Quali opzioni esistono per una struttura modulare, al fine di adattare gli impianti a prodotti mutevoli?
La struttura modulare può facilitare l'adattamento di un impianto a prodotti, ricette e portate mutevoli. Non è tuttavia fine a se stessa, né una promessa generica secondo cui in seguito ogni funzione possa essere sostituita rapidamente. Un impianto è realmente modulare solo se le sue interfacce meccaniche, dei fluidi ausiliari, elettriche, di controllo e di sicurezza sono state definite in modo univoco, documentate e dimensionate a sufficienza già in fase di pianificazione. In assenza di questi presupposti, un retrofit resta spesso possibile, ma si configura più come una trasformazione, con il relativo onere di ingegneria, verifica, fermo impianto ed eventualmente di qualificazione.
Nell'industria di processo sono particolarmente utili unità funzionali chiaramente delimitate. Tra queste possono rientrare moduli di dosaggio, di aggiunta liquidi, di miscelazione, di termoregolazione, sottovuoto, di filtrazione, di pulizia, di trasporto o di confezionamento. Un modulo di questo tipo necessita non solo di collegamenti meccanici definiti, ma anche di punti di consegna univoci per energia, aria compressa, acqua, vapore, vuoto, aria di scarico, segnali di controllo, funzioni di sicurezza e dati di processo. Solo quando questi punti di consegna sono chiaramente stabiliti, un modulo può essere integrato o sostituito con un onere accettabile.
Negli impianti di miscelazione, le tipiche opzioni di modularizzazione sono soprattutto moduli funzionali aggiuntivi all'interno o accanto all'impianto esistente. Tra questi rientrano dosaggi liquidi, lance di iniezione, ugelli bifluido, sensoristica aggiuntiva, camicie di termoregolazione, allacciamenti per il vuoto, utensili di taglio o disagglomerazione, moduli di pulizia, organi di scarico e tecnica di vagliatura, trasporto o confezionamento a valle. Tali ampliamenti sono particolarmente efficaci quando allacciamenti di riserva, posizioni di montaggio libere, riserve di spazio, ingressi e uscite aggiuntivi nel controllo, percorsi cavi sufficientemente ampi e capacità libere nell'alimentazione di energia e fluidi ausiliari sono già stati previsti nella pianificazione iniziale.
La modularizzazione meccanica può avvenire tramite flange standardizzate, collegamenti clamp, raccordi per tubazioni, piastre adattatrici, telai skid, aggregati mobili o container standardizzati. Collegamenti standardizzati da soli non garantiscono tuttavia una semplice intercambiabilità. Devono essere adeguati anche sollecitazioni, resistenza a pressione e vuoto, requisiti di tenuta, igiene, protezione antideflagrante, pulibilità, accessibilità e le proprietà effettive dei materiali. Proprio nei prodotti sfusi, comportamento di scorrimento, densità apparente, umidità, abrasività, tendenza alla segregazione e comportamento della polvere influenzano in modo determinante se un nuovo modulo di dosaggio o di trasporto collabori in modo affidabile con l'impianto esistente.
I sistemi di cambio rapido sono sensati soprattutto quando i componenti dipendenti dal prodotto cambiano spesso, mentre l'impianto di base resta invariato. Esempi sono lance di dosaggio, vagli, utensili, adattatori di scarico, contenitori, elementi filtranti, ausili di riempimento o parti soggette a usura sostituibili. Nella produzione discreta possono essere molto efficaci anche sistemi di serraggio a punto zero, teste di cambio utensile e portapezzi standardizzati. Per gli impianti di miscelazione di polveri la loro importanza è generalmente minore rispetto alla lavorazione per asportazione di truciolo o al montaggio robotizzato, perché pulibilità, tenuta, contenimento e flusso di materiale sono spesso più importanti di un cambio utensile puramente meccanico e rapido.
La sostituzione di un miscelatore con una taglia più grande o più piccola non è un ampliamento modulare, bensì un adeguamento di capacità. Anche utilizzando lo stesso principio di miscelazione, possono variare cinetica di miscelazione, grado di riempimento, velocità periferica, trasferimento di calore, comportamento di dosaggio, svuotamento e sollecitazione del prodotto. Ricette e parametri di processo non possono quindi essere trasferiti a un'altra taglia senza ulteriori verifiche. Sono necessarie una valutazione di processo e, in molti casi, prove con il prodotto originale.
