Plantas de proceso: concepto y diagramas
Una planta de proceso es un tipo de fábrica que transforma materiales en masa.
Los diagramas de flujo de proceso (principales flujos del proceso) no contienen detalles. Los diagramas de procesos e instrumentación muestran las unidades de proceso y la instrumentación asociada.
CASO 1: Plantas de proceso y pintura
Componentes principales
- Disolvente: ajusta la viscosidad; debe solubilizar la resina hasta obtener la viscosidad deseada (ej.: acetato).
- Pigmentos (color y brillo, sólido): óxido de hierro (rojos), cromo (amarillo, verde), cobalto (azules), negro de carbono (negro).
- Resina: aglutinante (binder).
El proceso
El proceso consta de dos partes principales:
- Fabricación de las resinas: en primer lugar, la dosificación (dosaje) de materia prima, reacción y la disolución para proporcionar las características finales.
- Fabricación de la pintura: premezcla (pre-mix), mezcla de pigmentos, resinas y disolventes, dispersión, mezcla (mix: resins and solvents) y filtrado.
Máquinas automatizadas
Máquinas de dispersión (milling) y mezcladoras (mixing machines).
Sistemas de seguridad
Trabajo en atmósfera explosiva; los equipos deben tener certificado de seguridad (certificado EX / ATEX cuando proceda).
Controladores y comunicaciones
Sensores de temperatura, sensores de presión, células de carga (load cells) y válvulas controladas por solenoide (solenoid-controlled valves).
Control de calidad
Métodos y ensayos para comprobar propiedades finales: viscosidad, adherencia, dureza, brillo y estabilidad.
Almacenamiento y transporte
Envasado (packaging), proceso de dosificación, almacenamiento (storage) y distribución.
CASO 2: Sector alimentación
Son necesarias medidas higiénicas estrictas. A continuación se describen dos procesos representativos.
Proceso lácteos (dairy)
Materia prima (MP): la leche. Operaciones típicas: desnatado (skimmed), pasteurización y homogenización.
Proceso leche: MP: se ordeña una vaca lechera; la leche se almacena, transporta y descarga en tanques. Procesos: recepción, higienización, desnatado, pasteurización/ultrapasteurización (UHT), homogenización, envasado y codificación, empaquetado y almacenamiento.
Tratamientos térmicos
- Pasteurización: eliminación de agentes patógenos mediante calentamiento controlado.
- Homogenización: romper los glóbulos de grasa y reducir su tamaño (break fat globules and reduce their size).
- UHT: tratamiento para eliminar esporas en la leche (kill spores in milk).
Máquinas automatizadas
Líneas de envasado en botellas, llenado, taponado y etiquetado automáticos.
Seguridad e higiene
Controles microbiológicos, limpieza en sitio (CIP), gestión de alérgenos y buenas prácticas de fabricación.
Proceso galletas
Proceso galletas: MP: harina (flour), azúcar, huevos y otros (levadura/yeast, colorantes/dyes, aromas/flavours). Proceso: formado (molding), extrusión, laminado y corte por troqueles (rolling and dies cut), horneado (directo, indirecto, ciclotérmico, eléctrico), decoración, enfriado (cooling) y envasado (packaging).
Máquinas automatizadas
Amasadoras (kneaders), hornos industriales y decoradoras automáticas.
Sistemas de seguridad
Higiene y control de contaminación: riesgos de contaminación química y biológica de materias primas y del producto final debido a la naturaleza de las máquinas.
CASO 3: Fabricación de automóviles
Es una de las industrias más desarrolladas. Los retos son las emisiones de gases de efecto invernadero, la relación peso/carga, la siniestralidad (accidentes laborales) y las pérdidas económicas. Metodologías como TPS (Toyota Production System) son referencia.
Proceso
Se basa en el diseño, la simulación y la programación: chapa, pintura, motor, lunas, asientos e interior, neumáticos y sus componentes.
El montaje (assembly) de los componentes se realiza mayoritariamente de manera manual complementada con herramientas y automatización que facilitan el trabajo.
Control de calidad
Statistical Process Control (SPC) para conseguir una producción libre de defectos. Vehicle Identification Number (VIN): seguimiento (monitoring) y trazabilidad (contact tracing / trazabilidad) del producto.
Pirámide de la automatización y robótica
En la pirámide de la automatización, de abajo arriba, los niveles son:
- Nivel dispositivo: sensores, actuadores.
- Nivel de campo: PCs de control, PLCs, robots.
- Nivel de área y célula: PCs, PLCs.
- Nivel de sistema: estaciones de trabajo, PCs.
- Nivel corporativo: estaciones de trabajo, PCs para planificación y ERP.
Tipos de robot industrial
Robot tipo pórtico, cilíndrico, esférico, articulado, SCARA y paralelo. Actuadores: hidráulicos, eléctricos y neumáticos.
Sistemas de fabricación flexible (FMS)
Consisten en un grupo integrado de máquinas controladas por computadoras. Son elementos muy flexibles y versátiles y tienen una respuesta rápida a variaciones de producto y de demanda del mercado.
