Simulacion y control de temperatura del horno para la elaboracion de esmalte ceramico

HERNNDEZ CARRILLO BERENICE.

Mxico DF.

OBJETIVO.

Controlar la temperatura de un horno de elaboracin de esmalte cermico

utilizando un algoritmo y estrategia de control para asegurar la calidad de

producto.


Mxico DF.

JUSTIFICACIN.

En la produccin del esmalte cermico de una empresa llamada Cermicos

San Jos, principalmente al inicio del proceso, se detect que las variaciones

de caudal en la vlvula de control hacen que el esmalte para cermico no

cubra con los requerimientos necesarios, esto debido a cambios de nivel el

contenedor de combustible, el caudal de combustible necesario para la

fundicin estn sujetas a perturbaciones ya que toda la planta est alimentada

del mismo contenedor.

La calidad del producto se ha visto afectada ya que no cumple con los

requerimientos especficos del cliente, esto debido a cambios de nivel del

contenedor de combustible que provocan perturbaciones, esto se debe a que el

contenedor del combustible empleado para la produccin del esmalte

cermico, no tiene ningn tipo de control, este se llena y consume de forma

irregular o no constante.

La calidad que ha estado buscado la empresa en el esmalte cermico, mejora

la competitividad de sus productos y productividad de operacin. Las

perturbaciones ocasionan que la calidad del esmalte presente error, esto es

grnulos en la frita cermica sin fundir.

La calidad que requiere la produccin para su mejoramiento ha estado

presento en todos los cambios que la empresa a echo en diferentes secciones

de la produccin.


Mxico DF.

En un lazo retroalimentado, todo producto que no cumpla las caractersticas

mnimas para decir que es correcto, ser eliminado, sin poderse corregir los

posibles defectos de fabricacin que podran evitar esos costos aadidos y

desperdicios de material. La diferencia de caudal, debida a la falta de control

en la variable manipulada, ocasiona defectos que son detectados ya que el

proceso dio por terminado.

La fundicin, del esmalte cermico, siendo este el primer proceso, requiere de

mayor atencin ya que es el primer proceso para la fabricacin del esmalte, el

resto de los procesos, para obtener el producto final, dependen de la fundicin.

Las perturbaciones en la variable manipulada afecta directamente a la calidad

del producto, la fundicin del esmalte cermico tiene como variable

primordial la temperatura, si esta tiene perturbaciones la fundicin se fe

afectada y por tal motivo la calidad del esmalte para cermico.


Mxico DF.

INTRODUCCIN.

Los trabajos de control contribuyen a modificar los aspectos fsicos de la

obra que se esta realizando. Ayudan a cambiar la funcionabilidad y a

resolver acciones que se consideran problemticas, es decir que no

contribuyen al objetivo de control.

Las aplicaciones que se realizan nos permiten visualizar el

funcionamiento real fsico de los componentes integrados en el sistema de

control, esto permite visualizar el comportamiento de nuestro sistema de

control, la secuencia con la que esta operando, los tipos de conexiones que

esta requiere etc.

La automatizacin no solo resuelve problemas de control sino que

contribuye a la mejora de calidad de trabajo de las personas que muchas

veces estn en contacto con secuencias de operacin incomodas, es decir

que cause un efecto fsico doloroso al ejecutar su labor.

La importancia de controlar y automatizar sistemas ayuda a mejorar los

aspectos de vida y a conservar en condiciones idneas los componentes

relacionados con el sistema de control.


Mxico DF. Pgina i

NDICE.

CAPITULO 1

OBJETIVO. ........................................................................................................................................................ 3

Controlar la temperatura de un horno de elaboracin de esmalte cermico utilizando un algoritmo y estrategia

de control para asegurar la calidad de producto. ................................................................................................ 3

JUSTIFICACIN. .............................................................................................................................................. 4

1.0 ORGENES. ............................................................................................................................................. 1

1.2 INTRODUCCIN A LAS PASTAS Y ESMALTES CERMICOS. ..................................................... 2

1.3 PASTA CERMICA. .............................................................................................................................. 2

1.4 SECADO. ................................................................................................................................................. 4

1.5 COCCIN. ............................................................................................................................................... 5

1.6 ESMALTE. ............................................................................................................................................... 6

1.7 DEFECTOS EN LOS ESMALTES.......................................................................................................... 8

1.7.1 Cuarteo. ................................................................................................................................................ 8

1.7.2 Saltado del esmalte. ............................................................................................................................. 9

1.7.3 Recogido del esmalte. .......................................................................................................................... 9

1.7.4 Pinchado del esmalte. ........................................................................................................................ 10

1.7.5 Reventado del esmalte. ...................................................................................................................... 10

1.7.6 Piel de Naranja. .................................................................................................................................. 11

1.8 TIPOS DE ESMALTE. .......................................................................................................................... 12

1.8.1 Esmalte alveolado o tabicado. ............................................................................................................ 13

1.8.2 Esmalte vaciado o campeado. ............................................................................................................ 13

1.8.3 Esmalte de bajo-relieve. ..................................................................................................................... 14

1.8.4 Esmalte traslcido o transparente. ..................................................................................................... 14

1.8.5 Esmalte pintado o de pintores. ........................................................................................................... 14

1.8.6 Esmalte de aplicacin. ....................................................................................................................... 14

1.8.7 Esmalte cuadriculado. ........................................................................................................................ 14

2.0 ANLISIS DEL PROCESO Y DETECCIN DEL PROBLEMA. ....................................................... 15

2.1 DESCRIPCIN DE LA PROBLEMTICA. ........................................................................................ 15

2.3 CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL HORNO DE FUNDICCION. .......................................... 17

2.3.1 Lazo cerrado ...................................................................................................................................... 17

2.3.2 Lazo cerrado con control PID. ........................................................................................................... 21

2.4 TIEMPO MUERTO. .............................................................................................................................. 25

3.0 SOLUCIN PROPUESTA. ................................................................................................................... 31

3.1 CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE FUNDICIN. ........................................... 32

3.2 CONTROL REALIMENTADO. ............................................................................................................ 33


Mxico DF. Pgina ii

3.2.1 Caractersticas del control realimentado. ........................................................................................... 34

3.3 CONTROL EN CASCADA. .................................................................................................................. 35

3.4 PROBLEMA EN EL HORNO DE FUNDICIN DE ESMALTE CERMICO. ................................. 36

3.5 DETECCIN DE VARIABLES DE PROCESO PARA EL CONTROL EN CASCADA. .................. 37

3.5.1 Variable controlada. ........................................................................................................................... 37

3.5.2 Variable manipulada. ......................................................................................................................... 37

3.6 ESTRATEGIA DE CONTROL EN CASCADA. .................................................................................. 38

3.7 ELEMENTOS FSICOS O HARDWARE. ............................................................................................ 41

3.7.1 Vlvula solenoide. ............................................................................................................................. 41

3.8 TRANSDUCTOR................................................................................................................................... 43

3.8.1 Definicin. ......................................................................................................................................... 44

3.8.2 Conceptos bsicos transductores de temperatura. .............................................................................. 45

3.9 SENSORES INFRARROJOS. ............................................................................................................... 47

3.9.1 Sensores de temperatura infrarrojos. .................................................................................................. 47

3.10 MEDIDOR DE FLUJO DE PROCESO. .............................................................................................. 54

3.10.1 Factores para la eleccin del tipo de medidor de fluido. .................................................................. 54

3.10.2 Campo de aplicacin. ....................................................................................................................... 56

3.11 PROCESO DE CONTROL Y ADQUISICIN DE DATOS. .............................................................. 58

3.11.1 Definiciones. .................................................................................................................................... 58

3.12 TOPOLOGA DE REDES FRECUENTEMENTE USADAS. ............................................................ 63

3.12.1Redes de araa .................................................................................................................................. 64

3.12.2Redes de rbol. .................................................................................................................................. 64

3.12.3 Redes de bus. ................................................................................................................................... 65

3.12.4 Redes de anillo. ................................................................................................................................ 66

3.13 TOPOLOGAS FSICAS TENEMOS. ................................................................................................ 66

3.13.1 Topologa de BUS / Linear Bus. ...................................................................................................... 67

.................................................................................................................................................................... 68

3.13.2 Cable USB. ...................................................................................................................................... 68

3.13.3 Como Funciona. ............................................................................................................................... 68

3.14 DEFINICIN DEL PLAN DE MANTENIMIENTO. ......................................................................... 73

3.15 PLAN DE MANTENIMIENTO PARA EL HORNO DE FUNDICIN. ............................................ 74

4.0 DISEO Y PROGRAMACIN. ........................................................................................................... 80

4.1 INTRODUCCIN A HMI (INTERFAZ HOMBRE MQUINA). ....................................................... 80

4.2 CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE FUNDICIN. ........................................... 81

4.3 SIMULINK. ........................................................................................................................................... 81

4.4 LABVIEW. ............................................................................................................................................. 82

4.5 LOS BENEFICIOS DE LA PROGRAMACIN GRFICA EN NI LABVIEW.................................. 82

5.0 COSTOS. ................................................................................................................................................ 87

5.1 INTRODUCCIN. ................................................................................................................................. 87


Mxico DF. Pgina iii

5.2 COSTOS INDIRECTOS. ....................................................................................................................... 88

5.3 IMPACTO ACTUAL. ............................................................................................................................ 89

6.0 EXPLICACIN DE RESULTADOS OBTENIDOS. ............................................................................ 92

6.1 INICIO DEL PROCESO. ....................................................................................................................... 92

6.2 PROCESO DE FUNDICIN. ................................................................................................................ 93

6.3 SIMULACION DEL PROCESO. .......................................................................................................... 93

6.4 PERTURBACIONES. ............................................................................................................................ 93

6.5 CONTROL EN CASCADA. .................................................................................................................. 93

6.6 SIMULACION DE LA RESPUESTA CONTROLADA. ...................................................................... 94

6.7 CONCLUSIONES. ................................................................................................................................. 95


Mxico DF. Pgina iv

NDICE DE FIGURAS, TABLAS Y ECUACIONES.

