Agieren und nicht reagieren

Intelligente Fließhilfe für Differential-Dosierwaagen

Schwerfließende Schüttgüter neigen in den Wiegebehältern zur Brückenbildung, wodurch der Materialfluss im Trichter unterbrochen wird. Einen neuen Weg bei Fliesshilfesystemen in Differential-Dosierwaagen schlägt K‑Tron mit ihrem ActiFlow ein, der aktiv und intelligent den Schüttgutfluss überwacht und bei Bedarf anregt.

In der Vergangenheit wurden zur Vermeidung von Schüttgutbrücken mechanische Fliesshilfen wie z. B. Rührwerke, Walkwände oder Fluid-isierungskissen eingesetzt. Diese permanent aktiven Fliesshilfen weisen bekannte Nachteile auf, welche branchen- oder anwendungsbedingt zu Einschränkungen im Handlingskomfort führen. Zum Beispiel weil diese einen erhöhten Reinigungsaufwand bedürfen (Rührwerke). Walkwände können in Food- & Pharma-Anwendungen aufgrund von Kontaminationsgefahr oftmals nicht eingesetzt werden. Aber auch verfahrenstechnisch bergen diese Fliesshilfe-Systeme Nachteile, da sie u. U. das Schüttgut sogar verdichten können.
Bisher ist für die K-Tron Dosierer vor allem ein System zur Verhinderung der Brückenbildung zum Einsatz gekommen: Das Vertikalrührwerk. Diese Lösung ist auf der einen Seite sehr zuverlässig, auf der anderen Seite benötigt sie jedoch zusätzliche Bauhöhe über dem Trichter und das Rührwerk hat Kontakt zum Schüttgut (zusätz-licher Reinigungsaufwand).

Systemübersicht und Wirkungsweise

Der ActiFlow ist ein System, das die Brückenbildung von den meisten schwer fliessenden Materialien zuverlässig verhindert. Es besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: Dem Gerät am Trichter und der Steuerung in Kombination mit der Dosiersteuerung, dem KCM.
Das Gerät regt das Material im Trichter schonend mit einer optimierten Amplitude und Frequenz an. Die Steuerung zusammen mit der Dosiersteuerung stellt sicher, dass stets ein optimaler Materialfluss im Trichter herrscht, was zu einer guten Dosiergenauigkeit führt. Die weiterentwickelten Filteralgorithmen der K-Tron Smart-Force-Transducer (SFT) Lastzellen sind in der Lage, Vibrationen wirksam zu filtern. Somit wird jederzeit ein genaues Gewichtssignal garantiert, auch wenn der ActiFlow das Schüttgut mit maximaler Leistung anregt.
Abb. 2 zeigt den ActiFlow am Dosierer montiert. Das ActiFlow Gerät ist an der Rückseite des Trichters befestigt. Der rote Pfeil zeigt die Richtung der Trichteranregung. Die Position und Richtung dieser Anregung wurde in vielen Dosierversuchen im Labor optimiert, um einerseits die Auswirkung auf dem Wägesystem zu minimieren und gleichzeitig den Schüttgutfluss zu maximieren.
Abb. 3 zeigt ein Modell der Trichterwand-Schwingung. Die gestrichelte Linie stellt den Querschnitt des Trichters auf der Höhe des ActiFlows im Ruhezustand dar. Die durchgezogene Linie zeigt eine Momentaufnahme der Trichterwand-Schwingung. In Realität sind mehr Schwingungsknoten und Schwingungsbäuche vorhanden, wie durch Messungen mit einem Lasersensor festgestellt wurde. Mit dieser Trichteranregung wird das Material periodisch von der Trichterwand gegen die Trichtermitte hin bewegt, so dass sich das Material nicht an der Trichterwand festsetzen kann. Materialbrücken werden mit diesem System somit zuverlässig verhindert.

