Automatizzazione di una linea di produzione di gelati

Il nostro cliente è un rinomato produttore internazionale di gelati. Probabilmente hai avuto la possibilità di gustare almeno una volta uno dei loro deliziosi gelati.

Operante in oltre 20 paesi, questa azienda dimostra la sua competenza nell'offrire un'ampia gamma di prodotti gelato. La loro offerta spazia dai classici coni alle vaschette ed oltre. La grande varietà, combinata con la loro diffusa presenza, harafforzato la loro posizione come principale distributore internazionale.

Un processo automatizzato di produzione di coni gelato di solito prevede i seguenti passaggi:

1. Mixing: Attrezzature automatizzate mescolano grandi quantità della miscela per coni gelato, garantendo una qualità costante.

2. Congelamento: Attrezzature industriali per il congelamento assicurano un processo di congelamento continuo ed efficiente.

3. Stampaggio, modellatura e spruzzatura: Macchine specializzate modellano rapidamente e con precisione la miscela congelata in forma di cono, mentre altre spruzzano ingredienti aggiuntivi, come cioccolato o crema, sui coni o all'interno di essi.

4. Controllo qualità: Misure automatizzate di controllo qualità per garantire che ogni cono gelato soddisfi gli standard specifici di forma, dimensione, consistenza e sapore.

5. Confezionamento: Sistemi automatizzati confezionano, spesso ad alta velocità ed efficientemente, i coni gelato in contenitori o involucri.

L' Obiettivo

La collaborazione con Dewesoft è nata dalla necessità di esaminare e valutare la qualità del processo di spruzzatura del cioccolato condotto da una macchina della linea di produzione. L'obiettivo finale era automatizzare la linea di produzione dei coni gelato. Il cliente cercava una soluzione che liberasse il personale dalla continua vigilanza sulla qualità di ogni pezzo prodotto.

Nel contesto di questa ricerca, le ragioni che l'hanno guidata sonostate sia quelle di natura economica che quelle legate alla qualità, intesa come eccellenza dell'unità prodotta in ogni suo aspetto.

Quando facciamo riferimento alle ragioni economiche, è importante chiarire che non si tratta di una strategia di risparmio dei costi attraverso il licenziamento degli operatori. Al contrario, l'obiettivo è di liberare l'operatore dalle mansioni legate alla macchina, consentendogli di applicare le proprie competenze in attività ad alto valore aggiunto.

Come ben comprendiamo, nella maggior parte dei casi, i pezzi che non soddisfano gli standard di qualità richiesti non vengono riciclati, ma piuttosto eliminati come rifiuti. Si possono immaginare le implicazioni per un'azienda che produce un cono gelato ogni 1,5 secondi quando una macchina presenta un malfunzionamento e genera pezzi non conformi. Non è vero?

Facendo un rapido calcolo, se solo l'1% dei gelati prodotti non rispetta gli standard di qualità, avremmo 24 pezzi non conformi all'ora. Estrapolando, in una linea di produzione che opera per 24 ore, ciò si tradurrebbe in un incredibile spreco di 576 gelati scartati ogni giorno.

Nessuna azienda può permettersi di sopportare tale spreco. Di conseguenza, Dewesoft è stata incaricata di effettuare uno studio di fattibilità per individuare una soluzione che consentisse l'automazione del processo produttivo per individuare i pezzi non conformi. Questa soluzione dovrebbe basarsi su decisioni preventive ed sull'implementazione di azioni correttive appropriate.

La visione che guida questi miglioramenti produttivi è quella di spingere l'azienda verso un paradigma di Industry 4.0 con sensori avanzati, software e robotica integrati nelle macchine. Questi componenti facilitano la raccolta e l'analisi dei dati, portando ad un processo decisionale più efficiente e sofisticato.

Queste tecnologie digitali assicurano una maggiore automazione, manutenzione predittiva e auto-ottimizzazione dei miglioramenti dei processi. E, soprattutto, un nuovo livello di efficienza e reattività che si traduce in un miglior servizio fornito al cliente finale.

Setup di Misura

Le linee di produzione sono composte da una sequenza di macchinari che funzionano in modo continuo e che non devono fermarsi durante il ciclo di produzione. Pertanto, il setup di misura scelto per questo tipo di analisi deve essere il meno intrusivo possibile ed assicurare di non disturbare o influenzare il regolare funzionamento delle macchine.

Abbiamo implementato una telecamera termica a infrarossi (IR) combinata con il software DewesoftX. La telecamera termica scelta è stata la Optris XI 400, che combina i vantaggi di un robusto e compatto pirometro con le funzionalità di una telecamera a infrarossi. 

