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

ESCUEL A SUPE R I OR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA UN ID AD PROFESIO NAL "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.

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GENERALIDADES. DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINARIA DE PAPEL TISSUE. DESARROLLO DE LA INGENIERÍA.

DESARROLLO DE LA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA.

RESULTADOS y CONCLUSIONES.

MÉXICO D. F., A 29 DE MAYO DE 2013.

A RODRÍGUEZ

M. EN C. PED O FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ

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D MARGARITA J:Á]DEL DEPARTAMENTO INGENIERÍA EN CONTROL Y A

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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

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.

I

 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 II

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

III

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. IV

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. V

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. 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 VI

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

VII

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. VIII

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 electroneumático, 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 IX

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.

X

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 XI

velocidad aproximada de una máquina semiautomática convencional es de 4 empaques por minuto, y con la intervención de operarios.

XII

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES SOBRE CONCEPTOS BÁSICOS

CAPÍTULO 1

Página 1

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 Página 1

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)

Clasificación Tecnológica

Lógica Cableada

Lógica Programada

Eléctrica

Neumática

Microprocesador

Ordenador

PLC Hidráulica

Electrónica

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

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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.

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 Página 3

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 Página 4

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 Página 5

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 Página 6

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.

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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

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)

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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

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. Página 9

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 Página 13

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. Página 15

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. Página 16

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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Potenciómetro

LED LED

Emisor Emisor Receptor

Receptor b) Formas constructivas.

SISTEMA DE BARRERA

SISTEMA RÉFLEX

Emisor

Receptor

Reflector b) Métodos de reflexión.

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)

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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

METÁLICO

GRANULADO NO METÁLICO

LÍQUIDO

TRANSPARENTE

OPACO

< 50 mm

INDUCTIVO

> 50 mm

ULTRASÓNICO

< 50 mm

CAPACITIVO

> 50 mm

ULTRASÓNICO

< 50 mm

CAPACITIVO

> 50 mm

ULTRASÓNICO

< 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 Función

Red EtherNet/IP configuración, recolección de datos, y control a una sola y alta velocidad de red.

Red ControlNet Soporta la transmisión de datos en tiempo critico entre el PLC y los dispositivos de 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

Renvío de datos

Grandes paquetes; enviados regularmente.

Número máximo de nodos Tasa de transferencia de datos. Aplicaciones usuales.

Sin limites

Paquetes medianos; la transmisión de datos es determinística y repetible. 99 nodos

10 Mbps, 100 Mbps o 1Gbps Amplia arquitectura de planta. Aplicaciones de alta velocidad.

Red DeviceNet Conecta dispositivos de bajo nivel directamente a los controladores de planta. Sin necesitar una interface hacia los módulos E/S.  Sensores Arrancadores  Drives  Computadoras Personales  Botones pulsadores  Lectores de  códigos de barras  PLC  Válvulas mainfolds Pequeños paquetes; envío de datos cuando es necesario.

64 nodos totales

5Mbps

500, 250, 125 Kbps

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

Estrella

Anillo a nivel de dispositivos – DLR (switch interno)

Descripción 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 Desventajas  Fácil de diseñar,  Perdida del servicio de red en configurar e implementar. caso de falla de conexión  Direccionamiento directo  Principalmente el punto de entre dispositivos. falla es el switch centralizado.  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. 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 Desventajas  Robustez ante un punto  Se requiere de una de desconexión entre configuración de nodo dispositivos. supervisor.  Cableado simplificado.  Complejidad adicional al sistema  Capacidad de cubrir largas distancias con 100  Un número variable de hops m entre cada segmento puede provocar un de cobre. comportamiento difícil de predecir.  Rápida convergencia de red. 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 Desventajas  Fácil de diseñar,  Perdida del servicio de red en configurar e implementar. caso de falla de conexión.  Mínima cantidad de cable  Crea potencial de cuellos de necesario. botella.  Capacidad de cubrir  Un número variable de hops largas distancias 100 m provoca un comportamiento entre cada eslabón. 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.

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CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINARIA DE PAPEL TISSUE

CAPÍTULO 2

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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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Cuba

Hélice

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.

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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.

Cilindro neumático No.1

Cilindro neumático No.2

Figura 2.7 Etapa de selección y expulsión

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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.

Cilindros neumáticos No.3

Cilindros neumáticos No.4

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

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Figur a 2.9 Ilustr ación de la empa cador a actua ly labor es del perso nal.

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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.

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CAPÍTULO 3 DESARROLLO DE LA INGENIERÍA

CAPÍTULO 3

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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 44

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.

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B a n d a 5

Term o enco gido

a ) b )

Actuador es Neumático s J, J´, K, K´, L, M y M´ Banda 4

Cort e de sobr ante s

Actuado res Neumáti cos D, G, H, I y F´ Banda 3

Envo lven te plás tico

c ) d ) e ) f )

Un conjunto de cilindros y una banda hacen pasar la formació n de cilindros contra un plástico el cual envolver á los rollos, será d) tensado y a) cortado.

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 e) sobrantes.

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)

a)

Figura 3.2 Diagrama de bloques del proceso de empacad o de rollos de papel tissue con respecto a la

Actua dores Neumá ticos D, E, E´, F y F´

Esti bado de Cam as

Actuad ores Neumá ticos A, B, C yD

For maci ón de Cam as

Ban das 1, 2 y3

Tran spor te

Aquí los rollos prove nient es de la etapa de corta do son lleva dos hasta el prime r módu lo. 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 b) program ado

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.

máquina a automatiz ar.

c) a)

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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 subensambles. 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.

