TESIS-PROPUESTA DEL SISTEMA DE CONTROL PARA UNA …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PROPUESTA DEL SISTEMA DE CONTROL PARA UNA MÁQUINA DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN

EDUARDO MIGUEL DÍAZ

PERLA CARMINA SALDAÑA HERNÁNDEZ

ASESORES

M. en C. RENÉ TOLENTINO ESLAVA

Ing. RICARDO HURTADO RANGEL

México, D. F. Agosto 2011


CONTENIDO RESUMEN i INTRODUCCIÓN ii OBJETIVO iv

RELACIÓN DE FIGURAS v RELACIÓN DE TABLAS vii 1. MÁQUINA DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO 1

1.1. Estado Actual de Producción de Transformaciones Universales 2

1.2. Unidades de la Máquina de Inyección 3

1.2.1. Unidad de control 5

1.2.1.1. Temperatura 5 1.2.1.2. Presión 6

1.2.1.3. Tiempo 6

1.2.2. Unidad de inyección 7 1.2.3. Unidad de cierre 10 1.2.4. Unidad de potencia 12

1.3. Materia Prima para el Moldeo de Plástico por Inyección 15

1.3.1. Termoplásticos 16

1.3.2. Termoestables 16

2. CONDICIONES ACTUALES DE LA MÁQUINA BATTENFELD 17

2.1. Instrumentación 18 2.1.1. Termopar 18

2.1.2. Sensor de proximidad 19

2.1.3. Motor Hidráulico 20


2.1.4. Bomba 21

2.1.5. Válvulas 22

2.1.6. Resistencia Eléctrica 24

2.2. Control Actual de Variables 25 2.2.1. Control de temperatura 27 2.2.2. Control hidráulico 28

3. PROPUESTA DE CONTROL MEDIANTE UN PLC 29 3.1. Propuesta de Control de Variables 30 3.1.1. Temperatura 30

3.1.2. Presión 35 3.2. Selección del PLC 38 3.3. Ciclo de Inyección 39

3.4. Número de Entradas y Salidas 41

3.5. Selección de Módulos de Expansión 42 3.6. Configuración de Módulos 43 3.7. Escalamiento de Variables 46 3.8. Programación en RS Logix 500 47

3.8.1. Programación del control de temperatura 50

3.8.2. Programación del control de presión 51

3.8.3. Secuencia del programa 52

3.9. Costos 53

CONCLUSIONES 58 BIBLIOGRAFÍA 61 ANEXO. PROGRAMA EN ESCALERA 64 DEL CICLO DE INYECCIÓN


i

RESUMEN

Se desarrolló la propuesta de control de una máquina de inyección de

plástico marca Battenfeld de la empresa Transformaciones Universales. La

renovación del sistema de control era necesaria, pues la máquina presentaba

inconvenientes de producción y mantenimiento; los tiempos de producción eran

extensos, el porcentaje de piezas defectuosas era elevado, y los paros por fallo

eran frecuentes.

El desarrollo de este trabajo se basó en tres puntos clave: conocimiento de

la máquina, análisis de condiciones actuales y desarrollo del sistema de

control. En el análisis de condiciones actuales, se abrió la cabina del sistema

hidráulico con el fin de identificar la instrumentación disponible, como son

sensores y actuadores. Una vez que se registraron los requerimientos de

control, se seleccionó el controlador lógico programable (PLC), que cumplía con

los requerimientos del sistema. Los aspectos a cubrir de la propuesta de control

son los siguientes: la secuencia del ciclo de inyección, el control de temperatura

y el control hidráulico, encargado de realizar el accionamiento de los pistones

de acuerdo al ciclo de moldeo. La secuencia del ciclo de inyección fue

programada mediante técnica GRAFCET, en lenguaje escalera, y permite al

usuario seleccionar tres modos de operación: manual, automático y

semiautomático. El control de temperatura se propuso mediante un

controlador PID.

Como la función de transferencia de la máquina no cumplió las

características de sintonización requeridas por los métodos existentes, la

sintonización del PID fue realizada a través de una simulación en MatLab a

prueba y error. Con el control actual de temperatura (On-Off) la señal de

acción es lenta; la técnica PID brinda mejores resultados pues señala justo la

temperatura requerida por el proceso y su señal de acción es más rápida. En

cuanto al sistema hidráulico, la sustitución del controlador permite ajustar el

porcentaje de apertura de las válvulas, y el resultado es un producto de mejor

calidad.


ii

INTRODUCCION

La empresa Transformaciones Universales se dedica al moldeado de

plásticos por inyección desde hace veinte años. La empresa trabaja por órdenes

de trabajo; es decir, los clientes contratan a la empresa para fabricar una

determinada cantidad de piezas. La planta trabaja doce horas al día y su

capacidad de producción es de 2400 piezas diarias en promedio.

El equipo de producción consiste en seis máquinas de inyección de

plástico. Cuatro de ellas funcionan con un PLC (Controlador Lógico

Programable), mientras que dos se controlan por medio de un tablero

electromagnético. Las máquinas con PLC presentan un menor porcentaje de

producto defectuoso, además de que el mantenimiento resulta más económico y

los paros por fallo se reducen considerablemente. Cada máquina fabrica un

producto diferente, así que el material, tamaño, tiempo de fabricación y

número de piezas es propio de cada máquina.

La necesidad de la empresa es interconectar las seis máquinas de

inyección de plástico, con el fin de crear un panel general de monitoreo, que

permita llevar un registro de los tiempos de producción y la cantidad total de

piezas fabricadas. Los registros entregan información útil para tomar

decisiones e incrementar la producción. El panel permitirá al supervisor

conocer la cantidad de piezas fabricadas, el tiempo de fabricación, el material

utilizado y el número de paros.

La adaptación del PLC a las máquinas que poseen el tablero

electromagnético permitirá llevar un registro de estas cuatro variables,

además de otros beneficios como son; fácil modificación cuando se requiere, es

más compacto que un sistema de control de relevadores convencional, consume

menos energía, es más confiable puesto que no tiene partes móviles; además de

que los tiempos de apertura y cierre del contacto son fijos.


iii

Otros beneficios de la sustitución del sistema de control por un PLC son:

reducción del tiempo de instalación, reducción del tiempo de mantenimiento

preventivo, fácil detección de averías, programación configurable y sencilla

lectura de variables.

La implementación del PLC en la máquina de inyección Battenfeld tiene

dos objetivos primordiales: 1) El PLC facilitará en un futuro la integración de

las seis máquinas en un panel de monitoreo; y 2) El tiempo de mantenimiento

y la detección de averías resultan más convenientes con el PLC, lo que se

traduce en un ahorro económico.


iv

OBJETIVO

Realizar una propuesta de control por medio de un controlador lógico

programable que cubra las necesidades de operación de una máquina de

inyección de plástico que reduzca la cantidad de producto defectuoso y costos

de mantenimiento.


v

RELACION DE FIGURAS

NÚMERO DESCRICIÓN PÁGINA

1.1 Máquina de inyección de plástico. 3

1.2 Máquina de inyección Battenfeld. 4

1.3 Tiempo de enfriamiento en función del espesor de la

pieza.

7

1.4 Unidad de inyección. 7

1.5 Cierre del molde e inicio de inyección. 8

1.6 Inyección del material 9

1.7 Aplicación de la presión de sostenimiento. 9

1.8 Plastificación del material. 9

1.9 Enfriamiento y extracción de la pieza. 10

1.10 Unidad de cierre de la máquina de inyección. 10

1.11 Circuito de presión de la unidad de potencia. 12

1.12 Tuberías de apertura y cierre de tornillo y molde. 13

1.13 Sistema de giro del tornillo. 14

2.1 Termopar. 19

2.2 Sensor de proximidad. 20

2.3 Símbolo del sensor capacitivo. 20

2.4 Motor hidráulico. 21

2.5 Componentes de una bomba centrífuga. 21

2.6 Bomba centrífuga de la máquina de inyección. 22

2.7 Válvula antirretorno. 23

2.8 Válvula 4/3. 23

2.9 Válvula reguladora de presión proporcional. 24

2.10 Resistencia calefactora. 24

2.11 Controlador Maxthermo. 25

2.12 Lazo de control de temperatura. 26

2.13 Sistema hidráulico de la máquina de inyección. 28

2.14 Lazo de control de la válvula de cuatro vías. 28

3.1 Diagrama de bloques del control de temperatura

propuesto.

30


vi

3.2 Ciclo de PWM. 31

3.3 Diagrama de flujo del control de temperatura. 32

3.4 Sistema a lazo cerrado con controlador PID. 33

3.5 Respuesta del sistema con controlador PID. 35

3.6 Sintonización en RS Logix 500. 35

3.7 Diagrama de válvulas de cuatro vías y reguladores

de presión.

