenzione che derivi tempestivamente misure concrete dagli avvisi.
Anche una tracciabilità coerente di ricette e lotti è una caratteristica forte degli impianti di miscelazione integrati digitalmente. In questo caso lotti di materie prime, versione di ricetta, quantità obiettivo ed effettive, parametri di processo, interventi dell'operatore, allarmi, fasi di processo, verifiche di qualità e rilasci vengono associati a un lotto di prodotto univoco. Questo collegamento consente un'analisi delle cause più rapida, migliora la tracciabilità in caso di reclami e supporta gli audit. In molti settori è inoltre un presupposto per l'assicurazione qualità e la conformità normativa. Lo standard ISA-88, indicato anche come IEC 61512, offre un modello di riferimento idoneo per strutturare processi a lotti, ricette, moduli di impianto, operazioni e fasi.
La registrazione completa di molti punti dati non è tuttavia automaticamente sensata. Un impianto non è pronto per l'Industria 4.0 grazie alla quantità massima di dati, ma grazie a dati selezionati in modo mirato e utilizzabili. Un buon modello dati distingue dati grezzi, indicatori calcolati, immissioni manuali e rilasci rilevanti per la qualità. Collega queste informazioni con ID di lotto, ID di prodotto, versione di ricetta, identificativo dell'impianto, timestamp e fase di processo. Per i settori regolamentati devono inoltre essere considerati integrità dei dati, audit trail, diritti utente, termini di conservazione ed eventualmente la validazione dei sistemi computerizzati.
La regolazione adattiva del processo può essere un'ulteriore caratteristica, ma nella pratica va delimitata con attenzione. La fine della miscelazione può essere valutata, ad esempio, sulla base di un segnale inline validato, come una misurazione spettroscopica inline dell'umidità, un andamento della coppia o un'altra grandezza di misura idonea. Un andamento della coppia può fornire indicazioni sull'avanzamento della miscelazione, ma non è automaticamente una prova di omogeneità. Prima che un processo venga terminato o modificato automaticamente sulla base di un segnale di misura, devono essere sufficientemente compresi e verificati per lo scopo specifico il metodo di misura, la qualità del segnale, i limiti decisionali, la gestione degli errori e l'effetto sul prodotto.
Le rimiscelazioni automatiche o gli adattamenti autonomi di tempo di miscelazione, velocità o quantità di additivi dovrebbero essere valutati con particolare attenzione critica. Tali interventi possono essere sensati se avvengono all'interno di una finestra di processo approvata, sono tecnicamente sicuri e vengono documentati completamente. Nelle applicazioni critiche per la qualità o regolamentate, una regolazione autonoma non deve portare a modifiche incontrollate di ricetta o di processo. Spesso è quindi più appropriata una strategia semiautomatizzata: il sistema riconosce uno scostamento, propone una misura e richiede un rilascio da parte di personale qualificato prima che vengano modificati parametri critici.
Un'ulteriore caratteristica è l'integrazione dati verticale e orizzontale. L'integrazione verticale collega dispositivi di campo e controlli con sistemi sovraordinati come sistemi di supervisione di processo, Manufacturing Execution System ed Enterprise Resource Planning System. Un Manufacturing Execution System, in breve MES, supporta il controllo della produzione, l'acquisizione dati e la documentazione di lotto. Un Enterprise Resource Planning System, in breve sistema ERP, supporta processi aziendali trasversali come la gestione dei materiali, la gestione degli ordini e la pianificazione. L'integrazione orizzontale collega invece le fasi di processo a monte e a valle, ad esempio approvvigionamento delle materie prime, dosaggio, trasporto, miscelazione, confezionamento e logistica di magazzino.
Interfacce come OPC Unified Architecture, in breve OPC UA, Message Queuing Telemetry Transport, in breve MQTT, o interfacce di programmazione secondo il principio Representational State Transfer, in breve REST-API, possono supportare questa integrazione. Non risolvono tuttavia da sole i problemi di fondo relativi a modello dati, qualità dei dati anagrafici, timestamp, responsabilità o logica di processo mancante. OPC UA è particolarmente adatto per lo scambio dati strutturato e interoperabile nell'automazione industriale. MQTT è un protocollo publish-subscribe snello e può essere idoneo per la trasmissione dati orientata agli eventi e per il collegamento di applicazioni edge o cloud. Una REST-API è un'interfaccia basata sul web attraverso la quale le applicazioni possono scambiare dati secondo regole chiaramente definite.
