ES2532750B1 - Method and intelligent control system of a production tooling - Google Patents
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Abstract
Método y sistema de control inteligente de un utillaje de producción.#Se propone un método y un sistema basado en la utilización de un módulo inteligente (1) (computacional) instalado permanentemente en un utillaje de producción (2) con capacidad de adquisición y memorización de datos de producción y de evaluación experta de resultados en cada ciclo en una etapa de aprendizaje, que genera un modelo experto para evaluar cada ciclo productivo en la fase de fabricación autónoma y ordena las acciones de control necesarias a la maquinaria de producción que incorpora dicho utillaje para la optimización continua del proceso.Method and intelligent control system of a production tooling. # A method and a system based on the use of an intelligent module (1) (computational) permanently installed in a production tooling (2) with acquisition and storage capacity are proposed. of production data and expert evaluation of results in each cycle in a learning stage, which generates an expert model to evaluate each productive cycle in the autonomous manufacturing phase and orders the necessary control actions to the production machinery that incorporates said tooling for continuous process optimization.
Description
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descripciondescription
Metodo y sistema de control inteligente de un utillaje de production Campo de la tecnicaMethod and intelligent control system of a production tooling Technique field
La presente invention concierne a un metodo y un sistema basado en la utilization de un modulo inteligente (computacional) instalado permanentemente en un utillaje de production con capacidad de adquisicion y memorization de datos de produccion y de evaluation experta de resultados en cada ciclo en una etapa de aprendizaje que genera un modelo experto para evaluar cada ciclo productivo en una fase de fabrication autonoma y ordena las acciones de control necesarias a la maquinaria de produccion que incorpora dicho utillaje para la optimization continua del proceso.The present invention concerns a method and a system based on the use of an intelligent (computational) module permanently installed in a production tooling with the ability to acquire and memorize production data and expert evaluation of results in each cycle in one stage. of learning that generates an expert model to evaluate each productive cycle in an autonomous manufacturing phase and orders the necessary control actions to the production machinery that incorporates said tooling for the continuous optimization of the process.
El utillaje de produccion puede ser cualquiera que contenga la forma de la pieza a fabricar siendo el mas comun un molde de inyeccion de termoplasticos en particular para la produccion en serie de componentes plasticos de automocion. A tltulo no limitativo se pueden citar muchas otras aplicaciones tales como inyeccion de aleaciones ligeras (Aluminio, Zamak, etc.) o termoestables, inyeccion-soplado de termoplasticos, extrusion- soplado de termoplasticos, compresion de termoestables, moldeo de composites, maquinas de ciclo combinado y maquinas de termoconformado.The production tooling can be any one that contains the shape of the piece to be manufactured, the most common being a thermoplastic injection mold in particular for the mass production of automotive plastic components. Many other applications such as injection of light alloys (Aluminum, Zamak, etc.) or thermosetting, thermoplastic injection-blowing, thermoplastic extrusion-blowing, thermosetting compression, composting molding, cycle machines can be cited non-limitingly. combined and thermoforming machines.
Antecedentes de la invencionBackground of the invention
En la solicitud de patente WO-A1-0204186 se describe un molde de inyeccion de plasticos en el cual se han previsto unos medios para almacenar information respecto al propio molde, una maquina de moldeo por inyeccion en la que puede estar instalado el citado molde y uno o mas procesos de fabricacion o los materiales a procesar, de manera que cuando se produce un cambio en el proceso de produccion es posible guardar en dichos medios de almacenamiento las variables relevantes que fijan las condiciones de trabajo del molde y de la maquina para un ajuste de los parametros especlficos de produccion y tambien para identificar inequlvocamente el molde. Dichos medios para almacenar la informacion pueden incluir un microprocesador y se ha previsto una interfaz estandar para conexion con cualquier maquina de inyeccion.In patent application WO-A1-0204186 a plastics injection mold is described in which means are provided for storing information regarding the mold itself, an injection molding machine in which said mold can be installed and one or more manufacturing processes or the materials to be processed, so that when there is a change in the production process it is possible to save in said storage media the relevant variables that set the working conditions of the mold and the machine for a adjustment of specific production parameters and also to unequivocally identify the mold. Said means for storing the information may include a microprocessor and a standard interface is provided for connection with any injection machine.
La patente US-B2-7580771 revela una maquina de moldeo por inyeccion que comprende un dispositivo de memoria integrado en el molde y que puede ser leldo por un controlador de laUS-B2-7580771 discloses an injection molding machine comprising a memory device integrated in the mold and which can be read by a controller of the
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maquina asociado a una pluralidad de sensores, incluyendo dicha memoria datos para el seguimiento de la pieza a moldear en la maquina de moldeo comportando al menos la geometrla y los grosores de una serie de partes de dicha pieza a moldear.machine associated with a plurality of sensors, said memory including data for monitoring the part to be molded in the molding machine, at least the geometry and thicknesses of a series of parts of said part to be molded.
La solicitud de patente WO-A1-2011/050467 describe una base de datos para un molde de inyeccion que puede estar almacenada en una memoria flsicamente asociada con un molde de inyeccion o externa al mismo en la que se contienen information de una pluralidad de configuraciones de moldeo definidas por la asociacion de un molde con uno o mas componentes auxiliares y unos datos de programacion para dichos componentes auxiliares. Se describe un metodo para realizar unas operaciones de moldeo por inyeccion en donde se programa un ciclo de production de una pieza moldeada tomando la informacion de dicha base de datos.Patent application WO-A1-2011 / 050467 describes a database for an injection mold that can be stored in a memory physically associated with an injection mold or external to it in which information is contained in a plurality of configurations of molding defined by the association of a mold with one or more auxiliary components and programming data for said auxiliary components. A method is described for performing injection molding operations where a production cycle of a molded part is programmed taking the information from said database.
