diseño de un sistema de control de una máquina moldeadora de plástico utilizando un plc
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE UNA MÁQUINA MOLDEADORA DE PLÁSTICO UTILIZANDO UN CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia para optar al Grado Académico de Ingeniero Electricista
Autores:
BR. ANZOLA, Leonardo
BR. ZAMBRANO, Antonio
Tutor:
PROF. PARRA, Francisco
MARACAIBO, SEPTIEMBRE DE 2013
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE UNA MÁQUINA MOLDEADORA DE PLÁSTICO UTILIZANDO UN CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
Firma: ____________________
Br. Anzola Escobar, Leonardo Jesus C.I.: 19.451.189
Telf.: 0424-6385515 [email protected]
Firma: ____________________
Br. Zambrano Caballero, Antonio José C.I.: 20.275.657
Telf.: 0424-6496176 [email protected]
MARACAIBO, SEPTIEMBRE DE 2013
APROBACION
Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado Diseño de un sistema de control de una máquina moldeadora de plástico utilizando un controlador lógico programable que el Br. Leonardo Jesús Anzola Escobar., C.I.: 19.451.189 y Br. Antonio José Zambrano Caballero., C.I.: 20.275.657 presentan ante la ilustre Universidad del Zulia,
como requisito para optar al Grado Académico de Ingeniero Electricista.
________________________ Prof. Francisco Parra
C. I.: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _______________________ _______________________ Prof. Cesar Álvarez Prof. Jacobo Ramírez C. I.: _ _ _ _ _ _ _ _ _ C. I.: _ _ _ _ _ _ _ _ _
MARACAIBO, SEPTIEMBRE DE 2013
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Br. Leonardo Jesús Anzola Escobar y Br. Antonio José Zambrano Caballero. Diseño de un sistema de control de una máquina moldeadora de plástico utilizando un controlador lógico programable. Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Maracaibo, 2013, 138p.
RESUMEN
El presente trabajo de grado consiste en el diseño de un sistema de control que pueda ser implementado en una máquina moldeadora de plástico, para esto es utilizado un Controlador lógico Programable debido a la gran utilidad que estos tienen para la automatización y control de un proceso. El desarrollo general de este trabajo se basó fundamentalmente en el conocimiento de la máquina moldeadora de plástico, la determinación de las variables de control y el desarrollo del sistema de control. A partir de una revisión documental y de entrevistas realizadas al personal de la empresa Industrias Kinzelmann C.A, se obtuvo la información necesaria para la automatización de una máquina de inyección de husillo reciprocante. La implementación del controlador Allen Bradley Micrologix 1500 brinda buenos resultados ya que sus características permiten abarcar todas las exigencias del proceso de la máquina. Los controladores PI de temperatura del cilindro de inyección, brindan una estabilidad al sistema, en donde se logran sobrepicos menores al 12% del setpoint, el cual es aceptable para los diferentes tipos de materiales utilizados para la fabricación de piezas plásticas. A partir del uso de los programas Rslogix 500, RsLinx, Rslogix Emulate 500 y Rsview32 se logró verificar mediante simulaciones el correcto funcionamiento del proceso de la máquina y además una mejor comprensión de las diferentes variables y dispositivos que intervienen en dicho proceso. Palabras Clave: moldeado de plástico, sistema de control, PLC (Controlador Lógico Programable).
v
Br. Leonardo Jesús Anzola Escobar and Br. Antonio José Zambrano Caballero. Design of a control system from a plastic molding machine using a programmable logic controller. Special Degree. University of Zulia. Faculty of Engineering. Electrical School. Maracaibo, 2013, 138p.
ABSTRACT The present work of degree involves the design of a control system that can be implemented in a machine of plastic curling, for this is used a programmable logic controller due to the great usefulness to automation and control of a process. The overall development of this work is mostly based on the knowledge of the curling machine of plastic, the determination of the control variables and the development of the control system. On the basis of a literature review and interviews the company's staff Industries Kinzelmann C.A, was obtained the information necessary for the automation of an injection machine spindle reciprocating. The implementation of the controller Allen Bradley Micrologix 1500 gives good results since its features allow cover all the requirements of the process of the machine. The controllers PI of temperature of the injection cylinder provide stability to the system, where it is achieving overshoots minors to 12% of the setpoint, which is acceptable for the different types of materials used for the manufacture of plastic parts. From the use of the programs Rslogix 500, RsLinx, Rslogix Emulate 500 and Rsview32 was achieved through simulations verify the correct operation of the process of the machine and also a better understanding of the different variables and devices that are involved in this process. Keywords: plastic molding, control system, PLC (Programmable Logical Controller).
vi
DEDICATORIA
Principalmente a Dios por permitirnos llegar a alcanzar esta meta tan importante,
por los buenos y malos momentos que nos ha regalado en la vida. A nuestras madres
por ser las personas que nos han acompañado durante todo nuestro trayecto estudiantil
y de vida guiándonos y apoyándonos en todo momento. A nuestros padres quien con
sus consejos han sabido guiarnos para culminar esta carrera profesional. A nuestros
hermanos por brindarnos su apoyo en todo momento, nuestros tíos, y nuestros
abuelos. A los profesores que nos brindaron apoyo en especial nuestro tutor Prof.
Francisco Parra, por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría que nos
transmitieron en el desarrollo de nuestra formación profesional. A nuestros sobrinos que
han sido lo más bello que nos ha regalado la vida hasta este momento. Y a todos
aquellos amigos y compañeros que estuvieron con nosotros a lo largo de nuestra
carrera universitaria, en especial a mi compañero de tesis respectivamente.
Leonardo Jesus Anzola Escobar
Antonio José Zambrano Caballero
vii
AGRADECIMIENTO
En primer lugar damos infinitamente gracias a Dios, por la fuerza y el valor
brindado para culminar esta etapa de nuestras vidas.
Agradecemos también la confianza y el apoyo brindado por parte de nuestras
madres, que sin duda alguna nos han demostrado su amor incondicional,
convirtiéndonos en mejores personas, celebrando nuestros triunfos y levantándonos en
nuestras caídas.
A nuestros hermanos, que con sus consejos nos han ayudado a afrontar los
retos que se nos han presentado a lo largo de la vida.
A nuestros padres, que al igual que nuestras madres nos han apoyado y guiado
en todo momento incondicionalmente. Y sabemos que ambos están orgullosos de las
personas en las cuales nos hemos convertido.
Agradecemos especialmente a nuestros primos, tíos y abuelos, que nos
brindaron su apoyo en el transcurso de nuestra carrera universitaria, por compartir
momentos de alegría, tristeza y demostrarnos que siempre podremos contar con ellos.
Al Prof. Francisco Parra por toda la colaboración brindada, durante la elaboración
de este proyecto.
A Industrias Kinzelmann C.A. por abrirnos las puertas y brindarnos todo su apoyo
y sus conocimientos en el área, siendo estos un pilar fundamental en el desarrollo de
este trabajo.
Finalmente queremos agradecernos respectivamente por cada una de nuestras
valiosas aportaciones que hicieron posible este proyecto y por la gran calidad humana
que hemos demostrado en esta amistad uno por el otro.
Leonardo Jesus Anzola Escobar
Antonio José Zambrano Caballero
viii
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ................................................................................................................................. iv
DEDICATORIA ........................................................................................................................... vi
AGRADECIMIENTO .................................................................................................................. vii
TABLA DE CONTENIDO .......................................................................................................... viii
LISTA DE TABLAS .................................................................................................................... xii
CAPITULO I: EL PROBLEMA .................................................................................................... 3
1.1. Planteamiento del problema ........................................................................................ 4
1.1.1. Pregunta de investigación...................................................................................... 5
1.2. Objetivos de la investigación ....................................................................................... 5
1.2.1 Objetivo general .......................................................................................................... 5
1.2.2. Objetivos específicos ................................................................................................. 6
1.3. Justificación ................................................................................................................. 6
1.4. Alcance ....................................................................................................................... 7
1.5. Delimitación ................................................................................................................. 7
CAPÍTULO II: MARCO TEORICO .............................................................................................. 8
2.1. Antecedentes de la investigación ..................................................................................... 9
2.2. Bases teóricas ................................................................................................................ 11
2.2.1. Plástico .................................................................................................................... 11
2.2.2. Tipos de plástico ...................................................................................................... 12
2.2.3 Moldeo de plástico .................................................................................................... 17
2.2.4 Métodos para el moldeado de plástico ...................................................................... 17
2.2.5 Máquina inyectadora de plástico ............................................................................... 26
2.2.6 Sistemas de Control .................................................................................................. 36
2.2.6.2 Sistema de control a lazo cerrado .......................................................................... 38
2.2.7 PID (Proporcional Integral derivativo) ........................................................................ 40
2.2.8 Variables ................................................................................................................... 42
2.2.9 Elementos primarios ................................................................................................. 44
2.2.10 Elementos finales de control ................................................................................... 45
2.2.11 Controlador lógico programable (PLC) .................................................................... 47
CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO .............................................................................. 62
ix
3.1. Tipo de investigación ...................................................................................................... 63
3.2. Diseño de la investigación .............................................................................................. 64
3.3. Técnicas de recolección de datos................................................................................... 65
3.3.1 Revisión documental .......................................................................................... 66
3.3.2 Entrevista no dirigida ........................................................................................... 66
3.4. Instrumentos de recolección de datos ............................................................................ 67
3.4.1 Cuaderno de notas ................................................................................................... 67
3.4.2 Guía de entrevistas ................................................................................................... 67
3.5. Fases de la investigación ............................................................................................... 67
CAPÍTULO IV ........................................................................................................................... 72
4.1.1. Descripción de la Máquina de Inyección de Husillo Reciprocante ............................ 73
4.1.2. Variables y dispositivos que intervienen en el proceso. ............................................ 76
4.1.3. Estructura de control de las variables involucradas en el proceso de la máquina 79
4.2. Diagrama de Flujo .......................................................................................................... 92
4.2.1 Cierre de molde ........................................................................................................ 92
4.2.2. Inyección de material ............................................................................................... 93
4.2.3. Carga de material .................................................................................................... 94
4.2.4 Apertura del molde y extracción de la pieza inyectada .............................................. 94
4.4. Selección del autómata programable .......................................................................... 96
4.4.1. Entradas y salidas .................................................................................................... 98
4.4.2. Módulos de expansión ........................................................................................... 100
.4.3. Programación .......................................................................................................... 105
4.5. Codificación del programa ............................................................................................ 105
4.6.- Depuración del software .............................................................................................. 113
Conclusiones .......................................................................................................................... 118
Recomendaciones .................................................................................................................. 120
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICA .......................................................................................... 121
ANEXO A: PROGRAMA PARA EL CONTROL DEL PROCESO ......................................... 120
ANEXO B: INTERFAZ Y CÓDIGO EN EL PROGRAMA RSVIEW32 ................................... 129
ANEXO C: MAQUINAS DE INYECCIÓN DE INDUSTRIAS KINZELMANN, C.A ................. 134
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Maquina convencional de extrusión con husillo…………………………………18
Figura.2. Proceso de extrusión-soplado……………………………………………………..20
Figura.3. Esquema de proceso de rotomoldeo……………………………………………..22
Figura 4. Prensa para moldeo de compresión……………………………………………...23
Figura 5.Proceso de termoconformado……………………………………………………...24
Figura 6 Representación esquemática de una extrusora de husillo sencillo…………....26
Figura 7. Partes de una tolva………………………………………………………………… 27
Figura 8. Husillo o tornillo de extrusión………………………………………………….......28
Figura 9.Resistencia tipo banda……………………………………………………………...29
Figura 10. Termocuplas tipo J, K, V………………………………………………………….30
Figura 11.Esquema de sistema de cierre hidráulico………………………………………. 31
Figura 12. Sistema de cierre de dos pistones……………………………………………… 32
Figura 13. Sistema mecanico-hidraulico de cierre………………………………………… 34
Figura 14 elementos básicos de un sistema de control…………………………………... 37
Figura.15. Curvas características para diversa no linealidades……………………….….40
Figura 16. Distribución física de un sistema típico de PLC…………………..……………49
Figura.17 Símbolos de algunos dispositivos de entrada digital típicos……………….….50
Figura 18 Símbolos de algunos dispositivos de entrada digital típicos…………………..50
Figura 19 Mapa de memoria simplificado de un PLC típico…………………………….…51
Figura 20 Distribución de una palabra en un PLC típico..........…………………………...51
Figura 21. Módulo de entrada típica en donde se muestran los dispositivos de
entrada…………………………………………………………………………….. 53
Figura 22.Flujo de información y señal de control en un sistema típico de PLC………. 53
Figura 23.Elementos básicos de programación con diagrama de contactos……….….. 57
Figura.24.Elementos básico de diagramas de funciones…………………………….…... 58
Figura 25.Ejemplo de un texto estructurado………………………………………….……. 59
Figura 26.Ejemplo del gráfico secuencial de funciones de cuatro motores………….…. 61
Figura 27.Instrucciones en donde se reflejan abreviaturas nemotécnicas……………... 61
Figura 28 Diagrama general de una máquina de inyección de husillo reciprocante….. 74
xi
Figura 29 Diagrama general del sistema hidráulico de una máquina de inyección con
unidad de inyección fija…………………………………………………….......…75
Figura 30 Proceso térmico de un cilindro de inyección.……………………………………80
Figura 31 Lazo de control del proceso térmico del cilindro de inyección………………...84
Figura 32 Ajuste automático o auto sintonía del controlador……………………………..85
Figura 33 Respuestas del sistema de control de temperatura del cilindro de inyección.86
Figura 34 Diagrama de las fases de operación y su tiempo, para una máquina de
inyección con la boquilla siempre apoyada sobre el molde…………………..91
Figura 35 Diagrama de flujo de cumplimiento de fase del proceso………………………93
Figura 36 Módulos de medición de temperatura con Termocuplas……………………..101
Figura 37 Módulos de medición de temperatura de entradas y salidas analógicas
respectivamente……………………………………………………..…………...102
Figura 38 Configuración de escalado para medición de temperatura con
Termocuplas………...……………………………………………………………103
Figura 39 Configuración de escalado para la captación de señales analógicas……....104
Figura 40 PLC virtual y módulos expansión que se deben utilizar en el proceso……..104
Figura 41 Escalones principales del programa……………………………………………107
Figura 42 Fragmento del programa principal…………………………………………… 109
Figura 43 Subrutinas de la secuencia de la máquina…………………………………….110
Figura 44 Subrutina Controles………………………………………………………………112
Figura 45 Ventana de parámetros del PID en el software RSlogix500….................... .113
Figura 46 Ventana del software RSlogix500 sin errores…………………………………114
Figura 47 Pruebas realizadas mediante el software RSview32…………………………116
Figura 48 Pruebas realizadas en donde se puede apreciar el proceso………………..116
Figura 49 Forzado de alarmas mediante le software RSview32………………………..117
xii
LISTA DE TABLAS Tabla 1. Actividades y Recursos…………………………...………………………………... 70
Tabla 2 Cronograma de Actividades.…………….......................................................... 71
Tabla 3 Dispositivos que intervienen en el proceso de la máquina de inyección……….77
Tabla 4 Variable del proceso de la máquina de inyección............................................. 78
Tabla 5 Variables a controlar en el proceso de la maquia de inyección........................ 79
Tabla 6 Temperatura de procesamiento de los diferentes materiales............................ 82
Tabla 7 Presiones correspondientes a la fase de inyección........................................... 88
Tabla 8 Presiones correspondientes a la fase de cierre................................................. 89
Tabla 9 Cambios que deben realizarse en cada fase del proceso dependiendo del
recorrido del molde del husillo……….................................................................90
Tabla 10 Características de los autómatas Allen Bradley vs Siemens…........................97
Tabla 11 Entrada digitales……….……………............................................................... 98
Tabla 12 Salidas digitales…………...…………….......................................................... 98
Tabla 13 Entradas analógicas…….……………............................................................ 99
Tabla 14 Salidas analógicas.……………...................................................................... 99
INTRODUCCIÓN
Venezuela cuenta con muchas fábricas de artículos de plástico los cuales son de
gran consumo y aceptación, dentro de ellos se pueden mencionar mesas, sillas,
juguetes, envases, etc. Hoy en día existen máquinas moldeadoras de plástico con
sistemas de control basados en lógicas de contactores y relés, técnicas antiguas que no
permiten una buena continuidad de la producción, debido a que cualquier cambio que
fuese necesario en el proceso, la lógica debe ser recableada para implementar dichos
cambios, siendo este uno de los más grandes inconvenientes de estas técnicas de
control que aún se implementan en muchas empresas del país.
Por el motivo expuesto en el párrafo anterior, el presente estudio está orientado
al desarrollo de un sistema de control para una máquina moldeadora de plástico, en el
cual se desea implementar un PLC por sus siglas en inglés Programmable logic
controller, ya que este presenta ciertas ventajas que permiten la optimización de
muchos procesos industriales.
La investigación constará de cuatro (4) capítulos los cuales serán estructurados
de la siguiente manera:
En el capítulo I se explicará el propósito de la investigación, presentando el
planteamiento del problema, los objetivos para su correspondiente desarrollo,
justificación de la investigación y la delimitación. De igual manera, el capítulo II,
presenta los antecedentes que aportan información relevante para el desarrollo de la
investigación, junto con las bases teóricas que contemplan los fundamentos básicos.
Siguiendo el mismo orden de ideas, se realizará el capítulo III, el cual abarcará
el marco metodológico de la investigación, que consiste en la búsqueda y levantamiento
de información, pasando por un proceso evaluativo, para poder especificar las mejoras
a implementar en el sistema de control de la máquina moldeadora. Así mismo se
2
realizará el capítulo IV, donde se analizarán los resultados obtenidos de las
simulaciones del programa que se aplicará en el PLC.
CAPÍTULO I: EL PROBLEMA
EL PROBLEMA
4
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
En el presente capítulo se expone el planteamiento del problema a partir del cual
se desarrolla la investigación, así como los objetivos trazados para resolverlo y la
justificación de la misma.
1.1. Planteamiento del problema
Con la invención del plástico en siglo XX los inversionistas e ingenieros de
Venezuela se han centrado en su desarrollo, debido a sus propiedades, como lo son: el
fácil moldeo, bajo costo de producción, baja densidad, impermeables la mayoría de las
veces, buenos aislantes eléctricos, resistentes a la corrosión y muchos otros factores
químicos. Gracias a estas características, se pueden llevar a cabo una serie de
productos los cuales son de gran consumo y aceptación en el país.
Una de las mayores ventajas del plástico es, el poder moldearlo al aplicarle calor
o presión para eliminar la resistencia a esfuerzos mecánicos, de esta manera, es ideal
para los diferentes procesos productivos ya que, en este estado, es cuando el material
puede manipularse de las distintas formas que existen en la actualidad.
Con la medida de desarrollo y con el objetivo de evitar contratiempos por razones
de fallas o modificaciones en sus sistemas antiguos de lógica de control mediante
contactores y relés, las industrias requieren automatizar las líneas de producción con la
finalidad de aumentarlas, perfeccionando la eficiencia y calidad de sus productos ya sea
por cualesquiera de los métodos de moldeo, los cuales, lo más conocidos y aplicados
son: por inyección, compresión, rotación, soplado, o la extrusión de perfiles o hilos.
Por otra parte, a medida que avanza la industria del plástico se necesitan
procesos más complejos y peligrosos que no podrían ser realizados en su totalidad por
personas, debido que involucran altas temperaturas para la fundición del plástico
5
ocasionando con esto un alto riesgo a los operadores. Es por ello que los procesos de
moldeado de plástico se automatizan para resguardar la seguridad de las personas
relacionadas en este y tener una mejor precisión al momento de controlar las variables,
de tal manera que se logre evitar el error humano.
Por todo lo antes expuesto, se planteó la exigencia de tener un mejor control y
precisión al momento de manipular las variables, y de esta manera aumentar la
producción de una máquina moldeadora de plástico evitando contratiempo en
recableado por motivo de cambio de lógica de control. Es por esto que surge la
necesidad de la optimización del sistema de control de una máquina moldeadora de
plástico en este caso por el método de inyección mediante un controlador lógico
programable.
1.1.1. Pregunta de investigación
¿De qué manera se puede diseñar un sistema de control de una máquina
moldeadora de plástico por el método de inyección utilizando un controlador lógico
programable?
1.2. Objetivos de la investigación
Los objetivos de la investigación se refieren a aquellos puntos nodales que
intervienen en la investigación. Los objetivos se clasifican en objetivos generales y
objetivos específicos. Habitualmente estos objetivos se dirigen a conocer las
características de un problema, explicar las posibles relaciones entre variables y a
anticipar fenómenos en los que intervienen.
1.2.1 Objetivo general
Diseñar un sistema de control de una máquina moldeadora mediante un
controlador lógico programable.
6
1.2.2. Objetivos específicos
Determinar el comportamiento actual de la maquinaria para el moldeado de
plástico por inyección.
