Articulo Automata Horno
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DISEÑO Y FABRI CACIÓN DE UN HORNO TIPO BATCH PARA LA AUTOMATIZACIÓN DELPROCESO DE CURADO DE LA PINTURA EN POLVO PARA LA EMPRESA STAND
ILUMINAR Marín Díaz Julio Mario (autor), Jiménez Fernando (asesor), Duque Mauricio (coasesor)
Resumen – El presente artículo se refiere al diseño de un
horno tipo batch para la mejora del proceso de curado depintura en polvo en Stand Iluminar, empresa dedicada a laproducción y comercialización de materiales parailuminación y que en la actualidad, presenta falencias endicho proceso, las cuales influyen en el acabado de laspiezas. Se realizó en primera instancia, la determinación delas dimensiones, tanto del horno, como de los carros decarga, después se hizo necesario el cálculo de todas laspérdidas de calor y del balance de energía, con el fin dedeterminar la capacidad del quemador. Se especificó lafuente generadora de energía y la forma de calentamientode la carga. Finalmente se diseñó el control para el hornodonde se especificaron los sistemas necesarios para la
automatización, la lógica del control y el manual defuncionamiento del equipo.
I. INTRODUCCIONLa empresa Stand Iluminar en la actualidad, cuenta con unsistema para el curado de la pintura electrostática en polvo,el cual se compone de dos hornos que no tienen ningún tipode control. Esto está afectando directamente la calidad delproducto final, al no seguir los parámetros especificados enlas fichas técnicas de la pintura, en donde se sugiere queuna vez se alcance la temperatura de curado, es necesariomantenerla, durante un tiempo, siguiendo la curva depolimerización.
El proyecto, tiene por objetivo, el diseño de un horno tipo
convectivo para el curado de la pintura electrostática en
polvo, el cual garantizará un buen acabado y aspecto de las
piezas, cumpliendo con los parámetros establecidos por los
fabricantes de pintura, para el mejoramiento de este proceso
clave, dentro de la empresa.
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAStand Iluminar Ltda. es una empresa dedicada a la
distribución de materiales eléctricos e iluminación, y la
fabricación de muebles metálicos para iluminación. Hace
18 meses, la empresa decidió cambiar la tecnología para losprocesos de acabados de los muebles metálicos que fabrica
(sección de pintura), pasó de la aplicación de pintura liquida
a la aplicación de pintura en polvo, lo que implicó la
adquisición de nuevos equipos.
Para dar el acabado final de este tipo de pintura es
necesario el curado (polimerización de la resina) de la
pintura, para lo cual se requiere un horno que pueda
cumplir con las características necesarias para el proceso (o
rangos de operación del proceso), definiendo estas como la
temperatura de curado y el tiempo de curado.
En la actualidad la empresa cuenta con dos hornos que
fueron diseñados y fabricados por los propietarios en sus
instalaciones, pero cabe aclarar que el objetivo de estos
hornos en su momento, era el curado de la pintura líquida
En estos momentos los hornos son usados para el proceso
de curado de pintura en polvo, pero no cumplen con los
rangos de operación del proceso. Otro de los problemas que
se han identificado es que los hornos que se están usando
son una limitante para lograr que la capacidad del área de
pintura sea equilibrada con la producción del área de
metalmecánica; esto es, por los largos tiempos que los
hornos requieren para el curado de la pintura; otro de los
problemas es la falta de algún sistema de control para elproceso.
Por esto se puede identificar claramente que uno de los
problemas en los procesos de acabado son los hornos que se
están usando. Por esta razón se debe buscar un horno que
cumpla con las condiciones necesarias para el curado de la
pintura y que reduzca considerablemente el tiempo de
horneado.
III. ANTECEDENTESPara llevar a cabo el curado de la pintura en polvo se
utilizan comúnmente hornos tipo convectivo. Aunquesegún información suministrada por algunos proveedores de
pintura en polvo, el mayor porcentaje de plantas que llevan
a cabo este proceso, cuentan con hornos bastante rústicos,
en donde utilizan una especie de flautas colocadas en la
parte inferior del horno o piso y no cuentan con sistemas de
recirculación de aire. En estos hornos no se ejerce ningún
tipo de control, e incluso no siguen los parámetros dados en
las fichas técnicas respecto a tiempo y temperatura de
curado.
El otro porcentaje esta compuesto por plantas que cuentan
con hornos de convección, en donde para calentar laspiezas, se utiliza un quemador ubicado dentro de una
cámara de combustión, el cual es el encargado de calentar el
aire que se va a distribuir por toda el área del horno. En
este tipo de hornos el control que se ejerce es un control
tipo ON-OFF, el cual no garantiza que una vez finalizado el
tiempo de curado, el horno se apague sino que esta
operación se realiza de forma manual.
También existen los hornos en continuo, utilizados por un
porcentaje muy bajo de plantas, debido a que demandan una
producción muy alta y su inversión inicial también es
elevada. Para el sistema de calentamiento, estos hornos
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2 cuentan con un segmento compuesto por infrarrojos, que
hacen que la pintura funda de una manera muy rápida y otro
segmento con recirculación, en donde la pintura termina su
ciclo de curado.
IV. MARCO TEORICO EN EL DISENODE CONTROLES AUTOMATIZADOS
Definición de control El concepto de control es bastante amplio, pero se podría
definir como la manipulación indirecta de las magnitudes
de un sistema denominado planta, a través de otro sistema
llamado sistema de control. Este último es el encargado de
interpretar los requerimientos del operador a través de las
entradas que este genera, las cuales son llamadas
magnitudes de consigna; y se encarga de gobernar las
salidas a través de los accionamientos1.