La presente invention supone una evolution de dichas propuestas anteriores planteando el uso de un sistema experto que genera un modelo experto del proceso incluido en un modulo inteligente unido a un utillaje de produccion, en particular un molde de inyeccion de termoplasticos, utilizandose dicho modelo experto para evaluar una pluralidad de variables del proceso en cada ciclo productivo en una fase de fabrication autonoma y para ordenar las acciones de control operando mediante unos actuadores controlados por dicho modulo inteligente unido al utillaje sobre un determinado parametro o simultaneamente sobre un conjunto de parametros del proceso incluidos en dicho modelo experto.The present invention involves an evolution of said previous proposals by proposing the use of an expert system that generates an expert model of the process included in an intelligent module linked to a production tooling, in particular a thermoplastic injection mold, said expert model being used for evaluate a plurality of process variables in each productive cycle in an autonomous manufacturing phase and to order the control actions operating by means of actuators controlled by said intelligent module together with the tooling on a certain parameter or simultaneously on a set of process parameters included in said expert model.
Exposition de la invencionExposition of the invention
El utillaje de produccion es el unico elemento constante en los procesos de fabricacion de componentes moldeados. Puede montarse en distintas maquinas, distintas fabricas, distintos palses; pueden ponerlo en marcha y hacerle mantenimiento diversos equipos humanos; pero en cualquier caso tiene que poder fabricar piezas con la productividad y calidad proyectadas.Production tooling is the only constant element in the manufacturing processes of molded components. It can be mounted on different machines, different factories, different countries; they can start it up and maintain various human teams; but in any case it must be able to manufacture parts with the projected productivity and quality.
Esta invencion propone un modulo inteligente instalado en el propio utillaje el cual asume el control de la fabricacion en comunicacion con los distintos equipos de produccion de una forma autonoma e independiente, registrando la historia del molde a lo largo de su vida util, asl como todas las incidencias y operaciones de mantenimiento realizadasThis invention proposes an intelligent module installed in the tooling itself which assumes control of the manufacturing in communication with the different production teams in an autonomous and independent way, recording the history of the mold throughout its useful life, as well as all the incidents and maintenance operations performed
Asl, el objetivo de la invencion, superando las propuestas anteriores explicadas es introducir inteligencia (computacional) en el propio utillaje es decir capacidad de toma de datos enThus, the objective of the invention, surpassing the previous proposals explained is to introduce intelligence (computational) in the tooling itself, that is, data collection capacity in
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tiempo real, capacidad de analisis para extraer conclusiones respecto a la evolucion de la fabrication y capacidad de actuation sobre las maquinas y perifericos que intervienen en el proceso para corregir las desviaciones detectadas.real time, ability to analyze to draw conclusions regarding the evolution of manufacturing and ability to act on the machines and peripherals involved in the process to correct the detected deviations.
Ademas de acuerdo con la propuesta de esta invention se ha previsto que el utillaje, por ejemplo un molde para inyeccion de termoplasticos, con dicho modulo inteligente contenga la documentation completa del ciclo de vida de la pieza fabricada desde su conception (estudios de ingenierla, ensayos de validation, planos mecanicos, relation de materiales, hojas de preparation de maquina, pautas de mantenimiento preventivo, etc.) en un mapa de memoria normalizado. Este mapa puede tener una imagen en la nube (en un repositorio accesible a traves de una red informatica tal como Internet), que constituye un entorno tecnico colaborativo, ademas de asegurar copias de seguridad en un acceso seguro.Also in accordance with the proposal of this invention, it is provided that the tooling, for example a mold for thermoplastic injection, with said intelligent module contains the complete documentation of the life cycle of the piece manufactured since its conception (engineering studies, tests of validation, mechanical drawings, relation of materials, sheets of preparation of machine, guidelines of preventive maintenance, etc.) in a map of normalized memory. This map may have an image in the cloud (in a repository accessible through an information network such as the Internet), which constitutes a collaborative technical environment, in addition to ensuring backups in secure access.
Ademas segun propone la invencion se configura un conjunto de variables de proceso (sensorizacion de maquinas y molde, evaluation de piezas, consumos, etc.) que se registra ciclo a ciclo en condiciones normales y forzadas en una etapa de aprendizaje. Se elige un metodo de calculo para generar un modelo experto de desviaciones y sus causas. En la production en serie se evaluan las lecturas de cada ciclo con este modelo experto. Finalmente, se selecciona un algoritmo de control que aplique las correcciones necesarias a un conjunto configurable de parametros de proceso accesibles, manteniendo unas condiciones optimas de fabricacion en cualquier circunstanciaIn addition, according to the invention, a set of process variables is configured (machine and mold sensorization, parts evaluation, consumptions, etc.) that are recorded cycle by cycle under normal and forced conditions in a learning stage. A calculation method is chosen to generate an expert model of deviations and their causes. In series production, the readings of each cycle are evaluated with this expert model. Finally, a control algorithm is selected that applies the necessary corrections to a configurable set of accessible process parameters, maintaining optimal manufacturing conditions in all circumstances.
