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Jul 14, 2023

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Le fabricant d'équipements d'empilage Forpak a conçu un test pour voir à quel point l'opérateur historique

Le fabricant d'équipements d'empilage Forpak a conçu un test pour voir comment les actionneurs pneumatiques en place se comparent à la nouvelle technologie d'asservissement mécatronique, en particulier sur une application d'empilage et de mise en file d'aliments surgelés. Ce sont les résultats.

Dave Brownson, directeur de l'ingénierie chez Forpak, a été le premier ingénieur embauché par l'OEM d'équipement d'empilage alimentaire lorsqu'il a ouvert ses portes il y a plus de 30 ans. Avec trois décennies à son actif en tant qu'ingénieur au sein de l'entreprise, Brownson se souvient de l'époque où la pneumatique était le seul jeu d'actionneurs en ville pour les applications de machines Forpak. Il rappelle également la première introduction du servo linéaire à la place de la technologie pneumatique en place il y a environ six ou sept ans.

"Je cherchais une solution IP69K pour un projet que nous avions, alors je suis allé voir mes fournisseurs et ils ont proposé LinMot [fournisseur de système d'entraînement linéaire]", dit-il. "J'ai été présenté à eux, et nous n'avons jamais regardé en arrière."

Plus récemment, Brownson s'est fixé pour objectif de construire un gerbeur entièrement électrique et pneumatique sans actionneur. Mais il s'agissait d'attendre que la bonne taille et la bonne forme de technologie de mouvement linéaire soient prêtes - rien n'existait sur le marché qui pouvait convenir à son application.

"J'avais continué à pousser Peter [Zafiro de LinMot] à fabriquer un moteur de plus en plus petit, et il m'a demandé : 'Combien en achèteriez-vous ?'", se souvient Brownson. "J'ai répondu: 'Eh bien, combien pouvez-vous en faire?' Parce que si je peux fabriquer un gerbeur tout électrique, cela augmenterait vraiment l'efficacité."

Brownson a finalement vu le prototype LinMot qui ferait le travail lors d'une récente PACK EXPO. Forpak développe aujourd'hui une machine 100% électrique sans technologie pneumatique. Le plan est d'exposer la nouvelle machine à PACK EXPO International, qui se tiendra du 23 au 26 octobre 2022 à Chicago.

Il convient de mentionner que la pneumatique ne va nulle part et qu'elle est fermement ancrée dans la trousse d'outils de contrôle et d'automatisation. Et certaines opérations nécessitent des pneumatiques pour des raisons de sécurité, dans des environnements explosifs par exemple, il n'est donc pas toujours possible de remplacer le pneumatique par l'électrique.

Pourtant, Brownson cherchait à produire un modèle entièrement électrique car, selon lui, les servomoteurs linéaires LinMot économisent de l'énergie et sont très efficaces pour son ensemble spécifique d'applications et sa clientèle. De plus, ils permettent un coût total de possession inférieur grâce à leurs pièces d'usure relativement peu nombreuses, ce qui réduit les temps d'arrêt, en particulier les temps d'arrêt imprévus. D'après son expérience, ces facteurs apportent des économies réelles à long terme qui sont attrayantes pour les clients CPG et propriétaires de marque de Forpak.

Mais jusqu'à présent, cela n'a été qu'une expérience anecdotique de Brownson - l'opinion d'un homme. Pour tester l'efficacité et les économies d'énergie, Zafiro a fait appel à Brownson, ainsi qu'à Joel Geisel et Adam Shank, tous deux de Hamilton Automation, un représentant du fabricant LinMot, et JB Korte de Van Meter Inc., un distributeur LinMot. L'OEM, le fournisseur d'automatisation et les distributeurs ont conçu ensemble un test de la machine de Forpak utilisant des actionneurs pneumatiques par rapport à des actionneurs entièrement électriques. L'idée était d'établir la consommation d'énergie réelle et de développer des données d'économies d'énergie réelles, et ce qui suit est ce qui est ressorti de ces tests.

