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5/12/2018 Articulo Automata Horno - slidepdf.com

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DISEÑO Y FABRI CACIÓN DE UN HORNO TIPO BATCH PARA LA AUTOMATIZACIÓN DELPROCESO DE CURADO DE LA PINTURA EN POLVO PARA LA EMPRESA STAND

ILUMINAR Marín Díaz Julio Mario (autor), Jiménez Fernando (asesor), Duque Mauricio (coasesor)

Resumen – El presente artículo se refiere al diseño de un

horno tipo batch para la mejora del proceso de curado depintura en polvo en Stand Iluminar, empresa dedicada a laproducción y comercialización de materiales parailuminación y que en la actualidad, presenta falencias endicho proceso, las cuales influyen en el acabado de laspiezas. Se realizó en primera instancia, la determinación delas dimensiones, tanto del horno, como de los carros decarga, después se hizo necesario el cálculo de todas laspérdidas de calor y del balance de energía, con el fin dedeterminar la capacidad del quemador. Se especificó lafuente generadora de energía y la forma de calentamientode la carga. Finalmente se diseñó el control para el hornodonde se especificaron los sistemas necesarios para la

automatización, la lógica del control y el manual defuncionamiento del equipo.

I. INTRODUCCIONLa empresa Stand Iluminar en la actualidad, cuenta con unsistema para el curado de la pintura electrostática en polvo,el cual se compone de dos hornos que no tienen ningún tipode control. Esto está afectando directamente la calidad delproducto final, al no seguir los parámetros especificados enlas fichas técnicas de la pintura, en donde se sugiere queuna vez se alcance la temperatura de curado, es necesariomantenerla, durante un tiempo, siguiendo la curva depolimerización.

El proyecto, tiene por objetivo, el diseño de un horno tipo

convectivo para el curado de la pintura electrostática en

polvo, el cual garantizará un buen acabado y aspecto de las

piezas, cumpliendo con los parámetros establecidos por los

fabricantes de pintura, para el mejoramiento de este proceso

clave, dentro de la empresa.

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAStand Iluminar Ltda. es una empresa dedicada a la

distribución de materiales eléctricos e iluminación, y la

fabricación de muebles metálicos para iluminación. Hace

18 meses, la empresa decidió cambiar la tecnología para losprocesos de acabados de los muebles metálicos que fabrica

(sección de pintura), pasó de la aplicación de pintura liquida

a la aplicación de pintura en polvo, lo que implicó la

adquisición de nuevos equipos.

Para dar el acabado final de este tipo de pintura es

necesario el curado (polimerización de la resina) de la

pintura, para lo cual se requiere un horno que pueda

cumplir con las características necesarias para el proceso (o

rangos de operación del proceso), definiendo estas como la

temperatura de curado y el tiempo de curado.

En la actualidad la empresa cuenta con dos hornos que

fueron diseñados y fabricados por los propietarios en sus

instalaciones, pero cabe aclarar que el objetivo de estos

hornos en su momento, era el curado de la pintura líquida

En estos momentos los hornos son usados para el proceso

de curado de pintura en polvo, pero no cumplen con los

rangos de operación del proceso. Otro de los problemas que

se han identificado es que los hornos que se están usando

son una limitante para lograr que la capacidad del área de

pintura sea equilibrada con la producción del área de

metalmecánica; esto es, por los largos tiempos que los

hornos requieren para el curado de la pintura; otro de los

problemas es la falta de algún sistema de control para elproceso.

Por esto se puede identificar claramente que uno de los

problemas en los procesos de acabado son los hornos que se

están usando. Por esta razón se debe buscar un horno que

cumpla con las condiciones necesarias para el curado de la

pintura y que reduzca considerablemente el tiempo de

horneado.

III. ANTECEDENTESPara llevar a cabo el curado de la pintura en polvo se

utilizan comúnmente hornos tipo convectivo. Aunquesegún información suministrada por algunos proveedores de

pintura en polvo, el mayor porcentaje de plantas que llevan

a cabo este proceso, cuentan con hornos bastante rústicos,

en donde utilizan una especie de flautas colocadas en la

parte inferior del horno o piso y no cuentan con sistemas de

recirculación de aire. En estos hornos no se ejerce ningún

tipo de control, e incluso no siguen los parámetros dados en

las fichas técnicas respecto a tiempo y temperatura de

curado.

El otro porcentaje esta compuesto por plantas que cuentan

con hornos de convección, en donde para calentar laspiezas, se utiliza un quemador ubicado dentro de una

cámara de combustión, el cual es el encargado de calentar el

aire que se va a distribuir por toda el área del horno. En

este tipo de hornos el control que se ejerce es un control

tipo ON-OFF, el cual no garantiza que una vez finalizado el

tiempo de curado, el horno se apague sino que esta

operación se realiza de forma manual.

También existen los hornos en continuo, utilizados por un

porcentaje muy bajo de plantas, debido a que demandan una

producción muy alta y su inversión inicial también es

elevada. Para el sistema de calentamiento, estos hornos



2 cuentan con un segmento compuesto por infrarrojos, que

hacen que la pintura funda de una manera muy rápida y otro

segmento con recirculación, en donde la pintura termina su

ciclo de curado.

IV. MARCO TEORICO EN EL DISENODE CONTROLES AUTOMATIZADOS

Definición de control El concepto de control es bastante amplio, pero se podría

definir como la manipulación indirecta de las magnitudes

de un sistema denominado planta, a través de otro sistema

llamado sistema de control. Este último es el encargado de

interpretar los requerimientos del operador a través de las

entradas que este genera, las cuales son llamadas

magnitudes de consigna; y se encarga de gobernar las

salidas a través de los accionamientos1.

Lo habitual sin embargo es que el sistema de control se

encargue de la toma de ciertas decisiones ante determinado

comportamiento de la planta. Para determinar el

comportamiento de la planta es necesaria la existencia de

unos sensores que detecten el comportamiento de esta y de

una interface para adaptar las señales de los sensores a las

entradas de los sistemas de control. El siguiente esquemamuestra lo antes dicho.

Pasos para desarrollar un sistema automático de

control.A continuación se muestra un diagrama con los principales

pasos a seguir en el desarrollo del proyecto de un sistema

automático de control.

1 Autómatas Programables, Josep Balcells Cap. 1.

Componentes y modelos:Usualmente en los automatismos se encuentran una

diversidad de componentes o subsistemas que combinan

múltiples tecnologías tales como de tipo mecánico,

hidráulico, neumático, eléctrico o fisicoquímico. Esto hacenecesario un lenguaje común para la coordinación e

integración optima de todas estas, en el sistema. Para los

diferentes componentes y subsistemas se tiene en común

que tienen un comportamiento de tipo digital (señales todo

a nada) y analógicos (señales continuas). Los componentes

o subsistemas digitales pueden representarse con el modelo

común del algebra de Boole que sería el modelo que

permite tratarlos bajo un mismo punto de vista,

independiente de la tecnología. Los componentes y

subsistemas analógicos pueden tratarse mediante funciones

algebraicas continuas que relacionan las magnitudes de

salida con las de entrada y las herramientas matemáticas

para el tratamiento de estos sistemas son básicamente, la

Transformada de Laplace para sistemas analógicos

continuos, y la Transformada en Z, para sistemas digitales

muestreados, la tabla muestra la división de los sistemas

según el tipo de variable:

La clave de un método de diseño sistemático, que permita

un tratamiento global del sistema, está en interesarse por los

posibles estados de cada componente o bloque, más que por

su naturaleza física, permitiendo tratar a cada componente o

subsistema como una caja negra a la cual se asocia una

función de transferencia que relaciona las magnitudes de

salida de interés con las magnitudes de entrada y por lo

tanto, permite predecir su comportamiento, una vez

conocido su estado inicial y las señales de entrada

aplicadas.



3 Usualmente el resultado de desarrollar un diseño

sistemático es llegar a establecer un modelo de tipo

matemático y unas reglas de operación que no permiten

ambigüedades. La forma de hacer un tratamiento genérico

se basa en los siguientes principios:

1. Dividir el sistema en bloques, luego dividir en

bloques más elementales, hasta llegar al nivel de

componentes.

2. De cada bloque nos interesan solo las magnitudes

de entradas y salidas.

3. Cada magnitud de entrada o salida se representara

por una variable.

4. Hallar, para cada bloque, la función que relaciona

las variables de entrada y salida, denominada

función de transferencia.

5. Para todos los efectos, dos bloques que esténdefinidos por la misma función de transferencia se

consideraran idénticos, independiente de los

componentes o tecnología que los formen.

Redes de PetriLas redes de petri sirven para representar y modelar

sistemas en los que ocurren condiciones y eventos.

Mediante estas es posible el modelado de sistemas

automatizados. Una red de petri es un grafo orientado

formado por elementos denominados lugares, transiciones y

arcos. Cada uno de estos elementos, representan conceptos

diferentes.

Los lugares se representan mediante círculos y en una

primera definición, sin excesivo rigor, representan esa fase

estable por la que atraviesa el sistema entre dos sucesos

consecutivos que acontecen en el sistema. Las transiciones

se representan por segmentos de recta, los cuales llevan

asociados los eventos, cuya activación debe provocar el

disparo de la transición y por ende el marcado de uno o más

lugares siguientes. Los arcos son segmentos orientado que

unen lugares y transiciones de forma alternativa, cada arco

lleva asociada una función de peso W, que deberá ser un

entero positivo (0, 1, 2…)2.

De una manera formal, una red de petri es una cuádrupla (P,

T, A, w), donde:

P: Es un conjunto finito de lugares.

T: Es un conjunto finito de transiciones.

A: Es un conjunto de arcos.

W: Es una función de peso, w: A (1, 2, 3,…).

Guía GEMMA

2 Automatización de Procesos Industriales, Emilio Garcia Moreno, Cap. 6.4.1

La utilización de GEMMA promueve la sistematización en

el diseño de los sistemas automatizados de producción,

considerando los distintos macroestados por los que

eventualmente puede desembocar el funcionamiento del

mismo desde un nivel de abstracción superior. El GEMMA

se representa mediante una tabla que agrupa a una serie de

rectángulos denominados rectángulos de estados, que se

unen entre ellos por medio de líneas a trazos. Los

rectángulos de estados se clasifican en tres grandes grupos

F, A y D, cuyo objeto es permitir la descripción de cada

modo de marcha de parada deseada en la necesaria

diversidad existente en el funcionamiento de los sistemas de

producción automatizados.

En el grupo F (modo funcionamiento), se ubican todos los

estados que son necesarios para la producción.

En el grupo A (modo paro o parada), aparecerán los

procedimientos de paradas que permitirán, cuando así sea

necesario, la parada del sistema automatizado por razones

exteriores al sistema.

El grupo D (modo interrupción) comprende los modos de

intervención, manuales o lógicos, que permitan remediar un

estado de parada debido a razones internas del sistema,

dicho de otra forma, para remediar fallos de la parte

operativa3.

V. METODOLOGÍAPara la realización de este proyecto se tendrán en cuenta

los siguientes pasos, los cuales se desarrollaran según los

requerimientos del mismo:

• Determinación de las características del horno.

• Descripción general de funcionamiento del

autómata de control.

• Diseño de los sistemas operativos del horno.

3 Automatización de Procesos Industriales, Emilio Garcia M oreno, Cap. 10.



4 • Diseño y validación del autómata de control del

horno.

• Diseño del lazo de control de temperatura.

Determinación de las características del hornoAntes de empezar con el diseño del autómata de control, es

necesario definir las características que debe cumplir el

horno para que se suplan las necesidades específicas del

proceso de curado de la empresa. Para ello fue necesario

realizar los cálculos pertinentes, para cada una de las

características que deben ser definidas. Se dimensionó la

cámara de curado, teniendo presente las piezas que se

procesan en la empresa. Se diseño el sistema de carga y

descarga para las piezas que se van a procesar. Se estableció

el balance de energía para determinar la capacidad del

quemador, se seleccionó la fuente generadora de calor y secalculó el aislamiento más adecuado para esta aplicación.

Teniendo en cuenta lo anterior, se presentara una tabla

resumen con las características del horno:

CARACTERÍSTICAS HORNO

Dimensiones del hornoLargo = 280 cm

Ancho = 160 cm

Alto = 190 cm

Dimensiones del carro de cargaLargo = 260 cm

Ancho = 140 cm

Alto = 170 cm

Fuente Generadora de energía Gas Natural

Forma de Calentamiento de la carga Convección

Aislamiento seleccionado Lana Mineral de Roca de 3,5 pulgadas

Quemador seleccionado

Quemador a gas tipo paquete, marca

Joannes, de origen italiano, modelo

Joannes JM 9, con una potencia de

127000 a 315000 Btu/h.

DISENO DE LA AUTOMATIZACION DEL HORNO

Descripción GeneralEl horno contará con dos carros y cada lote que procese,

estará determinado por las piezas pintadas que se carguen

en uno de estos. En el arranque del equipo, las puertas

estarán cerradas y los carros estarán, uno en el punto A

(afuera de la cámara de curado) y el otro en el punto C

(dentro de la cámara de curado), o uno en el punto B y el

otro en el punto C.

Ubicación de los carros de carga

Cuando se dé la orden de iniciar la operación, el control

deberá seguir las siguientes tareas:

Abrir puertas (AP). Mantener puertas en posición (MP).

Posicionar carros hacia el punto B (PCB). Cerrar puertas (CP). Mantener puertas en posición (MP). Realizar el ciclo de curado del lote (CCL). Abrir puertas (AP). Mantener puertas en posición (MP). Posicionar carros hacia el punto A (PCA). Cerrar puertas (CP). Mantener puertas en posición (MP).

Teniendo en cuenta que dentro de las tareas anteriores, hay

algunas que se repiten, se establecen las siguientes tareas

generales:

Abrir puertas (AP).

Mantener puertas en posición (MP).

Cerrar puertas (CP).

Posicionar carros hacia el punto B (PCB).

Posicionar carros hacia el punto A (PCB).

Realizar el ciclo de curado del lote (CCL).

Sistemas de funcionamiento para el hornoDe acuerdo al funcionamiento general del horno, se puedenidentificar los sistemas mecánicos que van a sercoordinados por el control, los cuales son:

1. Sistema que va a manejar el posicionamiento de

los carros (Sistema de arrastre).2. Sistema que va a manejar las puertas (Sistema de

puertas).3. Sistema que va a manejar el ciclo de curado del

lote (Sistema del ciclo de curado).4. Sistema para la zona de desplazamiento de los

carros (Sistema de aseguramiento).

Descripción del funcionamiento general del autómata decontrolPara abordar el diseño de la estrategia de control, se utilizó

como referencia la guía GEMMA, ya que esta nos ayuda a

contemplar los posibles estados en que puede estar la

maquina. La guía aparte de considerar el funcionamientonormal automático del equipo, tiene presente otros estados,

tales como situaciones de fallo, estado de emergencia,

procesos de rearme, entre otros. Los estados que se

desarrollaran para nuestro autómata serán:

1. Parada en el estado inicial2. Parada pedida a final de ciclo3. Puesta del sistema en el estado inicial4. Producción normal5. Marcha de preparación6. Parada de emergencia7. Diagnostico y/o tratamiento de los defectos

8.

Producción a pesar de los defectos



5

Para describir el desarrollo del autómata, se mostrara la red

de petri de primer nivel y se explicara la interacción entrelos diferentes estados que se dan en esta. Aparte de la red de

1er nivel será necesario desarrollar redes de 2do nivel que

mostraran las subrutinas que se desarrollan en estados que

realizaran tareas específicas; tales como, el posicionamiento

que deben realizar los carros antes de entrar en producción

normal. Para estas redes será necesario realizar una

validación que nos garantice que las redes tienen las

características necesarias para darle robustez al autómata de

control.

A continuación se muestra la Red de Petri general del

funcionamiento del control del equipo.

El equipo contara con un interruptor principal que

suministrara la energía al control. Una vez este se ponga en

la posición de prendido, los dispositivos del control se

energizaran (sensores), al igual que el tablero de control

(PLC). Lo primero que se revisa es el estado del interruptor

del control, el cual estará representado por el estado

“selector control” (StrCtr). Este tiene dos posiciones:

prendido y apagado. El evento apagado, representa el hecho

de que mientras el selector este en esa posición, el control,

permanecerá en el estado de “selector control”, sin ninguna

acción sobre el equipo, pero con el control energizado. Si el

selector pasa a la posición de prendido, el control pasara al

estado de “control prendido”. Para que la maquina entre en

operación será necesario pulsar el “botón de operación”, el

cual nos llevara al estado “selector de modo de operación”,

pero antes de pulsar el “botón de operación”, se debe haber

seleccionado el modo de operación, con el “selector de

modo de operación”, el cual tiene tres opciones, las cuales

serán:

Posicionamiento por el operario. Producción normal. Producción a pesar de fallos.

Para los modos de operación 1 y 2, será común el estado

“puesta del sistema en estado inicial”, del cual, se obtienen

dos posibles estados, “carros en punto A con puertas

cerradas” o “carros en punto B con puertas cerradas”. Para

las dos salidas del estado “puesta del sistema en estado

inicial”, se realiza una nueva revisión del selector de modo

de operación, con el objetivo de determinar hacia cual de

los dos estados debe pasar el control, “posicionamiento por

el operario” o “producción normal”. Para estos dos estados

es requisito que los carros estén en el punto A o B con las

puertas cerradas. Retomando el estado “selector de modo de

operación”, el tercer modo de operación nos llevara al

estado de “producción a pesar de fallos”. Después de

cumplir las rutinas que se dan en estos estados, se presentanvarias opciones para salir de los mismos, las cuales serán

explicadas mas adelante.

En este punto se identifican dos tipos de estados en la red

de 1er nivel, los transitorios (se resaltaran con óvalos de

color verde en la ilustración 20) y los principales (se

resaltaran con óvalos de color rojo en la ilustración 20). Los

transitorios son necesarios para el desarrollo del autómata

de control en la red de 1er nivel (control prendido, selector

de modo de operación, etc.).

Los principales son los que nos lleven a cumplir lasexpectativas del usuario (posicionar los carros en el punto

que requiere el operario, posicionar el sistema para entrar

en producción normal, etc.), y en estos se deben realizar

rutinas de control, los estados principales del autómata

serán:

Puesta del sistema en estado inicial. Posicionamiento por operario. Producción normal (el cual está constituido por dos

estados: “Posicionamiento en producción normal”y “ciclo de curado del lote”).

Producción a pesar de fallos.



6 Para estos estados, se generan rutinas comunes, tales como

las acciones que se deben tomar en las emergencias. Por lo

tanto, las emergencias se desarrollaran en el primer nivel

(diagrama general), y de estas se identificaron 5 tipos, con

sus respectivas acciones (en el diagrama general se

resaltaran estas con óvalos de color rojo), las cuales fueron:

Emergencias por inicio de rutina: No permite quese desarrolle la rutina.

Emergencias por apertura de puertas: Cerrara laspuertas.

Emergencias por cierre de puertas: Abrirá laspuertas.

Emergencias por desplazamiento de carros:Detendrá el movimiento de los carros.

Emergencias por ciclo de curado: Apagara elquemador.

Otras posibles salidas de los estados principales, son las

fallas que puede identificar el autómata en el desarrollo de

las rutinas (en el diagrama general estas salidas serán

resaltadas en óvalos de color púrpura), las cuales podrán

ser:

Zona NO asegurada. Revisar sensores de puertas. Revisar sensores de carros.

Otras de las salidas que se presenta en los estados, son lassalidas objetivos (estas salidas se resaltaran en óvalos decolor verde.), las cuales nos indican que se ha alcanzado

con éxito el objetivo del estado, estas podrán ser: Carros en el punto A con las puertas cerradas (sale

del estado de puesta del sistema en estado inicial). Carros en el punto B con las puertas cerradas (sale

del estado de puesta del sistema en estado inicial). Carros posicionados en punto solicitado por el

operario. Apagado programado en modo de producción a

pesar de fallos. Apagado programado en modo de producción

normal. Fin de posicionamiento para ciclo de curado. Fin de ciclo de curado en modo de producción

normal. Fin de ciclo de curado en modo de producción a

pesar de fallos.

Para la descripción de los estados principales, se mostrara la

red completa del estado. Debido a los tamaños de estas, lasgraficas serán confusas y poco claras. El objetivo depresentarlas, es darle al lector una guía general, de lasecuencias de las rutinas que se desarrollan en el estado. Enla grafica general del estado, se resaltaran con óvalos rojos,las rutinas que después serán detalladas.

Descripción de Rutina Revisar la Zona deDesplazamiento de los Carros



7 Objetivo de la rutina: Determinar el estado en que seencuentran las puertas de la zona de desplazamiento de loscarros.

Descripción de Rutina posicionamiento inicial depuertas

Objetivo de la rutina: Determinar la posición en que seencuentran las puertas del horno y dependiendo de este,tomar la acción de abrirlas o cerrarlas. Revisar el estado delos sensores de las puertas.

Descripción de Rutina de posicionamiento inicialde los carros

Objetivo de la rutina: Determinar la posición en que seencuentran los carros, y dependiendo de esta, tomar laacción de posicionarlos hacia el punto más cercano (puntoA o B). Revisar el estado de los sensores de las puertas.

Descripción de Rutina de cierre de puertas enpuesta en estado inicial

Objetivo de la rutina: Cerrar las puertas conservando laposición que se obtuvo en la rutina posicionamiento inicialde los carros, para cerrar el estado “puesta del sistema enestado inicial”.

Descripción de Rutina Comparar Posición Actualcon Posición Solicitada

Objetivo de la rutina: Determinar si la posición en que seencuentran los carros es la solicitada por el operario.

Descripción de Rutina Apertura enPosicionamiento por Operario

Objetivo de la rutina: Abrir las puertas y bloquearlas pararealizar el posicionamiento de los carros, en el puntosolicitado por el operario. Revisar el estado de los sensoresde las puertas.

Descripción de Rutina Posicionamiento y cierreObjetivo de la rutina: Posicionar el carro en el puntosolicitado por el operario y cerrar las puertas, cerrando elestado “Posicionamiento por Operario”.

Este estado inicia con la rutina de Revisar la Zona deDesplazamiento de los Carros, la cual, ya fue desarrolladaen el estado de puesta del sistema en estado inicial, por lotanto, no se repetirá la descripción de esta, y se referenciaráal lector a esta parte del documento. De esta manera se pasaa la siguiente rutina.

Descripción de Rutina Apertura en Producciónnormal



8 Objetivo de la rutina: Abrir las puertas y bloquearlas pararealizar el posicionamiento de los carros. Revisar el estadode los sensores de las puertas.

Descripción de Rutina Posicionamiento enProducción normal

Objetivo de la rutina: Determinar la posición en que seencuentran los carros, y dependiendo de esta, tomar laacción de posicionarlos hacia el punto opuesto. Revisar elestado de los sensores de las puertas.

Descripción de Rutina cierre en producción normalObjetivo de la rutina: Cerrar las puertas después de haberrealizado el posicionamiento, para cerrar el estado“posicionamiento para ciclo de curado”.

Para continuar describiendo el estado “PRODUCCIONNORMAL”, se pasara a detallar el estado “ciclo de curado”,

el cual tiene como propósito principal controlar ydesarrollar el ciclo de curado del lote cargado y posicionadoen el estado anterior.

Descripción del estado “ciclo de curado”De acuerdo a la estrategia de control en el estado “ciclo decurado” se realizaran dos rutinas, la de “curado” y la del“ciclo de espera”.

Descripción de Rutina “curado”Objetivo de la rutina: Cumplir las condiciones del ciclo decurado de la pintura (mantener la temperatura de curado porel tiempo de curado).

Descripción de Rutina “ciclo de espera”Objetivo de la rutina: Darle tiempo (tiempo de ciclo decurado) al operario, para terminar de cargar el lote que va aentrar a proceso (carro que esta fuera del horno y va a entrara proceso). Conservar parte del calor que se gano en elproceso anterior (lote procesado en la rutina de “curado”

anterior a esta rutina)

DESCRIPCION DEL ESTADO “PRODUCCION APESAR DE FALLOS”

Como se puede notar en el diagrama general, el estado

“producción a pesar de fallos” está representado por unsolo estado, en el cual se desarrollan las mismas rutinas queen el estado “ciclo de curado”, perteneciente al estado“producción normal”. Por esta razón, no se desarrollara ladescripción de las rutinas y se referencia al lector a estaparte del documento. Cabe aclara, que en este estado no sedesarrollan las rutinas del estado “posicionamiento paraciclo de curado”, ya que la idea, es que el alistamiento de lamaquina deberá ser desarrollado por el operario; a criteriode este, se deja el inicio correcto de la maquina. Otra cosaque se debe resaltar, en el diagrama general, es la acciónque tiene el botón de operación en el estado “producción apesar de fallos”; este, nos lleva a retornar al estado,mostrando la pausa que debe generar la máquina para elnuevo alistamiento, antes de inicia un nuevo ciclo decurado.

Análisis y Validación de las Redes de PetriComo base para el análisis de las redes, se determinaran laspropiedades que dependen del marcado inicial de la red, lascuales son referenciadas como propiedadescomportamentales del sistema y estas nos muestran eldesempeño dinámico del mismo.

Para el análisis y validación de las redes que se plantearonen este trabajo, se utilizara el programa Hiles, en el cualfueron diseñadas las redes de petri antes descritas. Dentro

de las virtudes que tiene el programa, se puede encontrar unmodulo de análisis de las redes de petri (modulo TINA), elcual nos da como resultado las propiedadescomportamentales de la red que se esté analizando. Paraeste trabajo, se determinaran las siguientes propiedades:

1. Grafo de marcados accesibles.2. Acotamiento.3. Vivacidad.

Estas propiedades dependen del marcado inicial, y sonesenciales en la validación de la robustez del diseño.

Grafo de marcados accesibles.

Una secuencia de disparos resultara en una secuencia demarcados. Un marcado Mn es llamado a ser alcanzabledesde el marcado inicial M0, si existe una secuencia dedisparos que transforme M0 a Mn. En conclusión, el grafode marcados accesibles mostrara el desarrollo de la red conlos estados que pueden llegar a ser alcanzados, y lastransiciones que serán necesarias para evolucionar a unestado determinado, y finalmente será una representaciónde la totalidad de la red.

Acotamiento.Una red de petri (N, M0) es llamada a ser K-acotada osimplemente acotada si el numero de tokens en cada sitiono excede un numero finito K, para ningún marcadoalcanzable desde M0. Una red de petri (N, M0) es segura si



9 esta es 1-acotado. El hecho de verificar que la red esacotada o segura, garantizara que la red no será desbordada(por generación de tokens) en los estados, sin importar quesecuencia de disparo se tome.

