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Jul 14, 2023

Cabeza

El fabricante de equipos de apilamiento Forpak ideó una prueba para ver cómo

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 apilamiento 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 compañía, Brownson recuerda los días en que la neumática era el único juego de actuadores en la ciudad para aplicaciones de maquinaria Forpak. También recuerda la primera introducción de servo lineal en lugar de la tecnología neumática establecida hace unos seis o siete años.

"Estaba buscando una solución IP69K para un proyecto que teníamos, así que acudí a mis proveedores y se me ocurrió [el proveedor de sistemas de transmisión lineal] LinMot", dice. "Me los presentaron y nunca miramos hacia atrás".

Más recientemente, Brownson ha puesto la mira en la construcción de un apilador totalmente eléctrico, sin actuador neumático. Pero era cuestión de esperar a que el tamaño y la forma correctos de la tecnología de movimiento lineal estuvieran listos; no existía nada en el mercado que pudiera adaptarse a su aplicación.

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

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

Vale la pena mencionar que la neumática no va a ninguna parte, y está firmemente instalada en el juego de herramientas de control y automatización. Y algunas operaciones requieren neumática por razones de seguridad, por ejemplo en entornos explosivos, por lo que no siempre es posible cambiar la neumática por la eléctrica.

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 da como resultado menos tiempo de inactividad, especialmente tiempo de inactividad inesperado. En su experiencia, estos factores generan ahorros a largo plazo en el mundo real que son atractivos para los clientes propietarios de marca y CPG de Forpak.

Pero hasta ahora, esa ha sido solo 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 diseñaron 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 lo que resultó de esta prueba.

Los apiladores de Forpak ocupan un nicho en las líneas de envasado de proteínas y productos horneados que existe entre los congeladores aguas arriba y el envasado en flujo, embolsado o envasado a mano aguas abajo. Los productos típicos pueden ser hamburguesas congeladas, gofres o galletas que salen del congelador al azar o semiorganizadas. Ese producto debe orientarse, alinearse y apilarse para el equipo de empaque posterior. El apilador Forpak anterior (número de modelo: GSS5-8) es un apilador vertical eléctrico típico con cilindros horizontales neumáticos que se utiliza 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 extracción acoplado para el envasado manual o automatizado aguas abajo.

"La placa deslizante y las piezas de empuje del apilamiento eran neumáticas, y siempre lo han sido, hasta hace poco", dice Brownson. "Ahora que LinMot desarrolló el actuador del tamaño correcto, podemos hacer tanto el neumático tradicional como el totalmente eléctrico, y realizamos esta prueba para ver la diferencia".

Forpak ayudó al permitir que el equipo accediera 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 Power Monitor 5000 de Rockwell Automation, se registró el consumo de energía real. El monitor de energía 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 mseg. Esta configuración no tiene en cuenta las pérdidas de la línea neumática, ya que el aire proporcionado a los cilindros tuvo un recorrido muy corto desde el compresor, sin que otros dispositivos funcionaran 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 pueden 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 extraídos durante los 60 minutos completos habrían sido casi idénticos a los datos de prueba de 15 minutos, extrapolados para la prueba de 60 minutos. El consumo de energía fue constante en 5161 kWh durante toda la prueba.

Notas de prueba: la prueba se completó 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 específica de empujador horizontal y proporciona el consumo de energía calculado para los actuadores LinMot y un cilindro neumático equivalente. Los cálculos de consumo de energía del cilindro neumático de Lin Designer se basan en los cálculos de consumo de energía de los dos fabricantes de cilindros neumáticos más populares. Estos son índices de consumo de energía esperados directos 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 a plena carga (nota de prueba: este valor suele ser mucho más alto, especialmente cuando las plantas funcionan durante los períodos de sobrecarga máxima durante las horas del día durante la mayor parte del año calendario) produciría un costo esperado de $915 por cilindro por 8.000 horas de funcionamiento al año. Dado que esta máquina usa ocho cilindros neumáticos, el costo de operación de esta máquina específica sería de $7320 por 8000 horas de operación por año.

La máquina equivalente que utiliza actuadores LinMot provistos de motor lineal produce 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 por kWh a plena carga equivaldrían a $48,60 por actuador LinMot. Los ocho actuadores costarían $388.80 para operar 8,000 horas de operación por año.

Los ahorros aquí se calculan en $7,320 (neumático) menos $388.80 (eléctrico), o $6,931.20 por año calendario. Si una planta opera con una producción más baja, digamos con un programa de 6000 horas por año, los ahorros serían 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.

"Tales fallas son más comunes en aplicaciones de ciclos frecuentes, como la de este estudio", señala Brownson. "Calculo que reemplazar un cilindro neumático generalmente toma entre 30 y 90 minutos, con un tiempo de inactividad típico de la planta valorado en $ 15,000 a $ 20,000 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 limita la cantidad de desgaste que podría ocurrir", agrega Geisel. "Y al limitar la cantidad de desgaste, requiere menos mantenimiento que el que requeriría un cilindro neumático. No tiene sellos que se rompen. No pierde aire y no tiene que reemplazar componentes más baratos más". a menudo. 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 significativamente más que ocho motores lineales. De acuerdo con los datos* de los dos fabricantes de cilindros neumáticos más grandes del mundo, el ahorro de emisiones de carbono sería de más de 4,600 lbs. por cilindro, o más de 36,000 lbs. de ahorro de emisiones de CO2 para esta máquina específica con las 8.000 horas de funcionamiento al año.

Agregando esto a los ahorros en costos de electricidad por valor de más de $6,900, Brownson quedó impresionado. Señala que esta prueba se realizó en una máquina apiladora Forpack de cuatro carriles. Un apilador típico de Forpak utiliza entre seis y 10 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. "Realmente me ayudará a exhibir la nueva máquina en el futuro, tanto en la PACK EXPO International como en las ventas futuras también. Muestra que el costo de propiedad en la parte frontal va a ser un poco más alto , pero en general, el curso de la vida útil de la máquina, será menor". VP