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CONTROL DE UNA LÍNEA DE PRODUCCIÓN USANDO UN CÓDIGO BINARIO DE PROCESOS
Eusebio Jiménez López [email protected] Reyes Ávila [email protected]
Jaime Israel González Esteves [email protected] Francisco Mercado Islava* [email protected]
Alejandro Pérez Contreras [email protected] García Torres [email protected]
División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería, UNAM, Sección MecánicaCd. Universitaria, México, D.F., C.P. 04510, Apdo. Postal 70-256 Fax 56223008
* Instituto Tecnológico Superior de Cajeme, Ciudad Obregón Sonora.
RESUMEN
Este artículo presenta un código binario de procesos operacionales (CBPO) usado para representar eventos tiempo-sensado-maquinaria asociados a una línea de producción. Dos tipos de órdenes fueron utilizados: 1) el orden de recorrido de ida y 2) el orden de TpU; para diseñar el CBPO. El sistema productivo estudiado está compuesto de dos módulos;1) marcaje y, 2) soldadura. La sincronización local fue realizada usando el método del vórtice perfecto. Finalmente, el CBPO permitirá encontrar las ecuaciones de estado de un PLC, o equivalentemente las líneas principales de un diagrama de escalera.
Palabras clave: Sistema de manufactura; PLC; sincronización; Planeación operacional
ABSTRACT
This paper presents an operational binary code for processes (OPBC) that is used to represent time, sensing and machinery events that are associated to a production line. Two orders were used: 1) the downstream order, and 2) the unit production time order. The productive system under study is composed of two modules; 1) marking and 2) welding. The local synchronization was attained using the perfect vortex method. Finally, the OPBC will permit to find the state equations of a PLC, or similarly, the main lines of a ladder diagram.
Keywords: Manufacturing system; PLC; synchronization, operational planning.
NOMENCLATURA
TpU: Tiempo de producción unitarioC: Componente para procesar
= Modelo de control = Operación “y” = Operación disyunciónTIDA = Tiempo de ida
1 INTRODUCCIÓN
Una de las etapas fundamentales de la planeación operacional de sistemas de manufactura es el diseño de control de operaciones.1 Controlar, coordinar y sincronizar los elementos de trabajo que componen una línea o varias líneas de producción de tal forma que los volúmenes de producción sean satisfechos son quizás los objetivos más importantes de la planeación operacional.2
En términos generales, el sistema de control de operaciones de un sistema productivo está compuesto por: 1) elementos de señalización (sensores), 2) sistemas de procesamiento de señales (PLC,s) y 3) elementos de mando, los cuales gobiernan
las formas operativas de la maquinaria. Las señales emitidas por los sensores son recibidas y procesadas por los PLC,s y, posteriormente enviadas a los elementos de mando. El control de operaciones de un sistema operativo debe garantizar el correcto funcionamiento, coordinación y sincronización de la maquinaria de trabajo a través de la emisión y procesamiento de señales. El objetivo de la sincronización de operaciones (derivada del control de procesos) es el cumplimiento de los volúmenes de producción requeridos. Para el diseño del sistema de control de operaciones de líneas de producción se deben realizar diversas actividades tales como: 1) distribuir estratégicamente elementos de señalización, 2) modularizar las líneas de producción, 3) determinar los ciclos operativos de la maquinaria, 4) sincronizar local y globalmente los módulos de producción, 5) balancear líneas de flujo de materiales, 6) diseñar los diagramas escalera de los PLC,s para el control y procesamiento de señales.
Diversos trabajos han sido orientados al estudio del control de operaciones. En [3], se propone un método basado en redes de Petri para el diseño del control de operaciones de una celda de manufactura didáctica, en [4] se usan métodos de la Inteligencia Artificial para la planeación automática de sistemas de control de operaciones en un sistema de manufactura. En [5] se utilizan redes neuronales para diseñar un sistema de control modular para líneas de producción. En [6] se propone un modelo de control para monitorear y controlar plantas químicas desde un centro de operaciones. En [7,8] se utilizan métodos de diagnóstico para monitorear PLCs.
