Wraz z poszukiwaniem metod szybszego napełniania butelek w procesach produkcyjnych, również płynami o zwiększonej konsystencji, wielu przedsiębiorców odchodzi od tradycyjnych metod kontroli napełnienia przez ich ważenie. Coraz częściej pojawiają się urządzenia butelkujące bazujące na przepływomierzach, ale aplikacje te są bardziej wymagające.
Zakłady firmy U.S. Bottlers w Północnej Karolinie (USA) są producentem urządzeń przemysłowych przeznaczonych do szybkiego butelkowania produktów płynnych. Są one wykorzystywane w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, chemicznym i samochodowym. Gama urządzeń obejmuje obrotowe maszyny czyszczące i napełniające butelki oraz moduły kapslowania i zakręcania, z szybkością pracy w zakresie od 20 do ponad 1000 butelek na minutę. W minionym roku firma obchodziła 100-lecie istnienia.
Przez wiele lat, reagując na potrzeby rynku i postęp techniczny, maszyny do butelkowania produktów płynnych zmieniły się konstrukcyjnie z urządzeń typowo mechanicznych, bazujących na ważeniu napełnianej butelki, na maszyny zautomatyzowane, wspierane przez precyzyjne układy przepływomierzy regulujących cykl napełniania butelek. Technologia ta staje się obecnie dominująca, a nawet wielu producentów napojów i innych płynów zamienia swoje stare maszyny na te korzystające ze wspomnianych przepływomierzy, zapewniające lepszą kontrolę i precyzję procesu napełniania butelek, przy jednoczesnym wzroście szybkości jego realizacji.
Aby sprostać wyzwaniom i rosnącym wymaganiom użytkowników w stosunku do maszyn butelkujących, firma U.S. Bottlers wciąż rozwija technologię precyzyjnego pomiaru przepływu cieczy w tych urządzeniach, wykorzystując przepływomierze magnetyczne i Coriolisa firmy Endress+Hauser. Wybrano je po przeprowadzeniu szerokiej i dogłębnej analizy rozwiązań technologicznych czujników przepływu dostępnych na rynku, jak również tych montowanych przez rynkowych konkurentów.
Proces napełniania
Maszyny butelkujące są bardzo zróżnicowane pod względem konstrukcyjnym: wykorzystują techniki ciśnienia grawitacyjnego, próżni, tłoczenia, ważenia elektronicznego, pomiarów przepływu i masy. Każda z nich ma swoje plusy i minusy w odniesieniu do różnych aplikacji, w których są stosowane, jednak jak wskazują doświadczenia, najbardziej uniwersalnym rozwiązaniem, które powinno być brane pod uwagę niemal w każdej sytuacji, jest technologia precyzyjnych pomiarów przepływu.
W systemie napełniania cieczą butelek, bazującym na pomiarach przepływu, płyn z głównego zbiornika tłoczony jest na górę napełniacza, skąd poprzez rury rozprowadzające kierowany jest do dysz napełniających. Puste butelki lub pojemniki znajdują się zwykle na obrotowym stole, z którego umieszczane są na stanowiskach napełniania, z odpowiednimi dla danego typu pojemnika dyszami i zaworami. Po zlokalizowaniu butelki/pojemnika na miejscu napełniania otwiera się zawór i płyn wlewany jest do pojemnika, a po osiągnięciu pożądanej ilości cieczy w pojemniku zawór się zamyka. W całym tym krótkim procesie kluczowym elementem staje się bardzo precyzyjny pomiar przepływu cieczy do dyszy napełniającej, od którego zależy z kolei szybkość i dokładność działania zaworów. Przy czym znaczenie mają tu nie tylko parametry techniczne czujników, ale również własności fizyczne i chemiczne cieczy: charakterystyki przepływowe, lepkość i konsystencja, tendencja do spieniania oraz skład cieczy i wrażliwość wszystkich składników.
W maszynach istnieje możliwość zaprogramowania kolejnych etapów napełniania w reżimie pracy szybkiej i wolnej. Przy napełnianiu dwuetapowym możliwe jest rozpoczęcie napełniania z dużą szybkością, a pod koniec jej redukcja, niezbędna np. przy butelkach z bardzo wąską szyjką. Możliwa jest też koncepcja odwrotna ? rozpoczęcie napełniania z małą szybkością, która stopniowo wzrasta. Zapobiega to nadmiernemu rozchlapywaniu cieczy i jej spienianiu (np. piwo w butelkach szklanych). Niekiedy w połowie procesu napełniania butelek konieczne jest zwolnienie szybkości nalewania cieczy, by umożliwić swobodny wypływ powietrza. Dzięki zastosowaniu dokładnych przepływomierzy możliwe jest precyzyjne regulowanie napełniania butelek, szczególnie w fazie końcowej, dzięki czemu uzyskuje się wysoki poziom powtarzalności zawartości cieczy w opakowaniach.