Un gemello digitale può essere utile nella pianificazione, ottimizzazione e formazione. Si tratta di una rappresentazione digitale di un impianto o di un processo, la cui profondità di dettaglio può variare notevolmente. Un semplice gemello digitale rappresenta capacità, ricette, flussi di materiale e tempi di attraversamento. Un gemello più sofisticato può inoltre modellare processi fisici come trasferimento di calore, apporto energetico o cinetica di miscelazione. Per la messa in servizio virtuale può essere utilizzato un modello di automazione per testare logica di controllo, interfacce e scenari di errore prima della messa in servizio reale. La simulazione di qualità di miscelazione, segregazione, sollecitazione delle particelle o adesioni è invece valida solo quanto lo sono i dati di sostanza disponibili e il modello sottostante. Un gemello digitale non sostituisce quindi le prove con il prodotto originale.
L'edge computing è sensato quando i dati devono essere elaborati localmente e con bassa latenza. In questo caso controllori edge o computer industriali vicini alla macchina si occupano di compiti come filtraggio del segnale, verifica di plausibilità, memorizzazione temporanea, calcolo locale di indicatori ed eventualmente monitoraggio dello stato. Nelle misurazioni di vibrazione, ad esempio, una trasformata di Fourier veloce, in breve FFT, può rendere visibili le componenti spettrali di un segnale di vibrazione e permettere di riconoscere variazioni in determinati intervalli di frequenza. L'elaborazione locale può ridurre la dipendenza dalle connessioni cloud, ma non esonera dai requisiti relativi a stati software sicuri, backup, gestione utenti, archiviazione dei dati e modifiche controllate.
Il monitoraggio di energia e risorse può essere un ulteriore modulo sensato. Sono rilevanti, ad esempio, il consumo energetico specifico per lotto, prodotto o chilogrammo, i profili di carico durante carico, miscelazione, svuotamento, pulizia e fermo, nonché il consumo di aria compressa, acqua, vapore, energia di raffreddamento o prodotti chimici di pulizia. Variazioni anomale possono indicare scostamenti di processo, modalità operative inadeguate o usura tecnica. Tali indicatori sono particolarmente significativi se normalizzati rispetto a dimensione del lotto, tipo di prodotto, ricetta e influenze ambientali. La ISO 50001 descrive un quadro di riferimento per i sistemi di gestione dell'energia, con cui le organizzazioni possono migliorare sistematicamente efficienza energetica, impiego di energia e consumo energetico.
La manutenzione remota e l'assistenza digitale all'operatore possono migliorare i tempi di reazione in caso di intervento tecnico, ma aumentano al contempo i requisiti di cybersicurezza. Un accesso remoto non dovrebbe essere realizzato come connessione permanentemente aperta. Dovrebbe avvenire solo previa autorizzazione, limitato nel tempo, cifrato, protocollato e con account utente chiaramente assegnati. Gli accessi in scrittura a controlli o ricette richiedono autorizzazioni particolarmente rigorose ed eventualmente un principio dei quattro occhi. Il NIST, nella sua guida sulla sicurezza dei sistemi di controllo industriale, evidenzia che questi sistemi sono esposti a rischi particolari e necessitano di un'architettura di sicurezza basata sul rischio, segmentazione, controlli di accesso, nonché una gestione regolamentata delle vulnerabilità e delle modifiche.
