Construire une infrastructure d'automatisation

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À moins que vous n'exploitiez une toute nouvelle usine à la pointe de la technologie, vous disposez probablement d'une installation avec un méli-mélo d'équipements de traitement et d'emballage vieillissants avec divers millésimes de prise en charge de logiciels de réseau et d'application, peut-être plusieurs domaines nécessitant un travail manuel. Mais même une toute nouvelle usine d'aujourd'hui est l'installation vieillissante de demain, nécessitant éventuellement des mises à jour d'équipement et de logiciel pour la faire fonctionner avec un temps d'arrêt minimal, une efficacité maximale et une qualité de produit constante.

Pour les installations plus anciennes, savoir où et quoi automatiser (quelles devraient être vos priorités) est important pour vous aider à rester compétitif maintenant et à l'avenir. Pour ceux qui ont de nouvelles plantes, il n'est jamais trop tard pour planifier vos objectifs futurs. Dans cet article, nous examinons comment savoir quand, où et quoi automatiser dans une installation plus ancienne. Bien entendu, les réponses à ces questions ne seront pas les mêmes pour toutes les plantes.

Les principales motivations qui poussent les transformateurs alimentaires à automatiser leurs opérations comprennent la réduction de la main-d'œuvre, l'augmentation de l'efficacité de la production et l'amélioration de la qualité des produits, déclare Ryan Beesley, CAP, directeur régional de l'ingénierie - Kennewick, Concept Systems, Inc., membre certifié de la Control System Integrators Association (CSIA). Mais l'aspect de la main-d'œuvre a surtout été un problème aigu au cours des deux dernières années.

« La pandémie de COVID-19 a mis en évidence des défis liés au travail dans l'industrie qui n'étaient pas totalement apparents auparavant », déclare Beesley. « En réponse à la pandémie, les transformateurs alimentaires ont dû s'assurer que la population disposait d'un approvisionnement constant en produits tout en faisant face à un marché du travail instable qui pouvait avoir un impact important sur leur main-d'œuvre. La production alimentaire étant classée comme un service essentiel, répondre à la demande est devenue une priorité absolue. La pandémie a également exposé les vulnérabilités des processus existants, car ils ont été poussés au-delà de leurs limites de capacité. La pénurie de main-d'œuvre a eu un impact plus profond que prévu sur les systèmes de production, ce qui a conduit de nombreux producteurs à adopter rapidement des solutions d'automatisation.

Des lignes de production supplémentaires peuvent augmenter la production, mais la main-d'œuvre reste une considération importante dans tout projet. "Nous avions un fabricant de produits alimentaires qui avait besoin d'une capacité supplémentaire importante, entraînant un besoin de conception et d'installation de lignes de production supplémentaires", explique Alfredo Valadez, chef de projet Burns & McDonnell pour les installations mondiales. Ces lignes ont été conçues avec la dernière technologie automatisée qui a réduit la main-d'œuvre et amélioré la qualité et ajouté séparément une protection contre les perturbations opérationnelles dues aux pénuries de main-d'œuvre. Avec moins de personnes nécessaires pour faire fonctionner les lignes de production, le risque que des personnes ne se présentent pas et perturbe la production a été réduit.

Selon David Campbell, responsable du département Burns & McDonnell pour les installations mondiales, dans l'installation que Valadez vient de décrire, alors que l'ajout de nouvelles lignes de production a augmenté la capacité de 60 %, un entrepôt entièrement automatisé de 40 000 positions de palettes a été ajouté pour augmenter la capacité. L'automatisation de l'entrepôt a entraîné une réduction de 50 % du coût par caisse grâce à la consolidation du stockage sur site. Le composant d'automatisation a également entraîné une réduction de 40 % du coût de la main-d'œuvre par cas et une réduction de 50 % de la maintenance en raison du retrait des processus d'automatisation obsolètes.

