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Mar 31, 2024

Alimentadores LIW: mejora de la precisión y la capacidad de respuesta

David Hyer, presidente y director general, Thayer Scale | 27 de mayo de 2020 Introducidos por primera vez en la década de 1950, los alimentadores por pérdida de peso (LIW) se utilizan ampliamente para proporcionar una entrega de material confiable y consistente.

David Hyer, presidente y director general, Thayer Scale | 27 de mayo de 2020

Introducidos por primera vez en la década de 1950, los alimentadores por pérdida de peso (LIW) se utilizan ampliamente para proporcionar una entrega de material confiable y consistente para una variedad de aplicaciones desafiantes de manejo de materiales. La innovación continua de varios proveedores respetados ha mejorado el concepto de diseño original y ha ampliado la gama de aplicaciones que se ajustan cómodamente a las limitaciones técnicas de la tecnología.

Los alimentadores LIW constan de un subsistema de alimentación volumétrico (tipo barrena, vibratorio, de correa o dispositivo de descarga de líquido), un subsistema de báscula y un controlador que monitorea la información de carga viva proveniente del subsistema de báscula (ver Figura 1). Varias configuraciones opcionales proporcionan acondicionamiento de materiales, agitación, control de polvo y comunicación con otros sistemas de la planta. El alimentador LIW generalmente se rellena mediante una tolva de almacenamiento mucho más grande que proporciona reabastecimiento de material a la tolva de pesaje según demanda. La unidad de control del alimentador LIW monitorea la tasa de descarga del alimentador y ajusta el motor del subsistema de alimentación volumétrica (generalmente usando un circuito de control PID) para garantizar que la tasa de descarga coincida con la tasa o punto de ajuste deseado. Esta tasa podría ser una tasa de descarga fija o puede ser una tasa que varía dinámicamente determinada por un “ingrediente maestro” aguas arriba o un punto de ajuste algorítmico establecido por un sistema DCS de la planta. La mayoría de las aplicaciones que requieren un alimentador LIW tienen requisitos de precisión críticos y se debe mantener un flujo de material consistente y confiable durante todo el ciclo gravimétrico. El alimentador debe iniciar periódicamente operaciones de recarga desde la tolva de suministro y garantizar una descarga constante durante este tiempo cuando los datos de peso "vivo" no son significativos.

Dentro del ciclo gravimétrico (ver Figura 2), el alimentador descarga material bajo control de circuito cerrado durante la parte de "alimentación gravimétrica" ​​del ciclo. Una vez que la carga detectada por la báscula cae al nivel de "iniciar recarga", el controlador inicia una señal de recarga y el material fluye desde la tolva de almacenamiento hacia la tolva de pesaje. Durante este tiempo, el alimentador opera en control volumétrico (o, en algunos casos, en un control volumétrico mejorado si se emplea un punto de ajuste dinámico). El alimentador se asienta una vez que se completa el llenado y luego reanuda la entrega de material gravimétrico.

Subsistema de pesaje y celda de carga En el corazón del sistema LIW se encuentra el subsistema de pesaje (ver Figura 3). El subsistema de pesaje normalmente consta de una o más celdas de carga y características mecánicas para proporcionar una transferencia precisa de la carga vertical a las celdas de carga. Esto garantiza el aislamiento físico de eventos mecánicos no deseados como fuerzas horizontales, cargas de choque, viento, vibraciones y otras perturbaciones. La precisión del bucle de control PID depende de una medición de peso altamente sensible pero estable desde el subsistema de pesaje.

Las celdas de carga de alta precisión realizan la función crítica de transferir la carga mecánica a una señal eléctrica repetible que puede ser procesada por el controlador. Las celdas de carga actuales son muy precisas y normalmente proporcionan una linealidad mejor que +/-0,01 % de la capacidad nominal y una histéresis mejor que +/-0,02 % de la capacidad nominal. La mayoría de las celdas de carga actuales proporcionan una sensibilidad de excitación de 2 a 3 mV/V. Usando una excitación de 15V, la señal al 100% de la capacidad nominal es de 30-45mV. Esta señal se puede amplificar, digitalizar y procesar de diversas formas, pero la precisión fundamental del sistema general depende de este elemento básico.

