Guía del ingeniero para la dosificación precisa de ingredientes: Un análisis técnico
En la fabricación, la precisión no es un lujo. Es imprescindible. Cuando se trabaja con varios ingredientes, la precisión del sistema de dosificación afecta directamente a la calidad del producto final, al cumplimiento de las normas de seguridad y a los beneficios. ¿Sólo un punto porcentual de error? Podría enfrentarse a lotes desechados, retiradas de productos e importantes pérdidas económicas.
Esta guía le ofrece un análisis técnico exhaustivo de la dosificación de ingredientes para ingenieros de procesos y directores de producción. Vamos más allá de las descripciones superficiales. En su lugar, exploraremos principios básicos de ingeniería que hacen funcionar estos sistemas críticos. Piense en ello como un recurso profundo y valioso para sus operaciones.
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Principios fundamentales: Desglosaremos los fundamentos físicos de la dosificación volumétrica y gravimétrica. Obtendrá una comprensión de los primeros principios.
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Profundización en el sistema: Una mirada técnica al hardware mecánico y electrónico que impulsa la precisión en los sistemas de dosificación modernos.
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Control y automatización: Dominaremos la lógica de control, incluidos los bucles PID, que garantizan una precisión repetible.
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Aplicación práctica: Esta guía proporciona marcos para seleccionar el sistema adecuado y solución de problemas más comunes y cuestiones complejas de dosificación.
Principios de dosificación: Volumétrica frente a gravimétrica
La dosificación de ingredientes es el suministro controlado de una cantidad predeterminada de material en un proceso. La forma de determinar esa cantidad se divide en dos categorías principales: medición por volumen o medición por masa. Entender esta diferencia fundamental es el primer paso para dominar el control de procesos.
Explicación de la dosificación volumétrica
La dosificación volumétrica dispensa un volumen determinado de material por unidad de tiempo. ¿Cuál es el principio básico? Un desplazamiento mecánico específico corresponde a un volumen específico. Por ejemplo, una rotación completa de un alimentador de tornillo debería mover un volumen constante de polvo.
Este método funciona con una medición indirecta de la masa. Se basa en la ecuación: masa = densidad × volumen. Por lo tanto, su precisión depende en gran medida de que la densidad aparente sea constante.
Cualquier variable que afecte a la densidad aparente del material repercutirá directamente en la precisión de un sistema volumétrico. Estas variables incluyen la compactación del material, la distribución del tamaño de las partículas, el contenido de humedad, la temperatura y la fluidez general.
Los sistemas volumétricos son mecánicamente más sencillos. Suelen tener un coste inicial más bajo. Funcionan mejor con materiales de características estables y conocidas o cuando son aceptables pequeñas desviaciones de precisión.
Explicación de la dosificación gravimétrica
La dosificación gravimétrica dispensa el material basándose en una medición directa del peso o la masa. Estos sistemas utilizan células de carga de alta precisión para controlar continuamente el peso del material que se dispensa.
El principio rector es la segunda ley de Newton: Fuerza = masa × aceleración. Una célula de carga mide la fuerza ejercida por el material. Con la gravedad como aceleración constante, calcula la masa. Esta medición directa hace que el sistema sea intrínsecamente más preciso que su homólogo volumétrico.
Una aplicación común es el alimentador por pérdida de peso (LIW). Todo el sistema (tolva, alimentador y material) se pesa continuamente. El controlador ajusta la velocidad del alimentador para garantizar que la tasa de pérdida de peso coincida exactamente con la tasa de alimentación deseada, o punto de ajuste.
Los sistemas gravimétricos se ven menos afectados por los cambios en la densidad aparente. Sin embargo, su precisión puede verse influida por factores externos como las vibraciones del suelo de la fábrica, las corrientes de aire y los diferenciales de presión. La lógica de control del sistema está diseñada para filtrar gran parte de este ruido.
Resumen de las principales diferencias
Para la dosificación volumétrica, la precisión se deduce. En la dosificación gravimétrica, la precisión se mide. Esta es la principal distinción. La volumétrica es una taza de medir. La gravimétrica es una balanza de alta precisión. Una es rápida y sencilla, la otra es precisa y responsable.