FIGURAS.

CAPITULO 1 FIGURA 1. 1 FIGURA ANTIGUA. .................................................................................................................................. 1 FIGURA 1. 2 MODELADO CON MATERIA PARA ESMALTE CERMICO.................................................................................... 3 FIGURA 1. 3 BRIQUETA DE PASTA. .............................................................................................................................. 4 FIGURA 1. 4 BOTN DE MATERIAL PARA ESMALTE ANTES Y DESPUS SU COCCIN. ................................................................ 7 FIGURA 1. 5 APLICACIN DE ESMALTE. ........................................................................................................................ 7 FIGURA 1. 6 CUARTEO EN ESMALTE CERMICO. ............................................................................................................. 8 FIGURA 1. 7 SALTADO DE ESMALTE CERMICO. ............................................................................................................. 9 FIGURA 1. 8 RECOGIDO DE ESMALTE. .......................................................................................................................... 9 FIGURA 1. 9 PINCHADO DE ESMALTE CERMICO. ......................................................................................................... 10 FIGURA 1. 10 REVENTADO DE ESMALTE. .................................................................................................................... 10 FIGURA 1. 11 PIEL DE NARANJA. .............................................................................................................................. 12 FIGURA 1. 12 TIPOS DE APLICACIONES DE ESMALTES. ................................................................................................... 12 FIGURA 1. 13 PLACA DE LA DORMICIN EN LA QUE SE UTILIZA ESMALTE DE BAJO-RELIEVE.................................................... 13

CAPITULO 2 FIGURA 2. 1 CONTROL EN LAZO CERRADO SIN CONTROLADOR PID. .................................................................. 18 FIGURA 2. 2 ELEMENTO FINAL DE CONTROL MANUAL. ...................................................................................... 19 FIGURA 2. 3 DIAGRAMA DE BLOQUE DEL CONTROL EN LAZO CERRADO SIN PID. .............................................. 20 FIGURA 2. 4 GRAFICO DEL CONTROL SIN PID. ................................................................................................... 20 FIGURA 2. 5 DIAGRAMA DTI CON EL CONTROLADOR PID. ................................................................................ 21 FIGURA 2. 6 DIAGRAMA DE BLOQUES CON EL CONTROLADOR PID.................................................................... 22 FIGURA 2. 7 GRAFICA DEL SISTEMA CONTROLADO CON PID. ............................................................................ 22 FIGURA 2. 8 CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO CON PERTURBACIN EN LA VARIABLE MANIPULADA. .... 24 FIGURA 2. 9 GRAFICA DE LA TEMPERATURA DEL HORNO CON PERTURBACIN EN LA VARIABLE MANIPULADA. 24 FIGURA 2. 11 GRAFICAS CORRESPONDIENTES AL ANLISIS YA MENCIONADO. .................................................. 29

CAPITULO 3 FIGURA 3. 1 DIAGRAMA BSICO DE CONTROL LAZO CERRADO. ........................................................................................ 33 FIGURA 3. 2 CONTROL EN CASCADA. ......................................................................................................................... 36 FIGURA 3. 3 CONTROL ANTE LA PERTURBACIN. .......................................................................................................... 39 FIGURA 3. 4 VLVULA DE CONTROL. ......................................................................................................................... 42 FIGURA 3. 5 DIAGRAMA DE LA VLVULA DE CONTROL. .................................................................................................. 43 FIGURA 3. 6 PIRMETRO RADIOACTIVO. .................................................................................................................... 48 FIGURA 3. 7 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSDUCTOR DE TEMPERATURA. ............................................................................ 50 FIGURA 3. 8 FABRICANTE. ....................................................................................................................................... 50 FIGURA 3. 9 RANGOS DE OPERACIN. ....................................................................................................................... 51 FIGURA 3. 10 PIRMETRO ACTUAL. .......................................................................................................................... 52 FIGURA 3. 11 DIFERENTES TIPOS DE CONEXIONES. ....................................................................................................... 53 FIGURA 3. 12 MAG 5000 CAUDALIMETRO. ............................................................................................................... 57 FIGURA 3. 13 VISTA REAL. ...................................................................................................................................... 57 FIGURA 3. 14 NI USB 6212 ................................................................................................................................... 62 FIGURA 3. 15 CONEXIONES DE BUS. ........................................................................................................................ 68 FIGURA 3. 16 PIRMIDE DE BUS. ............................................................................................................................ 69 FIGURA 3. 17 USB. ............................................................................................................................................... 70 FIGURA 3. 18 DIAGRAMA DE CONEXIONES FINAL. ........................................................................................................ 72

CAPITULO 4 FIGURA 4. 1 CASCADA. ........................................................................................................................................... 85

file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322276945file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322276946file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322276947file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322276957file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092005file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092005file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092005file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092006file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092006file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092006file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092009file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092009file:///C:\Users\IVAN\Documents\tesis\gral.docx%23_Toc295092009file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271806file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271807file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271808file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271809file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271810file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271811file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271812file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271813file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271816file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271818file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271819file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271820file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271822file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322271823


Mxico DF. Pgina v

FIGURA 4. 2 CASCADA CON PERTURBACIN Y LAZO CERRADO CON PERTURBACIN. ............................................................ 85

CAPITULO 5 FIGURA 5. 1 COSTOS. ............................................................................................................................................. 88 FIGURA 5. 2 PERTURBACIONES EN EL SISTEMA CAUSAN IMPACTO DIRECTO EN LA CALIDAD DEL PRODUCTO. ............................. 90 FIGURA 5. 3 CONTROL EN CASCADA REDUCE COSTOS, MEJORA LA CALIDAD. ...................................................................... 91

TABLAS.

TABLA3. 1SENSORES DE TEMPERATURA. .................................................................................................................... 47 TABLA3. 2 PLAN DE MANTENIMIENTO. ...................................................................................................................... 75 TABLA3. 3 PLAN DE MANTENIMIENTO PARA EL HORNO DE FUNDICIN. ............................................................................ 78 TABLA3. 4 HORARIOS DE MANTENIMIENTO. ............................................................................................................... 79

ECUACIONES.

ECU. 2. 1 ............................................................................................................................................................. 25 ECU. 2. 2 ............................................................................................................................................................. 25 ECU. 2. 3 ............................................................................................................................................................. 26 ECU. 2. 4 ............................................................................................................................................................. 28

ANEXO A.........1

APNDICE.

Apndice A..I

Apndice B..II

Apndice C..III

Apndice D..IV

file:///C:\Users\Ing.%20Ivan%20Diaz\Desktop\gral.docx%23_Toc322276966

Mxico DF.

CAPITULO 1

[ANTECEDENTES.]

HERNNDEZ CARILLO BERENICE.

Mxico DF. Pgina 1

1.0 ORGENES.

El origen del esmalte cermico se halla ntimamente ligado a los inicios de la metalurgia,

con la escasez de los elementos puros nativos, oblig a usar el horno cermico para diversas

pruebas. Ello se desprende del hecho de que las turquesas o azules que se encuentran en el

Egipto de principios de la era dinstica, han sido compuestos de cobre.

En Egipto, donde poco despus aparecen los esmaltes de sodio-cobre, en los comienzos de

la era dinstica.

Son pequeos objetos esmaltados, cuentas, figurillas, amuletos etc. sobre el 2.600 a. C.

aparecen revestimientos para uso constructivo, con esmaltes turquesas o azulados, de donde

nace la tradicin oriental que enlaza la cermica con la arquitectura y que culminar luego

en el Islam.

Y hacia el 1.200 a. C. ya surgen piezas cermicas de mayor tamao, como ejemplo se

muestra en la figura 1.1 que se encuentra en la siguiente pgina.

El esmalte arqueolgicamente atestiguado ms antiguo, es un vidriado alcalino compuesto a

base de carbonato de sodio o de brax ms cuarzo, y coloreado con carbonato de cobre.

