Cella di carico a flessione: componente ideale per la produzione di fertilizzanti

Per molte applicazioni di miscelazione automatizzata, si ottiene maggior accuratezza dosando in modo gravimetrico anziché volumetrico. Le celle di carico vengono spesso impiegate non solo per la loro precisione di misura, ma anche per la loro stabilità, robustezza, resistenza agli ambienti ostili ed alla compatibilità con sistemi automatici di produzione controllati da calcolatore. Nel caso della Plant Marvel Laboratories, uno dei più importanti produttori di fertilizzanti solubili in acqua, la cella di carico a flessione ha dimostrato di essere un componente ideale per la pesatura.

Con sede a Chicago Heights, Illinois, USA, la Plant Marvel è il più vecchio ed uno dei più grandi produttori di fertilizzanti solubili in acqua. Fondata nel 1922, questa compagnia svolse un ruolo pioneristico nello sviluppo di fertilizzanti solubili in acqua per svariate culture come quelle coltivate in serra, nei vivai, produzione di ortaggi e tappeti erbosi per campi da golf e similari.

I fertilizzanti della Plant Marvel’s Nutriculture® si dissolvono completamente in acqua senza lasciar alcun residuo, e sono concepiti per l'uso degli iniettori con gli ugelli più fini e per le apparecchiature a spruzzo. I fertilizzanti Nutriculture hanno valori nutrizionali totali eccezionalmente elevati, usualmente dal 60 % al 70 % od oltre. La Plant Marvel offre oltre 50 formule a magazzino, e sviluppa frequentemente miscele personalizzate per soddisfare le specifiche necessità dei clienti. I fertilizzanti Plant Marvel vengono usati in tutto il mondo e per ogni tipo di cultura importante. Nel Maggio 1999, la Plant Marvel riconobbe che per far crescere l'attività e tenere il passo con la crescente richiesta, specialmente delle continuamente mutevoli miscele personalizzate, era imperativo incrementare la propria capacità di produzione.

Nel contempo, si doveva continuare a fornire l'accuratezza richiesta per garantire la elevata qualità, purezza e coerenza prescritte dalle proprie formule.
Per evidenziare l'importanza di accuratezza nel processo di produzione della Plant Marvel, per ottenere una particolare formula possono venire usate diverse quantità di circa 30 ingredienti. Se si commette un errore aggiungendo un ingrediente sbagliato alla miscela, il prodotto finale non soddisferà le specifiche scritte sull'etichetta del prodotto.

Ancora peggio, ciò potrebbe causare un fango appiccicoso col pericolo di intasare l'apparecchiatura del cliente. Per queste ragioni, oltre ad incrementare la capacità di produzione, Darryl Slater, vicepresidente della Plant Marvel e direttore della Plant, voleva automatizzare l'intera operazione, ed iniziò a delineare il sistema ed a ricercare i vari componenti necessari.

Il progetto base di Slater consisteva in due file di serbatoi di plastica contenenti ciascuno i vari ingredienti sfusi, di cui misurare il materiale estratto dalle coclee alimentando grandi tramogge di pesatura (chiamate “tote”), situate su bilance fra le due file di serbatoi. Raggiunto il peso predeterminato, cessa l'alimentazione delle coclee e il "tote" viene spostato alla stazione seguente per aggiungere il successivo ingrediente. I serbatoi di plastica dovrebbero essere mantenuti pieni sia automaticamente che manualmente da un operatore, il quale deve semplicemente mantenere una certa altezza nei serbatoi.

Ogni "tote" dovrebbe rotolare lungo il sistema, raccogliendo gli ingredienti uno per uno prima di giungere all'area di miscelazione ove la mistura viene lavorata e messa nei sacchi. Dopo aver consultato vari fornitori, fu stabilito che il metodo migliore fosse quello di dosare gli ingredienti per peso piuttosto che per volume. La HBM fu scelta per la sua esperienza con i sistemi di convogliamento, e per aver offerto delle celle di carico che sembravano su misura per l'elenco di requisiti della Plant Marvel.

Queste caratteristiche comprendevano la resistenza alla corrosione, la struttura di acciaio inossidabile, la sigillatura ermetica per il duro lavaggio caustico, un'accuratezza dell'ordine delle due o tre cifre, e la capacità di essere facilmente montate nel nuovo sistema.

Art Rebello, Business Development Manager della Tecnologia di Pesatura HBM, offerse numerosi suggerimenti che risolsero molti problemi ed aprirono le porte ad ulteriori miglioramenti. Egli apportò anche la propria considerevole esperienza operativa coi sistemi programmabili di controllo della logica (PLC), richiesti per la programmazione e l'automazione del sistema. Vennero discussi tutti i dettagli, compresi le dimensioni ed il peso delle tramogge di miscelazione ("tote"), la struttura dei sistemi di convogliamento, e l'intera sequenza dell'operazione. Furono anche considerate tutti gli usuali problemi ingegneristici dell'applicazione, compresa la vita del sistema e dei componenti, l'affidabilità, l'accuratezza, la velocità e la flessibilità.