Registri di turno elettronici, istruzioni operative standard digitali e indicazioni contestuali per l'operatore possono migliorare l'attuazione in officina. L'istruzione operativa standard è spesso abbreviata SOP e indica una descrizione vincolante di un ciclo di lavoro ricorrente. La gestione degli allarmi dovrebbe garantire che le segnalazioni siano rilevanti, prioritizzate e orientate all'azione. Un numero elevato di allarmi non prioritizzati porta spesso a che avvisi importanti vengano trascurati o non elaborati in tempo. Sistemi di assistenza avanzati come la realtà aumentata, in cui informazioni digitali vengono sovrapposte al campo visivo, possono in determinati casi supportare formazione, manutenzione e diagnosi dei guasti. Il loro beneficio dovrebbe tuttavia essere dimostrato concretamente; non sono automaticamente migliori di istruzioni di lavoro ben strutturate e di un'interfaccia operatore chiara.
Integrazione Industria 4.0 in amixon®: ricette, dati e comprensione del processo
Un'integrazione Industria 4.0 non nasce solo dal fatto che un impianto di miscelazione disponga di un controllo PLC, di un collegamento ERP o di singoli sensori. È determinante se i dati di processo e di lotto vengono rilevati in modo affidabile, associati in modo univoco, trasmessi in sicurezza e utilizzati per miglioramenti concreti in disponibilità, prestazione, qualità, consumo energetico o tracciabilità. In amixon® l'automazione viene derivata in modo specifico per progetto dalla User Requirement Specification, in breve URS, del gestore. La URS è la specifica dei requisiti documentata e descrive, tra l'altro, il compito di miscelazione, i dati di processo desiderati, le interfacce, le funzioni di ricetta, gli standard igienici, la documentazione e i requisiti normativi.
I miscelatori amixon® possono essere equipaggiati con un controllore logico programmabile, in breve PLC. In esso possono essere memorizzati programmi di miscelazione e ricette, ad esempio con tempi di miscelazione, velocità, sequenze di dosaggio, profili di temperatura e ulteriori valori obiettivo specifici per progetto. Un PLC è un computer industriale per il controllo di macchine e processi. La gestione delle ricette può aiutare ad applicare in modo riproducibile i parametri rilasciati e a ridurre gli errori operativi. Non garantisce tuttavia automaticamente che venga raggiunta la qualità di prodotto. L'idoneità della ricetta, l'intervallo operativo ammesso e la qualità di miscelazione devono essere verificati per il prodotto concreto, la qualità delle materie prime, la dimensione del lotto e le condizioni di processo.
Un collegamento a un sistema Enterprise Resource Planning, in breve sistema ERP, può essere previsto nel progetto. Un sistema ERP è un software aziendale per la gestione di ordini, movimenti di materiale, risorse e pianificazione. Anche i lettori di codici a barre possono essere integrati, per identificare in modo univoco materie prime, contenitori, versioni di ricetta e lotti. In questo modo è possibile stabilire un collegamento tra impiego di materiale, ricetta, conduzione del processo e lotto di prodotto. Una tracciabilità completa nasce tuttavia solo quando tutti i dati rilevanti vengono trasmessi in modo affidabile, associati correttamente nel tempo e protetti da modifiche incontrollate. A ciò appartengono anche identificativi di lotto univoci, timestamp, diritti utente, gestioni degli errori definite e un'archiviazione dei dati controllata.
Quali dati un miscelatore debba rilevare e come vengano integrati nel panorama IT e di automazione esistente non dovrebbe essere stabilito da una generica promessa a catalogo. In amixon® ciò viene definito in modo specifico per progetto. A seconda del compito di miscelazione possono essere rilevati, ad esempio, coppia, velocità, temperatura, umidità, pressione, vuoto, tempi di funzionamento, cicli, livelli, quantità dosate, messaggi di allarme o dati di stato. Non ogni grandezza di misura tecnicamente disponibile è al contempo un indicatore di qualità sensato. I dati di coppia possono fornire, ad esempio, indicazioni su grado di riempimento, comportamento del prodotto, attrito o incrostazioni, ma senza una valutazione specifica per prodotto non costituiscono una prova diretta di omogeneità o qualità di miscelazione.
