Tecnologie - Dosaggio

Dosaggio

Caratteristiche determinanti la qualità di un impianto di dosaggio

1.    I REQUISITI
Nella progettazione e nella realizzazione di un impianto di dosaggio vanno tenuti presenti i requisiti fondamentali che tale impianto deve avere:

•    affidabilità
•    velocità
•    precisione

Al primo posto nell'elenco delle caratteristiche fondamentali deve essere posta l'affidabilità del sistema in quanto l'utilizzo di un sistema automatico per la distribuzione dei prodotti all'interno di una struttura organizzativa porta naturalmente a una revisione della stessa: non essendoci più la necessità di intervenire manualmente per la pesatura, trasporto e introduzione prodotti alle macchine, viene meno la necessità del tempo/uomo normalmente impiegato per quest'operazione. La conseguenza naturale è il possibile down-grading del numero degli operatori presenti nei reparti di produzione.
Questo riallineamento verso il basso dei costi di gestione, che sicuramente ha un impatto estremamente positivo sull'economia organizzativa, comporta anche il rischio che, qualora il sistema automatico fosse non funzionante, la produzione globale del reparto verrebbe a risentirne pesantemente. Infatti, il personale residuo non sarebbe in grado di svolgere, manualmente e senza introdurre tempi d'attesa significativi, tutte quelle operazioni normalmente svolte in automatico nella gestione della produzione,.

La velocità è la seconda delle importanti caratteristiche che determinano la qualità del prodotto di dosaggio: un sistema automatico, infatti, deve essere in grado di soddisfare le richieste dell'impianto cui è asservito senza introdurre indebiti tempi di attesa ma anzi, al contrario, sostanzialmente migliorando i tempi di esecuzione dei processi in generale, massimizzando la produttività degli impianti. È chiaro che, da questo punto di vista, le caratteristiche meccaniche e le scelte progettuali relative al disegno dell'impianto automatico possono incidere pesantemente sui risultati.
 
La precisione rappresenta l'ultima delle caratteristiche importanti di un sistema: una delle componenti fondamentali del pay-back di un impianto di dosaggio è il possibile risparmio di prodotti chimici, risorsa costosa e di peso importante nel conto economico di una tintoria. L'esperienza insegna che un buon sistema di dosaggio può comportare riduzioni dei costi dei prodotti chimici pari ad un 15% del totale. Tale considerevole ammontare di denaro può essere però vanificato nel caso il sistema non prenda in considerazione alcuni elementi fondamentali che verranno discussi in seguito.
Sul mercato sono oggi presenti numerose varianti del disegno base di un sistema di dosaggio liquidi: tali varianti si ripercuotono pesantemente sui costi e sulle capacità offerte dal sistema.
Nel documento che segue verranno prese in considerazione le scelte di tipo tecnico strategico che possono essere fatte nel disegno di un sistema di distribuzione.
Verranno identificate le conseguenze possibili di tali scelte sulla performance del prodotto finito.
Il tipo di struttura che verrà presa in considerazione è quella di un dosaggio liquidi con distribuzione mono-tubo.
Verranno analizzate le scelte relative al sistema DOSATEX costruito da POZZI Leopoldo Srl, per compararle con altri prodotti similari presenti sul mercato.


