Produttore di bevande globale migliora la capacità e l'uniformità

Contesto
L'uniformità e la sicurezza dei prodotti sono fondamentali per qualsiasi processo di produzione di bevande. Per decenni, i produttori di bevande si sono affidati a sistemi batch non standard per mantenere la qualità e il rendimento dei processi.

In seguito all'accelerazione delle normative, alla riduzione di manodopera qualificata e alla continua richiesta di maggiore variazione dei prodotti del mercato, i produttori di bevande richiedono livelli di standardizzazione sempre più elevati.

Quando un produttore globale di bevande distillate, birra e vino ha deciso di espandere la capacità presso il proprio impianto in Illinois, ha contattato Barnum Mechanical, Inc., ditta che si occupa di progettazione dei processi, per una soluzione chiavi in mano. Per la realizzazione del nuovo sistema di controllo, la ditta Barnum si è rivolta all'azienda Industrial Automation Group.

Con sede a Modesto, in California, Industrial Automation Group è specializzata in soluzioni di controllo dei processi per l'industria alimentare, è integratore di sistemi Rockwell Automation riconosciuto e membro certificato dell'associazione degli integratori di sistemi di controllo, CSIA (Control System Integrators Association).

Sfida
"Il miglioramento dell'efficienza dei processi della base installata era un obiettivo chiave per questa azienda di produzione di bevande", ha affermato Niniv Tamimi, program manager di Industrial Automation Group. "L'azienda ha inoltre pianificato l'aumento della capacità totale aggiungendo al sistema serbatoi di imbottigliamento, raccolta e stoccaggio degli ingredienti di base".

L'espansione dell'impianto è stata di notevole e ha comportato l'aumento delle stazioni di autocarri/vagoni cisterna e serbatoi di stoccaggio di circa il 75 percento nell'area di ricezione. La sala di miscelazione è stata sottoposta a un ingrandimento simile. Nel reparto di imbottigliamento sono stati aggiunti serbatoi e alcuni di quelli esistenti sono stati convertiti in serbatoi multifunzionali, utilizzabili per l'imbottigliamento e per lo stoccaggio degli ingredienti di base.

"Durante l'espansione delle proprie operazioni, l'azienda ha pianificato la migrazione a una soluzione di batch onnicomprensiva", ha spiegato Tamimi. "Ha deciso di installare un sistema efficiente conforme allo standard S88".

Lo standard ANSI/ISA-88 (S88) fornisce una serie coerente di terminologia e standard per il controllo di batch nei sistemi di automazione industriale, inclusi il modello fisico, le procedure e la gestione delle ricette. Il sistema esistente non era conforme allo standard S88.

"Per l'archiviazione delle ricette veniva utilizzato un database commerciale e l'intero sistema di dosaggio era programmato con codice VBA (Visual Basic for Application) e la relativa interfaccia operatore", ha affermato Tamimi. Per ottenere una qualità del prodotto accettabile con il sistema esistente, spesso l'impianto aveva bisogno di implementare due o tre correzioni per ciascun batch. Il tempo di collaudo per ciascuna correzione di batch era di circa due ore. Inoltre, il sistema non aveva funzionalità di "failover" o di ridondanza.

"Di conseguenza, se un server si arrestava, il sistema poteva interrompersi per un periodo da due a quattro ore", ha detto Tamimi. "Oltre a migliorare la qualità del prodotto, il nostro cliente aveva bisogno di aumentare la disponibilità del sistema".

Infine, l'azienda aveva la necessità di disporre di una maggiore sicurezza. Il sistema esistente aveva solo tre tipi di accessi: operatore, supervisore e amministratore. Le password per gli accessi potevano essere facilmente condivise tra tutti gli utenti. Il cliente ha specificato che il nuovo sistema di processo avrebbe dovuto includere credenziali di accesso specifiche per utente, disconnessione automatica e firme elettroniche.

Soluzione
Industrial Automation Group ha applicato una soluzione di controllo basata sul sistema di automazione dei processi PlantPAx®, un sistema di controllo distribuito (DCS, Distributed Control System) moderno di Rockwell Automation.

"Con una soluzione PlantPAx abbiamo potuto progettare un sistema a elevata disponibilità che avrebbe sfruttato molte nuove tecnologie, ad esempio la virtualizzazione", ha spiegato Tamimi. "In effetti, abbiamo scelto un ambiente virtuale per questa applicazione".