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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.

Banda elástica

Postes estructurales Motores

Bandas Transportadora Soportes laterales

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

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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.

Empaquetadora actual HX-ZB Etapa de formación de rollos

Propuesta de Empaquetadora, etapa 2 propuesta formación de presentaciones

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.

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Integración de la estructura de empaquetado al sistema

Estructura de empaquetado

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.

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Formación de presentacion es Proceso de termo-encogido HMI

CompaqLogix

POINT I/O

Proceso de empaquetado

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.

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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

Controlador de guías

efecto 1-C

DNC-40-350-P

Cilindro de

Determinar el numero

posicionamiento (Doble

de columnas (1-4)

efecto) 1-D

DGP/DGPL

Actuador lineal

Movimiento palanca 1

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2-E-E’

2-F-F’

DSN-16-120-P

Actuador de Simple

Movimiento de las

efecto

paletas abre-cierre

Cilindro de

Generación de los

posicionamiento de 3

niveles para el

niveles (Doble efecto)

empaquetado

ADN-25-260-A-P-A

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

Movimiento retiro de

posicionamiento (Doble

sobrante

efecto) 1-L

SLG Planos

Actuador de

Posicionamiento

desplazamiento lineal

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

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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.

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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 55

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

2-E

GLV18-55G/115/120

2-J

GLV1254/37/40b/92

2-A (Banda) 2-B (Conteo ) 1-C 1-F 1-D 7

CJ15-40-A2

Sensor fotoeléctrico de barrera óptica por reflexión (TRIFILAR) Sensor fotoeléctrico de barrera por reflexión(BIFILAR) Sensor capacitivo (TRIFILAR)

43

Sensores N.O SMT-8M Trifilares

1-I

GLV18-55G/115/120

1

CJ15-40-A2

Sensor capacitivo (TRIFILAR)

SIEMENS 3SE5

Sensor de limite accionamiento mecánico N/C Sensores Magnetoresistivos (BIFILAR, CONECTOR M8) Sensor fotoeléctrico de barrera óptica por reflexión (TRIFILAR) Botón pulsador N/C.

Ubicación en el proceso Detección de nivel de la bobina para embolso. Bandas iniciales

Conteo de rollos (mesa de formación de camas) y detección de paquetes. En la detección de llegada de rollos a posición deseada Tapas en las áreas peligrosas de la maquinaria Cilindros

Conteo de paquetes al final de la línea de empaquetado

Alim.

Salida

10 - 30 V CC (máx. 100mA) 10 - 30 V CC (máx. 300 mA) 10 - 30 V CC (max. 200 mA)

PNP

10 - 30 V CC (max. 200 mA)

PNP

24 V CC (máx. 100 mA)

PNP

24 V CC (máx. 100mA)

PNP

PNP

PNP

Botonera.

Página 56

1

Botón Hongo (Paro de emergencia) Botón pulsador N/A. (Arranque)

1

Botonera 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 57

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 58

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.

24 V CC

2-F-F´

VUVG-L14

Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.

1-G

VUVG-L14

Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Apertura de cuchillas para niveles Para la formación de numero de niveles 1,2,3 Palanca 2

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

24 V CC 24 V CC

Página 59

1-L

VUVG-L14

Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.

2-M-M´

VUVG-L14

7

S/C

24 V CC

Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Cilindro para cerrar o abrir el rango de corte lateral Cilindro de corte lateral

Contactores Motores .75 HP

Acopladas a las bandas

24 V CC

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:

v  r *w 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 : v r 0.3m / s w  4.28rad / s 0.07m w

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 60

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: 179.07rad / s  41.62 4.28rad / s

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:

P  H .P : *746watts  0.75 * 746  559.5watts 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: P  3 * V * I * Cos

Despejando la corriente se tiene: I

P 559.5watts   1.468 A 3 * V * Cos 3 * 220V * Cos.95

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: I arranque  7 *1.468 A  10.276 A

Página 61

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. I sobrecarg a  1.25I arranque  1.25(10.276 A)  12.845 A

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 62

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 Puertos de Comunicación Conexiones EtherNet Integradas E/S incorporadas

512 KB 1 x USB 2 x RJ45 2

64 kB 1 x RS422 1 x RS485 No

256Kb 1 x USB 1x RJ45 No

16 salidas digitales/ 16 entradas digitales 8

16 salidas digitales/ 16 entradas digitales 7

No

63 módulos (remotos) CPU + 8 IP 20 según IEC 529

3 racks de 7 módulos (c/u) 4 IP 20 según IEC 529

1 rack de 11 módulos (c/u) 2 IP 20 según IEC 529

RSLogix 5000

Step 7,

Unity Pro

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), S7SCL (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). 