Jak najlepiej mierzyć przepływ
W celu uzyskania wysokiej dokładności pomiarów w maszynach firmy U.S. Bottlers stosowane są przepływomierze magnetyczne i Coriolisa różnych typów i rozmiarów. W pierwszej kolejności zawsze pojawia się oferta wykorzystania czujników magnetycznych wszędzie tam, gdzie ciecze są przewodzące, a w innych przypadkach proponuje się użycie przepływomierzy Coriolisa. Trzeba też pamiętać, że czujniki magnetyczne są zwykle mniejsze i tym samym łatwiejsze w montażu w ciasnych, trudno dostępnych miejscach na maszynie napełniającej. Liczniki zwykle montowane są na rozgałęzieniach, dzięki czemu zawory mają swobodę ruchu góra-dół, z osobnym czujnikiem na każdej z głowic napełniających. Przy zastosowaniu kryz o średnicach 3/4 i 1 cal, osiągane są przepływy na poziomie 0,002 m3/min do 0,015 m3/min. Z czujników przepływu wysyłane są impulsy, których liczba odpowiada przepływowi cieczy. Impulsy odbierane są przez sterownik PLC, który z kolei w odpowiednim momencie wysyła sygnały otwarcia i zamknięcia zaworów.
W sterowniku PLC zapisano dedykowany algorytm przetwarzający informację o przepływie na objętość cieczy, która powinna znajdować się już w pojemniku/butelce. Powstał on bezpośrednio z algorytmów stosowanych w maszynach z pomiarami masy. Dodatkową trudnością w pomiarach przepływu jest to, że zamknięcie i otwarcie przepływu odbywa się w bardzo krótkich odstępach, nie ma zatem czasu na stabilizację przepływomierzy. Dlatego też rury doprowadzające ciecz powinny być tak zaprojektowane, by nie pojawiały się w niej pęcherzyki powietrza, a same rury i przepływomierz muszą być zawsze całkowicie zapełnione cieczą.
Konstruktorzy maszyny nie mogą zagwarantować użytkownikowi, że dokładność poziomu cieczy w butelkach czy precyzja procesu ich napełniania będą odpowiadać bezpośrednio klasie dokładności zastosowanego przepływomierza. To zależy bowiem jeszcze od precyzji działania zaworów, cewek, układów pneumatycznych itd. Trzeba jednak podkreślić, że stosowane obecnie przepływomierze są najdokładniejszymi czujnikami, jakie kiedykolwiek montowano w tego typu maszynach. Tak wysoka dokładność maszyn napełniających z przepływomierzami umożliwiła wyeliminowanie konieczności przepełnienia powszechnie stosowanego w maszynach mechanicznych. Dzięki temu ich infrastruktura orurowania, rozgałęzień, wężyków itp. jest niemal o połowę mniejsza. Znacznie zredukowano w nich też poziom ciśnienia oraz infrastrukturę związaną z czyszczeniem maszyny. W systemach bazujących na przepływomie-rzach stosowana jest również bezdotykowa metoda napełniania butelek/pojemników, bez kontaktu dyszy napełniającej z szyjką. Same zaś czujniki Coriolisa i magnetyczne nie mają ruchomych części ani żadnych przeszkód wewnątrz, dzięki czemu ich oczyszczanie jest bardzo proste.
Na pierwszy rzut oka dodanie przepływomierzy może wydawać się kosztowne i dodatkowo komplikujące układ maszyny napełniającej. Jednakże w dłuższej perspektywie przynosi spore korzyści i oszczędności związane z utrzymaniem pomp, brakiem dodatkowych, skomplikowanych systemów sterowania, nie wspominając już o zwiększonej higienie i czystości całego procesu. Kolejną korzyścią jest możliwość szybkiej i bezproblemowej zmiany asortymentu produktów ? szerokości butelek, wielkości otworu szyjki itp., czy wreszcie samego płynu napełniającego butelki. Wyeliminowano konieczność prowadzenia za każdym razem skomplikowanych i czasochłonnych procedur kalibracyjnych.
Modernizacja starszych maszyn
Maszyny napełniające mogą funkcjonować przez wiele lat, wymagając jedynie drobnych przeglądów serwisowych, aktualizacji oprogramowania i wymiany zużytych części. Firma U.S. Bottlers prowadzi remonty swoich maszyn, polegające głównie na wymianie zaworów, części ruchomych, silikonowych rurek, rolek, i dysz napełniających. Jeśli to konieczne, naprawiane są również silniki, łożyska, przekładnie i paski napędowe. Często zdarza się, że klienci pytają też o możliwość zmiany technologii z pomiaru masy na tę bazującą na przepływomierzach.
Przy prowadzeniu tego typu prac modernizacyjnych pracownicy firmy zauważyli, że zastosowanie przepływomierzy przyczynia się do zwiększenia dokładności napełniaczy oraz zakresu poprawnego działania maszyny zarówno w dół, jak i w górę (zmiany poziomu cieczy w butelkach/opakowaniach). W ten sposób czujniki przepływu w systemie sterowania maszyną przyczyniają się do zwiększenia jej skuteczności, szybkości i dokładności, gdyż są bardziej odporne na wibracje i zaburzenia elektromagnetyczne niż układy ważenia. Sukces przepływomierzy w maszynach napełniających można postrzegać w dwu aspektach: po pierwsze ? każda maszyna wyposażona w przepływomierze działa znacznie lepiej niż ich poprzedniczki w innych technologiach, gwarantując również bardzo wysoki poziom dokładności, po drugie ? klienci, którzy zakupili maszyny z przepływomierzami, niejednokrotnie wracają do firm i dostawców z kolejnymi zamówieniami kupna lub modernizacji starszych maszyn.
Tom Risser, firma U.S. Bottlers
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE
