MODERNIZACIÓN Y SIMULACIÓN DE UNA MÁQUINA EMPACADORA DE ARROZ EN LA EMPRESA INPROARROZ LTDA. EN VILLAVICENCIO
EDWIN ALFONSO ARDILA ARDILA GIOVANNI HUMBERTO RODRÍGUEZ BENITO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA MECATRÓNICA BOGOTA D.C. 2007
1
MODERNIZACIÓN Y SIMULACIÓN DE UNA MÁQUINA EMPACADORA DE ARROZ EN LA EMPRESA INPROARROZ LTDA. EN VILLAVICENCIO
EDWIN ALFONSO ARDILA ARDILA GIOVANNI HUMBERTO RODRÍGUEZ BENITO
Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Mecatrónico
Asesor GREGORIO RUBINSTEIN Ingeniero eléctrico
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA MECATRONICA BOGOTA D.C. 2007
2
Nota de aceptación -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
___________________________ Firma del presidente del jurado
_________________________ Firma del jurado
______________________ Firma del jurado
______________________________ Firma Asesor Metodológico
BOGOTA 25 DE JULIO DEL 2007
3
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6
CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN.
18
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
20
1.1ANTECEDENTES.
20
1.1.1 Antecedentes de la empresa INPROARROZ LTDA.
20
1.1.2 Antecedentes de una visita técnica a la empresa TECNOPACK Ltda.
22
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
25
1.3 JUSTIFICACIÓN.
27
1.4 OBJETIVOS DEL PROYECTO.
29
1.4.1 Objetivo General.
29
1.4.2 Objetivos Específicos.
29
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO.
30
1.5.1 Alcances.
30
1.5.2 Limitaciones.
31 32
2. MARCO DE REFERENCIA. 2.1 MARCO CONCEPTUAL.
32
2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO.
35
7
2.3 MARCO TEÓRICO.
38
2.3.1 Actuadores.
39
2.3.1.1 Actuadores Eléctricos.
39
2.3.1.2 Actuadores Neumáticos.
40
2.3.1.3 Actuadores Hidráulicos.
40
2.3.2 Motores eléctricos.
40
2.3.3 Sensores eléctricos.
41
2.3.3.1 Sensores capacitivos.
42
2.3.3.2 Sensores de proximidad ópticos.
43
2.3.3.3 Sensores de barrera.
43
2.3.3.4 Sensores de retrorreflexión.
44
2.3.4 Celda de carga.
45
2.3.4.1 Medición por fuerza de flexión.
46
2.3.4.2 Medición de fuerzas por compresión.
47
2.3.4.3 Medición de fuerzas por tensión.
47
2.3.4.4 Medición de fuerzas por corte o cizalladura.
48
2.3.5 Rele.
49
2.3.6 Pantallas de cristal liquido.
50
2.3.6.1 Pantalla de cristal líquido alfanumérica.
50
2.3.6.2 Pantallas de cristal líquido gráficas.
52
8
2.3.7
Microcontroladores.
53
2.3.8 Teclado matricial de membrana.
54
2.3.9
57
Sistema de control.
2.3.9.1 Sistema de control on off.
57
2.3.10 Comunicación serial.
58 62
3. METODOLOGÍA. 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN.
62
3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN.
62
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN.
62
3.4 HIPÓTESIS.
63
3.5 VARIABLES.
63
4. ENFOQUE INGENIERIL Ó TECNOLÓGICO.
64
4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.
72
4.2 SISTEMA DE CENTRADO ACTUAL Y MODERNIZADO.
72
4.2.1 Diseño del sistema de centrado del rollo de la bolsa.
73
4.2.2 Diseño de engranes rectos.
78
4.2.3 Fuerza y Potencia Requerida Para El Motor.
81
4.2.4 Aspectos para elegir el motor.
84
4.2.5 Cálculos por fatiga.
85
4.2.6 Fuerzas ejercidas en los engranes.
87
9
4.2.7 Reacciones en el eje de los puntos de apoyo.
88
4.2.8 Cálculos de la fuerza axial que ejerce la carga.
88
4.2.9 Cálculos de rodamientos.
90
4.2.10 Diseño del eje secundario.
91
4.2.11 Análisis por par de torsión y los pares transmitidos en las Secciones transversales.
91
4.2.12 Escoger el Factor de Seguridad.
94
4.2.13 Cálculos de resistencia de fatiga.
96
4.2.14 Diseño del eje principal del sistema de centrado de rollo de bolsa.
96
4.3 DISEÑO DEL PROGRAMA PARA CENTRAR EL ROLLO DE BOLSA.
103
4.4 SISTEMA DE PESO ACTUAL Y MODERNIZADO.
104
4.4.1 Diseño de control y selección del motor para el sistema de peso.
104
4.4.2 Diseño del programa de peso con teclado de membrana y pantalla lcd.
116
4.4.3 Etapa de potencia e inversor de giro para sistema de control de peso y de centrado de bolsa. 4.5 SISTEMA DE VELOCIDAD DE LA MÁQUINA ACTUAL.