Máximo de módulos expandibles locales. Máximo de módulos extras Bastidores totales Grado de protección Software/ Firmware Lenguajes de programación

11

Página 63

Opciones de modulo de comunicaciones SD Memory Card

Ethernet/IP, DeviceNet

Sí

Ethernet/IP, PROFINET, PROFUBUS, AsInterface, PtP, MPI Sí

Ethernet/IP, Modbus, CANopen field bus 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: L18ERBB1B. 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 L16ERBB11B. 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 64

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 65

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. Adaptador Ethernet 1734 AENT

Riel DIN

Módulos de E/S

Módulos de E/S

Fuente de alimentación 1734 EP24DC

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 Página 66

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 67



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 68

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 Modelo

Resolución

Allen Bradley Panel View Plus Compact 1000 10.4 pulgadas a color TFT. 640 x 480 pixeles

Siemens SIMATIC MP 277 INOX 10 inch Touch 10.4 pulgadas a color TFT. 640 x 480 pixeles

Tipo de entrada

Pantalla táctil.

Pantalla táctil.

Pantalla

Schneider Electric Magelis XBTGT 10.4 pulgadas a color LCD. 640 x 480 pixeles VGA. Pantalla táctil. Página 69

Puertos de Comunicación

1 x RS-232, 1 x Ethernet, 2 x USB

Módulo de comunicación addon. Software de programación Sistema operativo Sistema abierto o cerrado Memoria

Almacenamiento externo Alimentación eléctrica alarmas

Ninguno.

1 x RS485, 1 x RS422, 2 x USB 1 x Ethernet 1 x Combinado Ninguno

3 x Ethernet TCP/IP 2 x USB 1 x RS485 1 x RS232C/RS422/ RS485 Ninguno

FactoryTalk View

Win CC

Vijeo Designer

Ninguno Cerrado

Ninguno Cerrado

Ninguno Cerrado

Flash 64 MB no volátil/ RAM de 64 MB 1 slot Compact Flash

1024 kB

SD/Multi Media

SRAM 512 kB Memoria Flassh EPROM 32 MB 1 slot Compact Flash

24 V CD (18 a 30 V CD) 200

24 V CD (20.4 a 28.8 V CD) 200

24 V CD (19.2 a 28.8 V CD) 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 70

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 71

 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 72

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 73

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 74

 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 75

Figura 3. 18 Fuente de alimentación 1734-EP24DC.

Las características de la fuente 1734-EP24DC son las siguientes:  Capacidad de alimentar de corriente de cada módulo.

4 a 17 módulos, dependiendo del rango de

 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 76

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:

Ptotal  0.75H .P * 6  4.5H .P * 746watts  3357watts Ahora con la corriente total del circuito, se necesita saber la corriente, para poder seleccionar las pastillas del circuito general de fuerza.

I

Ptotal 3 *V



3357 watts  8.81A 3 * 220

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.

Itotal  8.81A * 7  61.67 A Ahora se calcula la corriente corregida que es la 1.25 veces mayor que la corriente anteriormente calculada.

I c  I *1.25  61.67 A *1.25  77.0875 A 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 77

Con los datos anteriores de las fuentes de alimentación se calcula la corriente total del circuito de control.

I total  I1606 XLE  I1734 EPDC  10 A  12 A  22 A Para el cálculo de las protecciones se toma 1.25 veces la corriente de las fuentes en este caso.

I c  I *1.25  22 A *1.25  27.5 A 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

I c  I *1.25  10 A *1.25  12.5 A Fuente 1606-XLE

I c  I *1.25  12 A *1.25  15 A  La potencia suministrada, con base en el cálculo anterior es:

P  I *V  22 A *127V  2794watts  Interruptor general Para el cálculo del interruptor general se tiene la suma de las corrientes tanto de control como de fuerza.

I  27.5 A  77.0875 A  104.58 A 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.

Página 78

Página 79

1734FUENTE

15 A

1606-XLE FUENTE

127 V

12.5 A

127 V

127 V

I=27.5 A

1

CTO. CONTROL

M1

220 V 12.485 A

220 V 12.485 A

104.58 A 220 V 3

DIAGRAMA UNIFILAR

M2

Ing. Montiel Varela Alejandro Supervisor: Ing. Salazar Avila Jesse Abner

Diseñador:

DIAGRAMA UNIFILAR

M4

12.485 A

220 V

I=77.0875 A

220 V

M3

12.485 A

220 V

3

CTO. FUERZA

220 V

1:3

IPN LAYOUT_TESIS.dwg

Empresa:

07/OCTUBRE/2012

M5

12.485 A

1

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 80

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.

Página 81

250 mA

L1 127 V

Sensores 24 VCD 250 mA

Módulos 1734 mA E/S 24 1606-XLE240E-3 Fuente VCD del L1 PLC + N -

Fuente 1734 de L1 EPC24DC E/S N + -

N

N

-VCD

FUENTE DE ALIMENTACION

+24 VCD

B-SENSOR_ CAPACITIVO_3

A-SENSOR_ CAPACITIVO_2

A-SENSOR_ CAPACITIVOS_1

J-SENSOR_ FOTOELECTRICO_2

J-SENSOR_ FOTOELECTRICO_1

SLOT 1 -VCD

ENTRADAS AL PLC +24 VCD

Ing. Jesse Abner Salazar S upervisor: Ing. Alejandro Montiel Varela Ing. Zaid G uadarrama Rendon

Diseñador:

5 370 CompactLogix

CONTROL CON PLC

DISEÑO DEL TABL ERO DE

F-SENSOR_ CAPACITIVO_7

D-SENSOR_ CAPACITIVO_6

C-SENSOR_ CAPACITIVO_5

B-SENSOR_ CAPACITIVO_4

1:3

IPN PLC_ TESIS.dwg

Empresa:

