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CASTELLÓN (ESPAÑA)

CONTROL Y AUTOMATIZACIÓNEN LA INDUSTRIA CERÁMICA.EVOLUCIÓN Y PERSPECTIVAS

José Gustavo Mallol Gasch

Instituto de Tecnología Cerámica (ITC).Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas

Universitat Jaume I. Castellón. España

Licenciado en Ciencias Químicas por la Universidad de Valencia.

Actualmente es Profesor Asociado de Ingeniería Química de la Universidad Jaume I de Castellón y Coordinador de Proyectos de Investigación y Desarrollo del Instituto de Tecnología Cerámica, donde desarrolla su actividad profesional desde 1989.

Autor de más de 30 artículos de Investigación, publicados en revistas científicas especializadas de ámbito nacional e internacional y de 35 comunicaciones a Congresos, tanto nacionales e internacionales, sobre diferentes temas relacionados con la Tecnología Cerámica. Coautor en tres libros relacionados con esta disciplina.

Ha participado en 30 proyectos de Investigación y Desarrollo y Asesoramiento Tecnológico, realizados en el Instituto de Tecnología Cerámica, financiados por empresas fabricantes de baldosas cerámicas, fritas, esmaltes y maquinaria para la industria cerámica, tejas y ladrillos, así como por entidades públicas del Gobierno Regional Valenciano, del Gobierno Español y de la Comunidad Europea.

Coinventor de dos equipos patentados relacionados con la Ingeniería Química y la Tecnología Cerámica. Ha impartido más de 20 cursos de reciclaje para técnicos cerámicos, en diferentes Empresas y Asociaciones españolas.

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RESUMEN

En los últimos 30 años se ha llevado a cabo una auténtica transformación del proceso productivo de baldosas cerámicas incorporando tecnología, en algunos casos, revolucionaria. Tal y como se apunta en la introducción de este trabajo la tecnología incorporada se encuentra en un estado de automatización incipiente, con grandes posibilidades de desarrollo que, en caso de alcanzarse, permitirán incrementar la flexibilidad y productividad de las instalaciones de fabricación y la calidad y prestaciones del producto final, aumentando la competitividad de las empresas.

En esta conferencia se analizan las posibilidades actuales de automatización de las etapas del proceso de fabricación de baldosas cerámicas, describiendo los diferentes elementos de medida y el estado del arte en cada caso. Se analizan las ventajas e inconvenientes de los sistemas de control propuestos y se apuntan los aspectos que pueden ayudar a perfilar la “planta productiva del futuro”. En la última parte del trabajo se presentan los resultados de un sistema de control automático de la densidad aparente de los soportes de gres porcelánico, desarrollado recientemente.

1 INTRODUCCIÓN

Una prueba de la madurez en los procesos tecnológicos es la preocupación creciente por los temas relacionados con el control y la instrumentación. Algunos estudios indican que el sector de las baldosas cerámicas ha alcanzado elevados grados de automatización, si se compara con el de sanitarios o vajilla [1]. La incorporación del control en la industria cerámica ha progresado en una serie de fases, que muchas veces han evolucionado en paralelo, y que no se encuentran en el mismo grado de desarrollo en todas las etapas productivas.

En la industria química tradicional, el control de los procesos está más desarrollado que en la industria cerámica. Esto se debe, en parte, al hecho de que en el sector cerámico se trabaja con sólidos, y el nivel de conocimiento que se tiene de las operaciones unitarias que involucran sólidos es muy inferior al que se tiene cuando se trabaja con fluidos. El segundo aspecto que dificulta el control automático deriva de la naturaleza estructural del producto cerámico, lo que conlleva que las características finales que le son exigibles sean muchas y complejas, a diferencia de lo que ocurre en la mayor parte de los procesos químicos en los que lo más importante suele ser su composición química; en el caso de las baldosas cerámicas el producto final debe cumplir un conjunto de requisitos que van desde los puramente técnicos (baja porosidad, resistencia al desgaste, etc.) a los estéticos (brillo, diseño, etc.),

Figura 1. Proceso de fabricación de baldosas prensadas y esmaltadas, por monococción vía húmeda

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que dificultan, en muchas ocasiones, la implantación de sistemas de control. Finalmente otro aspecto que dificulta la automatización de este tipo de industrias es la amplia variedad de productos (modelos) que debe actualmente fabricar una misma empresa.

El hecho de que el proceso de producción de materiales cerámicos requiera la realización consecutiva de diferentes operaciones básicas (molienda, secado por atomización, prensado, etc.) sobre los materiales hasta alcanzar el producto final (Figura 1), hace que la introducción del control automático haya sido paulatina, abordándose por etapas de proceso; este carácter modular del proceso hace que las características de un material resultante de una serie de operaciones que constituyen en sí una etapa, aunque no incidan de manera determinante sobre el producto final, sean de extraordinaria importancia ya que determinan su comportamiento en la etapa siguiente. Este material resultante de una determinada etapa, que a veces se le denomina producto, es en realidad una materia prima semielaborada que se utilizará como tal en una fase posterior del proceso (por ejemplo el polvo atomizado) o un producto intermedio, que sufrirá transformaciones posteriores (por ejemplo un soporte recién prensado).

Con el fin de cuantificar la implantación del control en la industria cerámica se pueden definir unos “niveles de automatización” (Figura 2). En el nivel inferior se encontraría el control puramente manual y en el superior un control automático global, que involucraría todas las etapas productivas así como sus interacciones.

1.1. NIvEL 1: CoNTroL mANUAL

El primer nivel de control se podría denominar manual. Un operario lleva a cabo la medida de alguna (o algunas) variables y, en función de las especificaciones del producto (consignas), modifica de forma manual una serie de variables. Ejemplos de este tipo de acciones se encuentra en la mayoría de las empresas que fabrican polvo atomizado en las que, el control del contenido en humedad del polvo se realiza midiendo de forma manual, con una balanza de infrarrojos, y actuando sobre la temperatura de consigna de un quemador o sobre alguna otra variable.

Figura 2. Niveles de automatización.