36

3.8 DTI de la máquina de inyección. 37

3.9 Diagrama de flujo de la selección del PLC. 38

3.10 Fases del ciclo de inyección. 39

3.11 Chasis de cinco ranuras para PLC. 43

3.12 Configuración del chasis. 43

3.13 Ventanas de configuración de los termopares. 44

3.14 Ventana de configuración de salidas analógicas. 45

3.15 Modos de operación del PLC. 48

3.16 GRAFCET del sistema de inyección. 49

3.17 Escalamiento para PID en RS Logix. 50

3.18 Accionamiento del PWM. 51

3.19 Escalamiento de salidas analógicas en RS Logix. 52


vii

RELACION DE TABLAS

NÚMERO DESCRIPCIÓN PÁGINA

1.1 Máquinas de inyección de plástico. 2

1.2 Desempeño de las máquinas de inyección. 2

1.3 Temperatura de fundición para diferentes

materiales.

5

1.4 Presiones de inyección, sostenimiento y retroceso. 6

1.5 Especificaciones de la unidad de inyección. 8

1.6 Presiones de cierre para diferentes materiales. 11

1.7 Especificaciones de la unidad de cierre. 11

1.8 Especificaciones de la unidad de potencia. 14

2.1 Instrumentación de la máquina de inyección. 18

2.2 Actuadores de la máquina de inyección Battenfeld. 18

2.3 Defecto y causa de las piezas defectuosas. 27

3.1 Acciones de control. 34

3.2 Respuesta en función de Kp, Ti y Td. 34

3.3 Entradas y salidas del proceso de inyección de

plástico.

41

3.4 Número de entradas y salidas. 42

3.5 Módulos del PLC. 42

3.6 Escalamiento en bits del módulo de salidas

analógicas.

45

3.7 Conversión en unidades de presión. 46

3.8 Escalamiento para PID. 46

3.9 Conversión de unidades de temperatura. 46

3.10 Descripción del programa en escalera. 52

3.11 Costos de materiales. 53

3.12 Tabla de conceptos. 54

3.13 Costo de personal. 54

3.14 Costo total del proyecto. 55

3.15 Características de la máquina de inyección BMB 55

3.16 Costos de las máquinas BMB. 55


viii

3.17 Costos de PLCs. 56

3.18 Costos de integración del PLC. 57

Capítulo 1

MÁQUINA DE INYECCIÓN DE PLÁSTICO

CAPÍTULO 1 Máquina de inyección de plástico

2

1.1. ESTADO ACTUAL DE PRODUCCIÓN DE

TRANSFORMACIONES UNIVERSALES

El equipo de producción de Transformaciones Universales consiste en

seis máquinas de inyección de plástico. Las máquinas han sido adquiridas a

razón del crecimiento de la empresa, por lo que, son de diferentes marcas.

Dos de ellas poseen un sistema de control electromagnético, el resto cuenta

con controladores lógicos programables. La Tabla 1.1 muestra las máquinas

y su controlador respectivo de cada una.

Tabla 1.1 Máquinas de inyección de plástico.

MÁQUINA CONTROLADOR Arburg Allrounder PLC Arburg Allrounder PLC Toyo PLC Toyo PLC Battenfeld Tablero electromagnético Nissei Tablero electromagnético

La empresa trabaja doce horas al día. El tiempo que tarda una

máquina en fabricar una pieza depende del tamaño y de las condiciones de

enfriamiento, por lo tanto, el ciclo de fabricación por unidad varía en cada

máquina. La Tabla 1.2 muestra un registro del desempeño de las máquinas

en una jornada de trabajo.

Tabla 1.2 Desempeño de las máquinas de inyección.

MÁQUINA

PIEZAS FABRICADA

S (EN 1 DÍA)

TIEMPO PARA

FABRICAR 1 PIEZA

(S)

PIEZAS DEFECTUOSA

S

PIEZAS DEFECTUOSA

S (%)

Arburg 1 600 58 72 12 Arburg 2 450 40 36 8 Toyo 1 300 65 33 11 Toyo 2 500 60 75 15

Battenfeld 350 70 70 20 Nissei 200 75 36 18


3

La Tabla 1.2 muestra que las máquinas con el índice de calidad más

bajo son las que se controlan por medio de un tablero electromagnético, de

las cuales la máquina con el porcentaje de piezas deformes más alto es la

máquina Battenfeld. La empresa está interesada en aumentar la calidad de

su producto lo antes posible, por lo tanto, se ha elegido sustituir el control de

la máquina de inyección Battenfeld por un PLC.

1.2 UNIDADES DE LA MÁQUINA DE INYECCIÓN

La máquina de inyección de plástico actúa en un proceso continuo que

consiste en inyectar un plástico fundido en un molde cerrado a presión y

frío, a través de una boquilla. En el molde el material se solidifica y

posteriormente el molde se abre y la pieza moldeada se expulsa. El sistema

de cierre y el sistema de inyección de la máquina Battenfeld se mueven de

forma horizontal, esta máquina fabrica un promedio de cincuenta piezas por

hora. La máquina integra las siguientes unidades: unidad de inyección,

unidad de cierre, unidad de control y unidad de potencia.

En la Figura 1.1 se muestra la vista general de la máquina de

inyección y sus unidades correspondientes.

Figura 1.1 Máquina de inyección de plástico.


4

La Figura 1.2 muestra la máquina de inyección de plástico Battenfeld.

Figura 1.2 Máquina de inyección Battenfeld.

1.2.1. Unidad de control

Desde la unidad de control es posible insertar los puntos de referencia

con los que trabajará la máquina según el material de fabricación. El

sistema de control envía las señales que accionan los dispositivos de

inyección y cierre; además mantiene las variables de temperatura y presión

en el punto de referencia determinado.

La temperatura y la presión de operación de la máquina deben

ajustarse según el material a moldear, puesto que los plásticos en estado

fundido poseen diferente viscosidad y fluidez según las propiedades

intrínsecas de las resinas y de las condiciones del moldeo. El ajuste de las


5

variables de temperatura, presión y tiempos hacen la diferencia entre un

producto de calidad y un producto defectuoso.

1.2.1.1. Temperatura

Desde la unidad de control es posible variar la temperatura de fundido,

más no la de enfriamiento. El enfriamiento de los moldes se realiza a través

de un flujo de agua fría que pasa a través de cavidades localizadas en el

molde. El agua fría puede provenir de una torre de enfriamiento o de un

chiller. La Tabla 1.3 muestra los valores recomendados para la temperatura

de fundido según el material a plastificar.

Tabla 1.3 Temperaturas de fundición para diferentes materiales

MATERIAL TEMPERATURA DE

FUNDICIÓN (°C) Acetato de celulosa 210 Polietilentereftalato amorfo 240 Polimetilmetacrilato 240 Policarbonato 300 Acrilonitrilo butadieno estireno 240 Poliamida 6 250 Polietileno de baja densidad 210 Polietileno de alta densidad 240 Nylon 12 240 Polioximetileno 250 Polisulfuro de fenileno 250 Etileno-propileno fluorado 240

1.2.1.2. Presión

La presión de empuje y retroceso del tornillo varía según el plástico a

trasformar, puesto que debe tomarse en cuenta la viscosidad y densidad de

cada material. El fabricante de plástico provee una tabla que muestra la

presión de inyección recomendada como se muestra en la Tabla 1.4.


6

Tabla 1.4 Presiones de inyección, sostenimiento y retroceso.

1.2.1.3. Tiempo

El tiempo de carga indica el volumen de material que entra al cilindro.

Es necesario modificar el volumen de carga, puesto que no todas las piezas

son del mismo volumen. Si el tornillo recorre el total de su carrera en un

tiempo t y el usuario ajusta el tiempo de carga en t/2, entonces el volumen

de carga corresponderá a la mitad de la capacidad total.

El tiempo de enfriamiento se refiere al lapso que la pieza pasa dentro

del molde, antes de la expulsión. El tiempo de enfriamiento dependerá del

espesor de la pieza. La Figura 1.3 muestra los valores típicos de

enfriamiento en función al espesor de la pieza.

MATERIAL

PRESIÓN DE INYECCIÓN

(BAR)

PRESIÓN DE SOSTENIMIENTO

(BAR)

PRESIÓN DE RETROCESO

(BAR) Estireno acrilonitrilo 650-1550 350-900 40-80 Acrilonitrilo butadieno estireno 650-1551 350-901 40-81 Polióxido de fenileno 1000-1600 600-1250 60-90 Policloruro de vinilo 1000-1550 500-900 40-80 Acetato de celulosa 650-1350 400-1000 40-81 Acetato butirato de celulosa 650-1351 400-1001 40-82 Polimetilmetacrilato 1000-1400 500-1150 80-120 Policarbonato 1000-1600 600-1300 80-120 Polipropileno 800-1400 500-1100 60-90 Poliamida 6 450-1550 350-1050 40-80 Nylon 11 450-1551 350-1051 40-81 Nylon 12 450-1552 350-1052 60-90 Polioximetileno 700-2000 500-1200 40-80 Polisulfuro de fenileno 750-1500 350-750 40-80 Etileno-propileno fluorado 1000-1500 500-1000 80-120


7

Figura 1.3 Tiempo de enfriamiento en función del espesor de la pieza.