10
125 125
4.5.1 programa para aumentar la velocidad de la máquina empacadora de arroz a 60 bolsas por minuto.
126
4.6 SISTEMA CONTADOR DE BOLSAS ACTUAL.
133
4.6.1 Diseño del programa contador de bolsas empacadas.
134
4.7 SISTEMA PARA RETIRAR LA BOLSA DE ARROZ EMPACADA DE LA BÁSCULA.
136
4.8 ESQUEMA DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE LA MÁQUINA.
139
4.9 ANÁLISIS DE COSTO / BENEFICIO
144
5 CONCLUSIONES.
149
6 BIBLIOGRAFÍA
150
7 ANEXOS.
151
11
LISTA DE FIGURAS Pág. FIGURA 1. Sistema de peso actual de la máquina empacadora de arroz. 21 FIGURA 2. Pocillos de dosificación de arroz por volumen.
21
FIGURA 3. Sistema actual del centrado del rodillo.
21
FIGURA 4. Máquina empacadora de arroz fabricada por la empresa Tecnopack Ltda.
22
FIGURA 5. Características de las señales de entrada de un Microcontrolador.
33
FIGURA 6. Accionador neumatico.
39
FIGURA 7. Motorreductores de corriente continua.
40
FIGURA 8. Sensor Capacitivo.
42
FIGURA 9. Verificación de la rotula de broca por medio de sensores de Barrera.
44
FIGURA 10. Sensor óptico de retrorreflexión.
44
FIGURA 11. Celda de carga en su estructura física.
45
FIGURA 12. Forma de montaje de la celda de carga.
46
FIGURA 13. Celda de carga para medición de fuerza por compresión.
47
FIGURA 14. Celda de carga para medición de fuerza por tensión.
47
FIGURA 15. Celda de carga para medición de fuerza por corte o cizalladura.
48
FIGURA 16. Aplicaciones de la celda de carga por corte ó cizalladura.
48
FIGURA 17. Báscula a través de celdas de carga tensión ó compresión. 49 FIGURA 18. Estructura física interna de un relé.
49
FIGURA 19. LCD pantallas Alfanuméricas.
50
FIGURA 20. LCD pantallas graficas.
52
FIGURA 21. Microcontroladores Motorota.
53
FIGURA 22. Teclados de membrana matricial y lineal.
55
FIGURA 23. Estructura interna del teclado.
55
FIGURA 24. Problemas de los teclados de muelle.
56
FIGURA 25. Configuración y funcionamiento de un teclado matricial.
57
12
FIGURA 26. Curva característica universal del control on off.
58
FIGURA 27. Tipo de conectores de comunicación RS-232.
61
FIGURA 28. Máquina empacadora actual vista atrás
65
FIGURA 29. Máquina empacadora actual vista frente
68
FIGURA 30. Máquina empacadora modernizada.
70
FIGURA 31. Máquina empacadora modernizada vista lateral
71
FIGURA 32. Vista lateral del engrane de piñones.
73
FIGURA 33. Sistema de centrado del rollo de bolsa.
74
FIGURA 34. Sistema de centrado del rollo de bolsa.
75
FIGURA 35. Movimiento Axial del eje junto con el rollo de bolsa.
82
FIGURA 36. Sistema de relación de engranes de dientes rectos.
85
FIGURA 37. Momentos en y del eje1.
88
FIGURA 38. Momentos en z del eje1.
89
FIGURA 39. Diagrama de fuerzas en el eje.
90
FIGURA 40.Grafica de par tosion vs secciones transversales.
92
FIGURA 41. Dirección de las fuerzas en el eje.
92
FIGURA 42. Diagrama de momentos (x-y).
93
FIGURA 43. Momentos en el plano (x-z).
93
FIGURA 44. DIAGRAMA DE MOMENTOS (X-Z).