Figura1 Predynastic female figurine, Louvre.

http://images.wikia.com/ceramica/images/e/e5/PredynasticFemaleFigurine_BrooklynMuseum.png


Mxico DF. Pgina 2

En una tablilla de arcilla cocida Asira, que se guarda en el British Museo, se halla escrita la

frmula de un esmalte de plomo y cobre (verde), de Babilonia, nos relata el procedimiento

desde la extraccin de la mina zuku-glass.

1.2 INTRODUCCIN A LAS PASTAS Y ESMALTES CERMICOS.

Tabiques, floreros, vajillas, pisos, lavabos y sanitarios, entre otros, son productos de

cermica. En la actualidad, esta industria en nuestro pas enfrenta una dura competencia en

el mercado mundial, ya que a pesar de que la cermica popular tiene una gran tradicin a

nivel industrial, no ha logrado un buen desarrollo.

La mayora de las lneas de negocios de este sector enfrentan una fuerte competencia en el

mercado, por lo que se deberan buscar estrategias para que los productores de cermica

invirtieran en nuevas plantas, en automatizacin y capacitacin de personal, con el

objetivo de lograr una mayor calidad y reducir las prdidas econmicas.

La capacitacin continua permitir a pequeos productores conocer la forma de manipular

las pastas y los esmaltes de manera ms tcnica, ya que la comprensin de su

comportamiento y el conocimiento sobre las pruebas para conocerlo son esenciales si se

quiere fomentar el desarrollo. A continuacin se explica que es y cmo se prueban las

pastas y esmaltes cermicos.

1.3 PASTA CERMICA.

sta se obtiene de la mezcla de distintas arcillas y sustancias. Una vez que se han elegido

las materias primas que conformarn la pasta, se mezclan, se trituran y se efecta la

conformacin o moldeado de piezas.

En el conformado se aade agua a las arcillas con el fin de plastificar la mezcla para poder

moldear, cuidando siempre de mantener la rigidez necesaria para evitar que las piezas

sufran fractura.


Mxico DF. Pgina 3

Luego viene la fase de coccin, en donde se pretende conseguir la mxima densidad

aparente que proporcione a la pieza cermica las caractersticas fsicas, qumicas y trmicas

que de ella se espera. As pues, y a grandes rasgos, el proceso cermico es sinnimo de

densificacin, la cual, se logra con el conformado y la coccin.

Para disear correctamente la pasta se debe tener informacin sobre las materias primas

disponibles, las propiedades del producto a fabricar y las caractersticas del proceso de

fabricacin. El acabado depende de:

La composicin y estructura de la arcilla.

Las condiciones de coccin: temperatura y su perfil en tiempo y atmsfera del

horno.

El colorante aadido (si se usa esta tcnica).

Las arcillas que contienen xido frrico, tienen un color rojo.

A medida que se aumenta la temperatura de coccin el color se oscurece, en parte porque

una parte del xido frrico se convierte en magnetita, que es de color negro. La figura 1.2

muestra un modelado con acabado.

Figura 1. 2Modelado con materia para esmalte cermico.


Mxico DF. Pgina 4

En las arcillas calcreas, la alteracin del color (del rojo hacia amarillo) depende del

contenido en carbonato de calcio.

1.4 SECADO.

Cuando la pasta cermica ha sido moldeada con la forma deseada, debe tratarse para

eliminar el exceso de agua. Para ello se somete a un secado, el cual es un fenmeno en

donde el agua de humedad emigra a la superficie para su evaporacin. A medida que

avanza el secado, las partculas se van aproximando y la contraccin aumenta.

Entonces, se va eliminando el agua que se encontraba tanto absorbida como en los poros,

van apareciendo poros vacos. La suma del volumen de poros ms el volumen de arcilla

seca equivale a la dimensin final de la pieza.

El ceramista no suele tomar en cuenta el volumen, sino la contraccin lineal que a efectos

prcticos es lo mismo. Para ello, utiliza distintas pruebas, una de ellas consiste en moldear

una pieza en forma de paraleleppedo y hacer marcas antes y despus del secado con el fin

de medir la contraccin, como se observa en la figura 1.3 que se encuentra en la siguiente

pgina. Tambin pesa la pieza antes y despus del secado con lo cual puede estimar la

plasticidad.

Figura 1. 3Briqueta de pasta.


Mxico DF. Pgina 5

Durante el secado, tambin puede ser determinada la curva de Bigot. Estas curvas permiten

conocer el comportamiento al secado (ubicacin del punto crtico, declive de la curva

porciento de contraccin con porciento de humedad).

Una vez determinada la curva de Bigot, el cruce entre las prolongaciones de los tramos

correspondientes a la primera y segunda etapa de secado corresponde a la llamada humedad

crtica. Este punto depende nicamente de la pasta y debe determinarse en cada caso.

1.5 COCCIN.

La coccin cermica es un proceso de densificacin. El calor que llega a la pasta sirve para

desencadenar todo un conjunto de reacciones, entre las que cabe distinguir: Reacciones

qumicas, porosidad, Transformaciones cristalinas polimrficas, produccin de micro

grietas.

El proceso de coccin se inicia con reacciones en estado slido: rotura de enlaces qumicos,

descomposicin de minerales y formacin de puentes de unin. Ms tarde se inicia la

generacin de lquido, ya que una parte de los componentes funden. Todo ello conduce a

una densificacin de la masa y el cuerpo adquiere una rigidez que le confiere las

propiedades esperadas.

En la etapa de calentamiento de la pieza, la periferia est ms caliente que el interior, as

pues, existe un gradiente de temperatura que provoca una deformacin. Durante el

enfriamiento, el fenmeno es el contrario.

Ahora la temperatura mayor se halla en el ncleo y las fuerzas exteriores quedan sometidas

a traccin, esfuerzo mecnico que la cermica resiste con mucha dificultad. De ah el hecho

que sean ms frecuentes las roturas en el enfriamiento que en el calentamiento.

A la salida del horno el producto cermico presenta una porosidad cerrada y una porosidad

abierta. La calidad, cantidad y distribucin de los poros condiciona y clasifica los productos

cermicos, as como tambin lo hizo la composicin de la arcilla.


Mxico DF. Pgina 6

1.6 ESMALTE.

El esmalte o barniz es una suspensin lquida de minerales muy finamente molidos, y que

se aplica a las piezas cermicas, por lo general una vez que sta ha tenido un pre cocido por

medio de pincel, bao de inmersin, o aspersin con algn tipo de pistola, spray o soplete.

Estas piezas barnizadas se queman nuevamente en el horno, hasta la temperatura necesaria

para obtener la fusin de la mezcla de los ingredientes, la mezcla se convierte entonces en

un recubrimiento vtreo firmemente adherido al cuerpo de arcilla.

Existen diversas maneras de clasificar los esmaltes: de alta o baja temperatura, segn la

temperatura a que deban llegar para alcanzar su punto de madurez; plmbicos (de plomo),

alcalinos o feldespticos segn los fundentes utilizados en su preparacin; tambin

podemos distinguirlos segn su textura, aspecto visual o tctil, en barnices mates,

cristalinos, transparentes, opacos, semimates, satinados, iridiscentes y otros.

Para disear un esmalte se prueba con distintas frmulas Seger para conocer el

comportamiento del esmalte. La frmula de Seger se utiliza para expresar la composicin

de los esmaltes cermicos. Para calcularla los xidos se clasifican en bsicos, anfteros y

cidos y se indica la cantidad de sustancia de cada tipo de xido con respecto a un mol de

xidos bsicos totales.

Con cada frmula se fabrica un botn que se coloca sobre la pasta cermica formulada y se

somete a coccin en el horno a la temperatura escogida, para conocer la respuesta. Puede

observarse en la figura 1.4 que se encuentra en lasiguiente pgina, un botn de los polvos

que formulan el esmalte, antes y despus de su coccin en el horno.


Mxico DF. Pgina 7

Figura 1. 4Botn de material para esmalte antes y despus su coccin.

Una vez aplicado, debe darse tiempo para que seque antes de someterlo a la coccin; en

caso contrario la humedad superficial al evaporarse bruscamente puede provocar que el

esmalte se abra, separe, desconche o se formen burbujas.

La Frita es un Barniz parcial o completo, fundido en el horno hasta alcanzar la condicin

de vidrio, enfriado y luego molido. Luego se usa para esmaltar piezas o en la preparacin

de otros barnices. Con este procedimiento se elimina la toxicidad del plomo y la solubilidad

de los fundentes alcalinos. La aplicacin del esmalte cermico por los artesanos o

compaas de inmuebles sanitarios es la ltima aplicacin del proceso como se puede

observar en la figura 1.5 que se muestra a continuacin.

Figura 1. 5Aplicacin de esmalte.


Mxico DF. Pgina 8

El fundente se agrega al esmalte adems de la slice y la almina, para lograr que el punto

de fusin sea ms bajo, esto es, reduce la temperatura de maduracin de las dos primeras.