Una inmersión técnica en el hardware de dosificación
El rendimiento de cualquier sistema de dosificación de ingredientes viene definido por la calidad y la configuración de sus componentes mecánicos y electrónicos. Comprender cómo funciona este hardware es esencial para la especificación, evaluación y mantenimiento del sistema.
Componentes de dosificación gravimétrica
Los sistemas gravimétricos integran la tecnología de pesaje directamente con manipulación de materiales componentes para lograr una gran precisión.
Células de carga
La célula de carga es el corazón de un sistema gravimétrico. La mayoría de las células de carga industriales utilizan la tecnología de galgas extensométricas. Un elemento metálico mecanizado con precisión se deforma bajo carga. Esto provoca un cambio en la resistencia eléctrica de las galgas extensométricas conectadas. Este cambio se convierte en una señal de peso calibrada.
Se utilizan distintos tipos para aplicaciones específicas. Las células de carga monopunto son habituales en los alimentadores más pequeños. Para tolvas y recipientes más grandes se utilizan células de carga de viga de flexión o viga de cizallamiento más robustas.
La calidad de estos componentes es fundamental. Busque certificaciones de organismos como la OIML (Organización Internacional de Metrología Legal) o el NTEP (Programa Nacional de Evaluación de Tipos). Una célula de carga OIML de clase C3 ofrece un nivel estándar de precisión. Una célula de carga de clase C6 proporciona una precisión significativamente mayor para aplicaciones farmacéuticas exigentes o de ingredientes de alto valor.
Tolvas y agitadores
La función de la tolva es proporcionar un flujo ininterrumpido y constante de material al mecanismo de alimentación. Un mal diseño de la tolva es una de las principales causas de los problemas de dosificación.
Problemas como la formación de puentes (cuando el material forma un arco sólido sobre la salida) y los agujeros de rata (cuando el material fluye sólo a través de un canal estrecho en el centro) alteran la consistencia de la alimentación.
Para combatirlo, las tolvas suelen equiparse con agitadores mecánicos o dispositivos de ayuda al flujo. Una paleta que gira lentamente o un sistema flexible de masaje de paredes pueden perturbar suavemente el material. De este modo se rompen los enlaces cohesivos y se garantiza que fluya de forma fiable hacia el alimentador.
Mecanismos de alimentación por pérdida de peso
El alimentador dispensa el material desde la tolva. La elección del alimentador depende totalmente de las características del material.
Los alimentadores de tornillo (sinfines) son los más comunes para polvos y gránulos. Los diseños de doble tornillo ofrecen un desplazamiento más positivo y son mejores para polvos cohesivos o difíciles de manipular.
Las bandejas vibratorias son ideales para la manipulación suave de materiales friables o abrasivos. Utilizan vibración electromagnética para hacer “rebotar” el material a lo largo de una bandeja a una velocidad controlada.
Las válvulas rotativas se utilizan para dispensar material de un silo más grande manteniendo un sello de presión. Esto es crucial en los sistemas de transporte neumático.
Componentes de dosificación volumétrica
Los sistemas volumétricos dependen de la precisión del dispositivo mecánico para desplazar un volumen constante.
Sinfines y alimentadores de tornillo
En un contexto volumétrico, la precisión del tornillo alimentador es primordial. El diseño del vuelo y el paso del tornillo determinan su desplazamiento por revolución.
El motor que acciona el tornillo es igualmente importante. Un simple motor de CA con un variador de frecuencia (VFD) puede ser suficiente para algunas aplicaciones. Pero un motor paso a paso o un servomotor proporcionan un control rotacional mucho más preciso, lo que se traduce en una mayor precisión de dosificación.
Bombas para líquidos
Para la dosificación de ingredientes líquidos, las bombas son el principal dispositivo volumétrico.
Las bombas de diafragma utilizan un diafragma alternativo para crear carreras de succión y descarga. Son versátiles y pueden manejar una amplia gama de viscosidades.
Las bombas peristálticas utilizan rodillos para apretar un tubo flexible y empujar el líquido. Esta acción suave es ideal para líquidos sensibles al cizallamiento o aplicaciones higiénicas, ya que el fluido solo entra en contacto con el tubo.