1.2.2. Unidad de inyección

El objetivo de la unidad de inyección (Figura 1.4) es cargar, calentar e

inyectar el plástico. La unidad se conforma por un cilindro de acero (también

llamado barril) y el tornillo de carga e inyección. El tornillo gira y carga el

material, una vez que se ha completado la carga, el tonillo empuja el

material hacia las cavidades del molde. Las funciones de la unidad de

inyección son:

1) Acercar o retirar la boquilla hacia el molde, 2) Generar la presión

requerida entre la boquilla y el molde, 3) Girar el tornillo, 4) Mover

horizontalmente el tornillo, 5) Mantener la presión de sostenimiento.

Figura 1.4 Unidad de inyección.


8

Las especificaciones de la unidad de inyección de la máquina

Battenfeld se muestran en la Tabla 1.3.

Tabla 1.5 Especificaciones de la unidad de inyección.

CARACTERÍSTICA MAGNITUD Diámetro de tornillo 38 mm Longitud del tornillo 760 mm Ángulo de la hélice del tornillo 30° Presión de inyección máxima 16.88 MPa Volumen máximo de carga 42 cm3 Velocidad de rotación del tornillo 60 rpm Capacidad de calentamiento 5 kW Zonas de calentamiento 4 Diámetro del pistón de empuje del tornillo 50.8 mm Carrera del pistón de empuje del tornillo 200 mm

El ciclo de inyección de la máquina Battenfeld es:

1. Plastificación. Antes de comenzar el molde vacío debe estar cerrado

(Figura 1.5). El cilindro en el que se lleva a cabo la plastificación se llama

cañón. En la punta del cañón está la boquilla por la que se introduce el

plástico al molde. Antes de la inyección, la boquilla está separada del molde.

Para comenzar la inyección, el cañón avanza y la boquilla embona con la

cavidad del molde.

Figura 1.5 Cierre del molde e inicio de la inyección.

2. Inyección. El tornillo inyecta el material (Figura 1.6), actuando como

pistón, forzando al material a pasar a través de la boquilla hacia las

cavidades del molde con la presión de inyección respectiva al material.


9

Figura 1.6 Inyección del material. 3. Presión de sostenimiento. Al terminar de inyectar el material, el tornillo

se mantiene adelante aplicando una presión de sostenimiento (Figura 1.7),

para evitar que el material salga del molde durante el enfriamiento.

Figura 1.7 Aplicación de la presión de sostenimiento.

4. Plastificación. Una vez que termina la presión de sostenimiento, el

tornillo se mueve hacia atrás, haciendo circular los gránulos de plástico

dentro del cilindro hasta que se acumula el material requerido para la

inyección (Figura 1.8).

Figura 1.8 Plastificación del material.


10

5. Enfriamiento. En el molde la pieza se enfría y el calor es disipado por

medio de un fluido refrigerante. Una vez terminado el tiempo de

enfriamiento la parte móvil del molde se abre y la pieza es extraída, como se

muestra en la Figura 1.9.

Figura 1.9 Enfriamiento y extracción de la pieza.

1.2.3. Unidad de cierre

En la unidad de cierre (Figura 1.10), el plástico entra a las cavidades

del molde y una vez que el material se enfría, la pieza se expulsa. La unidad

de cierre cuenta con un sistema que abre y cierra las mitades del molde.

Figura 1.10 Unidad de cierre de la máquina de inyección.

Las presiones de cierre y apertura son ajustables, el material requiere

de presión alta o baja dependiendo de las características al solidificarse. La


11

Tabla 1.4 muestra las presiones de cierre recomendadas para diferentes

materiales.

Tabla 1.6 Presiones de cierre para diferentes materiales.

MATERIAL PRESIÓN DE CIERRE (MPa)

Acrilonitrilo butadieno estireno 38.6 - 61.8 Acetato de celulosa 15.4 - 30.9 Poliamida 6 61.8 - 77.2 Nylon 11 23.2 - 30.9 Nylon 12 23.2 - 30.10 Policarbonato 46.3 - 77.2 Polietileno de alta densidad 23.2 - 38.6 Polietileno de baja densidad 15.4 - 30.9 Polietilentereftalato amorfo 30.9 - 38.6 Polietilentereftalato cristalino 61.8 - 92.6 Polimetilmetacrilato 30.9 - 61.8 Policloruro de vinilo 23.2 - 38.6

El sistema de cierre cuenta con un expulsor o botador. El botador

empuja la pieza fuera del molde una vez que está sólida y el molde se abre.

Cuando la pieza ha sido expulsada, el botador vuelve a su posición normal.

Las especificaciones de la unidad de cierre se muestran en la Tabla 1.5.

Tabla 1.7 Especificaciones de la unidad de cierre

Fuerza máxima de cierre 350 kN Diámetro del pistón de empuje del molde 50.8 mm Carrera del pistón de empuje del tornillo 200

1.2.4. Unidad de potencia

Esta unidad incluye los dispositivos necesarios para suministrar la

fuerza motriz a las unidades de inyección y de cierre. El sistema de potencia

puede ser de dos tipos: eléctrico o hidráulico, dependiendo de la fuerza que

se requiera. La máquina de inyección Battenfeld cuenta con un sistema de

potencia hidráulico conformado por una bomba que dirige el fluido hacia las

válvulas y el motor hidráulico.


12

La unidad de potencia está conformada por una bomba que empuja el

aceite hacia el sistema de distribución (Figura 1.11). La válvula para el

pistón de cierre y la válvula para el pistón de inyección son de doble efecto,

por lo que mandan una señal para abrir y una para cerrar el pistón. Las

válvulas son las encargadas de activar la apertura y cierre de molde o

tornillo en el momento que lo indique la unidad de control. Para controlar la

presión, el sistema cuenta con válvulas reguladoras que obedecen la señal

del controlador.

Figura 1.11 Circuito de presión de la unidad de potencia.

En la Figura 1.11 se pueden observar los siguientes elementos: 1)

Válvula de cuatro vías del molde, 2) Válvula de cuatro vías del tornillo, 3)

Válvulas reguladoras de presión del molde, 4) Válvulas reguladoras de

presión del tornillo, 5) Pistón de cierre y apertura de molde, 6) Tornillo de

inyección, 7) Bomba, 8) Depósito de aceite.

El control de flujo y presión se realiza de la siguiente manera: La

bomba (7) impulsa el aceite contenido en el depósito (8). La presión se regula


13

por medio de las válvulas reguladoras de presión (3 y 4). El fluido viaja

hacia las válvulas de cuatro vías (1 y 2). La válvula de cuatro vías 1 o 2, se

acciona según lo requiera la secuencia de de inyección. La 1 corresponde al

molde y la 2 al tornillo. Una vez que se ha inyectado el material al molde, el

tornillo debe mantener una presión de sostenimiento. Cuando termina el

tiempo de enfriamiento ocurren las siguientes etapas al mismo tiempo:

1. La válvula de cuatro vías del molde cambia a la posición de apertura

(1) con una presión controlada por la válvula reguladora de presión (3). La

pieza es expulsada por medio de un botador, y después de que es retirada la

pieza el molde regresa a la posición de cierre. La presión de cierre se regula

por medio la válvula reguladora de presión (3).

2. La válvula de movimiento del tornillo (2) es accionada para que inicie

nuevamente la carga de material.

El ciclo se repite hasta que el número de piezas sea el deseado.

Entonces las válvulas de cuatro vías (1 y 2) toman una última posición de

descarga. En la Figura 1.12 se muestran las tuberías de cierre y apertura

del tornillo y del molde.

Figura 1.12 Tuberías de apertura y cierre de tornillo y molde.


14

Además del avance y retroceso del molde y del tornillo, la unidad

entrega la potencia necesaria para que el tonillo gire. El giro se realiza por

medio de un motor hidráulico acoplado a un arreglo de engranes reductores

de velocidad. El tornillo gira al retroceder y avanzar. En la Figura 1.13 se

muestra el sistema de giro del tornillo.

Figura 1.13 Sistema de giro del tornillo.

El sistema requiere de un sistema reductor de velocidad que cambia la

velocidad nominal del motor (1750 rpm) a la velocidad necesaria en el

tornillo (60 rpm). La Tabla 1.8 muestra las especificaciones de la unidad de

potencia.

Tabla 1.8 Especificaciones de la unidad de potencia.

Velocidad de giro de la bomba 3000 rpm Motor de pistones radiales. Velocidad de giro 1750 rpm Alimentación de la bomba 220 V - 440 V Potencia de la bomba 11 kW


15

1.3. MATERIA PRIMA PARA EL MOLDEO DE PLÁSTICO

POR INYECCIÓN

La máquina de inyección puede fabricar piezas de diferentes tipos de

plásticos. Existen diversos criterios para la clasificación de plásticos: según

el monómero base, por su comportamiento frente al calor, según la reacción

de síntesis y de acuerdo a su estructura molecular.

Para esta aplicación interesa la clasificación según el comportamiento

frente al calor; puesto que el moldeo por inyección es un proceso que se

realiza elevando la temperatura del plástico, y cada uno reacciona de

manera diferente. Por su comportamiento frente al calor, los plásticos se

clasifican en dos categorías: termoplásticos y termoestables.