Segn las temperaturas que se deseen alcanzar, los compuestos que se agregan como

fundentes varan: el plomo y los lcalis para las temperaturas ms bajas, y el sodio y el

potasio de los feldespatos para las altas.

1.7 DEFECTOS EN LOS ESMALTES.

Los defectos en la calidad del producto final, han estado afectando la economa de la

empresa ya que estos defectos hacen que los requerimientos de los compradores no sean

cubiertos, es decir, que no se alcanza el objetivo de calidad. A continuacin se presentan la

descripcin de alguno de estos defectos causados por la falta de control ante perturbaciones

en la variable manipulada.

1.7.1 Cuarteo.

Se caracteriza por la aparicin de finas rajaduras en la superficie vidriada. Este defecto se

debe a que el coeficiente de dilatacin del esmalte utilizado es excesivamente alto respecto

al coeficiente de la pasta cermica. Un ejemplo se muestra en la figura 1.6.

Figura 1. 6Cuarteo en esmalte cermico.


Mxico DF. Pgina 9

1.7.2 Saltado del esmalte.

Es el defecto inverso del cuarteo y es producido cuando el coeficiente de dilatacin del

esmalte es muy bajo respecto a la pasta. Se detecta por partes de vidriado que saltan o se

despegan, particularmente en superficies curvas y bordes. Este problema, generalmente es

causado por defecto de la pieza previamente cocida, por alto contenido de cuarzo o por

estar muy finamente molido. Un ejemplo se muestra en la figura 1.7.

Figura 1. 7Saltado de esmalte cermico.

1.7.3 Recogido del esmalte.

El esmalte se recoge dejando ver la pasta como si este no hubiera sido mojado por el

esmalte. Un ejemplo se muestra en la figura 1.8. El problema es debido, a veces, a que el

tamao de partcula de esmalte es muy pequeo respecto al de los granos sintetizados de la

pasta previamente cocida.

Figura 1. 8Recogido de esmalte.


Mxico DF. Pgina 10

1.7.4 Pinchado del esmalte.

Se detecta como pequeos poros en la superficie ya vitrificada. Es muy frecuente por

causas de contaminacin de pequeas partculas de suciedad. Pero en muchos casos son

varios los motivos que producen este problema. Un ejemplo se muestra en la figura 1.9.As,

aparece pinchado cuando la pieza de pasta esta excesivamente cocido; cuando el caoln o

arcillas como aditivo de molienda en el esmalte contienen laminillas de mica, si el agua es

muy dura, cuando hay gases en el horno, cuando se utilizan esmaltes muy viscosos.

Figura 1. 9Pinchado de esmalte cermico.

1.7.5 Reventado del esmalte.

Ocurre cuando el esmalte ya vitrificado salta como si reventara en pequeas reas o zonas,

dejando ver el material en el que el esmalte se aplica. El defecto se debe siempre a que la

pasta contiene granos de cal. Un ejemplo se muestra en la figura 1.10.

Figura 1. 10Reventado de esmalte.


Mxico DF. Pgina 11

1.7.6 Piel de Naranja.

La superficie vitrificada no est lisa, presenta un defecto como de pequeos granos u olas,

similar al efecto que le da nombre.

Este problema la mayora de las veces aparece cuando el esmalte es aplicado por pistola. El

volumen del aire de atomizacin por unidad de volumen de esmalte es el factor

predominante, tambin puede influir en el ngulo de incidencia, que debe ser de 60 o ms.

Se puede identificar fcilmente cuando la pieza quedo cruda o fue sobrecosida. Las piezas

crudas se caracterizan por:

Presentar pequeos crteres en la superficie del vidriado como consecuencia de un

hervido incompleto.

Pinchado, indicando de falta de maduracin del esmalte.

Falta de brillo.

Falta de estirado.

Mal desarrollo de los colores de los esmaltes si estos son coloreados.

Cuarteo.

Las piezas sobrecosidas se caracterizan por:

Pobre desarrollo de colores o colores atacados por el esmalte muy fluido.

Esmalte corrido por exceso de fluidez.

Piezas deformadas por exceso de temperatura.

Superficie del esmalte con pequeas burbujas, ampollas, falta de brillo,

piel de naranja.

Un ejemplo se muestra en la figura 1.11.


Mxico DF. Pgina 12

Figura 1. 11 Piel de naranja.

1.8 TIPOS DE ESMALTE.

Es importante tener en consideracin que los esmaltes que la empresa elabora, estn

clasificados por temperatura de fundicin, por esto, los valores de consignas sern distintos

para las diferentes cargas para fundicin. La temperatura es seleccionada con respecto al

esmalte que se vaya a ser procesado en el horno de fundicin.

La idea de fundir diferentes esmaltes para cermicos es con la finalidad de abarcar ms

mercado de aplicacin en materiales. Existen diferentes materiales que requieren de la

aplicacin de esmalte para su venta, uso sanitario, domestico, industrial etc. En la figura

1.12 se muestran diferentes tipos de materiales de aplicacin de esmalte cermico.

Figura 1. 12Tipos de aplicaciones de esmaltes.


Mxico DF. Pgina 13

Debido a que todas las fritas cermicas son empleadas para diferentes tipos de esmaltes, los

tiempos de fundicin y temperaturas son tambin distintos para cada carga de esmalte

cermico lista para la fundicin. A continuacin se presentan diferentes tipos de esmaltes

cermicos.

Se conocen diversas formas y maneras de esmalte en la decoracin de joyas y muebles y en

la formacin de dibujos y figuras con el mismo, las cuales se caracterizan por el distinto

procedimiento que en la operacin se ha seguido como ejemplo se muestra en la figura

1.13.

1.8.1 Esmalte alveolado o tabicado.

Colision de los franceses, llamado as porque se obtiene depositando la masa vitrificable

en alvolos o compartimentos formados por lminas de oro adheridas por un canto o borde

al objeto metlico que se trata de ornamentar, las cuales marcan el contorno y lneas

principales de las figuras.

1.8.2 Esmalte vaciado o campeado.

Champlev que es una simplificacin del precedente del que se diferencia en que los

alvolos estn excavados en el espesor del metal y forman el campo.

Figura 1. 13Placa de la Dormicin en la que se utiliza esmalte de bajo-relieve.

http://ceramica.wikia.com/index.php?title=Joya&action=edit&redlink=1http://ceramica.wikia.com/index.php?title=Mueble&action=edit&redlink=1http://ceramica.wikia.com/index.php?title=Oro&action=edit&redlink=1http://images.wikia.com/ceramica/images/4/45/PlacaDormicion_MAN.JPG


Mxico DF. Pgina 14

1.8.3 Esmalte de bajo-relieve.

De basse-taill, que se logra cincelando una plancha u objeto metlico en finos relieves y

cubrindolos luego con esmalte de color y en polvo para que al someterlo a la accin del

fuego quede la sustancia vtrea depositada en los surcos.

1.8.4 Esmalte traslcido o transparente.

Que puede ser el anterior y tambin el que se deposita sobre fondos de oro o de plata para

darles brillo.

1.8.5 Esmalte pintado o de pintores.

Lleva figuras pintadas sobre una placa lisa (o previamente esmaltada) y sometida de nuevo

a la fusin, apareciendo el conjunto como un verdadero cuadro de pintura sobre fondo

blanco.

1.8.6 Esmalte de aplicacin.

Que sencillamente consiste en un esmalte alveolado, hecho fuera de la pieza que con l se

adorna y aplicado a ella como si se tratara de engastarle una piedra preciosa.

1.8.7 Esmalte cuadriculado.

Es una incrustacin de oro practicada en surcos abiertos en una pieza artstica de cristal de

roca o de vidrio blanco y que lleva encima una capa de esmalte muy fusible. El nielo o niel

es una forma de esmalte negro.

http://ceramica.wikia.com/index.php?title=Plata&action=edit&redlink=1http://ceramica.wikia.com/index.php?title=Cristal_de_roca&action=edit&redlink=1http://ceramica.wikia.com/index.php?title=Cristal_de_roca&action=edit&redlink=1http://ceramica.wikia.com/index.php?title=Cristal_de_roca&action=edit&redlink=1

Mxico DF.

CAPITULO 2

[DETECCIN DEL PROBLEMA.]

Las condiciones fsicas de cada componente que interviene en el proceso de elaboracin de

esmalte cermico son cambiantes con el tiempo y estas determinan el estado del sistema en todo

momento. La calidad resultante del producto terminado y la optimizacin del proceso dependern

de las tcnicas de control que se empleen para lograr dicho resultado. La deteccin de las causas

de la problemtica nos permitir saber con exactitud qu estrategia de control es la ms idnea

para proponer para cada caso en especfico.


Mxico DF. Pgina 15

2.0 ANLISIS DEL PROCESOY DETECCIN DEL PROBLEMA.

En el comienzo no se consideraron las perturbaciones que la variable que se estaba

manipulando tena a causa de una diferencia de caudal, esta diferencia era ocasionada por

falta de control en el caudal del contenedor del combustible. Los diferentes procesos que se

requiere para la obtencin del producto final, estn alimentados del mismo contenedor que

el horno de fundicin, por esta razn las variaciones de caudal en la variable manipulada

provocan perturbaciones que afectan en el periodo de fundicin.