Vivacidad.El concepto de vivacidad, esta cercanamente relacionado ala completa ausencia del bloqueamiento en los sistemasoperativos. Una red de petri (N, M0) es llamada viva (oequivalentemente M0 es llamado a ser un marcado vivopara N) si; sin importar, que marcado ha sido alcanzadodesde M0, es posible realizar disparos de cualquiertransición de la red, y además con el progreso de algunassecuencias de disparos mas allá de los disparos realizadosse alcance el estado de M0. La vivacidad es una propiedadideal para muchos sistemas dinámicos.La metodología para el análisis de las redes será lasiguiente:

1. Se diseñaran las redes en el programa HilesDesigner (este paso fue desarrollado en losnumerales anteriores).

2. Se realizara el análisis de alcanzabilidad de lasredes con el modulo de análisis del programaHiles.

3. Los resultados del análisis realizado por el modulo,serán analizados e interpretados, y este nosgenerara la siguiente información.

a. Grafo de marcados accesibles.b. Indicará si la red es acotada o no acotada.c. Indicará si la red es viva o no viva.

4. El grafo de marcados accesibles generado por el

modulo de análisis, será estudiado e interpretado,con la finalidad de comparar si este, muestra en sudesarrollo, una serie de secuencias que representael comportamiento operativo deseado del sistemaconcebido por el diseñador. De esta manera, sevalidara el grafo de marcados accesibles para lasredes diseñadas. Por otra parte, si al estudiar elgrafo, se identifica que este no representa elcomportamiento operativo deseado, será necesariorealizar modificaciones y conciliaciones en lasredes para que estas representen el diseñorequerido por el diseñador.

5. Se revisara en el modulo de análisis, que la red sea

acotada o no acotada.6. Se revisara en el modulo de análisis, que la red sea

viva o no viva.

La metodología se hará de manera reiterativa, hasta logrardiseñar redes que cumpla con todas las especificaciones quenecesitamos para el autómata, y además cumpla con lascaracterísticas que son ideales para un sistema dinámico, lascuales serán:

Que el grafo de marcado accesibles, mostrado en elmodulo de análisis, muestre una red que representelos requerimientos operativos del diseñador.

Que la red diseñada sea acotada.

Que la red diseñada sea viva.

Esta metodología se realizara con todas las redes diseñadaspara el autómata.

Estos resultados serán interpretados de la siguiente manera:

I.

Si el grafo de marcados accesibles generado por elmodulo de análisis, representa los requerimientosoperativos del diseñador, se tendrá la certeza deque la red diseñada en el programa Hiles, ha sidovalidada y por ende, podremos hacer uso delmodulo de análisis del programa para determinarlas otras propiedades que nos interesan, las cualesserán, que sean acotadas y vivas.

II. Si las redes son acotadas podremos tener la certezaque estas no serán desbordadas por la generaciónde tokens.

III. Si las redes son vivas, se puede tener la certeza queel autómata no generara un bloqueamiento en eldesarrollo del control.

A continuación se mencionaran algunas situaciones que sepresentaron durante el desarrollo del análisis de las redes depetri, las cuales mostraron lo útil que fue respaldarse en unametodología rigurosa y en el programa de diseño de lasredes (Hiles Designer).

Para la red de petri del diagrama general, fue necesarioreplantear el diagrama de la red, ya que en el grafo demarcados accesibles, se identifico que esta se comportabade manera diferente a la deseada.

Para la red de petri de puesta del sistema en estado inicial,

se presento una red no acotada en dos ocasiones. Para losdos casos, la situación se presento mientras se iniciaba elposicionamiento de los carros. Este posicionamiento iniciaactivando uno (depositando un token) de los siguientesestados transitorios “puertas abiertas y aseguradas” o“puertas cerradas y aseguradas”, y simultáneamente seiniciaba el proceso de revisar los sensores dedesplazamiento. La primera situación de red no acotada sepresento desde el estado “revisar sensores dedesplazamiento”, y este se daba por que cuando la red salíadel estado “revisar sensores de desplazamiento”, nodesactivaba el estado transitorio que previamente había sidoactivado (arrastraba el tokens) “puertas abiertas yaseguradas” o “puertas cerradas y aseguradas”.

Esta falla en el diseño, podría verse reflejada en la realidadde la siguiente manera. Cuando se reiniciara el proceso,alguno de los dos estado estaría activo y se podría llegar atener los dos estados activos (“puertas abiertas yaseguradas” y “puertas cerradas y aseguradas”), bajo estasituación, el control, interpretaría una situación que nocorresponde a la realidad, por ejemplo, que los carros estánposicionados con las puertas cerradas, y la realidad es quelos carros están posicionados con las puertas abiertas; paralas acciones siguientes, el control no realizara el cierre delas puertas e iniciara el proceso de curado con las puertasabiertas, lo que implicaría una pérdida de energía del

sistema de calentamiento y la pérdida del lote de curado. La



10 segunda situación de la red no acotada, se presentaba desdelos estados intermedios del proceso de posicionamiento delos carros hacia A o hacia B, estos estados, representan eldesplazamiento físico de los carros y en ellos existe la

posibilidad de generar una emergencia con elaccionamiento de los botones de emergencia. El problemapresentado por el no acotamiento, implicaba que laemergencia reiniciaba el proceso; pero, uno de los dosestados quedaba activo (“puertas abiertas y aseguradas” o“puertas cerradas y aseguradas”), para una nueva rutina de“puesta del sistema en estado inicial”, se podría llegar alcaso en que se genera nuevamente una orden de activar unestado que ya está activo (generación de tokens en unmismo estado con posibilidad de desbordamiento),generando un conflicto para el control.

