Jaka sensoryka in-line (moment obrotowy, temperatura, wilgotność) jest sensowna do monitorowania procesu w mieszalnikach?
Do monitorowania procesu podczas mieszania proszków najważniejszymi wielkościami pomiarowymi są moment obrotowy lub pobór mocy, temperatura i wilgotność. Dostarczają one jednak różnych informacji i muszą być interpretowane w sposób specyficzny dla danego produktu. Żadna z tych wielkości sama w sobie nie dowodzi wystarczającej jakości mieszania. Szczególnie do określenia jednorodności wymagane są zwalidowane, specyficzne dla produktu korelacje lub uzupełniające metody PAT.
Moment obrotowy lub pobór mocy napędu mieszadła to praktyczny sygnał pośredni. Może wskazywać na zmiany zachowania przepływu, zagęszczenia, skłonności do przywierania lub stopnia napełnienia. Przy procesach nawilżania, granulacji lub deaglomeracji charakterystyczny przebieg momentu obrotowego może wskazywać na określony stan procesu. Plateau w momencie obrotowym nie oznacza jednak automatycznie, że każdy komponent proszku jest jednorodnie rozprowadzony. Sygnały te nadają się szczególnie do ochrony instalacji, wykrywania blokad, przeciążeń lub nietypowych stanów produktu. Pomiar może odbywać się bezpośrednio na wale lub pośrednio poprzez pobór mocy czynnej silnika.
Pomiar temperatury jest przy suchych proszkach istotny przede wszystkim dla monitorowania ciepła tarcia, procesów termostatowania, suszenia i reakcji krytycznych z punktu widzenia bezpieczeństwa. Czujniki Pt100 lub termopary mogą być instalowane w ścianie zbiornika, w obszarze produktu lub w płaszczu termostatującym. Miejsce pomiaru musi być starannie dobrane: temperatura ściany nie jest automatycznie identyczna z temperaturą całego złoża produktu. Kilka punktów pomiarowych może być sensownych, gdy spodziewane są gradienty temperatury, lokalne podgrzewanie lub nierównomierne przenoszenie ciepła.
Pomiar wilgotności jest szczególnie ważny, gdy wilgotność wpływa na sypkość, zachowanie pod względem pylenia, aglomerację, stabilność magazynową lub jakość produktu końcowego. Dotyczy to na przykład granulacji, nawilżania, suszenia i powlekania. Systemy spektroskopowego pomiaru wilgotności inline (NIR) mogą przy odpowiedniej kalibracji rejestrować szybko i bezdotykowo wilgotność, a także inne cechy jakościowe. Pomiar odnosi się jednak do obszaru, który czujnik obejmuje optycznie. Dlatego trzeba uwzględnić okna pomiarowe, przywieranie, ruch cząstek i reprezentatywność miejsca pomiaru. Sensoryka NIR jest stosowana również do monitorowania mieszanin proszkowych i określania punktu końcowego mieszania.
Czujniki wilgotności mikrofalowe lub pojemnościowe mogą, w zależności od zastosowania, stanowić alternatywę. Pomiary mikrofalowe obejmują większe objętości produktu niż optyczne pomiary powierzchniowe, ale również wymagają kalibracji specyficznej dla produktu. Czujniki pojemnościowe są ekonomiczne i solidne, reagują jednak często silniej na zmiany receptury, gęstości lub temperatury.
Sensownymi uzupełniającymi wielkościami pomiarowymi są: poziom napełnienia, obroty mieszadła, ciśnienie, próżnia, resztkowa zawartość tlenu, przepływ gazu, drgania, temperatury łożysk i uszczelnień. Przy produktach zagrożonych wybuchem pyłu czujniki, przepusty kablowe i przyłącza procesowe muszą być wykonane zgodnie z ATEX lub IECEx. Przy proszkach ściernych ważne są ponadto odporne na zużycie okienka czujników i chroniona pozycja zabudowy.
Bezpośredni pomiar wielkości cząstek inline w komorze mieszania jest przy suchych proszkach technicznie wymagający i niestandardowy. Stosuje się go raczej w specjalnych odcinkach pomiarowych lub w przewodach transportowych za mieszalnikiem. Przewodność i wartość pH są natomiast typowymi wielkościami pomiarowymi dla układów ciekłych i nie są istotne dla czystych procesów mieszania na sucho.
Dane procesowe są rejestrowane poprzez sterowanie maszyny i mogą być przekazywane do systemu sterowania procesem lub do nadrzędnych systemów sterowania i produkcji. Powszechnymi interfejsami są na przykład 4–20 mA, HART, IO-Link lub standardowe protokoły komunikacyjne i magistrali polowej. Dzięki temu można zrealizować protokoły wsadowe, krzywe trendów, monitorowanie wartości granicznych, alarmy oraz konserwację zorientowaną na stan.