En este artículo se propone un esquema operativo llamado “Código binario de procesos”1,2 (CBPO) utilizado para representar las formas operativas de sensores y máquinas integradas a un sistema productivo. Dicho código se compone de una matriz de eventos de activación dividida por dos submatrices; 1) tiempo – sensado y 2) maquinaria tiempo. La distribución de los sensores en el código está ordenada de acuerdo a su caracterización9, en tanto la maquinaria de trabajo se ordena siguiendo en “recorrido de ida”. Los tiempos de procesos son discretizados y cada tiempo, en el cual se activan uno a varios sensores, representa un modelo de control. Los módulos que componen el sistema de manufactura estudiado, se sincronizan localmente usando el método del vórtice9
con restricción a TpU y la sincronización global se realiza con el código binario. Los ciclos operativos discretizados de la maquinaria de trabajo, así como las líneas escalera principales de un PLC, pueden ser interpretadas del código binario.
2) DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE MANUFACTURA
El sistema productivo estudiado en este artículo está compuesto por dos módulos de producción:1) marcaje y 2) soldadura. En dicho sistema, se manufactura el componente mostrado en la figura 2.1
Figura 2.1 Pieza de trabajo
Las operaciones principales realizadas sobre la pieza de trabajo son marcaje de apoyo y dos cordones de soldadura. La distribución de maquinaria asociada al sistema productivo se muestran en la figura 2.2 y la descripción de cada componente se presenta en la tabla 2.1
Figura 2.2 Distribución de maquinaria
B1 Banda síncronaR1 Robot de trasporteMo1 Mesa de trabajoAc1 Actuador neumáticoR2 Robot de trasporteAc2 Actuador neumáticoMo2 Mesa de trabajoAc2 Actuador neumáticoR3 Robot para aplicación de soldaduraR4 Robot para aplicación de soldaduraR5 Robot de trasporteB2 Banda síncrona
Tabla 2.1 Descripción de componentes del sistema productivo
El flujo de materiales y operaciones se detalla a continuación.
La materia prima “c” es transportada del interior del almacén A1 al exterior por la banda B1. Posteriormente, “c” es transportada por R1 a la mesa Mo1 . En dicha mesa, se localiza el actuador Ac1, el cual realiza la operación de marcaje. El robot R2 transporta a “c” a la mesa Mo2 sobre la cual se
localiza Ac2. El actuador Ac2 transporta a “c” hacia un lugar sobre la mesa Mo2 donde los robots R3 y R4
realizan simultáneamente los cordones de soldadura. Posteriormente, el robot R5 transporta el componente “c’’ hacia la superficie de una banda B2. Dicha banda introduce al componente al interior del almacén A2.
Los tiempos principales de proceso son los siguientes:
1) Tiempo de producción unitaria (TpU)=22 s2) Tiempo de aplicación de la soldadura( Ts)=14s3) Tiempo para el marcaje= 1s
Es importante mencionar que el TpU mencionado ha sido obtenido bajo la restricción: “volumen de producción perfecto”.
3) CARACTERIZACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE SENSORES
Una vez distribuida la maquinaria de trabajo del sistema productivo estudiado, es necesario caracterizar y distribuir elementos de señalización comúnmente llamados sensores. Es necesario agrupar en cuatro tipos los sensores; 1) sensores principales, 2) sensores de completud, 3) sensores de sincronización y 4) sensores bandera.1
El primer grupo se caracteriza por sensar únicamente piezas de trabajo y se distribuyen localizando posiciones estratégicas(LEi) de los componentes; es decir, en cada inicio y término de las trayectorias de ida de los elementos de transporte. El segundo grupo de sensores se caracteriza por sensar únicamente elementos de trabajo, tal que dichas señales, dan salida a máquinas no activadas por los sensores principales. Se les llama de completud (Sci) puesto que completan el sensado del recorrido de ida junto con los sensores principales. Para identificarlos se requiere generar una crónica de operaciones y detectar los elementos de trabajo no señalados.