Un'architettura di controllo e software scalabile è importante per una modularità autentica tanto quanto la meccanica. I nuovi componenti necessitano di funzioni, modalità operative, fasi di processo, messaggi, allarmi, interblocchi, valori obiettivo e stati sicuri univoci. Una programmazione PLC modulare può aiutare a integrare queste funzioni in modo strutturato. PLC sta per controllore logico programmabile e indica un computer industriale per il controllo di macchine e processi. Devono essere descritte anche le interfacce verso sistemi sovraordinati, ad esempio il sistema di supervisione, il Manufacturing Execution System o l'Enterprise Resource Planning System. Un Manufacturing Execution System, in breve MES, supporta il controllo operativo della produzione e la documentazione di lotto. Un Enterprise Resource Planning System, in breve sistema ERP, supporta la pianificazione e la gestione di ordini, materiali e risorse.
Il Module Type Package, in breve MTP, può supportare l'integrazione dal punto di vista dell'automazione delle unità di processo modulari. MTP è una descrizione formale e neutrale rispetto al costruttore delle funzioni e delle interfacce di un modulo di processo. È descritto nell'ambito della serie di linee guida VDI/VDE/NAMUR 2658 e consente l'inserimento di un modulo idoneo in un livello sovraordinato di orchestrazione di processo. MTP può contenere indicazioni su schermate operatore, servizi del modulo, informazioni di diagnostica e manutenzione, nonché interfacce di comunicazione. È particolarmente adatto a moduli di processo delimitati e ampiamente autonomi, ad esempio skid di dosaggio o di termoregolazione. MTP non rende tuttavia superflua alcuna verifica di compatibilità meccanica o di processo e non conduce automaticamente a un «plug and produce». A tal fine il sistema di supervisione di processo, i moduli di processo, i modelli dati e i cicli operativi devono essere effettivamente progettati come compatibili con MTP.
Per la comunicazione tra i moduli e un livello di orchestrazione di processo viene spesso impiegata OPC Unified Architecture, in breve OPC UA. OPC UA supporta lo scambio strutturato e interoperabile di dati di processo e di stato. Non risolve tuttavia le questioni relative a responsabilità, rilasci, logica di sicurezza, qualità dei dati o corretta interazione di più moduli. La reale flessibilità nasce solo quando interfacce tecniche, modelli dati semantici, logica di ricetta, funzioni di sicurezza e cicli operativi sono coordinati tra loro.
Moduli mobili o spostabili possono migliorare la flessibilità di layout, ad esempio nel caso di container, stazioni di dosaggio mobili, unità filtranti, sistemi skid o aggregati di confezionamento. Non sono tuttavia adatti a ogni applicazione. Operazioni aggiuntive di accoppiamento, trasporto e posizionamento possono creare rischi per tenuta, igiene, sicurezza sul lavoro, allacciamenti dei fluidi ausiliari e scambi di materiale. I veicoli a guida automatica, chiamati anche Automated Guided Vehicles o in breve AGV, possono automatizzare la logistica dei materiali, ma richiedono spazio sufficiente, percorsi di transito sicuri, un concetto di consegna robusto e un'integrazione affidabile nella pianificazione della produzione. Per aree molto polverose, a rischio di esplosione o con requisiti igienici severi, il loro impiego va valutato con particolare attenzione.
Un'alimentazione modulare dei fluidi ausiliari può facilitare notevolmente gli ampliamenti futuri. Tra questi rientrano allacciamenti predisposti e riserve dimensionate a sufficienza per corrente, reti, aria compressa, acqua, vapore, raffreddamento, vuoto, gas inerte, aria di scarico e acque reflue. Gli accoppiamenti multipli possono ridurre i tempi di montaggio, ma devono essere adeguati al livello di pressione, al fluido e al concetto di pulizia e sicurezza. Nelle applicazioni critiche dal punto di vista igienico o normativo, ulteriori punti di accoppiamento non devono creare nuovi spazi morti, rischi di perdite, rischi di scambio o zone difficili da pulire.
