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Dosificación y pesaje con PLC: precisión, tolerancias y seguridad del proceso

1. Qué se controla: dosis por peso, por volumen o por tiempo

Toda dosificación cierra un lazo sobre una variable y arrastra las otras como error. Antes de elegir hardware conviene saber cuál de las tres se está midiendo de verdad, porque el sensor, la lógica del PLC y el costo del sistema cambian por completo.

• Por peso: el lazo cierra sobre las celdas de carga. Es la única forma de que 25 kg de producto sean 25 kg reales aunque cambien la densidad aparente, la humedad o el tamaño de partícula.
• Por volumen: se mide con caudalímetro, vueltas de tornillo, bomba de desplazamiento positivo o nivel en el recipiente. Cuesta menos y es rápido, pero cualquier variación de densidad se convierte en error de peso.
• Por tiempo: se abre la válvula un tiempo fijo calculado con un caudal promedio. Es aceptable en servicios auxiliares y premezclas de baja exigencia, nunca en una fórmula que se vende por gramos.

En la práctica los sistemas serios combinan los tres: la descarga gruesa corre por tiempo o a caudal alto, la descarga fina cierra por peso y el PLC corrige el punto de corte con lo aprendido en las dosis anteriores. En alimentos, aditivos y químicos la tolerancia se expresa como porcentaje del setpoint o como múltiplo del intervalo de verificación de la báscula; en ambos casos es una magnitud que se mide, no que se supone.

2. Básculas y celdas de carga: integración y filtrado de señal

La celda de carga es un puente de galgas extensométricas que entrega una señal muy pequeña, del orden de 1 a 4 mV/V a plena carga, y de ahí la importancia del camino entre el sensor y el convertidor. El módulo de pesaje hace la conversión analógica a digital, la linealización, el tara y el filtrado; el PLC aporta la secuencia, la receta y el diagnóstico. Esa división es la que permite que la báscula sea independiente del tiempo de ciclo del controlador y mantenga su repetibilidad cuando el programa crece.

En la familia SIMATIC los módulos de pesaje cubren las tres tareas típicas: instrumento no automático, báscula de banda y llenado gravimétrico. Este último es el de dosificación discontinua: recibe del PLC el setpoint y los parámetros del material, controla el flujo grueso y fino desde sus propias salidas digitales, corrige por sí mismo los puntos de corte y guarda cada dosis en su memoria interna. Sus hojas de datos declaran velocidades de medición de 100 y 120 Hz en los modelos compactos y hasta 1 kHz en los de alto desempeño, con resolución de hasta ±4 millones de partes.

Cuatro decisiones que definen la precisión

• Montaje mecánico: la tolva debe ser soportada únicamente por las celdas, con topes antivuelco que no trasladen carga, y las tuberías flexibles no deben puentear el peso.
• Capacidad y número de celdas: se elige la capacidad por carga real más las sobrecargas esperadas, y las señales se suman en una caja de unión para que esa suma sea lo que ve el módulo.
• Cableado: cable apantallado con la malla aterrizada en un solo extremo, separado de fuerza y de variadores, con la compensación de línea que ofrezca el módulo en tramos largos.
• Filtrado: un paso bajo o un promedio móvil elimina el ruido del llenado, pero agrega retardo; el filtro correcto es el más lento que todavía permita cortar a tiempo.

3. Tolerancias, estabilización y control de la descarga

El error de dosificación por peso casi nunca es simétrico: el material ya está en el aire cuando llega la orden de cierre, así que el sistema tiende a sobrellenar. Ese material en vuelo, sumado al retardo de la válvula o del tornillo, es la causa principal del sobrepeso y no se corrige con un PID, porque el proceso es irreversible: cerrar el paso no devuelve el producto a la tolva.

La solución estándar es dosificar en dos etapas con corte anticipado. La descarga gruesa lleva el peso al 80 o 90 por ciento del setpoint; entonces entra la descarga fina y el corte se dispara antes del objetivo en una cantidad aprendida, el preact. El PLC ajusta ese valor con un promedio ponderado del sobrepeso de las últimas dosis, de modo que el sistema converge en pocos ciclos y sigue la deriva por humedad, granulometría o temperatura ambiente.

• Inicio de fina: en porcentaje del setpoint, no en un peso fijo, para que la misma receta sirva en dosis grandes y chicas.
• Ventana de estabilidad: el corte se confirma solo si la variación de peso se mantiene por debajo de un umbral durante un tiempo definido; así el rebote del material no se confunde con peso final.
• Tiempo máximo de pesaje: si la dosis no alcanza el setpoint en el tiempo previsto, el PLC la marca como falla en lugar de esperar indefinidamente.
• Reintentos controlados: un pulso de fina adicional solo si el peso quedó por debajo del límite inferior, con un número máximo de intentos.

4. Seguridad del proceso: sobrellenado, atoros y paro seguro

Una dosificación descontrolada puede vaciar un silo dentro de un mezclador, contaminar un lote completo o derramar producto en el piso. Las defensas de proceso son distintas de las de seguridad de personas y se programan por separado, pero conviven en el mismo ciclo.

• Límite de sobrellenado independiente: un contacto de nivel alto o un umbral de peso con enclavamiento corta la alimentación sin pasar por la secuencia normal.
• Detección de atoro: si el peso no sube durante un tiempo determinado con la descarga activa, el PLC detiene la alimentación, señaliza el atoro y pide intervención.
• Válvulas de falla cerrada: la pérdida de aire o de señal eléctrica debe dejar el paso cerrado; la lógica se diseña con la falla como estado seguro.
• Watchdog de comunicación: si el módulo de pesaje o el variador deja de responder, la secuencia pasa a paro, nunca a valor cero.
• Guardas y permisos: la descarga se habilita solo con la compuerta de inspección cerrada y el mezclador en condición segura.

