El reto: cortar al vuelo sin parar la bobina y apilar a alta cadencia
Un fabricante español de componentes metálicos para la industria del electrodoméstico nos contactó para automatizar una línea de corte al vuelo (flying shear) y apilado servoaccionado. La planta procesa bobina laminada que entra de forma continua desde un grupo desbobinador-enderezador y debe cortarse en piezas de longitud variable a alta velocidad, sin reducir la velocidad de avance de la chapa, y depositarse después en pilas ordenadas para su posterior expedición.
El reto técnico era doble. Por un lado, el cortador debe sincronizarse cinemáticamente con la chapa durante toda la fase de corte: viajar a la misma velocidad lineal que el material, ejecutar el ciclo de corte, retornar a posición inicial y prepararse para el siguiente disparo, todo en pocas centésimas de segundo y sin desviaciones que generen rebabas o piezas fuera de tolerancia. Por otro lado, el sistema de apilado tenía que ejecutar trayectorias coordinadas con el ritmo de salida de las piezas y reorganizarse según la receta de producción seleccionada en la HMI.
El cliente venía de una instalación anterior con corte mecánico discontinuo: la línea tenía que parar la chapa para cada corte, lo que limitaba la producción y generaba un consumo energético elevado por los ciclos de arranque y parada del grupo motor de tracción. La especificación incluía mantener la chapa en movimiento continuo y conseguir tiempos de cambio de receta inferiores a dos minutos.
Por qué Motion Control y por qué Siemens S7-1500T
El corte al vuelo es uno de los escenarios canónicos en los que Motion Control no es opcional: la sincronización entre el eje de avance de la chapa (eje maestro virtual derivado de un encoder de medida) y el eje del cortador (eje esclavo) debe ejecutarse a nivel firmware del controlador, no a nivel de programa de aplicación. Cualquier latencia introducida por la ejecución cíclica del PLC degradaría la calidad del corte.
Para esta clase de aplicaciones, Siemens ofrece la CPU tecnológica S7-1500T, que extiende el PLC estándar S7-1500 con objetos tecnológicos avanzados: TO_SynchronousAxis, TO_Cam, TO_LeadingAxisProxy, perfiles de movimiento por leva electrónica (cam profile) y MC_CamIn/MC_GearIn. Estos bloques permiten implementar leva electrónica, engranaje electrónico y sincronización por sectores sin abandonar el entorno TIA Portal y sin recurrir a un controlador de movimiento dedicado externo. La elección de S7-1500T frente a una solución basada en SIMOTION quedó justificada por: integración nativa con el resto del PLC de máquina, programación unificada en TIA Portal, ciclo IRT determinista de 1 ms sobre Profinet y disponibilidad inmediata.
Para los actuadores se seleccionaron servoaccionamientos Siemens SINAMICS S210, una familia diseñada específicamente para Motion Control con Profinet IRT, autoidentificación de servomotor y puesta en marcha guiada desde la propia CPU. Los servomotores SIMOTICS S-1FK2 incorporan encoder absoluto multivuelta y conexión one cable a la unidad.
Arquitectura del sistema de control
El sistema se articula en torno a una CPU S7-1500T (CPU 1515T-2 PN) que actúa como controlador único de la línea: gestiona la lógica secuencial, la HMI, las comunicaciones con la planta y, sobre todo, los objetos tecnológicos de movimiento. Los dispositivos de campo se conectan por Profinet con dos clases de tráfico diferenciadas:
- Profinet IRT (Isochronous Real-Time) con ciclo de 1 ms para los cuatro SINAMICS S210, garantizando la sincronización determinista exigida por los objetos tecnológicos.
- Profinet RT para los periféricos descentralizados (ET 200SP) que gestionan E/S digitales, encoders auxiliares y el HMI Comfort Panel TP1500.