El control automtico (PID) que en un principio se implement, corrigi el offset que el

sistema est creando, pero dado a la perturbacin arriba mencionada el control PID no

cubre con las exigencias de la produccin, es decir , no cubre con el objetivo de control.

El controlador establece la consigna principal (que es la temperatura de fundicin del

esmalte) en funcin de la cual se genera la seal de salida que determina la posicin de la

vlvula, esta a su vez, ajusta el caudal, que es la variable manipulada, para que al actuar

sobre el proceso se alcancen unas nuevas condiciones de operacin similares a las deseadas.

2.1 DESCRIPCIN DE LA PROBLEMTICA.

La falta de control en la fundicin de esmalte cermico provoca defectos en la calidad final

de esmalte, los defectos ms sobresalientes fueron mencionados en el capitulo 1.

El algoritmo de control de nuestro proceso es por medio de un control PID, se lleva a cabo

mediante una configuracin en lazo cerrado, en la que la medida de la variable controlada,

que se efecta por medio de un pirmetro radioactivo, se devuelve al controlador para que

efecte la comparacin con el punto de consigna. En el ANEXO A se encuentra el

diagrama de flujo del proceso de toda la planta de fabricacin de esmalte para cermicos

SAN JOSE.


Mxico DF. Pgina 16

El horno por el que circula el material cermico que se va a fundir por medio de un

calentamiento, responde con una temperatura de salida, esta est en funcin con el caudal

en la lnea de del flujo de combustible que se le est suministrando, haciendo que la

fundicin de comienzo para lograr que en la salida obtengamos cristal lquido o esmalte

cermico en forma lquida.

Las constantes de tiempo y T1 y T2 as como las constantes de tiempo muerto o retardo Tm

y ganancias Kp, Ku Km, fueron datos que se obtuvieron del resultado del modelado ya

planteado por un ingeniero de procesos. Confiando en que los valores ofrecidos por esta

persona sean reales, las funciones de transferencia, que contiene estos valores, sern

analizadas para poder observar su respuesta dinmica.

T1 y T2 = Constantes de tiempo.

Tm = Tiempo muerto.

Kp Ku Km = Ganancia esttica.

La diferencia de caudal con el tiempo, provoca una perturbacin, esta perturbacin es una

seal a afecta negativamente el valor de la salida de nuestro sistema controlado, esta

perturbacin es originada en la variable manipulada, por lo tanto es una perturbacin

externa y se considera como una perturbacin de entrada.

Segn la simulacin del sistema de control retroalimentado, sin ningn algoritmo de

control, la respuesta ante una entrada escaln apenas alcanza el 50% de la respuesta total,

esto ocasiona que el material no tenga una fundicin completa. Ms adelante se mostraran

las grficas del sistema sin un control PID y una simulacin con el sistema controlado, el

resultado fue considerado satisfactorio en un comienzo, hasta que el caudal o la variable

manipulada fue perturbada.


Mxico DF. Pgina 17

2.3 CONTROL DE LA TEMPERATURA DEL HORNO DE

FUNDICCION.

2.3.1 Lazo cerrado.

En cualquier sistema de control en lazo cerrado, la salida se compara con la entrada de

referencia. Por tanto a cada entrada de referencia le corresponde una condicin operativa

fija, como resultado, la precisin del sistema depende de la calibracin.

Ante la presencia de perturbaciones en la variable manipulada, un sistema de control en

lazo cerrado, no realiza ninguna accin correctora. En la prctica, el control en lazo

cerrado slo se utiliza cuando no se conoce la relacin entre la entrada y la salida y si no

hay perturbaciones en la variable que estamos manipulando, en caso de que existan

perturbaciones se tiene que recurrir otra estrategia de control.

Para corregir este problema se opt por establecer un control realimentado (feedback) o

control en lazo cerrado con la finalidad de mejorar la respuesta del sistema. Una vez que la

variable controlada es medida, el controlador reajusta el caudal, la variable manipulada, con

los valores indicados para mantener la variable controlada en el punto requerido para la

fundicin.

En un principio se plante un sistema retroalimentado compuesto por una tarjea de

adquisicin de datos NI USB 6212 para el monitoreo de las variables involucradas con

nuestro proceso, una vlvula solenoide como elemento final de control y un medidor de

radiacin como transductor de la variable controlada.

La parte de control se hace mediante la programacin en LABVIEW. Cabe denotar que el

objetivo principal es la simulacin y control ante perturbaciones enla variable manipulada

ocasionados por una falta de control de caudal en el contenedor de combustible, esta

simulacin ser por medio de MATLAB.

Los retrasos dependen de las caractersticas fsicas de los elementos ya antes mencionados.

En el siguiente captulo se describir de forma ms detallada la interaccin actual de


Mxico DF. Pgina 18

nuestro proceso. El intervalo entre el momento en que el disturbio entra al proceso y el

tiempo que la temperatura empieza a responder se conoce como tiempo muerto, retardo de

tiempo o retardo de transporte. El tiempo muerto es parte integral del proceso y se debe

tomar en cuenta en las funciones de transferencia. En la mayora de los procesos el tiempo

muerto no se define fcilmente, generalmente es inherente y se distribuye a lo largo del

proceso, es decir, la vlvula de regulacin de caudal, horno de fundicin, transductor de

temperatura.

En la figura 2.1 se muestra el diagrama de control manual del proceso de fundicin en el

horno de esmalte cermico con un control manual de lazo cerrado. En un comienzo as era

como se operaba nuestro horno de fundicin, esto ocasionaba una gran prdida ocasionada

por el offset.

.

Como se mostr en la figura 2.1 podemos observar que el flujo de informacin que se

efecta en el control de este proceso circula cerrndose sobre s mismo a travs del flujo de

seal que est siendo operada por un ser humano sin la aplicacin de ningn algoritmo de

control.

Figura 2. 1Control en lazo cerrado sin controlador PID.


Mxico DF. Pgina 19

La figura 2.2 muestra la vlvula de control y operacin con la que con anterioridad se

modificaba el caudal del combustible de fundicin, en este caso era de operacin

mecnica, el operador tena que estar constantementesometido a condiciones extremas para

su ajuste. Por otra parte, el ajuste del caudal no es el necesariopara alcanzar la consigna

necesaria, por tal motivo la calidad del producto est en funcin de la experiencia generada

por el tiempo de operacin del horno de fundicin.

Se tomaba la temperatura que estaba operando, despus se tomaba por experiencia el

tiempo necesario para que la fundicin diera comienzo, despus de esto se mantena el

caudal constante el tiempo requerido para que la fundicin se diera por terminada.

En el comienzo, se detect que la falta de disposicin de un instrumento de control que nos

bridara la oportunidad de mantener al sistema en la consigna deseada, provocaba que la

temperatura, que es la variable que se est controlando, no alcanzara la temperatura deseada

para la fundicin y creer al mismo tiempo un offset, este se manipulaba ajustando el

caudal de aportacin de combustible manualmente.

En este caso la temperatura de fundicin para cada esmalte para cermicos es la entrada y la

temperatura del esmalte cermico fundido es la salida a controlar, la funcin de

transferencia del horno depende del diseo del propio horno, caractersticas del tipo de

Figura 2. 2Elemento final de control manual.


Mxico DF. Pgina 20

esmalte que se va a fundir, caractersticas del combustible entre otras, por otra parte

tenemos que denotar que es la temperatura de fundicin del horno lo que se desea controlar.

Alguien demuestro que el sistema mejora su respuesta si se introduce un control PID

retroalimentado a efectos de mejorar la respuesta dinmica del sistema.

La figura 2.3 muestra el sistema retroalimentado con el que en un principio se estaba

operando. El personal era el encargado de ajustar la vlvula de control con el valor correcto

para la fundicin.

Figura 2. 3Diagrama de bloque del control en lazo cerrado sin PID.

La figura 2.4 muestra la grfica del diagrama de bloques de la figura 2.3 simulada. Ntese

que el sistema solo alcanza el 50% de la respuesta final deseada, por tal motivo, se requiri

de un algoritmo de control PID para llevar al sistema al 100% de la respuesta final. La

respuesta final, es decir, que la temperatura para la fundicin llegue a la temperatura real

deseada o la requerida para que el proceso de comienzo.

Figura 2. 4Grafico del control sin PID.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1SISTEMA SIN CONTROL

TIEMPO

TE

MP

ER

AT

UR

A D

E E

NT

RA

DA

(%

)

Solo el 50% de la respuesta final ente una entrada escaln unitario.


Mxico DF. Pgina 21

Se puede ver como la respuesta alcanza el 50% de la entrada a una seal escaln unitario

sin control, con la que se simula la respuesta del sistema, ntese que esta con

retroalimentacin pero sin un controlador.