Identificar las variables involucradas en el proceso de la máquina moldeadora de
plástico por inyección.
Establecer la estructura de control de las variables involucradas en el moldeado
de plástico por inyección.
Desarrollar la programación de control de proceso de la máquina moldeadora de
plástico por inyección para PLC.
Verificar el funcionamiento del software de la máquina por medio de
simulaciones.
1.3. Justificación
Debido a la gran demanda de artículos provenientes del plástico, las empresas
se ven en la necesidad de mantener una continuidad en la producción, por lo cual es
necesario el uso eficiente de las máquinas moldeadoras de plástico. Estas máquinas
destinadas a la producción en serie operaran 24 horas al día hasta 5 días a la semana;
muchas de ellas poseen sistemas de control antiguos diseñados bajo una lógica de
contactos y relés la cual hace más difícil la detección de fallas y futuros cambios que se
le deban realizar al proceso, trayendo como consecuencia el paro de la máquina,
pérdida de tiempo, pérdidas económicas, entre otras.
Por lo anteriormente expuesto, es de suma importancia proporcionarle a dichas
máquinas un sistema de control confiable, que permita mejorar el proceso de
producción, en donde se le pueda brindar al operador un fácil manejo de la máquina y
de esta manera agilizar los trabajos que se requieren. Los PLC´s cumplen un papel muy
importante en la automatización debido a las diferentes operaciones que puede realizar,
adaptabilidad a cambios, reducción de espacio, mínimo costo de aplicación por
mencionar algunas de las ventajas.
7
Implementar el uso de PLC en máquinas moldeadoras de plástico por el método
de inyección, traería grandes beneficios a la industria, ya que permiten una continuidad
en la producción, menor costo de mantenimiento y rápida detección de fallas las cuales
con los sistemas antiguos era algo complejo.
1.4. Alcance
Se desea llegar al desarrollo de un programa en lenguaje escalera que permita
mejorar el sistema de control de una máquina moldeadora de plástico por inyección
utilizando un Controlador Lógico Programable. Dicho sistema de control permitiría
ampliar la capacidad de producción de la máquina, evitando paros innecesarios de la
máquina y brindarle la seguridad necesaria al operador.
1.5. Delimitación
La investigación será desarrollada en la Universidad del Zulia (LUZ), Facultad de
Ingeniería, Escuela de Eléctrica, en el Departamento de Electrónica y Control.
Maracaibo, Estado Zulia. La misma se efectuara en el periodo comprendido entre
(Febrero) del 2013 y (Septiembre) del 2013.
Las áreas de conocimiento en la que está centrado el estudio son: Electrónica,
Sistemas de Control y Automatización de Procesos. Se encuentra sustentado
teóricamente por los siguientes autores:
Boylestad, Robert. Nashelsky, Louis. (2003). Electrónica: Teoría de Circuitos y
Dispositivos Electrónicos. Pearson Education. 8ª edición.
Mandado, Enrique. Acevedo, Jorge. Fernández, Celso. Quiroga, José. (2009).
Autómatas Programables y Sistemas de Automatización. Marconbo. 2ª edición.
Ogata, Katsuhiko. (2003). Ingeniería de Control Moderna. Pearson Education.
4ª edición
CAPÍTULO II: MARCO TEORICO MARCO TEÓRICO
9
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En el presente capitulo se encontrarán los antecedentes que aportan información
relevante para el desarrollo de la investigación, junto con las bases teóricas que
contemplan los fundamentos básicos para el desarrollo de este trabajo especial de
grado.
2.1. Antecedentes de la investigación
A continuación se realiza una síntesis de diversos trabajos de investigación,
vinculados en cierto punto con el presente trabajo. Dicho esto se cita las siguientes
investigaciones:
Jerónimo M. Harley W. “Automatización de una inyectora de plástico”. Trabajo
especial de grado para optar por el título de Ingeniero Mecánico Electricista.
Universidad de San Carlos de Guatemala. Facultad de Ingeniería. Guatemala, Abril de
2005.
En dicho estudio se realizó la automatización de una máquina moldeadora de
plástico por inyección, mediante el uso de un Controlador Lógico Programable. En
dicho trabajo se desarrolla la programación del controlador en lenguaje GRAFCET el
cual facilita un poco el trabajo a la hora de diseñar el programa en lenguaje escalera,
ya que se describe cada fase del proceso que realiza la máquina.
Este trabajo brinda un gran aporte a este tema de estudio ya que presenta una
serie de pasos a seguir para la automatización de la máquina de inyección,
especificando la secuencia que debe llevar el proceso y de esta manera mejorar el
sistema de control actual que posee la máquina. .
El trabajo presentado por Molina V. Edwin M. titulado “Diseño e implementación
del sistema de control para una inyectora de plástico”. Trabajo especial de grado para
10
optar por el título de Ingeniero en Electrónico y Control Escuela Politécnica Nacional.
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Quito, Mayo de 2009.
Dicho estudio plantea el diseño de un sistema de control para una máquina de
inyección de plásticos hidráulica. Las diferentes partes que componen la máquina de
inyección así como los diferentes parámetros involucrados en el proceso son
presentadas en este trabajo, además de la implementación del sistema de control
mediante PLC.
Uno de los aportes a este trabajo de grado es diseño del sistema de control
que aquí se presenta, en donde se utilizan subrutinas en el programa del PLC para
cada etapa del proceso de la máquina, permitiendo, de esta manera, una mejor
comprensión y lectura del programa así como la facilidad de corregir errores.
Otro trabajo destacado es el de Betancourt G. Carlos A. que lleva por título
“Diseño e implementación de un sistema de control mediante PLC para la
automatización de un proceso en una máquina de inyección de plástico en la empresa
industrias Uniplásticas c.a. Uniplast”, Trabajo especial de grado para optar por el título
de Ingeniero Electrónico. Universidad de Nueva Esparta. Facultad de Ingeniería.
Escuela de Electrónica. Caracas, Enero de 2012.
En dicho trabajo se presenta un estudio minucioso de la máquina de inyección
que lleva por nombre OMEGA. Esta máquina cuenta con un sistema de control
antiguo basado en una lógica de relés, presentando problemas en el funcionamiento
de diferentes componentes del tablero control. La lógica que actualmente posee dicha
máquina no permite algún cambio en el proceso de producción sin tener que realizar
un recableado del sistema de control, situación que conduce a un paro prolongado de
la máquina y de esta manera se ve afectada la productividad de la empresa. Al igual
que la empresa UNIPLAST, son muchas las empresas a nivel nacional que se
encuentran en esta situación, poseen máquinas moldeadoras de plástico con
sistemas de controles manuales o semiautomáticos y hasta con tres tableros de
control y se ven en la necesidad de mantener un operador monitoreando cada etapa
del proceso de producción.
11
El presente estudio facilita el entendimiento de las diferentes fases del proceso
de producción de las máquinas moldeadoras de plástico, las características que
presenta la máquina OMEGA es muy similar al estado de las máquinas a las cuales
se desea optimizar este trabajo de grado, esto permite darle un enfoque más general
al tema de estudio que se quiere desarrollar.
2.2. Bases teóricas
Para la elaboración de esta investigación es necesario el conocimiento de ciertos
términos y conceptos, los cuales son usados en el cuerpo de la automatización o
control de procesos de moldeado de plástico.
2.2.1. Plástico
Para Cornish (1997 p.8) los plásticos son un gran grupo de materiales
orgánicos que contienen como elemento principal el carbono, combinado con otros
ingredientes como el hidrogeno, oxígeno y nitrógeno. Es sólido en su estado final,
pero en alguna etapa de su manufactura es suficientemente suave para ser moldeado
por muchos sistemas por medio de calor y/o presión.
Para este material se encuentran una variedad de ventajas como las
siguientes:
Ligereza: los plásticos pesan poco, tienen densidades bajas en el rango de 830 a
2500 kg/m^3.
Elasticidad: soportan grandes esfuerzos sin fractura y recobran su forma original y
dimensiones cuando la fuerza es removida.
Resistencia a la fatiga: soportan esfuerzos mecánicos y regresan a su posición
original.
Bajo coeficiente de fricción: no se calientan mucho ante la fricción, aunque no
estén lubricados. Esta propiedad puede utilizarse en baleros o engranes.
12
Aislamiento térmico: la conductividad térmica de los plásticos no es buena por lo
que pueden ser utilizados para mangos de utensilios de cocina, o envases para
transportar líquidos calientes.
Resistencia a la corrosión: son muy buenos para soportar a los ácidos débiles y
soluciones acuosas saladas.
Costo: son muy económicos. Tomando en cuenta el volumen, la materia prima del
plástico es considerablemente más barata que la del metal.
Fáciles de fabricar: requieren poca mano de obra y la pieza sale con un alto nivel
de acabado
Absorben la vibración y el sonido
Son reciclables
No necesitan lubricación
2.2.2. Tipos de plástico
Para M. Beltran y A. Marcilla (2012 p.57). Los plásticos se pueden agrupar o
clasificar de maneras muy diferentes, si bien todas las posibles clasificaciones pueden
resultar en algún momento ambiguas y por lo general un mismo plástico se encuentra
en diferentes grupos. En este caso se muestra la clasificación propuesta por Crawford
(Plastics Engineering, 3rd ed., R. J. Crawford, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999)
que se basa en las propiedades más destacadas desde el punto de vista del diseño de
piezas y de selección del material para una aplicación determinada. De acuerdo con
esta clasificación a continuación se describen brevemente los principales tipos de
plásticos, sus propiedades y ejemplos de plásticos pertenecientes a cada tipo.
- Termoplásticos
Son polímeros lineales, que pueden estar ramificados o no. Puesto que no se
encuentran entrecruzados son polímeros solubles en algunos disolventes orgánicos,
son capaces de fundir y son, por tanto, reciclables. Si se compara con los demás tipos
de plásticos, los termoplásticos se fabrican y emplean en cantidades muy grandes y
13
entre ellos los más frecuentes son, polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS)
y policloruro de vinilo plastificado (PVC). De hecho, más de la mitad de la cifra total de
plásticos procesada corresponde a los cuatro plásticos citados.
Para que un polímero tenga aplicación como termoplástico debe tener una
temperatura de transición vítrea Tg (si se trata de un material amorfo), o una
temperatura de fusión Tm (si se trata de un material cristalino), superior a la
temperatura ambiente. Por lo general, los materiales termoplásticos presentan un buen
conjunto de propiedades mecánicas, son fáciles de procesar y bastante económicos. La
principal desventaja deriva del hecho de que son materiales que funden, de modo que
no tienen aplicaciones a elevadas temperaturas puesto que por encima de la Tg
comienzan a reblandecer, con la consiguiente pérdida de propiedades mecánicas.
- Plásticos de altas prestaciones (o plásticos ingenieriles)
Los plásticos de altas prestaciones son un grupo de termoplásticos que se
caracterizan por poseer unas propiedades mecánicas excepcionalmente buenas. En
principio la denominación de "materiales de altas prestaciones" se comenzó a utilizar
para aquellos materiales que pudieran sustituir satisfactoriamente a metales tales como
el aluminio en algunas aplicaciones, pero a diferencia de los metales, se ven muy
afectadas por la temperatura de trabajo y dado su marcado comportamiento visco
elástico, sus propiedades mecánicas son fuertemente dependientes del tiempo de
aplicación del esfuerzo. En este sentido todos los plásticos de altas prestaciones están
en desventaja comparados con los metales, sin embargo presentan grandes ventajas
sobre éstos, como baja densidad, resistencia a muchos líquidos que corroen a los
metales y se procesan más fácilmente y se pueden producir piezas con diseños más
complejos que con metales.
Los plásticos de altas prestaciones se obtienen por polimerización de
monómeros que incorporan anillos de benceno en la cadena del polímero y, por lo
general estos materiales resultan más caros y más difíciles de procesar que los demás
termoplásticos.
14
- Termoestables
Los termoestables son materiales que adquieren un estado final reticulado
(entrecruzado), que los hace insolubles e incapaces de fundir. A estos materiales se
llega partiendo de materias primas de bajo peso molecular de las que se obtiene, en
una primera fase, un producto intermedio (prepolímero), muy poco o nada reticulado,
todavía capaz de fundir y fluir, y por tanto de rellenar un molde. La reticulación espacial
que da lugar a la formación de la macromolécula termoestable tiene lugar por reacción
química (curado) durante el moldeo de la pieza. Puesto que no funden y no
reblandecen son materiales que presentan muy buenas propiedades a elevadas
temperaturas. Junto con su alta resistencia térmica presentan alta resistencia química,
rigidez, dureza superficial, buena estabilidad dimensional, entre otras ventajas sobre
otros materiales.
Sin embargo el empleo de estos materiales ha ido disminuyendo en los últimos
años. Existen numerosas razones por las que esto ha ocurrido. Los termoestables
requieren métodos de transformación lentos, puesto que la reacción de polimerización
tiene lugar dentro del molde. Los acabados son pobres comparados con los de la
mayoría de los termoplásticos; por lo general las resinas termoestables son bastantes
opacas y en muchos casos presentan cierta coloración amarillenta.
- Elastómeros
Los elastómeros o cauchos son generalmente compuestos que contienen dobles
enlaces (polibutadienos) en la cadena principal, de modo que las cadenas de polímero
se encuentran enrolladas sobre sí mismas, lo que les confiere gran flexibilidad. Estos
materiales son capaces de soportar deformaciones muy grandes recuperando su forma
inicial una vez que se elimina el esfuerzo. En los elastómeros suele producirse un
entrecruzamiento parcial de las cadenas para evitar que cada vez que estos materiales
se ven sometidos a un esfuerzo las moléculas se deslicen unas sobre otras, lo que
provocaría deformaciones irrecuperables.
15
Los elastómeros son materiales muy tenaces, resistentes a aceites y grasas y al
ozono, y presentan buena flexibilidad a bajas temperaturas. De hecho, todos los
elastómeros tienen temperaturas de transición vítrea inferiores a la temperatura
ambiente. Presentan, sin embargo, algunas de las desventajas de los termoestables:
requieren un procesado lento, lo que consume grandes cantidades de tiempo y energía,
y en principio no son reciclables.
En los últimos años se ha desarrollado un grupo de elastómeros conocidos como
elastómeros termoplásticos (TR). Estos elastómeros pueden estar reticulados de forma
química o física. En los reticulados químicamente la reticulación es reversible a altas
temperaturas, convirtiéndose en termoplásticos amorfos o semicristalinos. Tienen, por
tanto, el comportamiento de uso de los elastómeros y el comportamiento de fusión de
los termoplásticos. Los elastómeros reticulados físicamente consisten por lo general en
una mezcla de una matriz termoplástica, generalmente PP, mezclada con un caucho,
por lo general EPDM (caucho de etileno-propilenomonómero de dieno). La matriz
termoplástica permite que el material funda y sea moldeado, mientras que las partículas
de caucho contribuyen dando tenacidad y elasticidad al material. En general la
capacidad de deformación de los elastómeros termoplásticos es menor que la de los
demás elastómeros (elastómeros permanentes).
- Composites
Los Composites o plásticos compuestos, son materiales con muy buenas
propiedades mecánicas; elevada dureza y resistencia a la tracción. Están formados por
dos componentes inmiscibles que forman dos fases separadas, lo que les confieren
propiedades muy interesantes. Constan de una matriz, que se trata generalmente de un
polímero termoplástico, aunque ocasionalmente puede ser termoestables, y de una
carga, que se suele tratar de una fibra con muy buena resistencia a la tracción, por lo
general fibra de vidrio o de carbón.
Las propiedades de los materiales compuestos no sólo dependerán de las
características de cada componente, sino también de la naturaleza de la interface. En
16
estos materiales la carga o refuerzo mejora las propiedades de la matriz polimérica, de
modo que combinan las ventajas de los termoplásticos o termoestables, según se trate,
con las del refuerzo. En contraposición estos materiales resultan caros y su procesado
es más complejo que el de otros materiales.
- Plásticos espumados
Son por lo general termoplásticos con una estructura celular, que contienen
grandes proporciones de celdillas finas llenas de gas. Estas celdillas pueden ser
cerradas o abiertas. Las propiedades físicas de los materiales resultantes serán
intermedias entre las del sólido y las del gas. En los plásticos espumados se consigue
importantes reducciones de la densidad, conductividad térmica, propiedades
dieléctricas y disipación de energía acústica y mecánica.
En la mayoría de las propiedades de los plásticos espumados se cumple la ley
de mezclas. La densidad del material celular disminuye proporcionalmente a la fracción
volumétrica de la fase gaseosa. La conductividad térmica de los gases es muy inferior a
la de los sólidos, de modo que la transferencia de calor por conducción disminuye
linealmente al disminuir la densidad de la espuma. Igualmente la conductividad
eléctrica, la constante dieléctrica y las pérdidas dieléctricas disminuirán
proporcionalmente a la disminución de la densidad.
- Cristales líquidos
Los cristales líquidos (LCP) son termoplásticos basados en poliésteres
aromáticos que presentan estructuras altamente ordenadas al menos en una dirección
espacial, incluso en estado líquido o fundido. Cuando estos materiales son sometidos a
un esfuerzo las moléculas pueden deslizarse unas sobre otros, pero sin llegar a perder
nunca la estructura ordenada. Esta estructura tan especial les confiere propiedades
térmicas, mecánicas y ópticas excepcionales. Actualmente han despertado un gran
17
interés pues presentan amplias aplicaciones tecnológicas, especialmente en los
dispositivos de visualización gráfica.
2.2.3 Moldeo de plástico
El moldeo de los plásticos consiste en dar las formas y medidas deseadas a
un plástico por medio de un molde. El molde es una pieza hueca en la que se vierte el
plástico fundido para que adquiera su forma. Para ello los plásticos se introducen
mediante diferentes métodos a presión en los moldes deseados.
2.2.4 Métodos para el moldeado de plástico
A continuación se van a estudiar los métodos más empleados para la
transformación de plásticos, como son la inyección, extrusión, soplado, moldeo
rotacional, compresión y termoconformado. A continuación se da una visión general de
los diferentes procesos de transformación.
2.2.4.1 Moldeo extrusión
El proceso de extrusión se utiliza ampliamente en la industria de plásticos para la
producción en continuo de piezas con sección constante de materiales termoplásticos
(y algunos termoestables). Se utiliza también para recubrimiento de superficies y en el
moldeo por soplado y termoconformado para la obtención de las preformas. Consiste
en obligar a un material fundido a pasar a través de una boquilla o matriz que tiene la
forma adecuada, para obtener el diseño deseado. El equipo debe ser capaz de
proporcionar sobre el material suficiente presión de una forma continua, uniforme y
reblandecer y acondicionar el material de forma que pueda ser extruido. Para ello se
requiere de una máquina compuesta de un cilindro y un husillo o tornillo de
plastificación que gira dentro del cilindro, como se muestra en la Figura 1.
18
Figura 1. Maquina convencional de extrusión con husillo. Fuente: tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
El material granulado o en forma de polvo se carga en una tolva, desde la cual se
alimenta al cilindro, donde el husillo se encarga de introducirlo, transportarlo hacia
adelante y comprimirlo. El calentamiento hasta la fusión se realiza desde la cara exterior
del cilindro, mediante elementos calefactores y desde el interior por conversión del
esfuerzo en calor. De esta forma el material termoplástico funde (se plastifica) y al salir
del cilindro a través de una boquilla recibe la forma de ésta. En una línea completa de
extrusión, además debe existir un sistema de enfriamiento del material que sale de la
máquina, así como equipos de tensionado y recogida. El resultado es un perfil (a veces
se le llama semifabricado o preforma).
2.2.4.2 Moldeo por soplado
Mediante el proceso de soplado pueden fabricarse cuerpos huecos como son
depósitos de combustibles, bidones, tablas de surf, depósitos de aceite de calefacción y
botellas. El proceso consiste básicamente en insuflar aire en una preforma tubular
fundida que se encuentra en el interior del molde. Se emplea exclusivamente con
materiales termoplásticos. Para ello son necesarias dos piezas fundamentales: una
extrusora o una inyectora y una unidad de soplado. El funcionamiento del proceso de
soplado se esquematiza en la Figura 2, para el caso de la extrusión soplado.
19
La extrusora transforma el plástico en una masa fundida homogénea, como se
ha descrito anteriormente. El cabezal adosado a ella desvía la masa hasta la dirección
vertical, para después hacerla pasar por una boquilla que la convierte en una preforma
tubular. Esta preforma queda entonces pendiendo hacia abajo. El molde de soplado
consta de dos partes móviles con la forma del negativo de la pieza a moldear.
Una vez que la preforma tiene la longitud suficiente, el molde se cierra en torno a
ella. Seguidamente el molde se desplaza hacia la unidad de soplado donde el cabezal
de soplado penetra dentro del molde y de la preforma, de forma que el cabezal da
forma a la región del cuello del cuerpo hueco y al mismo tiempo le insufla aire. Esto
origina una presión que obliga al material a estamparse contra las paredes del molde,
adoptando la forma deseada. El molde debe permitir la evacuación del aire entre la
pieza la cavidad. La pieza se enfría en el molde de donde es extraída una vez que ha
adquirido la consistencia adecuada.
