INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE EMPAQUETADO FLEXIBLE PARA ROLLOS DE PAPEL
TISSUE
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTAN
GUADARRAMA RENDÓN YAZAED ZAID
MONTIEL VARELA ALEJANDRO
SALAZAR ÁVILA JESSE ABNER
ASESORES
M. en C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ
M. en C. OMAR NAVA RODRÍGUEZ
MÉXICO D.F. OCTUBRE 2013
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNID AD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION
POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL DEBERA(N) DESARROLLAR C. YAZAED ZAID GUADARRAMA RENDON
C. ALEJANDRO MONTIEL VARELA C. JESSE ABNER SALAZAR ÁVIL A
"DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE EMPAQUETADO FLEXIBLE PARA ROLLOS DE PAPEL TISSUE"
DESARROLLAR LA AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE EMPAQUETADO FLEXIBLE, MEDIANTE LA INTEGRACIÓN DE DISPOSITIVOS DE CONTROL E INTERFAZ GRÁFICA PARA ROLLOS DE PAPEL TISSUE.
» GENERALIDADES. » DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINARIA DE PAPEL TISSUE. » DESARROLLO DE LA INGENIERÍA. » DESARROLLO DE LA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA. » RESULTADOS y CONCLUSIONES.
M. EN C. PED A RODRÍGUEZ
MÉXICO D. F., A 29 DE MAYO DE 2013.
O FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ
~~~ D ~BLANCAMARGARITA 'U''L- .....u...,.'''' J:Á]DEL DEPARTAMENTO ~'L-~.u'''''H'
INGENIERÍA EN CONTROL Y A
JEFATIIRA le A
Contenido
Objetivo General ....................................................................................................................................... I
Objetivos Específicos ................................................................................................................................. I
Introducción ............................................................................................................................................. II
Justificación ............................................................................................................................................. III
Planteamiento del problema .................................................................................................................. IV
Alcance ..................................................................................................................................................... V
Estado del arte ........................................................................................................................................ VI
CAPÍTULO 1 .............................................................................................................................................. 1
1.1 Introducción a la automatización industrial................................................................................... 1
1.2 Manufactura flexible ...................................................................................................................... 3
1.2.1 Sistema flexible de manufactura ............................................................................................. 3
1.2.2 Celda flexible de manufactura ................................................................................................ 4
1.3 Neumática ...................................................................................................................................... 4
1.3.1 Características del aire comprimido ........................................................................................ 5
1.3.2 Rentabilidad de los equipos neumáticos ................................................................................ 6
1.3.3 Elementos neumáticos de trabajo .......................................................................................... 6
1.4 Válvulas ......................................................................................................................................... 9
1.4.1 Válvulas 5/2 ........................................................................................................................... 10
1.4.2 Válvulas 5/3 ........................................................................................................................... 10
1.4.3 Electroválvulas....................................................................................................................... 11
1.5 Interfaz Hombre-Máquina (HMI) ................................................................................................. 11
1.5.1 Tipos de HMI´s ....................................................................................................................... 12
1.5.2 Aplicaciones de las HMI´s ...................................................................................................... 13
1.5.3 Software de programación HMI ............................................................................................ 14
1.5.4 Beneficios del uso de las HMI................................................................................................ 15
1.6 Sensores ....................................................................................................................................... 16
1.6.1 Clasificación según el tipo de señal de salida ........................................................................ 16
1.6.2 Sensores de posición ............................................................................................................. 16
1.6.3 Sensores de proximidad ........................................................................................................ 17
1.6.4 Sensores Ultrasónicos ........................................................................................................... 19
1.6.5 Criterios de selección ............................................................................................................ 20
1.7 Controlador Lógico Programable PLC .......................................................................................... 21
1.7.1 Funcionamiento del PLC ........................................................................................................ 23
1.7.2 Perro guardián (Watch dog) .................................................................................................. 24
1.7.3 Clasificación ........................................................................................................................... 24
1.7.4 Arquitectura del PLC .............................................................................................................. 25
1.7.5 Lenguajes de programación del PLC ..................................................................................... 26
1.8 Protocolos de comunicación ........................................................................................................ 27
1.8.1 Protocolo de comunicación Ethernet industrial. .................................................................. 28
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................................ 31
2.1 Papel tissue .................................................................................................................................. 32
2.2 Proceso de fabricación de papel tissue ........................................................................................ 33
2.3 Etapa de Empaquetado para papel tissue Hengxin modelo: HX-ZB ............................................ 37
2.4 Empaquetadora Hengxin modelo: HX-ZB ..................................................................................... 41
2.4.1 Problemática Actual .............................................................................................................. 42
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................................................ 43
3.1 Arreglo físico en SolidWorks ........................................................................................................ 47
3.2 Selección del equipo necesario para la implementación del sistema Automatizado .................. 51
3.2.1 Equipo de control neumático ................................................................................................ 52
3.2.2 Selección de entradas al PLC (Sensores) ............................................................................... 56
3.2.3 Selección de salidas al PLC .................................................................................................... 58
3.2.4 Características de los motores eléctricos .............................................................................. 60
3.3 Dispositivos de control y comunicación ....................................................................................... 62
3.3.1 Selección del controlador ...................................................................................................... 62
3.3.2 Módulos Point I/O 1734 ........................................................................................................ 65
3.3.3 Módulo adaptador para comunicación Ethernet/IP ............................................................. 68
3.4 Selección de Interfaz Hombre-Máquina ...................................................................................... 69
3.4.1 Características del Panel View Plus seleccionada ................................................................. 70
3.5 Fuentes de alimentación .............................................................................................................. 72
3.5.1 Fuente de alimentación 1606-XLE240E ................................................................................. 74
3.6 Diagramas de conexión ................................................................................................................ 76
3.6.1 Diagrama unifilar ................................................................................................................... 76
3.6.2 Entradas al PLC ...................................................................................................................... 80
3.6.3 Salidas del PLC ....................................................................................................................... 80
3.7 Switch para la comunicación de la red Ethernet .......................................................................... 88
3.7.1 Sotfware para comunicación Ethernet.................................................................................. 88
3.8 Esquema general de módulos de comunicación .......................................................................... 89
3.8.1 Protocolo de comunicación Ethernet .................................................................................... 91
3.8.2 Establecimiento de la dirección IP por medio del servidor BOOTP ...................................... 91
3.8.3 Establecimiento de la dirección IP al adaptador 1734-AENT ................................................ 94
3.9 Programación del sistema ............................................................................................................ 95
3.9.1 Programa principal ................................................................................................................ 96
3.9.2 Movimiento de variables ....................................................................................................... 99
3.9.3 Condiciones iniciales para cilindros C Y L ............................................................................ 101
3.9.4 Bandas de control................................................................................................................ 101
3.9.5 Etapa 1 ................................................................................................................................. 103
3.9.6 Formación de niveles .......................................................................................................... 104
3.9.7 Incremento decremento número de rollos. ........................................................................ 106
3.9.8 Tiempo de trabajo de los motores ...................................................................................... 107
CAPÍTULO 4 .......................................................................................................................................... 109
4.1 Software para el desarrollo de la HMI ....................................................................................... 112
4.2 Ambiente de trabajo FactoryTalk View Studio ........................................................................... 116
4.3 Creación de la aplicación en FactoryTalk View Studio ............................................................... 117
4.3.1 Configuración de los ajustes iniciales del sistema .............................................................. 118
4.3.2 Creación de una nueva configuración de RSLinx Enterprise ............................................... 119
4.3.3 Configuración de las comunicaciones de diseño locales .................................................... 120
4.3.4 Configuración de tags de interfaz de operador .................................................................. 123
4.3.5 Creación de accesos directos de diseño .............................................................................. 124
4.4 Estructura y pantallas de la HMI para la empaquetadora ......................................................... 129
4.4.1 Pantalla de Inicio ................................................................................................................. 132
4.4.2 Selección de tipo de Empaquetado ..................................................................................... 132
4.4.3 Configuración de lote .......................................................................................................... 133
4.4.4 Reporte del lote a producir ................................................................................................. 134
4.4.6 Producción de lote actual .................................................................................................... 135
4.5 Simulación .................................................................................................................................. 138
4.5.1 Simulación del programa de PLC-HMI ................................................................................. 138
4.6 Propuesta Económica ................................................................................................................. 147
4.6.1 Presupuesto de Equipo ....................................................................................................... 147
4.6.2 Presupuesto de mano de obra ............................................................................................ 151
CAPÍTULO 5 .......................................................................................................................................... 152
5.1 Resultados .................................................................................................................................. 153
5.2 Conclusiones............................................................................................................................... 155
5.3 Recomendaciones y trabajos futuros ......................................................................................... 157
ANEXOS ................................................................................................................................................ 158
ANEXO I TABLA DE REFERENCIAS DE DIRECCIONES DE VARIABLES ..................................................... 159
ANEXO II COMPORTAMIENTO DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS ..................................................... 164
ANEXO III CONEXIÓN DE EQUIPO NEUMÁTICO ................................................................................. 169
ANEXO IV GABINETES DE CONTROLADORES ...................................................................................... 172
GLOSARIO ......................................................................................................................................... 174
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................................ 175
RELACIÓN DE FIGURAS
Figura i Empaquetadora manual tipo pie pedal. ................................................................................... VIII
Figura ii Máquina empacadora semiautomática Hengxing HX-ZB .......................................................... IX
Figura iii Máquina empacadora automática modelo WD-TP-PM7 ......................................................... XI
CAPÍTULO 1
Figura 1.1 Clasificación de las tecnologías que integran la automatización. .......................................... 2
Figura 1.2 Esquema de las partes que conforman la Automatización ..................................................... 3
Figura 1.3 Partes de un cilindro de simple efecto. ................................................................................... 8
Figura 1.4 Partes de un cilindro de doble efecto. ................................................................................... 9
Figura 1.5 Válvula neumática 5/2 monoestable de accionamiento manual con retorno de muelle..... 10
Figura 1.6 Válvula neumática 5/3 de accionamiento manual, biestable con retorno de muelle. ......... 10
Figura 1.7 Pantalla de Interfaz Hombre-Máquina .................................................................................. 12
Figura 1.8 Software para el desarrollo de HMI´s (InTouch de Wonderware). ...................................... 15
Figura 1.9 Ilustración de un sensor tipo inductivo. ................................................................................ 17
Figura 1.10 Ilustración de un sensor tipo capacitivo. ............................................................................ 18
Figura 1.11 Ilustración de sensores ópticos. .......................................................................................... 19
Figura 1.12 Ilustración de un sensor tipo inductivo .............................................................................. 20
Figura 1.13 Esquema de bloques de las estructuras del hardware del PLC y la conexión con
dispositivos externos. ............................................................................................................................. 22
Figura 1.14 Comparación del sistema electro-magnético contra el sistema con PLC. ......................... 23
Figura 1.15 PLC de estructura compacta. .............................................................................................. 24
Figura 1.16 PLC de estructura modular. ................................................................................................ 25
Figura 1.17 Esquema de la arquitectura típica del controlador lógico programable (PLC). .................. 26
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 Rollos de papel tissue en la etapa de transporte. ................................................................. 32
Figura 2.2 Esquema del “Pulper”. .......................................................................................................... 34
Figura 2.3 Caja de entrada. .................................................................................................................... 35
Figura 2.4 Máquina de papel (caja de entrada y mesa de fabricación de la hoja)................................ 35
Figura 2.5 Operación de secado en el proceso de fabricación de rollos de papel tissue. ..................... 36
Figura 2.6. Etapa de corte de los rollos de papel tissue. ........................................................................ 37
Figura 2.7 Etapa de selección y expulsión .............................................................................................. 38
Figura 2.8 Empaquetado y sellado del bolso. ........................................................................................ 39
Figura 2.9 Ilustración de la empacadora actual y labores del personal. ................................................ 40
CAPÍTULO 3
Figura 3. 1 Máquina empacadora de papel tissue a la que se le desarrollara el diseño de la
automatización. ...................................................................................................................................... 44
Figura 3.2 Diagrama de bloques del proceso de empacado de rollos de papel tissue con respecto a la
máquina a automatizar. ......................................................................................................................... 46
Figura 3. 3. Piezas que conforman el ensamble de las bandas. ............................................................. 48
Figura 3. 4 Imagen de Izquierda: proceso actual Imagen de derecha: proceso modificado. ................ 49
Figura 3. 5 Estructura perteneciente a la etapa de empaquetado. ....................................................... 50
Figura 3. 6 Máquina de empaquetado terminada. ................................................................................ 51
Figura 3.7 Etapa 1: ubicación de los cilindros. ....................................................................................... 54
Figura 3.8 Etapa 2: ubicación de los cilindros. ....................................................................................... 55
Figura 3.9 Etapas a, b y c: ubicación y tipo de sensores utilizados. ...................................................... 57
Figura 3.10 Etapas d, e y f: ubicación y tipo de sensores utilizados. ..................................................... 58
Figura 3.11 Controlador seleccionado (CompactLogix 5370 L1). ........................................................... 65
Figura 3.12 Módulos externos point I/O de la familia 1734 de Allen Bradley. ...................................... 66
Figura 3.13 Módulo de entradas digitales 1734-IV8. ............................................................................. 67
Figura 3.14. Módulo de salidas digitales 1734-OV8E. ........................................................................... 68
Figura 3. 15 Adaptador de Ethernet/IP 1734-AENTR. ............................................................................ 69
Figura 3.16 Terminal gráfica Panel View Plus 1000 ............................................................................... 71
Figura 3. 17. Fuente de alimentación seleccionada 1606-XLE de Allen Bradley. .................................. 75
Figura 3. 18 Fuente de alimentación 1734-EP24DC. ............................................................................. 76
Figura 3. 19 Diagrama Unifilar ................................................................................................................ 79
Figura 3.20 Conexión de dispositivos: fuentes de alimentación, entradas y salidas ............................. 82
Figura 3.21 Conexión de dispositivos: entradas y salidas ...................................................................... 83
Figura 3.22 Conexión de dispositivos: entradas y salidas ...................................................................... 84
Figura 3.23 Conexión de dispositivos: entradas y salidas ...................................................................... 85
Figura 3.24 Conexión de dispositivos: entradas y salidas ...................................................................... 86
Figura 3.25 Conexión de motores .......................................................................................................... 87
Figura 3.26 Switch no administrado Stratix 2000 1783-US05T. ............................................................. 88
Figura 3. 27 Esquema General de módulos de comunicación ............................................................... 90
Figura 3.28 Selección de la opción Network Settings desde la barra de ménu. .................................... 92
Figura 3.29 Ventana Network Settings .................................................................................................. 92
Figura 3.30 Ventana Network Settings .................................................................................................. 92
Figura 3.31 Ventana New Entry. ............................................................................................................ 93
Figura 3.32 Lista de relación donde se corrobora la dirección del controlador. ................................... 93
Figura 3.33 Rueda de control del módulo de comunicación 1734-AENT .............................................. 94
Figura 3.34 Vista del árbol de programa. .............................................................................................. 96
Figura 3.35 Condiciones para el arranque del sistema. ......................................................................... 97
Figura 3.36 Selección del tipo de presentación. .................................................................................... 98
Figura 3.37 Entrada a subrutinas ........................................................................................................... 99
Figura 3.38 Presentación 4. .................................................................................................................. 100
Figura 3.39 Movimiento de variables a contadores. ........................................................................... 100
Figura 3.40 Conteo de los rollos alimentados a la máquina. ............................................................... 102
Figura 3.41 Reset de los contadores. ................................................................................................... 102
Figura 3.42 División del proceso en etapas para la programación. .................................................... 103
Figura 3.43 Salto a subrutina FORMACIÓN DE NIVELES. ..................................................................... 104
Figura 3.44 Segmento de la rutina Formación de Niveles donde se muestra el comando Latch para
permitir subir los cilindros y apilar los rollos. ...................................................................................... 104
Figura 3.45 Ubicación de los sensores y cilindros en el formador de niveles. ..................................... 105
Figura 3.46 Inhibición del sensor F_SENSOR_MAGNETIC_17. ............................................................ 106
Figura 3.47 Incremento, decremento y movimiento de variable para decenas. ................................. 106
Figura 3.48 Instrucciones de menor que y contacto de aceptar para salir de la sub-rutina. .............. 107
Figura 3.49 Conteo del tiempo en marcha de MOTOR 1. .................................................................... 108
CAPÍTULO 4
Figura 4.1 Localización de HMI y módulos de control......................................................................... 112
Figura 4.2 Pantalla RSLogix 5000 Emulate de slot 2 del procesador.................................................... 113
Figura 4.3 Configuración de Driver virtual ........................................................................................... 114
Figura 4. 4 Configuración de la comunicación del software de Rockwell ............................................ 115
Figura 4.5 Ambiente del software FactoryTalk View. ......................................................................... 117
Figura 4.6 Creación de la aplicación en FactoryTalk View Studio ........................................................ 118
Figura 4.7 Inicio de configuración de comunicaciones ....................................................................... 119
Figura 4.8 Ventana de RSLinx Enterprise configuration wizard para la creación de una nueva
configuración de comunicaciones ........................................................................................................ 120
Figura 4.9 Pantalla de configuración de accesos directos de comunicaciones con dispositivos externos
.............................................................................................................................................................. 121
Figura 4.10 Buscar el controlador a realizar en enlace ........................................................................ 122
Figura 4.11 Pasos de creación para acceso directo .............................................................................. 123
Figura 4.12 Creación de una nueva pantalla ........................................................................................ 125
Figura 4.13 Creación de un objeto en el espacio de trabajo pantalla .................................................. 125
Figura 4.14 pantalla de la pestaña connections de la asignación de tags............................................ 126
Figura 4.15 Selección del tag al objeto ................................................................................................ 126
Figura 4. 16 Creación de accesos directos de diseño ........................................................................... 128
Figura 4.17 Estructura de programación de la HMI ............................................................................. 131
Figura 4.18 Pantalla de bienvenida de la HMI...................................................................................... 132
Figura 4.19 Selección del tipo de empaquetado. ................................................................................. 133
Figura 4.20 Configuración de número de lote. .................................................................................... 134
Figura 4.21 Reporte del lote a producir. .............................................................................................. 135
Figura 4.22 Pantalla producción de lote actual. ................................................................................... 136
Figura 4.23 Información del proceso (Área de mantenimiento). ........................................................ 137
Figura 4.24 Enlace entre FactoryTalk View Studio-RSLogix5000. ....................................................... 138
Figura 4.25 Simulación del número de presentación a elegir PLC-HMI ............................................... 139
Figura 4.26 Propiedades del botón PRESENTACIÓN para ver el link entre el programa de PLC y el de la
HMI. ...................................................................................................................................................... 139
Figura 4.27 Simulación de incremento y decremento ......................................................................... 140
Figura 4.28 Arranque del sistema. ....................................................................................................... 141
Figura 4.29 Interfaz para probar la programación de los cilindros. ..................................................... 141
Figura 4.30 Simulación de subrutina ETAPA_1 .................................................................................... 142
Figura 4.31 Activación de cilindro A ..................................................................................................... 143
Figura 4.32 Simulación cilindro D ........................................................................................................ 144
Figura 4.33 Inicio de la sub-rutina de formación de niveles. ............................................................... 144
Figura 4.34 El contador de niveles llego a su cuenta. .......................................................................... 145
Figura 4.35 Inicio de la ETAPA_2. ........................................................................................................ 146
Figura 4.36 Introducción de los rollos a el área de empaquetado. ..................................................... 146
RELACIÓN DE TABLAS
CAPÍTULO 1
Tabla 1.1 Tipos de sensores y su relación de detección con respecto a la distancia. ............................ 20
Tabla 1.2 Comparación de protocolos a nivel de planta. ....................................................................... 28
Tabla 1.3 Topologías Ethernet a nivel de dispositivo. ........................................................................... 29
CAPÍTULO 3
Tabla 3. 1 Relación del equipo de control neumático. ........................................................................... 52
Tabla 3. 2 Relación de los elementos de entrada. ................................................................................. 56
Tabla 3. 3 Relación de los elementos de salida. ..................................................................................... 59
Tabla 3.4 Comparación de controladores industriales. ......................................................................... 63
Tabla 3. 5 Comparación de terminales graficas de diversas marcas para el desarrollo de HMI´s ......... 69
Tabla 3.6 Software de RS para el establecimiento de direcciones IP en la red EtherNet. ..................... 88
CAPÍTULO 4
Tabla 4.1 Tamaño de ventana de los diferentes Panel View de Allen Bradley. .................................. 118
Tabla 4. 2 Costos totales de elementos de control y neumáticos ....................................................... 148
Tabla 4. 3 Costos totales de recursos humanos ................................................................................... 151
CAPÍTULO 5
Tabla 5.1 Tiempos de ejecución de cilindros neumático ..................................................................... 154
I
Objetivo General
Desarrollar la automatización de un sistema de empaquetado flexible, mediante la
integración de dispositivos de control e interfaz gráfica para rollos de papel tissue.
Objetivos Específicos
Diseño de la automatización
Diseñar la automatización para un sistema de empaquetado flexible, el cuál supere
los parámetros de la maquinaria actual en la cual se basa este trabajo, dados los
aspectos siguientes:
Seguridad:
Bosquejar una celda de manufactura flexible para el desarrollo de un proceso seguro
para los operarios. El cual sea factible para su realización.
Eficiencia:
Lograr un diseño de la distribución de elementos y de la lógica de automatización
para alcanzar un flujo continuo de empaques de lote; el cual reduzca el tiempo de
empaquetado con respecto al mismo tipo de empaquetado en comparación con la
maquinaria empaquetadora semiautomática y flexibilidad.
Diseño de la programación
Realizar una programación eficiente y clara para el control de la maquinaria
empacadora. La cual reduzca el tiempo de modificación en caso de ser requerido,
considere aspectos de seguridad en la lógica, y del mismo modo sea eficiente en la
manipulación de los elementos actuadores.
II
Diseño de la HMI
Desarrollar una interfaz hombre-máquina, sencilla y funcional, para trabajar de
manera conjunta con el programa del controlador. Dicha interfaz deberá mejora la
calidad y eficiencia así como minimizar errores de origen humano.
Introducción
En la actualidad se puede encontrar una gran cantidad de maquinaria automatizada,
que influyen en el desarrollo tecnológico y económico de nuestro país. Por otro lado
la creciente competitividad a la que están sometidas las empresas obligan a estas a
alcanzar niveles de automatización que puedan satisfacer las exigencias del
mercado.
En este contexto el presente trabajo tiene como finalidad exponer los métodos y
actividades que se consideraron necesarias para poder desarrollar un sistema
automatizado de empaquetado flexible, por lo cual fue necesario considerar el actual
proceso de empaquetado.
Este trabajo se encuentra compuesto por una serie de capítulos en los cuales se
desarrollan los pasos para la realización del diseño de la automatización.
El capítulo 1 se muestra los fundamentos teóricos tecnologías como neumática, PLC
(Controlador Lógico Programable), HMI (Interfaz Hombre-Máquina), entre otras para
poder llevar a cabo el desarrollo de la automatización, como los son sensores,
actuadores neumáticos, controlador lógico programable, interfaz hombre-máquina,
entre otros.
Posteriormente en el capítulo 2 se muestra el proceso de elaboración del papel
tissue. Por otro lado se describen los pasos que realiza la empaquetadora actual y
las diferentes etapas que tiene que realizar para lograr su objetivo y se plantea la
problemática o desventajas de este tipo de empaquetadora. Se muestran las
III
problemáticas que se localiza en el área de empaquetado y la inconformidad de
llevar a cabo un empaquetamiento manual, el cual depende de operadores.
En el capítulo 3 se desarrolla la parte fundamental del trabajo el desarrollo de la
ingeniería, como primera etapa se llevó a cabo el arreglo de la maquinaria (Lay-Out)
en el software de Solid Works, para tener una idea general de la distribución de los
equipos dentro de la maquinaria, la siguiente etapa consistió en la selección del
equipo de acuerdo a los requerimientos de operación y distribución dentro de la
maquinaria como fueron sensores, actuadores y posteriormente el controlador lógico
programable. La etapa final consistió en el desarrollo de programación, a través del
software RSLogix 5000, y la comunicación entre los diferentes elementos que
conforman la red.
Finalmente el capítulo 4 comprende el desarrollo de programación de una interfaz
gráfica hombre-máquina con el propósito de apoyar al operador en el desarrollo de
su trabajo, además de llevar a cabo el desarrollo de la simulación entre los
programas RSLogix 5000 y el software de HMI llamado FactoryTalk View Studio
Justificación
Debido a que actualmente la empresas medianas nacional dedicadas al
empaquetado de rollos papel tissue cuentan con líneas de empaquetado de rollos
son incapaces de realizar distintos tipos de presentaciones, generando cuellos de
botella, reducción de espacios al tener mayor cantidad de maquinaria, y necesidad
de personal altamente calificado para el uso y programación de estas, por lo que son
líneas que requieren de sistemas que incorporen una automatización con un mayor
grado de flexibilidad para el empaquetado de los rollos, en su mayoría no cuentan
con la versatilidad para producir distintas presentaciones de empaquetado en una
misma línea; con el desarrollo de la automatización planteada se lograra dotar de
versatilidad y simplicidad a su uso, para hacer un sistema amigable y con una
IV
flexibilidad que de la capacidad de producir distintas presentaciones de empaquetado
de una manera simple.
Planteamiento del problema
En la mediana empresa nacional dedicada al empaquetado de papel tissue, existen
diversos factores que reducen la calidad del producto, esto se debe principalmente a
la falta de maquinaria automatizada que sea flexible, para con esto obtener distintos
beneficios como la mejora en la calidad del empaquetado y principalmente la
posibilidad de obtener diversas presentaciones en el empaquetado de los rollos de
papel tissue, ya que la mayoría de la maquinaria automatizada para el empaquetado
de dichos rollos es de origen chino, de costo elevado y por lo tanto es difícil que la
mediana empresa la adquiera.
Los factores significativos que encarecen el producto y reducen la calidad, son las
relacionadas con las acciones desempeñadas por el ser humano. El sello generado
en la bolsa es realizado manualmente por trabajadores, provocando una variación en
el estándar de calidad del empaquetado según la habilidad, experiencia y situaciones
particulares del personal. También es de relevancia considerar que durante la
jornada laboral la situación física y mental varia, trayendo consigo errores; lo que a
su vez conduce a obtener altas tasas de desperdicios. Otra situación conflictiva es el
requerimiento de personal a pie de máquina, el cual tiene límites de horas laborales
regido por la Ley General del Trabajo establecidas en el artículo 123, a diferencia del
uso de sistemas automatizados los cuales pueden cumplir con jornadas extenuantes
de trabajo.