La invencion propone un metodo de control inteligente de un utillaje de produccion, aplicable en procesos de transformation por moldeo, que comprende realizar segun tecnica convencional los siguientes pasos:The invention proposes a method of intelligent control of a production tooling, applicable in molding transformation processes, which comprises performing the following steps according to conventional technique:
• capturar unos valores de unas variables de produccion en tiempo real de una determinada pieza, en cada ciclo de produccion, mediante unos sensores integrados en dicho utillaje de produccion y/o en una maquina que incorpora dicho utillaje;• capture values of production variables in real time of a particular piece, in each production cycle, by means of sensors integrated in said production tooling and / or in a machine incorporating said tooling;
• almacenar dichos valores capturados;• store these captured values;
• analizar los valores capturados y compararlos con unos valores teoricos almacenados; y• analyze the captured values and compare them with stored theoretical values; Y
• controlar el proceso de transformacion por moldeo e intervenir sobre el mismo mediante unos actuadores en funcion de dicho analisis y de su resultado,• control the process of transformation by molding and intervene on it by means of actuators based on said analysis and its result,
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con la particularidad de que dicho analisis de los valores de las variables de production capturados se lleva a cabo segun la invention por un programa de sistema experto que se ejecuta en un modulo inteligente que comprende un microcontrolador y al menos una memoria, estando dicho modulo inteligente unido al utillaje, siendo dicho sistema experto multivariable y multiparametrico, configurable y aplicado a:with the particularity that said analysis of the values of the captured production variables is carried out according to the invention by an expert system program that is executed in an intelligent module comprising a microcontroller and at least one memory, said intelligent module being together with the tooling, said expert system being multivariable and multiparameter, configurable and applied to:
- la selection de las variables del proceso que se van a controlar en cada ciclo de produccion,- the selection of the process variables to be controlled in each production cycle,
- los parametros de proceso configurables ; y- configurable process parameters; Y
- el diagnostico de las causas de cualquier desviacion entre dichos valores capturados y dichos valores teoricos almacenados- the diagnosis of the causes of any deviation between said captured values and said stored theoretical values
El metodo propuesto comprende ademas:The proposed method also includes:
- generar a partir del resultado de dicho analisis un modelo experto consistente del proceso de transformacion por moldeo; y- generate from the result of said analysis an expert model consisting of the process of transformation by molding; Y
- utilizar dicho modelo experto para actuar sobre el proceso de transformation por moldeo, seleccionando un algoritmo de control aplicado a los parametros escogidos segun dicho diagnostico y operando mediante dichos actuadores controlados por dicho modulo inteligente unido al utillaje sobre un determinado parametro o simultaneamente sobre un conjunto de parametros del proceso incluidos en dicho modelo experto.- using said expert model to act on the process of transformation by molding, selecting a control algorithm applied to the parameters chosen according to said diagnosis and operating by means of said actuators controlled by said intelligent module together with the tooling on a certain parameter or simultaneously on a set of process parameters included in said expert model.
De acuerdo al metodo propuesto desde dicho modulo inteligente se proporciona un control de todos los actuadores con una posible seleccion de los parametros del proceso a escoger para actuar mediante los mismos.According to the method proposed by said intelligent module, a control of all the actuators is provided with a possible selection of the process parameters to be chosen to act through them.
La citada actuation simultanea sobre un conjunto de parametros operativos del proceso es funcion del conjunto o de una parte de los valores de las variables adquiridos en cada ciclo de produccion.The aforementioned simultaneous action on a set of operational parameters of the process is a function of the set or a part of the values of the variables acquired in each production cycle.
Segun la invencion la generation de un modelo experto por dicho programa de sistema experto comprende ademas un proceso de aprendizaje en el que se monitorizan un numero determinado de ciclos de maquina estadlsticamente significativo en produccion real, en condiciones de fabrication tanto normales como forzadas, que son evaluados por un equipoAccording to the invention, the generation of an expert model by said expert system program also includes a learning process in which a certain number of statistically significant machine cycles are monitored in real production, under both normal and forced manufacturing conditions, which are evaluated by a team
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humano de expertos para identificar las causas probables de las desviaciones halladas, introduciendo dichas causas en el modelo experto.human experts to identify the probable causes of the deviations found, introducing these causes into the expert model.
El metodo de esta invention comprende asimismo registrar en dicha memoria de dicho modulo inteligente los resultados de las fases de una etapa proyectiva de la pieza y las fases una etapa productiva.The method of this invention also includes recording in said memory of said intelligent module the results of the phases of a projective stage of the piece and the phases of a productive stage.
En un ejemplo de realization se ha previsto que el citado programa de sistema experto este instalado en un procesador externo al utillaje de production y el modelo experto calculado es transferido a dicho modulo inteligente unido al utillaje de produccion desde dicho procesador externo por una interfaz de dicho modulo inteligente y mediante un protocolo de comunicacion estandar.In an example of realization it is provided that said expert system program is installed in an external processor to the production tooling and the calculated expert model is transferred to said intelligent module linked to the production tooling from said external processor by an interface of said intelligent module and through a standard communication protocol.
Por otro lado el citado modelo de sistema experto se calcula en dicho modulo inteligente utilizando el referido microcontrolador, albergando dicho modulo inteligente en su memoria un conjunto de algoritmos seleccionables aptos para gobernar en tiempo real una pluralidad de actuadores disponibles en una maquina que incorpora el utillaje de produccion.On the other hand, the aforementioned expert system model is calculated in said intelligent module using said microcontroller, said intelligent module housing in its memory a set of selectable algorithms capable of governing in real time a plurality of actuators available in a machine that incorporates the tooling of production.
De esta manera en la fase de configuration se pueden identificar cinco selecciones:In this way, five selections can be identified in the configuration phase:
• MEDIDA: Selection de los datos del proceso (valores de las variables). Los citados valores de las variables de produccion se adquieren empleando un metodo de comunicacion universal (OPC-UA) y se pueden adquirir de cualquier fuente en particular de toda la maquinaria que interviene en una determinada fabrication y no unicamente de la maquina que incorpora el utillaje.• MEASURE: Selection of process data (variable values). The aforementioned values of the production variables are acquired using a universal communication method (OPC-UA) and can be acquired from any particular source of all the machinery involved in a given manufacturing and not only from the machine that incorporates the tooling .
• EVALUACION: Seleccion de los datos de la pieza a producir (con las condiciones de los datos del proceso que ya se han adquirido) que son evaluadas por un equipo de expertos y que pueden ser variables tales como peso, dimensiones, etc. y atributos tales como "pieza buena”, "mala”, adecuacion o no a un calibre, perception de cualidad incluyendo deformation, rebabas, etc. Esta seleccion de datos se entra manualmente bajo el criterio de expertos.• EVALUATION: Selection of the data of the piece to be produced (with the conditions of the process data that have already been acquired) that are evaluated by a team of experts and that can be variables such as weight, dimensions, etc. and attributes such as "good piece", "bad", adaptation or not to a caliber, perception of quality including deformation, burrs, etc. This selection of data is entered manually under the criteria of experts.
• DIAGNOSTICO: Seleccion del metodo estadlstico de calculo de los datos de proceso y datos de la pieza a producir para generar un modelo experto, permitiendo al usuario elegir entre diferentes metodos por ejemplo SPC/SQC, Bayesianos, algoritmos geneticos, etc.• DIAGNOSIS: Selection of the statistical method of calculation of the process data and data of the piece to produce to generate an expert model, allowing the user to choose between different methods such as SPC / SQC, Bayesian, genetic algorithms, etc.
