capítulo 1 introducción a las máquinas de empacado industrial
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
AUTOMATIZACIÓN DE UNA MÁQUINA EMPACADORA DE CARAMELO EN POLVO
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL
BONILLA SALAZAR JULIO ROBERTO jbonilla_5j@yahoo.com
DIRECTOR: ING. GERMÁN CASTRO MACANCELA gammaservicios@andinanet.net
Quito, Octubre 2009
ii
DECLARACIÓN Yo Julio Roberto Bonilla Salazar declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente. ______________________ Julio Roberto Bonilla Salazar
iii
CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Julio Roberto Bonilla Salazar, bajo mi supervisión.
________________________
Ing. Germán Castro Macancela
iv
AGRADECIMIENTO A Dios
v
DEDICATORIA
A mi Esposa
vi
CONTENIDO
RESUMEN…………………………………………………………………..……………..xxi
PRESENTACIÓN……… ……………………………………….…………..……….......xxii
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DE EMPACADO INDUSTRIAL
1.1. GENERALIDADES DEL EMPACADO……………………….…………………… 1
1.1.1. INTRODUCCIÓN………………..………………………………………………… 1
1.1.2. PAPEL DE EMPAQUE……………………………………………………………. 2
1.1.3. TÉCNICAS DE SELLADO DEL PAPEL……………………………................... 4
1.1.3.1. Sellado por Ultrasonido.……………………………………………........... 4
1.1.3.2. Sellado por Calor……………………………………………..………….... 5
1.1.4. APLICACIONES DEL PAPEL DE EMPAQUE………………………………….. 5
1.1.4.1. Snaks………………………………………………………………………... 5
1.1.4.2. Galletas……………………………………………………………………… 6
1.1.4.3. Caramelos y Golosinas……………………………………………………. 6
1.2. MÉTODOS DE EMPACADO Y DOSIFICACIÓN...……………………………….. 7
1.2.1. EMPACADO VERTICAL………..…………………………………………………. 7
1.2.2. EMPACADO HORIZONTAL………………..…………………………………….. 8
1.2.3. DOSIFICACIÓN VOLUMÉTRICA…………………….………………………….. 9
vii
1.2.3.1. Empacado de Productos en Polvo……………………………………….. 9
1.2.4. DOSIFICACIÓN POR PESO……………………………………………………… 10
1.3. PREPARACION DEL CARAMELO EN POLVO…………………………..…....... 11
1.3.1. SELECCIÓN Y PREPARACIÓN DE LA MATERIA PRIMA………...…….….. 12
1.3.1.1. Molido del Azúcar………………………………………………………….. 12
1.3.1.2. Preparación de Jarabe…………………………………………………….. 12
1.3.1.3. Coloreado de Azúcar Cristal……………………………………………… 13
1.3.2. MEZCLA DE INGREDIENTES…………………………………………………… 14
1.3.3. EMPACADO……………………………………………………………………….. 14
1.3.4. ETIQUETADO Y DESPACHO………………………………………………….... 14
1.4. CONTROL PID……………………………………………………………………... 15
CAPÍTULO 2
DESCRIPCIÓN DE LA EMPACADORA DE CARAMELO EN POLVO
2.1. SISTEMA DE EMPACADO ...…………………………………………………….. 18
2.2. DOSIFICADO ………...…………………………………………………....………. 18
2.2.1. ELEMENTOS PARA LA DOSIFICACIÓN………………………………………. 19
2.2.1.1. Tolva de Dosificación………………………………………………………….. 20
2.2.1.2. Tornillo.......………………………….……….…………………………………. 20
2.2.1.3. Motor Dosificador…………..…………………………………………………... 21
viii
2.2.1.4. Variador de velocidad………………………………………………………….. 21
2.3. MEZCLADO………………………………..……………………………………….. 23
2.3.1. MEZCLADOR………….…………………………………………………………… 24
2.3.2. MOTO-REDUCTOR MEZCLADOR………………………………………….…... 24
2.4. FORMADO DE LA FUNDA DE EMPAQUE…………………………………….. 25
2.4.1. BOBINA…….…………………………………………………………………..…… 26
2.4.2. GUÍAS DEL PAPEL……………………………………………………………….. 26
2.4.3. CUELLO FORMADOR DE LA FUNDA……..………………………..........……. 27
2.5. SELLADO VERTICAL……………………………………………………………... 27
2.5.1. MORDAZA……..…………………………………………………………………... 29
2.5.2. NIQUELINA………………..……………………………………………………….. 29
2.5.3. TERMOCUPLA……….………………………………………………….………… 30
2.5.4. CONTROLADORES DE TEMPERATURA……………………………………… 31
2.5.5. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO……………………………………………………… 31
2.5.6. ELECTROVÁLVULA………………………………………………………………. 32
2.5.7. CILINDRO NEUMÁTICO…………………..……………………………………… 33
2.6. ARRASTRE DEL PAPEL DE EMPAQUE……………………………………….. 34
2.6.1. BANDAS DE ARRASTRE………………………………………………………… 35
2.6.2. MOTOR DE ARRASTRE…………………………….…………………………… 36
2.6.3. VARIADOR DE VELOCIDAD…………………………………………………….. 36
ix
2.6.4. LECTOR DE MARCA………..………………………………………………….… 37
2.6.5. SISTEMA DE PIÑONES……………………………………………………….….. 38
2.7. SELLADO HORIZONTAL Y PRE-CORTE……………………………………… 39
2.7.1. MORDAZAS…………………..……………………………………………………. 40
2.7.2. NIQUELINAS………………………..……………………………………………… 41
2.7.3. CILINDRO NEUMÁTICO……………………….…………………………………. 41
2.7.4. SENSOR INDUCTIVO……………….……………………………………………. 42
2.8. PANEL DE CONTROL…………………………………………………………….. 43
CAPÍTULO 3
DISEÑO DEL SISTEMA AUTOMÁTICO DE EMPACADO DE
CARAMELO EN POLVO
3.1. SISTEMA DE CONTROL DE LA EMPACADORA DE POLVO……………….. 45
3.2. OPERACIÓN DEL SISTEMA DE EMPACADO….…………………………...... 45
3.2.1. INICIALIZACIÓN DEL SISTEMA.……………………………………….……….. 46
3.2.1.1. Encendido del Compresor…………………………………..……...…………. 46
3.2.1.2. Alimentación de la Máquina Empacadora………………..…………………. 47
3.2.1.3. Calentamiento de las Mordazas…………………………….………………… 47
3.2.1.4. Colocación del Papel de Empaque…………………………………………… 47
3.2.2. PROCESO DE EMPACADO……………………………………………………… 48
3.2.2.1. Parametrización y Sellado Horizontal………………………………………… 50
3.2.2.2. Sellado Vertical y Dosificación……………………………………………...… 53
x
3.2.2.3. Arrastre……………………………………………………………………….…. 55
3.2.2.4. Apagado………………………………………………….………………….….. 57
3.2.2.5. Comunicación………………………………………………..……………….… 57
3.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL…………………………………….….. 58
3.3.1. MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL…………………………………………… 58
3.3.2. DISEÑO DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL……………………….… 59
3.3.2.1. Fuente de Alimentación……………………………………………………….. 59
3.3.2.2. Microcontrolador…….…………………………………………………………. 60
3.3.2.3. Detector de Cruce por cero…………………………………………………… 62
3.3.2.4. Entradas…………………………………………………………………………. 62
3.3.2.5. Salidas por opto acoplador……………………………………………………. 63
3.3.2.6. Salidas por Triac……………………………………………………………….. 65
3.3.2.7. Comunicación…………………………………………………………………… 66
3.3.3. IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL.................... 66
3.4. PROGRAMACIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL…...…………. 70
3.5. CONTROLADORES DE TEMPERATURA NX4………………………………… 71
3.5.1. NOMENCLATURA DE LOS TERMINALES ELÉCTRICOS...…………………. 71
3.5.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTROLADORES NX4……………………... 72
3.5.2.1. Entrada……………………….…………………………………………………. 72
3.5.2.2. Salidas…………………………………………………………………………… 72
3.5.2.3. Salidas de Control……………………………………………………………… 73
3.5.3. CIRCUITO DE CONEXIÓN DE LOS CONTROLADORES DE
TEMPERATURA NX4……………………………………………………………… 73
3.5.3.1. Controlador de Sellado Vertical……………………………………………….. 73
xi
3.5.3.2. Controlador de Sellado Horizontal…………………………………..……….. 75
3.5.4. CALIBRACION DEL CONTROLADOR PID……………………………………………... 76
3.6. VARIADORES DE VELOCIDAD………………………………………………….. 76
3.6.1. MONTAJE DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD………………………….. 76
3.6.2. INSTALACIÓN DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD….…………………. 77
3.6.3. CIRCUITO DE CONTROL DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD...…….. 78
3.6.4. CIRCUITO DE CONECCIÓN DE LOS VARIADORES………………………… 79
3.6.4.1. Variador de Arrastre………………………………………………..…………... 79
3.6.4.2. Variador Dosificador……………………………………………………………. 80
3.7. MONTAJE DEL TABLERO DE CONTROL……………………………………… 81
CAPÍTULO 4
IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y MONITOREO
DE LA MÁQUINA
4.1. DESCRIPCIÓN DEL PANEL VISUALIZADOR.........…….….……………….. 83
4.2. FUNCIONAMIENTO DEL PANEL VISUALIZADOR….…………………...... 84
4.3. INICIALIZACIÓN………………………………………………………………… 85
4.3.1. CONFIGURACIÓN DE PUERTOS……….……………………………………. 86
4.3.1.1. Microcontrolador Dspic30f4011…………………………………………….. 86
4.3.2. LECTURA DE LA MEMORIA EEPROM………………………………………. 88
4.3.2.1. Tiempos del proceso de empacado………………………………………… 89
4.3.2.2. Valor de producción total…………………………………………………….. 89
xii
4.3.2.3. Valor de producción de fundas llenas……………………………………… 90
4.3.2.4. Horómetro……………………………………………………………………... 91
4.3.2.5. Producción diaria……………………………………………………………... 92
4.3.3. LECTURA DEL RELOJ CALENDARIO…………………………….………….. 94
4.3.3.1. RTC y Mapa de memoria RAM……………………………….……………. 96
4.3.3.2. Bus de datos de comunicación serial………………………….….……….. 98
4.3.3.3. Escritura de datos en el reloj calendario…………………………….…….. 99
4.3.3.4. Lectura de datos en el reloj calendario………………………….…………. 99
4.3.3.5. Circuito implementado…………………………………………..…………… 100
4.3.4. VISUALIZACIÓN DE PANTALLA PRINCIPAL…..……………………………. 101
4.3.4.1. Lcd Gráfico 240x128 con Controlador T6963c…………………………… 101
4.3.5. PANTALLA PRINCIPAL DEL PANEL DE VISUALIZACIÓN……………….. 103
4.4. BARRIDO DE TECLADO…………………………………….…….……………. 103
4.4.1. POTENCIÓMETROS DEL PANEL DE CONTROL..…………………………. 106
4.5. LECTURA DEL PUERTO DE COMUNICACIÓN………………..……………. 107
4.5.1. PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN………..…………………………………. 107
4.5.1.1. Protocolo de Recepción……………………………………..………………. 107
4.5.1.2. Protocolo de Transmisión…………………….……………………………… 109
4.6. LECTURA DEL PIN DE SINCRONIZACIÓN………………………………….. 110
4.7. LECTURA DEL RELOJ CALENDARIO…………………………….………….. 112
xiii
4.8. DISEÑO DEL PANEL VISUALIZADOR…………………………..……………. 113
4.9. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR………………..…….……. 113
4.9.1. ARQUITECTURA DEL PROGRAMA DEL dsPIC30F4011………..………… 116
4.9.2. FUNCIÓN MAIN………………………………………………………..…………. 116
4.9.2.1. Puerto de comunicación serial…………………………………..………….. 117
4.9.2.2. LCD grafico T6963C..……………………………………………..…………. 117
4.9.2.3. Reloj calendario ds1307…………………………………………..…………. 119
4.10. WINPIC 800…………………………………………………………..….……….. 120
CAPÍTULO 5
RESULTADOS DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
5.1. PRUEBA DE LOS COMPONENTES ........…….….…………..……..……….. 121
5.1.1. PRUEBAS DEL SITEMA MECÁNICO ………………………....…………….. 121
5.1.2. PRUEBAS DEL SISTEMA NEUMÁTICO……………………………………... 121
5.1.3. PRUEBAS DEL SISTEMA ELÉCTRICO ……………………………………... 121
5.2. PRUEBAS DE DOSIFICADO…………………………………………………... 122
5.3. PRUEBAS DE SELLADO……………………….………………………………. 123
5.3.1. CURVAS DE CALENTAMIENTO DE LAS MORDAZAS……………….……. 123
5.3.1.1. Mordaza Vertical...………………………….………………………………… 124
5.3.1.2. Mordazas Horizontales………………………………………………………. 125
xiv
5.4. PRUEBAS DEL SISTEMA DE CONTROL……………………………………. 126
5.5. DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS DE PESO…………………………….. 127
5.5.1. POWER ÁCIDO………………………………………………………………….. 127
5.5.1.1. Cálculo de Errores…………………………………………………………... 129
5.5.2. PALETA CON CARAMELO EN POLVO GALAXY……………………….….. 130
5.5.2.1. Cálculo de Errores.………………………………………..…………………. 133
5.6. DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS DE PRODUCCIÓN………………..…. 133
5.6.1. POWER ÁCIDO.…………………………………….......................................... 133
5.6.2. PALETA CON CARAMELO EN POLVO GALAXY….……………..…………. 134
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES..........…….….…………..……………………………………………. 136
RECOMENDACIONES………………………………………………………….............. 138
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…..………………………………………………... 139
GLOSARIO DE TÉRMINOS……….…………………………………………………….. 141
ANEXO A. PLANO ELÉCTRICOS
ANEXO B. VARIADORES DE VELOCIDAD
ANEXO C. CONTROLADORES DE TEMPERATURA
ANEXO D. CALCULO DE CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO
xv
ANEXO E. MANUAL DE USUARIO
ANEXO F. HOJAS DE DATOS DE LOS MICRO-CONTROLADORES
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Capas de papel de empaque........…….….……………..………………..... 2
Figura 1.2. Métodos de sellado……………………...................................................... 5
Figura 1.3. Papel de empaque para Snacks…………………………………………..... 6
Figura 1.4. Papel de empaque para galletas………………………………………….... 6
Figura 1.5. Papel de empaque para caramelos……………………………………….... 6
Figura 1.6. Empacadora Automática Vertical DB388B……………….……………..… 7
Figura 1.7. Empacadora horizontal…………………………………………………..….. 8
Figura 1.8. Dosificadora volumétrica…………………………………………………..… 9
Figura 1.9. Dosificador por tornillo………………………………………………..……… 10
Figura 1.10. Empacadora Automática Multicabezal de 10 Balanzas……………..…. 11
Figura 1.11. Proceso de producción de caramelo en polvo……………………..……. 11
Figura 1.12. Marmita………………………………………………………………..…....... 13
Figura 1.13. Bombos de coloreado……………………….…………………………..…. 13
Figura 1.14. Máquinas empacadoras………………………………..……………..……. 14
Figura 1.15. Controlador PID de una planta…………………………………………….. 15
Figura 1.16. Curva de respuesta escalón unitario………………………………………
Figura 1.17. Curva de respuesta con forma de S……………………………………….
16
16
Figura 2.1. Empacadora de caramelo en polvo...….….……………..……………….... 18
Figura 2.2. Dosificador de polvo…………………………………………..……………… 19
Figura 2.3. Sistema del dosificador…………………………………………………….... 19
Figura 2.4. Tolva de dosificación……………………………………………………….... 20
Figura 2.5. Tornillo dosificador………………………………………………………….... 21
Figura 2.6. Motor dosificador……...…………………………………………………..…. 21
Figura 2.7. Variador dosificador………………………..……………….……………..… 22
Figura 2.8. Partes del variador de velocidad SV008iG5-2….……………………..….. 22
xvi
Figura 2.9. Dimensiones del variador………………………………………….…..…….. 23
Figura 2.10. Mezclador…………………………………………………..……………..…. 24
Figura 2.11. Moto-reductor del mezclador….……………………………………..…….. 25
Figura 2.12. Formado de la funda…………………………………………………..……. 25
Figura 2.13. Bobina y papel de empaque………………………………………..…....... 26
Figura 2.14. Guías para el papel de empaque.………….…………………………..…. 27
Figura 2.15. Cuello formador………..………………………………..……………..……. 27
Figura 2.16. Sistema de Sellado Vertical...….….…………….…................................. 28
Figura 2.17. Sellado Vertical……..………………………………………..……………… 28
Figura 2.18. Mordaza Vertical……………………………………………………............ 29
Figura 2.19. Niquelina de la Mordaza Vertical…………………….………………….... 30
Figura 2.20. Termocupla tipo K……………………….……………………………….... 30
Figura 2.21. Controlador de temperatura..…………………………………………..…. 31
Figura 2.22. Relé de estado sólido……………………..……………….………………. 32
Figura 2.23. Electrovalvula 5-2…………………..…………….……………………..….. 32
Figura 2.24. Bloque neumático……..………………………………………….…..…….. 33
Figura 2.25. Cilindro neumático de doble efecto….…………………..……………..…. 33
Figura 2.26. Arrastre y formado de la funda.……………………………………..…….. 34
Figura 2.27. Sistema de arrastre.…………………………………………………..……. 35
Figura 2.28. Bandas de arrastre…………………………………………………..…....... 35
Figura 2.29. Motor de arrastre………………….………….…………………………..…. 36
Figura 2.30. Variador de arrastre.…..………………………………..……………..……. 37
Figura 2.31. Sensor Óptico.……………………….………………………………........... 37
Figura 2.32. Diagrama de conecciones del sensor óptico…..……………………..…. 38
Figura 2.33. Sistema de piñones………………………..……………….………………. 38
Figura 2.34. Acople de piñones y bandas de arrastre……….……………………..….. 38
Figura 2.35. Cierre de mordazas horizontales….…………………………….…..…….. 39
Figura 2.36. Sellado horizontal………………….….…………………..……………..…. 39
Figura 2.37. Mordazas horizontales………..……………………………………..…….. 40
Figura 2.38. Niquelina de las mordazas horizontales………...…………………..……. 41
Figura 2.39. Cilindro de sellado horizontal…..…………………………………..…....... 42
Figura 2.40. Sensor inductivo………………….………….…………………………..…. 42
Figura 2.41. Diagrama de conecciones del sensor inductivo……..……………..……. 43
xvii
Figura 2.42. Panel de control...………………….….…………………..……………..…. 43
Figura 3.1. Proceso de empacado…………….....….….……………..……………….... 45
Figura 3.2. Inicialización del proceso de empacado …………………..……………… 46
Figura 3.3. Posición sensor óptico…………….……………………………………….... 48
Figura 3.4. Etapas del proceso de empacado……………………………………….... 49
Figura 3.5. Diagrama de flujo de inicialización y sellado horizontal….…………….... 52
Figura 3.6. Diagrama de flujo de sellado vertical y dosificación…………………..…. 54
Figura 3.7. Diagrama de flujo de la etapa de arrastre.……………….……………..… 56
Figura 3.8. Diagrama de flujo de la etapa de apagado ….……………………..…….. 57
Figura 3.9. Diagrama de bloque del Módulo de Control Principal………….…..…….. 58
Figura 3.10. Fuente del Módulo de Control Principal……..…………..…...………..…. 60
Figura 3.11. Filtro de línea...……………..….……………………………………..…….. 60
Figura 3.12. Distribución de pines del dsPIC30F3011............................................... 61
Figura 3.13. Detector de cruce por cero……………………………..…………..…....... 62
Figura 3.14. Circuito de aislamiento para las entradas……………………………..…. 62
Figura 3.15. Circuito de aislamiento para la entrada 7..…………..……………..……. 63
Figura 3.16. Circuito de conexión de los elementos de entrada................................ 63
Figura 3.17. Circuito salida para los variadores de velocidad………………………… 64
Figura 3.18. Circuito de salida por triac…………………………………..……………… 65
Figura 3.19. Circuito de conexión de los elementos de salida….……………............ 65
Figura 3.20. Bornera de comunicación…………………………….………………….... 66
Figura 3.21. Tarjeta de control principal…..………….……………………………….... 67
Figura 3.22. Circuito del módulo de control principal……………..………………..…. 69
Figura 3.23. Esquema eléctrico del controlador de temperatura…….………………. 71
Figura 3.24. Circuito eléctrico del controlador de sellado vertical……….………..….. 74
Figura 3.25. Circuito eléctrico del controlador de sellado horizontal……….…..…….. 75
Figura 3.26. Distancias mínimas de instalación del Variador de velocidad…..…..…. 77
Figura 3.27. Instalación de dos variadores de velocidad.……………………....…….. 77
Figura 3.28. Diagrama de control de los variadores de velocidad.……………..……. 79
Figura 3.29. Circuito eléctrico del sistema de arrastre…..……………………..…....... 80
Figura 3.30. Circuito eléctrico del sistema de dosificación.………………………..…. 81
Figura 3.31. Montaje del tablero de control….……………………..……………..……. 82
xviii
Figura 3.32. Montaje del panel frontal…..……….………………………………........... 82
Figura 4.1. Panel visualizador…...…………….....….….……………..…………….... 83
Figura 4.2. Funcionamiento del panel visualizador………………………………….. 85
Figura 4.3. Estructura del panel visualizador….………………………..………….... 86
Figura 4.4. Circuito de conexión del dsPIC30F4011…..……………………………... 88
Figura 4.5. Valor de producción total.……………..................................................... 89
Figura 4.6. Valor de producción de fundas llenas……………………………….……. 90
Figura 4.7. Horómetro………………………………....……………….……………..…. 91
Figura 4.8. Valor de historial diario……………………………………………..………. 92
Figura 4.9. Distribución de pines del ds1307……………………..…………..………. 94
Figura 4.10. Diagrama de bloque del reloj calendario ds1307……..…………….…. 96
Figura 4.11. Mapa de memoria del ds1307.............................................................. 96
Figura 4.12. Estructura de los bytes del reloj calendario…………………………….. 97
Figura 4.13. Byte de control del integrado ds1307…..……………..……..…..…....... 97
Figura 4.14. Bus de datos para comunicación I2C ……..……………….………..…. 98
Figura 4.15. Trama de datos de escritura al RTC…....…………..……………..……. 99
Figura 4.16. Trama de datos de lectura del RTC……………………………………... 100
Figura 4.17. Circuito de conexión del reloj calendario……………………………….. 100
Figura 4.18. Byte de control para frecuencia de 1Hz……………..………………….. 100
Figura 4.19. Estructura interna del LCD grafico con controlador T6963C…............ 101
Figura 4.20. Diagrama de conexión del LCD grafico...………….………………….... 102
Figura 4.21. Pantalla principal del panel de visualización…..………….……………. 103
Figura 4.22. Teclado del panel de visualizador...……………..………………..…….. 103
Figura 4.23. Diagrama de barrido de teclado …………………..…….………………. 104
Figura 4.24. Pantalla de diagramas de tiempos……….………..…………………….. 105
Figura 4.25. Pantalla de historiales………………………………………….…..……... 105
Figura 4.26. Potenciómetros de los variadores de velocidad...…………...…..…..… 106
Figura 4.27. Interfaz de comunicación.………………….……………………....…….. 107
Figura 4.28. Protocolo de comunicación ………………………….……………..……. 108
Figura 4.29. Byte de transmisión…………………………………………..…..…..…… 109
Figura 4.30. Señal de sincronización.……………………....………………………….. 111
Figura 4.31. Lectura del pin de sincronización.……………..………………………… 111
xix
Figura 4.32. Lectura del reloj calendario………………………………………………. 112
Figura 4.33. Circuito del panel visualizador……………….………………………..…. 113
Figura 4.34. Programa MikroC…………..….……………………..……………..…….. 114
Figura 4.35. Generador de mapa de bits…………………………………………….... 118
Figura 4.36. Configuración del WinPic 800….………………………………………... 120
Figura 5.1. Curva de calentamiento de la mordaza vertical.………..……………….. 125
Figura 5.2. Curva de calentamiento de las mordazas horizontales....……………… 126
Figura 5.3. Funda de Power Acido….……….……………………………………….... 127
Figura 5.4. Curva de pesos de fundas de 6 gramos….…………………………….... 129
Figura 5.5. Funda de paleta con polvo Galaxy………………………..…………….... 130
Figura 5.6. Curva de pesos en fundas de 15 gramos.……………...……………..…. 132
INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Características técnicas del papel de empaque........…….……………….. 4
Tabla 1.2. Regla de sincronización de Ziegler-Nichols........…….……………………. 17
Tabla 2.1. Dimensiones de los variadores de velocidad........…….…………….…….. 23
Tabla 2.2. Condiciones ambientales de uso de los variadores……………………….. 23
Tabla 2.3. Partes del panel de control........…….…………….…………………………. 44
Tabla 3.1. Dispositivos de entradas y salidas........…….…………….………………… 50
Tabla 3.2. Tiempos utilizados en el proceso de empacado….……………………….. 51
Tabla 3.3. Características de los dsPIC30F........…..……….…………………………. 60
Tabla 3.4. Entradas del módulo de control principal…………….…………………….. 67
Tabla 3.5. Salidas por opto acoplador del módulo de control principal…..………….. 68
Tabla 3.6. Salidas por triac del módulo de control principal........…..……...…………. 68
Tabla 3.7. Comunicación con el Visualizador........…….…………….………………… 68
Tabla 3.8. Librerías utilizadas por el dsPIC30F3011….……………………………….. 70
Tabla 3.9. Nomenclatura de los terminales del controlador NX4.......…..…..………. 71
Tabla 3.10. Características de las entradas del controlador NX4………….…….….. 72
Tabla 3.11. Salidas de control del controlador NX4…………………………………… 73
Tabla 3.12. Nomenclatura del circuito de sellado vertical…………………………….. 75
Tabla 3.13. Nomenclatura del circuito de sellado horizontal…….………….…….….. 76
xx
Tabla 3.14. Diseño del circuito de fuerza del dosificador y arrastre………………….. 78
Tabla 4.1. Memoria de programa de los dsPIC30F.......…..…..……………………. 86
Tabla 4.2. Distribución de pines del dsPIC30F4011………….…….……………….. 87
Tabla 4.3. Localidades de memoria utilizadas para almacenar los tiempos.……… 89
Tabla 4.4. Localidades de memoria utilizadas para almacenar la producción…….. 90
Tabla 4.5. Localidades de memoria de la producción de fundas llenas…...……..... 91
Tabla 4.6. Localidades de memoria del contador de horas……………………….… 91
Tabla 4.7. Localidades de memoria de producción diaria…………………………… 94
Tabla 4.8. Tabla de nomenclatura del reloj calendario ds1307….…………………. 95
Tabla 4.9. Frecuencia de salida.......…..…..…………………………………………… 98
Tabla 4.10. Terminales del LCD gráfico y dsPIC………….…….……………………. 102
Tabla 4.11. Protocolo de recepción……………………………………………………. 109
Tabla 4.12. Protocolo de transmisión………………………………………………….. 110
Tabla 4.13. Variables matemáticas utilizadas por el compilador mikroC….…….…. 115
Tabla 4.14. Funciones utilizadas en el programa de visualización…………………. 116
Tabla 4.15. Rutinas de operación del puerto UART1………….…….………………. 117
Tabla 4.16. Rutinas del LCD gráfico T6963C…………………………………………. 118
Tabla 4.17. Rutinas de comunicación I2C…………………………………………….. 119
Tabla 4.18. Funciones utilizadas en el programa………………………..….…….…. 119
Tabla 5.1. Pruebas de dosificado........…….…………….…………………………..... 122
Tabla 5.2. Valores de temperatura de la mordaza vertical….……………………….. 124
Tabla 5.3. Valores de temperatura de la mordaza horizontal……………………….. 126
Tabla 5.4. Resultados de las pruebas iniciales………….……………………………. 127
Tabla 5.5. Resultados de peso en fundas de 6 gramos.…..………………………… 129
Tabla 5.6. Resultados de peso en fundas de 15 gramos……………………………. 132
Tabla 5.7. Producción de POWER ACIDO........…….…………….………………….. 133
Tabla 5.8. Valores de producción….…………………………………………………… 134
Tabla 5.9. Producción de PALETA CON POLVO GALAXY.......…..…..……………. 134
Tabla 5.10. Valores de producción………….…….……………………………………. 135
xxi
RESUMEN
El presente proyecto se inicia con el estudio del proceso de empacado de productos
alimenticios y de los materiales utilizados para realizar este empaque, como es el
polipropileno aplicado en este proyecto. Se realiza además un análisis de los
diferentes métodos de empacado, así como de las aplicaciones más comunes en las
que se utilizan cada uno de ellos. Por tratarse de un proyecto orientado al empaque
de productos en polvo, se realiza un breve resumen del proceso de producción del
caramelo en polvo así; como también de las condiciones ambientales requeridas
para cada etapa.
