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Jun 28, 2023

El fabricante de equipos de apilamiento Forpak ideó una prueba para ver cómo los actuadores neumáticos existentes se comparaban con la tecnología servo mecatrónica más nueva, específicamente en una aplicación de apilado y colocación de alimentos congelados. Estos son los resultados.

Dave Brownson, gerente de ingeniería de Forpak, fue el primer ingeniero contratado en el OEM de equipos de apilamiento de alimentos cuando abrió sus puertas hace más de 30 años. Con tres décadas en su haber como ingeniero en la empresa, Brownson recuerda los días en que la neumática era el único juego de actuadores disponible para aplicaciones de maquinaria Forpak. También recuerda la primera introducción del servo lineal en lugar de la actual tecnología neumática hace unos seis o siete años.

“Estaba buscando una solución IP69K para un proyecto que teníamos, así que acudí a mis proveedores y me ofrecieron LinMot [proveedor de sistemas de accionamiento lineal]”, afirma. "Me los presentaron y nunca miramos atrás".

Más recientemente, Brownson tenía la vista puesta en construir un apilador totalmente eléctrico y sin actuadores neumáticos. Pero era cuestión de esperar a que estuviera listo el tamaño y la forma adecuados de la tecnología de movimiento lineal; no existía nada en el mercado que pudiera adaptarse a su aplicación.

“Seguí presionando a Peter [Zafiro de LinMot] para que fabricara un motor cada vez más pequeño, y él me preguntó: '¿Cuántos comprarías?'”, recuerda Brownson. “Le respondí: 'Bueno, ¿cuántos puedes hacer?' Porque si puedo fabricar un apilador totalmente eléctrico, realmente aumentaría la eficiencia”.

Brownson finalmente vio el prototipo LinMot que haría el trabajo en una reciente PACK EXPO. Forpak está desarrollando ahora una máquina 100% eléctrica sin tecnología neumática. El plan es exhibir la nueva máquina en PACK EXPO International, que se celebrará del 23 al 26 de octubre de 2022 en Chicago.

Vale la pena mencionar que los neumáticos no van a ninguna parte y están firmemente instalados en los controles y el kit de herramientas de automatización. Y algunas operaciones requieren sistemas neumáticos por razones de seguridad, por ejemplo en entornos explosivos, por lo que no siempre es posible cambiar los neumáticos por los eléctricos.

Aún así, Brownson buscó producir un modelo totalmente eléctrico porque dice que los servomotores lineales LinMot ahorran energía y son altamente eficientes para su conjunto específico de aplicaciones y base de clientes. Además, permiten un costo total de propiedad más bajo gracias a sus comparativamente pocos elementos de desgaste, y eso resulta en menos tiempo de inactividad, especialmente tiempo de inactividad inesperado. Según su experiencia, estos factores generan ahorros a largo plazo en el mundo real que son atractivos para los clientes CPG y propietarios de marcas de Forpak.

Pero hasta ahora, esa ha sido sólo la experiencia anecdótica de Brownson: la opinión de un hombre. Para probar la eficiencia y el ahorro de energía, Zafiro reclutó a Brownson, junto con Joel Geisel y Adam Shank, ambos de Hamilton Automation, un representante del fabricante de LinMot, y JB Korte de Van Meter Inc., un distribuidor de LinMot. El OEM, el proveedor de automatización y los distribuidores idearon juntos una prueba de la máquina de Forpak utilizando actuadores neumáticos en comparación con actuadores totalmente eléctricos. La idea era establecer el consumo de energía real y desarrollar datos reales de ahorro de energía, y lo que sigue es el resultado de estas pruebas.

Los apiladores Forpak ocupan un nicho en las líneas de envasado de proteínas y productos horneados que existe entre los congeladores anteriores y el envasado continuo, el embolsado o el envasado manual posteriores. Los productos típicos pueden ser hamburguesas, gofres o galletas congeladas que salen del congelador de forma aleatoria o semiorganizada. Ese producto debe orientarse, distribuirse y apilarse para el equipo de embalaje posterior. El apilador Forpak anterior (número de modelo: GSS5-8) es un apilador vertical eléctrico típico con cilindros horizontales neumáticos que se utilizan para apilar productos. El Stacker se puede fabricar en tres a diez carriles dependiendo de la demanda de producción. El modelo de prueba fue una unidad de cuatro carriles (Número de modelo: GSS5-4). La imagen también muestra un transportador de recogida adjunto para el envasado manual o automatizado posterior.

"La placa deslizante y las partes de empuje del apilado eran neumáticas, y siempre lo han sido, hasta hace poco", dice Brownson. "Ahora que LinMot desarrolló el actuador del tamaño adecuado, podemos fabricar tanto neumáticos tradicionales como totalmente eléctricos, y realizamos esta prueba para ver la diferencia".

Forpak ayudó permitiendo al equipo acceder a una máquina apiladora típica en funcionamiento en muchos sitios de usuarios finales. La máquina apiladora es una máquina de cuatro carriles, con ocho actuadores neumáticos que funcionan en dirección horizontal.

Con la ayuda de Korte de Van Meter Inc. y un Rockwell Automation Power Monitor 5000, se registró el consumo de energía real. El Power Monitor rastreó puntos de datos que incluyen amperaje, tiempo y kWh de un compresor de aire eléctrico independiente de alta eficiencia de 7 cfm. El equipo hizo funcionar la máquina durante 30 minutos y tomó muestras cada 10 ms. Esta configuración no tiene en cuenta las pérdidas de la línea neumática, ya que el aire suministrado a los cilindros tenía un recorrido muy corto desde el compresor, y ningún otro dispositivo operaba con el mismo suministro de aire.

