Construcción de una infraestructura de automatización

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A menos que opere una planta completamente nueva y con tecnología de punta, es probable que tenga una instalación con una mezcla de equipos antiguos de procesamiento y empaque con varias versiones de soporte de red y software de aplicación, tal vez varias áreas que requieran mano de obra. Pero incluso una planta nueva hoy en día es una instalación obsoleta del mañana, que finalmente necesitará actualizaciones de software y equipos para mantenerla en funcionamiento con un tiempo de inactividad mínimo, una eficiencia máxima y una calidad constante del producto.

Para las instalaciones más antiguas, saber dónde y qué automatizar (cuáles deberían ser sus prioridades) es importante para ayudarlo a mantenerse competitivo ahora y en el futuro. Para aquellos con plantas nuevas, nunca es demasiado tarde para planificar sus metas futuras. En este artículo, consideramos cómo saber cuándo, dónde y qué automatizar en una instalación más antigua. Por supuesto, las respuestas a estas preguntas no serán las mismas para todas las plantas.

Las principales motivaciones que impulsan a los procesadores de alimentos a automatizar sus operaciones incluyen la reducción de mano de obra, una mayor eficiencia de producción y una mejor calidad del producto, dice Ryan Beesley, CAP, gerente regional de ingeniería - Kennewick, Concept Systems, Inc., miembro certificado de la Control System Integrators Association (CSIA) . Pero el aspecto laboral ha sido especialmente un problema agudo durante los últimos años.

"La pandemia de COVID-19 ha puesto de relieve los desafíos relacionados con el trabajo en la industria que antes no eran del todo evidentes", dice Beesley. "En respuesta a la pandemia, los procesadores de alimentos tuvieron que garantizar que la población tuviera un suministro constante de productos mientras se enfrentaban a un mercado laboral inestable que podría afectar a su fuerza laboral en cantidades significativas. Dado que la producción de alimentos se clasificó como un servicio esencial, satisfacer la demanda se convirtió en una prioridad principal. La pandemia también expuso vulnerabilidades en los procesos existentes, ya que fueron empujados más allá de sus límites de capacidad. La escasez de mano de obra tuvo un impacto más profundo en los sistemas de producción de lo previsto, lo que llevó a muchos productores a adoptar soluciones de automatización rápidamente".

Las líneas de producción adicionales pueden aumentar la producción, pero la mano de obra sigue siendo una consideración importante en cualquier proyecto. "Teníamos un fabricante de alimentos que necesitaba una capacidad adicional significativa, lo que generó la necesidad de diseñar e instalar líneas de producción adicionales", dice Alfredo Valadez, gerente de proyectos de instalaciones globales de Burns & McDonnell. Esas líneas se diseñaron con la última tecnología automatizada que redujo la mano de obra y aumentó la calidad y, por separado, agregó protección contra las interrupciones operativas debido a la escasez de mano de obra. Con menos personas requeridas para operar las líneas de producción, se redujo el riesgo de que las personas no se presenten y causen interrupciones en la producción.

Según David Campbell, gerente de departamento de instalaciones globales de Burns & McDonnell, en la instalación que Valadez acaba de describir, mientras que la adición de nuevas líneas de producción aumentó la capacidad en un 60 %, se agregó un almacén totalmente automatizado con 40 000 posiciones de palets para aumentar la capacidad. La automatización del almacén resultó en una reducción del 50 % en el costo por caja a través de la consolidación del almacenamiento en el sitio. El componente de automatización también ha impulsado una reducción del 40 % en el costo de mano de obra por caso y una reducción del 50 % en el mantenimiento debido a la eliminación de procesos de automatización obsoletos.

El almacén siempre ha sido un área que requiere mucha mano de obra, con costos de distribución en aumento y trabajos cada vez más difíciles de cumplir, además, las personas no están tan dispuestas a trabajar en ambientes fríos, agrega Mark Livesay, vicepresidente de almacenamiento automatizado de ESI Group. Una mayor demanda de productos significa un aumento en la capacidad de producción, lo que luego impulsa el crecimiento del almacén. Con las restricciones del sitio y la tierra cada vez más costosa, y trasladar una instalación de producción a otra ubicación a menudo no es factible, tiene sentido volverse vertical a través de una instalación de AS/RS. La automatización es cada vez más necesaria para llevar el producto al muelle para su transporte al consumidor. La merma del producto casi se elimina con la automatización AS/RS ya que el inventario es 100 % preciso y rastreable.

