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Un nuovo sistema di dosaggio: la coclea intelligente
Uno dei problemi principali che si presentano in quasi tutti i processi industriali che comportano la manipolazione e il trattamento di materiale solido sfuso è il dosaggio accurato del materiale in polvere. In alternativa ai tradizionali nastri trasportatori, è stato sviluppato un nuovo sistema di dosaggio a coclea con caratteristiche innovative, provato presso i laboratori della WAM
di Marco Bortolamasi e Bianca Rimini
Per gentile concessione WAM Spa
La necessità di formare miscele di materiali solidi diversi è da sempre
presente in quei processi produttivi di tipo continuo, tipici di ambienti industriali,
quali acciaierie, cementifici, impianti chimici e alimentari, in cui l’esatta
determinazione delle quantità di materiale da introdurre nell’unità di tempo è
fondamentale per ottenere un prodotto finale con le caratteristiche chimico-fisiche
desiderate.
I sistemi di dosaggio avanzati si sono pertanto rilevati di primaria importanza in tutti
quei casi in cui siano richiesti elevati standard qualitativi, ottenibili solo garantendo
la rigorosa precisione delle percentuali dei prodotti miscelati ed il suo mantenimento
alle varie portate richieste.
In questo ambito è stato sviluppato il progetto di coclea dosatrice, in alternativa al
nastro pesatore: quest’ultimo ha trovato fin dall’inizio vasto impiego in
applicazioni industriali particolarmente gravose, in cui sia necessario convogliare
materiale con portate elevate, quali cementifici e lavorazioni di materiali
dell’industria siderurgica. Le coclee sono, come noto, dispositivi costruttivamente
semplici e caratterizzati da buona affidabilità funzionale. Nate originariamente per il
settore alimentare, hanno confermato nel tempo eccellenti possibilità di impiego in
moltissimi settori industriali. Nel campo del dosaggio, lo sviluppo del sistema a coclea
presenta particolarità che lo rendono particolarmente vantaggioso. In primo luogo è un
sistema chiuso, che non risente pertanto dell’effetto di materiali particolarmente
volatili durante il trasporto. Inoltre, particolare di non secondaria rilevanza, è un
dispositivo significativamente economico, a parità di prestazioni, rispetto al nastro
dosatore.
Da queste considerazioni si giustifica la volontà di sperimentare la coclea dosatrice
quale valida alternativa ai sistemi esistenti.
Principali caratteristiche
Costruttivamente la coclea dosatrice è costituita dai seguenti elementi:
- il sistema di alimentazione;
- la coclea;
- il ponte di pesatura;
- il sistema di controllo e di regolazione automatico.
Dagli ultimi due dipende la capacità del sistema di garantire una elevata precisione
nel dosaggio. La trasduzione del segnale di peso è affidata a un ponte di pesatura, che
si compone di una cella di carico di precisione di taglia adeguata alle prestazioni
richieste, di un trasduttore tachimetrico digitale per la generazione di un segnale
proporzionale alla velocità della coclea e di un trasmettitore di peso, qualora
l’unità di elaborazione dei segnali di peso e velocità sia lontana dal dosatore.
Il sistema di controllo e regolazione automatica è costituito fondamentalmente da una
apparecchiatura a microprocessore in grado di svolgere funzioni di misura ed elaborazione.
Le prime sono quelle che il sistema di controllo esegue sui segnali acquisiti dal campo e
riguardano principalmente la conversione A/D del segnale di peso, la linearizzazione e il
filtraggio.
Le seconde riguardano invece l’elaborazione dei segnali di peso, velocità e set
point impostato per la realizzazione delle seguenti funzioni:
- taratura automatica dello zero e fondo scala statico, effettuate a dosatore fermo,
rispettivamente a coclea vuota e con l’utilizzo di un peso campione;
- prova di integrazione con il materiale:
- totalizzazione della portata;
- generazione di segnali di uscita relativi a portata, peso e velocità istantanea.
Il programma implementato nella memoria dell’apparecchiatura provvede a elaborare
il segnale di peso (proveniente dalla cella di carico) e di velocità (dal rilevatore
digitale) e sulla base del set impostato corregge in modo continuo la velocità della
coclea (agendo sull’azionamento) in modo da mantenere la portata istantanea
costantemente uguale al set.
Le funzioni di regolazione vengono effettuate utilizzando algoritmi di regolazione PI
opportunamente parametrizzati nelle parti costitutive: il dosatore volumetrico è
comandato in modo proporzionale alla velocità della coclea, con correzione integrale in
dipendenza del segnale della cella pesatrice, al fine di porre la regolazione principale
nelle migliori condizioni di funzionamento.
Il segnale della cella pesatrice è la risultante di due componenti, i carichi dovuti
rispettivamente alla tara della coclea dosatrice e al peso del materiale, avente
quest’ultimo un andamento casuale. Il sistema di controllo PI utilizzato è
vantaggioso per il limitato numero dei parametri che lo caratterizza e per la
disponibilità di regole semplici e rapidamente applicabili per la taratura.