0 7/OCTUBRE/2012

SLOT 2

Figura 3.20 Conexió n de dispositi vos: fuentes de aliment ación, entrada sy salidas

Página 82

4

-VCD

+24 VCD

SLOT 6

D-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_10

A-SENSOR_ MAGNETORESISTIVOS_2

I-SENSOR_ CAP_26

H-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_25

H-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_24

G-SENSOR_ MAGNETORESISTIVOS_23

G-SENSOR_ MAGNETORESISTIVOS_22

F'SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_21

F'-SENSOR_MAGNETORESISTIVO_20

F'-SENSOR_MAGNETORESISTIVO_19

D-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_9

A-SENSOR_ MAGNETORESISTIVOS_1

C-SENSOR_ MAGNETORESISTIVOS_7

Ing. Je sse Ab ner Sa lazar Ing. Za id Gua darrama Rendon

S up ervisor: Ing . Alejan dro Mo ntiel Varela

Dise ñad or:

5370 CompactLogix

CONTROL CON PLC

DISEÑO DEL TABLERO DE

1:3

IPN PLC_TESIS.dwg

Empresa:

07/OCTUBRE/2012

ENTRADAS AL PLC

F-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_18

F-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_17

F-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_16

E'-SENSOR_MAGNETORESISTIVOS_15

E'-SENSOR_MAGNETORESISTIVOS_14

E-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_13

C-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_5

C-SENSOR_ MAGNETORESISTIVOS_6

E-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_12

B-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_4

SLOT 5

D-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_11

+24 VCD

B-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_3

SLOT 4

C-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_8

+24 VCD

+24 VCD

E-SENSOR_ FOTOELECTRICO_5

E-SENSOR_ FOTOELECTRICO_4

I-SENSOR_ FOTOELECTRICO_3

SLOT 3

Figura 3.21 Conexió n de dispositiv os: entradas y salidas

Página 83

4

+24 VCD

L -SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_36

L -SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_37

L -SENSOR_ MAGNETORESISTIVOS_38

L -SENSOR_ MAGNETORESISTIVOS_39

M-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_40

M-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_41

M'-SENSOR_MAGNETORESISTIVO_42

J-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_28

J-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_29

J'-SENSOR_MAGNETORESISTIVOS_30

J'-SENSOR_MAGNETORESISTIVOS_31

K-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_32

K-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_33

K'-SENSOR_MAGNETORESISTIVO_34

ENTRADAS AL PLC

K'-SENSOR_MAGNETORESISTIVO_35

SLOT 8

I-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_27

SLOT 7

+24 VCD

S up ervisor: Ing . Alejan dro Mo ntiel Varela Ing. Za id Gua darrama Rendon

Ing. Je sse Ab ner Sa lazar

1:3

IPN PLC_TESIS.dwg

Empresa:

07/OCTUBRE/2012

J-SENSOR_ FOTOELECTRICO_7

J-SENSOR_ FOTOELECTRICO_6

CONTROL CON PLC 5370 CompactLogix

Dise ñad or:

SLOT 9

M '-SENSOR_ MAGNETORESISTIVO_43

DISEÑO DEL TABLERO DE

+24 VCD

Figura 3.22 Conexió n de dispositi vos: entrada sy salidas

Página 84

4

SLOT 13

SLOT 10

SLOT 11

SALIDAS DEL PLC

Figu ra 3.23 Con exió n de disp ositi vos: entr ada sy sali das

Página 85

Ing. Jesse Abner Salazar S upervisor: Ing. Alejandro Montiel Varela Ing. Zaid G uadarrama Rendon

Diseñador:

5 370 CompactLogix

CONTROL CON PLC

DISEÑO DEL TABL ERO DE

1:3

IPN PLC_ TESIS.dwg

Empresa:

0 7/OCTUBRE/2012

SLOT 12

4

SALIDAS DEL PLC

SLOT 14 +24 VCD

Fi gu ra 3. 24 Co ne xió n de dis po siti vo s: en tra da sy sal id as

Página 86

S upervisor:

Diseñador: Ing. Alejandro Montiel Varela Ing. Zaid G uadarrama Rendon

Ing. Jesse Abner Salazar

CONTROL CON PLC 5 370 CompactLogix

DISEÑO DEL TABL ERO DE

1:3

IPN PLC_ TESIS.dwg

Empresa:

0 7/OCTUBRE/2012

4

L3

L2

L1

L3

L3 MOTOR 4

L2

L1 L2 L1

L3

L3 MOTOR 3

L1 L2

MOTOR 2

L1 L2

L3

L1 L2

MOTOR 1

S upervisor:

Diseñador: Ing. Alejandro Montiel Varela Ing. Zaid G uadarrama Rendon

Ing. Jesse Abner Salazar

5 370 CompactLogix

CONTROL CON PLC

DISEÑO DEL TABL ERO DE

1:3

IPN PLC_ TESIS.dwg

Empresa:

0 7/OCTUBRE/2012

MOTOR 6

MOTOR 5

ARRANQUE A TENSION PLENA

DIAGRAMA DE CONEXION DE MOTORES

Figura 3.25 Conexión de motores

Página 87

4

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 RSLogix 5000

   

RSLinx Classic



Funciones Configurar el proyecto CompactLogix. Definir la comunicación EtherNet/IP. Cambiar la dirección IP para dispositivos en la red, incluido el controlador CompactLogix 5370 Asignar o cambiar direcciones IP a los dispositivos en una red

Requerido Si

Página 88

Utilidad BOOTP/DHCP con RSLogix 5000

EtherNet/IP.  Configurar dispositivos de comunicación  Proporcionar diagnósticos  Establecer comunicación entre dispositivos  Asignar direcciones IP a los dispositivos en una red EtherNet/IP.