1.3.1. Termoplásticos

Un termoplástico es un plástico que a temperatura ambiente es

deformable, se vuelve líquido cuando se calienta y se endurece cuando se

enfría. Los polímeros termoplásticos a diferencia de los termoestables

pueden moldearse y posteriormente recalentarse y formar otros objetos. Las

propiedades físicas de un material termoplástico cambian gradualmente si

se funden y se moldean varias veces. Los materiales termoplásticos

principales son:

• Resinas celulósicas obtenidas a partir de la celulosa, el material

constituyente de la parte leñosa de las plantas, como ejemplo se

tiene el rayón.

• Polietilenos y derivados, emplean como materia prima el etileno

obtenido del craqueo del petróleo. En este grupo se tiene el PVC, el

poliestireno y el metacrilato.


16

• Derivados de las proteínas, a este grupo pertenecen el nailon y el

perlón, obtenidos a partir de las diamidas.

• Derivados del caucho, ejemplo de este grupo son los pliofilmes que

se obtienen adicionando ácido clorhídrico a los polímeros de

caucho.

1.3.2. Termoestables

Los plásticos termoestables (también llamados termoduros o

termofijos), son materiales que una vez que han sufrido el proceso de

calentamiento-fusión y formación-solidificación, se convierten en materiales

rígidos que no vuelven a fundirse. Algunos ejemplos son:

• Polímeros del fenol. Son plásticos duros, pero si durante su

fabricación se emplea un exceso de fenol, se obtienen

termoplásticos.

• Resinas epoxi. Se utilizan para fabricar pinturas, adhesivos y en

aplicaciones eléctricas y electrónicas.

• Resinas melamínicas. Son generalmente de color blanco, poseen

escasa fluidez, excelente resistencia al aislamiento y rigidez

dieléctrica.

• Baquelita. No conduce la electricidad, es resistente al agua y los

solventes.

• Aminoplásticos. Polímeros de urea y derivados. Como ejemplo se

tiene la melamina.

• Poliésteres: Suelen emplearse en barnices.

Capítulo 2

CONDICIONES ACTUALES DE LA MÁQUINA DE INYECCIÓN BATTENFELD

CAPITULO 2 Condiciones actuales de la máquina de inyección Battenfeld

18

2.1. INSTRUMENTACIÓN

Los sensores y actuadores con los que actualmente cuenta la máquina

se encuentran en buenas condiciones y son adecuados para usarlos como

parte del control que se propone. Las tuberías también se encuentran en

buenas condiciones y su reemplazo no es necesario. A continuación se

muestran las tablas de los tipos de sensores y actuadores que posee la

máquina (Tabla 2.1 y 2.2).

Tabla 2.1 Instrumentación de la máquina de inyección Battenfeld.

ELEMENTO UBICACIÓN MARCA Termopar Zonas de calentamiento del

cilindro Wika

Sensor de posición • Cañón • Tornillo • Botador • Molde

Festo

Tabla 2.2 Actuadores de la máquina de inyección Battenfeld.

Elemento Ubicación Marca Motor hidráulico Tornillo Parker

Bomba Unidad de potencia Siemens Válvula 4/3 • Cañón

• Tornillo • Molde

Rexroth

Válvula reguladora de presión Sistema hidráulico Festo Resistencias calefactoras Cilindro de unidad de

inyección. RCI

2.1.1. Termopar

Es un circuito formado por dos conductores de metales o aleaciones de

metales diferentes unidos en sus extremos. En las uniones existe una

diferencia de temperatura que genera una fuerza electromotriz. La máquina

cuenta con cuatro termopares tipo J (Figura 2.1) de la marca Wika, éstos se

encuentran distribuidos en las zonas de calentamiento del cilindro, para


19

medir la temperatura y enviar la señal al controlador. El termopar tipo J se

compone de aleación fierro-cobre y níquel, el intervalo de temperatura es de

-210 °C (-8.096 mV) a 1200 °C (69.536 mV), y la tolerancia a error es del ±

0.4%.

Figura 2.1 Termopar.

2.1.2. Sensor de proximidad

Los sensores que ocupa la máquina de inyección son sensores de

proximidad capacitivos que indican diferentes estados de la máquina como

son:

• Posición del cañón. Con este sensor se conoce la posición del cañón:

posición inicial o posición de carga.

• Posición del tornillo. Este sensor indica la posición del tornillo, si está

en el inicio de carrera o final de carrera.

• Posición de botador. El sensor de botador permite saber si la pieza ha

sido expulsada del molde y también para el conteo de piezas.

• Posición del molde. Con este sensor se tiene la posición del molde:

abierto o cerrado. Es necesario conocer la posición del molde para

comenzar el tiempo de enfriamiento y activar el botador.

El sensor capacitivo trabaja con un campo electrostático. Al

aproximarse un objeto se produce un cambio en el campo electrostático

alrededor del elemento sensor. Este cambio es detectado y enviado al

sistema de detección. La máquina de inyección Battenfeld cuenta con


20

sensores de posición marca Festo (Figura 2.2). Sus características son:

voltaje de operación de 10 VDC a 55 VDC, salida de conmutación PNP

(normalmente abierto), corriente máxima de 200 mA, frecuencia máxima de

300 Hz, ambiente de operación de -20 °C a 70 °C, y distancia nominal de

conmutación de 2 mm a 8 mm.

Figura 2.2 Sensor de proximidad.

La Figura 2.3 muestra el símbolo del sensor capacitivo.

Figura 2.3 Símbolo del sensor capacitivo.

2.1.3. Motor Hidráulico

Un motor hidráulico (Figura 2.4) es un actuador mecánico que

convierte presión hidráulica y flujo (en este caso de aceite), en un par de

torsión y un desplazamiento angular, es decir, en una rotación o giro. Se

emplea principalmente cuando se requiere un par alto a velocidades

reducidas de giro. La máquina de inyección cuenta con un motor hidráulico

marca PARKER ubicado en la parte superior de la máquina. El motor hace


21

girar el arreglo de engranes acoplado al tornillo. Sus características

principales son: velocidad de 1750 rpm, flujo continuo de 215 l/min, potencia

de salida de 150 kW.

Figura 2.4 Motor hidráulico.

2.1.4. Bomba

La característica principal de la bomba centrífuga es la de convertir la

energía de una fuente de movimiento (el motor) primero en velocidad (o

energía cinética) y después en energía de presión. La bomba usa el efecto

centrífugo para mover el líquido y aumentar su presión. Dentro de una

cámara hermética dotada de entrada y salida gira un impulsor con álabes.

Los álabes ocasionan una rotación del flujo, convirtiendo la energía del

motor en energía cinética, la parte estática de la bomba (la voluta) convierte

la energía cinética en energía de presión. La Figura 2.5 muestra los

componentes de una bomba centrífuga.

Figura 2.5 Componentes de una bomba centrífuga.


22

La máquina de inyección de plástico cuenta con una bomba marca

SIEMENS que provee de potencia a la máquina La bomba se encarga de

mover el fluido que empuja al pistón del tornillo de inyección y al molde.

Además, la bomba brinda potencia al motor hidráulico. La bomba de la

máquina (Figura 2.6), cuenta con las siguientes características: potencia de

0.5 HP, flujo de 120 l/min, voltaje de 127 V, velocidad de 3540 rpm y

corriente nominal de 8 A.

Figura 2.6 Bomba centrífuga de la máquina de inyección.

2.1.5. Válvulas

Las válvulas que se utilizan en el sistema de presión de la máquina de

inyección son tres. A continuación se describen las características más

importantes de cada una.

• Válvula antirretorno (válvula check). La función de esta válvula

(Figura 2.7) es dejar pasar el fluido libremente desde el tornillo a la cámara

de fundido durante el proceso de dosificación y evitar que el material

fundido regrese hacia el tornillo durante el proceso de inyección. Van

montadas en el extremo izquierdo del tornillo. El correcto funcionamiento de

esta válvula es esencial para tener un proceso estable, ya que si se tienen

fugas de material de la cámara de dosificación hacia el tornillo se tendrá

una variación considerable en el volumen inyectado al molde, teniéndose

severas repercusiones en el peso y calidad de la pieza moldeada Esta válvula


23

no está relacionada con el sistema de control, pero es importante para

obtener piezas de calidad.

Figura 2.7 Válvula antirretorno.

• Válvula 4/3. La válvula de cuatro vías tres posiciones es de la marca

REXROTH se utiliza en los accionamientos siguientes:

• Avance y retroceso del cañón.

• Apertura y cierre del molde.

• Avance y retroceso del tornillo.

Las características de la válvula (Figura 2.8) son las siguientes: presión

de servicio de 2100 bar, caudal máximo de 80 l/min, e intervalo de

temperatura del fluido de -30 °C a 80 °C.

Figura 2.8 Válvula 4/3.

• Válvula reguladora de presión. Se utilizan para mantener una presión

constante en la descarga, aunque en la entrada varíe el flujo o la presión. El

sistema cuenta con cuatro válvulas reguladoras de presión marca FESTO


24

(Figura 2.9). Las características de la válvula son las siguientes: intervalo de

voltaje de 0 V a 10 V, intervalo de corriente de 4 mA a 20 mA, presión de 0

bar a 2000 bar, alimentación de 18 VCD a 30 VCD, caudal de 230 l/min y

accionamiento eléctrico.