Las bombas de pistón ofrecen una precisión muy alta al desplazar un volumen fijo con cada carrera de un pistón. Son excelentes para líquidos de baja viscosidad y sin partículas en los que la precisión es clave.
Válvulas esclusas rotativas
Las válvulas rotativas se utilizan a menudo para la dosificación volumétrica de polvos y granulados de flujo libre procedentes de una tolva o silo. Las cavidades entre las paletas del rotor se llenan de material a la entrada y lo descargan a la salida.
El volumen dosificado por revolución se fija mediante la geometría de las cavidades del rotor. La velocidad de rotación del rotor controla directamente la tasa de dosificación.
Selección del sistema de dosificación óptimo
El “mejor” sistema de dosificación no existe en el vacío. Siempre está en función de la aplicación. Seleccionar la tecnología óptima requiere un análisis sistemático del ingrediente, el proceso y las limitaciones operativas. Un marco de decisión es la herramienta más eficaz para esta elección crítica de ingeniería.
Criterios clave de selección
La decisión depende de tres aspectos fundamentales. Una evaluación honesta de cada uno de ellos le guiará hacia la solución más adecuada y rentable.
En primer lugar, hay que tener en cuenta las características de los ingredientes. El valor del material suele ser el factor principal. Los ingredientes de alto coste, como los principios activos farmacéuticos (API), los aditivos potentes o los pigmentos caros, exigen la responsabilidad de la dosificación gravimétrica para minimizar los residuos. La fluidez, la cohesividad, el tamaño de las partículas y la viscosidad también determinan qué sistemas de alimentación mecánica serán viables.
A continuación están los requisitos del proceso. ¿Qué nivel de precisión y repetibilidad se necesita realmente para garantizar la calidad del producto final? Una especificación de ±0,5% casi siempre requiere un sistema gravimétrico. El rendimiento, o la velocidad de alimentación necesaria, es otro factor. También lo es si el proceso es discontinuo o continuo.
Por último, hay que evaluar los factores operativos. El presupuesto inicial de capital es una limitación importante. Los sistemas volumétricos son menos caros de entrada. Sin embargo, un análisis del coste total de propiedad debe incluir los posibles residuos derivados de la imprecisión. También hay que tener en cuenta los requisitos de limpieza por motivos de higiene, el espacio disponible en la planta y el nivel de cualificación del equipo de mantenimiento.
Matriz de selección del sistema de dosificación
Esta matriz proporciona una comparación estructurada para ayudar en el proceso de toma de decisiones. Utilícela como guía para sopesar las ventajas y desventajas de los sistemas volumétricos y gravimétricos en función de las necesidades específicas de su aplicación.
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Criterio
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Dosificación volumétrica
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Dosificación gravimétrica (pérdida de peso)
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Precisión y repetibilidad
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Inferior (±1% a 5%). Muy dependiente de la densidad del material y de la consistencia del flujo.
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Máxima (±0,1% a 0,5%). La medición directa de la masa compensa las variaciones de densidad.
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Coste de capital inicial
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Más bajos. Mecánica más sencilla y menos componentes de alta precisión.
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Superior. Requiere células de carga de alta precisión y controladores más complejos.
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Manipulación de materiales
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Adecuada para materiales fluidos y no compresibles. Tiene dificultades con polvos cohesivos o densidades variables.
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Excelente. Maneja una amplia gama de materiales, incluidos polvos difíciles, verificando el flujo másico.
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Calibración y control
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Requiere calibración frecuente si cambian las propiedades del material. Lógica de control más sencilla.
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Autocalibración hasta cierto punto. Control más complejo (bucles PID) para mantener la velocidad de alimentación.
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Rendimiento
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Puede alcanzar rendimientos muy elevados en determinadas aplicaciones (por ejemplo, llenado de líquidos).
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El rendimiento puede verse limitado por la velocidad del bucle de control y la mecánica del alimentador.
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El mejor caso de uso
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Ingredientes a granel de bajo coste en los que se aceptan pequeñas variaciones. Aplicaciones líquidas de llenado rápido.
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Ingredientes de alto valor (API, pigmentos), formulaciones críticas, aplicaciones que requieren registros auditables.