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1.2. NIvEL 2: CoNTroL AUTomáTICo dE LAS vArIAbLES dE máqUINA

La complejidad de muchas máquinas actuales (secaderos, prensas, hornos, etc.) hace que en todas ellas exista cierto control. Este control involucra variables de máquina, por oposición a las variables de producto, que son las características del material que se está elaborando. Este nivel de control se encuentra en multitud de equipos; como por ejemplo la prensa, en donde la variable de máquina que se controla es la presión de prensado, mientras que las variables de producto que interesa regular son la densidad aparente y el espesor de la pieza.

Los niveles de control no están asociados a máquinas, como se podría pensar en un principio, sino a conjuntos de variables de entrada y salida. Así, en el atomizador, la pareja de variables temperatura de gases / humedad del polvo atomizado se controla manualmente (nivel 1) en la mayoría de las empresas, en tanto que la pareja de variables temperatura de gases / posición de la válvula de gas del quemador es un claro ejemplo de control de las variables de máquina (nivel 2).

Es característico de este nivel el empleo de sistemas de control relativamente simples, como son los controladores PId o los autómatas programables PLC. El desarrollo vertiginoso que ha tenido la informática en las dos últimas décadas ha hecho que muchas de las máquinas de cierta complejidad dispongan de ordenadores incorporados. Es un poco desalentador que, a pesar de la potencia que tienen estos dispositivos, en la mayoría de los casos se utilicen como meros registradores de datos, cuando podrían tener un papel mucho más activo.

1.3. NIvEL 3: CoNTroL AUTomáTICo dE LAS vArIAbLES dE ProdUCTo

En el tercer nivel del control se encuentra la regulación de las variables de producto. Este tercer nivel implica, al menos, dos áreas de conocimiento diferentes: la de los materiales y procesos, y la de la instrumentación.

El conocimiento de los materiales y los procesos involucrados en la fabricación de fritas y baldosas cerámicas se encuentra suficientemente avanzado como para implantar un sistema de control en la mayoría de los casos. Ello se debe, en parte, a que para llevar a cabo el control es suficiente disponer de un modelo de entradas/salidas, que relacione las modificaciones que se producen en un variable de salida como consecuencia de los cambios en una variable de entrada. Técnicas generales como el diseño de experimentos o la identificación empírica de parámetros pueden permitir obtener el conocimiento necesario para realizar un control automático.

Las mayores dificultades del control automático estriban, casi en todos los casos, en disponer del sensor adecuado para realizar la medida o en definir las variables sobre las que actuar (variables manipuladas). La selección de un nuevo sensor suele ser un proceso complejo, ya que debe funcionar con la suficiente precisión y robustez en un campo para el que, con toda probabilidad, no fue diseñado originalmente. Casos típicos se tienen en los medidores de humedad por infrarrojos, diseñados originalmente para la medida de la humedad en las hojas de tabaco; los medidores de radiofrecuencia, empleados en la industria de la madera y del yeso; o los sensores de densidad por burbujeo, aplicados en la industria de la minería.

En los casos más sencillos, este control puede llevarse a cabo con controladores PId o con autómatas programables; sin embargo, a medida que las ecuaciones que

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rigen los procesos son más complicadas, hay que recurrir a los ordenadores. En otros sectores industriales los ordenadores se emplean para el control anticipativo, predictivo, sistemas expertos o para la simulación dinámica [2]. En la actualidad el uso de modelos de este tipo sólo está extendido en los sistemas de clasificación automáticos de baldosas cerámicas. Aunque se han desarrollado trabajos para la aplicación de estos sistemas avanzados en el control de procesos (aplicación de modelos dmC (dynamic matrix control) [3] a la molienda, simulación dinámica aplicada al secado de baldosas [4], o implementación de los diagramas de compactación para el control de la densidad de las piezas a la salida de la prensa [5]), estos desarrollos no se encuentran muy extendidos en la actualidad.

1.4. NIvEL 4: CoNTroL gLobAL

Las diferentes operaciones unitarias que constituyen el proceso cerámico (molienda, secado por atomización, prensado, etc.) no son independientes. La salida de una representa la entrada de la siguiente (Figura 1). Así, el control del contenido en humedad del polvo de prensas condiciona la densidad aparente de los soportes prensados, la cual, a su vez, influye en la contracción lineal de las piezas durante la cocción.

La incorrecta ejecución de cualquiera de las etapas del proceso no sólo afecta al desarrollo de las etapas siguientes, sino también a las características de los productos intermedios (porosidad, permeabilidad, etc.) así como a las de los productos acabados. El proceso de fabricación de baldosas cerámicas debe considerarse como un conjunto de etapas interconectadas que progresivamente transforman las materias primas en el producto acabado[6]. El control automático no puede ni debe limitarse a etapas individuales. El control global del proceso es una filosofía cuya aplicación permitiría disponer de información (y no sólo datos) del proceso, optimizar globalmente la fabricación de baldosas y detectar los puntos débiles.

En la industria cerámica se está comenzando a abordar este cuarto nivel, aunque de forma incipiente e involucra, sobre todo, la adquisición de información. Cada vez son más numerosas las empresas que disponen de un sistema centralizado en que los operarios de cada etapa introducen los datos del proceso, se tiene indicación del número de piezas procesadas y se hace un seguimiento de las piezas a lo largo del proceso. desafortunadamente hay aspectos clave que no se han abordado: es virtualmente imposible intercomunicar las máquinas debido a que los fabricantes de maquinaria utilizan protocolos de comunicaciones cerrados. El uso de protocolos cerrados es una forma de garantizar la exclusividad: nadie, salvo el fabricante, podrá establecer comunicaciones con la máquina o podrá integrarla en una red mayor.

Un control global debería contemplar también una actuación global; es decir, la adquisición de variables de proceso y su manipulación y no únicamente la adquisición de la información relacionada con la productividad de las máquinas. La tecnología existente hoy en día permite dar este paso.

2. CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE LAS DIFERENTES ETAPAS DEL PROCESO

2.1 moLIENdA

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El objetivo de la molienda es la obtención de una suspensión homogénea de sólidos en agua con una distribución de tamaño de partícula (dTP) adecuada para la realización de las etapas posteriores (prensado, secado, etc.), compatible con una cantidad de sólidos elevada y una viscosidad adecuada para que el desarrollo de la operación de secado por atomización sea óptima [7].

