Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Vážení v průmyslu

Vážení je jeden z nejpřesnějších způsobů měření hmotnosti v průmyslu. Je možné ho využít k měření hmotnosti tekutých i sypkých materiálů, pro statické i dynamické měření. Použití vah ve výrobních procesech je velmi široké, od surovinového hospodářství ve všech odvětvích, přes výrobní procesy v hutnictví, průmyslu stavebních hmot, chemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu aj., až po plnění i balení produktů a jejich expediční kontrolu v mnoha odvětvích. Způsoby využití vážení v průmyslové praxi ukazuje schéma na obr. 1.

 
V průmyslu mají váhy a způsoby navažování nepřeberné množství podob. Pro jejich využití je třeba vědět, jak průmyslové vážení funguje a na co je zapotřebí při navrhování technologií s váhami a jejich automatizaci brát ohled. Ačkoliv to nemusí být na první pohled zřetelné, na optimální využitelnost technologií s váhami a přesnost vážení má vliv mnoho faktorů, které je nutné brát v potaz při plánování investice do nové nebo do modernizace zastaralé vážní techniky.
 

Přesnost navažování

Rozhodující vliv na přesnost navažování má konstrukce váhy a celého navažovacího systému společně se správným mechanickým umístěním vážicích cel s tenzometry. Je-li špatně navržena mechanická konstrukce, žádná elektronika ani software přesnost nezachrání (a náprava obvykle není snadná). Při rozhodování o investici je vhodné vybrat jak dodavatele vážní techniky, tak i automatizační firmu s dostatkem zkušeností.
 

Požadavky na váhy, váženou nádobu a vážicí cely s tenzometry

Mezi váženou nádobou a pevnou konstrukcí váhy nesmí být žádné pevné spojení ani třecí plocha. Veškerá připojení kabelů, vzduchových hadiček a jiných potřebných napojení vážní nádoby musí být co nejpružnější. Všechny přívody je nutné při montáži připojit tak, aby pokud možno v žádném směru nepůsobily na váženou nádobu tlakem, tahem apod. Ta část přívodů, která není připojena k vážené nádobě, musí být na pevné konstrukci. Občas se lze setkat např. s tím, že jsou přívody uchyceny k lehké pochozí konstrukci, přičemž procházející osoba ovlivní výsledek vážení např. o několik kilogramů.
 
Vážicí cely s tenzometry musí být rozmístěny tak, aby na nich vážená nádoba ležela rovnoměrně, tj. aby tíha vážní nádoby byla rozprostřena na všechny cely. Cely je třeba namontovat podle doporučení výrobce tak, že vážená nádoba musí ležet na celách volně a neměla by s nimi být pevně spojena.
 

Speciální případy vážení

Speciální případy vážení, využívající náročnější vážicí techniku, jsou:
  • velmi přesné nebo obchodní vážení,
  • kontrola váhových tolerancí a počtu výrobků v balení,
  • průběžné dynamické vážení, např. pohybujících se pásů se sypkými materiály,
  • dávkování materiálů navažováním.
Soustřeďme se na rozbor automatizace navažovacích procesů, kde je proces vážení kombinován s procesem dopravy materiálu s častým cílem zajistit maximální rychlost vážení, aby byl zaručen co největší průtok materiálů výrobním procesem.
 

Požadavky na vlastnosti navažovací techniky

K nejdůležitějším požadavkům na vlastnosti navažovací techniky patří rovnoměrný přísun materiálu na váhu, bez výkyvů v průtoku. Materiál nesmí být na váhu sypán z velké výšky, jinak vznikají příliš velké rázy nebo výkyvy váhy při navažování a průběžný údaj o hmotnosti je zatížen obtížně korigovatelnou chybou.
 
Akční členy, které zajišťují přísun materiálu, musí mít konstantní vlastnosti, zejména pokaždé stejnou dobu zavření nebo vypnutí. V případě dopravy šnekovými dopravníky je pro nejlepší přesnost vhodné používat co nejmenší výšky závitu a výsyp ze šnekového dopravníku navíc opatřit vhodným rychlým uzávěrem, který eliminuje negativní vliv pozice zastavení šneku. Podobné řešení je vhodné i pro kapsové dopravníky nebo větší turnikety.
 