Tradizionalmente i sistemi di dosaggio automatico si sono basati su misuratori di tipo magnetico induttivo. Questi strumenti presentano l’ indubbio vantaggio di essere poco costosi e generalmente affidabili.
Tuttavia, quando sono usati nelle tipiche condizioni di utilizzo di un sistema di dosaggio per prodotti chimici liquidi, la scelta non risulta essere la migliore in quanto all'interno di questi misuratori passa una pluralità di prodotti di natura chimica diversa, come acidi o alcali, tensioattivi ionici o non, e così via.
In un sistema mono-tubo il prodotto é generalmente spinto con acqua, si crea cioè una zona di interfaccia in cui il prodotto chimico da dosare si miscela per un breve tratto con l'acqua di spinta; al successivo dosaggio sarà l'acqua presente nei tubi che andrà a creare una zona di interfaccia con il prossimo prodotto chimico.
Queste zone di interfaccia creano nei misuratori magnetici dei problemi di polarizzazione che molto difficilmente possono portare a misurazioni corrette; il risultato netto dell'adozione di questi strumenti è perciò una buona precisione fin tanto che lo strumento misura il prodotto chimico o l'acqua, e una pessima precisione in corrispondenza delle zone di interfaccia. È chiaro quindi che più ravvicinate saranno le zone di interfaccia e più queste saranno importanti a livello percentuale sul totale del dosato e minore sarà la precisione di misura dello strumento. Ne deriva che il dosaggio di piccole quantità avrà una pessima precisione mentre sarà accettabile quella ottenibile con grandi dosaggi.
Un'altra limitazione fondamentale dei sistemi di misurazione magnetica è insita nella tecnologia stessa utilizzata: il prodotto da misurare deve essere conduttivo, perchè ove non lo fosse non sarebbe possibile rilevarne la velocità. Ovviamente questo limita pesantemente l'universalità di utilizzo di un sistema di dosaggio costruito intorno ad un misuratore di questo tipo in quanto risulta necessario operare una accurata selezione dei prodotti da utilizzare in modo che tutti possano essere misurati.
Un'ulteriore limitazione è dovuta al fatto che le grandezze che vengono misurate (il voltaggio prodotto da un conduttore che taglia ortogonalmente un campo magnetico) sono estremamente piccole e proporzionali alla velocità di passaggio del fluido. Risulta quindi pressoché impossibile con questo sistema di misura operare su dosaggi molto grandi e molto piccoli senza modificare la geometria del sistema di misurazione. Infatti, se per ottenere grosse portate si utilizzano diametri di tubazione grandi al fine di mantenere nelle stesse tubazioni la velocità minima necessaria ad ottenere un segnale leggibile dal sistema di misura (minimo 2m/secondo), risulterà impossibile effettuare misurazioni su piccole quantità in quanto il tempo di passaggio risulterebbe essere inferiore ai tempi meccanici di chiusura/apertura delle valvole necessari a controllarlo.
Il misuratore di massa, al contrario del misuratore magnetico, non si basa su una misurazione di velocità del fluido che passa al suo interno ma ne determina, in tempo reale, il peso effettivo.
Il vantaggio di questa capacità è evidente: la misurazione risulta essere indipendente dalla densità del fluido.
Per spiegare meglio questo concetto immaginiamo si debba misurare della soda caustica durante l'estate con una temperatura ambiente intorno ai 30° e, la stessa quantità debba essere misurata durante l'inverno ad una temperatura intorno ai 10°. L'espansione termica, naturale in ogni fluido, porterà il volume del prodotto da misurare a variare di circa il 5%, per cui il risultato netto dell'operazione sarà che con l'utilizzo di un misuratore magnetico in inverno avremo un errore di misurazione per difetto del 5% rispetto all'estate.
Questo effetto non sarà assolutamente presente con un misuratore di massa correttamente utilizzato in quanto anche al variare del volume il peso del prodotto dosato sarà sempre lo stesso.
Risulta pertanto strano che alcuni produttori possano vantare una precisione dell'1% quando una semplice variazione di temperatura stagionale può provocare errori cinque volte superiori (anche ammettendo che lo strumento di per sé sia perfetto e non induca alcun errore nel sistema).
Altro grande vantaggio del misuratore Corioli deriva dal fatto che la misurazione non dipende dalla velocità di passaggio del fluido, pertanto anche piccoli dosaggi possono risultare molto accurati.
Inoltre, la sua capacità di misura non è dipendente dalla conduttività del fluido misurato per cui può essere universalmente utilizzato con qualsiasi prodotto da dosare.
Un ulteriore vantaggio è che questo sistema può dare una lettura diretta della densità del fluido misurato e questa capacità risulta essere interessante per esercitare un controllo di qualità sui prodotti acquistati.
Bisogna però notare con attenzione che questo strumento può essere utilizzato, a seconda del software sviluppato, in molte configurazioni diverse: infatti quando usato come semplice rimpiazzo di un misuratore magnetico ne ricalcherà perfettamente le caratteristiche, senza però aggiungere quelle capacità interessanti di controllo della densità che lo rendono uno strumento migliore.
Questo tipo di strumento è estremamente affidabile: viene normalmente utilizzato nell'industria petrolifera e in quella farmaceutica. Al contrario dei misuratori elettromagnetici non soffre di problemi di polarizzazione e presenta un unico difetto: il costo, che generalmente risulta essere quattro o cinque volte superiore al costo di un comparabile misuratore magnetico.