2.3.2 Lazo cerrado con control PID.

En principio se estableci un sistema de control como el que se muestra en la figura 2.5, la

temperatura que se requiere para la fundicin es transmitida al controlador, el cual en

funcin de la diferencia del valor deseado y el obtenido por el transductor, colocara la

posicin de la vlvula para ajustar el caudal preciso de la vlvula de alimentacin de

combustible. Con lo que se logra una accin de control, que en comparacin con la que no

se le aplica ningn algoritmo de control, que hace que sistema alcanzo el 100% de la

respuesta deseada.

La figura 2.6 muestra el diagrama de bloques correspondiente al control de temperatura del

horno en retroalimentacin con un controlador PID, esto con el fin de que podamos

observar la diferencia de las respuestas del control en lazo cerrado sin controlador y control

en lazo cerrado con uno.

Figura 2. 5Diagrama DTI con el controlador PID.


Mxico DF. Pgina 22

Figura 2. 6 Diagrama de bloques con el controlador PID.

El diagrama anteriormente mostrado, arroja la grfica de la figura 2.7. Se puede ver como

la salida del sistema alcanza un valor mayor del 100%, lo cual se consideraron satisfactorio

en un comienzo. Las oscilaciones son producto de las ganancias PID del controlador.

Figura 2. 7Grafica del sistema controlado con PID.

Sin embargo, si el caudal de la lnea de alimentacin, que es nuestra variable manipulada,

sufre un cambio o perturbacin, supongamos una disminucin en el nivel del contenedor

del combustible para la fundicin, como primera estancia creara una diferencia en el

caudal, a continuacin esto provocara un descenso en la temperatura del esmalte cermico

que sera detectado por el transmisor. El transductor detectara este cambio una vez que la

temperatura yacambio, lo que afecta en la fundicin ocasionando que la frita ceramica no

tenga la coccin necesaria, cuando no se alcanza la temperaturaadecuada, la fritacontiene

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

SISTEMA CONTROLADO PID

TIEMPO

TE

MP

ER

AT

UR

A D

E E

NT

RA

DA

(%

)


Mxico DF. Pgina 23

grnulos de material no fundido, si la temperatura aumenta ms de lo necesario, ocasiona

que el esmalte cermico se torne obscuro o que no cubra con los requerimientos adecuados

para la venta. Algunos defectos de este tipo fueron explicados en el captulo 1, DEFECTOS

EN LOS ESMALTES.

Se debe de considerar que estos sucesos vienen afectados por el retardo de tiempo y el

tiempo muerto inherentes a la dinmica propia del horno de fundicin, as como por el

retardo de tiempo del sensor de temperatura y tambin por un pequeo tiempo muerto

debida a la situacin fsica del sensor. El controlador realimentado no rechaza las

perturbaciones hasta que su efecto modifica la salida del sistema o variable controlada.

En conjunto el controlador modificara su seal de salida lo que provoca una mayor apertura

de la vlvula a efectos de compensar la disminucin en la presin de combustible tendiendo

as a recuperar el caudal inicial.

El horno se encuentre perfectamente optimizado, es evidente que la variable controlada se

ve alterada como consecuencia de la perturbacin en la variable manipulada. Precisamente

si hay accin correctora es porque hay seal de desviacin.

Hay que tomar en cuenta diferentes constantes de tiempo muerto en el sistema de control,

T1, T2 y los retardos son datos proporcionados por el departamento de control de procesos

de la planta de esmalte cermico. La funcin de transferencia del horno fue modelada y

obtenida por el mismo departamento, as como las constantes de tiempo son

correspondientes a los elementos que actualmente estn en funcionamiento en la planta.

En diagrama de bloques de la figura 2.8 se muestra como un cambio en la lnea de presin

crea un cambio en el caudal y este a su vez perturba nuestro sistema. Esta perturbacin se

encuentra entre nuestro elemento final de control y la planta, esto ocasiona que la variable

controlada se vea modificada, esdecir, que la perturbacin que afecta a nuestro sistema es

detectada una vez que ya tuvo efecto sobre nuestro proceso a controlar.


Mxico DF. Pgina 24

Esta perturbacin tienes la misma funcin de transferencia que la vlvula de control ya que

representan la misma parte del proceso, la vlvula de control modifica o cambia el caudal y

la perturbacin es una modificacin o cambio de caudal.

Figura 2. 8Control de temperatura del horno con perturbacin en la variable manipulada.

La grafica de la figura 2.9, que se muestra en la siguiente pgina, muestra la grfica del

diagrama de bloques de la figura 2.8 en la cual se puede ver como la perturbacin

afecta el sistema. Esta grafica muestra la respuesta del sistema ante una entrada de

escaln unitario con una perturbacin con seal de entrada unitaria, esta representa

el cambio de caudal en la variable manipulada.

Figura 2. 9Grafica de la temperatura del horno con perturbacin en la variable manipulada.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000

0.2

0.4

0.6

0.8

1X: 890

Y: 1.099

SISTEMA RETROALIMENTADO CON PERTURBACION DEL 20%

TIEMPO

TE

MP

ER

AT

UR

A D

E E

NT

RA

DA

(%

)

Perturbacin del 20 % en

la variable manipulada.


Mxico DF. Pgina 25

A continuacin se presenta la definicin del tiempo muerto de primer y segundo

orden, esto con el fin de explicar que los elementos fiscos reales tienes presentan un

atraso por transporte, es decir, las respuestas reales se ven atrasadas por un tiempo

definido por las caractersticas fsicas de cada elemento.

Ntese que en la figura 2.9 se muestra un recuadro de valores en x, y; el valor de y es

de 1.099 esto significa que la perturbacin hace que nuestro sistema alcance un sobre

impulso de .099 con respecto a la consiga simulada, con una perturbacin en la

variable manipulada del 20%.

2.4 TIEMPO MUERTO.

Un fenmeno que se presenta muy a menudo en los sistemas de flujo es el del atraso por

transporte, que se conoce tambin como tiempo muerto.

Sistema de primer orden.

Ecu. 2. 1

Sistema de segundo orden.

Ecu. 2. 2

Siendo K, la ganancia estacionaria, to el tiempo muerto , 1, 2, los atrasos dinmicos y

la razn de amortiguamiento.

Estos datos se pueden comprobar en el libro de CONTROL DE PROCESOS 2 edicin, el

modelado proporcionado por el departamento de control de procesos es igual al que se

puede observar en el libro ya antes mencionado.

Los datos dinmicos correspondientes son de acuerdo a condiciones dinmicas del sistema.


Mxico DF. Pgina 26

El comportamiento dinmico del horno de fundicin de esmalte cermico puede ser

descrito mediante la siguiente funcin de transferencia.

Ecu. 2. 3

Tal modelado fue demostrado por alguien con las condiciones actuales de operacin, los

cual nos muestra los siguientes parmetros.

Kp = Ganancia esttica, o relacin (incremental) entre la temperatura de salida y el

caudal de combustible (en estado estacionario).

Tm = un tiempo muerto, funcin del tiempo medio de residencia.

T1, T2 = Constantes de tiempo, dependientes de la concepcin (diseo) y de la

dinmica del horno, estos datos fueron proporcionados por el departamento de

control de procesos de la planta.

Hay que notar que un cambio en el nivel de combustible en el contenedor, genera

instantneamente un cambio en el caudal de la vlvula, lo que genera un cambio en la

variable principal a controlar.

Los numeradores de las funciones de transferencia representan la ganancia esttica de cada

funcin de transferencia involucrado con nuestro anlisis, esto significa la proporcionalidad

con que cada entrada afecta a nuestra variable de salida.


Mxico DF. Pgina 27

Detrs del punto suma se tiene al caudal del combustible. La ganancia Ku se calcula

linealizando la funcin en el punto de trabajo. Se recuerda una vez ms que las variables

representadas por una notacin operacional se refiere a lasdesviaciones de su punto de

trabajo con lo que la salida del bloque perturbacin ser nula cuando la presin en la lnea

de combustible sea la deseada.

La variable presin a la entrada del bloque perturbacin debe ser entendido como la

diferencia entre la presin instantnea y la normal. Esto es que la ganancia Ku es la

variacin del caudal de combustible por unidad de cambio de presin en el punto de

operacin normal.

Del mismo modo la ganancia esttica Kp del horno ser la variacin de temperatura a la

salida del horno por unidad de variacin de caudal de combustible. Algo similar se puede

explicar de las ganancias Kv y Km.

El bloque vlvula debe ser entendido en realidad como una composicin de dos elementos,

la vlvula en si como un componente mecnico y un pequeo proceso de caudal.

La vlvula tiene como como variable de entrada la seal de control y como variable de

salida la posicin de su vstago (ms exactamente su capacidad de paso).

El proceso de caudal tendr como variable de entrada la posicin del vstago (capacidad de

paso) de la vlvula y como variable de salida el caudal. Al proceso le agregamos

implcitamente un bloque de ganancia con K=1 por lo que no es necesario dibujarlo.