L'entrepôt a toujours été une zone à forte intensité de main-d'œuvre avec des coûts de distribution en hausse et des tâches de plus en plus difficiles à remplir, et les gens ne sont pas aussi disposés à travailler dans des environnements froids, ajoute Mark Livesay, vice-président de l'entreposage automatisé chez ESI Group. Une demande plus élevée de produits signifie une augmentation de la capacité de production, ce qui entraîne ensuite la croissance des entrepôts. Les restrictions de site et les terrains devenant de plus en plus chers - et il n'est souvent pas possible de déplacer une installation de production vers un autre emplacement - il est logique de passer à la verticale via une installation AS/RS. L'automatisation devient de plus en plus nécessaire pour acheminer le produit jusqu'au quai pour le transporter jusqu'au consommateur. La perte de produit est pratiquement éliminée avec l'automatisation AS/RS puisque l'inventaire est précis et traçable à 100 %.

Qualité—Pourquoi ne pas utiliser l'automatisation pour améliorer la qualité, ce qui signifie moins de déchets et moins de rebuts ? Par exemple, un grand fabricant de confiserie a été confronté à un problème d'incidents de déviation de la qualité, selon Pete Gabor, directeur du développement commercial, Glassdome, membre de l'AMSC. Au cours des cinq dernières années, le nombre de références a plus que doublé. L'introduction de nouvelles matières premières, équipements et procédures a plus que doublé le nombre de cas d'écart de qualité. Les tests de taille, d'épaisseur et de qualité de saveur de l'une de ses principales gammes étaient effectués manuellement et demandaient beaucoup de travail. À intervalles réguliers, des échantillons seraient prélevés sur la ligne, mesurés, écrits à la main dans une entrée de journal puis entrés dans leur système de gestion de la qualité, explique Gabor.

"Pour automatiser ce processus, nous avons déployé un système de vision connecté à notre passerelle IoT Glassdome sur la ligne", ajoute Gabor. "Le système a mesuré la taille et l'épaisseur de chaque produit et enregistré les résultats automatiquement. Nous avons chargé toutes les données historiques du processus et les avons corrélées avec les rapports d'inspection de la qualité sensorielle pour traiter les écarts de qualité gustative. Pour trouver les paramètres optimaux, les corrélations entre la température ambiante, l'humidité, la température de formulation, l'humidité du four, la consistance de la guimauve, la taille et la température du chocolat ont été examinées. Cette approche détectait et affichait les violations de qualité en temps réel, mais nous devions également prévoir quand des perturbations se produiraient.

"Pour résoudre ce problème, nous avons créé un modèle de données qui inclut la détection et la prévision des anomalies en temps réel", explique Gabor. "Nous avons pu identifier des problèmes tels que des anomalies de la zone du four et fournir un système d'alerte précoce lorsque les conditions de l'usine devaient être modifiées pour préserver la cohérence de la qualité."

Cette solution a réduit les écarts de personnel et de qualité et a permis de fabriquer davantage d'unités. Le confiseur a pu redéployer le personnel de test manuel dans d'autres zones de l'usine tout en réduisant l'écart type de taille de 69 % et l'écart type d'épaisseur de 64 %, rapporte Gabor.

Réduction des temps d'arrêt - Vous savez, les grosses pertes qui surviennent avec juste un peu de temps d'arrêt. Rao Kolla, PE, CSCP, MBA et directeur Stellar de l'ingénierie des processus électriques/contrôles, rapporte avoir travaillé avec un fabricant de produits alimentaires Fortune 500 qui avait une installation aux prises avec des temps d'arrêt importants sur son équipement d'emballage. « Nous avons installé un logiciel de temps d'arrêt pour l'une des lignes de conditionnement et avons conseillé au directeur de l'usine de former une équipe interfonctionnelle qui pourrait confirmer les défis et les solutions proposées.

"Il a fallu du temps pour que la collecte de données adéquates valide la précision sur cette ligne d'emballage, mais une fois que cela a été établi, le directeur de l'usine m'a immédiatement rappelé, me demandant quand nous pourrions faire la même chose sur plus de leurs lignes", explique Kolla. "Cette automatisation a entraîné une réduction de 5 % des temps d'arrêt globaux, ce qui s'est finalement traduit par une amélioration globale de 60 %. C'était comme s'ils gagnaient une ligne d'emballage supplémentaire sans avoir à en construire une."