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Por ejemplo, cuando se dosifica un excipiente de bajo coste y flujo libre, como la sal, en un gran lote de alimentos, un alimentador volumétrico de tornillo puede proporcionar una precisión perfectamente adecuada a un bajo coste.
Por el contrario, para dosificar un colorante de alta potencia en un masterbatch de plástico, donde incluso una variación de 0,5% es visible en el producto final, un alimentador gravimétrico de pérdida de peso es la única opción fiable. El mayor coste inicial se justifica fácilmente eliminando los productos fuera de especificación.
Calibración, control y automatización
El hardware proporciona la capacidad de precisión. Pero el sistema de control es el cerebro que la proporciona. Comprender la calibración y la lógica de control es lo que separa a un operario de un auténtico experto en procesos.
El papel fundamental de la calibración
La calibración es el proceso de establecer una relación conocida y precisa entre la medición del sistema y un valor verdadero. Sin una calibración adecuada, todos los demás esfuerzos carecen de sentido.
La calibración estática consiste en poner a cero la báscula (o la tara) y verificar su respuesta con pesas certificadas y trazables. Esto garantiza que la célula de carga y la electrónica informan correctamente de la masa en condiciones de ausencia de flujo.
La calibración dinámica, o prueba de material, verifica el rendimiento real del sistema. El alimentador funciona durante un tiempo determinado y el material recogido se pesa en una báscula independiente de alta precisión. Esto confirma que todo el sistema -mecánica y controles- está suministrando la cantidad correcta.
Comprender el bucle de control
En un sistema de pérdida de peso, el controlador funciona con un bucle de realimentación continua. ¿Su objetivo? Hacer que la tasa real de pérdida de peso (la variable de proceso) coincida con la tasa de alimentación deseada por el operario (el valor de consigna).
El regulador calcula constantemente la diferencia entre la consigna y la variable de proceso. Esta diferencia se denomina error.
En función de este error, el controlador envía una nueva señal de salida al motor del alimentador. Lo acelera o lo ralentiza para corregir la desviación. La lógica utilizada para calcular esta corrección suele ser un algoritmo de control PID.
Ajuste del regulador PID
El control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) es el estándar industrial para sintonizar bucles de realimentación. Cada término del algoritmo cumple una función única para lograr una respuesta rápida y estable. Un bucle mal ajustado provocará una dosificación imprecisa, ya sea porque oscila en torno al valor de consigna o porque responde con demasiada lentitud a los cambios.
Entender cómo ajustar estos parámetros es una habilidad de gran valor para cualquier ingeniero de procesos.
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Parámetro
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Función en la dosificación
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Efecto del aumento del valor
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Consejo de ajuste para la dosificación
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Proporcional (P)
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Reacciona a la actual error entre el avance deseado y el avance real.
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Respuesta más rápida a los errores, pero puede dar lugar a oscilaciones (por exceso o por defecto).
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Aumentar para una respuesta más agresiva. Reducir si el avance es inestable y oscila en torno al punto de consigna.
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Integral (I)
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Corrige pasado error (acumulado) a lo largo del tiempo. Elimina el error de estado estacionario.
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Elimina la desviación a largo plazo del valor de consigna, pero puede provocar un rebasamiento si se ajusta demasiado alto.
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Aumentar para corregir un avance que está constantemente por encima o por debajo del objetivo. Reducir si provoca sobrepasos lentos y grandes.
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Derivado (D)
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Predice futuro error reaccionando a la velocidad de cambio del error. Amortigua la oscilación.
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Reduce el sobreimpulso y estabiliza el sistema más rápidamente. Puede hacer que el sistema sea sensible al ruido (vibración).
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Aumentar para amortiguar las oscilaciones causadas por una ganancia P alta. Suele utilizarse con moderación o ponerse a cero en entornos ruidosos.
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El ajuste de un bucle PID es un proceso iterativo. El objetivo es encontrar el equilibrio adecuado que permita al alimentador responder rápidamente a los cambios de consigna sin volverse inestable.