La granulometría del sólido que integra la suspensión condiciona el comportamiento de la pieza durante su procesado (compacidad, permeabilidad, etc.) y determina algunos de los parámetros de la pieza acabada (tamaño final, porosidad, etc.). La medida de la distribución del tamaño de las partículas es compleja y costosa por lo que, a nivel industrial, se aprovecha la estrecha relación que existe, para un determinado material y tipo de molino, entre la dTP y la cantidad de partículas gruesas del sólido para diferentes tiempos de molienda. En efecto, la molienda vía húmeda reduce mayoritariamente el tamaño de las partículas gruesas, estrechando la dTP, por lo que la medida del rechazo (como se conoce coloquialmente el cernido sobre un tamiz) permite, mediante un ensayo sencillo, controlar la operación de molienda.

La densidad de la suspensión determina en gran medida el rendimiento energético de la etapa de atomización y, por tanto, debe tener el valor más elevado posible. Sin embargo, para una composición dada, al aumentar la densidad también lo hace la viscosidad; viscosidades altas dificultan el vaciado del molino, pueden conducir a la aparición de anomalías en el mismo (formación de costras y aglomerados), disminuyen la velocidad de tamizado e influyen negativamente en la atomización. Por todo ello, en la etapa de molienda se intenta conseguir una densidad de la suspensión lo más elevada posible, manteniendo constante una viscosidad que permita el procesado de la misma.

En la molienda hay que distinguir aquélla que se realiza en molinos continuos de la que se lleva a cabo en molinos discontinuos tipo Alsing. La automatización es mucho más fácil en los primeros que en los segundos; por tanto, en este apartado la discusión se centrará en los molinos continuos.

Las variables de máquina (caudales de sólidos, agua y desfloculante) se miden de forma automática. Según la diferenciación en niveles presentada en la introducción, se podría considerar que la molienda en continuo se encuentra en el nivel 2. En los últimos 5 años ha habido un esfuerzo importante por implementar el control automático de la densidad y la viscosidad de la suspensión, dejando de lado el control del residuo [8,9]. La idea del control automático en los molinos continuos consiste en medir en continuo la densidad y la viscosidad, que en la actualidad se miden de forma manual, y actuar sobre los caudales de agua y desfloculante (Figura 3).

Figura 3. Esquema de la disposición de los elementos de medida en un molino continuo industrial.1: Densímetro / caudalímetro; 2: Viscosímetro.

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La principal dificultad del control automático de esta operación es la selección de elementos de medida fiables de la densidad y la viscosidad, dadas las exigentes condiciones industriales de operación. En la actualidad, la medida de la densidad industrial de suspensiones puede considerarse ya un problema resuelto con el empleo de los densímetros de efecto Coriolis (Figura 4).

La tendencia de futuro del control en esta etapa pasaría por el diseño de un sistema de control avanzado que midiera densidad, viscosidad e incluso el residuo. Las dificultades son múltiples: interacción entre los lazos de control de densidad y viscosidad, puesta a punto de un sensor de viscosidad, etc. La incorporación del residuo, aunque técnicamente posible, plantea dificultades cuya solución no se prevé en el corto plazo. El sistema de control, necesariamente, debería ser suficientemente inteligente para gestionar la interacción entre todas las variables, lo que no es posible utilizando controladores PId exclusivamente.

2.2. SECAdo Por ATomIzACIÓN

El secado por atomización de la suspensión preparada tras la molienda es el procedimiento de granulación más extendido en el sector de baldosas cerámicas en España e Italia para obtener el polvo de prensas. dos son las variables más importantes del polvo de prensas, su contenido humedad y su granulometría.

La humedad determina, junto con la presión máxima de compactación, la densidad aparente del soporte que, como se verá posteriormente, es una de las variables más importantes de todo el proceso productivo. La relación cuantitativa entre densidad, presión de prensado y humedad es el conocido diagrama de compactación [10].

La distribución de tamaño de los gránulos (dTg) determina la fluidez del polvo, la cual incide en su comportamiento, fundamentalmente durante el llenado del alveolo de la prensa [11, 12]. Una adecuada fluidez del polvo conduce a un llenado homogéneo del alveolo de la prensa y a una distribución uniforme de la densidad aparente del soporte compactado; si la densidad aparente es uniforme, el comportamiento del soporte durante su procesado también lo será y, lo que es más importante la geometría del producto final será la adecuada.

Los trabajos llevados a cabo por ITC [13, 14] han supuesto un avance importante en el control de la pareja de variables temperatura de consigna de gases / humedad del polvo atomizado. En la actualidad son muchas las empresas que disponen de medidores de infrarrojos, junto a un muestreador de polvo atomizado para el seguimiento de su contenido en humedad; aunque son menos las que utilizan esta señal para completar el lazo de control, y no sólo medir sino controlar la humedad (Figura 5).

La distribución granulométrica podría medirse de forma automática; sin embargo, existen dos factores que dificultan el control de esta variable: el elevado coste de los

Figura 4. Densímetro de efecto Coriolis

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sensores y el hecho de que con el diseño actual de los atomizadores y, en particular de las boquillas, no es posible modificar fácilmente la distribución granulométrica.

2.3. PrENSAdo

La variable de proceso más importante relacionada con las características del soporte prensado es su densidad aparente, tanto su valor medio en una misma pieza y entre piezas, como su distribución dentro de una misma pieza.

La densidad aparente influye en el comportamiento de la pieza durante las etapas posteriores al prensado y condiciona algunas de las más importantes características del producto final. La densidad aparente es la variable macroscópica que refleja la estructura porosa del soporte por lo que determina, para una misma composición, su permeabilidad a los gases, su resistencia mecánica, el proceso de sinterización, su módulo de elasticidad, etc. Un inadecuado valor de la densidad aparente puede conducir a la aparición de grietas durante el secado, roturas en la línea de esmaltado, corazón negro, falta de estabilidad dimensional (calibres y/o descuadres) o de planaridad en el producto final o una inadecuada porosidad final [10, 11, 12, 15].

La homogeneidad en la distribución de la densidad aparente ha mejorado mucho en los últimos años con la utilización de los punzones hidráulicos; aunque la falta de uniformidad no ha desaparecido por completo, la principal preocupación se centra en la actualidad en la diferencia de densidad aparente entre piezas.