No

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.

Página 89

Página 90

PANEL VIEW PLUS 1000

192.168.1.4

PC 192.168.1.1

SWITCH STRATIX 2000 NO ADMINISTRADO

PANEL VIEW COMPACT PLUS 1000

ALLEN-BRADLEY

192.168.1.3

192.168.1.2

PLC AB 5370-L1

TOPOLOGIA DE RED ETHERNET RUN

24 VDC SOURCE

DC OUTPUT

24 VDC SINK

DC INPUT

8

2

3

4

5

7

2 10 3 11 4 12 5 13 6 14 7 15 v v v v

7 15 v v v v

15

7

15

5 13 6 14

14

6

L18ERM

1 9

Ing. Jesse Abner Salazar Supervisor: Ing. zaid Guadarrama Rendon

Diseñador:

ETHERNET

TOPOLOGIA DE RED

6 14

3 11 4 12

13

5

13

2 10

12

4

12

1 9

11

3

11

0 8

10

2

10

0 8

9

1

9

8

0

1

0

1:3

5 6

7

1 2

3

IPN

4

0

24 VDC Sink

network STATUS

MODULE STATUS

LAYOUT_TESIS.dwg

Empresa:

07/OCTUBRE/2012

POINT I/O 1734

OK

I/O

FORCE

Figura 3. 27 Esquema General de módulos de comunicac ión

1

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 91

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 92

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 93

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.

Dirección de Red Rueda de conf. (Botones + y -)

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.

Página 94

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 subrutinas 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 95

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 96

“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 97

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 98

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 99

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 100

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 101

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 102

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:

-ETAPA 1 -ETAPA 2 -FORMACIÓN DE NIVELES

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.

Página 103

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 104

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.

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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 106

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.

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Figura 3.49 Conteo del tiempo en marcha de MOTOR 1.

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CAPÍTULO 4 INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA

CAPÍTULO 4

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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 110

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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HMI

CompacLogix Point I/O

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 hombremáquina, 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.

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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.

Creación del objeto Emulate en

Figura 4.2 Pantalla RSLogix 5000 Emulate de slot 2 del procesador

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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.

a) Creación de driver c) Ejecutamos el driver

b) Selección de driver

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

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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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Barra de Menús

Barra de herramientas

Árbol de trabajo Área de Trabajo

Ventana de errores

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

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a) Introducir el nombre de aplicación

b) Introducir el idioma de nuestra aplicación

c) Crear la aplicació n

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

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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.

Ventana Explorer

Doble clic para configurar las comunicaciones

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 Página 119

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.

a) Se selecciona crear nueva configuración

b) Se acepta en la opción finalizar

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.

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Creación de accesos directos con él se comunicara RSLogix5000 y FactoryTalk View Studio

Desing Local

Runtime

Gestión de comunicaciones Permite aplicar el acceso directo a la aplicación Verifica si el acceso directo se ha creado correctamente

Acceso directo aun archivo con tags o un dispositivo en línea

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.

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a)

b)

Doble clic en la opción Ethernet

Clic en la opción Start Browsing

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.

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b) Se agrega un acceso directo

a) Selección de controlador d) Clic en apply

c) Se agrega el archivo que contiene los tags

e) Clic en aceptar

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 Página 123

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.

a) Selección de objetos a usar en la pantalla

b) Arrastra el objeto

Figura 4.13 Creación de un objeto en el espacio de trabajo pantalla

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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. Pestaña Connections (Configuración de Tags)

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. a) Clic en Tag

b) Selección del Tag

Figura 4.15 Selección del tag al objeto

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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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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 129

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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Lote en Prod ucció n Resu men de Lote

Núme ro de empa ques

Selecci ón de presen tación

Panta lla de prue bas

Infor mació n gener al.

Panta lla de Inicio

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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 132

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 133

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

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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. Página 135

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.

Enlace entre el botón start y el contacto mediante el acceso directo creado y llamado “Botón 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

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emulación de entradas como la selección del tipo de presentación como se muestra en la figura 4.25. SELECCIÓN DE PRESENTACION 1 EN LA HMI

SELECCIÓN DE PRESENTACION 1 EN EL PROGRAMA MEDIANTE LA HMI

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.

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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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SELECCIÓN DEL BOTÓN DE ARRANQUE

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.

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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. 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.

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.

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SE ACTIVA EL CILINDRO A

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

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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.

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.

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

Figura 4.33 Inicio de la sub-rutina de formación de niveles.

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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.

AL SER SOLO 2 NIVELES EL CONTADOR LLEGA A SU CUENTA Y ABRE SU CONTACTO IMPIDIENDO QUE SUBA UN NIVEL MAS.

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.

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SIMULACIÓN DE DETECCIÓN DEL SENSOR CAPACITIVO F Y ACTIVACIÓN DEL CILINDRO G.

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.