Figura 2.9 Válvula reguladora de presión proporcional.

2.1.6. Resistencia Eléctrica

Las resistencias se utilizan para el calentamiento del tornillo. Se

ajustan alrededor de éste para que el calor se disipe de manera homogénea

(Figura 2.10). La cinta calefactora puede estar compuesta de distintos

materiales, en este caso, la cinta está compuesta de níquel y cromo.

Figura 2.10 Resistencia calefactora.


25

2.2. CONTROL ACTUAL DE VARIABLES

2.2.1. Control de temperatura

El control de temperatura on-off, se realiza mediante el controlador

MAXThermo de configuración manual que controla las resistencias

calefactoras del cilindro de la unidad de inyección.

El ciclo de inyección requiere de condiciones de temperatura y presión

específicas, y este sistema de control no permite realizar diversas

referencias de producción. Como consecuencia, se alcanzan temperaturas de

hasta 30 °C por encima del valor de punto de referencia fijado por zona. Esto

hace peligroso el proceso tanto para la máquina como para el operario.

La máquina de inyección tiene cuatro zonas de calentamiento, cada una

de ellas está compuesta por cuatro resistencias y un termopar tipo J que

monitorea la temperatura. Para cada zona de calentamiento se tiene

instalado un controlador Maxthermo MC 5438. Los controladores

Maxthermo MC 5438 (Figura 2.11), tienen entrada a termopar y el usuario

lo configura de forma manual, estableciendo el punto de referencia de la

temperatura a través del botón SV y observándose el valor actual de la

temperatura en la pantalla a través de la pantalla PV. El control se realiza

mediante técnica on-off.

Figura 2.11 Controlador Maxthermo.


26

En la Figura 2.12 se muestra el lazo de control de temperatura de la

máquina de inyección.

Fig. 2.12 Lazo de control de la temperatura.

El controlador MAXThermo permite ingresar un valor de referencia de

temperatura, el termopar envía al controlador la temperatura actual del

plástico y este dato permite al controlador efectuar la acción de control, si el

valor actual de temperatura está por debajo del punto de referencia, el

interruptor cierra y alimenta con energía calorífica al proceso, si el valor

actual rebasa el punto de referencia, el interruptor se abre.

La máquina presenta un alto índice de piezas defectuosas. Las piezas

defectuosas son consecuencia del control inadecuado de temperatura. La

Tabla 2.3 muestra una referencia del defecto y las causas posibles.


27

Tabla 2.3 Defecto y causa de las piezas defectuosas.

2.2.2. Control hidráulico

Puesto que el sistema de control no permite ingresar puntos de

referencia de presión de manera precisa, el molde presenta colisiones

DEFECTO CAUSAS POSIBLES

Líneas de flujo Mala dispersión del concentrado de color o del pigmento. Temperatura demasiado baja.

Parte incompleta

Insuficiente material en la cavidad. Falta de material en la tolva. Cañón demasiado pequeño. Temperatura demasiado baja. Obstrucción de la tolva o de la boquilla. Tiempo de sostenimiento demasiado corto.

Parte con rebabas Temperatura de inyección muy alta. Presión de inyección muy alta. Tiempo de inyección muy largo. Temperatura de molde muy alta.

Rechupados y huecos

Presión de inyección demasiado baja. Tiempo de sostenimiento de presión muy corto. Velocidad de inyección baja. Material sobrecalentado. Humedad. Enfriamiento del molde no uniforme. Canales o compuerta muy pequeños. Mal diseño de la pieza.

Líneas de unión Temperatura general muy baja en el molde. Temperatura del fundido no uniforme. Presión de inyección muy baja. Flujo no adecuado del material por los canales o la cavidad.

Degradación por aire atrapado

Humedad. Degradación de aditivos. Temperatura demasiado alta.

Fracturas o grietas en la superficie

Temperatura del molde demasiado baja. Sistema de eyección inadecuado.

Marcas de las barras eyectoras

Tiempo de enfriamiento muy corto. Temperatura del molde alta. Temperatura del polímero demasiado alta. Localización inadecuada de las barras eyectoras.

El concentrado de color no se mezcla

Perfil incorrecto de temperatura.

El color es más obscuro

La temperatura es demasiado alta.


28

(choques bruscos entre las caras fija y móvil del molde), y se producen

fisuras en los moldes instalados en la máquina. La máquina opera usando

un sistema hidráulico que provee el caudal y la presión suficiente para

mover las partes de la máquina (Figura 2.13).

Figura 2.13 Sistema hidráulico de la máquina de inyección.

Los movimientos que realizan las válvulas de cuatro vías son: apertura

y cierre de molde, y avance y retroceso del tornillo. El lazo de control del

sistema hidráulico es abierto, como lo muestra la Figura 2.14.

Figura 2.14 Lazo de control de la válvula de cuatro vías.

Las válvulas reguladoras de presión realizan su función en proporción

al porcentaje de apertura ajustado por el usuario antes de iniciar un ciclo de

trabajo. En el proceso de moldeo, otro defecto común son las piezas

incompletas, éstas se producen por baja presión de inyección que resulta en

una dosificación insuficiente y genera desperdicio de material y energía.

Capítulo 3

PROPUESTA DE CONTROL MEDIANTE UN PLC

CAPITULO 3 Propuesta de control mediante un PLC

30

3.1. PROPUESTA DE CONTROL DE VARIABLES

3.1.1. Temperatura

El control actual de temperatura resulta ineficiente porque funciona de

modo digital el cual es muy inexacto a la hora de ejecutarse en variables

como la temperatura. El control de temperatura propuesto funciona de la

siguiente manera: los termopares instalados en cada zona del cilindro

envían su señal al controlador. Se realiza un promedio de la señal de los

cuatro termopares para conocer la temperatura promedio del plástico en el

cilindro. La señal resultante es la entrada de un control PID (Proporcional

Integral Derivativo). EL PID controla el ciclo de trabajo a un PWM (Pulse

Width Modulator: modulador de ancho de pulso). . El PWM controlará la

conmutación de un TRIAC (Triodo para Corriente Alterna) que energiza o

desenergiza al arreglo de resistencias. La Figura 3.1 muestra el diagrama de

bloques del control de temperatura que se propone con el PLC.

Figura 3.1 Diagrama de bloques del control de temperatura propuesto.

El TRIAC es un dispositivo semiconductor de la familia de los

transistores. El TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente

alterna. Posee tres electrodos: A1, A2 y compuerta. El disparo del TRIAC se

realiza aplicando una corriente al electrodo puerta, así que puede utilizarse

como interruptor electrónico: cuando el TRIAC se dispara, permite el paso

de corriente.


31

El PWM de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se

modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una

cuadrada, por ejemplo), con el objetivo de controlar la cantidad de energía

que se envía a una carga. La construcción de un circuito PWM se lleva a

cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las

entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que

la otra queda disponible para la señal moduladora. En la Figura 3.2 muestra

la salida de un PWM.

(a)

(b)

Figura 3.2 Ciclo del PWM.

La gráfica (a) representa dos entradas: diente de sierra y senoidal,

mientras que la gráfica (b) representa la salida final modulante del PWM.

En el control de temperatura propuesto, el TRIAC permitirá el paso de

energía a las resistencias siempre que la salida del PWM sea igual a 1. El


32

control de temperatura propuesto funciona de la siguiente forma: los cuatro

termopares envían una señal al controlador, este realiza un promedio de las

cuatro temperaturas de las resistencias. Este promedio entra a un PID cuya

variable de control será proporcional al ciclo de trabajo de un PWM. El

PWM energiza o desenergiza las resistencias según el ciclo de trabajo. El

siguiente diagrama de flujo muestra la acción de control (Figura 3.3).

Figura 3.3 Diagrama de flujo del control de temperatura.

La implementación del controlador, requiere conocer los valores de

operación del controlador PID; es decir, la sintonización. Antes de realizar la

sintonización del controlador PID, se necesita la función de transferencia del

sistema. La función de transferencia [1] de un sistema térmico convencional

está dada por:

[1] Ogatta, Katsuhiko, Ingenieria de control moderna

Inicio

El termopar envía la señal al PLC

La señal del termopar entra a un controlador PID

El PID envía una señal proporcional al correspondiente ciclo de trabajo del PWM

El TRIAC activa o desactiva la energía de las resistencias según la señal del PWM

Fin


33

En la ecuación anterior (3.1), las variables representan:

Θ (s).- Cambio de temperatura del líquido de salida (ºC)

Hi(s).- Cambio en el flujo de calor de entrada (l/min)

R.- Resistencia térmica (K·m / W)

C.- Capacitancia térmica (J/K)

En una máquina de inyección de plástico, el plástico en estado sólido

debe fundirse antes de la inyección. La fundición se lleva a cabo por medio

de resistencias colocadas en el tornillo. El material está en un tanque

aislado y es agitado continuamente por el giro del tornillo.

Tomando en cuenta la ecuación 3.1, y reemplazando valores según

características propias del barril inyector de la máquina se tiene la ecuación

3.2[2]:

La sintonización del PID utilizado para controlar la temperatura, se

realizó mediante una simulación a prueba y error en MatLab ya que

mediante los métodos analíticos no se pudo realizar porque no cumplía

ninguna de las condiciones indicadas. La Figura 3.4 muestra el diagrama de

bloques de un sistema a lazo cerrado con controlador PID.