En la actualidad la medida de la densidad aparente se realiza de forma manual o semiautomática, mediante el procedimiento de inmersión en mercurio. Se han realizando trabajos [16, 17] para intentar sustituir este ensayo, dado su carácter discontinuo, manual, destructivo y nocivo, sin que hasta el momento se haya encontrado una solución suficientemente satisfactoria para su uso como control industrial. En estos momentos se está ensayando el empleo de ultrasonidos para esta aplicación, con resultados

Figura 5. Control automático de la humedad del polvo granulado a la salida del atomizador

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muy prometedores. Asimismo el Instituto de Tecnología Cerámica ha desarrollado y patentado un equipo de medida de la densidad aparente mediante absorción de rayos X (Figura 6). En las pruebas realizadas a escala de laboratorio se ha obtenido la precisión suficiente para utilizarlo como sistema de control [18].

La medida en continuo de la densidad aparente se ha intentado utilizando sensores de ultrasonidos [19] sin alcanzar, en los experimentos realizados, la precisión requerida para abordar un control automático. La instalación de sensores extensiométricos en el punzón de la prensa para medir la distribución de la presión en el soportes durante su compactación junto con el empleo de sensores de infrarrojos para determinar la humedad el polvo de prensas, fue otro intento de obtener una medida en continuo de la distribución de la densidad aparente [20]; sin embargo la complejidad mecánica del sistema hizo que no tuviese aplicación industrial como sistema de control.

Una forma alternativa de abordar el problema consiste en utilizar una estrategia de control anticipativo. El control anticipativo se basa en medir la variable que causa la perturbación, y no la variable a controlar, como sucede en el control por retroalimentación. Se sabe que la principal variable de perturbación es el contenido en humedad del polvo de prensas, por lo que midiéndola debería ser posible controlar la densidad aparente. La humedad del soporte puede medirse con un sensor de infrarrojos situado a la salida de la prensa y modificar la presión de acuerdo a las variaciones de humedad para mantener la densidad aparente constante. Con este sistema se consigue estimar en continuo la densidad aparente media de los soportes y mantenerla dentro de los márgenes de variación establecidos, reduciéndose significativamente el porcentaje de calibres, como se comentará posteriormente.

2.4. SECAdo

El secado de los soportes recién prensados permite reducir el contenido en humedad de los mismos y conseguir que alcancen una temperatura adecuada para que la etapa de decoración pueda efectuarse correctamente.

Figura 6. Medida de la densidad aparente de los soportes por inspección radiológica

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Las variables de proceso a controlar relacionadas con los soportes tras el secado son su temperatura y su contenido en humedad. Una humedad residual elevada de los soportes (> 0,1%) reduce su resistencia mecánica y dificulta la operación de decoración. La temperatura afecta a la etapa de esmaltado: valores inadecuados pueden producir defectos (pinchados, etc.) o una falta de homogeneidad en la distribución del esmalte sobre la superficie de las piezas.

Tanto la temperatura como la humedad de las baldosas a la salida del secadero dependen de la distribución de la temperatura y, en menor medida, de la humedad relativa de los gases dentro del secadero. La información que se tiene de la curva de temperatura dentro de los secaderos es muy fragmentaria, especialmente en los secaderos verticales.

Se han desarrollado sondas de temperatura que se introducen en el secadero y aportan información de la curva de temperatura de los gases o de la superficie de la pieza [4]. Estas sondas consisten en un equipo de adquisición de datos con una serie de termopares y se utilizan esporádicamente para el diagnóstico de secaderos. En la Figura 7 se muestra el perfil de temperatura de los gases obtenida con una de estas sondas, en el interior del secadero vertical, y en tres posiciones diferentes.

La información de la curva de temperatura dentro de un secadero permite detectar zonas en los que el secado es demasiado lento (con la consiguiente pérdida de rendimiento) o demasiado rápido (lo que puede originar problemas de roturas), lo que conduciría a un diseño más racional de las curvas de secado.

La temperatura a la salida del secadero suele medirse mediante pirómetros ópticos con un indicador en el que el operario puede leer el valor instantáneo de la temperatura. Se tiene, por tanto, una lectura puntual de la temperatura de la pieza a medida que pasa por debajo del pirómetro. Es imposible, en estas condiciones, conocer la temperatura media de una pieza situada en una determinada posición en el secadero. Se ha desarrollado un software que permite combinar la información de la temperatura

Figura 7. Distribución de la temperatura de los gases en un secadero verticaldurante un ciclo de secado, en diferentes posiciones

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media de la pieza a la salida del secadero con su posición dentro del mismo [21]. En la Figura 8 se muestra la evolución de la temperatura media a la salida del secadero de tres piezas situadas en posiciones distintas en el interior del mismo.

La utilización de esta instrumentación no es complicada, especialmente en secaderos verticales, y aporta información útil sobre el funcionamiento del secadero y su estabilidad térmica tanto en estado estacionario como no estacionario.

La segunda variable de importancia en el secado industrial es la humedad residual de los soportes. Esta humedad residual influye en la resistencia mecánica [22] de las piezas: a mayor humedad menor resistencia mecánica y, por tanto, mayor la probabilidad de que la pieza sufra algún tipo de rotura.

La humedad residual suele medirse de forma manual, a partir de probetas obtenidas de las piezas industriales, que se introducen en una balanza con resistencias eléctricas o en una estufa. Los sensores de humedad por infrarrojos, empleados en la medida del contenido en humedad del polvo de prensas y de los soportes recién prensados (para el control anticipativo de su densidad) no pueden emplearse en este caso, ya que la radiación infrarroja es poco penetrante y sólo permiten conocer la humedad en la superficie de la pieza. Para medir la humedad media hay que emplear sensores de microondas o de radiofrecuencia. La experiencia en el sector de baldosas cerámicas es mayor con estos últimos; los ensayos realizados han puesto de manifiesto que se pueden emplear estos dispositivos para obtener medidas precisas de la humedad residual de los soportes a la salida del secadero.