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• ACTUADORES: Selection de que parametros del proceso se pueden escoger para actuar sobre los mismos tales como por ejemplo presiones hidraulicas de maquina, controladores de temperatura de camaras calientes, electrovalvulas de generation de perfiles de velocidades, caudales de refrigeration, etc. Un unico modulo inteligente controla todos los parametros de forma integrada.• ACTUATORS: Selection of which process parameters can be chosen to act on them, such as hydraulic machine pressures, hot chamber temperature controllers, speed profile generation solenoid valves, cooling flow rates, etc. A single intelligent module controls all parameters in an integrated way.
• CONTROL: Seleccion de como realizar las acciones de control a partir del diagnostico sobre los actuadores escogidos. Se puede realizar un control simplemente proporcional (P, como un termostato) o tener en cuenta la pendiente de la deriva (control proporcional y derivativo PD) o tener en cuenta la evolution historica leyendo el area de la variable respecto al tiempo (control proporcional, integrativo y derivativo PID) u otros. De esta manera los usuarios podran adquirir diferentes algoritmos de control.• CONTROL: Selection of how to perform the control actions based on the diagnosis of the selected actuators. You can perform a simply proportional control (P, like a thermostat) or take into account the slope of the drift (proportional and derivative control PD) or take into account the historical evolution by reading the area of the variable with respect to time (proportional control, integrative and derivative PID) or others. In this way users can acquire different control algorithms.
La invention propone tambien un sistema de control inteligente de un utillaje de production, especialmente para un proceso de transformacion por moldeo, para la puesta en practica del metodo explicado que comprende unos sensores integrados o asociados a dicho utillaje de produccion y/o en una maquina que recibe al utillaje para capturar unos valores de unas variables significativas de los ciclos de produccion y una memoria vinculada al utillaje de produccion en la que al menos se almacenan dichas variables capturadas, estando la citada memoria segun esta invencion integrada en un modulo inteligente formando un conjunto unido al utillaje de produccion teniendo dicho modulo inteligente un microcontrolador con capacidad para al menos calcular un modelo experto consistente del proceso de transformation por moldeo generado por un sistema experto a partir de los valores de dichas variables capturadas y una interfaz para comunicacion bidireccional ademas de medios de alimentation de energla.The invention also proposes an intelligent control system of a production tooling, especially for a molding transformation process, for the implementation of the explained method comprising sensors integrated or associated with said production tooling and / or in a machine which receives the tooling to capture values of some significant variables of the production cycles and a memory linked to the production tooling in which at least said captured variables are stored, said memory being according to this invention integrated in an intelligent module forming a set attached to the production tooling having said intelligent module having a microcontroller with the capacity to at least calculate an expert model consisting of the transformation process by molding generated by an expert system from the values of said captured variables and an interface for bidirectional communication in addition to power supply means.
Otras caracterlsticas de la invencion apareceran en la description detallada que sigue. Description de los dibujosOther features of the invention will appear in the detailed description that follows. Description of the drawings
Las anteriores y otras ventajas y caracterlsticas se comprenderan mas plenamente a partir de la siguiente descripcion detallada de unos ejemplos de realization con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a tltulo ilustrativo y no limitativo, en los que:The foregoing and other advantages and characteristics will be more fully understood from the following detailed description of some examples of realization with reference to the attached drawings, which should be taken by way of illustration and not limitation, in which:
la fig. 1 ilustra un esquema de un sistema de control inteligente segun la invencion en la que se muestra el conjunto de elementos del mismo;fig. 1 illustrates a scheme of an intelligent control system according to the invention in which the set of elements thereof is shown;
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la Fig. 2 ilustra asimismo esquematicamente una posible implementation de dicho sistema de control;Fig. 2 also schematically illustrates a possible implementation of said control system;
en la Fig. 3 se muestra un esquema de detalle del modulo inteligente propuesto y sus conexiones para alimentation electrica y transferencia bidireccional de datos; yA detailed schematic of the proposed smart module and its connections for electrical power and bidirectional data transfer is shown in Fig. 3; Y
la Fig. 4 muestra un esquema de detalle de una posible realization concreta del modulo inteligente propuesto y sus conexiones, mediante un conector en caliente (Plug & Play) con un concentrador que lo conecta al modulo experto, incluyendo tambien conexion a traves de internet con datos almacenados en la nube, de forma bidireccional.Fig. 4 shows a detailed scheme of a possible concrete realization of the proposed smart module and its connections, by means of a hot plug (Plug & Play) with a hub that connects it to the expert module, also including connection via internet with data stored in the cloud, bidirectionally.
Description detallada de unos ejemplos de realizationDetailed description of some realization examples
Con referencia a la Fig. 1 en la misma se aprecia un modulo inteligente 1, en adelante modulo 1, solidario del utillaje de production 2, teniendo dicho modulo 1 capacidad suficiente para registrar variables significativas de los ciclos de production y actuar sobre un proceso en el que interviene dicho utillaje instalado en una maquina 7, de acuerdo con un modelo experto 6 desarrollado especlficamente. Se detalla igualmente un bloque de adquisicion de datos 3 que puede ser externo o estar integrado en el mismo modulo 1 para transformar las variables de production captadas por unos sensores 4 asociados al utillaje 2, en datos en un formato conveniente para su tratamiento y almacenamiento. Dichos datos se conducen por medio de un concentrador (HUB) 5 a dicho modelo experto 6 generado por un sistema experto con suficiente capacidad para analizar las variables captadas en cada ciclo en tiempo real. En la figura se detalla asimismo un segundo bloque de adquisicion de datos 8 que recibe information de unos sensores 9 o dispositivo 10 asociados a dicha maquina 7 portadora del utillaje 2 siendo conducidos dichos datos a traves del concentrador 5 hacia dicho modelo experto. Se ha previsto que dicho concentrador pueda canalizar otros datos a traves de un tercer bloque de adquisicion de datos tal como el bloque 11, alimentado por una etapa de inspection 12 con intervention de expertos humanos 13 o instrumentos 14.With reference to Fig. 1 there is an intelligent module 1, hereinafter module 1, integral with the production tooling 2, said module 1 having sufficient capacity to record significant variables of the production cycles and act on a process in which which intervenes said tooling installed in a machine 7, according to an expert model 6 developed specifically. It also details a data acquisition block 3 that can be external or integrated in the same module 1 to transform the production variables captured by sensors 4 associated with the tooling 2, into data in a convenient format for processing and storage. Said data is conducted by means of a concentrator (HUB) 5 to said expert model 6 generated by an expert system with sufficient capacity to analyze the variables captured in each cycle in real time. The figure also details a second data acquisition block 8 that receives information from sensors 9 or device 10 associated with said tool-carrying machine 7, said data being conducted through the concentrator 5 towards said expert model. It is envisioned that said concentrator can channel other data through a third data acquisition block such as block 11, fed by an inspection stage 12 with the intervention of human experts 13 or instruments 14.