Los sensores de sincronización se utilizan para coordinar la maquinaria tal que el tiempo medido entre la primera y la segunda pieza de trabajo sea el TpU. Pueden ser sensores primarios o de completud e inclusive nuevos sensores. Finalmente, los sensores tipo bandera se utilizan para efectos de seguridad tanto de operarios como de maquinaria o para generar señales intermedias para algún propósito específico. Estos elementos pueden sensar cualquier cosa. La figura 3.1 muestra la distribución de sensores principales y de completud asociada al recorrido de ida de la primer pieza de trabajo sobre la línea de producción.
La distribución de sensores sobre la línea de producción debe ser sistemática y ordenada, es decir;
primero se colocan los sensores primarios, luego los de completud, posteriormente los sensores de sincronización y finalmente los sensores bandera.
Figura 3.1 Distribución de elementos de sensado sobre el recorrido de ida
Los sensores de completud mostrados en la figura anterior están asociados a la activación del actuador Ac1 y a la activación del robot R5; finalmente, los sensores de sincronización y tipo bandera serán caracterizados en las siguientes secciones.
4) SINCRONIZACIÓN DE MÓDULOS DE PRODUCCIÓN
Para poder tener un control más eficiente y preciso de una línea de producción, es necesario modularizarla y, posteriormente, sincronizar localmente cada módulo.De acuerdo con la figura 2.2 el sistema productivo motivo de estudio tiene dos módulos de producción:1) marcaje y 2) soldadura.
Las siguientes consideraciones son de fundamental importancia para la sincronización de operaciones:
1) Jerarquizar por algún criterio los módulos de producción.
2) Sincronizar localmente el módulo de máxima jerarquía, y , posteriormente, los de menor jerarquía.
3) Para cada módulo la restricción del tiempo es el TpU.
En este artículo el módulo de máxima jerarquía es el de soldadura, pues integra la máquina(s)de máximo tiempo fijo. El método que será usado para sincronizar las operaciones es el “vórtice perfecto” 9 bajo restricción de “ TpU”.
4.1) SINCRONIZACIÓN DEL MÓDULO DE SOLDADURA
El método de vórtice perfecto9 consiste en relacionar la máquina de máxima jerarquía, la cual debe ser de operación principal, con las máquinas antecesoras y sucesoras de transporte. La figura siguiente muestra el vórtice asociado a las máquinas del módulo de soldadura.
Figura 4.1. Vórtice de sincronización para el módulo de soldadura
Para poder determinar los tiempos de ida y vuelta relacionados a los ciclos operativos de cada máquina, es necesario usar los pasos siguientes:
1) Determinar el ciclo operativo de la máquina de máxima jerarquía, y fijarlo tal que el TpU sea satisfecho.
2) Formar grupos de dos, tres, etc., elementos de trabajo relacionados de acuerdo al vórtice y sincronizarlos.
3) La suma de tiempos de ida de todas las máquinas debe ser igual al TpU.
La figura siguiente muestra los tiempos de ciclo asociados al módulo de soldadura.
Figura 4.2 Tiempos de proceso
Los tiempos indicados con el símbolo “+” denotan ida y con “_” vuelta, el símbolo “” indica que el tiempo de vuelta en esa parte del ciclo debe considerarse de ida, pues el robot R5 inicia su operación una vez que el sensor Sc1 envie señal. Por otro lado, el símbolo “” denota el rango de tiempo máximo que las máquinas de transporte pueden tomar en las trayectorias de vuelta.
4.2) SINCRONIZACIÓN DEL MÓDULO DE MARCAJE
El vórtice relacionado con las máquinas del módulo de marcaje es el mostrado en la figura 4.3
+1 1 TR3IDA
R5
+2 20
AC2
B2 +2
20
-6
TR3VUELTA
R3
+2+14
Figura 4.3 Vórtice antecesor para el módulo de marcaje
Los tiempos de ciclo para cada máquina siguiendo los pasos de la sección anterior son mostrados en la figura siguiente:
Figura 4.4 Tiempos de ciclo para las máquinas del módulo de marcaje.