La telecamera è stata collegata utilizzando il plugin Optris di Dewesoft. Si tratta di un modulo software che aggiunge il supporto per la visualizzazione, l'analisi e la memorizzazione dei dati delle telecamere termiche Optris Thermovision. Supporta i modelli XI400, PI400 e PI640. Per condurre questi test è stata impiegata una singola telecamera termica con risoluzione di 302 x 288 pixel.

Abbiamo posizionato la telecamera termica in modo da inquadrare solo una delle sei file di coni che avanzavano simultaneamente.

L'efficacia di questa configurazione risiede nella sua semplicità, ulteriormente potenziata dall'architettura user-friendly e dalla facilità di implementazione di Dewesoft.

Per catturare accuratamente tutti i parametri essenziali per l'analisi della qualità dello spruzzo, è stato cruciale creare un supporto personalizzato. Questo supporto è stato fissato a un braccio meccanico e progettato per posizionare la telecamera termica in un punto elevato sopra la fila di coni. L'obiettivo era dirigere l'ottica verso il basso, catturando esclusivamente i bordi e gli interni dei coni.

Acquisizione dati e post-processing

Il 28 giugno 2023, abbiamo condotto delle misure presso l'impianto italiano dell'azienda. La sessione di test è durata circa un'ora. Durante questo periodo, abbiamo collaborato con operatori dell'impianto ed ingegneri di manutenzione. La loro esperienza ci ha permesso di simulare vari scenari che possono verificarsi in caso di problemi con la ugello o il sistema di pressione.

Il software DewesoftX ha costantemente acquisito ed elaborato l'intero flusso di dati in tempo reale durante il test. Abbiamo potuto visualizzare immediatamente le variazioni nei valori e le immagini catturate chiaramente dalla telecamera termica ogni volta che si verificavano specifici problemi.

Dopo la raccolta dati, abbiamo potuto elaborare i dati offline, estrarre i parametri rilevanti che indicano lo stato dello spruzzo. Le operazioni matematiche implementate includono:

• Utilizzo della matematica “Latch” per fissare e memorizzare il valore registrato al momento dell’attivazione del trigger di avanzamento della linea

• Utilizzo delle “Statistiche di base” per analizzare tutti i campioni di dati registrati e restituire valori utili per definire i valori limite che distinguono i prodotti conformi da quelli non conformi

• Condizioni logiche, che, basandosi su parametri identificati, consentono di cambiare lo stato di un LED che mostra a schermo, in maniera intuitiva, se ciascun cono è conforme o non conforme.

Attraverso  formule matematiche apposite, è stato anche possibile implementare un contatore in grado di riconoscere i pezzi difettosi e di rapportarli al totale dei pezzi prodotti. Questo calcolo ha fornito un valore che riflette l'efficacia e le prestazioni complessive della linea di produzione.

Analisi dei Dati

Analizzando l'intero set di dati, siamo stati in grado di individuare i parametri che caratterizzano il funzionamento standard della macchina per la spruzzatura del cioccolato.

Questa identificazione è stata cruciale per confrontare questi dati con quelli ottenuti durante l'insorgere di ciascuno scenario problematico. Ci ha anche permesso di definire i valori soglia per determinare se un pezzo è conforme o non conforme.

Abbiamo applicato analisi statistica fondamentali ai dati della telecamera termica, tra cui i valori minimi, massimi, medi, mediani e picco-picco. Queste analisi hanno fornito un riferimento distintivo ai valori consueti che definiscono il funzionamento regolare della macchina.

La figura 5 è una schermata del file dati acquisito, che rappresenta i risultati derivanti da questi procedimenti matematici.

A sinistra, è possibile osservare i valori calcolati prontamente ogni volta che l'evento trigger veniva attivato. Questo evento si verificava ogni volta che la telecamera termica rilevava il movimento di una nuova unità.

In alto, muovendosi da sinistra a destra, si trovano i valori assoluti ottenuti mediante l'impiego di metodi statistici fondamentali su tutti i campioni catturati nell'intervallo di acquisizione. Questo approccio ha generato un singolo valore significativo che potevamo confrontare con i valori effettivi raccolti quando la linea è in funzione.

Casi osservati

Analizzando i dati raccolti, siamo stati in grado di esaminare tutti gli scenari che possono emergere quando si verificano problemi durante la spruzzatura del cioccolato. Essere in grado di operare durante questi scenari ci ha permesso di identificare i parametri significativi necessari quando si sono verificati tali problemi:

Riduzione della pressione di spruzzatura

Questo problema può derivare da impostazioni della macchina non correttamente configurate o da altri fattori che determinano una riduzione della fuoriuscita della cioccolata calda dall'ugello. Le conseguenze di questa diminuzione di pressione includono una copertura di cioccolato complessivamente inferiore allo standard richiesto ed aree più irregolari a causa della quantità ridotta di materiale spruzzato. Di conseguenza, il cioccolato non aderisce correttamente alla cialda del cono.