El proceso de empacado de caramelo en polvo posee varias etapas que son:
dosificado, formado de la funda, sellado vertical, sellado horizontal y arrastre. Cada
una de estas etapas cumple un papel muy importante dentro del proceso y debe
realizarse dentro de los tiempos establecidos por el operador de la misma.
Se ha realizado además un estudio detallado de cada uno de los componentes
mecánicos y eléctricos utilizados en la máquina empacadora automática de
caramelo en polvo. Para su automatización se utilizaron dos controladores de
temperatura NX4 con capacidad de realizar control PID. Estos sensan la
temperatura con la ayuda de una termocupla y realizan el calentamiento de las
mordazas de sellado utilizando niquelinas.
Se utilizan dos variadores de velocidad para realizar el accionamiento de los
motores utilizados en las etapas de dosificado y arrastre. Cada variador es
configurado para funcionar por periodos cortos. Sus tiempos de accionamiento y
parada son cercanos a cero; es decir, que necesitan un torque de arranque muy alto
para salir de la inercia, ya que deben pasar de cero a la velocidad de trabajo en un
tiempo muy pequeña.
El funcionamiento de la máquina empacadora es controlado por un microcontrolador,
el cual se comunica con el operador a través de un panel visualizador, con el objeto
de que este conozca el estado de la máquina y, además, pueda modificar su
funcionamiento.
xxii
PRESENTACIÓN
El presente proyecto es el resultado de dos años de investigación en procesos de
empacado industrial con diferentes productos, como caramelos y snaks. Estos
procesos son muy diversos por la cantidad de métodos disponibles en la industria,
así como también por sus variantes.
La automatización de sistemas de empacado deben realizarse tomando en cuenta
no solo aspectos técnicos de nuestra área de especialización, sino que también
factores muy importantes como: costos de producción, eficiencia del sistema,
rentabilidad, etc. Cada uno de los factores es determinante para los empresarios al
momento de tomar decisiones, en especial si son financieras. Por lo tanto, se debe
desarrollar una mentalidad más abierta con el objeto de encontrar soluciones
definitivas y lo más económicas posibles.
Los procesos de empacado son muy utilizados en el medio industrial y se les debe
dar importancia. En nuestro país hay pocas empresas que se dedican al desarrollo
de este tipo de tecnología, esto hace que las industrias importen esta maquinaria en
lugar de buscar una respuesta local.
Con este trabajo, se busca incentivar a futuras generaciones para mejorar
continuamente nuestra tecnología en materia de equipo de uso industrial. Los
aspectos mencionados en este documento son el resultado de mucho esfuerzo en la
búsqueda de soluciones a problemas muy comunes en la industria nacional.
Con el desarrollo de esta tecnología se pudo dar una solución real a las necesidades
de una fábrica local, de esta forma se demuestra que es posible crear sistemas
útiles para la industria.
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DE EMPACADO
INDUSTRIAL
1.1 GENERALIDADES DEL EMPACADO
1.1.1 INTRODUCCIÓN
El empacado es la actividad que permite crear una envoltura de protección y
transporte para un producto determinado. El producto puede tener: un recipiente
principal, un secundario y un empaque de envío. El principal es el que contiene el
producto para ser pesado o medido. El secundario es aquel que se desecha al
utilizar el producto, como por ejemplo una caja individual. Finalmente el empaque
de envió es la caja utilizada para almacenar y transportar varias unidades.
El etiquetado es una parte importante del empacado y consiste en la impresión de
datos informativos en el paquete. Las decisiones del tipo de empacado se basan
en los factores de costos y producción.
La creciente competencia y acumulación de productos en los anaqueles de las
tiendas demuestran que los envases ahora desempeñan muchas tareas para la
venta. Desde atraer la atención del producto y describirlo, hasta realizar la misma
venta. Las empresas están comprendiendo el poder de un buen envase para
crear, en el cliente, el reconocimiento instantáneo de la marca.
Un empacado innovador puede proporcionar a una compañía una ventaja sobre
sus competidores. El desarrollo de un buen envase para un producto nuevo
requiere tomar muchas decisiones acerca de los elementos específicos del
envase como: tamaño, forma, materiales, color, texto y anuncio de la marca.
Estos elementos deben trabajar juntos para respaldar la posición del producto y la
estrategia de mercadotecnia. El envase debe ser compatible con la publicidad del
producto, el precio y la distribución.
2
1.1.2. PAPEL DE EMPAQUE
La función principal del empaque es contener y proteger al producto; sin embargo,
en una época reciente, numerosos factores han convertido al envase en un
instrumento muy importante de la mercadotecnia, ya que de un buen diseño del
envase depende el éxito o fracaso del producto en el mercado.
El material utilizado para la fabricación de papel de empaque es el 1Polipropileno
Biorientado/Polietileno (OPP/LDPE). En la Figura 1.1 se ven las capas de las que
está formado del papel de empaque.
Figura 1.1. Capas de papel de empaque
El Polipropileno 2Biorientado son capas de polipropileno manufacturadas, de
manera que tienen una cara es brillante y otra opaca.
El polímero resultante de la Biorientación es el homopolímero de polipropileno y
fue descubierto en Italia por Ziegler y Natta a fines de los 50’s. Posteriormente,
junto con múltiples aplicaciones industriales, mostró tener buenas propiedades
ópticas y baja permeabilidad al vapor de agua. Con la biorientación se logró
mejorar notablemente las propiedades ópticas, mecánicas y de barrera al vapor
de agua de la película.
El BOPP comenzó entonces a convertirse en el film más versátil en la industria
del envase flexible, llegando inclusive a desplazar totalmente al film de celofán.
1 Polipropileno. Ver glosario de términos
2 Biorientación. Ver glosario de términos
3
Por su excelente barrera al vapor de agua se convirtió en materia prima base para
los envases de galletas, snacks y para todos los alimentos que no deben perder ni
ganar humedad.
Las principales propiedades del BOPP son:
Ø Alta trasparencia y brillo
Ø Buenas propiedades mecánicas
Ø Fácil de procesar (impresión, laminación)
Ø Buena maquineabilidad en las líneas de envasado
Ø Excelente permeabilidad al vapor de agua
Ø Amplio rango de espesores
Ø Diferentes temperaturas de sello
Ø Buena relación costo/performance
Ø Versatilidad,
§ Trasparente plano,
§ Trasparente coextruído,
§ Metalizado barrera estándar
§ Metalizado alta barrera
§ Perlado
§ Perlado blanco
§ Blanco cavitado
§ Blanco sólido
§ Blanco metalizado
Puede además ser recubierto con 3coatings especiales para modificar sus
características de sello y barrera (acrílico, saran, etc.). Las características
técnicas del BOPP se detallan en la Tabla 1.1.
3 Coatings. Ver glosario de términos
4
Tabla 1.1 Características técnicas del papel de empaque
1.1.3. TÉCNICAS DE SELLADO DEL PAPEL
Existen muchas técnicas para el sellado del papel de empaque, y ésta es
seleccionada según el tipo de producto a empacar. A continuación se pesentan
las más utilizadas.
1.1.3.1. Sellado por Ultrasonidos
El sellado por ultrasonido es un método muy complejo y se fundamenta en la
vibración que provoca el ultrasonido sobre las moléculas del material. Esta
5
vibración genera movimiento de las moléculas; lo cual produce calor que
finalmente fusiona al material.
1.1.3.2. Sellado por Calor
Es el método más común en el medio industrial por su facilidad de
implementación y manejo. Este sellado se consigue por la acción combinada de
presión, temperatura y tiempo.
El papel de empaque es sellado de acuerdo al tipo de producto a empacar. En la
Figura 1.2 se indican algunas alternativas de sellado y corte del papel de
empaque.
Figura 1.2 Metodos de sellado
1.1.4. APLICACIONES DEL PAPEL DE EMPAQUE
Los empaques juegan un papel muy importante en la comercialización y a lo
largo de los años han ido evolucionando y mejorando sus diseños con el objeto de
ser más competitivos.
1.1.4.1. Snacks
El empacado de snacks como son las papas fritas, chifles, etc. utilizan
laminaciones de “BOPP” y 4”BOPP metalizado”, dando una muy buena protección
a la humedad y a la luz. El la Figura 1.3 se ve algunos ejemplos de uso de este
material.
4 BOPP metalizado: Ver glosario de términos
6
Figura 1.3 Papel de empaque para Snacks
1.1.4.2. Galletas
Para empacar galletas como las de la Figura 1.4 se usan laminaciones de “BOPP”
y ”BOPP metalizado”; en distintos espesores y combinaciones.
Figura 1.4 Papel de empaque para galletas
1.1.4.3. Caramelos y Golosinas
Los caramelos utilizan laminaciones de “BOPP” por el contenido de azúcar y por
protección a la humedad. En la Figura 1.5 se muestra un ejemplo de empaque de
caramelos.
Figura 1.5 Papel de empaque para caramelos
7
1.2 MÉTODOS DE EMPACADO Y DOSIFICACIÓN
El proceso de empacado se lo puede realizar de múltiples formas dependiendo de
las características del producto, como pueden ser cantidad, viscosidad, volumen,
etc. Los métodos de empacado se las puede clasificar en:
· Empacado Vertical
· Empacado Horizontal
A continuación se detallan cada una de estas técnicas.
1.2.1 EMPACADO VERTICAL
El empacado vertical es una técnica donde el proceso se realiza de arriba hacia
abajo de modo que la materia prima entra por la parte superior de la máquina y,
por gravedad, el producto terminado es despachado por la parte inferior.
Un ejemplo de empacado vertical es la máquina DB388B que se la puede ver en
la Figura 1.6. Esta empacadora es completamente automática y el control es
realizado por un PLC.
INGRESO DELPRODUCTO
PANEL DECONTROL
SELLADOHORIZONTAL
SELLADOVERTICAL
PRODUCTOTERMINADO
Figura 1.6. Empacadora Automática Vertical DB388B
8
Los productos más comunes que utilizan las máquinas de empacado vertical son:
Ø Arroz
Ø Producto de frituras
Ø Confite
Ø Sal
Ø Palomitas
Ø Gelatinas
1.2.2 EMPACADO HORIZONTAL
El proceso de empacado inicia en un lado de la máquina y el producto terminado
es despachado por otro. Un ejemplo es la empacadora 5flow pack de la Figura
1.7. Este sistema es utilizado para empacar objetos de forma regular como
galletas, chocolates, pasteles, panes, objetos de uso diario, medicamentos,
componentes eléctricos, productos en cajas pequeñas u otros.
Las empacadoras horizontales utilizan bandas transportadoras que ayudan al flujo
del producto desde el ingreso hasta el despacho.
SELLADOINGRESO DELPRODUCTO
DESPACHO
PANEL DECONTROL
Figura 1.7. Empacadora horizontal
La dosificación se puede realizar de múltiples maneras las más comunes son:
· Volumétrica
· Por peso
5 Flow pack. Ver glosario de términos
9
1.2.3 DOSIFICACIÓN VOLUMÉTRICA
La dosificación volumétrica es un método que utiliza moldes para medir la
cantidad de producto por unidad de empaque. La dosificadora de la Figura 1.8
utiliza un disco giratorio con varios moldes que sueltan un volumen de producto
constante. Este tipo de dosificación es utilizado con productos granulares no
pegajosos como caramelos, harinas, etc.
TOLVA DE INGRESO
PANEL DECONTROL
DESPACHO DEPRODUCTO
DISCODOSIFICADOR
Figura 1.8. Dosificadora volumétrica
1.2.3.1. Empacado de Productos en Polvo
El método más común para dosificación de productos en polvo como harina,
azúcar, condimentos, leche en polvo, bebidas instantáneas, etc, es el dosificador
por tornillo. Este tipo de dosificador es volumétrico y consiste en una tolva de
forma cónica con un tornillo que al girar dosifica el producto en el empaque. Esta
dosificadora se ilustra en la Figura 1.9.
10
Para este control se utiliza generalmente variadores de velocidad que tienen un
buen comportamiento para trabajo intermitente por periodos cortos de tiempo.
La variación de peso que se obtiene con este sistema de dosificación esta en un
rango aceptable para la mayor parte de productos que la utilizan.
TOLVA DE INGRESO
TORNILLO DOSIFICADOR
DESPACHO DEPRODUCTO
PANEL DECONTROL
Figura 1.9. Dosificador por tornillo
1.2.4 DOSIFICACIÓN POR PESO
La dosificación por peso se realiza utilizando celdas de carga. Uno de los más
comunes es el sistema 6multicabezal como el de la Figura 1.10. Un algoritmo
computacional realiza el cálculo de los pesos y libera el producto de las 7celdas
cuyo peso combinado sea el más aproximado al requerido. Este sistema es
utilizado para empacar galletas, confites, nueces, maní, frutas secas, semillas,
chocolate, cereales, etc.
6 Muticabezal. Ver glosario de términos
7 Celdas.- Ver glosario de términos
11
PANEL DECONTROL
SELLADO VERTICAL
DESPACHO
TOLVA DE INGRESO
BALANZASDOSIFICADORAS
SELLADO HORIZONTAL
Figura 1.10. Empacadora Automática Multicabezal de 10 Balanzas
1.3. PREPARACIÓN DEL CARAMELO EN POLVO
La producción de alimentos está sujeta a regulaciones y registros sanitarios muy
estrictos por tratarse de productos destinados al consumo humano. Por esta
razón es necesario conocer todos los pasos que intervienen en la fabricación de
caramelos y los cuidados que requiere cada etapa.
En el proceso de producción de caramelo en polvo intervienen los sub procesos
mostrados en el diagrama de la Figura 1.11.
MEZCLA DEINGREDIENTES
REPOSOINGRESO DE
MATERIA PRIMAEMPACADO DESPACHO
Figura 1.11. Proceso de producción de caramelo en polvo
12
1.3.1 SELECCIÓN Y PREPARACIÓN DE LA MATERIA PRIMA
En esta parte del proceso se realiza la selección del azúcar, ácido, colorantes y
saborizantes artificiales, en las proporciones formuladas por el ingeniero químico
encargado del diseño del producto.
Dentro del proceso de preparación de la materia prima intervienen los siguientes
subprocesos:
· Molido del azúcar
· Preparación del jarabe
· Coloreado del azúcar cristal
1.3.1.1. Molido del Azúcar
Se muele el azúcar dosificado en el paso anterior con la ayuda de un molino de
alta velocidad. Este proceso se debe realizar en un ambiente sellado para evitar
que el azúcar molido se disperse por el ambiente o que agentes externos
contaminen el producto.
1.3.1.2. Preparación del Jarabe
Consiste en la preparación de los colorantes y saborizantes artificiales dentro en
la marmita. Una marmita es un recipiente fabricado en acero inoxidable que utiliza
un quemador a gas para calentar el líquido introducido en la misma. Además
posee un mezclador movido por un moto-reductor. Un ejemplo de marmita es
mostrada en la Figura 1.12.
Los ingredientes a mezclar son los siguientes:
· Ácido Cítrico
· Saborizantes artificiales
· Agua
13
MOTO-REDUCTOR
RECIPIENTE DEINOXIDABLE
QUEMADOR A GAS VALVULA DEDRENAJE
Figura 1.12. Marmita
Este proceso también debe ser realizado en un ambiente seco, con buena
ventilación, para evitar la acumulación de gases en el aire.
1.3.1.3. Coloreado del Azúcar Cristal
El proceso de coloreado consiste en mezclar azúcar cristal con colorantes
artificiales, de forma que todo el azúcar tome un color uniforme. Este proceso se
realiza utilizando bombos de coloreado como los de la Figura 1.13.
Figura 1.13. Bombos de coloreado
El coloreado debe realizarse en un ambiente seco, ya que la humedad podría
entrar en el azúcar y dañar el producto final.
14
1.3.2. MEZCLA DE INGREDIENTES
El sub proceso de mezclado se realiza utilizando bombos similares a los de
coloreado indicado en la Figura 1.13. Los bombos son cargados con el azúcar
cristal coloreado, para luego añadir progresivamente azúcar en polvo y los jarabes
preparados en el paso anterior; de forma que todo el producto se mezcle
uniformemente.
1.3.3. EMPACADO
En el subproceso de empacado se toma el polvo y se lo dosifica en fundas
pequeñas de 6 gramos a 15 gramos, dependiendo del tipo de producto.
Figura 1.14. Máquinas empacadoras
La dosificación y el sellado se pueden realizar en forma automática con la ayuda
de empacadoras como se muestran en la Figura 1.14, y su producción dependerá
del tamaño y peso de cada unidad.
1.3.4. ETIQUETADO Y DESPACHO
Este subproceso se realiza manualmente luego del empacado e involucra la
selección, agrupamiento y etiquetado del producto. Las fundas son agrupadas en
sartas, las mismas que posteriormente son almacenadas en cajas, las cuales son
apiladas en la bodega de producto terminado para su posterior despacho.
La bodega de producto terminado debe ser lo más seca posible, debido a que el
producto puede permanecer en ese sitio por periodos de tiempo muy largos.
15
1.4. CONTROL PID
Es interesante señalar que más de la mitad de los controladores industriales que
se usan hoy en día utilizan esquemas de control PID o PID modificado. 8Los
controladores PID analógicos son, principalmente, de tipo hidráulico, neumático,
electrónico, eléctrico o sus combinaciones. En la actualidad, muchos de éstos se
transforman en formas digitales mediante el uso de microprocesadores.
La Figura 1.15 muestra el control PID de una planta. Si se puede obtener un
modelo matemático de la planta, es posible aplicar diversas técnicas de diseño
con el fin de determinar los parámetros del controlador que cumpla las
especificaciones en estado transitorio y en estado estable del sistema en lazo
cerrado. Sin embargo, si la planta es tan complicada que no es fácil obtener su
modelo matemático, tampoco es posible un enfoque analítico para el diseño de un
controlador PID. En este caso, debemos recurrir a los enfoques experimentales
para la sintonización de los controladores PID.
Figura 1.15. Controlador PID de una planta
El proceso de seleccionar los parámetros del controlador que cumplan con las
especificaciones de desempeño se conoce como sintonización del controlador.
Ziegler y Nichols sugirieron más reglas para sintonizar los controladores PID (lo
cual significa establecer valores Kp, Ti y Td) con base en las respuestas escalón
experimentales o basadas en el valor de Kp que se produce en la estabilidad
marginal cuando sólo se usa la acción de control proporcional.