Checklist rápido antes de liberar una báscula de dosificación a producción:

• Existe un límite de sobrellenado que no depende de la secuencia normal ni del HMI.
• La fila de alarmas cubre atoro, tiempo máximo de pesaje y fuera de tolerancia.
• El HMI muestra peso actual, setpoint, preact vigente y estado de la descarga.
• Las dosis rechazadas quedan registradas con su causa, no se descartan en silencio.
• El sistema se comporta de forma segura al abrir el tablero, perder aire o caer la comunicación.

5. Recetas y dosificación por producto

Cada material tiene su personalidad: un polvo fino fluidifica y se derrama, un granulado rueda y golpea, una pasta se adhiere a la tolva y un líquido viscoso cierra lento. Por eso la receta no puede guardar solo el setpoint: debe incluir la velocidad de descarga, el punto de inicio de fina, el preact inicial, el tiempo máximo y la tolerancia aceptable.

La forma ordenada es un bloque de datos por receta, con una estructura única para todos los productos, y un FB de dosificación instanciado por cada báscula. El operador selecciona producto y lote, el PLC precarga parámetros, verifica que la báscula esté vacía y en cero, y entrega el testigo de dosis lista al mezclador. Duplicar lógica por producto es el camino más corto a que una receta se quede sin actualizar; la estructura de bloques reutilizables que se describe en la programación de PLC es justamente lo que evita ese problema.

6. Calibración y verificación periódica

La calibración se hace con masas patrón trazables en varios puntos del rango y el certificado se archiva. La calibración rápida con un peso conocido o con la capacidad nominal de la celda ahorra tiempo en la puesta en marcha, pero su exactitud depende del montaje mecánico y debe confirmarse después con pesas reales.

Después de calibrar, la verificación es lo que mantiene el sistema confiable: excentricidad para confirmar que el peso se lee igual en el centro y en las orillas, repetibilidad con la misma carga, revisión del cero al inicio de turno y comparación de la dosis real contra el registro en cada lote. Un error de 2 por ciento que crece durante tres meses sin que nadie lo revise se convierte en desperdicio facturado, y si el equipo se usa en transacciones con terceros hay que cumplir los requisitos del instrumento legalmente verificable. Para estimar tiempos de dosis, capacidades y potencias de accionamiento con los datos de tu línea, apóyate en la calculadora de ingeniería antes de comprar hardware.

7. Registro y trazabilidad de cada lote

Un lote sin registro es un lote que hay que repetir cuando el cliente reclama. La trazabilidad mínima de una dosis incluye fecha y hora, turno, operador, producto, número de lote, setpoint, peso final, preact aplicado, tiempo de dosis, resultado de la verificación de tolerancia y causa de cualquier rechazo.

Los módulos de pesaje para dosificación mantienen su propio registro interno, con cientos de miles de entradas en algunos modelos, accesible desde el PLC y también vía Modbus RTU o Modbus TCP. La estrategia recomendada es doble: el módulo conserva el respaldo crudo de cada dosis y el PLC escribe en paralelo un registro de lote que el HMI muestra y el sistema de gestión recoge. Cuando el rechazo es automático, el registro debe decir por qué se rechazó y qué hizo el operador después.

8. Tabla de precisión esperada por tipo de dosificación

Esta tabla resume el comportamiento típico de cada arreglo. Los valores son referencias de diseño, no garantías: el resultado real depende del montaje, de la mecánica de descarga y del material.

9. Caso práctico: dosificación de aditivos en polvo y la caída del sobrellenado

Preguntas frecuentes

¿Se puede dosificar con precisión sin un módulo de pesaje dedicado?

Sí, siempre que la entrada analógica sea de alta resolución y esté filtrada, pero es más frágil: el tiempo de ciclo del PLC pasa a ser parte del error, la calibración y el tara se programan a mano y el diagnóstico del puente se pierde. Un módulo dedicado cuesta menos que una semana de rechazos.

¿Qué es el preact y por qué cambia entre productos?

Es el peso que se anticipa al corte para compensar el material que ya está en el aire o en el tornillo cuando llega la orden de paro. Cambia porque depende del caudal, de la densidad aparente y del retardo del accionamiento; por eso se aprende con las últimas dosis en lugar de fijarse una vez.

¿Por qué no se usa un PID para la dosis por peso?

Porque el proceso es irreversible y de una sola dirección: cerrar la válvula no reduce el peso de la tolva. El PID corrige procesos que responden en ambos sentidos; aquí lo que se necesita es una secuencia de etapas con corte anticipado y verificación de estabilidad.

¿Cada cuánto hay que calibrar y verificar la báscula?

La calibración con masas patrón se hace en la puesta en marcha, después de intervenciones mecánicas y con la periodicidad que exija el sistema de calidad. La verificación es más frecuente: cero y prueba con un peso conocido al inicio de turno, repetibilidad y excentricidad en el mantenimiento preventivo, y revisión del sobrepeso promedio en cada lote.

¿Qué se registra para poder rastrear un lote?

Fecha, turno, operador, producto y lote, setpoint, peso final, preact aplicado, tiempo de dosis, resultado de la verificación de tolerancia y causa del rechazo. Con eso se puede reconstruir cualquier reclamo de cliente sin volver a mezclar el producto.