La extrusora transforma el plástico en una masa fundida homogénea, como se
ha descrito anteriormente. El cabezal adosado a ella desvía la masa hasta la dirección
vertical, para después hacerla pasar por una boquilla que la convierte en una preforma
tubular. Esta preforma queda entonces pendiendo hacia abajo. El molde de soplado
consta de dos partes móviles con la forma del negativo de la pieza a moldear. Una vez
que la preforma tiene la longitud suficiente, el molde se cierra en torno a ella.
Seguidamente el molde se desplaza hacia la unidad de soplado donde el cabezal
de soplado penetra dentro del molde y de la preforma, de forma que el cabezal da
forma a la región del cuello del cuerpo hueco y al mismo tiempo le insufla aire. Esto
origina una presión que obliga al material a estamparse contra las paredes del molde,
adoptando la forma deseada. El molde debe permitir la evacuación del aire entre la
pieza la cavidad. La pieza se enfría en el molde de donde es extraída una vez que ha
adquirido la consistencia adecuada
20
Figura.2. Proceso de extrusión-soplado Fuente: tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
21
2.2.4.3 Moldeo rotacional
El moldeo rotacional o rotomoldeo es un método para transformar plásticos, que
generalmente se encuentran en polvo o en forma de pasta líquida, para producir
artículos huecos. En este proceso el plástico frío funde sobre las paredes de un molde
metálico caliente que gira en torno a dos ejes, donde más tarde se enfría hasta que
adquiere consistencia para poder ser desmoldeado. Se puede emplear indistintamente
para materiales termoplásticos y termoestables.
En rotomoldeo, a diferencia de lo que ocurre con las demás técnicas de
transformación, el calentamiento y enfriamiento del plástico tienen lugar en el interior de
un molde en el que no se aplica presión. De una forma simple el proceso se puede
describir normalmente, tal y como se muestra en la Figura 3: Una cantidad de plástico
frío, se introduce en una mitad del molde también frío. El molde se cierra y se hace rotar
biaxialmente en el interior del horno. Como la superficie metálica del molde se calienta
el plástico que se encuentra en el interior comienza a pegarse por las paredes del
molde. Cuando el plástico ha fundido, la superficie interna del molde debe estar
completamente recubierta por el mismo. En ese momento puede comenzar la etapa de
enfriamiento mientras continúa la rotación biaxial del molde. Una vez solidificado el
plástico se abre el molde y se extrae la pieza.
El competidor directo del rotomoldeo para la fabricación de artículos huecos es el
soplado. Mediante rotomoldeo se pueden fabricar artículos más grandes que mediante
soplado, sin embargo, para piezas que pueden ser fabricadas por los dos procesos, el
soplado suele resultar más rentable que el rotomoldeo. El rotomoldeo presentan las
ventajas de que las piezas fabricadas pueden tener formas más complejas, se pueden
emplear simultáneamente moldes de distinto tamaño y forma, y además como no se
emplea presión los moldes resultan relativamente baratos y las piezas están libres de
tensiones. Por otra parte, en el caso del rotomoldeo los materiales deben estar
finamente pulverizados, las etapas de carga y descarga del material se realizan a mano
y los ciclos son relativamente lentos.
22
Figura.3. Esquema de proceso de rotomoldeo Fuente: tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
2.2.4.4 Moldeo por compresión
La industria transformadora de plásticos utiliza el moldeo por compresión para
moldear materiales termoestables. En la Figura 4 se muestra una prensa empleada en
moldeo por compresión. Puede considerarse que el ciclo comienza con la apertura del
molde para la extracción de la pieza obtenida en el ciclo anterior. Una vez limpio el
molde se colocan en él las inserciones metálicas si las hubiere y se introduce el material
de moldeo, bien en forma de polvo o en forma de pastilla; se cierra el molde caliente y
se aplica presión. En ocasiones se abre después un instante para permitir la salida de
humedad y materias volátiles que pudieran haber quedado atrapadas o que se generan
durante el entrecruzamiento del material. Finalmente, se aplica toda la presión al molde
caliente y se mantiene el tiempo necesario hasta que el material haya curado
totalmente.
23
Figura 4. Prensa para moldeo de compresión. Fuente: tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
2.2.4.5 Termoconformado
El termoconformado es un proceso de moldeo de preformas de termoplásticos
que generalmente se encuentran en forma de lámina o plancha. El proceso de moldeo
del semifabricado o preforma se desarrolla en tres etapas, tal y como se muestra en la
Figura.5. En el primer paso el material se calienta, generalmente por radiación
infrarroja, aunque también se puede calentar mediante convección o conducción. A
continuación se tensa encima de un bastidor y, por medio de aire a presión o vacío, se
estampa o se presiona sobre las paredes de un molde frío. Se distingue entre procesos
en positivo y en negativo, según sea la cara exterior o interior de la pieza la que se
moldea. El proceso en negativo es el que queda reflejado en la figura 3.6. Este proceso
se emplea para moldear piezas muy grandes que difícilmente se podrían obtener por
otra técnica. La principal desventaja del proceso es que solo una de las caras de la
pieza copia exactamente la forma del molde
24
Figura 5. Proceso de termoconformado. Fuente: tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
2.2.4.6 Moldeo por inyección
El moldeo por inyección es, quizás, el método de moldeo más característico de la
industria de plásticos. Consiste básicamente en fundir un material plástico en
condiciones adecuadas e introducirlo a presión en las cavidades de un molde donde se
enfría a una temperatura apta para que las piezas puedan ser extraídas sin deformarse.
En el moldeo por inyección son de gran importancia las características de los polímeros
tales como peso molecular y distribución, configuración química y morfología,
cristalinidad, estabilidad, etc. El comportamiento geológico de los materiales es
25
fundamental en el moldeo por inyección; puede darse el caso, por ejemplo, de que un
plástico demasiado viscoso no llene el molde a velocidades de cizalla bajas, pero que
pueda llenarlo si se modifican las condiciones de procesado.
El proceso, en lo que a moldeo se refiere, puede dividirse en dos fases, en la
primera tiene lugar la fusión del material y en la segunda la inyección en el molde. En
las máquinas convencionales como la de la Figura 6, el material de moldeo, en forma
de gránulos o granza, entra en el cilindro de calefacción a través de una tolva de
alimentación situada en la parte posterior del cilindro.
El material se calienta y funde en el cilindro de calefacción, al mismo tiempo que
circula hacia la parte anterior de éste, gracias al movimiento rotatorio del tornillo de
plastificación que se encuentra en el interior del cilindro, de forma similar a como ocurre
en el proceso de extrusión. Sin embargo, en el proceso de inyección el material
plastificado va quedando acumulado en la parte anterior del tornillo, para lo cual, el
tornillo debe retroceder lentamente mientras gira. Una vez que hay suficiente cantidad
de material fundido acumulado delante del tornillo, se detiene el giro y el tornillo realiza
un movimiento axial hacia adelante, con lo que el material fundido sale por la boquilla
de inyección hacia el molde, que en ese momento debe encontrarse cerrado.
De esta forma el tornillo actúa como tornillo plastificador y además como émbolo
de inyección. El molde se encuentra refrigerado y en el momento de la inyección del
material debe estar cerrado. El tornillo permanecerá en posición avanzada hasta que el
material que se encuentra en los canales de alimentación del molde tenga suficiente
consistencia para evitar su retroceso hacia la máquina de inyección. Una vez que el
tornillo retrocede comienza a plastificar nuevamente material para el siguiente ciclo. El
molde se mantiene cerrado el tiempo suficiente para que el material se enfríe a una
temperatura tal que la pieza pueda ser extraída sin que sufra deformaciones. Cuando
esto sucede se abre el molde y se extrae la pieza de modo que el molde queda
preparado para el ciclo siguiente.
26
Figura 6 Representación esquemática de una extrusora de husillo sencillo. Fuente: tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
2.2.5 Máquina inyectadora de plástico
El moldeo por inyección constituye uno de los principales procedimientos para
revertir resinas, polvos, pelets y otras formas de plástico en productos útiles. Es
apropiado para todos los termoplásticos. Las máquinas de moldeo por inyección, para
termoestables sirven para tratar polímeros. En todos los casos, los materiales
granulados absorben suficiente calor para facilitar su viscosidad, lo que permite la
inyección del plástico caliente en molde cerrado, en el que se crea la forma deseada.
Cuando se enfría, se extrae las piezas del molde con un sistema de expulsión. Las
máquinas de moldeo por inyección están constituidas principalmente por una tolva,
unidad de inyección, sistema de calefacción, unidad de cierre, moldes, unidad de
control y unidad de potencia.
2.2.5.1 Tolva
La tolva es un recipiente donde se tiene almacenado el material que va a hacer
transformado en la máquina. Puede tener la forma de un cono o de una pirámide
invertida como se puede observar en la Figura 7.
Normalmente posee una tapa, una mirilla, un agujero en la parte inferior para dar
paso al material hacia el cilindro y un sistema para bloquear el paso del material hacia
abajo.
27
2.2.5.2 Unidad de inyección
La principal función de esta unidad es la de fundir, mezclar e inyectar el polímero.
Para lograr esto se utilizan husillos de diferentes características según el polímero que
se desea fundir.
El proceso de fusión de un polímero en esta unidad debe considerar tres
condiciones termodinámicas:
1. Las temperaturas de procesamiento del polímero.
2. La capacidad calorífica del polímero Cp [cal/g ºC]
3. El calor latente de fusión, si el polímero es semi-cristalino.
El proceso de fusión necesita de un aumento de la temperatura del polímero, que
resulta del calentamiento y la fricción de este con la cámara y el husillo como puede
verse en la Figura 8. La fricción y esfuerzos constantes son básicos para una fusión
eficiente, dado que los polímeros no son buenos conductores de calor. Un incremento
en temperatura disminuye la viscosidad del polímero fundido; lo mismo sucede al
incrementar la velocidad de corte. Por ello ambos parámetros deben ser ajustados
durante el proceso. Existen, además, cámaras y husillos fabricados con diferentes
Figura 7. Partes de una tolva Fuente: Trabajo de investigación Betancourt G. Carlos A.
28
aleaciones de metales, para cada polímero, con el fin de evitar el desgaste, la corrosión
o la degradación. Con algunas excepciones – como el PVC –, la mayoría de los
plásticos pueden utilizarse en las mismas máquinas.
La unidad de inyección es en origen una máquina de extrusión con un solo
husillo, teniendo en la cámara calentadores y sensores para mantener una temperatura
programada constante. La profundidad del canal del husillo disminuye de forma gradual
(o drástica, en aplicaciones especiales) desde la zona de alimentación hasta la zona de
dosificación. De esta manera, la presión en la cámara aumenta gradualmente. El
esfuerzo mecánico, de corte y la compresión añade calor al sistema y funden el
polímero más eficientemente que si hubiera únicamente calentamiento, siendo esta la
razón fundamental por la cual se utiliza un husillo y no una autoclave para obtener el
fundido.
Una diferencia sustancial con respecto al proceso de extrusión es que durante la
dosificación el husillo retrocede transportando el material hacia la parte anterior de la
cámara. Es allí donde se acumula el polímero fundido para ser inyectado. Esta cámara
actúa como la de un pistón; el husillo entonces, se comporta como el embolo que
empuja el material. Tanto en inyección como en extrusión se deben tomar en cuenta las
relaciones PVT (Presión, volumen y Temperatura), que ayudan a entender cómo se
comporta un polímero al fundir.
Figura 8. Husillo o tornillo de extrusión. Fuente: Trabajo de investigación Betancourt G. Carlos A.
29
2.2.5.3 Sistema de calefacción
Este sistema está encargado de aportar calor por conducción al material plástico.
Trabaja en forma de ciclo cerrado, es decir, está en permanente chequeo y se ajusta
automáticamente cuando hay desviaciones. Es un sistema muy importante ya que de él
depende en gran medida al trabajo repetitivo de la máquina. Las partes que conforman
un sistema de calefacción vienen dadas por:
- Resistencias: Son las encargadas de aportar el calor que genera el proceso de
fusión del material plástico. Son de tipo banda como se ve e la Figura 9. y se
encuentran apretadamente ajustadas a la superficie externa del cilindro
Figura 9.Resistencia tipo banda Fuente: Trabajo de investigación Betancourt G. Carlos A.
Debido a la ineficiencia del proceso de conversión de energía eléctrica a térmica,
deben tener ayudas para recuperar parte del calor que se pierde.
- Termocuplas: Son las encargadas de poner en contacto a la resistencia con el
sistema que las controla. No conduce calor, sino una señal en milivoltios que
aumenta o disminuye en forma proporcional al aumento o disminución de
temperatura. Hay de varios tipo: J, K, T y otras.: es muy importante reemplazar las
cuando se dañan por una del mismo tipo, se puede ver su comportamiento en la
Figura 10
30
Figura 10. Termocuplas tipo J, K, V. Fuente: Trabajo de investigación Betancourt G. Carlos A.
Dependiendo de cuantas hayan instaladas y cuantos equipos de control se
tengan, el cilindro va a estar dividido en 3, 4, 5 o más zonas, más 1 en boquilla. No leen
la temperatura de la masa, sino la temperatura del cilindro en esa zona en partículas,
por tanto el material puede estar a una temperatura mayor de la que es registrada.
2.2.5.4 Unidad de cierre
Un cierre perfecto del molde tiene una gran importancia sobre la calidad de la
pieza moldeada y puede hacer innecesarias operaciones secundarias de eliminación de
rebabas de los artículos producidos. Al escoger las condiciones del proceso debe darse
la debida consideración a la fuerza de cierre que, según lo que se ha comentado, debe
ser superior a la fuerza de apertura.
Los sistemas de cierre constan generalmente de dos platos o placas fijas unidas
por unas robustas columnas de alineación tal como se muestra en la Figura 11. Entre
los dos platos fijos hay uno móvil que desliza por las columnas de alineación. A un lado
de un plato fijo va situada la unidad de inyección y al otro lado del otro plato fijo va
situada la unidad de cierre, que desplaza al plato móvil. El molde se coloca entre el
plato móvil y el plato fijo situado al lado de la unidad de inyección.
31
Figura 11.Esquema de sistema de cierre hidráulico. Fuente: tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
La acción de cierre requiere la máxima eficacia y la máxima rapidez. Conviene
que se haga lo más rápidamente posible (50 m/min) hasta un instante antes de que se
toquen las dos mitades del molde, y que después el movimiento sea más lento
aplicando la máxima fuerza de cierre (5-10000 T). De este modo se evitan golpes
innecesarios sobre los moldes. Suelen distinguirse tres tipos básicos de sistemas de
cierre: sistemas mecánicos, sistemas mecánico-hidráulicos y sistemas hidráulicos.
- Sistemas mecánicos
Estos sistemas emplean una acción mecánica para el cierre del molde y se
encuentran en las pequeñas máquinas experimentales de laboratorio. El sistema, en su
forma más sencilla, puede consistir en una palanca, piñón o manubrio. Las ventajas de
los sistemas totalmente mecánicos están en su sencillez y bajo costo, si bien consiguen
fuerzas de cierre moderadas y velocidades bajas.
- Sistemas hidráulicos
El pistón hidráulico directo es el sistema de cierre hidráulico más sencillo y el
primero que se utilizó. La principal ventaja que ofrece es la elevada fuerza de cierre que
puede desarrollar, que es constante en toda la carrera del pistón de cierre. Estos
sistemas de cierre pueden llegar a desarrollar movimientos muy rápidos (50 m/min), si
bien el costo para conseguirlo resulta muy elevado. La situación general que plantea un
32
sistema de cierre hidráulico de cualquier tipo es que para mantener un tamaño
razonablemente pequeño del pistón de cierre consiguiendo una fuerza de cierre
adecuada, es necesario aumentar la presión del fluido, con lo que las pérdidas de fluido
hidráulico y la deformación de tuberías y accesorios llegan a constituir un serio
problema.
Las máquinas más modernas utilizan, para los movimientos rápidos de avance y
retroceso del pistón principal, otros pistones auxiliares que son de pequeño diámetro y
van situados paralelamente al pistón principal o incluidos centralmente en él. La fuerza
total de cierre la da el pistón principal mientras que los pistones auxiliares sólo sirven
para conseguir movimientos más rápidos del sistema. En la Figura.12 se representa un
sistema de cierre hidráulico de este tipo, que consta de un pistón hidráulico principal, de
mayor sección, que da una elevada fuerza de cierre y que realiza los movimientos
finales, mientras que el resto del movimiento del plato móvil es debido a un pistón
secundario de menor sección, y que proporciona movimientos más rápidos.
Entre las principales ventajas de los sistemas hidráulicos de cierre se encuentra
que la fuerza de cierre puede ser monitorizada y cambiada en cualquier momento
Figura 12. Sistema de cierre de dos pistones. Fuente: tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
33
durante el ciclo, y lo mismo ocurre con la velocidad a la que se mueve el pistón a lo
largo de su recorrido.
- Sistemas mecánico-hidráulicos
Las máquinas con sistema de cierre mecánico-hidráulico están basadas en el
uso de rodilleras actuadas por un sistema hidráulico. Estos sistemas de cierre son muy
empleados en máquinas de pequeño y mediano tamaño.
Las ventajas de los sistemas de rodilleras estriban en la acción positiva de cierre
de las rodilleras, así como en la mayor velocidad de cierre empleando un pistón más
pequeño, ya que las rodilleras son sistemas multiplicadores de fuerza. Además, la
fuerza relativamente grande que se desarrolla al final de la carrera de cierre va
acompañada de una reducción de velocidad del mismo orden, lo que es muy
conveniente para evitar golpes cuando se cierra el molde. En la Figura 13 se muestra
un sistema mecánico-hidráulico de rodillera simple.
Cuando el molde está abierto las rodilleras se encuentran formando una V.
Cuando se aplica presión el eje que conecta las dos rodilleras obliga a éstas a
mantenerse en línea recta. La fuerza necesaria para mantener las rodilleras rectas la
proporciona un pistón hidráulico. En este caso cuando el pistón hidráulico comienza a
avanzar el plato móvil se mueve en principio lentamente, alcanzando la velocidad
máxima a mitad del recorrido. Cuando las rodilleras están casi extendidas, la velocidad
vuelve a decrecer.
Estos sistemas presentan la desventaja de que tanto la velocidad de cierre como
la fuerza son más difíciles de controlar que con sistemas completamente hidráulicos. La
principal ventaja que presentan los sistemas mecánico-hidráulicos de cierre es el bajo
costo de operación, tanto para conseguir elevadas fuerzas de cierre como elevadas
velocidades de cierre.
34
Figura 13. Sistema mecanico-hidraulico de cierre. Fuente: Tecnología de polímeros M. Beltrán y A. Marcilla. 2011.
2.2.5.5 Moldes
Según Rodríguez (2006), el sistema de molde consiste en las barras de sujeción,
platos móviles e inmóviles, bebederos y canales de alimentación, los eyectores y
canales de refrigeración. Es esencialmente un intercambiador de calor en el que el
polímero fundido se solidifica con la forma deseada y las dimensiones definidas por la
cavidad del mismo.
De acuerdo con Cervantes (2005), el molde es el espacio donde se genera la
pieza. Para producir un producto diferente simplemente se cambia el molde.
2.2.5.5.1 Partes del molde
a) Cavidad: es el volumen en donde se moldeará la pieza.
b) Canales: conductos por los cuales la masa fundida fluye debido a la presión
ejercida por la inyección. Se encuentran los canales bebederos y finalmente la
compuerta. Otros tipos de canales son los de enfriamiento por donde circula el
35
agua para regular la temperatura del molde. Son muy importantes debido si no
se tiene un correcto enfriamiento se puede deformar la pieza.
c) Barras expulsadoras: son las que remueven la pieza al abrirse el molde y en
algunos casos dependiendo de la programación se puede llevar la cuenta de
las piezas moldeadas.
2.2.5.6 Unidad de control
Este sistema básicamente contiene un controlador lógico programable (PLC)
controladores PID para las resistencias eléctricas del barril y de la boquilla. El PLC
permite programar la secuencia del ciclo de inyección y recibe señales de alarma, por
sobrepresión o finales de carrera, para detener el ciclo. Los controladores PID son los
más adecuados para el control de temperatura debido a su elevada velocidad de
respuesta para mantener a los niveles requeridos.