Esso, come noto, almeno nella sua forma ideale, è caratterizzato dalla seguente funzione
di trasferimento:
R(s) = Kp (1 + 1/(s Ti))
Ove Kp è il guadagno proporzionale del regolatore, mentre Ti è la costante di tempo integrale.
Una diversa rappresentazione del PI è:
R(s) = Kp + Ki/s
Dall’esame della struttura di R(s) è immediato constatare che il PI ideale esercita sulla sua variabile di ingresso, normalmente l’errore fra il segnale di riferimento w e la variabile sotto controllo y, due azioni, una proporzionale (P = Kp) allo stesso e una di tipo integrale (I(s) = Kp/(s Ti)), per garantire errore nullo a transitorio esaurito in presenza di segnali di riferimento e/o distrurbi sulla variabile di uscita costanti.
Schema dell’impianto
La coclea estrattrice è collocata direttamente sotto il silo ed incernierata al telaio
di sostegno lungo l’asse verticale della bocca di carico. Il grado di libertà
garantito in questo modo alla coclea consente una corretta oscillazione in fase di misura
del peso istantaneo, rilevato dalla cella di carico, che è alla base delle elaborazioni
eseguite dal PLC per controllare in tempo reale l’efficienza del sistema di pesatura
in base ai parametri impostati.
Il peso della coclea è in parte bilanciato, ad una estremità, dal gruppo
motore-riduttore. All’estremità opposta è collocata la bocca di scarico; sulla
testata trova posto l’encoder per la rilevazione della velocità di rotazione
dell’elica.
Il tubo della coclea poggia su una cella di carico che legge istantaneamente il peso del
materiale trasportato.
Una fase particolarmente importante riguarda il settaggio dello zero, da effettuarsi a
macchina vuota; con la definizione di questo parametro è possibile stabilire il valore
della "tara-macchina", al fine di mantenere sempre il dispositivo nelle migliori
condizioni di pesatura.
La possibilità di agire in qualsiasi momento sulla funzione Set Point permette di
ottimizzare la misura nelle più diverse condizioni di impiego e per sopravvenute
variazioni di equilibrio dovute a connessioni meccaniche e quantità di materiale nella
bocca di carico. Per questa ragione parte delle sperimentazioni sono state indirizzate
allo studio dell’efficienza legata al carico della coclea; i risultati hanno
dimostrato quanto sia importante, per l’ottimale funzionamento del dispositivo, che
sia sempre garantita l’affluenza più costante e completa possibile di materiale.
Per ottenere una risposta attendibile dall’impianto si è dotato il cono del silo
di un vibratore temporizzato in grado di garantire una perfetta discesa del prodotto.
Infatti, soprattutto con prodotti impaccanti, è necessario mantenere una buona fluidità
del prodotto in quanto i margini di correzione del dosaggio attraverso un aumento dei giri
della coclea non possono compensare totalmente eventuali carenze di materiale, come test
specifici hanno dimostrato. Inoltre, la condizione ottimale per la determinazione del Set
Point e, quindi, l’azzeramento della tara-macchina, presuppone una buona discesa del
prodotto ed un completo riempimento della bocca di carico.
Con l’impiego del vibratore per mantenere la fluidità del prodotto ed il conseguente
riempimento ottimale della bocca di carico, si ottengono valori istantanei e relative
stime delle portate con minimi margini percentuali di errore, garantendo, in questo modo,
una elevata precisione del dosaggio.
Durante la fase di sperimentazione della coclea dosatrice si è posta grande attenzione al
disaccoppiamento meccanico silo/coclea, in quanto non deve assolutamente essere abbastanza
rigido da inficiare la libertà di oscillazione della coclea, al fine di ottenere la più
corretta misura possibile del carico istantaneo, considerando anche che il riempimento di
questa connessione con materiale in uscita dal silo tende già, di per sé, ad
irrigidirla.
Le stesse considerazioni valgono maggiormente per il convogliamento del materiale dosato
in quanto, mentre nel primo caso si tratta di un irrigidimento in prossimità del fulcro
di appoggio, una coercizione in grado di vincolare la bocca di scarico determina
variazioni rilevanti dei valori letti dalla cella di carico ed errori percentuali di
grande entità.
Il dispositivo elettronico di gestione dell’impianto si basa su un pannello di
controllo che governa l’impianto in modo da mantenere costante il dosaggio,
elaborando le informazioni provenienti dalla cella di carico, che rileva il carico
istantaneo, e dall’encoder, che controlla la rotazione dell’elica.
Il dosaggio viene, in questo modo, monitorato continuamente; il pannello di controllo
interviene apportando, attraverso l’inverter, le correzioni necessarie attraverso
continui aggiustamenti della velocità di rotazione della coclea, in modo da poter
compensare istantaneamente gli errori di portata.
