proyecto de grado automatizaciÓn de una encajadora …
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PROYECTO DE GRADO
AUTOMATIZACIÓN DE UNA ENCAJADORA DE PAQUETES DE DULCES
JUAN PABLO MORENO TORRES
Ing. FERNANDO JIMÉNEZ. PH.D ASESOR
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES BOGOTA D.C
2005
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A mis papas por sus consejos que me ayudaron a crecer como persona, a
Marcela, mi hermana, por su apoyo incondicional y a Nathalia por su amor y estar siempre
a mi lado.
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TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN................................................................................................................ 7 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 9 ANTECEDENTES Y PROBLEMÁTICA........................................................................ 10 CAPÍTULO 1: PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN .............................................. 11
1.1 Concepto de automatización....................................................................................... 11 1.2 Técnicas de automatización ........................................................................................ 11
1.2.1 Automatización mecánica.................................................................................... 12 1.2.2 Automatización neumática .................................................................................. 12 1.2.3 Automatización hidráulica................................................................................... 12 1.2.4 Automatización eléctrica ..................................................................................... 13 1.2.5 Automatización electrónica ................................................................................. 13
1.3 Tipos de procesos industriales .................................................................................... 13 1.4 Automatización de Procesos secuenciales .................................................................. 14 1.5 Introducción a los PLC ............................................................................................... 14
1.5.1 Estructura del PLC............................................................................................... 15 1.6 Dispositivos más comunes.......................................................................................... 16
1.6.1 Aparatos de maniobra .......................................................................................... 16 1.6.2 Aparatos de protección ........................................................................................ 17 1.6.3 Aparatos de señalización ..................................................................................... 17 1.6.4 Contactos ............................................................................................................. 17 1.6.5 Elementos de mando............................................................................................ 18
1.7 Lenguajes de Programación........................................................................................ 18 1.7.1 Lenguaje GRAFCET ........................................................................................... 18 1.7.2 Lista de instrucciones .......................................................................................... 21 1.7.3 Lenguaje LADDER ............................................................................................. 21
CAPÍTULO 2: GUÍA GEMMA ........................................................................................ 22 2.1 Procedimientos de Parada y Puesta en Marcha .......................................................... 23 2.2 Procedimientos de funcionamiento............................................................................. 25 2.3 Procedimientos de defecto.......................................................................................... 25
CAPÍTULO 3: SISTEMA ENCAJADORA DE PAQUETES DE DULCES ................ 27 3.1 Análisis Funcional ...................................................................................................... 27
3.1.2 Diagrama de bloques del sistema a desarrollar.................................................... 30 3.2 Sistema lógico de control............................................................................................ 30
3.2.1 Entradas y salidas al sistema de control .............................................................. 32 3.2.2 GRAFCETS de nivel tecnológico ....................................................................... 35 3.2.3 Autómata programable ........................................................................................ 37 3.2.4 Programa de control............................................................................................. 39
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3.3 Construcción prototipo............................................................................................... 47 3.4 Aspectos técnicos........................................................................................................ 49
3.4.1 Accionadores y preaccionadores ......................................................................... 49 3.4.3 Sistema de control................................................................................................ 51 3.4.4 Necesidades energéticas ...................................................................................... 52 3.4.5 Instalación de potencia ........................................................................................ 52 3.4.6 Esquemas ............................................................................................................. 53
3.5 Plan de pruebas ........................................................................................................... 56 RESULTADOS ................................................................................................................... 57 CONCLUSIONES .............................................................................................................. 58 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 60 ANEXOS.............................................................................................................................. 61
A1. Datasheet de los sensores tipo Reed-Switch ............................................................. 62 A2. Datasheet electroválvula (MVSC – 180 – 4E1)......................................................... 64 A3. Datasheet de los cilindros .......................................................................................... 66 A4. Protocolo comunicación puerto paralelo ................................................................... 67 A5. Diagramas Eléctricos ................................................................................................. 68 A6. Diagrama neumático .................................................................................................. 70 A7. Manual de usuario máquina encajadora de paquetes de dulces ................................. 72 A8. Planos mecánicos ....................................................................................................... 76
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LISTA DE FIGURAS
Fig 1: Automatismo electrónico ........................................................................................... 14 Fig 2: Guía GEMMA............................................................................................................ 26 Fig 3: Caja llena de 3 capas de 4 paquetes de dulces ........................................................... 28 Fig 4: Caja acomodadora ...................................................................................................... 28 Fig 5: Diagramas de bloques del sistema ............................................................................. 30 Fig 6: Guía GEMMA del sistema......................................................................................... 31 Fig 7: GRAFCET del GEMMA........................................................................................... 35 Fig 8: GRAFCET de producción normal.............................................................................. 36 Fig 9: GRAFCET de verificación en desorden..................................................................... 36 Fig 10: GRAFCET de inicialización .................................................................................... 37 Fig 11: Programa .................................................................................................................. 40 Fig 12: Motor y banda transportadora.................................................................................. 48 Fig 13: Maquina encajadora de paquetes de dulces.............................................................. 48 Fig 14: Panel de control........................................................................................................ 49 Fig 15: Electroválvulas ......................................................................................................... 50 Fig 16: Cilindro neumático ................................................................................................... 50 Fig 17: Sensores magnéticos finales de carrera .................................................................... 51 Fig 18: PLC........................................................................................................................... 51 Fig 19: Esquema neumático.................................................................................................. 52 Fig 20: Esquema eléctrico .................................................................................................... 53 Fig 21: Entradas al PLC........................................................................................................ 54 Fig 22: Salidas del PLC ........................................................................................................ 55
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Repartición de tareas……………………………………………………………..29 Tabla 2: Tabla de anterioridades…………………………………………………………..29 Tabla 3: Entradas y salidas del PLC……………………………………………………….35 Tabla 4: Direcciones de las entradas y salidas……………………………………………..38 Tabla 5: Estados internos…………………………………………………………………..39
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INTRODUCCIÓN
Estamos en un mundo en donde desde hace unos años se ha venido desvalorizando la mano de obra, por diversas razones, como lo es la búsqueda de economía, evitar las fallas humanas y hasta evitar posibles problemas con los trabajadores como lo pueden ser huelgas o paros. La automatización surgió como una solución a todos esos problemas, entonces empezaron a aparecer las automatizaciones mecánicas y eléctricas, debido al avance tecnológico tan rápido que se ha dado, ya las automatizaciones eléctricas, por ejemplo, ya no satisfacen del todo, ya se quedan cortas en algunas ocasiones para las necesidades de la industria. Por esto surgió la automatización electrónica y con esto empezó el auge del autómata programable o más conocido como PLC, un elemento indispensable para las automatizaciones del día de hoy. El motivo de este proyecto es de carácter académico, ya que los estudiantes podrán en un futuro realizar una automatización completa y no quedarse solamente en simulaciones. De esta forma la universidad puede profundizar un poco mas en este tema, ofreciendo a los estudiantes las herramientas necesarias para que tengan más oportunidades en su futura vida laboral. El proceso secuencial que se automatizará en este trabajo, encajadora de paquetes de dulce, esta basado en el diseño previo, con algunas modificaciones en la estructura física, de los autores Jean Pierre Caron, Pierre Jean Barre y Jean Paúl Hautier. Este trabajo esta dividido en 3 capítulos, en el primer capítulo se da un marco teórico muy general sobre lo qué es la automatización, sobre los diferentes elementos que se utilizan; si bien los conceptos que se encuentran en este capítulo son de conocimiento previo por cualquier ingeniero que trabaje en esta área, la principal motivación para realizar este capítulo es que sirva de ayuda para estudiantes que apenas están empezando a estudiar este tema tengan una base teórica para que después puedan aplicarlos a la practica. En el segundo capítulo trata sobre la guía GEMMA, en donde se explica cada una de las partes que la componen. Por último se encuentra el tercer capítulo el cual trata el problema
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especifico de este proyecto (la encajadora de paquetes de dulces), en donde se aplica los conceptos vistos en los 2 primeros capítulos y se sigue la metodología de automatización propuesta por los autores anteriormente mencionados en su libro Systèmes Automatiques.