2.2.5.7 Unidad de potencia
Es el sistema que suministra la potencia necesaria para el funcionamiento de la
unidad de inyección y de la unidad de cierre. Los principales tipos de sistemas de la
potencia se pueden clasificar como:
- Sistema de potencia eléctrico: el sistema eléctrico se utiliza generalmente en
máquinas relativamente pequeñas. Este sistema se emplea, tanto para el giro del
tornillo, como para la apertura y cierre del molde. La máquina emplea dos
sistemas mecánicos de engranajes y palancas acodadas, uno para el cierre del
molde y otro para el tornillo. Cada uno accionado por un motor eléctrico
independiente. El accionamiento del tornillo cuando realiza la inyección lo ejecuta
un cilindro hidráulico. En los sistemas con motor eléctrico, la velocidad puede
ajustarse solo en un determinado número de valores, lo cual ocasionar problemas
en la reproducción de parámetros de operación y dificultar la obtención de piezas
36
con una calidad constante. Los motores eléctricos generan grandes torques de
arranque, por lo que debe tenerse precaución al usar tornillos con diámetros
pequeños para evitar que se rompan.
- Sistema de potencia hidráulico: los motores hidráulicos son los más
comúnmente utilizados, su funcionamiento se basa en la transformación de la
potencia hidráulica del fluido en potencia mecánica. A diferencia de los sistemas
electromecánicos, donde la potencia es transmitida a través de engranajes y
palancas, en un sistema con fluidos estos elementos se sustituyen, parcial o
totalmente, por tuberías de conducción que llevan el fluido a presión a los pistones
de inyección y cierre del molde. El fluido que más se utiliza es el aceite debido,
principalmente, a sus propiedades lubricantes en aplicaciones que varían entre los
70 y 140 kg/cm2. Las ventajas del motor hidráulico con respecto al eléctrico
pueden resumirse principalmente en:
Fácil variación de velocidades, regulando el volumen de fluido.
La relación entre el torque y la velocidad es aproximadamente lineal. El límite
de torque se determina por la presión limitante y el torque de arranque es
aproximadamente igual al de funcionamiento.
Permite arranques y paradas rápidas debido al pequeño momento de inercia.
Permite relaciones bajas de peso potencia lo que posibilita alcanzar altas
velocidades de inyección del material.
2.2.6 Sistemas de Control
Los sistemas de control han venido adquiriendo un papel muy importante en el
desarrollo y avance de la civilización y tecnología moderna. Casi todos los aspectos de
nuestras actividades cotidianas son afectados por algún tipo de sistema de control.
Según Kuo (2010 pág 18) “Los sistemas de control son muy comunes en todos
los sectores industriales desde el control de calidad de productos industriales, líneas de
37
ensamble automático, control de maquinas, herramientas, tecnología espacial y
armamento, control por computadora, sistema de inventarios y los sistemas de control
sociales y económicos, pueden resolver con enfoques de teoría de los controles
automáticos”.
Todo sistema de control tiene tres aspectos comunes que son:
1.- Objetivos del control.
2.- Componentes del sistema de control.
3.- Resultados.
En la Figura 14 se ilustra la relación entre estos tres componentes en forma de
diagrama de bloques.
Figura 14. Elementos básicos de un sistema de control
En general, el objetivo de un sistema de control consiste en controlar las salidas C
de una manera predeterminada, por medio de las entradas U y aplicando los elementos
del sistema de control. A las entradas del sistema de control de le llama también
señales de control y a las salidas variables controladas.
2.2.6.1 Sistema de control a lazo abierto
Según Ogata (2000 pág.7) “Los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción
de control se denominan sistemas de control en lazo abierto. En otras palabras, en
un sistema de control en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para
compararla con la entrada. Un ejemplo práctico es una lavadora. El remojo, el
lavado y el enjuague en la lavadora operan con una base de tiempo. La máquina no
mide la señal de salida, que es la limpieza de la ropa.
38
En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la
entrada de referencia. Por tanto, a cada entrada de referencia le corresponde una
condición operativa fija; como resultado, la precisión del sistema depende de la
calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control en lazo
abierto no realiza la tarea deseada. En la práctica, el control en lazo abierto sólo se
usa si se conoce la relación entre la entrada y la salida y si no hay perturbaciones
internas ni externas. Es evidente que estos sistemas no son de control
realimentado. Observe que cualquier sistema de control que opere con una base de
tiempo es en lazo abierto. Por ejemplo, el control del tránsito mediante señales
operadas con una base de tiempo es otro ejemplo de control en lazo abierto.”
2.2.6.2 Sistema de control a lazo cerrado
Según Ogata (2000 pág.7) “Los sistemas de control realimentados se denominan
también sistemas de control en lazo cerrado. En la práctica, los términos control
realimentado y control en lazo cerrado se usan indistintamente. En un sistema de
control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación,
que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación (que
puede ser la señal de salida misma o una función de la señal de salida y sus
derivadas y/o integrales), a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un
valor conveniente. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una
acción de control realimentado para reducir el error del sistema.”
2.2.6.3 Sistema de control lineal y no lineal
Según Ogata (2000 pág.59) Un sistema se denomina lineal si se aplica el
principio de superposición. Este principio establece que la respuesta producida por
la aplicación simultánea de dos funciones de entradas diferentes es la suma de las
dos respuestas individuales. Por tanto, para el sistema lineal, la respuesta a varias
entradas se calcula tratando una entrada a la vez y sumando los resultados. Este
39
principio permite desarrollar soluciones complicadas para la ecuación diferencial
lineal a partir de soluciones simples.
Si en una investigación experimental de un sistema dinámico son proporcionales
la causa y el efecto, lo cual implica que se aplica el principio de superposición, el
sistema se considera lineal. Un sistema es no lineal si no se aplica el principio de
superposición. Por tanto, para un sistema no lineal la respuesta a dos entradas no
puede calcularse tratando cada una a la vez y sumando los resultados.
Aunque muchas relaciones físicas se representan a menudo mediante
ecuaciones lineales, en la mayor parte de los casos las relaciones reales no son
verdaderamente lineales. De hecho, un estudio cuidadoso de los sistemas físicos
revela que incluso los llamados “sistemas lineales” sólo lo son en rangos de
operación limitados.
En la práctica, muchos sistemas electromecánicos, hidráulicos, neumáticos, etc.,
involucran relaciones no lineales entre las variables. Puede haber una zona muerta
que afecte las señales pequeñas. (La zona muerta de un componente es un rango
pequeño de variaciones de entrada ante las cuales el componente es insensible.)
Puede ocurrir una no linealidad de la ley cuadrática en algunos componentes. Por
ejemplo, los amortiguadores que se utilizan en los sistemas físicos pueden ser
lineales para operaciones a baja velocidad, pero pueden volverse no lineales a altas
velocidades, y la fuerza de amortiguamiento puede hacerse proporcional al
cuadrado de la velocidad de operación.
En general, los procedimientos para encontrar las soluciones a problemas que
involucran tales sistemas no lineales son muy complicados. Debido a la dificultad
matemática aunada a los sistemas no lineales, resulta necesario introducir los
sistemas lineales “equivalentes” en lugar de los no lineales. Tales sistemas lineales
equivalentes sólo son válidos para un rango limitado de operación. Una vez que se
aproxima un sistema no lineal mediante un modelo matemático lineal, pueden
aplicarse varias herramientas lineales para análisis y diseño. Algunos ejemplos de
las curvas características para estas no linealidades aparecen en la” Figura 15.
40
Figura 15. Curvas características de diversas no linealidades. Fuente: Ogata (3ra edición 2000)
2.2.7 PID (Proporcional Integral derivativo)
Es un mecanismo de control por retroalimentación que se utiliza en los sistemas
de control industriales. Un controlados PID corrige el error entre un valor medido y el
valor que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que
puede ajustar al proceso acorde.
En algoritmo de cálculo del control PID se dan tres parámetros: el proporcional,
el integral y el derivativo.
- El valor proporcional determina la reacción del error actual.
- El integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto asegura
que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce
a cero.
- El derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce.
La suma de estos tres parámetros es usada para ajustar al proceso vía un
elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía
suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estos tres parámetros en el
algoritmo de control de PID, el controlador puede proveer un control diseñado para lo
que requiera el proceso a realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en
términos de la respuesta de control ante un error, el grado al cual el controlador llega al
set point; y el grado de oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control
41
no garantiza control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones
pueden solo requerir de uno o dos modelos de lo que provee este sistema de control.
Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las
acciones de control respectivas.
Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa
es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance
al valor deseado debido a la acción de control.
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un proceso o
sistema se necesita, al menos:
1.- Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro, caudalimetro,
manómetro, etc.).
2.- un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.
3.- Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada (resistencia
eléctrica, motor, válvula, bomba, etc.).
El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual
representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede
representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de corriente eléctrica o frecuencia.
En este último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores,
que son corriente continua, el controlador lee una señal externa que representa el valor
que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de
referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la
señal que proporciona el sensor.
Este controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna,
obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay
entre el valor deseado y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada uno de
los 3 parámetros del controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen la señal de la
salida que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La señal resultante de
la suma de estos tres parámetros se llama variable manipulada y no se aplica
42
directamente sobre el actuador, sino que debe ser transformada para ser compatible
con el actuador a utilizar.
2.2.8 Variables
Una variable es aquello que varía o puede variar. Se trata de algo inestable,
inconstante y mudable. En otras palabras una variable es un símbolo representativo de
un elemento no especificado de un conjunto dado. Se puede definir cuatro tipos de
variables, las cuales se desarrollan a continuación.
2.2.8.1 Variable controlada
Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin
cambios), pues es el más alterado por perturbaciones externas del sistema y su
variación alteraría las condiciones requeridas en el mismo, su monitoreo, el cual es
realizado a través de un sensor, es una condición importante para dar inicio al control.
2.2.8.2 Variable medida
Es el parámetro a través del cual se deben corregir las perturbaciones del
proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema, lo cual es
básicamente mantener la variable controlada dentro de los parámetros deseados de
operación, mediante el ingreso de una perturbación al sistema controlado
2.2.8.3 Variables de entrada
Es el parámetro que actúa como punto de referencia (set point), fijado mediante
medios eléctricos, electrónicos, o por software para que el sistema actué.
43
2.2.8.4 Variables de medición y control
A continuación se presenta una breve descripción de algunas variables que se
pueden presentar en el proceso de moldeado por el método de soplado, las cuales
deberán ser controladas para el correcto funcionamiento del sistema.
2.2.8.4.1 Nivel
Es una medida de volumen para un fluido o sustancia dada. Esta mide la
cantidad volumétrica existente en un recipiente, las unidades usadas para esta
medición son litros, metros cúbicos, galones, entre otros.
2.2.8.4.2 Presión
Es una fuerza aplicada por unidad de superficie y puede expresarse en unidades
tales como pascal, bar, atmosfera, kilogramo por centímetro cuadrado, metro de agua y
psi (libras por pulgadas cuadradas).
En el sistema internacional (S.I.) está normalizada en pascal, el cual es newton
por metro cuadrado (N/m2), siendo el newton la fuerza que aplica a un cuerpo de masa
(1kg), la comunica una aceleración de 1m/s2. Como el pascal es una unidad muy
pequeña, es normal que se emplee el kilo pascal (1kpa=102Bar), el mega pascal
(1Mpa=10bar) y el giga pascal (1Gpa= 10000Bar). La presión puede medirse en valores
absolutos o diferenciales. La presión absoluta se mide con relación al cero absoluto de
presión. La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmosfera terrestre medida
mediante un barómetro
2.2.8.4.3 Temperatura
De acuerdo a lo descrito por Creus (2006, p.223), la medida de temperatura
constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en
44
los procesos industriales. La temperatura es una magnitud física descriptiva de un
sistema que caracteriza la transferencia de energía térmica o calor entre ese sistema y
otros.
2.2.8.4.4 Longitud
Es una magnitud física que expresa la distancia entre dos puntos. Su unidad en
el sistema internacional es el metro.
2.2.9 Elementos primarios
Según Creus (2006, p 147), los elementos primarios están en contacto con la
variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de
medición una indicación en respuesta a la variable controlada. El efecto producido por
el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza posición, medida eléctrica,
entre otros.
2.2.9.1 Sensor
Un sensor es un aparato capaz de transformar magnitudes físicas o químicas,
llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de
instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura,
intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza,
torsión, pH, entre otros.
Donde una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como
en una RTD), una capacidad eléctrica (como un sensor de humedad), una tensión
eléctrica (como un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), entre
otros.
45
Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una
magnitud física o forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores:
industria automotriz, industria aeroespacial, medicina, industria manufacturera, robótica,
industria petrolera, entre otros.
2.2.9.2 Transmisor
Dispositivo encargado de captar una o varias variables a monitorear del proceso,
a través del elemento primario de control y transmitirlo a distancia al sistema de control
en el panel central o directamente en el campo, en forma de señal neumática de
margen de 3 a 15 psi, o electrónica de 4 a 20mA o 1 a 5V de corriente continua.
2.2.10 Elementos finales de control
Son elementos encargados de hacer actuar las señales de los diferentes
controladores sobre el proceso controlado, estos pueden ser manejados ya sea con
señales digitales, analógicas, eléctricas o neumáticas o por diferentes protocolos de
comunicación. Cerca del 80% de estos son válvulas.
2.2.10.1 Válvulas
En los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante
en el ciclo de regulación. La función a realizar por las válvulas es el de variar el caudal
de fluido en una tubería, modificando a su vez el valor de la variable medida,
comportándose como un orificio de área continuamente variable.
Las válvulas más usadas son:
a) Válvula de globo: llamada así por disponer de un obturador en forma de globo,
se caracteriza por que el flujo de entrada o salida es perpendicular al eje del
obturador. Estas se emplean cuando la presión diferencial del fluido es baja y
46
se precisa que las fugas a través de la válvula con el obturador en posición de
cierre, sean mínimas.
b) Válvula de compuerta: denominada válvula tajadera, efectúa su cierre con un
disco vertical plano, o de forma especial y que se mueve verticalmente al flujo
de fluido. Es adecuada para el control todo-nada.
c) Válvula de bola: en estas se presenta una cavidad interna esférica, que alberga
un obturador en forma de esfera o de bola. La bola tiene un corte adecuado
(usualmente en V) que fija la curva característica de la válvula, y gira
transversalmente accionada por un servomotor exterior. En apertura total, la
válvula equivale aproximadamente en tamaño al 75% de la tubería.
2.2.10.2 Actuadores
Según Ollero (2001, p 208), los actuadores generan las fuerzas necesarias para
armar la estructura mecánica. Se utilizan tecnologías hidráulicas y neumáticas, pero en
la actualidad se ha extendido el empleo de motores eléctricos, y en particular motores
de corriente continua servos controlados, empleándose en algunos casos motores paso
a paso.
2.2.10.3 Interruptores
Son dispositivos mecánicos o electrónicos que se utilizan para cerrar o abrir de
manera no automática la corriente de carga existente en el circuito.
2.2.10.4 Variadores de velocidad
Es un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o
electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de una máquina,
especialmente de motores y bombas. Pueden ser variadores de frecuencia, motores
47
reductores, o cargas aplicadas directamente al sistema giratorio con el propósito de
dificultar su giro.
2.2.11 Controlador lógico programable (PLC)
El nacimiento del PLC se produjo a finales de los años 1960 en la industria
automotriz. Esto proporciono más flexibilidad y ahorro de costos a través de la
combinación de relés y módulos electrónicos dedicados que realizan las tareas
automatizadas en las líneas de montaje. Esa flexibilidad es probablemente la principal
contribución del PLC para la industria moderna. Sería difícil imaginar el mundo industrial
de hoy sin Controladores Lógicos Programables (PLC).
Antes del PLC, la mayoría de los procesos industriales en el mundo estaban
controlados por relés y de lógica cableada. Esto funcionó muy bien, porque todo el que
se ocupaba del sistema de control industrial sabía todo sobre ellos. Una gran
desventaja es que cuando se necesitan cualquier cambio en el proceso, la lógica de
cableada tendría que ser reconectada para implementar los cambios. Este fue por lo
general un gran problema. A continuación, los cambios tuvieron que ser documentados.
Éste era generalmente un problema mayor ya que no se contaba con programas de
dibujo de planos tan avanzados como los de hoy en día.
En 1968, alguien en Hydromatic División de General Motors dijo que tenía que
haber una mejor manera. Entonces la idea de usar las computadoras entró en escena.
Las condiciones iniciales que el nuevo equipo tenía que seguir son:
a) El nuevo sistema debe adaptarse al cambio.
b) Ser capaz de ser colocado en el piso de la fábrica y seguir funcionando.
c) No ocupar más espacio que los sistemas de control de lógica cableada de relé.
d) Ser mantenida por electricistas de planta.
Hubo resistencia al cambio de un sistema que todo el mundo sabía cómo operar.
Pero Richard Morley de Bedford Associates fue contratado por General Motors e
48
inventó el PLC y lo calificó como un Controlador digital modular. El modicon fue el
primer PLC. Al principio, el PLC eran relativamente simple, que tiene sólo las entradas
digitales. Desde entonces, muchas otras funciones han sido agregadas al PLC,
incluyendo la capacidad de manejar señales analógicas. Una lista parcial de lo que
hacen consiste de las operaciones de relevo, el tiempo, contar, los datos se mueven,
comparaciones, funciones matemáticas, y otras operaciones avanzadas.
El sistema PLC se compone de 5 partes básica, estas son dispositivos de
entrada, interfaz de entrada, el procesador, interfaz de salida, y los dispositivos de
salida. Estas partes básicas se describirán en detalle. Otra cosa que hay que apreciar
son las entradas / salidas digitales y entradas / salidas analógicas.
Entradas y salidas digitales no tienen nada que ver con los ordenadores digitales.
Son simplemente los insumos o salidas que tienen 2 estados o condiciones, como
encendido y apagado. Dado que los ordenadores digitales trabajan en 2 estados, 0 y 1,
estos dos estados de entrada / salida se conocen como entradas / salidas digitales.
Entrada / salidas analógicas son continuamente variable, en un intervalo. Ejemplos son
las variables de proceso, tales como la profundidad de presión, el agua, caudal,
temperatura. Por lo general se traduce en una variable eléctrica tal como voltaje o
corriente. Entrada común / salidas analógicas son de 0 a 10 voltios DC y de 4 a 20
miliamperios de corriente continua.
La Figura 16 muestra la disposición física de un PLC, para el modelo de un Allen
Bradley de Rockwell Automation SLC 500. La fuente de alimentación es necesaria para
operar el procesador y la entrada y módulos de salida. Tenga en cuenta que para este
PLC particular, el procesador está en un lugar especial llamado ranura 0. Las otras 7
ranuras pueden ser de entrada o de módulos de salida. Los módulos de entrada y
salida pueden ser tantos módulos digitales o analógicos. Es posible tener más de 8
ranuras dependiendo de las exigencias del proceso que se quiere controlar.
49
2.2.11.1 Estructura del controlador lógico programable (PLC)
Un controlador lógico programable cuenta con una estructura típica de muchos
sistemas programables, como por ejemplo un procesador. A continuación se menciona
los elementos que conforma esta estructura.
2.2.11.1.1 Dispositivos de entrada
Lo primero que cualquier sistema de control necesita es una manera de obtener
información en el sistema. Para la mayoría de los sistemas de control industrial, las
entradas digitales son botones pulsadores, selectores, interruptores de límite, sensores
de proximidad y los contactos de los relés. Lo importante de todos estos dispositivos es
que pueden ser OFF u ON.
Las entradas analógicas son el otro tipo de dispositivo de entrada. Diremos que
las entradas analógicas son normalmente 0 a 10 voltios o 4-20 miliamperios (mA).
Incluso las entradas de 4-20 mA se convierten en un voltio 1 a 5 voltios o 0,4 a 2 por el
módulo de entrada. Así que podemos decir que una entrada analógica es considerada
como un rango de tensión por el procesador. La Figura 17 muestra los símbolos para
algunos dispositivos digitales de entrada.
Figura 16. Distribución física de un sistema típico de PLC Fuente: Programmable Logic Controllers 2007
50
-Módulos de entrada
Los módulos de entrada separan los dispositivos de entrada, tensiones, y las
condiciones del procesador. Los dispositivos de entrada se someten a una gran
cantidad de abusos. El módulo de entrada toma la señal desde el dispositivo de entrada
y envía esa información al procesador. También protege el procesador. Hay dispositivos
de aislamiento en la entrada módulos que realizan la separación. Un módulo de entrada
típico tendría 16 entradas, correspondientes a los 16 bits de las palabras de la
computadora de propósito especial que es el procesador. Podría haber un número de
módulos de entrada de un PLC típico. Estos módulos encajan en ranuras que están
diseñados para aceptarlos. Las ranuras aceptarán la entrada o módulos de salida y son
parte del PLC. La Figura 18 muestra el diseño de un típico Módulo de entrada con
dispositivos de entrada conectados. Sólo 4 entradas se muestran por simplicidad, pero
8 o 16 entradas por módulo es más estándar.
Figura.17 Símbolos de algunos dispositivos de entrada digital típicos. Fuente: Programmable Logic Controllers 2007
Figura 18. Símbolos de algunos dispositivos de entrada digital típicos. Fuente: Programmable Logic Controllers 2007
51
2.2.11.1.2 Procesador
El procesador es una computadora de propósito especial. Se compone de un
número de palabras separadas en secciones. Utilizar un PLC ayuda a tener un poco de
comprensión de cómo se disponen las palabras de este ordenador de propósito
especial.