Steuerungsalgorithmus ActiFlow

Das wichtigste Konzept des ActiFlows heisst: Agieren und nicht reagieren. Die Dosiersteuerung ist in der Lage, ein sich verschlechternder Materialfluss im Trichter vor der Entstehung eines möglichen Massenfluss-Fehlers sofort zu erkennen. In einer solchen Situation erhöht der ActiFlow die Anregung des Materials im Trichter und stellt sicher, dass keine Dosierstörung auftreten kann. Stellt die Steuerung fest, dass sich der Materialfluss im Trichter wieder normalisiert hat, wird die Anregung des Materials durch den ActiFlow verringert. Der ActiFlow regt das Material im Trichter nur so viel wie notwendig an, und nicht so viel wie möglich!
Um den beschriebenen Regelkreis zu ermöglichen, wurde ein Steuerungsalgorithmus entwickelt. Eine weitere Besonderheit ist ein im Actiflow integrierter Sensor, welcher als Positionsfeedback für die Steuerung dient. Damit können Anregungsamplitude und Frequenz genau überwacht und geregelt werden.

Startup einer Anlage mit ActiFlow

Nachdem die Anlage fest aufgebaut ist, sind zwei Schritte bei der Inbetriebnahme notwendig:
Damit der ActiFlow effektiv und energiesparsam läuft, muss die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems gesucht werden. Dazu wird der Trichter bis zur oberen Nachfüllgrenze mit Material gefüllt. Beim Initialisieren des Dosierers wird nun zusätzlich eine kurze Frequenzsuche durchgeführt und die gefundene Resonanzfrequenz gespeichert.
Eine abgeschätzte Material-Fliesseigenschaft muss einmalig in der Dosiersteuerung, dem KCM, definiert werden. Zur Auswahl stehen: „Einfach", „Mittel" und „Schwer". Dieser Wert definiert eine untere Grenze der Materialanregung im Trichter durch das ActiFlow Gerät.

Wenn die Anlage einmal in Betrieb ist, sind keine weiteren Eingaben mehr notwendig; der ActiFlow ist von nun an selbsteinstellend. Wird das dosierte Material geändert, müssen die Schritte 1 und 2 neu ausgeführt werden.

Ausführungs-Varianten

Im Wesentlichen gibt es zwei ActiFlow Varianten: ActiFlow Standard und ActiFlow Pharma/Food. Bei der Standard-Variante ist der Deckel und die Halterung zur Befestigung am Trichter aus rostfreiem Stahl, die Basis aus lackiertem Aluminumguss. Bei der Pharma/Food-Variante besteht sowohl der Deckel als auch die Basis mit integrierter Halterung aus rostfreiem Stahl. Die Oberflächen dieser Version sind geneigt, um beim Reinigen einen besseren Ablauf von Flüssigkeiten zu erreichen. Beide Varianten können je nach Version in verschiedenen Gefahrenzonen eingesetzt werden. Die Basis Version kann für alle Standardapplikationen und Applikationen in der Atex Zone 22 eingesetzt werden. Die Atex Version kann für alle Anwendungen bis zu den Atex Zonen 1 und 21 eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Der ActiFlow ist seit Januar 2008 in verschiedenen industriellen Anwendungen im Einsatz. Aus den Gesprächen mit Anlagenbetreibern geht hervor, dass die Dosierung mit ActiFlow besser ist: „Beim Dosieren mit Vertikalrührwerk gibt es Schwankungen. Mit dem ActiFlow ist der Materialaustrag sehr konstant. Weiter verbleibt mit dem Vertikalrührwerk nach dem Leerfahren mehr Material im Trichter. Mit dem ActiFlow ist auch die Reinigung viel einfacher. Das mühsame Entfernen des Vertikalrührwerks entfällt." Auch die wesentliche Erhöhung des maximalen Austrags bei einigen Produkten ist den Anwendern positiv aufgefallen. Dadurch kann die Linienleistung des Extruders um bis zu 50 % erhöht werden.

Iris Fischer
K-Tron (Schweiz) AG, CH-Niederlenz
Tel.: +41/62/8857291
Fax: +41/62/8857191
ifischer@ktron.ch
www.ktron.ch

Dr. Manuel Spoerri, Project Manager R&D Mechanical Technology und Projektleiter Entwicklung ActiFlow bei K-Tron