Procesamiento por lotes con pesaje: los beneficios de un sistema automatizado

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Procesamiento por lotes con pesaje: los beneficios de un sistema automatizado

Por David Boger, Flexicon Corporation

En muchas plantas que procesan por lotes y mezclan productos a granel, el procesamiento por lotes con pesaje es una operación manual que consume mucho tiempo en la cual los ingredientes se pesan de manera individual antes de ser cargados a una mezcladora u otro recipiente del proceso. Un número importante de estas plantas podrían beneficiarse de la instalación de un sistema automatizado de procesamiento por lotes con pesaje.

Tanto en lo que respecta a las operaciones pequeñas, así como a las grandes, un sistema automatizado de procesamiento por lotes con pesaje puede pagarse a sí mismo rápidamente gracias al incremento en la productividad, la medición más precisa de ingredientes (lo que resulta en una mejor calidad del producto), la minimización de pérdida del producto y de polvo, además de reducciones en el costo de materiales adquiridos en contenedores y volúmenes más grandes.

Uno de los argumentos más sólidos de un sistema automatizado de procesamiento por lotes con pesaje es que mejora la calidad del producto al suministrar una mezcla más precisa y uniforme. En muchas plantas que usan métodos manuales, una práctica común es trabajar con sacos pre-pesados — por ejemplo, volcado de sacos de 23 Kg (10.50 lb) para añadir 227 Kg (500 lb) de un ingrediente. Los problemas asociados con este método consisten en que cada saco quizá no contenga exactamente los 23 Kg (50 lb) del material y que el trabajador no vacíe por completo el saco. Las imprecisiones se suman conforme se usan más sacos. Asimismo, si es necesario que un operador cuente los sacos a fin de lograr el peso adecuado, existe la posibilidad de que se presente algún error humano.

Existen dos métodos automatizados de procesamiento por lotes con pesaje: ganancia de peso y pérdida de peso. En la primera configuración, los ingredientes del lote se transportan, por lo regular, en secuencia en una tolva localizada arriba del recipiente de proceso, usualmente una mezcladora o recipiente de almacenamiento. La tolva se fija sobre celdas de carga que transmiten datos de ganancia de peso a un controlador lógico programable (PLC) que arranca el transportador por cada ingrediente y después lo detiene cuando se alcanza el peso predeterminado de ese ingrediente. Por último, el controlador carga automáticamente el lote al recipiente de proceso.

En un sistema de pérdida de peso, la fuente de cada ingrediente (p. ej., un descargador de supersacos o una tolva precargada) se monta sobre las celdas de carga que transmiten los datos de pérdida de peso a un controlador que arranca y detiene cada transportador (o válvula rotativa airlock) para pesar cada ingrediente.

Cuándo especificar un sistema con ganancia de peso y cuándo uno con pérdida de peso

Determinar el método de procesamiento por lotes con pesaje más idóneo puede depender de cómo y dónde se recibe y almacena el material a granel. Por ejemplo, si el material se suministra en vagones o camiones a granel y se almacena en silos, los cuales son imprácticos de montar en las celdas de carga necesarias para un sistema con pérdida de peso, entonces el sistema con ganancia de peso es el idóneo. Por el contrario, si el material se recibe en supersacos, un sistema con pérdida de peso que integre descargadores de supersacos montados sobre celdas de carga ofrece una solución más simple.

Cuando se opera en un modo con ganancia de peso, una variable adicional que debe considerarse en el diseño del sistema es el "material en curso" que se define como la cantidad de material que aún se encuentra en camino a la báscula después de que el controlador de lotes ha desactivado el dispositivo de alimentación de material. Aunque la variable de material en curso puede reducirse mediante la secuencia correcta de control, resulta importante estar consciente de esta fuente potencial de imprecisión. En general, volúmenes más grandes de material en curso y variaciones más grandes en el flujo de material a la báscula resultarán en mayores imprecisiones potenciales.