Calidad: ¿Por qué no utilizar la automatización para mejorar la calidad, lo que significa menos desperdicio y menos desperdicios? Por ejemplo, un gran fabricante de golosinas enfrentó un problema con incidentes de desviación de calidad, según Pete Gabor, director de desarrollo comercial, Glassdome, miembro de CSIA. En los últimos cinco años, el número de SKU se ha más que duplicado. La introducción de nuevas materias primas, equipos y procedimientos resultó en más del doble del número de casos de desviación de calidad. Una de las principales pruebas de tamaño, grosor y calidad del sabor de sus líneas se realizaba manualmente y requería mucho trabajo. A intervalos regulares, se tomaban muestras de la línea, se medían, se escribían a mano en un diario y luego se ingresaban en su sistema de gestión de calidad, dice Gabor.

"Para automatizar este proceso, implementamos un sistema de visión conectado a nuestra puerta de enlace Glassdome IoT en la línea", agrega Gabor. "El sistema midió el tamaño y el grosor de cada producto y registró los resultados automáticamente. Cargamos todos los datos históricos del proceso y los correlacionamos con los informes de inspección de calidad sensorial para abordar las desviaciones en la calidad del sabor. Para encontrar los parámetros óptimos, las correlaciones entre temperatura ambiente, humedad, Se examinaron la temperatura de la formulación, la humedad del horno, la consistencia del malvavisco, el tamaño y la temperatura del chocolate. Este enfoque detectó y mostró violaciones de calidad en tiempo real, pero también necesitábamos predecir cuándo ocurrirían las alteraciones.

"Para abordar este problema, creamos un modelo de datos que incluye detección y pronóstico de anomalías en tiempo real", dice Gabor. "Pudimos identificar problemas como anomalías en la zona del horno y proporcionar un sistema de alerta temprana cuando era necesario modificar las condiciones de la planta para preservar la consistencia de la calidad".

Esta solución redujo las desviaciones de personal y calidad, y permitió fabricar más unidades. El fabricante de dulces pudo redistribuir el personal de prueba manual a otras áreas de la fábrica mientras reducía la desviación estándar del tamaño en un 69 % y la desviación estándar del espesor en un 64 %, informa Gabor.

Reducción del tiempo de inactividad: ya sabe, las grandes pérdidas que ocurren con solo un poco de tiempo de inactividad. Rao Kolla, PE, CSCP, MBA y director de ingeniería de controles y electricidad de procesos de Stellar, informa haber trabajado con un fabricante de alimentos de Fortune 500 que tenía una instalación que luchaba con un tiempo de inactividad significativo en su equipo de envasado. "Instalamos un software de tiempo de inactividad para una de las líneas de empaque y asesoramos al gerente de la planta para que formara un equipo multifuncional que pudiera confirmar los desafíos y las soluciones propuestas.

"Tomó tiempo recopilar datos adecuados para validar la precisión en esa línea de empaque, pero una vez que se estableció, el gerente de la planta me llamó de inmediato y me preguntó cuándo podríamos hacer lo mismo en más de sus líneas", dice Kolla. "Esta automatización condujo a una reducción del 5 % en el tiempo de inactividad general, lo que finalmente se tradujo en una mejora general del 60 %. Fue como si obtuvieran una línea de empaque adicional sin tener que construir una".

Automatización de procesos: Dean Elkins, director sénior de automatización avanzada en Grey Solutions, una empresa gris, tiene plantas automatizadas desde la recepción y entrega de materias primas hasta la fabricación, empaque y carga de productos terminados. "Las ganancias de eficiencia se han logrado a través de la implementación y el monitoreo de los controles de proceso y los datos de fabricación, los procedimientos automatizados de prueba e inspección durante el proceso y la automatización flexible que aumenta la mano de obra y cumple con los estándares de seguridad alimentaria e industrial".

Pero, si no puede automatizar una instalación completa, tal vez un buen lugar para comenzar sea el procesamiento por lotes. "Aunque hemos implementado soluciones en todas las instalaciones de procesamiento de alimentos, hemos descubierto que nuestras soluciones de procesamiento por lotes han tenido el mayor impacto para nuestros clientes", dice Tim Barthel, vicepresidente de soluciones de automatización de Cybertrol Engineering, miembro certificado de CSIA. "Al optimizar este proceso, aumentamos el rendimiento, disminuimos el tiempo de inactividad y el retrabajo, y mejoramos la calidad al comprender los desafíos de nuestros clientes en la automatización de estos procesos. También brindamos soluciones de valor agregado, como la integración y automatización de las recetas de nuestros clientes que están almacenadas en sus sistemas ERP, que históricamente requerían portapapeles y papel".