Figura 3.4 Sistema a lazo cerrado con controlador PID.

[2] Chacón García, Alfredo. et al. Automatización de procesos en el sector plástico.

(3.1)

(3.2)


34

Las variables de la Figura 3.6 representan:

Kp.- Ganancia proporcional.

Ti.- Tiempo de integración.

Td.- Tiempo de derivación.

La ganancia proporcional afecta al resto de las acciones de control (Ti

y Td). La Tabla 3.1 muestra los criterios que se tomaron en cuenta para

realizar la sintonización del controlador PID.

Tabla 3.1 Acciones de control.

Acción de

control Tiempo de

subida Sobreimpulso Tiempo de

estabilización Error

Proporcional Disminuye Aumenta Aumenta No se elimina

Integral Disminuye Aumenta Aumenta Elimina Derivativo Pequeño Disminuye Disminuye No se

elimina

La Tabla 3.2 muestra los resultados que se obtuvieron con diferentes

valores de Kp, Ti y Td.

Tabla 3.2 Respuesta en función de Kp, Ti y Td.

Kp Ti Td Sobreimpulso (%) Tiempo de

estabilización (seg.) 0.04 0.03 0.05 40 1.1 0.03 0.02 0.06 50 1.1 0.05 0.04 0.04 40 1 0.06 0.05 0.03 30 0.9 0.07 0.06 0.02 25 0.8 0.08 0.07 0.01 20 0.6 0.09 0.08 0.01 18 0.5 0.1 0.09 0.01 17 0.5

Los valores Kp, Ti y Td con los que se obtiene menor porcentaje de

sobreimpulso y menor tiempo de estabilización son: Kp=0.1, Ti=0.09 y

Td=0.01. La Figura 3.5 muestra la respuesta del sistema con dichos valores


35

Figura 3.5 Respuesta del sistema con controlador PID.

Los valores de la sintonización se ponen en el programa de RS Logix

en el archivo que contiene al PID como se muestra en la Figura 3.6:

Figura 3.6 Sintonización en RS Logix 500.

3.1.2. Presión

Actualmente, el porcentaje de apertura de las válvulas reguladoras es

ajustado por el operador al inicio de cada ciclo de trabajo. La propuesta del


36

sistema de control pretende utilizar las mismas válvulas reguladoras pero

ahora integradas a un PLC, estas válvulas son accionadas por solenoide; de

este modo, el punto de referencia se inserta por el usuario y el controlador

envía la señal de control a la válvula. Se tienen cuatro válvulas reguladoras

de presión de la marca Festo, cuyas características son las siguientes:

• Válvulas reguladoras de presión con intervalo de 0 bar a 2000 bar.

• Señal de control de 0 V a 10 V.

• Intervalo de temperatura de -50 °C a 65 °C.

El control de presión se realiza a lazo abierto y el modo de operación de

las válvulas es el siguiente:

• Válvulas reguladoras de presión: se ajustan al inicio del programa.

Son autorregulables, por lo tanto solo es necesario enviar la señal de

control para la posición de apertura.

• Válvulas de accionamiento de molde, tornillo y cañón: Se activan

según lo requiera la secuencia.

En la Figura 3.7 se muestra un diagrama que ilustra el control de las

dos válvulas de cuatro vías (on/off) y el de las cuatro válvulas reguladoras de

presión.

Figura 3.7 Diagrama de válvulas de cuatro vías y reguladores de presión.


37

En la Figura 3.8 se observa la propuesta de control de temperatura y

de control hidráulico integrada en un DTI. El sistema tiene tres principales

lazos de control, el primero funciona de la siguiente manera: La bomba

impulsa el fluido contenido en el tanque, las válvulas de presión empiezan a

regularla de acuerdo al punto de referencia que le haya asignado el usuario.

El segundo lazo es el que va a permitir ejecutar el sistema de cierre y de

inyección, con las válvulas de cuatro vías (on/off). Por último, el tercer lazo

corresponde a la temperatura, que mediante cuatro sensores (termopares)

hará el promedio para mantener regulada la temperatura mediante un

control PID (interno en el PLC), un PWM (interno en el PLC) y un

interruptor analógico (TRIAC)

Figura 3.8 DTI de la máquina de inyección.


38

3.2. SELECCIÓN DEL PLC

Los pasos que se siguen para la selección del PLC se muestran en la

figura 3.9:

Figura 3.9 Diagrama de flujo de la selección del PLC.

Análisis de funcionamiento. Operación eléctrica y mecánica así como los lazos de temperatura e hidráulicos

Identificación de electroválvulas, finales de carrera, y sensores de la maquinas

Identificación de entradas y salidas tanto analógicas como binarias del sistema

Selección de equipos y dispositivos para mejorar el sistema de control ya existente. Tener en cuenta la salida de alta velocidad ya que es la que tiene el PWM integrado

Tener en cuenta una tolerancia por si el sistema requiere otras mejoras, por ejemplo un HMI

Se habla con los proveedores para escoger el de mayor conveniencia en cuanto a precio y requerimientos

Se requiere que tenga un tiempo de entrega rápido

Se busca que el proveedor adicionalmente tenga un servicio post-venta para brindar mayor confianza

Información del sistema anterior (máquina de

inyección)

Cuantificación de señales digitales y analógicas

Requerimientos del nuevo sistema de control (salida de alta velocidad, fuentes,

salidas a reles)

Cotización

Tiempo de entrega

Instrumentación disponible

Inicio

Reserva para posibles incorporaciones o

modificaciones futuras

Servicio Post-Venta

Fin


39

3.3. CICLO DE INYECCION

Las fases del ciclo de inyección se explican de manera sintética en el

siguiente diagrama (figura 3.10).

SI

NO

Figura 3.10 Fases del ciclo de inyección.

Inicio

Carga de material (sólido)

Aproximación del cañón

Inyección

Carga de material (fundido)

Presión de sostenimiento

Refrigeración

Apertura del molde

Fin

¿Ciclo continuo?

1

2

3

4

a b

5


40

El ciclo funciona de la siguiente manera:

1. El cañón se aproxima ceca de la tolva de alimentación.

2. El cañón comienza a cargar el material plástico en estado sólido

(gránulos) para fundirlo a una temperatura adecuada según el tipo

de plástico que se ocupe, por medio de las resistencias que se

encuentran a lo largo del barril.

3. Empieza la etapa de inyección que consiste en inyectar al molde la

cantidad adecuada de plástico por medio de válvulas que accionan

el cilindro hidráulico de inyección, donde son importantes las

presiones para una buena consistencia en el plástico.

4. En esta parte el proceso realiza dos atapas al mismo tiempo:

a. Se mantiene una presión de sostenimiento para mantener el

plástico en el molde y que no regrese al barril, después entra una

etapa de refrigeración regulada por temporizadores para bajar la

temperatura del plástico moldeado por medio de una torre de

refrigeración y finalmente se abre el molde para expulsar la pieza.

b. Mientras ocurren las últimas etapas para la formación de la pieza

moldeada, el cañón regresa para cargar el material, ya en estado

fundido.

5. El ciclo empieza nuevamente según las piezas que se hayan

introducido en el contador. Esta etapa queda inhabilitada cuando

se tiene la última pieza.

El ciclo de inyección requiere de ciertos ajustes según el tipo de

material con el que se va a trabajar.

La secuencia es la misma sin importar el material o el tamaño de la

pieza con el que se trabaje, lo que cambia son los valores de operación:

temperatura, presión y tiempos.


41

3.4. NÚMERO DE ENTRADAS Y SALIDAS

Antes de seleccionar el PLC es necesario realizar el conteo de entradas

y salidas. Las entradas y salidas pueden ser analógicas o digitales, según la

señal de transmisión o control. El conteo de entradas y salidas se muestra

en la Tabla 3.3.

Tabla 3.3 Entradas y salidas del proceso de inyección de plástico.

Tipo de Dato Descripción

Entrada Digital

Botón de Encendido Sensor molde cerrado Temperatura deseada Cañón en posición Término de carrera Botador retraído

Salida Digital

Bobina de apagado Unidad de potencia (motor y bomba) Cañón avanza Válvula de carga Válvula de inyección Molde abre Botador Molde cierra

Entrada Analógica

Entrada de termopar Entrada de termopar Entrada de termopar Entrada de termopar

Salida Analógica

Salida a triac de resistencias Presión de carga Presión de inyección Presión de sostenimiento Presión de cierre Presión de apertura


42

El número de entradas y salidas se ilustra en la Tabla 3.4.

Tabla 3.4 Número de entradas y salidas.

Módulo Unidades

Entradas Digitales

6

Salidas Digitales 8 Entradas Analógicas

4

Salidas Analógicas

6

3.5. SELECCIÓN DE MÓDULOS DE EXPANSIÓN

El chasis del PLC se selecciona tomando en cuenta que se ocupan

cuatro módulos de expansión y que se necesita un espacio extra para

implementaciones futuras. Los módulos necesarios se muestran en la Tabla

3.5

Tabla 3.5 Módulos del PLC.