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OBJETIVOS
Con este proyecto se desea modelar el funcionamiento secuencial de un proceso industrial, que en este caso es la automatización de una encajadora de paquetes de dulces. Los objetivos planteados para este proyecto de grado son:
• Entender claramente los conceptos básicos de una automatización y que este documento sirva como herramienta para las personas interesadas en el tema.
• Mostrar la capacidad y lo útil que es el PLC en una automatización.
• Investigar, comprender y aplicar los pasos necesarios y elementos a tener en cuenta
para realizar la automatización de procesos secuenciales en forma completa y exitosa.
• Entrega de un prototipo físico de la encajadora de paquetes de dulces
completamente autómata, mediante la utilización de un PLC (Controlador Lógico Programable) el cual debe ser programado previamente.
• Dentro del programa tiene que haber un procedimiento de parada de emergencia.
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ANTECEDENTES Y PROBLEMÁTICA En el curso Taller de Control se propuso como proyecto la automatización del proceso industrial de encajado de paquetes de dulces, la cual se debía realizar bajo una metodología especifica para que cumpliera los requerimientos del proceso y por lo tanto lograr un resultado exitoso, durante el curso se diseño un primer modelo de la máquina y se adquirieron por parte de la universidad los cilindros neumáticos y las electroválvulas. En ese momento solo se construyo el modelo y no se hizo nada en la parte del control. Luego pasó a ser un proyecto especial, cuando con un compañero, Juan Manuel Boada, se diseño y construyó un nuevo modelo que se adaptara a los requerimientos del problema. A partir desde ese momento yo seguí trabajando en él, pero ya como mi proyecto de grado realizando la automatización completa de la máquina. Para solucionar el problema de la automatización seguí la metodología propuesta desde un principio, la cual consistía en dividir el proceso en tareas que el proceso debía realizar, para luego realizar la secuencia en que se debían hacer, el siguiente paso era que con la ayuda de la guía GEMMA se tenía que decidir los posibles estados de funcionamiento de la máquina, ya con esto se podía empezar a programar los distintos modos de operación y relacionarlos entre sí por medio de la guía GEMMA.
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CAPÍTULO 1: PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN
1.1 Concepto de automatización La automatización es el reemplazo de la acción humana por mecanismos, independientes o no entre sí, los cuales son movidos por una fuente de energía externa, capaces de realizar ciclos completos indefinidamente. En una automatización se encuentran los órganos de mando, que son los que ordenan los ciclos a realizar y están los órganos de trabajo, que son los ejecutan las ordenes dadas. Una automatización se puede realizar completa y parcialmente, la automatización completa es la que realiza ciclos de producción masiva de productos homogéneos, y la automatización parcial es propia de una producción variable y limitada [1].
1.2 Técnicas de automatización Se pueden hablar de varias técnicas de automatización [1], dentro de las cuales tenemos: mecánica, neumática, hidráulica, eléctrica y electrónica. Aunque también se pueden encontrar automatizaciones combinadas, es decir, automatizaciones que utilicen dos o tal vez tres técnicas diferentes, como por ejemplo las automatizaciones electro-neumáticas y las demás combinaciones que se podrían realizar.
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1.2.1 Automatización mecánica Estos sistemas suelen ser complicados por la cantidad de sistemas mecánicos que existen. Por el contrario la tecnología que controla su funcionamiento, es relativamente fácil y a la que puede acceder personal poco cualificado, lo que significa un montaje y mantenimiento económicos. Los mecanismos que la componen son: ruedas dentadas y poleas para las transmisiones de movimiento, levas y palancas para la obtención de recorridos controlados. Existen muchos ejemplos en la industria de automatismos mecánicos, como lo son los tornos, limadoras, fresadoras. Los grandes problemas de estos tipos de automatizaciones son la longitud de las cadenas cinemáticas y la sincronización de movimientos en los órganos móviles.
1.2.2 Automatización neumática Este tipo de automatización permite una infinidad de aplicaciones, especialmente en el trabajo de la fijación de piezas, bloqueo de órganos, alimentación de maquinas y movimiento lineal de órganos que no requieran velocidades de actuación rigurosamente constantes. Es muy común encontrar en la industria instalaciones neumáticas como elementos de mando. Dentro de las ventajas que se tienen con la automatización neumática encontramos la sencillez de los sistemas, la rapidez de los movimientos, la economía de estos sistemas una vez ya instalados; pero así como tiene ventajas también tiene desventajas como son los altos costos para realizar una instalación neumática y el mantenimiento del estado del aire, ya que debe estar limpio y seco.
1.2.3 Automatización hidráulica Tiene las mismas características que la neumática, con algunas diferencias, como por ejemplo, el mando hidráulico es más lento que el neumático, aunque es capaz de desarrollar más trabajo. Por lo tanto la automatización hidráulica se utiliza cuando se necesita desarrollar más trabajo y que no sea primordial la velocidad de respuesta. Este tipo de mando lo encontramos en prensas, en el automóvil: frenos, dirección e incluso suspensión.
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1.2.4 Automatización eléctrica Cualquier maquina por sencilla que sea va a tener algún tipo de automatismo eléctrico, encargado de gobernar los motores eléctricos o como función de mando de la propia maquina.
1.2.5 Automatización electrónica Acá se encuentran los sistemas digitales, que ha desembocado en los autómatas programables.
1.3 Tipos de procesos industriales Los procesos industriales pueden dividirse en tres grupos a saber:
• Continuos
Se caracterizan por que la materia prima siempre está entrando por un extremo del sistema mientras que en el otro extremo sale el producto terminado completamente. Un ejemplo puede ser un sistema de calefacción.
• Discretos
Aquí el producto final se obtiene a través de una serie de operaciones. Un ejemplo puede ser la elaboración de alguna pieza metálica por medio de taladros.
• Discontinuos
Reciben a la entrada las cantidades de las diferentes piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso. Sobre este conjunto se realizan las operaciones necesarias para realizar un producto acabado totalmente o para un proceso posterior. Un ejemplo es el que encontramos en la producción de automóviles.
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1.4 Automatización de Procesos secuenciales
En todo proceso automático se encuentran, la parte operativa (la maquina en sí y los accionadotes), la parte de comando o automatización (adquisición y tratamientos de datos, y los preaccionadotes), el dialogo hombre y maquina (el operario vigila y aporta sus propios datos a los ya adquiridos) [2], en la figura 1 se puede ver en diagrama de bloques todas las partes mencionadas anteriormente:
Fig 1: Automatismo electrónico[2]
1.5 Introducción a los PLC
El PLC (Controlador Lógico Programable), es un dispositivo electrónico capaz de estructurar y procesar información que recibe de los elementos conectados a las entradas en forma de programa, para entregar una nueva información en las salidas, que permite el funcionamiento automático de una secuencia o un proceso, así como su optimización.
IN OUT IN OUT
MAQUINA O
EQUIPO
ACCIONADORES Motores
Resistencias
MANDO Pulsadores, selectores, manipuladores, teclado,
etc…
COMANDO DE POTENCIA
Preaccionadotes, Contactores, reles.
TRATAMIENTO PLC
(Controlador Lógico Programable)
DETECCIÒN Interruptores de posición, Detectores, presostatos
DIALOGO HOMBRE-MAQUINA
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La capacidad de un PLC esta dada por su número de entradas (señales que pueden llegar de la etapa de detección), número de salidas (señales que se pueden enviar básicamente a las bobinas de los contactores principales), capacidad para procesar la información adquirida y entregarla ya procesada, memoria para almacenar las instrucciones del programa realizado [2].
1.5.1 Estructura del PLC
• Procesador o unidad central de proceso: Microprocesador que se usa para el tratamiento de la información o de las instrucciones que contiene el programa.
• Entradas (E): Sirven para recibir las señales eléctricas procedentes de los
elementos empleados en la etapa de detección (sensores, interruptores de posición, etc.) y mando (pulsadores, selectores) y convertirlas en señales comprensibles al PLC.