Ziegler y Nichols propusieron unas reglas para determinar los valores de la
ganancia proporcional Kp, del tiempo integral Ti y del tiempo derivativo Td, con
base en las características de respuesta transitoria de una planta específica.
8 Tomado de Sistemas de Control Moderno de OGATA
16
Uno de los métodos utilizados por Ziegler y Nichols es la respuesta de la planta a
una entrada escalón unitario, esta se obtiene de manera experimental.
Figura 1.16. Curva de respuesta escalón unitario
Si la respuesta no exhibe una curva con forma de S, este método no es
pertinente.
La curva con forma de S se caracteriza por dos parámetros: el tiempo de retardo
L y la constante de tiempo T. El tiempo de retardo y la constante de tiempo se
determinan dibujando una recta tangente en el punto de inflexión de la curva con
forma de S y determinando las intersecciones de esta tangente con el eje del
tiempo, como se observa en la Figura 1.1.7.
Figura 1.17. Curva de respuesta con forma de S
Ziegler y Nichols sugirieron establecer los valores de Kp, Ti y Td de acuerdo con
la fórmula que aparece en la Tabla 1.2.
17
Tipo de controlador
Kp Ti Td
P ∞ 0
PI 0
PID 2L 0.5L
Tabla 1.2. Regla de sintonización de Ziegler-Nichols
El controlador PID tiene la siguiente formula expresada en función de s.:
Realizando los reemplazos pertinentes se obtienen las siguientes equivalencias:
De esta forma se puede obtener los valores de cada una de las constantes de
calibración del controlador PID utilizado. Este método es muy util en controladores
que no poseen la función de autosincronización o autotuning.
La autosincronizacion utiliza un método similar al descrito para obtener los valores
de las constantes de calibración del controlador PID. Esta función es muy útil ya
que ahorra mucho tiempo al diseñador en la calibración.
18
CAPÍTULO 2
DESCRIPCIÓN DE LA EMPACADORA DE CARAMELO
EN POLVO
2.1. SISTEMA DE EMPACADO
En este capítulo se especifica los elementos que intervienen en cada una de las
cinco secciones del proceso de empacado, descritas en la Figura 2.1. Este
sistema utiliza el método de empacado vertical con dosificación por tornillo.
Figura 2.1. Empacadora de caramelo en polvo.
2.2. DOSIFICADO
Es la actividad de llenar cada funda con la misma cantidad de caramelo en polvo.
El método utilizado es volumétrico por tornillo y las variables que aquí se
controlan son velocidad de giro y tiempos de dosificación.
A Dosificado
B Formado de la funda de
empaque
C Sellado vertical
D Arrastre del papel
E Sellado horizontal y pre-
corte
19
Este proceso inicia cuando el motor dosificador es encendido y por consiguiente
hace girar al tornillo en sentido anti-horario. Un esquema del dosificador se
muestra en la Figura 2.2. El tiempo de dosificación depende de la cantidad y tipo
de producto a empacar.
Figura 2.2. Dosificador de Polvo
2.2.1. ELEMENTOS PARA LA DOSIFICACIÓN
Para realizar la dosificación se utiliza un tornillo acoplado mecánicamente a un
motor mediante un sistema de piñones ubicados de acuerdo al esquema de la
Figura 2.3. Dicho motor es comandado por un variador de velocidad montado en
el panel de control.
Figura 2.3. Sistema del dosificador
20
Los elementos que intervienen en el sistema de dosificación son:
· Tolva de dosificación
· Tornillo
· Motor dosificador
· Variador de velocidad
2.2.1.1. Tolva de dosificación
Es una tolva de forma cónica como se indica en la Figura 2.4 y está fabricada en
acero inoxidable, ya que está en contacto con el producto. En la parte superior
posee tres tornillos que la sujetan a la estructura de la máquina y en su parte
inferior esta roscada, sirviendo como acople al tubo del tornillo dosificador. Su
diámetro mayor es de 50 cm, su diámetro inferior es de 15 cm y su altura es de 40
cm.
Figura 2.4. Tolva de dosificación
2.2.1.2. Tornillo
Está fabricado en acero inoxidable y tiene un longitud de 1 m y 20 mm de
diámetro exterior, con un paso entre espiras de 7 mm, se lo muestra en la Figura
2.5. El tornillo dosificador está acoplado al sistema de piñones mediante un
prisionero de forma que sea fácil su montaje y desmontaje para su limpieza, o
cambio de producto.
21
Figura 2.5. Tornillo dosificador
2.2.1.3. Motor Dosificador
Para mover el tornillo se utiliza un motor trifásico de 1 HP a 220 V, el cual es
comandado por un variador de velocidad para trabajar en forma intermitente, es
decir por periodos cortos de tiempo.
Figura 2.6. Motor dosificador
2.2.1.4. Variador de Velocidad
El variador utilizado para el subproceso de dosificación es un variador de
velocidad marca LG de 1 HP como el que se observa en la Figura 2.7. Este
variador es accionado por el módulo de control a través de su bornera de
contactos, y la velocidad es controlada por un potenciómetro ubicado en el panel
frontal de la máquina.
22
Figura 2.7. Variador dosificador
Los variadores de velocidad tienen una configuración como la de la Figura 2.8, en
la que se puede observar la distribución de los elementos que la constituyen.
Swich de selecciónNPN o PNP
Terminales detierra
Ventiladores deenfriamiento
Terminlaes depotencia
Terminales decontrol
Panel de control
Figura 2.8. Partes del variador de velocidad SV008iG5-2
Las dimensiones de los variadores de velocidad utilizados se indican en la Figura
2.9 y sus valores se detallan en la Tabla 2.1.
23
Figura 2.9. Dimensiones del Variador
W
[mm]
W1
[mm]
H
[mm]
H1
[mm]
D
[mm]
Φ
[mm]
A
[mm]
B
[mm]
PESO
[Kg]
70 65.5 128 119 130 4.0 4.5 4.0 0.77
Tabla 2.1. Dimensiones de los variadores de velocidad
Para la operación adecuada del variador se requiere instalarlo en un panel con las
condiciones ambientales adecuadas, las cuales se muestran en la Tabla 2.2.
Temperatura ambiente - 10 ~ 50
Humedad Relativa 90 % HR o menos (no condensar)
Temperatura de almacenamiento
- 20 ~ 65
Ubicación Protegido de gas corrosivo, gas combustible, ambiente aceitoso o polvo
Tabla 2.2. Condiciones ambientales de uso de los variadores
2.3. MEZCLADO
Es el proceso mediante el cual se mantiene al producto listo para la dosificación.
Posee dos funciones importantes: la primera es la de mezclar el producto de
24
forma que no se endurezca o forme grumos, la segunda es la de hacer que el
producto llene los espacios vacíos entre las espiras del tornillo dosificador de
forma que la cantidad de producto sea el mismo a lo largo de todo el tornillo. El
subproceso de mezclado se realiza utilizado los siguientes elementos:
Los elementos que intervienen en el sistema de mezclado son:
· Mezclador
· Moto-reductor Mezclador
2.3.1. MEZCLADOR
Es una paleta que gira continuamente dentro de la tolva, mientras dure el proceso
de empacado. Está fabricado en acero inoxidable y su longitud es de 50 cm de
largo. En la Figura 2.10 se puede observar su posición y forma.
Figura 2.10 Mezclador
2.3.2. MOTO-REDUCTOR MEZCLADOR
El mezclador funciona con la ayuda de un moto-reductor; el cual esta acoplado a
un motor trifásico de 0.37 KW, como se muestra en la Figura 2.11. Este es
accionado por un contactor y funciona en forma continua y a velocidad constante
durante todo el proceso.
25
Figura 2.11. Moto-reductor del mezclador
2.4. FORMADO DE LA FUNDA DE EMPAQUE
Consiste en doblar el papel de empaque en forma cilíndrica, de modo que al
sellarlo se forme una funda pequeña. Esto es realizado por un cuello formador, el
cual recibe el papel estirado y lo convierte en un cilindro hueco.
El rollo de papel se ubica en la parte posterior de la máquina sobre un eje llamado
bobina y llega a través de las guías hasta el cuello formado y ubicado en la parte
frontal, como se observa la Figura 2.12
Figura 2.12. Formado de la funda
26
Todos los elementos que intervienen en este proceso son elaborados en acero
inoxidable A continuación se presenta una breve descripción de los mismos.
· Bobina
· Guías del papel
· Cuello formado de la funda
2.4.1. BOBINA
Es un tubo roscado en un costado y cuadrado en el otro. Esta bobina descansa
en la parte posterior de la máquina y su función es mantener al papel de empaque
en una posición fija. El costado roscado sirve para mover el papel de empaque de
derecha a izquierda, y el otro lado sirve de guía. El papel de empaque se fija a la
bobina como se muestra en la Figura 2.13.
Figura 2.13. Bobina y papel de empaque
2.4.2. GUÍAS DEL PAPEL
Son tubos hechos de aluminio y sirven para realizar el templado del papel durante
todo el proceso de empacado. Estos tienen las siguientes características físicas.
§ Longitud: 500 mm
§ Diámetro: 25 mm
27
Figura 2.14. Guías para el papel de empaque
2.4.3. CUELLO FORMADOR DE LA FUNDA
El cuello formado es la parte más importante de este subproceso. Está hecho con
acero inoxidable y se encarga de doblar del papel de su posición estirada a una
forma cilíndrica dejándolo listo para el sellado vertical. El cuello formador se lo
puede observar en la Figura 2.15 y tiene las siguientes características físicas:
· Longitud: 40 cm
· Diámetro: 38 mm
Figura 2.15. Cuello formador
2.5. SELLADO VERTICAL
Es el subproceso que se encarga de unir los extremos del papel de empaque y
formar un cilindro hueco en el que se pueda dosificar el producto.
28
El sellado vertical lo realiza una mordaza caliente que es presionada por un
cilindro neumático de doble efecto, durante un determinado tiempo. El sistema
mecánico para realizar el sellado vertical se lo puede observar en la Figura 2.16.
Vista Frontal Vista Lateral
Figura 2.16. Sistema de Sellado Vertical
Sobre la mordaza de sellado vertical se ubica una termocupla que sensa la
temperatura, la misma que sirve para realizar el control. Todo el sistema de
sellado vertical está montado sobre un brazo móvil que está sujeto en la parte
frontal de la máquina.
El sellado vertical es el proceso de activación del cilindro neumático frontal que
pasa de la posición A a la posición B indicada en la Figura 2.17. Este paso sella el
papel de empaque verticalmente, dejándolo listo para la dosificación.
Figura 2.17. Sellado Vertical
Los elementos que intervienen en ésta etapa son:
29
· Mordaza
· Niquelina
· Termocupla
· Controladores de temperatura
· Relé de estado sólido
· Electroválvula
· Cilindro neumático
2.5.1. MORDAZA
La mordaza vertical es un bloque de hierro fundido de forma trapezoidal, como se
observa en la Figura 2.18, y es la encargada de unir los extremos del papel de
empaque dándole una forma cilíndrica. La mordaza vertical posee dos agujeros.
El primero es el más grande y sirve para colocar la niquelina que calienta la
mordaza. El segundo es roscado y tiene la finalidad de sujetar a la termocupla
que sensa la temperatura.
· Longitud: 195 mm
§ Ancho: 23 mm
Figura 2.18. Mordaza Vertical
2.5.2. NIQUELINA
Es el actuador térmico encargado de calentar la mordaza vertical. La niquelina es
de forma cilíndrica como se observa en la Figura 2.19 y tiene las siguientes
características:
§ Largo: 195 mm
§ Diámetro: 9 mm
30
§ Voltaje: 110 V
§ Potencia: 100 W
Figura 2.19. Niquelina de la Mordaza Vertical
2.5.3. TERMOCUPLA
La termocupla es el sensor utilizado por el controlador para sensar la temperatura
de la mordaza. La termocupla es tipo K y su cabeza es roscada para sujetarla a la
mordaza vertical. Tiene una longitud de 2 m y se la puede observar en la Figura
2.20.
Figura 2.20. Termocupla tipo K
31
2.5.4. CONTROLADORES DE TEMPERATURA
Los controladores de temperatura son NX 4 y están utilizados en cualquier
aplicación industrial. Presentan las siguientes características:
o Control Fuzzy.
o AutoTuning.
o Control PID por zonas y por grupos.
o 3 puntos de set.
o Entrada Salida Universal.
o Interfaz (RS485 / 422).
o Alarma sobrecalentamiento.
o Protección IP 65.
Utilizan una termocupla tipo K para sensar la temperatura y utiliza la salida para
accionar un relé de estado sólido que funciona como elemento de potencia para
encender y apagar la niquelina puesta en la mordaza. En la Figura 2.21 se puede
observar al controlador NX4
Figura 2.21. Controlador de Temperatura
2.5.5. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO (Figura 2.22)
Es el elemento de potencia utilizado en el subproceso de calentamiento en el
sellado vertical. Este relé tiene dos funciones importantes; la primera es la de
aislar la potencia y el control del sistema de calentamiento con el fin de proteger al
controlador frente a cualquier falla. La segunda es la de amplificar la corriente ya
que su entrada consume poca energía y la corriente de salida depende de la
32
carga instalada y puede llegar a ser de hasta 40 A. La hoja de datos técnicos
completa se muestra en el Anexo C.
La principal ventaja de los relés de estado sólido es que no tienen partes móviles
por tanto son mucho más rápidos en su accionamiento. Además no requieren
ningún mantenimiento y su tiempo de vida útil es mayor con respecto a los relés
convencionales.
Figura 2.22. Relé de estado sólido
2.5.6. ELECTROVÁLVULA
Las electroválvulas están ubicadas en un bloque neumático en la parte posterior
de la máquina. Son válvulas 5-2, es decir tienen cinco salidas y dos vías como se
muestra en la Figura 2.23. Las electroválvulas funcionan a 120 Vac y son
comandadas por la tarjeta de control principal mediante triacs.
BOBINA
ACCIONAMIENTOMANUAL
RESORTE DERETORNO
Entrada depresión
Salidas alcilindro
Figura 2.23. Electroválvula 5-2
Las electroválvulas utilizadas poseen accionamiento eléctrico y manual; es decir,
que se pueden activar mediante la excitación de la bobina o presionando un
pulsante que activa la válvula mecánicamente.
33
Las dos válvulas están montadas en el bloque neumático de la Figura 2.24, el
mismo que facilita el montaje y el ordenamiento de las válvulas.
Figura 2.24. Bloque neumático
2.5.7. CILINDRO NEUMÁTICO
Es un cilindro pequeño de doble efecto ubicado en la parte frontal de la máquina y
sirve para presionar por determinado tiempo la mordaza vertical al papel de
empaque, para unir sus extremos. Este cilindro es accionado por la primera
electroválvula del bloque neumático y utiliza un estrangulador de aire como se ve
en la Figura 2.25. Este estrangulador sirve para no golpear bruscamente al tubo
formador y así evitar que este se mueva durante el proceso de empacado.
Válvula reguladorade flujo
Entrada de aire
Piston
Entrada de aire
Figura 2.25. Cilindro neumático de doble efecto
El cilindro neumático se llama de doble efecto porque posee dos entradas de aire,
la primera es para que el pistón salga y la otra para que entre.
34
2.6. ARRASTRE DEL PAPEL DE EMPAQUE
Debido a que el sistema de sellado horizontal y vertical es fijo, se necesita un
sistema de arrastre que se encargue de la transición de una funda de producto a
otra; es decir, que hale el papel una distancia igual al tamaño del producto a
empacar.
El arrastre se inicia cuando el motor es encendido y por acción mecánica las
bandas halan el papel de empaque como se muestra en la Figura 2.26.
BANDAS DEARRASTRE
CUELLOFORMADOR
EJES DEROTACIÓN
Figura 2.26. Arrastre y formado de la funda
Este subproceso utiliza dos bandas ubicadas a los lados del tubo formador
llamadas bandas de arrastre; dichas bandas halan el papel de empaque a través
del cuello formador por determinado tiempo. Esto posiciona al papel para que se
realice el sellado y la dosificación. El tiempo de arrastre depende del tipo de
empaque utilizado ya que cada producto posee un tamaño distinto.
El papel de empaque tiene la característica de poseer una franja blanca con
puntos negros en las transiciones de una funda a otra, esto ayuda a determinar el
tiempo de arrastre y por consiguiente el tamaño de la funda. El sistema mecánico
de arrastre se lo puede ver en la Figura 2.27.
35
Vista Frontal Vista Posterior
Figura 2.27. Sistema de arrastre
Los elementos que intervienen en el subproceso de arrastre son:
· Bandas de arrastre
· Motor de arrastre
· Variador de velocidad
· Lector de marca
· Sistema de piñones
2.6.1. BANDAS DE ARRASTRE (Figura 2.28)
Son bandas fabricadas en caucho y montadas en dos ejes cada una, son
accionadas por un motor a través de un sistema de piñones. Dicho motor es
comandado por un variador de velocidad que realiza el trabajo de arranque y paro
por periodos cortos de tiempo.
Figura 2.28. Banda de arrastre
36
2.6.2. MOTOR DE ARRASTRE (Figura 2.29)
Es un motor de trifásico de inducción de 0.5 HP, y es comandado por un variador
de velocidad montado en el tablero de control. El variador de velocidad acciona al
motor por periodos cortos de tiempo, tratando siempre que el ángulo de giro sea
constante.
Datos de placa:
§ Potencia nominal: 0.5 HP
§ Corriente nominal: 1.91 A
§ Voltaje nominal: 230 V
§ Velocidad nominal: 1670 RPM
§ Frecuencia: 60 Hz
MOTOR DEARRASTRE
SISTEMADE PIÑONES
LECTOR DEMARCA
Figura 2.29. Motor de arrastre
2.6.3. VARIADOR DE VELOCIDAD (Figura 2.30)
Es un variador de velocidad marca LG de 1 HP y de características similares al
utilizado en el subproceso de dosificado. Este variador funciona de manera
intermitente, es decir por periodos cortos de tiempo. La habilitación del variador se
realiza a través de su bornera de control mediante opto acopladores. Su velocidad
es controlada por otro potenciómetro ubicado en el panel frontal de la
empacadora.
37
Figura 2.30. Variador de arrastre
2.6.4. LECTOR DE MARCA (Figura 2.31)
Es un sensor óptico utilizado en este caso como lector de marca. Funciona con
una alimentación de 10 V a 30 V y tiene una salida tipo relé a tierra, es decir es un
sensor tipo NPN.
Figura 2.31. Sensor Óptico
El sensor óptico está montado en una placa metálica sujetada con un prisionero
que le permite moverse de derecha a izquierda. Un tornillo ubicado desde la parte
frontal hasta la parte posterior permite que el sensor se desplace de adelante
hacia atrás con la manilla ubicada al frente de la máquina.
El sensor funciona de tal manera que al detectar un fondo claro activa el relé de
salida y al detectar un fondo oscuro como el punto negro desactiva dicho relé.
Esta transición es detectada por la tarjeta de control, la cual utiliza la señal para
activar y desactivar el variador de arrastre. El diagrama de conexión del sensor
óptico se puede observar en la Figura 2.32.
38
Sensor Opticocafe
negro
azul
10V - 30Vdc
señal
GND
carga
Figura 2.32. Diagrama de conexiones del sensor óptico
2.6.5. SISTEMA DE PIÑONES
El sistema de piñones utiliza una cadena para trasmitir el movimiento del motor a
las bandas de arrastre como se observa en la Figura 2.33.
Figura 2.33 Sistema de piñones
El movimiento del motor hace que los piñones giren en sentido contrario uno con
respecto al otro, esto produce que las bandas de arrastre halen el papel de
empaque hacia abajo al mismo tiempo y en la misma proporción. Los acoples de
la Figura 2.34 son los encargados de transmitir el movimiento rotatorio de los
piñones a las bandas de arrastre con cierta tolerancia al movimiento lateral. Este
movimiento lateral es importante para el ajuste de las bandas al tubo formador y
le da más versatilidad para el cambio de un producto a otro de diferente grosor.
Figura 2.34. Acople de piñones a las bandas de arrastre
39
2.7. SELLADO HORIZONTAL Y PRE-CORTE
Es el subproceso que realiza las uniones y el pre-corte de cada funda de
caramelo en polvo. El proceso inicia con el accionamiento del cilindro neumático
posterior y por acción mecánica se cierran las mordazas horizontales como se
aprecia en la Figura 2.35.
MORDAZAS CERRADASEJE DE
ROTACION
CILINDRONEUMATICO
EJE
EMBOLOCONTRAIDO
EMBOLOCONTRAIDO
LED INDICADORENCENDIDO
SENSOR MAGNETICO
EJE
CILINDRONEUMATICO
Figura 2.35. Cierre de mordazas horizontales
Cuando el sellado horizontal se cumple, el sensor inductivo mostrado en la parte
derecha de la Figura 2.35 cierra un contacto, el cual es leído por la tarjeta de
control.
Para el sellado horizontal se utilizan dos mordazas dentadas a temperatura
constante. La apertura y cierre se realiza con la ayuda de un cilindro neumático de
doble efecto. La posición de reposo o sin accionamiento se ilustra en Figura 2.36,
en la cual se ven las partes que la conforman.
Figura 2.36. Sellado horizontal
40
Los elementos que intervienen en éste subproceso son:
· Mordazas
· Niquelinas
· Termocupla
· Controlador de temperatura
· Relé de estado sólido
· Electroválvula
· Cilindro neumático
· Sensor inductivo
2.7.1. MORDAZAS
Son bloques fabricados en hierro fundido y sus lados son dentados y se pueden
ver en la Figura 2.37. Estas mordazas deben estar a una temperatura constante
de 110 ºC, y sus características físicas son las siguientes:
· Altura: 29 mm
· Ancho: 37 mm
· Profundidad: 174 mm
Figura 2.37. Mordazas horizontales
41
2.7.2. NIQUELINAS
Son dos resistencias eléctricas que calientan simultáneamente las dos mordazas
y son de las mismas características que la del sellado vertical, a excepción de su
longitud, como se aprecia en la Figura 2.38. La niquelina es de forma cilíndrica y
tiene las siguientes características:
§ Largo: 170 mm
§ Diámetro: 9 mm
§ Voltaje: 110 V
§ Potencia: 100 W
Figura 2.38. Niquelina de las mordazas horizontales
2.7.3. CILINDRO NEUMÁTICO
Es un cilindro de doble efecto y se encarga de accionar el sistema mecánico que
realiza el sellado horizontal; este cilindro está ubicado en la parte posterior de la
máquina como se ilustra en la Figura 2.39. Posee reguladores de flujo en sus dos
tomas de aire para el ajuste de la velocidad de apertura y cierre. Sus
características físicas son las siguientes:
§ Carrera: 100 mm
§ Longitud: 200 mm
42
CilindroNeumáticoReguladores de
flujo de aire
Eje derotación
Figura 2.39. Cilindro de sellado horizontal
El pre-corte se realiza simultáneamente con el sellado horizontal y su único
elemento es una sierra dentada, la cual está ubicada en la mitad de la mordaza
posterior y se fija con la ayuda de dos prisioneros roscados.
2.7.4. SENSOR INDUCTIVO
El cierre completo de las mordazas horizontales es sensado por un sensor
inductivo ubicado en la parte posterior de la empacadora. Este sensor es de
marca SASSIN y posee 9 mm de diámetro, se lo puede ver en la Figura 2.40.
Led indicadorde activación
Figura 2.40. Sensor inductivo
El sensor inductivo es tipo NPN, es decir que al detectar un objeto metálico cierra
un contacto a tierra, la distancia máxima para la medición es de 4 mm. En la
Figura 2.41 se observa el diagrama de conexiones de este tipo de sensores.