Lo habitual sin embargo es que el sistema de control se
encargue de la toma de ciertas decisiones ante determinado
comportamiento de la planta. Para determinar el
comportamiento de la planta es necesaria la existencia de
unos sensores que detecten el comportamiento de esta y de
una interface para adaptar las señales de los sensores a las
entradas de los sistemas de control. El siguiente esquemamuestra lo antes dicho.
Pasos para desarrollar un sistema automático de
control.A continuación se muestra un diagrama con los principales
pasos a seguir en el desarrollo del proyecto de un sistema
automático de control.
1 Autómatas Programables, Josep Balcells Cap. 1.
Componentes y modelos:Usualmente en los automatismos se encuentran una
diversidad de componentes o subsistemas que combinan
múltiples tecnologías tales como de tipo mecánico,
hidráulico, neumático, eléctrico o fisicoquímico. Esto hacenecesario un lenguaje común para la coordinación e
integración optima de todas estas, en el sistema. Para los
diferentes componentes y subsistemas se tiene en común
que tienen un comportamiento de tipo digital (señales todo
a nada) y analógicos (señales continuas). Los componentes
o subsistemas digitales pueden representarse con el modelo
común del algebra de Boole que sería el modelo que
permite tratarlos bajo un mismo punto de vista,
independiente de la tecnología. Los componentes y
subsistemas analógicos pueden tratarse mediante funciones
algebraicas continuas que relacionan las magnitudes de
salida con las de entrada y las herramientas matemáticas
para el tratamiento de estos sistemas son básicamente, la
Transformada de Laplace para sistemas analógicos
continuos, y la Transformada en Z, para sistemas digitales
muestreados, la tabla muestra la división de los sistemas
según el tipo de variable:
La clave de un método de diseño sistemático, que permita
un tratamiento global del sistema, está en interesarse por los
posibles estados de cada componente o bloque, más que por
su naturaleza física, permitiendo tratar a cada componente o
subsistema como una caja negra a la cual se asocia una
función de transferencia que relaciona las magnitudes de
salida de interés con las magnitudes de entrada y por lo
tanto, permite predecir su comportamiento, una vez
conocido su estado inicial y las señales de entrada
aplicadas.
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3 Usualmente el resultado de desarrollar un diseño
sistemático es llegar a establecer un modelo de tipo
matemático y unas reglas de operación que no permiten
ambigüedades. La forma de hacer un tratamiento genérico
se basa en los siguientes principios:
1. Dividir el sistema en bloques, luego dividir en
bloques más elementales, hasta llegar al nivel de
componentes.
2. De cada bloque nos interesan solo las magnitudes
de entradas y salidas.
3. Cada magnitud de entrada o salida se representara
por una variable.
4. Hallar, para cada bloque, la función que relaciona
las variables de entrada y salida, denominada
función de transferencia.
5. Para todos los efectos, dos bloques que esténdefinidos por la misma función de transferencia se
consideraran idénticos, independiente de los
componentes o tecnología que los formen.
Redes de PetriLas redes de petri sirven para representar y modelar
sistemas en los que ocurren condiciones y eventos.
Mediante estas es posible el modelado de sistemas
automatizados. Una red de petri es un grafo orientado
formado por elementos denominados lugares, transiciones y
arcos. Cada uno de estos elementos, representan conceptos
diferentes.
Los lugares se representan mediante círculos y en una
primera definición, sin excesivo rigor, representan esa fase
estable por la que atraviesa el sistema entre dos sucesos
consecutivos que acontecen en el sistema. Las transiciones
se representan por segmentos de recta, los cuales llevan
asociados los eventos, cuya activación debe provocar el
disparo de la transición y por ende el marcado de uno o más
lugares siguientes. Los arcos son segmentos orientado que
unen lugares y transiciones de forma alternativa, cada arco
lleva asociada una función de peso W, que deberá ser un
entero positivo (0, 1, 2…)2.
De una manera formal, una red de petri es una cuádrupla (P,
T, A, w), donde:
P: Es un conjunto finito de lugares.
T: Es un conjunto finito de transiciones.
A: Es un conjunto de arcos.
W: Es una función de peso, w: A (1, 2, 3,…).
Guía GEMMA
2 Automatización de Procesos Industriales, Emilio Garcia Moreno, Cap. 6.4.1
La utilización de GEMMA promueve la sistematización en
el diseño de los sistemas automatizados de producción,
considerando los distintos macroestados por los que
eventualmente puede desembocar el funcionamiento del
mismo desde un nivel de abstracción superior. El GEMMA
se representa mediante una tabla que agrupa a una serie de
rectángulos denominados rectángulos de estados, que se
unen entre ellos por medio de líneas a trazos. Los
rectángulos de estados se clasifican en tres grandes grupos
F, A y D, cuyo objeto es permitir la descripción de cada
modo de marcha de parada deseada en la necesaria
diversidad existente en el funcionamiento de los sistemas de
producción automatizados.
En el grupo F (modo funcionamiento), se ubican todos los
estados que son necesarios para la producción.
En el grupo A (modo paro o parada), aparecerán los
procedimientos de paradas que permitirán, cuando así sea
necesario, la parada del sistema automatizado por razones
exteriores al sistema.
El grupo D (modo interrupción) comprende los modos de
intervención, manuales o lógicos, que permitan remediar un
estado de parada debido a razones internas del sistema,
dicho de otra forma, para remediar fallos de la parte
operativa3.
V. METODOLOGÍAPara la realización de este proyecto se tendrán en cuenta
los siguientes pasos, los cuales se desarrollaran según los
requerimientos del mismo:
• Determinación de las características del horno.
