Artículo de sistemas de dosificación y pesaje para las industrias de

DP
dosificación y pesaje
Sistemas de dosificación y
pesaje para las industrias
de aromas y fragancias
Se trata en el presente artículo de los
requerimientos de las industrias dedicadas
a la elaboración de aromas y fragancias en
cuanto a sistemas de dosificación y pesaje
de los múltiples componentes que forman
una composición. Para ello se analiza
un instalación existente, describiendo en
primer lugar los equipos que la constituyen
y después el funcionamiento de la misma.
J. Agelet
Mettler Toledo, S.A.E.
Ingeniería Química
En los apartados siguientes
se analiza una instalación existente
en la actualidad, donde se elaboran
aromas y fragancias, y donde la dispersión en la ubicación de las distintas materias primas y clasificación
de peligrosidad de las mismas exige
soluciones de dosificación y pesaje
basadas en la movilidad, así como
equipos de control preparados para
operar en zonas con peligro de explosión 1 y 21.
1. Descripción de la
casuística
La característica diferencial entre
las industrias de aromas y fragancias con respecto a las restantes se
basa en la gran cantidad de materias primas que se utilizan para una
composición. En estos casos hay que
considerar un promedio de 60 materias primas frente a un promedio
de 15 que utilizan el resto de las industrias. Además, y por razones de
almacenamiento práctico, algunas
materias primas, especialmente las
que intervienen en pequeñas cantidades, se trasvasan a recipientes más
pequeños ubicados cerca del área de
trabajo, trasvase que debe tenerse en
cuenta para tener las materias primas controladas en todo momento.
En un primer análisis no parece
viable la solución clásica en la que
el usuario pesador traslada todas las
materias primas al punto donde se
hace el dispensado, porque conllevaría mucho tiempo en desplazamientos y acarreo de materiales, además
de la imposibilidad de guardar temporalmente dichas materias primas
en el área de trabajo. La alternativa
a la topología clásica de puestos de
trabajo fijos consiste en equipos móviles conectados al sistema central
de control a través de WI-FI. De esta
manera, el usuario pesador se traslada a la zona donde está almacenado
el componente que necesita y hace
la pesada sin necesidad de mover
el bidón o recipiente donde se encuentra la materia prima.
En otras ocasiones, especialmente para los componentes minoritarios, la exactitud de la pesada requiere balanzas de gran precisión,
que son equipos muy delicados que
no están preparados para ser trasladados de un sitio a otro de forma
continuada, ya que, en el mejor de
los casos, acabarían perdiendo la
calibración, además del riesgo de
caídas o golpes accidentales con la
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sistemas de dosificación y pesaje para las industrias de aromas y fragancias
La alternativa a la
topología clásica de
puestos de trabajo
fijos consiste en
equipos móviles
conectados al
sistema central
de control a través
de WI-FI
consiguiente avería. Estas balanzas
de precisión estarán situadas estratégicamente en zonas fijas con un
buen asentamiento y conexión por
cable o WI-FI al sistema de control.
La Figura 1 muestra la topología
de equipos de una industria conocida en el sector dedicada a la elaboración de fragancias. Por motivos
totalmente didácticos, los distintos
equipos se presentan agrupados, pero debe entenderse que están dispersos en distintas zonas de la fábrica.
2. Los equipos
2.1. El software de control
Se trata del sistema Win4600 para
control de procesos en dosificación,
que tiene dos tipos de configuraciones: modo servidor y modo cliente.
En su configuración como servidor, se encarga de intercambiar
información con el sistema central,
en este caso un AS400, que transmite las órdenes de fabricación y los
lotes disponibles de cada materia
prima, y, asimismo, recibe del sistema de control los consumos de las
pesadas y ajustes de final de lote
para la regulación de existencias. El
intercambio de información entre
ambos sistemas se efectúa a través
de archivos de texto y mediante protocolo FTP.
