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
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
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
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)
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.
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)
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
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
540 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
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