Es considerada la flexibilidad de la maquinaria como otro de los factores relevantes,
ya que en procesos de empaquetado de la mediana industria nacional no se tiene
maquinaria que se ajuste automáticamente para poder decidir en un momento dado
la cantidad de rollos de papel tissue y las dimensiones del rollo de papel requerida
en cada paquete así como la cantidad de producción deseada.
V
De lo anterior se deduce que se requiere tener un sistema de empaquetado
automatizado flexible para la mediana industria de papel tissue, para la mejora en la
calidad del producto, hacer más eficiente al sistema, reducir tiempos entre
empaquetados, tener un mejor control y monitoreo en el empaquetamiento, todo
esto con elementos controladores, interfaces para su fácil operación y elementos
electro-neumáticos.
Alcance
Diseñar la automatización de la empacadora flexible para rollos de papel tissue que
cumplan con los objetivos de este trabajo.
Como una parte del alcance se considera la generación de diagramas y
documentación de ingeniería necesaria para la comprensión del presente trabajo.
El diseño de la automatización comprende una propuesta de arreglo físico de la
maquinaria solo para fines de realizar la programación y selección del equipo y que
esta sujeto a las consideraciones de los profesionales de las ramas correspondientes
de la ingeniería.
Como otro punto importante del alcance se desarrolla una interfaz grafica que facilita
la interacción del operario con el proceso de empaquetado, para la selección de
presentaciones, cantidad a producir, parámetros importantes de mantenimiento y
puesta en marcha de la máquina. El desarrollo del trabajo se lleva hasta una etapa
de simulación del programa del PLC interactuando con el programa de la HMI de
manera virtual en un ordenador, ya que por razones económicas y falta de equipo se
ve justificado el uso de software que permita la simulación de estos programas.
En cuanto a la alimentación neumática de los equipos y el suministro general de
energía eléctrica, el trabajo desarrollado tiene por consideración un suministro
adecuado para estos aspectos. Por lo que solo se toma en cuenta la alimentación
requerida por los equipos neumáticos y electrónicos que se emplean.
VI
En referencia a la variedad de empaques que se pueden realizar, se consideran seis
diferentes presentaciones, por lo que la programación y el diseño de la
automatización se ajustan a este aspecto.
De igual manera se delimita el diseño de la automatización al empaquetado de rollos
de papel tissue, desde la recepción de los rollos provenientes del cortador, hasta la
salida de los rollos de papel empaquetados con el polímero adecuado.
El estudio económico incluyen exclusivamente las partidas generadas por equipos y
actividades relacionadas con el diseño de la automatización que en el presente
trabajo se desarrolla. Todos aquellos aspectos mecánicos y de diseño físico no se
abordan de manera profunda en este estudio debido al alcance propuesto en este
trabajo.
Finalmente los resultados contenidos en el trabajo, son referentes a la reducción en
el tiempo de empaquetado, basando los resultados en simulaciones y otros estudios
de tiempo de ejecución de los actuadores, contrastando con la forma actual de
realizar el proceso de empaquetado y la forma propuesta, además de las
consecuencias inherentes al desarrollo de este tipo de automatización como la
calidad final del producto y por último se muestran las sugerencias y propuestas
futuras que podrían realizarse.
Estado del arte
Se entiende por empaque todo elemento fabricado con materiales de cualquier
naturaleza que se utilice para contener, proteger, manipular, distribuir y presentar un
producto.
El empaquetado de productos surge de la necesidad de proteger, contener con
formas y dimensiones específicas que facilitan el proceso de almacenamiento y
manipulación de los productos. Facilitar el transporte, y Presentar el producto para la venta.
Los materiales que conforman a estos deben adaptarse a los requerimientos de los
productos y contribuir al aumento de la vida útil de los mismos. Inicialmente fueron
VII
utilizados elementos de la naturaleza como hojas y pieles de animales,
posteriormente se utilizaron materiales como el vidrio y el papel. Llegado el Siglo XIX
la industria el empaque fue revolucionada con la introducción de las cajas de cartón y
posteriormente con la aparición del plástico.
Durante el siglo XX y XXI el empaque fue implementado como estrategia de
marketing y hoy en día es toda una industria en desarrollo.
Los empaques, teniendo en cuenta sus características, se pueden clasificar en:
Empaque primario
Es aquel recipiente o envase que contiene el producto de manera directa.
Empaque secundario
Es aquel que contiene al empaque primario y tiene como finalidad brindarle
protección, servir como medio de presentación y facilitar la manipulación del producto
para su aprovisionamiento en los estantes o anaqueles en el punto de venta.
Empaque terciario
Es aquel que puede agrupar varios empaques primarios o secundarios y tiene como
finalidad facilitar la manipulación y el transporte de los productos.
Unidad de carga
La unidad de carga es una combinación o agrupación de empaques una carga
compacta, para ser manejada como una sola unidad, por ejemplo un pallet.
Empaquetadoras
Los avances científicos y tecnológicos que ha generado la humanidad durante el
siglo XX han resultado sorprendentes en relación al desarrollo de la automatización
de maquinaria para procesos de manufactura. La mayor parte de las industrias
tienen un nivel alto en cuanto automatización, o bien utilizan tecnología de
automatización en alguna etapa de sus actividades. Hace apenas unas décadas el
VIII
hombre desarrollo elementos que facilitaran la automatización de maquinaria y
procesos, los sistemas de control programables han evolucionado tanto así que
actualmente son imprescindibles en la generación de aplicaciones que involucran
control y automatización.
Los avances han sido constantes, en un principio la etapa de empaquetado se valía
de la habilidad manual del obrero para la formación de paquetes de rollos de papel
tissue, ya que no se contaba con sistemas automatizado correspondientes para este
fin; esta técnica manual requería esfuerzo, gran número de trabajadores, por lo tanto
el costo para su elaboración era elevado.
Posteriormente con el mecanizado se logró la fabricación de empaquetadoras para
papel tissue tipo pie-pedal (como la mostrada en la figura i) de fácil funcionamiento,
las cuales carecían de calidad de sellado del bolso, esta podía realizar dos diferentes
tipos de empaquetado de 10 y de 20 rollos en un solo bolso. (alibaba)
Figura i Empaquetadora manual tipo pie pedal.
Actualmente existe una gran gama de empaquetadoras para papel tissue, la mayoría
de origen chino, gran parte de ellas comparten la misma característica en cuanto a
variedad de empaquetados como lo son de 4, 6, 8, 10, 12, 16 o 20 rollos, en una
sola capa.
IX
Existen actualmente en el mercado dos principales divisiones de empaquetadoras las
cuales están en función del grado de automatización, es decir con grado
semiautomático o con grado automático. En el primer caso se abarca gran parte de
las empaquetadoras: las semiautomáticas necesitan de personal para sellar uno de
los extremos del paquete. Los paquetes formados por las empaquetadoras
semiautomáticas traen consigo problemas como cansancio del operario en jornadas
largas de trabajo; mal sellado, pegado y una gran tasa de desperdicios; cabe señalar
que para el control de la empaquetadora se utilizan dispositivos de control electro-
neumático, electromagnético y el PLC´s o relevadores inteligentes. Este tipo de
maquinaria semiautomática únicamente puede realizar un tipo de empaquetado.
Otra desventaja de este tipo de empaquetadores es la carencia de dispositivos de
monitoreo que mejoren la eficiencia y simplifiquen el uso del sistema tales pueden
ser los dispositivos de monitoreo como las HMI. Un ejemplo de este tipo de
empaquetadoras semiautomáticas es el modelo HX-ZB de la marca Hengxing de
origen chino observada en la figura ii. (alibaba)
.
Figura ii Máquina empacadora semiautomática Hengxing HX-ZB
Algunas empaquetadoras semiautomáticas permiten realizar diversas presentaciones
de empaquetado, donde se varía la cantidad de rollos y el orden que se le da a
X
estos. Para generar alguna presentación diferente de empaquetado se hace
necesario modificar la estructura física por medio del ajuste de manijas y dispositivos
que limitan de manera mecánica la cantidad de rollos a empacar.
En la mayor parte de este tipo de empaquetadoras, los bolsos utilizados para el
paquete son pre-fabricados dependiendo de presentaciones de empaquetado
requeridas, no obstante en las que emplean un mayor grado de automatización o son
totalmente automatizadas emplean bobinas de plástico termoencogibles como el
polietileno.
En cuanto a las empaquetadoras con grado automático, se tiene como principal
característica el contar con sistemas de empaquetado y sellado automático, con esto
se evita que la película de plástico sea quemada por el operario, disminuyendo por lo
tanto la tasa de residuos por sellos defectuosos, de igual manera; se libera al
operario de esta tarea monótona la cual provoca fatiga en él debido a la larga jornada
laboral que pone en juicio la calidad del empaquetado.
Las empaquetadoras automáticas de rollos de papel tissue adoptan el control
mediante controladores como PLC´s o PAC´s, y hacen uso de dispositivos como lo
son los variadores de frecuencia para la regulación de velocidad en el motor,
circuitos electrónicos que regulen los aspectos fundamentales para mantener el
proceso dentro de los rangos de operación deseados.
En la gran mayoría de estas empaquetadoras se exhibe una LCD que forma parte de
una HMI para el monitoreo de aspectos relevantes del proceso, tales como la
longitud del bolso utilizado, la producción que se tiene hasta ese momento, tiempo de
operación de la maquinaria, etc.
XI
Figura iii Máquina empacadora automática modelo WD-TP-PM7
Para la adquisición de empaquetadoras automáticas deben de ser tomadas ciertas
consideraciones, relativas a las características de los rollos a empacar, capacidad de
empaquetado con respecto a la velocidad, tipo de empaque a utilizar, dimensiones
de la maquinaria y la capacidad de empaques a realizar en cuanto a la disposición
física.
En el mercado se pueden encontrar una gran gama de empaquetadoras, una de las
importantes se tiene la empaquetadora WD-TP-PM7 mostrada en la figura iii
(alibaba), es una máquina 100% automatizada, cuyo fin es envolver los rollos de
papel mediante una película de poliuretano desenrollada por una bobina. El equipo
está compuesto por partes mecánicas, neumáticas, eléctricas, comandadas por un
controlador de funciones y accionada por diferentes servomotores.
También se tiene a la empacadora automática de papel tissue fabricada por
Schneider y es el modelo VCP-25, su principal característica es que son diseñados
ergonómicamente para la comodidad de uso, una operación simple y fácil que
muestran el estado de la maquinaria, mediante interfaces HMI, combina diferentes
envoltorios .
En el mercado se encuentran empaquetadoras con un alto grado de automatización,
con una capacidad de empacado de hasta 25 paquetes por minuto. Mientras que la
XII
velocidad aproximada de una máquina semiautomática convencional es de 4
empaques por minuto, y con la intervención de operarios.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES SOBRE CONCEPTOS BÁSICOS
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CAPÍTULO 1
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Capítulo I GENERALIDADES SOBRE CONCEPTOS BÁSICOS
1.1 Introducción a la automatización industrial
La automatización es la sustitución de la acción humana por mecanismos,
independientes o no entre sí, movidos por una fuente de energía exterior, capaces de
realizar ciclos completos de operaciones que se pueden repetir indefinidamente.
La competición económica que se conoce ha impuesto a la industria la necesidad de
producir en calidad y en cantidad para responder a la demanda en un entorno
altamente competitivo, esto ha impulsado el desarrollo de la automatización, que
puede ser considerada como el paso más importante del proceso de evolución de la
industria en el siglo XX, ya que ha permitido la eliminación total o parcial de la
intervención humana. (Michel, 1990)
El desarrollo de la automatización basada en dicha competición ha continuado
evolucionado, hasta el punto que hoy en día sus objetivos son:
Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la
producción y mejorando la calidad de la misma.
Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos
penosos e incrementando su seguridad.
Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.
Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades
necesarias en el momento preciso.
Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes
conocimientos para la manipulación del proceso productivo.
Integrar la gestión y producción.
Un sistema automatizado supone siempre la existencia de una fuente de energía, de
elementos de mando, que son los que ordenan el ciclo a realizar y de elementos de
trabajo, que son los que lo ejecutan. Según la naturaleza del automatismo empleado,
puede hablarse de automatización mecánica, neumática, oleo-hidráulica, eléctrica y
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electrónica. Además existen técnicas mixtas que son combinaciones de las citadas, y
que en la práctica son las más aplicadas. Un esquema de las tecnologías básicas de
las que se valen los automatismos es mostrado en la figura 1.1. (Michel, 1990)
Figura 1.1 Clasificación de las tecnologías que integran la automatización.
De manera general se tiene que un sistema automatizado consta de dos partes
principales (mando y operación); sin embargo se puede hablar de una parte de
supervisión y monitoreo. Estas partes de la automatización se pueden observar en la
figura 1.2.
Parte Operativa
Parte de Mando
Parte de Supervisión
Lógica Cableada Lógica Programada
Microprocesador Ordenador Neumática
Hidráulica Electrónica
PLC
Eléctrica
Clasificación
Tecnológica
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Figura 1.2 Esquema de las partes que conforman la Automatización
.
Según el punto de vista de la programación, la automatización puede considerarse
de ciclo fijo y de ciclo programado. El primer caso es adecuado para la producción de
grandes series, debido a que el automatismo es invariable; es decir; realiza siempre
el mismo ciclo. En el segundo caso se puede encontrar variación de la producción en
el tamaño de pieza, generalmente en lotes pequeños y medianos porque el
dispositivo programador puede ordenar el ciclo que convenga, con las lógicas
limitaciones tecnológicas respectivas. (Michel, 1990)
1.2 Manufactura flexible
Beneficios potenciales como lo son el mejoramiento en calidad, la reducción en
costos e inventario, y un mejor manejo de los productos. Esta tecnología puede
dividirse en dos segmentos: Flexible Manufacturing Systems (FMS, sistemas flexibles
de manufactura) y Flexible Manufacturing Cells (FMC, celdas flexibles de
manufactura).
1.2.1 Sistema flexible de manufactura
Sus siglas en ingles FMS, es una celda de manufactura altamente automatizado que
consiste en un grupo de estaciones de procesamiento (máquinas manufactureras)
interconectadas mediante un sistema automatizado de manejo y almacenamiento de
Parte de Supervisión
y Explotación
*Panel de Mando
*PC+SCADA
*Etc.
Parte de Control
*Lógica Cableada
*PLC´s
*PC+Tarjetas E/S
*Microcontroladores
*Etc,
Parte Operativa
*Actuadores
*Sensores
*Compresores
*Drivers
*Etc.
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material y controlado mediante un sistema integrado de computadoras dedicadas a
un solo propósito.
Un sistema flexible de manufactura se diseña para producir partes dentro de un
rango de estilos y tamaños.
Un FMS está formado por un hardware y un software que debe integrarse en una
unidad eficiente y confiable. También incluye personal humano.
Al usar FMS se reducen los costos de mano de obra directa, pero aumentan los de
mano de obra indirecta, debido al mayor nivel de complejidad del hardware. También
se reducen los tiempos de producción, debido a la mayor eficiencia de uso de las
máquinas. (Groover, 1997)
1.2.2 Celda flexible de manufactura
La producción debe organizarse usando celdas de manufactura diseñadas para
especializarse en fabricar partes particulares; es decir, un FMC es un grupo de
máquinas relacionadas que realizan un proceso particular o un paso en un proceso
de manufactura más largo.
Puede ser, por ejemplo, una parte de un FMS. Un FMC es un centro simple o un
pequeño conjunto de máquinas que unidas producen una parte, sub-ensamble o
producto. (Groover, 1997)
1.3 Neumática
La neumática es la parte de la ingeniería que se dedica al estudio y aplicación del
aire comprimido en la automatizacion de diversos procesos industriales. Los
sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el empleo
de cilindros y motores neumáticos, La sencillez de operación, disponibilidad y
seguridad en el manejo de los equipos, dispositivos y herramientas neumáticas, han
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propiciado una gran utilizacion de la energia de presion producida por el aire
comprimido. (Antonio S. N., 2000)
Ventajas de la neumática
El aire es de facil captación y abunda en la tierra.
Facilidad de diseño e implementación.
El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de
chispas.
Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y
facilmente regulables.
Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los
equipos de manera permanente.
Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa
Energia limpia.
Cambios instantaneos de sentido.
Desventajas de la neumática
Imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del
aire.
Posibles fugas que reducen el rendimiento.
En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables.
Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente
empleado.
Las presiones a las que trabajan normalmente no permiten aplicar grandes
fuerzas.
Altos niveles de ruido generados por las descarga del aire hacia la atmosfera.
1.3.1 Características del aire comprimido
El aire empleado en la industria es aire de la atmosfera sometido a presiones de
hasta unos 12 bars aproximadamente. Es una energía facilmente transportable, pero
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no se recomiendan grandes distancias en su distribución debido a las pérdidas de
carga que se originan en tuberias y uniones.
La neumática se ha expandido de manera rápida y en un muy corto tiempo, esto se
debe a que la solución para algunos de los problemas de automatización no puede
disponerse de otro medio que sea tan simple y económico como este, además de
que pueden destacarse algunas propiedades que han contribuido a su popularidad
como las siguientes (Antonio G. S., 1999):
Abundante
Transportable
Almacenable
Estable ante los cambios de temperatura
Antideflagrante
Limpio
Veloz
1.3.2 Rentabilidad de los equipos neumáticos
El aire comprimido es una fuente cara de energia, pero sin duda ofrece indudables
ventajas. La producción y acumulación del aire comprimido, asi como su distribución
a las máquinas y dispositivos suponen gastos elevados. Pudiera pensarse que el uso
de aparatos neumáticos esta relacionado con costos especialmente elevados. Esto
no es del todo cierto ya que en el cálculo de la rentabilidad es necesario tener en
cuenta, no solo el costo de energía, sino tambien los costos que se producen en
total. En un análisis detallado, resulta que el costo energético es despreciable junto a
los salarios, costos de adquisición y costos de mantenimiento. (Antonio S. N., 2000)
1.3.3 Elementos neumáticos de trabajo
Los cilindros son componentes neumáticos que mediante el uso del aire comprimido,
generan un movimiento rectilíneo de avance y retroceso de un mecanismo. Son los
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elementos de trabajo de más frecuente uso en neumática. Las válvulas son
elementos para el control de arranque parada y dirección del aire comprimido,
cumpliendo con la función de válvulas distribuidoras cuando se utilizan para gobernar
todo tipo de actuadores.
1.3.3.1 Cilindros neumáticos
Los cilindros neumáticos se pueden dividir en dos grandes grupos: de simple y de
doble efecto. Los de simple efecto realizan el esfuerzo activo en un solo sentido y el
retorno depende de un muelle o membrana que lo devuelve a su posición inicial. Los
cilindros de doble efecto actúan de manera activa en los dos sentidos.
Además existen numerosas ejecuciones especiales que pueden considerarse
variantes de los dos tipos básicos, destinadas a empleos muy particulares, como los
cilindros de impacto, cilindro de rotación, cilindro de posiciones múltiples, etc.
(Microingenieria)
Cilindros de simple efecto
Tienen retorno por muelle, el aire comprimido alimenta la cámara posterior, lo que
hace avanzar el pistón, venciendo la resistencia del muelle. El retroceso se realiza al
evacuar el aire a presión de la parte posterior, lo que permite al muelle comprimido
regresar a su posición inicial. Para este tipo de cilindros no se construyen modelos
con recorrido superior a 100 mm. Imágenes del cilindro de simple efecto donde se
observan sus partes así como su símbolo son mostradas en la figura 1.3 y 1.4
respectivamente.
Página 8
Figura 1.3 Partes de un cilindro de simple efecto.
Cilindro de doble efecto
En este tipo de cilindros a diferencia con los de simple efecto carecen de muelle o
membrana de retorno, y ambas carreras (avance y retroceso) son activas. Estos
cilindros son mayormente empleados porque el retorno no depende de un elemento
mecánico sometido a desgaste y fatiga, y también porque permite construir modelos
de hasta 2000 mm de carrera. En las figuras 1.3 y 1.4 se observa una ilustración del
cilindro de doble efecto con los elementos que lo conforman así como el símbolo que
lo representa. (Microingenieria)
1- Camisa
2-Embolso
3-Culata delantera
4-Culata trasera
5-Vastago
6-Muelle
7-Camara anterior
8-Camara posterior
9-Juntas
10-Vias
11-Fugas
12-Casquillo guía
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Figura 1.4 Partes de un cilindro de doble efecto.
1.4 Válvulas
Para el control de los elementos neumáticos de trabajo, es preciso disponer de otros
elementos que realicen funciones de mando (puesta en marcha, paro, retroceso,
avance, etc.), de acuerdo con el trabajo que se debe realizar. Estos elementos de
control son las válvulas. (Microingenieria)
Las válvulas neumáticas son los dispositivos que distribuyen, dirigen y regulan el aire
comprimido. Según sus propiedades y la función que realiza dentro del sistema, las
válvulas neumáticas se clasifican en los siguientes grupos:
Válvulas de regulación de caudal.
Regulan el flujo de aire comprimido generalmente para controlar la velocidad de los
actuadores neumáticos.
Válvulas de regulación de presión.
Se usan para fijar una presión de salida independientemente de la presión de
entrada, para proteger a los elementos de las fluctuaciones de presión.
Válvulas de distribución.
1- Camisa
2-Culata posterior
3-Culata anterior
4-Embolo
5-Vastago
6-Vía
7-Camara posterior
8-Vía
9-Camara anterior
10-Guia
11-Juntas
1- Camisa
2-Culata posterior
3-Culata anterior
4-Embolo
5-Vastago
6-Vía
7-Camara posterior
8-Vía
9-Camara anterior
10-Guia
11-Juntas
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Suministran aire comprimido a los actuadores neumáticos del circuito.
1.4.1 Válvulas 5/2
Son parte de las válvulas de distribución, estas en específico poseen cinco orificios
de conexión y dos posiciones de mando. A diferencia de las 4/2, poseen dos
escapes, correspondiendo uno a cada utilización. Su símbolo se puede observar en
la figura 1.5.
Figura 1.5 Válvula neumática 5/2 monoestable de accionamiento manual con retorno de muelle.
1.4.2 Válvulas 5/3
Las válvulas de dos posiciones de mando sólo permiten condiciones de paradas
extremas de los actuadores gobernados, no permitiendo la obtención de paradas
intermedias. Para esto último es necesario contar con una tercera posición de mando
intermedia, surgiendo así válvulas 5/3 mostrada en la figura 1.6. Las funciones
extremas de las válvulas 5/3 es la incorporación una posición central adicional.
Figura 1.6 Válvula neumática 5/3 de accionamiento manual, biestable con retorno de muelle.
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1.4.3 Electroválvulas
El mando electrónico de una válvula se utiliza cuando la señal procede de un final de
carrera eléctrico, en general de un dispositivo eléctrico. A través de este tipo de
mando la señal eléctrica es transformada en una señal neumática destinada a
accionar el mecanismo de cierre o apertura de las distintas vías de las válvulas.
Pueden ser de asiento o de corredera, también de mando directo o indirecto, o servo
pilotadas.
De forma general, se eligen accionamientos eléctricos para mandos con distancias
considerablemente largas y cortos tiempos de conmutación. Las electroválvulas o
válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas de mando directo o indirecto. Las
primeras se refieren a la acción directa de una señal (de cualquier naturaleza) sobre
el elemento de distribución o conmutación, por tanto se habla de mando indirecto
cuando la señal actúa sobre un elemento piloto y este a su vez opera sobre el
elemento conmutador. Estos últimos también son llamados servomandos.
(Microingenieria)
1.5 Interfaz Hombre-Máquina (HMI)
HMI es el acrónimo para Human Machine Interface (Interfaz Hombre-Máquina), se
define interfaz como el conjunto de elementos hardware y software de un sistema
que presentan información al usuario y le permiten interactuar con la información y
con el ordenador. En el caso industrial la definición involucra el uso de pantallas
como la mostrada en la figura 1.7, computadoras y controladores industriales, así
como el software propio para realizar la transmisión y recepción de información.
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Figura 1.7 Pantalla de Interfaz Hombre-Máquina
1.5.1 Tipos de HMI´s
De manera general se pueden dividir las HMI´s en dos categorías, la primera de
acuerdo a la ubicación y los dispositivos empleados de la interfaz y la segunda con
respecto a las funciones que desempeña en el proceso. La primera categoría se
subdivide básicamente dos tipos de HMI´s:
Terminal de Operador
Consiste en un dispositivo, generalmente construido para ser instalado en ambientes
agresivos, donde pueden ser solamente de despliegues numéricos, o
alfanuméricos o gráficos. Pueden ser además con pantalla sensible al tacto (touch
screen).
PC + Software
Esto una alternativa basada en un PC en donde se carga un software apropiado
para la aplicación. Como PC se puede utilizar cualquiera según lo exija el proyecto,
en donde existen los llamados Industriales (para ambientes agresivos), los de panel
(Panel PC) que se instalan en gabinetes dando una apariencia de terminal de
operador, y en general casi cualquier PC pasando por el tradicional PC de escritorio.
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La segunda categoría se subdivide según el conjunto de funciones que realizan
(funciones de monitoreo, alarmas, supervisión, control, y manejo de históricos) de
modo que se tienen tres tipos de HMI´s:
El sustituto de pulsador
Dispone de procesos simplificados de fabricación, centralizando todas las funciones
de cada botón en un solo lugar.
El manejador de datos
Es ideal para aplicaciones que requieren una constante retroalimentación del
sistema, o impresiones de los informes de producción. La pantalla HMI debe ser
suficientemente grande para gráficos, representaciones visuales y resúmenes de
producción, etc. Este incluye funciones tales como recetas, datos de tendencias,
registro de datos y manejo de alarma / registro.
El capataz o supervisor
Por último, en cualquier momento una aplicación implica SCADA o MES, una HMI
supervisor es muy beneficioso y probablemente se ejecuta en Windows, y se tienen
varios puertos Ethernet.
1.5.2 Aplicaciones de las HMI´s
Las interfaces hombre máquina (HMI´s) se aplican en los sistemas de control
distribuido (DCS´s); los sistemas de supervisión, control y adquisición de datos
(SCADA´s) y unidades independientes o aisladas. Abajo se definen los alcances de
cada tipo de sistema donde son implementadas las HMI´s.