Por ejemplo, si un transportador mecánico se descarga por gravedad directamente en una tolva con ganancia de peso, la cantidad de material en curso será proporcional a la distancia vertical desde la descarga del transportador hasta la tolva de ganancia en peso. Si la descarga del transportador mecánico se ubica inmediatamente arriba de la parte superior de la tolva de ganancia de peso, habrá poco material en curso. Por lo tanto, incluso si se presenta gran variación en la velocidad de flujo, que puede ser ocasionada por un material de flujo difícil que se introduce sin uniformidad al transportador mecánico, el material en curso será relativamente uniforme entre los lotes. Puesto que es predecible una cantidad uniforme de material en curso, se compensa fácilmente por el controlador de procesamiento por lotes con pesaje mediante la detención del dispositivo de alimentación en un punto previo para alcanzar realmente el peso deseado del lote.

Un ejemplo de un sistema con ganancia de peso con cantidad significativa de material en curso sería un transportador neumático relativamente largo con una válvula rotativa que funciona como dispositivo de alimentación del material. En este caso, cuando la válvula rotativa en el punto de alimentación del material se detiene por el controlador de lotes, la línea de transporte neumática estará llena de material que ya se encuentra en proceso de ser transportado a la báscula. Aunque un enfoque de prueba y error puede aproximarse a cuán rápido debe detenerse el transportador para compensar, el volumen creciente de material en curso puede resultar en un grado superior de variabilidad entre lotes. En esta situación, quizá sea prudente utilizar modos alternos de operación o una diferente configuración de equipo, como el uso de una válvula de báscula.

Una válvula de báscula es un tipo de válvula de desvío montada en una línea de transporte neumática que pasa arriba de una tolva de ganancia de peso. Permite que el material pase a través del cuerpo de la válvula o dirige el material de manera descendente a la tolva de ganancia de peso que está debajo. Cuando se alcanza el peso objetivo, la válvula redirige cualquier material restante en la línea de transporte que haya pasado la báscula, lo cual elimina o reduce el anterior problema de mucho material en curso. Puesto que debe acumularse el material que continúa en flujo descendente ("acarreado") y ventilarse desde el sistema, la línea neumática en flujo descendente de la válvula de báscula se enruta normalmente de regreso hacia la fuente del material (como el descargador de supersacos) a un receptor de filtro con una válvula rotativa airlock que reintroduce el material a la línea neumática inmediatamente en flujo descendente de la fuente del material.

Si el material en curso se reutilizará en el proceso, se requiere un filtro separado para cada ingrediente del lote. En consecuencia, las válvulas de báscula se adaptan generalmente para procesamiento por lotes con pesaje de sólo uno o dos ingredientes con destinos únicos o múltiples, en particular, si la altura arriba de las tolvas de ganancia de peso o equipos de proceso es limitada.

Las válvulas de báscula no son ideales ni necesarias para los sistemas con pérdida de peso puesto que la válvula rotativa que alimenta el material en una línea del transportador se detiene inmediatamente al momento de perder el peso predeterminado del lote, después de lo cual todo el material encontrado en la línea de transporte se traslada al recipiente de proceso, lo cual elimina variables de material en curso.

Una ventaja adicional del sistema con pérdida de peso que incluye dos o más ingredientes es el incremento de velocidad del procesamiento por lotes, puesto que todos los ingredientes pueden pesarse de manera simultánea, en contraposición con el peso secuencial como se requiere en los sistemas con ganancia de peso que emplean una sola tolva receptora o recipiente de proceso sobre celdas de carga.

Una desventaja potencial de los sistemas con pérdida de peso es que las celdas de carga se colocarán a menudo en el suelo, lo que los hace más susceptible a daños o es más probable que exijan calibración más frecuente debido al impacto potencial de equipos móviles en la planta como gatos de plataformas o montacargas. Un sistema con ganancia de peso que emplea una tolva con pesaje suspendida arriba del suelo puede eliminar prácticamente esta posibilidad.

Puesto que los sistemas con ganancia de peso que emplean tolvas de pesaje acumulan los ingredientes arriba del punto de uso, es posible comprobar el peso antes de que entre al recipiente de proceso. Esto permite al operador ajustar un lote que no se encuentra dentro de las tolerancias permisibles antes de descargar el material al proceso de flujo descendente — lo cual es diferente con respecto a los sistemas con ganancia de peso que utilizan mezcladoras y otros recipientes de procesos sobre celdas de carga para pesar el lote o con los sistemas con pérdida de peso que descargan regularmente cada ingrediente directamente en el recipiente de proceso. Un ingrediente fuera de la especificación, en el último escenario, puede arruinar todo el lote sin posibilidad de corregir.