43
Sensor Inductivocafe
negro
azul
10V - 30Vdc
señal
GND
cargaG
Figura 2.41. Diagrama de conexiones del sensor inductivo
La termocupla, controlador de temperatura, electroválvula, y relé de estado sólido
son de las mismas características a los utilizados en el sellado vertical, y se los
puede ver en la sección 2.5 del presente capítulo.
2.8. PANEL DE CONTROL
El panel de control está dividido en sectores los cuales se detallan en la Figura
2.42.
1
10 22 5 4
6 11
20 21
8 7
23
24
25 26
VISTA LATERALVISTA FRONTAL
2
3
18 19
9
12 13 14
15 16 17
27 28 29
30 31
Figura 2.42. Panel de control
En la Tabla 2.3 se detalla cada uno de los elementos instalados en el panel de
control mostrado anteriormente.
44
2
3
4
5
6
7
Modulo de Control
Display Grafico 240X128
Contactor Principal
Bornera Principal
Bornera sensores
/SR
/SR
/2.2
/9
8 Bornera Tierra
Nº DESCRIPCIÓN
9 Bornera Tierra
Teclado
Bornera
/10
Simbología Referencia
1 CPU
GLCD
TCL
/2.5
/11
/11
/SR
1K1
X0
X1
X2
X3
X4
12
13
14
15
16
17
Fusibles de los Motores
Fusible Mordaza Vertical
Fusible de Salidas
Fusible CPU
Fusible Controlador 1
/7.2
/7.6
/4.1
/2.5
18 Controlador de temperatura 1
10 Fusible Principal
19 Controlador de temperatura 2
Fusible Mordaza Horizontal
/7.2
11 X5
F2
F3
/9
/7.5
/7.2
/7.5
F1
F4
F5
F6
CT1
CT2
/2.3FA1
Fusible Controlador 2
22
23
24
25
26
27
Relé de controladores CT1 y CT2
Termico Mezclador
Variador de Arrastre
Variador de Dosificador
/4.5
/2.7 4.6
/2.7
/3.2
28 Switch de dosificado
20 Relé de estado solido CT1
29 Switch de vaciado de tolva
Contactor Mezclador
/3.5
21 /7.7
/5.2
/5.3
/5.4
1QM1
2DM1
3DM1
SW1
SW2
SW3
/7.3RS1
Switch de inicio de ciclo
Relé de estado solido CT2 RS2
1KM1
30 Pulsante de encendido y luz piloto
31 Pulsante de apagado y luz piloto
/2.2 /2.3
/2.2 /2.4
P1 L1
P2 L2
11R1
Tabla 2.3. Partes del panel de control
45
CAPÍTULO 3
DISEÑO DEL SISTEMA AUTOMÁTICO DE EMPACADO
DE CARAMELO EN POLVO
3.1 SISTEMA DE CONTROL DE LA EMPACADORA DE POLVO
El sistema de control se encarga de la coordinación de manera secuencial y
automática de los elementos mencionados en el capítulo anterior. El proceso de
empacado se inicia con el ingreso de la materia prima y finaliza con el despacho
de fundas de caramelo en polvo.
El proceso de empacado tiene como elementos de entrada al papel de empaque y
el caramelo en polvo, y como salida las fundas elaboradas y pesadas. Este
proceso se ilustra en la Figura 3.1.
PROCESO DEEMPACADO
Papel deempaque
Carameloen polvo
Fundas decaramelo en
polvo
Figura 3.1. Proceso de empacado
3.2. OPERACIÓN DEL SISTEMA DE EMPACADO
La empacadora de caramelo en polvo debe realizar una acción de inicialización
antes de empezar el proceso de empacado, estos seis subprocesos se los puede
observar en la Figura 3.2 que se detalla a continuación.
46
INICIO
Encendido decompresor
Alimentación a laempacadora
Calentamiento delas mordazas
Colocación delpapel de empaque
Ingreso deparametros
PROCESO DEEMPACADO
Fin de laproducción
INICIALIZACIÓNDEL SISTEMA
EMPACADO
Figura 3.2. Inicialización del proceso de empacado
3.2.1. INICIALIZACIÓN DEL SISTEMA
3.2.1.1. Encendido del Compresor El primer paso para iniciar con la producción de fundas de caramelo en polvo es
encender un compresor cuyas características cumplan con los siguientes
requerimientos:
Presión mínima = 1bar
47
Flujo mínimo = 36.8 litros/ minuto
La presión mínima se refiere a la presión de trabajo de la máquina empacadora.
El flujo de aire necesario depende del número de fundas producidas por minuto,
para este caso 40 fundas por minuto. El cálculo del consumo de aire se muestra
en el anexo D.
3.2.1.2 Alimentación de la Máquina Empacadora
La máquina empacadora debe ser alimentada con una fuente trifásica de 220 Vac
y consume una potencia de 572 W.
3.2.1.3. Calentamiento de las Mordazas
El calentamiento es realizado con la ayuda de controladores de temperatura NX4,
cuya función es elevar la temperatura de las mordazas al valor seteado y
mantenerlo constante. El calentamiento de las mordazas dura aproximadamente
15 minutos dependiendo de las condiciones ambientales.
El control de temperatura es un factor muy importante en el proceso de
empacado, ya que de este depende la calidad del sellado en el producto final. Las
variaciones grades de temperatura generan desperdicio, lo cual incrementa los
costos de producción y disminuye la productividad de la máquina.
Los controladores NX4 tienen la propiedad de realizar control PID, el mismo que
mantiene las mordazas a temperatura constante y garantizan un buen sellado. De
esta forma disminuye el desperdicio de material y número de paradas de la
máquina.
3.2.1.4. Colocación del Papel de Empaque
El rollo del papel de empaque se lo debe colocar en la parte posterior de la
máquina sobre un eje llamado bobina, de forma que quede centrado. La punta del
rollo debe ser estirada a través de las guías hasta el cuello formador, como se
muestra en la Figura 2.12 del capítulo anterior.
48
Una vez colocado el papel de empaque se debe ubicar el sensor óptico de forma
que quede bajo la franja blanca del papel de empaque, como se muestra en la
Figura 3.3.
Figura 3.3 Posición sensor óptico
Cuando se han cumplido con todos estos requerimientos la empacadora puede
iniciar con la producción de fundas de caramelo en polvo.
3.2.2. PROCESO DE EMPACADO
Todos los pasos previos al inicio de la producción deben ser controlados por el
usuario; es decir, es él quien determina las condiciones óptimas para el
funcionamiento de la empacadora.
El proceso de empacado inicia con la activación del switch 1 ubicado en el panel
frontal de control, dicho proceso es controlado por el módulo de control principal
ubicado en la parte superior izquierda del tablero de control. El proceso de
empacado se muestra en el diagrama de la Figura 3.4.
49
FORMADO DE LAFUNDA
SELLADOVERTICAL
DOSIFICADO
ARRASTRE DELPAPEL
SELLADOHORIZONTAL
CARAMELOEN POLVO
PAPEL DEEMPAQUE
FUNDA DEPOLVO
PARAMETRIZACIÓN
INICIALIZACIÓNDEL SISTEMA
SWITCHACTIVADO
FIN DE LAPRODUCCIÓN
SI
NO
APAGADO
COMUNICACIÓN
MÁQUINA
ENCENDIDA
SI
NO
Figura 3.4 Etapas de proceso de empacado
50
El proceso de empacado tiene dos elementos de entrada como son el papel de
empaque y el caramelo en polvo y como salida se tiene las fundas elaboradas. El
proceso de empacado se realiza siguiendo estos pasos:
· Parametrización y Sellado horizontal
· Sellado Vertical y Dosificado
· Arrastre
· Apagado
· Comunicación
3.2.2.1. Parametrización y Sellado Horizontal
El primer paso en la parametrización es la configuración de puertos de entradas y
salidas del Módulo de Control Principal, los cuales se detallan a continuación:
Tipo Descripción
Entradas
Switch 1
Switch 2
Switch 3
Sensor óptico
Sensor magnético
Salidas
Variador de arrastre
Variador dosificador
Válvula del cilindro horizontal
Válvula del cilindro vertical
Contactor del mezclador
Relé de encendido de los controladores de temperatura
Tabla 3.1. Dispositivos de entradas y salidas
51
El siguiente paso es la lectura de valores de tiempos del proceso almacenados en
la memoria EEPROM, estos tiempos se detallan en la Tabla 3.2.
Nombre Descripción
T1 Tiempo máximo desde el accionamiento del sellado horizontal
hasta la activación del sensor magnético.
T2 Tiempo desde la activación del sellado vertical hasta el inicio de
la dosificación.
T3 Tiempo de dosificación.
T4 Retardo entre la dosificación y el arrastre.
T5 Tiempo de espera para el inicio de la lectura del sensor óptico.
T6 Retado luego de la detección de la marca hasta el fin del
arrastre.
T7 Retardo para el inicio del nuevo ciclo
Tabla 3.2. Tiempos utilizados en el proceso de empacado
Cuando están listos los parámetros iníciales del proceso de empacado se procede
a la lectura del switch de inicio. Si este no está en posición de activado se revisa
el puerto de comunicación en busca de datos provenientes del panel visualizador,
en cuyo caso se realiza la rutina detallada en la sección 4.5.1 del capítulo 4.
Cuando el switch de inicio es conmutado, como primer paso se activa el cilindro
de sellado horizontal y el mezclador. Este último permanecerá encendido mientras
dure el proceso. Luego de operar el cilindro horizontal se inicia un tiempo de
cierre denominado T1, el mismo que se detalla en la Tabla 3.2. En este paso del
proceso se inicia un lazo en el que se van probando tres condiciones. La primera
chequea si se cumplió el tiempo de cierre, en caso de no cumplirse se envía un
mensaje de error y se apaga la máquina. La segunda testea el switch de inicio
para ver si el proceso continúa o si se interrumpe. La tercera prueba el estado del
sensor inductivo, en el caso de estar activado pasa a la siguiente etapa del
proceso. Por el contrario, si aun no se detecta, se produce un retraso de 100 ms
antes del inicio del siguiente barrido, como se aprecia, en la Figura 3.5.
52
PARAMETRIZACIÓN Y SELLADO HORIZONTAL
Configuración Deentradas y salidas
INICIALIZACIÓN DELSISTEMA
Switch1activadosw1=0
Enciendomezclador
Switch1activadosw1=0
SensorInductivoactivado
si
si
si
no
no
noTiempo < T1
Enviar mensaje deerror 1
si
no
Encender selladohorizontal
Iniciar tiempo decierre de
mordazas T1
Lectura EPROM yActualización de
tiempos
PROCESO
Valor en Puerto deComunicación
si
no
Retardo de tiempo100ms
1
4
3
PARAMETRIZACIÓN
SELLADOHORIZONTAL
Figura 3.5. Diagrama de flujo de inicialización y sellado horizontal
53
3.2.2.1. Sellado Vertical y Dosificación
El cilindro vertical es encendido cuando el sensor inductivo se activa, es decir
cuando el sellado horizontal se completa. Luego de esta operación, se inicia un
tiempo de retraso T2 detallado en la Tabla 3.2. Cuando este retardo ha finalizado
se realiza una prueba del switch de dosificado; el mismo que si esta activado
inicia la dosificación, caso contrario se salta este paso. En esta parte del proceso
se inicia el tiempo denominado de dosificación o T3, durante el cual se realiza la
prueba del switch de inicio cada 100 ms.
La dosificación también tiene dos variables a controlar, las cuales son el tiempo
de dosificación y la velocidad de giro del tornillo. Estas dos variables pueden ser
modificadas dependiendo el tipo de producto a empacar.
Cuando el tiempo de dosificado termina se procede a apagar el motor dosificador
y los cilindros de sellado horizontal y vertical.
Antes de pasar a la siguiente etapa del proceso se realiza un nuevo retardo de
tiempo denominado T4; el mismo que sirve para que el producto se asiente en el
fondo de la funda y no se atasque en el sellado horizontal del próximo ciclo.
En la etapa de sellado vertical se controla el tiempo de cierre y la temperatura de
las mordazas; de estas dos variables depende la calidad del sellado y por
consiguiente la calidad del producto final.
Los subprocesos de sellado vertical y dosificación se pueden ver en el diagrama
de la Figura 3.6.
54
LOGICA DE CONTROL PARA EL SELLADO VERTICAL Y DOSIFICACIÓN
Encender selladovertical
Retardo de tiempoT2
Swich 2activadosw2=0
si
no
Encender tornillodosificador
Inicia tiempo desellado
T3
Switch1activadosw1=0
Tiempo < T3si
no
si
no
Apago tornillodosificador
Apago selladohorizontal y
vertical
Retardo de tiempoT4
Apagarmaquina
2
1
Retardo de tiempo100ms
SELLADOVERTICAL
DOSIFICACION
Figura 3.6. Diagrama de flujo del sellado vertical y dosificación
55
3.2.2.3. Arrastre
El subproceso de arrastre inicia con el encendido del motor de arrastre a través
del variador de velocidad que lo comanda. Luego de esto se realiza un retardo de
tiempo muy pequeño denominado T5. Este tiempo tiene como objetivo hacer que
el papel de empaque se mueva un poco antes de iniciar con la lectura de la marca
por parte del sensor óptico.
Cuando finaliza el tiempo T5 se inicia un temporizador llamado 9Timer 1; el cual
es el que determina el máximo tiempo que debe demorarse el arrastre antes que
el sensor óptico detecte el punto negro. En caso de no detectarlo en este tiempo,
se genera una señal de error y se detiene la máquina.
Durante el lazo de espera (evaluación del la longitud de funda con respecto al
indicador de color negro impreso en el plástico) se realiza un barrido del switch de
inicio y el sensor óptico. Cuando el punto es leído por el sensor se rompe el ciclo
y se da paso a la siguiente etapa del subproceso de arrastre.
Existe un nuevo retardo de tiempo luego de ser detectado el punto negro y antes
que el motor de arrastre sea apagado, este tiempo se denomina T6. Su función es
evitar que el sensor óptico quede apuntando el punto negro luego que el motor de
arrastre sea apagado.
Finalizado el retardo de tiempo T6, se procede a detener el motor de arrastre,
luego de esto se inicia la cuenta del último retardo de tiempo antes del inicio del
nuevo ciclo. Este tiempo se llama T7 y su función es estabilizar al sistema para
que se decante el polvo en el fondo de la funda de empaque y no se genere
problemas en el sellado del siguiente ciclo.
La lógica de funcionamiento del subproceso de arrastre se detalla en la Figura
3.7.
9 Timer. Ver glosario de términos
56
LOGICA DE CONTROL PARA EL ARRASTRE
si
Encender motorde arrastre
Retardo de tiempoT5
Sensor ópticodasactivado
si
no
Retardo de tiempoT6
Apagar motor dearrastre
Retardo de tiempoT7
Switch1activado
PROCESO
2
Inicia timer1
Timer 1 =0xFFFF
no
no
Enviar mensaje deerror 2
si
3
3
ARRASTRE
Figura 3.7. Diagrama de flujo de la etapa de arrastre
57
3.2.2.4. Apagado
Cuando es desactivado el switch 1 la máquina se detendrá, apagando todos los
elementos móviles de la empacadora en la secuencia mostrada en el diagrama de
flujo de la Figura 3.8.
Apagar máquina
Apagar selladohorizontal y
vertical
Apagar mezclador
PROCESO
Apagar dosificador
Apagar arrastre
Apagar dosificador
Enviar mensaje deFin de proceso
3
RUTINA DEAPAGADO
Figura 3.8. Diagrama de flujo de la etapa de apagado
3.2.2.5. Comunicación
La rutina de comunicación solo funciona cuando la empacadora está detenida
para evitar que interfiera en el proceso de producción y genere desperdicio.
El protocolo de comunicación utilizado se detalla en la sección 4.5.1 del capítulo
4. Mientras la máquina empacadora permanezca encendida se realiza el lazo en
58
el que va probando el switch de inicio y el puerto de comunicación, hasta que
alguno de estos tenga algún cambio en su estado.
3.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
El proceso de empacado se lo realiza de forma automática y posee tres
controladores que funcionan paralelamente, los mismos que se describen a
continuación:
· Módulo de control principal
· Controlador de temperatura de sellado vertical
· Controlador de temperatura de sellado horizontal
3.3.1. MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL
Está compuesto de una tarjeta basada en un dsPIC30F3011 encargado del
accionamiento de las electroválvulas, contactores, relés, variadores de velocidad
y encendido de los controladores de temperatura. Este módulo se comunica vía
serial con un módulo visualizador, el cual permite monitorear el funcionamiento de
la máquina durante todo el proceso de empacado.
La tarjeta de control principal tiene acopladas las entradas y salidas a través de
opto acopladores, como se esquematiza en la Figura 3.9.
MICROCONTROLADOR
BORNERA DECOMINUCACION
BORNERA DESALIDAS
BORNERA DESALIDAS
BORNERA DEENTRADAS
OPTOACOPLADORES
4N35
OPTO TRIACSMOC3020
OPTOACOPLADORES
4N35
Sensoresswiches
Variadores dearrastre y
dosificación
ElectroválvulasRelé
Contactor
Panel Visualizador
RS232
MODULO DECONTROL PRINCIPAL
Figura 3.9. Diagrama de bloque del Módulo de Control Principal
59
3.3.2. DISEÑO DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL
Los diferentes sectores integrados en la tarjeta principal se detallan a
continuación:
· Fuente de alimentación
· Microcontrolador
· Detector de cruce por cero
· Entradas por opto acoplador
· Salidas por opto acoplador
· Salidas por 10Triac
· Comunicación Serial
Cada sector está diseñado para un funcionamiento continuo y sus características
se detallan a continuación:
3.3.2.1. Fuente de Alimentación
La fuente de alimentación del módulo principal posee tres elementos. El primero
es un filtro de línea, como el que se observa en la Figura 3.11, que sirve para
reducir la distorsión presente en la red eléctrica, el segundo es un transformador
reductor de 120 V a 12 V conectado a la salida del filtro.
La etapa de rectificación se encuentra integrada en la tarjeta principal y consta de
un puente de diodos, y el circuito rectificador 7805. Existen tres fusibles, dos de
ellos de 0.5A cada uno. El primero es utilizado para proteger a los sensores y
switches, y el segundo protege al microcontrolador y al panel visualizador.
Finalmente existe un tercer fusible de 1A, que está encargado de proteger a todo
el módulo de control, incluidos el transformador y el filtro de línea.
El circuito de la fuente de alimentación se muestra en la Figura 3.10.
10
Triac. Ver glosario de términos
60
120Vac
7805IN
GNDOUT
TRANSFORMADOR120 /12V
FILTRO DELINEA
12Vdc
Vcc
Fusible 0.5A
100uF 100uF
Fusible 0.5AFusible
1 A
Figura 3.10. Fuente del Módulo de Control Principal
LINEA
CARGA
L: 2 x 0.8mH C: 0.1 uF(X2)SH2x2200pF(Y)
Figura 3.11. Filtro de línea
3.3.2.2. Microcontrolador
El microcontrolador utilizado es el dsPIC30F3011, el que está encargado de leer
el estado de los sensores, switches y de accionar las electroválvulas, relés,
contactores y variadores de velocidad presentes en la empacadora.
Los microcontroladores de la familia 30F poseen la características mostradas en
la Tabla 3.3.
Tabla 3.3. Características de los dsPIC30F
61
La cantidad de pines necesarios para realizar el control del proceso hace
necesario utilizar un dsPIC con 40 pines, dejando al dsPIC 30F3011 y al dsPIC
30F4011 como únicas opciones. El dsPIC30F3011 y el 4011 son muy similares,
su única diferencia es la cantidad de memoria de programa disponible, ya que el
programa para el control de la máquina no es muy extenso el microcontrolador
elegido es el dsPIC30F3011.
La asignación de pines del microcontrolador se los puede ver en la Figura 3.12.
OSC1/CLKI
OSC2/CLK0/RC15
RB0/EMUD3/AN0/VREF+/CN2
RB1/EMUC3/AN1/VREF-/CN3
RB2/AN2/SS1/CN4
RB3/AN3/INDX/CN5
RB4/AN4/QEA/IC7/CN6
RB5/AN5/QEB/IC8/CN7
RB6/AN6/OCFA
RB7/AN7
RB8/AN8
MCLR
VD
D
RC13/EMUD1/SOSCI/T2CK/U1ATX/CN1
RD0/EMUC2/OC1/IC1/INT1
RC14/EMUC1/SOSCO/T1CK/U1ARX/CN0
RD1/EMUD2/OC2/IC2/INT2
RD2/OC3
RD3/OC4
PWM1L/RE0
PWM1H/RE1
PWM2L/RE2
PWM2H/RE3
PWM3L/RE4
PWM3H/RE5
RF0
RF1
PGC/EMUC/U1RX/SDI1/SDA/RF2
PGD/EMUD/U1TX/SDO1/SCL/RF3
U2RX/CN17/RF4
U2TX/CN18/RF5
SCK1/RF6
FLTA/INT0/RE8
1
13
14
2
3
4
5
6
7
8
9
10
15
16
23
18
22
19
38
37
36
35
34
33
17
30
29
26
25
28
27
24
AV
DD
VD
D
VD
DV
SS
AV
SS
VS
S
VS
S
Entrada analoga
Swich 3
Sensor optico
Sensor magnético
Válvula de Sellado horizontal
Contactor Mezclador
Salida de reserva
Swich 1
Swich 2
PIC_OUT14
FX variador de arrastre
Reversa del variador de arrastre
Reserva para el variador de arrastre
Detector de cruce por cero
Entrada de reserva
RX
TX
Sincronización con el panel de visualización
33nF
33nF20MHz
1KOHM
VCC
dsPIC 30F3011
Válvula de sellado vertical
Salida de reserva
Controladores de temperatura
FX variador dosificador
Reversa del variador dosificador
Reserva para el variador dosificador
VCC
Figura 3.12. Distribución de pines del dsPIC30F3011
El dsPIC es el encargado de controlar el proceso de empacado y además posee
la función de almacenar los tiempos calibrados por el usuario, de forma que
pueda funcionar incluso sin el módulo visualizador, haciéndolo más versátil y
autónomo.
62
3.3.2.3. Detector de Cruce por cero
El módulo de control posee un detector de cruce por cero diseñado con un opto
acoplador como se ve en la Figura 3.13, el cual sirve de reserva para futuras
aplicaciones como un control de fase por ejemplo, haciendo al módulo de control
más versátil.
TRANSFORMADOR
1.5 KOHM4N35 1.5 KOHM
RE8
LED
Figura 3.13. Detector de cruce por cero
3.3.2.4. Entradas
Las entradas que posee el módulo de control son digitales y aisladas mediante
opto acopladores, los mismos que protegen al dsPIC de fallas externas. El circuito
diseñado para las entradas se lo puede observar en la Figura 3.14. Los elementos
de entrada que utilizan este circuito son los switches 1, 2 y 3, además de los
sensores óptico y magnético; los mismos que se conectan al terminal INx.
1 KOHM4N35 330 OHM
PIC_INx
12Vdc
INx
Vcc
LED
Figura 3.14. Circuito de aislamiento para las entradas
Las entradas PIC_IN2 hasta la PIC_IN6 estas están conectadas a los pines RD0,
RD1, RB2, RB3 y RB4 del microcontrolador respectivamente.
La entrada IN7 debe ser conectada a un switch a 12V dc o un sensor tipo PNP, y
su circuito interno está diseñado como se observa en la Figura 3.15. Esta entrada
se conecta al pin RF0 del dsPIC30F3011.
63
1 KOHM4N35 330 OHM
PIC_IN7IN7
Vcc
LED
Figura 3.15. Circuito de aislamiento para la entrada 7
El circuito completo de conexión de las entradas al módulo de control principal se
observa en la Figura 3.16.