Sistemas de control distribuido (DCS´s).
Son típicamente sistemas en tiempo real tolerante a fallas para aplicaciones
continuas y de procesos complejos sobre lotes. Los DCS´s fueron desarrollados
inicialmente para procesos de flujo continuo que requerían de lazos analógicos y
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control discreto limitado. Un sistema de control distribuido consiste en subsistemas
que pueden estar físicamente separados y localizados de manera remota uno de
otro.
Sistemas de control y adquisición de datos (SCADA´s).
Es un nombre genérico para sistemas computarizados capaces de reunir y procesar
datos aplicando controles operacionales sobre largas distancias, tal como es usado
con líneas de alimentación eléctricas y sistemas de tuberías. Los sistemas SCADA
son para retos únicos de comunicación (retardos, integridad de los datos, etc.)
pudiendo ser así usado por varios medios, como líneas telefónicas, microondas,
satélites y algunos otros. Los sistemas SCADA son usualmente compartidos.
Unidades aisladas o independientes.
Típicamente son sistemas embebidos simples que realizan tareas predefinidas,
usualmente con requerimientos específicos. (Jean, 2009)
1.5.3 Software de programación HMI
Existen dos maneras de realizar la programación de una HMI. La primera mediante
software como Visual C++ y Visual Basic en el que una vez programado no se tiene
posibilidad de realizar cambios. La otra opción se realiza por medio de paquetes de
desarrollo (mostrada en la figura 1.8) los cuales están específicamente orientados a
las tareas HMI, estos permiten ser reprogramados siempre y cuando se cuente con
el software. FIX Dynamic, Wonderware, PCIM, Win CC, Factory Talk View, Vijeo
designer etc.
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Figura 1.8 Software para el desarrollo de HMI´s (InTouch de Wonderware).
1.5.4 Beneficios del uso de las HMI
Las aplicaciones de un interfaz hombre máquina van encaminadas a la mejora de la
eficiencia, eficacia y simplificación de las labores del operador; reduciendo así los
riesgos y errores en el proceso. Se debe dejar en claro que la implementación de una
HMI en el proceso no es un lujo que hace lucir mejor el proceso de producción, estos
sistemas se emplean para ayudar a los usuarios a lograr un conjunto de metas
operativas que la organización desea alcanzar (objetivos operacionales y financieros
de la organización). El uso de estos sistemas reduce el error humano al sugerir y
proveer apoyo en las decisiones funcionales. En la parte operativa gran parte de sus
funciones implican identificar, diagnosticar y resolver problemas relacionados con el
proceso.
La integración de una interfaz hombre-máquina en el desarrollo de un proceso o una
etapa del mismo trae consigo beneficios implícitos. Además de hacer que decrezcan
el número de errores de operador en tareas específicas, realizar funciones de
seguridad, y reducir los riesgos en el proceso, reduce el tiempo de capacitación del
personal ya que una adecuada implementación de la HMI permitirá la fácil
adecuación del operario.
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1.6 Sensores
Un sensor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud física en una
magnitud de otro tipo, generalmente en una señal eléctrica que se denomina
comúnmente señal codificada ya sea en forma analógica o digital. Son elementos
conectables a autómatas programables a través de las interfaces adecuadas.
Los sensores para la manufactura se pueden clasificar en general como sigue:
Sensores mecánicos: Para medir cantidades de posición, forma, velocidad,
fuerza, torque, presión, vibración, deformación y masa.
Sensores eléctricos: Para medir voltaje, corriente, carga y conductividad.
Sensores magnéticos: Para medir campo y flujo.
Sensores térmicos: para medir temperatura, ultrasónicos, químicos, ópticos,
de radiación, laser y fibra óptica.
1.6.1 Clasificación según el tipo de señal de salida
Atendiendo a la forma de codificar la magnitud medida es posible establecer una
clasificación en: (Bacells Josep, 1998)
Analógicos: Aquellos que dan como salida un valor de tensión o de corriente
variable en forma continua dentro del campo de medida.
Digitales: Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma de
pulsos o en forma de una palabra digital codificada en binario u otro sistema
cualquiera
Todo-nada: Indican únicamente cuando la variable detectada rebasa un cierto
umbral o limite, es decir en donde se codifican solo dos estados.
1.6.2 Sensores de posición
Los sensores de posición permiten medir la distancia de un objeto respecto a un
punto o simplemente detectar la presencia de un objeto a una cierta distancia.
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1.6.3 Sensores de proximidad
Los sensores de proximidad pueden estar basados en distintos tipos de captadores,
siendo frecuentes los siguientes:
Detectores inductivos
Detectores Capacitivos
Detectores ópticos
Detectores ultrasónicos
Por lo general se tratan de sensores con respuesta todo o nada.
Sensores inductivos
Este tipo de sensores (ejemplificado con la figura 1.9) sirve para detectar la
proximidad de piezas metálicas en un rango de distancias que va desde 1mm a unos
30 mm.
Figura 1.9 Ilustración de un sensor tipo inductivo.
Sensores capacitivos
Este tipo de sensores como el de la figura 1.10 nos permiten detectar materiales
metálicos o no, pero su sensibilidad se ve afectada por el grado de humedad
ambiental. Las aplicaciones típicas son, sin embargo, la detención de materiales no
metálicos como vidrio, cerámica, aceite, plástico, madera cartón, etc.
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Figura 1.10 Ilustración de un sensor tipo capacitivo.
Sensores ópticos
Disponen de un cabezal que incorpora un cabezal de luz y la fotocélula de detención,
actuando por reflexión y detección del haz de luz reflejado sobre el objeto que se
pretende detectar. Otros tipos trabajan a modo barrera y están previstos para
detección a mayores distancias con fuentes luminosas independientes del cabezal
detector. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencias luminosas en la gama de
infrarrojo.
Las características particulares de los detectores de proximidad ópticos, respecto a
otros detectores de proximidad son:
Elevada inmunidad a perturbaciones electromagnéticas externas.
Distancia de detección mayor respecto a los inductivos y capacitivos. Se
obtiene fácilmente hasta 500 m en modo barrera, y hasta 5 m por reflexión.
Alta velocidad de respuesta y frecuencia de conmutación
En la siguiente ilustración (figura 1.11) se muestra algunos de los tipos de fotocélulas
de barrera y de reflexión. (Bacells Josep, 1998)
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Figura 1.11 Ilustración de sensores ópticos.
1.6.4 Sensores Ultrasónicos
Estos detectores (figura 1.12) están basados en la emisión-recepción de ondas
ultrasónicas. Cuando un objeto interrumpe el haz, el nivel de recepción varia y el
receptor lo detecta. Como ventaja frente a los ópticos, los sensores ultrasónicos
pueden detectar con facilidad objetos transparentes, como cristal y plásticos,
materiales que ofrecen dificultades para la detección óptica. Sin embargo, y dado
que estos detectores utilizan ondas ultrasónicas que se mueven a través del aire, no
podrán ser utilizados en lugares donde este circule con violencia (bocas de aire
acondicionado, cercanía de puertas, etc.), o medios de elevada contaminación
acústica (prensa, choques entre metales, etc.) (Gerardo)
SISTEMA DE BARRERA SISTEMA RÉFLEX
b) Métodos de reflexión.
b) Formas constructivas.
Receptor
Receptor
Emisor
Receptor
Emisor
Reflector
Potenciómetro
LED
Emisor
LED
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Figura 1.12 Ilustración de un sensor tipo inductivo
1.6.5 Criterios de selección
La tabla 1.1 nos muestra los criterios de selección dependiendo de la distancia de
sensado y el tipo de material que puede ser sensado.
Tabla 1.1 Tipos de sensores y su relación de detección con respecto a la distancia.
MATERIAL DISTANCIA TIPO DE
DETECTOR
SÓLIDO METÁLICO < 50 mm INDUCTIVO
> 50 mm ULTRASÓNICO
U ÓPTICO
NO METÁLICO < 50 mm CAPACITIVO
> 50 mm ULTRASÓNICO
U ÓPTICO
POLVO O
GRANULADO
METÁLICO < 50 mm INDUCTIVO
> 50 mm ULTRASÓNICO
NO METÁLICO < 50 mm CAPACITIVO
> 50 mm ULTRASÓNICO
LÍQUIDO TRANSPARENTE < 50 mm CAPACITIVO
> 50 mm ULTRASÓNICO
OPACO < 50 mm CAPACITIVO
> 50 mm ÓPTICO
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1.7 Controlador Lógico Programable PLC
Según la definición IEC 61131, un controlador lógico programable (PLC) o autómata
programable industrial (API) es una máquina electrónica programable diseñada para
ser utilizada en un entorno industrial (hostil), que utiliza una memoria programable
para el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario, para
implantar soluciones específicas tales como funciones lógicas, secuencias,
temporizaciones, recuentos y funciones aritméticas, con el fin de controlar mediante
entradas y salidas, digitales y analógicas diversos tipos de máquinas o procesos.
Sus aportaciones son numerosas
Los PLC´s son herramientas de fácil manejo por medio de software de
programación y configuración.
Se puede adaptar y formar al personal del departamento de mantenimiento
eléctrico para llevar a cabo las labores de mantenimiento de este tipo de
dispositivos.
El interfaz hombre máquina de estos dispositivos es muy potente lo cual
facilita la labor tanto del personal de mantenimiento como el de producción.
El API (Autómata programable Industrial) o PLC (Controlador Lógico Programable),
está constituido por un conjunto de dispositivos (mostrados en figura 1.13), que
aseguran la correcta operación de funciones esenciales, como lo son: la circulación
interna de información, la comunicación con el exterior, la sincronización o
encadenamiento de las tareas, adaptación física de las señales, etc.
La Unidad Central de Procesamiento (CPU), es el conjunto de dispositivos
necesarios para el funcionamiento lógico interno del API.
Las entradas/salidas (E/S), son el conjunto de los componentes que permiten
el intercambio de información entre el API y el mundo exterior.
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Figura 1.13 Esquema de bloques de las estructuras del hardware del PLC y la conexión con
dispositivos externos.
Un PLC se puede entender como el dispositivo electrónico que viene a sustituir el
conjunto de componentes eléctricos (relevadores, enclavamientos, etc.). El programa
de control que ejecuta un PLC reside en su memoria y contiene los elementos ya
mencionados. La comparación de los sistemas convencionales contra el autómata
programable es mostrada en la figura 1.14.
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Figura 1.14 Comparación del sistema electro-magnético contra el sistema con PLC.
1.7.1 Funcionamiento del PLC
Un PLC una vez conectado a la red eléctrica tiene básicamente dos modos de
funcionamiento:
Stop. En este modo de funcionamiento no se ejecuta el programa de control.
Run. En este modo de funcionamiento el programa de control se está
ejecutando de manera indefinida hasta que o bien el PLC pasa al modo Stop o
bien se desconecta de la alimentación.
Es obviamente este último modo de funcionamiento el más interesante. Cuando el
autómata se encuentra en esta situación el programa de control que está grabado en
su memoria se ejecuta cíclicamente describiendo lo que se ha dado en llamar “Ciclo
de Scan”.
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Un ciclo de scan consiste básicamente en cuatro pasos bien diferenciados:
Lectura de las entradas del PLC.
Ejecución del programa de control.
Escritura de las salidas del PLC.
Tareas internas del PLC
1.7.2 Perro guardián (Watch dog)
Las cuatro fases de un ciclo de scan determinan su duración. Lo ideal es una
duración que sea corta, sin embargo, a medida que se añaden instrucciones al
programa de control la duración se incrementara, pudiendo provocar desfase del
equipo de control con respecto al proceso
El sistema operativo del PLC proporciona una herramienta prevenir esta situación
denominada “perro guardián” o “watch dog”. El perro guardián se puede configurar
con un valor de tiempo dado. Si un ciclo de scan cualquiera dura más que el tiempo
para el que el perro guardián está configurado, entonces el PLC lo detecta y da una
señal de error que el programador deberá tratar adecuadamente.
1.7.3 Clasificación
PLC de estructura compacta
Este tipo de PLC (figura 1.15) contiene en un solo bloque todos sus elementos
(fuente de alimentación, CPU, memorias de entradas/salidas, etc.) Respecto a sus
aplicaciones en el que el número de entradas/salidas es pequeño, poco variable.
Figura 1.15 PLC de estructura compacta.
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PLC de estructura modular
Como se muestra en la figura 1.16 su estructura le permite ser adaptado a las
necesidades de diseño, y a las posteriores actualizaciones. Contiene de manera
independiente la fuente de alimentación, la CPU, y una amplia gama de slots o
tarjetas E/S (analógicas, digitales, etc.) y procesamiento de datos que para ser
enfocado a requerimientos específicos; todo esto contenido en un rack.
Figura 1.16 PLC de estructura modular.
1.7.4 Arquitectura del PLC
Como ya se indicó anteriormente los PLC´s ocupan la posición más alta dentro de los
distintos tipos de equipos de control programables.
La arquitectura típica de un PLC (ver la figura 1.17) puede ser dividida en varios
bloques claramente diferenciados:
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Figura 1.17 Esquema de la arquitectura típica del controlador lógico programable (PLC).
Fuente de alimentación: Suministra energía eléctrica al modulo de PLC y en
ocasiones incluso a los sensores del proceso. Por lo general los PLC´s funcionan
internamente a 5 V de corriente continua (CD).
CPU: La CPU es el cerebro del PLC.
Está formada por un microprocesador, una unidad de memoria, una unidad aritmético
lógica, y toda la circuitería necesaria para conectar todos estos componentes y
permitir a su vez la conexión de la CPU con el resto de módulos del PLC.
Rack o bastidor. Es un soporte por lo general metálico sobre el cual se montan los
módulos que componen el PLC (los mencionados hasta el momento y los
siguientes). (Michel, 1990)
1.7.5 Lenguajes de programación del PLC
Actualmente cada fabricante diseña su propio software de programación, debido a
esto existe una amplia variedad. Sin embargo, existen tres tipos de lenguajes de
programación de PLC´s como los más difundidos a nivel mundial; estos son:
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Lenguaje de contactos o Ladder
Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones)
Diagrama de funciones
El estándar IEC 1131-3 define dos lenguajes gráficos y dos lenguajes basados en
texto, para la programación de PLC´s. Los lenguajes gráficos utilizan símbolos para
programar las instrucciones de control, mientras los lenguajes basados en texto,
usan cadenas de caracteres para programar las instrucciones.
Lenguajes Gráficos
o Diagrama Ladder (LD)
o Diagrama de Bloques de Funciones (FBD)
Lenguajes Textuales
o Lista de Instrucciones (IL)
o Texto Estructurado (ST)
1.8 Protocolos de comunicación
Las comunicaciones industriales son imprescindibles en la industria moderna. Las
redes industriales están conformadas por equipos que trabajan a distintos niveles de
automatización, con el objetivo de lograr la comunicación totalmente integrada en el
sistema para que los equipos trabajen de forma coordinada en el proceso.
Para implementar redes de comunicaciones industriales es necesario establecer
protocolos, los cuales definen las reglas de dialogo dentro de capa. Existe una
diversidad de protocolos a nivel de planta con respecto a la aplicación. En la tabla 1.2
se comparan algunos protocolos de comunicación a nivel de planta.
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Tabla 1.2 Comparación de protocolos a nivel de planta.
Comparación Red EtherNet/IP Red ControlNet Red DeviceNet
Función configuración, recolección de datos, y control a una sola y alta velocidad de red.
Soporta la transmisión de datos en tiempo critico entre el PLC y los dispositivos de E/S
Conecta dispositivos de bajo nivel directamente a los controladores de planta. Sin necesitar una interface hacia los módulos E/S.
Dispositivos típicos de la red
Controladores programables
Robots
HMIs
E/S
Drives
Instrumentación.
Controladores programables
Chasis E/S
HMIs
Computadoras Personales
Drives
Robots
Sensores Arrancadores
Drives
Computadoras Personales
Botones pulsadores
Lectores de
códigos de barras
PLC
Válvulas mainfolds
Renvío de datos Grandes paquetes; enviados regularmente.
Paquetes medianos; la transmisión de datos es determinística y repetible.
Pequeños paquetes; envío de datos cuando es necesario.
Número máximo de nodos
Sin limites 99 nodos 64 nodos totales
Tasa de transferencia de datos.
10 Mbps, 100 Mbps o 1Gbps
5Mbps 500, 250, 125 Kbps
Aplicaciones usuales.
Amplia arquitectura de planta. Aplicaciones de alta velocidad.
Aplicaciones redundantes
Fuentes de alimentación y dispositivos de campo.
1.8.1 Protocolo de comunicación Ethernet industrial.
Ethernet es una especificación para redes de área local que comprende el nivel físico
y el nivel de enlace del modelo de referencia OSI de ISO. Se implementa en principio
sobre una topología bus serie. Se ha convertido en un protocolo ampliamente usado
debido al número de equipos en el mercado y la gran cantidad de software
desarrollado para esta red a su vez esto se convierte en una ventaja ya que el costo
por instalación y dispositivos de conexión es económico.
Por otra parte las redes de comunicación Ethernet tienen altas velocidades de
conexión (10Mbps, 100Mbps o 1Gbps).
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Las redes de comunicaciones por Ethernet industrial permiten desarrollar una
variedad de topologías de red, sin embargo; a nivel de planta los dispositivos
incorporan tecnología que permite usarlos en las topologías en anillo a nivel de
dispositivos, topología red lineal y la topología de red en estrella. La tabla 1.3
muestra las topologías Ethernet a nivel dispositivo, antes mencionadas, con una
breve descripción, ventajas y desventajas de cada una.
Tabla 1.3 Topologías Ethernet a nivel de dispositivo.
Topología Descripción
Estrella
La topología mayormente empleada en redes EtherNet/IP es la topología estrella, donde los dispositivos se encuentran interconectados por medio de un switch. En esta topología, los nodos se encuentran usualmente cercanos unos de otros.
Ventajas
Fácil de diseñar, configurar e implementar.
Direccionamiento directo entre dispositivos.
Adicionar y remover dispositivos sin afectar el resto de la red
Incrementa el número de puertos por medio de switches para adicionar dispositivos
La centralización facilita la detección de fallas. El switch detecta la actividad de todos los dispositivos.
Desventajas
Perdida del servicio de red en caso de falla de conexión
Principalmente el punto de falla es el switch centralizado.
Anillo a nivel de dispositivos
– DLR (switch interno)
Una red DLR es tolerante a una falla dentro de la red deseada para la interconexión de dispositivos de automatización. Esta topología también es implementada a nivel de dispositivos. No se requiere de switches adicionales.
Ventajas
Robustez ante un punto de desconexión entre dispositivos.
Cableado simplificado.
Capacidad de cubrir largas distancias con 100 m entre cada segmento de cobre.
Rápida convergencia de red.
Desventajas
Se requiere de una configuración de nodo supervisor.
Complejidad adicional al sistema
Un número variable de hops puede provocar un comportamiento difícil de predecir.
Una red lineal es un conjunto de dispositivos que estan en cadena. La tecnología de switch integrado EtherNet/IP permite
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Lineal (switch interno)
a esta topología ser implementada a nivel de dispositivo. No se requiere de switches adicionales. La topología trabaja mejor con un número limitado de dispositivos.
Ventajas
Fácil de diseñar, configurar e implementar.
Mínima cantidad de cable necesario.
Capacidad de cubrir largas distancias 100 m entre cada eslabón.
Desventajas
Perdida del servicio de red en caso de falla de conexión.
Crea potencial de cuellos de botella.
Un número variable de hops provoca un comportamiento difícil de predecir.
El apagado o falla de un dispositivo in el centro de la red afecta la conectividad del resto de la cadena.
Cada eslabón dentro de la cadena representa un retardo.
CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINARIA DE PAPEL TISSUE
Página 31
CAPÍTULO 2
Página 32
Capítulo 2 DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINARIA DE PAPEL TISSUE
En este capítulo se explica el proceso de producción de papel tissue, así como el
empaquetado que se realiza actualmente en la mediana industria. Esta investigación
brindará mayor información acerca de la etapa de empaquetado correspondiente a
dicho producto terminado.
2.1 Papel tissue
Se denomina “Papel Tissue” a un tipo de papel cuyas características de suavidad,
elasticidad y absorción responden a las necesidades provenientes del uso doméstico
y sanitario. Se caracteriza por ser de bajo peso y en toda su superficie base presenta
un micro-arruga llamado crepado, la que permite, entre otras cosas, disponer de un
papel más suave. En la figura 2.1 se observan rollos de papel tissue siendo
transportados en bandas.
Figura 2.1 Rollos de papel tissue en la etapa de transporte.
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2.2 Proceso de fabricación de papel tissue
El papel tissue se fabrica a partir de fibras mezcladas o puras de celulosa virgen de
pino radiata (fibra larga) y/o de eucalipto (fibra corta), y/o fibras de papel reciclado,
las que son disgregadas en agua transformándose en una pasta, y que
posteriormente se entrelazan mediante un proceso de formación en húmedo de una
hoja continua, la cual luego se seca y es enrollada para ser almacenada, desde
donde finalmente será convertida en producto terminado, listo para ser despachado y
vendido.
Las fibras recicladas se obtienen de papeles y cartones en desuso, los que se
recolectan desde las calles y diversos lugares donde el papel viejo es eliminado. Una
vez recolectados, los papeles y cartones se clasifican de acuerdo a su origen fibroso,
a la cantidad y colores de tinta que llevan impresos y, posteriormente, son sometidos
a procesos de extracción de impurezas, donde se les eliminan, en parte, materiales
tales como recubrimientos plásticos, corchetes y metales, adhesivos, lacas y tintas,
todos los cuales deben ser removidos.
Las fibras de celulosa deben ser seleccionadas, preparadas y mezcladas de acuerdo
a las características y usos de cada producto final; así, un papel para toallas de
cocina, por ejemplo, tendrá una mayor proporción de fibras largas (pino radiata), las
que serán sometidas a un tratamiento que les otorgue propiedades de resistencia y
absorción. En cambio, un papel para fabricar pañuelos desechables tendrá una
mayor proporción de fibras cortas (eucalipto) y será sometido a un tratamiento que le
agregue mayor suavidad.
En una primera etapa las fibras recicladas son dosificadas y mezcladas con agua,
en un elemento llamado pulper (figura 2.2), donde se realiza la operación de
desintegración. Este pulper está formado por un recipiente, en forma cilíndrica, que
tiene una hélice en su parte inferior, la cual agita las hojas que son introducidas en él;
con esto lograremos formar una pulpa de papel que luego será procesada.
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Figura 2.2 Esquema del “Pulper”.
Las fibras, luego de su disgregación en el pulper, son procesadas en distintos
equipos y etapas para eliminar sus impurezas, antes de poder pasar a la formación
de la hoja, entre dichas etapas se encuentran:
Depuración centrífuga para eliminar elementos pesados, tales como clips,
corchetes y arena.
Depuración en coladores presurizados para eliminar fragmentos y grumos de
plásticos, adhesivos, etc.
Lavado y flotación para eliminar tintas y cargas minerales.
Una vez que las fibras han sido depuradas, la pulpa o pasta está en condiciones de
transitar al proceso de fabricación del papel, es decir pasar al proceso de formación
de laminado de hojas de papel, es decir se trata de transformar un caudal de esta
pasta de papel diluida en una lámina delgada, ancha y uniforme. En la industria
papelera, se entiende por formación de la hoja a la disposición mediante la cual las
fibras se entrelazan unas con otras. Esta formación de la hoja se realiza en dos
partes en la caja de entrada (ejemplificada en la figura 2.3), que es la encargada de
dar salida a la pasta sobre la mesa de fabricación, en forma de lámina delgada,
ancha y uniforme.
Cuba
Hélice
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Figura 2.3 Caja de entrada.
La mesa de fabricación (mostrada en un dibujo en la figura 2.4 donde también se
incluye la caja de entrada), es la encargada de formar la hoja y reducir parte del agua
que contiene la pasta.
Figura 2.4 Máquina de papel (caja de entrada y mesa de fabricación de la hoja).
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Figura 2.5 Operación de secado en el proceso de fabricación de rollos de papel tissue.
Los clientes internos del proceso de elaboración de papel tissue requieren que la
materia prima de su etapa llegue de forma adecuada a sus necesidades, es decir se
deben recibir bobinas de papel con tamaños y diámetros apropiados para sus
máquinas (figura 2.5). Aquí es donde tiene lugar la operación de rebobinado; la cual
tiene la función de cortar y rebobinar los rollos de gran diámetro (bobina madre), en
bobinas de diámetro menor (bobinas hijas).
En la industria del papel higiénico, después de la formación de las bobinas hijas, se
pasa a un proceso de corte como se ejemplifica en la figura 2.6 el cual forma el
tamaño real de los rollos de papel higiénico con las medidas específicas para dicho
rollo, este proceso de corte se realiza de forma manual. El operario es el encargado
de ajustar los elementos del cortador para que los rollos sean del tamaño preciso, así
mismo él es el encargado de comprobar el correcto funcionamiento.
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Figura 2.6. Etapa de corte de los rollos de papel tissue.
La etapa final, y más importante para el aspecto de publicidad y presentación, es la
de empaquetado, en la cual se obtienen diferentes tipos de presentaciones,
dependiendo del tipo de rollo y el número de estos en cada paquete. (Paper)
2.3 Etapa de Empaquetado para papel tissue Hengxin modelo: HX-ZB
Para saber el funcionamiento de la empaquetadora actual se realió la separación del
empaquetado en tres etapas. En una primera etapa, los rollos o bobinas “hijas” son
predispuestas en una cortadora (Etapa A) la cual cortara las bobinas “hijas” para
generar las dimensiones reales de los rollos de papel tissue que posteriormente
serán empaquetados.
Al finalizar la etapa A, la cortadora expulsa los rollos y a continuación se inicia una
etapa B de transporte para embolsar dichos rollos.
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A continuación se inicia la etapa de empaquetado (Etapa C), el funcionamiento de
esta etapa se realiza a través de actuadores neumáticos, llegan los rollos a través de
la banda transportadora al módulo neumático el cual se encargara de seleccionar y
embolsar los rollos para su adecuado embolso.
La banda transportadora impulsa los rollos hacia el módulo neumático (Etapa C),
este módulo neumático contiene dos cilindros los cuales se nombran No. 1 y No. 2; el
cilindro neumático No. 1 traslada los rollos previamente formados hacia el cilindro
No. 2, este cilindro se activa al estar completamente expulsado el cilindro No. 1, el
cilindro No. 2 se encargara de impulsar estos rollos sin romper su formación para su
posterior empaquetado.