Rockwell Automation supporta la virtualizzazione con il software VMware® Ready e consiglia l'utilizzo della virtualizzazione dei server e di VMware vSphere® per la gestione di applicazioni di produzione run-time. La virtualizzazione dei server rimuove la dipendenza da un sistema operativo (SO) host completo e fornisce un ambiente molto più stabile per applicazioni critiche.

Il nuovo sistema include una piattaforma di controllo multidisciplinare, modulare e informatizzata che abbina al controllo dei processi e della sicurezza funzionalità di comunicazione e I/O avanzate. Il sistema completamente ridondante controlla le applicazioni nelle aree di esecuzione dei processi e gli skid CIP (Clean in Place). Il controllo remoto è stato integrato per l'esecuzione dei processi di Classe 1, Divisione 1 per aree pericolose. Sono state installate workstation operatore nella sala di controllo e nelle sale di dosaggio. Nella sala di controllo è stata inoltre posizionata una workstation di progettazione per l'ottimizzazione in tempo reale del processo.

Inoltre, il sistema PlantPAx include funzionalità di visualizzazione a livello di supervisione per fornire agli operatori un'analisi ottimale delle informazioni sui processi. Le funzionalità di visibilità, prestazioni e gestione dati, insieme al software di gestione della produzione, forniscono il controllo dei processi e batch.

Per garantire la massima operatività dell'impianto durante l'aggiornamento, Industrial Automation Group ha implementato il sistema in fasi. Innanzitutto, sono state messe in funzione le aree di ricezione dei liquidi sfusi, incluse le nuove stazioni per autocarri e ferroviarie e i serbatoi di stoccaggio di prodotto sfuso. A questi asset sono state inoltre applicate sequenze CIP (Clean in Place).

Successivamente, è stato aggiunto il nuovo sistema di dosaggio. Per implementare il sistema, sono state ricreate 120 ricette originali. A causa dell'espansione dell'impianto e dei nuovi asset nel sistema, l'ordine delle aggiunte dei materiali è stato rivisto nell'ambito del processo mirato alla riduzione del tempo di lavorazione di ciascun batch e del mantenimento della qualità.

"L'esecuzione rigorosa dei collaudi e del controllo di qualità è stata estremamente importante", ha affermato Tamimi. "Prima di poter disinstallare il sistema precedente, dovevamo verificare che il nuovo sistema fosse in grado di produrre le ricette esistenti". Al completamento del collaudo in fabbrica (FAT, Factory Acceptance Testing) iniziale, il team ha integrato il nuovo sistema di controllo durante una chiusura dell'impianto di due settimane. Il sistema è stato ulteriormente collaudato e le ricette e i parametri sono stati perfezionati in base alle esigenze.


Risultati
"L'uniformità e il rendimento complessivi dell'impianto sono stati migliorati", ha detto Tamimi. "Inoltre, l'azienda può ora aggiungere nuove ricette più facilmente con il sistema batch, grazie alla condivisione della maggior parte delle operazioni e di molte procedure unitarie".

Per semplificare ulteriormente lo sviluppo delle ricette, il sistema consente l'assegnazione dinamica della priorità in base all'input dell'operatore o ad altre variabili definite. Grazie alla funzionalità di gestione dei materiali nel software batch, non è necessario riscrivere le ricette se lo stesso materiale è stoccato in un serbatoio diverso.

Durante la fase di messa in servizio, Industrial Automation Group ha aiutato l'azienda di produzione di bevande a introdurre 50 nuove ricette.

Il sistema migliora inoltre le funzionalità di reportistica CIP poiché tiene traccia di tutto il sequenziamento e genera automaticamente report al completamento di ogni ciclo CIP per documentare le procedure di pulizia prima dell'esecuzione del batch successivo.

Inoltre, il sistema aiuta a garantire l'uniformità dei prodotti.

"Non sempre gli ingredienti di base vengono immessi nel sistema con le stesse esatte proprietà definite nella ricetta", ha spiegato Tamimi. "In tal caso, possiamo aggiornare i parametri nel sistema, che regolerà automaticamente le quantità degli ingredienti per ciascuna ricetta".

Grazie alla messa in servizio del sistema PlantPAx l'impianto di produzione di bevande ha conseguito il proprio obiettivo di una sola correzione per batch.

Infine, il sistema ha consentito di migliorare la sicurezza con accessi individuali e firme elettroniche. Il sistema impone inoltre una disconnessione automatica dopo 15 minuti e richiede il reinserimento delle credenziali per tutti gli elementi critici.