Ostruzione parziale dell'ugello

Questo problema si verifica a causa dell'accumulo di materiale all'interno dell'ugello, che ostruisce il flusso di cioccolato riducendone fluidità e uniformità. Di conseguenza, il materiale spruzzato sul wafer è distribuito in modo non uniforme e presenta aree irregolari.

Ostruzione completa dell'ugello

Questo problema deriva da un blocco completo nel canale di emissione del cioccolato o nell'ugello. Impostazioni errate della macchina possono anche portare al blocco e ad una pressione di spruzzatura totale pari a zero. Il risultato di questo blocco è un cono privo di cioccolato, dove è visibile un'area più fredda e più eterogenea a causa dell'assenza di materiale caldo spruzzato.

Dopo l'analisi dei dati, abbiamo identificato ed implementato diversi metodi per rilevare le unità non conformi. Una volta stabiliti i parametri "soglia" che differenziano i prodotti conformi da quelli non conformi, l'integrazione in semplici equazioni matematiche è stata facile e diretta.

Condizioni logiche controllano queste equazioni che, in tempo reale, forniscono una valutazione della qualità dell'articolo appena prodotto. Gli errori di produzione sono calcolabili utilizzando quattro modalità distinte, che operano contemporaneamente e non sono mutuamente esclusive:

Analisi Peak-to-peak

L'analisi del valore picco-picco, che rappresenta la differenza tra i valori massimi e minimi, rivela le aree insufficientemente coperte dal cioccolato caldo. Questa misura fornisce costantemente preziose informazioni. Un alto valore picco-picco indica senza dubbio aree non adeguatamente coperte dal cioccolato.

Tuttavia, il contrario non è sempre vero. Un basso valore picco-picco non conferma necessariamente la conformità del pezzo - come evidenziato nell'uso del massimo.

Uso della Media

Il valore medio indica l'uniformità della superficie spruzzata di cioccolato. Più basso è il valore medio, più ampia è l'area non adeguatamente coperta di cioccolato.

L'uso della media consente di identificare facilmente sezioni estese sui coni di wafer non correttamente spruzzate. A differenza di altri metodi che non rivelerebbero questa discrepanza con un singolo valore. Ad esempio, valori inferiori a 41° indicano un problema. Un valore medio ridotto può anche significare una piccola area coperta, anche se è regolare, probabilmente a causa della bassa pressione durante lo spruzzo.

Utilizzo del valore massimo

Un valore massimo estremamente basso indica una riduzione della pressione del getto dell'ugello, determinando una copertura inadeguata dell'intero cono di wafer. In tali circostanze, fare affidamento esclusivamente sull'analisi picco-picco avrebbe portato a conclusioni fuorvianti. Il valore massimo diminuisce significativamente e si avvicina ai valori minimi registrati. Di conseguenza, la differenza picco-picco potrebbe rientrare nel range definito come accettabile o normale.

Utilizzo del valore minimo

I valori minimi notevolmente bassi indicano che l'area catturata dalla telecamera non registra una copertura adeguata, implicando l'esistenza di sezioni completamente scoperte a causa di una pressione inadeguata o di un possibile blocco dell'ugello.

Integrazione con l'automazione della linea di produzione

Nella configurazione finale, progettata per automatizzare l'intera linea di produzione, sono previsti i seguenti dispositivi:

• L'installazione di N telecamere termiche, dove N è uguale al numero di corsie che producono coni gelato.

• Un segnale di ingresso digitale per temporizzare l'acquisizione e il calcolo dei parametri nel momento preciso dell'avanzamento della linea.

• N segnali di uscita digitali per fornire un valore binario all'automazione della linea di produzione.

La misura ed il confronto dei valori attuali dei coni gelato consentono l'automazione della linea e la rapida rimozione dei prodotti non conformi attraverso una macchina dedicata all'interno della linea di produzione. I risultati derivati dagli algoritmi descritti in precedenza sono stati utilizzati per monitorare una serie di uscite digitali che ci hanno permesso di scartare i prodotti non conformi mediante automazione.

Inoltre, grazie all'implementazione di specifici algoritmi nel software DewesoftX , è possibile definire, dopo una serie di iterazioni, un valore che segnala la necessità di avviare azioni di manutenzione predittiva tramite monitoraggio continuo. L'obiettivo è pianificare interventi di manutenzione prima che le macchine sulla linea, o addirittura la linea stessa di produzione, inizino a mostrare segni di deterioramento delle prestazioni, evitando così i costi associati ai tempi di fermo macchina non pianificati.

Il vantaggio di questa soluzione è la semplicità di implementazione. Si tratta di un'architettura hardware e software già pronta che può essere implementata nella linea senza interferire con il normale svolgimento delle operazioni.