• Salidas (S): Elementos a través de los cuales se transmiten las ordenes de mando y
señalización, provenientes del tratamiento y la ejecución del programa.
• Memoria: Es la capacidad de almacenar un determinado programa por parte del PLC.
• Bits internos o marcadores: Son equivalentes a los contactores auxiliares, se
utilizan para la ejecución interna de un programa.
• Bits de sistema: Controlan el correcto funcionamiento del PLC, los cuales se describen a continuación.
o %S6: Bits cuyo cambio de estado temporiza un reloj interno que suministra
un pulso cada segundo. o %S21: Inicializa el grafcet.
o %S22: Puesta a 0 del grafcet.
o %S23: Preposicionamiento e inmovilización del grafcet.
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• Bits etapa: Permiten indicar el estado de activación o desactivación de las diferentes etapas grafcet.
• Funciones o bloques de función: En los PLC se encuentran además
temporizadores, contadores/descontadotes, programadores cíclicos, paso a paso, registros de palabras, etc.
• Programa: Introduce una serie o conjunto de instrucciones literales o graficas para
que el PLC los ejecute.
1.6 Dispositivos más comunes A continuación se describen los dispositivos [2] mas usados en una automatización:
1.6.1 Aparatos de maniobra
Son aquellos que dejan o no dejan pasar corriente de la red a una carga, como por ejemplo: motores, bobinas, pilotos. Los aparatos de maniobra se dividen en aparatos sin poder de corte, los cuales son maniobrados sin carga; en aparatos con poder de corte, los cuales son maniobrados con carga. Los aparatos de maniobra que encontramos pueden ser tanto manuales como automáticos, a continuación se mencionaran algunos ejemplos de estos aparatos:
• Interruptores: Son dispositivos con poco poder de corte, empleados para abrir o
cerrar circuitos, estos dispositivos se operan manualmente.
• Pulsadores: Aparatos con poco poder de corte, se diferencian con los interruptores por solo abren o cierran circuitos mientras son accionados, los pulsadores también son operados manualmente.
• Seccionadores: Aparatos de maniobra con o sin poder de corte.
• Sensores: Aparatos de maniobra automáticos, los cuales son activados por efecto de
diferentes factores, como por ejemplo temperatura, proximidad, luz, etc.…
• Contactor: Es un aparato de maniobra automático con poder de corte, el cual es un interruptor accionado por un electroimán
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1.6.2 Aparatos de protección Como su nombre lo indica son aparatos destinados a la protección del circuito, separándolo de las líneas de alimentación, cuando se presenta alguna irregularidad en el funcionamiento del sistema.
• Fusibles: Son conductores calibrados específicamente para el paso de
determinadas cantidades de corriente, de manera que al producirse un corto circuito se fundirán rápidamente, interrumpiendo inmediatamente el circuito y evitando daños mayores en las cargas o los conductores.
• Aparatos de protección automáticos: Son dispositivos construidos para proteger
un circuito contra sobrecargas, sin intervención del operario.
1.6.3 Aparatos de señalización
Son aquellos que indican al operario o al usuario en que estado se encuentra el proceso, o si los contactores están funcionando o no.
1.6.4 Contactos Son elementos conductores encargados de establecer o interrumpir el paso de corriente, tanto en el circuito de corriente, tanto en el circuito de potencia como en el circuito de mando, tan pronto se energice el sistema, por lo que se denomina contactos instantáneos.
• Contactos Principales:
Establece o interrumpe el circuito principal, permitiendo o no la conducción de corriente desde la red de carga. Estos son normalmente NA, aunque se encuentran contactores de contactos NC, para usos muy específicos. • Contactos auxiliares:
Permiten o interrumpen el paso de la corriente a las bobinas de los contactores o a los elementos de señalización.
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Normalmente los contactos auxiliares son:
o Instantáneos: Actúan tan pronto se energiza la bobina del contactor. o De apertura lenta: La velocidad y el desplazamiento del contacto móvil es
igual al de la armadura.
o De apertura positiva: Los contactos abiertos y cerrados no pueden coincidir cerrados en ningún momento.
Existen 2 clases de contactos auxiliares:
o Contacto normalmente abierto (NA): Su función es cerrar un circuito, tan pronto se energice la bobina del contactor al cual pertenece.
o Contacto normalmente cerrado (NC): Su función es abrir un circuito, tan
pronto se energice la bobina del contactor al cual pertenece.
1.6.5 Elementos de mando Son aquellos accionados por un operario, para establecer el diálogo hombre-maquina. En el diagrama de un automatismo se encuentran en la etapa de mando, a continuación se dan dos ejemplos de elementos de mando:
• Pulsadores: Son aparatos de maniobra cuyo contacto, o contactos, cambian de posición solamente mientras una fuerza externa actúa sobre ellos, volviendo a su posición de reposo, tan pronto cesa esta.
• Selectores: Son aparatos también conocidos como interruptores giratorios, se
utilizan cuando el sistema exige elegir algún tipo de maniobra, se encuentran de dos o más posiciones.
1.7 Lenguajes de Programación
1.7.1 Lenguaje GRAFCET
Este tipo de programación es un método grafico, el cual es muy útil para automatizar procesos secuenciales. Este lenguaje es compuesto por una serie de etapas y transiciones, los cuales forman un proceso cerrado o cíclico.
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• Etapas: Es en donde se realiza las diferentes tareas asociadas a ellas en el momento en que son activadas. Hay que tener en cuenta que las etapas no se pueden activar en forma simultánea sino que se van activando una detrás de otra.
• Transiciones: Son contactos NA o NC y son las que enlazan una etapa con la
otra, pertenecientes a los elementos conectadas a las entradas del PLC, tales como pulsadores, selectores, etc.
Un programa Grafcet consta de tres clases de tratamientos o fases:
• Tratamiento Preliminar: Esta localizada en el comienzo del programa, como su nombre lo indica, se grafica en lenguaje a contactos. Consta de instrucciones las cuales no son Grafcet y que no dependen de sus etapas, como son elementos relacionados con las seguridades, funcionamiento automático, funcionamiento manual, paro de emergencia, etc.
• Tratamiento Secuencial: Este si grafica en Grafcet y esta conformado por las etapas, transiciones y acciones asociadas a las etapas como se dijo anteriormente. Este tratamiento se introduce en el PLC en forma grafica o también se puede hacer por lista de instrucciones, esto depende del programador que se utilice.
• Tratamiento Posterior: Se ubica al final del programa y se grafica en lenguaje
a contactos. Este sirve para garantizar la activación y condiciones de seguridad de las acciones asociadas a las diferentes etapas, así como el funcionamiento de los mandos manuales.
Algunos esquemas y símbolos usados para programar en un PLC
• Contacto NA:
• Contacto NC:
• Contacto con flanco ascendente:
• Contacto con flanco descendente:
• Bobina:
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• Bobina negada:
• Bobina activada (set):
• Bobina desactivada (reset):
• Fin de programa:
• Bloque de función:
o Temporizador. o Contador. o Paso a paso. o Programador cíclico.
Los siguientes símbolos son los más comunes y utilizados cuando se programa en el lenguaje GRAFCET:
• Etapa inicial:
• Etapas:
• Acción asociada a una etapa:
• Transición:
• Salto de etapa:
• Retroceso de etapa:
• Secuencias simultaneas:
• Secuencia con direccionamiento condicional o derivación:
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1.7.2 Lista de instrucciones Es un lenguaje de texto booleano, cada renglón esta compuesto por la dirección, instrucción y operando, como se ve a continuación:
Dirección Instrucción Operando 000 LD %10.1 001 OR %Q.1
Los esquemas o contactos y GRAFCET se pueden introducir en el PLC por medio de la lista de instrucciones.
1.7.3 Lenguaje LADDER También es un lenguaje booleano pero este es grafico, los cuales son diagramas horizontales, en los cuales las líneas de alimentación son representadas verticalmente y en las que se ubican los diferentes contactos son horizontales.