El servidor controla la actividad
de todos los equipos que hay en la
planta, cuya conexión se efectúa
mediante socket a través de Ethernet, protocolo TCP/IP, y vía cable o
WI-FI. La conexión mediante socket
es similar a la conexión telefónica:
un equipo (el servidor) queda a la
espera de la petición de conexión o
llamada por parte de otro equipo (el
cliente); cuando éste último llama,
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se establece la conexión y ambos
equipos quedan conectados y listos
para intercambiar mensajes. Un
socket utiliza dos valores: la dirección
IP, que identifica el propio equipo, y
un el número de puerto, que identifica la aplicación o programa. De
esta forma, un mismo equipo puede
estar conectado con varios a la vez
utilizando la misma IP y distintos
puertos.
Otra de las funciones del servidor consiste en el chequeo de la base de datos (en este caso una SQL
Server), actualizando la estructura
de las distintas tablas y comprobando la integridad de los datos.
En su configuración como cliente, el software de control tiene acceso
directo a la base de datos y monitoriza la actividad de los distintos terminales y equipos controlados por
el servidor, pero no tiene control sobre los mismos. Su función está destinada a la edición de tablas (plan
de fabricación, lotes, recetas, etc.) y
emisión de informes.
La base de datos es una SQL Server, situada en un servidor corporativo, desde donde se hacen las copias
diarias de seguridad.
2.2. Los terminales de diálogo
Una de las premisas de este sistema
de dosificación fue la necesidad de
disponer de terminales móviles de
conexión WI-FI controlados por el
sistema central. Asimismo, toda el
área de trabajo es zona 1 y zona 21
con riesgo de explosión, por lo que
se escogió el equipo CK32, que se
trata de un terminal intrínsecamente seguro con certificaciones UL,
ATEX y IECEx, que tiene una pantalla de 3.5", 56 teclas y lector de
código de barras incorporado.
El CK32 incluye el software
TE2000, que le convierte en una
consola remota del sistema de control. Para el dialogo se utiliza el protocolo estándar TELNET en modo
cliente bajo transporte TCP/IP. Esta configuración en modo cliente
asegura una conexión permanente
con el sistema de control, ya que,
en caso de pérdida en la cobertura,
el propio terminal reinicia la conexión y reinsiste a intervalos regulares en la misma.
Cualquier mensaje que aparece
en la pantalla del terminal procede
del servidor Win4600, y, asimismo,
las peticiones a través de teclado son
resueltas por dicho sistema de control. Este funcionamiento es muy
conveniente para el mantenimiento
de todo el conjunto, ya que no es necesario desarrollar un software local
costoso y específico a cargar en el
terminal. Las modificaciones y ampliaciones del programa de control
pueden instalarse directamente en
el ordenador servidor.
Figura 1
Topología de equipos en una industria de fragancias
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Figura 2
Básculas y convertidor serial / ethernet
2.3. Las básculas fijas
Todas las básculas fijas son de seguridad intrínseca para zonas 1 y 21. La
conexión con el sistema de control
Win4600 se efectúa a través de convertidores serial/Ethernet, modelo
ComServer, situados en zona segura.
El equipo de alimentación también
está en zona segura y conecta con los
visores de peso mediante cable Ex – i.
Según la precisión requerida para las pesadas, se utilizan tres tipos
de básculas: ID7 SX, ID3 STX y Viper MB3X (Figura 2).
El convertidor serial/ethernet
ComServer permite la conexión directa entre las básculas y el sistema
de control. Como no hay conexión
directa entre el terminal de dialogo
CK32 y las básculas, es el sistema de
control quien se encarga de efectuar
las operaciones de tara, comprobación y registro de pesadas. La conexión con las básculas (a través del
conversor serial / ethernet) se hace
vía socket en modo servidor contra
una IP y puerto concreto.
El usuario pesador que maneja
el terminal CK32 tiene en todo momento la sensación de que es este
terminal el que controla la báscula,
aunque en realidad es el sistema de
control el que va controlando las
básculas a partir de los datos recibidos desde el terminal.
Las básculas están situadas convenientemente en distintas zonas de
la planta, y se utilizan unas u otras
en función de la precisión y destino
de la pesada. En las básculas ID7 SX
y Viper MB 3X se pesan los componentes minoritarios, por lo que estos visores y plataformas de pesada
asociadas están encima de mesas
con alta estabilidad para evitar vibraciones; mientras que las básculas
ID3 STX se utilizan para la pesada
de los componentes mayoritarios y
repesada de los minoritarios, visores
que están conectados con las plata Ingeniería Química
formas y células de carga de los reactores, donde finalmente se juntan
todos los componentes de la orden
de fabricación y del que se obtiene
el compuesto final.
