Analisis sistemas en tiempo discreto

INTRODUCCIÓN

Los Sistemas Híbridos de control en la actualidad son unos de los más empleados en el campo industrial, estos es gracias a los grandes avances que la electrónica ha tenido en los últimos años y la necesidad que se tiene de automatizar los procesos industriales para tener una mejores prestaciones y optimizar la utilización de los recursos  tanto materiales como humano a la hora de elaborar un producto.

En la automatización de procesos industriales existen distintas estrategias de control cuyo enfoque varía de acuerdo a las especificaciones de la planta y requerimientos de la empresa. En el caso de un proceso de laminación de masa, el diseño de una estrategia de control se basa en la necesidad de reducir en la mayor medida posible las pérdidas de materia prima y garantice una producción continua y constante.

En este trabajo se desarrollará una estrategia de control para el proceso de laminación de masa fundamentada en el diseño de sistemas de supervisión monolíticos y un modelado a través de Maquinas de Estados. Primero se desarrollará el modelo a eventos discretos de la planta, luego se diseñará el modelo de los sistemas supervisorios encargados de controlar el proceso de laminación, durante el arranque, parada planificada de la planta y en caso de fallas. Además se realizarán validaciones de los sistemas mediante simulaciones, en las que se comprueba el funcionamiento de los mismos para todas las especificaciones del proceso.

CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

Planteamiento del problema

La Galletera Independencia C.A., es una empresa con una mezcla de tradición zuliana y andina, la cual pasó de tener un sistema de producción con troqueles hechos de lata, mezclas batidas a mano, hornos de barro y carrusel impulsado por una polea movida por una persona a través de una palanca, todo netamente manual a una producción semiautomática hace unas décadas. En la actualidad, sin embargo, debido a que la tecnología está en constante evolución se necesitan ajustes o cambios que los adapten a las nuevas necesidades del mercado.

Actualmente el Departamento de Mantenimiento de la empresa ha detectado una situación recurrente que obliga a la parada de la línea de producción de galletas rellenas (Freytez, 2011). Dicha situación ocurre específicamente en la máquina laminadora, y se ha determinado que este problema es consecuencia de que la alimentación del insumo y el control del proceso se realizan en forma manual.

Esta máquina laminadora le da forma a la masa y la corta para que pueda avanzar hacia el horno. Para moldear la masa, se pasa a través de varios rodillos, la velocidad con la que funcione el primer rodillo, es la guía para ajustar la velocidad a la que funciona la línea, y ella depende de la cantidad de materia prima que se tenga en la línea o de la cantidad de galletas que solicite producción. La calibración de la velocidad es realizada actualmente por un operador de manera manual.

El mal ajuste trae los siguientes problemas, cuando la velocidad es alta, hace que los rodillos giren más rápido de lo debido, la materia prima se agota más rápido de lo esperado y se debe hacer una parada por falta de insumos. Cuando la velocidad es muy lenta se deforman las galletas lo cual provoca una parada para devolver la masa deforme al laminador. También se ve el caso que un rodillo gire mucho más lento que su predecesor en la línea, lo cual genera una acumulación de masa y produce una parada.

Además, según reportes de gestión del Departamento de Mantenimiento de la empresa, el registro de fallas de la laminadora muestra que el 73% de las fallas que presenta el equipo se debe a detenciones en el rodillo estampador, el cual se estanca debido a la falta de sincronización de los motores que conforman dicha máquina, los cuales son calibrados de forma manual por un operador cada vez que se inicia un lote de producción.

Con base en las observaciones anteriores, se plantea el diseño de un sistema de control y supervisión para la máquina laminadora de galletas, el cual permitirá el arranque y parada de forma automatizada, y el cambio automático de la velocidad de los motores que conforman dicha máquina, permitiendo una respuesta acorde a las necesidades de producción con una mínima intervención humana.

Justificación

Para nadie es un secreto la exigencia que plantea una economía globalizada y mercados altamente competitivos que exigen que toda empresa exitosa requiera de un proceso productivo que se controle de forma sistemática, que permita el control de la producción y a su vez eleve el nivel de calidad de sus productos. Por esto, en el presente trabajo se plantea un sistema de control y supervisión a través del cual, se pueda garantizar la continuidad operativa del laminador y así prevenir paradas no deseadas.