La Figura 19 muestra un mapa de memoria simplificado de un PLC típico. Cada
sección es un número de palabras de 16 bits. Cada palabra tiene una dirección, y cada
bit de cada palabra también tiene una dirección. Un ejemplo de esto es la figura 20.
Figura 20 Distribución de una palabra en un PLC típico. Fuente: Programmable Logic Controllers 2007
Tiene que haber una manera de identificar cada bit de cada palabra de este
pequeño ordenador. Si esta es una palabra de entrada, el primer bit podría ser
etiquetado [I: 1/0]. Esa dirección es muy importante. La letra I nos dice que está
trabajando con una entrada. El 1 nos dice que este es la palabra número 1 en el archivo
de entrada, así como el módulo de entrada situado en la ranura número 1 del PLC. El 0
nos dice que se cuenta con el bit número 0. El bit en particular está sombreado en rojo
en la Figura 20. Se debe tener en cuenta que se está contando de 0 a 15 en lugar de 1
a 16. Esto es por respeto a la forma en que funciona una computadora. Una cosa
importante a notar ahora, es que cada bit de la palabra de entrada I: 1/0 está conectado
a un terminal en un módulo de entrada. Por lo tanto, la entrada módulo puede tener
Figura 19 Mapa de memoria simplificado de un PLC típico. Fuente: Programmable Logic Controllers 2007
52
hasta 16 terminales, cada uno de los cuales puede ser conectado a un dispositivo de
entrada tal como contacto de relé.
2.2.11.1.3 Dispositivos de Salida
Los módulos de salida, así como los de entrada son la sección del controlador
lógico programable en donde son conectados sensores, actuadores entre otros y a
través de estos dispositivos el controlador monitorea y controla el proceso.
La figura 21 muestra las luces, relés de control, arrancadores de motor, y
solenoides. Estos cuatro dispositivos que cubren la mayor parte de las señales digitales
utilizados en el control industrial.
-Módulos de Salida
Los módulos de salida se parecen mucho a los módulos de entrada. Una gran
diferencia es que los dispositivos de salida están conectados a módulos de salida. Los
accesorios típicos de salida incluyen luces, relés, arrancadores y solenoides. La Figura
21 muestra un módulo de salida conectado a diversas cargas. Se puede apreciar que
los dispositivos de salida todos requieren alguna tensión para poder operar. Los
dispositivos de salida están protegidos con fusibles para proteger los módulos de salida
en caso de un cortocircuito.
Los fusibles se muestran en esta disposición típica para enfatizar su
importancia. Sin estos fusibles individuales, una fallo de un dispositivo de salida podría
provocar una parada de todo el sistema, o que se queme un módulo de salida. Observe
que el número de ranura 2 se eligió para los dispositivos de salida. Dado que, en el
ejemplo, se han utilizado las ranuras 0 y 1, número de ranura 2 es la primera ranura
disponible en el sistema imaginario.
53
2.2.11.2 Diagrama de bloques de un PLC
La Figura 22 muestra cómo están conectadas las 5 partes del PLC. Lo que
realmente sucede en un PLC es que los dispositivos de entrada deben enviar la
información al procesador, el procesador toma esa información, hace algo con él
dependiendo de un programa en el procesador, y establece los dispositivos de salida.
Visto de esta manera, es un dispositivo bastante simple.
Figura 21. Módulo de entrada típico en donde se muestran los dispositivos de entrada.
Fuente: Programmable Logic Controllers 2007
Figura 22. Flujo de información y señal de control en un sistema típico de PLC
Fuente: Programmable Logic Controllers 2007
54
2.2.11.3 Comunicación
Los autómatas tienen la posibilidad de comunicarse e intercambiar datos no solo
con el proceso que controlan sino también con otros autómatas y con ordenado-res.
Gracias a esta capacidad los autómatas no trabajan solos, se integran en redes que
controlan conjuntamente procesos industriales complejos o plantas de producción
enteras. Las comunicaciones permiten diseñar sistemas de automatización de nivel
superior que efectúan además del control del proceso otras funciones avanzadas como
la monitorización y la adquisición de datos. Hay varios tipos de redes con las cuales se
pueden conectar los PLC’s:
a) Redes locales (LAN), son aquellas que conectan una red de computadores
normalmente confinadas en un área geográfica, como un solo edificio o un
campus de la universidad. El desarrollo de varias normas de protocolos de red y
medios físicos han hecho posible la proliferación de LAN's en grandes
organizaciones multinacionales, aplicaciones industriales y educativas.
b) Redes de área extensa (WAN), a menudo una red se localiza en situaciones
físicas múltiples. Esto se realiza conectando las diferentes LAN's mediante
servicios que incluyen líneas telefónicas (punto a punto), líneas de teléfono
normales con protocolos síncronos y asíncronos, enlaces vía satélite, y
servicios portadores de paquetes de datos.
c) Los sitios World Wide Web (WWW) de Internet proporcionan ahora recursos
personales, educativos, políticos y económicos a cada esquina del planeta.
d) Una Intranet es una red privada que utiliza herramientas del tipo de Internet,
pero disponible sólo dentro de esa organización. Permite un modo de acceso
fácil a información corporativa para los empleados a través del mismo tipo de
herramientas que emplean para moverse fuera de la compañía.
e) Ethernet es la capa física más popular; la tecnología LAN usada actualmente.
Ethernet es popular porque permite un buen equilibrio entre velocidad, costo y
facilidad de instalación. Estos puntos fuertes, combinados con la amplia
aceptación en el mercado y la habilidad de soportar virtualmente todos los
55
protocolos de red populares, hacen a Ethernet la tecnología ideal para la red
de la mayoría los usuarios de la informática actual.
Conjugar computadores y autómatas permite aprovechar las ventajas de cada
uno de ellos. Los computadores no disponen de interfaces adecuadas para recoger,
tratar y enviar las señales de planta. Las unidades de entradas y salidas de los
autómatas, en cambio, están especialmente diseñadas para ello. Además los PLC's
están preparados para ser utilizados en ambientes industriales exigentes y para
responder en tiempo real a cualquier evento del proceso. Por el contrario los
computadores son capaces de tratar grandes cantidades de datos, permiten la
programación de alto nivel, la utilización de entornos gráficos y sobre todo pueden ser
utilizados de una manera cómoda y sencilla por los programadores y operarios. Por lo
tanto la solución ideal en el control de procesos es utilizar conjuntamente autómatas y
computadores conectados en red, con lo cual se combina la potencia de cálculo de
estos últimos y las interfaces estándar que ofrecen aquellos.
Para integrar un autómata en una red informática es necesario añadirle un
módulo especial que efectúa la gestión de las comunicaciones. Cada fabricante suele
tener disponibles varios tipos de módulos para los diferentes sistemas de conexión de
los cuales los más habituales son la red Ethernet y el bus de campo.
La conexión a una red también permite la carga remota del programa de usuario
en el autómata desde un computador central sin necesidad de utilizar el puerto RS232
de conexión directa y facilita el intercambio de datos entre ambos. La red más utilizada
es la Ethernet, ampliamente extendida en la industria y en las aplicaciones informáticas
con las ventajas de disponibilidad de componentes y estandarización que esto supone.
Un bus de campo es otro sistema de transmisión de datos, similar en su funcionamiento
a los buses internos de autómatas y comptadores, pero utilizado para conectar diversos
dispositivos de planta como PLCs, transductores, actuadores y sensores. Aunque no
tiene la potencia y versatilidad de una red es muy utilizado cuando hay que
interconectar varios dispositivos para intercambiar órdenes y datos entre ellos y el
volumen de información no es elevado.
56
2.2.11.4 Lenguajes de programación
Un lenguaje de programación es un lenguaje formal diseñado para expresar
procesos que pueden ser llevados a cabo por máquinas como las computadoras o
PLC`s. Pueden usarse para crear programas que controlen el comportamiento físico y
lógico de una máquina, para expresar algoritmos con precisión, o como modo de
comunicación humana. Está formado por un conjunto de símbolos y reglas sintácticas y
semánticas que definen su estructura y el significado de sus elementos y expresiones.
Al proceso por el cual se escribe, se prueba, se depura, se compila (de ser necesario) y
se mantiene el código fuente de un programa informático se le llama programación.
2.2.11.4.1 Lenguaje escalera
El diagrama de contactos (Ladder Diagram LD, por sus siglas en inglés) es un
lenguaje que utiliza un juego estandarizado de símbolos de programación. En el
estándar IEC los símbolos han sido racionalizados (se ha reducido su número). Es el
más conocido en el área de influencia norteamericana, ya que invariablemente todos
los PLC de fabricación americana o japonesa permiten su programación en este
lenguaje; ya sea para emplear los mismos diagramas de control alambrado existentes
en las máquinas que se reconvierten o, ya sea para capacitar fácilmente al personal de
mantenimiento en el manejo y arreglo de estos aparatos.
Los elementos principales representados en la Figura 23, son contactos,
bobinas, cuadros y segmentos. Un contacto representa un interruptor por el que circula
corriente cuando está cerrado, pueden ser entradas digitales, salidas digitales y
marcas, también llamadas banderas o memorias internas. La bobina representa un relé
que se excita cuando se le aplica tensión.
Es el resultado de la operación y enciende cuando las condiciones precedentes
se cumplen, o en términos eléctricos, existe un camino de contactos en serie cerrados.
57
Existen dos tipos de bobinas, retentiva y no retentiva. Un cuadro representa una
función que se ejecuta cuando la corriente circula por él. Pueden ser temporizadores,
contadores. Y los segmentos son electos que constituyen un circuito completo. La
corriente circula desde la barra de alimentación izquierda pasando por los contactos
cerrados para excitar las bobinas o cuadros.
2.2.11.4.2 Diagrama de bloques funcionales
El diagrama de funciones Figura 24 (Function Block Diagram o FBD, por sus
siglas en inglés) es un lenguaje gráfico que permite programar elementos que aparecen
como bloques para ser cableados entre sí de forma análoga al esquema de un circuito.
FBD es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flujo de información o
datos entre componentes de control.
Figura 23. Elementos básicos de programación con diagrama de contactos
Fuente: Automatización de una inyectora de plástico 2005
58
Es el tipo más poderoso de los lenguajes de programación en cualquier marca de
aparato, ya que es lo más cercano al lenguaje máquina y, puede hacer uso de
particularidades de los mismos microprocesadores, y con ello hacer más rápido un
programa o, más compacto. Los bloques de funciones (FB's) son bloques estándar que
ejecutan algoritmos. Utiliza operadores lógicos para la realización del programa: AND,
OR, NOT y las instrucciones de salida de codificación nemónica.
2.2.11.4.3 Texto estructurado
El texto estructurado (structured text o ST, por sus siglas en inglés) es un
lenguaje de alto nivel estructurado por bloques que posee una sintaxis parecida al
PASCAL como se muestra en la Figura 25. El ST puede ser empleado para realizar
rápidamente sentencias complejas que manejen variables con un amplio rango de
Figura.24. Elementos básico de diagramas de funciones. Fuente: Automatización de una inyectora de plástico 2005
59
diferentes tipos de datos, incluyendo valores analógicos y digitales. También se
especifica tipos de datos para el manejo de horas, fechas y temporizaciones, algo
importante en procesos industriales.
El lenguaje posee soporte para bucles iterantes como repear until, ejecuciones
condicionales empleando sentencias If-then-else y funciones como SQRT () y SIN ().
Comprende tres partes básicas: el programa principal, que es la parte del programa que
dispone las operaciones que controlan la aplicación, en forma secuencial en cada ciclo
de la CPU; las subrutinas, estos elementos opcionales del programa se ejecutan sólo
cuando se llaman desde el programa principal; y las rutinas de interrupción, son
elementos opcionales del programa se ejecutan cada vez que presente el
correspondiente evento de interrupción.
Figura 25. Ejemplo de un texto estructurado Fuente: Automatización de una inyectora de plástico 2005
60
2.2.11.4.4 Gráfico secuencial de funciones (grafcet)
El gráfico secuencial de funciones (SFC o grafcet) es un lenguaje gráfico para
describir ciclos automáticos mediante símbolos. Desarrolla los automatismos de una
forma simple y de fácil comprensión para el que analiza esta representación gráfica.
Soporta selecciones alternativas y secundarias paralelas. Los elementos básicos son
etapas y transiciones. Una etapa puede ser inactiva o activa. En todo el grafcet solo una
etapa puede ser activa en un momento dado. Para que una etapa sea activa ha tenido
que preceder una transición en la que se han producido unas acciones. El
franqueamiento de una transición provoca el paso de una etapa a otra dentro del ciclo
de mando. Una transición es válida cuando ya han sido activas las transiciones
anteriores.
El SFC es la forma lógica de especificar y programar el más alto nivel de un
programa para PLC. Este lenguaje fue inventado por ingenieros de la marca francesa
Telemecanique, y posteriormente se hizo lenguaje estándar IEC, y son ahora muchos
los fabricantes que tienen su propia versión. Este lenguaje es muy apropiado para el
manejo de posicionadores, alimentadores, y todo aparato cuyos movimientos
mecánicos sean repetitivos.
En la Figura 26, se muestra un ejemplo del gráfico secuencial el cual está
constituido por 5 bloques subdividido estableciendo la funciones de cuatro motores con
encendido retardado entre cada uno de 5 segundos.
2.2.11.4.5 Lista de instrucciones
La lista de instrucciones (IL o AWL) es un lenguaje de bajo nivel, en el que cada
línea del programa contiene una operación que utiliza una abreviatura nemotécnica
para representar una función de la CPU, (ejemplo, almacenar un valor en un registro)
como se ve reflejado en la Figura 27. Las operaciones se unen y combinan en un
programa, creando así la lógica de control de la aplicación. Las operaciones AWL
hacen uso de una pila lógica en la CPU para resolver la lógica. Leen sólo los valores de
61
la pila lógica, muchas otras modifican también los valores ahí almacenados. Este
lenguaje es adecuado para pequeñas aplicaciones y para optimizar partes de una
aplicación. Es el preferido por los ingenieros europeos. Son los más matemáticos de los
lenguajes, al requerirse manejo de tablas de verdad y simplificación de funciones
lógicas booleanas para su empleo.
Figura 26. Ejemplo del gráfico secuencial de funciones de cuatro motores. Fuente: Automatización de una inyectora de plástico 2005
Figura 27.Instrucciones en donde se reflejan abreviaturas nemotécnicas. Fuente: Automatización de una inyectora de plástico 2005
CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO MARCO METODOLÓGICO
63
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO 3.1. Tipo de investigación
Este trabajo de investigación titulado “Diseño de un sistema de control de
una maquina moldeadora de plástico utilizando un controlador lógico
programable” puede clasificarse como un estudio documental, que considerando
lo planteado por Tamayo (1999), “esta investigación como su nombre indica, se
refiere a aquella que se basa en asuntos, datos u observaciones ya pasados y que
el investigador toma y analiza, asumiendo la veracidad de los datos u
observaciones”.
Por otro lado La Universidad Pedagógica El Libertador (UPEL, 2006);
“define por investigación documental el estudio de problemas con el propósito de ampliar y profundizar el conocimiento de su naturaleza con apoyo principalmente en trabajos previos, información y datos divulgados por medio impreso, audiovisuales y electrónicos, la originalidad del estudio se refleja en el enfoque crítico, conceptualizado, reflexiones, conclusiones, recomendaciones y en general, en el pensamiento del autor”.
En base a lo expuesto en lo anterior, esta investigación es de tipo
documental o bibliográfica, ya que establece una búsqueda de trabajos de
investigación previos a este, como manuales técnicos, documentos, trabajos
especiales de grado, artículos científicos entre otros, los cuales servirán de
soporte para nuestro tema de estudio.
Según su propósito el estudio es Descriptivo, afirmación que está en
correspondencia con los criterios expuesto por Hurtado (2000), el cual;
“define la investigación descriptiva aquella que tiene como objetivo central lograr la descripción o caracterización del evento en estudio dentro de un contexto particular”. Según Tamayo (1999), “una investigación descriptiva es aquella que propone describir de modo sistemático las características de una población, situación o área de interés”.
64
Basándose en la cita expuesta anteriormente, se puede decir que esta
investigación es de carácter descriptivo, debido a que es necesario detallar tanto
las características como el proceso de producción de una maquina moldeadora de
plástico. Además los pasos a seguir que se deben realizar para la optimización de
la máquina, también deben ser descritos de manera detallada, ya que es
necesario llevar un orden en las diferentes fases del proceso que realiza la
máquina y de esta manera obtener el mayor provecho del controlador que se va a
implementar.
Por otra parte, y según Hurtado (2000);
“la investigación proyectiva consiste en la elaboración de un modelo como solución a un problema o a una necesidad de tipo práctico ya sea de un grupo social o una institución en un área particular del conocimiento a partir de una diagnóstico preciso de las necesidades del momento, los procesos explicativos o generadores involucrados y las tendencias futuras”.
UPEL (2003), también estable que;
“la investigación proyectiva como aquella que intenta proponer soluciones a una situación determinada. Implica explorar, describir, explicar y proponer alternativas de cambio, mas no necesariamente ejecutar la propuesta. En esta categoría entran los proyectos factibles y todas las que conllevan el diseño o creación de algo”.
En relación con lo expuesto por Hurtado (2000) y UPEL (2003), se puede
decir que esta investigación es de tipo proyectiva, ya que se desea diseñar un
programa que permita optimizar el sistema de control actual de una maquina
moldeadora de plástico mediante el uso de un Controlador Lógico Programable
(PLC) y con esto dar una solución a la problemática en la que se encuentran
muchas empresas del sector del plástico del país.
3.2. Diseño de la investigación
El diseño de la investigación se refiere a donde y cuando se recopila la
información así como la amplitud de la información a recopilar. Hace explicito los
aspectos operativos de la investigación, se define como base del procedimiento. El
65
diseño de este trabajo de investigación se puede clasificar como no experimental
que según Hernández, Fernández y Baptista (2006);
“el diseño no experimental es aquella investigación que se realiza sin manipular deliberadamente variables. Es decir se trata de estudios en donde no hacemos variar en forma intencional las variables independientes para ver su efecto sobre otras variables. Lo que hacemos en la investigación no experimental es observar fenómenos tal como se dan en su contexto natural, para después analizarlos”.
En base a lo expuesto en el párrafo anterior, el diseño de esta
investigación, según la manipulación o no de las condiciones en la cuales se
realiza el estudio, se puede clasificar como no experimental, ya que no existe una
variación intencional de las variables involucradas en el proceso de la maquina
moldeadora de plástico.
Considerando lo citado por Hernández, Fernández y Baptista (2006) el
estudio es transeccional ya que;
“los diseños de investigación transeccional o transversal recolectan datos en un solo momento, en un tiempo único. Su propósito es describir variables y analizar su incidencia e interrelación en un momento dado. Es como tomar una fotografía de algo que sucede”.
Esta investigación se puede denominar transeccional o transversal según lo
expuesto anteriormente, porque solo se obtendrán resultados del programa del
PLC a partir de simulaciones para su respectivo análisis en un momento dado.
3.3. Técnicas de recolección de datos
Según Hurtado (2000), “las técnicas de recolección de datos comprenden
procedimientos y actividades que le permiten al investigador obtener la
información necesaria para dar respuesta a su pregunta de investigación”. De
igual manera Hernández, Fernández y Baptista (2006) expresa que, “recolectar
datos implica la elaboración de un plan detallado de procedimientos que
conduzcan a reunir datos con un propósito específico”.
66
3.3.1 Revisión documental
Hurtado (2000) expresa que;
“la revisión documental es una técnica en la cual se recurre a información escrita, ya sea bajo la forma de datos que pueden haber sido producto de mediciones hechas por otras, o como textos que en sí mismo constituyen los eventos de estudio”.
Análogamente según Hernández, Fernández y Baptista (2006) expresa que;
“la revisión documental consiste en detectar, obtener y consultar la bibliografía y otros materiales que pueden ser útiles para los propósitos del estudio, así como en extraer y recopilar la información relevante y necesaria que atañe a nuestro problema de investigación (disponible en distintos tipos de documentos)”.
3.3.2 Entrevista no dirigida
Hurtado (2000) define la entrevista como, “una técnica basada en la
interacción personal, y se utiliza cuando la información requerida por el
investigador es conocida por otras personas, o cuando lo que se investiga forma
parte de la experiencia de esas personas”.
De igual manera Cerda (1991) expresa que;
“la entrevista se denomina "no dirigida", ya que posee un objetivo eminentemente exploratorio de las actitudes y sentimientos del entrevistado, existe plena libertad por parte del entrevistador para hacer todo tipo de preguntas a la persona entrevistada, así como existe libertad de éste para expresar sus sentimientos y opiniones”.