La perturbacin que hemos descrito acta realmente en el proceso de caudal y es por esta

razn que le agregamos un bloque de tipo ganancia (como el del proceso) y no un bloque

retardo como el de la vlvula.


Mxico DF. Pgina 28

Definiendo una funcin de costo de la forma:

Ecu. 2. 4

Donde es una funcin del error y del tiempo, se obtiene un valor que caracteriza la

respuesta del sistema. Entre menor sea el valor de , mejor ser el desempeo del sistema

de control, por ello, un desempeo optimo se obtienecuando es mnimo.

Los criterios de desempeo utilizados por el departamento de control de procesos fueron:

Integral del error absoluto (IAE). Hay que tener presente que fsicamente hablando la

variacin de caudal con relacin a la apertura de la vlvula sufrir un pequeo retardo

debido al efecto de inercia que presenta un cambio de caudal (fenmeno de golpe de ariete).

Si la alteracin sufrida por la variable controlada, debido a un cambio de presin, es

inadmisible, una posible solucin sera controlar, en un lazo separado, el caudal de la lnea

de combustible, aunque por diversas razones esto no siempre sera conveniente o factible.

Recordemos que por otra parte la linealidad de la caracterstica efectiva de la vlvula no es

lo bueno como se podra desear.

Tomando en cuenta de que el controlador enva su seal a la vlvula se espera que el caudal

siga una ley lineal con le seal de control pero dado que la caracterstica de la vlvula no lo

es se tiene una fuente de alinealidades que son nocivas.

En la figura 2.11, que se encuentra en la siguiente pgina, muestra la grfica del sistema de

control en lazo cerrado, sin la perturbacin y con la perturbacin de la diferencia de caudal

de combustible en la lnea de alimentacin de la vlvula de control, este grafico

corresponde a los diagramas de bloque ya antes mencionados.

En esta figura se puede apreciar como una accin de control PID permite que la repuesta

del sistema es estado estacionario llegue al 1, que es en este caso nuestra seal de prueba o

escaln unitario, esta seal la usamos para representar el porcentaje del el valor final


Mxico DF. Pgina 29

deseado de la respuesta del sistema, es decir que la respuesta final va del cero al cien por

ciento.

En la misma figura, la grfica con la perturbacin en la variable manipulada, muestra como

el sistema sufre un cambio a causa de un cambio en el caudal de alimentacin de

combustible para la fundicin. Debe de tomarse en cuentaque son varios procesos los que

estn alimentados por el mismo contenedor de combustible que est conectado el horno de

fundicin.

Figura 2. 10Graficas correspondientes al anlisis ya mencionado.

Como la variable manipulada no est exenta de las perturbaciones ocasionadas por el

cambio de presin en la lnea de combustible para la fundicin, el diagrama de bloques de

nuestro sistema de control en lazo cerrado con la perturbacin, se conecta a un punto suma

ya que la perturbacin aade informacin al sistema, es decir que se suma el bloque vlvula

y el bloque perturbacin.

Los cambios en la presion de linea en la conbustible probocan un cambio en la salida del

sistema.Se puede ver como en el minuto 6 que es cuando en la simulacion se hace pasar una

perturbacion representada por un retardo de primer orden con constante de tiempo igual a

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

SISTEMA DE CONTROL PID CON PERTURBACIN.

TIEMPO

TE

MP

ER

AT

UR

A D

E E

NT

RA

DA

(%

)

Perturbacin.

Sistema sin offset PID.

Sistema sin control.

Entrada de forzamiento.


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.05 y ganancia Ku igual a ,1esto significa que la ganancia sera la variacion del caudal de

combustible por unidad de cambio de presion de este.

La accion del control PID provoca que el sistema alcanze el valor requerido para que la

fundicion de nuestro esmalte ceramico de comienzo. Esto mejora la calidad de nuestros

productos ya que el offset se reduce el 50%, esto es que cada que un lote de produccion de

comienzo para la fundicion, el producto final saldra con la fundicion necesaria para cada

frita de esmalte ceramico.

Ahora se analizo que las perturbaciones en la entrada del flujo de combustible, ocacionan

desviaciones de la salida con repecto a lo deseado. Estas desviaciones generan defectos en

la calidad final de nuestro producto. Las perdidas de produccion por refundicion son

inecesarias si se implementa un control a la perturbacion.

Esto se logra con una estrategia de control avanzada. Esto consiste en anidar un control

retroalimentado para que corrija las perturbaciones antes de que afecta nuetra variable

controlada.

En el siguiente capitulo se analizara las diferencias del control PID convencional y el

control en cascada, se podra observar como las perturbaciones son controladas. La

implementacion de un control avanzado a nuestro sistema corrije las desviaciones genradas

por los perturbaciones, asi de esta manera mantiene la variable controlada en el punto

deseado para la fundicion.

CAPITULO 3

[SOLUCIONES.]


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3.0 SOLUCIN PROPUESTA.

Como se ha visto en el captulo anterior, la problemtica principal en esta parte del proceso

es la diferencia de caudal que se crea en base al gasto del combustible que se usa en toda la

planta. En este caso solo nos enfocaremos a la simulacin del proceso, para observar la

diferencia del algoritmo de control PID en lazo abierto y el control en cascada, en este

captulo se dar una solucin al control del horno de fundicin ante una perturbacin en la

variable manipulada.

La variable manipulada es la correspondiente al caudal necesario para la fundicin y la

seal de esta es un cambio de caudal en la vlvula de control, es decir la seal de

perturbacin procede del exterior del lazo cerrado, esta es detectada por un elemento

denominado caudalimetro, este se encargara de detectar cualquier cambio de caudal antes

de que este cambio afecta la seal de salida del sistema.

La perturbacin en lazo abierto hace que nuestro sistema tenga un sobre impulso, esto

afecta a la produccin, ya que la fundicin no se realiza por completo para los diferentes

tipos de esmaltes cermicos, esto fue en un comienzo, el offset se compenso gracias a las

accin de control PID, pero no se contempl que la diferencia de caudal (variable

manipulada) presentan cambios, es decir, no es constante el caudal de combustible, esto

genera perturbaciones que afectan el producto final, algunas de estas fayas fueron

mostradas en captulos posteriores.

Con un control anidado, el controlador esclavo obtendr la consigna remota del controlador

maestro, el controlador maestro es el que recibe directamente las consigna adecuada para la

fundicin de cada uno de los esmaltes cermicos que en la planta se manufactura, la seal

de salida del controlador maestro es al mismo tiempo el set point del controlador esclavo.

Esta es una ventaja ya que como es diferente la temperatura de coccin de cada esmalte

cermico, no se tiene que ajustar dos consignas distintas ya que el set point del controlador


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maestro es heredado por el controlador esclavo, as este modifica el caudal de la vlvula

para ajustarlo en medida necesaria para la fundicin correspondiente.

El impacto que esta perturbacin tiene en nuestro periodo de fundicin, afecta directamente

a la calidad del producto final as como la falta de un control ante perturbaciones en nuestra

variable manipulada y la ausencia de un control de caudal en el contenedor de combustible

empleado para la fundicin as como otras partes del proceso.

1. SIMULACIN DEL CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE FUNDICIN

ANTE PERTURBACIONES.

Existen variadas formas de dar solucin esta causa que nos est originando problemas de

diferentes aspectos, principalmente econmicos.

Para comenzar a analizar la solucin propuesta a esta causa, comenzaremos por definir

detalladamente algunos trminos y definiciones de cada uno de los elementos relacionados

en el anlisis y solucin al problema del control en cascada.

3.1 CONTROL EN LA TEMPERATURA DEL HORNO DE

FUNDICIN.

La configuracin de control en cascada se utiliza cuando la variable manipulada sufre

perturbaciones que afectan a la variable controlada, es decir, cuando la estrategia de control

que se tom en un principio no est generando las soluciones necesarias para alcanzar el

objetivo de control, en este caso es la calidad total del producto final.

En el caso del caudal de la alimentacin de combustible para la fundicin, si la presin del

gas est sometida a variaciones, se observara variaciones considerables en la temperatura

de fundicin (variable controlada), esta variacin afecta directamente a la calidad del

producto final que es el esmalte cermico.


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La regulacin o control automtico en lazo cerrado, fue en un comienzo la solucin

planteada, ya que el algoritmo de control PID corrigi en un 50% el offset creado por la

falta de un controlador, esta consisti en sustituir la accin del hombre por un dispositivo

llamado controlador o regulador.

El conjunto de componentes que lleva a cabo el control automtico, en el proceso de

fundicin de esmalte cermico, es nombrado sistema de control automtico o con

regulacin automtica.

La figura 3.1muestra un diagrama de bloques de la disposicin bsica de los compontes que

forman un proceso con control automtico a lazo cerrado.

Cabe denotar que el flujo de seal se cierra sobre s mismo, adems que el sistema tiene

como entrada el punto de consigna que ser la temperatura de fundicin del esmalte

cermico y tendr por otra parte como seal de salida la variable controlada.