Modelli digitali e messa in servizio virtuale possono preparare le trasformazioni e ridurre i rischi. La messa in servizio virtuale utilizza un modello dell'impianto e della logica di controllo per testare stati operativi, interfacce, interblocchi, scenari di errore e sequenze prima del montaggio effettivo. Può rendere visibili gli errori prima e ridurre il tempo necessario per la messa in servizio in loco. Il National Institute of Standards and Technology descrive la messa in servizio virtuale come l'impiego della simulazione per sviluppare, verificare e valutare sistemi di controllo prima del collegamento con l'impianto reale.
Un gemello digitale va distinto da questo. Un vero gemello digitale è una rappresentazione digitale finalizzata a uno scopo di un elemento fisico osservabile, sincronizzata con tale elemento. Per i processi di miscelazione, un gemello solido e fisicamente significativo sarebbe particolarmente impegnativo: dovrebbe rappresentare non solo geometria, azionamento, logica di controllo e dati di misura, ma anche le proprietà del prodotto sfuso e la loro variazione durante il processo. Tra queste rientrano, ad esempio, distribuzione granulometrica, densità apparente, umidità, comportamento di scorrimento, coesione, tendenza all'agglomerazione, abrasività, adesioni ed eventualmente l'effetto delle aggiunte di liquido. Queste proprietà oscillano spesso tra i lotti di materie prime e variano nel processo di miscelazione. Nella pratica sono raramente disponibili in modo completo, sufficientemente preciso e modellabile dinamicamente. Molte applicazioni indicate come gemelli digitali sono quindi piuttosto modelli dati, modelli di controllo virtuali, modelli di capacità o cronologie di processo. Possono essere molto utili, ma non dovrebbero essere confusi con una previsione solida di qualità di miscelazione o di comportamento del prodotto.
La capacità di adattamento di un impianto aumenta complessivamente grazie alla combinazione di moduli funzionali predisposti costruttivamente, interfacce chiare, riserve di fluidi ausiliari e di controllo sufficientemente dimensionate, software modulare e un'architettura di processo e sicurezza pulita. In particolare in presenza di prodotti mutevoli, è inoltre determinante una strategia di pulizia adeguata. Non ogni variazione di prodotto può essere gestita in modo economico tramite una riconversione modulare. Se le proprietà dei materiali, i requisiti igienici, il contenimento, la protezione antideflagrante o gli obiettivi di qualità cambiano in modo radicale, un percorso di processo separato, un impianto aggiuntivo o un diverso dimensionamento dell'apparecchio possono essere più economici e sicuri di una continua trasformazione di un impianto di miscelazione esistente.
Modularità e retrofittabilità in amixon®
Un impianto di miscelazione non può essere definito modulare solo perché è in grado di lavorare ricette o dimensioni di lotto diverse. La lavorazione di prodotti mutevoli all'interno di un intervallo operativo definito è anzitutto una questione di dimensionamento di processo. La vera modularità riguarda invece moduli funzionali aggiuntivi o sostituibili, nonché interfacce meccaniche, dei fluidi ausiliari, elettriche e di controllo predisposte costruttivamente.
amixon® può dimensionare i miscelatori in modo specifico per progetto sulla base della User Requirement Specification, in breve URS. La URS è la specifica dei requisiti documentata dal gestore. Se ampliamenti futuri sono già prevedibili, allacciamenti di riserva, posizioni di montaggio libere, riserve di spazio, ingressi e uscite aggiuntivi nel controllo, nonché capacità per energia, aria compressa, liquidi, vuoto o mezzi di pulizia possono essere inclusi nella progettazione. Ciò consente spesso di realizzare in modo più economico gli adattamenti successivi. Se questi presupposti non sono presenti, un retrofit può comunque essere possibile, ma richiede di norma una verifica meccanica, di controllo e di sicurezza più estesa.