2.5. ESmALTAdo y dECorACIÓN

Esta operación no es una sola etapa, sino un conjunto de subetapas concatenadas. Cada una de estas subetapas tiene sus propias variables independientes, aunque sin duda existe interacción entre las diferentes subetapas; así, por ejemplo, la cantidad de agua aplicada con un aerógrafo influye sobre la calidad de la aplicación del esmalte base.

Figura 8. Evolución de la temperatura de tres piezas, situadas en diferentes posiciones,a la salida del secadero

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Se han realizado esfuerzos por implementar un sistema de seguimiento e incluso control de estas subetapas. Ha habido intentos de controlar la cantidad de esmalte aplicado mediante el uso de células de carga. Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto la dificultad de hacer medidas suficientemente precisas del peso de las piezas antes y después de cada aplicación.

mayor éxito se ha obtenido con el control de la cantidad de esmalte aplicado mediante campana [23] (Figura 9). En este caso, un caudalímetro electromagnético registra el caudal de esmalte aportado por la campana, y corrige las desviaciones actuando sobre una válvula motorizada.

Se comprueba que, manteniendo la válvula en posición manual, las variaciones de caudal son significativas, y tienen su origen fundamentalmente en la variación de la viscosidad del esmalte debido, a su vez, a cambios en la densidad (por evaporación del agua) y en la temperatura (por cambios ambientales y por el calentamiento provocado por la bomba de impulsión).

En la Figura 10 se muestra la curva de distribución de caudales con un control

manual y con el control automático, en el que se utiliza la señal del caudalímetro electromagnético para mantener el caudal de esmalte constante.

muchos de los problemas que aparecen en la línea de esmaltado están relacionados con una incorrecta aplicación de la decoración, que provoca defectos visibles en la propia línea de esmaltado. Esta idea ha hecho que algunas empresas dedicadas a la inspección visual automática, estudiaran el uso de estos sistemas para evaluar las características de las piezas antes de la cocción [24].

Los beneficios de detectar piezas incorrectamente decoradas en la línea de esmaltado son obvios: sólo pasan a la etapa siguiente (cocción) las piezas correctas, se ahorra esmalte y energía, aumenta la producción y el porcentaje de primera calidad, etc. Sin embargo, la inspección visual en esta etapa del proceso se enfrenta a muchas dificultades. La primera de ellas es la presencia de polvo y agua, lo que obliga a proteger todos los sistemas. La segunda de ellas es la dificultad de detectar los defectos en piezas crudas. La técnica es prometedora, pero está todavía en fase incipiente.

Figura 9. Esquema del dispositivo de control automático del caudal de esmalte en una campana

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2.6. CoCCIÓN

La cocción es una de las etapas más importantes del proceso cerámico ya que en ella se confieren a las piezas sus características técnicas y estéticas finales y además es la etapa térmica de mayor consumo energético. Las variables del horno sobre las que es posible actuar y que determinan tanto las características de las piezas como el consumo del mismo son: la distribución de la temperatura tanto longitudinal como transversal, la presión y la composición de los gases en el interior del mismo, fundamentalmente la cantidad de oxígeno. Se trata, utilizando el lenguaje de control, de un sistema con parámetros distribuidos en el que hay que controlar las curvas completas y no únicamente un valor de las mismas.

En general, aunque ha habido intentos de controlar la curva de presiones e incluso del porcentaje de oxígeno de los gases en el interior del horno [25] [26], sólo la temperatura es medida y controlada de forma continua a lo largo del mismo (curvas de cocción). A pesar de ello, muchas veces esta medida es insuficiente y las diferencias de temperatura a lo ancho del horno (distribución transversal) son importantes. Existen equipos que permiten medir la distribución transversal de temperatura; entre ellos los más conocidos con el rodillo multitermopar [27] y la sonda de temperatura datapaq.

Figura 10. Distribución de caudales volumétricos de esmalte con control manual y automático

Figura 11. Medida de gradientes transversales de temperatura con el rodillo sensorizado

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El rodillo multitermopar externamente tiene la apariencia de un rodillo metálico convencional, pero en el interior dispone de unos termopares (Figura 11) con los que es posible medir el perfil transversal en una zona del horno, en la parte inferior y en continuo (Figura 12). Cualquier cambio o maniobra en el horno (modificación de la temperatura de consigna, presión del aire, diámetro o tipo de tobera de los quemadores, etc.) afecta al perfil de temperatura y, mediante este sistema, puede analizarse inmediatamente esta influencia. Si se desea estudiar otra zona del horno sólo debe cambiarse la posición del rodillo.

La sonda de datapaq informa de la curva de temperatura completa, en diferentes posiciones a lo ancho del horno y en unas determinadas condiciones de operación del mismo. Consiste en un dispositivo electrónico convenientemente aislado térmicamente, al que se conectan una serie de termopares que se sitúan sobre las piezas. El conjunto se introduce en el interior del horno y con él se obtiene la distribución de temperatura de forma análoga a como lo hace la sonda utilizada en los secaderos y comentada anteriormente. dependiendo de la colocación de los termopares puede registrarse la temperatura de la superficie superior de la pieza como la inferior. El principal inconveniente del equipo es la preparación de la medida, que es laboriosa, y la dificultad de garantizar que la introducción de la sonda no perturbe demasiado la distribución de temperaturas, en particular que no se cree ningún “hueco” en el horno.

Con todo, las curvas de temperatura, presión y porcentaje de oxígeno no son las variables del producto cocido. Las variables que realmente se deben controlar son las dimensiones (calibres y descuadres), curvaturas y aspecto visual (tonos, defectos superficiales y roturas). El problema en muchos casos es la medida en continuo de estas propiedades a la salida del horno, debido a las elevadas temperaturas que tienen las piezas en este punto y/o al hecho de que algunas de estas propiedades pueden modificarse con el tiempo (curvaturas diferidas).

En la actualidad existen dispositivos para la medida en continuo de las dimensiones y, en principio, sería posible tener información del aspecto visual. Se han realizado también trabajos en los que se ha estudiado la relación entre las variables térmicas y las curvaturas [28]. Sin embargo, aunque se dispone de recursos técnicos capaces de medir en continuo las propiedades de las baldosas cocidas a la salida del horno y se conoce, en muchos casos, la zona del horno que incide sobre la característica final del producto, no se ha conseguido un control automático del mismo. El mayor problema estriba en definir las variables sobre las que actuar y los “efectos secundarios”

Figura 12. Gradientes transversales de temperatura en el interior del horno

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de estas actuaciones. Así, por ejemplo, la modificación de la temperatura en una zona del horno para corregir calibres podría afectar a la tonalidad de las piezas. El control de las curvaturas, especialmente de las irregulares, es todavía más complejo [29,30,31].