Cuatro ejes servoaccionados
La línea integra cuatro ejes Motion Control gestionados desde la CPU tecnológica:
- Eje 1 — Cortador (eje esclavo en leva electrónica): servomotor SINAMICS S210 sincronizado con el eje maestro virtual mediante TO_SynchronousAxis y un perfil de leva (cam profile) generado en TIA Portal. Durante la fase de corte, el eje sigue la velocidad lineal de la chapa con error de seguimiento inferior a 0,1 mm.
- Eje 2 — Avance de chapa (eje maestro virtual): derivado del encoder incremental de medida instalado sobre el rodillo loco posterior al enderezador. La señal se procesa como eje virtual maestro al que se enganchan en gearing el eje del cortador y el eje del medidor de longitud.
- Eje 3 — Manipulador de apilado eje X: servomotor S210 para el posicionamiento longitudinal del cabezal de apilado, gestionado mediante TO_PositioningAxis con perfiles de jerk limitado para minimizar oscilaciones mecánicas.
- Eje 4 — Manipulador de apilado eje Z: servomotor S210 con freno electromagnético para el desplazamiento vertical, coordinado con el eje X mediante interpolación punto a punto.
El bloque crítico: la leva electrónica del corte volante
El corazón del proyecto es el perfil de leva electrónica que sincroniza el cortador con la chapa. La leva se diseñó como una función desplazamiento(maestro) compuesta de tres tramos:
- Tramo de aproximación: aceleración del cortador desde su posición de espera hasta alcanzar la velocidad de la chapa, con perfil polinomial de quinto orden para mantener la aceleración continua y derivable.
- Tramo de corte sincronizado: velocidad lineal idéntica a la del eje maestro (gear ratio 1:1 efectivo) durante un sector angular configurable según la longitud de pieza, durante el cual el cabezal de corte ejecuta el ciclo neumático sobre la chapa en movimiento.
- Tramo de retorno: desaceleración, desenganche del maestro mediante MC_PhasingRelative, retorno a posición inicial y nuevo enganche listo para el siguiente disparo.
El perfil completo se almacena como objeto tecnológico TO_Cam y se ajusta en tiempo de ejecución en función de la longitud de pieza programada en la receta, sin necesidad de recompilar el programa del PLC. El operador puede variar la longitud entre 250 mm y 2.500 mm desde la HMI y el sistema recalcula automáticamente los parámetros de la leva.
Seguridad funcional integrada en el accionamiento
La seguridad de la máquina se resuelve con las funciones Safety Integrated embebidas en los SINAMICS S210: Safe Torque Off (STO), Safe Stop 1 (SS1) y Safe Operating Stop (SOS) certificadas SIL 2 / PL d. El paro de emergencia y los enclavamientos de resguardo activan SS1 sobre los cuatro ejes a través del bus Profisafe, evitando relés de seguridad externos en serie con la potencia y reduciendo el tiempo de parada total. La evaluación de riesgos se documentó según ISO 13849-1 y los lazos críticos se validaron mediante Safety Evaluation Tool de Siemens.
Programación en TIA Portal: estructura del proyecto
La aplicación se programó en TIA Portal V18 con una arquitectura modular por subsistema. Cada subsistema vive en su propio bloque de programa con interfaz clara de entradas, salidas y parámetros, lo que permite que el equipo de mantenimiento del cliente intervenga en una parte sin riesgo de impactar las otras. La estructura quedó organizada en:
- OB_MotionControl — bloque de organización de movimiento ejecutado cada 1 ms, sincronizado con el ciclo IRT del bus Profinet.
- FB_FlyingShear — bloque funcional del corte volante: gestión de leva, comandos MC_CamIn, supervisión de errores de seguimiento y diagnóstico.
- FB_StackerKinematics — cinemática del manipulador de apilado: cálculo de trayectorias punto a punto, gestión de receta de pilas, supervisión de colisiones por software.
- FB_RecipeManager — gestor de recetas: longitud de pieza, espesor, número de piezas por pila, parámetros dinámicos de la leva, tiempo de ciclo objetivo.