Insieme, la HBM e la Plant Marvel stesero tutte le specifiche funzionali per l'intero sistema automatizzato. Completata l'ingegnerizzazione dell'impianto meccanico di convogliamento, fu dimensionato conseguentemente quello di dosaggio. Furono selezionate le celle di carico adeguate per ogni additivo maggiore o minore, in funzione della loro capacità di gestire le più comuni ricette specificate. Per stare al passo con la necessità di accuratezza e durata, la HBM raccomandò le celle di carico a trave in flessione modello Z6 quale componente di pesatura principale per il sistema di produzione della Plant Marvel.

Oltre alla loro eccezionale precisione (classe di precisione secondo OIML R 60), tali celle di carico sono particolarmente adatte per resistere al duro ambiente della produzione di fertilizzanti. Il loro accessorio di montaggio ad elastomero flessibile ZEL consente di resistere ad una grande quantità di vibrazioni, e sia le celle di carico che i loro accessori di montaggio sono costruiti interamente di acciaio inossidabile robusto e lavabile.

La Plant Marvel utilizza ora un sistema di dosaggio basato su un controllore Ethernet. L'intera operazione è automatizzata. La linea di produzione richiede capacità di pesatura di precisione in movimento e, ovviamente, i tempi di fermo devono essere mantenuti al minimo possibile. Il sistema dispensa prodotti chimici in sette diverse fasi.

I prodotti chimici pre-specificati vengono distribuiti in quattro tramogge "tote" da 1,2 x 1,2 m in un'area separata della fabbrica, con un'operazione continua prima che inizi la miscelazione finale e l'insaccamento. Il peso totale della "tote" (incastellatura di metallo più tramoggia di plastica) è di 160 kg. Le "tote", insieme agli ingredienti aggiunti, vengono pesate in ciascuna stazione.

Ogni stazione di riempimento degli additivi maggiori impiega quattro celle di carico a flessione sigillate ermeticamente Z6FD1, installandone due per ogni lato. Esse montano l'accessorio flessibile ZEL per minimizzare le vibrazioni. La portata massima varia fino a 500 kg per cella di carico. Le stazioni degli additivi minori impiegano versioni di portata inferiore. Le celle di carico usano il circuito a 6 fili (dato l'ambiente e la distanza dal trasmettitore) e sono ottimizzate per il collegamento in parallelo con il pre-aggiustamento del carico d'angolo.

Ogni stazione è dotata di una scatola di giunzione trasmettitore modello 4800 HBM per sommare il segnale delle celle di carico e trasmettere l'informazione raccolta al calcolatore. Il trasmettitore, montato in una custodia NEMA 4, ha l'uscita di 4-20 mA=. Il trasmettitore possiede un alimentatore incorporato sufficiente ad alimentare quattro celle di carico da 350 Ohm.

I prodotti chimici vengono introdotti nei "tote" che sono disposti all'inizio della linea di produzione. I "tote" viaggiano su quattro ruote (due per lato) lungo le rotaie che incorporano fotosensori e celle di carico sotto ogni sezione. Ogni serie di celle di carico supporta un tratto di binario indipendente flottante su di essa. Le celle di carico (dette anche “celle di pesatura”) sono montate lungo una solida trave di metallo. I "tote" si fermano a precisi intervalli pre-programmati. Gli ingredienti sono versati nella "tote" nella quantità prescritta.

Ad ogni stazione vengono pesati insieme la "tote" e l'additivo e, raggiunto il peso prescritto, cessa il riempimento e la "tote" procede alla stazione seguente per ricevere il successivo additivo. Se una particolare stazione non riceve la richiesta dell'ingrediente, la "tote" la oltrepassa raggiungendo la seguente. Come gli ingredienti sono dispensati e contemporaneamente pesati, le celle di carico rimandano il segnale indietro al calcolatore.

La linea di produzione comprende sei stazioni di riempimento più una settima dove il materiale viene prelevato da un carrello più piccolo che ha due bilance (con imbuti), una sopra l'altra. La bilancia superiore cattura ingredienti che pesano meno di 500 g e quella inferiore cattura ingredienti più pesanti fino a 25 kg. 

Se sono necessari ambedue i tipi di ingrediente, tutti gli ingredienti attraversano la bilancia superiore e sono incanalati nella bilancia inferiore. Due celle di carico ciascuna supportano sia la bilancia superiore che quella inferiore. L'imbuto ha un'uscita scorrevole in basso che, terminata la raccolta di tutti i vari elementi di traccia, lascia cadere il materiale nella "tote". Dopo che tutte le sostanze chimiche della ricetta sono arrivati nella "tote", essa viene trasportata da un sollevatore a forca in un'area di miscelazione, ove il materiale viene mescolato e poi insaccato.

Nel progetto originale del sistema, esso doveva essere semiautomatico con un operatore che inseriva le ricette di ogni "tote" manualmente nel sistema. Usando le schede amplificatore con segnale di uscita di 4-20 mA per ogni serie di celle di carico HBM, era evidente che il software necessario ad interpretare questo segnale poteva essere usato per automatizzare anche altre aree del processo.