Este lenguaje también se utiliza para introducir el programa en el PLC.
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CAPÍTULO 2: GUÍA GEMMA
La automatización de máquinas y de los procesos industriales debe contemplar todos los posibles estados en que se puede encontrar una máquina o proceso. No solamente se debe contemplar en el programa el simple funcionamiento normal automático, sino cualquier situación de fallo, de parada de emergencia, los procesos de rearme y puesta en marcha de la máquina, las marchas de test, el control manual. Un programa autómata debe considerar en forma prioritaria la detección de los posibles defectos de la parte operativa y el ejecutar la parada de emergencia. Asimismo una cuestión fundamental es el rearme de la máquina, debiendo contemplar el caso de que la producción deba en el estado previo a la emergencia, o si ya no es posible continuar, el proceso debe ser iniciado de nuevo. Todo programa de autómata debe contemplar estos casos, con el objetivo de reducir al mínimo los tiempos de parada de las maquinas y hacer simple el proceso de arranque y los cambios de modo de funcionamiento, por ejemplo paso de control manual a control automático. En un principio todo programa autómata deberá implementar:
• Producción normal automática. • Control manual de la maquina. • Marchas de test. • Posicionamiento de la maquina en la posición inicial. • Gestión de la parada de emergencia. • Gestión de rearme de la maquina.
La Guía GEMMA, Guía para el estudio de los modos de Marcha y Parada es una representación organizada de todos los modos o estados en que se puede encontrar un
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proceso de producción automatizado, igualmente representa los saltos de transiciones que se dan de un estado a otro [3]. Los estados se pueden organizar en 3 grupos principales:
• Procesos de Parada y Puesta en Marcha Abarca todos los procesos de parada activados a petición del operador y a causas varias como fin de trabajo, parada pedida a fin de ciclo, parada en un estado determinado y que responden no a eventos generados por la propia máquina. También abarca los procesos conducentes a la puesta en marcha de la máquina como son la puesta del sistema en el estado inicial o la puesta del sistema en un estado determinado.
• Procesos de fallo de la Parte Operativa
Abarca todos los procesos de fallo, activados por un fallo propio de la máquina o también a petición del operador al pulsar el hongo de emergencia.
• Procesos de funcionamiento
Designa los procesos necesarios para la producción y obtención de los productos. Además del estado de producción normal automática, como también las marchas de preparación y de cierre, las marchas de test y las marchas de verificación.
GEMMA también representa el estado en que la Parte de Mando se encuentra fuera de servicio. Es decir el autómata está sin alimentación o en Stop.
2.1 Procedimientos de Parada y Puesta en Marcha En esta parte se encuentran los diferentes modos de funcionamiento en los que el sistema está parado, los modos los cuales llevan a una parada del sistema y lo que permiten que se pueda pasar de un estado de defecto a un estado de parada para luego volver a poner en marcha el sistema. Todos estos procesos son realizados bajo el mando del operario y también cuando la máquina se pone en posición inicial.
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• Parada en el estado inicial (A1)
Este estado es el de reposo de la máquina, el cual se representa por un rectángulo doble y corresponde habitualmente con la etapa inicial del Grafcet.
• Parada solicitada a final de ciclo (A2)
Es un estado temporal o transitorio, en donde la máquina debe funcionar sólo hasta acabar el ciclo. Este estado memoriza una parada solicitada para que la máquina termine el ciclo y luego pase a un estado inicial.
• Parada solicitada en un estado determinado (A3)
Aquí se memoriza una parada que ha sido solicitada para que la maquina pare en un estado intermedio en el proceso o en el ciclo y pase al estado de la parada obtenida.
• Parada obtenida (A4)
Es cuando se hace una parada en un estado intermedio del ciclo distinto al de la etapa inicial.
• Preparación para la puesta en marcha después de defecto (A5)
En este estado se realizan las acciones pertinentes para la corrección de los defectos que fueron causantes de una parada de emergencia. Este proceso lo realizan los operarios, con ayuda del autómata, el cual dependiendo de su programación puede informar al operario el lugar el cual se produjo el defecto.
• Puesta del sistema en el estado inicial (A6)
La máquina de forma automática se pone en condiciones iniciales.
• Puesta del sistema en un estado determinado (A7)
Aquí el operario puede decidir en que estado intermedio del ciclo poner la máquina, se hace en casos cuando la producción ha sido interrumpida por una emergencia, dejando a esta a medio producir.
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2.2 Procedimientos de funcionamiento
• Producción normal (F1)
Como su nombre lo indica es el estado en el que se realiza la producción normal de la máquina, en la plantilla esta representado con líneas más gruesas por ser el estado más importante.
• Marcha de preparación (F2)
Son los procesos necesarios para que se pueda entrar a producción.
• Marcha de cierre (F3)
En este estado se realiza el vaciado o limpieza de las maquinas. Para el cambio de algunas de las características del producto.
• Marcha de verificación en desorden (F4)
En este estado la maquina se encuentra en control manual, y es donde se verifica el funcionamiento de todos los accionadotes de la maquina por parte de un operario.
• Marcha de verificación con orden (F5)
En este estado se hace el ciclo completo pero controlado por el operario.
• Marchas de test (F6)
Como su nombre lo indica en este estado se realizan tests para comprobar el buen funcionamiento de la maquina, incluyendo los accionadores como los sensores que tenga la maquina.
2.3 Procedimientos de defecto
• Parada de emergencia (D1)
Aquí la maquina se lleva a una posición segura en caso de una emergencia, que bien puede ser pedida por un operario por medio del hongo de emergencia, o bien automáticamente por algún sensor o elemento de seguridad que posea la maquina.
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• Diagnostico y/o tratamiento de defectos (D2)
Dependiendo del autómata, este puede guiar al operario al sitio el cual esta produciendo algún tipo de defecto.
• Producción a pesar de los defectos (D3)
A este estado se entra cuando la emergencia o el defecto que ocurre en el proceso, no necesita que la maquina en su totalidad sea parada, sino que se da en partes especificas del proceso y que las actividades o funciones que realizan éstas las puede suplir un operario mientras se arregla el defecto o el daño.
Fig 2: Guía GEMMA [11]
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CAPÍTULO 3: SISTEMA ENCAJADORA DE PAQUETES DE DULCES
3.1 Análisis Funcional Los paquetes de dulces se colocan en una banda transportadora. Luego son puestos en cajas de 3 capas de 4 paquetes cada una. El objetivo es asegurar el embalaje de paquetes de dulce en continuo y en tiempo mínimo, teniendo en cuenta la restricción del producto, de procedimiento y del medio. El equipo de embalaje presenta la solución tecnológica prevista. El proceso consiste en cinco subprocesos: una banda de alimentación funcionando en continuo; un tobogán; un proceso de acomodación que consiste en una “caja acomodadora” que recibe los dulces, la cual será de 2 posiciones (izquierda – derecha), y que su parte inferior se mueve para que los dulces caigan en la caja en donde se van a empacar los dulces, un separador que ayuda acomodar los dulces en la “caja acomodadora”; por ultimo en la parte de debajo de la estructura hay un sistema que transporta e instala las cajas vacías y evacua las cajas llenas. Los paquetes de dulces llegan de la banda transportadora sobre el tobogán inclinado los paquetes descienden por gravedad, se posicionan sobre el lado derecho o izquierdo de la “caja acomodadora”. El siguiente paquete se posiciona en la parte de atrás, luego de haber descendido el separador. La “caja acomodadora” vira para renovar la formación de una capa sobre el otro lado. Cuando ésta tenga ya los cuatro paquetes posicionados se mueve la parte inferior, cayendo de esta manera los cuatro paquetes de dulces en la caja en donde van a quedar empacados los paquetes de dulces, una vez que la formación de las tres capas de cuatro paquetes termina, entonces un cartón vacío es traído y el cartón lleno se evacua para cerrarse y sellarse [4].