2.7. CLASIFICACIÓN

La clasificación es una de las etapas que últimamente ha sufrido cambios más significativos desde el punto de vista del control automático. La llegada de los primeros equipos de clasificación automática (Surface Inspection y massen) [32,33] ha hecho que muchos fabricantes de maquinaria ofrezcan sus propios equipos de clasificación. varios factores han provocado el reciente éxito de este tipo de equipos: desarrollo de ordenadores rápidos, complejos programas de ordenador y cámaras de alta resolución.

La clasificación de baldosas cerámicas es un proceso complejo porque tiene en cuenta una serie de apreciaciones, sobre todo estéticas, que son difícilmente cuantificables en términos matemáticos, comprensibles para un ordenador. En la actualidad, para determinados tipos de modelos, los errores de los sistemas de clasificación automáticos son inferiores a los cometidos por el personal de clasificación el cual, debido a la fatiga provocada por esta labor, no puede discernir los defectos cromáticos tras un periodo corto de trabajo.

2.8. SITUACIÓN gENErAL

En la tabla 1 se resume la situación de la medida y automatización en las diferentes etapas del proceso de fabricación de baldosas cerámicas. En la misma se aprecia que el grado de automatización no es igual en todas las etapas del proceso de producción, como se ha comentado anteriormente.

En algunas de ellas aún no es posible la medida en continuo de la variable a controlar (por ejemplo el residuo durante la molienda), paso previo para abordar la automatización. En estos casos es necesario un esfuerzo adicional de I+d para encontrar el elemento sensor adecuado para medir y, posteriormente, abordar el control automático de la operación.

En otros casos ya es posible la medida en continuo de la variable pero no se ha conseguido mantener en los valores de consigna de forma automática; el caso por ejemplo de la temperatura y humedad de las piezas a la salida del secadero. En estos casos el esfuerzo a realizar es menor que en el anterior, ya que la tecnología de medida está a punto.

Finalmente en algunas etapas se ha conseguido controlar de forma automática alguna de las variables más interesantes; es por ejemplo el caso del secado de las suspensiones por atomización, en el que es posible, de forma automática controlar el valor del contenido en humedad del polvo de prensas. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el grado de implantación de los sistemas de control a escala industrial es muy bajo, como se aprecia en la Tabla 1. Existe por tanto una oportunidad de implantar controles automáticos en muchas de las etapas del proceso de producción. Esta oportunidad no puede desaprovecharse ya que, además de aportar información sobre su desarrollo, el control automático contribuirá a disminuir los costes de producción y a aumentar la calidad del producto final, incrementando la competitividad de las empresas.

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Etapa Variablemedida Medida*

Tecnología de medida en

continuoVariable

manipuladaManipu-lación*

Grado de im-plantación

Molienda

densidad de la suspensión A sensor de efecto

Coriolis caudal de agua A bajo

viscosidad de la suspensión A sensor

vibrantecaudal de

desfloculante m -

rechazo m - varias m -

Atomización

caudal de la suspensión A sensor electro-

magnéticopresión de las

bombas m -

humedad del polvo

atomizadoA sensor de

infrarrojos

válvula del quemador-

temperatura de los gases

A medio

Prensado

humedad del soporte A sensor de

infrarrojos presión máxima A bajo

densidad aparente del

soportem - presión máxima m -

Secado

temperatura del soporte A Pirómetro

ópticotemperatura-

distribución de los gases

m -

humedad del soporte A sensor de

radiofrecuenciatemperatura de los gases-ciclo

secadom -

Esmaltado

caudal del esmalte A sensor electro-

magnéticoapertura de la

válvula A bajo

densidad del esmalte m - cantidad de

agua m -

viscosidad del esmalte m - cantidad de

agua-aditivos m -

Decoración

aspecto visual de la pieza decorada

A/m** cámara CCd varias m -

varias m - varias m -

Cocción

dimensiones de la pieza A CCd lineal temperatura-

otras m -

curvatura de las pieza A telémetros láser

y ultrasónicos temperatura-

otras m -

aspecto visual de la pieza m -

Temperatura-ciclo-aire que-

madoresm -

Clasificación

dimensiones ycurvatura de la

piezaA CCd lineal y

telémetros --- A Alto

aspecto visual de la pieza A/m*** cámaras CCd --- A medio

(*)A: Automática; M: Manual (**) la inspección automática en la línea de decoración se encuentra en una faseincipiente de desarrollo (***) en algunos casos la clasificación automática todavía no es completamente fiable

Tabla 1. Estado del arte en la medida y control de las variables de producto en las diferentes etapas de la fabricación de baldosas cerámicas

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3. CONTROL AUTOMÁTICO DE LA OPERACIÓN DE PRENSADO. UNA REALIZACIÓN YA IMPLANTADA A ESCALA INDUSTRIAL

En el último apartado de este trabajo se va a analizar con cierto detalle un ejemplo práctico y reciente de control automático de las variables de producto. El estudio que se va a presentar aborda el control automático de la densidad aparente de los soportes de gres porcelánico a la salida de la prensa.

Para alcanzar este objetivo ha sido necesario completar cada una de las siguientes etapas: planteamiento del problema, conocimiento del proceso, selección de la instrumentación adecuada, comprobación de la eficacia de la instrumentación elegida e implementación y validación a escala industrial del sistema de control.

3.1. PLANTEAmIENTo dEL ProbLEmA

3.1.1. Problemática asociada a la presencia de calibres

El defecto más importante asociado a la falta de estabilidad dimensional de las baldosas cerámicas es la presencia de calibres, los cuales suponen una falta de estabilidad dimensional entre diferentes piezas de un mismo producto.

La clasificación del producto final se realiza atendiendo a cuatro aspectos: aspecto superficial, curvatura, tonalidad y tamaño o calibre. Si se admite la existencia de tres clases para el aspecto superficial de las piezas (primera, segunda y tipo único), dos para la tonalidad y tres para el tamaño, el número total de clases por modelo es de 13. Si a esto se añade la gran variedad de modelos que suele fabricar una empresa, se llega a una situación en la que el número de referencias a gestionar es muy elevado.