La entrevista no dirigida se trabaja con preguntas abiertas, sin un orden
preestablecido, adquiriendo características de conversación. Esta técnica consiste
en realizar preguntas de acuerdo a las respuestas que vayan surgiendo durante la
entrevista. Se pueden plantear situaciones previas que serán indagadas en la
entrevista, o puede desarrollarse sin preparación, pretendiendo que el entrevistado
exprese su situación. Entre sus principales características hay que destacar:
El entrevistador no tiene una lista de preguntas para hacer.
67
Solo se tiene una idea de lo que se va a preguntar.
Las preguntas que se hacen dependen del tipo y características de las
respuestas.
3.4. Instrumentos de recolección de datos
Salinas (2007) expresa que, “por instrumento para la recolección de datos
se entiende cualquier material u objeto que sirva para realizar las observaciones o
experiencias para recolectar los datos”. Según Sabino (1992), “un instrumento de
recolección de datos es en principio cualquier recurso de que pueda valerse el
investigador para acercarse a los fenómenos y extraer de ellos información”.
3.4.1 Cuaderno de notas
Según Cerda (1991);
“un cuaderno de notas no es otra cosa que una libreta que el observador lleva en su bolsillo y donde anota todo lo observado. Al decir todo, incluimos el conjunto de informaciones, datos, expresiones, opiniones, hechos, croquis, etc., que pueden constituirse en una valiosa información para la investigación”.
3.4.2 Guía de entrevistas
Según hurtado (2006), “es un instrumento que se basa en la captación de
los datos, permite percibir el evento, no necesariamente de manera selectiva.”
3.5. Fases de la investigación
En aquellas investigaciones enfocadas en sistemas de control y
automatización de procesos es necesario el desarrollo de programas o softwares
de funcionamiento, por tal motivo es necesario contar con una metodología que
68
no solo cause una mejora en el proceso, sino que además resulte una inversión
rentable en cuanto a la adquisición de una tecnología adecuada.
La metodología a emplear en este proyecto será la planteada por el autor
José María Angulo en su libro Robótica Práctica (1984), además de lo expuesto
por el autor José Guadalupe Castro en su artículo Metodología para realizar una
automatización utilizando PLC (2005). Dichos autores exponen dos metodologías
muy similares y practicas las cuales serán adaptadas a los requerimientos de este
proyecto. Las fases a desarrollar serán las siguientes:
Fase I. Descripción del sistema
Para llevar a cabo la descripción del sistema o proceso se requiere recabar
la siguiente información: procedimiento que se debe seguir en la operación
(arranque, paro), dispositivos que intervienen en el proceso (sensores,
transductores, motores, variadores, etc.), variables a medir, variables a controlar,
variables a monitorear, rangos de operación, función de los dispositivos, entradas
y salidas. Esta actividad se lleva a cabo mediante entrevistas con los operadores y
encargados de mantenimiento del proceso, visitas de campo y la experiencia del
integrador.
Fase II. Diagrama de flujo
Un diagrama de flujo es una representación gráfica de los pasos en un
proceso. Dicho diagrama es útil para determinar cómo funciona realmente el
proceso. El diagrama se utiliza en gran parte de las fases del proceso de mejora
continua, sobretodo en definición de proyectos, diagnóstico, diseño e implantación
de soluciones, mantenimiento de las mejoras, traslado de materiales, pasos para
ventas y procedimientos del proceso.
69
Fase III. Requerimientos del cliente
Estos se obtienen, de las entrevistas realizadas con los operadores y jefes
de mantenimiento, los cuales indican características de operación, características
de los equipos, rango de operación y en algunos casos el rango del costo de los
equipos a utilizar.
Fase IV. Selección de autómata programable
Para llevar a cabo la selección del autómata se deben de realizar dos
evaluaciones, una para seleccionar el tipo de autómata y la otra para seleccionar
la marca, esto debido a las diferentes opciones que brinda el mercado
actualmente.
Fase V. Codificación del programa
Aquí generalmente se codifican de forma individual, asegurando con esto
que cada parte del trabajo se realiza de forma eficiente y precisa; esto se lograra
realizando el programa directamente en el lenguaje seleccionado para el
desarrollo del software.
Fase VI. Depuración del software
Al programa se le realizaran las pruebas respectivas y se depurara hasta
que su funcionamiento sea el esperado. Se deben probar exhaustivamente todas y
cada una de las diferentes bifurcaciones del programa.
70
Tabla 1. Actividades y Recursos Objetivo General.
“Diseño de un sistema de control de una maquina moldeadora de plástico por el método de
inyección mediante un Controlador Lógico Programable”
Objetivos Específicos. Fases de la metodología.
Actividades Recursos y/o Técnicas.
Determinar el comportamiento actual de
la maquinaria para el moldeo de plástico por
inyección.
Fase I. Descripción del sistema. Fase II. Diagrama de flujo.
-Revisión documental. -Visita de campo. -Entrevista. -Estudio del caso.
-Guion de entrevistas. -Textos de internet. -Cuaderno de notas.
Identificar las variables involucradas en el
proceso de la maquina moldeadora de plástico
por inyección.
Fase I. Descripción del sistema. Fase III. Requerimientos del cliente.
-Revisión documental. -Entrevista. -Estudio del caso.
-Guion de entrevistas. -Textos de internet.
Establecer la estructura de control de las
variables involucradas en el moldeado de plástico
por inyección.
Fase I. Descripción del sistema. Fase III. Requerimientos del cliente.
-Revisión documental. -Entrevista. -Estudio del caso.
-Guion de entrevistas. -Textos de internet.
Desarrollar la programación de control
de proceso de la maquina moldeadora de plástico por inyección para el
PLC.
Fase IV. Selección del autómata programable. Fase V. Codificación del programa.
-Revisión documental. -Estudio del caso.
-Textos de internet. -Manuales de fabricantes. -Computador. -Software simulador.
Verificar el funcionamiento del
software de la maquina por medio de simulaciones.
Fase VI. Depuración del software
-Estudio del caso. - Pruebas finales del programa.
-Computador personal. -Software simulador.
71
Tabla 2. Cronograma de Actividades
Fases Actividades Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep
Fase I. Descripción del
sistema.
Revisión de documentos
relacionados con la investigación.
Entrevista a operadores y
encargados de mantenimiento del
proceso.
Fase II. Diagrama de flujo.
Entrevista a operadores y
encargados de mantenimiento del
proceso.
Elaboración del
diagrama de flujo general del proceso
de la máquina.
Fase III. Requerimientos del
cliente.
Entrevista a operadores y
encargados de mantenimiento del
proceso
Fase IV. Selección del
autómata programable.
Revisión de
documentos y manuales de fabricantes de
PLC’s.
Fase V. Codificación del
programa.
Selección del
lenguaje e el cual se programara el PLC.
Codificación del
programa
Fase VI. Depuración del
software
Pruebas finales de funcionamiento del
programa.
CAPÍTULO IV DISEÑO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
73
CAPÍTULO IV
DISEÑO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Este capítulo muestra el desarrollo de las fases de la investigación, entre
ellas están; la descripción del sistema, el diagrama general de flujo, el
requerimiento del cliente, la selección de autómata, la codificación del programa y
la depuración del software. Además de lo anteriormente planteado este capítulo
contiene las conclusiones y recomendaciones.
4.1 Descripción del sistema
Para el desarrollo de esta fase se recolectó la información necesaria de
documentos electrónicos, manuales de máquinas de inyección, entrevistas no
estructuradas y visitas de campo realizadas en Industrias Kinzelmann, C.A. (Ver
ANEXO C). Dicha empresa cuenta con diferentes máquinas de inyección de
plásticos con sistemas de control basados en lógica cableada y en las cuales es
necesaria la presencia del operador en cada etapa del proceso. A partir de las
entrevistas realizadas a los operadores y al supervisor Sr. Estefan Berger, se
obtuvo información relacionada con el proceso de la máquina, variables
involucradas en dicho proceso, así como las fallas más comunes que se presentan
4.1.1. Descripción de la Máquina de Inyección de Husillo Reciprocante
El diseño del sistema de control que se propone está enfocado al sistema
de una máquina de inyección de husillo reciprocante con unidad de inyección fija,
este tipo de máquina es muy utilizada debido a la doble función que cumple el
husillo, el cual alterna su función de plastificar e inyectar el material fundido,
combinando de esta manera la gran capacidad plastificadora de una extrusora de
husillo con la elevada presión de inyección que poseen las unidades tipo embolo.
La figura 28 muestra el diagrama de una máquina de inyección de husillo
reciprocante con unidad de inyección fija. Las dos unidades fundamentales en las
74
que se divide la máquina se muestran en la figura, así como los diferentes
componentes que la conforman. Estas máquinas pueden contar con un sistema
de potencia eléctrico o hidráulico para proveer el giro del husillo, en la propuesta
que se plantea se toma como referencia una máquina con un sistema de potencia
hidráulico para el cierre del molde y la inyección del material, además de un
sistema de potencia eléctrico para proveer el giro del husillo, siendo este un motor
eléctrico de inducción que brindara las rpm necesarias en la etapa de plastificación
del material.
Figura 28. Diagrama general de una máquina de inyección de husillo reciprocante. Fuente http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/06/inyeccion-de-
materiales-plasticos-i.html (2011)
Las máquinas de inyección cuentan con un sistema hidráulico el cual es
fundamental tanto para el cierre y apertura de la prensa como para la inyección del
material fundido. Para esto son necesarias válvulas proporcionales reguladoras de
flujo y de presión ya que el control de estas variables son de suma importancia en
el acabado de la pieza terminada, además cabe destacar la importancia de los
sensores de presión en el sistema hidráulico ya que a partir de la información que
estos arrojan se puede mantener un control continuo de las presiones que se
75
manejan en el proceso de la máquina de inyección. La figura 29 representa un
diagrama general del sistema hidráulico de una máquina de inyección con unidad
de inyección fija, el funcionamiento de dicho sistema se resume de la siguiente
manera:
Figura 29.Diagrama general del sistema hidráulico de una máquina de inyección con unidad de inyección fija
La válvula (1) se encarga de regular la máxima presión del sistema,
mientras que la válvula (6) controla la presión de cierre y apertura del molde, de
igual forma la válvula (7) se encarga del control de las presiones de inyección,
sostenimiento y contrapresión. La velocidad de los pistones hidráulicos (15 y 16)
se controlan a través de las válvulas reguladoras de flujo (12, 13 y 14), el
movimiento de avance y retracción de estos pistones se controla por medio de las
válvulas direccionales (10 y 11). El enfriamiento del aceite que circula a través de
todo el circuito hidráulico se realiza por medio de intercambiador de calor (5),
76
normalmente del tipo de tubos con circulación de agua fría, el aceite de retorno
antes de llegar al tanque pasa por el intercambiador de calor.
En esta figura también se tiene una bomba hidráulica (2) y su respectivo
motor eléctrico (3), además de los sensores de presión o manómetros (8 y 9) los
cuales son los encargados de sensar las diferentes presiones que se manejan en
el proceso.
En el inicio del ciclo de inyección de la máquina hay que tomar en cuenta el
control de ciertas variables además de la presión y el flujo. La temperatura es una
de ellas, ya que a partir de la temperatura del cilindro de inyección se obtiene el
derretimiento necesario del plástico para la posterior inyección en el molde.
Otra variable fundamental en el proceso es el nivel, debido a que bajos
niveles de aceite hidráulico, material y líquido refrigerante traerían como
consecuencia pérdidas en la producción de la máquina así como piezas
terminadas con diferentes defectos en el acabado, paros prolongados del proceso,
pérdidas innecesarias de material, entre otras. Por tales motivos el monitoreo y
control de las variables antes mencionadas debe ser de gran importancia en la
automatización de la máquina y se deben tomar como condiciones previas para el
inicio del ciclo de inyección. Por otra parte la condición de paro de la máquina
debe cancelar la acción de todos los controles que intervienen en el proceso,
además del paro de los motores del sistema hidráulico y de la unidad de inyección
con el fin de brindarle seguridad al operario de la máquina.
4.1.2. Variables y dispositivos que intervienen en el proceso.
A continuación se muestra la tabla 3 en la cual se especifican los diferentes
dispositivos utilizados en el proceso así como la función que cumplen cada uno de
ellos.
Las diferentes variables a medir y monitorear en el proceso de inyección de
la máquina son presentados en la tabla 4 además de los rangos de operación
permitidos en dicho proceso.
77
Dependiendo del tipo de termoplástico con el que trabajara la máquina los
rangos de control de las diferentes variables del proceso varían debido a las
propiedades térmicas y mecánicas que caracterizan a cada material. En la tabla 5
que se muestra a continuación se encuentran las diferentes variables a controlar
en el proceso, la unidad de control y los diferentes rangos establecidos tomando
como referencia el polipropileno (PP).
DISPOSITIVOS FUNCIÓN UNIDADES
Termocuplas tipo J Medir la temperatura en cada zona del cilindro de
inyección.
4
Termocuplas tipo T Medir la temperatura en diferentes zonas del
molde, brida de alimentación, aceite hidráulico y
refrigerante.
7
Resistencias calefactoras tipo banda Aplicar un flujo de calor en las diferentes zonas
del cilindro de inyección.
4
Sensores de nivel de líquidos Medir el nivel del refrigerante y aceite hidráulico. 2
Sensor de nivel de sólidos Medir el nivel en la tolva de alimentación. 1
Sensores de presión Medir la presión de cierre y apertura del molde y
las presiones en la etapa de inyección.
2
Sensores de proximidad ultrasónicos Medir el recorrido de la platina móvil de la unidad
de cierre y el recorrido del tornillo de inyección.
2
Válvulas reguladoras de presión Controlar las presiones de cierre y apertura del
molde además de la presión de inyección.
2
Válvulas reguladoras de flujo Controlar la velocidad de avance y retroceso del
pistón hidráulico de las unidades de cierre e
inyección.
3
Válvulas direccionales Controlar la dirección del fluido hidráulico de la
unidad de cierre e inyección.
2
Válvulas solenoide Controlar el flujo de refrigerante del molde, brida
de alimentación, intercambiador de calor del
aceite hidráulico y control de la boquilla
4
Motor del sistema hidráulico Mantener un flujo constante de aceite hidráulico
en las unidades de cierre e inyección.
1
Motor de Inducción Hacer girar el tornillo de inyección en la fase de
carga de material
1
Variador de frecuencia Controlar y monitorear las RPM del motor de
inducción.
1
Tabla 3. Dispositivos que intervienen en el proceso de la máquina de inyección.
78
VARIABLES A MEDIR Y A
MONITOREAR
RANGO DE
MEDICION
Temperatura del cilindro de
inyección
(-210/1200)ºC
Temperatura del molde (-270/400)ºC
Temperatura de la brida de
alimentación
(-270/400)ºC
Temperatura del refrigerante (-270/400)ºC
Temperatura del aceite hidráulico (-270/400)ºC
Nivel en el tanque de líquido
refrigerante
(0-100)%
Cap. total
Nivel en el tanque de aceite
hidráulico
(0-100)%
Cap. total
Nivel de material de la tolva de
alimentación
(0-100)%
Cap. total
Velocidad de giro del tornillo de
inyección
(0-3600) RPM
Presión de Cierre (0-5000) BAR
Presión Apertura (0-5000) BAR
Presión de Inyección (0-5000) BAR
Presión de sostenimiento (0-5000) BAR
Contrapresión (0-5000) BAR
Dependiendo del tipo de termoplástico con el que trabajará la máquina, los
rangos de control, de las diferentes variables del proceso varían debido a las
propiedades térmicas y mecánicas que caracterizan a cada uno de los materiales.
En la tabla 5 se muestran las diferentes variables a controlar en el proceso, la
unidad de control y los diferentes rangos establecidos tomando como referencia el
polipropileno (PP).
Tabla 4. Variables del proceso de la máquina de inyección.
79
VARIABLES CONTROL RANGOS DE CONTROL
Temperatura del cilindro de
inyección
PLC Zona 1 (200-250) ºC
Zona 2 (210-270) ºC
Zona 3 (220-290) ºC
Zona 4 (230-300) ºC
Temperatura del molde PLC (20-60) ºC
Temperatura de la brida de
alimentación
PLC (20-30) ºC
Temperatura del aceite
hidráulico
PLC (45-50) ºC
Presión de cierre del molde PLC (1500-2000) BAR
Presión de apertura del molde PLC (500-2000) BAR
Presión de inyección PLC (800-1400) BAR
Presión de Sostenimiento PLC (500-1100) BAR
Contrapresión PLC (60-90) BAR
Velocidad de inyección PLC (0-100) %
Velocidad de cierre del molde PLC (0-100) %
Velocidad de apertura del
molde
PLC (0-100) %
Velocidad de giro del tornillo de
inyección
PLC / Variador de frecuencia (60-80) RPM
4.1.3. Estructura de control de las variables involucradas en el proceso de la máquina En todos los procesos automatizados existen, tanto variables de control
como variables controladas. Las variables involucradas en el proceso de inyección
de plásticos se desarrollan a continuación.
Tabla 5. Variables a controlar en el proceso de la máquina de inyección.
80
4.1.3.1. Temperatura
Para el diseño del sistema de control de temperatura del cilindro de
inyección se deben tomar en cuenta los conceptos relacionados con la
transferencia de calor de una sustancia a otra, además de las características
convectivas del cilindro, siendo este analizado en términos de resistencia y
capacitancia térmica. La figura 30 muestra el proceso térmico de un cilindro de
inyección, como se puede observar las resistencias calefactores y el tornillo son
fundamentales en este proceso ya que de ellos depende el derretimiento del
polímero. A media de que el tornillo gira a una velocidad constante se produce
cierta fricción entre el polímero y las paredes internas del cilindro generando un
flujo de calor interno. Las resistencias calefactoras junto con un controlador tipo P,
PI o PID ayudan a derretir el polímero y a mantener la temperatura interna del
cilindro constante.
Figura 30. Proceso térmico de un cilindro de inyección Fuente: Modeling and Control for a Thermal Barrel in Plastic Molding
Processes 2006
Para obtener la función de transferencia de un sistema con las
características expuestas en el párrafo anterior se debe partir de que la
temperatura deseada en el plástico debe mantenerse constante a medida de que
el flujo de calor que entra al sistema cambia al igual que el flujo de salida
proporcionalmente.
81
Ravi y Balakrishnan en su artículo titulado “Design of intelligent self tunning
anfis temperature controller for plastic extrusión system”, presentan la ecuación
(1), la cual define la función de transferencia general de un proceso térmico,
además realizan el diseño y la posterior comparación de tres tipos de
controladores de temperatura para el cilindro de inyección de una máquina
extrusora de plástico. Debido a que las características que presentan los cilindros
utilizados en las máquinas extrusoras de plástico son similares a los utilizados en
las máquinas de inyección de husillo reciprocante se toma como función de
transferencia del proceso la ecuación (2) que estos autores presentan en su
artículo.
(1)
Dónde:
T(s)= Temperatura en el cilindro
Q(s)= Flujo de calor en el cilindro
R= Resistencia Térmica
C=Capacitancia Térmica
tm= Tiempo muerto
(2)
El modelo físico del cilindro es un sistema de primer orden con tiempo
muerto, estos sistemas poseen una inercia térmica elevada lo cual hace que la
respuesta sea muy lenta. La temperatura del cilindro es un factor muy importante,
ya que de este depende el acabado de la pieza, temperaturas por encima o por
debajo del rango para derretir el polímero podrían causar daños irreversibles en
las piezas moldeadas. Por tal motivo es necesario el diseño de un controlador de
temperatura que permita mantener un valor de temperatura que no sobrepase
±48 ºC del punto de consigna o “setpoint”.
82
Generalmente los cilindros de inyección poseen cuatro (4) zonas de
calentamiento en las cuales debe implementarse un controlador para cada una de
ellas, esto debido a que se necesitan diferentes valores de temperatura en cada
zona dependiendo del tipo termoplástico con el que se esté trabajando. La tabla 6
muestra los distintos valores de temperatura necesarios en cada zona del cilindro
de inyección en función del termoplástico utilizado en el proceso.
Tabla 6. Temperatura de procesamiento de los diferentes materiales
Fuente: http://protoplasticos.blogspot.com/ (2011)
En este proceso, la temperatura en cada zona del cilindro es censada por
medio de termocuplas tipo J las cuales se encuentran insertadas en diversos
puntos a lo largo de la trayectoria del material, desde la tolva hasta la boquilla.
Éste tipo de sensor térmico posee un amplio rango de medición (-210 ºC a 1200
ºC), generando una tensión, que es función de la diferencia de temperatura entre
uno de los extremos denominado punto caliente y el otro denominado punto frío ó
de referencia.
83
Una vez obtenida la ecuación (2), que representa la función de trasferencia
del proceso térmico del cilindro de inyección de la máquina, por medio de
herramientas computacionales como lo es el Simulink de Matlab se obtienen los
parámetros del controlador PI a implementar, siendo la ecuación (3) la función de
transferencia general.