Como una alternativa en el uso de una tolva de pesaje en un sistema con ganancia de peso, las celdas de carga pueden colocarse debajo del mismo recipiente de proceso (p. ej., una mezcladora o un reactor), para que de esta manera el recipiente asuma una doble función. La decisión de hacer que un recipiente de proceso sirva como su propia báscula puede estar determinada por la falta de espacio para adaptar una tolva de pesaje y un transportador arriba del recipiente.

Como regla general, los sistemas con ganancia de peso resultan más idóneos para pesar un número más pequeño de ingredientes de más volumen que son abastecidos de recipientes de procesos cercados o distantes, por varias razones: 1) el montaje de partes separadas de los equipos sobre celdas por cada fuente de ingrediente incrementa el costo, 2) las celdas de carga de gama pesada capaces de soportar equipos y grandes volúmenes de material suministrado no pueden pesar con gran precisión pequeños volúmenes de ingredientes de lotes y 3) el pesaje de una cantidad de material perdida en su fuente no se afecta por la cantidad de material en curso en las líneas neumáticas de flujo descendente.

Los sistemas con ganancia de peso son preferibles para pesar un número más grande de ingredientes de menor volumen usando transportadores mecánicos o sistemas de transporte neumático con recorridos relativamente cortos desde la fuente del material hasta el destino de procesamiento por lotes por diversas razones: 1) sólo se requiere un conjunto de celdas de carga por todo un sistema con ganancia de peso, 2) los sistemas con ganancia de peso que utilizan tolvas receptoras sobre celdas de carga como el punto de pesaje central pueden pesar ingredientes con mayor precisión que los sistemas con pérdida de peso que emplean equipos pesados para pesar el material suministrado y 3) el uso de una tolva de pesaje arriba del mezclador en una operación de mezclado puede ahorrar tiempo ya que permite que un lote sea pesado mientras la mezcladora opera de tal manera que un lote se coloca y está inmediatamente listo para mezclarse al momento de completarse el ciclo de mezclado.

Con cualquier sistema, los ingredientes menores pre-pesados pueden añadirse manualmente al recipiente de proceso que recibe el lote pesado y, en el caso de un sistema con ganancia de peso, adicionalmente en la tolva de pesaje. En los casos de "adiciones manuales" resulta más seguro pesar el material antes de que sea agregado que confiar en el peso establecido del material recibido en sacos u otros contenedores, conforme a lo descrito anteriormente.

Operación del sistema con pérdida de peso

Un sistema de procesamiento por lotes con pérdida de peso típico se compone de al menos un descargador de supersacos montado sobre celdas de carga, que miden la pérdida de peso durante el ciclo de procesamiento por lotes y transmiten la información a un controlador del sistema.

La secuencia del lote se inicia mediante un botón de arranque manual o una señal automatizada

Conforme el transportador descarga el material a una velocidad máxima de alimentación, las celdas de carga transmiten la información de pérdida de peso al controlador lo cual reduce la velocidad de alimentación hasta una velocidad por goteo antes de detener el transportador de tornillo flexible o la válvula rotativa airlock una vez que se ha descargado el peso del lote objetivo. El software del sistema debe configurarse para permitir cambios de sacos de lotes medios.

Múltiples descargadores de lotes con pesaje pueden transportar un ingrediente diferente a un punto de descarga central como tolvas, mezcladoras, reactores u otros equipos de procesos.

Operación del sistema con ganancia de peso

Un sistema de procesamiento por lotes con ganancia de peso típico transporta ingredientes a granel mecánica o neumáticamente desde cualquier ubicación hasta un recipiente receptor central montado sobre celdas de carga. El recipiente receptor puede ser una tolva colocada arriba de una mezcladora, un reactor u otros equipos de procesos o puede tratarse del mismo equipo como se describió anteriormente.

Cuando la secuencia de lotes se inicia mediante un botón de arranque manual o una señal automatizada, un controlador programable activa el primer transportador mecánico o la válvula rotativa airlock para empezar a cargar el primer ingrediente en el recipiente a una velocidad de alimentación máxima.