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Fig 3: Caja llena de 3 capas de 4 paquetes de dulces Teniendo en cuenta las exigencias del sistema se ha tomado la decisión de utilizar cilindros neumáticos para mover la caja “acomodadora” (ver figura 4), el piso sobre el cual se encuentra la caja acomodadora y el separador, la razón de escoger estos elementos es que ayuda a cumplir los requisitos del sistema y para su automatización, para mover las bandas transportadoras se utilizará motores D.C o A.C.
Fig 4: Caja acomodadora
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Teniendo en cuenta los requerimientos del problema y de la solución tecnológica, en la siguiente tabla se muestra en una forma clara las tareas a realizar en el proceso de encajado:
TAREAS DESCRIPCIÓN T1 Seleccionar paquetes a la izquierda T2 Seleccionar paquetes a la derecha T3 Formar lado derecho T4 Formar lado izquierdo T5 Dejar caer los paquetes en la caja T6 Poner una nueva caja vacía
Tabla 1: Repartición de tareas
3.1.1 Tabla de anterioridades Teniendo en cuenta las tareas a realizar por el proceso se puede hacer la tabla de anterioridades, la cual será la base para la programación óptima del proceso.
TAREAS COMIENZA SI TERMINA SI AUTORIZA A T1 Fin T5 ó Fin T6 “Caja acomodadora”
está a la izquierda T3
T2 Fin T3 “Caja acomodadora” está a la derecha
T4
T3 Fin T1 y Fin T5 2 paquetes se encuentran en el lado izquierdo
T2
T4 Fin T2 2 paquetes se encuentran en el lado derecho
T5
T5 Fin T4 y [3 capas no formadas ó (3 capas formadas y Fin T6)]
Capa formada de 4 paquetes
T1
T6 Fin T5 y 3 capas formadas
Una caja vacía está en posición
T6
Tabla 2: Tabla de anterioridades
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3.1.2 Diagrama de bloques del sistema a desarrollar El siguiente diagrama [5] ayuda a identificar las partes del sistema.
Fig 5: Diagramas de bloques del sistema
El PROCESO es la maquina que, con sus órganos de accionamiento, va a realizar las acciones que permiten la evolución secuencial de la misma. Necesita las señales de entrada para el mando de los accionadores neumáticos y proporciona mediante sensores, su estado a cada momento. El sistema de COMUNICACIÓN permite al usuario dar ordenes y comprobar mediante señalizadotes el estado de la maquina. Por último, el ARMARIO (PLC) integra el circuito de mando que recibe la información del resto de los elementos y proporciona las señales necesarias para el desarrollo correcto de la secuencia prevista.
3.2 S istema lógico de control Con ayuda de la guía GEMMA se fijan los estados de marcha y paro que se consideran necesarios en la maquina, a continuación se enuncian dichos estados:
• Marcha automática y paro de fin de ciclo. • Posibilidad de verificación de los elementos neumáticos manualmente.
ALIMENTACIÓN ALIMENTACIÓN NEUMATICA ELECTRICA MANDO ELECTRICO DE PREACCIONADORES DETECTORES DE CAMPO
SEÑALIZACIÒN
ÒRGANOS
ARMARIO CON SISTEMA
DE MANDO
PROCESO
PREACCIONADORES
SENSORES
PANEL DE CONTROL (Comunicación Hombre-Maquina)
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• Posibilidad de salir del ciclo normal, ya sea por la activación del hongo de emergencia o simplemente porque el operario lo solicite.
La figura 13 refleja esos estados [5].
Fig 6: Guía GEMMA del sistema
Los estados previstos son los siguientes:
• Parada en el estado inicial (A1)
Este estado es el de reposo de la máquina, el cual se representa por un rectángulo doble y corresponde habitualmente con la etapa inicial del GRAFCET.
• Parada solicitada a final de ciclo (A2)
Es un estado temporal o transitorio, en donde la máquina debe funcionar sólo hasta acabar el ciclo. Este estado memoriza una parada solicitada para que la máquina termine el ciclo y luego pase a un estado inicial.
AUTOMATICO MARCHA MANUAL MARCHA EN AUTOMÁTICO NO EMERGENCIA PARO EMERGENCIA
A6 (Inicialización parte operativa) MANDO POR SEPARADODE MOVIMIENTO
A1 (Paro en estado inicial) ESTADO DE REPOSO DE LA MAQUINA
F4 (Verificación de m cha en desorden) MANDO POR SEPARADO DE CADA MOVIMIENTO
A2 (Demanda de paro al fin de ciclo) ACABAR CICLO ES LLENAR UNA CAJA DE TRES CAPAS
F1 (Producción normal) PUESTA DE LOS PAQUETES DE DULCES EN LAS CAJAS
D1 (Paro de emergencia) HONGO DE EMERGENCIA
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• Puesta del sistema en el estado inicial (A6)
La máquina de forma automática se pone en condiciones iniciales.
• Producción normal (F1)
Como su nombre lo indica es el estado en el que se realiza la producción normal de la máquina, la salida de este estado se puede dar por dos razones a saber:
o Paro: este paro puede ser por una orden directa de pedida de fin de ciclo. El ciclo en curso debe finalizar antes de realizar la parada.
o Emergencia: esta parada se da por el accionamiento del hongo de emergencia.
• Verificación de marcha en desorden (F4)
En este estado se puede verificar el buen funcionamiento de los tres cilindros de la maquina y de los sensores finales de carrera de estos. Se entrara a F4 cuando, estando en A1, se selecciona el modo manual y se de orden de accionar un cilindro. Se sale de este estado cuando se cambia a modo automático.
• Parada de emergencia (D1)
Se entra a este estado cuando el operario vea algo anormal o defectuoso en el funcionamiento de la máquina y oprima el hongo de emergencia, en este caso todos los accionadores deben dejar de moverse inmediatamente se oprima el hongo y mientras la máquina se encuentre en emergencia estos deben estar bloqueados.
3.2.1 Entradas y salidas al sistema de control Con toda la información que se tiene hasta el momento del sistema y con ayuda de la guía GEMMA de la figura 13 se puede establecer claramente que salidas hacia el proceso se necesitan, que sensores hacen falta para detectar las situaciones planteadas y qué comunicación hombre-maquina es la adecuada:
• Salidas hacia el proceso
Cinco salidas de tipo digital, a 24V. Se denominan Y1, Y2, Y3, Motor1, Motor2.
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• Sensores
Seis detectores finales de carrera (C1_C, C1_E, C2_C, C2_E, C3_C, C3_E), dos por cilindro para detectar las dos posiciones posibles, 2 sensores (DULCE1, DULCE2) para detectar sí los paquetes de dulces están en posición, un sensor (SENSOR CAJA) el cual indica si la caja o el cartón vacío para encajar los paquetes de dulces esta en posición.
• Señalización
o Indicador luminoso de maquina en funcionamiento automático (H0). Color verde.
o Indicador luminoso de maquina en situación de verificación en desorden
(H1). Color amarillo.
o Indicador luminoso que muestra si hay estado de emergencia (H2). Color rojo.
• Auxiliares de mando
o Interruptor de encendido de la maquina (S1). o Interruptor selector manual/automático (S2).
o Pulsador para mover el cilindro separador (S3).
o Pulsador para mover el cilindro de la “caja acomodadora” (S4).
o Pulsador para mover el cilindro del piso (S5).
o Interruptor para pedir paro por fin de ciclo (S6).