Estando el sistema experto configurado en modo aprendizaje, los datos del proceso de production facilitados por los sensores, junto con los datos y observaciones introducidas en el sistema por operarios expertos, permiten generar un modelo consistente del proceso que o bien estara integrado en el propio modulo 1 o bien se transferira a dicho modulo 1 en modo de production autonoma. Cuando el sistema experto esta configurado en modo deBeing the expert system configured in learning mode, the data of the production process provided by the sensors, together with the data and observations introduced in the system by expert operators, allow to generate a consistent model of the process that will either be integrated in the module itself 1 or else it will be transferred to said module 1 in autonomous production mode. When the expert system is set to mode
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production, el citado modelo consistente del proceso permite al sistema experto adaptarse a las desviaciones detectadas en los valores registrados mediante los sensores, para generar unas correcciones en los parametros de los actuadores controlados por dicho sistema experto, utilizando para ello diferentes metodos estadlsticos de calculo aplicados sobre dicho modelo consistente del proceso, siendo los metodos de calculo utilizados, por ejemplo uno de entre los siguientes: SPC/SQC, Bayesianos, algoritmos geneticos, etc.,production, the aforementioned consistent model of the process allows the expert system to adapt to the deviations detected in the values recorded by the sensors, to generate some corrections in the parameters of the actuators controlled by said expert system, using different statistical methods of calculation applied on said consistent model of the process, the calculation methods being used, for example one of the following: SPC / SQC, Bayesian, genetic algorithms, etc.,
En la Figura 2 se muestra a tltulo de ejemplo un esquema de implementation del sistema de control inteligente propuesto aplicado a un molde 2 de inyeccion de termoplasticos.An implementation scheme of the proposed intelligent control system applied to a thermoplastic injection mold 2 is shown in Figure 2 as an example.
El sistema consta basicamente del modulo 1 que forma parte del molde durante todo su ciclo de vida y que contiene todos los datos y la inteligencia del proceso.The system basically consists of module 1 that is part of the mold throughout its life cycle and that contains all the data and the intelligence of the process.
En cada maquina se instala un conector y un concentrador (HUB) 5, al que se conectan todos los elementos configurados (parte izquierda del concentrador 5 en la Fig. 2). Puede tratarse de datos de moldes sensorizados, por ejemplo temperaturas y presiones, datos de maquinas y otros equipos auxiliares, como separadores, marcadores y robots, datos de condiciones ambientales, de consumo energetico, etc. Algunas de estas conexiones son bidireccionales, por ejemplo dispositivos PLCs: con ellas se seleccionan los parametros de control a los que se puede acceder.In each machine a connector and a hub (HUB) 5 are installed, to which all the configured elements are connected (left part of the hub 5 in Fig. 2). It can be data of sensorized molds, for example temperatures and pressures, data of machines and other auxiliary equipment, such as separators, markers and robots, data of environmental conditions, energy consumption, etc. Some of these connections are bidirectional, for example PLC devices: with them you can select the control parameters that can be accessed.
Al mismo concentrador 5 se conectan el resto de dispositivos de fabrica o remotos que no intervienen de forma directa en el control pero si en la preparation del proceso, como resultados de calculos y simulaciones, datos de diseno y ensayos de aceptacion, programas para mantenimiento y desarrollo, una conexion a una aplicacion WEB, etc. (parte derecha del concentrador 5 en la figura 2). Una vez configurados, todos los dispositivos pueden conectarse en caliente (Plug & Play).The rest of the factory or remote devices that are not directly involved in the control are connected to the same hub 5 but in the preparation of the process, such as calculation and simulation results, design data and acceptance tests, maintenance programs and development, a connection to a web application, etc. (right part of hub 5 in figure 2). Once configured, all devices can be hot plugged (Plug & Play).
La implementation del sistema en fabrica se limita a anadir un conector al montaje de cada molde en maquina y ajustar la configuration de elementos sensores y actuadores a la indicada en la memoria. En los moldes nuevos, previamente hay que ejecutar unas fases de configuracion y aprendizajeThe implementation of the factory system is limited to adding a connector to the assembly of each mold in the machine and adjusting the configuration of sensor and actuator elements to that indicated in the memory. In the new molds, it is necessary to execute some configuration and learning phases
En la Fig. 3 se muestra esquematicamente una posible estructura del modulo 1 propuesto que puede construirse mediante dos placas PCB, albergando una primera un microcontrolador 20 que tiene asociada una memoria 21 y la segunda para una interfaz 22 que contiene una conexion para comunicaciones por ejemplo una conexion Ethernet, unaIn Fig. 3 a possible structure of the proposed module 1 is schematically shown, which can be constructed by means of two PCB boards, with a first one containing a microcontroller 20 having an associated memory 21 and the second for an interface 22 containing a connection for communications for example an Ethernet connection, a
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baterla de un reloj RTC y unos circuitos de entradas y salidas digitales directas (4 entradas y 4 salidas en este ejemplo). El modulo 1 necesita alimentacion externa que puede recibir de dos maneras, directamente o a traves de una conexion PoE (conexion a traves de una red de comunicacion informatica) en cuyo ultimo caso se precisa una tercera placa (potencia) que contiene un separador y un circuito de carga para una baterla opcional de litio.battery of an RTC clock and direct digital input and output circuits (4 inputs and 4 outputs in this example). Module 1 needs external power that can be received in two ways, directly or through a PoE connection (connection through a computer communication network) in which last case a third plate (power) is required that contains a separator and a circuit charging for an optional lithium battery.