En esta etapa final se requiere de un operador el cual realiza la colocación del bolso
de empaquetado con ambas manos sobre la boquilla de la salida del módulo
neumático donde los rollos son expulsados; cuando la bolsa es colocada en el lugar
correcto el cilindro No. 2 realiza la función expulsar los rollos de papel a través del
empaque como se ejemplifica en la figura 2.7, posteriormente otros dos pares de
cilindros neumáticos nombrados No. 3 y No. 4 realizan la función de sellado de la
bolsa.
Figura 2.7 Etapa de selección y expulsión
Cilindro
neumático No.1
Cilindro
neumático No.2
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El cilindro neumático No. 3 sujeta el extremo de la bolsa, este extremo será al que se
le realizara el sellado. Posteriormente el cilindro neumático No. 4 realiza mediante
mordazas el sellado del empaque como se ilustra en la figura 2.8.
Figura 2.8 Empaquetado y sellado del bolso.
En esta etapa en el proceso actual llevado a cabo con maquinaria semiautomática se
tiene complicaciones debido a la colocación manual del bolso, ya que la calidad del
empaquetado recae directamente en la pericia y atención del operador para realizar
su trabajo. Así mismo la velocidad de empaques como otros aspectos que depende
del operador.
En la figura 2.9 se ilustra las diferentes etapas en las cuales se dividió el proceso, asi
como un lay-out de los elementos de dicha maquinaria
Cilindros neumáticos
No.3
Cilindros neumáticos
No.4
Página 40
Figur
a 2.9
Ilustr
ación
de la
empa
cador
a
actua
l y
labor
es
del
perso
nal.
Página 41
2.4 Empaquetadora Hengxin modelo: HX-ZB
Sus principales ventajas son:
Poco mantenimiento: esto se debe a que el módulo neumático es de fácil
operación y en pocas ocasiones se requiere un mantenimiento correctivo, y si
en algún momento ocurriera alguna falla se remplazarían válvulas o cilindros
Supervisión del producto: Los operadores supervisan la calidad del
empaquetado y sellado del empaque con mayor eficiencia gracias al contacto
directo con el producto al salir de módulo neumático.
Ahorro de energía: Gracias a la mano del hombre en el empaquetado no es
necesario emplear un sistema que consuma algún otro tipo de energía..
Dentro de las principales desventajas se tiene:
Poca cantidad de presentaciones (Baja flexibilidad): debido a las
limitantes de la maquinaria, no se es posible obtener variación de
empaquetado
Contacto directo del operador con el producto (Calidad): No se puede
garantizar una higiene completa en el producto terminado debido a la
exposición física que hay entre el operador y el producto en el momento del
empaquetado y sellado.
Rol de turnos para los operadores: Al estar empaquetando un operario una
larga jornada de trabajo este presenta desgaste físico por lo cual necesitan
obligatoriamente rolar turnos de trabajo.
Riesgo constantes para el operario: Los operadores se exponen a un
accidente grave al estar en contacto directo con la máquina, ya que ellos
deben de suministrar el bolso en la boquilla del módulo neumático, lo que
conlleva al paro total de la producción.
Gasto por salarios: Debido a que se tiene que rolar turnos conlleva a un
gasto mayor por el salario de los diferentes operarios
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Productividad: Debido a que en la etapa de empaquetado se requiere de un
operario para colocar el empaque en la boquilla de salida de la máquina, por lo
tanto este proceso tiene una demora de tiempo.
2.4.1 Problemática Actual
Actualmente en la pequeña y mediana industria papelera, específicamente la
dedicada a la fabricación de rollos de papel tissue o en su defecto las empresas que
se dedican al empacado de los rollos de papel tissue. Cuentan con ciertas limitantes
de distinta índole en la fase de empaquetado, las cuales les dificultan diversificar las
presentaciones que ofrecen, obtener una calidad uniforme y calidad superior en el
producto final. Otra clase de problemáticas se ligan directamente a la influencia del
factor humano en el proceso, tales como la tasa de productividad, desperdicio de
material, re-procesos, tiempos muertos, cuellos de botella en la producción, etc.
Como se mencionó algunas de estas situaciones son producto de la limitante de la
maquinaria con la cual se cuenta, ya que al carecer de una economía que permita
adquirir maquinaria automatizada de mayor capacidad la mediana industria se ve
forzada a adquirir máquinas semiautomáticas donde es forzoso el desenvolvimiento
del recurso humano en tareas monótonas sin siquiera una mínima variación en la
metodología, las cuales terminaran aburriendo al operador, reduciendo así la
dedicación y con esto la calidad del producto; esto sin contar las variaciones de
situación mental y/o física a la que está sujeta cualquier persona las cuales influyen
de forma significativa en el proceso. Una ventaja adicional de resolver los conflictos
anteriores es que al reducir el tiempo del operario frente a la maquinaria, se reduce
de igual manera la exposición de este a los riesgos de proceso.
La adquisición de maquinaria a precios accesibles para el empresario mexicano, la
cual remedie las situaciones antes expuestas es la vía de oportunidad, desarrollo y
crecimiento para la pequeña y mediana industria que empaca rollos de papel tissue.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO DE LA INGENIERÍA
Página 43
CAPÍTULO 3
Página 44
Capítulo 3 DESARROLLO DE LA INGENIERÍA
Siempre que se inicia un proyecto se debe tomar como base el desarrollo,
conocimientos, aportaciones y errores previos a la propia aportación en la que se
trabaja. En este caso la construcción de la idea y el desarrollo de la ingeniería tomo
como base las tecnologías mencionadas en el capítulo 1, y la maquinaria ya
desarrollada mostrada en el capítulo anterior (2).
El objetivo del presente capítulo es hacer un diseño serio de la automatización con
base en la maquinaria mostrada en la figura 3.1, estableciendo la disposición física
de sensores, actuadores y cualquier otro dispositivo relevante para el desarrollo de la
automatización. Estos elementos formaran parte de las entradas y salidas que se
comunicaran al controlador.
Figura 3. 1 Máquina empacadora de papel tissue a la que se le desarrollara el diseño de la
automatización.
El desarrollo de la ingeniería de automatización se apega a la estructura de la
empacadora, sobre ellos se vislumbra, planea e idea la secuencia de proceso a la
Página 45
par que se seleccionan los elementos que se hacen necesarios. La especificación de
las características de dichos elementos toma consideraciones propias del equipo y la
conexión que se planea llevar a cabo con los módulos del controlador; esto para
evitar problemas por falta de compatibilidad con la alimentación de elementos de
entrada y salida, así como se evalúa si es requerido algún equipo extra para la
realización de intercambio de señales de manera exitosa.
Para lo anterior se hizo necesaria la secuencia de operación de la maquinaria, que
se observa en la figura 3.2 en un diagrama de bloques.
Página 46
Ban
das
1, 2
y 3
Actuad
ores
Neumá
ticos
A, B, C
y D
Actua
dores
Neumá
ticos
D, E,
E´, F y
F´
Actuado
res
Neumáti
cos
D, G, H,
I y F´
Banda 3
Actuador
es
Neumático
s J, J´,
K, K´, L, M
y M´
Banda 4
B
a
n
d
a
5
a
)
b
)
c
)
d
)
e
)
f
)
Tran
spor
te
Aquí
los
rollos
prove
nient
es de
la
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de
corta
do
son
lleva
dos
hasta
el
prime
r
módu
lo.
For
maci
ón
de
Cam
as
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bado
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Cam
as
Envo
lven
te
plás
tico
Cort
e de
sobr
ante
s
Term
o
enco
gido
a)
a)
Un
conjunto
de
cilindros
neumáti
cos y
con la
ayuda
de la
banda 3
(banda
de
control)
crean
formacio
nes de
rollos
según
haya
sido
program
ado
b)
a)
Las camas
recién
formadas
son
llevadas a
un
mecanismo
el cual
encima en
2 ó 3
niveles. En
caso de ser
solo un
nivel es
llevado sin
detenerse
a la
siguiente
etapa.
c)
a)
Un
conjunto
de
cilindros
y una
banda
hacen
pasar la
formació
n de
cilindros
contra
un
plástico
el cual
envolver
á los
rollos,
será
tensado
y
cortado.
d)
a)
La banda
del paso
anterior
conduce el
empaque
hacia otra
banda (4) y
posiciona
el paquete
bajo un
conjunto de
mecanismo
s
accionados
por medios
neumáticos
el cuál
cortara los
extremos
sobrantes. e)
a)
Finalme
nte se
hace
pasar el
empaqu
e por un
túnel de
termoen
cogido
el cual
ajusta el
plástico
al
contorno
de la
formació
n de
rollos.
f)
a)
Figura
3.2
Diagrama
de
bloques
del
proceso
de
empacad
o de
rollos de
papel
tissue
con
respecto
a la
máquina
a
automatiz
ar.
Página 47
Esta secuencia de operación tiene tres opciones generales de empaquetado,
definiendo las rutas principales de operación de acuerdo al número de niveles del
empaque. Se observa una descripción breve sin adentrarse en detalles de los
elementos de E/S que intervienen.
La anterior descripción de la secuencia de operación y la estructura de la maquinaria
con la selección de los elementos de entrada y salida dan la pauta para la elección
del controlador, módulos de E/S y aditamentos adicionales; así mismo se selecciona
la terminal gráfica con base en la compatibilidad del controlador y otros aspectos de
interés.
El diseño de la ingeniería de automatización de la empacadora se vale de diversas
tecnologías para cumplir con el objetivo propuesto. La estructura se basa de manera
general en el procesamiento de señales de entrada y salida por medio de un
controlador lógico programable y una terminal gráfica que facilita al operador la
selección de operación. Las entradas básicamente estarán conformadas por una
variedad de sensores, botones de pulso y selectores. Por otro lado las salidas serán
conformadas por electroválvulas que controlaran actuadores neumáticos lineales,
contactores que influirán según corresponda la lógica para la activación de motores,
lámparas o una bocina. Habiendo mencionado esto de forma gruesa, la parte de
automatización puede ser dividida en: los dispositivos de control, comunicación,
dispositivos de entrada y los dispositivos de salida.
3.1 Arreglo físico en SolidWorks
Para llevar a cabo el ensamble general de la máquina empaquetadora de rollos de
papel higiénico en el programa SolidWorks, fue necesario hacer varios sub-
ensambles. Un ensamble es la unión de distintas partes diseñadas de forma
individual y unirlas para formar un sistema de mayor complejidad, este diseño consta
de 4 etapas, que en general comprenden todo el diseño, estas partes que lo
conforman serán brevemente explicadas a continuación.
Página 48
Etapa 1
El modelado de la estructura de la maquinaria comenzó con las bandas
transportadoras, las cuales están conformadas por soportes laterales y los postes
estructurales. Posteriormente fueron agregados elementos como la banda elástica,
las chumaceras y el motor. Únicamente dejando pendiente los sensores que fueron
insertados en la etapa de selección de equipo. El ensamblaje de la banda
transportadora 1 y 2 se muestran en la figura 3.3.
Figura 3. 3. Piezas que conforman el ensamble de las bandas.
La maquinaria contempla 5 bandas, y de manera general en la realización de todas
ellas se siguió el mismo procedimiento para dibujarlos.
Etapa 2
El segundo paso fue realizar el arreglo físico la mesa empacadora, la cual se basa
en un modelo existente. El arreglo físico de la nueva empacadora contempla
modificaciones importantes para obtener atributos que serán benéficos en el proceso
Motores
Soportes
laterales
Bandas
Transportadora
Banda
elástica Postes
estructurales
Página 49
de empaquetado, tales como la adecuación del equipo de automatización en una
estructura apropiada para contener todos sus elementos.
Como se mencionó en el párrafo anterior, existen 2 diseños de empaquetadoras de
papel tissue, el diseño de la maquinaria del proceso actual y el diseño de la celda de
manufactura flexible; la segunda se basa en la empaquetadora actual y ambos
diseños son mostrados en la figura 3.4.
Figura 3. 4 Imagen de Izquierda: proceso actual Imagen de derecha: proceso modificado.
Etapa 3
El sistema de empaquetado flexible se ideo por módulos o etapas, siendo la de
empaquetado la que se presenta en la figura 3.5. A la izquierda se puede observar la
estructura únicamente metálica de la etapa de empaquetado, a la derecha se
muestra el diseño acoplado con las bandas y con algunos de los elementos de
automatización.
Empaquetadora
actual HX-ZB Etapa
de formación de
rollos
Propuesta de
Empaquetadora,
etapa 2 propuesta
formación de
presentaciones
Página 50
Figura 3. 5 Estructura perteneciente a la etapa de empaquetado.
Etapa 4
Finalmente fueron adicionados al modelo de la empacadora los elementos
actuadores, guillotinas, bandas y rieles. Así como el resto de los componentes de
automatización y los gabinetes con los equipos de control (como el PLC y módulos
remotos de entradas y salidas, etc.), y un túnel de termo-encogido para dar la vista
final del proceso completo como se muestra en la figura 3.6.
Estructura de
empaquetado
Integración de la
estructura de
empaquetado al
sistema
Página 51
Figura 3. 6 Máquina de empaquetado terminada.
Para puntualizar este apartado se debe mencionar de manera enfática que a pesar
de haberse desarrollado una estructura física con una disposición de elementos
mecánicos móviles, únicamente pueden ser considerados como una propuesta hasta
que el diseño sea revisado por un profesional al cual le atañe el estudio y validación
de esa parte de la ingeniería.
3.2 Selección del equipo necesario para la implementación del sistema
Automatizado
Para efectuar de manera eficiente y en forma automática el proceso descrito en el
diagrama de bloques es indispensable la utilización de equipos modernos de
automatización usados a nivel industrial. En los siguientes puntos se describen los
equipos seleccionados y sus características así como los criterios tomados en
consideración.
Proceso de
termo-encogido
Proceso de
empaquetado
HMI
Formación de
presentacion
es
Compaq-
Logix POINT I/O
Página 52
3.2.1 Equipo de control neumático
Los cilindros que nos permitirán realizar las operaciones de compactar los rollos,
traslado, y sujeción del bolso a empacar son cilindros de simple efecto, doble efecto
y actuadores lineales neumáticos de la marca Festo.
Para la selección de los actuadores neumáticos, la marca Festo proporciona un
software (xProPneumatic) de ayuda para dicho proceso. Los datos solicitados con el
software son: Tiempo en el cual se desea alcanzar el posicionamiento necesario,
longitud de la carrera requerida, la presión de funcionamiento y la cantidad de masa
que deseamos mover.
La presión media de trabajo en cilindros neumáticos se establece entre 4 Bar y 9 Bar.
Para lo cual para el cálculo de los cilindros neumáticos se tomó el valor estándar que
es de 6 Bar; por razones económicas se han estandarizado dicha presión, ya que
con presiones mayores a 9 Bar el valor máximo económico es excedido. En cuanto a
las velocidades el aire comprimido es uno de los medios de trabajo mas rápidos
utilizables en la industria. Con cilindros neumáticos convencionales pueden
obtenerse velocidades máximas de hasta 1.5 m/s. (Stoll, 2000)
En la tabla 3.1 se muestran las especificaciones de dichos actuadores neumáticos
así como el tag asignado en base a la maquinaria y el número de cilindros
neumáticos necesarios.
Tabla 3. 1 Relación del equipo de control neumático.
No. – Tag Código Descripción Función
1- A ADN-25-260-A-P-A
Cilindro de doble efecto Traslado de rollos
Banda-Palanca 1
1-B ESNU,ISO 6432 Cilindro de simple
efecto
Controlador de guías
1-C DNC-40-350-P
Cilindro de
posicionamiento (Doble
efecto)
Determinar el numero
de columnas (1-4)
1-D DGP/DGPL Actuador lineal Movimiento palanca 1
Página 53
2-E-E’ DSN-16-120-P
Actuador de Simple
efecto
Movimiento de las
paletas abre-cierre
2-F-F’ ADN-25-260-A-P-A
Cilindro de
posicionamiento de 3
niveles (Doble efecto)
Generación de los
niveles para el
empaquetado
1-G DGO-16-650-PPV-A-B
Cilindro de doble efecto Movimiento palanca 2
1-H DNC-32-400-PPV
Cilindro de doble efecto Movimiento de la
cizalla
1-I DSN-20-300-P
Cilindro de doble efecto Movimiento de sujeción
del bolso
2- J-J’ ADN-16-50-A-P-A
Cilindro de doble efecto Agarre del bolso para
su posterior corte
(sobrante)
2- K- K’ DNC-32-250-PPV
Cilindro de
posicionamiento (Doble
efecto)
Movimiento retiro de
sobrante
1-L SLG Planos Actuador de
desplazamiento lineal
Posicionamiento
transversal de las
cuchillas para corte
lateral
2- M- M’ DNC-40-400-PPV
Cilindro de doble efecto Movimiento de la
cizalla
Las figura 3.7 y 3.8 muestran la ubicación de los cilindros en la maquinaria, así como
el tag asignado para su relación con la tabla 3.1
Página 54
Figura 3.7 Etapa 1: ubicación de los cilindros.
En la figura 3.7 y 3.8 se lleva a cabo la ubicación de los actuadores neumáticos
(lineales) de las primeras etapas del proceso de empaquetado (etapas a, b y c,
referentes al figura 3.2). En estas etapas los rollos provenientes de la banda son
formados en dos hileras. Guías inferiores activadas por el cilindro de simple efecto B
no permiten estos se desacomoden. El cilindro C funge como límite mecánico para el
control del número de rollos por hilera, mientras el cilindro A es el encargado de
trasladar la formación de rollos terminada hacia el cilindro D una vez que las guías
están abajo. Finalmente el cilindro D lleva los rollos hacia un módulo donde se
estiban las camas de rollos según el tipo de empaque a realizar, este trabajo es
desempeñado por los actuadores E y E’, los cuales abren y cierran un mecanismo
con forma de E´s encontradas, mientras que los actuadores F y F’ se encargan de
ascender o descender el mecanismo.
Página 55
Figura 3.8 Etapa 2: ubicación de los cilindros.
Las etapas siguientes (etapas d, e y f con referente al figura 3.2), tienen como
principal objetivo aplicar el plástico termoencogible sobre la estructura formada con
los rollos. Esta etapa comienza cuando el cilindro D traslada los rollos provenientes
del módulo donde las camas fueron estibadas. De manera siguiente, el cilindro G
traslada estos rollos de forma perpendicular al cilindro D, tensando el plástico
termoencogible mientras la banda en la parte inferior avanza un poco. Una vez que la
formación está ubicada en el lugar correcto, el cilindro I baja, tensando aún más el
poliuretano, secuencialmente el cilindro H baja cortando el plástico sobrante. Los
cilindros I y H serán retirados y la banda avanzara hasta hacer entrar la formación a
otro módulo donde será cortado el excedente de plástico de los extremos laterales
del bolso. Aquí interviene una compleja formación de actuadores neumáticos.
Empezando con los cilindros K y K’, quienes se encargan de posicionar el
mecanismo que contiene a los grippers, activados a su vez por los actuadores J y J’,
quienes tensan los extremos del bolso para que los cilindros M y M’ realicen el corte
Página 56
de los mismos. Finalmente la función del actuador L es posicionar al cilindro M según
la longitud del empaque. Solo es requerido un cilindro para ubicar los cilindros de
corte M y M’ ya que uno de ellos es fijo.
3.2.2 Selección de entradas al PLC (Sensores)
En la tabla 3.2 se muestran especificaciones de los diferentes sensores que fueron
seleccionados para la automatización de la empaquetadora, en su mayor parte; son
sensores magneto-resistivos (reed-switch) para la detección de las posiciones del
embolo de los cilindros neumáticos; también se encuentran sensores fotoeléctricos,
sensores capacitivos, botones pulsadores, etc. Cada elemento sensor muestra el tag
asignado para su ubicación en la maquinaria, una breve descripción e información
complementaria.
Tabla 3. 2 Relación de los elementos de entrada.
No.-Tag Código Descripción Ubicación en el proceso
Alim. Salida
2-E GLV18-55-G/115/120
Sensor fotoeléctrico de barrera óptica por
reflexión (TRIFILAR)
Detección de nivel de la bobina para
embolso.
10 - 30 V CC (máx. 100mA)
PNP
2-J GLV12-54/37/40b/92
Sensor fotoeléctrico de barrera por
reflexión(BIFILAR)
Bandas iniciales 10 - 30 V CC (máx. 300 mA)
PNP
2-A (Banda)
2-B (Conteo
)
CJ15-40-A2
Sensor capacitivo (TRIFILAR)
Conteo de rollos (mesa de formación
de camas) y detección de
paquetes.
10 - 30 V CC (max. 200 mA)
PNP
1-C 1-F 1-D
CJ15-40-A2 Sensor capacitivo (TRIFILAR)
En la detección de llegada de rollos a posición deseada
10 - 30 V CC (max. 200 mA)
PNP
7 SIEMENS 3SE5
Sensor de limite accionamiento mecánico
N/C
Tapas en las áreas peligrosas de la
maquinaria
43 Sensores N.O SMT-8M
Trifilares
Sensores Magneto- resistivos
(BIFILAR, CONECTOR M8)
Cilindros 24 V CC (máx. 100
mA)
PNP
1-I GLV18-55-G/115/120
Sensor fotoeléctrico de barrera óptica por
reflexión (TRIFILAR)
Conteo de paquetes al final de la línea de
empaquetado
24 V CC (máx.
100mA)
PNP
1 Botón pulsador N/C. Botonera.
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1 Botón Hongo (Paro de emergencia)
Botonera
1 Botón pulsador N/A. (Arranque)
Botonera.
Se muestra la tabla 3.2 con la relación de sensores y otros elementos de entrada,
donde fue considerado el mantener uniformidad con respecto al tipo de salida (PNP o
NPN), de la misma manera los rangos de alimentación para facilitar y requerir de la
menor cantidad de dispositivos para hacerlos compatibles con las tarjetas de E/S del
PLC que se seleccionaron posteriormente
Las figuras 3.9 y 3.10 muestran la ubicación de los sensores en la maquinaria, de la
misma manera el tag asignado y el tipo de sensor para su relación con la tabla 3.2.
Figura 3.9 Etapas a, b y c: ubicación y tipo de sensores utilizados.
La primera sección (etapas a, b y c referentes al figura 3.2), contienen principalmente
sensores de tipo capacitivo debido a la corta distancia de sensado requerida y al tipo
de cuerpo que detectan; sin embargo también se emplea un sensor fotoeléctrico en
la banda y un magnético (reed-switch) para la detección de la posición del cabezal
del cilindro neumático D.
Página 58
Figura 3.10 Etapas d, e y f: ubicación y tipo de sensores utilizados.
En esta segunda imagen figura 3.10 se pueden identificar claramente los sensores
que intervienen en las etapas d, e y f (referentes al figura 3.2). En las cuales el
objetivo es obtener un empaquetado terminado una vez recibiendo la formación de
rollos. Para esto se emplean: 1 sensor capacitivo para la detección de la formación
de rollos, 2 sensores fotoeléctricos para la detección de plástico en las bobinas (1 por
bobina), y 3 sensores de tipo fotoeléctrico para la detección del paso de la formación
de rollos en las distintas sub-etapas.
3.2.3 Selección de salidas al PLC
Para la realización del proceso de empaquetado de rollos de papel tissue, se
requiere de un conjunto de elementos de salida que no pueden ser directamente
conectados a las terminales de salida de los módulos del PLC por la razón de que la
tensión o corriente de alimentación es diferente y no puede ser suministrada por los
módulos de salida; en otro de los casos la tecnología con la que funcionan los otros
dispositivos es diferente, como en el caso de los cilindros neumáticos. La solución a
esto es la utilización de elementos intermedios como lo son contactores, relevadores
Página 59
y válvulas electroneumáticas los cuales fueron seleccionados para el diseño de la
automatización de la maquinaria con una tensión de alimentación de 24 volts de
corriente directa. Estos elementos son mostrados en la tabla 3.3, en el caso de las
electroválvulas se incluye el tag del cilindro al que controlan.
Tabla 3. 3 Relación de los elementos de salida.
No.-Tag cilindro
Código Descripción Ubicación en el proceso
Alim.
1 S/C Lámpara 1 “En operación” (Verde). Torreta de luces 24 V CC
1 S/C Lámpara 2 “Paro”. (Rojo)
Torreta de luces 24 V CC
1 S/C Lámpara 3 “Paro de emergencia” (Amarillo)
Torreta de luces 24 V CC
1 S/C Lámpara 4 “Alerta de intruso” (Anaranjada)
Torreta de luces 24 V CC
1 S/C Lámpara 5 “Reset (Azul) Torreta de luces 24 V CC
1-A VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.
Empuje inicial rollos
24 V CC
1-B VUVG-L14 Electroválvula 3/2 para Cilindro neumático S.E.
Guías 24 V CC
1-C VUVG-L14 Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.
Ajusta el largo de paquete 2, 3, 4.
24 V CC
1-D VUVG-L14 Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.
Palanca 1 24 V CC
2-E-E´ VUVG-L14 Electroválvula 3/2 para Cilindro neumático D.E.
Apertura de cuchillas para
niveles
24 V CC
2-F-F´ VUVG-L14 Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.
Para la formación de numero de niveles 1,2,3
24 V CC
1-G VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.
Palanca 2 24 V CC
1-H VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.
Cizalla cte. Ext. Bolsos.
24 V CC
1-I VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.
Sujeción del bolso 24 V CC
2-J- J´ VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.
Cilindro para retiro de sobrantes
24 V CC
2-K-K´ VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.
Cilindro para retiro de sobrantes
24 V CC
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1-L VUVG-L14 Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.
Cilindro para cerrar o abrir el rango de corte
lateral
24 V CC
2-M-M´ VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.
Cilindro de corte lateral
24 V CC
7 S/C Contactores Motores .75 HP
Acopladas a las bandas
24 V CC
3.2.4 Características de los motores eléctricos
Para las bandas transportadoras de rollos de papel tissue se determina una
velocidad que es de 0.3 m/s, por lo tanto para la determinación de la velocidad
angular del motor, calculamos la la velocidad angular, dado un brazo de palanca que
esta en función de la polea conductora esta es de 0.07 m de radio, por lo tanto:
wrv *
Donde:
v = velocidad lineal (m/s)
r = distancia del centro del eje al punto de velocidad (m)
w = velocidad angular en el eje (rad/s)
Despejando la velocidad angular w :
sradm
smw
r
vw
/28.407.0
/3.0
Dado que la velocidad angular es de 4.28 rad/s es conveniente tener un motor de
1800 RPM, utilizando una caja de relación baja a comparación de tener un motor con
RPM mayores a 1800, por lo tanto el motor es de 4 polos a 1800 RPM.