Automatisation des processus - Dean Elkins, directeur principal, automatisation avancée chez Gray Solutions, une société grise, a automatisé des usines depuis la réception et la livraison des matières premières jusqu'à la fabrication, l'emballage et le chargement des produits finis. "Des gains d'efficacité ont été réalisés grâce à la mise en œuvre et à la surveillance des contrôles de processus et des données de fabrication, des procédures automatisées de test et d'inspection en cours de processus et une automatisation flexible qui augmente la main-d'œuvre tout en respectant les normes de sécurité alimentaire et industrielle."

Mais, si vous ne pouvez pas automatiser une installation entière, peut-être qu'un bon point de départ est le traitement par lots. "Bien que nous ayons mis en place des solutions dans toutes les installations de transformation des aliments, nous avons constaté que nos solutions de dosage ont eu le plus d'impact pour nos clients", déclare Tim Barthel, vice-président - solutions d'automatisation chez Cybertrol Engineering, membre certifié CSIA. « En optimisant ce processus, nous avons augmenté le débit, réduit les temps d'arrêt et les reprises, et amélioré la qualité en comprenant les défis de nos clients dans l'automatisation de ces processus. Nous fournissons également des solutions à valeur ajoutée, telles que l'intégration et l'automatisation des recettes de nos clients qui sont stockées dans leurs systèmes ERP, qui nécessitaient historiquement des presse-papiers et du papier.

Standardisation - Bien que la standardisation en soi ne soit pas un avantage de l'automatisation, elle est certainement un ingrédient nécessaire pour empêcher ces tristement célèbres îlots d'automatisation. "La standardisation facilite l'intégration de différentes machines, lignes et zones de production depuis l'usine", explique Enmanuel Aparicio-Velazquez, responsable technique du compte technique d'automatisation d'usine chez Siemens AG Digital Industries. "L'avantage : la connectivité de l'atelier permet de convertir les données en transparence de la production et en indicateurs de performance pour l'optimisation des ressources."

Cette standardisation doit faire partie intégrante de la technologie matérielle et logicielle d'automatisation ; définir des protocoles de communication de données pour l'atelier (par exemple, OMAC, MTP) et relier entre elles des solutions standardisées, telles que SCADA, surveillance des KPI, gestion des opérations, maintenance prédictive, etc.

Il n'y a pas deux solutions d'automatisation identiques, chacune est unique. "Les solutions d'automatisation personnalisées commencent généralement par une phase de faisabilité et de conception qui implique une analyse approfondie des opérations et des données existantes", déclare Burns & McDonnell's Campbell. "Après cela, une conception détaillée et une estimation des coûts ferme sont fournies. Enfin, la phase d'exécution sur site comprend généralement la supervision de l'ingénierie, la construction et l'installation des systèmes et les services de démarrage."

« E Tech se spécialise dans les études d'ingénierie et de conception frontales (FEED) qui aident nos clients à aborder leurs systèmes de contrôle de manière stratégique », déclare Cassy Gardner, directrice des opérations, Vacaville, Life Science, E Tech Group. "Nous avons un processus éprouvé que nous apportons à nos clients pour les aider à résoudre des problèmes complexes et ouverts.

« Selon notre expérience, ce qui est le plus essentiel pour le succès », déclare Gardner, « c'est que les besoins et les résultats de toutes les parties prenantes sont bien définis dès le départ. Le faire systématiquement peut unifier les parties prenantes et réduire les changements coûteux en phase finale.

« Au début de l'évaluation, nous comprenons où l'équipe de direction perçoit des lacunes dans leurs systèmes actuels, ce qui nous donne une vue d'ensemble pour affiner notre objectif », explique Beesley de Concept Systems. « Ensuite, nous interrogeons les responsables de production, les responsables de production et les opérateurs pour identifier les domaines de préoccupation. Généralement, les responsables de production et les opérateurs possèdent une mine de connaissances sur leurs processus et peuvent facilement nous orienter vers les zones problématiques.