• Descripción general de funcionamiento del
autómata de control.
• Diseño de los sistemas operativos del horno.
3 Automatización de Procesos Industriales, Emilio Garcia M oreno, Cap. 10.
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4 • Diseño y validación del autómata de control del
horno.
• Diseño del lazo de control de temperatura.
Determinación de las características del hornoAntes de empezar con el diseño del autómata de control, es
necesario definir las características que debe cumplir el
horno para que se suplan las necesidades específicas del
proceso de curado de la empresa. Para ello fue necesario
realizar los cálculos pertinentes, para cada una de las
características que deben ser definidas. Se dimensionó la
cámara de curado, teniendo presente las piezas que se
procesan en la empresa. Se diseño el sistema de carga y
descarga para las piezas que se van a procesar. Se estableció
el balance de energía para determinar la capacidad del
quemador, se seleccionó la fuente generadora de calor y secalculó el aislamiento más adecuado para esta aplicación.
Teniendo en cuenta lo anterior, se presentara una tabla
resumen con las características del horno:
CARACTERÍSTICAS HORNO
Dimensiones del hornoLargo = 280 cm
Ancho = 160 cm
Alto = 190 cm
Dimensiones del carro de cargaLargo = 260 cm
Ancho = 140 cm
Alto = 170 cm
Fuente Generadora de energía Gas Natural
Forma de Calentamiento de la carga Convección
Aislamiento seleccionado Lana Mineral de Roca de 3,5 pulgadas
Quemador seleccionado
Quemador a gas tipo paquete, marca
Joannes, de origen italiano, modelo
Joannes JM 9, con una potencia de
127000 a 315000 Btu/h.
DISENO DE LA AUTOMATIZACION DEL HORNO
Descripción GeneralEl horno contará con dos carros y cada lote que procese,
estará determinado por las piezas pintadas que se carguen
en uno de estos. En el arranque del equipo, las puertas
estarán cerradas y los carros estarán, uno en el punto A
(afuera de la cámara de curado) y el otro en el punto C
(dentro de la cámara de curado), o uno en el punto B y el
otro en el punto C.
Ubicación de los carros de carga
Cuando se dé la orden de iniciar la operación, el control
deberá seguir las siguientes tareas:
Abrir puertas (AP). Mantener puertas en posición (MP).
Posicionar carros hacia el punto B (PCB). Cerrar puertas (CP). Mantener puertas en posición (MP). Realizar el ciclo de curado del lote (CCL). Abrir puertas (AP). Mantener puertas en posición (MP). Posicionar carros hacia el punto A (PCA). Cerrar puertas (CP). Mantener puertas en posición (MP).
Teniendo en cuenta que dentro de las tareas anteriores, hay
algunas que se repiten, se establecen las siguientes tareas
generales:
Abrir puertas (AP).
Mantener puertas en posición (MP).
Cerrar puertas (CP).
Posicionar carros hacia el punto B (PCB).
Posicionar carros hacia el punto A (PCB).
Realizar el ciclo de curado del lote (CCL).
Sistemas de funcionamiento para el hornoDe acuerdo al funcionamiento general del horno, se puedenidentificar los sistemas mecánicos que van a sercoordinados por el control, los cuales son:
1. Sistema que va a manejar el posicionamiento de
los carros (Sistema de arrastre).2. Sistema que va a manejar las puertas (Sistema de
puertas).3. Sistema que va a manejar el ciclo de curado del
lote (Sistema del ciclo de curado).4. Sistema para la zona de desplazamiento de los
carros (Sistema de aseguramiento).
Descripción del funcionamiento general del autómata decontrolPara abordar el diseño de la estrategia de control, se utilizó
como referencia la guía GEMMA, ya que esta nos ayuda a
contemplar los posibles estados en que puede estar la
maquina. La guía aparte de considerar el funcionamientonormal automático del equipo, tiene presente otros estados,
tales como situaciones de fallo, estado de emergencia,
procesos de rearme, entre otros. Los estados que se
desarrollaran para nuestro autómata serán:
1. Parada en el estado inicial2. Parada pedida a final de ciclo3. Puesta del sistema en el estado inicial4. Producción normal5. Marcha de preparación6. Parada de emergencia7. Diagnostico y/o tratamiento de los defectos
8.
Producción a pesar de los defectos
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5
Para describir el desarrollo del autómata, se mostrara la red
de petri de primer nivel y se explicara la interacción entrelos diferentes estados que se dan en esta. Aparte de la red de
1er nivel será necesario desarrollar redes de 2do nivel que
mostraran las subrutinas que se desarrollan en estados que
realizaran tareas específicas; tales como, el posicionamiento
que deben realizar los carros antes de entrar en producción
normal. Para estas redes será necesario realizar una
validación que nos garantice que las redes tienen las
características necesarias para darle robustez al autómata de
control.
A continuación se muestra la Red de Petri general del
funcionamiento del control del equipo.
El equipo contara con un interruptor principal que
suministrara la energía al control. Una vez este se ponga en
la posición de prendido, los dispositivos del control se
energizaran (sensores), al igual que el tablero de control
(PLC). Lo primero que se revisa es el estado del interruptor
del control, el cual estará representado por el estado
“selector control” (StrCtr). Este tiene dos posiciones:
prendido y apagado. El evento apagado, representa el hecho
de que mientras el selector este en esa posición, el control,
permanecerá en el estado de “selector control”, sin ninguna
acción sobre el equipo, pero con el control energizado. Si el
selector pasa a la posición de prendido, el control pasara al
estado de “control prendido”. Para que la maquina entre en
operación será necesario pulsar el “botón de operación”, el
cual nos llevara al estado “selector de modo de operación”,
pero antes de pulsar el “botón de operación”, se debe haber
seleccionado el modo de operación, con el “selector de
modo de operación”, el cual tiene tres opciones, las cuales
serán:
Posicionamiento por el operario. Producción normal. Producción a pesar de fallos.