Por lo tanto, esta investigación se realiza con la finalidad de diseñar un sistema de control y supervisión para mejorar los procedimientos de operación, por medio del modelado del laminador utilizando un modelo reactivo a eventos discretos, basado en estados, el cual será traducido en lenguaje escalera para ser implementado en un PLC. El aporte de esta investigación se podrá utilizar como punto de partida para modelar el funcionamiento secuencial y así tratar de disminuir las paradas por fallas en la sincronización de los motores de los rodillos en el laminador, reduciendo así las debilidades del sistema que impiden que este sea el adecuado y destacar las fortalezas que contribuirán al mejoramiento de la efectividad.

Es por eso que se plantea el diseño de sistemas híbridos para el control y supervisión de la velocidad de una máquina laminadora de galletas para garantizar su correcto funcionamiento para distintos puntos de operación.

Alcance

Para ello, se obtendrán primero el modelo matemático en ecuaciones diferenciales del proceso compuesto por los motores y los rodillos para luego realizar un análisis de la situación actual y determinar cuáles son los eventos asociados al problema que se investiga e identificar aquellos que pueden ser modificados con el sistema propuesto. Al mismo tiempo, se levantará la información de los lazos de control y la secuencia de operación del proceso. Con ello, no sólo se logra mejorar la comprensión de los fenómenos asociados al funcionamiento del sistema, sino que permite abarcar ámbitos o factores que deberían modificarse o intervenirse y que permitan corregir el problema detectado.

Adicionalmente, es en esta etapa donde se toman los datos necesarios para construir el modelo reactivo del laminador, en el cual se tomarán en cuenta sus diferentes estados de operación y fallas. Luego se propondrá el sistema de control supervisorio, que será validado mediante simulaciones, y el producto final será un programa en lenguaje escalera el cual permitirá operará los controles necesarios para garantizar la continuidad operativa de la línea de producción de La Galletera Independencia C. A.

Objetivo general

Diseñar un sistema supervisor híbrido para el control de la velocidad de una máquina laminadora de galletas, modelando el supervisor mediante máquinas de estados finitos y la dinámica del laminador con ecuaciones diferenciales.

Objetivos específicos

• Diagnosticar el funcionamiento del proceso de laminación de masa continuo para determinar las variables que se tomarán en cuenta en el modelo matemático.
• Determinar el modelo matemático que rige el comportamiento dinámico de una máquina laminadora de galletas para el cálculo de los parámetros de los controladores PID.
• Diseñar el sistema de regulación de la velocidad para la máquina laminadora de galletas.
• Establecer las regiones de operación del sistema de control de la máquina laminadora de galletas como modelos a eventos discretos basado en máquinas de estado.
• Determinar el supervisor usando máquinas de estado finito que gobernará el cambio de las regiones de operación.
• Diseñar la interfaz humano máquina donde se visualizarán todas las operaciones del proceso y las posibles fallas que puedan ocurrir.
• Validar el funcionamiento del sistema híbrido de control y supervisión diseñado mediante la simulación utilizando las herramientas computacionales.

CAPÍTULO II[pic 1]

MARCO TEÓRICO

Antecedentes

Peraza y col (2011), en su trabajo titulado Diseño de sistemas híbridos para el control de la velocidad de motores eléctricos, diseñaron y simularon sistemas híbridos para el control de velocidad de un motor de corriente continua y de un motor de inducción trifásico, para realizar cambios de velocidades entre regiones, primero fueron definidas con anterioridad las regiones operativas para cada uno de los motores y se obtuvieron para cada región los parámetros del controlador. Luego se procedió a la construcción de los sistemas supervisorios empleando las cartas de estado (StateCharts), implementadas bajo el nombre de Stateflow en el entorno Matlab – Simulink, verificando mediante diversas simulaciones el correcto funcionamiento de los supervisores diseñados. De este trabajo es útil para el diseño de supervisores a eventos discretos.

...