Es importante señalar que, por las características de operación del actuador Ac1, los tiempos de ciclo pueden variar, es decir, no son fijos como en el caso del módulo de soldadura. Sin embargo, la asignación de tiempos para sincronizar las máquinas debe partir de una determinación del ciclo de Ac1 a TpU. Finalmente, el hecho de que las bandas no tengan asignado un tiempo de vuelta, es porque se consideran de “ida pura”.
5) EL CÓDIGO BINARIO DE PROCESOS OPERACIONAL (CBPO) Y SINCRONIZACIÓN GLOBAL
Una vez sincronizados localmente los módulos de producción, es necesario representar cada uno de los eventos tiempo-sensado-maquinaria asociados con la línea de producción. El CBPO desarrollado en[1,2] es un esquema operativo que permite caracterizar los eventos de un sistema productivo. La tabla A.1 (ver apéndice A) muestra un CBPO genérico para una línea de producción secuencial.
El CBPO está formado por dos matrices: 1) tiempo -sensado y 2) tiempo - maquinaria. Los tiempos de proceso colocados en la primer columna son discretizados y cada cTki (ver tabla A.1) señala la activación/desactivación de un sensor. Los elementos de señalización están colocados siguiendo la secuencia: principales, de completud, sincronización y bandera. Si los sensores de sincronización coinciden con un principal, o de completud, se coloca encima un asterisco y si no coinciden se
debe agregar una casilla por cada nuevo sensor de sincronización.
La maquinaria de trabajo está también colocada siguiendo un orden; el orden de recorrido de ida. Las casillas del CBPO integrán dos símbolos generales; “1” para describir el estado activo de un sensor o una máquina y “0” para representar estados desactivados. Las relaciones entre dos o más estados activos de sensores en una sola fila están dadas por operaciones boleanas.10,11 El codigo binario de procesos operativos asociado al sistema productivo, motivo de estudio, es el mostrado en la tabla A.2 (ver apéndice A).
Observe en la tabla A.2 que la matriz tiempo-sensado-maquinaria relacionada con el módulo de marcaje ha sido insertada a partir del tiempo T44 sobre la matriz-tiempo-maquinaria del módulo de soldadura. Este hecho permite sincronizar globalmente las operaciones del sistema productivo motivo de estudio. Por otro lado, en los tiempos cTk1
/... y cTk2// se han colocado
señalizaciones de sensores tipo bandera; esto con el fin de verificar los retornos a home del robots R2 y R5. Los tiempos T8-9 caracterizan el paro casi instantáneo del actuador Ac1 en la operación de marcaje y, puesto que no está asociado un sensor en este tiempo, entonces T8
no son cTki. Para construir un código binario de procesos se debe seguir los siguientes pasos:
1) Representar los elementos que componen las submatrices tiempo- sensado y tiempo-maquinaria de la línea de producción de estudio.
2) Distribuir sobre la matriz de CBPO los elementos de activación de sensores y la maquinaria siguiéndole recorrido de ida. Cada casilla del CBPO que relaciona una pareja (Tp, M) tal que exista un símbolo”1” en dicha casilla deberá integrar el símbolo “+” delante “1”para indicar que se trata del recorrido de ida.
3) La columna de tiempos debe integrar la discretización del tiempo total del recorrido de ida (2TpU) y los condicionales asociados al recorrido de ida (sensores principales y de completud).
4) Por cada debe existir un solo evento de sensado.
5) Una vez concluido el paso 4) se asocian los eventos de sensado que caracterizan la sincronización modular y global. Aquí, existirán cuando menos dos con más de un evento de sensado si la línea de producción tiene más de un módulo de operación.
6) Definir, de acuerdo al balanceo de la línea de producción, los eventos de sensado para ciclo automático sobre el módulo de máxima jerarquía.