(3)
Dónde: U(s)= Salida del controlador
B(s)=Entrada del controlador
P=Constante proporcional
I=Constante integral
En la figura 31 muestra el lazo de control del proceso térmico del cilindro de
inyección, como se puede apreciar en esta figura el tiempo de retardo del sistema
se aproximó con la ecuación de Pade de primer orden como establece la ecuación
(4), y de esta manera obtener resultados más precisos y conseguir los parámetros
del controlador que puedan brindar una respuesta optima al sistema.
(4)
La figura 32 muestra el ajuste automático o auto sintonía del controlador
del proceso, a partir de esta función se consiguen los valores de las constantes P
e I de 0,9119 y 0,0169 respectivamente. Una vez obtenidos estos valores la
función de transferencia del controlador PI queda de la siguiente manera:
(3)
84
En la figura 33 se pueden apreciar las respuestas del sistema de control de
temperatura del cilindro de inyección cuando se le aplica un setpoint de 230°C. Se
opta por un controlador PI ya que este brinda una respuesta con un bajo tiempo de
establecimiento, se elimina el error en estado estacionario y además un máximo
sobrepico menor al 12% del setpoint. Este porcentaje es aceptable ya que si
apreciamos la tabla 6, dependiendo del tipo de material, existen rangos de
temperatura para cada una de las zonas del cilindro. Si se ajusta el setpoint de
cada controlador al valor mínimo de dichos rangos, la temperatura alcanzada en
un sobrepico no sobrepasara el valor máximo del rango establecido para esa
zona. De esta manera se le aporta al sistema la estabilidad que se requiere,
evitando los daños ocasionados al material por altas temperaturas no deseadas en
el proceso.
Figura 31. Lazo de control del proceso térmico del cilindro de inyección
Como se puede apreciar en la tabla 6 se presentan rangos de temperatura
en el molde y en la brida de alimentación los cuales deben ser controlados durante
el proceso. Tanto el molde como la brida poseen canales de enfriamiento por los
cuales circula líquido refrigerante a baja temperatura, dependiendo del tipo de
material y de las temperaturas utilizadas en las diferentes zonas del cilindro. El
enfriamiento del molde es de suma importancia ya que, de este depende el tiempo
que tomará la pieza en solidificarse. Por otra parte controlar temperatura de la
brida evita la compactación del material en dicha zona, lo que traería como
85
consecuencia una obstrucción que no permitiría el paso del material proveniente
de la tolva de alimentación.
Además del control de temperatura del molde y de la brida, cabe destacar
que la temperatura del aceite hidráulico es un parámetro que no debe pasarse por
alto, esto debido a que si no se controla y monitoriza dicha temperatura se pone
en riesgo la seguridad del operador, ya que se pueden llegar a altas temperaturas
en el proceso. Un aceite demasiado frio afecta la vida útil del motor de la bomba
hidráulica ya que se presentan elevados consumos de energía por parte del
motor, por otra parte un aceite demasiado caliente podría ocasionar filtraciones en
la juntas a largo plazo, el rango de temperatura más adecuado oscila entre los 40
y 50 ºC.
Figura 32. Ajuste automático o auto sintonía del controlador.
Para el control de las temperaturas en las diferentes zonas mencionadas en
los párrafos anteriores, se propone un control de refrigeración del tipo On/Off que
86
permite el paso del líquido refrigerante al llegar al valor máximo del rango
establecido y lo cancela una vez se llega al valor mínimo al cual se ajustó. Para
esto son necesarias válvulas de dos posiciones accionadas por solenoide las
cuales pueden ser activadas siempre y cuando se le aplique la tensión necesaria
a sus bornes.
Figura 33. Respuesta del sistema de control de temperatura del cilindro de inyección.
87
4.1.3.2. Presión
El control de presiones en el sistema hidráulico se realiza mediante válvulas
reguladoras de presión proporcionales, estas regulan la presión dependiendo de la
señal de control que reciben del controlador, generalmente operan con señales de
4-20 mA o 0-10V. Como se muestra las tablas 7 y 8, las válvulas se ajustan a
diferentes presiones en cada fase del proceso de la máquina, las cuales se
mencionan a continuación:
Presión de Cierre de Molde
Presión de Inyección de Material
Presión de Sostenimiento
Contrapresión de carga de material
Presión de Apertura de Molde
El control que se propone para este sistema es a lazo abierto, en el cual el
operador se encarga de ajustar las presiones necesarias para cada fase antes del
inicio del proceso de la máquina, aquí debe tomarse en cuenta que la presión de
cierre siempre debe ser ajustada a valores por encima de las presiones de
inyección y sostenimiento con el fin de evitar pérdidas de material en la fase de
inyección y piezas con deformidades en su superficie. Las tablas 7 y 8 muestran
las presiones que deben ser ajustadas en las fases de cierre, inyección y carga de
la máquina.
Tanto en la fase de cierre como la de apertura del molde el sensor de
proximidad cumple una gran función, ya que a partir de las distancias recorridas
por la parte móvil del molde se ajustan las diferentes presiones. En la fase de
inyección de material, el recorrido del husillo el cual es captado por el sensor de
proximidad, permitiendo saber cuál es el momento exacto de conmutación de las
presiones de inyección. La primera presión de inyección debe ser aplicada hasta
el 90% del recorrido total del husillo, mientras que presión de sostenimiento se
aplica el 10% del recorrido restante, este control de presión en la fase de inyección
brinda un buen acabado de la pieza, evitando contracciones del material dentro
del molde.
88
Además hay que considerar el control de la contrapresión, la cual cumple la
función de frenar el retroceso del husillo en la fase de carga de material con el fin
de evitar la acumulación de gases y mejorar el derretimiento del material.
Generalmente la contrapresión se ajusta entre 5 y 10 MPa, ya que si se tienen
valores muy bajos ocasionaría inconsistencia en la pieza y poca homogenización
del material a inyectar, por el contrario contrapresiones muy altas aumentan la
fricción entre el polímero y las paredes del cilindro de inyección, aumentando la
temperatura de fundido y trayendo como consecuencia una degradación del
material.
Tabla 7. Presiones correspondientes a la fase de inyección
Fuente: Trabajo de investigación de Eduardo Miguel D. y Perla Carmina S. (2011)
Fuente: Trabajo de investigación de Eduardo Miguel D. y Perla Carmina S. (2011)
89
Tabla 8. Presiones correspondientes a la fase de cierre
Fuente: Trabajo de investigación de Eduardo Miguel D. y Perla Carmina S. (2011)
4.1.3.3. Velocidad
Cabe destacar que la velocidad es una de las variables que se debe tomar
en cuenta en el proceso de la máquina, ya que de esta depende la calidad
superficial de la pieza moldeada, las velocidades de inyección, cierre, apertura y
carga de material, se controlan mediante válvulas reguladoras de flujo
proporcionales, el control a lazo abierto que se implementa permite ajustar los
cambios de velocidades los cuales deben ser efectuados juntos con los cambios
de presiones de cada fase del proceso. En la tabla 9 se muestran los cambios que
deben realizarse en cada fase del proceso dependiendo del recorrido del molde y
del husillo, los cuales son obtenidos por medio del sensor de proximidad ubicados
en cada unidad de la máquina.
A partir del control de presiones y velocidades que se muestra en la tabla 9,
se logran tiempos cortos de inyección, cierre y apertura los cuales reducen a su
vez el tiempo de cada ciclo de la máquina, además de obtener piezas de buena
calidad en su superficie, un llenado del molde con la misma masa plástica y
MATERIAL PRESIÓN DE CIERRE (BAR)
Acrilonitrilo butadieno estireno 386-618
Acetato de celulosa 154-309
Poliamida 6 618-772
Nylon 11 232-309
Nylon12 463-772
Policarbonato 232-386
Polietileno de alta densidad 154-309
Polietileno de baja densidad 309-386
Polietilentereftalato amorfo 618-926
Polimetilmetacrilato 309-618
Policloruro de vinilo 232-386
90
viscosa y se protegen ambas caras del molde contra colisiones que pueden
producir fisuras a largo plazo.
Tabla 9. Cambios que deben realizarse en cada fase del proceso
dependiendo del recorrido del molde y del husillo
Etapa del Proceso Recorrido del Molde
Presión Unidad de Cierre
Velocidad Unidad de Cierre
Cierre < 85% Baja Alta
> 85% Alta Baja
Apertura > 15% Baja Alta
< 15% Alta Baja
Etapa del Proceso Recorrido del Husillo
Presión Unidad de Cierre
Velocidad Unidad de Inyección
1ª Inyección < 90% Alta Alta
2ª Inyección (Sostenimiento)
> 90% Baja Baja
Carga de Material ---- Baja Baja
Por otra parte la velocidad de giro del husillo en la etapa de carga se
controla mediante un variador de frecuencia acoplado a un motor de inducción.
Generalmente los variadores de frecuencia posen entradas y salidas analógicas o
digitales con las cuales se pueden monitorizar el comportamiento del motor,
además de poder realizar el ajuste de las rpm necesarias en la etapa de carga. La
velocidad de carga o plastificación puede variar dependiendo del tipo de material
utilizado en el proceso, en el ajuste de las rpm del motor de inducción se deben
evitar valores altos, ya que podría ocurrir que el material no logre su temperatura
de fundición, por otra parte un valor de ajuste muy bajo prolongaría el tiempo de
carga y un quemado de la masa a inyectar.
4.1.3.4. Tiempo
El tiempo es uno de los factores más importantes en el proceso de la
máquina, a partir de este se puede medir la productividad y rentabilidad de la
misma. Los tiempos de mayor incidencia en el proceso son los de inyección,
sostenimiento y enfriamiento, aunque por lo general el tiempo de inyección debe
ser muy corto con respecto al tiempo de ciclo, de modo que el material no logre
91
enfriarse al pasar por las superficies más frías del molde y no se puedan llenar
completamente sus cavidades. Los tiempos de cada fase del proceso se
relacionan indirectamente con las velocidades de manera inversa, lo cual indica
que al tener velocidades altas se reduce los tiempos de cada fase del proceso.
En la fase de sostenimiento el tiempo necesario es más largo que el tiempo
de inyección ya que este depende del espesor de la pieza a moldear, un tiempo de
sostenimiento prolongado generara una pieza de baja contracción, pero
eventualmente de altas tensiones internas, mientras que un tiempo corto de
sostenimiento generara piezas con una alta contracción pero de un muy bajo nivel
de tensiones. Para el enfriamiento o solidificación de la pieza el tiempo debe ser
lo suficientemente largo de manera que esta no se deforme en la fase de apertura
del molde y eyección de la misma, aunque tiempos muy prolongados podían
afectar la productividad de la máquina. Para obtener tiempos de enfriamiento
cortos, se trabaja con temperaturas bajas en el cilindro de inyección, siempre y
cuando la temperatura se mantenga dentro del rango que permite el tipo de
material utilizado en el proceso.
En la figura 34 se muestra un diagrama general del ajuste apropiado de
los tiempos de cada fase del proceso de la máquina de inyección.
Figura 34. Diagrama de las fases de operación y su tiempo, para una máquina de inyección con la boquilla siempre apoyada sobre el molde.
Fuente: Gutiérrez y Oñate (2006)
Como se puede apreciar en la figura 35, el mejor ajuste del tiempo de
enfriamiento, es aquel que comienza junto con el tiempo de sostenimiento y
92
culmina con la carga de material, de esta manera se optimiza la productividad de
la máquina evitando pérdidas de tiempo innecesarias en el transcurso de cada
fase del proceso. Si se desea ajustar tiempos más prolongados de enfriamiento
simplemente se ajusta el tiempo de sostenimiento o el tiempo de carga tomando
en cuenta las precauciones necesarias en cada uno de ellos.
4.2. Diagrama de Flujo
Antes de la obtención de una pieza la maquina debe cumplir con varias
condiciones y fases de operación, estas son:
1.- Cierre de molde.
2.- Inyección de material
3.- Carga de material
4.- Apertura de molde.
Todas estas fases deben cumplir las siguientes condiciones para poder
ejecutarse: estar encendida la máquina, no haber presencia de alarma, es decir, la
luz de que todo está marchando bien debe estar encendida, esta indica que los
niveles y temperatura están en su rango de operación normal.
En la figura 35 se puede observar el diagrama de bloques de las fases de
operación de la maquina moldeadora
4.2.1 Cierre de molde
En la ejecución de esta fase se deben ingresar mediante el panel de control
cuatro (4) valores tales como alta y baja velocidad de cierre y alta y baja presión
de cierre. Estos valores son alternados por medio de las electroválvulas
proporcionales de presión y flujo las cuales mantienen baja presión y alta
velocidad por debajo del 85% del recorrido de cierre y al superar el 85% de su
recorrido debe haber presencia de alta presión y baja velocidad, esto para la
protección de ambas caras del molde. Tanto en la fase de cierre como de
93
apertura, el sensor de proximidad cumple un papel muy importante ya que este
monitorea todo el recorrido de la parte móvil del molde.
Figura 35. Diagrama de flujo de cumplimiento de fase del proceso
4.2.2. Inyección de material
Para ejecutar la etapa de inyección primero debe accionarse la
electroválvula ubicada en la boquilla de inyección permitiendo el paso del material
plastificado a una determinada presión. Para establecer el avance del tornillo que
inyecta el material, un sensor de proximidad permite controlar la conmutación de
presión y velocidad además de indicar el final de la inyección.
94
Cuando el 90% del material plastificado ha sido inyectado dentro de las
cavidades del molde, se procede a mantener una presión de sostenimiento entre
30-60% de la presión inicial, una vez que haya terminado la segunda inyección el
tornillo debe estar en su posición final y a partir de dicho momento comienza el
tiempo de sostenimiento en el cual se mantiene la misma presión hasta que
comience la fase de carga de material.
4.2.3. Carga de material
Esta fase inicia una vez culminada la fase de inyección, para esto se pone
en marcha el motor de inducción el cual es controlado por un variador de
frecuencia las rpm necesarias y se realiza un ajuste de contrapresión para evitar la
acumulación de gases y mejorar la plastificación del material. El giro del tornillo
permite el transportar el material desde la tolva hacia las zonas de calentamiento.
El volumen de material cargado es determinado por el sensor de proximidad de la
unidad de inyección el cual determina el fin de la carga. En el momento que inicia
en tiempo de sostenimiento, comienza la etapa de solidificación o enfriamiento del
material. Una vez que la fase de carga culmina la pieza debería estar en su punto
óptimo para la extracción.
4.2.4 Apertura del molde y extracción de la pieza inyectada
Cuando la fase de carga ha culminado se ejecuta la apertura del molde, en
esta se realiza una conmutación de presión y velocidad a partir del recorrido de la
parte móvil del molde la cual es monitoreada por el sensor de proximidad, con un
recorrido mayor a 15% se aplica alta velocidad y baja presión, para un recorrido
menor al 15% se aplica alta presión y baja velocidad. Próximo a culminar la
apertura total del molde la pieza moldeada se encuentra con varios pernos
mecánicos, los cuales la expulsan del molde.
95
4.3. Requerimientos del cliente
Esto se obtiene de la entrevista realizada a los operadores y jefes de
mantenimiento, los cuales indican características de operación que se podrían
mejorar, características de los equipos, rangos de operación y otros factores.
Como se mencionó en el párrafo anterior se realizaron varias entrevistas no
estructuradas con el supervisor de planta de la empresa Industria Kinzelmann
C.A.(en el ANEXO B se aprecian imágenes de las máquinas de esta empresa) el
Sr. Estefan Berguer y operadores de la máquinas moldeadoras de plástico, de las
cuales se pudieron extraer ciertos requerimientos que podrían mejorar el
funcionamiento y producción de la máquina moldeadora de plástico, y a su vez,
mayor protección para los operadores de las mismas.
Requerimientos:
Realizar la monitorización del nivel de la material en la tolva, para visualizar
si la tolva presenta un nivel bajo o alto de material.
Incluir un control de temperatura en la brida de alimentación para evitar
apelmazamiento de material.
Monitorear la temperatura del aceite del sistema hidráulico debido a que un
aceite demasiado frío, es decir muy viscoso, implica un elevado consumo
de energía por parte del motor de la bomba, lo que acorta su propia vida
útil. Por otra parte un aceite demasiado caliente, es decir poco viscoso,
provoca filtraciones en las juntas, y a largo plazo la reducción de su vida
útil.
Mejorar el control de temperaturas en la zonas de plastificación ya que, lo
común es, encontrar un sistema de control on-off que mediante, corte de
energización, varían la temperatura en las resistencia calefactoras con la
cuales en promedio se alcanzan temperaturas de hasta 30º C por encima
del valor de set point fijado por zona, lo cual hace peligroso el proceso tanto
para la maquina como para el operador.
96
Monitorear la presión hidráulica, tanto en la unidad de cierre, como en la
unidad de inyección, debido a que una presión de cierre de molde inferior a
la presión de inyección, puede ocasionar fallas de solidificación en la pieza,
generando mal formaciones en las mismas.
4.4. Selección del autómata programable
Para establecer el PLC a utilizar se tomaron en consideraciones varias
características, que tienen relación con el proceso como tal y también ciertos
criterios a nivel de complejidad de manejo del autómata programable.
Las características para la selección de autómata son las siguientes:
Entradas y salidas.
Módulos de expansión.
Nivel de tensión.
Programación.
En la tabla 10 se puede observar ciertas características entre dos marcas
reconocidas de autómatas programables.
Como se puede apreciar en dicha tabla, ambos modelos pueden ser
empleados para la automatización de la máquina de inyección, presentando
características muy similares que satisfacen las necesidades del proceso, además
estos autómatas poseen una gran variedad de funciones. Sin embargo se opta por
el Controlador Allen Bradley Micrologix 1500 LSP 1764-24BWA serie A, ya que
estratégicamente hablando, la marca Allen Bradley es tan conocida que lo
enseñan en las diferentes universidades e institutos, siendo su programación
accesible a ingenieros y técnicos, permitiéndole a las empresas reducir los gastos
en capacitaciones básicas. Su software de programación Rslogix 500 posee una
interfaz muy intuitiva, amigable y de gran sencillez para el programador. También
se cuenta con su emulador Rslogix Emulate 500 el cual permite trabajar con el
PLC de manera virtual y de esta manera poder comprobar el correcto
funcionamiento del proceso de la máquina de inyección. Además su protocolo de
97
comunicación DeviceNet es muy utilizado actualmente en los variadores de
frecuencia de las diferentes marcas que han adaptado este protocolo.
Tabla 10. Características de autómatas Allen Bradley vs Siemens
Características Allen Bradley Micrologix 1500
1764 – 24BWA serie A
Siemens Simatic S7-
200, CPU 226
Numero de I/O digitales 12 entradas
12 salidas
24 entradas
16 salidas
Numero de I/O analógicas No aplica No aplica
Módulos de expansión (M.E) 8 módulos 7 módulos
Alimentación
(nominal)
85 a 265 VAC
(47 a 63 Hz)
85 a 264 VAC (47 a 63
Hz)
Tensión nominal entrada digitales 24 VDC, 4mA 24VDC, 4mA
Tensión nominal salidas digitales 14 - 30.0VDC a 30º C 5 a 30 VDC a 30º C
Tensión nominal salidas analógicas
M.E.
0 a 10 VDC , 0 a 20 mA 0 a 10 VDC , 0 a 20 mA
Corriente de inrush 120V ac = 25A para 8 ms
240V ac = 40A para 4 ms
12 A a 28,8 VDC
Tipo de dato (entrada) Sumidero de corriente/fuente Sumidero de
corriente/fuente
Tipo de dato (salida) Relé (contacto de baja
potencia)
Relé (contacto de
baja potencia)
Formato de palabra datos -32000 a +32000 Bipolar
0 a 32000 Unipolar
-32000 a +32000
Bipolar
0 a 32000 Unipolar
Frecuencia de operación 1 kHz to 20 kHz 4 kHz to 20 kHz
98
4.4.1. Entradas y salidas
En las siguientes tablas se ilustran las I/O digitales y analógicas del proceso
con sus respectivos TAG (identificación).