2.2 Gruppo di valvole per la selezione dei prodotti
I prodotti collegati ad un sistema di dosaggio vengono selezionati per la distribuzione da valvole.
Nella maggior parte dei casi queste valvole possono essere di differente forma e dimensione, ma mantengono un'unica caratteristica: quella di essere a tre vie.
Le scelte effettuate su DOSATEX POZZI sono state differenti sin dall'inizio. Privilegiare affidabilità e sicurezza significa anche questo: scegliere le valvole più sicure sul mercato, oltre che sicuramente quelle più affidabili.
Questa architettura permette di ottenere un numero di barriere decisamente superiore alla possibilità di inquinamento incrociato, crea cioè la quasi impossibilità per due prodotti di miscelarsi anche nel caso in cui una delle due valvole di prodotto presenti una perdita. Questa sicurezza aggiuntiva non è ovviamente presente nei gruppi di selezione prodotti costituiti da valvole a tre vie in quanto basta un piccolo trafilamento in una delle valvole a valle di quella selezionata per ottenere una miscela dei due prodotti collegati alle valvole interessate. Miscelazione che può essere pericolosa dal punto di vista tintoriale ma, soprattutto, molto pericolosa dal punto di vista della sicurezza: prodotti comunemente impiegati nella tintoria tessile, se miscelati in modo malaccorto, possono risultare esplosivi.

2.3 Sistema di controllo delle valvole
POZZI, come peraltro nessun concorrente, non ha inventato né utilizzato valvole che non possono rompersi. Ogni particolare meccanico, infatti, prima o poi subisce un naturale processo di degrado che lo porta inevitabilmente alla rottura.
In un sistema di dosaggio complesso possono essere presenti, distribuite su un territorio molto grande, centinaia di valvole. Il grande numero di elementi potenzialmente critici inevitabilmente porta ad un pesante carico manutentivo una volta che il periodo di vita media di una valvola tipo viene raggiunto.
Interventi di manutenzione di emergenza significano tempi morti per il sistema e, di conseguenza, costi operativi elevatissimi.
Infatti, tempo di modalità di apertura/chiusura di una valvola sono direttamente collegabili allo stato di salute della stessa.
Mantenendo controllata, ad ogni operazione di chiusura o di apertura, la modalità di funzionamento di una valvola si può, con buona approssimazione, derivare un giudizio preventivo sulla possibilità o meno che quella valvola presenti nel prossimo futuro un difetto irreparabile.
In altre parole, il software del sistema DOSATEX sarà in grado di segnalare automaticamente al cliente quali tra le valvole distribuite sul territorio presenteranno una necessità di manutenzione prima che questa diventi impellente.
Sostituire, infatti, riparazioni di emergenza (che implicano forzose fermate dell'impianto durante la produzione) con operazioni programmate di manutenzione preventiva significa raggiungere il tanto necessario stato di zero down-time, un vantaggio, questo, di enorme importanza in quanto non comprende solo i costi relativi alla manutenzione, ma anche il peso economico dovuto al calo di efficienza di tutti gli impianti collegati.
È chiaro che centinaia di questi sensori distribuiti sull'impianto comportano un aumento di costo rispetto alla concorrenza, ma il vantaggio che ne deriva è talmente importante da cancellarne lo svantaggio iniziale.