Tanto la alimentacion como la conexion Ethernet se canalizan a traves de un conector externo, que se conecta con el resto de circuiterla situado en una caja externa o en el propio armario electrico de la maquina en la que se instala el utillaje.Both the power supply and the Ethernet connection are channeled through an external connector, which is connected to the rest of the circuit board located in an external box or in the electrical cabinet of the machine in which the tooling is installed.
Adicionalmente la placa de interfaz contiene ademas un elemento sensor de la temperatura local, y un acelerometro, ambos accesibles a traves del bus I2C.Additionally, the interface board also contains a local temperature sensor element, and an accelerometer, both accessible via the I2C bus.
La estructura logica del sistema de control inteligente es la siguiente:The logical structure of the intelligent control system is as follows:
1. El modulo 1 recibe y guarda en memoria toda la information posible de cada ciclo.1. Module 1 receives and stores in memory all the possible information of each cycle.
2. Para ello, debe de existir una rutina de configuration, desde la que indicar la procedencia de esta informacion.2. To do this, there must be a configuration routine, from which to indicate the origin of this information.
3. La informacion de cada ciclo tiene fundamentalmente dos procedencias:3. The information of each cycle has basically two origins:
a) La "CAUSA”, es decir, los actuadores del proceso (por ejemplo tiempos, temperaturas y presiones de maquina) y las circunstancias externas medibles (por ejemplo la humedad relativa).a) The "CAUSE", that is, the process actuators (for example, times, temperatures and machine pressures) and the measurable external circumstances (for example the relative humidity).
b) El "EFECTO”, es decir, los sensores (por ejemplo position de cojln y presion en cavidad) y la evaluation (por ejemplo aspecto, dimensiones y peso de la pieza).b) The "EFFECT", that is, the sensors (for example cushion position and cavity pressure) and the evaluation (for example, appearance, dimensions and weight of the piece).
4. De forma general, todas estas informaciones de ciclo se canalizan hacia el modulo 1 via Ethernet, conectadas a las distintas bocas de un "switch”, preferiblemente usando protocolo OPC-UA (se pueden aceptar otros, como Modbus, Kistler, etc.).4. In general, all this cycle information is channeled to module 1 via Ethernet, connected to the different mouths of a "switch", preferably using OPC-UA protocol (others can be accepted, such as Modbus, Kistler, etc. ).
5. La primera funcion del modulo 1 consiste en comparar ciclo a ciclo la informacion "EFECTO”, es decir, el MODELO REAL de la pieza fabricada, con la informacion procedente de las especificaciones y protocolos de validacion, es decir, el MODELO IDEAL.5. The first function of module 1 is to compare the "EFFECT" information cycle by cycle, that is, the REAL MODEL of the manufactured part, with the information coming from the specifications and validation protocols, that is, the IDEAL MODEL.
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6. Para ello, debe de existir una etapa de aprendizaje, en la cual expertos humanos incorporan la evaluation, determinando la desviacion entre ambos modelos y la(s) causa(s) mas probable(s), analizando la information "CAUSA” asociada al ciclo. El resultado final de esta etapa es la elaboration de un MODELO DE PRODUCCION, incorporado al propio modulo 1.6. For this, there must be a learning stage, in which human experts incorporate the evaluation, determining the deviation between both models and the most probable cause (s), analyzing the associated "CAUSE" information The final result of this stage is the elaboration of a PRODUCTION MODEL, incorporated into module 1 itself.
7. La funcion autonoma primaria del modulo 1 (es decir, en la que no hay informacion procedente de expertos humanos), consiste en evaluar la informacion disponible de cada ciclo ("CAUSA” + "EFECTO”) con respecto al modelo de production, a fin de diagnosticar la calidad de la pieza e inferir la(s) posible(s) causa(s) en caso de incumplimiento de los estandares de calidad esperados.7. The primary autonomous function of module 1 (that is, in which there is no information from human experts), is to evaluate the information available for each cycle ("CAUSE" + "EFFECT") with respect to the production model, in order to diagnose the quality of the piece and infer the possible cause (s) in case of breach of the expected quality standards.
8. Esta funcion, ademas de informativa, puede actuar de una forma basica sobre el sistema, controlando si el proceso puede seguir habiendo fabricando una pieza aceptable, si puede seguir habiendo fabricado una pieza no aceptable, que debe separarse, o si definitivamente no puede seguir sin intervencion humana (parada). Esta actuation permite marcar o separar las piezas defectuosas.8. This function, in addition to being informative, can act in a basic way on the system, controlling whether the process can continue to make an acceptable part, if it can continue to have manufactured an unacceptable part, which must be separated, or if it definitely cannot continue without human intervention (stop). This actuation allows marking or separating defective parts.
9. La segunda funcion autonoma del modulo 1, consiste en utilizar los datos diagnosticos de la funcion primaria para realimentar el proceso productivo, corrigiendo las desviaciones mediante actuaciones sobre las causas.9. The second autonomous function of module 1 is to use the diagnostic data of the primary function to feed back the production process, correcting the deviations through actions on the causes.
10. Para ello, debe de existir una librerla de algoritmos de control, seleccionable por el operario, para aplicar los criterios de calculo adecuados de modification de parametros de proceso y su introduccion en los distintos actuadores.10. For this, there must be a library of control algorithms, selectable by the operator, to apply the appropriate calculation criteria for modification of process parameters and their introduction in the different actuators.
11. Las dos funciones autonomas del modulo 1 trabajan de forma simultanea e independiente.11. The two autonomous functions of module 1 work simultaneously and independently.
12. El modulo 1 dispone de 4 salidas digitales directas destinadas a la actuacion diagnostica (marcado de pieza, separation de pieza, paro del proceso).12. Module 1 has 4 direct digital outputs for diagnostic performance (part marking, part separation, process stop).