Dado que tenemos 1800 RPM como velocidad síncrona, se sabe que la velocidad de
operación es menor debido al deslizamiento provocado por el motor a plena carga
Página 61
este es de 1710 RPM, ya que es de 4 a 5 % menor de la velocidad síncrona por lo
tanto la velocidad de operación es de 1710 RPM equivalente a 179.07 rad/s. y
Para el cálculo de la caja de reducción para tener una velocidad de 0.3 m/s, se
realizó una división entre la velocidad angular del motor y la velocidad angular a la
salida de la caja que deseamos; en este caso:
62.41/28.4
/07.179
srad
srad
Dado el cálculo anterior se observa que la escala de reducción de velocidad es de
40, por lo tanto se puede determinar que la caja de reducción es de 40:1
Para bandas transportadoras se utiliza principalmente motores trifásicos de 220 volts
de inducción tipo jaula de ardilla, en este caso de 4 polos. La potencia del motor
debido a las características de la banda y la carga que es de 50 N debido al papel ya
que este pesa un total de 102 gr es de 0.75 HP. La potencia de salida en watts es:
wattswattsPHP 5.559746*75.0746*:.
Ahora necesitamos saber el consumo de corriente que demanda el motor trifásico de
inducción, esto se logra en base a la fórmula de potencia, el cálculo se muestra a
continuación:
CosIVP ***3
Despejando la corriente se tiene:
ACosV
watts
CosV
PI 468.1
95.*220*3
5.559
**3
El consumo de este motor en cuanto a la corriente nominal dado el cálculo anterior
es de 1.468 A. La corriente de arranque de un motor de inducciones
considerablemente más alta que la nominal (3 a 8 veces mayor), por lo tanto:
AAIarranque 276.10468.1*7
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Por lo tanto dado el cálculo anterior el contactor debe soportar esta corriente de
arranque al igual que el fusible de protección que es de 10.276 A, ya que si no se
respeta dicha corriente de arranque el circuito de alimentación al motor no operara
eficientemente. En cuanto a la sobrecarga del motor cabe señalar que esta no debe
sobrepasar 1.25 la corriente de arranque, para que dicha protección de sobrecarga
no se dispare abriendo el circuito de alimentación por lo tanto la sobrecarga será,
dado el cálculo siguiente de 12.485 A.
AAII arranqueasobrec 845.12)276.10(25.125.1arg
3.3 Dispositivos de control y comunicación
Esta sección contempla la selección y los criterios en los que se basa la estructura
de control y comunicación, la cual contiene dentro de sí los siguientes dispositivos:
Controlador.
Módulos de E/S del PLC (locales y remotos).
Módulos de conexión y comunicación.
Terminal grafica (HMI).
Fuentes de alimentación para los dispositivos de entradas y salidas de los
módulos 1734.
3.3.1 Selección del controlador
La selección del controlador se llevó a cabo considerando los siguientes aspectos:
Capacidad de tratamiento de señales (Velocidad, CPU y memorias).
Escalabilidad.
Capacidades de comunicación industrial.
Tipos de lenguajes de programación.
Compatibilidad con otros equipos de proceso.
Página 63
En lo referido a la escalabilidad se consideraron las capacidades de incrementar el
número de terminales de E/S locales y remotas por medio de módulos de conexión,
dentro de estos se incluyen los módulos de comunicación industrial requeridos para
llevar a cabo el intercambio de información con el controlador.
Para la selección del controlador adecuado se consideraron una amplia variedad de
marcas y modelos, sin embargo evaluando los requerimientos específicos del
proceso (comunicación, E/S, escalabilidad, etc.) fueron reducidas las posibilidades a
tres fabricantes (Allen Bradley, Siemens y Schneider Electric). Esta información es
mostrada en la tabla 3.4. Allí se muestran parámetros y características de peso que
influyeron para la selección. Es importante resaltar que no se mencionan algunas
características debido a la falta de relevancia para el análisis.
Tabla 3.4 Comparación de controladores industriales.
Marca Allen Bradley Siemens Schneider
Modelo CompactLogix 5370 L18ER-BB1B
Simatic S7-313c-Ptp Modicon M340 BMXP341000
Memoria 512 KB 64 kB 256Kb
Puertos de Comunicación
1 x USB 2 x RJ45
1 x RS422 1 x RS485
1 x USB 1x RJ45
Conexiones EtherNet
Integradas
2 No No
E/S incorporadas 16 salidas digitales/ 16 entradas digitales
16 salidas digitales/ 16 entradas digitales
No
Máximo de módulos
expandibles locales.
8 7 11
Máximo de módulos extras
63 módulos (remotos) 3 racks de 7 módulos (c/u)
1 rack de 11 módulos (c/u)
Bastidores totales CPU + 8 4 2
Grado de protección
IP 20 según IEC 529 IP 20 según IEC 529 IP 20 según IEC 529
Software/ Firmware RSLogix 5000 Step 7, Unity Pro
Lenguajes de programación
Diagrama de Escalera (LAD), Diagrama de
Bloques de Funciones (FBD), Texto
estructurado (ST), Funciones Secuenciales
de caracteres (SFC)
Diagrama de Escalera (LAD), Diagrama de
Bloques de Funciones (FBD), Lista de
instrucciones (IL), Funciones Secuenciales de caracteres (SFC), S7-SCL (ST), S7-HiGraph,
CFC
Diagrama de Escalera (LAD), Diagrama de
Bloques de Funciones (FBD), Texto
estructurado (ST), Lista de instrucciones (IL),
Funciones Secuenciales de Caracteres (SFC).
Página 64
Opciones de modulo de
comunicaciones
Ethernet/IP, DeviceNet Ethernet/IP, PROFINET, PROFUBUS, As-
Interface, PtP, MPI
Ethernet/IP, Modbus, CANopen field bus
SD Memory Card Sí Sí Sí
3.3.1.1 Características del Controlador Seleccionado 5370 L1 Allen Bradley
Fue seleccionado el controlador CompactLogix 5370 L1 de Allen Bradley debido a
que combina características de potencia con la flexibilidad de módulos de terminales
de E/S en un formato compacto y económico. Este tipo de controlador es ideal para
máquinas de tamaño pequeño a mediano.
La serie L1 tiene 3 CPU´s de entre los cuales se eligió el modelo intermedio: L18ER-
BB1B. Esta versión tiene mayor velocidad de procesamiento y capacidad de escalar
la cantidad de módulos E/S, así como un número mayor de puertos de comunicación
EtherNet incluidos, lo cual supera ampliamente las características de la CPU L16ER-
BB11B. Con respeto a la versión L18ERM-BB1B las características son las mismas,
únicamente diferenciándose porque el último tiene la capacidad de controlar 2 de
ejes de movimiento (servodrives), características que están sobradas y no se utilizan
en la empaquetadora. Las características de la CPU elegida (L18ER-BB1B) son las
siguientes:
512 MB de memoria.
16 terminales integradas de entrada (24 V CD).
16 terminales integradas de salida (24 V CD).
8 módulos de expansión local.
Máximo de puntos 64 de expansión (8 por módulo).
Máximo total de 96 puntos de conexión de E/S.
8 puertos de conexión E/S Ethernet/IP.
El CompactLogix 5370 L18ER-BB1B es la opción adecuada para el control de la
lógica de esta maquinaria ya que el procesamiento de 65 entradas digitales y 34
salidas digitales pueden ser manejadas sin problema; aunado a esto es escalable y
Página 65
tiene la capacidad de comunicación Ethernet gracias a los puertos que incluye,
permite realizar la interfaz hombre-máquina (HMI) sin la necesidad de adquirir
módulos externos de comunicación. De la misma manera el intercambio de
información con los módulos remotos de E/S por medio de la red Ethernet/IP se lleva
a cabo por medio de los puertos de comunicación RJ45 integrados en el controlador
mostrado en la figura 3.11.
Figura 3.11 Controlador seleccionado (CompactLogix 5370 L1).
El controlador CompactLogix 5370 L1 fue elegido para realizar la lógica del sistema a
través del monitoreo continuo de entradas como sensores e información proveniente
del módulo HMI, para proveer a las salidas como las electroválvulas y contactores de
las señales adecuadas para llevar a cabo las acciones de control de los cilindros
neumáticos y motores.
3.3.2 Módulos Point I/O 1734
Se eligió la familia de módulos externos de E/S 1734 (figura 3.12) ya que son ideales
para aplicaciones que requieren flexibilidad y bajo costo, permiten ser aplicados a
cualquier sistema de automatización.
Se pueden utilizar en paneles de dispositivos remotos, paneles de control local, y se
puede acceder desde muchos lugares, incluyendo Internet usando una topología tipo
estrella.
Página 66
Ventajas
Su diseño compacto permite que encaje en el espacio de panel limitado.
Remplazo automático de dispositivos para agregar características de la
máquina.
Los componentes modulares se instalan y se separan fácilmente para su
mantenimiento y resolución de problemas.
Sistema de cableado extraíble para sistema económico puesta en marcha.
Figura 3.12 Módulos externos point I/O de la familia 1734 de Allen Bradley.
El modulo externo 1734 (mostrado en la figura 3.12) fue seleccionado debido a que
el controlador 5370 L1 solo permite 8 módulos de expansión local, lo cual es
insuficiente para el desarrollo de la automatización de nuestro proceso; sin embargo
el módulo externo point I/O 1734 permite utilizar hasta un máximo de 63 módulos de
expansión remota, lo cual permite escalar el sistema a las características de entradas
Adaptador Ethernet
1734 AENT
Fuente de
alimentación 1734
EP24DC
Módulos
de E/S
Módulos
de E/S Riel DIN
Página 67
y salidas que son requeridas por medio de una conexión Ethernet al controlador 5370
L1. Aunado a estas ventajas el módulo de entradas y salidas remotas 1734 nos
permite disminuir la longitud de cableado de los bornes de conexión de los módulos a
los sensores y elementos finales de control ya que el punto de E/S puede ser
ubicado a distancia del controlador y estar en la cercanía de los elementos de
entrada y salida del proceso.
Tomando en cuenta las características de nuestro modulo externo 1734 point I/O y
con base en las características del tipo de señal manejadas por entradas y salidas
como sensores inductivo, capacitivos reflectivos, magneto-resistivos, electroválvulas
y dispositivos de control de motores como contactores; en base a estos
requerimientos de operación es necesario módulos de entradas digitales 1734-IV8 y
módulo de salida digital 1734-OV8E, los cuales proveen las características
específicas mostradas a continuación.
Módulo de expansión remota entradas digitales 1734-IV8 (Figura 3.13)
Número de parte: 1734-IV8
Número de entradas: 8 digitales
Voltaje: 24 V DC
Corriente mínima para activación: 2 mA
Corriente máxima para activación: 5 mA
Corriente máxima para desactivar: 1.5 mA
Figura 3.13 Módulo de entradas digitales 1734-IV8.
Módulo de expansión remota salidas digitales 1734-OV8E (Figura 3.13)
Página 68
Número parte: 1734-OV8E
Número de Salidas: 8 digitales
Voltaje: 24 V DC
Corriente máxima por modulo: 3 A
Figura 3.14. Módulo de salidas digitales 1734-OV8E.
3.3.3 Módulo adaptador para comunicación Ethernet/IP
El adaptador para Ethernet/IP 1734-AENTR (mostrado en la figura 3.15) contiene un
switch cuya tecnología soporta topologías lineales o en anillo. El adaptador
Ethernet/IP 1734-AENTR proporciona una interface para controlar y comunicarse con
los módulos E/S de una red Ethernet. El número máximo de módulos de entradas y
salidas que soporta el adaptador es de 63. El adaptador se ubica izquierda de la
fuente de alimentación y de los módulos de E/S.
Página 69
Figura 3. 15 Adaptador de Ethernet/IP 1734-AENTR.
3.4 Selección de Interfaz Hombre-Máquina
Para llevar a cabo la selección de la HMI adecuado para la empacadora. Se
considero una variedad de marcas y modelos, para esto se seleccionan las
siguientes marcas ya que cuentan con este tipo de interfaces. En la tabla 3.5. Allí
mismo se muestran parámetros y especificaciones de peso que influyeron para la
selección. Es importante resaltar que no se mencionan algunas características
debido a la falta de relevancia en el proceso.
Tabla 3. 5 Comparación de terminales graficas de diversas marcas para el desarrollo de HMI´s
Marca Allen Bradley Siemens Schneider Electric
Modelo Panel View Plus Compact 1000
SIMATIC MP 277 INOX 10 inch Touch
Magelis XBTGT
Pantalla 10.4 pulgadas a color TFT.
10.4 pulgadas a color TFT.
10.4 pulgadas a color LCD.
Resolución 640 x 480 pixeles 640 x 480 pixeles 640 x 480 pixeles VGA.
Tipo de entrada Pantalla táctil. Pantalla táctil. Pantalla táctil.
Página 70
Puertos de Comunicación
1 x RS-232, 1 x Ethernet, 2 x USB
1 x RS485, 1 x RS422, 2 x USB 1 x Ethernet 1 x Combinado
3 x Ethernet TCP/IP 2 x USB 1 x RS485 1 x RS232C/RS422/ RS485
Módulo de comunicación add-on.
Ninguno. Ninguno Ninguno
Software de programación
FactoryTalk View Win CC Vijeo Designer
Sistema operativo Ninguno Ninguno Ninguno
Sistema abierto o cerrado
Cerrado Cerrado Cerrado
Memoria Flash 64 MB no volátil/ RAM de 64 MB
1024 kB SRAM 512 kB Memoria Flassh EPROM 32 MB
Almacenamiento externo
1 slot Compact Flash
SD/Multi Media 1 slot Compact Flash
Alimentación eléctrica
24 V CD (18 a 30 V CD)
24 V CD (20.4 a 28.8 V CD)
24 V CD (19.2 a 28.8 V CD)
alarmas 200 200 Si
3.4.1 Características del Panel View Plus seleccionada
Los PanelView Plus (HMI) son una gama de pantallas de interface altamente
versátiles e ideales para las terminales de operador del nivel de máquina dentro de
un entorno industrial. Poseen pantallas brillantes, sistemas de alarma, son capaces
de administrar miles de recursos y de satisfacer las necesidades de las más
complejas configuraciones de máquina, pero también lo bastante sencillo como para
construir las aplicaciones más pequeñas.
De acuerdo a las necesidades, la aplicación se requiere un controlador de tamaño
mediano y una pantalla de interface de operador, esta solución, además de ser
rentable, ofrece funciones avanzadas para la integración de controladores de la
familia Logix de Allen Bradley. Esto quiere decir que la referencia de tags es directa
con el software de programación del controlador (RSLogix 5000) al software del HMI
Página 71
FacktoryTalk View Studio característica de peso por la que fue elegida dicha
terminal.
La terminal gráfica seleccionada dentro de esta gama fue el PanelView Plus
Compact 1000 mostrada en la figura 3.16, esta posee funciones selectivas
optimizadas para las aplicaciones de tamaño pequeño y preferencia de conectividad
con los controladores CompactLogix, en este caso el 5370 L1.
Figura 3.16 Terminal gráfica Panel View Plus 1000
Características PanelView Plus 1000:
Pantalla táctil 10.4 pulgadas a color
Puertos de comunicación incorporados
RS-232
Ethernet
1 USB: compact 400/600
2 USB: 1000
Comunicaciones en serie
RS-232: DF1 o DH-485
Software de Programación: FactoryTalk View ME 5.1 o posterior
Memoria Flash de 64 MB no volátil/RAM de 64 MB
Capacidades
25 pantallas
Página 72
200 mensajes de alarma
Recetas
Tendencias
Registro de datos
Diferencias clave
Un solo controlador para aplicaciones de gama media
Direccionamiento Logix nativo
Referencia directa de tags RSLogix
FactoryTalk View Machine Studio (simulación)
3.5 Fuentes de alimentación
Todo sistema o equipo que desarrolle una función necesita del suministro adecuado
de energía con rangos y características determinadas para desempeñar su función
correctamente sin dañarlo o provocar algún conflicto con otros equipos. Los equipos
que desarrollan funciones de automatización no son la excepción.
Debido a la distancia del PLC con respecto a los módulos 1734 y la cantidad de
elementos de E/S la fuente integrada en el controlador es insuficiente por lo que se
requieren fuentes externas de alimentación. En esta sección se exponen las
consideraciones y cálculos respectivos que se realizaron para la selección de las
fuentes de alimentación, mismos cálculos y consideraciones que nos brinda
información para la selección de los elementos de protección eléctrica.
Cálculo de corriente de salida del PLC
El cálculo de la corriente de salida es necesario para elegir la fuente y seleccionar las
protecciones. Primeramente para este cálculo se consideró la corriente máxima por
módulo de salida 1734-OV8E, esta es de 3 A; y la corriente máxima para cada una
de los ocho puntos de salida que esta contiene, es decir: 375 mA. El paso siguiente
fue ubicar el valor de la protección debiendo ser este menor a la corriente máxima
(375 mA) de cada punto de salida y de la tarjeta completa (3 A).
Página 73
Con base en los elementos totales de salida conectados a nuestro sistema como las
bobinas de los contactores y relevadores para el control de motores, solenoides de
las electroválvulas y la corriente que consumen otros dispositivos como lámparas, se
obtuvo la suma de la corriente total por medio de la siguiente ecuación:
Donde:
: Corriente total de salida
: Corriente total de lámparas
: Corriente total de las electroválvulas
: Corriente total de las bobinas para el control de motores
Calculo de corriente de las electroválvulas
Calculo de corriente de las bobinas
Corriente Total de Salida
Calculo de corriente de entradas del PLC
La corriente que se consideró para los dispositivos de entrada, está en función de la
corriente mínima que es necesaria en cada punto de entrada, en donde se tiene un
Página 74
optoacoplador que activa al transistor interno. Entonces para los módulos de entrada
1734 IV8 se tiene la siguiente ecuación:
Con respecto a los sensores de 3 hilos como son los capacitivos (CJ15-40-A2) y
fotoeléctricos (GLV18-55-G/115/120), se debe de considerar la corriente que
consumen para su propio funcionamiento por lo tanto se tiene:
Por lo tanto se tiene la corriente total de entrada como:
La corriente total de los dispositivos de entrada es:
3.5.1 Fuente de alimentación 1606-XLE240E
Para la alimentación del controlador CompactLogix 5370 L1 y los dos módulos de
E/S (16 entradas digitales y 16 salidas digitales) fue seleccionada la fuente de
alimentación 1606-XLE240E (mostrada en la figura 3.17). Con base en la corriente
requerida (amperes de los dos módulos locales) y las capacidades ofrecidas por el
fabricante. Las especificaciones de la fuente se muestran a continuación:
Tensión de alimentación: 100 a 120/200 a 240 VCA
Potencia de salida: 240 W
Tensión de salida: 24 a 28 VCD
Corriente de salida: 10 A
Página 75
Protección del circuito a la entrada: 10 A
Relación tensión/corriente [V AC]: 120/ 230 4.34/2.23
Figura 3. 17. Fuente de alimentación seleccionada 1606-XLE de Allen Bradley.
3.5.2 Fuente de alimentación 1734-EP24DC
La fuente de alimentación 1734-EP24DC (figura 3.18) es utilizada para el suministro
de energía a los módulos de expansión remota de entradas y salidas digitales
(modelos: 1734-IV8 y 1734-OV8E).
Esta fuente entrega 24V de corriente continua a los módulos de E / S situados a la
derecha de la misma. La fuente de alimentación de expansión extiende la potencia
del backplane bus de 4 a 17 módulos E / S. En el caso de la empacadora de papel
tissue es necesario alimentar un módulo de conexión Ethernet, módulos de entradas
digitales 1734-IV8 y módulos de salidas digitales 1734-OV8E; por tanto la corriente
requerida es de 11.181 A y la fuente seleccionada lo cubre porque su límite de
corriente es 12 A:
Página 76
Figura 3. 18 Fuente de alimentación 1734-EP24DC.
Las características de la fuente 1734-EP24DC son las siguientes:
Capacidad de alimentar de 4 a 17 módulos, dependiendo del rango de
corriente de cada módulo.
Se limita su uso con terminales de conexión E/S únicamente.
Tensión de alimentación: 24 VCD (Rango de 10 a 28.8)
Tensión de irrupción máxima: 6 A por 10 ms.
3.6 Diagramas de conexión
Una vez que se seleccionó todos los dispositivos como lo es fuentes de alimentación,
entradas, salidas, HMI y módulos de control se procedió a la realización de
diagramas integrando cada uno de estos. Primeramente se tiene un diagrama unifilar
del sistema general, y posteriormente el diagrama de conexión de los dispositivos al
PLC.
3.6.1 Diagrama unifilar
Para el diseño del sistema eléctrico general de la empaquetadora se divide en dos
circuitos, el circuito de control que abarca dispositivos como PLC, HMI, switch y
Página 77
módulos POINT I/O; y circuito de fuerza que abarca los motores de las bandas
transportadoras.
Circuito de fuerza
El circuito de fuerza se encuentra conformado por seis motores en este caso cada
motor es de 0.75 H.P. alimentado a 220 VCA. Dados los datos anteriores el circuito
de fuerza tiene la siguiente carga:
wattswattsPHPHPtotal 3357746*.5.46*.75.0
Ahora con la corriente total del circuito, se necesita saber la corriente, para poder
seleccionar las pastillas del circuito general de fuerza.
Awatts
V
PI total 81.8
220*3
3357
*3
Los motores consumen al arranque de 3 a 8 veces su corriente nominal, por lo tanto
hay que multiplicarlo por este factor la corriente de 8.81.
AAItotal 67.617*81.8
Ahora se calcula la corriente corregida que es la 1.25 veces mayor que la corriente
anteriormente calculada.
AAIIc 0875.7725.1*67.6125.1*
Por lo tanto para protección general se necesitan protecciones de 77.0875 A para el
circuito de fuerza.
Circuito de control
Se tienen dos principales fuentes para la alimentación del controlador 5370 L1 y los
módulos POINT I/O 1734 (mencionadas en el tema 3.5.2 y 3.5.1), estas fuentes son
1606-XLE y 1734-EPDC respectivamente. LA fuente 1606-XLE en base a sus
características es alimentada a 120 VCA a una corriente de 10 A; mientras que la
fuente 1734-EP24DC su corriente es de 12 A y su alimentación es de 127 VCA.
Página 78
Con los datos anteriores de las fuentes de alimentación se calcula la corriente total
del circuito de control.
AAAIII EPDCXLEtotal 22121017341606
Para el cálculo de las protecciones se toma 1.25 veces la corriente de las fuentes en
este caso.
AAIIc 5.2725.1*2225.1*
En base al cálculo anterior se tiene que las protecciones para el circuito general de
control deben ser de 27.5 A.
Para las protecciones del circuito derivado se toma 1.25 veces las corriente
demandada por cada una de las fuentes de alimentación.
Fuente 1606-XLE
AAIIc 5.1225.1*1025.1*
Fuente 1606-XLE
AAIIc 1525.1*1225.1*
La potencia suministrada, con base en el cálculo anterior es:
wattsVAVIP 2794127*22*
Interruptor general
Para el cálculo del interruptor general se tiene la suma de las corrientes tanto de
control como de fuerza.
AAAI 58.1040875.775.27
En la figura 3.19 se muestra el diagrama unifilar separado en sus dos circuitos tanto
de fuerza como de control, además de las especificaciones.
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3.6.2 Entradas al PLC
En las siguientes figuras primeramente se muestran los diagramas de las dos fuentes
de alimentación, la del PLC (CompactLogix 5370) y la del módulo remoto de entradas
y salidas (POINT I/O 1734), en el mismo formato se muestran los 2 módulos de
entrada SLOT 1 y SLOT 2 pertenecientes al PLC CompactLogix 5370 L1. En estos 2
slots se encuentran conectados los botones de arranque, paro, paro de emergencia y
sensores fotoeléctricos y capacitivos de 2 y 3 hilos respectivamente, además de
algunos contactos de interruptores de límite para la detección de intruso en las
guardas acrílicas como se muestra en la figura 3.20.
En la figura 3.21 se muestra en el SLOT 3 la continuación de los contactos de los
interruptores de límite para la detección de intruso en las guardas acrílicas, sensores
fotoeléctricos de 3 hilos y sensores magnéticos que son para detectar la posición del
cilindro A.
En el SLOT 4, 5 y 6 de la figura 3.21 se encuentran conectados sensores magnéticos
de 2 hilos, estos sirven para saber la posición de todos los cilindros del proceso.
La figura 3.22 muestra también sensores magnéticos conectados al SLOT 7,8 y 9,
que como se ha venido diciendo tienen la función de detectar la posición de los
cilindros.
3.6.3 Salidas del PLC
En el SLOT 10 de la figura 3.23 muestra conectadas a sus primeras salidas las
lámparas de señalización, tanto de paro, arranque, paro de emergencia, reset. En
sus últimas 3 salidas están conectadas 3 solenoides, estas controlaran a las
electroválvulas correspondientes.
Los SLOT 11, 12 y las primeras 3 salidas del SLOT 13 de la figura 3.23 muestran la
conexión de solenoides, estas servirán para el control de los cilindros mediante su
respectiva válvula como se mencionó en el párrafo anterior. Se ven conectadas en
Página 81
sus últimas 5 salidas del SLOT 13, 5 bobinas de relevadores, quienes controlaran 5
de los 6 motores de las bandas del proceso.
La figura 3.24 muestra al SLOT 14 en donde se encuentran conectadas 2 bobinas
de relevador, quienes se encargaran de hacer la inversión de giro de un motor.
En la figura 3.25 se encuentran contenidos los diagramas de fuerza para el control
de los 5 motores de las bandas.
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Figura
3.25
Conexión
de
motores
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3.7 Switch para la comunicación de la red Ethernet
Para la implementación de la red Ethernet se requiere de un switch. Fue
seleccionado el switch Stratix 2000 1783-US05T. Por motivos que los switches de
Ethernet no administrados son adecuados para pequeñas redes aisladas. Tal como
la red que se presenta en este trabajo (figura 3.26).