Estandarización: si bien la estandarización en sí misma puede no ser un beneficio de la automatización, ciertamente es un ingrediente necesario para prevenir esas infames islas de automatización. “La estandarización facilita la integración de diferentes máquinas, líneas y áreas de producción de la planta”, dice Enmanuel Aparicio-Velazquez, gerente técnico de cuentas de automatización de fábrica de Siemens AG Digital Industries. "El beneficio: la conectividad del piso de producción permite que los datos se conviertan en transparencia de producción e indicadores de rendimiento para la optimización de recursos".

Esta estandarización debe ser una parte inherente de la tecnología de hardware y software de automatización; defina protocolos de comunicación de datos para el taller (p. ej., OMAC, MTP) y vincule soluciones estandarizadas, como SCADA, monitoreo de KPI, gestión de operaciones, mantenimiento predictivo, etc.

No hay dos soluciones de automatización iguales: todas son únicas. "Las soluciones de automatización personalizadas suelen comenzar con una fase de viabilidad y concepción que implica un análisis profundo de las operaciones y los datos existentes", dice Campbell de Burns & McDonnell. "Después de esto, se proporciona un diseño detallado y una estimación de costos firme. Finalmente, la fase de ejecución en el sitio generalmente incluye supervisión de ingeniería, construcción e instalación de sistemas y servicios de puesta en marcha".

"E Tech se especializa en estudios de ingeniería y diseño front-end (FEED) que ayudan a nuestros clientes a abordar sus sistemas de control de manera estratégica", dice Cassy Gardner, directora de operaciones, Vacaville, Life Science, E Tech Group. "Tenemos un proceso comprobado que ofrecemos a nuestros clientes para ayudarlos a resolver problemas difíciles de manejar y abiertos.

"Lo que es más crítico para el éxito en nuestra experiencia", dice Gardner, "es que las necesidades y los resultados para todas las partes interesadas estén bien definidos desde el principio. Hacerlo de manera sistemática puede unificar a las partes interesadas y reducir los costosos cambios de última etapa".

"Al comienzo de la evaluación, obtenemos una comprensión de dónde percibe el equipo ejecutivo las deficiencias en sus sistemas actuales, lo que nos proporciona una visión general para reducir nuestro enfoque", dice Beesley de Concept Systems. "Luego, entrevistamos a los gerentes de producción, los líderes de producción y los operadores para identificar las áreas de preocupación. Por lo general, los líderes de producción y los operadores poseen un gran conocimiento sobre sus procesos y pueden dirigirnos fácilmente hacia las áreas problemáticas. Observamos cómo operan sus equipos y buscamos formas de mejorar la eficiencia de su trabajo y la facilidad de uso. Nuestro objetivo no es eliminar a los operadores, sino equiparlos con las herramientas necesarias para que sean más efectivos en sus procesos de trabajo. Por ejemplo, esto puede ir desde proporcionarles más datos procesables en un HMI para automatizar por completo un proceso agotador física o mentalmente".

A continuación, Concept Systems prioriza los procesos que son muy repetitivos, requieren una formación interna mínima o implican operaciones que son complejas pero que suelen realizar los operadores que imitan de cerca la operación automatizada.

Después de la evaluación, el integrador de sistemas (SI) se reúne con las partes interesadas para seleccionar los proyectos que proporcionen el mejor ROI. Estos pueden variar desde mejoras en la adquisición de datos (que se utilizan para determinar las áreas que necesitan modernización) hasta actualizaciones de control de máquinas o actualizaciones de varios años. El proceso utiliza conocimientos de evaluación para priorizar proyectos que se alinean con los objetivos estratégicos de la organización y brindan beneficios tangibles.

Tal vez una mejor pregunta debería basarse en el valor, dice Aparicio-Velázquez de Siemens. “La decisión de automatizar áreas de manufactura debe estar enfocada en el valor más que en la facilidad o dificultad de implementación. Las victorias rápidas están bien. Sin embargo, deben obtenerse como resultado de acciones ejecutadas después de explorar, identificar, decidir y analizar los impulsores del negocio, considerando todas las partes interesadas de la empresa".

El procesamiento o preempacado suele ser el más fácil de automatizar, debido a la menor complejidad al manipular el producto antes del empaque, dice Valadez. Los requisitos de empaquetado pueden crear una complejidad variable en el diseño de la automatización. Algunos empaques están diseñados para la automatización, lo que facilita la automatización, mientras que otros empaques están diseñados para facilitar su uso. Por ejemplo, los casos listos para la venta al por menor a veces no son los más fáciles de automatizar debido a la orientación del caso y el producto. Estos diseños de empaque están destinados a facilitar la presentación minorista y la atracción del consumidor, pero no necesariamente para el equipo de automatización.