13. En general, las actuaciones sobre parametros del proceso se canalizan hacia los distintos actuadores via Ethernet, conectadas a las distintas bocas de un switch, preferiblemente usando protocolo OPC-UA, aunque se pueden aceptar otros.13. In general, the actions on process parameters are channeled to the different actuators via Ethernet, connected to the different mouths of a switch, preferably using OPC-UA protocol, although others can be accepted.
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14. Otras bocas del switch permiten conectar el modulo 1 a otras actividades, via Ethernet, y de nuevo con preferencia usando el protocolo OPC-UA: MES, ERP, Calculo, Simulation, Control Remoto de maquinaria, Mantenimiento, etc.14. Other switch mouths allow module 1 to be connected to other activities, via Ethernet, and again preferably using the OPC-UA protocol: MES, ERP, Calculation, Simulation, Remote Machinery Control, Maintenance, etc.
Ejemplos:Examples:
Un primer ejemplo de la aplicacion de este sistema de control a un molde de inyeccion de termoplasticos, con una intervention minima en el proceso, puede ser la siguiente:A first example of the application of this control system to a thermoplastic injection mold, with minimal intervention in the process, can be the following:
1. Variables de proceso a capturar (leer) en cada ciclo (sensores):1. Process variables to capture (read) in each cycle (sensors):
a) Presion en el punto de inyecciona) Pressure at the injection point
b) Presion en el extremo mas alejado de la cavidadb) Pressure at the far end of the cavity
c) Temperatura a x mm del punto de inyeccion en el sentido de avance del flujoc) Temperature at x mm of the injection point in the direction of flow advance
2. Variables de evaluation a usar en la etapa de aprendizaje:2. Evaluation variables to use in the learning stage:
a) Pieza buenaa) Good piece
b) Pieza malab) Bad piece
3. Metodo de diagnostico: estandar SPC/SQC (control estadlstico de calidad/control estadlstico de proceso), con calculo de los llmites de control en los primeros 50 ciclos evaluados.3. Diagnostic method: SPC / SQC standard (statistical quality control / statistical process control), with calculation of the control limits in the first 50 cycles evaluated.
4. Parametros de proceso accesibles a utilizar como realimentacion del diagnostico (actuadores):4. Accessible process parameters to use as diagnostic feedback (actuators):
a) Senal digital de pieza buena (conectada al marcador de piezas)a) Good part digital signal (connected to the parts marker)
b) Senal digital de pieza defectuosa (conectada al separador de piezas)b) Digital signal of defective part (connected to the part separator)
c) Senal digital de ciclo fuera de control (paro de emergencia de la maquina)c) Digital signal cycle out of control (machine emergency stop)
5. Algoritmo de control a utilizar: estandar de clasificacion y trazabilidad (Go - continuar, Skip - separar, Stop - parada):5. Control algorithm to be used: classification and traceability standard (Go - continue, Skip - separate, Stop - stop):
a) Senal digital de pieza buena: incrementa el valor del marcador de piezas (Go)a) Good part digital signal: increases the value of the parts marker (Go)
b) Senal digital de pieza defectuosa (permite seguir pero descarta la pieza: Skip):b) Digital signal of defective part (allows to follow but discards the part: Skip):
1. No incrementa el valor del marcador de piezas1. Does not increase the value of the parts marker
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2. Acciona el separador para retirar la pieza mala2. Operate the separator to remove the bad part
c) Senal digital de ciclo fuera de control: para la maquina y alerta al operario (detiene la production para permitir solucionar los problemas detectados: Stop)c) Digital signal cycle out of control: for the machine and alert the operator (stops production to allow solving the problems detected: Stop)
La implementation consiste en instrumentar el molde con dos sensores de presion y de temperatura, y acondicionar las senales mediante una unidad estandar de la industria (por ejemplo Como, de Kistler), que se conecta via Ethernet al concentrador 5 del sistema de control inteligente.The implementation consists of instrumenting the mold with two pressure and temperature sensors, and conditioning the signals by means of an industry standard unit (for example, like, from Kistler), which is connected via Ethernet to hub 5 of the intelligent control system.
El algoritmo de clasificacion y trazabilidad esta pre-programado y solo hay que seleccionarlo: se menciona su funcion solo a modo de ejemplo.The classification and traceability algorithm is pre-programmed and you just have to select it: its function is mentioned by way of example only.
Un segundo ejemplo mas complejo opera sobre un molde de dos cavidades con camara caliente, y puede consistir en capturar la lectura de un sensor de presion en cada una de las cavidades, y equilibrar esta lectura mediante un algoritmo PID (metodo de control proporcional, integrativo, derivativo) que actua diferencialmente sobre cada ramal del controlador de temperatura de la camara caliente, para conseguir que las presiones leldas tengan el mismo patron y valor de pico en cada ciclo.A second more complex example operates on a two-chamber mold with a hot chamber, and can consist of capturing the reading of a pressure sensor in each of the cavities, and balancing this reading by means of a PID algorithm (proportional, integrative control method , derivative) that acts differentially on each branch of the temperature controller of the hot chamber, to ensure that the pressures reached have the same pattern and peak value in each cycle.
La complejidad del algoritmo es mayor, pero la practica en la fabrica tiene la misma sencillez: selection de las variables a leer; selection del metodo de diagnostico; selection de los parametros sobre los que actuar y seleccion del algoritmo de control.The complexity of the algorithm is greater, but the practice in the factory has the same simplicity: selection of the variables to read; selection of the diagnostic method; selection of the parameters to act on and selection of the control algorithm.
Aspectos de la metodologla de controlAspects of the control methodology
Tal como se ha indicado el metodo de control inteligente propuesto comprende registrar en la memoria 21 del modulo 1 los resultados de las fases de una etapa proyectiva de la pieza y de las fases de una etapa productivaAs indicated, the proposed intelligent control method includes recording in the memory 21 of module 1 the results of the phases of a projective stage of the piece and the phases of a productive stage
Considerando un punto de inflexion en la disponibilidad flsica del utillaje de produccion, pueden establecerse cuatro hitos en la fase proyectiva y otros cuatro en la productiva. Cada uno de estos nueve pasos, incluyendo la construction flsica del utillaje, es fruto de una actividad profesional de ingenierla y requiere una formalization documental normalizada tanto en su forma como en su uso.Considering a turning point in the physical availability of production tools, four milestones can be established in the projective phase and another four in the productive one. Each of these nine steps, including the physical construction of the tooling, is the result of a professional engineering activity and requires a standardized document formalization both in its form and in its use.