Con un dimensionamento adeguato, i miscelatori amixon® possono lavorare gradi di riempimento, dimensioni di lotto e ricette diverse. Per alcuni apparecchi e applicazioni amixon® indica un possibile intervallo di grado di riempimento dal 10 al 100 per cento circa. Questo intervallo non dovrebbe tuttavia essere inteso come una promessa generale valida per ogni ricetta. Qualità di miscelazione, tempo di miscelazione, svuotamento e delicatezza sul prodotto dipendono, tra l'altro, da densità apparente, distribuzione granulometrica, umidità, coesione, sequenza di dosaggio, contenuto di liquido, grado di riempimento e configurazione dell'utensile. L'idoneità per prodotti mutevoli va quindi verificata con il prodotto effettivo.
I programmi di miscelazione possono essere memorizzati in un controllore logico programmabile, in breve PLC, ed eseguiti in modo riproducibile per ogni lotto. Il PLC è un computer industriale per il controllo di macchine e processi. In una ricetta possono essere memorizzati, ad esempio, tempo di miscelazione, velocità, sequenza di dosaggio, profilo di temperatura e ulteriori valori obiettivo. Un cambio di ricetta tramite interfaccia operatore è sensato e ammissibile solo se i parametri sono rilasciati, tecnicamente plausibili e protetti da modifiche non autorizzate. Nelle applicazioni critiche per la qualità o regolamentate, la gestione delle ricette necessita inoltre di controllo delle versioni, concetti di autorizzazione, audit trail e una gestione regolamentata delle modifiche.
L'intensità di miscelazione può essere influenzata, a seconda dell'esecuzione dell'apparecchio, tramite tempo di miscelazione, velocità, esecuzione dell'utensile e organi di processo aggiuntivi. Rotori di taglio o utensili high-shear possono essere impiegati in determinate applicazioni per la disagglomerazione o per una migliore incorporazione di liquidi. Possono tuttavia danneggiare le particelle, apportare calore, modificare la distribuzione granulometrica o influenzare il comportamento di scorrimento. Una lavorazione più intensa non è quindi un vantaggio generale, ma deve essere valutata per il rispettivo prodotto e obiettivo di processo.
Moduli funzionali retrofittabili possono comprendere, ad esempio, dosaggi liquidi con lance di aggiunta o ugelli bifluido, sensoristica aggiuntiva, camicie di termoregolazione, allacciamenti per il vuoto, lance di lavaggio, moduli di pulizia, rotori di taglio, organi di scarico e funzioni di dosaggio. Il retrofit di un'aggiunta di liquido influenza, ad esempio, bagnatura, agglomerazione, incrostazioni, onere di pulizia e struttura del prodotto. I punti di misura aggiuntivi devono essere installati in modo tale da preservare tenuta, pulibilità, contenimento ed eventualmente protezione antideflagrante. Anche una camicia di termoregolazione richiede una valutazione di trasferimento di calore, resistenza alla pressione, allacciamenti dei fluidi ausiliari, regolazione e possibili effetti sul prodotto.
amixon® può supportare i gestori nella valutazione tecnica, negli ammodernamenti e nei retrofit di impianti esistenti. Il beneficio effettivo di piccole trasformazioni non dovrebbe tuttavia essere garantito in modo generico. Un miglioramento di scorrevolezza, qualità di prodotto o tempo di attraversamento presuppone che la causa di un problema esistente sia compresa e che la modifica proposta affronti esattamente questa causa. Una lancia liquida aggiuntiva può ad esempio migliorare la qualità di prodotto, ma in caso di posizionamento sfavorevole o distribuzione delle gocce inadeguata può anche provocare incrostazioni e zone disomogenee.
La sostituzione di un miscelatore con una taglia più grande o più piccola non è un ampliamento modulare, bensì un adeguamento di capacità. Anche a parità di principio di miscelazione, ricette e parametri non sono trasferibili senza ulteriori verifiche a un'altra taglia. Condizioni di flusso, cinetica di miscelazione, grado di riempimento, velocità periferica, apporto energetico, trasferimento di calore, comportamento di dosaggio e svuotamento possono variare. amixon® offre, per determinate serie di miscelatori, taglie a passi di 100 litri fino a 50 metri cubi; per il miscelatore Gyraton® vengono indicate, secondo quanto riportato dall'azienda, taglie fino a 100 metri cubi. Queste opzioni di taglia possono facilitare la scelta di una capacità adeguata, ma non costituiscono una prova di scalabilità diretta e invariata delle ricette.