Para los modos de operación 1 y 2, será común el estado
“puesta del sistema en estado inicial”, del cual, se obtienen
dos posibles estados, “carros en punto A con puertas
cerradas” o “carros en punto B con puertas cerradas”. Para
las dos salidas del estado “puesta del sistema en estado
inicial”, se realiza una nueva revisión del selector de modo
de operación, con el objetivo de determinar hacia cual de
los dos estados debe pasar el control, “posicionamiento por
el operario” o “producción normal”. Para estos dos estados
es requisito que los carros estén en el punto A o B con las
puertas cerradas. Retomando el estado “selector de modo de
operación”, el tercer modo de operación nos llevara al
estado de “producción a pesar de fallos”. Después de
cumplir las rutinas que se dan en estos estados, se presentanvarias opciones para salir de los mismos, las cuales serán
explicadas mas adelante.
En este punto se identifican dos tipos de estados en la red
de 1er nivel, los transitorios (se resaltaran con óvalos de
color verde en la ilustración 20) y los principales (se
resaltaran con óvalos de color rojo en la ilustración 20). Los
transitorios son necesarios para el desarrollo del autómata
de control en la red de 1er nivel (control prendido, selector
de modo de operación, etc.).
Los principales son los que nos lleven a cumplir lasexpectativas del usuario (posicionar los carros en el punto
que requiere el operario, posicionar el sistema para entrar
en producción normal, etc.), y en estos se deben realizar
rutinas de control, los estados principales del autómata
serán:
Puesta del sistema en estado inicial. Posicionamiento por operario. Producción normal (el cual está constituido por dos
estados: “Posicionamiento en producción normal”y “ciclo de curado del lote”).
Producción a pesar de fallos.
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6 Para estos estados, se generan rutinas comunes, tales como
las acciones que se deben tomar en las emergencias. Por lo
tanto, las emergencias se desarrollaran en el primer nivel
(diagrama general), y de estas se identificaron 5 tipos, con
sus respectivas acciones (en el diagrama general se
resaltaran estas con óvalos de color rojo), las cuales fueron:
Emergencias por inicio de rutina: No permite quese desarrolle la rutina.
Emergencias por apertura de puertas: Cerrara laspuertas.
Emergencias por cierre de puertas: Abrirá laspuertas.
Emergencias por desplazamiento de carros:Detendrá el movimiento de los carros.
Emergencias por ciclo de curado: Apagara elquemador.
Otras posibles salidas de los estados principales, son las
fallas que puede identificar el autómata en el desarrollo de
las rutinas (en el diagrama general estas salidas serán
resaltadas en óvalos de color púrpura), las cuales podrán
ser:
Zona NO asegurada. Revisar sensores de puertas. Revisar sensores de carros.
Otras de las salidas que se presenta en los estados, son lassalidas objetivos (estas salidas se resaltaran en óvalos decolor verde.), las cuales nos indican que se ha alcanzado
con éxito el objetivo del estado, estas podrán ser: Carros en el punto A con las puertas cerradas (sale
del estado de puesta del sistema en estado inicial). Carros en el punto B con las puertas cerradas (sale
del estado de puesta del sistema en estado inicial). Carros posicionados en punto solicitado por el
operario. Apagado programado en modo de producción a
pesar de fallos. Apagado programado en modo de producción
normal. Fin de posicionamiento para ciclo de curado. Fin de ciclo de curado en modo de producción
normal. Fin de ciclo de curado en modo de producción a
pesar de fallos.
Para la descripción de los estados principales, se mostrara la
red completa del estado. Debido a los tamaños de estas, lasgraficas serán confusas y poco claras. El objetivo depresentarlas, es darle al lector una guía general, de lasecuencias de las rutinas que se desarrollan en el estado. Enla grafica general del estado, se resaltaran con óvalos rojos,las rutinas que después serán detalladas.
Descripción de Rutina Revisar la Zona deDesplazamiento de los Carros
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7 Objetivo de la rutina: Determinar el estado en que seencuentran las puertas de la zona de desplazamiento de loscarros.
Descripción de Rutina posicionamiento inicial depuertas
Objetivo de la rutina: Determinar la posición en que seencuentran las puertas del horno y dependiendo de este,tomar la acción de abrirlas o cerrarlas. Revisar el estado delos sensores de las puertas.
Descripción de Rutina de posicionamiento inicialde los carros
Objetivo de la rutina: Determinar la posición en que seencuentran los carros, y dependiendo de esta, tomar laacción de posicionarlos hacia el punto más cercano (puntoA o B). Revisar el estado de los sensores de las puertas.
Descripción de Rutina de cierre de puertas enpuesta en estado inicial
Objetivo de la rutina: Cerrar las puertas conservando laposición que se obtuvo en la rutina posicionamiento inicialde los carros, para cerrar el estado “puesta del sistema enestado inicial”.
Descripción de Rutina Comparar Posición Actualcon Posición Solicitada
Objetivo de la rutina: Determinar si la posición en que seencuentran los carros es la solicitada por el operario.
Descripción de Rutina Apertura enPosicionamiento por Operario
Objetivo de la rutina: Abrir las puertas y bloquearlas pararealizar el posicionamiento de los carros, en el puntosolicitado por el operario. Revisar el estado de los sensoresde las puertas.