2.4 Sistema di pompaggio
La pompa adottata sui sistemi di dosaggio di tipo DOSATEX è una pompa di grandi caratteristiche: tecnologia volumetrica di pompaggio a lobi, tenute flussate, alta potenza: il meglio che si può trovare sul mercato.
La capacità di risposta di un sistema di dosaggio, cioè la sua velocità nel servire le varie macchine collegate, dipende in larga parte dalla capacità di trasferimento dei prodotti dell'acqua lungo i tubi di distribuzione.
La pompa a lobi del sistema DOSATEX, comandata da inverter, è collegata a un motore da 5,5 kW che dispone di tutta la potenza necessaria per spingere acqua e prodotti lungo i tubi con una portata nominale superiore ai 100 l/minuto.
La concorrenza, volendo risparmiare, utilizza pompe di potenza inferiore (intorno ai 3 kW): questo risulta certamente in un costo iniziale inferiore, che però viene pagato dal cliente durante tutta la vita dell'impianto con un allungamento dei tempi di risposta che  sua volta rallenta in maniera considerevole la produttività di tutto l'impianto di tintoria.

2.5 Architettura di acquisizione e distribuzione dei segnali
Centinaia di valvole distribuite su un'area geograficamente molto vasta possono portare a costi di interconnessione estremamente elevati: costi difficilmente valutabili al momento dell'acquisto di un sistema ma pesantemente notabili nel momento in cui il cliente si dispone a montare l'impianto.
Ogni valvola, infatti, deve essere collegata al sistema con i segnali elettrici che ne comandino l'apertura e la chiusura, oltre ai segnali indicanti la sua operatività (valvola aperta, valvola chiusa, tempo di apertura e chiusura): migliaia di connessioni, il più delle volte a lunga distanza che possono provocare problemi di affidabilità e sicuramente costi ingenti.
Il sistema DOSATEX, al contrario di molti concorrenti, si basa su un'architettura a rete TCP IP, del tutto identica alla rete di computer normalmente presente in ogni fabbrica. Un unico cavo di rete collega un punto centrale di rete con ognuno dei sottosistemi di controllo geograficamente distribuiti in prossimità delle valvole da controllare.
Il vantaggio è evidente: pochi fili da tirare, grande affidabilità di connessione, massima controllabilità, bassissimo costo di istallazione.
Questa architettura, tuttavia, presenta uno svantaggio, ovvero il costo, in quanto ognuno dei sottosistemi di controllo dovrà essere dotato di intelligenza propria: in pratica ogni stazione sarà comandata da un PLC.
Questo incremento di costo iniziale sarà tuttavia velocemente ammortizzato durante il montaggio con costi estremamente più bassi di stesura dei cavi.

2.6 Controllabilità remota del sistema
Un ulteriore enorme vantaggio dell'architettura a PLC distribuiti è rappresentato dal fatto che ognuno dei sottosistemi diventa facilmente raggiungibile attraverso una semplice connessione Internet applicata al computer centrale di controllo.
I tecnici Pozzi, in qualsiasi posto essi siano, possono interagire con le apparecchiature del cliente offrendo il massimo dell'assistenza possibile: la riconfigurazione remota di qualsiasi apparecchiatura collegata al sistema.
L'esperienza ci insegna che il 98,5% dei problemi che nascono in un sistema complesso di dosaggio può venire risolta in questa maniera, a bassissimo costo per il cliente perché non presuppone presenza di tecnici in loco.
Sono infatti previsti contratti di assistenza in tele-service che notevolmente abbassano il TCO (total cost of ownership) dell'impianto.

3.    CONCLUSIONI
L'offerta del mercato per quanto riguarda i sistemi di dosaggio è quanto mai variegata. I prezzi relativi a ciascuna delle apparecchiature offerte variano notevolmente a seconda della componentistica impiegata e dell'architettura di sistema adottata.
La scelta deve necessariamente essere fatta non solo in base al costo iniziale, ma tenendo presente i costi nascosti di possibile sviluppo futuro: sia quelli derivanti da un costoso svolgimento dell'operazione di montaggio (è importante ricordare che nell'offerta POZZI tutte le tubazioni necessarie al collegamento delle valvole sono incluse nel prezzo) sia quelle derivanti, per la futura vita dell'impianto, dalla scarsità di efficienza determinata dai frequenti down-time provocati da tecnologie non adeguate o dal risparmio iniziale sulla componentistica impiegata.