2.4. Las básculas móviles
Una de las características que hace
únicas las instalaciones de aromas y
fragancias consiste en la gran cantidad de materias primas que componen una orden de fabricación, lo
que conlleva forzosamente la dispersión en la ubicación de las materias
primas que suelen estar situadas en
distintos pisos, estanterías o también
edificios. Resulta mucho mas práctico y sencillo desplazarse y hacer la
pesada en el lugar donde está la materia prima que traer la misma a una
zona concreta de trabajo.
Esta necesidad impone la utilización de los terminales WI-FI mencionados y también de básculas móviles
sobre carro (Figura 3) que conectan
con el sistema de control a través de
convertidores serial / WI-FI.
Cada carro se compone de una
plataforma ubicada en la parte inferior, un visor modelo ID3 STX
a la altura del tirador y un convertidor serial /WI-FI que posibilita
la conexión directa con el sistema
de control. El convertidor serial /
WI-FI, modelo DIGI, está ubicado
dentro de una caja de seguridad intrínseca instalada en el respaldo del
carro justo debajo del tirador. La
alimentación de todo el conjunto se
efectúa a través de baterías de 12 V.
cc. de seguridad intrínseca. En definitiva, todo el carro está preparado
para trabajar en zonas 1 y 21.
La conexión entre la báscula móvil y el sistema de control se efectúa
mediante socket y para ello se utiliza
un convertidor serial / WI-FI. Aunque toda la planta está dotada de
cobertura WI-FI, hay determinadas
Figura 3
Carro móvil (vista posterior y vista frontal)
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zonas, como los montacargas y las
zonas abiertas entre almacenes, que
no disponen de cobertura o es muy
débil, por lo que, cuando un carro
circula por una de estas zonas, pierde la conexión con el sistema de
control. Para recuperar de forma
inmediata la conexión, se ha configurado el convertidor serial / WI-FI
en modo socket cliente. En general,
los equipos con esta configuración,
incluidos los terminales de dialogo
CK32, tienen memorizada la dirección IP y el puerto del sistema de
central de control (en este caso, el
servidor Win4600), de forma que,
cuando pierden la conexión, intentan conectar nuevamente con dicha
IP y puerto y, en consecuencia, con
el sistema de control. De esta forma,
se asegura una conexión continua y
fiable del sistema de control con todos los equipos aunque la cobertura
WI-FI no esté garantizada.
Asimismo, el sistema de control
utiliza mensajes de mantenimiento
contra las básculas y terminales. La
respuesta a dichos mensajes le indican al sistema de control si el equipo
está “vivo”, o sea, conectado; en caso
contrario, el sistema de resetea la conexión, es decir, cierra y abre el socket y procede con un nuevo intento.
3. Funcionamiento
3.1. Diálogo con el sistema de
gestión central
En el programa de gestión que corre en un ordenador AS400 se planifican las órdenes que se graban en
archivos de texto plano en una carpeta determinada accesible por el
sistema de control Win4600. Asimismo, el programa de gestión prepara
el archivo que contiene los lotes de
materia prima; archivo que es de importancia vital para el sistema de dosificación, ya que permite controlar
los lotes que se van a utilizar durante
el dispensado de la orden.
Para recoger los archivos de lotes
y órdenes grabados en una carpeta
local por el programa de gestión
del AS400, el sistema de control dispone de una tarea que, cada pocos
minutos y a través de protocolo para
transferencia de archivos FTP, conecta con el AS400, explora la carpeta donde están almacenados los
archivos, los copia en el disco duro
local, inserta los datos en la base de
datos local SQL Server y finalmente
borra los archivos de su ubicación
original en el AS400.