Unidades Módulo Características

1 1762-L40BXB (controlador)

- Alimentación 24 VCD - 10 entradas 24 VCD - 4 entradas de alta velocidad, 24 VCD - 6 salidas a relevador - 4 salidas FET 24 VCD - 1 salida de alta velocidad (PWM)

1 1762-OW8 - 8 salidas VDC a relé 1 1762-IT4 - 4 entradas de termopar 2 1762-OF4 - 4 salidas analógicas

Para realizar la selección de módulos se tomó en cuenta las

características disponibles en el software de Rockwell Automation

Integrated Architecture Builder. La Figura 3.11 muestra el PLC montado en

el chasis de cinco espacios.


43

Figura 3.11 Estructura de cinco ranuras para PLC. 3.6. CONFIGURACIÓN DE MÓDULOS

El PLC MicroLogix 1200 requiere una alimentación de 24 VCD. Debe

tomarse en cuenta que cada uno de los módulos de expansión del PLC,

requiere de energía (mA). Integrated Architecture Builder (Figura 3.12),

permite conocer la cantidad de energía que requieren los módulos instalados

para la aplicación de este proyecto.

Figura 3.12 Configuración de la estructura del PLC.


44

El software que se ocupa para elaborar el programa es el RSLogix 500

© de la marca Rockwell Software Inc. Este software permite la

programación en escalera que se ocupa para la automatización de la

máquina de inyección y es compatible con el controlador Micrologix 1200.

La selección de los módulos se realiza al ingresar un nuevo proyecto y

se inicia por el CPU que en este caso es el Micrologix 1200 Serie B.

El controlador Micrologix 1200 tiene cuatro racks en donde se

colocaran los módulos seleccionados como es el caso de las entradas y salidas

analógicas además de las entradas y salidas digitales adicionales. A

continuación se muestra la configuración de la tarjeta de los termopares

(1762-IT4), en este caso la máquina de inyección cuenta con termopares tipo

J y se habilitan con unidades de ingeniería x 10 debido a que de esta forma

se tiene mayor precisión en la lectura del PLC (Figura 3.14).

Figura 3.13 Ventana de configuración de los termopares.

La Figura 3.15 representa la configuración de la salida analógica

(1762-OF4) en donde se especifica una salida proporcional. Las opciones con

las que cuenta la tarjeta en cuanto al intervalo son de 0 V a 10 V y de 4mA

a 20mA, debido a la válvula proporcional que tiene la máquina de inyección

se requiere una salida de 0 V a 10 V.


45

Figura 3.14 Ventana de configuración de salidas analógicas.

Los módulos de salidas analógicas se utilizan para el control de las

válvulas reguladoras de presión.

3.7. ESCALAMIENTO DE VARIABLES

Para que el PLC sea capaz de leer las entradas y salidas analógicas, es

necesario convertir la señal en un dato en bits (Tabla 3.6). Para conocer el

intervalo de bits es necesario consultar los manuales de referencia del PLC y

de los módulos de extensión que vayan a implementarse.

El módulo de salidas analógicas se utiliza para enviar la señal de

apertura de las válvulas reguladoras de presión. El módulo convierte los bits

en volts una vez que se ha seleccionado el intervalo de salida de 0 V a 10 V.

Tabla 3.6 Escalamiento en bits del módulo de salidas analógicas.

Escalamiento de bits Palabra Posición del bit 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 Canal 0 Dato 0 a 32,760 0 0 0 1 0 Canal 1 Dato 0 a 32,760 0 0 0 2 0 Canal 2 Dato 0 a 32,760 0 0 0 3 0 Canal 3 Dato 0 a 32,760 0 0 0


46

La Tabla 3.7 muestra la conversión de las unidades de presión: el

usuario selecciona el punto de referencia en bar, el PLC escala la señal en

bits y envía la señal de control en volts.

Tabla 3.7 Conversión de unidades de presión.

Unidades de ingeniería

(bar) Escalado en bits

Señal de control de Válvula (V)

2000 32 760 10 400 0 0

En el control de temperatura se utiliza un controlador PID. El

escalamiento para PID se realiza con los bits de 0 a 16 383, como muestra la

Tabla 3.8.

Tabla 3.8 Escalamiento para PID. Intervalo de

operación normal

Intervalo a escala total

Datos sin procesar/proporcionales

Escalado para PID

0 a 10 VCC 10.5 VCC 32760 16380 0.0 VCC 0 0

4 a 20 mA 21.0 mA 32760 16380 20.0 mA 31200 15600 4.0 mA 6240 3120 0.0 mA 0 0

El PID requiere que las unidades de entrada y salida sean escalonadas

en bits. La Tabla 3.9 muestra la conversión de las unidades.

Tabla 3.9 Conversión de unidades de temperatura.

Unidades de ingeniería (°C) Escalado en bits Escalado a PWM 1200 16 383 1000 -210 0 0


47

3.8. PROGRAMACIÓN EN RS LOGIX 500 Los modos de operación del programa son los siguientes:

• Manual: En este modo las etapas son activadas por el usuario

desde la interfaz. Si las etapas son activadas por el usuario en

forma desordenada, la etapa no se activará si no obedece el orden

secuencial del ciclo. En este modo se realiza la calibración de la

pieza para obtener la calidad deseada.

• Automático: El usuario inserta el número de piezas y oprime el

botón de inicio y la máquina realizará el ciclo hasta terminar el

número de piezas

• Semiautomático: El ciclo se realiza de manera automática una

sola vez. En esta etapa el contador de piezas queda

deshabilitado. El ciclo no se reinicia hasta que el usuario oprima

nuevamente el botón de inicio.

En la Figura 3.16 se puede observar los modos de operación

programados en RS Logix 500.


48

Figura 3.15 Modos de operación del PLC.

El lenguaje de programación que se utiliza para la realización del

programa de la máquina de inyección fue el lenguaje escalera, debido a que

es muy sencillo de usar por sus elementos gráficos y la similitud con los

diagramas electromagnéticos. Debido a que nuestro proceso es secuencial se

utilizará la técnica de GRAFCET para la realización de nuestro programa,

En la figura 3.17 se observa el GRAFCET del proceso.


49

Figura 3.16 GRAFCET del sistema de inyección.


50

3.8.1. Programación del control de temperatura

Antes de comenzar la programación del ciclo de inyección es necesario

realizar el escalamiento de variables analógicas en bits. Tomando en cuenta

el intervalo de bits requerido por cada función (PID o PWM) y módulo de

extensión.

El control de temperatura, es continuo y no depende de las etapas del

ciclo, por lo tanto no entra en la secuencia GRAFCET. El cilindro cuenta con

cuatro zonas de calentamiento y cuatro termopares, los cuales entregan una

señal dada en unidades de ingeniería (°C) que es reconocida por el PLC ya

que se configuró con anterioridad. La medida de los cuatro termopares es

sumada y después promediada con la finalidad de entregar un valor de

salida uniforme en las resistencias. El promedio es escalado en una

instrucción SCP para establecer su resolución y que este valor pueda ser

leído por el PLC, después es guardado en un archivo de enteros para ser

leído por el archivo PID como Variable de Proceso para después salir como

Variable controlada de acuerdo a nuestro Set Point del PID. La Figura 3.18

muestra el escalamiento para la función PID.

Figura 3.17 Escalonamiento para PID en RS Logix.


51

El valor es nuevamente escalado para estar dentro del intervalo del

ciclo de trabajo que puede leer el PWM y finalmente enviado al PWM

mediante una instrucción MOV. El PWM es activado por el botón de inicio

(Figura 3.19).

Figura 3.18 Accionamiento del PWM. 3.8.2. Programación del control de presión

La configuración de la presión es sencilla debido a que se inserta un

valor en la interfaz que es guardado en un archivo entero mediante la

instrucción MOV y después es enviado a una instrucción SCP para escalar

el valor del entero por la salida en bits y la salida es enviada a la válvula

reguladora de presión.

La Figura 3.20 muestra el escalamiento para el módulo de salidas

analógicas, utilizado para enviar la señal de control a las válvulas

reguladoras de presión.


52

Figura 3.19. Escalamiento de salidas analógicas en RS Logix. 3.8.3. Secuencia del programa

La Tabla 3.10 muestra el número de renglón y lo que se programó en

cada una de ellos para realizar la secuencia del ciclo de inyección. El

programa final se muestra en la parte anexa del presente trabajo.

Tabla 3.10 Descripción del programa en escalera.

Renglón Función

00 - 03 Escala la entrada del termopar de unidades x10 a unidades x1 04 - 07 Realiza el promedio de la señal de los 4 termopares

08 - 09 Escala a bits (0 a 16 383) la señal de temperatura como variable de proceso para el PID

10 Escala a bits (0 a 1000) la salida del PID para ciclo de trabajo del PWM 11 Mueve el dato al archivo de ciclo de trabajo del PWM

12 - 17 Lee puntos de referencia (las válvulas reguladoras reciben señal de control) 18 Cuando se energiza la máquina, inicia el control de temperatura (por PWM)

19 - 21 Selección manual, semiautomático o automático 22 - 34 Ciclo de inyección

35 Si es la última pieza, se desenergiza la máquina


53

3.9. COSTOS

Los costos del proyecto están clasificados como costos de materiales y

costos de personal. La Tabla 3.11 muestra los costos de materiales.