Descripción de Rutina Posicionamiento y cierreObjetivo de la rutina: Posicionar el carro en el puntosolicitado por el operario y cerrar las puertas, cerrando elestado “Posicionamiento por Operario”.
Este estado inicia con la rutina de Revisar la Zona deDesplazamiento de los Carros, la cual, ya fue desarrolladaen el estado de puesta del sistema en estado inicial, por lotanto, no se repetirá la descripción de esta, y se referenciaráal lector a esta parte del documento. De esta manera se pasaa la siguiente rutina.
Descripción de Rutina Apertura en Producciónnormal
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8 Objetivo de la rutina: Abrir las puertas y bloquearlas pararealizar el posicionamiento de los carros. Revisar el estadode los sensores de las puertas.
Descripción de Rutina Posicionamiento enProducción normal
Objetivo de la rutina: Determinar la posición en que seencuentran los carros, y dependiendo de esta, tomar laacción de posicionarlos hacia el punto opuesto. Revisar elestado de los sensores de las puertas.
Descripción de Rutina cierre en producción normalObjetivo de la rutina: Cerrar las puertas después de haberrealizado el posicionamiento, para cerrar el estado“posicionamiento para ciclo de curado”.
Para continuar describiendo el estado “PRODUCCIONNORMAL”, se pasara a detallar el estado “ciclo de curado”,
el cual tiene como propósito principal controlar ydesarrollar el ciclo de curado del lote cargado y posicionadoen el estado anterior.
Descripción del estado “ciclo de curado”De acuerdo a la estrategia de control en el estado “ciclo decurado” se realizaran dos rutinas, la de “curado” y la del“ciclo de espera”.
Descripción de Rutina “curado”Objetivo de la rutina: Cumplir las condiciones del ciclo decurado de la pintura (mantener la temperatura de curado porel tiempo de curado).
Descripción de Rutina “ciclo de espera”Objetivo de la rutina: Darle tiempo (tiempo de ciclo decurado) al operario, para terminar de cargar el lote que va aentrar a proceso (carro que esta fuera del horno y va a entrara proceso). Conservar parte del calor que se gano en elproceso anterior (lote procesado en la rutina de “curado”
anterior a esta rutina)
DESCRIPCION DEL ESTADO “PRODUCCION APESAR DE FALLOS”
Como se puede notar en el diagrama general, el estado
“producción a pesar de fallos” está representado por unsolo estado, en el cual se desarrollan las mismas rutinas queen el estado “ciclo de curado”, perteneciente al estado“producción normal”. Por esta razón, no se desarrollara ladescripción de las rutinas y se referencia al lector a estaparte del documento. Cabe aclara, que en este estado no sedesarrollan las rutinas del estado “posicionamiento paraciclo de curado”, ya que la idea, es que el alistamiento de lamaquina deberá ser desarrollado por el operario; a criteriode este, se deja el inicio correcto de la maquina. Otra cosaque se debe resaltar, en el diagrama general, es la acciónque tiene el botón de operación en el estado “producción apesar de fallos”; este, nos lleva a retornar al estado,mostrando la pausa que debe generar la máquina para elnuevo alistamiento, antes de inicia un nuevo ciclo decurado.
Análisis y Validación de las Redes de PetriComo base para el análisis de las redes, se determinaran laspropiedades que dependen del marcado inicial de la red, lascuales son referenciadas como propiedadescomportamentales del sistema y estas nos muestran eldesempeño dinámico del mismo.
Para el análisis y validación de las redes que se plantearonen este trabajo, se utilizara el programa Hiles, en el cualfueron diseñadas las redes de petri antes descritas. Dentro
de las virtudes que tiene el programa, se puede encontrar unmodulo de análisis de las redes de petri (modulo TINA), elcual nos da como resultado las propiedadescomportamentales de la red que se esté analizando. Paraeste trabajo, se determinaran las siguientes propiedades:
1. Grafo de marcados accesibles.2. Acotamiento.3. Vivacidad.
Estas propiedades dependen del marcado inicial, y sonesenciales en la validación de la robustez del diseño.
Grafo de marcados accesibles.
Una secuencia de disparos resultara en una secuencia demarcados. Un marcado Mn es llamado a ser alcanzabledesde el marcado inicial M0, si existe una secuencia dedisparos que transforme M0 a Mn. En conclusión, el grafode marcados accesibles mostrara el desarrollo de la red conlos estados que pueden llegar a ser alcanzados, y lastransiciones que serán necesarias para evolucionar a unestado determinado, y finalmente será una representaciónde la totalidad de la red.
Acotamiento.Una red de petri (N, M0) es llamada a ser K-acotada osimplemente acotada si el numero de tokens en cada sitiono excede un numero finito K, para ningún marcadoalcanzable desde M0. Una red de petri (N, M0) es segura si
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9 esta es 1-acotado. El hecho de verificar que la red esacotada o segura, garantizara que la red no será desbordada(por generación de tokens) en los estados, sin importar quesecuencia de disparo se tome.