Slater esaminò numerosi programmi di automazione che potessero collegare (link) insieme i componenti del sistema. Una considerazione importante era la capacità di espandere il sistema in futuro, o di effettuare cambiamenti in caso di necessità. Egli scelse il “Think and Do Studio” della Entivity per la programmazione perché era facile da apprendere ed era supportato da molta dell'elettronica utilizzata dalla Automation Direct, il fornitore che la Plant Marvel aveva scelto per i PLC. La Automation Direct ha fornito anche molti altri componenti, compresi i monitor touch-screen, i controlli dei motori, i sensori e perfino il VFD per controllare le coclee.

Il software era stato creato per calcolare l'uscita dalle schede amplificatore delle Z6, e per abbassare la velocità dei motori delle coclee di alimentazione  del VFD quando le bilance si avvicinavano il loro peso prefissato. Dopo aver raggiunto il peso prefissato ed interrotto il flusso della coclea, il software entra in pausa giusto il tempo necessario per far terminare la caduta per gravità del materiale, prima di effettuare una seconda e definitiva lettura.

Indi il software confronta questa lettura finale col peso predeterminato, e qualsiasi sovradosaggio o sottodosaggio viene mediato con i tre riempimenti precedenti nel peso predeterminato per il successivo riempimento. Usando il numero di ordine di lavorazione della "tote", tutti i pesi di ciascuna "tote" sono memorizzati dal sistema e possono essere richiamati e stampati per una registrazione permanente.

Un PC è configurato e collegato all'esistente LAN aziendale, con un monitor touch screen che raffigura graficamente il sistema per la HMI. Sviluppando il sistema si è arrivati al “Batch-a-tron” completamente automatizzato, così come lo staff dell'ufficio della Plant Marvel ha battezzato il sistema. Gli ordini di lavoro per i lotti vengono assegnati utilizzando il software preesistente. Qualsiasi miscela speciale personalizzata o richiesta del cliente o modifica vengono gestite direttamente dall'ufficio alla ricezione dell'ordine, e diventa parte dell'ordine di lavorazione memorizzato nel sistema.

Può essere collegato anche il numero di sacchi che un cliente richiede, così che la "tote" riceva giusto il materiale grezzo necessario per completare l'ordine. Questa funzione è utile specialmente se il prodotto non è un articolo standard da magazzino. Questi tipi di ordini di lavoro vengono stampati e consegnati al personale di produzione per la loro elaborazione. L'operatore introduce semplicemente il numero d'ordine di lavorazione sul monitor touch screen del calcolatore Batch-a-tron, collega l'ordine di lavoro ad una "tote" ed assegna la "tote" nel sistema.
Quindi, il sistema usa il numero d'ordine di lavorazione che l'operatore ha inviato per andare nella LAN e leggere gli ingredienti esatti richiesti per quella particolare "tote". 

L'operatore verifica che sia stato richiamato l'ordine di lavoro appropriato, ed il sistema sposta la "tote" di stazione in stazione, raccogliendo gli ingredienti giusti nelle quantità corrette fino a che la "tote" piena rotola fuori dal retro della macchina e viene spostata nell'area di miscelazione ed insaccamento. Si possono disporre le "tote" multiple in fila lungo il sistema, e ciascuna riceverà i propri ingredienti in base al proprio numero di ordine di lavoro.

Ultimamente, la Plant Marvel ha scoperto che le celle di carico HBM Z6 aiutano ad ottenere un rendimento della linea di produzione molto più alto e maggior precisione nella pesatura in movimento degli ingredienti. Le celle di carico Z6 hanno consentito una velocità maggiore ed un'accuratezza più alta nella rilevazione dei pesi.

Questa combinazione comporta anche il minimo scarto di prodotti. Le celle di carico Z6 sono molto facili da installare nella linea di produzione e, nel raro caso di guasto, possono essere facilmente sostituite con brevissima interruzione del processo. Inoltre, la loro struttura di acciaio inossidabile ermeticamente sigillata permette loro di resistere praticamente a qualsiasi sfida posta dall'ambiente di produzione del fertilizzante. Come si può immaginare, la capacità delle Z6 di assorbire una quantità molto elevata di vibrazioni è un altro punto a loro favore.

Il software della Entivity, associato alle uscite delle celle di carico HBM, ha consentito alla Plant Marvel di realizzare un sistema che è andato ben oltre le speranze originali ed ha reso possibile la creazione, sono parole di Darryl Slater, “del nostro sistema da sogno”. Il sistema è ora in linea e funziona virtualmente in modo impeccabile da quasi un anno.

Viene mantenuto un rigoroso controllo qualità che controlla ogni lotto, e da quando il sistema è stato installato e funzionante, i prodotti scartati sono stati molto pochi. In confronto al precedente sistema, usando le celle di carico per effettuare la pesatura e la completa automatizzazione del sistema con un Controllore Ethernet, la Plant Marvel è riuscita quasi a triplicare la sua cadenza di produzione ed a mantenere lo stretto controllo qualità.

Articolo pubblicato nella powderbulksolids.com

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