Considere el ejemplo de un alimentador que puede contener 200 libras de material (carga viva). El alimentador y los componentes relacionados (tolva de pesaje, motor, agitador, cubierta, comedero, etc.) agregan otras 350 lb de peso muerto que deben transportar las celdas de carga. Además, se debe tener en cuenta la capacidad de “sobrellenado” y reservar cierta cantidad del rango disponible de la celda de carga para pesajes negativos. La elección de la celda de carga se realiza a partir de una selección finita de capacidades de celda de carga disponibles (200, 300, 500 lb, etc.) una vez que se determinan los requisitos de carga generales. Como resultado, puede ser necesario utilizar una celda de carga (o varias celdas de carga) para manejar 750 lb de peso total. La porción de carga viva de esto es solo el 26,7% de la capacidad total de la celda de carga. El sistema también debe mantener una cierta cantidad de material por debajo del punto de “inicio de recarga” que continúa fluyendo durante la recarga (el talón).

Teniendo en cuenta todos estos factores, la diferencia entre el punto de “iniciar recarga” y el punto de “recarga completa” representa solo alrededor del 20% de la capacidad de la celda de carga (llamemos a este número utilización de la celda de carga del ciclo gravimétrico, o GCLU). Por lo tanto, durante toda la parte gravimétrica de la operación del alimentador, la señal analógica proporcionada por la celda de carga solo varía en un máximo de 9 mV (20% de 45 mV). Un ciclo de alimentación típico puede tener un tiempo de ejecución gravimétrica de 5 o 10 minutos, lo que se traduce en una variación de señal de tan sólo 0,015 mV/s. Si este alimentador está diseñado para manejar una reducción de 10:1, la señal sería 10 veces menor cuando funcione con el caudal mínimo o 0,0015 mV. En otras palabras, cuando se opera al caudal mínimo, el error de la celda de carga especificado es nueve veces mayor que la variación de peso (señal) requerida de segundo a segundo. No es de extrañar que los alimentadores gravimétricos a veces se comporten mal. Tenga en cuenta que en este ejemplo se utilizó una celda de carga con galga extensométrica analógica estándar, ya que se ha convertido en el estándar de facto en los sistemas de pesaje avanzados. Sin embargo, si se utilizara una celda de carga digital o un transductor basado en frecuencia, se produciría una relación señal-ruido deficiente. De manera similar, mejorar la resolución del controlador no resuelve el problema fundamental de precisión creado por las celdas de carga sobredimensionadas.

Contrapeso de masas ¿Cómo se puede abordar este problema? Una opción es ampliar el intervalo de tiempo entre muestras para garantizar que el controlador responda a la variación de peso real, no al ruido o errores de la celda de carga. Desafortunadamente, esto daría como resultado una respuesta del alimentador muy lenta e impediría el uso de un punto de ajuste que varía dinámicamente. Se pueden implementar otras técnicas de control y filtrado (modificando términos proporcionales e integrales en el controlador PID, por ejemplo), pero cada una tiene un efecto similar de ralentizar la capacidad de respuesta del controlador a un grado inaceptable. Para restaurar la capacidad de respuesta del alimentador, debemos encontrar una manera de maximizar la utilización de la celda de carga (GCLU) y mejorar significativamente la señal vista durante cada muestra de la operación gravimétrica. Una forma de hacerlo es utilizar componentes de alimentación livianos e intentar minimizar la carga muerta, pero esto a menudo resulta en equipos endebles que no pueden soportar los abusos de las plantas operativas típicas. Estos alimentadores pueden ser aceptables en un laboratorio, pero en una operación de fabricación típica, el alimentador debe estar diseñado para soportar cargas de choque, golpes, vibraciones y otros eventos inesperados. Se recomienda el uso de componentes de alimentación de industria pesada. Otra opción es descargar algunos de los componentes del alimentador (el motor, los accionamientos, etc.) del marco de pesaje e intentar acoplarlos al alimentador mediante conexiones eléctricas y mecánicas flexibles, pero esto genera fuentes de error adicionales y potencialmente significativas. . Estos conductos de acoplamiento presentan fuerzas inciertas y variables en la escala.