Las celdas de carga transmiten la información de ganancia de peso al controlador, el cual reduce gradualmente la velocidad de alimentación hasta llegar al goteo antes de alcanzar el peso objetivo, a fin de lograr mayor precisión. El controlador detiene el transportador mecánico o la válvula rotativa airlock a una cantidad pre-establecida antes de que se alcance el peso objetivo para compensar con el material en curso.

Flujo del material esencial para efectos de la precisión del procesamiento por lotes con pesaje

Los materiales a granel que no fluyen libremente, que se apiñan, encostran o forman puentes ocasionan imprecisiones en el procesamiento por lotes con pesaje a menos que el flujo del material pueda ser inducido por el equipo que lo descarga, transporta y pesa.

Por ejemplo, cuando se emplean tolvas con ganancia de peso, deben estar diseñadas para que el 100 por ciento del lote pesado pueda ser descargado sin pérdidas residuales. Para tal fin, suelen emplearse ángulos adecuados en las paredes de las tolvas, junto con vibración o fluidización por aire para promover el flujo y la evacuación de materiales por lotes de flujo difícil.

Mantener el flujo de materiales recibidos en supersacos puede representar el más grande problema debido a que el envío y el almacenamiento de los sacos suele ocasionar que el material se apiñe o, peor aún, que se solidifique por completo, un problema común con ciertos polvos finos, químicos higroscópicos y productos alimenticios. Con el propósito de promover el flujo, el equipo de descarga de supersacos puede configurarse con placas activadas neumáticamente que soban los bordes inferiores opuestos del saco y empujan el material dentro de la boca del saco. Adicionalmente, dispositivos que mantienen una tensión descendente constante en la boca conforme se vacía y estira el saco, sirven para promover la descarga completa del saco sin intervención manual.

En los casos de materiales que se han solidificado en los supersacos, se requiere una medida más extrema de promoción de flujo en la forma de "acondicionador de supersacos". Estos dispositivos, ya sean autónomos o integrados con marcos de descarga de supersacos, utilizan cilindros hidráulicos con placas de extremos contorneados que presionan los lados opuestos del supersaco con alta presión y a diversas alturas, lo cual afloja el material.

Integración de un sistema de procesamiento por lotes en un proceso existente

Un sistema automatizado de procesamiento por lotes suele integrarse con el sistema de manejo de material a granel de una planta e incorpora generalmente transportadores neumáticos y/o mecánicos. Todos los equipos de flujos ascendentes y descendentes, desde la recepción hasta el procesamiento o empacado, pueden sellarse para eliminar la contaminación del producto y del entorno de la planta.

Toda la operación también puede controlarse automáticamente usando diversos sistemas de control. Una opción es utilizar una tarjeta de interfaz en la báscula para enlazarse con un sistema existente de PLC en toda la planta; la segunda opción consiste en usar un PLC autónomo; y también se puede emplear un controlador de lote secuencial. Este último es un dispositivo programable que ejecutará todos los equipos asociados con el sistema de procesamiento por lotes con pesaje y almacenará las recetas del producto. Puede operar en modo autónomo o integrarse en diversos grados con el PLC de la planta.

Son numerosas las consideraciones para seleccionar un sistema de transporte, y tema de un artículo diferente, pero los requisitos presentados por el sistema de procesamiento por lotes con pesaje pueden influir o dictar la selección de un sistema de transportador. Por el contrario, alguna preferencia por un sistema de transportador o algún sistema de manejo de material a granel existente puede dictar la opción de un sistema de procesamiento por lotes con pesaje.

Por lo general, los transportadores mecánicos resultan ideales para transportar tanto materiales de flujo libre como de flujo difícil sobre distancias relativamente cortas y también son idóneos para sistemas de procesamiento por lotes con pérdida y ganancia de peso.

Sin embargo, puesto que la mayoría de los transportadores mecánicos no pueden evacuar por completo su contenido, un descargador con pérdida de peso equipado con transportador mecánico debe considerar el peso del transportador y su material residual a fin de pesar sólo la cantidad de material que ha perdido el transportador. Esto se logra generalmente soportando el transportador desde el marco del descargador con pérdida de peso, pero puesto que se incrementan las longitudes de los transportadores mecánicos, también se dificulta más el peso de un descargador-transportador como uno solo.

Estas restricciones no se presentan con los transportadores mecánicos integrados con sistemas de procesamiento por lotes con ganancia de peso. En este caso, el extremo de descarga de los transportadores puede suspenderse desde una viga de techo u otra estructura elevada sobre una tolva de pesaje o algún recipiente de proceso.