94
FIGURA 45. Diseño mecánico de la caja de relación de engranes.
97
FIGURA 46. Diagrama de fuerzas.
98
FIGURA 47. Diagrama de momentos con respecto a z.
99
FIGURA 48. Fuerzas resultantes en los apoyos.
99
FIGURA 49. Grafica de par de torsión vs. Secciones transversales.
100
FIGURA 50. Diagrama de momentos.
100
FIGURA 51. Diagrama de momentos (x-y).
101
FIGURA 52. Momentos en el plano (x-z).
101
FIGURA 53. Diagrama de momentos (x-z).
102
FIGURA 54. Esquema de amplificacion de la celda de carga.
105
FIGURA 55. Respuesta de un sistema sudamortiguado.
104
FIGURA 56. Representacion en simulink
107
FIGURA 57. Respuesta de la celda de carga en simulink.
108
FIGURA 58. Representacion de la planta.
109
FIGURA 59. Moviemientos de la planta.
109
13
FIGURA 60. Algoritmo de control on-off.
116
FIGURA 61. Teclado de membrana utilizado.
117
FIGURA 62. Tipo de LCD utilizada en el proyecto.
118
FIGURA 63. Foto de la tarjeta de control con el microcontrolador y LCD. 118 FIGURA 64. Tablero de control.
119
FIGURA 65. Báscula seleccionada.
119
FIGURA 66. Báscula elegida con puerto de salida serial.
120
FIGURA 67. Módulo inversor de giro.
125
FIGURA 68. Máquina empacadora de arroz con el sensor óptico y sin el sistema de sellado.
127
FIGURA 69. Comparación de la señal de entrada con el contador.
130
FIGURA 70. Ejecución y correcto funcionamiento de los programas.
136
14
LISTA DE TABLAS Pág. TABLA 1. Configuración de pines del microcontrolador.
51
TABLA 2. Configuración de los pines del puerto RS-232.
59
TABLA 3. Descripción de los pines del la comunicación RS-232C. 60 TABLA 4. Registro de tiempos del experimento.
76
TABLA 5. Datos del piñón 1.
78
TABLA 6. Datos del piñón 1 y rueda 2.
78
TABLA 7. Datos del piñón 2.
80
TABLA 8. Datos del piñón 2 y rueda 2.
80
TABLA 9. Valores típicos del coeficiente de rozamiento.
82
TABLA 10. Características al comprar el motor.
84
TABLA 11. Datos para cotizar la relación de engranes del sistema mecánico de centrado.
85
TABLA 12. Rutina de mantenimiento.
141
TABLA 13. Comparación máquina actual vs moderna.
146
TABLA 14. Análisis comparativo de la máquina actual vs Máquina moderna.
147
TABLA 15. Costo del desarrollo del proyecto.
15
148
LISTAS DE ANEXOS Pág. ANEXO A. Soporte de la báscula.
152
ANEXO B. Plano del soporte de la báscula.
153
ANEXO C. Tarjeta del circuito de control Comunicación Serial con la báscula y sistema de peso.
154
ANEXO D. Circuito de control para el sistema de centrado, contador de bolsas y sistema de velocidad.
155
ANEXO E. Tabla características de resistencia de materiales.
156
ANEXO F. Catálogo de teclados especiales de membrana y metálicos con Iluminación.
157
ANEXO G. Tabla de resistencias de materiales.
161
ANEXO H. Características de factor de seguridad.
162
ANEXO I. Tabla de los módulos y paso diametral.
163
ANEXO J. Circuito integrado de inversión de giro para los motorreductores
164
ANEXO K. Báscula para el sistema de control de peso.
167
ANEXO L Catalogo del motorreductor.
168
ANEXO M. Selección del motor para el sistema de centrado.
169
ANEXO N. Soporte para el motor del centrado de la bolsa.
171
ANEXO O. Soporte para el motor del sistema de peso.
172
ANEXO P. Circuito de inversores de giro.