Le interfacce verso il sistema di supervisione, il Manufacturing Execution System, in breve MES, o il sistema ERP vengono definite e documentate nel progetto. Un MES supporta il controllo operativo della produzione, la documentazione di lotto e l'acquisizione dei dati di produzione. Per una buona integrazione dei dati, oltre al collegamento di comunicazione devono essere regolamentati chiaramente anche modello dati, timestamp, associazione al lotto, qualità dei dati, ruoli utente, responsabilità delle interfacce e gestione dei guasti. Solo allora i dati possono essere utilizzati, ad esempio, per il calcolo dell'efficacia complessiva dell'impianto, in inglese Overall Equipment Effectiveness e in breve OEE.
L'OEE combina disponibilità, prestazione e qualità. Per gli impianti di miscelazione non è sufficiente rilevare solo il tempo di funzionamento dell'organo miscelante. I dati rilevanti comprendono anche carico, dosaggio, tempo di miscelazione, svuotamento, pulizia, cambio prodotto, guasti, tempi di attesa ed eventuali rilasci di qualità. Una valutazione OEE significativa richiede tempi obiettivo specifici per prodotto e una classificazione uniforme dei fermi pianificati e non pianificati. L'impianto di miscelazione può fornire dati a tal fine, ma non sostituisce la definizione aziendale di categorie di perdita, valori obiettivo e misure di miglioramento. Un'OEE elevata non è una caratteristica costruttiva diretta, bensì il risultato dell'interazione tra concetto d'impianto adeguato, prodotto e ricetta, qualità delle materie prime, pianificazione della produzione, conduzione, pulizia, manutenzione e assicurazione qualità.
Dati operativi come tempi di funzionamento, cicli di commutazione, assorbimento di corrente, coppia, temperatura, pressione o vibrazioni possono supportare una manutenzione orientata allo stato. Questo approccio è chiamato anche Condition Monitoring. Aiuta a riconoscere precocemente variazioni su azionamento, cuscinetti, guarnizioni, riduttori o organi di scarico. La manutenzione predittiva, in inglese Predictive Maintenance, presuppone inoltre che siano disponibili meccanismi di guasto noti, dati sufficientemente di qualità, criteri di allarme plausibili e un processo di manutenzione chiaro. Il Predictive Maintenance non nasce quindi semplicemente dalla rilevazione di tempi di funzionamento e numero di lotti. In molti casi una manutenzione preventiva coerentemente attuata, con monitoraggio delle tendenze, rappresenta inizialmente l'approccio più robusto ed economico.
In molti miscelatori amixon® l'organo miscelante è supportato al di sopra del vano di miscelazione. In questo modo viene eliminato un passaggio d'albero inferiore come sistema di tenuta aggiuntivo a contatto con il prodotto. Una bassa velocità e un numero ridotto di componenti soggetti a usura possono favorire la facilità di manutenzione. La disponibilità effettiva dell'impianto dipende tuttavia anche da abrasività, umidità, adesioni al prodotto, sollecitazione, strategia di pulizia, conduzione e fornitura dei ricambi. Quale volume di dati sia sensato per il monitoraggio dello stato dovrebbe quindi essere derivato dai rischi effettivi di usura e guasto del rispettivo caso applicativo.
Un vero gemello digitale di un impianto di miscelazione è nettamente più impegnativo di una rappresentazione digitale di ricette, dati di processo o stati macchina. Un gemello solido e fisicamente significativo dovrebbe rappresentare, oltre a geometria, dati di azionamento e logica di controllo, anche le proprietà del prodotto sfuso e la loro variazione durante il processo. Tra queste rientrano, tra l'altro, distribuzione granulometrica, densità apparente, umidità, comportamento di scorrimento, coesione, tendenza all'agglomerazione, abrasività, trasferimento di calore, adesione al prodotto ed eventualmente l'effetto di un'aggiunta di liquido. Proprio queste proprietà possono variare durante la miscelazione e oscillano inoltre tra i lotti di materie prime.
Nella pratica questi dati di sostanza non sono disponibili, per molti prodotti sfusi, in modo sufficientemente completo, risolto nel tempo o modellabile. Per questo motivo molte soluzioni indicate come «gemello digitale» sono piuttosto modelli digitali di processo, cronologie dati, modelli di capacità o rappresentazioni virtuali del controllo. Questi sistemi possono essere molto utili, ad esempio per la gestione delle ricette, le analisi di tendenza, le valutazioni OEE, le considerazioni sui tempi di attraversamento, la messa in servizio virtuale o la formazione degli operatori. Non dovrebbero tuttavia avere la pretesa di prevedere in modo affidabile qualità di miscelazione, segregazione, sollecitazione delle particelle o adesioni, quando mancano i modelli di sostanza e di processo necessari a tal fine.