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La tabla 3 es el resumen de todas las entradas y salidas necesarias:
N. ETIQUETA DISPOSITIVO
RELACION CON OTROS
ELEMENTOS FUNCIÒN
1 Y1 Electroválvula Salida del PLC hacia parte operativa Salida cilindro separador
2 Y2 Electroválvula Salida del PLC hacia parte operativa
Salida cilindro “caja acomodadora”
3 Y3 Electroválvula Salida del PLC hacia parte operativa Salida cilindro piso
4 Motor 1 Relé 1 Salida del PLC hacia parte operativa
Motor que mueve la banda que lleva la caja vacía
5 Y4 Electroválvula Salida del PLC hacia parte operativa
Salida para quitar el aire en caso de emergencia
6 C1_C Final de carrera Entrada desde parte operativa a PLC
Indica que el cil. Separador esta comprimido
7 C1_E Final de carrera Entrada desde parte operativa a PLC
Indica que el cil. Separador esta extendido
8 C2_C Final de carrera Entrada desde parte operativa a PLC
Indica que el cil. Caja esta comprimido
9 C2_E Final de carrera Entrada desde parte operativa a PLC
Indica que el cil. Caja esta extendido
10 C3_C Final de carrera Entrada desde parte operativa a PLC
Indica que el cil. Piso esta comprimido
11 C3_E Final de carrera Entrada desde parte operativa a PLC
Indica que el cil. Piso esta extendido
12 DULCE1 Detector Entrada desde parte operativa a PLC Dulce en posición
13 DULCE2 Detector Entrada desde parte operativa a PLC Dulce en posición
14 EMERGEN
CIA Pulsador NO Entrada desde el panel hacia el PLC Hongo de emergencia
15 H0 Piloto indicador Entrada desde el panel hacia el PLC Automático
16 H1 Piloto indicador Entrada desde el panel hacia el PLC Manual
17 H2 Piloto indicador Entrada desde el panel hacia el PLC Emergencia
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18 S1 Interruptor Entrada desde el panel hacia el PLC Encendido
19 S2 Interruptor Entrada desde el panel hacia el PLC Manual o Automático
20 S3 Pulsador NO Entrada desde el panel hacia el PLC Mueve cilindro separador
21 S4 Pulsador NO Entrada desde el panel hacia el PLC
Mueve cilindro “caja acomodadora”
22 S5 Pulsador NO Entrada desde el panel hacia el PLC Mueve cilindro piso
23 S6 Interruptor Entrada desde el panel hacia el PLC
Pedido de paro fin de ciclo
24 SENSOR
CAJA Detector Entrada desde parte operativa a PLC
Indica que hay una caja vacía en posición
Tabla 3: Entradas y salidas al PLC
3.2.2 GRAFCETS de nivel tecnológico Una vez establecidas las entradas y salidas del sistema, se pueden realizar los diferentes GRAFCETS como son: GEMMA, producción normal, verificación en desorden y del estado de inicialización. La figura 7 es el GRAFCET del GEMMA en el cual se especifica los modos de marcha y paro:
Fig 7: GRAFCET del GEMMA
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La figura 8 representa el GRAFCET correspondiente al estado de producción normal (F1):
Fig 8: GRAFCET de producción normal
En la figura 9 se puede ver el GRAFCET de verificación en desorden:
Fig 9: GRAFCET de verificación en desorden
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Por último, el del estado de inicialización se muestra en la figura 10.
Fig 10: GRAFCET de inicialización
3.2.3 Autómata programable El PLC que se utilizó para desarrollar el autómata fue el que la Universidad de los Andes posee en el Laboratorio de Eléctrica y Electrónica el cual es un PLC S7-300, CPU 314 IFM con alimentación de alterna, entradas y salidas de continua a 24V. Este PLC posee 20 entradas digitales, 16 salidas digitales, 4 entradas análogas y 1 salida análoga. Tanto el número de entradas y salidas son suficientes para el sistema a desarrollar en este proyecto. Tomando como referencia la tabla 3, se puede realizar la asignación de entradas y salidas como se indica a continuación:
N. ETIQUETA DIRECCION 1 Y1 A 124.0 2 Y2 A 124.1 3 Y3 A 124.2 4 Motor 1 A 124.3
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5 Y4 A 124.4 6 H0 A 125.3 7 H1 A 125.4 8 H2 A 125.5 9 C1_C E 124.0 10 C1_E E 124.1 11 C2_C E 124.2 12 C2_E E 124.3 13 C3_C E 124.4 14 C3_E E 124.5 15 Rearme E 124.7 16 DULCE1 E 125.0 17 DULCE2 E 125.1 20 EMERGENCIA E 126.2 21 S1 E 126.0 22 S2 E 126.1 23 S3 E 125.2 24 S4 E 125.3 25 S5 E 125.4 26 S6 E 125.5
Tabla 4: Direcciones entradas y salidas
De los GRAFCETS de las figuras 14, 15, 16, 17 se obtuvo el número de los estados internos, contadores, comparadores. Los estados internos se implementaron con marcas. La tabla que se da a continuación resume esta información:
N. ETIQUETA DIRECCIÒN 1 A1 M 70.0 2 A2 M 70.1 3 A6 M 70.3 4 F4 M 70.2 5 F1 M 55.1 6 D1 M 70.4 7 F1_10 M 55.0 8 F1_11 M 55.2 9 F1_12 M 55.3 10 F1_13 M 55.4 11 F1_14 M 55.5 12 F1_15 M 55.6 13 F1_16 M 55.7 14 F1_17 M 60.0
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15 F1_18 M 60.1 16 F1_19 M 60.2 17 F1_20 M 60.3 18 F1_21 M 60.4 19 F1_22 M 60.5 20 F1_23 M 60.6 21 F1_24 M 60.7 22 F1_25 M 80.0 23 F4_100 M 70.5 24 F4_101 M 70.6 25 F4_102 M 70.7 26 F4_103 M 71.0 27 F4_104 M 71.1 28 F4_105 M 71.2 29 F4_106 M 71.3 30 A6_1000 M 71.4 31 A6_1001 M 71.5 32 A6_1002 M 71.6 33 A6_1003 M 71.7
Tabla 5: Estados internos
3.2.4 Programa de control Para programar cada uno de las transiciones de los GRAFCETS de las figuras 7, 8, 9, 10 se utilizaron segmentos en lenguaje LADDER (diagrama de contactos). En cada segmento se encuentran, por un lado, la cadena de contactos en serie y/o paralelo que se deben activar para que se cumpla la condición. Si la condición es verdadera, se pone en uno (memorizando, gracias a la función Set) la etapa siguiente y a cero la anterior. En la figura 11 se muestra el programa completo incluyendo las etapas y transiciones de los GRAFCETS escrito en LADDER, el objetivo de hacerlo totalmente en este lenguaje es que el estudiante conozca de él, y que aunque el proceso esta basado en la guía GEMMA la cual es un GRAFCET, es necesario conocer otros lenguajes de mas bajo nivel ya que para programar las transiciones del GRAFCET se debe hacer ya sea en un lenguaje de instrucciones o LADDER. En cuanto a la activación de salidas, cada una de estas se activa como resultado de una operación O de los diferentes estados de todos los GRAFCETS en que se tienen que activar.
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Fig 11: Programa • Subrutina de inicialización: se ponen en 1 todas las etapas iniciales de los
GRAFCETS y a 0 el resto de etapas.
Fig 11. (continuación)
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• GEMMA
Fig 11. (continuación)
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• Producción normal
Fig 11. (continuación)
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Fig 11. (continuación)
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• Verificación en desorden
Fig 11. (continuación)
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• Inicialización parte operativa
Fig 11 (continuación) • Activación de salidas
Fig 11. (continuación)
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Fig 11. (continuación)
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Fig 11. (continuación)
3.3 Construcción prototipo El prototipo se construyo en aluminio calibre 1/16 totalmente, las bandas transportadores se construyeron en madera plástica. Cabe anotar que el prototipo se construyo siguiendo los planos hechos en AutoCad, dichos planos se pueden ver en unos de los anexos. El motor que mueve la banda transportadora que lleva los paquetes de dulces es un motor D.C a 110 V de unas 40 a 50 rpm aproximadamente, de potencia 2 caballos, tiene un controlador de velocidad, para controlar el motor se utilizó un rele de estado sólido, el cual funciona como un switch que deja o no pasar la corriente al motor dependiendo de la señal de control mandada por el PLC. Para mover la banda transportadora en donde van las cajas en donde se van a empacar los paquetes de dulces se puede hacer por medio, ya sea de un motor D.C o A.C, para esta banda no se necesita que el motor tenga una velocidad variable, la potencia que se necesita para mover la banda es de 1 caballo, en el caso que a la banda se le adicionen los rodamientos en cada uno de los rodillos, ya que como esta en estos momentos sin los rodamientos, hay más fricción que le hace oposición al movimiento de la banda, si no se le adiciona los rodamientos seria bueno tener un motor de 2 caballos para que no se tenga ningún problema. Por lo anterior el motor A.C que se necesita es de 1 o 2 caballos, de 50 a 60 rpm, para controlarlo se puede hacer de la misma manera que el motor que mueve la banda que lleva los paquetes de dulces, es decir con un rele de estado sólido.