SIMULACIÓN DE DETECCIÓN DEL SENSOR FOTOELECTRICO G Y ACTIVACIÓN DEL CILINDRO SUJETADOR I.

Figura 4.36 Introducción de los rollos a el área de empaquetado.

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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 147

Tabla 4. 2 Costos totales de elementos de control y neumáticos No.

DESCRIPCIÓN

CANTIDAD

COSTO POR UNIDAD

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 1734AENT, 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 1734OV8E, 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 Sensor Fotoeléctrico GLV18-55G/115/120 de P+F

1

$2,759.68

$2,759.68

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

8

TOTAL

Página 148

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-16120-P

2

$270.25

$540.50

19

Cilindro neumatico D.E ADN-25-260A-P-A

2

$425.69

$851.38

20

Cilindro neumático D.E. DGO-16650-PPV-A-B

1

$450.52

$450.52

21

Cilindro neumático D.E. DNC-32400-PPV

1

$352.25

352.25

22

Cilindro neumático D.E. DSN-20300-P

1

$325.58

$459.63

23

Cilindro neumático D.E. ADN-16-50A-P-A

2

$280.30

560.6

24

Cilindro neumático D.E. DNC-32250-PPV

2

$425.69

$851.38

25

SLG Planos

1

$425.89

$425.89

26

Cilindro neumático D.E. DNC-40400-PPV

2

$375.89

751.78

Página 149

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 150

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

Horas de

Numero de

trabajo

empleados

$ 270

350

3

$ 94500

Técnico electricista

$ 110

64

1

$ 7,040

Programación HMI

$ 300

48

1

$ 14,400

$ 120

56

1

$ 6,720

$ 80

80

1

$ 6,400

Ingeniero en Control

Sueldo por hora

Sueldo Total

Y automatización

Técnico en sistemas Automatizados Ayudante general

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.

Página 151

CAPÍTULO 5 Resultados y Conclusiones

CAPÍTULO 5

Página 152

ANEXOS

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 Página 153

ANEXOS

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

1.02 s

palanca 1 B

Movimiento de guías

0.7 s

C

Determinar el número de columnas

2.03 s

1,2,3 y 4 D

Movimiento palanca 1 Velocidad propuesta 1 m/s Velocidad máxima

1.42 s

3 m/s E-E’

Movimiento de palancas abre y

0.97 s

cierra, para formado de camas F-F’

Generación de niveles 1,2 y 3

3.89 s

G

Movimiento de palanca dos (inicio

4.02 s

etapa 2) H

Movimiento de la cizalla

2.05 s

I

Movimiento de sujeción del bolso

3.12 s

J-J’

Movimiento para sujetar sobrantes

1s

del bolso K-K’

Movimiento para retiro de sobrantes

2.01 s

L

Movimiento lateral para corte de

1s

sobrantes Velocidad propuesta 0.5 m/s Velocidad máxima 1 m/s M-M’

Cizalla de corete de sobrantes

TIEMPO ESTIMADO DE EMPAQUETADO

2.04 s 21.2 s

Página 154

ANEXOS

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 Página 155

ANEXOS

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 Página 156

ANEXOS

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.

Página 157

ANEXOS

ANEXOS

Página 158

ANEXO I TABLA DE REFERENCIAS DE DIRECCIONES DE VARIABLES  ENTRADAS Local 3:I:Data [0] DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4 5 6 7

NOMBRE REFERENTE INTERNO

DESCRIPCIÓN

B_ARRANQUE B_PARO PARO_EMERGENCIA J-SENSOR_FOTOELEC_1 J-SENSOR_FOTOELEC_2 A-SENSOR_CAP_1 A-SENSOR_CAP_2 B-SENSOR_CAP_3

LIMITE_ROLLOS_BANDA_IZQ LIMITE_ROLLOT_BANDA_DER ROLLOS_BANDA_IZQ ROLLOS_BANDA_DER CONTEO_ROLLOS_IZQ

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 8 9 10 11 12 13 14 15

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4 5 6 7

Local 3:I:Data [0] NOMBRE REFERENTE INTERNO B-SENSOR_CAP_4 C-SENSOR_CAP_5 D-SENSOR_CAP_6 F-SENSOR_CAP_7 Sensor_limite_1 Sensor_limite_2 Sensor_limite_3 Sensor_limite_4

DESCRIPCIÓN CONTEO_ROLLOS_DER LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA1 LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA2 LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA3 PRESENCIA_DE_INTRUSO PRESENCIA_DE_INTRUSO PRESENCIA_DE_INTRUSO PRESENCIA_DE_INTRUSO

POINT _IO_ADAPTER:I.Data[2] - ENTRADAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO Sensor_limite_5 Sensor_limite_6 Sensor_limite_7 I-SENSOR_FOTOELEC_3 E-SENSOR_FOTOELEC_4 E-SENSOR_FOTOELEC_5 A-SENSOR_MAGNETIC_1 A-SENSOR_MAGNETIC_2

CONTEO_PAQUETES_TERMINADOS NIVEL_BOBINA_1 NIVEL_BOBINA_2 EXTENDIDO RETRAIDO

CILINDRO A

Página 159

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4 5 6 7

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4 5 6 7

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4 5 6 7

POINT _IO_ADAPTER:I.Data[3] - ENTRADAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO B-SENSOR_MAGNETIC_3 B-SENSOR_MAGNETIC_4 C-SENSOR_MAGNETIC_5 C-SENSOR_MAGNETIC_6 C-SENSOR_MAGNETIC_7 C-SENSOR_MAGNETIC_8 D-SENSOR_MAGNETIC_9 D-SENSOR_MAGNETIC_10