El equipo de prueba se topó con una limitación durante la ejecución de la prueba: la cantidad de puntos de datos que se podían almacenar en el PLC. Como tal, los datos extraídos fueron de 15 minutos de tiempo de ejecución y la potencia promedio fue constante durante todo el estudio. Hacer funcionar la máquina durante 45 minutos adicionales para lograr un conteo por hora demostró que los datos no habrían cambiado. El compresor nunca se apagó en los 60 minutos completos. Por lo tanto, el equipo dice que confía en que los datos obtenidos durante los 60 minutos completos habrían sido casi idénticos a los datos de la prueba de 15 minutos, extrapolados para la prueba de 60 minutos. El consumo de energía se mantuvo constante durante toda la prueba en 5.161 kWh.

Notas de prueba: las pruebas se completaron el 2 de noviembre de 2021 en las instalaciones de fabricación de Forpak. Fue completado por Adam Shank de Hamilton Automation y JB Korte de Van Meter Inc., con la ayuda de Dave Brownson de Forpak. La evaluación y el análisis de los resultados fueron realizados por Joel Geisel de Hamilton Automation.

El programa Lin Designer de LinMot muestra esta aplicación de empujador horizontal específica y proporciona el consumo de energía calculado para los actuadores LinMot y un cilindro neumático equivalente. Los cálculos de consumo de energía de los cilindros neumáticos de Lin Designer se basan en los cálculos de consumo de energía de los dos fabricantes de cilindros neumáticos más populares. Estas son tasas de consumo de energía esperadas directas de fábrica.

Para este ciclo específico, el programa Lin Designer de LinMot estima un consumo de energía de 4575 kWh. La prueba utilizó el menor de los dos valores para calcular el costo operativo de energía del cilindro neumático, de la siguiente manera:

Los 4575 kWh multiplicados por $ 0,20 por kWh con carga completa (nota de prueba: este valor suele ser mucho más alto, especialmente cuando las plantas funcionan durante los períodos de recarga pico durante las horas del día durante la mayor parte del año calendario) producirían un costo esperado de $ 915 por cilindro. por 8.000 horas de funcionamiento al año. Dado que esta máquina utiliza ocho cilindros neumáticos, el costo operativo de esta máquina específica sería de $7 320 por 8 000 horas de operación por año.

La máquina equivalente que utiliza actuadores LinMot con motor lineal proporciona el siguiente resultado de consumo de energía:

El mismo ciclo resultó en 243 kWh para un motor PS01-23x80F-HP-SSCP-R20 en un ciclo de 175 mm en 200 ms y -175 mm en 200 ms con un tiempo de permanencia de 600 ms. Los 243 kWh multiplicados por 0,20 dólares por kWh con carga completa equivaldrían a 48,60 dólares por actuador LinMot. Los ocho actuadores costarían $388,80 para operar 8000 horas de operación por año.

Los ahorros aquí se calculan en $7320 (neumático) menos $388,80 (eléctrico), o $6931,20 por año calendario. Si una planta opera con una producción menor, digamos con un programa de 6000 horas por año, el ahorro sería de $5198,40 por año calendario.

Zafiro, Geisel y Korte señalan que estos valores no incluyen ningún costo de mantenimiento o tiempo de inactividad inesperado cuando falla un cilindro neumático.

"Estos fallos son más comunes en aplicaciones de ciclismo frecuentes, como la de este estudio", señala Brownson. “Calculo que reemplazar un cilindro neumático suele tardar entre 30 y 90 minutos, y el tiempo de inactividad típico de una planta se valora entre 15 000 y 20 000 dólares por hora. Aunque no se considera en esta prueba, el tiempo de inactividad es enorme”.

"Hay muy pocas piezas mecánicas con este tipo de actuador, por lo que esencialmente se limita la cantidad de desgaste que podría ocurrir", añade Geisel. “Y al limitar la cantidad de desgaste, requiere menos mantenimiento que el que requeriría un cilindro neumático. No tienes sellos que se estén rompiendo. No perderá aire y no tendrá que reemplazar componentes más baratos con más frecuencia. Simplemente hay muy poco desgaste o tiempo de inactividad necesario”.

El estudio de prueba reveló que, al menos para esta aplicación específica, hacer funcionar ocho cilindros neumáticos cuesta mucho más que ocho motores lineales. Según datos* de los dos mayores fabricantes de cilindros neumáticos del mundo, el ahorro en emisiones de carbono sería de más de 4600 libras. por cilindro, o más de 36,000 lbs. de ahorro de emisiones de CO2 para esta máquina específica con 8.000 horas de funcionamiento al año.

Sumando esto a los más de $6,900 en ahorros en costos de electricidad, Brownson quedó impresionado. Señala que esta prueba se realizó en una máquina apiladora Forpack de cuatro carriles. Un apilador Forpak típico utiliza entre seis y diez carriles, lo que significa que para esas máquinas, los ahorros serán mayores si se extrapolan a más carriles.

"Esperaba un ahorro, pero no esperaba esta cantidad de ahorro", dice Brownson. “Esto realmente me ayudará a mostrar la nueva máquina en el futuro, tanto en la PACK EXPO International como para las ventas en el futuro. Esto demuestra que el costo de propiedad en la parte frontal será un poco más alto, pero en general, a lo largo de la vida útil de la máquina, será menor”. VP