Les empileurs Forpak occupent une niche dans les lignes d'emballage de produits de boulangerie et de protéines qui existe entre les congélateurs en amont et l'emballage en continu, l'ensachage ou l'emballage à la main en aval. Les produits typiques peuvent être des galettes de hamburger congelées, des gaufres ou des biscuits qui sortent du congélateur de manière aléatoire ou semi-organisée. Ce produit doit être orienté, aligné et empilé pour l'équipement d'emballage en aval. Le Forpak Stacker ci-dessus (numéro de modèle - GSS5-8) est un empileur vertical électrique typique avec des cylindres horizontaux pneumatiques utilisés pour empiler les produits. Le Stacker peut être fabriqué en trois à dix voies en fonction de la demande de production. Le modèle d'essai était une unité à quatre voies (numéro de modèle – GSS5-4). La photo montre également un convoyeur à emporter attaché pour un emballage manuel ou automatisé en aval.

"La plaque coulissante et les pièces de poussée de l'empilage étaient pneumatiques, et elles l'ont toujours été, jusqu'à tout récemment", explique Brownson. "Maintenant que LinMot a développé l'actionneur de la bonne taille, nous sommes en mesure de faire à la fois du pneumatique traditionnel et du tout électrique, et nous avons effectué ce test pour voir la différence."

Forpak a aidé en permettant à l'équipe d'accéder à une machine d'empilage typique en fonctionnement sur de nombreux sites d'utilisateurs finaux. L'empileur est une machine à quatre voies, avec huit actionneurs pneumatiques fonctionnant dans le sens horizontal.

Avec l'aide de Korte de Van Meter Inc. et d'un Rockwell Automation Power Monitor 5000, la consommation électrique réelle a été enregistrée. Le moniteur de puissance a tracé des points de données, y compris l'ampérage, le temps et les kWh à partir d'un compresseur d'air électrique indépendant à haut rendement de 7 cfm. L'équipe a fait fonctionner la machine pendant 30 minutes et échantillonné toutes les 10 msec. Cette configuration ne tient pas compte des pertes dans les conduites pneumatiques car l'air fourni aux cylindres était très court depuis le compresseur, aucun autre appareil ne fonctionnant sur la même alimentation en air.

L'équipe de test s'est heurtée à une limite pendant le test : le nombre de points de données pouvant être stockés dans l'API. En tant que telles, les données extraites concernaient 15 minutes d'exécution et la puissance moyenne était constante tout au long de l'étude. Faire fonctionner la machine pendant 45 minutes supplémentaires pour obtenir un décompte horaire a prouvé que les données n'auraient pas changé. Le compresseur ne s'est jamais éteint pendant les 60 minutes entières. Ainsi, l'équipe dit qu'elle est convaincue que les données extraites pendant les 60 minutes entières auraient été presque identiques aux données de test de 15 minutes, extrapolées pour le test de 60 minutes. La consommation électrique était constante à 5161 kWh tout au long du test.

Notes de test : les tests ont été terminés le 2 novembre 2021, dans l'usine de fabrication de Forpak. Il a été réalisé par Adam Shank de Hamilton Automation et JB Korte de Van Meter Inc., avec l'aide de Dave Brownson de Forpak. L'évaluation et l'analyse des résultats ont été réalisées par Joel Geisel de Hamilton Automation.

Le programme Lin Designer de LinMot montre cette application spécifique de poussoir horizontal et fournit une consommation d'énergie calculée pour les actionneurs LinMot et un vérin pneumatique équivalent. Les calculs de consommation d'énergie des cylindres pneumatiques de Lin Designer sont basés sur les calculs de consommation d'énergie des deux fabricants de cylindres pneumatiques les plus populaires. Il s'agit des taux de consommation d'énergie attendus directement de l'usine.