7) Determinar y distribuir los tiempos de vuelta de los elementos de trabajo sobre el código del paso 6).
8) Integrar al código, eventos de señalización tipo bandera (si existen) e incluir, si es necesario, los necesarios.
9) Extender las filas y columnas del código binario derivado del paso anterior si se presenta el caso en que el ciclo operativo de la máquina de máxima jerarquía no ha terminado en el tiempo 2TpU discretizado. Este paso es también válido si una de las máquinas de jerarquía menor o secundarias no han terminado su ciclo operativo una vez concluido el recorrido de ida.
10) Todas las casillas que no representen activación de sensor y/o máquina se deben llenar con el símbolo”0”.
11) Por cada se debe asociar el modelo de control para cada máquina.
El CBPO es, en realidad, un código de eventos de operación tanto de sensores como de la maquinaria en cada tiempo descretizado. Además, en dicho código se muestran los ciclos operativos discretizados de los elementos de trabajo representados por recorridos de ida (+) y vuelta (-).
4. MODELOS DE CONTROL
Cada cTki definido en el código, representa una o varias activaciones de los sensores, y en cada activación se envía una señal al PLC, el cual a su vez, mandará señal de activación a los elementos de mando de la maquinaria. Por tanto, cada cTki representa un modelo de control para cada máquina o un conjunto de ellas. Considérese la siguiente afirmación:
“Una máquina tiene un modelos de control en cada cTki si existen en dicho tiempo tres relaciones:
1) Un condicional ()2) Un bicondicional ()3) Una igualdad (=)
entre la máquina y sensores.”
Por ejemplo, el modelo de control para la máquina Ac2
entre los tiempos T22 y T23 es:
=
La representación indica la forma de condicionar la salida del actuador AC2, la fórmula
es una representación bicondicionada de operación de Ac2 y la fórmula:
es llamada ecuación de estado1,12,13 y puede representarse por medio de una línea escalera de en PLC. Dicha línea se observa en la figura 6.1
Figura 6.1 Línea de escalera de un PLC
Las líneas principales del diagrama escalera se pueden interpretar del código binario de procesos.
CONCLUSIONES
En este artículo se ha presentado un código binario de procesos operacionales (CBPO) para representar los eventos de tiempo-sensado-maquinaria de una línea de producción. Los resultados obtenidos se resumen en los puntos siguientes:
1) El CBPO muestra todos los eventos de tiempo-sensado-maquinaria del sistema productivo.
2) Los ciclos operativos de la maquinaria dados en función del tiempo son representados en el CBPO.
3) Cada cTki representa una línea principal del diagrama escalera de un PLC(ver figura A.3).
4) La inserción de la matriz tiempo-sensado-maquinaria de un módulo de menor jerarquía a otro de mayor jerarquía, determina automáticamente la sincronización global del sistema de manufactura.
5) El método de vórtice perfecto para sincronizar localmente módulos de producción, es funcional si la diferencia entre el máximo tiempo fijo de la máquina de máxima jerarquía y el TpU es
X1 X4 Y5
funcional; es decir, que la suma de los tiempos de ida de todas las máquinas sea igual al TpU.
6) La metodología usada para construir el código binario puede ser extendida para representar las funciones operacionales de sistemas productivos de más de dos módulos de producción.
REFERENCIAS [1] Rojas, L. Algunas consideraciones sobre la
planeación táctica y operacional. México. 2000 (Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica). UNAM, Facultad de Ingeniería, División de Estudios de Posgrado, Sección Mecánica.
[2] Jiménez, L. Simulación de un proceso de manufactura con obstáculo en la línea de producción. México. 1998. (Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica).UNAM, Facultad de Ingeniería, División de Estudios de Posgrado, Sección Mecánica.
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[10]
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Jiménez, E., Reyes, L., Torres, D., Ruelas, J., Danzos, A. “Sistematización del álgebra de Boole en el conjunto binario”. Informe interno de investigación DEPFI-SME-MME-DMEC-MAV-01-2001. UNAM –ITESCA. ISBN 968-36-9840-9
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APÉNDICE A
SENSORES MAQUINARIA
X1 ... X6 ... XN y1 ... y2 ...yi
Tiempos
de
proceso
S1
...S6 SF M1 ... M2 ...