CASO 4: Fabricación de acero inoxidable
Familias principales del acero inoxidable: austenítico, ferrítico, martensítico y dúplex.
Aplicaciones
Se utilizan en construcción con fines estructurales y decorativos, sistemas de escape, en el hogar, y en el ámbito de la salud (implantes, material quirúrgico).
Fabricación
- Acería: se funden las materias primas y se obtienen slabs de acero inoxidable; transformación de chatarra a plancha de acero. Zona acería IV, horno eléctrico a 3.800 ºC. V, convertidor AOD. VI, reducción de carbono y eliminación de elementos perjudiciales. VIII, colada (casting) continua de slabs (liquid stainless steel is solidified).
- Laminado en caliente: se obtiene la lámina en caliente y una chapa (sheet) gruesa. Acerinox: carga de desbastes al bobinado; precalentamiento; primera reducción; tren de acabado; bobinado (set of bobbins).
- Laminado en frío: de la bobina (coil) negra al producto final. Rolling mill Sendzimir, annealing and pickling (recocido y decapado: obtiene propiedades mecánicas y estructura metalúrgica finales). Bright annealing lines. Skin pass, corte, tension leveller.
Gestión de la producción y métodos
Módulo SAP
Sus potenciales y utilidades incluyen la adquisición de materiales y el proceso de adquisición, aspectos relacionados con la contabilidad y la organización de stocks.
Método JIT (Just in Time)
Reducir costes por desperdicio de materiales, de máquinas, de capital, de mano de obra e inventario en todo el sistema de manufactura y por almacenamientos innecesarios.
Método Kanban
Es un sistema de tarjetas asociadas a productos que actúan como indicador del proceso de producción. Reglas: visualizar el trabajo y las fases, determinar el límite de trabajo (WIP), medir el tiempo (lead time). Operaciones: identificación: los códigos de barras deben tener prefijos EAN cuando proceda.
Etiquetas RFID
Elementos básicos con información en memoria y alimentación propia o pasiva para identificación y trazabilidad.
Software de planificación
Distintas aplicaciones para planificar y controlar el flujo de materiales como MRP y MRP II.
Trazabilidad (traceability)
Capacidad para reconstruir el historial, la utilización o la localización de un artículo o producto mediante una identificación registrada. Tipos: hacia atrás, interna y hacia delante.
Integración informática y comunicaciones industriales
Integración de computadores
Integrar computadores en empresas: aspectos físicos, lógicos y filosóficos.
Definición CIM
CIM: integración de toda la empresa de fabricación mediante el uso de sistemas informáticos y de comunicación de datos, combinados con nuevas filosofías de dirección. La pirámide CIM, de abajo arriba: proceso, estación, taller/célula, centro/fábrica, empresa.
Comunicaciones industriales
Los buses de campo están destinados a comunicar equipos de automatización, controladores, sensores y actuadores.
Pirámide de la automatización
Niveles: campo, célula, control de procesos, gestión de planta, dirección corporativa. Hay soluciones adaptadas a cada nivel, por ejemplo: CANopen, AS-Interface (AS-i), y redes basadas en Ethernet.
Aplicaciones informáticas industriales
Sistemas ERP (conjunto integrado de finanzas, distribución y fabricación con interfaces), MES (sistemas informáticos en línea que proporcionan herramientas para gestionar la administración de producción).
Sistemas SCADA
Las instalaciones modernas cuentan con complejos dispositivos de supervisión (SCADA) que realizan labores de control. Funciones: recabar, almacenar y mostrar información de forma continua y fiable; ejecutar acciones de control; alertar al operador y generar históricos e informes. Requerimientos: comunicación con equipos de campo, trabajo en tiempo real, gestión de alarmas, generación de históricos e informes, posibilidad de modificar el control del PLC e intercambio de información con distintos departamentos.
Módulos: comunicación, configuración, interfaz gráfica, proceso, gestión y archivo de datos. Elementos: PLC, PC, red. Arquitectura hardware: capa cliente y capa servidor de datos (en sistemas sencillos se pueden unir). Arquitectura software: servidor SCADA, cliente SCADA y comunicación.
Procesos de conformado y mecanizado
Conformado sinterizado
Proceso que parte de un polvo metálico o cerámico que, por aplicación de presión y calentamiento a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, incrementa la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas. Se usa para fabricar formas cerámicas y piezas metálicas de geometría compleja.
Conformado por inyección
Dar forma a un material termoplástico mediante inyección y calor. Permite realizar pequeñas y grandes producciones con bajo coste de material por pieza.
Extrusión
Proceso de fabricación basado en conferir forma a un material de partida mediante su empuje o extracción. Permite crear secciones muy complejas y objetos con sección transversal definida y constante. Parámetros: presión de trabajo, temperatura del material y velocidad de desplazamiento.
Plegado
Conformado sin separación de material por deformación plástica. Se utiliza para doblar elementos laminares, normalmente metálicos. Parámetros: aplicación de carga y espesor del material.