Estos errores fueron depurados por la metodologíaplanteada, para la validación del diseño de la redes, yfinalmente se lograron los objetivos propuestos para laspropiedades de las mismas. Los cuales eran:

Que el grafo de marcados accesibles muestre unared que represente los requerimientos operativosdel diseñador.

Que la red diseñada sea acotada. Que la red diseñada sea viva.

Diseño de un control para un horno de curado depintura en polvo tipo batch.Para el diseño del controlador se realizo una termografía aun horno que tiene características similares de diseño ytamaño, al horno trabajado en este proyecto; el termógrafo

cuenta con seis sondas que se ubicaron en diferentes partesy toma lecturas cada 2 segundos.

Con los datos obtenidos, se sacó un promedio de cada grupo

de 6 datos y se obtuvo la gráfica para la temperatura

promedio.

Gráficamente se obtuvo que la planta obedece a un

polinomio de segundo orden, por la inflexión que tiene en el

inicio. Pero de la literatura, se sabe que una buena

aproximación se obtiene con un sistema de primer orden

exponencial, y este puede estar determinado por un modelo

de la siguiente manera:

( ) *(1 )t

T t K e τ

−

= −

Para hallar los valores de las constantes(K y τ ), se

utilizó el programa MatLab.

Con la herramienta de Fitting del cftool se creó la función

correspondiente a la tabla de datos que ya se tenía. Se

obtuvo de esta manera el modelo general, con los valores de

las constantes.

218.6( ) *(1 ) 160.8*(1 )t t

T t K e eτ

− −

= − = −

De manera gráfica, también se determinaron los valores de

las constantes K y τ y se estableció la siguiente función de

transferencia:

204.61( ) *(1 ) 159.08*(1 )t t

T t K e eτ

− −

= − = − Se evaluó, por medio de la simulación en la herramienta

Simulink de Matlab, con cuál de las dos funciones de

transferencia se iba a trabajar y finalmente se llegó a la

conclusión que la función de transferencia que se obtuvo

con Matlab (cftool), muestra una mejor representación de la

planta, por tanto se seleccionó como la función de

transferencia de la planta.

218.6( ) *(1 ) 160.8*(1 )t t

T t K e eτ

− −

= − = −



11 160.8

( )218.6 1

G ss

=

+

Diseño del controladorPara el diseño del controlador se establecieron los

parámetros que debe cumplir la respuesta del sistema,

estableciendo en primera instancia el tiempo de respuesta,

el cual es cercano al tiempo de respuesta de planta en lazo

abierto, y fue de aproximadamente 800 s.

El controlador, deberá mostrar un error en estado estable de

cero. Por esta razón, el controlador deberá tener una acción

integral en su desempeño. La técnica que se utilizó para el

diseño del controlador, fue el lugar geométrico de las raíces.

Debido a las condiciones del quemador, se tiene la limitante

que la acción que ese ejerce sobre la planta es de tipo

On/Off (no tiene válvula graduable para el paso de gas), por

lo tanto, no se implemento un controlador tipo continuo y

aprovechando las características de un controlador discreto;

en el cual el controlador, toma la acción sobre la señal de

entrada (error de la planta) y como salida se obtiene una

señal modulada en amplitud, la cual es proporcional a la

energía que necesita el sistema. Por lo tanto se diseñara un

controlador tipo PI discreto.

Con la herramienta sisotool, se hizo la simulación de la

planta discretizada con sus respectivas restricciones para el

diseño del controlador (PI), para las condiciones de

operación.

Se graficó la respuesta paso del sistema y finalmente se

realizó el montaje de la simulación del lazo de control en

simulink, para observar dicha respuesta.

Se generó un disturbio en el sistema, para observar el

comportamiento del controlador; las condiciones de este

disturbio fueron: magnitud -159 y tiempo 300 s. En lagráfica se pudo observar que el sistema alcanza a

reestablecerse en la temperatura de referencia, después que

el disturbio ha pasado.

Para finalizar, se establecieron los parámetros que deben

cumplirse en el control:Salida de controlador Acción de control

Menor a 0 Mantenga apagado el quemador por el

tiempo de muestreo (60 s)

Mayor a 1 Mantenga apagado el quemador por el

tiempo de muestreo (60 s)



12 Entre 0 y 1 Multiplique la salida del controlador

por el tiempo de muestreo (tq), y

manténgalo prendido hasta finalizado

el tiempo determinado (tq)

VI. COSTOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DELPROYECTO

Debido a que los hornos que se encuentran actualmente en

la empresa, no cumplen con los requisitos especificados

para la polimerización de la pintura, como ya se ha

mencionado anteriormente, es de carácter obligatorio para

la empresa cambiarlos, ya sea por uno de los que se

consiguen en el mercado o tomando la decisión de

implementar el horno de este proyecto.

Por lo tanto, se hizo un análisis financiero, comparando el

costo de la implementación de este proyecto contra el costo

que tendría para la empresa adquirir un horno de los que

comercialmente se venden.

A continuación se muestra una tabla que incluye los costos

y la inversión requerida para la ejecución del proyecto.

DESCRIPCIÓN COSTOQuemador $ 2.552.000

Ventilador $ 1.392.500

Aislamiento $ 472.000

Instalación del sistema de gas $ 350.000

Estructuras metálicas $ 10.250.000

Dispositivos de Control $ 1.480.000

Mano de Obra $ 3.600.000

Costos de la implementación del horno

TOTAL DE LA INVERSIÓN = $20.096.500

Se indagó respecto a los precios de los hornos que se

encuentran en el mercado, y se obtuvo que un horno para el

curado de la pintura en polvo, que tiene características

similares al diseñado en este proyecto, tiene un costo

aproximado de: $ 25.500.000. Con esto se concluye que la

empresa tendría un ahorro del 21% si decidiera

implementar el horno diseñado en este proyecto.