Vivacidad.El concepto de vivacidad, esta cercanamente relacionado ala completa ausencia del bloqueamiento en los sistemasoperativos. Una red de petri (N, M0) es llamada viva (oequivalentemente M0 es llamado a ser un marcado vivopara N) si; sin importar, que marcado ha sido alcanzadodesde M0, es posible realizar disparos de cualquiertransición de la red, y además con el progreso de algunassecuencias de disparos mas allá de los disparos realizadosse alcance el estado de M0. La vivacidad es una propiedadideal para muchos sistemas dinámicos.La metodología para el análisis de las redes será lasiguiente:
1. Se diseñaran las redes en el programa HilesDesigner (este paso fue desarrollado en losnumerales anteriores).
2. Se realizara el análisis de alcanzabilidad de lasredes con el modulo de análisis del programaHiles.
3. Los resultados del análisis realizado por el modulo,serán analizados e interpretados, y este nosgenerara la siguiente información.
a. Grafo de marcados accesibles.b. Indicará si la red es acotada o no acotada.c. Indicará si la red es viva o no viva.
4. El grafo de marcados accesibles generado por el
modulo de análisis, será estudiado e interpretado,con la finalidad de comparar si este, muestra en sudesarrollo, una serie de secuencias que representael comportamiento operativo deseado del sistemaconcebido por el diseñador. De esta manera, sevalidara el grafo de marcados accesibles para lasredes diseñadas. Por otra parte, si al estudiar elgrafo, se identifica que este no representa elcomportamiento operativo deseado, será necesariorealizar modificaciones y conciliaciones en lasredes para que estas representen el diseñorequerido por el diseñador.
5. Se revisara en el modulo de análisis, que la red sea
acotada o no acotada.6. Se revisara en el modulo de análisis, que la red sea
viva o no viva.
La metodología se hará de manera reiterativa, hasta logrardiseñar redes que cumpla con todas las especificaciones quenecesitamos para el autómata, y además cumpla con lascaracterísticas que son ideales para un sistema dinámico, lascuales serán:
Que el grafo de marcado accesibles, mostrado en elmodulo de análisis, muestre una red que representelos requerimientos operativos del diseñador.
Que la red diseñada sea acotada.
Que la red diseñada sea viva.
Esta metodología se realizara con todas las redes diseñadaspara el autómata.
Estos resultados serán interpretados de la siguiente manera:
I.
Si el grafo de marcados accesibles generado por elmodulo de análisis, representa los requerimientosoperativos del diseñador, se tendrá la certeza deque la red diseñada en el programa Hiles, ha sidovalidada y por ende, podremos hacer uso delmodulo de análisis del programa para determinarlas otras propiedades que nos interesan, las cualesserán, que sean acotadas y vivas.
II. Si las redes son acotadas podremos tener la certezaque estas no serán desbordadas por la generaciónde tokens.
III. Si las redes son vivas, se puede tener la certeza queel autómata no generara un bloqueamiento en eldesarrollo del control.
A continuación se mencionaran algunas situaciones que sepresentaron durante el desarrollo del análisis de las redes depetri, las cuales mostraron lo útil que fue respaldarse en unametodología rigurosa y en el programa de diseño de lasredes (Hiles Designer).
Para la red de petri del diagrama general, fue necesarioreplantear el diagrama de la red, ya que en el grafo demarcados accesibles, se identifico que esta se comportabade manera diferente a la deseada.
Para la red de petri de puesta del sistema en estado inicial,
se presento una red no acotada en dos ocasiones. Para losdos casos, la situación se presento mientras se iniciaba elposicionamiento de los carros. Este posicionamiento iniciaactivando uno (depositando un token) de los siguientesestados transitorios “puertas abiertas y aseguradas” o“puertas cerradas y aseguradas”, y simultáneamente seiniciaba el proceso de revisar los sensores dedesplazamiento. La primera situación de red no acotada sepresento desde el estado “revisar sensores dedesplazamiento”, y este se daba por que cuando la red salíadel estado “revisar sensores de desplazamiento”, nodesactivaba el estado transitorio que previamente había sidoactivado (arrastraba el tokens) “puertas abiertas yaseguradas” o “puertas cerradas y aseguradas”.
Esta falla en el diseño, podría verse reflejada en la realidadde la siguiente manera. Cuando se reiniciara el proceso,alguno de los dos estado estaría activo y se podría llegar atener los dos estados activos (“puertas abiertas yaseguradas” y “puertas cerradas y aseguradas”), bajo estasituación, el control, interpretaría una situación que nocorresponde a la realidad, por ejemplo, que los carros estánposicionados con las puertas cerradas, y la realidad es quelos carros están posicionados con las puertas abiertas; paralas acciones siguientes, el control no realizara el cierre delas puertas e iniciara el proceso de curado con las puertasabiertas, lo que implicaría una pérdida de energía del
sistema de calentamiento y la pérdida del lote de curado. La
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10 segunda situación de la red no acotada, se presentaba desdelos estados intermedios del proceso de posicionamiento delos carros hacia A o hacia B, estos estados, representan eldesplazamiento físico de los carros y en ellos existe la
posibilidad de generar una emergencia con elaccionamiento de los botones de emergencia. El problemapresentado por el no acotamiento, implicaba que laemergencia reiniciaba el proceso; pero, uno de los dosestados quedaba activo (“puertas abiertas y aseguradas” o“puertas cerradas y aseguradas”), para una nueva rutina de“puesta del sistema en estado inicial”, se podría llegar alcaso en que se genera nuevamente una orden de activar unestado que ya está activo (generación de tokens en unmismo estado con posibilidad de desbordamiento),generando un conflicto para el control.
Estos errores fueron depurados por la metodologíaplanteada, para la validación del diseño de la redes, yfinalmente se lograron los objetivos propuestos para laspropiedades de las mismas. Los cuales eran:
Que el grafo de marcados accesibles muestre unared que represente los requerimientos operativosdel diseñador.
Que la red diseñada sea acotada. Que la red diseñada sea viva.