Las tareas de procesamiento y producción pueden ser objetivos principales para la automatización porque estas tareas suelen tener altos niveles de repetibilidad y consistencia, dice Campbell. Las áreas adicionales de la planta donde hay cuellos de botella en la producción están maduras para la automatización. Por lo general, estas áreas absorben una gran cantidad de gastos de mano de obra, o hay grandes volúmenes de material almacenado en búfer que están preparados y en espera de procesamiento, o los procesos manuales conducen a altas tasas de defectos de calidad. La automatización de estas áreas puede proporcionar retornos sustanciales de la inversión.

"La facilidad de automatización y la facilidad de justificación para el usuario final son partes de esta pregunta que deben tenerse en cuenta", dice Barthel de Cybertrol. "Es fácil agregar automatización a los sistemas de proceso y limpieza en una instalación, pero solo si el usuario final está dispuesto a agregar la instrumentación necesaria para permitir el control automatizado. Por ejemplo, tenemos algunas mejoras comprobadas en torno a CIP sistemas que no requerirían mucho esfuerzo para implementar, pero lograr que el usuario final agregue instrumentación para permitir este tipo de mejora puede ser el obstáculo inicial".

Si un procesador busca mejorar la seguridad y la eficiencia, la automatización del manejo de materiales puede ser un excelente lugar para comenzar, dice Paige Minier, gerente de infraestructura OT en Grey Solutions. Habrá menos montacargas maniobrando alrededor de la planta, menos lesiones en el lugar de trabajo por el movimiento manual de material y una mayor eficiencia al mover material a través de transportadores, robots y otros sistemas automatizados.

"Las áreas con un alto nivel de variabilidad de trabajo, un alto nivel de tareas manuales y una gran cantidad de elementos únicos en la misma área son las más difíciles de automatizar", dice Gabor de Glassdome. "Los ingenieros de automatización deben ser pesimistas al desarrollar una solución de automatización. Debemos considerar todos los escenarios negativos posibles e idear una solución para evitarlo. La solución se vuelve cada vez más difícil a medida que crece la variabilidad".

"Es difícil señalar un área específica de dificultad para toda la industria", dice Valadez. "Depende del producto y el proceso. Por ejemplo, puede ser problemático y costoso automatizar el empaque si no está diseñado para la automatización. Además, los procesos de bajo volumen/alta mezcla son difíciles de automatizar, ya que requieren una flexibilidad significativa. en el sistema. Esto se traduce en un sistema costoso que tiene un ROI bajo debido a las bajas economías de escala".

Las operaciones que tienen mucha variabilidad en los requisitos de producción, manejo de materiales o tareas misceláneas a realizar pueden ser difíciles de automatizar, agrega Campbell.

"Puede ser difícil automatizar áreas de la planta que ven poca uniformidad en el producto", dice Gray's Elkins. Los dispositivos como accesorios, robots y maquinaria de embalaje están diseñados para funcionar con una presentación de pieza esperada. Si bien la falta de uniformidad a menudo se puede resolver mediante la adición de sensores, incluidos los sistemas de visión artificial, esto podría agregar complejidad y costo a la solución. Otra consideración es la adecuación del equipo de automatización al medio ambiente. Se debe tener especial cuidado en áreas frías o de lavado o en equipos que requieran grasa de grado alimenticio, por ejemplo.

No todas las áreas se prestan a soluciones económicas; por ejemplo, áreas que requieren mucha mano de obra, como el manejo de productos, el empaque y luego el almacenamiento (almacenamiento y preparación de pedidos), dice Livesay de ESI Group. Hay algunas áreas que son muy costosas de automatizar y no tienen un buen retorno de la inversión, por ejemplo, la selección de piezas. Es fácil enviar tarimas completas y uno puede justificar los escenarios de recolección por capas, pero en algún momento, se debe tomar una decisión si pueden justificar el gasto de automatización adicional para llegar a los niveles de recolección de piezas.

"Hemos descubierto que las oportunidades de actualización con sistemas heredados pueden ser las más difíciles de vender, ya que estos sistemas actualmente ejecutan la operación de una planta, y un reemplazo en algunos casos solo evita el tiempo de inactividad futuro; los costos y la definición de un ROI de producción real se convierten en un desafío. ", dice Barthel de Cybertrol. Es difícil vender una actualización cuando un procesador tiene la intención de minimizar el costo sin considerar las ganancias a largo plazo que pueden beneficiarse de la automatización. Centrarse solo en el costo puede evitar que el fabricante implemente un sistema más sólido que tenga menos probabilidades de sufrir tiempos de inactividad debido a los sistemas heredados. La falta de voluntad para agregar instrumentación adicional impide la recopilación de información muy valiosa que se necesita para mejorar la producción, agrega Barthel.