12Vdc
IN2 IN3 IN4 IN5 IN6
SW1 SW2 SW3
SENSORMAGNÉTICO GSENSOR
ÓPTICO
cafe
azu
l
cafe
azu
l
neg
ro
neg
ro
Figura 3.16. Circuito de conexión de los elementos de entrada
3.3.2.5. Salidas por opto acoplador
Las salidas por opto acoplador son utilizadas para el encendido y apagado de los
variadores de velocidad. Estas salidas son contactos conectados en la bornera de
control de los variadores previamente configurados.
64
En la Figura 3.17 se observa el circuito implementado, donde VAR1 representa la
bornera de contactos del variador de velocidad de arrastre y VAR2 es el
correspondiente al motor dosificador.
4N35330 OHM
PIC_OUT1
RX VAR1
FX VAR1
COM VAR1
4N35330 OHM
PIC_OUT2
4N35330 OHM
PIC_OUT3
LED
LED
LED
4N35330 OHM
PIC_OUT4
RX VAR2
FX VAR2
COM VAR2
4N35330 OHM
PIC_OUT5
4N35330 OHM
PIC_OUT6
LED
LED
LED
Figura 3.17. Circuito salida para los variadores de velocidad
65
3.3.2.6. Salidas por Triac
Las salidas por triac son utilizadas para activar las electroválvulas, al relé de los
controladores y al contactor del motor mezclador. Estos dispositivos funcionan
con 120 Vac, consumen una corriente menor a 1 A y están protegidos por el
primer fusible ubicado en el panel frontal. El circuito de salida por triac
implementado se lo puede ver en la Figura 3.18.
MOC3020330 OHM
PIC_OUTx
OUTx
100 OHM
NEUTRO
LED
Figura 3.18. Circuito salida por triac
Las salidas PIC_OUT8 hasta la PIC_OUT13 están conectados a los pines RB5,
RB6, RB7, RB8, RC13 y RC14 del microcontrolador respectivamente. El circuito
de conexión de las salidas por triac se muestra en la Figura 3.19.
OUT10 OUT11 OUT12OUT8 OUT9
SelladoHorizontal
SelladoVertical Reserva
Controladde temp
Termico
Mezclador
FusibleF1 1A
FASE R
CAP
Figura 3.19. Circuito de conexión de elementos de salida
66
La bobina del contactor del motor de mezclado necesita un capacitor conectado
en paralelo con el objeto de disminuir su carga inductiva para que el triac se
pueda apagar cuando se quita la señal de control proveniente del
microcontrolador
3.3.2.7. Comunicación
La bornera de comunicación sirve para que el módulo visualizador permita realizar
un monitoreo de la máquina empacadora durante el proceso de empacado. En la
Figura 3.20 se observa los terminales utilizados para la comunicación.
RX
TX
SINC
Vcc
GND
Figura 3.20. Bornera de comunicación
El terminal SINC es utilizado por la tarjeta principal para enviar al visualizador un
trén de pulsos cuyo período es el tiempo de cada ciclo de empacado. Este trén de
pulsos es utilizado por el visualizador para calcular el número de fundas por
minuto producidas por la máquina empacadora.
3.3.3. IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL
Todos los circuitos diseñados están integrados en la placa de la Figura 3.21, Las
borneras de entradas y salidas son de acople fácil de forma que sea sencillo el
montaje o reemplazo de la tarjeta. El circuito impreso se alimenta con 12 Vac y
posee dos porta fusibles de protección para los sensores y para los
microcontroladores, cuya descripción en mayor detalle está en la Figura 3.22.
67
Figura 3.21. Tarjeta de control principal
La nomenclatura de la bornera de entradas se detalla en la Tabla 3.4. El circuito
interno de las entradas se lo puede ver en el circuito de la Figura 3.14 y 3.15.
ENTRADAS
NOMBRE DESCRIPCIÓN PIN MICRO
IN1 Detector de cruce por
cero
RB0
IN2 Switch 1 RD0
IN3 Switch 2 RD1
IN4 Switch 3 RB2
IN5 Sensor óptico RB3
IN6 Sensor magnético RB4
IN7 Reserva RF0
Tabla 3.4. Entradas del módulo de control principal
Las salidas por opto acopladores se encuentran en la parte inferior de la tarjeta y
son utilizadas únicamente para el accionamiento de los variadores de velocidad
como se especifica en la Tabla 3.5.
68
SALIDAS POR OPTO-ACOPLADOR
NOMBRE DESCRIPCIÓN PIN MICRO
OUT1 FX variador de arrastre RE0
OUT2 Reversa variador de arrastre RE1
OUT3 Reserva variador de arrastre RE2
OUT4 FX variador dosificador RE3
OUT5 Reversa variador dosificador RE4
OUT6 Reserva variador dosificador RE5
Tabla 3.5. Salidas por opto acoplador del módulo de control principal
Las salidas a triac manejan dispositivos que funcionan con 120 Vac y están
totalmente aislados del circuito del microcontrolador. Las salidas están
conectadas a los diferentes elementos como se indica en la Tabla 3.6.
SALIDAS POR TRIAC
NOMBRE DESCRIPCIÓN PIN MICRO
OTU8 Sellado horizontal RB5
OTU9 Sellado vertical RB6
OTU10 Reserva RB7
OTU11 Controladores de temperatura RB8
OTU12 Mezclador RC13
OTU13 Reserva RC14
Tabla 3.6. Salidas por triac del módulo de control principal
La bornera de comunicación sirve de interfaz para la conexión con el panel
visualizador, el cual está encargado del monitoreo y supervisión de la máquina.
Los terminales de la bornera de comunicación se detallan en la Tabla 3.7.
COMUNICACION CON EL VISUALIZADOR NOMBRE DESCRIPCIÓN PIN MICRO Vcc 5V VCC GND Tierra GND RX Recepción RF2 TX Transmisión RF3 SINC Sincronización RF5
Tabla 3.7. Comunicación con el Visualizador
69
6 5 4
1 2
U9
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
R21
10
0R
D9
LE
D
OU
T2
6 5 4
1 2
U8
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
R20
1k5
D8
LE
D
OU
T1
6 5 4
1 2
U10
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
R22
10
0R
D10
LE
D
OU
T3
6 5 4
1 2
U11
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
R23
10
0R
D11
LE
D
OU
T4
ZeroCrossing
1
2
6
4
U14
MO
C30
31M
R32
10
0R
R26
10
0R D14
LE
D
OUT8
N
U20
L2
00
4L6
OU
T8
PIN
ZeroCrossing
1
2
6
4
U15
MO
C30
31M
R33
10
0R
R27
10
0R D15
LE
D
OUT9
N
U21
L2
00
4L6
OU
T9
PIN
ZeroCrossing
1
2
6
4
U16
MO
C30
31M
R34
10
0R
R28
10
0R D16
LE
D
OUT10
N
U22
L2
00
4L6
OU
T10
PIN
ZeroCrossing
1
2
6
4
U17
MO
C30
31M
R35
10
0R
R29
10
0R D17
LE
D
OUT11
N
U23
L2
00
4L6
OU
T11
PIN
ZeroCrossing
1
2
6
4
U18
MO
C30
31M
R36
10
0R
R30
10
0R D18
LE
D
OUT12
N
U24
L2
00
4L6
OU
T12
PIN
6 5 4
1 2
U12
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
R24
10
0R
D12
LE
D
OU
T5
6 5 4
1 2
U13
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
R25
10
0R
D13
LE
D
OU
T6
ZeroCrossing
1
2
6
4
U19
MO
C30
31M
R37
10
0R
R31
10
0R D19
LE
D
OUT13
N
U25
L2
00
4L6
0U
T13
PIN
NE
UT
RO
PIN
OU
T1
OU
T2
OU
T3
OU
T5
OU
T4
OU
T6
OU
T8
OU
T9
OU
T1
0O
UT
11 O
UT
12
OU
T1
3
OU
T1
4
6 5 4
1 2
U1
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
D1
LE
D
R1
1k5
PIC
_IN
1
12 V
6 5 4
1 2
U2
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
D2
LE
D
R2
1k5
PIC
_IN
2
12 V
6 5 4
1 2
U3
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
D3
LE
D
R3
1k5
PIC
_IN
3
12 V
6 5 4
1 2
U4
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
D4
LE
D
R4
1k5
PIC
_IN
4
12 V
6 5 4
1 2
U5
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
D5
LE
D
R5
1k5
PIC
_IN
5
12 V
6 5 4
1 2
U6
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
D6
LE
D
R6
1k5
PIC
_IN
6
PIC
_IN
1P
IC_I
N2
PIC
_IN
3
PIC
_IN
4P
IC_I
N5
PIC
_IN
6
R10
47
0R
R11
47
0R R12
47
0R
R13
47
0R
R14
47
0R
R15
47
0R
12V
PIN IN2
PIN IN3
PIN IN4
PIN IN5
PIN IN6
PIN IN7
PIN GN
D
PIN
1 2 3 4
40 39 38 375
366
357
348
339
3210
3111
3012
2913
2814
2715
2616
2517
2418
2319
2220
21
J33
CO
NN
-DIL
40
CO
M1
CO
M1
OU
T1
PIN
OU
T2
PIN OU
T3
PIN CO
M1
PIN OU
T4
PIN OU
T5
PIN OU
T6
PIN
CO
M2
CO
M2
6 5 4
1 2
U7
OP
TO
CO
UP
LE
R-N
PN
D7
LE
D
R7
1k5
PIC
_IN
7
R16
47
0R
TX
RX
VC
C
VC
C
VC
CR8
1k5
C1
22p
X1
CR
YS
TA
L
C2
22p
CO
M2
PIN
PIC
_IN
7
VC
CP
INP
OT
1P
ING
ND
PIN
VC
C
POT1
PO
T1
J34
PIN J3
5
PIN
BR
1
B2
50
C10
00
C3
10
0uC
41
00u
VC
C
BR
2
B1
25
C10
00
VCCVCC VCC VCC VCC VCC
VCC
J36
PIN
J37
PIN
J38
PIN
J39
PIN
12
V
CO
M1
CO
M2
VC
C
VC
CP
ING
ND
PIN
RX
PIN
TX
PIN
SIN
CP
IN
VC
C
RX
TX
sinc
SINC
VI
1V
O3
GND2
U26
78
05
rojo
neg
rov
erd
eaz
ul
bla
nco
ver
de
azu
l
FU
SIB
LE
1
FU
SIB
LE
2
SA
LID
AS
PO
R O
PT
OA
CO
PL
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OR
SA
LID
AS
PO
R T
RIA
C
EN
TR
AD
AS
PO
R O
PT
OA
CO
PL
AD
OR
dsP
IC30
F30
11
FU
EN
TE
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N
EN
TR
AD
A A
NA
LO
GA
El circuito completo de la tarjeta de control principal se muestra en la Figura 3.22.
Figura 3.22. Circuito del módulo de control principal
70
Los otros dos controladores son los NX4 cuyo trabajo es calentar las mordazas de
sellado y mantenerlas a temperatura constante durante todo el proceso de
empacado.
3.4. PROGRAMACIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL
El dsPIC30F3011 está programado en lenguaje C utilizando el programa MikroC
4.0, mismo que posee librerías que facilitan el uso de los dispositivos que posee
el dsPIC. Las librerías utilizadas en el programa de control son las que se indican
en la Tabla 3.8.
TIPO COMANDO DESCRIPCIÓN
COMUNICACIÓN
UART1_INIT(*Valor)
Inicializa el puerto de comunicación serial
1 (UART1). Donde
Valor= Velocidad de transmisión = 19200
Uart_Write_char(*valor) Envía *valor por el puerto de
comunicación UART1
*Valor = Uart_Read_Char()
Lee el valor recibido por el puerto de
comunicación y lo almacena en el registro
llamado *valor
MEMORIA
EEPROM
Eeprom_Write(*DIR, *valor) Guarda el registro valor en la dirección de
memoria almacenado en el registro DIR
Valor= Eeprom_Read(*DIR)
Lee el número almacenado en la dirección
DIR y lo transfiere al registro llamado
Valor
RETARDOS Delay_ms(*Valor) Genera un retardo de tiempo en
milisegundos igual *valor
Tabla 3.8. Librerías utilizadas por el dsPIC30F3011
71
3.5. CONTROLADORES DE TEMPERATURA NX4
Los controladores NX4 funcionan con voltaje de alimentación de 100 a 240 Vac y
consumen una potencia de 6 W o 10 VA. Posee una fuente de poder de 24 V para
los sensores y una interfaz de comunicación RS485.
3.5.1. NOMENCLATURA DE LOS TERMINALES ELÉCTRICOS
Los terminales eléctricos de los controladores tienen la nomenclatura mostrada en
la Figura 3.23 y descrita en la Tabla 3.9.
Figura 3.23. Esquema eléctrico del controlador NX4
Terminal Descripción
4 y 5 Alimentación la energía en un rango de 100~240 VAC 50/60 Hz.
1 , 2 y 3 Salida de relé.
6 y 7 Salida SSR y SCR, se entregan pulsos de 24 Vdc o señales
moduladas de 4~20 mA.
8, 9 y 10 Los terminales para conectar el sensor
Tabla 3.9. Nomenclatura de los terminales del controlador NX4
72
3.5.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTROLADORES NX4
3.5.2.1. Entrada Los controladores NX4 pueden ser configurados para utilizar sensores como
termocuplas, RTD y señales análogas de voltaje o corriente. La máquina
empacadora de caramelo en polvo utilizan termocuplas tipo K, y debe ser
conectada en los terminales 9 y 10 como se indica en la Figura 3.24. Las
características de entradas están enumeradas en la Tabla 3.10.
Entrada Termocuplas: K, J, E, T, R, S, B, L, N, U, WRe 5-26, PL-II
RTD:Pt-100Ω, KPt-100Ω
DC: 1-5 V,-10~20mV,0~100mV
Tiempo de muestreo 250ms
Impedancia de Entrada T/C y Entrada en mV: 1MΩ min., VDC: 1MΩ
Voltaje de Entrada tolerable
± 10V (T/C, RTD, Voltaje: mV DC)
± 20V (Voltaje: V DC)
Nivel de ruido admitido NMRR (modo normal): 40 dB min
CMRR (modo común): 120 dB min. (50/60 Hz ± 1%)
Estándar T/C, RTD: KS, IEC, DIN
Tolerancia de compensación de temperatura de juntura estándar
± 1.5ºC (15~35ºC), ± 2.0ºC (0~50ºC)
Exactitud ± 0.5 % (escala completa)
Rango de entrada El voltaje mínimo y máximo están dentro del rango de medida permitido
Tabla 3.10. Características de las entradas del controlador NX4
3.5.2.2. Salidas
Los controladores NX4 tienen varios tipos de salidas para realizar control, las
salidas son para alarma, control y retransmisión.
La salida de alarma es a relé y tiene una capacidad de 240 V y 1 A, la salida de
retransmisión es de corriente y tiene un rango de salida de 4 a 20 mA.
73
Finalmente, la salida de control puede ser a relé, relé de estado sólido o salida de
corriente de 4 a 20 mA; todas estas son descritas en la Tabla 3.11.
La máquina empacadora utiliza la salida de control a relé para el encendido y
apagado de las niquelinas a través de relés de estado sólido.
3.5.2.3. Salidas de Control
Salida de Relé
Capacidad de contacto 240 VAC 3 A, 30 VDC 3 A(carga
resistiva)
Operación de Salida : Control PID,ON/OFF
Ciclo proporcional: 1 ~ 1000 seg
Tiempo de resolución: 0.1% o 10 ms
SSR Voltaje de Salida
ON voltaje: 24 VDC min.(carga resistiva 600 Ω min., 30mA)
OFF voltaje: 0.1 VDC max.
Ciclo proporcional: 1 ~ 1000 seg
Operación de Salida: Control PID
Tiempo de resolución: 0.1% o 10 ms
Corriente de Salida
Rango de la Corriente de Salida: 4~20 mA DC
Carga resistiva: 600 Ω max
Tiempo de muestreo: 250 ms
Operación de salida: control PID
Tabla 3.11. Salidas de control del controlador NX4 3.5.3. CIRCUITO DE CONEXIÓN DE LOS CONTROLADORES DE TEMPERATURA NX4 3.5.3.1. Controlador de Sellado Vertical El controlador de sellado vertical posee un fusible diferente al utilizado por la
niquelina, esto es con el objeto de tener una mejor protección para el controlador.
Por motivos de balanceo de carga, la niquelina está conectada a una fase
diferente a la del controlador y a la de las otras niquelinas, como se observa en el
circuito de la Figura 3.24.
74
Figura 3.24. Circuito eléctrico del controlador de sellado vertical
En la Tabla 3.12 se puede ver la nomenclatura de los elementos que intervienen
en el circuito eléctrico para el sellado vertical
Nombre Descripción
CT1 Controlador NX4 de sellado vertical
11R1 Relé de activación de los controladores, este es
F51A
4 5
Controlador detemperatura
NX-4
CT1
POWER1
2
3
9
10
OUT1
TC
HSR-2A402Z
90 - 264 VACLOAD
INPUT90 - 264 VAC
1 2
4 3
F25A
R1MORDAZAVERTICAL
11R1
Termocuplatipo K
RS1
FA
SE
R
NE
UT
RO
FA
SE
T
NE
UT
RO
75
F61A
4 5
Controlador detemperatura
NX-4
CT2
POWER1
2
3
9
10
OUT1
TC
HSR-2A402Z
90 - 264 VACLOAD
INPUT90 - 264 VAC
1 2
4 3
F35A
R2
11R1
Termocuplatipo K
RS2
R3
FA
SE
R
NE
UT
RO
FA
SE
S
NE
UT
RO
MORDAZASDE SELLADOHORIZONTAL
activado por el Módulo de Control Principal
RS1 Relé de estado sólido
R1 Niquelina de sellado vertical
Tabla 3.12. Nomenclatura del circuito de sellado vertical
3.5.3.2. Controlador de Sellado Horizontal
El sellado horizontal se diferencia del anterior en que conecta dos niquelinas en
paralelo, es decir consume más potencia que el sellado vertical. El controlador
NX4 posee un fusible exclusivo para su protección y otro para el circuito de
potencia como se observa en la Figura 3.25.
Figura 3.25. Circuito eléctrico del controlador de sellado Horizontal
76
La nomenclatura en el circuito de sellado horizontal es parecido al de sellado
vertical, salvo pequeñas excepciones que se pueden ver en la Tabla 3.13.
Nombre Descripción
CT2 Controlador NX4 de sellado horizontal
11R1 Relé de activación de los controladores, este es
activado por el Módulo de Control Principal
RS2 Relé de estado sólido
R2 y R3 Niquelinas de sellado horizontal
Tabla 3.13. Nomenclatura del circuito de sellado horizontal
5.3.4. CALIBRACIÓN DEL CONTROLADOR PID
Pero los controladores NX4 tienen la función de autotuning o autosincronización,
la misma que realiza la calibración automática del PID, es decir, encuentra los
valores más óptimos de las constantes Kp, Ti y Td. Esta es una herramienta muy
importante, ya que ahorra tiempo y brinda mayor confiabilidad al propietario..
Para realizar la autosincronización se deben seguir algunos pasos descritos en el
Anexo C.
3.6. VARIADORES DE VELOCIDAD
3.6.1. MONTAJE DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD
El montaje de los variadores de velocidad debe cumplir con las siguientes
normas. Las distancias mínimas de instalación deben ser indicadas en la Figura
3.26.
77
Figura 3.26. Distancias mínimas de instalación del variador de velocidad
Por tratarse des dos variadores de velocidad es importante notar la distribución en
la que deben ser instalados para un mejor funcionamiento. La posición más
apropiada es la que se indica en la Figura 3.27, con el objeto de mantener la
temperatura ambiente en el rango permisible.
Figura 3.27. Instalación de dos variadores de velocidad
3.7.2. INSTALACIÓN DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD
Los elementos que componen el circuito de fuerza de los variadores de velocidad
se indica en la Tabla 3.14. Los elementos fueron dimensionados tomando en
cuenta las características de los motores y las recomendaciones del fabricante.
78
Fuente
AC 3 x 220Vac
Breaker 3 x 10A
Contactor
magnético Contactor trifásico de 9A
Reactores
AC y DC
No utilizado por tratarse de motores menores a 1HP y
un distancias menores a 1m
Fusibles Dosificador Arrastre
3 x 6A 3 x 6A
Tipo SV008iG5-2 SV008iG5-2
Cableado 3x 14AWG (14) 3x 14AWG (14)
Motor
P nominal: 1 HP
I nominal: 3.8 A
V nominal: 220-230 V
RPM: 1695
Frecuencia: 60 Hz
P nominal: 0.5 HP
I nominal: 1.91 A
V nominal: 220-230 V
RPM: 1670
Frecuencia: 60 Hz
Tabla 3.14. Diseño del circuito de fuerza del dosificador y arrastre
3.7.3. CIRCUITO DE CONTROL DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD
Los variadores de velocidad son configurados para funcionar con el circuito de la
Figura 3.28. Para el caso del motor de arrastre la salida OUT1 arranca el motor,
OUT2 lo hace girar en reversa y el potenciómetro POT1 controla la velocidad
dependiendo de su posición, es decir, cuando en la entrada análoga hay 0V
funciona a su frecuencia mínima y en 10V a su frecuencia máxima.
Para el caso del motor dosificador se utilizan las salidas OUT4 y OUT5, de la
tarjeta de control, para el accionamiento del inversor y la variación de velocidad se
la realiza mediante el potenciómetro POT2 ubicado en el panel frontal.
79
Salida multifunción a colector abierto
Común de la salida M
Salida de 24V
Terminales deentrada
Terminales deentrada
Terminales deentrada
FX: encender
RX: encender reversa
Común de los terminales de entrada
BX: freno de emergencia
RST: reset
JOG: terminal operación
Común de los terminales de entrada
Paso de frecuencia-bajo
Paso de frecuencia-medio
Paso de frecuencia-alto
Fuente de 10V para potenciómetro
Señal de voltaje de entrada: 0 -10V
Señal de corriente de entrada: 0 -20mA
Señal de voltaje de salida: 0 -10V
Terminales desalida tipo relé
multifunción
Contacto de salida A
Contacto de salida B
Contacto comun A/B
Terminales de comunicación RS485
OUT1
OUT2
POT1
Figura 3.28. Diagrama de control de los variadores de velocidad
3.7.4. CIRCUITO DE CONECCIÓN DE LOS VARIADORES
3.7.4.1. Variador de Arrastre
El variador de velocidad encargado de realizar el arrastre está conectado de
acuerdo al circuito de la Figura 3.29.
80
FUSIBLESDE 6A
U V W PE
4x14 AWG
M3Ø
2M1
MO
MG
24
P1
P2
CM
P3
P4
P5
CM
P6
P7
P8
VR
V1
I
AM
L1 L2 L3
U V W PE
Variador deVelocidadSV008IG5A-2
0 - 24Vcc
DOUT
OPTO
A2OUT1 Com1OUT2
POT1
0.5HP230Vac YY1.91A1670RPM60Hz
R S TGND
Figura 3.29. Circuito eléctrico del sistema de arrastre
3.7.4.2. Variador dosificador
El variador de velocidad encargado de realizar la dosificación está conectado de
acuerdo al circuito de la Figura 3.30.
81
FUSIBLESDE 6A
U V W PE
4x14 AWG
M3Ø
3M1
MO
MG
24
P1
P2
CM
P3
P4
P5
CM
P6
P7
P8
VR
V1
I
AM
L1 L2 L3
U V W PE
Variador deVelocidadSV008IG5A-2 POT2
R S TGND
0 - 24Vcc
DOUT
OPTO
A2OUT4 Com2OUT5
1HP230Vac YY3.8A1695RPM60Hz
Figura 3.30. Circuito eléctrico del sistema de dosificación
3.8. MONTAJE DEL TABLERO DE CONTROL
El tablero de control está constituido por varios sectores los cuales se detallan en
las Figuras 3.31 y 3.32.