Dále je nutné správně zvolit hrubost materiálu s ohledem na navažované množství a požadovanou přesnost. Je zřejmé, že nelze s přesností 0,1 kg navážit materiál, který se skládá z částic o hmotnosti 1 kg. Ovšem i takové požadavky občas nezkušení zadavatelé projektů vznášejí.
 
Velikost a hmotnost vážené nádoby je nutné správně přizpůsobit navažovanému množství a požadované přesnosti (poměr táry versus vážené množství materiálu). Například do velké nádoby, která má sama o sobě hmotnost několik tun, není možné navažovat 50 kg materiálu s přesností na 0,1 kg.
 
Systém navažování by měl umožňovat změnu rychlosti plnění váhy – hrubě a jemně, s pokud možno rychlým a plynulým přechodem mezi nimi. Pouze u dobře zkonstruované dvourychlostní nebo plynule regulovatelné dopravy materiálu na váhu lze dosáhnout nejlepší přesnosti při největší rychlosti navažování.
 
Je-li to možné, neměla by se pro plnění váhy používat přímá pneumatická doprava. Běžná pneumatická doprava totiž obvykle jednak nesplňuje požadavek na konstantní přísun materiálu a jednak tlak vzduchu a dynamické působení dopravovaného materiálu zavádějí do vážního systému další chyby, které vzhledem k jejich dynamické povaze nelze dostatečně korigovat.
 
Posledním z důležitých požadavků je zajistit, aby měřený materiál neulpíval na vážené nádobě.
 

Systém pro automatické navažování

Signál z tenzometru je v úrovni řádově milivoltů, takže případné rušení již o velikosti několika málo mikrovoltů může mít zásadní vliv na přesnost vážení. Proto je třeba pro přívody od tenzometrů k vážnímu procesoru použít odpovídající, výrobcem doporučovanou kabeláž, využívat sdružovací skříňky doporučené výrobcem vážních cel, tenzometrů nebo vážního procesoru a správně používat stínění, resp. jeho uzemnění – nejlépe zvolit součástky doporučené výrobcem nebo jejich vhodné ekvivalenty.
 
Řídicí systém, popř. přímo vážní procesor, obvykle postupně vykonává tyto kroky:
  • na začátku navažování indikuje uklidnění váhy a váhu vytáruje,
  • u dvoustupňového navažování zahájí hrubé plnění váhy,
  • čeká na limit hrubého plnění a po jeho dosažení přepne na jemné plnění váhy,
  • čeká na dosažení limitu jemného plnění, po jeho dosažení vypíná plnění váhy,
  • je-li navážená hmotnost mimo dané limity, zahájí dovážení,
  • čeká na uklidnění váhy, potom z váhy přečte skutečně navážené množství.
Sekvence kroků obsahuje důležité parametry, které značně ovlivňují rychlost a kvalitu navážení. Jde především o parametr doby potřebné k uklidnění váhy ve vztahu k přesnosti vážení a limity přepínání a vypínání plnění. Kvalitní automatizace dokáže parametry průběžně optimalizovat, a tak dosahovat nejlepších výsledů navažování.
 

Automatizační komponenty pro váhy

Autoři článku velmi často využívají vážní procesory firmy Siemens řady Siwarex. Základní přehled je v tab. 1. Příklad zapojení vah s vážním procesorem Siwarex je uveden na obr. 2, na obr. 3 je fotografie vážního procesoru. Podrobnější popis, elektrické zapojení nebo parametrizace váhových systémů přesahují rozsah tohoto článku. Případné zájemce z řad investičních techniků, elektroniků či pracovníků údržby lze odkázat na kontakty připojené u článku.
 