Los resultados de las fases de dicha etapa proyectiva que se registran en la memoria de dicho modulo inteligente comprenden:The results of the phases of said projective stage that are recorded in the memory of said intelligent module include:
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- pliego de especificaciones que detallan la definition conceptual de la pieza a producir;- specification sheet detailing the conceptual definition of the piece to be produced;
- esquema de fabrication obtenido mediante tecnicas DOE (diseno de experimentos);- manufacturing scheme obtained by DOE techniques (design of experiments);
- planos mecanicos definitivos de la pieza suministrados al laboratorio de ensayos,- definitive mechanical drawings of the part supplied to the test laboratory,
- conjunto de ensayos de validation sobre prototipos virtuales y reales fabricados.- set of validation tests on virtual and real prototypes manufactured.
Por otro lado os resultados de las fases de dicha etapa productiva que se registran en la memoria de dicho modulo inteligente, son:On the other hand, the results of the phases of said productive stage that are recorded in the memory of said intelligent module are:
- planos mecanicos, relation de materiales BOM (listado de materiales)con la description de todos los elementos integrantes y pautas de mantenimiento preventivo con los intervalos de revision y sus fichas tecnicas correspondientes;- mechanical drawings, relation of BOM materials (list of materials) with the description of all the integral elements and preventive maintenance guidelines with the revision intervals and their corresponding technical data sheets;
- hoja de preparation de maquina;- machine preparation sheet;
- configuration del sistema en cuanto a espacio de variables y el conexionado flsico de todos los sensores y actuadores que se determinen; y- configuration of the system in terms of variable space and physical connection of all the sensors and actuators that are determined; Y
- modelo experto que gobernara el control inteligente de la production en serie normal, de forma autonoma y que puede cambiar o evolucionar de acuerdo a dicho proceso de aprendizaje y conforme se disponga de mas ciclos evaluados.- expert model that will govern the intelligent control of normal series production, autonomously and that can change or evolve according to said learning process and as more evaluated cycles become available.
En realidad, en cada paso se formula un bucle de optimization que resulta en un contenido especlfico que se almacena en la memoria 21 del molde 1 para su consulta y explotacion dinamica.Actually, at each step an optimization loop is formulated that results in a specific content that is stored in the memory 21 of the mold 1 for consultation and dynamic exploitation.
El resultado configura un mapa de memoria que acompana al utillaje, por ejemplo un molde durante todo su recorrido y que va registrando todas las incidencias, ademas de pilotar las operaciones de control: es decir, actua simultaneamente de repositorio, de sistema experto adaptativo-predictivo, de centro de control, de cuaderno de bitacora y de caja negra.The result configures a memory map that accompanies the tooling, for example a mold throughout its journey and that records all the incidents, in addition to piloting the control operations: that is, it acts simultaneously as a repository, an adaptive-predictive expert system , control center, logbook and black box.
Tal como se ha citado anteriormente este mismo mapa puede tener una imagen en la nube (repositorio remoto accesible por una red informatica de comunicaciones tal como Internet), tal y como se muestra en la Fig. 4, para garantizar copias de seguridad, aportar la suficiente capacidad de memoria para evitar desbordamiento y permitir un acceso remoto seguro en determinadas circunstancias.As previously mentioned, this same map may have an image in the cloud (remote repository accessible by a computer communications network such as the Internet), as shown in Fig. 4, to ensure backup copies, provide the sufficient memory capacity to avoid overflow and allow secure remote access in certain circumstances.
Hay dos aspectos importantes a destacar en relacion con la conectividad del modulo inteligente asociado al molde. Basada en el acceso seguro y autenticado a una pagina web especializada, permite:There are two important aspects to highlight in relation to the connectivity of the intelligent module associated with the mold. Based on secure and authenticated access to a specialized website, it allows:
- La disponibilidad de datos tecnicos relevantes de caracter general, bajo los- The availability of relevant technical data of a general nature, under the
5 privilegios concretos de cada miembro: metodologla, plantillas, algoritmos, servicios,5 specific privileges of each member: methodology, templates, algorithms, services,
programas de mantenimiento preventivo, etc.preventive maintenance programs, etc.
- Un entorno colaborativo en cada area privada para la coordination de equipos multidisciplinares. Segun los permisos de cada participante, puede accederse remotamente a los equipos de production.- A collaborative environment in each private area for the coordination of multidisciplinary teams. Depending on the permissions of each participant, production equipment can be accessed remotely.
10 Tanto si se habilita una conexion a Internet como si se restringe el acceso a una red de area local, el sistema de control dispone del citado concentrador 5 a traves del cual se pueden conectar otros equipos. Ademas de las necesidades de captura de datos a efectos de control, la conectividad incluye sistemas de monitorizacion (MES), de gestion de la produccion (ERP), copias de respaldo, programas de mantenimiento y desarrollo 15 especlficos del sistema, etc.10 Whether an Internet connection is enabled or access to a local area network is restricted, the control system has the aforementioned hub 5 through which other equipment can be connected. In addition to data capture needs for control purposes, connectivity includes monitoring (MES), production management (ERP) systems, backup copies, system-specific maintenance and development programs, etc.
Idealmente, anadir una conexion a Internet posibilita la intervention concurrente y remota de otros miembros autorizados.Ideally, adding an Internet connection enables concurrent and remote intervention of other authorized members.
Esta caracterlstica puede resultar especialmente relevante en el sector de automocion, debido a la dispersion geografica de las fabricas que provoca el transito de moldes entre 20 distintas regiones, y tambien a la distribution de responsabilidades de desarrollo entre los diferentes niveles de proveedores, que requiere un trabajo coordinado entre distintos equipos profesionales en un entorno comun.This characteristic may be especially relevant in the automotive sector, due to the geographical dispersion of the factories caused by the transit of molds between 20 different regions, and also to the distribution of development responsibilities among the different levels of suppliers, which requires a coordinated work between different professional teams in a common environment.
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