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Las diferentes partes de la maquina por separado y la maquina completa se ven a continuación:
Fig 12: Motor y banda transportadora
Fig 13: Maquina encajadora de paquetes de dulces
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A continuación se muestra el panel de control para la maquina, en donde se encuentran los diferentes interruptores, pulsadores y pilotos:
Fig 14: Panel de control
3.4 Aspectos técnicos
3.4.1 Accionadores y preaccionadores Teniendo en cuenta el ciclo de trabajo de la maquina, contando con el tamaño de las piezas que se van a manejar y los esfuerzos que tiene que hacer los cilindros, se decide hacer uso de los siguientes órganos de accionamiento:
• Cilindro separador
o De simple efecto. o Diámetro 25mm y carrera 50mm
• Cilindro caja “acomodadora”
o De simple efecto. o Diámetro 25mm y carrera 50mm
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• Cilindro piso
o De simple efecto. o Diámetro 25mm y carrera 150mm
• Preaccionadores Se utilizaran electroválvulas de dos posiciones y cinco vías, de un solenoide. El consumo de la electroválvula es de 100 mA (aprox.) a 24V DC.
Los cilindros y electroválvulas los vemos a continuación:
Fig 15: Electroválvulas
Fig 16: Cilindro neumático
3.4.2 Sensores
• Para detectar los finales de carrera de los cilindros se necesitan 2 sensores por cada cilindro, uno en cada extremo. Son sensores magnéticos tipo Reed Switch alimentados por 24V.
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Fig 17: Sensores magnéticos finales de carrera [10]
• Para detectar si los dulces se encuentran en posición se utilizaron fotoceldas.
• Para detectar la posición de la caja en donde van a ir empacadas las cajas se utilizo
un sensor tipo capacitivo de tipo PNP alimentado con 24 V.
3.4.3 S istema de control
• Mando programado con un PLC S7-300 marca SIEMENS, el cual tiene 20 entradas digitales, 16 salidas digitales, 4 entradas análogas y 1 salida análoga.
Fig 18: PLC
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3.4.4 Necesidades energéticas
• Instalación neumática
o Compresor portátil, se necesita un compresor de 35 a 40 psi.
o Diámetro de tubería 1/8.
o Elementos de conexión: 7 racores
o Controladores de flujo
• Instalación eléctrica
ELEMENTO INTENSIDAD DE CONSUMO
TENSION DE ALIMENTACIÒN
Electrovàlvulas 100 mA 24 V DC 6 sensores finales de
carrera 100 mA 24 V DC
PLC 0.1 A 220 V AC
3.4.5 Instalación de potencia Teniendo en cuenta todo lo anterior, la figura 19 muestra el esquema neumático del sistema.
Fig 19: Esquema neumático
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3.4.6 Esquemas A parte del esquema de potencia neumática, mostrado en la figura 19, se tienen los siguientes esquemas:
• Esquema eléctrico
Fig 20: Esquema eléctrico
A partir del esquema anterior en el caso de que ocurra alguna emergencia, automáticamente se desenergizan las bobinas de las electroválvulas volviendo los cilindros a su posición inicial. Lo mismo ocurrirá en el caso de que halla algún corte de la energía eléctrica. Las electroválvulas pueden ser conectadas directamente a las salidas de 24 V del PLC.
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• Entradas al PLC
Fig 21: Entradas al PLC
Fig 21: (continuación)
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Fig 21: (continuación)
• Salidas del PLC
Fig 22: Salidas del PLC
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3.5 Plan de pruebas Se diseño un plan de pruebas para garantizar el óptimo funcionamiento de la máquina, se empezaron hacer pruebas manuales sobre los elementos como electroválvulas, cilindros y sensores, al comprobar el buen funcionamiento de todos estos elementos se paso hacer pruebas con el PLC, a continuación se enuncia específicamente las pruebas que se hicieron y el orden en que se hicieron: 1. Se comprobó el funcionamiento de las electroválvulas con sus respectivos cilindros accionándolas manualmente por medio de una fuente de voltaje. 2. Se comprobaron los sensores sin conectar al PLC, por medio de un circuito sencillo. 3. Se comprobó el funcionamiento de las electroválvulas pero ya conectadas al PLC, con programas sencillos, como por ejemplo accionar una electroválvula desde el PLC y luego accionar luego 2 y 3 electroválvulas. 4. Se conectaron los sensores al PLC y se probó que este recibiera de manera adecuada la señal de los sensores con los mismos programas que en el punto 2 pero ya teniendo en cuenta los sensores, es decir, el PLC daba la orden de accionar una electroválvula, cuando recibiera la señal de un sensor. 5. Se hicieron las pruebas finales de la producción normal y demás estados del proceso en el modelo. Primero se probó que el PLC recibiera satisfactoriamente todas las señales del panel de control, luego se probaban cada uno de los cilindros accionando los pulsadores del panel de control, luego se pasaba a marcha automatiza para comprobar que el proceso en producción normal funcionara satisfactoriamente, y por último se comprobó la emergencia oprimiendo el hongo de emergencia en cualquier momento dentro de la producción normal verificando que todos los accionadores se quedaran quietos en ese momento y bloqueados.
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RESULTADOS
El diseño y la construcción se hicieron completamente, con la respectiva adaptación al modelo de electroválvulas, cilindros, sensores y el motor. Se entrega un prototipo completo, teniendo en cuenta que es un modelo experimental y que se piensa dejar en el laboratorio para que los estudiantes trabajen en ella, se entregan los planos completos de la máquina los cuales se realizaron en Autocad para que se pueda hacer un modelo que cumpla con todas las exigencias de uso. Se diseñaron los GRAFCETS de los diferentes modos de operación basados en la guía GEMMA, se elaboró el programa completo para la automatización de la maquina, que con el plan de pruebas que se planteó se comprobó sobre la máquina, garantizando su funcionamiento y así mostrar que el prototipo realizado cumplía con los requerimientos del proceso y del control. Se deja un trabajo para que próximos estudiantes interesados en el tema, tengan una buena base para iniciar en el área de automatización, además de los elementos necesarios para poder implementar cualquier proceso de automatización.
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CONCLUSIONES La metodología propuesta por los autores Jean Pierre Caron, Pierre Jean Barre y Jean Paúl Hautier en su libro Systèmes Automatiques para realizar la automatización de procesos industriales es la apropiada, ya que hace ver en forma clara y ordenada los pasos necesarios para llevar a un final exitoso cualquier automatización. El tiempo predispuesto y la distribución de actividades fue el apropiado para llevar el proyecto a un final exitoso. Se tuvieron varios inconvenientes, como la consecución de un compresor, que aunque se utilizó el compresor que tiene el departamento de mecánica en su laboratorio, éste no siempre estaba a disposición lo que ocasionaba traumatismos en el desarrollo de la pruebas, teniendo en cuenta que la maquina va a quedar a servicio de los estudiantes, el laboratorio de eléctrica y electrónica debería tener una línea de aíre como en el laboratorio de mecánica o en su defecto adquirir un compresor portátil. El prototipo se entrega totalmente terminada y probada con el autómata, solo falta adicionarle un motor para que mueva la banda transportadora que lleva las cajas en donde van hacer empacados los paquetes de dulces y también se debe adquirir un sensor el cual indicara al autómata programable si dicha caja se encuentra en la posición indicada para que los paquetes de dulces caigan en ella. Además de las anteriores adiciones a la máquina actual, para tener la máquina completa de encajado de paquetes de dulces se necesitan de dos partes adicionales, la primera es hacer una máquina la cual va antes de la que se tiene, que es la que se encarga de hacer los paquetes de dulces y luego colocarlos en la banda transportadora y la otra viene después y es la encargada de prensar las cajas, entregando así el producto totalmente terminado. Teniendo en cuenta que en la universidad no se ha profundizado mucho en el tema de la automatización industrial y dada su importancia, se espera que este proyecto sea el
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principio de muchos más de este estilo en la universidad, ya que la automatización en el día de hoy es una opción en la vida laboral futura de todos los estudiantes.