82
MODULO DECONTROLPRINCIPAL
CONTACTORPRINCIPAL DEALIMENTACION
Bornera dealimentación
Relé paraencendido de loscontroladores de
temperaturaFusibleprincipal
Fusibles deprotección para
los motores
Bornera de conexión delos elementos de entrada
Variador dedosificación
Variador dearrastre
Contactor delmezclador
Bornera de tierray control
Relés de estadosolido
Figura 3.31. Montaje del tablero de control
PANELVISUALIZADOR
Controladores detemperatura
Pulsantes ON/OFF
Swiches de inicio
Fusibles sobrepuestos
Figura 3.32. Montaje del panel frontal
83
CAPÍTULO 4
IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y
MONITOREO DE LA MÁQUINA
4.1. DESCRIPCIÓN DEL PANEL VISUALIZADOR
El panel visualizador es un sistema microprocesado basado en el
microcontrolador dsPIC30F4011. Este se encarga del monitoreo y calibración de
la máquina empacadora de caramelo en polvo. El módulo visualizador se
comunica con el Módulo de Control Principal serialmente. El panel visualizador se
lo puede observar en la Figura 4.1.
Teclado Potenciómetros
Display grafico240x128
Figura 4.1. Panel visualizador
Las funciones que realiza el panel visualizador son:
· Se comunica vía serial con el módulo de control principal.
· Permite realizar ajuste de los tiempos de cada etapa del proceso
· Permite monitorear el accionamiento de los elementos de la máquina
84
· Permite el accionamiento manual de todas las salidas conectadas al
Módulo de Control Principal.
· Lleva un registro de la producción total de fundas conformadas.
· Lleva un registro de la producción de fundas llenas con polvo.
· Lleva un registro de la producción semanal.
· Permite visualizar el número de fundas elaboradas por minuto.
· Lleva un registro de horas de trabajo.
· Lleva un registro de número de paradas diarias de la máquina.
4.2. FUNCIONAMIENTO DEL PANEL VISUALIZADOR
El panel de visualización consta de tres sectores los cuales son: un display
gráfico, un teclado y dos potenciómetros. Los mismos que tienen varias funciones
que las realizan en forma secuencial y contínua como se muestra en la Figura 4.2.
Las etapas que cumple el panel visualizador son las siguientes:
· Inicialización
· Programa principal
INICIO
Configuración depuertos
Lectura dememoriaEEPROM
Lectura del relojcalendario
Visualización de lapantalla inicial
Visualización dePantalla principal
INIC
IAL
IZA
CIO
N
1
85
Barrido de teclado
Lectura del puertode comunicacion
Lectura del pin desincronización
PROGRAMA
Lectura del relojcalendario
PR
OG
RA
MA
PR
INC
IPA
L
1
Figura 4.2. Funcionamiento del panel visualizador
4.3. INICIALIZACIÓN
El proceso de inicialización consta de varias etapas que se describen a
continuación:
· Configuración de puertos
· Lectura de la memoria EEPROM
· Lectura del reloj calendario
· Visualización de la pantalla principal
86
4.3.1. CONFIGURACIÓN DE PUERTOS
El panel visualizador posee un control central realizado por el microcontrolador
dsPIC30F4011, el mismo que maneja los diferentes dispositivos conectados,
como se observa en la Figura 4.3. Los elementos conectados son un LCD gráfico,
un teclado y el integrado ds1307. Además posee un interfaz de comunicación con
el Módulo de Control Principal.
dsPIC30F4011Módulo de control
principal
LCD GRAFICO240x128
Reloj calendariods1307
Teclado
RS232 I2C
Figura 4.3. Estructura del Panel Visualizador
4.3.1.1. Microcontrolador DSPIC30f4011
El dsPIC30F4011 posee casi las mismas características que el dsPIC30F3011
utilizado en el Módulo de Control Principal, la única diferencia es la memoria de
programa disponible en el micro, como se puede observar en la Tabla 4.1.
Controlador Memoria de programa
dsPIC30F3011 24K/8K
dsPIC30F4011 48K/16K
Tabla 4.1. Memoria de programa de los dsPIC30F
87
Al trabajar con un LCD gráfico es necesario contar con suficiente espacio en la
memoria de programa al momento de realizar animaciones como la desarrollada,
razón por la cual se utiliza el microcontrolador dsPIC30F4011
La asignación de pines del microcontrolador se muestra en la Tabla 4.2, así como
también la descripción de cada pin utilizado.
PINES dsPIC USOS DESCRIPCIÓN
RB0 – RB7 DB0 – DB7 Bus de datos del LCD grafico
RB8 NC No utilizado
RC13 RX Recepción de comunicación con el MCP
RC14 TX Transmisión de comunicación con el MCP
RD0 RTC-OUT Onda cuadrada del RTC a 1Hz de frec.
RD1 DOWN Tecla hacia abajo
RD2 SAVE/SEND Tecla de guardar y enviar
RD3 NC No utilizado
RE0 P1 Tecla de P1
RE1 P2 Tecla de P2
RE3 P3 Tecla de P3
RE4 UP Tecla hacia arriba
RE5 LEFT Tecla hacia la izquierda
RE6 RIGTH Tecla hacia la derecha
RF0 CD Bus de control del LCD
RF1 RD Bus de control del LCD
RF2 SDA Línea de datos del ds1307
RF3 SCL Línea reloj del ds1307
RF4 RST Bus de control del LCD
RF5 WR Bus de control del LCD
RF6 CE Bus de control del LCD
Tabla 4.2. Distribución de pines del dsPIC30F4011
El dsPIC30F4011 trabaja con un cristal de 20 MHz y una resistencia de 1 KOhm
en el pin de MCLR. El circuito implementado se puede observar en la Figura 4.4.
88
OSC1/CLKI
OSC2/CLK0/RC15
RB0/EMUD3/AN0/VREF+/CN2
RB1/EMUC3/AN1/VREF-/CN3
RB2/AN2/SS1/CN4
RB3/AN3/INDX/CN5
RB4/AN4/QEA/IC7/CN6
RB5/AN5/QEB/IC8/CN7
RB6/AN6/OCFA
RB7/AN7
RB8/AN8
MCLR
VD
D
RC13/EMUD1/SOSCI/T2CK/U1ATX/CN1
RD0/EMUC2/OC1/IC1/INT1
RC14/EMUC1/SOSCO/T1CK/U1ARX/CN0
RD1/EMUD2/OC2/IC2/INT2
RD2/OC3
RD3/OC4
PWM1L/RE0
PWM1H/RE1
PWM2L/RE2
PWM2H/RE3
PWM3L/RE4
PWM3H/RE5
RF0
RF1
PGC/EMUC/U1RX/SDI1/SDA/RF2
PGD/EMUD/U1TX/SDO1/SCL/RF3
U2RX/CN17/RF4
U2TX/CN18/RF5
SCK1/RF6
FLTA/INT0/RE8
1
13
14
2
3
4
5
6
7
8
9
10
15
16
23
18
22
19
38
37
36
35
34
33
17
30
29
26
25
28
27
24
AV
DD
VD
D
VD
DV
SS
AV
SS
VS
S
VS
S
DB5
RX
TX
RTC-OUT
P7
CE
SINC
SDA
SCL
WR
33nF
33nF
20MHz
1KOHM
VCC
dsPIC 30F4011
DB6
DB7
DB1
DB2
DB3
DB4
DB0
P8 RST
RD
CD
P1
P2
P3
P4
P5
P6
VCC
Figura 4.4. Circuito de conexión del dsPIC30F4011
4.3.2. LECTURA DE LA MEMORIA EEPROM
Para continuar con el proceso de inicialización se deben leer los datos
almacenados en la memoria del microcontrolador para actualizar los datos hasta
el momento obtenidos. Los valores que son almacenados son los siguientes:
· Tiempos asignados a cada etapa del proceso de empacado
· Valor de producción total
· Valor de producción de fundas llenas
· Horómetro
· Producción diaria
89
4.3.2.1. Tiempos del proceso de empacado
Estos valores de tiempos son transmitidos al Módulo de Control Principal y sirven
para realizar el proceso de empacado. Los valores de tiempos son almacenados
en las localidades de memoria mostrados en la Tabla 4.3.
Nombre Dirección Descripción
T1 0x7FFC10
Tiempo máximo desde el accionamiento del
sellado horizontal hasta la activación del sensor
magnético.
T2 0x7FFC12 Tiempo desde la activación del sellado vertical
hasta el inicio de la dosificación.
T3 0x7FFC14 Tiempo de dosificación.
T4 0x7FFC16 Retardo entre la dosificación y el arrastre.
T5 0x7FFC18 Tiempo de espera para el inicio de la lectura del
sensor óptico.
T6 0x7FFC1A Retado luego de la detección de la marca hasta el
fin del arrastre.
T7 0x7FFC1C Retardo para el inicio del nuevo ciclo
Tabla 4.3. Localidades de memoria utilizadas para almacenar los tiempos
4.3.2.2. Valor de producción total
El panel visualizador almacena el número de fundas elaboradas, incluidas las
vacías. Por tratarse de un valor extremadamente alto se almacenan en cuatro
localidades, dispuestas como se muestra en la Figura 4.5.
alto Medio_alto Medio_bajo bajo
0 - 99
Producción total
100 - 999910000 - 9999991000000 - 255999999
Figura 4.5. Valor de producción total
90
Las localidades de memorias utilizadas para almacenar el valor de producción
total se detallan en la Tabla 4.4.
Nombre Dirección Descripción
bajo 0x7FFC20 Dígitos menos significativos de producción total,
su valor va desde 0 a 99
Medio_bajo 0x7FFC22 Dígitos de producción total cuyo valor va desde
100 a 9999
Medio_alto 0x7FFC24 Dígitos de producción total cuyo valor va desde
10000 a 999999
alto 0x7FFC26 Dígitos más significativos de producción total, su
valor va desde 1000000 a 255999999
Tabla 4.4. Localidades de memoria utilizadas para almacenar la producción
4.3.2.3. Valor de producción de fundas llenas
El panel visualizador almacena el número de fundas llenas. Este valor también se
almacena en cuatro localidades diferentes como se muestra en la Figura 4.6.
altoL Medio_altoL Medio_bajoL bajoL
0 - 99
Producción de fundas llenas
100 - 999910000 - 9999991000000 - 255999999
Figura 4.6. Valor de producción de fundas llenas
Las localidades de memorias utilizadas para almacenar el valor de producción de
fundas llenas se detalla en la tabla 4.5.
Nombre Dirección Descripción
bajoL 0x7FFC30 Dígitos menos significativos, su valor va desde 0 a
99
91
Medio_bajoL 0x7FFC32 Dígitos desde 100 a 9999
Medio_altoL 0x7FFC34 Dígitos desde 10000 a 999999
altoL 0x7FFC36 Dígitos más significativos y su valor va desde
1000000 a 255999999
Tabla 4.5. Localidades de memoria de la producción de fundas llenas
4.3.2.4. Horómetro
El panel visualizador almacena el número de horas que permanece encendida la
máquina con el fín de conocer su comportamiento y poder establecer un
calendario de mantenimiento.
Este valor es también alto y se almacena en tres registros como se muestra en la
Figura 4.7.
Hora_a Hora_m Hora_b
0 - 99
Horometro
100 - 999910000 - 2559999
Figura 4.7. Horómetro
Las fracciones de horas también son almacenadas en un cuarto registro llamado
horómetro. Todos estos registros son almacenados en las localidades detalladas
en la Tabla 4.6.
Nombre Dirección Descripción
horometro 0x7FFC28 Registro de almacenamiento del número de
minutos para el contador de horas
Hora_b 0x7FFC38 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0
a 99.
Hora_m 0x7FFC3A Dígitos desde 100 a 9999
Hora_a 0x7FFC3C Dígitos desde 10000 a 2559999
Tabla 4.6. Localidades de memoria del contador de horas
92
4.3.2.5. Producción diaria
El panel visualizador almacena valores de producción total de cada día de la
semana, y este valor es almacenado en tres registros por su tamaño. Su
distribución se ilustra en la Figura 4.8.
Lunes_a Lunes_m Lunes_b
0 - 99
Historial diario
100 - 999910000 - 2559999
Figura 4.8. Valor de historial diario
El registro Lunes_g almacena la fecha en la que se registró el valor de
producción, esto se realiza con el objeto de encerar el contador cada semana.
Finalmente el registro Lunes_c es un contador del número de paradas diarias de
la máquina.
Los registros de cada día se configuran de igual manera que el mencionado
anteriormente y las localidades usadas se detallan en la Tabla 4.7.
Nombre Dirección Descripción
Lunes_b 0x7FFC40 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0
a 99.
Lunes_m 0x7FFC42 Dígitos desde 100 a 9999
Lunes_a 0x7FFC44 Dígitos desde 10000 a 2559999
Lunes_g 0x7FFC46 Fecha de almacenamiento de producción del día
lunes
Lunes_c 0x7FFC48 Número de paradas del día lunes
Martes_b 0x7FFC50 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0
a 99.
Martes_m 0x7FFC52 Dígitos desde 100 a 9999
Martes_a 0x7FFC54 Dígitos desde 10000 a 2559999
93
Martes_g 0x7FFC56 Fecha de almacenamiento de producción del día
martes
Martes_c 0x7FFC58 Número de paradas del día martes
Miércoles_b 0x7FFC60 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0
a 99.
Miércoles_m 0x7FFC62 Dígitos desde 100 a 9999
Miércoles_a 0x7FFC64 Dígitos desde 10000 a 2559999
Miércoles_g 0x7FFC66 Fecha de almacenamiento de producción del día
miercoles
Miércoles_c 0x7FFC68 Número de paradas del día miercoles
Jueves_b 0x7FFC70 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0
a 99.
Jueves_m 0x7FFC72 Dígitos desde 100 a 9999
Jueves_a 0x7FFC74 Dígitos desde 10000 a 2559999
Jueves_g 0x7FFC76 Fecha de almacenamiento de producción del día
jueves
Jueves_c 0x7FFC78 Número de paradas del día jueves
Viernes_b 0x7FFC80 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0
a 99.
Viernes_m 0x7FFC82 Dígitos desde 100 a 9999
Viernes_a 0x7FFC84 Dígitos desde 10000 a 2559999
Viernes_g 0x7FFC86 Fecha de almacenamiento de producción del día
viernes
94
Viernes_c 0x7FFC88 Número de paradas del día viernes
Sábado_b 0x7FFC90 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0
a 99.
Sabado_m 0x7FFC92 Dígitos desde 100 a 9999
Sabado_a 0x7FFC94 Dígitos desde 10000 a 2559999
Sábado_g 0x7FFC96 Fecha de almacenamiento de producción del día
sábado
Sábado_c 0x7FFC98 Número de paradas del día sábado
Tabla 4.7. Localidades de memoria de producción diaria
4.3.3. LECTURA DEL RELOJ CALENDARIO
El integrado ds1307 es un reloj calendario BCD de baja potencia con 56 bytes de
memoria no volátil SRAM. Las direcciones y datos son transferidos vía
comunicación serial bidireccional en un bus de dos cables. El reloj calendario
posee información de segundos, minutos, horas, día, fecha, mes y año. Cada fín
de mes la fecha es actualizada automáticamente incluyendo los meses de 31
días. El ds1307 tiene la opción de trabajar 24 horas o 12 horas con formato AM y
PM.
El reloj calendario ds1307 tiene la distribución de pines mostrada en la Figura 4.9.
Figura 4.9. Distribución de pines del ds1307
La nomenclatura de los terminales del integrado ds1307 se muestra en la Tabla
4.8.
95
Terminal Descripción
VCC Terminal de la fuete de alimentación
Vcc = 5Vdc
X1, X2 Cristal de 32.768 KHz
VBAT Batería de +3 V
GND Tierra
SDA Terminal de datos
Es un terminal bi-direccional a colector abierto, y
necesita resistencia de pull up
SCL Terminal de reloj
Es usado para sincronizar los datos en la comunicación
serial
SQW/OUT Salida de onda cuadrada
Es una salida que genera un tren de pulsos a la
frecuencia seleccionada.
Tabla 4.8. Tabla de nomenclatura del reloj calendario ds1307
El ds1307 trabaja como esclavo en el bus de comunicación serial. El acceso al
reloj calendario es obtenido por una señal de inicio seguida por el registro de
dirección, entonces se tiene acceso a los datos hasta que la secuencia de parada
sea ejecutada.
Cuando el voltaje de alimentación es menor a 1.25xVbat el dispositivo termina la
comunicación y resetea el contador de direcciones del integrado, en este tiempo
no se reconoce las señales de entrada para evitar errores.
En la Figura 4.10 se muestra el diagrama de los principales elementos del reloj
calendario en tiempo real.
96
Figura 4.10. Diagrama de bloque del reloj calendario ds1307
4.3.3.1. RTC y Mapa de memoria RAM
El mapa de memoria del reloj calendario se muestra en la Figura 4.11. Los
registros del reloj calendario utilizan las direcciones 00h hasta 07h. Los registros
de la memoria RAM están localizados desde la dirección 08h hasta la 3Fh.
SEGUNDOS
MINUTOS
HORAS
DIA
FECHA
MES
AÑO
CONTROL
RAM56x8
00H
07H08H
3FH
Figura 4.11. Mapa de memoria del ds1307
97
La información del reloj calendario se obtiene leyendo los registros de los bytes
apropiado ilustrados en la Figura 4.12. La hora y fecha es inicializada escribiendo
en los bytes apropiados, estos son contenidos en formato BCD (Binary-Code
Decimal). El bit 7 del registro 0 es el bit (CH), cuando es cero el oscilador es
habilitado, por el contrario cuando es uno el oscilador es deshabilitado.
El ds1307 puede funcionar en modo de 12 o 24 horas, este modo es seleccionado
con el bit 6 del registro de horas, es decir el bit 12/24. Cuando este bit es uno
funciona en modo de 12 horas y el bit 5 indica si es AM o PM. Si el bit 12/24 es
cero funciona en modo de 24 horas.
CH 10 SEGUNDOS00H
07H
SEGUNDOS
X 10 MINUTOS MINUTOS
X HORAS10 HR24
12 10 HR
A/P
X DAYXX X X
X 10 FECHA FECHAX
X 10 MES MESX
AÑO10 AÑO
BIT7 BIT0
00-59
00-59
01-1200-23
0-7
01-28/2901-3001-31
01-12
00-99
X OUT X SQWE X X RS1 RS0
Figura 4.12. Estructura de los bytes del reloj calendario
El registro de control del reloj calendario ds1307 es utilizado para la configuración
del pin de salida. La señal cuadrada de salida es habilitada por el bit SQWE. Si el
bit SQWE es cero la salida es la misma que la del bit OUT del registro de control,
mostrado en la Figura 4.13.
Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
OUT X X SQWE X X RS1 RS0
Figura 4.13. Byte de control del integrado ds1307
98
Cuando SQWE está en nivel alto el pin de salida genera una señal cuadrada cuya
frecuencia depende del valor de los bits RS0 y RS1. La Tabla 4.9 muestra las
frecuencias que pueden ser seleccionadas con los bits RS0 y RS1.
RS1 RS0 Frecuencia de la
salida SQW
0 0 1 Hz
0 1 4 KHz
1 0 8 KHz
1 1 32 KHz
Tabla 4.9. Frecuencia de salida
4.3.3.2. Bus de datos de comunicación serial
El interfaz de comunicación utilizado para la lectura y escritura del reloj calendario
es el protocolo de comunicación I2C, cuya conexión entre dispositivos se muestra
en la Figura 4.14.
SDA
SCL
dsPIC30F4011
DS1307Reloj
calendario
VCC
RPRP
BUS DEDATOS I2C
Figura 4.14. Bus de datos para comunicación I2C
Donde
Este valor de resistencia es recomendado por el fabricante del circuito integrado
ds1307.
99
4.3.3.3. Escritura de datos en el reloj calendario
El reloj calendario siempre está en modo esclavo del protocolo I2C, cuya dirección
se muestra en la trama de la Figura 4.15. Los siete primeros bits trasmitidos son
la dirección del dispositivo esclavo, en este caso el reloj calendario. El octavo bit
determina si el maestro desea leer o escribir datos en el RTC. Si el bit es cero el
maestro va a escribir datos en el RTC, en cambio sí, el bit es uno el maestro leerá
los registros del reloj calendario.
En el caso de escritura el segundo byte es la dirección del registro que el maestro
desea escribir. Los bytes que siguen en la trama son los valores que van a ser
escritos en el RTC. Cuando se termina de enviar los datos el maestro se genera
una señal de parada que finaliza la comunicación.
S 1101000 0 XXXXXXXXA XXXXXXXXA XXXXXXXXA XXXXXXXXA A PDirección del esclavo R
/W
Dirección del registro [n] Dato [n] Dato [n+1] Dato [n+2]
Datos transmitidos
S = Señal de inicioA = Acknowledge
A = Sin AcknowledgeP = Señal de parada
Figura 4.15. Trama de datos de escritura al RTC
4.3.3.4. Lectura de Datos en el Reloj Calendario
La trama de lectura es similar a la de escritura, de igual forma los primeros siete
bits son la dirección pero en este caso el octavo bit es 1, es decir, el comando de
lectura. Los siguientes bits son transmitidos desde el RTC hacia el
microcontrolador. La dirección del registro del primer byte leído es al que se
apuntó; por última vez en la trama de escritura. En la Figura 4.16 se observa la
trama de lectura del reloj calendario.
100
S 1101000 1 XXXXXXXXA XXXXXXXXA XXXXXXXXA XXXXXXXXA A PDirección del esclavo R
/W
Dato [n] Dato [n+1] Dato [n+2]
Datos transmitidos
S = Señal de inicioA = Acknowledge
A = Sin AcknowledgeP = Señal de parada
Dato [n+x]
Figura 4.16. Trama de datos de lectura del RTC
4.3.3.5. Circuito Implementado
El circuito electrónico del reloj calendario DS1307 se muestra en la Figura 4.17.
Los dos cables de comunicación serial tienen una resistencia de pull up cada una
de 10 Kohm recomendadas por el fabricante. La batería conectada al terminal 3
del reloj calendario sirve para evitar que este se detenga cuando la máquina se
apague.
RF2
RF3
dsPIC30F4011
DS1307
VCC
10K10K
SDA
SCL
32.768KHz
Bateria de3V
1
2
3
5
6
7 OUT
X1
X2
BAT
VCC
VCC
GNDRD0 +
4
8
330OHM
Figura 4.17. Circuito de conexión del reloj calendario
El tercer cable es la salida de frecuencia del reloj calendario, la cual debe
configurarse para generar pulsos de 1Hz. Esta señal es utilizada para la
actualización de la hora y fecha en el panel visualizador. Para generar una
frecuencia de 1Hz el byte de control debe configurarse como se muestra en la
Figura 4.18.
Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0
0 0 0 1 0 0 0 0
Figura 4.18. Byte de control para frecuencia de 1Hz
101
4.3.4. VISUALIZACION DE PANTALLA PRINCIPAL
El monitoreo de la empacadora se realiza utilizando un LCD gráfico detallado a
continuación.
4.3.4.1. LCD Gráfico 240x128 con Controlador T6963c
Es un LCD gráfico monocromático de 240x128 pixeles de resolución, y es
manejado por el controlador T6963C de marca TOSHIBA. El LCD es utilizado
para la presentación de la animación en tiempo real, de la máquina empacadora y
además presenta los valores de producción.