Aquí hay un problema relacionado. Obtener la aceptación de los operadores en la planta puede ser uno de los obstáculos más importantes para promover la automatización de una planta, dice Kolla de Stellar. El cambio es intrínsecamente difícil para algunas personas, pero muchos a menudo equiparan "automatización" con "me reemplazan", aunque ese no suele ser el caso. La educación es fundamental porque la tecnología está evolucionando rápidamente y este "miedo a lo desconocido" puede obstaculizar significativamente la capacidad de un fabricante para prosperar o, en algunos casos, sobrevivir.

Finalmente, si está contemplando un proyecto de automatización, siempre existen trampas ocultas que pueden anular un esfuerzo exitoso. Algunos de estos problemas incluyen:

Automatización: no puede vivir sin ella y ser competitivo. "En muchos casos, la automatización se ve como una mercancía, cuando en realidad, una vez que el equipo se instala y comienza a depreciarse, la automatización es lo que impulsa la rentabilidad dentro de la operación de un fabricante", dice Barthel de Cybertrol.

"La automatización es tan buena como la forma en que se integra en las operaciones de su empresa, el entusiasmo de su cultura por adoptarla y la suposición de que siempre evolucionará", dice Gabor de Glassdome. "Los proyectos más exitosos de los que he sido parte adoptaron esas tres filosofías. Los animo a que hagan lo mismo".

Consideraciones para mover aplicaciones a la nube

Muchos proveedores están cambiando sus ofertas a servicios basados ​​en la nube debido a los importantes avances en la confiabilidad y seguridad de dichos servicios. Por ejemplo, un fabricante de aparatos de registro de datos ofrece una solución basada en la nube que cumple con todos los requisitos de seguridad alimentaria y ciberseguridad, reemplazando los registradores de datos tradicionales basados ​​en hojas de papel. Esta es una excelente alternativa para la retención de datos y el cumplimiento.

Si bien los sistemas basados ​​en la nube pueden ser una opción inteligente y rentable para ciertos productores de alimentos, es importante realizar una evaluación cuidadosa y metódica de los pros y los contras antes de hacer el cambio. Algunos procesadores de alimentos pueden encontrar que los servicios basados ​​en la nube son adecuados para administrar la mayoría de las operaciones a nivel empresarial, mientras que otros pueden tener dificultades para alejarse de los sistemas de control tradicionales.

Al considerar la transición a sistemas de control basados ​​en la nube, la seguridad y la confiabilidad del proceso deben ser una prioridad máxima. Es esencial determinar si el proceso se puede controlar de manera segura y confiable sin controles locales. Si la respuesta no se puede dar con confianza y sin la aceptación de todos los niveles de operaciones y administración, entonces el proceso no debe considerarse un candidato para el control basado en la nube.

La decisión de realizar la transición a sistemas de control basados ​​en la nube debe implicar una cuidadosa consideración de los riesgos y beneficios, así como una evaluación exhaustiva de las necesidades y requisitos específicos de la operación de procesamiento de alimentos. Si los sistemas de control basados ​​en la nube pueden proporcionar el nivel necesario de seguridad y confiabilidad, entonces pueden ofrecer numerosos beneficios, como accesibilidad, flexibilidad y escalabilidad mejoradas. Sin embargo, es crucial asegurarse de que estos beneficios no se obtengan a expensas de la seguridad y confiabilidad del proceso.

Una alternativa a la transición completa a los sistemas de control basados ​​en la nube es utilizar los servicios de software de una empresa como Rockwell Automation, que ofrece una gama de servicios basados ​​en la nube. Por ejemplo, su software FactoryTalk Design Hub proporciona herramientas de desarrollo que permiten al personal de la planta evolucionar y mantener los sistemas sin necesidad de múltiples revisiones y programas de software.

Este enfoque puede proporcionar los beneficios de los servicios basados ​​en la nube mientras mantiene cierto nivel de control tradicional. Permite procesos de desarrollo más eficientes y optimizados, con acceso a las herramientas y software necesarios disponibles a través de la nube. Al mismo tiempo, puede ayudar a garantizar la seguridad y confiabilidad del proceso al mantener sistemas de control local para funciones inmediatas y críticas.

— Ryan Beesley, CAP, Gerente Regional de Ingeniería – Kennewick, Concept Systems, Inc.