Czy istnieją mieszalniki proszków ze zintegrowaną sensoryką procesową (moment obrotowy, temperatura, wilgotność) i łącznością Przemysł 4.0 do monitorowania procesu?
Tak. Mieszalniki proszków mogą być wyposażone w czujniki procesowe i cyfrowe interfejsy. Konkretny zakres zależy od typu mieszalnika, produktu, wymagań higienicznych i przeciwwybuchowych oraz pożądanego stopnia automatyzacji. Nie każdą wielkość pomiarową można w każdym procesie proszkowym rejestrować bezpośrednio lub ekonomicznie w trybie inline.
Moment obrotowy i pobór mocy rejestrują obciążenie napędu. Dostarczają wskazówek dotyczących stopnia napełnienia, zachowania przepływu, zagęszczenia, przywierania i zmian produktu. Przebieg sygnału może przy odpowiedniej walidacji wspierać odtwarzalny punkt końcowy mieszania lub granulacji. Sam moment obrotowy nie jest jednak ogólnie ważnym dowodem jednorodności mieszaniny.
Czujniki temperatury, takie jak Pt100 czy termopary, monitorują temperaturę na ścianie zbiornika, w obszarze produktu lub w medium termostatującym. Pomagają kontrolować ciepło tarcia, wzrosty temperatury oraz procesy grzania i chłodzenia. Pozycja czujnika ma decydujące znaczenie, ponieważ temperatura ściany i produktu mogą się od siebie różnić.
Pomiar wilgotności jest szczególnie istotny przy granulacji, suszeniu, nawilżaniu i powlekaniu. Spektroskopowy pomiar wilgotności inline oraz systemy mikrofalowe lub pojemnościowe mogą – w zależności od produktu i miejsca zabudowy – rejestrować zawartość wilgoci; przy odpowiedniej kalibracji można dzięki temu dodatkowo monitorować jednorodność i punkt końcowy mieszania.
Dodatkowo można monitorować poziom napełnienia, ciśnienie, próżnię, resztkową zawartość tlenu, przepływ gazu, drgania, stan łożysk i uszczelnień. Bezpośredni pomiar wielkości cząstek inline w komorze mieszania jest natomiast technicznie wymagający i niestandardowy.
Połączenie cyfrowe odbywa się poprzez sterowanie maszyny, na przykład za pomocą standardowych protokołów komunikacyjnych i magistrali polowej, takich jak Profinet, EtherNet/IP czy Modbus TCP. Umożliwia to rejestrację wsadową czasu mieszania, obrotów, momentu obrotowego, temperatury, wartości receptury, alarmów i interwencji operatora. Dzięki temu można porównywać przebiegi procesu, wykrywać odchylenia i planować działania konserwacyjne w sposób zorientowany na stan.
W obszarach regulowanych należy uwzględnić integralność danych, ścieżkę audytu (Audit Trail), uprawnienia użytkowników oraz w razie potrzeby wymagania GMP lub FDA 21 CFR Part 11. Czujniki i przyłącza procesowe muszą ponadto być wykonane higienicznie, w sposób umożliwiający czyszczenie, a przy produktach zagrożonych wybuchem pyłu – zgodnie z ATEX.
Podsumowując, nowoczesne mieszalniki proszków umożliwiają kompleksowe cyfrowe monitorowanie procesu. Szczególnie sensowne są: moment obrotowy, temperatura, poziom napełnienia oraz – przy zwalidowanym zastosowaniu – spektroskopowy pomiar wilgotności inline lub sensoryka Ramana. Decydująca jest strategia czujników dostosowana do produktu, a nie jak największa liczba urządzeń pomiarowych.
Tak amixon® wykorzystuje czujniki procesowe do projektowania mieszalników proszków
amixon® integruje czujniki procesowe tam, gdzie przynoszą one wymierną korzyść dla danego zadania mieszania, granulacji, suszenia lub reakcji. Typowymi wielkościami pomiarowymi są: moment obrotowy, pobór mocy, temperatura, ciśnienie, próżnia, wilgotność, poziom napełnienia oraz ilość skroplonych oparów przy procesach suszenia próżniowego.
Moment obrotowy i pobór mocy dostarczają wskazówek dotyczących zachowania przepływu, zagęszczenia, przywierania lub zmian struktury produktu. Mogą wspierać odtwarzalny punkt końcowy procesu, jednak same w sobie nie są ogólnie ważnym dowodem jednorodności mieszaniny. W próżniowych suszarko-mieszalnikach i reaktorach monitorowanie procesu uzupełniają: ciśnienie, temperatura produktu i przebieg oparów. Połączenie tych wielkości pomiarowych pozwala wiarygodnie ocenić przebiegi suszenia i reakcji.
Aparaty amixon® są projektowane specyficznie dla danego projektu, zgodnie ze specyfikacją wymagań użytkownika operatora. Czujniki, punkty pomiarowe, zakres sterowania, rejestracja wsadowa i interfejsy do systemu sterowania procesem są zatem definiowane odpowiednio do zadania procesowego. Programy mieszania można zapisać w sterowniku PLC. Przekazywanie danych do systemów SCADA, MES lub ERP może odbywać się poprzez interfejsy uzgodnione w projekcie. W obszarach regulowanych wymagania dotyczące integralności danych, uprawnień użytkowników, ścieżki audytu i elektronicznej dokumentacji wsadowej są uwzględniane już przy projektowaniu automatyzacji.
Szczególną rolę odgrywa centrum prób amixon®. Dostępnych jest tam, według danych firmy, ponad 35 maszyn testowych do prób mieszania, uszlachetniania, próżni, suszenia i reakcji. Niektóre instalacje próbne dysponują czujnikami w narzędziu mieszającym, w bocznej ścianie zbiornika i w obszarze dna. Rejestrują one lokalne obciążenia mechaniczne w różnych miejscach złoża produktu. Nie chodzi przy tym wyłącznie o wartości pomiarowe jako czystą wielkość: można analizować zależne od kierunku składowe sił kontaktowych i obciążeń ścinających. Precyzyjne z technicznego punktu widzenia jest tu rozróżnienie: ciśnienie jest wielkością skalarną; siły kontaktowe mają kierunek, a naprężenia ścinające są opisywane jako stan naprężenia o składowych zależnych od kierunku.
Te dane pomiarowe są szczególnie cenne przy projektowaniu dużych mieszalników proszków. Pomagają lepiej zrozumieć ruch produktu, zidentyfikować strefy o wyższym obciążeniu oraz dostosować geometrię narzędzi, obroty, stopień napełnienia i czas mieszania do oryginalnego produktu. Dzięki temu skalowanie z maszyny doświadczalnej na mieszalnik produkcyjny staje się bardziej wiarygodne. Dla procesów termicznych w centrum prób można badać ciśnienia od 5 mbar do 26 bar absolutnych oraz temperatury do 350°C.
Właściwe bezpieczeństwo procesu wynika ze współdziałania odpowiedniej geometrii mieszania, odtwarzalnego programu mieszania, zwalidowanych wielkości pomiarowych i jasnych kryteriów jakości. Czujniki nie zastępują próby z oryginalnym produktem. Czynią ją jednak znacznie bardziej miarodajną i dostarczają podstawy danych dla bezpiecznego projektowania, automatyzacji i późniejszego monitorowania procesu.