Pour ce cycle spécifique, le programme Lin Designer de LinMot estime la consommation électrique à 4575 kWh. Le test a utilisé la plus faible des deux valeurs pour calculer le coût opérationnel de l'énergie du vérin pneumatique, comme suit :

Les 4575 kWh multipliés par 0,20 $ par kWh à pleine charge (note de test : cette valeur est généralement beaucoup plus élevée, en particulier lorsque les centrales fonctionnent pendant les périodes de surcharge maximale pendant les heures de clarté pendant la majeure partie de l'année civile) donneraient un coût prévu de 915 $ par cylindre pour 8 000 heures de fonctionnement par an. Étant donné que cette machine utilise huit cylindres pneumatiques, le coût d'exploitation de cette machine spécifique serait de 7 320 $ pour 8 000 heures de fonctionnement par an.

La machine équivalente utilisant des actionneurs LinMot fournis avec un moteur linéaire donne le résultat de consommation d'énergie suivant :

Le même cycle a donné 243 kWh pour un moteur PS01-23x80F-HP-SSCP-R20 dans un cycle de 175 mm en 200 msec et -175 mm en 200 msec avec un temps de séjour de 600 msec. Les 243 kWh multipliés par 0,20 $ par kWh à pleine charge équivaudraient à 48,60 $ par actionneur LinMot. Les huit actionneurs coûteraient 388,80 $ pour fonctionner 8 000 heures de fonctionnement par an.

Les économies ici sont calculées à 7 320 $ (pneumatique) moins 388,80 $ (électrique), soit 6 931,20 $ par année civile. Si une usine fonctionne à une production inférieure, disons à un horaire de 6 000 heures par an, les économies seraient de 5 198,40 $ par année civile.

Zafiro, Geisel et Korte notent que ces valeurs n'incluent aucun coût de maintenance ou d'arrêt imprévu en cas de défaillance d'un vérin pneumatique.

"De tels échecs sont plus fréquents dans les applications de cyclage fréquent, comme celle de cette étude", note Brownson. « J'estimerais que le remplacement d'un vérin pneumatique prend généralement entre 30 et 90 minutes, le temps d'arrêt typique d'une usine étant évalué entre 15 000 et 20 000 $ de l'heure. Même s'il n'est pas pris en compte dans ce test, le temps d'arrêt est énorme. »

"Il y a très peu de pièces mécaniques avec ce type d'actionneur, donc vous limitez essentiellement la quantité d'usure qui pourrait se produire", ajoute Geisel. "Et en limitant la quantité d'usure, il nécessite moins d'entretien que ce qu'exigerait un vérin pneumatique. Vous n'avez pas de joints qui se décomposent. Vous ne perdez pas d'air et vous n'avez pas à remplacer plus souvent des composants moins chers. Il y a juste très peu d'usure ou de temps d'arrêt nécessaires."

L'étude de test a révélé que, au moins pour cette application spécifique, faire fonctionner huit vérins pneumatiques coûte beaucoup plus cher que huit moteurs linéaires. Selon les données* des deux plus grands fabricants de cylindres pneumatiques au monde, les économies d'émissions de carbone seraient de plus de 4 600 livres. par cylindre, ou plus de 36 000 livres. d'économies d'émissions de CO2 pour cette machine spécifique avec le fonctionnement de 8 000 heures par an.

En ajoutant cela aux plus de 6 900 $ d'économies d'électricité, Brownson a été impressionné. Il note que ce test a été réalisé sur un gerbeur Forpack à quatre voies. Un gerbeur Forpak typique utilise entre six et 10 voies, ce qui signifie que pour ces machines, les économies seront plus importantes si elles sont extrapolées sur un plus grand nombre de voies.

"Je m'attendais à des économies, mais je ne m'attendais pas à ce montant d'économies", a-t-il déclaré. "Cela m'aidera vraiment à présenter la nouvelle machine à l'avenir, jusqu'à PACK EXPO International, et pour les ventes à l'avenir également. Cela montre que le coût de possession à l'avant va être un peu plus élevé, mais dans l'ensemble, au cours de la durée de vie de la machine, ce sera moins." TP