Shreddersort: Control de una planta de separación de metales mediante espectroscopía LIBS y electromagnética para la industria del reciclaje

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"Gracias a la FPGA de NI se ha conseguido gran velocidad y determinismo para la comunicación, adquisición y sincronización, pudiendo procesar 5 toneladas/h con errores menores al 5%."

- David Romero, Lenz-Instruments S.L, Físico e ingeniero electrónico

The Challenge:
Sobre una cinta transportadora a 2m/s, se pretende desarrollar un sistema que controle una línea de separación de residuos metálicos por detección y soplado, y que sincronice: (1) la detección por sensores inductivos de la posición de cada fragmento, (2) el disparo de un láser pulsado; (2) la adquisición del espectro de emisión óptica del plasma generado por los pulsos; y (3) la activación de las válvulas de soplado.

The Solution:
Se utiliza una tarjeta NI PXI-7853R, chasis PXIe-1073 y LabVIEW para trabajar a tiempo real, adquirir la señal de los inductivos, ejecutar algoritmos a tiempo real que permiten posicionar los espejos de disparo del láser sobre el centro de la pieza en tiempos menores a 20ms, procesar espectros a alta velocidad, multiplexar 6 láseres y sincronizar detección, disparo y soplado con el encóder de la cinta.

Author(s):
David Romero - Lenz-Instruments S.L, Físico e ingeniero electrónico
Jose Juan Hidalgo - Lenz Instruments S.L.
Jacobo Alvarez - Lenz Instruments S.L.

La industria de la automoción genera unas 10 toneladas de residuos anuales en la unión europea. El 75% de estos residuos es reciclado o recuperado pero se queda muy alejado del 95% que exige la unión europea desde el 2015 (2000/53/EC). Shreddersort ha sido diseñado y fabricado para contribuir a este propósito con el fin de detectar y separar diferentes tipos de metales provenientes de la industria de la automoción. Mediante espectroscopia de emisión atómica (LIBS) es posible la identificación de la composición química de los materiales, detectando en nuestro caso, diferentes tipos de aleaciones no férricas, principalmente de Al, Cu y Mg, cuya recuperación es importante por razones medioambientales y económicas. La futura instalación de plantas como Shreddersort en industrias de reciclaje contribuirá a la revalorización de los residuos metálicos a partir de la recuperación de metales puros, evitando la necesidad de refinado por procesos metalúrgicos. Esta tecnología reducirá las emisiones de gases contaminantes y GHG, y el uso intensivo de metales de extracción primaria.


Lenz Instruments ha desarrollado una plataforma para la industria del reciclaje capaz de identificar la posición de las piezas de metal en una cinta transportadora mediante una matriz de sensores inductivos, calcular el centro de masas (CM) de la pieza para que, mediante un motor paso a paso, un espejo se posicione en el ángulo correcto y dispare el láser en el CM de la pieza. Así, la emisión atómica generada por el pulso es recogida por fibras ópticas que guían la luz a un espectrómetro capaz de adquirir un espectro en solo 32us. Los algoritmos implementados identifican el metal y activan una matriz de válvulas sopladoras que separan el material en 3 categorías.


El módulo de sensores inductivos y el de las válvulas de soplado comunican vía Ethernet y la comunicación con la PXI-7853R se realiza mediante una conversión Ethernet-SPI. De tal manera, los espectros adquiridos por el espectrómetro son leídos por la FPGA mediante entradas analógicas, mientras que el encóder de la cinta es leído por una entrada digital. El espejo del motor paso a paso se controla por la PXI enviándole un tren de pulsos digitales para su movimiento donde se especifica dirección, velocidad y número de pasos.


Módulo de sensores inductivos – Detección de pieza


Consta de 40 sensores dispuestos a lo largo de 1 metro de ancho de la cinta. La PXI-7853R ha sido estrictamente necesaria gracias a su gran determinismo para el cálculo del centro de masas de la pieza mientras pasa por los inductivos. Gracias a su potencia de cálculo, la FPGA es capaz de procesar matrices de estos 40 canales/ms e implementar algoritmos de gran complejidad en tiempo real mediante LabVIEW, permitiendon una determinación precisa de la posición de la pieza, su área y el centro de masas.


Módulo de láser – Disparo y colección de luz


Consta de 6 lásers acoplados a un sistema de emisión-colección de luz (patentado por Lenz-Instruments, nº: 16382678.7 – 1554). Cada láser cubre una sexta parte del ancho total de la cinta (1 metro).


Aquí la tarjeta PXI desarrolla varias funciones en paralelo, ya que recibe los pulsos de encóder (que determinaremos para sincronizar el CM de la pieza con el disparo del láser), y controla el motor paso a paso del módulo láser para que un espejo se posicione en menos de 20ms para alinear el haz láser con la posición de la partícula.


El número de inductivo indica al algoritmo implementado qué láser tiene que disparar. La velocidad del motor, aceleración y deceleración es controlada por la frecuencia de los pulsos generados. Cuando el número de pulsos de encóder coincide con el programado, el láser dispara induciendo un plasma en el material , cuya emisión óptica es colectada por un  módulo óptico, que la focaliza en una fibra óptica


Espectrómetro – Toma de decisión


Las 6 fibras de los láseres son recogidas por un ‘bunch’ de fibras ya acopladas al espectrómetro, ambos diseñados y fabricados por Lenz Instruments. El algoritmo implementado identifica el material por su espectro y envía la decisión a las válvulas. Gracias a la velocidad de procesado de la FPGA se puede llegar a analizar un gran número de espectros.


Módulo de válvulas – Separación


Dos módulos de 40 válvulas dispuestos linealmente a lo ancho de la cinta, que sumado al no-soplado, separan en 3 categorías. El algoritmo implementado en LabVIEW es el responsable de activar o no una o más válvulas y su tiempo de soplado, dependiendo de la detección previa en el módulo de inducción conociendo el CM de la pieza y su área. La FPGA recibirá los pulsos de encóder que según lo programado activará la válvula en el momento preciso.


Esquemático de la planta de reciclado con sus diferentes sensores/actuadores

 


PC industrial con NI PCe-8361 y LabVIEW. Chasis NI PXIe-1073 con módulo FPGA PXI-7853R. Interfaz y bloque NI SCB-68A para control y adquisición del espectrómetro, módulos láser y encóder

 


Planta de separación de metales mediante inducción y espectroscopia LIBS

 


Interfaz de usuario en LabVIEW mostrando picos de emisión atómica UV relacionados con metales a detectar

Author Information:
David Romero
Lenz-Instruments S.L, Físico e ingeniero electrónico
C/Veneçuela, 31
Barcelona 08019
Spain
Tel: 93 176 51 32
info@lenz-instruments.com

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