- FB_LineSequence — secuenciador de máquina: estado global, transiciones, condiciones de marcha y parada, gestión de alarmas según ISA-18.2.
El proyecto incluye un módulo de diagnóstico integrado en el HMI Comfort Panel que muestra en tiempo real el error de seguimiento de cada eje, la curva de leva activa, las posiciones absolutas y el estado de las funciones de seguridad. Esto permite al equipo de mantenimiento del cliente diagnosticar incidencias sin necesidad de abrir el TIA Portal.
Puesta en marcha y validación en planta
La puesta en marcha se ejecutó en tres fases con metodología documentada, después de un FAT previo en taller donde se simuló el eje maestro virtual con un generador de pulsos para validar el comportamiento de la leva sin material real.
- Sintonía individual de cada eje: autotuning desde TIA Portal de cada SINAMICS S210, ajuste de filtros y compensación de fricción. Validación con consignas escalón y rampa.
- Validación de la leva en vacío: ejecución del perfil de leva sin chapa y verificación del error de seguimiento del cortador con la traza del Trace integrado del S7-1500T. Iteración sobre los parámetros del polinomio de aproximación.
- Pruebas con material real: tres jornadas de producción supervisada arrancando con longitudes de pieza largas (menos exigentes) y bajando progresivamente hasta el caso límite (250 mm a velocidad máxima de chapa). Medición de la tolerancia dimensional de cada pieza con calibre digital y verificación de rebaba.
- SAT firmado: protocolo de pruebas de aceptación en planta con el responsable de producción del cliente, incluyendo medición de capacidad de proceso (Cpk) sobre 500 piezas consecutivas.
Resultados y entregables
- Aumento de cadencia significativo respecto a la línea anterior con corte discontinuo, gracias al funcionamiento continuo de la chapa y a la sincronización por leva electrónica.
- Tolerancia dimensional dentro de especificación en todo el rango de longitudes programables, con Cpk validado en el SAT y error de seguimiento del cortador por debajo de 0,1 mm en condiciones nominales.
- Tiempos de cambio de receta inferiores a dos minutos: el ajuste de la leva electrónica es paramétrico, sin necesidad de intervención mecánica ni de modificación del programa del PLC.
- Documentación completa entregada: esquemas Eplan, listado de objetos tecnológicos, manuales de operador y mantenimiento, backup del proyecto TIA Portal y documentación de las funciones de seguridad según ISO 13849-1.
- Línea mantenible internamente: el equipo del cliente puede ajustar parámetros de receta, leer diagnósticos detallados desde el HMI y sustituir cualquier servoaccionamiento aprovechando la autoidentificación del SIMOTICS S-1FK2.
- Soporte post-entrega: contrato anual con acceso remoto seguro y SLA de 24 h para incidencias, dentro de nuestra propuesta habitual de mantenimiento de sistemas de control.
¿Por qué este proyecto representa bien lo que hacemos?
Un proyecto de Motion Control no se gana con el catálogo de Siemens — se gana entendiendo la cinemática del proceso, eligiendo bien la arquitectura (CPU tecnológica frente a SIMOTION, leva electrónica frente a programación por aplicación) y siendo capaz de sintonizar los ejes en planta hasta que la pieza sale dentro de tolerancia. Esto requiere experiencia con los objetos tecnológicos de TIA Portal, soltura con Trace y con el ajuste de filtros del SINAMICS, y método para llevar el FAT, el SAT y la documentación de seguridad como entregables firmados.
Si tiene una línea con sincronización multieje, corte al vuelo, leva electrónica o cualquier escenario en el que el ciclo de PLC estándar se queda corto, cuéntenos los detalles. Analizamos la viabilidad técnica y el alcance del proyecto sin compromiso, dentro de nuestra propuesta habitual de programación PLC y soluciones de automatización industrial.