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Después de finalizar una orden
de fabricación, el sistema de control
prepara un archivo con los consumos de cada pesada y lotes utilizados y lo copia en una carpeta del
AS400. Como ambos ordenadores
tienen sistemas operativos distintos,
se utiliza el protocolo estándar FTP
de la familia de protocolos TCP/IP
para copiar el archivo de consumos;
el AS400 actúa como servidor FTP y
el sistema de control Win4600 como cliente.
el programa de
gestión prepara el
archivo que contiene
los lotes de materia
prima; archivo que es
de importancia vital
para el sistema de
dosificación
3.2. La orden de fabricación
Consta de dos partes: la cabecera y
los componentes. En la cabecera,
se indica el código de la orden de
fabricación, el código y nombre de
la receta o producto final, el lote de
producción, la cantidad total a producir, el número de ciclos o batches
necesarios, la fecha y hora de recepción y campos varios para introducir
comentarios.
Para los componentes, se indica el número de paso, el código de
componente, su descripción, cantidad a dispensar, unidad y fase.
En una tercera lista, aparecen
también los lotes asignados a cada
uno de los componentes según criterio FIFO (el primero que entre es
el primero que debe salir) o FEFO
(el primero que caduca es el primero que se debe utilizar).
En la Figura 4 se muestra un
ejemplo de orden de fabricación
con las tres áreas descritas.
3.3. Proceso de pesaje
La orden de fabricación es el paso
previo para iniciar el pesaje de los
componentes. A partir de aquí, ya
se puede iniciar el dispensado de
la orden propiamente dicho. Mediante el terminal CK32 (Figura 5),
el usuario introduce el código de la
orden de fabricación, y el sistema de
control comprueba que exista y no
esté bloqueada y, a continuación, se
solicita el código y clave de acceso
del usuario pesador.
Figura 4
Ejemplo de plan de fabricación, con las tres áreas: cabecera,
componentes y lotes
Ingeniería Química dosificación y pesaje
Figura 5
Terminal CK32. Los mensajes
que aparecen en pantalla
proceden del sistema de control.
En la figura de la izquierda,
se muestra la identificación
del programa y las opciones
disponibles; en la figura de la
derecha aparecen los datos
de uno de los componentes a
dosificar
Como se comentó en apartados
anteriores, el terminal CK32 se comporta como una consola remota, de
forma que cualquier pulsación de teclado se envía al sistema de control, el
cual a su vez devuelve el eco de la tecla pulsada, que, finalmente aparece
en pantalla. Es importante tener una
buena cobertura WI-FI, así como un
ordenador de control potente, para
que el eco de las teclas del terminal
salgan en pantalla rápidamente y así
evitar repeticiones o la impaciencia
del usuario; cuando se pulsa la tecla
de aceptación, la orden entera es procesada por el ordenador de control.
Después de introducir el código y
clave del usuario pesador, el sistema
comprueba si está registrado en la base de datos y tiene permisos para la
fabricación de órdenes, en cuyo caso
presenta el primer componente.
A continuación el usuario indica
el número de báscula en el que se
hará la pesada. Hay que recordar
que todas las básculas, tanto las fijas,
como las móviles, disponen de dirección IP y están conectadas al sistema
de control, que en todo momento
puede solicitar el peso. Si la báscula solicitada es correcta, el usuario
escanea el código de barras con el
producto que va a pesar para que el
sistema de control compruebe la veracidad de la materia prima y lote; la
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el terminal CK32 se
comporta como una
consola remota, de
forma que cualquier
pulsación de teclado
se envía al sistema de
control, el cual a su
vez devuelve el eco de
la tecla pulsada, que,
finalmente aparece
en pantalla
composición del código de barras es
distinto según se trate de un componente mayoritario o minoritario.
Todos los bidones son etiquetados cuando se reciben del proveedor. En la etiqueta, además de los
datos del componente, se imprime
un código de barras con el código
del componente y lote. Si se trata de
un componente mayoritario, la pesada se efectuará directamente desde
el bidón, mientras que, si se trata de
un componente minoritario, se rellena un recipiente mas pequeño que
tiene un código de barras que identifica dicho recipiente (Figura 6); por
la estructura del código de barras, el
sistema de control es capaz de reconocer los dos casos.