173
ANEXO Q. Engrane de 13 dientes
174
ANEXO R. Engrane de 39 dientes
175
16
RESUMEN Con el propósito de mejorar el proceso de empacado por libras de arroz en la empresa Inproarroz Ltda. se presenta este proyecto enfocado en la modernización de la máquina empacadora de arroz; lo anterior con el fin de aumentar la velocidad de la máquina, garantizar un peso exacto y calidad del producto. La modernización de esta máquina es de gran utilidad para Inproarroz Ltda. Ella se encarga de darle el proceso final al arroz, empacándolo en diferentes tipos de bolsas como son las de 450gr, 460gr y 500gr esta es la razón por la cual nosotros nos hemos interesado en desarrollar este proyecto. Este sistema se diseña con un control On-Off, para el correcto centrado de la bolsa., también cuenta con un display LCD en el cual se visualiza (permite indicar) la velocidad de la máquina, el conteo de bolsas empacadas, los indicadores de periodo de mantenimiento preventivo y el sistema de peso que el operario elige trabajar.
17
INTRODUCCIÓN
Día tras día, la industria alimenticia colombiana en su afán de incrementar la producción y calidad del producto, ha venido desarrollando diversos sistemas que le permiten estar a la vanguardia con la tecnología actual.
Uno de los aspectos que debe tenerse en cuenta es el tipo de tecnología disponible, para el caso de inproarroz afecta los niveles de precisión y calidad del proceso de empacado de arroz. Es preciso generar aportes de tipo tecnológico a los sistemas de producción, realizando investigaciones que propendan por optimizar la máquinaria para obtener procesos más eficientes.
Las máquinas empacadoras de arroz tienen diversas variables a controlar, entre ellas se tienen: •
El tiempo necesario para llenar una bolsa de libra de arroz.
•
La velocidad con la cual se debe empacar el producto.
•
El peso que debe tener cada bolsa.
•
El número de bolsas empacadas.
Estas variables deben ser controladas para lograr un proceso eficiente. El proyecto tiene como objetivo asegurar que el peso del arroz en cada uno de los empaques sea el correcto, y adicionalmente lograr un óptimo sellado de la bolsa puesto que estos son unos de los mayores inconvenientes presentados en las máquinas empacadoras de arroz actualmente. Las máquinas que empacan arroz en los molinos de Villavicencio presentan varias dificultades en el proceso de empacado, debido a su antigüedad y al poco mantenimiento que han recibido por lo que su estructura electromecánica muestra grandes deficiencias. Adicionalmente, la tecnología empleada no es propiamente la más actualizada.
18
Las máquinas empacadoras tienen como finalidad llevar a cabo el proceso de empaque del arroz en bolsas de diferente tamaño. El tamaño depende del tipo de producto que la Empresa esté produciendo en el momento, por lo cual el peso del producto empacado debe poderse ajustar según las necesidades Los pesos de los diferentes productos de la Empresa son los siguientes: •
Arroz Alejandra: 460g, 500g,
•
Arroz Alejandra Fortificado: 460g, 500g.
•
Arroz Montaña: 450g, 500g.
•
Arroz Mi Llanura: 450g.
•
Arroz Cristal: 460g, y 500g.
•
Arroz Cisne: 450g.
Es evidente que la Empresa debe lograr una alta velocidad de producción manteniendo alta precisión en los procesos de pesado y empacado para poder mantener su competitividad por lo que requiere equipos y sistemas que puedan eliminar las falencias que se tenían en el pasado.
19
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES
Los molinos empacadores de arroz que están funcionando en la ciudad de Villavicencio enfrentan grandes y diversos problemas en el empacado de arroz; entre ellos, la máquinaria disponible para llevar a cabo el proceso de empacado es muy antigua, otros factores de dificultad son la velocidad, peso del producto, precisión y calidad. 1.1.1 Antecedentes del estado actual de la Máquina Empacadora de la empresa INPROARROZ LTDA.: La máquina tiene una estructura metálica en la cual se encuentra una pequeña tolva que permite depositar el arroz en unos recipientes y cuyo volumen determina la cantidad de material que se empaca en cada bolsa. Estos recipientes que tienen una forma cilíndrica se les ha dado el nombre de” pocillos”, están colocados sobre un plato giratorio; Cuando este plato gira, cada uno de los pocillos en forma secuencial llega al punto en donde se encuentra la salida de la tolva, y de ésta forma la cantidad de arroz necesaria para llenar el pocillo es depositada en él. (Ver la figura 1). La figura 2, muestra el método utilizado para el control del volumen
del
material suministrado a cada pocillo. Consiste en un sistema de tornillo sin fin y una corona, que permite variar la altura de los pocillos variando así el volumen de los vasos. En la fotografía se puede observar que el sistema está sujeto a la influencia de perturbaciones tales como la vibración y no tiene los medios para comprobar en forma continua el volumen del material empacado ni los accionamientos que permitieran corregir errores. En otras palabras, el sistema trabaja en la modalidad de bucle abierto. 20
Figura 1. Sistema de peso actual de la máquina
Figura 2. Pocillos de dosificación de arroz por
Empacadora de arroz.
