Estación neumática de pick-and-place: caída de presión, secuencia sin confirmación y arranque inseguro
En una línea de llenado, una estación neumática toma botellas de una banda, las gira 90° y las deposita en la caja. El ciclo lo ejecuta un PLC con dos cilindros de doble efecto (Ø32 mm, carrera 100 mm) y uno de simple efecto con retorno por resorte (Ø32 mm, resorte de 60 N), comandados por válvulas 5/2 de una sola bobina. La carga vertical que iza el cilindro de simple efecto es de 250 N. La red entrega 6 bar en reposo, pero cae a 4.2 bar cuando tres estaciones actúan a la vez; el compresor no tiene tanque receptor dedicado. El programa usa temporizadores fijos de 0.5 s en lugar de confirmar los sensores de posición. El operador reporta que 1 de cada 200 ciclos no confirma el descenso, que el ciclo tarda 4.2 s contra 3.5 s objetivo y que ocasionalmente hay doble actuación al encender. Los sensores son inductivos PNP y el módulo de entradas del PLC es sinking.
1. Realiza el balance de fuerzas del cilindro de simple efecto a 6 bar y a 4.2 bar, y decide si la caída de presión explica el fallo intermitente. Propón dos acciones correctivas cuantificadas.
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Área del émbolo: A = π·d²/4 = π·(32)²/4 = 804 mm².
A 6 bar (0.6 N/mm²): F_teórica = 804 × 0.6 = 482 N. Descontando resorte (60 N) y fricción de sellos y guía (≈15 % de la teórica, ~72 N): F_útil ≈ 350 N frente a 250 N de carga (margen 1.4). Funciona.
A 4.2 bar (0.42 N/mm²): F_teórica = 804 × 0.42 = 338 N. Menos resorte (60 N) y fricción (~50 N): F_útil ≈ 228 N, menor que los 250 N de carga. El cilindro no llega al final de carrera, el sensor no confirma y el temporizador de 0.5 s deja pasar el ciclo (o lo aborta): explica que el fallo sea intermitente y coincida con la actuación simultánea de estaciones.
Acciones cuantificadas:
- Regulador de presión y tanque receptor por estación (o reserva de 5–10 L cerca del manifold) para que la presión no caiga por debajo de 5.5 bar: a 5.5 bar F_útil ≈ 310 N, margen suficiente.
- Cilindro de Ø40 mm (A = 1257 mm²): a 4.2 bar F_teórica = 528 N; menos resorte y fricción (~79 N) → F_útil ≈ 389 N, margen 1.55 aunque la red siga baja. Alternativa de bajo costo: reducir la simultaneidad de actuaciones mediante escalonamiento de la secuencia.
Descartado: subir la presión de red sin corregir el consumo; solo desplaza el problema y sobrecarga el compresor.
2. Sustituye el esquema de temporizadores fijos por una lógica de secuencia confiable. Describe la estructura (estados, confirmación, diagnóstico) y explica por qué los temporizadores fijos producen el comportamiento observado.
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Por qué falla el esquema actual: un temporizador fijo asume que la acción física tarda siempre lo mismo. Con presión variable, la carrera tarda más o menos; si el temporizador vence antes, la secuencia avanza sin que el cilindro haya llegado (condición de carrera) y el siguiente movimiento puede solapar. Además, 0.5 s fijos por paso explican buena parte de los 0.7 s de exceso de ciclo: el tiempo se pierde esperando, no trabajando.
Estructura recomendada (máquina de estados / GRAFCET):
- Estados uno por acción (extender giro, bajar, sujetar, soltar, subir, retornar), cada uno con una única salida activa.
- Transición = confirmación de sensores: el paso avanza solo cuando el sensor de la posición alcanzada está activo y, si aplica, la condición de proceso (pieza presente, presión OK).
- Supervisión con timeout: cada estado arma un temporizador de vigilancia (p. ej. 2 s, muy superior al tiempo normal). Si vence, no se avanza: se genera alarma con código de estado y se lleva la estación a posición segura.
- Antirrebote de sensores (20–50 ms) y verificación de coherencia (no pueden estar activos los dos finales de carrera del mismo cilindro).
- Memoria de válvula monoestable: con válvula 5/2 de una bobina, mantener la salida mientras el estado esté activo y no depender del pulso.
Efecto esperado: el ciclo se vuelve autosincronizado (tarda lo que tarda la mecánica, típicamente menos que los 0.5 s fijos) y cualquier fallo queda diagnosticado por estado, no como “fallo aleatorio”.
Sobre la doble actuación al encender: suele deberse a salidas que arrancan activas o a presión residual. Añadir rutina de inicialización (todas las salidas a 0, comprobar posiciones iniciales) y válvulas biestables o antirretorno con escape para evitar movimiento con el aire residual.
3. El módulo de entradas del PLC es sinking y los sensores son PNP. Explica la incompatibilidad eléctrica y su consecuencia práctica, y añade las medidas de seguridad neumática y de enclavamiento que exigirías antes de liberar la estación a producción.
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Incompatibilidad PNP / sinking: un sensor PNP (sourcing) entrega +24 V en su salida cuando detecta; el módulo sinking espera que la entrada se lleve a 0 V (recibe corriente desde un común positivo). Al conectar PNP a sinking, no se establece el camino de corriente correcto: la entrada puede no conmutar, quedar permanentemente activa o leer de forma errática según la corriente de fuga. Consecuencia práctica: confirmaciones falsas o ausentes, justo el síntoma de “no confirma el descenso” atribuido antes a la presión. La solución correcta es usar módulo sourcing (o configuración compatible), no invertir la lógica del programa; un relé de interfaz es aceptable pero añade 5–10 ms de retardo y un punto de falla.
Verificación obligatoria: medir tensión en la entrada con el sensor activo e inactivo (esperado ≈24 V / ≈0 V) y comprobar la corriente de fuga frente al umbral del módulo antes de dar por buena la instalación.
Seguridad antes de liberar:
- Análisis de riesgos de la estación (ISO 12100) y determinación del nivel de prestaciones requerido (ISO 13849-1) para el resguardo y la parada de emergencia.
- Enclavamiento del resguardo: la estación no debe iniciar con la puerta abierta y debe detenerse al abrirla; parada de categoría adecuada (p. ej. categoría 1: parada controlada con energía mantenida para sujetar la pieza).
- Gestión de energía neumática (LOTO): válvula de corte con escape y candado, purga antes de intervenir; advertir que un cilindro con carga de 250 N puede caer por gravedad al despresurizar.
- Prueba documentada de paro de emergencia, rearme manual y arranque tras corte de energía, con registro firmado; sin esta evidencia la estación no se libera.