Ensuite, Concept Systems donne la priorité aux processus hautement répétitifs, nécessitant une formation interne minimale ou impliquant des opérations complexes mais généralement effectuées par des opérateurs qui imitent étroitement les opérations automatisées.

Après l'évaluation, l'intégrateur système (SI) rencontre les parties prenantes pour sélectionner les projets qui offrent le meilleur retour sur investissement. Celles-ci peuvent aller d'améliorations de l'acquisition de données (qui sont utilisées pour déterminer les zones nécessitant une modernisation) à des mises à niveau de commandes de machines ou à des mises à niveau pluriannuelles. Le processus utilise des informations d'évaluation pour hiérarchiser les projets qui s'alignent sur les objectifs stratégiques de l'organisation et offrent des avantages tangibles.

Peut-être qu'une meilleure question devrait être basée sur la valeur, dit Aparicio-Velazquez de Siemens. "La décision d'automatiser les zones de fabrication doit être axée sur la valeur plutôt que sur la facilité ou la difficulté de mise en œuvre. Les gains rapides sont acceptables. Cependant, ils doivent être obtenus à la suite d'actions exécutées après avoir exploré, identifié, décidé et analysé les moteurs de l'activité, en tenant compte de toutes les parties prenantes de l'entreprise."

Le traitement ou le pré-emballage est généralement le plus facile à automatiser, en raison de la moindre complexité lors de la manipulation du produit avant l'emballage, explique Valadez. Les exigences d'emballage peuvent créer une complexité variable dans la conception de l'automatisation. Certains emballages sont conçus pour l'automatisation, ce qui facilite l'automatisation, tandis que d'autres emballages sont conçus pour être faciles à utiliser. Par exemple, les caisses prêtes pour la vente au détail ne sont parfois pas les plus faciles à automatiser en raison de l'orientation de la caisse et du produit. Ces conceptions d'emballage sont destinées à faciliter la présentation au détail et l'attraction des consommateurs, mais pas nécessairement pour les équipements d'automatisation.

Les tâches de traitement et de production peuvent être des cibles privilégiées pour l'automatisation car ces tâches ont généralement des niveaux élevés de répétabilité et de cohérence, explique Campbell. D'autres zones de l'usine où il y a des goulots d'étranglement à la production sont mûres pour l'automatisation. Ces zones absorbent généralement une grande quantité de dépenses de main-d'œuvre, ou de grands volumes de matériaux tamponnés sont stockés et en attente de traitement, ou les processus manuels entraînent des taux élevés de défauts de qualité. L'automatisation de ces domaines peut fournir des retours sur investissement substantiels.

"La facilité d'automatisation et la facilité de sa justification auprès de l'utilisateur final sont les deux parties de cette question qui doivent être prises en compte", déclare Barthel de Cybertrol. « Il est facile d'ajouter l'automatisation dans les systèmes de nettoyage et de traitement d'une installation, mais uniquement si l'utilisateur final est prêt à ajouter l'instrumentation nécessaire pour permettre un contrôle automatisé. Par exemple, nous avons quelques améliorations éprouvées autour des systèmes CIP qui ne demanderaient pas beaucoup d'efforts à mettre en œuvre, mais amener l'utilisateur final à ajouter une instrumentation pour permettre ce type d'amélioration peut être le premier obstacle.

Si un transformateur cherche à améliorer la sécurité et l'efficacité, l'automatisation de la manutention des matériaux peut être un bon point de départ, déclare Paige Minier, responsable de l'infrastructure OT chez Gray Solutions. Il y aura moins de chariots élévateurs à fourche manœuvrant autour de l'usine, moins de blessures au travail dues au déplacement manuel des matériaux et une efficacité améliorée en déplaçant les matériaux à travers des convoyeurs, des robots et d'autres systèmes automatisés.