EXTENDIDO RETRAIDO LARGO_1_PAQUETES LARGO_2_PAQUETES LARGO_3_PAQUETES LARGO_4_PAQUETES CILINDRO_LINEAL_POS_1 CILINDRO_LINEAL_POS_2

CILINDRO B CILINDRO C CILINDRO C CILINDRO D

POINT _IO_ADAPTER:I.Data[4]- ENTRADAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO D-SENSOR_MAGNETIC_11 E-SENSOR_MAGNETIC_12 E-SENSOR_MAGNETIC_13 E’-SENSOR_MAGNETIC_14 E’-SENSOR_MAGNETIC_15 F-SENSOR_MAGNETIC_16 F-SENSOR_MAGNETIC_17 F-SENSOR_MAGNETIC_18

CILINDRO_LINEAL_POS_3 CILINDRO_ABRIR_IZQ CILINDRO_CERRAR_IZQ CILINDRO_ABRIR_DER CILINDRO_CERRAR_DER NIVEL 1_ROLLOS_DER NIVEL 2_ROLLOS_DER NIVEL 3_ROLLOS_DER

CILINDRO D CILINDRO E CILINDRO E’ CILINDRO F’_DER

POINT _IO_ADAPTER:I.Data[5] - ENTRADAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO F’-SENSOR_MAGNETIC_19 F’-SENSOR_MAGNETIC_20 F’-SENSOR_MAGNETIC_21 G-SENSOR_MAGNETIC_22 G-SENSOR_MAGNETIC_23 H-SENSOR_MAGNETIC_24 H-SENSOR_MAGNETIC_25 I-SENSOR_MAGNETIC_26

NIVEL 1_ROLLOS_IZQ NIVEL 2_ROLLOS_IZQ NIVEL 3_ROLLOS_IZQ CILINDRO_LINEAL_POS_1 CILINDRO_LINEAL_POS_2 ABAJO_CILINDRO_GUILLOTINA ARRIBA_CILINDRO_GUILLOTINA ABAJO_CILINDRO_GUILLOTINA

CILINDRO F’

CILINDRO G CILINDRO H CILINDRO I

Página 160

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4 5 6 7

POINT _IO_ADAPTER:I.Data[6] - ENTRADAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO I-SENSOR_MAGNETIC_27 J-SENSOR_MAGNETIC_28 J-SENSOR_MAGNETIC_29 J’-SENSOR_MAGNETIC_30 J’-SENSOR_MAGNETIC_31 K-SENSOR_MAGNETIC_32 K-SENSOR_MAGNETIC_33 K’-SENSOR_MAGNETIC_34

CILINDRO I CILINDRO J CILINDRO J’ CILINDRO K CILINDRO K’

POINT _IO_ADAPTER:I.Data[7] - ENTRADAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4 5 6 7

K’-SENSOR_MAGNETIC_35 L-SENSOR_MAGNETIC_36 L-SENSOR_MAGNETIC_37 L-SENSOR_MAGNETIC_38 L-SENSOR_MAGNETIC_39 M-SENSOR_MAGNETIC_40 M-SENSOR_MAGNETIC_41 M’-SENSOR_MAGNETIC_42

ACERCAMIENTO DE GRIPPER CILINDRO_CORTADO_LATERAL_1 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_2 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_3 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_4 CILINDRO_CORTE_ARRIBA_DER CILINDRO_CORTE_ABAJO_DER CILINDRO_CORTE_ARRIBA_IZQ

CILINDRO K’ CILINDRO L

CILINDRO M CILINDRO M’

POINT _IO_ADAPTER:I.Data[8] - ENTRADAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC I:9/0 I:9/1 I:9/2

ARRIBA_CILINDRO_GUILLOTINA ABRIR_MECANISMO CERRAR_MECANISMO ABRIR_MECANISMO CERRAR_MECANISMO RETIRO_DE_SOBRANTES ACERCAMIENTO_DE_GRIPPER RETIRO_DE_SOBRANTES

M’-SENSOR_MAGNETIC_43 G-SENSOR_FOTOELEC_6 H-SENSOR_FOTOELEC_7

CILINDRO_CORTE_ABAJO_IZQ DETECTAR_ROLLOS-BAJAR CUCHILLAS DETECTAR_ROLLOSCORTE_LATERAL

CILINDRO M’

 SALIDAS

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0

Local 3:O:Data [1] - SALIDAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO LÁMPARA 1 Página 161

1 2 3 4 5 6 7

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 8 9 10 11 12 13 14 15

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4 5 6 7

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC 0 1 2 3 4

LÁMPARA 2 LÁMPARA 3 LÁMPARA 4 LÁMPARA 5 SOLENOIDE 1 SOLENOIDE 2 SOLENOIDE 3

Cilindro A Cilindro B Cilindro C

Local 3:O:Data [1] - SALIDAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO SOLENOIDE 4 Cilindro D Sentido 1 SOLENOIDE 5 Cilindro D Sentido 2 SOLENOIDE 6 Cilindro E SOLENOIDE 7 Cilindro E’ SOLENOIDE 8 Cilindro F Nivel 1 SOLENOIDE 9 Cilindro F Nivel 1 SOLENOIDE 10 Cilindro F’ Nivel 2 SOLENOIDE 11 Cilindro F’ Nivel 2

