Línea de embotellado: doble conteo, sensor que no ve el PET negro y lazo PID desestabilizado
Una línea de embotellado dispone de un PLC S7-1200 que gobierna una cinta transportadora mediante un variador de frecuencia, cuenta las botellas con un detector inductivo situado frente a la rosca metálica del tapón y controla la temperatura de la cola con un lazo PID (termopar tipo J y resistencia calefactora). La producción es de 1 200 botellas por hora. El registro de incidencias recoge tres hechos: el contador del PLC marca 2 400 unidades por hora, justo el doble de lo real; las botellas de PET negro brillante no se detectan en la estación de etiquetado con el sensor fotoeléctrico de difusión instalado; y desde que se sustituyó la resistencia de 2 kW por una de 4 kW, la temperatura de la cola oscila ±8 °C alrededor del valor de consigna, cuando antes se mantenía en ±1 °C. El técnico quiere tocar el programa lo mínimo posible y justificar cada cambio ante el jefe de línea.
1. Explica por qué el contador marca el doble de lo real y propón la modificación concreta en el programa del PLC, justificándola con el tiempo de ciclo.
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Causa. El detector inductivo entrega una señal que permanece a «1» durante todo el tiempo en que el tapón está frente a él, no un pulso instantáneo. El PLC lee las entradas al principio de cada ciclo de scan y ejecuta la instrucción de conteo una vez por ciclo; mientras la señal siga activa, cada ciclo suma una unidad.
Comprobación numérica. 1 200 botellas/h = 0,33 botellas/s. Si el tiempo de permanencia del tapón frente al sensor es de unos 0,6 s y el ciclo de scan es de 10 ms, la señal está activa durante unos 60 ciclos: el contador no sumaría el doble, sumaría decenas de veces. Que el resultado sea exactamente el doble indica que la empresa ya corrigió a medias (por ejemplo, dividiendo por dos el valor, o contando en una rutina que se ejecuta cada 2 ciclos), lo que confirma que el problema de fondo sigue ahí y depende de la velocidad de la línea: si se sube el variador, el error cambiará.
Solución. Detectar el flanco de subida del sensor y contar una sola vez por flanco. En ladder: contacto del sensor en serie con una instrucción de detección de flanco positivo (R_TRIG / «P»), y a continuación el contador. El flanco genera un pulso de un solo ciclo por cada botella, con independencia del tiempo de permanencia y del scan.
Mejora estructural. Si se quiere eliminar el problema de raíz, contar con el encoder de la cinta y asociar el conteo a una posición, o usar un detector con salida de pulso corto. Así el sistema es inmune a paradas de la cinta, a botellas que se detienen sobre el sensor y a cambios de velocidad.
2. El sensor fotoeléctrico de difusión no detecta el PET negro brillante. Explica el motivo y elige un sensor alternativo razonando la decisión.
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Por qué falla. Un sensor de difusión emite luz y detecta la fracción que el objeto devuelve hacia el receptor. Su funcionamiento depende de la reflectividad difusa del objeto. El PET negro absorbe la mayor parte de la radiación visible: devuelve muy poca luz y la señal queda por debajo del umbral. A eso se suma que la superficie es brillante y lisa, lo que produce reflexión especular: gran parte de la energía se desvía en un ángulo que no alcanza el receptor. El resultado es una detección intermitente o nula, muy dependiente de la inclinación de la botella.
Alternativas.
- Barrera fotoeléctrica de través (emisor y receptor enfrentados). Detecta por interrupción del haz, no por reflexión: el color y el acabado del objeto son irrelevantes. Es la opción más robusta para un objeto opaco, sea del color que sea.
- Retrorreflector con filtro polarizante. El filtro elimina el reflejo especular de la botella brillante y solo detecta el reflector fijo del fondo.
- Sensor ultrasónico. Detecta por eco de sonido, independiente del color y de la transparencia; útil si no se puede montar la barrera.
- Capacitivo. Detecta cualquier material, pero es más sensible a la humedad y a los cambios de ambiente, poco recomendable en una línea con lavado.
Elección. Barrera de través si el espacio lo permite; en su defecto, retrorreflector con polarizador. Hay que verificar dos cosas: el grado de protección (IP67 como mínimo, IP69K si hay lavado a presión) y el tiempo de respuesta, que aquí no es limitante: a 0,33 botellas/s el sensor tiene casi un segundo entre botellas.
3. La temperatura de la cola oscila ±8 °C tras cambiar la resistencia de 2 kW por una de 4 kW. Analiza qué ha ocurrido en el lazo de control y propón la actuación.
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Qué ha cambiado. El lazo es de realimentación (en bucle cerrado): el PLC compara la consigna con la lectura del termopar y actúa sobre la resistencia. Al duplicar la potencia del actuador, para un mismo incremento de salida del controlador la aportación de calor se duplica: la ganancia del proceso se ha multiplicado por dos. Los parámetros del PID no se han tocado, así que la ganancia total del lazo (K_c · K_proceso) es ahora el doble de la que se ajustó. El resultado es un lazo demasiado agresivo: sobrecorrige, se pasa de la consigna, corrige en sentido contrario y entra en oscilación sostenida.
Qué no es. No es un fallo del sensor ni del PID como algoritmo; la prueba está en que el sistema funcionaba con ±1 °C con la resistencia antigua. Tampoco se arregla con un control todo-nada (on-off), que reintroduciría oscilación por el propio ciclo de conmutación.
Actuación, por orden.
- Reducir la ganancia proporcional (aumentar la banda proporcional) hasta la mitad, aproximadamente, ya que K_proceso se ha duplicado.
- Aumentar el tiempo integral para que la acción integral no repita el error tan rápido; si el lazo tenía acción derivativa, mantenerla o aumentarla ligeramente.
- Reajustar con un método sistemático (Ziegler-Nichols en lazo cerrado, o prueba escalón calculando K, τ y θ) en lugar de por tanteo.
- Verificar el término integral y añadir anti-windup, porque en el arranque la resistencia de 4 kW saturará la salida durante más tiempo.
- Comprobar la inercia térmica del conjunto: si la resistencia nueva calienta mucho más rápido que la respuesta del termopar, puede ser necesario limitar la rampa de salida.
Contraste. En bucle abierto, el sistema no oscilaría, pero la temperatura se iría con cualquier perturbación (cambio de caudal de cola, apertura de la máquina) y no se corregiría nunca: es precisamente la realimentación la que hace visible el desajuste.