Tabla 11. Entradas digitales
Nº Entrada Descripción
1 I:0/0 Inicio de la máquina
2 I:0/1 Paro de la máquina
3 I:0/2 Alarma alta RPM del variador de frecuencia
4 I:0/3 Alarma baja RPM del variador de frecuencia
Tabla 12. Salidas digitales Nº Salida descripción
1 O:0/0 Inicio luz piloto
2 O:0/1 Motor sistema hidráulico
3 O:0/2 Alamar luz piloto
4
O:0/3 Válvula de sistema de refrigeración de la brida de
alimentación
5
O:0/4 Válvula de sistema de refrigeración del
intercambiador de calor
6 O:0/5 Válvula de sistema de refrigeración del molde
7 O:0/6 Válvula direccional unidad de cierre
8 O:0/7 Válvula direccional unidad de inyección
9 O:0/8 Motor de unidad de inyección
10 O:0/9 Válvula boquilla de inyección
99
Tabla 13. Entradas Analógicas Nº Entrada Descripción
1 I:1.0 Termocuplas tipo T Tanque de Aceite Hidráulico
2 I:1.1 Termocuplas Tipo T Tanque de Liq. Refrig.
3 I:1.2 Termocuplas tipo T Brida de Alimentación
4 I:1.3 Termocuplas Tipo T Molde (1)
5 I:1.4 Termocuplas Tipo T Molde (2)
6 I:1.5 Termocuplas Tipo T Molde (3)
7 I:2.0 Termocuplas Tipo T Molde (4)
8 I:2.1 Termocuplas Tipo J Zona 1
9 I:2.2 Termocuplas Tipo J Zona 2
10 I:2.3 Termocuplas Tipo J Zona 3
11 I:2.4 Termocuplas Tipo J Zona 4
12 I:3.0 Sensor de Nivel Tanque Aceite Hidráulico
13 I:3.1 Sensor de Nivel Tanque Liq. Refrig.
14 I:3.2 Sensor de Nivel de Tolva
15 I:3.3 Sensor de Proximidad (U.C)
16 I:3.4 Sensor de Presión (U.C)
17 I:3.5 Sensor de Proximidad (U.I)
18 I:3.6 Sensor de Presión (U.I)
19 I:3.7 Variador de Frecuencia Monitoreo Rpm Motor
Tabla 14. Salidas Analógicas Nº Salida Descripción
1 O:4.0 Válvula Reguladora de Presión (U.C)
2 O:4.1 Válvula Reguladora de Flujo - Cierre de Molde (U.C)
3 O:4.2 Válvula Reguladora de Flujo – Apertura de Molde (U.C)
4 O:4.3 Válvula Reguladora de Presión (U.I)
5 O:4.4 Válvula Reguladora de Flujo – Inyección de Material (U.I)
6 O:4.5 Variador de Frecuencia Control Rpm Motor
100
4.4.2. Módulos de expansión
Además del módulo principal o CPU se requieren otros módulos de
expansión:
2 módulos de expansión 6 canales para Termocuplas 1769-IT6.
1 módulo de expansión 8 canales de entradas 1769-IF8.
1 módulo de expansión 8 canales para salida de corriente 1769-OF8C.
1 módulo de expansión 4 canales para salida de corriente 1769-OF4CI.
1 módulo End Cap 1769-ECR.
4.4.2.1. Configuración de los módulos de expansión
En la figura 36, se presentan los diferentes módulos de expansión, los
cuales fueron seleccionados para la automatización del proceso de la máquina de
inyección. Además de las entradas y salidas digitales que el controlador posee,
son necesarias módulos de entradas y salidas analógicas ya que la mayor parte
de las variables involucradas en el proceso varían en el tiempo, como lo es la
temperatura y el nivel.
Los módulos de medición de temperatura con termocuplas que se muestran
en la figura 37, presentas diversos formatos de datos seleccionables dependiendo
del tipo escalamiento que se le quiere dar a la variable. El formato en unidades de
ingeniería es el más apropiado para este proceso, debido a que se obtienen datos
más precisos de la temperatura. Por otra parte a los módulos de entrada analógica
que se muestran en la figura 38, se les selecciona un rango de 4-20 mA, dicho
rango es uno de los el más utilizados en la industria.
101
Figura 36. Módulos de medición de temperatura con termocuplas
Al igual que los módulos de entrada analógica, los módulos de salidas
analógicas se configuran de la misma manera, utilizando el mismo rango en mA.
En la figura 39, el formato utilizado es el escalado para PID, ya que dicho modulo
posee las salidas necesarias del control PI que se desea implementar, por lo tanto
facilita la programación del PLC ya que se evita el escalado de la señal de salida
mediante bloques de funciones, y de esta manera se libera el programa principal
de líneas de códigos innecesarias.
En la figura 40 se muestra un PLC virtual con todos los módulos de
expansión que se deben utilizar para este proceso de automatización. Este PLC
se obtuvo mediante la herramienta Integrated Architecture Builder de Allen
Bradley.
102
Figura 37. Configuración de escalado para medición de temperatura con
termocuplas
103
Figura 37. Configuración de escalado para modulo de expansión de 8 canales de entradas y salidas analógicas
104
Figura 39. Configuración de escalado para la captación de señales analógicas
Figura 40. PLC virtual y módulos expansión que se deben utilizar en el proceso
105
4.3. Programación
En relación a la programación para la elaboración del sistema de control del
proceso son utilizados diferentes software como lo es el RSlogix 500, RSlinx,
RSlogix Emulate 500 y RSview32.
Los softwares nombrados en el párrafo anterior son los necesarios para
poner en marcha el programa a diseñar, sin necesidad de estar presente en el
proceso, en este caso no se cuenta con PLC debido a su costo y tampoco con la
máquina de inyección de plástico, por lo tanto se acude al manejo de estos
softwares para la realización de pruebas mediante simulaciones.
El software RSlogix 500 es el que permite diseñar el programa en lenguaje
escalera con el cual se va a controlar el proceso de inyección de plástico. El
software RSlogix Emulate 500 permite de una manera virtual la creación de un plc,
de manera de vincularlo mediante un driver con el proceso y de esta manera
simular la existencia del mismo. El software RSlinx es el que da la conexión y la
comunicación directa o vía remota mediante una conexión a internet, con el PLC
real o virtual, en este caso virtual.
Debido a que no se cuenta con la máquina de inyección de plástico es aquí
en donde interviene el software RSview32, este permite crear de manera virtual
cualquier proceso, en este caso el de inyección de plástico, vinculando las
entradas y salidas del plc ya sean digitales o analógicas.
4.5. Codificación del programa
El programa en lenguaje escalara diseñado para la máquina de inyección
consta de un programa principal y seis (6) subrutinas. Dentro del programa
principal se configuran todos los sensores y válvulas que intervienen el proceso,
todas las señales analógicas están incluidas en dicho programa. La figura 41
muestra los escalones principales del programa en donde se encuentran los
106
contactos de inicio y paro de la máquina, en esta figura también se puede apreciar
el control de arranque y paro del motor del sistema hidráulico.
Las seis (6) subrutinas que conforman el programa principal son las siguientes:
Alarmas
Controles
Cierre
Inyección
Carga
Apertura
Las subrutinas de alarma y control están continuamente adquiriendo datos
de los sensores del programa principal para su correcto funcionamiento. Por otra
parte las subrutinas asociadas a cada fase del proceso, como lo es la subrutina de
cierre, inyección, carga y apertura, son activadas una vez la máquina esté en su
punto óptimo para la inyección y se halla seleccionado el modo de operación de la
máquina. Los tres modos de operación de la máquina se explican a continuación:
Modo Automático: En este modo de operación la máquina se encarga de
realizar la cantidad de piezas que se desean, las cuales fueron ajustadas
previamente por el operador, una vez la máquina haya terminado la última
pieza, esta debe parar el ciclo de inyección. Cada fase del proceso se
ejecuta automáticamente sin la intervención del operador.
Para el inicio del ciclo en todos los modos de operación, simplemente
es necesario que los niveles de material, líquido refrigerante y aceite
hidráulico no estén por debajo del 25% de la capacidad total de la tolva de
alimentación, tanque de líquido refrigerante y tanque aceite hidráulico,
además de que la temperatura del cilindro de inyección haya llegado al
valor necesario para la correcta plastificación del material. Dadas estas
condiciones el operador solo tendría que oprimir el botón de inicio de ciclo
para que la máquina empiece su proceso de manera automática.
107
Figura 41. Escalones principales del programa
108
Modo Semiautomático: El modo semiautomático desarrolla cada ciclo
individualmente permitiendo la intervención del operador una vez se haya
terminado el ciclo de inyección. Este modo de operación es necesario
cuando presentan pequeñas deformaciones en la pieza que no permitan la
correcta expulsión de la misma, y en donde es necesario que el operador
extraiga la pieza manualmente. Para cada ciclo de inyección de la maquina
es necesario que el operador pulse el botón de inicio de ciclo, permitiendo
que las diferentes fases se ejecuten de manera automática para un ciclo
de inyección.
Modo manual: En el modo manual el operador interviene en cada fase del
ciclo de inyección. Al ser activado este modo de operación la máquina inicia
cada fase individualmente de manera que una vez termina la primera fase
del ciclo, es necesario que el operador pulse el botón de inicio de ciclo, para
que la maquina prosiga con la segunda fase y así sucesivamente hasta
llegar a la última fase, que en este caso es la apertura del molde. Cuando
se desean piezas con buen acabado y de medidas precisas, este modo es
el más conveniente ya que el operador es el que controla cada fase del
ciclo de inyección de la máquina.
Como se muestra en la figura 42 para poder seleccionar el modo de
operación de la máquina, primeramente debe enclavarse la marca que indica que
los niveles y la temperatura del cilindro de inyección están dentro del rango
establecido por el operador.
Una vez se haya seleccionado el modo de operación de la máquina, el
botón de inicio de ciclo puede ser accionado para que la máquina realice el
proceso. La programación de dicho control es el mostrado en la figura 43 aquí
también se presentan las cuatro (4) subrutinas de la secuencia de la máquina, las
cuales están asociadas a cada fase del proceso. Como se puede apreciar en la
figura, una vez sea pulsado el botón de inicio de ciclo, comienza la fase de cierre
de molde, y a partir de esta se puede observar como continua la secuencia de las
fases del proceso, las cuales tienen asociados temporizadores a la conexión
(TON) que dan el permisivo de inicio a la fase siguiente.
109
Figura 42. Fragmento del programa principal
110
Figura 43 Subrutinas de la secuencia de la máquina
111
En la figura 44 se aprecia la subrutina Controles, en la cual se encuentran
los controles on/off de la brida de alimentación, enfriamiento del molde y aceite
hidráulico, además de los cuatro (4) controles PI encargados de mantener la
temperatura de las zonas del cilindro de inyección lo más cercana al punto de
ajuste. Como se puede apreciar en la figura la marca TEMP_BIEN indica que se
ha llegado a la temperatura deseada en cada zona del cilindro de inyección, esta
marca es activada por la dirección (PD9:/DB) de cada bloque PID la cuales se
establecen en (1) una vez que la variable del proceso se encuentra dentro del
rango de la banda muerta de paso por cero del controlador.
Los diferentes bloques de escalamiento SCP que se muestran en la figura,
permiten escalar el setpoint del controlador, convirtiendo los valores de
temperatura que se desean en el proceso a un formato de datos válidos para el
bloque PID. La configuración de dicho bloque se muestra en la figura 45, en el
cual se ajustan los parámetros Kc y Ti a partir de la sintonización realizada en la
fase (1) de este capítulo, además de dichos parámetros, la banda muerta del
controlador, el modo de control y la actualización del lazo de control también son
configurados en cada bloque PID, con estos ajustes se pueden obtener las
temperaturas que se desean en cada zona del cilindro de inyección.
Cabe destacar que los cuatro (4) bloques PID que están incluidos en la
subrutina Controles, no se les puede realizar ningún tipo de prueba para
comprobar su buen funcionamiento, esto debido a que el software Rslogix Emulate
500 no soporta todas las funciones que el procesador posee, la función PID es
una de ellas. Sin embargo cada bloque PID fue configurado como se muestra en
la figura 45 que es de esta manera que lo específica el manual del PLC
Micrologix-1500, por lo cual no deberían presentarse inconvenientes en su
operación ya que este controlador fue previamente sintonizado en la fase 1 de
este capítulo y en la cual se presentaron los resultados obtenidos de dicho
controlador.
El resto del programa realizado se muestra en el ANEXO A de este trabajo,
en donde se puede apreciar la codificación completa del programa principal y de
112
cada subrutina, especificando la función que cumple de cada uno de los escalones
que lo conforman.
Figura 44. Subrutina Controles
113
Figura 45.Ventana de parámetros del control PI del cilindro de inyección en el software RSlogix500
4.6.- Depuración del software
Luego de realizar pruebas mediante simulación se pudo definir la estructura
final que tendrá el programa de control diseñado. En las imágenes que se verán a
continuación se podrá observar mediante RSview32 y RSlogix500 que son los
principales software que se usaron para la depuración y pruebas mencionadas
anteriormente, el resultado final del programa para el control de una máquina
moldeadora de plástico, en este caso por el método de inyección.
En la figura 46 se puede observar cómo al compilar el programa, se refleja
en la parte inferior izquierda una ventana la cual indica que el programa de ha
compilado con éxito, es decir, sin ningún tipo de errores de sintaxis.
En el momento que la máquina de inyección inicia, con ella de igual manera
lo hace el motor del sistema hidráulico para ir ajustando las presiones indicadas,
valores que serán introducidos por el operador y luego escaladas por una serie de
escalador de parámetros ó SCP por sus siglas en ingles los cuales tienen la
114
función como su nombre los indica escalar los parámetros de tal manera que
puedan ser procesados por el controlador lógico programable
Figura 46.Ventana del software RSlogix500 sin errores de sintaxis.
115
La interfaz humano maquina ó HMI por sus siglas en inglés (Human
Machine Interface), permite tener una comunicación directa y en tiempo real con el
proceso de manera de controlar o modificar las variables del proceso en cualquier
momento. En la figura 47 se puede observar una de las pestañas de la interfaz,
elaborada para el control del proceso de inyección de plástico. Esta ventana
cuenta con el control de cuatro (4) área de operación, el sistema hidráulico, la
carga de material, la brida de alimentación y el aceite hidráulico
En el área de sistema hidráulico se pueden modificar las presiones de la
unidad de cierre así como sus velocidades, de igual manera se pueden controlar y
modificar las presiones y velocidades de la unidad inyección. El acumulador como
se ha mencionado anteriormente es el encargado de almacenar el material
plastificado para luego movilizarlo al molde, en esta área de trabajo se puede
modificar el porcentaje a la cual se desea llenar el acumulador y la velocidad con
la cual debe girar el cilindro inyector, así mismo se puede monitorear el valor
registrado de la velocidad actual del cilindro inyector.
La brida de alimentación y aceite hidráulico lleva un control de temperaturas
on/off, esto es un control mediante la apertura y cierre de válvulas, estableciendo
con esto una temperatura fijada por el operador, este procedimiento es el que se
puede observar en la figura 47, así también como en el área del acumulador
monitorea la temperatura registradas por el sensor en la zona respectiva en ese
momento.
Como se mencionó anteriormente las pruebas se realizaron mediante el
software RSview32, en la figura 48 se muestra pruebas realizadas apreciándose
el buen funcionamiento del proceso mediante el programa diseñado y arrojando
los valores deseados ajustados en la figura 47 de control, por otro lado también se
puede apreciar la ubicación de los botones de inicio y paro, la selección de modo
del proceso, el monitoreo de la gran parte de las variables del proceso, el tiempo
de cada una de las fase principales, entre otras.
116
Figura 47. Pruebas realizadas mediante el software RSview32
Figura 48. Pruebas realizadas en donde se puede apreciar el proceso
117
Al momento de simular las alarmas o advertencia arrojadas por el proceso,
se forzaron varias de ella y se compilo y ejecuto el programa, arrojando excelentes
resultados como se muestra en la figura 49, en la que se observa que existe un
nivel de aceite hidráulico por debajo de 25% (Bajo Nivel_AH<25%), nivel de
líquido refrigerante por debajo de 25%(Bajo Nivel_LR<25%), Presión de inyección
mayor a la presión de cierre (Presión_I>Presión_C), temperatura en la brida de
alimentación mayor a 80ºC (Alta Temp_BA>80ºC) y temperatura en el aceite
hidráulico menor a 20ºC (Baja Temp_AH<20ºC)
Figura 49. Forzado de alarmas mediante el software RSview32.
De esta manera se verificó la correcta simulación del programa diseñado
para el control de una máquina moldeadora de plástico por el método de
inyección.
118
Conclusiones
En la industria del plástico la automatización cumple un papel muy
importante debido a que se puede aumentar la productividad y se evita de gran
manera la intervención de los operadores en procesos que ponen en riesgo su
integridad física. Actualmente existen empresas vinculadas al sector plástico del
país que poseen máquinas con sistemas de control, consideran la automatización
una solución fiable de baja inversión, esto debido a que la adquisición de nuevas
máquinas implica un alto costo de adquisición, prácticamente imposible de
costear, además de los altos costos de importación, envío, y nacionalización.
Debido a lo expuesto anteriormente, se desarrolló el siguiente trabajo
especial de grado, en el cual se propone el diseño de un sistema de control de una
máquina moldeadora de plástico mediante un controlador lógico programable,
pudiéndose concluir lo siguiente:
Se pudo comprender de manera satisfactoria el funcionamiento de cada fase
del proceso de la máquina así como los diferentes dispositivos que
intervienen en ella, a partir de un estudio documental del caso y de la
información suministrada a través de entrevistas que se realizaron a
supervisores y operadores de Industrias Kinczelman C.A.
Las diferentes variables involucradas en el proceso de inyección de la
máquina se lograron identificar a partir de la revisión documental y
entrevistas realizadas a operadores, obteniéndose una mejor comprensión
de dichas variables y la importancia que tiene en el proceso tanto el control
como el monitoreo de las mismas.
Se logró establecer una estructura de control para cada variable del proceso,
los controles PI de temperatura brindan estabilidad al sistema térmico, lo que
permite trabajar con temperaturas muy cercanas al setpoint. Los controles
on/off propuestos logran mantener la temperatura del molde, brida y aceite
hidráulico en rangos aceptables en la simulación que no perjudican la
continuidad del proceso. Con el control de velocidad y presión a lazo abierto
119
que se propone, se pueden lograr piezas con un buen acabado y se reducen
los tiempos de cada fase de la máquina.
El PLC Micrologix 1500 de Alllen Bradley utilizado en este trabajo aporta un
buen desempeño en la automatización, debido a la variedad de funciones
que este posee y la fácil programación del mismo, además de la reducción
de paradas innecesarias de la máquina, ya que cada variable es
monitorizada y mostrada en la interfaz gráfica. Además se logró implementar
los diferentes modos de operación de la máquina, los cuales pueden ser
ajustados según lo requiera el operador.
Se logró verificar el correcto funcionamiento del programa y la respectiva
simulación del proceso de la máquina a través de simulaciones realizadas
mediante el software Rsview32. Tanto la secuencia de proceso como el
control de las diferentes variables involucradas cumplieron con los
requerimientos propuestos.
120
Recomendaciones
Se recomienda el uso del PLC Allen Bradley Micrologix 1500 para la
elaboración de la automatización de este proceso, de igual manera la utilización
de la interfaz HMI que se desarrolló mediante el software RSview32.
Adiestrar a los operadores en materia del plástico, de manera de conocer o
por lo menos tener una idea de las diferentes temperaturas de fundición y
velocidades y presiones de inyección.
En cada puesta en marcha de la máquina de inyección de plástico es
recomendable un chequeo general, tanto de la máquina como de los valores
introducidos en ella y de la calibración y funcionamiento de cada uno de los
sensores, ya que debido a que el sistema esta automatizado; de estos depende la
eficiencia y el rendimiento del proceso.
Al momento de automatizar el proceso de inyección de plástico es
recomendable, como se realizó en este trabajo, la elaboración de una protección
para verificar el cierre total del molde en un determinado tiempo, de lo contrario, la
máquina entra en modo de emergencia ejecutando el paro inmediato, debido a
que este evento puede ser causa de algo obstruido en el espacio que recorre el
molde para ejecutar su cierre.
Para la elección de la interfaz HMI debe seleccionarse verificando que
corresponda a una misma marca correspondiente al controlador lógico
programable y que corresponda con todas las funciones a ejecutar del mismo, ya
que de esta manera es mucho más fácil establecer la comunicación entre ambos.
Se recomienda simular el proceso de la máquina de inyección mediante la
interfaz desarrollada en este trabajo, utilizando diferentes parámetros en cada
punto de lectura y control, de manera de poder compararlos con el proceso de una
máquina real y poder brindar mejoraras y soluciones a las diferentes fallas que se
pueden presentar en dicha máquina.
121
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ANEXOS
120
ANEXO A:
PROGRAMA PARA EL CONTROL DEL PROCESO
121
122
123
124
ANEXO A-1. Programa Principal
125
126
ANEXO A-2. Subrutina de Control
127
ANEXO A-3. Subrutina de Inyección
128
ANEXO A-4. Subrutina de Carga
129
ANEXO B:
INTERFAZ Y CÓDIGO EN EL PROGRAMA RSVIEW32
130
131
132
133
134
ANEXO C:
MÁQUINAS DE INYECCIÓN DE INDUSTRIAS KINZELMANN, C.A
135
ANEXO C-1. Maquina de inyección de plástico
ANEXO C-2. Válvula para el control manual de temperatura
136
ANEXO C-3. Panel de monitorización de las variables del proceso
ANEXO C-4. Unidad de cierre
137
ANEXO C-5. Refrigeración para moldes
ANEXO C-6. Monitorización y controles de las variables del proceso
138
ANEXO C-7. Sistema de control con contactores y relés
ANEXO C-8. Sistema de control PLC Siemens Simatic200