Solución avanzada de problemas de imprecisiones
Incluso los sistemas mejor diseñados pueden tener problemas en la fábrica. Las imprecisiones en la dosificación no son sólo fallos. Son rompecabezas que pueden resolverse con un enfoque sistemático basado en la experiencia. Los problemas rara vez se derivan de un único fallo evidente.
Un problema habitual que encontramos en las fábricas es una desviación gradual de la precisión que no se soluciona con un recalibrado. A menudo se debe a factores ambientales. En una ocasión, detectamos un error de dosificación de 2% en una línea farmacéutica debido a una nueva prensa de estampación instalada una nave más allá. Las vibraciones de baja frecuencia, imperceptibles para el ser humano, interferían en las lecturas de la célula de carga.
Para resolver estos problemas hay que mirar más allá del propio alimentador. Hay que tener en cuenta todo el sistema: el material, la mecánica y el entorno.
Síntomas comunes y causas profundas
Agrupar los problemas por su síntoma es la forma más eficaz de iniciar el diagnóstico.
El peso incoherente de los lotes es una queja frecuente. Esto puede deberse a la fluctuación de la densidad aparente del material, que engaña a los alimentadores volumétricos. O un flujo incoherente desde la tolva, que deja sin alimento incluso a un alimentador gravimétrico. Los factores ambientales, como las vibraciones o las corrientes de aire, también pueden introducir errores aleatorios.
El atasco o la formación de puentes en el alimentador es un problema mecánico y relacionado con el material. Los polvos cohesivos o pegajosos tienen una alta fricción interna y tienden a arquearse sobre la entrada del alimentador. Esto suele deberse a una geometría inadecuada de la tolva para ese material concreto o a la falta de un dispositivo de ayuda al flujo adecuado, como un agitador.
La “deriva” del sistema a lo largo del tiempo, cuando la precisión se degrada lentamente, suele apuntar a causas más sutiles. Los cambios de temperatura pueden afectar a la electrónica de la célula de carga, provocando una lenta deriva del punto cero. La acumulación gradual de material en las conexiones flexibles o en los orificios de ventilación de polvo puede “conectar a tierra” la báscula, haciendo que se ignore una parte del peso.
Guía de resolución de problemas de dosificación de ingredientes
Esta guía proporciona un marco para diagnosticar y resolver los problemas más comunes. Se basa en años de experiencia in situ y aborda las complejidades del mundo real que los manuales suelen pasar por alto.
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Síntoma
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Causa(s) potencial(es)
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Paso de diagnóstico
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Solución recomendada
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El peso final del lote es sistemáticamente bajo/alto.
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1. Calibración incorrecta. <br> 2. Acumulación de material en piezas no pesadas. <br> 3. Densidad aparente incorrecta en el alimentador volumétrico.
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1. Realice una calibración estática y dinámica completa con pesas certificadas. <br> 2. Inspeccione la descarga del alimentador, las conexiones flexibles y las rejillas de ventilación en busca de acumulaciones. <br> 3. Mida la densidad aparente del material y actualice los ajustes del controlador.
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1. Recalibre el sistema. <br> 2. Limpie todos los componentes y establezca un programa de limpieza regular. <br> 3. Ajuste la configuración volumétrica o cambie a gravimétrica para este material.
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El ritmo de dosificación es inestable y oscilante.
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1. El bucle PID está mal sintonizado (ganancia P demasiado alta). <br> 2. 2. Vibración mecánica (del motor o de una fuente externa). <br> 3. Flujo de material incoherente (formación de puentes en la tolva).
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1. Observe el gráfico de salida del controlador. Busque fluctuaciones rápidas y rítmicas. <br> 2. Coloque un acelerómetro o un vaso de agua sobre el armazón de la báscula para comprobar si hay vibraciones. <br> 3. Inspeccione visualmente la tolva durante el funcionamiento.
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1. Reduzca la ganancia proporcional (P) y/o aumente la ganancia derivativa (D). <br> 2. Aísle la báscula de la fuente de vibraciones mediante almohadillas amortiguadoras. <br> 3. Instale un agitador o vibrador de tolva; utilice un motor paso a paso para una alimentación más suave.
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El alimentador se para inesperadamente o se apaga.
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1. El material se atasca en la tolva. <br> 2. Sobrecarga del motor. <br> 3. Rellene el sistema no funciona (para LIW).