Diseño de un control para un horno de curado depintura en polvo tipo batch.Para el diseño del controlador se realizo una termografía aun horno que tiene características similares de diseño ytamaño, al horno trabajado en este proyecto; el termógrafo
cuenta con seis sondas que se ubicaron en diferentes partesy toma lecturas cada 2 segundos.
Con los datos obtenidos, se sacó un promedio de cada grupo
de 6 datos y se obtuvo la gráfica para la temperatura
promedio.
Gráficamente se obtuvo que la planta obedece a un
polinomio de segundo orden, por la inflexión que tiene en el
inicio. Pero de la literatura, se sabe que una buena
aproximación se obtiene con un sistema de primer orden
exponencial, y este puede estar determinado por un modelo
de la siguiente manera:
( ) *(1 )t
T t K e τ
−
= −
Para hallar los valores de las constantes(K y τ ), se
utilizó el programa MatLab.
Con la herramienta de Fitting del cftool se creó la función
correspondiente a la tabla de datos que ya se tenía. Se
obtuvo de esta manera el modelo general, con los valores de
las constantes.
218.6( ) *(1 ) 160.8*(1 )t t
T t K e eτ
− −
= − = −
De manera gráfica, también se determinaron los valores de
las constantes K y τ y se estableció la siguiente función de
transferencia:
204.61( ) *(1 ) 159.08*(1 )t t
T t K e eτ
− −
= − = − Se evaluó, por medio de la simulación en la herramienta
Simulink de Matlab, con cuál de las dos funciones de
transferencia se iba a trabajar y finalmente se llegó a la
conclusión que la función de transferencia que se obtuvo
con Matlab (cftool), muestra una mejor representación de la
planta, por tanto se seleccionó como la función de
transferencia de la planta.
218.6( ) *(1 ) 160.8*(1 )t t
T t K e eτ
− −
= − = −
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11 160.8
( )218.6 1
G ss
=
+
Diseño del controladorPara el diseño del controlador se establecieron los
parámetros que debe cumplir la respuesta del sistema,
estableciendo en primera instancia el tiempo de respuesta,
el cual es cercano al tiempo de respuesta de planta en lazo
abierto, y fue de aproximadamente 800 s.
El controlador, deberá mostrar un error en estado estable de
cero. Por esta razón, el controlador deberá tener una acción
integral en su desempeño. La técnica que se utilizó para el
diseño del controlador, fue el lugar geométrico de las raíces.
Debido a las condiciones del quemador, se tiene la limitante
que la acción que ese ejerce sobre la planta es de tipo
On/Off (no tiene válvula graduable para el paso de gas), por
lo tanto, no se implemento un controlador tipo continuo y
aprovechando las características de un controlador discreto;
en el cual el controlador, toma la acción sobre la señal de
entrada (error de la planta) y como salida se obtiene una
señal modulada en amplitud, la cual es proporcional a la
energía que necesita el sistema. Por lo tanto se diseñara un
controlador tipo PI discreto.
Con la herramienta sisotool, se hizo la simulación de la
planta discretizada con sus respectivas restricciones para el
diseño del controlador (PI), para las condiciones de
operación.
Se graficó la respuesta paso del sistema y finalmente se
realizó el montaje de la simulación del lazo de control en
simulink, para observar dicha respuesta.
Se generó un disturbio en el sistema, para observar el
comportamiento del controlador; las condiciones de este
disturbio fueron: magnitud -159 y tiempo 300 s. En lagráfica se pudo observar que el sistema alcanza a
reestablecerse en la temperatura de referencia, después que
el disturbio ha pasado.
Para finalizar, se establecieron los parámetros que deben
cumplirse en el control:Salida de controlador Acción de control
Menor a 0 Mantenga apagado el quemador por el
tiempo de muestreo (60 s)
Mayor a 1 Mantenga apagado el quemador por el
tiempo de muestreo (60 s)
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12 Entre 0 y 1 Multiplique la salida del controlador
por el tiempo de muestreo (tq), y
manténgalo prendido hasta finalizado
el tiempo determinado (tq)
VI. COSTOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DELPROYECTO
Debido a que los hornos que se encuentran actualmente en
la empresa, no cumplen con los requisitos especificados
para la polimerización de la pintura, como ya se ha
mencionado anteriormente, es de carácter obligatorio para
la empresa cambiarlos, ya sea por uno de los que se
consiguen en el mercado o tomando la decisión de
implementar el horno de este proyecto.
Por lo tanto, se hizo un análisis financiero, comparando el
costo de la implementación de este proyecto contra el costo
que tendría para la empresa adquirir un horno de los que
comercialmente se venden.
A continuación se muestra una tabla que incluye los costos
y la inversión requerida para la ejecución del proyecto.
DESCRIPCIÓN COSTOQuemador $ 2.552.000
Ventilador $ 1.392.500
Aislamiento $ 472.000
Instalación del sistema de gas $ 350.000
Estructuras metálicas $ 10.250.000
Dispositivos de Control $ 1.480.000
Mano de Obra $ 3.600.000
Costos de la implementación del horno
TOTAL DE LA INVERSIÓN = $20.096.500
Se indagó respecto a los precios de los hornos que se
encuentran en el mercado, y se obtuvo que un horno para el
curado de la pintura en polvo, que tiene características
similares al diseñado en este proyecto, tiene un costo
aproximado de: $ 25.500.000. Con esto se concluye que la
empresa tendría un ahorro del 21% si decidiera
implementar el horno diseñado en este proyecto.
VII.