POINT _IO_ADAPTER:O.Data[9]– SALIDAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO SOLENOIDE 12 Cilindro G SOLENOIDE 13 Cilindro H SOLENOIDE 14 Cilindro I SOLENOIDE 15 Cilindro J SOLENOIDE 16 Cilindro J’ SOLENOIDE 17 Cilindro K SOLENOIDE 18 Cilindro K’ SOLENOIDE 19 Cilindro L Rango de corte lateral

POINT _IO_ADAPTER:O.Data[10]– SALIDAS NOMBRE REFERENTE DESCRIPCIÓN INTERNO SOLENOIDE 20 Cilindro L Rango de corte lateral SOLENOIDE 21 Cilindro M SOLENOIDE 22 Cilindro M’ BOBINA M1 IZQ MOTOR 1 BOBINA M1 DER MOTOR 1

Válvula 5/2 Válvula 3/2 Válvula 5/2

Válvula 5/3 Válvula 5/2 Válvula 5/2 Válvula 5/3 Válvula 5/3

Válvula 5/2 Válvula 5/2 Válvula 5/2 Válvula 5/2 Válvula 5/2 Válvula 5/2 Válvula 5/2 Válvula 5/3

Válvula 5/3 Válvula 5/2 Válvula 5/2

Página 162

5 6 7

BOBINA M2 BOBINA M3 BOBINA M4

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC O:14/0 O:14/1 O:14/2

MOTOR 2 MOTOR 3 MOTOR 4

POINT _IO_ADAPTER:O.Data[10] NOMBRE REFERENTE INTERNO

BOBINA M5 BOBINA M6 SOLENOIDE 22

DESCRIPCIÓN

MOTOR 5 MOTOR 6 Cilindro C

Página 163

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 164

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 165

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 166

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 167

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 168

SOL 4

SOL 1

CILINDRO D

CILINDRO A

SOL 5

SOL 2

DIAGRAMAS DE CONTROL NEUMATICOS

SOL 6

CILINDRO E

CILINDRO B

SOL 3

CILINDRO E'

Ing. Jesse Abner Salazar Supervisor: Ing. Alejandro Montiel Varela

Diseñador:

ESQUEMAS DE CONTROL

CIRCUITOS NEUMATICOS

SOL 7

CILINDRO C

1:3

IPN LAYOUT_TESIS.dwg

Empresa:

15/OCTUBRE/2012

SOL 23

1

ANEXO III CONEXIÓN DE EQUIPO NEUMÁTICO

Página 169

Página 170

SOL 13

SOL 8

CILINDRO H

CILINDRO F

SOL 9

DIAGRAMAS DE CONTROL NEUMATICOS

SOL 14

SOL 10

CILINDRO I

CILINDRO F'

SOL 11

SOL 12

Ing. Jesse Abner Salazar Supervisor: Ing. Alejandro Montiel Varela

Diseñador:

ESQUEMAS DE CONTROL

CIRCUITOS NEUMATICOS

1:3

IPN LAYOUT_TESIS.dwg

Empresa:

15/OCTUBRE/2012

CILINDRO G

1

Página 171

SOL 19

SOL 15

CILINDRO L

CILINDRO J

SOL 20

SOL 16

SOL 21

CILINDRO J'

DIAGRAMAS DE CONTROL NEUMATICOS

CILINDRO M

SOL 17

CILINDRO K

SOL 22

CILINDRO M'

Ing. Jesse Abner Salazar Supervisor: Ing. Alejandro Montiel Varela

Diseñador:

ESQUEMAS DE CONTROL

CIRCUITOS NEUMATICOS

SOL 18

1:3

IPN LAYOUT_TESIS.dwg

Empresa:

15/OCTUBRE/2012

CILINDRO K'

1

PLC AB 5370-L1

840 mm

FUENTE DE ALIMENTECION

1606-XL

1040 mm

PANEL VIEW PLUS 1000

1200 mm

LAY-OUT PLC 5310-L1 EN GABINETE

Ing. Jesse Abner Salazar Supervisor: Ing. Alejandro Montiel Varela

Diseñador:

LAY-OUT PLC AB 5370-L1

1:3

IPN LAYOUT_TESIS.dwg

Empresa:

15/OCTUBRE/2012

1040x840x1200 mm

Gabinete standard modelo BC4C/18

1

ANEXO IV GABINETES DE CONTROLADORES

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US LISTED

POWER SUPPLY

1764-EP24DC

Allen-Bradley

+ DC 24V/4A

N L

Supervisor: Ing. Alejandro Montiel Varela

D iseñador: Ing. Jesse Abner Salazar

DE ENTRADAS Y SALIDAS

LAY-OUT MÓDULO REMOTO

CLEMAS DE CONEXION

FUENTE DE ALIMENTACION

Input AC 100-120/220-240V

+

925 mm

Lay-out del módulo remoto de entradas y salidas dentro del gabinete seleccionado

CANALETA DE CABLEADO

230 mm

POIN I/O

1:3

IPN LAYOUT_TESIS.dwg

Empresa:

15/OCTUBRE/2012

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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

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