Troquelado
Mediante herramientas especiales aptas para el corte se separa una parte metálica de otra obteniendo una figura determinada. Se crean objetos laminares de geometría compleja. Parámetros: presión de trabajo y espesor del material.
Oxicorte y corte por chorro
Oxicorte: corte de chapas generando piezas planas de gran espesor. Parámetros: temperatura de trabajo y gas combustible.
Corte por chorro (waterjet / abrasive jet): mecanizado por corte con chorro de alta presión; puede incorporar abrasivo. Parámetros: presión de trabajo y uso o no de abrasivo.
Torneado
Proceso de arranque de viruta mediante una herramienta que avanza longitudinalmente mientras la pieza gira para generar piezas de revolución. Parámetros: velocidad de corte, profundidad de pasada y avance.
Fresado
Proceso de mecanizado basado en el corte del material con una herramienta rotativa de varios filos. Sirve para crear superficies y geometrías ortogonales. Parámetros: velocidad de corte, profundidad de pasada y avance.
Desbarbado
Eliminación de rebabas y virutas no desprendidas en aristas afiladas procedentes de operaciones previas de mecanizado para perfeccionar el acabado.
Acabados y unión
Rectificado
Mecanizados de precisión en dimensiones y acabado superficial mediante discos abrasivos robustos (muelas). Sirve para perfeccionar superficies interiores o exteriores.
Rulinado
Obtención de mecanizados de precisión tanto en acabado superficial como en eliminación de tensiones residuales mediante aplicación de presión puntual con una bola de contacto. Sirve para perfeccionar superficies de piezas endurecidas reduciendo tensiones superficiales.
Lapeado
Acabado de superficies frotando dos superficies con un abrasivo de grano muy fino entre ambas para mejorar el acabado y disminuir la rugosidad superficial; elimina microfisuras.
Pulido
Mejora del aspecto visual, tacto y funcionalidad mediante lijado y esmerilado para eliminar asperezas e imperfecciones.
Shot peening
Bombardeo de la superficie con pequeñas bolas a temperatura ambiente para introducir tensiones residuales de compresión y evitar la aparición de tensiones residuales de tracción.
Termosellado
Soldadura de un termoplástico a otro (o a material compatible) usando calor y presión. Sirve para unir materiales en envases y embalajes.
Ensamblado
Unión y enlace de varios componentes siguiendo una secuencia lógica para obtener un conjunto compuesto; puede ser atornillado o por interferencia.
Remachado
Proceso de unión que consiste en colocar las dos piezas a unir con los agujeros alineados y conformar el remache para fijarlas; muy usado en componentes laminares.
Inducción
Proceso de templado por exposición de la pieza de acero a un campo magnético alterno que calienta superficialmente; sirve para endurecer la superficie y generar distintos perfiles de temple a lo largo de la pieza.
Nitruración
Tratamiento termoquímico que modifica la composición del acero añadiendo nitrógeno mientras se calienta; se aplica a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento y carga, proporcionando una superficie dura y un núcleo con cierta plasticidad.
Fosfatado
Pasivación de superficie metálica para prevenir corrosión, mejorar lubricación en procesos de conformado o embutición, o como base para recubrimientos o pintados posteriores. Consiste en inmersión en solución química durante un tiempo controlado.
Pintado y embalado
Conferir propiedades de protección superficial frente a agentes ambientales y mejorar aspectos estéticos para el usuario.
Impacto medioambiental
El impacto medioambiental es la alteración de las condiciones ambientales; puede ser global, regional o local y de corto o largo plazo.
Los índices de evaluación incluyen: impacto sobre recursos, polución y calentamiento global.
Recursos intangibles y empresa extendida
Recursos intangibles no financieros
Habilidades para estructurar y organizar la actividad productiva, expandir el mercado y consolidar la marca.
Ayudas técnicas y redes
Redes y organizaciones virtuales: infraestructura de información para intercambio de datos, gestión de accesos y de la seguridad.
Conocimiento de referencia para el diseño
Representación de productos, simuladores de rendimiento y representación de procesos.
Extended enterprise y artefactos extendidos
Alianza de partners que comparten una infraestructura común de capacidades, know-how, servicios y recursos para operaciones conjuntas de diseño, fabricación y marketing.
Funciones de los certificados
Comunicar con distintos partners y supervisar el ciclo de vida mediante la adquisición de información y datos sobre condiciones de seguridad.
Organización y proveedores
En cuanto a la organización, se incluyen los proveedores y la cadena de suministro asociada.
Crecimiento económico y sostenible
El crecimiento económico actual se basa en el reemplazo de bienes tangibles. El crecimiento sostenible orientado a la tecnología es cuestionable mientras no exista conciencia ecológica y una regulación única con estándares reconocidos para medir el impacto medioambiental.
Procesos de recuperación y logística inversa
Para mejorar la cadena de valor forward (cadena hacia delante): hacer que los intangibles sean más eficientes y ecológicos. Para mejorar la cadena de valor backward (cadena hacia atrás): utilización efectiva del capital material ya utilizado. La logística de retorno (reverse logistics) sirve para conservar recursos y proteger el medioambiente.