ANALISIS DE RESULTADOS YCONCLUSIONES
Uno de los objetivos específicos de este proyectoera la fabricación del horno. Este objetivo no fueposible cumplirlo, debido a que en este momento,la empresa no dispone de suficiente presupuestopara la ejecución del mismo. Por lo tanto sólo serealizó el diseño, pero a mediano plazo, la idea deStand Iluminar es implementar dentro del procesode curado de la pintura, un horno que cumpla conlas especificaciones del proceso.
La realización del balance de energía fue de granutilidad, ya que permitió dimensionar la fuente decalor o quemador, teniendo en cuenta todas las
pérdidas involucradas en el proceso, paraseleccionar el más adecuado para la operación.
Para el dimensionamiento del equipo, se tuvieronpresente las diferentes necesidades del usuario, con
lo cual se puede decir que el equipo presenta laventaja frente a los hornos comerciales, de cumplirampliamente los requerimientos de espacio útil,manejo de la carga, condiciones de curado de lapintura, seguridad de la operación, entre otros.
De los datos obtenidos de la termografía, se puedenotar que los hornos comerciales tiene uncontrolador de temperatura tipo On/Off, y a pesarde tener un buen desempeño térmico, a la hora demantener la temperatura en el rango de operaciónpresenta falencias, ya que muestran diferencias detemperaturas entre las sondas.
Para hallar las constantes de la función de laplanta, se siguieron dos procedimientos. Elanalítico, el cual fue desarrollado con Matlab, y elgrafico, el cual se estableció con los parámetrosgráficos de K y Tao. Los valores de dichasconstantes, involucran las características del horno,tales como, el sistema de recirculación, laspérdidas de calor, el efecto del aislante, entre otros.
Para escoger la función de la planta, se comparo demanera grafica el comportamiento de las dosfunciones (grafica y analítica) con los datos de latermografía, posteriormente para la validación deestas dos funciones de transferencia, se simularonen el programa de Simulink, con la función de laplanta en el plano temporal, para compararlas de
manera grafica. Para el diseño del control secuencial del equipo se
tomo como referencia la guía GEMMA, la cualnos guió en estados, que a primera impresión noson claros en el desarrollo del autómata talescomo: Estado de emergencia, estado de fallo,producción a pesar de fallos, etc. La guía nosmuestra de manera fácil la interacción de losestados antes mencionados. Otra de las grandesventajas que brinda la guía GEMMA es desarrollarel autómata de manera ordenada.
Para el desarrollo del autómata se utilizo elformalismo de redes de petri, las cuales facilitaron
el entendimiento de las rutinas que debe cumplir elautómata. Para el diseño de las redes de petri seutilizo el programa Hiles Designer, el cual mostroser una herramienta muy útil para este tipo deaplicaciones, ya que tiene la capacidad de simularlas redes y poder determinar las características deestas, tales como Acotamiento, estados detransiciones (muertas), y vivacidad de la red.
Aparte del control secuencial fue necesario diseñarun lazo de control de temperatura. Y a pesar queun control tipo On/Off muestra un buendesempeño (grafica de termografia); para esteproyecto, se desarrollo un control tipo PI,
aprovechando los elementos que son necesariospara el control secuencial (no fue necesario invertir
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13 más dinero en la compra de dispositivosadicionales para obtener el control tipo PI), einvirtiendo un esfuerzo adicional en la ingenieradel diseño.
El control es de tipo discreto, y con este se buscaprender el quemador dependiendo de la necesidadde la planta. Como resultado del controlador, setiene que para cada tiempo de muestreo se puedenpresentar 3 acciones:
o Puede mantenerse prendido durante eltiempo de muestreo
o Apagado durante el tiempo de muestreoo Mantenerse prendido durante un tiempo
determinado por el controlador y apagadopor el tiempo restante del tiempo demuestreo.
Para la implementación del controlador en el PLCfue necesario llevar la función del controlador enel plano Z al plano temporal por medio de lasecuaciones en diferencias. Para lo cual fue de granutilidad la tabla de equivalencias, que se encuentraen la literatura.
Las principales ventajas del horno desarrollado eneste proyecto frente a los hornos comerciales, sonla operaciones automatizadas y coordinadas deapertura y cierre de puertas con desplazamiento delos carros de carga, el mejor control que se ejerceen el proceso de curado de la pintura (control PI vscontrol On/Off).
Para nuestro proyecto, el análisis financiero de laviabilidad, está enmarcado en el hecho de que la
empresa está obligada a cambiar los hornosactuales debido a las exigencias de los mercados alos cuales quiere acceder. Por lo tanto, lacomparación se realiza entre los hornoscomerciales cotizados y los costos de laimplementación de este proyecto. De lo cual seconcluye que es más económico implementar elproyecto, que comprar un horno comercial, yaparte de esta economía, están la ventajas deautomatización y control que presenta el hornodesarrollado en este proyecto.
VIII. BIBLIOGRAFIA
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LANCHEROS SALAS, Ruth Janneth. Diseño de un Horno parael Secado de Pintura Industrial. Bogotá: Universidad deAmérica, 1997.
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DUQUE MAURICIO, GAUTHIER ALAIN. Control porcomputador, Control de procesos continuos utilizando unsistema digital; Bogotá, Universidad de los Andes, 2007.
J.F. JIMENEZ, R.H. DUARTE, D. ESTEVE, J. VERRIES, and C.
GUTIERREZ. A platform for high level systems design basedon the HiLeS formalism.http://hiles.uniandes.edu.co/index.php?option=com_remository&Itemid=26&func=select&id=6
Programa simulador de redes de petri.
http://pipe2.sourceforge.net/
http://www.monografias.com/trabajos14/redesdepetri/redesdepetri.
shtml