En muchos casos, la mejor opción es diseñar un subsistema de pesaje que equilibre la carga muerta y presente a la celda de carga solo la fuerza directamente relacionada con la carga viva en la tolva. Esto se logra incorporando una fuerza de contrapeso en la disposición de palanca del subsistema de pesaje. En el ejemplo anterior, la báscula de masa contrapesada permite una celda de carga de 250 libras. Esto tiene dos beneficios importantes. En primer lugar, aumenta la GCLU de ~20 % a ~50 %, lo que da como resultado una mejora correspondiente en la señal de 2,5 veces (consulte la Figura 5). En segundo lugar, al utilizar una celda de carga más pequeña, los errores de linealidad e histéresis se reducen proporcionalmente. La combinación de estos beneficios mejora la respuesta del controlador de 2 a 3 veces, al tiempo que aumenta la precisión.

El uso de una báscula contrapesada tiene algunos inconvenientes que deben tenerse en cuenta. Primero, con una celda de carga más pequeña y más sensible, es posible que las sobrecargas y los golpes al sistema puedan dañar la celda de carga o crear un cambio permanente en la salida de la celda de carga. Este riesgo se puede mitigar hasta cierto punto mediante el uso de topes mecánicos y opciones de protección contra sobrecargas. Otra desventaja es que crea un diseño de escala más complejo que puede agregar tiempo para la limpieza/lavado. Es necesario prestar especial atención al sistema de contrapeso y palanca para garantizar un funcionamiento fiable. Es posible que sea necesario realizar la calibración con más frecuencia para mantener un rendimiento óptimo.

Consideraciones generales/Conclusiones Al evaluar un alimentador para su uso en aplicaciones exigentes, es importante considerar varias variables que se relacionan directamente con el uso de una báscula de masa contrapesada o una báscula de peso bruto. En general, hay tres factores a considerar:

1. ¿El alimentador será controlado por un punto de ajuste ajustable que varía dinámicamente o es constante? Si el punto de ajuste debe variar con las condiciones vivas, como si el alimentador funciona como esclavo en una operación maestro/esclavo, el alimentador debe responder dinámicamente. Para que esto sea posible, el controlador necesita datos de carga frecuentes y fiables. Sin una gran relación señal-ruido, esto puede no ser posible.

2. ¿Cuál es el tiempo de ejecución gravimétrico objetivo? ¿Y qué tan consistente/confiable es la operación de recarga? Si es necesario soportar un tiempo de ejecución gravimétrico prolongado, ya sea debido al tipo de operación de recarga disponible o para soportar una alta reducción, es importante maximizar la GCLU. Por otro lado, si el sistema de recarga puede soportar recargas cortas, frecuentes y consistentes, se puede dimensionar un alimentador de peso bruto para maximizar la variación de carga por unidad de tiempo y operar con bastante éxito en este entorno.

3. ¿Cuál es el requisito de precisión general para el sistema? Si el proceso requiere una entrega de material constante con una variación superior al 0,5 % en un período de entrega de material de 30 segundos, es probable que se justifique la alta sensibilidad y precisión superior de una báscula con contrapeso de masa. . Sin embargo, un sistema de pesaje bruto es suficiente para operaciones por lotes o dosificación de material con requisitos de precisión más bajos.

Ejecutar el material en un centro de pruebas de materiales que le permita procesar ambos suele ser la mejor manera de determinar si una solución de pesaje bruto o un alimentador con contrapeso de masa es la mejor opción. La mayoría de los proveedores ofrecen pruebas comparativas de múltiples opciones de alimentación.

David Hyer es presidente y director general de Thayer Scale. Para obtener más información sobre el centro de pruebas de materiales de Thayer Scale o para programar una prueba, visite www.thayerscale.com/thayer-material-test-center.

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