Este LCD es una matriz de 240x128 pixeles monocromáticos montados sobre una
luz proveniente de un led que ayuda a la lectura del los gráficos mostrados en el
mismo.
El display gráfico tiene 22 puntos de conexión, de los cuales 8 son el bus de datos
y 4 el bus de control. Para esta aplicación se utilizan únicamente los terminales
del bus de datos y control mencionados anteriormente; los demás quedaran sin
conexión. La mayor parte de los terminales utilizados son conectados
directamente al dsPIC para su control. La estructura interna del LCD gráfico se la
observan en la Figura 4.19.
Figura 4.19. Estructura interna del LCD gráfico con controlador T6963C
102
Los terminales del LCD gráfico son conectados al dsPIC como se muestra en la
Tabla 4.10.
GLCD Descripción dsPIC30F4011
WR Control de escritura RF5
RD Control de lectura RF1
CE Terminal de habilitación RF6
C/D Control de texto o gráfico RF0
RST Reiniciar el controlador RF4
DB0-DB7 Bus de datos RB0 – RB7
V0 Control de contraste. Potenciómetro
Tabla 4.10. Terminales del LCD gráfico y dsPIC
El control de contraste se realiza con un voltaje variable de entrada de 0 a 10V,
este voltaje es variado con la ayuda de un potenciómetro conectado a VDD en un
extremo y a tierra en el otro, como se muestra en el diagrama de conexión de la
Figura 4.20. El LCD gráfico posee además de un 11backlight o luz de fondo
proveniente de un led cuyos terminales son LEDK Y LEDA.
Vcc
V0
GN
D
GN
D
WR
RD
CE
CD
RS
T
DB
0D
B1
DB
2D
B3
DB
4
DB
5
DB
6
DB
7
GN
D
VO
UT
DB
0D
B1
DB
2D
B3
DB
4
DB
5
DB
6
DB
7
RS
TC
D
CE
RD
WR
Vcc
Figura 4.20. Diagrama de conexión del LCD gráfico
11
Backlight. Ver glosario de términos
103
4.3.5. PANTALLA PRINCIPAL DEL PANEL DE VISUALIZACIÓN
La pantalla principal se divide en los sectores mostrados en la Figura 4.21 y son:
· Estado de la máquina
· Simulación de la empacadora
· Tiempos del proceso
· Producción
· Horas de trabajo
· Fecha y hora
SIMULACIONDE LAEMPACADORA TIEMPOS DEL PROCESO
PRODUCCIÓNTOTAL
PRODUCCIÓN DEFUNDAS LLENAS
HODOMETRO
RELOJ
ESTADO DE LA EMPACADORA FUNDAS POR MINUTOPRODUCIDASFECHA
Figura 4.21. Pantalla principal del panel de visualización
4.4. BARRIDO DE TECLADO
El panel visualizador posee un teclado que le sirve de interfaz de ingreso de datos
por parte del usuario, este teclado se lo puede observar en la Figura 4.22.
Figura 4.22. Teclado del panel de visualizador
104
El barrido de teclado se realiza siguiendo el diagrama mostrado en la Figura 4.23.
BARRIDO DE TECLADO
BARRIDO DETECLADO
P 1 = 1
P 2 = 1
SI
NO
SI
NO
P1 = 1
Visualizar pantallaprincipal
Visualizaciónpantalla de
tiempos
Visualizar pantallade historiales
SI
NO
RIGHT = 1Mover el cursor a
la derecha
Mover el cursor ala izquierda
LEFT = 1
UP = 1Incremento valorseleccionado por
el cursor
Pantallaprincipal
SI
NO
SI
NO
SI
NO
SI
NO
DOWN = 1Decrementa el
valor apuntado porel cursor
Save/send=1Guardar y enviar
valor seleccionadopor el cursor
PROGRAMA
SI
NO
SI
NO
Figura 4.23. Diagrama de barrido de teclado
105
Las tres teclas superiores sirven para el cambio entre pantallas.
La tecla muestra la pantalla principal del módulo visualizador, mostrada en
la Figura 4.21.
La tecla muestra la pantalla con el esquema de tiempos de la Figura 4.24.
Figura 4.24. Pantalla de diagramas de tiempos
La tecla muestra la pantalla de historial semanal de la Figura 4.25.
DIAS DE LA SEMANAFUNDAS LLENAS
PRODUCIDAS CADADÍA
NÚMERO DE VECESQUE LA MÁQUINA SEDETUVO CADA DÍA
Figura 4.25. Pantalla de historiales
106
Las teclas restantes solo funcionan si la máquina está detenida y si en el display
se muestra la pantalla principal.
La tecla mueve el cursor a la derecha
La tecla mueve el cursor a la izquierda
La tecla solo funciona cuando el cursor apunta los valores de tiempos de
la pantalla. En ese caso incrementa el valor apuntado.
La tecla solo funciona cuando el cursor apunta los valores de tiempos de
la pantalla. En ese caso decrementa el valor apuntado.
La tecla posee dos funciones, dependiendo de donde se encuentre el
cursor. Si el cursor apunta hacia algún valor de tiempo, este valor es enviado al
Módulo de Control Principal y guardado en la memoria EEPROM del dsPIC. En el
caso que el cursor apunte hacia algún elemento de la máquina, la acción a
realizar es enviar un comando al Módulo de Control Principal para que el
elemento apuntado sea activado o desactivado. El manual de usuario completo se
puede ver en el Anexo E.
4.4.1. POTENCIÓMETROS DEL PANEL DE CONTROL
En el panel de control existen dos potenciómetros lineales, los mismos que son
utilizados para la variación de la velocidad del los motores de dosificación y
arrastre. Las conexiones de estos potenciómetros se detallan en la sección 3.7.4
del capítulo 3.
Figura 4.26. Potenciómetros de los variadores de velocidad
107
4.5. LECTURA DEL PUERTO DE COMUNICACIÓN
El panel visualizador está comunicado con el Módulo de Control Principal a través
de comunicación RS232 y una línea de sincronización como se observa en la
Figura 4.27.
Figura 4.27. Interfaz de comunicación
El panel visualizador es alimentado desde el Módulo de Control Principal, es
decir, que ambos módulos trabajan con una sola fuente.
4.5.1. PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN
La comunicación entre los módulos se realiza vía serial RS232 full dúple. Para
esta aplicación el protocolo es muy simple y solo necesita un byte para enviar la
información necesaria por cada instrucción. Existe un protocolo de recepción y
otro para la transmisión, por el tipo de información que requiere cada módulo.
4.5.1.1. Protocolo de Recepción
El protocolo de recepción son los datos que recibe el panel visualizador desde el
Módulo de Control Principal. Los únicos datos que requiere el panel visualizador
son los que indiquen el estado de la empacadora. Para lo cual es necesario un
número diferente para cada acción como se muestra en la Tabla 4.11.
El diagrama de la Figura 4.28 esquematiza el protocolo de comunicación utilizado
en la recepción de valores a través del puerto.
108
LECTURA DELPUERTO DE
COMUNCACION
Valor en el puertode comunicación
SI
NO
SI
VALOR = 1Se visualiza el
cilindro horizontalaccionado
Se visualiza elcilindro vertical
accionadoVALOR = 2
VALOR = 3Se visualiza el
dosificadoraccionado
SI
NO
SI
NO
SI
NO
VALOR = 4Se visualiza al cilindrohorizontal, vertical y el
dosificador desactivados
VALOR = 5Se visualiza el
motor de arrastreencencdido
PROGRAMA
SI
NO
SI
NO
Incrementa laproducción deproducto lleno
VALOR = 6Se visualiza alsensor óptico
accionado
VALOR = 7Se visualiza alsensor óptico
apagado
SI
NO
SI
NO
VALOR = 8Se visualiza motor
de arrastreapagado
VALOR = 9Se inicia laproducción
SI
NO
SI
NO
Bloqueo delteclado
VALOR = 10Fin de la
producción
SI
NO
Desbloqueo delteclado
VALOR = 11,12 o 13
Mensaje de errorSI
NO
Detiene lasimulación
Incrementaproducción total
Figura 4.28. Protocolo de comunicación
109
Byte recibido
Descripción Acción
0x01 Indica la activación del cilindro horizontal
Grafica al cilindro horizontal activado
0x02 Indica la activación del cilindro vertical
Grafica al cilindro vertical activado
0x03 Indica el inicio de la dosificación Grafica al motor dosificador activado e incrementa la cuenta de fundas llenas.
0x04 Indica la desactivación de los cilindros y el dosificado
Grafica a los cilindros y dosificador desactivados
0x05 Indica el inicio del arrastre Grafica el motor de arrastre activado
0x06 Indica la activación del sensor óptico
Grafica al sensor óptico activado
0x07 Indica la desactivación del sensor óptico
Grafica al sensor óptico desactivado
0x08 Indica el fin del ciclo Grafica la máquina en su estado inicial e incrementa la cuenta de producción total.
0x09 Indica el inicio de la producción Escribe la palabra “PRODUCIENDO” y deshabilita el teclado.
0x10 Indica el fin de la producción Escribe la palabra “DETENIDO” y habilita el teclado.
0x11 Señal de error 1 Escribe la falla y detienen la animación
0x12 Señal de error 2 Escribe la falla y detienen la animación
0x13 Señal de error 3 Escribe la falla y detienen la animación
0x14 Señal de error 4 Escribe la falla y detienen la animación
Tabla 4.11. Protocolo de recepción
4.5.1.2. Protocolo de Transmisión
El protocolo de transmisión es más complejo que el anterior debido a que no solo
se envían instrucciones sino también datos. Para la codificación de los datos se
utiliza el protocolo de comunicación mostrado en la Figura 4.29.
BIT7 BIT0
COMANDO DATOS
BYTERECIBIDO
Figura 4.29. Byte de transmisión
110
Los cuatro bits más significativos representan al comando que se debe ejecutar y
los cuatro bits menos significativos son los datos necesarios para cumplir con este
comando. Existen doce comandos los cuales se pueden observar en la Tabla
4.12.
Byte enviado
Comando Datos
0x1x Indica el cambio en el valor del tiempo T1
X es el valor del tiempo T1
0x2x Indica el cambio en el valor del tiempo T2
X es el valor del tiempo T2
0x3x Indica el cambio en el valor del tiempo T3
X es el valor del tiempo T3
0x4x Indica el cambio en el valor del tiempo T4
X es el valor del tiempo T4
0x5x Indica el cambio en el valor del tiempo T5
X es el valor del tiempo T5
0x6x Indica el cambio en el valor del tiempo T6
X es el valor del tiempo T6
0x7x Indica el cambio en el valor del tiempo T7
X es el valor del tiempo T7
0x8x Orden de activación o desactivación del cilindro horizontal
X = 1 activación
X = 0 desactivación
0x9x Orden de activación o desactivación del cilindro vertical
X = 1 activación
X = 0 desactivación
0xAx Orden de activación o desactivación del motor dosificador
X = 1 activación
X = 0 desactivación
0xBx Orden de activación o desactivación del moto reductor mezclador
X = 1 activación
X = 0 desactivación 0xCx Orden de activación o desactivación
del arrastre X = 1 activación X = 0 desactivación
Tabla 4.12. Protocolo de transmisión
4.6. LECTURA DEL PIN DE SINCRONIZACIÓN
El terminal SINC es un tren de pulsos generada por el Módulo de Control Principal
y enviado al panel visualizador, para que este último realice el cálculo de la
producción midiendo el tiempo entre cada pulso, como se observa en la Figura
4.30.
111
Tiempo P
Inicio deciclo 1
Fin de ciclo 1 einicio del ciclo 2
Figura 4.30. Señal de sincronización
El tiempo P es medido por un temporizador interno del dsPIC30F4011, el cual
realiza la siguiente operación para encontrar el número de fundas producidas por
minuto.
El procedimiento utilizado para el cálculo de la cantidad de fundas por minuto
producidas esta detallado en el diagrama de la Figura 4.31.
LECTURA DEL PINDE
SINCRONIZACIÓN
Lectura del timer1
Reinicio del timer1
Calculo de valorde fundas por
minuto
Visualización delvalor de
producción
PROGRAMA
SINC=1SI
NO
Figura 4.31. Lectura del pin de sincronización
112
4.7. LECTURA DEL RELOJ CALENDARIO
El integrado ds1307 está configurado para generar una señal cuadrada de 1Hz de
frecuencia, esta señal sirve al controlador para actualizar el valor de la hora cada
segundo. Para realizar la actualización de tiempo se sigue el diagrama de la
Figura 4.32. Cuando se detecta la transición de estado bajo a alto se lee el
integrado ds307 mediante el protocolo de comunicación descrito en la sección
4.3.3.3 del presente capítulo. Posteriormente se decodifican los valores obtenidos
de BCD a binario y finalmente se procede a mostrarlos en el display.
LECTURA DEL PINRELOJ
CALENDARIO
Lectura delintegrado reloj
calendario
Actualización deregistros que
almacenan la hora
Visualizar la horay fecha
Incrementa elcontador de horas
PROGRAMA
Out(ds1307)=1SI
NO
Figura 4.32. Lectura del reloj calendario
113
4.8. DISEÑO DEL PANEL VISUALIZADOR
El panel visualizador está diseñado como se muestra en la Figura 4.33 y está
basado en el microcontrolador dsPIC30F4011. Sus periféricos se conectan
mediante un bus de datos a excepción del reloj calendario ubicado en la misma
placa de control.
El microcontrolador funciona con un cristal de 20 MHz y tiene una resistencia de 1
Kohm a Vcc en el master clear.
Figura 4.33. Circuito del panel visualizador
4.9. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR
El compilador utilizado para desarrollar el programa de control es el
MikroC_dsPIC, el cual utiliza el lenguaje C, facilitando la programación de los
controladores por ser un lenguaje de nivel medio. Este compilador pertenece a la
compañía mikroElectrónica.
Este software posee varias características que lo hacen muy amigable y que
facilitan la programación de sistemas embebidos basados en los
microcontroladores dsPIC30/33 y PIC24. Además tiene un eficiente algoritmo de
compilación que lo hace más rápido. Utiliza muchas librerías que facilitan el uso
DB5DB6DB7
TXRX
SINCSOUT
1234
40393837
5 366 357 348 339 32
10 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21
J33
CONN-DIL40
SCL
VCC
VCC
VCC
R81k5
C1
22pX1CRYSTAL
C2
22p
VCC
VCCPIN
GND1PIN
RXPIN
TXPIN
SINCPIN
VCC TX
RX
SIN
C
DB4DB3DB2DB1DB0
VBAT3
X11
X22
SCL6
SDA5
SOUT7
U1
DS1307
SCLSDA
R11k
R21k
X2CRYSTALSOUT
SDA
RDRSTWR
CD
CE
DB0RSTCDCERDWRVO
DB1
VOUT
DB7DB6DB5DB4DB3DB2
12345678910
J312345678910
J4
VO
123456789
10
J5
CONN-H10
RD1RD2
RD1RD2
R3
330R
D1
LED
R4330R
12
J9
CONN-H2
R5330R
BU
S D
E D
AT
OS
DE
L L
CD
GR
AF
ICO
dsPIC30F4011
RELOJ CALENDARIO DS1307
BORNERAQ DE COMUNICACION SERIAL
POTENCIOMETRO DE CONTRASTE
BAT11.5V
BORNERA DEL TECLADO
BO
RN
ER
A P
AR
A E
L B
AC
KL
IGH
T
RV1
POT
114
de periféricos sin que incremente la cantidad de código, como ocurre en el
lenguaje assembler.
El compilador posee las siguientes características:
· Utiliza el lenguaje de programación C
· Permite el uso de librerías incluidas en el compilador
· Posee un explorador de código
La pantalla principal del programa mikroC se muestra en la Figura 4.34, y se
pueden distinguir las siguientes aéreas:
· Explorador de funciones: En esta área se visualizan las variables y
funciones utilizadas en el programa.
· Selección de microcontrolador: Es el área en la que se elige la numeración
del micro y el cristal utilizados.
· Editor de programa: Es el área donde se escribe el código del programa.
Seleccion deldsPIC y cristal
Funciones yvariablesutilizadas
Programa deldsPIC
Figura 4.34. Programa MikroC
El mikroC organiza las aplicaciones en proyectos cuyos archivos tienen extensión
.dpc, el mismo que puede tener varios archivos fuentes con extención .c. Los
archivos de proyecto contienen información del nombre del proyecto, tipo y
modelo de micro utilizado; además de la frecuencia del cristal y lista de archivos
fuente.
115
El mikroC optimiza el uso del motor DSP del microcontrolador a través de los
distintos tipos de variables matemáticas definidas en el programa, las mismas que
están enumeradas en la Tabla 4.13.
Tipo Tamaño en bytes Rango
(unsigned) char 1 0…255
signed char 1 -128…128
(signed) short (int) 1 -128…128
unsigned short(int) 1 0…255
(signed) int 2 -32768…32767
unsigned (int) 2 0…65535
(signed) ling (int) 4 -2147483648…2147483647
unsigned ling (int) 4 0…4294967295
float 4 -1.5*10e45…+3.4*10e38
double 4 -1.5*10e45…+3.4*10e38
Long double 4 -1.5*10e45…+3.4*10e38
Tabla 4.13. Variables matemáticas utilizadas por el compilador mikroC
Cada programa debe tener solo una función “main”, la cual se ejecuta primero y
es quien llama al resto de funciones. El resto de funciones tienen vínculos
externos con la función main y pueden ser llamadas en cualquier momento.
La sintaxis usada para la declarar funciones es la siguiente.
Tipo nombre_funcion(parámetros-declarador-lista);
Tipo.- se define de acuerdo a la salida que se generará al llamar a la función, es
decir si es entero o flotante. Cuando no se requiere respuesta se utiliza la función
tipo “void”.
Nombre_función.- es un nombre asignado por el programador para la función
creada.
Parámetros-declarador-lista.- son los argumentos que necesita la función para
poder ejecutar su programa interno. De igual forma, si no existen parámetros de
entrada se utiliza la palabra “void”.
116
4.9.1. ARQUITECTURA DEL PROGRAMA DEL dsPIC30F4011
El programa desarrollado se encarga de la visualización y monitoreo del
funcionamiento de la máquina empacadora a través de su puerto de
comunicación serial. Se encarga además de realizar el barrido del teclado y la
lectura del reloj calendario; este último se realiza utilizando el protocolo de
comunicación I2C.
La visualización de todos los datos supervisados es mostrada a través de un LCD
gráfico de 240x128 pixeles de resolución.
El programa implementado consta de una función principal (main) y varias
funciones adicionales utilizadas para realizar la animación de la máquina
empacadora, las mismas que se muestran en la Tabla 4.14.
Función Descripción
main Programa principal
tiempos Mapa de bits del diagrama de tiempos
Empacadora Mapa de bits del diagrama de la empacadora
Arrastre_off Mapa de bits del motor de arrastre en posición de apagado
Arrastre_on Mapa de bits del motor de arrastre en posición de encendido
Cilabierto1 Mapa de bits del cilindro horizontal abierto
Cilabierto2 Mapa de bits del cilindro vertical abierto
Cilindro1 Mapa de bits del cilindro horizontal accionado
Cilindro2 Mapa de bits del cilindro vertical accionado
Dosif_on Mapa de bits del motor dosificador accionado
Dosif_off Mapa de bits del motor dosificador apagado
Sensor_on Mapa de bits del sensor óptico accionado
Sensor_off Mapa de bits del sensor óptico apagado
Tabla 4.14. Funciones utilizadas en el programa de visualización
4.9.2. FUNCIÓN MAIN
Es la rutina de arranque del programa de visualización, en donde se deben incluir
las configuraciones de todos los dispositivos utilizados:
117
· Puerto de comunicación serial
· LCD gráfico T6963C
· Reloj calendario ds1307
4.9.2.1. Puerto de Comunicación Serial
El puerto de comunicación utilizado es el UART1 alterno, debido a que los pines
principales de esta función fueron utilizados para la comunicación con el reloj
calendario. Los terminales utilizados son RC13 y RC14 para las líneas de
comunicación TX y RX respectivamente. La velocidad de transmisión es de
19200baud y las rutinas utilizadas para la inicialización y operación del puerto de
comunicación serial se detallan en la Tabla 4.15.
TIPO COMANDO DESCRIPCIÓN
COMUNICACION
UART1_INIT(*Valor)
Inicializa el puerto de comunicación serial 1 (UART1). Donde
Valor= Velocidad de transmisión = 19200
Uart_Write_char(*valor) Envía *valor por el puerto de comunicación UART1
*Valor = Uart_Read_Char() Lee el valor recibido por el puerto de comunicación y lo almacena en el registro llamado Valor
Tabla 4.15. Rutinas de operación del puerto UART1
4.9.2.2. LCD Gráfico T6963C
El controlador T6963C del display gráfico se maneja desde el microcontrolador
utilizando las funciones detalladas en la Tabla 4.16. Este controlador es capaz de
desplegar gráficos y texto en cualquier parte del display.
TIPO COMANDO DESCRIPCIÓN
LCD GRAFICO T6963C_init(240, 128, 8, &PORTB, &PORTF, 5, 1, 0, 4) ;
Inicializa el display gráfico, de 240 x 128
Caracteres, de 8 bits de ancho
Bus de datos es el PORTICO B y el
Bus de control es el PORTICO F
· Bit 5 = !WR · Bit 1 = !RD · Bit 0 = C!D · Bit 4 = RST
118
T6963C_write_text("texto", 0, 0,
T6963C_ROM_MODE_XOR);
Escribe “texto” en la posición 0,0.
T6963C_image(empacadora) ; Grafica la imagen del mapa de bits de la función
empacadora
T6963C_sprite(0, 68, cilindro,
21, 20) ;
Grafica la imagen cilindro en la posición 0, 68 y su
tamaño es de 21x20
T6963C_panelFill(0); Limpia el display
T6963C_cursor(0) ; Oculta el cursor
T6963C_line(29, 27, 39, 27,
T6963C_BLACK);
Dibuja en la línea que inicia en el punto 27,27 y
finaliza en el punto 39, 27 de color negro
Tabla 4.16. Rutinas del LCD gráfico T6963C
Las rutinas de image y sprite requieren de funciones con mapas de bits
correspondientes a los gráficos que se desean desplegar. Para la creación de los
mapas de bits se utiliza el programa “Graphic LCD Bitmap Generator”, el mismo
que es una aplicación del programa MikroC.
En la figura 4.35 se muestra la pantalla principal del generador de mapa de bits.
Imagen con resoluciónde 240 x 128
Selección del
display grafico
Mapa de bits dela imagen
Figura 4.35. Generador de mapa de bits
119
Las imágenes cargadas en el generador deben tener una resolución de 240x128
pixeles y deben ser guardas en archivos .bmp. Todos los mapas de bytes deben
ser copiados en las funciones detalladas en la Tabla 4.14.
4.9.2.3. Reloj Calendario ds1307
Las funciones utilizadas para el manejo del reloj calendario se detallan en la Tabla
4.17.
TIPO COMANDO DESCRIPCIÓN
Comunicación I2C
I2C_Init(10000); Inicializar el puerto ce comunicación I2C con una
frecuencia de reloj de 10000Hz
I2C_Start(); Envía una señal de inicio por el puerto I2C
I2C_write(*valor); Envía el registro *valor por el puerto de comunicación
*Valor =I2c_Read(0); Lee el valor recibido por el puerto I2C y lo almacena en
el registro *valor
I2C_Stop(); Envía una señal de fin de transmisión por el puerto I2C
Tabla 4.17. Rutinas de comunicación I2C
Las demás funciones utilizadas son para el manejo de la memoria EEPROM del
microcontrolador, el manejo de retardos y la conversión de byte a string. Todas
estas las funciones se detallan en la Tabla 4.18.