Nel miscelatore a container tipo COM, un ampliamento di capacità può avvenire tramite ulteriori Mixtainer®. Questo non è un ampliamento del miscelatore stesso, ma può aumentare la prestazione del sistema disaccoppiando organizzativamente pesatura, miscelazione, stoccaggio intermedio, pulizia, trasporto e riempimento. Il beneficio dipende dal numero di Mixtainer®, dalla stazione di miscelazione disponibile, dalla logistica dei contenitori, dalla durata di pulizia, dai tempi di rilascio, nonché dalle fasi di processo a monte e a valle. Contenitori aggiuntivi non migliorano quindi automaticamente la portata; possono tuttavia ridurre i colli di bottiglia se il sistema complessivo è dimensionato di conseguenza. amixon® descrive il COM come un sistema di miscelazione a container per prodotti asciutti e umidi con gradi di riempimento variabili.
Prima di un retrofit o di una riconversione dovrebbero essere effettuate prove con il prodotto originale. Nei centri prove amixon® possono essere esaminati, tra l'altro, qualità di miscelazione, distribuzione dei liquidi, disagglomerazione, delicatezza sul prodotto, apporto energetico, andamento della temperatura, svuotamento, adesioni e pulibilità. I risultati possono servire come base tecnica per la decisione e aiutare a ridurre i rischi prima dell'attuazione. Non sostituiscono tuttavia le verifiche sull'impianto di produzione effettivamente trasformato. In particolare in caso di requisiti di prodotto, prescrizioni igieniche, contenimento, protezione antideflagrante o specifiche di qualità modificati, gli effetti della modifica devono essere valutati nel reale ambiente di produzione. amixon® gestisce, secondo quanto indicato dall'azienda, centri prove in Germania, negli Stati Uniti e in diversi paesi asiatici.
Per la tracciabilità, ricette, lotti e parametri di processo possono essere gestiti in un PLC e collegati, tramite sistemi a codice a barre e interfacce specifiche per progetto, a un sistema Enterprise Resource Planning, in breve sistema ERP, o a un Manufacturing Execution System, in breve MES. Un sistema ERP supporta la pianificazione e la gestione di materiali, ordini e risorse. Un MES supporta il controllo operativo della produzione e la documentazione di lotto. Un collegamento di questo tipo può supportare la tracciabilità dei lotti, le valutazioni dell'efficacia complessiva dell'impianto e una gestione controllata delle ricette. L'efficacia complessiva dell'impianto è indicata in inglese come Overall Equipment Effectiveness e in breve OEE. La sua significatività dipende da dati completi, timestamp coerenti, categorie di fermo chiare e una rilevazione dei dati di qualità solida.
In ambienti regolamentati amixon® può fornire documentazione tecnica e supportare la Design Qualification, in breve DQ, la Installation Qualification, in breve IQ, e la Operational Qualification, in breve OQ. La DQ documenta l'idoneità del design rispetto ai requisiti specificati. La IQ conferma l'installazione a regola d'arte. La OQ dimostra che l'impianto funziona all'interno dell'intervallo operativo previsto. L'esecuzione può orientarsi a requisiti specifici di progetto quali Good Manufacturing Practice, in breve GMP, ATEX, EHEDG, requisiti FDA, 3-A Sanitary Standards o ASME. La responsabilità per il change control, la valutazione dei rischi, la validazione di pulizia e di processo, nonché la validazione dei sistemi elettronici, rimane in capo al gestore.
amixon® accompagna gli impianti, secondo quanto indicato dall'azienda, con manutenzione, ammodernamento, retrofit e servizio ricambi. Questo supporto può aumentare la capacità di adattamento a lungo termine. Determinante resta tuttavia una documentazione tecnica aggiornata con disegni, elenchi di materiali e componenti, versioni del software di controllo, descrizioni delle interfacce, protocolli di prova e una strategia dei ricambi chiara. Solo così ampliamenti pianificati possono essere valutati tecnicamente e realizzati in modo controllato anche dopo anni.