VII.

ANALISIS DE RESULTADOS YCONCLUSIONES

Uno de los objetivos específicos de este proyectoera la fabricación del horno. Este objetivo no fueposible cumplirlo, debido a que en este momento,la empresa no dispone de suficiente presupuestopara la ejecución del mismo. Por lo tanto sólo serealizó el diseño, pero a mediano plazo, la idea deStand Iluminar es implementar dentro del procesode curado de la pintura, un horno que cumpla conlas especificaciones del proceso.

La realización del balance de energía fue de granutilidad, ya que permitió dimensionar la fuente decalor o quemador, teniendo en cuenta todas las

pérdidas involucradas en el proceso, paraseleccionar el más adecuado para la operación.

Para el dimensionamiento del equipo, se tuvieronpresente las diferentes necesidades del usuario, con

lo cual se puede decir que el equipo presenta laventaja frente a los hornos comerciales, de cumplirampliamente los requerimientos de espacio útil,manejo de la carga, condiciones de curado de lapintura, seguridad de la operación, entre otros.

De los datos obtenidos de la termografía, se puedenotar que los hornos comerciales tiene uncontrolador de temperatura tipo On/Off, y a pesarde tener un buen desempeño térmico, a la hora demantener la temperatura en el rango de operaciónpresenta falencias, ya que muestran diferencias detemperaturas entre las sondas.

Para hallar las constantes de la función de laplanta, se siguieron dos procedimientos. Elanalítico, el cual fue desarrollado con Matlab, y elgrafico, el cual se estableció con los parámetrosgráficos de K y Tao. Los valores de dichasconstantes, involucran las características del horno,tales como, el sistema de recirculación, laspérdidas de calor, el efecto del aislante, entre otros.

Para escoger la función de la planta, se comparo demanera grafica el comportamiento de las dosfunciones (grafica y analítica) con los datos de latermografía, posteriormente para la validación deestas dos funciones de transferencia, se simularonen el programa de Simulink, con la función de laplanta en el plano temporal, para compararlas de

manera grafica. Para el diseño del control secuencial del equipo se

tomo como referencia la guía GEMMA, la cualnos guió en estados, que a primera impresión noson claros en el desarrollo del autómata talescomo: Estado de emergencia, estado de fallo,producción a pesar de fallos, etc. La guía nosmuestra de manera fácil la interacción de losestados antes mencionados. Otra de las grandesventajas que brinda la guía GEMMA es desarrollarel autómata de manera ordenada.

Para el desarrollo del autómata se utilizo elformalismo de redes de petri, las cuales facilitaron

el entendimiento de las rutinas que debe cumplir elautómata. Para el diseño de las redes de petri seutilizo el programa Hiles Designer, el cual mostroser una herramienta muy útil para este tipo deaplicaciones, ya que tiene la capacidad de simularlas redes y poder determinar las características deestas, tales como Acotamiento, estados detransiciones (muertas), y vivacidad de la red.

Aparte del control secuencial fue necesario diseñarun lazo de control de temperatura. Y a pesar queun control tipo On/Off muestra un buendesempeño (grafica de termografia); para esteproyecto, se desarrollo un control tipo PI,

aprovechando los elementos que son necesariospara el control secuencial (no fue necesario invertir



13 más dinero en la compra de dispositivosadicionales para obtener el control tipo PI), einvirtiendo un esfuerzo adicional en la ingenieradel diseño.

El control es de tipo discreto, y con este se buscaprender el quemador dependiendo de la necesidadde la planta. Como resultado del controlador, setiene que para cada tiempo de muestreo se puedenpresentar 3 acciones:

o Puede mantenerse prendido durante eltiempo de muestreo

o Apagado durante el tiempo de muestreoo Mantenerse prendido durante un tiempo

determinado por el controlador y apagadopor el tiempo restante del tiempo demuestreo.

Para la implementación del controlador en el PLCfue necesario llevar la función del controlador enel plano Z al plano temporal por medio de lasecuaciones en diferencias. Para lo cual fue de granutilidad la tabla de equivalencias, que se encuentraen la literatura.

Las principales ventajas del horno desarrollado eneste proyecto frente a los hornos comerciales, sonla operaciones automatizadas y coordinadas deapertura y cierre de puertas con desplazamiento delos carros de carga, el mejor control que se ejerceen el proceso de curado de la pintura (control PI vscontrol On/Off).

Para nuestro proyecto, el análisis financiero de laviabilidad, está enmarcado en el hecho de que la

empresa está obligada a cambiar los hornosactuales debido a las exigencias de los mercados alos cuales quiere acceder. Por lo tanto, lacomparación se realiza entre los hornoscomerciales cotizados y los costos de laimplementación de este proyecto. De lo cual seconcluye que es más económico implementar elproyecto, que comprar un horno comercial, yaparte de esta economía, están la ventajas deautomatización y control que presenta el hornodesarrollado en este proyecto.

VIII. BIBLIOGRAFIA

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PIEDRAITA MORENO, RAMON. Ingeniería de laautomatización industrial. Ra-Ma, Editorial, 2004.

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Programa simulador de redes de petri.

http://pipe2.sourceforge.net/

http://www.monografias.com/trabajos14/redesdepetri/redesdepetri.

shtml

articulo automata horno

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