Tabla 3.11 Costos de materiales.

La propuesta de control y los conceptos que se le venderían al cliente

se muestran en la Tabla 3.12.

Elemento Cantidad Precio (pesos) Importe 1762-OF4 2 pza. $3,794.52 $7,589.04 1762-L40BXB 1 pza. $5,413.68 $5,413.68 1762-OW8 1 pza. $3,708.00 $3,708.00 1762-IT4 1 pza. $5,821.56 $5,821.56 Triac BT137 8A 800V

1pza. $17.67 $17.6748

Transformador de 127 Vac a 24 Vac a 40 VA

2 pza. $50.00 $100.00

Bobina de cable Belden, par blindado del no. 18(305m)

1 pza. $1200.00 $1200.00

Gabinete de control Argos 600x400x250 mm

1 pza. $760.00 $760.00

Interruptor termo magnético de 10 A

2 pza. $30.00 $60.00

TOTAL $24,669.95


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Tabla 3.12 Tabla de conceptos.

Personal Característica

Instalación eléctrica

• Recableado a sensores y controlador

• Ponchado, etiquetado y peinado del cable de control

• Instalación de los equipos de control y armado del gabinete de control

• Canalización de la tubería de instrumentación

• Interconexión del gabinete de control con el arrancador de fuerza

Ingeniería

• Supervisión de instalación

• Diseño del nuevo control

• Planeación

• Programación

• Puesta en marcha

• Secuencias de operación

• Pruebas de operación

Se lleva a cabo por dos ingenieros en control y automatización; un

oficial y ayudante para la instalación eléctrica. Trabajando 20 días hábiles,

8 horas diarias. La Tabla 3.13 muestra el costo de personal.

Tabla 3.13 Costo de personal.

Cargo No. días

Lab.

Pago x día

(8 hrs)

Pago x días

Líder de proyecto 20 $650.00 $13,000.00

Ing. de campo 20 $500.00 $10,000.00 Oficial (Instalador) 20 $350.00 $7,000.00 Ayudante (Instalador)

20 $200.00 $4,000.00

Total a Pagar $34,000.00


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En la Tabla 3.14 se muestra el costo total del proyecto.

Tabla 3.14 Costo total del proyecto.

Costo total de materiales

I.V.A. (16%) Costo total de mano de obra

Costo total del proyecto

$22,669.95 $3,627.19 $34,000.00 $60,297.14

Con el objetivo de realizar un estudio del precio del proyecto en

comparación con el precio de una máquina nueva, se investigó el precio de

máquinas con características similares a la máquina de inyección

Battenfeld. Las máquinas con características similares a la máquina de

inyección Battenfeld son las máquinas de inyección de la serie BMB. La

Tabla 3.15 muestra las características de las máquinas BMB.

Tabla 3.15 Características de la máquina de inyección BMB.

Especificaciones de la unidad de inyección Diámetro de tornillo 38 mm Longitud del tornillo 760 mm Presión de inyección máxima 17 MPa Volumen máximo de carga 40 cm3 Capacidad de calentamiento 5 kW Zonas de calentamiento 4

Los costos de las máquinas de inyección fueron proporcionados por

Maquinaria DSW. En la Tabla 3.16 se muestran los costos de las máquinas

de la serie BMB.

Tabla 3.16 Costos de las máquinas BMB.

Elemento Cantidad Precio (pesos)

Inyectora de plástico BMB 130-250 (Italia) 1

$1,106,220


$1,359,600


$1,155,660


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La implementación del PLC resulta en un desempeño eficiente de la

máquina, mejora la calidad del producto y reduce los costos de

mantenimiento.

Además del estudio del costo de la máquina nueva en comparación con

el proyecto, se llevó a cabo un estudio de costo-desempeño de un PLC Allen-

Bradley en comparación con un PLC Siemens.

Las opciones a considerar son los PLC’s siguientes:

• Siemens: S7-200

• Allen-Bradley: MicroLogix 1200

Estos PLC son capaces de cubrir las necesidades de la aplicación

(número de entradas y salidas, etc.). La Tabla 3.17 muestra los costos de

ambos controladores.

Tabla 3.17 Costos de PLC’s.

Controlador (PLC) Costo

MicroLogix 1200 $5037.00 S7-200 $2438.20

El precio inicial de Allen-Bradley es mayor que el de Siemens, sin

embargo, la selección de Allen-Bradley reduce el tiempo de implementación

de comunicación e integración.

El objetivo final del proyecto es comunicar los controladores. Allen-

Bradley cuenta con una herramienta de fácil integración, además, el resto

de los PLC instalados son Allen-Bradley, por lo tanto la integración y

comunicación entre controladores resulta más sencilla. Los tiempos y costos

de instalación se reducen. La Tabla 3.18 muestra un ejemplo de los costos

requeridos en la integración de unidades de una industria.


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Tabla 3.18 Costos de integración del PLC.

RUBRO ALLEN-BRADLEY

SIEMENS

Hardware $ 391 869 $ 418 234 Software $ 94 321 $ 121 700 Piezas de repuesto

$ 24 300 $ 42 100

Capacitación $ 18 300 $ 47 500 Diseño e integración

$ 1 099 000 $1 473 000

La integración de las máquinas de inyección es un ejemplo de

integración a pequeña escala. La tabla muestra el ahorro que Allen-Bradley

proporciona en cuanto a sistemas de integración.

Conclusiones

Conclusiones

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CONCLUSIONES

Se realizó la propuesta de control de una máquina de inyección de

plástico que incluyó el estudio de operación de la máquina, el análisis de

acondicionamiento, la programación y costos del proyecto.

El estudio de operación de la máquina se realizó a través del

conocimiento del equipo, consulta de manuales, información bibliográfica y

entrevistas a operadores que trabajan diariamente con las máquinas. El

ciclo de inyección es un proceso secuencial, por lo tanto adecuado para

programar en un PLC; sin embargo, el sistema actual no cubre de manera

eficiente las necesidades de control por lo que la regulación de temperatura

resulta en un alto porcentaje de piezas defectuosas.

Una vez que se registraron los requerimientos del sistema de control,

se continuó con el análisis de acondicionamiento. Los resultados indican que

la instrumentación de la máquina está en buenas condiciones y no es

necesaria la renovación. La propuesta de control se realizó de la siguiente

manera: primero, se identificó que la variable crítica del sistema es la

temperatura, además la secuencia de inyección requería un accionamiento

exacto del sistema hidráulico. La implementación del dispositivo TRIAC, el

control PID y la modulación PWM, hacen el control de la temperatura más

eficiente, debido a que el tiempo de respuesta se reduce, como se demostró la

simulación en Matlab.

El PLC envía una señal de accionamiento exacta a las válvulas del

sistema hidráulico, evitando los retrasos o adelantos que ocurrían con el

tablero electromagnético.

Para seleccionar el PLC se tomó en cuenta el número necesario de

entradas y salidas. Finalmente, se realizó la programación del ciclo de

inyección incluyendo el nuevo control PID para la variable de temperatura.

La programación de la secuencia de inyección se realizó a través del

Conclusiones

60

reconocimiento de los sensores y actuadores que participan en cada etapa.

No es posible simular la respuesta del programa de ciclo de inyección; sin

embargo, la técnica GRAFCET asegura el orden secuencial de los

accionamientos.

Se obtuvo una propuesta que mejora el sistema de inyección, ya que el

PLC permite una secuencia de accionamiento libre de retrasos y un sistema

de control de temperatura más eficiente. La instalación del PLC asegurará

un bajo índice de piezas defectuosas, un incremento de la producción y un

bajo costo de mantenimiento con lo que se cumple el objetivo del proyecto.

Bibliografía

Bibliografía

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Bibliografía

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MicroLogix 1500. Manual de referencia del conjunto de

instrucciones. Estados Unidos: Allen-Bradley, 2002.

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Unidos: Allen-Bradley, 2005.

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1200. Estados Unidos: Allen-Bradley, 2002.

4. Arburg. User’s Manual. Alemania.

5. Battenfeld. User’s Manual. Alemania.

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inyección para la transformación de plásticos. México: McGraw Hill,

1992.

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plástico”. Visión electrónica, may. 2008: 52-63.

8. Dubois, John Harry. Ingeniería de moldes para plástico. España:

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9. Mengues, G. Moldes para inyección. México: G. Gili, 1990.

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12. Rivas-Torres, Rodolfo y Antonio Tena Suck. Manual de

investigación documental. Elaboración de tesinas. México: UIA-

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15. Stenerson, Jon. Fundamentals of Programmable Logic Controllers,

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Maxwell Macmillan International, 1992.

Referencias electrónicas

17. http://www.ab.com/en/epub/catalogs/12762/2181376/2416247/25463/

Septiembre 2010.

18. http://www.boschrexroth.com/ Septiembre 2010.

Programa en escalera del ciclo de inyección


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