"Les zones avec un niveau élevé de variabilité du travail, un niveau élevé de tâches manuelles et un nombre élevé d'éléments uniques dans la même zone sont les plus difficiles à automatiser", déclare Gabor de Glassdome. "Les ingénieurs en automatisation doivent être pessimistes lors du développement d'une solution d'automatisation. Nous devons envisager tous les scénarios négatifs possibles et concevoir une solution pour l'éviter. La solution devient de plus en plus difficile à mesure que la variabilité augmente."

"Il est difficile de pointer vers un domaine spécifique de difficulté pour l'ensemble de l'industrie", explique Valadez. "Cela dépend du produit et du processus. Par exemple, il peut être problématique et coûteux d'automatiser l'emballage s'il n'est pas conçu pour l'automatisation. De plus, les processus à faible volume/mixte élevé sont difficiles à automatiser, car ils nécessitent une flexibilité importante dans le système. Cela se traduit par un système coûteux qui a un faible retour sur investissement en raison des faibles économies d'échelle."

Les opérations qui présentent une grande variabilité dans les exigences de production, la manutention des matériaux ou les tâches diverses à effectuer peuvent être difficiles à automatiser, ajoute Campbell.

"Il peut être difficile d'automatiser les zones de l'usine qui voient peu d'uniformité du produit", explique Gray's Elkins. Les appareils tels que les appareils, les robots et les machines d'emballage sont conçus pour fonctionner avec une présentation de pièce attendue. Bien que la non-uniformité puisse souvent être résolue par l'ajout de capteurs, y compris des systèmes de vision industrielle, cela pourrait ajouter de la complexité et du coût à la solution. Une autre considération est l'adéquation de l'équipement d'automatisation à l'environnement. Des précautions particulières doivent être prises dans les zones froides ou de lavage ou dans les équipements nécessitant une graisse de qualité alimentaire, par exemple.

Tous les domaines ne se prêtent pas à des solutions peu coûteuses, par exemple les domaines à forte intensité de main-d'œuvre tels que la manutention des produits, l'emballage puis l'entreposage (stockage et préparation des commandes), explique Livesay d'ESI Group. Certains domaines sont très coûteux à automatiser et n'ont pas un bon retour sur investissement, par exemple, la préparation des pièces. Il est facile d'expédier des palettes complètes et on peut justifier des scénarios de prélèvement de couches, mais à un moment donné, une décision doit être prise s'ils peuvent justifier les dépenses d'automatisation supplémentaires pour atteindre les niveaux de prélèvement de pièces.

« Nous avons constaté que les opportunités de mise à niveau avec des systèmes hérités peuvent être les plus difficiles à vendre, car ces systèmes gèrent actuellement l'exploitation d'une usine - et un remplacement dans certains cas ne fait qu'éviter de futurs temps d'arrêt - les coûts et la définition d'un véritable retour sur investissement de production deviennent un défi », déclare Barthel de Cybertrol. Il est difficile de vendre une mise à niveau lorsqu'un processeur a l'intention de minimiser les coûts sans envisager les gains à long terme qu'il peut tirer de l'automatisation. Se concentrer uniquement sur les coûts peut empêcher le fabricant de mettre en œuvre un système plus robuste qui est moins susceptible d'avoir des temps d'arrêt en raison des systèmes hérités. Une réticence à ajouter des instruments supplémentaires empêche la collecte d'informations très précieuses qui sont nécessaires pour améliorer la production, ajoute Barthel.

Voici un problème connexe. Obtenir l'adhésion des opérateurs de l'usine peut être l'un des obstacles les plus importants à l'avancement de l'automatisation d'une usine, déclare Kolla de Stellar. Le changement est intrinsèquement difficile pour certaines personnes, mais beaucoup assimilent souvent "l'automatisation" à "je suis remplacé", bien que ce ne soit souvent pas le cas. L'éducation est essentielle car la technologie évolue rapidement et cette "peur de l'inconnu" peut considérablement entraver la capacité d'un fabricant à prospérer ou, dans certains cas, à survivre.