Figura 3.26 Switch no administrado Stratix 2000 1783-US05T.
3.7.1 Sotfware para comunicación Ethernet
Para el establecimiento de las direcciones IP a los dispositivos que conforman la red
Ethernet/IP diseñada se consideró las vías para hacerlo. La familia de productos de
Allen Bradley usa software de Rockwell Software los cuales se muestran en la tabla
3.6. En esta se especifican algunas otras funciones que pueden desarrollar.
Tabla 3.6 Software de RS para el establecimiento de direcciones IP en la red EtherNet.
Software Funciones Requerido
RSLogix 5000 Configurar el proyecto CompactLogix.
Definir la comunicación EtherNet/IP.
Cambiar la dirección IP para dispositivos en la
red, incluido el controlador CompactLogix 5370
Si
RSLinx Classic Asignar o cambiar direcciones IP a los dispositivos en una red
Página 89
3.8 Esquema general de módulos de comunicación
El la figura 3.27 muestra la selección de equipos para llevar a cabo la
automatización. En la misma figura se muestra de manera general la conexión entre
las entradas remotas (1606-XLE240E y 1734-EP24DC), la terminal grafica (Panel
View Compact Plus 1000), los módulos E/S remotos (Point I/O 1734) y el controlador
(CompactLogix 5370 L1). La topología de conexión es tipo estrella, mediante
comunicación Ethernet tanto para los módulos remotos como para la terminal grafica.
EtherNet/IP.
Configurar dispositivos de comunicación
Proporcionar diagnósticos
Establecer comunicación entre dispositivos
Utilidad BOOTP/DHCP con RSLogix
5000
Asignar direcciones IP a los dispositivos en una red EtherNet/IP.
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Figura 3.
27
Esquema
General de
módulos
de
comunicac
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3.8.1 Protocolo de comunicación Ethernet
La dirección IP identifica cada nodo dentro de la red (o sistema conectado a la red).
Por tanto, cada nodo TCP/IP en la red debe tener una dirección única. La dirección
IP tiene una longitud de 32 bits.
Cada nodo en la misma red física deben tener una dirección IP de la misma clase y
debe tener el ID de red misma. Cada nodo en la misma red deben tener un ID de
host diferente lo que le otorga una dirección IP única.
Las direcciones IP se escriben como cuatro enteros decimales (0 ... 255) separados
por puntos donde cada número entero da el valor de un byte de la dirección IP.
3.8.2 Establecimiento de la dirección IP por medio del servidor BOOTP
El protocolo Bootstrap (BOOTP) permite que el controlador (u otro dispositivo) se
comunique con un servidor BOOTP. Se usa el servidor BOOTP para asignar
manualmente una dirección IP al controlador CompactLogix 5370.
Antes de iniciar la aplicación BOOTP/DHCP Server de Rockwell Software se debe
obtener la dirección de hardware (MAC) del controlador. La dirección de hardware
está en la parte frontal del controlador y utiliza una dirección en un formato similar al
siguiente:
00:00:BC:2E:69:F6
Procedimiento:
Seleccionar y abrir BOOTP/DHCP Server de Rockwell Software.
En el menú Tools, seleccionar Network settings como se muestra en la figura
3.28.
Página 92
Figura 3.28 Selección de la opción Network Settings desde la barra de ménu.
Ingresar la máscara de subred y aceptar (el resto de los campos son
opcionales) como se ejemplifica en la figura 3.29.
Figura 3.29 Ventana Network Settings
En el panel Request History se muestran las direcciones de hardware de todos los
dispositivos que están emitiendo peticiones BOOTP o DHCP. Seleccionar la línea
con la misma dirección MAC que el controlador deseado y se hace clic en Add to
Relation List (figura 3.30).
Figura 3.30 Ventana Network Settings
Página 93
Aparece el cuadro de diálogo
En la ventana emergente (New Entry) figura 3.31 se escriben los datos de dirección
IP, Hostname y Description para el controlador, y se acepta.
Figura 3.31 Ventana New Entry.
Se asigna permanentemente esta configuración al controlador (figura 3.32),
esperando a que el controlador aparezca en el panel Relation List y seleccionándolo.
Finalmente se hace clic en Disable BOOTP/DHCP.
Figura 3.32 Lista de relación donde se corrobora la dirección del controlador.
Esta es el procedimiento usual cuando el equipo es nuevo y se incorpora a una red
en construcción. Sin embargo; también es posible recuperar la dirección IP desde la
memoria no volátil, o usar un servidor del Protocolo de Configuración Dinámica del
Host (DHCP), tal como Rockwell Automation BOOTP / DHCP.
Página 94
3.8.3 Establecimiento de la dirección IP al adaptador 1734-AENT
El establecimiento de la dirección de red para el adaptador 1734-AENT se realiza de
la misma forma que con el controlador. Sin embargo; aquí antes debe ser
configurada la rueda. Mostrada en la figura 3.33.
Figura 3.33 Rueda de control del módulo de comunicación 1734-AENT
Primeramente el adaptador lee el valor de la rueda del switch sólo cuando se apaga
y se reinicia, para determinar si los switches se configuraron con un número válido.
Se pulsa cualquiera de los botones + o - para cambiar el número (valores válidos
desde 001 hasta 254).
Cuando los interruptores están ajustados a un número válido, la dirección IP del
adaptador se define con la siguiente estructura 192.168.1.xxx (donde xxx representa
el número establecido en los interruptores). La máscara de subred del adaptador se
define (por ejemplo) como 255.255.255.0 y la puerta de acceso en 0.0.0.0. El
adaptador no debe tener un nombre de host asignado, o utilizar un DNS (Sistema de
Nombres del Dominio) cuando se utiliza la rueda de control para ajustar los
interruptores y activar DHCP.
Dirección de Red Rueda de conf. (Botones + y -)
Página 95
3.9 Programación del sistema
El programa para la automatización del sistema de empaquetado flexible de papel
tissue fue desarrollado en RSLogix 5000 que forma parte de la familia de Rockwell
software. Esto debido a la facilidad de vinculación con otro software de la misma
familia tales como desarrolladores de HMI, emuladores, y otros que permiten la
comunicación entre ordenadores.
El programa de la empacadora se estructura con una rutina principal y las 9 sub-
rutinas que se muestran a continuación:
1) Programa principal
2) Banda control
3) Condiciones iniciales para cilindros “C” y “L”
4) Contador de paquetes terminados
5) Etapa 1
6) Etapa 2
7) Formación de niveles
8) Movimiento de variables
9) Paro del sistema
10) Seguridad
Las subrutinas mencionadas contienen la secuencia lógica desglosada por bloques
para reducir las líneas de código. El funcionamiento y la forma de operación del
programa se describen en las secciones posteriores del trabajo. La imagen del árbol
de programa con la estructura de las rutinas se observa en la figura 3.34.
Página 96
Figura 3.34 Vista del árbol de programa.
3.9.1 Programa principal
Primeramente, la rutina principal (programa principal) recibe las variables enviadas
por la HMI con las que se indica el tipo de empaquetado deseado, la cantidad de
paquetes a realizar, así como se asegura se hallan dado el resto de los permisivos
de arranque para el lote actual de producción, esto mediante el ingreso de la
contraseña en la HMI. Como complemento de lo anterior, también se requiere del
ingreso de la contraseña cuando se desea la cancelación del lote actual de
producción.
El programa principal se divide conceptualmente en 3 etapas para su explicación,
tales pueden llamarse de la siguiente manera: etapa de arranque, selección de
presentación y llamadas a subrutinas.
La primera etapa contiene un JSR (salto a una subrutina) que lleva a la subrutina de
seguridad para cerciorarse de que el sistema puede arrancar sin problemas y no se
encuentra activado ningún paro. En caso de estar todo listo, se regresa al programa
principal. En la línea 1 de éste, se tiene un contacto el cual recibe el dato de la HMI
que indica si la contraseña es correcta y se activa un comando de enclavamiento
Página 97
“latch”, que queda a la espera de que se presione el botón de arranque que se
encuentra asignado a otro comando “latch” del que depende el contacto ARRANQUE
GENERAL (mostrado en la línea 3 de la figura 3.35), al cumplirse estas condiciones
el “latch” de condición ACTIVA PROCESO activa todos los contactos siguientes para
permitir entrar a las subrutinas siguientes.
Figura 3.35 Condiciones para el arranque del sistema.
En la sección central el programa principal, se reciben los datos provenientes de la
HMI que indican el tipo de empaque a realizar (presentación 1, 2, 3, 4, 5, ó 6),
activando así un comando “latch” (línea 6, figura 3.35) según el tipo de presentación
elegida, ya que la HMI solo envía un pulso, y es necesario mantener esa señal activa
para que se muevan los valores correctos de cada presentación a las variables de
los contadores que ayudaran a tener un control del tamaño de las presentaciones. La
operación de movimiento de variables se da por medio de los comandos MOV (por
ejemplo: línea 10, figura 3.36), que se encuentran debajo de las comandos “latch” y
“unlatch” de la selección de presentación, solo sirve para poder confirmar e indicar en
Página 98
la HMI el tipo de presentación seleccionada para ser producida. En la figura 3.36 se
observan líneas de código de la descripción realizada en este párrafo.
Figura 3.36 Selección del tipo de presentación.
La tercera y última parte del programa principal realiza las llamadas a las subrutinas
que se encargan de realizar el proceso. Siempre que la condición ACTIVA
PROCESO sea cumplida. En la línea 18 de la figura 3.37 se tiene un contacto XIC
(examina sí cerrado) para verificar se hallan cumplido las condiciones iniciales que
permiten entrar a la subrutina CONDICIONES INICIALES PARA CILINDROS “C” Y
“L”. Esta subrutina se encarga de ubicar en una posición específica a los cilindros ya
mencionados, dependiendo del tipo de presentación elegida. Durante la producción
de todo el lote, no es necesario posicionarlos más que una vez para esa
presentación de empaque en específico. Al finalizar la producción de cada unidad de
empaquetado y mientras sigan productos en la cola de producción del lote, los
cilindros se ubicaran en posiciones donde el desplazamiento para realizar cortes o la
sujeciones será menor en comparación con el desplazamiento que tendrían que si
regresaran a la posición cero (posición de reposo, sin lote en cola de producción, ni
selección del empaque). Lo anterior se logra gracias a un contacto que indica el
estado de la rutina de condiciones iniciales, este se abre para no permitir el acceso a
dicha subrutina. Con las anteriores líneas de código se evita el desperdicio de tiempo
y energía. A su vez los demás contactos abiertos de la condición que indica si se
Página 99
completó la rutina de condiciones iniciales, permiten que se puedan entrar al resto
de las subrutinas.
Figura 3.37 Entrada a subrutinas
3.9.2 Movimiento de variables
La subrutina “Movimiento de variables” se encarga de mover valores de proceso del
lote a los contadores; los valores dependerán del tipo de presentación, es decir; si
por ejemplo se elige la presentación que aparece en la figura 3.38 la cual es la
presentación 4, se moverá al preset contador de niveles el valor 2, ya que esta
presentación consta de dos niveles.
Página 100
Figura 3.38 Presentación 4.
Ádemas, la presentacion 4 tiene un largo de 3 rollos por 2 de ancho (como el resto
de las presentaciones manejadas por la máquina) y dos niveles de alto; asi que el
valor de 3 sera movido al preset: CONTADOR ROLLOS LINEA DERECHA,
CONTADOR ROLLOS LINEA IZQUIERDA, CONTADOR POSICIONAMIENTO C y
CONTADOR POSICIONAMIENTO L. La figura 3.39 ilustra la descripción de el
movimiento de variables descrito en este parrafo.
Figura 3.39 Movimiento de variables a contadores.
Página 101
3.9.3 Condiciones iniciales para cilindros C Y L
Aquí se programó la ubicación de los cilindros “C” y “L” en la posición de trabajo
dependiendo el largo de la presentación de rollos, así permanecerán hasta haber
cumplido con todo el lote. El cilindro C tiene la función de limitar la llegada de los
rollos despachados por la banda, y el cilindro L tiene la función de cortar y sellar los
sobrantes laterales de cada empaquetado.
El posicionamiento de los 2 cilindros se logra mediante la lógica de programación
que envía los cilindros siempre a su posición máxima, es decir; a la posición 4, la
cual da el largo máximo de rollos permitido en la máquina. Esta es la posición de
referencia para comenzar la producción de lote de cualquier presentación, ya sea
para 2, 3, ó 4 rollos de largo.
3.9.4 Bandas de control
La labor de esta subrutina es cargar los rollos de papel de la banda a la máquina en
la cantidad adecuada para la formación de las camas, la figura 3.40 muestra las
líneas de código de mayor relevancia. Lo primero que realiza el programa es contar
los rollos que entran en la máquina, el conteo se realiza de ambos lados de la banda
con los contadores de rollos de línea derecha e izquierda mediante los sensores
capacitivos 1 y 2, estos sensores permiten saber cuando se ha llegado a la cantidad
de rollos deseada en cada nivel y de cada lado de la banda, ya que la alimentación
de los rollos de papel puede variar en alguna de las hileras de la banda. En la
programación, cuando el valor de los contadores es igual al establecido en su
preset, la banda se detiene e invierte su giro, retrocediendo cerca de 15 cm
(aproximadamente durante 2 segundos). De otra manera cuando los contadores aún
no llegan al valor del preset, la banda continuará avanzando hacia el frente
alimentando los rollos de papel a la máquina. La figura 3.40 muestra las líneas de
programación de la subrutina que contiene las líneas de programación con la cual
funcionan las bandas de control; la línea 2 y 3 contienen los contadores encargados
Página 102
de llevar la cuenta del tiempo de inversión de giro del motor. La ilustración contiene
las líneas de programación de mayor relevancia.
Figura 3.40 Conteo de los rollos alimentados a la máquina.
Los contadores son llevados al estado de reset al terminar el tiempo de regreso de la
banda de control como se observa en la figura 3.41.
Figura 3.41 Reset de los contadores.
Página 103
Antes de comenzar a describir la programación en las subrutinas de Etapa 1, Etapa
2 y Formación de niveles, es necesario observar la manera cómo fue divido el
proceso para realizar una programación con mayor orden. A continuación se
muestran las etapas en la figura 3.42, conforme a la distribución de la maquinaria:
Figura 3.42 División del proceso en etapas para la programación.
3.9.5 Etapa 1
La subrutina Etapa 1 (figura 3.43) contiene la lógica de las condiciones de
funcionamiento y acciones a realizar por los cilindros neumáticos para llevar los
rollos a la apiladora (la cual se encarga de apilar los rollos en una cama) y llamar a la
rutina Formación de niveles una vez cumplido dicho paso. También esta rutina se
encarga de hacer que el cilindro D traslade los rollos apilados hasta la etapa 2 y
regrese.
-ETAPA 1
-ETAPA 2
-FORMACIÓN DE NIVELES
Página 104
Figura 3.43 Salto a subrutina FORMACIÓN DE NIVELES.
3.9.6 Formación de niveles
Como su nombre lo indica esta etapa (figura 3.44) se encarga de estibar las camas
de rollos dependiendo el tipo de presentacion que se haya elegido. Cabe señalar que
de ser una presentación de solo 1 nivel, la condición Latch sube nivel no será
activada.
Figura 3.44 Segmento de la rutina Formación de Niveles donde se muestra el comando Latch para
permitir subir los cilindros y apilar los rollos.
Página 105
La figura 3.44 muestra el segmento de la rutina Formación de Niveles, donde se
controla a los cilindros F y F’ que son encargados de proporcionar movimiento al
mecanismo encargado de estibar las camas de rollos de papel en 2 ó 3 niveles
respectivamente. Para hacer esto en la programación se inhiben las señales de los
sensores responsables de la detección de los rollos (figura 3.46), para que el
mecanismo no quede estático en esa posición y pueda continuar con la estiba del
siguiente nivel. Se aprecia en la figura 3.45 el mecanismo que hace posible la estiba
de las camas de rollos, así como los elementos primarios de medición (sensores
magnéticos del 16 al 21) y los elementos finales de control (actuadores lineales
neumáticos F y F´).
Figura 3.45 Ubicación de los sensores y cilindros en el formador de niveles.
Página 106
Figura 3.46 Inhibición del sensor F_SENSOR_MAGNETIC_17.
3.9.7 Incremento decremento número de rollos.
La figura 3.47 muestra algunas líneas la subrutina que permite ingresar la cantidad
de empaques del lote, está compuesta por operaciones de adición y substracción
para hacer el incremento y decremento de las decenas, centenas y millares. El valor
después de ser adicionado o substraído se mueve a una variable que será leída por
la HMI.
Figura 3.47 Incremento, decremento y movimiento de variable para decenas.
Esta subrutina cuenta también con un elemento que impide que se soliciten
cantidades negativas, esto se logra gracias a la instrucción menor que (less than)
Página 107
que se encuentran en las líneas 13, 14 y 15 del segmento de programación mostrado
en la figura 3.48. Una vez introducida y aceptada la cantidad de empaques del lote
se podrá salir de esta subrutina.
Figura 3.48 Instrucciones de menor que y contacto de aceptar para salir de la sub-rutina.
3.9.8 Tiempo de trabajo de los motores
En esta última sub-rutina únicamente se mide el tiempo de trabajo de los motores
(figura 3.49) mediante contadores de tiempo retentivos a la desconexión o RTO´s. La
unidad de tiempo que maneja éste comando son los milisegundos, por lo tanto se ha
programado al RTO para que esa magnitud sea recibida por un contador y este
active su contacto DN cada 60000 milisegundos, haciendo así la conversión de
milisegundos en minutos; de la misma manera los minutos son convertidos a horas.
Los valores finales son guardados en variables individuales, es decir las horas y
minutos para ser usados posteriormente por la HMI.
Página 108
Figura 3.49 Conteo del tiempo en marcha de MOTOR 1.
CAPÍTULO 4 INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA
Página 109
CAPÍTULO 4
Página 110
Capítulo 4 Desarrollo de la Interfaz Hombre Máquina
Una vez finalizada la programación del controlador en el software RSLogix 5000
(descrita en el capitulo anterior), el desarrollo de la ingeniería continuó con la
programación de la interfaz gráfica (HMI). Como se señalo en el tema 3.3.3, la
terminal grafica seleccionada PanelView Compact Plus 1000 fue elegida debido a
que la vinculación de los tags del programa del controlador al programa de la HMI es
directa, sin necesidad de acciones adicionales; esto gracias a que ambos
dispositivos pertenecen al mismo fabricante de hardware (Allen Bradley) y de la
misma manera comparten el fabricante de software (Rockwell Automation).
La comunicación entre el controlador y la terminal grafica (HMI) debe ser establecida
mediante el protocolo Ethernet/IP; esté utiliza los puertos RJ-45 (los cuales ya
incorpora tanto el controlador como la pantalla HMI) y cable UTP. De igual manera
este tipo de entradas, junto con el protocolo Ethernet/IP se utiliza para comunicar el
controlador con los módulos remotos de entradas y salidas.
La simbología empleada en todo el entorno y de manera particular en los cuadros de
dialogo se basa en el color, sin embargo; se considera que entre los posibles
operadores se halle personal con problemas de visión en cuanto al reconocimiento
de colores por lo cuál, por seguridad se tienen otros apoyos visuales relativos a la
forma y posición de las figuras empleadas.
Así mismo el entorno de la interfaz es sencillo, evita el manejo de información
innecesaria permitiendo al operario enfocarse en los puntos medulares del proceso
por tanto se desarrolla el proceso con mayor eficiencia y productividad.
En el capitulo uno fue mencionado que la implementación de la HMI no es un lujo, es
una herramienta enfocada en la mejora de la seguridad y la productividad, esto se
justifica de la siguiente manera. Con respecto a la seguridad, la implementación de
una HMI reduce en gran medida los errores y riesgos por deficiencias en los
comportamientos del operario basados en habilidades, reglas o conocimientos, ya
sea por falta de aptitud, desconocimiento u omisión; estos errores y riesgos son
minimizados por medio del despliegue de cuadros de información y/o advertencia en
Página 111
la HMI donde se pide la confirmación del proceso o acción a realizar seleccionada
previamente de esta manera también se incluye información relevante ayudando al
usuario a tener una guía conceptual que lo asesore en la toma de decisiones y en la
distinción entre situaciones normales y anormales. Esto de alguna manera puede
considerar redundancia en la toma de decisiones.
Para diseñar una interfaz hombre máquina exitosa, es necesario saber y
comprender el diseño del proceso a realizar. Así como identificar de antemano los
tipos de errores que pueden ser cometidos. Se considera prudente analizar el
comportamiento del operario frente a la máquina para hacer un sistema adecuado a
los requerimientos del personal, así mismo se debe entablar un intercambio de
información con la parte operacional y gerencial para conocer lo que buscan y
esperan de la implementación de la HMI. En el caso del desarrollo de este diseño fue
observado el proceso mediante una variedad de videos de la maquinaria mencionada
en el capítulo 1 y otras similares, se consideraron opiniones de profesores y
profesionales dedicados al desarrollo de maquinaria industrial, todo fue amalgamado
y desarrollado con criterios propios para hacer de este un sistema funcional que
cumpla y supere los requerimientos mínimos esperados. En la figura 4.1 se muestra
la localización de la pantalla HMI en la maquinaria, así como los gabinetes de control
y los módulos de expansión local point I/O 1734.
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Figura 4.1 Localización de HMI y módulos de control
4.1 Software para el desarrollo de la HMI
Como fue mencionado se utilizaron productos de software de Rockwell Automation,
en este caso para la HMI fue FactoryTalk View Studio; producto con un entorno
amigable con el usuario, intuitivo que permite reducir el tiempo de desarrollo de
aplicaciones HMI y el tiempo de entrenamiento. El entorno de desarrollo contiene las
herramientas necesarias para crear todos los aspectos de una interfaz hombre-
máquina, incluidas las pantallas gráficas y animación en tiempo real. Finalmente,
permite comprobar aplicaciones en la máquina de desarrollo antes de implantarla en
una terminal. Esto supone un importante ahorro en las pruebas y en el desarrollo de
la aplicación.
FactoryTalk View es parte de una suite escalable y unifica soluciones de
monitorización y control diseñados para abarcar aplicaciones independientes a nivel
de máquina hasta aplicaciones a través de aplicaciones HMI a nivel de supervisión a
través de una red. Esta suite le ofrece un entorno de desarrollo común, reutilización
de aplicaciones y arquitectura por lo que puede aumentar la productividad y reducir
los costos de operación.
HMI
CompacLogix Point I/O
Página 113
El software con el que se desarrolló la HMI (FactoryTalk View) fue indispensable en
el desarrollo de la ingeniería, sin embargo; fueron necesarios los siguientes tres
software para establecer la comunicación en las pruebas de la aplicación de la HMI.
RSLinx Enterprise se utiliza para comunicar FactoryTalk View Studio a un
controlador Allen Bradley.
RSLogix 5000 se utiliza para la programación en escalera en donde se
asignaran los tags a los elementos utilizados
RSLogix Emúlate 5000 se utiliza para la asignación del número de slot al
controlador y RSLinx.
1.- Se ejecuta como primer software RSLogix 5000 Emulate en donde se agrega el
bloque de emulación del controlador en el slot 02, ya que el slot 01 es de
comunicaciones como se muestra en la figura 4.2, con esto se logra la comunicación
con el PLC y posteriormente con la HMI con el slot 01 anteriormente mencionado.
Figura 4.2 Pantalla RSLogix 5000 Emulate de slot 2 del procesador
Creación del objeto
Emulate en
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2.- Se ejecuta RSLinx para comprobar que la comunicación con el controlador sea
exitosa, para ello se selecciona la pestaña de who active y se agrega el driver
Backplane para la comunicación con el controlador, para comprobar dicha
comunicación se da clic en la pestaña device y se verifica que el controlador este en
línea como se observa en la figura 4.3.
Figura 4.3 Configuración de Driver virtual
La figura 4.4 muestra de manera general los pasos utilizados para la realización de la
comunicación entre los diferentes software de programación
a) Creación
de driver
b) Selección
de driver
c) Ejecutamos
el driver
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Página 116
4.2 Ambiente de trabajo FactoryTalk View Studio
Para llevar a cabo el desarrollo de nuestra terminal, es necesario primero establecer
el tipo de terminal utilizada, para visualizar el área de trabajo empleada, además de
las funciones y recursos que se pueden utilizar de los más principales se muestran
en la figura 4.5.
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Figura 4.5 Ambiente del software FactoryTalk View.
4.3 Creación de la aplicación en FactoryTalk View Studio
Para realización de la aplicación primeramente ejecutamos el programa FactoryTalk
View Studio. Posteriormente creamos una nueva aplicación con el nombre
Empaquetadora tissue, además de la asignación del idioma en este caso español de
nuestra aplicación, en la figura 4.6 se muestra la ventana creación de aplicación
Árbol de
trabajo
Área de
Trabajo
Barra de
herramientas
Ventana de
errores
Barra de
Menús
Página 118
Figura 4.6 Creación de la aplicación en FactoryTalk View Studio
4.3.1 Configuración de los ajustes iniciales del sistema
En esta sección se realizó la configuración de tamaño de la terminal a utilizar. En la
ventana explorer del ambiente del software FactoryTalk View Studio, seleccionar la
opción de Project Settings para configurar el tamaño de la pantalla. En este caso
seleccionar la pantalla que tiene un tamaño de 640x480 ya que corresponde al Panel
View 1000 como se muestra en la tabla 4.1.
Tabla 4.1 Tamaño de ventana de los diferentes Panel View de Allen Bradley.
Tipo de terminal Tamaño de la ventana del
proyecto (MP)
PanelView 400 320 x 240
PanelView 600 320 x 240
PanelView 700 640-480
PanelView 1000 640-480
PanelView 1250 800-600
PanelView 1500 1024-768
a) Introducir el
nombre de
aplicación
b) Introducir el
idioma de nuestra
aplicación c) Crear la
aplicació
n
Página 119
4.3.2 Creación de una nueva configuración de RSLinx Enterprise
Este proceso nos permite enlazar los tags utilizados en RSLogix 5000 con
FactoryTalk View, para esto se realiza la creación de una acceso directo. En la figura
4.16 se ejemplifica las etapas para la realización del acceso directo con RSLogix
5000.
1.- En la ventana Explorer (explorador), inicie Communication Setup (configuración
de las comunicaciones) como se muestra en la figura 4.7 desplegando el árbol
correspondiente a RSLinx Enterprise.