La existencia de calibres disminuye el margen de beneficios; en efecto, el material que no es del tamaño deseado, a veces, no puede venderse con facilidad o debe venderse a un precio menor, siendo el coste para producirlo idéntico al del tamaño deseado. Adicionalmente la disminución del número de calibres facilita la manipulación del producto acabado, reduce el espacio destinado al almacenamiento, disminuye la posibilidad de reclamación por tamaños (lo cual incide negativamente sobre la imagen de la empresa al margen de ocasionar gastos adicionales directos) y reduce las posibilidades de equivocación en la preparación de los pedidos. Asimismo, un control estricto de las dimensiones redunda en ahorro de abrasivos de rectificación.

3.1.2. Origen de los calibres

En trabajos de investigación anteriores [34, 35, 36] se ha puesto de manifiesto que la falta de estabilidad dimensional de las baldosas se debe a un incorrecto desarrollo de las operaciones de prensado y/o cocción. En el caso de las baldosas de gres porcelánico los calibres se deben, fundamentalmente, a las variaciones de la compacidad media en seco que pueden existir entre los soportes crudos, ya que estas diferencias no pueden corregirse durante la cocción[5]. La operación de prensado adquiere una especial relevancia en el caso del gres porcelánico mayor, siendo también importante, que en las piezas de pavimento y, evidentemente mucho mayor que en los azulejos, para los cuales el tamaño final es prácticamente independiente de la densidad aparente de los soportes.

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La humedad del polvo de prensas presenta fluctuaciones que pueden dar lugar a diferencias de la densidad aparente media en crudo entre piezas y, que por lo tanto, pueden originar la aparición de calibres en el producto final.

3.2. CoNoCImIENTo dEL ProCESo. rELACIÓN ENTrE vArIAbLES

durante la cocción, las piezas de gres porcelánico experimentan una disminución de su tamaño, a la vez que se va reduciendo su porosidad abierta. El valor de la contracción lineal alcanzada por la pieza durante la cocción determina su tamaño final y depende exclusiva y linealmente de la densidad aparente en seco y crudo del soporte. En trabajos anteriores [5] se ha constatado que, para la absorción de agua requerida por las piezas de gres porcelánico (inferior a 0,01 %), su contracción lineal es prácticamente independiente de la temperatura máxima de cocción. Así pues, la contracción lineal de una composición podrá estimarse a partir de la densidad aparente en seco y crudo de los soportes de acuerdo con la siguiente ecuación:

Ecuación 1 CL = mdap + n

donde:

CL: contracción lineal (%)dap: densidad aparente en seco del soporte (kg/m3) m y n: parámetros empíricos de ajuste

La ecuación 1 constituye el diagrama de gresificación generalizado de las composiciones de gres porcelánico. Este diagrama permite conocer el valor de la densidad aparente objetivo que proporcionaría piezas de un determinado tamaño, así como el margen máximo de variación permitido en la densidad aparente en seco para no tener calibres. En la Figura 13, se representan los resultados experimentales y los calculados según la ecuación 1 (línea continua) observándose una buena correlación entre los valores experimentales y los teóricos.

Figura 13. Diagrama de gresificación industrial de una composición de gres porcelánico

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La segunda parte de la caracterización consiste en establecer la relación entre la presión de prensado, la humedad del polvo de prensas y la densidad aparente en seco de las piezas conformadas (diagrama de compactación). Para obtener el diagrama de compactación de un polvo atomizado se conforman probetas cilíndricas en una prensa hidráulica de laboratorio en diferentes condiciones de presión y humedad. Las probetas se secan en una estufa de laboratorio a 110 ºC hasta pesada constante y, posteriormente, se determina su densidad aparente por inmersión en mercurio.

Los resultados experimentales se ajustan a una ecuación del tipo:

Ecuación 2 dap = (aH + b) lnp + cX + d

donde:

dap: densidad aparente de las probetas crudas y secas (kg/m3)H: humedad del polvo atomizado medida en base seca (%)p: presión máxima de prensado (kgf/cm2)a, b, c, d: parámetros empíricos de ajuste obtenidos en el laboratorio

En la Figura 14 se representan los resultados experimentales y los calculados según la Ecuación 2 (líneas continuas) observándose una buena correlación entre los valores experimentales y los teóricos.

3.3. SELECCIÓN y vALIdACIÓN dE LA INSTrUmENTACIÓN EmPLEAdA

Los trabajos se han desarrollado en una prensa hidráulica de las que habitualmente se utilizan para llevar a cabo el conformado de los soportes de baldosas cerámicas. La medida en continuo de la humedad del polvo de prensas se ha realizado utilizando un sensor basado en la absorción de la radiación infrarroja por parte de las moléculas de agua que contiene un sólido [37] (Figura 15).

Figura 14. Diagrama de compactación de laboratorio de una composición de gres porcelánico

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El equipo ha sido calibrado en las condiciones reales de operación para establecer una relación entre la señal proporcionada por éste y la humedad real del soporte prensado. La desviación típica de los valores estimados a partir del calibrado, para un intervalo de confianza del 85% es de 0,1%, suficiente para la precisión requerida a la hora de abordar el control automático de la operación de prensado.

En la Figura 16 se representa el diagrama de bloques del control anticipativo diseñado para llevar a cabo la automatización de la operación de prensado. La humedad de las baldosas a la salida de la prensa (H) es medida mediante un sensor de infrarrojos. El valor medido (Hm) es enviado al ordenador, que dispone también de la densidad objetivo (dap,obj). A partir de Hm, dap,obj y del diagrama de compactación, el ordenador estima una presión máxima de consigna, que es enviada al ordenador de la prensa.