Enfin, si vous envisagez un projet d'automatisation, il y a toujours des pièges cachés qui peuvent annuler une entreprise réussie. Certains de ces problèmes incluent :

L'automatisation : vous ne pouvez pas vous en passer et être compétitif. "Dans de nombreux cas, l'automatisation est considérée comme une marchandise, alors qu'en réalité, une fois que l'équipement est mis en place et commence à se déprécier, l'automatisation est ce qui stimule la rentabilité des opérations d'un fabricant", déclare Barthel de Cybertrol.

"L'automatisation est tout aussi bonne que la façon dont elle est intégrée aux opérations de votre entreprise, la volonté de votre culture de l'adopter et l'hypothèse qu'elle évoluera toujours", déclare Gabor de Glassdome. "Les projets les plus réussis auxquels j'ai participé ont adopté ces trois philosophies. Je vous encourage à faire de même."

Considérations sur le déplacement des applications vers le cloud

De nombreux fournisseurs font migrer leurs offres vers des services basés sur le cloud en raison d'avancées significatives dans la fiabilité et la sécurité de ces services. Par exemple, un fabricant d'appareils d'enregistrement de données propose une solution basée sur le cloud qui répond à toutes les exigences de sécurité alimentaire et de cybersécurité, en remplacement des enregistreurs de données traditionnels sur feuille de papier. C'est une excellente alternative pour la conservation des données et la conformité.

Bien que les systèmes basés sur le cloud puissent être une option intelligente et rentable pour certains producteurs alimentaires, il est important d'entreprendre une évaluation minutieuse et méthodique des avantages et des inconvénients avant de faire le changement. Certains transformateurs alimentaires peuvent trouver que les services basés sur le cloud conviennent à la gestion de la plupart des opérations au niveau de l'entreprise, tandis que d'autres peuvent avoir des difficultés à s'éloigner des systèmes de contrôle traditionnels.

Lorsque vous envisagez de passer à des systèmes de contrôle basés sur le cloud, la sécurité et la fiabilité du processus doivent être une priorité absolue. Il est essentiel de déterminer si le processus peut être contrôlé de manière sûre et fiable sans contrôles locaux. Si la réponse ne peut pas être donnée en toute confiance et sans l'adhésion de tous les niveaux d'exploitation et de gestion, le processus ne doit pas être considéré comme un candidat pour un contrôle basé sur le cloud.

La décision de passer à des systèmes de contrôle basés sur le cloud doit impliquer un examen attentif des risques et des avantages, ainsi qu'une évaluation approfondie des besoins et des exigences spécifiques de l'opération de transformation des aliments. Si les systèmes de contrôle basés sur le cloud peuvent fournir le niveau de sécurité et de fiabilité nécessaire, ils peuvent offrir de nombreux avantages, tels qu'une accessibilité, une flexibilité et une évolutivité améliorées. Cependant, il est crucial de s'assurer que ces avantages ne se font pas au détriment de la sécurité et de la fiabilité des processus.

Une alternative à la transition complète vers des systèmes de contrôle basés sur le cloud consiste à utiliser les services logiciels d'une société telle que Rockwell Automation, qui propose une gamme de services basés sur le cloud. Par exemple, leur logiciel FactoryTalk Design Hub fournit des outils de développement qui permettent au personnel de l'usine de faire évoluer et de maintenir les systèmes sans avoir besoin de multiples révisions logicielles et programmes.

Cette approche peut offrir les avantages des services basés sur le cloud tout en conservant un certain niveau de contrôle traditionnel. Il permet des processus de développement plus efficaces et rationalisés, avec un accès aux outils et logiciels nécessaires disponibles via le cloud. Dans le même temps, il peut aider à assurer la sécurité et la fiabilité du processus en maintenant des systèmes de contrôle locaux pour les fonctions immédiates et critiques.

— Ryan Beesley, CAP, directeur régional de l'ingénierie – Kennewick, Concept Systems, Inc.