Figura 4.7 Inicio de configuración de comunicaciones
2.- A continuación se ejecuta la pantalla RSLinx Enterprise (figura 4.8) Configuration
Wizard (asistente de configuración de RSLinx Enterprise), y se crea una nueva
Ventana Explorer
Doble clic para
configurar las
comunicaciones
Página 120
configuración de RSLinx Enterprise; este paso solo se realizara una vez ya que
posteriormente al guardar nuestra aplicación guarda la comunicación que en este
paso creamos para enlazarse con el controlador CompactLogix.
Figura 4.8 Ventana de RSLinx Enterprise configuration wizard para la creación de una nueva
configuración de comunicaciones
4.3.3 Configuración de las comunicaciones de diseño locales
Ahora se realizara el enlace entre el CompactLogix y FactoryTalk View Studio
mediante Ethernet.
3.- Al aceptar la nueva configuración como se mostró en la figura 4.8 se ejecutara el
editor de configuración de las comunicaciones (Communication Setup) y se
ejemplifican su ambiente de trabajo como se muestra en la figura 4.9.
a) Se selecciona
crear nueva
configuración
b) Se acepta en
la opción finalizar
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Figura 4.9 Pantalla de configuración de accesos directos de comunicaciones con dispositivos
externos
La pantalla de configuración de comunicaciones en la parte derecha se tiene la
pestaña de Desing (Local) como se muestra en la figura 4.9, esta opción nos permite
enlazarnos con el CompactLogix y a su vez el 1734 POINT I/O mediante Ethernet,
hacemos doble clic en la opción de Ethernet y seleccionamos la opción Start
Browsing (figura 4.10) para buscar el controlador CompactLogix 5370 L1, para
enlazarse por medio de Ethernet.
Creación de accesos directos con
él se comunicara RSLogix5000 y
FactoryTalk View Studio
Acceso directo aun archivo con
tags o un dispositivo en línea
Verifica si el acceso directo se
ha creado correctamente
Permite aplicar el
acceso directo a la
aplicación
Gestión de comunicaciones
Desing Local Runtime
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Figura 4.10 Buscar el controlador a realizar en enlace
4.- Posteriormente se procede a la creación de un acceso directo que permitirá como
el nombre lo indica la creación un acceso entre los tags creados en RSLogix 5000 y
poder exportarlos a FactoryTalk View Studio.
Como se muestra en la figura 4.11, se selecciona el controlador al cual se quiere
importar los tags, se busca la dirección del archivo en donde se encuentra guardado
el programa de escalera, se agrega un nuevo acceso directo y se le nombra y por
último se da clic en la opción Apply.
a) Doble clic en la
opción Ethernet
b) Clic en la opción Start
Browsing
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Figura 4.11 Pasos de creación para acceso directo
Con este proceso se crea en enlace entre el controlador CompactLogix 5370 L1 y
FactoryTalk View Studio para utilizar los tags tanto de entradas, salidas y bits
internos que se ocuparan en las pantallas de la HMI. Con este proceso se puede
comprobar la aplicación desde un ordenador sin necesidad de un arreglo físico del
Panel View plus 1000.
4.3.4 Configuración de tags de interfaz de operador
FactoryTalk View Studio admite dos tipos de tags:
Tags de interfaz de operador: el lugar central donde se configuran los valores
de los datos tanto si corresponden al PLC como si no que utilizan como
referencia los objetos de pantalla. Cuando se crea un tag HMI, debe
a) Selección de
controlador
b) Se agrega un
acceso directo
c) Se agrega el
archivo que
contiene los tags
d) Clic en apply
e) Clic en aceptar
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especificarse cuál será su origen de datos durante la ejecución. El origen de
los datos puede ser:
Dispositivos: recibe sus datos de un controlador programable a través del
controlador directo.
Memoria: los datos provienen solo de la tabla de valores en vez de un
controlador programable o de otro programa.
Sistema: el tag de sistema lo crea el sistema y se almacena en una carpeta
llamada system.
Ejemplo: cuando el personal de mantenimiento pueda modificar el brillo de la
pantalla, ya que el valor de brillo no proviene del PLC, en este caso es
necesario crear un tag HMI de operador para incorporar esta función.
Tags de referencia directa: la ubicación especifica en la memoria de un valor
PLC que utilizan como referencia los objetos de la pantalla.
4.3.5 Creación de accesos directos de diseño
Una vez configuradas las comunicaciones correctamente, ya se puede crear un
objeto en una pantalla y buscar en el controlador.
FactoryTalk View Studio permite que los usuarios puedan configurar métodos de
comunicación independientes para el desarrollo de aplicaciones (Local-Ordenador) y
para el desarrollo de ejecución (Objetivo-Panel View). Este proceso nos permite
enlazar los tags utilizados en RSLogix 5000 con FactoryTalk View. En la figura 4.16
se ejemplifica las etapas para la realización del acceso directo con RSLogix 5000 y
comunicaciones.
1.-Se crea una nueva pantalla, esto en la ventana explorer, se da clic derecho en el
menú display que se encuentra alojado en la carpeta de Graphics como se muestra
en la figura 4.12, y se selecciona la opción new.
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a) Clic
derecho en
la opción
Graphics
b) Clic en la
opción
New
Figura 4.12 Creación de una nueva pantalla
2.-A continuación se crea un objeto en este caso un botón para ejemplificar la
asignación del tag a los objetos insertados en la pantalla. Para ello se escoge el
objeto botón y se arrastra el ratón a la posición dentro de la pantalla, como se
muestra en la figura 4.13.
Figura 4.13 Creación de un objeto en el espacio de trabajo pantalla
a) Selección de
objetos a usar
en la pantalla
b) Arrastra el
objeto
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3.- A continuación se asigna el tag al objeto que se inserta en la pantalla, para ello se
da doble clic en el objeto que se insertó y se abre una pantalla como la mostrada en
la figura 4.14, posteriormente a esto da doble clic en la pestaña de Connections ya
que nos permitirá enlazar el objeto con algún componente programado en RSLogix
5000.
Figura 4.14 pantalla de la pestaña connections de la asignación de tags
4.- Damos clic en el símbolo de tag (…) para ejecutar el buscador de tags a través
del acceso directo (Figura 4.15) que se creó en el tema 4.3, para asignar el tag que
se desea contener en este objeto.
Figura 4.15 Selección del tag al objeto
Pestaña
Connections
(Configuración
de Tags)
a) Clic en Tag
b) Selección
del Tag
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5.- Procedemos a la asignación de tags, se da clic en la carpeta de offline para abrir
el árbol que se mostrará en la parte izquierda de la ventana Tag Browser, a
continuación se desplegará un menú en la parte izquierda en donde se selecciona el
tag que se nombró en el software RSLogix 5000, aceptamos el tag con la opción ok.
Con las etapas anteriores tanto de comunicación y asignación de tags, se logró
enlazar un objeto de la HMI y un contacto que se tenía en el programa de escalera
en este caso, de manera general se ejemplifica en la figura 4.16 el proceso que se
realizó.
Para llevar a cabo la simulación con el software RSLogix 5000, previamente se debe
poner en modo RUN el programa de PLC, y posteriormente ejecutar el programa
FactoryTalk View Studio, cabe señalar que es necesario realizar los pasos mostrados
en el figura 4.16 de manera correcta y en el orden mencionado para evitar
complicaciones con la simulación.
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Página 129
4.4 Estructura y pantallas de la HMI para la empaquetadora
Antes de iniciar con la construcción de la HMI, fue realizada una meticulosa
planeación, haciendo delimitaciones y correcciones con respecto a los puntos que
contendría en los rubros de seguridad, complejidad, información contenida, etc. Fue
así que se delimitaron como sus tareas el monitoreo y control del proceso
desarrollado en esa etapa, y como sus objetivos los siguientes:
1. Reducir riesgos de operación para los recursos humanos y para la maquinaria.
2. Aumentar la productividad y eficiencia de esta etapa del proceso.
3. Reducir el tiempo de entrenamiento para los operadores.
4. Obtener un estándar superior en la calidad del empaquetado.
5. Reducir desperdicios.
6. Brindar apoyo en la planeación del mantenimiento.
7. Tener un entorno sencillo, amigable e intuitivo que no dé lugar a dudas.
8. Extensión de mínima de pantallas que permita agilizar el proceso de
configuración del lote.
Respecto al tercer punto se contempla como usuario final a un operador con las
siguientes características:
Técnico general con mínima capacitación en el manejo de esta celda de
manufactura flexible.
Así mismo se ideó dos tipos de ventanas en la HMI:
1. Ventanas normales.
2. Ventanas emergentes
a) De alerta.
b) De confirmación de operación.
El primer tipo contiene ventanas que involucran aspectos de configuración, selección,
visualización y guía informativa en condiciones de operación normal. Todas estas
ventanas son fijas, es decir; no son emergentes y solo se puede navegar entre ellas
en un orden específico. Entre estas se tienen funciones como las de: arranque y paro
Página 130
del sistema, visualización de información y parámetros de interés del proceso
(número y tipo de empaques realizados, número y tipo de empaques a realizar, horas
de trabajo de la máquina, etc.), ajuste de tipo y cantidad de empaques a desarrollar
durante el desarrollo de otro lote, etc.
La segunda clasificación contiene a las ventanas que aparecen repentinamente
dentro de la pantalla principal que esté de fondo. Estas son las ventanas de alerta y
las de confirmación de operación. Las de alerta informan acerca de cualquier
operación anómala que impida el correcto funcionamiento de la maquinaria con
respecto a la lógica de programación; estas pueden ser: nivel bajo en las bobinas de
plástico termoencogible, detección de apertura de las guardas de seguridad, etc. Y
finalmente se tienen a las ventanas emergentes de confirmación de proceso, por
ejemplo: la confirmación de un nuevo lote a producir o en la cancelación del lote en
producción.
Habiendo considerando los aspectos anteriores se creó un mapa de navegación de
las pantallas de la HMI. Esta es observada en el figura 4.16, e incorpora únicamente
ventanas “normales” de operación ya que las emergentes no tienen un orden
específico de aparición.
Siguiendo adelante con la descripción del figura 4.17, se tiene una pantalla inicial que
conduce a las pantallas donde se configura el tipo y cantidad empaques a producir,
pantallas de aceptación del lote a producir y cancelación del lote en producción, así
como las respectivas pantallas de requisición de contraseñas para confirmar las
acciones anteriores. Finalmente se muestra una ventana paralela a las de selección
del empaquetado, dicha ventana muestra información general de la maquinaria.
Cada una de estas pantallas se describirán durante el presente capitulo con mayor
detenimiento.
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Pantalla de Inicio
Número de empaques
Resumen de
Lote
Lote en
Producció
n
Selección de presentación
Informació
n gener
al.
Pantalla de pruebas
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4.4.1 Pantalla de Inicio
La primera pantalla (imagen en la figura 4.18) tiene por fondo el color azul, muestra
el nombre del equipo y debajo de esta la imagen del modelo de la maquinaria
realizado en SolidWorks. La parte inferior tiene tres botones, cada uno en un color
diferente. De izquierda a derecha se observa en color verde el botón “MENÚ
PRINCIPAL”, este es la ruta para configurar el lote de producción. El segundo en
color morado “INFORMACIÓN DE PROCESO”, conduce a la pantalla de información
general de la empacadora. Finalmente, en color azul se tiene “CERRAR”, como su
nombre lo indica este botón cierra con la aplicación HMI.
Figura 4.18 Pantalla de bienvenida de la HMI
4.4.2 Selección de tipo de Empaquetado
En la figura 4.19 se ilustra la ventana a la que se llega al haber presionado el botón
“MENÚ PRINCIPAL”; como su nombre lo indica aquí se tiene la opción de elegir el
tipo de presentación a producir en el lote de entre seis existentes. La forma de
Página 133
seleccionar la presentación es tocando la pantalla directamente encima de las figuras
que tienen los rollos acomodados de diversas maneras (según la presentación).
Figura 4.19 Selección del tipo de empaquetado.
La estructura es semejante en la mayoría de las pantallas, se tienen botones en la
parte inferior que le permitirán avanzar a la siguiente pantalla o regresar. Es
relevante mencionar que esto no es posible en todas las pantallas ya que depende
de ciertas condiciones y/o lógica particular de esa ventana las opciones a elegir.
Algunos de estos movimientos no son mostrados en el figura 4.17, por la razón de
que la ejemplificación de dichas relaciones generaría confusiones en lugar de
aclararlas.
4.4.3 Configuración de lote
Para la configuración general de lote es requerido ingresar las variables tipo y
cantidad de empaques a producir. En la pantalla anterior (figura 4.19 fue
seleccionado el tipo de empaque, ahora en la figura 4.20 se ilustra la pantalla de la
Página 134
HMI que permite ingresar al sistema la cantidad de empaques a realizar; esto se
logra por medio de tres pares de botones de acenso y descenso de unidades, ya
sean decenas, centenas o millares. A la derecha de estos botones se muestra un
display con la cantidad ingresada al sistema, debajo está el botón “Aceptar”, para
confirmar el envío de datos y los botones “Regresar” y “Siguiente”, los cuales son
textuales en cuanto a la acción que desarrollan: ir a la pantalla siguiente (una vez
habiendo configurado la cantidad de empaques) o regresar a la pantalla anterior para
elegir el tipo de empaques.
Figura 4.20 Configuración de número de lote.
4.4.4 Reporte del lote a producir
En la figura 4.21, literalmente se muestra un reporte con los parámetros ingresados
(tipo y cantidad de empaques a realizar), así como el tiempo estimado que toma
producir dicho lote. Esta es una ventana que permite revisar los datos para la
Página 135
producción; aquí la única interacción posible es aceptar e ir al siguiente paso o
regresar a la configuración de los parámetros de lote.
Figura 4.21 Reporte del lote a producir.
4.4.6 Producción de lote actual
La figura 4.22 muestra una pantalla de gran importancia para el proceso, ya que por
medio de ésta se confirma y se lleva a cabo el arranque y paro cuando la producción
del lote ha sido permitida y después de haber sido ingresada la contraseña. Para el
arranque y paro es de suma importancia mencionar que fuera de la HMI se
encuentran los botones físicos de arranque (verde) y paro del sistema (rojo), sin
embargo estos no llevaran a cabo ninguna acción a menos que; como fue
mencionado, se haya llegado a la pantalla de “Producción del lote actual”. En tal
pantalla es donde se podrá arrancar y parar el sistema, ya sea por medio de los
botones físicos o los botones virtuales de la pantalla de producción de lote actual de
la HMI.
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Otro aspecto importante del equipo es que permite sea monitoreado el proceso por
medio de una serie de indicadores numéricos semejantes a los de la pantalla de
reporte de lote a producir. Contiene los mismos campos (tipo de presentación,
cantidad de empaques del lote y tiempo estimado), más el indicador del número de
empaques realizados.
Esta pantalla incluye un botón que permite ir a la pantalla de “Información de
proceso” (mostrada en la figura 4.23), visualizar la información que ofrece y retornar
sin problema. El hecho de salir de la pantalla de “producción de lote actual” no
supone ningún riesgo al desaparecer los botones virtuales de arranque y paro, pues
se hallan los botones físicos a la mano como se mencionó en el párrafo anterior.
Figura 4.22 Pantalla producción de lote actual.
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4.4.7 Información de Proceso
La figura 4.23 permite conocer información sobre el tiempo de operación de la
empaquetadora, cantidad de empaques realizados (generales) y el tiempo de
operación de cada motor. Esta se tiene como apoyo en la planeación y ejecución del
mantenimiento que debe darse al equipo y a sus componentes.
Se tienen dos ventanas idénticas con accesos por distintas rutas. Para acceder a
estas ventanas las rutas son las siguientes; la primera es por medio del menú
principal (figura 4.18), con un retorno a la misma ubicación (sin ninguna otra
posibilidad de navegación). Y la segunda que se vincula desde la ventana de
producción de lote actual (figura 4.22) y que de igual manera únicamente tiene por
regreso el punto de partida. El regreso al punto de partida se logra cuando se pulsa
el botón en color morado en el lado inferior derecho; ya sea “INICIO” o “LOTE EN
PRODUCCIÓN” según corresponda.
Figura 4.23 Información del proceso (Área de mantenimiento).
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4.5 Simulación
Para la simulación de la HMI se siguieron los pasos mostrados en la figura 4.16 para
lograr en enlace entre el diagrama de escalera y la pantalla de la HMI. En la figura
4.24 se puede visualizar como al presionar el botón de arranque en nuestra pantalla
HMI el cual se le asignó el tag con el nombre Boton_Arranque, al dar clic en el botón
podemos observar cómo se ilumina el color verde en dicho botón, es decir nos indica
que se encuentra en estado activo. En el diagrama de escalera se puede ver como el
contacto se ilumina igual en color verde, es decir se activa al presionar el botón de
arranque.
Figura 4.24 Enlace entre FactoryTalk View Studio-RSLogix5000.
4.5.1 Simulación del programa de PLC-HMI
Para comprobar el correcto funcionamiento en la programación para la selección del
tipo de presentación que se deseara fabricar, podemos valernos del programa de
Factory Talk View para la HMI realizado, solamente realizando la comunicación
entre los software RSLogix 5000 y Factory Talk View, para poder realizar la
Enlace entre el botón start y
el contacto mediante el
acceso directo creado y
llamado “Botón Arranque”
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emulación de entradas como la selección del tipo de presentación como se muestra
en la figura 4.25.
Figura 4.25 Simulación del número de presentación a elegir PLC-HMI
En la Figura 4.26. se muestra el link que existe entre el botón de la HMI y el
programa de PLC, el recuadro de PRESENTACIÓN 1 esta correlacionado con el
contacto PRESENTACIÓN del programa.
Figura 4.26 Propiedades del botón PRESENTACIÓN para ver el link entre el programa de PLC y el de
la HMI.
SELECCIÓN DE
PRESENTACION 1 EN LA HMI SELECCIÓN DE
PRESENTACION 1 EN EL
PROGRAMA MEDIANTE
LA HMI
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Simulación de la rutina incremento-decremento
Esta rutina se encarga de sumar o restar múltiplos de 10, 100 y 1000 para poder
realizar una cantidad de empaques, de igual manera podemos hacer uso del
programa de HMI como se muestra en la Figura 4.27.
Figura 4.27 Simulación de incremento y decremento
Dado que la programación para centenas y millares es la misma es suficiente probar
el correcto funcionamiento de las decenas. Al tener las condiciones de fabricación ya
seleccionadas se puede realizar el arranque del sistema como se muestra a
continuación en la figura figura 4.28.
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Figura 4.28 Arranque del sistema.
Para poder comprobar el funcionamiento de las rutinas que controlan cilindros, se
realizó una pequeña pantalla en Factory Talk View como se muestra en la Figura
4.29 para poder simular la detección de algunos sensores y también el estado de
cada cilindro, esto es para reducir el tiempo de prueba de las rutinas al no activar
manualmente cada contacto desde el diagrama de escalera.
Figura 4.29 Interfaz para probar la programación de los cilindros.
SELECCIÓN DEL BOTÓN DE
ARRANQUE
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Simulación de la sub-rutina ETAPA_1
Para simular esta etapa se seguirá de forma puntual cada una de las acciones que
sucederían si el sistema estuviera construido físicamente, es decir se simulara la
llegada de los rollos a ciertas posiciones que activan ciertas etapas para hacer que el
proceso de empaquetado se realice de forma continua.
Esta etapa comienza con la llegada de los rollos desde la banda de control hasta la
barra 1 donde se encuentra el sensor capacitivo C que detectara la llegada de los
rollos como se muestra en la Figura 4.30.
Figura 4.30 Simulación de subrutina ETAPA_1
Después de detectarse los rollos, el cilindro de simple efecto B tendrá que bajar
como lo muestra la figura 4.30, para permitir que el cilindro A empuje la cama de
rollos hacia la barra 2 donde se encuentra el sensor capacitivo D. Esto se ejemplifica
en la figura 4.31.
SIMULACIÓN DE DETECCIÓN
DEL SENSOR CAPACITIVO ACTIVACIÓN MEDIANTE LA
HMI AL SENSOR
CAPACITIVO
ACTIVACIÓN DEL CILINDRO
B PARA PERMITIR EL PASO
DE LA CAMA DE ROLLOS.
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Figura 4.31 Activación de cilindro A
Al extenderse el cilindro A, la cama de rollos de papel higiénico serán empujados
hacia la barra donde se encuentra contenido el sensor capacitivo que hará que el
cilindro A regrese a su estado inicial y además harán que la paleta movida por el
cilindro lineal D empuje los rollos hacia el apilador de camas.
En la figura 4.32 se muestra como fue activado el sensor capacitivo que realiza la
función de actuador del cilindro A
SE ACTIVA EL CILINDRO A
Página 144
Figura 4.32 Simulación cilindro D
Simulación de la sub-rutina FORMACIÓN_DE_NIVELES
Al estar posicionada la cama de rollos de papel dentro del formador de niveles
entrará en ejecución la rutina formación de niveles, en caso de haber sido
seleccionada una presentación de 2 o 3 niveles como se muestra en la figura .33.
Figura 4.33 Inicio de la sub-rutina de formación de niveles.
SIMULACIÓN DE QUE EL
SENSOR A ESTA EXTENDIDO
AL ESTAR EXTENDIDO EL
CILINDRO A Y LOS ROLLOS
EN POSICIÓN EL CILINDRO
LINEAL D SE MOVERÁ EN
UN SENTIDO.
AL ENCONTRARSE LA PALETA
CON LOS ROLLOS EN LA
ENTRADA DEL FORMADOR DE
NIVELES SE ACTIVA
D_SENSOR_MAGNETIC_10 Y SE
SUBE UN NIVEL.
SIMULACION DE DETECCION DE
D_SENSOR_MAGNETIC_10
Página 145
Como en este caso solo fue de 2 niveles la presentación elegida, el contacto de
CONTADOR_DE_NIVELES.DN ya no permitirá que se active una vez más el cilindro
para subir y el cilindro D como se muestra en la figura 4.34.
Figura 4.34 El contador de niveles llego a su cuenta.
Después de haber finalizado la etapa de formación de niveles se ejecuta la sub-rutina
de ETAPA_2, donde la acción inmediata es empujar el paquete de rollos hasta la
barra 3 donde se encuentra el sensor capacitivo F, este detectara la presencia de el
paquete de rollos y activara al cilindro G para introducir a los rollos dentro de la
empaquetadora como lo muestra la figura 4.35.
AL SER SOLO 2 NIVELES EL
CONTADOR LLEGA A SU CUENTA Y
ABRE SU CONTACTO IMPIDIENDO
QUE SUBA UN NIVEL MAS.
Página 146
Figura 4.35 Inicio de la ETAPA_2.
Ya los rollos dentro del área de envoltura para el empaquetado son detectados por
G_SENSOR_FOTOELECTRIC_6 se activa un contador para permitir el retorno del
cilindro G antes de que las cuchillas de corte bajen, después de transcurrido el
tiempo, baja el cilindro I para después activar la bajada del cilindro H que son las
cuchillas como lo muestra la figura 4.36.
Figura 4.36 Introducción de los rollos a el área de empaquetado.
SIMULACIÓN DE DETECCIÓN DEL
SENSOR CAPACITIVO F Y
ACTIVACIÓN DEL CILINDRO G.
SIMULACIÓN DE DETECCIÓN DEL SENSOR
FOTOELECTRICO G Y ACTIVACIÓN DEL CILINDRO
SUJETADOR I.
Página 147
Hasta el momento ha sido probado el 80% del programa, con lo que se pueden
descartar fallas en la programación ya que la programación restante es de un nivel
más bajo en comparación a lo ya simulado.
4.6 Propuesta Económica
Se generara una propuesta de costos contemplando si es que se toma la decisión de
llevar a cabo la adquisición del equipo de control, neumático y electro neumático. Es
de esta manera que es importante se cuente con la información necesaria de estos
costos que se deriven del equipo con el fin de dar un panorama general del alcance y
efecto de la maquinaria.
Se establece la siguiente condición para realizar esta propuesta:
Presentar un presupuesto (aproximado dado a la vigencia de las cotizaciones)
al equipo de control, eléctrico, neumático y electro neumático. Excepto para el
equipo mecánico.
4.6.1 Presupuesto de Equipo
Se tiene la oportunidad de contar con cotizaciones y catálogos en línea para llevar a
cabo la siguiente propuesta de materiales proporcionados en los diseños de la
máquina.
Es así que se extiende la lista de precios bajo las siguientes condiciones:
Los precios están en dólares.
La vigencia de los precios es sin previos aviso dado el proveedor la cotización
fue efectuada el 1 de octubre de 2012.
En la siguiente tabla 4.2 se muestra la cotización hecha para la adquisición
del equipo que integra la máquina.
Página 148
Tabla 4. 2 Costos totales de elementos de control y neumáticos
No. DESCRIPCIÓN CANTIDAD COSTO POR UNIDAD
TOTAL
1 CompactLogix 5370 con Procesador 1769-L18ER-BB1B
512 MB de Memoria MCA de Allen Bradley
1 $1,428.00 $1,428.00
2 Fuente de poder 1606-XLE240E 240W, 24-28VCD de Allen Bradley 512 MB de Memoria MCA de Allen
Bradley
1 $307.70 $307.70
3 Adaptador EtherNet/IP 1734-AENT, 2 puertos de Allen Bradley
1 $497.25 $497.25
4 Unidad de expansión de energía 1734-EP24DC, 10-28.8 VCD de
Allen Bradley
1 $154.70 $154.70
5 Módulo de expansión E/S 1734-IV8, 8 entradas, 24 VCD de Allen Bradley
7 $92.65 $648.55
6 Módulo de expansión E/S 1734-OV8E, 8 salidas, 24 VCD de Allen
Bradley
3 $151.30 $453.90
7 Panel View Plus Compact 1000, 10.4”, pantalla a color, comunicación
RS-232, 64 MB RAM de Allen Bradley
1 $2,759.68 $2,759.68
8 Sensor Fotoeléctrico GLV18-55-G/115/120 de P+F
3 $80.98 $242.94
9 Sensor óptico de reflexión por barrera, GLV-12/ 54/37/40b/92 de
P+F
2 $97.37 $194.74
10 Sensor capacitivo CJ15-40/A2 7 $357.23 $2,500.61
11 Electroválvula 5/2 monoestable, retorno por muelle de FESTO
12 $110.25 $1,323.00
12 Electroválvula 5/3 biestable de FESTO
5 $75.45 $377.25
Página 149
13 Electroválvula 3/2 biestable de FESTO
1 $111.45 $111.45
14 Cilindro neumático D.E. de FESTO ADN-25-260-A-P-A
1 $300.58 $300.58
15 Cilindro neumático S.E. de FESTO ESNU,ISO 6432
1 $400.98 $400.98
16 Cilindro neumático D.E. de FESTO DNC-40-350-P
1 $410.29 $410.29
17 Actuador lineal neumatico posicionamiento DGPL-HD 25
1 $450.26 $450.26
18 Cilindro neumatico S.E. DSN-16-120-P
2 $270.25 $540.50
19 Cilindro neumatico D.E ADN-25-260-A-P-A
2 $425.69 $851.38
20 Cilindro neumático D.E. DGO-16-650-PPV-A-B
1 $450.52 $450.52
21 Cilindro neumático D.E. DNC-32-400-PPV
1 $352.25 352.25
22 Cilindro neumático D.E. DSN-20-300-P
1 $325.58 $459.63
23 Cilindro neumático D.E. ADN-16-50-A-P-A
2 $280.30 560.6
24 Cilindro neumático D.E. DNC-32-250-PPV
2 $425.69 $851.38
25 SLG Planos 1 $425.89 $425.89
26 Cilindro neumático D.E. DNC-40-400-PPV
2 $375.89 751.78
Página 150
27 Sensor magnetorresistivo 23 $125.96 $2,897.08
28 Electrovalvula VUVG-L10 18 $158.89 $2,859.48
TOTAL $23,562.37
Al realizar un cálculo total con respecto al costo de todo el equipo tanto eléctrico y
neumático con relación a los precios mostrados en la tabla 4.2 da un total de
$ 23,562.37 dólares.