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1. Compruebe el nivel y el flujo de material en la tolva. <br> 2. Compruebe la temperatura del motor y los registros de errores del controlador. <br> 3. Compruebe que el sensor de nivel y el mecanismo de rellenado (por ejemplo, la compuerta deslizante) funcionan.
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1. Emplear dispositivos de ayuda al flujo (agitador, fluidificador). 2. Cambiar la geometría de la tolva si es posible. <br> 2. Asegúrese de que el alimentador no esté sobredimensionado para el material; compruebe que no haya objetos extraños. <br> 3. Repare o ajuste el sistema de rellenado automático.
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La precisión se degrada durante una carrera larga.
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1. Efectos de la temperatura en las células de carga. <br> 2. 2. Cambio de las propiedades del material (por ejemplo, absorción de humedad). <br> 3. Acumulación gradual en el tornillo alimentador o en la salida.
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1. Controle el peso del sistema en vacío y a temperatura estable, y vuelva a comprobarlo después de un funcionamiento prolongado. <br> 2. Tome muestras de material al principio y al final de la tirada y compruebe la densidad/humedad. <br> 3. Desmonte e inspeccione el alimentador después de un recorrido problemático.
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1. Utilice células de carga con compensación de temperatura o aísle el módulo de pesaje. <br> 2. Almacene el material en una zona de clima controlado; considere la posibilidad de cubrir la tolva con nitrógeno seco. <br> 3. Seleccione un perfil de tornillo o revestimiento diferente; ajuste el programa de limpieza.
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Conclusiones: Alcanzar la excelencia en la dosificación
Lograr la precisión en la dosificación de ingredientes no es una cuestión de azar. Es el resultado directo de un enfoque de ingeniería sistemático aplicado con diligencia y experiencia. Hemos viajado desde la física fundamental de la dosificación, pasando por el proceso de selección de hardware, hasta la inteligencia del sistema de control y, por último, hasta la realidad práctica de la resolución de problemas.
La excelencia en este campo se basa en los siguientes pilares: una comprensión de los principios básicos de la tecnología, una metodología rigurosa para la selección de sistemas, un dominio de la lógica de control y un enfoque basado en la experiencia para la resolución de problemas. Si adopta esta mentalidad técnica y analítica, podrá ir más allá del simple funcionamiento de los equipos para diseñar un proceso que ofrezca calidad, eficacia y rentabilidad.
Controlador proporcional-integral-derivativo - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Proportional-integral-derivative_controller
Ajuste del PID por métodos clásicos - Engineering LibreTexts https://eng.libretexts.org/Bookshelves/Industrial_and_Systems_Engineering/Chemical_Process_Dynamics_and_Controls_(Woolf)/09:_Proportional-Integral-Derivative_(PID)_Control/9.03:_PID_Tuning_via_Classical_Methods
Tutoriales de control para MATLAB y Simulink - Introducción: Diseño de Controladores PID https://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=Introduction§ion=ControlPID
Dominio del control PID: aplicaciones, ajuste y limitaciones | Diseño de control https://www.controldesign.com/control/embedded-control/article/33008823/mastering-pid-control-applications-tuning-and-limitations-explained
El controlador PID y la teoría explicada | NI https://www.ni.com/en/shop/labview/pid-theory-explained.html
Cómo sintonizar controladores PID en procesos autorregulados | ISA https://blog.isa.org/how-to-tune-pid-controllers-self-regulating-processes
Explicación del PID para ingenieros de procesos: Parte 2 - Coeficientes de ajuste | AIChE https://www.aiche.org/resources/publications/cep/2016/february/pid-explained-process-engineers-part-2-tuning-coefficients
Explicación de las clases de precisión OIML | Precisión de las células de carga | HBM https://www.hbm.com/en/2637/oiml-accuracy-classes-explained/
Clases OIML y conformidad de las células de carga | Tacuna Systems https://tacunasystems.com/knowledge-base/load-cell-classes-oiml-requirements/
Tipos, diseño y aplicaciones de las células de carga | Directorio IQS https://www.iqsdirectory.com/articles/load-cell/types-of-load-cells.html