I centri prove amixon® possono aiutare a colmare questa lacuna tra modello digitale e comportamento reale del prodotto. A Paderborn sono disponibili, secondo quanto indicato da amixon®, oltre 30 diverse macchine di prova. Centri prove complementari esistono in Cina, India, Giappone, Corea del Sud, nei paesi del Benelux e negli Stati Uniti. Le prove con il prodotto originale consentono di esaminare, in condizioni realistiche di grado di riempimento, temperatura e pressione, tra l'altro qualità di miscelazione, delicatezza sul prodotto, apporto energetico, distribuzione dei liquidi, svuotamento e pulibilità. I risultati possono fungere da base solida per il dimensionamento dell'apparecchio, la definizione dei parametri di ricetta e la valutazione delle modifiche di processo. Riducono i rischi tecnici prima dell'investimento, ma non sostituiscono né la qualificazione dell'impianto di produzione né la validazione nell'esercizio successivo.
Per i settori regolamentati amixon® può fornire documentazione e supportare la Design Qualification, in breve DQ, la Installation Qualification, in breve IQ, e la Operational Qualification, in breve OQ. La DQ documenta che il concetto d'impianto soddisfa i requisiti definiti. La IQ conferma l'installazione a regola d'arte. La OQ dimostra che l'impianto funziona correttamente nell'intervallo operativo previsto. L'esecuzione tecnica e la documentazione possono essere orientate ai requisiti della buona pratica di fabbricazione, in inglese Good Manufacturing Practice e in breve GMP, alle linee guida della European Hygienic Engineering and Design Group, in breve EHEDG, nonché agli standard FDA o 3-A Sanitary applicabili.
Se le registrazioni elettroniche o le firme elettroniche rientrano nell'ambito di applicazione del Title 21 Code of Federal Regulations Part 11, in breve 21 CFR Part 11, le misure tecniche e organizzative relative a diritti utente, audit trail, firme elettroniche, backup dei dati e disponibilità dei dati devono essere definite nel concetto di validazione del gestore. GAMP 5, una linea guida della International Society for Pharmaceutical Engineering per la validazione basata sul rischio dei sistemi computerizzati, può offrire in questo caso un orientamento metodologico. La responsabilità per la valutazione normativa, l'integrità dei dati, la validazione del sistema complessivo e la validazione di processo spetta al gestore.
L'hygienic design dell'impianto di miscelazione può supportare indirettamente la qualità dei dati e del processo, perché migliora pulibilità, ispezionabilità, manutenzione e cambi di prodotto controllati. amixon® descrive, per determinate esecuzioni dell'apparecchio, aree a contatto con il prodotto con giunture ridotte e levigate, un organo miscelante supportato in alto, porte di ispezione Clever-Cut® e guarnizioni OmgaSeal®. La geometria della porta Clever-Cut® con OmgaSeal® ha lo scopo di consentire l'accesso al vano di miscelazione e allo stesso tempo creare una zona di tenuta tecnicamente a ridotta presenza di spazi morti. Lance di lavaggio, nonché Cleaning in Place, in breve CIP, o Wet in Place, in breve 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 nello stato installato. L'idoneità e l'efficacia della pulizia devono tuttavia essere dimostrate, nel rispettivo esercizio, per prodotto, contaminazione e procedimento di pulizia.
Sintesi
amixon® può supportare un'integrazione orientata all'Industria 4.0 tramite gestione ricette basata su PLC, acquisizione dati specifica per progetto, assegnazione dei lotti tramite codice a barre e interfacce verso sistemi MES o ERP. Il beneficio effettivo è determinato da una logica OEE solida, da dati di processo e di stato selezionati in modo mirato, da un'integrazione dei dati affidabile, nonché da un utilizzo coerente delle conoscenze acquisite per il miglioramento continuo dei processi.