En la Figura 17 se muestra la interfaz de usuario del software de control. En ella puede distinguirse, por una parte, un grupo denominado “Datos” en el que se visualiza para cada una de las piezas que pasa por debajo del sensor su humedad (“Humedad”), la presión máxima de prensado medida por la prensa (“Pres.med.”), la

Figura 15. Medida en continuo de la humedad de los soportes recién prensados

Figura 16. Diagrama de bloques del control anticipativo

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densidad aparente estimada con el diagrama de compactación industrial (“Dens.Sec.”), la densidad aparente objetivo (“Dens.Obj.”) y la presión estimada de prensado calculada por el programa (“Pres.est.”) para mantener constante la densidad aparente en seco de los soportes recién prensados.

Por otra parte, en el grupo “Acción” existen dos botones destinados a arrancar y parar el sistema de adquisición de datos y un tercer botón habilitado para activar o desactivar el control automático de la operación de prensado.

Antes de implantar el sistema de control anticipativo es necesario verificar la validez del sistema para estimar la densidad aparente de los soportes. Para ello se realizó un seguimiento de la densidad aparente estimada por el sistema (dap estimada) y la medida por el método de inmersión en mercurio, considerándose como real esta última (dap real) (Figura 18). El error obtenido para un intervalo de confianza del 95% fue de ± 4 kg/m3 (barras de la Figura 18). Esta precisión se considera suficiente ya que, en trabajos anteriores se ha comprobado que el margen máximo de variación de la densidad aparente para que no aparezcan calibres en piezas de gres porcelánico es de ±10 kg/m3.

Figura 17. Interfaz de usuario de la aplicación de control de densidad aparente

Figura 18. Estimación de la densidad aparente de los soportes recién prensadosmediante el diagrama de compactación industrial

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3.4. ImPLEmENTACIÓN A ESCALA INdUSTrIAL. vALIdACIÓN dEL SISTEmA dE CoNTroL.

Como se ha indicado anteriormente, la principal causa de la variabilidad de la densidad eran los cambios en la humedad del polvo atomizado. En la Figura 19 se muestra la evolución de la humedad de los soportes recién prensados durante 16 h (eje de la izquierda y trazo azul). Las zonas del gráfico en las que aparecen huecos corresponden a periodos de paro de la prensa. En la misma se han trazado los límites de especificación (líneas de trazos rojos) fijados a partir del valor medio de la humedad registrado durante el periodo analizado. dichos límites representan la variación máxima que puede alcanzar el contenido en humedad del soporte sin que aparezcan calibres, de acuerdo con las tolerancias permitidas para el tipo de producto fabricado. En esta figura se aprecia que el contenido en humedad de los soportes durante el periodo analizado, se encuentra dentro de los límites de especificación.

No obstante el sistema de control diseñado compensa las variaciones en el contenido de humedad modificando la presión máxima de prensado, para mantener constante la densidad aparente del soporte. En la Figura 19 se muestra la evolución de la presión de prensado (eje de la derecha y trazo marrón), calculada a partir de la humedad y de la Ecuación 2. Se observa cómo, a medida que la humedad disminuye, es necesario incrementar la presión de prensado.

En la Figura 20 se muestra la clasificación de las piezas fabricadas en las condiciones de presión y humedad recogidas en la Figura 19. En la misma se aprecia que todas las piezas producidas son del mismo calibre y que la distribución de tamaños se encuentra prácticamente centrada alrededor del calibre central (calibre A), reflejando la eficacia del sistema de control de la prensa diseñado para mantener constante la densidad aparente media de los soportes recién compactados.

Figura 19. Evolución de la humedad de los soportes recién prensados y de la presión máxima de compactaciónmodificada por el sistema de control para mantener la densidad aparente constante

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La utilización del sistema de control automático durante 6 meses mejoró en un 17 % el porcentaje de calibre central con respecto al control habitual (manual), pasando de una valor medio del 75% al 92%, mejorándose en general la clasificación del producto final. En efecto, tal y como se aprecia en la Figura 21, donde se compara la calidad de la clasificación obtenida con y sin el sistema de control automático, se observa una importante mejora. Las partidas con 3 o más calibres prácticamente desaparecen ya que se reducen del 24% al 5%, mientras que se ha aumentado hasta un 65% la proporción de partidas con más del 95% de sus piezas en el calibre deseado cuando, operando de la forma habitual, sólo se conseguía un 6% de partidas con este requisito.

Figura 20 Clasificación por tamaños de las piezas fabricadas con el sistema de control automático activado(3000 m2, de tamaño nominal 45 x 67.5 cm).

Figura 21. Análisis de la calidad de las clasificaciones (gres porcelánico de formato 45 x 67.5 cm).

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Finalmente resaltar que se ha multiplicado por 5 la proporción de partidas con calibre único, pasando del 6 al 30%.

En la actualidad el sistema de control descrito se está utilizando desde hace más

de un año en todas las prensas en las que la empresa fabrica gres porcelánico. En este periodo, el porcentaje medio de calibre central para todas las partidas fabricadas se ha situado en el 90%, notándose una ligera disminución del porcentaje de calibre central al aumentar el número de piezas prensadas por golpe, es decir cuando más pequeño es el formato de las mismas.

El sistema propuesto se está implantando en prensas que fabrican piezas de pavimento y de azulejo, tanto de pasta blanca como de pasta roja, estando en este momento en el proceso de evaluación de los resultados obtenidos.

La experiencia práctica ha demostrado la eficacia del sistema de control de densidad aparente mediante la medida de la humedad y conveniente modificación de la presión máxima. Esta experiencia es una propuesta madura y demostrable, del ITC al sector cerámico en el marco de la optimización del proceso de fabricación.

4. AGRADECIMIENTOS Con este trabajo se ha pretendido dar una visión general de la situación actual

y de las perspectivas de futuro de la instrumentación y del control automático en el proceso de fabricación de baldosas cerámicas. La mayor parte de los estudios recopilados en este trabajo han sido desarrollados por el ITC, en colaboración con diferentes empresas del sector cerámico. Por tanto mi agradecimiento a todo el personal del ITC que ha participado directa o indirectamente en los mismos, así como a las empresas y organismos estatales que, con su apoyo económico, han posibilitado que meras ideas se conviertan en productos útiles para los fabricantes de baldosas cerámicas.

En especial quiero agradecer la colaboración de mis compañeros del ITC, José Luís Amorós, domingo Llorens, vicente Cantavella y Juan boix, que con sus comentarios, discusiones y sugerencias, han facilitado la elaboración de este trabajo.

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