Un sistema neumático con ganancia de peso exige a menudo un receptor de filtro arriba del recipiente de proceso y el espacio elevado para acomodarlo. Sin embargo, conforme se incrementan las longitudes de las líneas, también aumenta la calidad de material en curso que debe manejarse a fin de aumentar la precisión del sistema.

Ejemplos de instalaciones con procesamiento por lotes con pesaje

A continuación se presentan dos ejemplos de instalaciones reales que ilustran la manera en que puede configurarse un sistema automatizado de procesamiento por lotes con pesaje y los beneficios que pueden obtenerse.

Una compañía de alimentos aumentó la producción de margarina en 50% y mejoró la calidad del producto al cambiar de una operación manual a un sistema automatizado de manejo de materiales que incluye el procesamiento por lotes con pesaje. El sistema se usa para comprobar y pesar la sal y el suero en polvo, los cuales se mezclan con aceite de canola para hacer la margarina.

Anteriormente, la compañía recibía los ingredientes en sacos de 15 y 20 kg (33 y 44 lb), los cuales se volcaban manualmente en una pre-mezcladora en un piso de procesamiento abierto. La planta tenía que desechar 100 sacos por día, ocurrían derrames y había imprecisiones ocasionales en las cantidades de ingredientes agregadas a la mezcladora.

En la nueva configuración, la sal y el suero en polvo se reciben en supersacos de 1,000 Kg (2,200 lb), que se cargan en dos descargadores de supersacos. Un sistema de pérdida de peso descarga los pesos pre-seleccionados de lotes de cada descargador en tolvas de acero inoxidable de 0.22 m³ (8 pies³), desde las cuales un transportador de tornillo flexible mueve el material a la mezcladora.

Toda la operación es controlada desde la computadora central de la planta, lo que en consecuencia reduce las probabilidades de errores humanos. Asimismo, la sal y el suero en polvo permanecen cerrados desde el supersaco hasta el tanque de mezclado, lo que evita la posibilidad de contaminación, además de eliminar polvo escapado.

En otro caso, un fabricante de productos químicos isotópicos instaló un sistema con ganancia de peso para fines de un proceso que incluye la mezcla de cinco polvos finos en pesos de lotes que varían de menos de 9 kg (20 lb) hasta casi 181 kg (400 lb). El sistema cumple con el estricto requisito de precisión de la compañía de ±1.00% sobre este amplio rango de pesos de ingredientes.

Dos de los ingredientes van directamente a una mezcladora de húmedos. Los otros tres se enrutan primero a una mezcladora de secos para su mezcla, después a la mezcladora de húmedos.

Cuatro de los productos se reciben de supersacos, los cuales se descargan de descargadores de supersacos. El quinto ingrediente menor se recibe en sacos de 50 lb, los cuales se descargan manualmente en una estación de volcado de sacos. Los cinco ingredientes se transfieren secuencialmente en una tolva de pesaje sencilla por medio de cinco transportadores de tornillo flexible, cada uno de los cuales está diseñado de acuerdo con las características de flujo del polvo que maneja.

Las celdas de carga debajo de la tolva transmiten información de ganancia de peso a un controlador que arranca y detiene cada transportador, reduciendo la velocidad de alimentación hasta un goteo conforme el peso se aproxima al objetivo a fin de cumplir con los requisitos de alta precisión.

Los ingredientes se descargan de la tolva por medio de una válvula de compuerta en una diversora en Y que los dirige ya sea a la mezcladora de húmedos o de secos.

Conclusión

Un sistema de procesamiento por lotes con pesaje debe diseñarse de acuerdo con el número, el volumen, la capacidad de flujo y la ubicación de materiales que se pesarán, las fuerzas respectivas de los métodos de procesamiento por lotes con pérdida y ganancia de peso, así como los transportadores nuevos o existentes, los sistemas de control y los procesos con los cuales se integrarán. La disponibilidad de numerosos componentes de procesamiento por lotes con pesaje y las muchas maneras en que pueden configurarse, permiten al ingeniero de la planta diseñar un sistema que funcione de manera confiable, mejore la calidad del producto y eleve la producción al mismo tiempo que se reducen costos.