TIPO COMANDO DESCRIPCIÓN
MEMORIA EEPROM
Eeprom_Write(*DIR, *valor) Guarda el registro valor en la dirección de memoria almacenado en el registro DIR
Valor= Eeprom_Read(*DIR) Lee el número almacenado en la dirección DIR y lo transfiere al registro llamado Valor
RETARDOS Delay_ms(*Valor) Genera un retardo de tiempo en milisegundos igual Valor
CONVERSIÓN ByteToStr(valor, string); Convierte el byte almacenado en valor y lo convierte en un
string.
Tabla 4.18. Funciones utilizadas en el programa
El programa completo se encuentra en el CD anexo.
120
4.10. WINPIC 800
Cuando el programa está terminado es compilado y se genera el archivo .hex, el
cual es descargado al microcontrolador con la ayuda del programa WinPic800. El
mismo que debe configurarse como se muestra en la Figura 4.36 antes de iniciar
la descarga.
Figura 4.36. Configuración del WinPic 800
121
CAPÍTULO 5
RESULTADOS DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
5.1. PRUEBA DE LOS COMPONENTES
Los componentes eléctricos y el sistema mecánico deben ser probados
individualmente antes de iniciar con las pruebas de funcionamiento. Los primeros
elementos en probarse son los que intervienen en el sistema mecánico, luego del
sistema neumático y finalmente el sistema eléctrico y de control. A continuación
se detallan cada uno de ellos.
5.1.1. PRUEBAS EN EL SISTEMA MECÁNICO
El primer paso es la prueba del sistema mecánico del sellado horizontal, el cual es
el más complejo ya que sus componentes deben estar bien alineados y
sincronizados para que su accionamiento se realice sin dificultad.
El siguiente paso es la prueba del sistema de arrastre, el cual necesita de un gran
torque de arranque, ya que su tiempo de aceleración es cercano a cero.
El último sistema mecánico probado es el sistema de dosificación, el mismo que
debe estar bien centrado para que no se genere atascamientos cuando se
agregue el producto.
5.1.2. PRUEBAS EN EL SISTEMA NEUMÁTICO
El sistema neumático es probado cuando el sistema mecánico está en óptimas
condiciones. Para realizar estas las pruebas es necesario aire comprimido a
presión y flujo contante. Los elementos probados fueron válvulas y cilindros
neumáticos, los cuales tras varios ajustes funcionan correctamente.
5.1.3. PRUEBAS EN EL SISTEMA ELÉCTRICO
Las pruebas realizadas en el sistema eléctrico fueron pruebas de aislamiento de
motores, entre borneras y cableado en general, desde el tablero de breakers
122
hasta los elementos eléctricos. Las pruebas realizadas a los variadores de
velocidad se realizaron utilizando el keypad de cada variador.
Todo el sistema eléctrico fue comprobado de acuerdo a los planos del Anexo A,
en los cuales se detallan claramente toda la conexión del tablero de control.
5.2. PRUEBAS DE DOSIFICADO
El tiempo de dosificado fue obtenido de acuerdo a pruebas realizadas, tratando
siempre que sea lo más pequeño posible y así incrementar la producción. Sin
embargo el dosificado depende también en la velocidad de giro dosificador, estas
calibraciones se detallan en la Tabla 5.1.
Tiempo de dosificado
Frecuencia del variador dosificador [Hz]
peso por funda [gramos]
600ms
15 3.7 20 4.9 25 5.6 30 6.7 35 8 40 9 45 10 50 11.1
700ms
15 4 20 5.1 25 6.1 30 7 35 8.1 40 9.1 45 10.2 50 11.3
800ms
15 4.1 20 5.2 25 6.2 30 7 35 8.1 40 9.1 45 10.3 50 11.3
Tabla 5.1. Pruebas de dosificado
123
La variación de peso con respecto al tiempo no varía en mayor proporción como
se puede apreciar en la tabla 5.1. Para realizar el empacado se utiliza el tiempo
de 700ms con el objeto de no disminuir en mayor medida el tiempo de sellado.
5.3. PRUEBAS DE SELLADO
El calentamiento es realizado con la ayuda de controladores NX4, cuya función es
elevar la temperatura de las mordazas al valor seteado y mantenerlo constante.
El calentamiento de las mordazas dura aproximadamente 16 minutos,
dependiendo de las condiciones ambientales.
La temperatura más apropiada para las mordazas de sellado vertical es de
106.9ºC y 100ºC para las mordazas de sellado horizontal.
Los controladores NX4 tienen la propiedad de realizar control PID, el mismo
mantiene las mordazas a temperatura constante y garantizan un buen sellado.
De esta forma disminuye el desperdicio de material y número de paradas de la
máquina.
Para la calibración de parámetros PID se utiliza la función Autotuning, una función
automática que sirve para buscar los valores óptimos de las constantes del control
PID, y se realiza con la temperatura de trabajo seteada. Este proceso puede durar
varios minutos. Su duración y las perturbaciones dependen directamente de las
cargas e inercias térmicas del proceso.
Una vez que el control PID se encuentre configurado la temperatura del proceso
se mantendrá estable, respondiendo en forma óptima a cualquier perturbación
que se produzca.
5.3.1. CURVAS DE CALENTAMIENTO DE LAS MORDAZAS
El calentamiento de las mordazas es realizado por las niquelinas y su temperatura
varía con respecto al tiempo como se muestra en las Figuras 5.1 y 5.2.
124
5.3.1.1. Mordaza Vertical
En la Tabla 5.2 se ve la variación de la temperatura de la mordaza vertical con
respecto al tiempo. La temperatura de inicio es la temperatura ambiente es este
caso 20ºC y el valor del set point es de 106.9ºC. En la Figura 5.1 se observa la
curva de calentamiento de la mordaza vertical, en el punto de cruce entre las dos
curvas ya se podría iniciar con la producción, es decir que su tiempo de
calentamiento es de 10 minutos.
Tiempo Temperatura
0 20
1 31,7
2 42,5
3 56,9
4 70,5
5 82
6 91,1
7 98,1
8 103
9 106,3
10 108,6
11 109,5
12 109,5
13 109,2
14 108,9
15 108.3
16 107.7
17 107
18 105.5
Tabla 5.2. Valores de temperatura de la mordaza vertical
125
Figura 5.1.Curva de calentamiento de la mordaza vertical
5.3.1.2. Mordazas Horizontales
La tabla 5.3 muestra la variación de la temperatura con respecto al tiempo, en
minutos, de las mordazas horizontales. El set point en este caso es de 100ºC y su
tiempo de estabilización es de 16 minutos. La temperatura en las mordazas
horizontales es un factor más crítico que el de la vertical ya que una pequeña
variación de temperatura causa fallas en el sellado, causando desperdicio. La
curva de calentamiento de las mordazas horizontales se puede observar en la
Figura 5.2.
Tiempo Temperatura
0 20
1 27
2 33
3 39
4 46
5 53
6 60
7 67
8 73
9 79
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Te
mp
era
tura
Tiempo en min
Curva de calentamiento de la mordaza vertical
Temperatura set point
126
10 85
11 91
12 97
13 102
14 104
15 103
16 100
Tabla 5.3. Valores de temperatura de la mordaza horizontal
Figura 5.2.Curva de calentamiento de las mordazas horizontales
5.4. PRUEBAS EN EL SISTEMA DE CONTROL
Cuando los sistemas mecánico, neumático y eléctrico están totalmente probados
y en óptimas condiciones, se procede a las pruebas del sistema de control.
Los primeros ciclos de la empacadora se realizaron a baja velocidad para corregir
posibles defectos de funcionamiento.
Las pruebas iníciales generaron los resultados detallados en la Tabla 5.4.
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Te
mp
era
tura
Temperatura en minutos
Curva de calentamiento de las mordazas horizontales
Temperatura Set point
127
Hora # de fundas Fundas por minutos Peso promedio
0 123 2,0 9.5
1 254 4,2 9.1
2 451 7,5 9.7
3 387 6,4 10.9
4 651 10,8 11.2
5 763 12,7 10.4
6 1101 18,3 10.2
Tabla 5.4. Resultados de las pruebas iniciales
En esta tabla se muestra que las primeras seis horas de funcionamiento
generaron muy pocas fundas por minuto. Estos valores se incrementaron
conforme se realizaron ajustes al mecanismo y tiempos del proceso.
5.5. DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS DE PESO
Los productos elaborados son los siguientes:
· Power Acido en fundas de 6 gramos
· Paleta con caramelo en polvo Galaxy en fundas de 15 gramos
5.5.1. POWER ACIDO
Son fundas de caramelo en polvo con un peso neto de 6 gramos por unidad. Este
producto tiene tres sabores que son: piña, chicle y manzana verde, las cuales se
muestran en la Figura 5.3
Figura 5.3. Funda de Power Acido
128
Se ha realizado un muestreo para conocer la variación de peso del producto. En
la Tabla 5.5 se muestran los valores de pesos obtenidos en el muestreo realizado
desde el inicio de producción.
Muestra Peso Error % 1 6,2 3,3 2 6,3 5,0 3 6 0,0 4 6,1 1,7 5 6 0,0 6 6 0,0 7 5,8 3,3 8 6 0,0 9 6,2 3,3
10 5,7 5,0 11 5,9 1,7 12 6 0,0 13 6,2 3,3 14 6,1 1,7 15 5,7 5,0 16 6,2 3,3 17 6 0,0 18 6,1 1,7 19 6,2 3,3 20 6 0,0 21 6,1 1,7 22 5,7 5,0 23 5,8 3,3 24 6,2 3,3 25 6 0,0 26 6,2 3,3 27 6,1 1,7 28 6,1 1,7 29 6 0,0 30 6 0,0 31 6 0,0 32 6,1 1,7 33 5,8 3,3 34 5,9 1,7 35 6 0,0 36 6,1 1,7 37 6 0,0 38 6,1 1,7 39 6,2 3,3
129
40 6 0,0 41 6 0,0 42 6,1 1,7 43 6,2 3,3 44 6,2 3,3 45 6,2 3,3 46 5,9 1,7 47 6 0,0 48 6,1 1,7 49 6,2 3,3 50 6 0,0
Tabla 5.5. Resultados de peso en fundas de 6 gramos
Los valores obtenidos en este tiempo muestran que la variación en peso es baja
al punto que no supera el medio gramo. Las variaciones se producen cuando baja
el nivel de producto en la tolva, pero como se puede ver en la Figura 5.4 esta
variación no es crítica.
Figura 5.4. Curva de pesos de fundas de 6 gramos
5.5.1.1. Cálculo de errores
Con los datos obtenidos se realiza el cálculo de la media aritmética, es decir el
peso promedio de las fundas elaboradas, y es determinado con los datos de la
Tabla 5.5.
5,4
5,5
5,6
5,7
5,8
5,9
6
6,1
6,2
6,3
6,4
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
valor minimo 5,7 gramos peso maximo 6,3 gramos Peso en gramos
130
El peso promedio es de 6.04 gramos, y por lo tanto esta en el rango aceptable. La
desviación estándar es un valor matemático calculado para conocer que tanto
están alejados los valores de peso al valor real. El cálculo de la desviación
estándar se la realiza a continuación:
El valor de la desviación es muy pequeña y por este motivo se puede decir que
esta en el rango aceptable.
5.5.2. PALETA CON CARAMELO EN POLVO GALAXY
Son fundas de caramelo en polvo y una paleta, la misma que es colocada
manualmente por el operador. Estas están juntas y da un peso neto de 15 gramos
por unidad. El volumen producción de paleta es menor que el power acido por las
siguientes razones:
· El empaque es más largo que el de power acido y por consiguiente el
tiempo de arrastre es mayor.
· Este producto necesita que el operador suministre la paleta manualmente
por el cuello formador, por lo tanto se necesita un tiempo de retraso más
grande entre cada ciclo para evitar que la paleta quede atrapada por la
mordaza de sellado horizontal
El la Figura 5.5 se puede apreciar el producto denominado Paleta con caramelo
en polvo Galaxy.
Figura 5.5. Funda de paleta con polvo Galaxy
131
La variación de peso en este producto es más variable ya que el peso de las
paletas no es constante y causa que el producto final tenga una variación de peso
mayor que la de power acido. En la Tabla 5.6 se muestran los valores de pesos
de las fundas muestreadas.
Muestra Peso Error 1 15,5 3,3 2 16 6,7 3 15,2 1,3 4 15,2 1,3 5 16,1 7,3 6 14,9 0,7 7 15,7 4,7 8 15,5 3,3 9 15,3 2,0
10 14,8 1,3 11 14,9 0,7 12 15,1 0,7 13 15 0,0 14 15,1 0,7 15 15,2 1,3 16 15,1 0,7 17 15 0,0 18 15 0,0 19 15,1 0,7 20 15,2 1,3 21 14,9 0,7 22 15,4 2,7 23 15,7 4,7 24 15,5 3,3 25 15 0,0 26 15 0,0 27 15,2 1,3 28 15,2 1,3 29 15,1 0,7 30 14,9 0,7 31 15 0,0 32 15 0,0 33 15,7 4,7 34 15,1 0,7 35 15,2 1,3 36 15,1 0,7 37 14,8 1,3 38 14,9 0,7
132
39 15 0,0 40 15 0,0 41 15 0,0 42 15,6 4,0 43 15,5 3,3 44 15,7 4,7 45 15,4 2,7 46 14,5 3,3 47 14,6 2,7 48 15 0,0 49 15,4 2,7 50 15,4 2,7
Tabla 5.6. Resultados de peso en fundas de 15 gramos
Los errores obtenidos en este muestreo son mayores al otro producto; sin
embargo, siguen en un rango aceptable por el peso y tamaño del mismo. En la
Figura 5.5 se ve el gráfico estadístico correspondiente al muestreo de este
producto.
Figura 5.5. Curva de pesos en fundas de 15 gramos.
13,5
14
14,5
15
15,5
16
16,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Te
mp
era
tura
Temperatura en minutos
Curva de calentamiento de las mordazas horizontales
peso minimo Peso en gramos peso maximo
133
5.5.2.1. Cálculo de errores
Con los datos obtenidos se realiza el cálculo de la media aritmética, el error y la
desviación estándar. Estos cálculos se presentan a continuación:
Cálculo de la media aritmética
Cálculo de la desviación estándar se muestra a continuación
5.6. DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS DE PRODUCCIÓN
5.6.1. POWER ACIDO
Las pruebas de producción se realizaron contando las fundas elaboradas en una
hora. Los valores obtenidos se detallan en la Tabla 5.7, y la producción es
calculada a continuación:
hora fundas con producto 1 2350 2 2425 3 2458 4 2518 5 2540 6 2470 7 2570 8 2472 9 2527
10 2392
Tabla 5.7. Producción de POWER ACIDO
La cantidad de fundas promedio elaboradas en 1 hora es:
Numero de fundas = 2472 fundas
Producción = Número de fundas / 60 min
134
Producción = 2472 fundas/ 60 min
Producción = 41.2 fundas por minuto
Haciendo una proyección se tendrían los valores detallados en la Tabla 5.8 en la
producción diaria y mensual.
hora diaria mensual
Producción 2472 19776 435072
Tabla 5.8. Valores de producción
Teniendo como resultado en funcionamiento continuo de 8 horas diarias una
producción total de 19776 fundas y 435072 fundas mensuales, considerando 22
días de trabajo.
5.6.2. PALETA CON CARAMELO EN POLVO GALAXY
Los valores obtenidos se detallan en la Tabla 5.9, y la producción es calculada a
continuación:
hora fundas con producto
1 1982 2 1975 3 1990 4 1962 5 1979 6 1986 7 1976 8 1950 9 1990
10 1942
Tabla 5.9. Producción de PALETA CON POLVO GALAXY
La cantidad de fundas promedio elaboradas en 1 hora es:
Numero de fundas = 1973 fundas
Producción = Número de fundas / 60 min
Producción = 1973 fundas/ 60 min
Producción = 32.8 fundas por minuto
135
La producción de POWER ACIDO es mucho mayor que la de PALETA CON
POLVO GALAXY por motivos del tamaño de la funda y el hecho de tener que
poner la paleta manualmente. Los valores de producción se muestran en la Tabla
5.10.
hora diaria mensual
Producción 1973 15784 347248
Tabla 5.10. Valores de producción
Teniendo como resultado en funcionamiento continuo de 8 horas diarias una
producción total de 15784 fundas diarias y 347548 fundas mensuales,
considerando 22 días de trabajo.
136
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
El diseño y construcción de máquinas de uso industrial es mucho más complejo y
que las de uso didáctico, por las condiciones ambientales y los largos periodos de
trabajo que realizan.
El proceso de empacado está sujeto a muchos factores que lo afectan
directamente como son: la calidad de la energía eléctrica, del aire comprimido, la
temperatura ambiente, la experiencia del operador, entre otros. De cada uno de
estos factores depende la productividad y producción de la máquina.
Los componentes eléctricos y el sistema mecánico deben ser probados
individualmente antes de trabajar o en caso de falla, de modo que no presenten
problemas al trabajar como parte del proceso.
El uso de variadores de velocidad incrementa la distorsión presente en la red y
puede generar problemas en los microcontroladores utilizados, por este motivo es
muy importante el uso de un filtro de línea que ayude a disminuir esta distorsión, y
evite problemas con los sensores y micros.
Los motores que trabajan por periodos cortos de tiempo tienen que soportar altos
picos de corriente al momento del arranque, ya que deben pasar de estar
totalmente detenidos hasta su velocidad de trabajo en fracciones de segundo. Por
este motivo los motores y variadores de velocidad utilizados deben ser
dimensionados para trabajar en estas condiciones de funcionamiento.
El control de temperatura es un factor muy importante en el proceso de empacado
ya que de este depende la calidad del empaque y por consiguiente del producto
final. El uso de controladores de temperatura es muy común en las industrias por
su facilidad de uso y buenas características de control. Con el uso del control PID
realizado se obtuvo una variación máxima de 2ºC en las mordazas de sellado
horizontal y vertical.
137
Para realizar el control de la máquina empacadora se diseño una tarjeta
electrónica, en la cual se integran las entradas, salidas e interfaz de
comunicación. Se diseñó solo una tarjeta en lugar de tres con el objeto de hacerla
más compacta y menos compleja. De esta manera se identifica que si es posible
el desarrollo de un controlador de fabricación nacional, evitando así la importación
de tecnología extranjera.
Para cumplir con el objetivo de producción de 40 fundas por minuto se realizaron
varios ajustes al sistema mecánico y de control para mejorar las características de
la empacadora. El problema más grave fue el sistema de sellado horizontal, el
mismo que luego de algunas horas de trabajo llegaba a remorderse en su eje.
Este problema fue solucionado rectificando todas las piezas mecánicas
involucradas en el proceso. Por este motivo se requiere un buen ajuste del
sistema mecánico.
La tarjeta de control realiza el encendido de las electroválvulas y contactores
mediante triacs, pero el contactor resulto ser una carga demasiado inductiva y
luego de encenderse ya no se apagaba, a pesar de ya no existir la señal de
control. Para disminuir el efecto inductivo de la bobina del contactor se puso un
capacitor en paralelo con la bobina, de este modo el encendido y apagado
funciona correctamente.
Se diseñó además un sistema de monitoreo, el mismo que sirve para ver algunos
parámetros importantes de la máquina como son: producción total, producción
útil, horas de trabajo, número de paradas diarias y valores de tiempo en cada
etapa del proceso. Adicionalmente se puede visualizar el estado de cada
elemento eléctrico de la empacadora.
138
RECOMENDACIONES
El desarrollo de maquinaria industrial en el país es muy limitado por la falta de
confianza de las empresas en la capacidad de los profesionales ecuatorianos.
Esto se debe en gran medida por la falta de iniciativa y por esta razón se
recomienda el desarrollo de tecnología útil en la industria nacional, buscando
siempre solucionar sus problemas más graves. Evitando así que se dependa de
tecnología extranjera, que es lo que pasa actualmente en muchas industrias.
Un profesional debe tener una formación integral y no solo estar centrado en su
campo de especialización. Esto ocurre actualmente debido a que no se esta
relacionando con otras carreras que complementen nuestra educación como es la
ingeniería mecánica, por ejemplo. Estos conocimientos son necesarios al
momento de trabajar en empresas que dependen requieren resolver cualquier tipo
de problemas, y en muchas ocasiones, estos no son eléctricos. Se recomienda
realizar un acercamiento a carreras con el objeto de complementar nuestra
formación.
Se recomienda el acercamiento del estudiante a las industrias locales por medio
de pasantías, visitas técnicas o proyectos de tesis. Esto hace que sea más
sencillo el contacto con industrias nacionales e incluso internacionales, para de
esta forma completar la formación personal y profesional.
139
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LIBROS Y MANUALES
· KATSUHIKO Ogata, Ingeniería de Control Moderno, tercera edición, mexico, 1998
· ALMEIDA-CHUQUI, Automatizar e implementar el sistema de enfundado y dosificación de líquidos para una maquina de características semi industriales, 2008
· DIBUJES-TORRES, Diseño e implementación de un osciloscopio con dsPIC, 2008.
· INDUMAK, Manual de Máquinas Empacadoras Automáticas, Brasil.
· HANDYOUNG NUX, Process Temperature Controller.
· LS Industrial System, SV-iG5A User Manual.
· MICROCHIP, dsPIC30F3010/3011 Datasheet
· MICROCHIP, dsPIC30F4011/4012 Datasheet
· MICROCHIP, ds1307 Datasheet
· MIKROELECTRONICA, Users Manual for mikroC.
PAGINAS WEB
· http://www.quiminet.com/ar6/ar_ez%25B1%2522%25CFn%251D%257F.htm
· http://en.wikipedia.org/wiki/Coating
· http://www.lc-design.de/Sanyo_LC7981.pdf
· http://www.bue.de/support/archiv/pdf/mtgrman.pdf
· http://www.pacificdisplay.com/gdm/GDM-16080-00.pdf
· http://forum.lcdinfo.com/viewtopic.php?t=548
· http://www.skippari.net/lcd/forumstuff/hitachi_lmg6401plge_data.png
· http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tl497a.pdf
· http://www.gaw.ru/pdf/lcd/Chips/Hitachi/hd61830.pdf
· http://www.instructables.com/files/orig/FQQ/TMZI/FAKWQ6WF/FQQTMZIFAKWQ6WF.pdf
140
· http://www.instructables.com/id/Build-a-dsPIC-Oscilloscope-and-Spectrum-Analyzer-/Build-a-dsPIC-Oscilloscope-and-Spectrum-Analyzer-.pdf
· http://www.mikroe.com/pdf/mikroc_dspic/mikroc_dspic_manual.pdf
· http://www.forosdeelectronica.com/map.htm
141
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Polipropileno(2).- Es un material obtenido del propileno, un gas obtenido de los
procesos de craking del petróleo. Este gas sometido a ciertas condiciones de
temperatura, presión y presencia de un catalizador produce como resultado un
polímero compuesto por miles de unidades “propileno” unidas entre sí en forma
lineal.
Biorientación(2).- es un proceso en el cual se mejora las características de
polipropileno para tener un mejor material de empaque.
Coatings(4).- Son cubiertas que se ponen a los materiales para mejorar su
apariencia , adhesión, versatilidad, resistencia a la corrosión, etc. Esta puede ser
agregada como liquido, gas o sólido.
Flow pack.- Método de empacado horizontal
Sistema multicabezal(10).- Sistema de empacado por peso que utiliza varias
balanzas para realizar la dosificación de algún producto de forma irregular como
son los chifles por ejemplo. Celdas.- Sensores de peso de galgas
extenciometricas
Timer.- Temporizador interno de un micro controlador
Triac.- Elemento semiconductor utilizado para accionamiento de elementos con
120V de corriente alterna.
Backlight.- Luz de fondo del LCD
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