Cuando se efectúa el trasvase de
los minoritarios del bidón inicial al
recipiente final, el usuario introduce,
a través del terminal o directamente
en el PC de control, los datos de dicho trasvase; finalmente, el sistema
de control conoce el contenido de
cada recipiente de minoritarios.
Después de leer el código de barras, el sistema de control comprueba que el recipiente contenedor de
la mezcla esté en la báscula y efectúa la tara de la misma, de forma
que el visor queda en 0 kilos de peso neto. A continuación el usuario
procede con la pesada. En la pantalla del terminal CK32 le aparece
la cantidad que se debe pesar y, en
el visor de la báscula, la cantidad
neta dosificada hasta el momento.
Cuando la cantidad neta en báscula
llega al peso teórico, más/menos la
tolerancia admitida, el usuario pulsa la tecla de aceptación del terminal. Dicha información se envía al
sistema de control, que inmediatamente recupera el peso en báscula,
Figura 6
Los componentes mayoritarios se dosifican en la báscula móvil y
se utiliza el código de barras con código de componente y lote. Los
componentes minoritarios se trasvasan a recipientes más pequeños
y se utiliza el código de barras que identifica el recipiente
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comprueba la pesada y envía la información resultante de la pesada
al terminal. Acto seguido, el usuario procede con otro componente
o continúa con el mismo en caso
de pesadas parciales por motivos de
capacidad o cambio de lote.
En la Figura 7 se muestra el flujo
de datos de una pesada.
En todo momento el usuario pesador tiene la sensación de que el
terminal y la báscula están conectados, aunque es el sistema de control
quien de forma rápida coordina todas las acciones.
Determinados componentes mayoritarios están siempre en un tanque
apoyado en una báscula de sobresuelo.
El tanque se rellena de forma manual
a través de tuberías de instalación fija
conectadas con el depósito principal.
La dosificación de estos componentes
Figura 7
Flujo de datos de una pesada
Figura 8
Esquema del depesaje
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se hace por despesaje, es decir, no se
controla la cantidad que entra en báscula, sino la cantidad que se sustrae
de la misma (Figura 8).
Como se trata de una instalación
fija, el sistema de control conoce las
básculas que trabajan por despesaje
y aplica el procedimiento adecuado
a la báscula en cuestión.
Para conseguir un funcionamiento adaptado al tipo de cada báscula,
el sistema de control dispone de una
tabla donde se indican los parámetros de cada una de las básculas, si es
fija o móvil, la dirección IP, funcionamiento por despesaje, etc.
En todo momento
el usuario pesador
tiene la sensación
de que el terminal
y la báscula están
conectados, aunque
es el sistema de
control quien
de forma rápida
coordina todas las
acciones
4. Conclusión
Las industrias dedicadas a la fabricación de aromas y fragancias tienen una serie de características que
requieren un tratamiento especial
en lo que a dosificación y pesaje se
refiere.
El elevado número de ingredientes que intervienen en la receta
y la dispersión en la ubicación de
los mismos por amplias zonas de la
planta hacen aconsejable soluciones
móviles en las que es más óptimo
que el usuario pesador se desplace
y haga la pesada donde está ubicada la materia prima, en lugar de la
operación clásica de traslado de materias primas a la zona de pesada.
Asimismo, el tipo de materiales que
se utilizan clasificados con riesgo de
explosión imponen que los equipos
de pesaje y terminales de dialogo estén preparados para zonas 1 y 21.
En este artículo hemos analizado una instalación existente donde
se ha adoptado una topología de
equipos que cumplen con los requerimientos de este tipo de industrias:
sistema de control centralizado, intercambio de información con el
sistema de gestión AS400, cobertura
WI-FI en toda la planta, terminales
WI-FI con lector de código de barras incorporado y trabajando como
consolas dirigidas por el sistema de
control, básculas de precisión fijas y
carros de pesaje autónomos con conexión WI-FI.
Se trata de un sistema altamente
centralizado que conecta con todos
y cada uno de los equipos que hay
en planta y toma la decisión adecuada en cada momento. Esta topología
centralizada redunda en una mayor
facilidad en el mantenimiento del
software de control y coherencia en
el funcionamiento global.
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