3.2 CONTROL REALIMENTADO.

En un inicio, el control realimentado fue la solucin para mejorar la respuesta dinmica del

sistema, lo resultados obtenidos fueros considerados satisfactorios en un comienzo. El

modelado y la sintonizacin del controlador PD, as como los instrumentos involucrados

para el control en el horno defundicin,fueron proporcionados por el departamento

encargado del control de procesos en la planta.

Figura 3. 1 Diagrama bsico de control lazo cerrado.


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El lazo de control de un proceso es diseado para tener todas las variables bajo control. El

trmino utilizado para llamar a la variable que ha sido manipulada, es el de VARIABLE

MANIPULADA. A la o las variables que han sido medidas con anterioridad se les

denomina VARIABLE MEDIDA.

De la misma manera, el trmino utilizado para expresar el valor de ajuste, es SET

POINT, y la diferencia entre el valor actual de la variable y el set point, se denomina

DESVIACIN.

La accin es realizada para eliminar la desviacin. En el proceso de control, la accin es el

ajuste de la variable, a este ajuste se le denomina VARIABLE MANIPULADA.

En trminos prcticos, el control es un ciclo continuo de medicin, toma de decisin, y

realizar una accin. El proceso de control es un lazo diseado para mantener la variable

controlada en el set point.

Las grficas estarn simuladas en MATLAB SIMULINK, para el sistema de adquisicin y

control estar simulado en LABVIEW esto mejora la visualizacin de la respuesta del

sistema.

3.2.1 Caractersticas del control realimentado.

Ventajas:

Produce accin correctora en cuanto existe error.

La accin correctora es independiente de la fuente y tipo de la perturbacin.

Necesita poco conocimiento del proceso a controlar (un modelo aproximado).

El controlador PID es uno de los controladores de realimentacin ms verstil y

robusta.

Desventajas:


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No produce accin correctora hasta que la perturbacin se propaga a la variable

controlada.

No es capaz de generar una accin preventiva (aunque las perturbaciones sean

conocidas o se puedan medir).

En procesos con grandes tiempo muertos, la dinmica del sistema en bucle cerrado

no suele ser aceptable.

En algunas aplicaciones la variable controlada no puede medirse y la

realimentacin no puede realizarse.

A pesar de sus desventajas, la mayora de las aplicaciones industriales utilizan bucles de

realimentacin simple, para las situaciones en las que el control realimentado no resulta

satisfactorio, es necesario utilizar otras estrategias para obtener los resultados requeridos,

para complementar a estas estrategias que se combinan con el bucle de realimentacin (no

lo sustituyen) se les denomina estructuras avanzadas de control.

3.3 CONTROL EN CASCADA.

Se ha observado que hay perturbaciones que estn afectando la variable manipulada

directamente, en el caso de nuestro proceso es el caudal del material empleado para la

fundicin del esmalte cermico. Este tipo de perturbacin la denominaremos perturbacin

de entrada.

Un punto importante del control en cascada es que utiliza la medida de variables internas o

auxiliares para detectar el efecto de las perturbaciones e iniciar, antes de que afecte a

nuestro proceso, una accin correctora.

Esta accin de control se realiza mediante ciclos o bucles de realimentacin (feedback)

anidados.


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La estrategia de control en cascada consiste en implantar un lazo de control secundario

dentro del lazo principal con el fin de controlar de manera independiente la propia variable

manipulada, la seal de perturbacin de entrada se encuentra entre el elemento de control y

el horno de fundicin esto es debido a que la perturbacin es una diferencia de caudal, y

esto desva la variable controlada del valor deseado.

La figura 3.2 muestra el diagrama de bloques de un control en cascada, la perturbacin se

conecta al sistema como una adicin ya que representa la seal de perturbacin de entrada.

3.4 PROBLEMA EN EL HORNO DE FUNDICIN DE ESMALTE

CERMICO.

El objetivo es calentar una mezcla de esmalte cermico hasta el punto de fundicin en un

horno horizontal, manipulando el caudal de combustible que entra al mismo para la

fundicin, este debe mantenerse constante durante cierto periodo de tiempo, pero no lo es.

La cada de presin en la vlvula ocasiona variaciones en el caudal, lo que afecta

directamente la calidad del producto final. La planta cuenta con un contenedor de

combustible especial para la fundicin del esmalte, la presin de este no esconstante lo que

representa una perturbacin en nuestro sistema de control del horno de fundicin.

Figura 3. 2 Control en cascada.


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Los proceso subsecuentes al proceso de fundicin, emplean el mismo combustible que

suministrados por el mismo recipiente, es decir, que todos los procesos que intervienen en

la elaboracin del esmalte cermico estn alimentados con el mismo contenedor.

La vlvula, nuestro elemento final de control para la fundicin, se ve afectada por esta

perturbacin haciendo que nuestro proceso se encuentre perturbado por los cambios en el

caudal de combustible en la vlvula.

3.5 DETECCIN DE VARIABLES DE PROCESO PARA EL

CONTROL EN CASCADA.

A continuacin se menciona las variables que se estn involucrando en nuestro proceso,

esto con la finalidad de abordar una explicacin clara del proceso.

3.5.1 Variable controlada.

La variable controlada ser la temperatura del producto a la salida del horno de fundicin

que es cristal lquido de esmalte cermico, los diferentes tipos de esmaltes se funden a

diferentes temperaturas, por lo tanto la variable controlada no es la misma para todas las

fundiciones.

3.5.2 Variable manipulada.

La variable manipulada es el caudal. En dinmica de fluidos, caudal es la cantidad de

fluido que pasa en una unidad de tiempo.El caudal de combustible es por tal motivo nuestra

variable de proceso manipulada.

La variable de perturbacin de nuestra variable manipulada, es la diferencia de caudal en la

vlvula debida a los cabios de nivel del contenedor de combustible.

http://es.wikipedia.org/wiki/Din%C3%A1mica_de_fluidos


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3.6 ESTRATEGIA DE CONTROL EN CASCADA.

El empleo de una regulacin en cascada se consigue colocando en primer lugar el lazo

secundario y despus el lazo principal.

El lazo secundario por tener escasos elementos con constantes de tiempo pequeas suele

admitir ganancias muy grandes muy grandes del controlador antes de volverse crtico por lo

que normalmente suele ensayarse una ganancia elevada.

Por esta razn en general es suficiente un controlador proporcional ya que la desviacin

permanente ser pequea y en todo caso carece de importancia ya que no estamos

interesados en la variable manipulada por otro lado la pequea desviacin permanente

resultante ser compensada por el controlador principal.

El lazo secundario pasa a ser como conjunto un bloque ms del lazo principal. Debemos de

tomar en cuenta de que incluso siendo el lazo secundario inestable en sistema global puede

ser estable.

En la siguiente grafica se muestra la respuesta del sistema en lazo cerrado con la

perturbacin al sistema. La perturbacin que se aadi al sistema se puede ver observada en

la grfica. Esta perturbacin es un cambio en el caudal, por lo mismo la perturbacin y la

funcin de transferencia tienen en mismo denominador con las mismas constantes de

tiempo y ganancia.

La solucin est en implantar un sistema de control segn una configuracin en cascada

como se muestra en la figura 3.3.


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En general consiste en regular la variable manipulada creando un lazo secundario. En este

caso es preciso instalar una medida del caudal de combustible cuya seal ser enviada a un

controlador de caudal el cual a su vez ser quien gobierne la vlvula de control.

El punto de consigna de este nuevo controlador, llamado controlador secundario o esclavo,

proceder de la seal de salida del controlador de temperatura llamado ahora controlador

principal o controlador maestro.

La seal de salida del controlador maestro (funcin de la seal de error de temperatura)

representa ahora por tanto la demanda de caudal de combustible al controlador secundario.

Cualquier variacin del caudal en el combustible debida a una variacin de presin ser

corregida rpidamente por el controlador secundario sin esperar a que la perturbacin afecte

a la temperatura controlada y a la totalidad del lazo principal como sucedera si no existiese

el lazo secundario.

Una de las caractersticas de este tipo de configuracin es que el lazo secundario suele ser

muy rpido en comparacin con el lazo de control principal. El controlador secundario

puede ser solo de accin proporcional.

Figura 3. 3 Control ante la perturbacin.


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Teniendo en cuenta de que no importara que el lazo secundario mantenga una desviacin

permanente, ya que, con relacin al control de temperatura este error ser perfectamente

compensado por la accin integral del controlador principal.

Sin embargo, es posible tambin incorporar accin integral al controlador secundario pero

es poco usual dotarlo de accin derivativa precisamente por hecho de tratarse de un lazo de

respuesta rpida y cuya medida puede contener ruido que sera amplificado por accin

derivativa.

A continuacin se introducir un bloque de perturbacin a nuestro proceso, un cambio de

caudal en la variable manipulada.

La ganancia ser la variacin de temperatura a la salida del horno

Simulacion y control de temperatura del horno para la elaboracion de esmalte ceramico

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