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BIBLIOGRAFIA
[1] Desarrollo de sistemas secuenciales, Rodríguez Mata Antonio, ed. Paraninfo, pp: 2-6 [2] Controles y automatismos eléctricos, Luís Flower Leiva, ed. Luís Flower Leiva, pp: 30-50 [3] Ingeniería de la Automatización Industrial, Piedrahita Moreno Ramón, ed. Paraninfo, pp: 333 – 340. [4] Systemes Automatiques, Jean Pierre Caron, Jean Paúl Hautier, Pierre Jean Barre; editorial Ellipses. [5] Autómatas programables, Balcells José P, ed. Paraninfo, pp: 162-180. [6] Manual didáctico siemens, www.ad.siemens.de/fea/html_78/down_module.htm. [7] Diseño y programación con autómata programable o PLC, Luís Flower Leiva, ed. Luis Flower Leiva. [8] Automatización neumática y electro-neumática, Salvador Millán, ed. Paraninfo [9] Programmable logia controllers, Webb John W. [10] www.mindman.com.tw [11] http://edison.upc.es/curs/grafcet/gemma/descrip.html
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ANEXOS
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A1. Datasheet de los sensores tipo Reed-Switch [10]
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A2. Datasheet electroválvula (MVSC – 180 – 4E1) [10]
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A3. Datasheet de los cilindros [10]
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A4. Protocolo comunicación puerto paralelo
Comunicación PLC-Panel de Control
PIN ETIQUETA DIRECCION
1 H0 A 125.3 2 H1 A 125.4 3 H2 A 125.5 4 S3 E 125.2 5 S4 E 125.3 6 S5 E 125.4 7 S6 E 125.5 8 S1 E 126.0 9 S2 E 126.1 10 EMERGENCIA E 126.2 11 Rearme E 124.7
14-22 Vcc 23-25 GND
Comunicación PLC- Máquina
PIN ETIQUETA DIRECCION
1 Y1 A 124.0 2 Y2 A 124.1 3 Y3 A 124.2 4 Y4 A 124.3 5 Motor A 124.4 12 Vcc 13 GND 14 C1_C E 124.0 15 C1_E E 124.1 16 C2_C E 124.2 17 C2_E E 124.3 18 C3_C E 124.4 19 C3_E E 124.5 21 Rearme E 124.7 22 DULCE1 E 125.0 23 DULCE2 E 125.1
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A5. Diagramas Eléctricos Diagrama eléctrico (comunicación plc – panel de control)
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Diagrama eléctrico (comunicación plc – electrovalvulas, sensores, motor)
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Diagrama eléctrico panel de control
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A6. Diagrama neumático
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A7. Manual de usuario máquina encajadora de paquetes de dulces
Este manual proporciona al usuario de la máquina encajadora de paquetes de dulces las instrucciones para poder accionar la máquina. La máquina tiene 2 modos básicos de operación, uno es modo automático y el otro es el modo manual. En automático realiza el proceso de encajado en forma normal y en modo manual el usuario u operario puede accionar cada uno de los cilindros que compone la máquina por separado. También la máquina puede entrar a un estado de emergencia si el operario así lo desea. El panel de control contiene los siguientes elementos:
• Interruptores: Para prender la máquina, escoger entre marcha automática o manual y otro para que el operario pida alguna parada.
• Pulsadores: Tiene tres pulsadores para cada uno de los cilindros, uno para solicitar
el rearme de la máquina (puesta en condiciones iniciales de todos los cilindros) y uno para solicitar la emergencia.
• Indicadores luminosos: Tiene 3 indicadores, uno verde para indicar que la
máquina se encuentra en estado automático, uno amarillo cuando es en estado manual y uno rojo para indicar que se encuentra en estado de emergencia.
La apariencia del panel de control es la siguiente:
A continuación se encuentran los pasos para poner en funcionamiento la máquina en sus diferentes modos de operación:
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• Modo automático:
1. Poner el interruptor ON/OFF en ON, y elija con el interruptor AUTO/MANUAL la opción de automático e inmediatamente se encenderá el indicador luminoso verde, luego oprima el pulsador REARME para inicializar el sistema.
2. En el momento que la máquina llene una caja con 3 capas de paquetes de dulces
esta se parará prendiéndose el indicador luminoso amarillo para indicar que la caja esta llena, cuando coloque una nueva caja vacía oprima el pulsador REARME y la máquina iniciará de nuevo la producción.
3. Para pedir alguna parada mientras este trabajando la máquina, solo mueva el
interruptor de paro y cuando termine de realizar el ciclo que este haciendo la máquina esta se apagará.
• Modo manual:
1. Poner el interruptor ON/OFF en ON, y elija con el interruptor AUTO/MANUAL la opción de manual e inmediatamente se encenderá el indicador luminoso amarillo, luego oprima el pulsador REARME para inicializar el sistema.
2. Para mover los cilindros solo oprima los pulsadores cilindro1, cilindro2 o
cilindro3. 3. Para pasar a modo automático solo ponga el interruptor AUTO/MANUAL en
automático, inmediatamente la luz amarilla se apaga y la luz verde se enciende iniciando de esa manera la producción normal.
• Modo emergencia:
1. Cuando se este en producción automática y el operario ve algo anormal en el funcionamiento de la máquina, deberá oprimir el hongo de emergencia (botón rojo), inmediatamente se pararán todos los cilindros y el motor y en el panel se encenderá el indicador luminoso rojo.
2. Cuando la emergencia sea superado, el operario deberá quitar la emergencia
girando hacía la derecha el hongo de emergencia y para poner los cilindros en
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condiciones iniciales y el motor vuelva a funcionar se debe oprimir el pulsador de REARME, en ese momento la máquina se pondrá en condiciones iniciales y lista para comenzar de nuevo la producción normal.
Recomendaciones de uso
Para que la máquina funcione correctamente se deben tener en cuenta algunas recomendaciones para el mantenimiento de la máquina y para solucionar algunos problemas comunes que se pueden presentar:
1. Revisar si las mangueras se encuentran los suficientemente limpias para que
fluya el aíre libremente, ya que con el uso se van pegando impurezas en las paredes de las mangueras impidiendo el paso del aíre, dificultando el movimiento de los cilindros.
En el caso de que las mangueras estén muy sucias se deben cambiar por unas nuevas.
2. Revisar los racores de las electroválvulas y los controladores de flujo que se encuentran en los cilindros, ya que las mismas impurezas que afectan a las mangueras pueden afectar a estos elementos obstruyendo el paso del aíre.
3. Aplicar aceite en las partes donde hay algún tipo de roce por los movimientos de los diferentes cilindros de la máquina para evitar al máximo la fricción que ponga resistencia.
4. Estar revisando permanentemente todos los tornillos verificando que se encuentren fijos, para que le den a la estructura firmeza y resistencia al constante movimiento de los cilindros.
5. Sí al prender la máquina el motor que mueve la banda transportadora no se prende inmediatamente cuando el PLC da la orden, si todas las conexiones eléctricas con el rele se encuentran bien, lo más seguro es que el motor se encuentra en una velocidad muy alta por lo cual no puede arrancar de inmediatamente, para solucionar esto solo se debe mover la perilla que controla la velocidad del motor, de esa manera el motor empieza a funcionar.
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6. Debido que la banda no tiene rodamientos que facilite su movimiento, algunas veces el motor no logra mover la banda, para solucionar esto solo se debe cuadrar los tensiometros que tienen la banda en uno de sus extremos hasta que la banda empiece a moverse.
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A8. Planos mecánicos