Il pannello di controllo ha due modalità di funzionamento: manuale e automatica. Nella
prima modalità è possibile stabilire manualmente una velocità fissa di rotazione
dell’elica e monitorare i parametri relativi alla portata. Nella seconda, il
dispositivo, stabilita la portata oraria, si autocalibra controllando tutti i parametri
rilevati ed agendo, come poc’anzi accennato, sulla velocità di rotazione
dell’elica.
Un aspetto importantissimo della sperimentazione riguarda la calibrazione iniziale del
dispositivo elettronico. Infatti è necessario tarare il parametro K in modo tale da fare
coincidere la portata misurata con la portata reale. Tale parametro è di fondamentale
importanza, così come la sua taratura, in quanto determina l’errore del dispositivo.
La stima della portata reale consiste nell’eseguire una serie rilevante di pesature,
su bilancia calibrata, di materiale campionato in un tempo prestabilito e confrontare i
dati ottenuti con le rilevazioni visualizzate sul pannello di controllo. Eseguendo
accuratamente queste rilevazioni, è possibile tarare l’impianto con margini di
errore compresi tra il 3 e il 5%. Accurate sperimentazioni hanno dimostrato che, operando
minuziosamente sulle misurazioni comparate, si possono ottenere margini di errore
percentuale intorno all’1-2%. Inoltre, l’elettronica di controllo, impiegando un
software specifico di comunicazione con stazioni PC remote, consente il controllo a
distanza dei parametri di funzionamento dell’impianto.
Durante le fasi di studio per la determinazione della corrispondenza tra portata reale e
portata misurata, si sono manifestati problemi legati alle vibrazioni della coclea: le
misurazioni del pannello di controllo hanno infatti manifestato chiari margini di errore
sulla lettura del carico istantaneo e, di conseguenza, nel calcolo della portata oraria.
Questi inconvenienti sono stati risolti intervenendo sulla parte meccanica e su alcuni
particolari costruttivi dell’elica.
Per ottenere una taratura ottimale, con uno scarto percentuale di errore minimo, è
necessario, come già spiegato precedentemente, eseguire un numero elevato di prove. La
calibrazione dell’elettronica di gestione deve tenere in considerazione la
coercizione meccanica dovuta ai disaccoppiamenti meccanici e alle parti che consentono
l’oscillazione della coclea. Durante questa fase, in cui si prelevano campioni di
materiale nell’unità di tempo stimata ottimale per la pesatura, sono molti i fattori
che possono inficiare la veridicità delle misure.
Innanzi tutto è necessario ottimizzare l’operazione di campionamento: come infatti
osservato in precedenza, la bocca di scarico da cui si preleva il materiale non deve
subire vincoli tali da sfalsare la lettura dei valori istantanei provenienti dalla cella
di carico.
Nel caso in cui, a causa del tipo di metodologia adottata per il campionamento, non fosse
possibile ottenere risultati privi di aberrazioni ricorrenti, è necessario conoscere con
precisione l’entità di tali aberrazioni, in modo da poterne quantificare
l’incidenza e ricavare gli esatti valori per settare correttamente il dispositivo
della coclea dosatrice.
Conclusioni
La coclea dosatrice è un progetto nato dalla possibilità di ottenere una più che
valida alternativa al nastro pesatore in tutte quelle applicazioni in cui siano richiesti
dosaggi precisi e affidabili, evitando, ad esempio, la polverosità di materiali altamente
volatili. Le sperimentazioni condotte sull’impiego del trasporto per mezzo di coclee
nel dosaggio ha dato esiti particolarmente soddisfacenti.
La possibilità di utilizzare questo tipo di sistema in applicazioni che sicuramente
possono evitare l’impiego del nastro pesatore portano ad alcune considerazioni di
rilievo. Per quanto giovane, il progetto indica una strada ancora tutta da percorrere e,
visti i risultati già raggiunti, lascia spazio a sviluppi consistenti
nell’affinamento del dispositivo. Inoltre, e cosa sicuramente non di secondaria
importanza, la coclea si propone quale soluzione ben più economica nel trattare il
dosaggio di materiale in polvere e granuli.
Il nastro pesatore, per contro, è sicuramente forte dello sviluppo che, nel tempo,
l’ha reso preciso ed affidabile, tanto da ritenersi insostituibile in tutte quelle
applicazioni in cui si richiede un dosaggio costante e preciso, anche se, come è già
stato sottolineato, questo va a scapito dell’effettiva economicità del dispositivo.
Inoltre, sottolineando l’economicità dell’impianto, è necessario ribadire che
la coclea risponde appieno a questo fondamentale requisito ed è questo uno degli aspetti
importanti che muovono la ricerca in questa direzione.
Dalle prove eseguite e da un primo sviluppo di questa nuova filosofia del dosaggio, è
possibile affermare che la coclea dosatrice può essere considerata un valido prodotto
alternativo al nastro dosatore.
Bibliografia
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Pubblicato su Materie Plastiche ed Elastomeri 11-12/1999