Podsumowując, kombinacja momentu obrotowego lub poboru mocy, temperatury i wilgotności daje solidny obraz procesu proszkowego. Moment obrotowy pokazuje zmiany mechaniczne, temperatura rejestruje rozwój ciepła, a wilgotność opisuje istotny wpływ na zachowanie przepływu, aglomerację i stabilność produktu. Dla wiarygodnego wykrywania punktu końcowego sygnały te muszą zostać sprawdzone z oryginalnym produktem, skalibrowane i zwalidowane względem odpowiednich analiz jakościowych.
Tak amixon® integruje czujniki w procesach proszkowych
amixon® projektuje czujniki procesowe i automatyzację specyficznie dla danego projektu. W centrum uwagi znajdują się wielkości pomiarowe, które w sposób zrozumiały opisują stan produktu, wprowadzanie energii i odtwarzalność wsadu. Typowymi sygnałami są: moment obrotowy lub pobór mocy napędu, temperatura produktu, wilgotność i poziom napełnienia. Przy procesach próżniowych dochodzą do tego: ciśnienie, atmosfera gazowa, przebieg oparów i ilość kondensatu.
Moment obrotowy i pobór mocy dostarczają wskazówek dotyczących zachowania przepływu, zagęszczenia, przywierania, nawilżania i zmian stanu produktu. Przy procesach granulacji, nawilżania lub deaglomeracji charakterystyczny przebieg sygnału może wskazywać na określony stan procesu. Sam moment obrotowy nie jest jednak ogólnie ważnym dowodem jednorodności mieszaniny. Jego wartość informacyjna jest badana i kalibrowana dla każdej receptury z oryginalnym produktem.
Monitorowanie temperatury służy kontroli ciepła tarcia, termostatowania, suszenia i produktów wrażliwych termicznie. Punkty pomiarowe mogą być rozmieszczone w obszarze produktu, w ścianie zbiornika lub w płaszczu termostatującym. W próżniowych suszarko-mieszalnikach i reaktorach serii VMT i AMT monitorowanie procesu uzupełniają: ciśnienie w układzie, temperatura produktu i przebieg oparów. Połączenie tych wielkości pomiarowych wspiera ocenę postępu suszenia i definicję odtwarzalnego punktu końcowego suszenia.
Pomiar wilgotności jest szczególnie istotny przy nawilżaniu, granulacji, powlekaniu i suszeniu. W zależności od produktu można stosować metody pomiarowe NIR, mikrofalowe lub pojemnościowe. Punkty pomiarowe są projektowane tak, aby w rzeczywistych warunkach ruchu cząstek, pylenia, ścierania i możliwego przywierania dostarczały wiarygodnych sygnałów. Zintegrowany próbnik może uzupełniać dane inline o celowo pobierane próbki produktu.
Czujniki w centrum prób
W centrum prób amixon® dostępnych jest, według danych firmy, ponad 35 maszyn testowych do prób mieszania, uszlachetniania, próżni i suszenia. Niektóre z tych mieszalników testowych dysponują specjalnymi czujnikami w narzędziu mieszającym, w bocznej ścianie zbiornika i w obszarze dna.
Dzięki temu można rejestrować lokalne obciążenia mechaniczne w złożu produktu w różnych pozycjach i oceniać je przestrzennie. Dane pomiarowe pokazują, jak siły kontaktowe, obciążenia ścinające i wprowadzanie energii rozkładają się w komorze mieszania. Pomagają lepiej zrozumieć ruch produktu i zidentyfikować krytyczne strefy obciążenia.
Te wnioski są szczególnie cenne przy projektowaniu dużych mieszalników proszków. Wspierają wybór narzędzia mieszającego, obrotów, stopnia napełnienia i czasu mieszania. Dzięki temu skalowanie z maszyny centrum prób na instalację produkcyjną można zabezpieczyć z oryginalnym produktem.
Automatyzacja i punkt końcowy
Aparaty amixon® są projektowane na podstawie specyfikacji wymagań użytkownika. Czujniki, punkty pomiarowe, funkcje sterownika PLC, rejestracja wsadowa i interfejsy do systemu nadrzędnego są definiowane w projekcie. Programy mieszania mogą być zapisane w sterowniku PLC i wykonywane wsadowo w sposób odtwarzalny.
Przekazywanie danych do systemów SCADA, MES lub ERP odbywa się poprzez uzgodnione interfejsy. Skanery kodów kreskowych mogą uzupełniać dokumentację odniesioną do wsadu. W środowiskach regulowanych wymagania dotyczące integralności danych, uprawnień użytkowników, ścieżki audytu i elektronicznej dokumentacji wsadowej można uwzględnić przy automatyzacji.
Niezawodny punkt końcowy nie powstaje dzięki pojedynczej wartości czujnika. amixon® ustala w centrum prób, która kombinacja momentu obrotowego, temperatury, wilgotności, przebiegu ciśnienia, czasu mieszania i analizy produktu jest miarodajna dla danej receptury. Te dane z prób stanowią podstawę doboru czujników i programu mieszania dla późniejszej instalacji produkcyjnej.