Todo el equipo utilizado en la máquina automatizada propuesta es de la última
generación de productos de Rockwell Automation, FESTO y Pepper and futch, por lo
que su participación y disponibilidad en el mercado es muy amplia, así mismo el
soporte técnico para su instalación.
Se presentan las principales ventajas que se obtienen al implementar estos equipos
de alta tecnología para la propuesta.
Topología: Con base al protocolo de comunicación Ethernet IP de Allen
Bradley que permite una velocidad de comunicación de 100 Mbps, punto
primordial para incrementar la velocidad de la máquina si esta se requiere en
cuanto a comunicación con los módulos Point I/O.
Diseño Expandible: Dado los diseños es de fácil adaptación realizar un ajuste
en la máquina para otro tipo de aplicación, el diseño tiene la versatilidad de
ajustar nuevos componentes si es que se desea seguir automatizando mas el
proceso
Comunicación HMI’s: Debido a que tanto la interfaz Hombre-Máquina y el
CompactLogix
En el mercado hay equipo similar de otras marcas es decir el proyecto es flexible
como Parker y BIMBA.
Página 151
4.6.2 Presupuesto de mano de obra
Los recursos humanos se basan principalmente en las horas de ingeniería
desarrollada por el personal. En la tabla 4.3 se tienen de manera general los gastos
requeridos de mano de obra para llevar a cabo la instalación del equipo ya
mencionado para la máquina que se propone.
Tabla 4. 3 Costos totales de recursos humanos
Puesto Sueldo por hora Horas de
trabajo
Numero de
empleados
Sueldo Total
Ingeniero en Control
Y automatización
$ 270 350 3 $ 94500
Técnico electricista $ 110 64 1 $ 7,040
Programación HMI $ 300 48 1 $ 14,400
Técnico en sistemas
Automatizados
$ 120 56 1 $ 6,720
Ayudante general $ 80 80 1 $ 6,400
Total $ 129,060
La suma total del presupuesto de recursos humanos da como el resultado
$129, 060 pesos como un costo que integra la instalación del equipo y la puesta en
marcha del mismo.
Una vez realizado los cálculos anteriores se tiene que el costo aproximado de la
empaquetadora es de $ 451,864.46 pesos.
CAPÍTULO 5 Resultados y Conclusiones
Página 152
CAPÍTULO 5
ANEXOS
Página 153
Capítulo 5 Resultados y Conclusiones
A continuación se muestra la comparativa entre el tiempo empleado para el
empaquetado de forma manual contra el tiempo de empaquetado de forma
automática con la automatización planteada, tomando en cuenta que el análisis de
forma semiautomática se realizó para el empaquetado de 10 rollos y para la forma
automática es de 24 rollos.
5.1 Resultados
Empaquetado semiautomático
Actualmente el proceso de empaquetado lo realiza un empleado y este como se
mencionó en el capítulo 2 es el encargado de proporcionar el empaque a la
maquinaria. Las características que se observaron es que no es constante el tiempo
que el operario tarda en colocar el bolso que servirá para el empaquetado y este
puede demorar algunos segundos debido a las condiciones como jornada de trabajo,
además que la etapa es realizada de manera semiautomática.
La primera etapa consta del tiempo que el sistema semiautomático (neumático) tarda
en colocar los rollos en el bolso y posteriormente realizar el sellado del bolso, este
tiempo es constante y es de 9 segundos en el momento que el operador pulsa el
botón correspondiente a dicha acción. El tiempo que tarda el operador en colocar el
bolso no es preciso ya que depende de las condiciones físicas con las que se
encuentre pero de manera general se observó que el tiempo es de 4 a 5 segundos;
por lo anterior se observó que el tiempo aproximado es de 13 segundos por
empaquetado y por lo tanto la velocidad es de 4 paquetes por minuto, tomando en
cuenta que se realiza solo la presentación un tipo de que es de 10 rollos.
Empaquetado automático
Para el siguiente análisis se toma en cuenta la velocidad y el tiempo que les lleva a
los actuadores neumáticos en expulsar la longitud total de su vástago, para ello se
ANEXOS
Página 154
toman los datos proporcionados en el anexo IV donde se muestran las
características de los cilindros seleccionados como su velocidad y tiempo.
En la tabla 5.1 se muestra el tiempo aproximado de cada cilindro y la función que
realiza durante este intervalo de tiempo.
Tabla 5.1 Tiempos de ejecución de cilindros neumático
Numero de cilindro Descripción Tiempo
A Traslado de rollos de banda a
palanca 1
1.02 s
B Movimiento de guías 0.7 s
C Determinar el número de columnas
1,2,3 y 4
2.03 s
D Movimiento palanca 1 Velocidad
propuesta 1 m/s Velocidad máxima
3 m/s
1.42 s
E-E’ Movimiento de palancas abre y
cierra, para formado de camas
0.97 s
F-F’ Generación de niveles 1,2 y 3 3.89 s
G Movimiento de palanca dos (inicio
etapa 2)
4.02 s
H Movimiento de la cizalla 2.05 s
I Movimiento de sujeción del bolso 3.12 s
J-J’ Movimiento para sujetar sobrantes
del bolso
1 s
K-K’ Movimiento para retiro de sobrantes 2.01 s
L Movimiento lateral para corte de
sobrantes
Velocidad propuesta 0.5 m/s
Velocidad máxima 1 m/s
1 s
M-M’ Cizalla de corete de sobrantes 2.04 s
TIEMPO ESTIMADO DE EMPAQUETADO 21.2 s
ANEXOS
Página 155
En la tabla 5.1 se muestran los tiempos que utiliza cada elemento para la expulsión
de su vástago o llegar a la posición deseada y este tiempo es para la realización de
la presentación 6 que contiene 24 rollos, esta presentación se toma ya que se
requiere saber principalmente el tiempo máximo que tardará la máquina en la
presentación de la mayor cantidad de rollos a empaquetar, cabe mencionar que los
elementos como el cilindro C, L son cilindros que en una primera instancia se
colocaran a la posición deseada desde el momento de elegir el tipo de presentación
desde la HMI.
El tiempo de 21.2 s es el tiempo para la realización del primer paquete, para el
segundo paquete el tiempo es menor ya que el proceso es automatizado, mientras
el primer paquete es terminado de apilar en el mecanismo de formación de camas, la
formación del segundo paquete es inicializada. Para esto se contempla el tiempo
desde la banda de control (Banda 3) hasta la formación de las 3 camas para la
formación de la presentación 6 y este tiempo es de 8 s, es decir el tiempo de
empaquetado a partir del segundo paquete es de 8 s, después de los 13 s del primer
paquete. Por lo tanto se puede concluir que la velocidad es de 6 paquetes por
minuto en la presentación 6.
5.2 Conclusiones
El diseño de la automatización de la empacadora flexible para rollos de papel tissue
se desarrolló tomando como aliciente diversas problemáticas de la mediana industria
nacional. Con base en las condiciones, las tecnologías disponibles y la factibilidad de
desarrollo a continuación se detallan y se explican los motivos por los cuales se
toman como aciertos los resultados obtenidos y en qué medida estos fueron
alcanzados.
De manera general se cumplió con el objetivo principal, desarrollar un sistema de
empaquetado flexible, mediante la integración de dispositivos de control e interfaz
ANEXOS
Página 156
gráfica para rollos de papel tissue; una de las vías mediante las cuáles se logro, fue
una selección estricta de los componentes de automatización que están
configurados para permitir la obtención de seis distintas presentaciones de
empaquetado, sin embargo el total de presentaciones que la estructura física y los
mecanismos permiten obtener son 12.
Se recalca el hecho de que el arreglo físico de la maquinaria aquí mostrado está
limitada físicamente para la realización de empaques a una configuración máxima de
3 niveles de altura, 2 filas y 4 rollos de largo.
La programación se desarrolló de manera clara en subrutinas que son reutilizadas,
esto con el objetivo de ahorrar líneas de programación y tiempo en los ciclos internos
de lectura que realiza el controlador así como para una mejor estructuración y
entendimiento del mismo. Por tanto; de manera puntual se considera que la claridad
y eficiencia de la lógica de programación tiene tal calidad que inclusive en el caso de
modificarse el programa se ahorrara tiempo, recurso de gran valor en el área
industrial.
Uno de los aspectos a los que se le dio mayor relevancia durante todo el proceso de
investigación, planeación y diseño fue el enfoque de seguridad hacia el personal, la
planta y el ambiente. La seguridad enfocada al operario y al proceso se estableció
primeramente con el uso y distribución de elementos sensores destinados para
funciones exclusivas de seguridad, aunada a la estructura de programación que
controla el sistema, la cual impide que el proceso se ejecute en caso de detectarse
abierta alguna de las guardas de seguridad que rodean mecanismos y actuadores
neumáticos, y la integración de HMI, la cual brinda facilidad de operación y seguridad
al operario.
El diseño para la empacadora flexible para rollos de papel tissue se centro en lograr
mayor eficiencia y versatilidad. Con respecto a esto se evaluó el tiempo que le toma
ANEXOS
Página 157
a cada maquinaria, es decir a la maquina semiautomatizada y automatizada realizar
el empaquetado recién comenzado el lote; posteriormente fue medido el tiempo de
empaquetado a partir del segundo empaquetado. Los resultados acerca de estos
puntos se centran en la reducción del tiempo de empaquetado del sistema flexible;
contrastado con la maquinaria semiautomatizada.
El tiempo fue tomado después de realizar el primer empaque de la máquina
automatizada con respecto al primer empaque de la maquinaria semiautomatizada,
siendo el tiempo de la primera de 8 segundos en un empaque de tres niveles, dos
filas y cuatro rollos de largo; en comparación con los trece segundos de la máquina
semiautomatizada cuando realiza un empaque de un solo nivel, dos filas y cuatro
rollos de largo.
El desarrollo del trabajo se logro gracias al aprovechamiento al máximo de las
nuevas tecnologías empleadas hoy en día como software de simulación del
programa del PLC trabajando e interactuando con el programa de la HMI las cuales
resultan ser competitivas en el ámbito industrial y que reflejan ser ahorrativas y
versátiles
5.3 Recomendaciones y trabajos futuros
Cabe señalar y aclarar que este trabajo estará sujeto a la adaptación e integración de
posibles trabajos futuros, dentro de estos trabajos podría dar mejores beneficios un
desarrollo más profundo con respecto a HMI, como el uso de alarmas, mensajes de
advertencia y brindar seguridad en cuanto quien puede operar la empaquetadora.
Otro aspecto importante es consolidar la parte mecánica, mediante el análisis por
parte de los profesionales correspondientes del diseño de la máquina, aspectos de
diseño tales como la altura específica y velocidades entre las bandas 1 y 2 para
garantizar el volteo de los rollos.
ANEXOS
Página 158
ANEXOS
Página 159
ANEXO I TABLA DE REFERENCIAS DE DIRECCIONES DE
VARIABLES
ENTRADAS
Local 3:I:Data [0]
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO DESCRIPCIÓN
0 B_ARRANQUE
1 B_PARO
2 PARO_EMERGENCIA
3 J-SENSOR_FOTOELEC_1 LIMITE_ROLLOS_BANDA_IZQ
4 J-SENSOR_FOTOELEC_2 LIMITE_ROLLOT_BANDA_DER
5 A-SENSOR_CAP_1 ROLLOS_BANDA_IZQ
6 A-SENSOR_CAP_2 ROLLOS_BANDA_DER
7 B-SENSOR_CAP_3 CONTEO_ROLLOS_IZQ
Local 3:I:Data [0]
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
8 B-SENSOR_CAP_4 CONTEO_ROLLOS_DER
9 C-SENSOR_CAP_5 LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA1
10 D-SENSOR_CAP_6 LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA2
11 F-SENSOR_CAP_7 LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA3
12 Sensor_limite_1 PRESENCIA_DE_INTRUSO
13 Sensor_limite_2 PRESENCIA_DE_INTRUSO
14 Sensor_limite_3 PRESENCIA_DE_INTRUSO
15 Sensor_limite_4 PRESENCIA_DE_INTRUSO
POINT _IO_ADAPTER:I.Data[2] - ENTRADAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL
PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 Sensor_limite_5
1 Sensor_limite_6
2 Sensor_limite_7
3 I-SENSOR_FOTOELEC_3 CONTEO_PAQUETES_TERMINADOS
4 E-SENSOR_FOTOELEC_4 NIVEL_BOBINA_1
5 E-SENSOR_FOTOELEC_5 NIVEL_BOBINA_2
6 A-SENSOR_MAGNETIC_1 EXTENDIDO CILINDRO A
7 A-SENSOR_MAGNETIC_2 RETRAIDO
Página 160
POINT _IO_ADAPTER:I.Data[3] - ENTRADAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL
PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 B-SENSOR_MAGNETIC_3 EXTENDIDO CILINDRO B
1 B-SENSOR_MAGNETIC_4 RETRAIDO
2 C-SENSOR_MAGNETIC_5 LARGO_1_PAQUETES CILINDRO C
3 C-SENSOR_MAGNETIC_6 LARGO_2_PAQUETES
4 C-SENSOR_MAGNETIC_7 LARGO_3_PAQUETES CILINDRO C
5 C-SENSOR_MAGNETIC_8 LARGO_4_PAQUETES
6 D-SENSOR_MAGNETIC_9 CILINDRO_LINEAL_POS_1 CILINDRO D
7 D-SENSOR_MAGNETIC_10 CILINDRO_LINEAL_POS_2
POINT _IO_ADAPTER:I.Data[4]- ENTRADAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL
PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 D-SENSOR_MAGNETIC_11 CILINDRO_LINEAL_POS_3 CILINDRO D
1 E-SENSOR_MAGNETIC_12 CILINDRO_ABRIR_IZQ CILINDRO E
2 E-SENSOR_MAGNETIC_13 CILINDRO_CERRAR_IZQ
3 E’-SENSOR_MAGNETIC_14 CILINDRO_ABRIR_DER CILINDRO E’
4 E’-SENSOR_MAGNETIC_15 CILINDRO_CERRAR_DER
5 F-SENSOR_MAGNETIC_16 NIVEL 1_ROLLOS_DER CILINDRO F’_DER 6 F-SENSOR_MAGNETIC_17 NIVEL 2_ROLLOS_DER
7 F-SENSOR_MAGNETIC_18 NIVEL 3_ROLLOS_DER
POINT _IO_ADAPTER:I.Data[5] - ENTRADAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL
PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 F’-SENSOR_MAGNETIC_19 NIVEL 1_ROLLOS_IZQ CILINDRO F’
1 F’-SENSOR_MAGNETIC_20 NIVEL 2_ROLLOS_IZQ
2 F’-SENSOR_MAGNETIC_21 NIVEL 3_ROLLOS_IZQ
3 G-SENSOR_MAGNETIC_22 CILINDRO_LINEAL_POS_1 CILINDRO G
4 G-SENSOR_MAGNETIC_23 CILINDRO_LINEAL_POS_2
5 H-SENSOR_MAGNETIC_24 ABAJO_CILINDRO_GUILLOTINA CILINDRO H
6 H-SENSOR_MAGNETIC_25 ARRIBA_CILINDRO_GUILLOTINA
7 I-SENSOR_MAGNETIC_26 ABAJO_CILINDRO_GUILLOTINA CILINDRO I
Página 161
POINT _IO_ADAPTER:I.Data[6] - ENTRADAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL
PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 I-SENSOR_MAGNETIC_27 ARRIBA_CILINDRO_GUILLOTINA CILINDRO I
1 J-SENSOR_MAGNETIC_28 ABRIR_MECANISMO CILINDRO J
2 J-SENSOR_MAGNETIC_29 CERRAR_MECANISMO
3 J’-SENSOR_MAGNETIC_30 ABRIR_MECANISMO CILINDRO J’
4 J’-SENSOR_MAGNETIC_31 CERRAR_MECANISMO
5 K-SENSOR_MAGNETIC_32 RETIRO_DE_SOBRANTES CILINDRO K
6 K-SENSOR_MAGNETIC_33 ACERCAMIENTO_DE_GRIPPER
7 K’-SENSOR_MAGNETIC_34 RETIRO_DE_SOBRANTES CILINDRO K’
POINT _IO_ADAPTER:I.Data[7] - ENTRADAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL
PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 K’-SENSOR_MAGNETIC_35 ACERCAMIENTO DE GRIPPER CILINDRO K’
1 L-SENSOR_MAGNETIC_36 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_1 CILINDRO L
2 L-SENSOR_MAGNETIC_37 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_2
3 L-SENSOR_MAGNETIC_38 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_3
4 L-SENSOR_MAGNETIC_39 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_4
5 M-SENSOR_MAGNETIC_40 CILINDRO_CORTE_ARRIBA_DER CILINDRO M
6 M-SENSOR_MAGNETIC_41 CILINDRO_CORTE_ABAJO_DER
7 M’-SENSOR_MAGNETIC_42 CILINDRO_CORTE_ARRIBA_IZQ CILINDRO M’
POINT _IO_ADAPTER:I.Data[8] - ENTRADAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL
PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
I:9/0 M’-SENSOR_MAGNETIC_43 CILINDRO_CORTE_ABAJO_IZQ CILINDRO M’
I:9/1 G-SENSOR_FOTOELEC_6 DETECTAR_ROLLOS-BAJAR CUCHILLAS
I:9/2 H-SENSOR_FOTOELEC_7 DETECTAR_ROLLOS-CORTE_LATERAL
SALIDAS
Local 3:O:Data [1] - SALIDAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 LÁMPARA 1
Página 162
1 LÁMPARA 2
2 LÁMPARA 3
3 LÁMPARA 4
4 LÁMPARA 5
5 SOLENOIDE 1 Cilindro A Válvula 5/2
6 SOLENOIDE 2 Cilindro B Válvula 3/2
7 SOLENOIDE 3 Cilindro C Válvula 5/2
Local 3:O:Data [1] - SALIDAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
8 SOLENOIDE 4 Cilindro D Sentido 1 Válvula 5/3
9 SOLENOIDE 5 Cilindro D Sentido 2
10 SOLENOIDE 6 Cilindro E Válvula 5/2
11 SOLENOIDE 7 Cilindro E’ Válvula 5/2
12 SOLENOIDE 8 Cilindro F Nivel 1 Válvula 5/3
13 SOLENOIDE 9 Cilindro F Nivel 1
14 SOLENOIDE 10 Cilindro F’ Nivel 2 Válvula 5/3
15 SOLENOIDE 11 Cilindro F’ Nivel 2
POINT _IO_ADAPTER:O.Data[9]– SALIDAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 SOLENOIDE 12 Cilindro G Válvula 5/2
1 SOLENOIDE 13 Cilindro H Válvula 5/2
2 SOLENOIDE 14 Cilindro I Válvula 5/2
3 SOLENOIDE 15 Cilindro J Válvula 5/2
4 SOLENOIDE 16 Cilindro J’ Válvula 5/2
5 SOLENOIDE 17 Cilindro K Válvula 5/2
6 SOLENOIDE 18 Cilindro K’ Válvula 5/2
7 SOLENOIDE 19 Cilindro L Rango de corte lateral
Válvula 5/3
POINT _IO_ADAPTER:O.Data[10]– SALIDAS
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO
DESCRIPCIÓN
0 SOLENOIDE 20 Cilindro L Rango de corte lateral
Válvula 5/3
1 SOLENOIDE 21 Cilindro M Válvula 5/2
2 SOLENOIDE 22 Cilindro M’ Válvula 5/2
3 BOBINA M1 IZQ MOTOR 1
4 BOBINA M1 DER MOTOR 1
Página 163
5 BOBINA M2 MOTOR 2
6 BOBINA M3 MOTOR 3
7 BOBINA M4 MOTOR 4
POINT _IO_ADAPTER:O.Data[10]
DIRECCIÓN FÍSICA EN EL
PLC
NOMBRE REFERENTE INTERNO DESCRIPCIÓN
O:14/0 BOBINA M5 MOTOR 5
O:14/1 BOBINA M6 MOTOR 6
O:14/2 SOLENOIDE 22 Cilindro C
Página 164
ANEXO II COMPORTAMIENTO DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS
Cilindro A modelo: ADN-25-260-A-P-A
Tiempo total de posicionamiento: 1.02 s
Velocidad promedio: 0.25 m/s
Cilindro C modelo: DNC-40-350-P
Tiempo total de posicionamiento: 2.03 s
Velocidad promedio: 0.17 m/s
Página 165
Cilindro E-E’ modelo: DSN-16-120-P
Tiempo total de posicionamiento: 0.97 s
Velocidad promedio: 0.12 m/s
Cilindro F-F’ modelo: ADN-25-260-A-P-A
Tiempo total de posicionamiento: 3.89 s
Velocidad promedio: 0.07 m/s
Página 166
Cilindro G modelo: DGO-16-650-PPV-A-B
Tiempo total de posicionamiento: 4.02 s
Velocidad promedio: 0.14 m/s
Cilindro H modelo: DNC-32-400-PPV
Tiempo total de posicionamiento: 2.05 s
Velocidad promedio: 0.18 m/s
Página 167
Cilindro I modelo: DSN-20-300-P
Tiempo total de posicionamiento: 3.12 s
Velocidad promedio: 0.10 m/s
Cilindro J-J’ modelo: ADN-16-50-A-P-A
Tiempo total de posicionamiento: 1 s
Velocidad promedio: 0.05 m/s
Página 168
Cilindro K-K’ modelo: DNC-32-250-PPV
Tiempo total de posicionamiento: 2.01 s
Velocidad promedio: 0.12 m/s
Cilindro M-M’ modelo: DNC-40-400-PPV
Tiempo total de posicionamiento: 2.04 s
Velocidad promedio: 0.20 m/s
Página 169
ANEXO III CONEXIÓN DE EQUIPO NEUMÁTICO
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ANEXO IV GABINETES DE CONTROLADORES
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GLOSARIO
CompactLogix: Familia de controladores de la marca Allen Bradley.
CPU: Central Processing Unit (unidad de proceso central).
HMI: Human Machine Interface (Interfaz Hombre Máquina).
Ethernet/IP: Protocolo de red en niveles para aplicaciones de automatización
Interfaz: Elemento físico o de programa que permite el acoplamiento de dos
sistemas distintos o dos partes distintas de un mismo sistema, al objeto de
intercambiar información
Comunicación: Proceso de transmisión de información de un emisor a un receptor a
través de un medio.
Controlador: Recibe el nombre de controlador, el dispositivo que se emplea para el
gobierno de uno o varios procesos.
RSLinx: Software que permite configurar el enlace (puertos de comunicación) del
PLC a los dispositivos de comunicación, entradas y salidas.
RSLogix 5000: Software de programación para PLC modulares de la marca Allen
Bradley
FactoryTalk View Studio: Software de programación de la marca Allen Bradley para
terminal grafica HMI.
Papel Tissue: El papel tissue es un papel higiénico fino absorbente hecho de pulpa
de celulosa. Se suele fabricar con varias capas como papel higiénico
PLC: Programmable Logic Controller (Controlador Lógico Programable)
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] alibaba. (s.f.). Obtenido de http://spanish.alibaba.com/product-gs/hx-zb-toilet-paper-packing-
machine-570177710.html
[2] alibaba. (s.f.). Obtenido de http://www.alibaba.com/product-
gs/318593506/Toilet_Roll_Packaging_Machine_for_multiple/showimage.html?newId=31859
3506&pn=1&pt=10&t=12&cids=
[3] alibaba. (s.f.). Obtenido de http://www.wangdaindustry.com/Toilet-paper-packing-machine/
[4] Antonio, G. S. (1999). Introduccion a la Neumatica. Barcelona España: Alfaomega.
[5] Antonio, S. N. (2000). Neumatica. Madrid España: Paraninfo.
[6] Bacells Josep, R. J. (1998). Automatas Programables . Alfaomega.
[7] Gerardo, F. A. (s.f.). Tesis: sores Magnetico e Inductivos. En Universidad Autonoma del Estado de
Hidalgo (págs. 68-74).
[8] Groover, M. P. (1997). Fundamentos de Manufactura Moderna. Mexico D.F.: Pretince Hall .
[9] Jean, Y. F. (2009). Human Machine Interface For Process Control Applications . Unites States Of
American : ISA .
[10] Michel, G. (1990). Automatas Programables Industriales. Barcelona España: Marcombo.
[11] Microingenieria. (s.f.). (automacion Micromecanica) Obtenido de http://www.micro-
ingenieria.cl/pdf/021.pdf
[12] Paper, T. (s.f.). Proceso de Fabricacion de Papel Tissue . Obtenido de
http://www.torraspapel.com/Conocimiento%20Tcnico/FormacionFabricacionPapel.pdf
[13] Stoll, W. D. (2000). Aplicaciones de la Neumatica . Barcelona, España: Alfaomega, Marcombo .