Příklady z praxe

Firma COMPAS automatizace se zabývá vážením jako součástí projektů řízení technologií a setkala se s mnoha zajímavými
případy využití vážicí techniky. Mimořádně často je vážení využíváno ve farmacii – od laboratorních vah po obchodní vážení. Výkonné provozní váhy se používají ve všech oborech potravinářské výroby. Zajímavým příkladem je proces navažování v rámci surovinového hospodářství při výrobě cukrovinek.
 

Navažování mouky

Technické řešení dávkování mouky je určeno k odbavení požadavků na materiál všech výrobních linek závodu. Požadavky linek přicházejí nepravidelně, z hlediska navažování náhodně. Zařízení bylo vytvořeno s požadavkem na velký průtok materiálu, aby nebyla omezována výroba. Proces obsahuje předvážení mouky tak, že je z řídicích receptur systému COMES Batch vypočtena nejmenší dávka. Z této nejmenší dávky je odečteno několik kilogramů pro jemné navažování. Na obr. 4 je vpravo dole vidět nastavení předvážení na 100 kg. Jakmile je předchozí vážení ukončeno, je obsah přesypán do zásobníku, odkud je mouka pneumatickou dopravou transportována k příslušné lince a systém ihned spustí hrubé (rychlé) navažování dalších 100 kg ještě před přijetím nového požadavku z další linky. Výsledná hmotnost předvážky má velkou nepřesnost, přibližně 4 kg. Tato nepřesnost však nemá vliv na výslednou navážku, protože systém pokračuje v navažování nového požadavku od skutečné hmotnosti hrubé navážky. Přínosem kroku předvážení je to, že předvážka je připravena velmi rychle a v předstihu. Poté systém COMES Batch čeká, která konkrétní výrobní linka zašle požadavek, a dováží požadované množství. Následuje vyprázdnění váhy a transport, ale to již systém současně připravuje další předvážku.
 
V automatizaci celého surovinového hospodářství byly použity vážní procesory Siwarex U, PLC Simatic S7-400, vizualizace WinCC a recepturový systém COMES s moduly Batch, Historian pro záznam, analýzu a optimalizaci procesů a Modeller pro protokolování výroby.
 

Shrnutí

Vážení je často používanou metodou pro určování a ověřování hmotnosti dodávky surovin a dávkování v technologických procesech. Využíváno je také při finalizaci výrobků i ověřování expediční jakosti z hlediska hmotnosti. Firma COMPAS automatizace navrhuje a instaluje vážicí techniku v potravinářství, farmacii, chemii, sklářství, automobilovém průmyslu, energetice a dalších oborech. Kromě běžné vážicí techniky připojené na řídicí systémy má Compas v nabídce také technicky náročnější řešení pro šaržově orientované výroby využívající systémy řízení šaržové výroby jiných firem, např. systém Simatic Batch, nebo vlastní COMES Batch, který uživatelům umožňuje vytvářet a validovat zcela nové vlastní postupy navažování. To je užitečné pro vývoj a ověřování nových výrobků, pro možnost korekcí receptur s ohledem na kvalitu či koncentraci surovin určenou vstupní laboratorní zkouškou (tam, kde to dovolí schválené výrobní postupy) apod. Procesní inženýr nebo technolog mají v systému COMES možnost podpory při ověřování kalibračních procesů a jejich záznamu v systému, mohou nastavovat velikost navážek materiálů podle požadovaného množství výrobků, zaznamenávat grafický průběh veličin navažování, využívat speciální funkce, např. pro flexibilitu dávkování při zachování poměrů materiálů i za předpokladu nepřesně navážené komponenty aj.
 
Autoři mají zkušenosti ze stovek úspěšných projektů firmy Compas pro řízení vah, včetně speciálních vah pro obchodní, velmi přesné nebo dynamické vážení.

Aleš Nesrsta, Josef Nováček,
 
Obr. 1. Příklady využití vážení ve výrobních procesech
Obr. 2. Standardní zapojení vážní cely na modul Siwarex U pro kanál 2
Obr. 3. Vážní procesor Siwarex FTA
Obr. 4. Schéma surovinového hospodářství mouky
 
Tab. 1. Přehled vážních procesorů Siemens