Tiempos
de
proceso
cTo 0 0 0 . 0 0 0 0 0 0
T1 0 0 0 . +1 . . . . .
. . 0 0 0 . +1 . . . . .
. . . 0 . +1 . . . . .
T4
..
0 . 1 . . . . .
cT4 1 . 0 0 0 0 0 0
T5 . . . . . -1 0 0 0 0 0
cT5 . . . . . 0 . . . . .
S
T
ET
T
1
0
10
10
. . . . . . . . . . .
Tabla A.1 Código binario de procesos genérico
CÓDIGO BINARIO DE PROCESOSMatriz tiempo - sensado Matriz tiempo - maquinaria
Sensores principales
Sensores de sincronización
Sen-sores de com- pletud
Sensores bandera Elementos de trabajo ordenados por el recorrido de ida
X1
X2 X3 X4
X5 X6 X7
X8 X9 X10 X11 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9
T/M S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 Sc1 Sc2 SB1 SB2 B1 R1 AC1 R2 AC2 R3 R4 R5 B2 T/MI/0 0 cTk0
T1 +1 T1
T2 +1 T2
I/0 0 0 cTk1
T3 +1 T3
T4 +1 T4
T5 +1 T5
T6 +1 T6
I/0 0 0 cTk2
T7 -1 +1 T7
T8 -1 +1 T8
T8-9 0 T8-9
T9 1 T9
T10 1 T10
T11 1 T11
T12 1 T12
T13 1 T13
I/0 0 0 cTk3
T14 +1 T14
T15 +1 T15
T16 +1 T16
T17 +1 T17
( )
T18 +1 T18
T19 +1 T19
T20 +1 T20
T21 +1 T21
T22 +1 T22
I/0 I/0 0 0 0 0 cTk4
T23 +1 -1 +1 T23
T24 +1 -1 +1 T24
I/0 I/0 0 0 0 0 0 0 cTk5/
T25 +1 -1 -1 +1 +1 T25
T26 +1 -1 -1 +1 +1 T26
T27 +1 -1 +1 +1 T27
T28 +1 -1 +1 +1 T28
cTk2/ I/0 0 0 0 0 0 cTk2
/
T29 -1 +1 -1 +1 +1 T29
T30 -1 +1 -1 +1 +1 T30
T30,31 0 0 0 0 T30,31
cTk1// I/0 0 0 0 0 cTk1
//
T31 1 +1 +1 T31
T32 1 +1 +1 T32
T33 1 +1 +1 T33
T34 1 +1 +1 T34
T35 1 +1 +1 T35
cTk3/ I/0 0 0 0 0 cTk3
/
T36 +1 +1 +1 T36
T37 +1 +1 +1 T37
T38 +1 +1 +1 T38
T39 +1 +1 +1 T39
T40 +1 1 1 T40
I/0 0 0 0 cTk6
T41 -1 -1 -1 +1 T41
T42 -1 -1 -1 +1 T42
I/0 0 0 0 0 cTk7
T43 -1 0 0 0 +1 T43
T44 -1 -1 -1 -1 +1 T44
cTk8 I/0 I/0 I/0 0 0 0 0 0 cTk8
T45 +1 0 0 -1 +1 -1 -1 -1 T45
T46 +1 0 0 -1 +1 -1 -1 -1 T46
cTk2// 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I/0 0 0 0 0 0 0 0 0 cTk2
//
X1
X2 X3 X4
X5 X6 X7
X8 X9 X10 X11 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9
T/M S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 Sc1 Sc2 SB1 SB2 B1 R1 AC1 R2 AC2 R3 R4 R5 B2 T/M
Tabla A.2 CBPO del sistema de manufactura
Tabla A.3 Diagrama escalera del PLC para el control de procesos
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