Volumen.
Fuente: Imagen tomada por los autores. Fuente: Imagen tomada por los autores. Figura 3. Sistema actual del centrado del rodillo
Fuente: Imagen tomada por los autores.
La Figura No. 3 muestra el sistema utilizado para alimentar el material de empaque a la máquina. Este material es plástico y se le suministra a la empresa en forma de una hoja continua con una longitud determinada por el tamaño del rollo. El peso del rollo más grande con el cual se trabaja, incluyendo el peso del eje de soporte, es de alrededor de 60 Kg. Al material se le da la forma de bolsa en la máquina y los procesos de sellado se logran por medios termoeléctricos.
21
Su estructura esta diseñada en acero, y la duración de cada uno de los eventos que tiene que llevarse a cabo en la secuencia de procesos requerida para lograr la formación, llenado y sellado de la bolsa está determinada por una serie de levas mecánicas, motivo por el cual la exactitud, facilidad de ajuste y permanencia de los ajustes no son fáciles de lograr. 1.1.2 Antecedentes de una visita técnica a la empresa TECNOPACK LTDA: Se efectuó una visita a TECNOPACK LTDA, ubicada en la ciudad de Bogota, se observo que las máquinas fabricadas actualmente, son ensambladas con partes importadas, y cuentan con dispositivos más sensibles y rápidos que los que tienen las máquinas que actualmente se encuentran en INPROARROZ LTDA. En la figura 1 se puede observar una de estas máquinas. Figura 4. Máquina empacadora de Arroz por la Empresa Tecnopack Ltda.
Fuente: Empresa Tecnopack Ltda.
Las empacadoras que ensamblan en TECNOPACK LTDA. tienen dispositivos electromecánicos eficientes y sofisticados, en algunos casos programados 22
como lo son tableros de mando de fácil acceso para el operario, comunicación hombre – máquina, el cual dispone de una pantalla TOUCH SCREEN FULL COLOR,
PLC’S, sensores, motorreductores, cilindros neumáticos, acoples,
mangueras, la cual son más compactas y eficientes. Estas máquinas tienen una desventaja, pues no incorporan un sistema de control automático del peso, sino que su sistema es manual con un funcionamiento similar al de
las
máquinas de Inproarroz. Es evidente que encontramos estas máquinas en el mercado industrial más costosas, su precio oscila entre noventa a doscientos millones de pesos, máquinas nacionales e importadas. Las máquinas que se encuentran trabajando en INPROARROZ LTDA. Tienen aproximadamente 20 años de trabajo, en los cuales el desgaste, la oxidación, la falta del mantenimiento y desactualizacion tecnológica producen pérdidas mecánicas, económicas y
eléctricas importantes. El diseño del sistema de
velocidad de operación en toda la máquina, el sistema de peso y el sistema de centrado.
Operan
manualmente,
ocasionando
alteraciones
en
el
funcionamiento de toda la máquina, y en el proceso de sellado incorrecto, de esta manera generando pérdidas de plástico, como de arroz. Los tableros de mando son accionados por pulsadores e interruptores, los cuales son insuficientes para controlar estas máquinas. La falta de un adecuado programa de mantenimiento por medio de avisos en pantallas para el operario. Lo anterior ha ocasionado que las empacadoras de arroz se hayan deteriorado, y atrasado en el nivel de producción, calidad y competitividad. Por estas razones el funcionamiento de estas empacadoras es completamente dependiente del operario. En estas máquinas el operario lleva un control manual de las variables; como es el correcto centrado del material de empaque, que se controla continuamente.
23
En Inproarroz existen 15 máquinas, debido al reducido personal disponible, el operario encargado de estas funciones no logra atender todas las máquinas. Otra variable a controlar es el peso, que se controla manualmente en cada empacadora de arroz con la ayuda de otro operario para pesar el producto en una báscula y corregir el error manualmente por medio de volumen. Debido a los altos costos de una nueva máquina en el mercado industrial y también al factor costo beneficio, los empresarios han decidido seguir con estas máquinas que se encuentran trabajando con una baja producción debido a su antiguo mecanismo y sistemas de control electrónico, la productividad esta alrededor de 40 - 50 bolsas por minuto lo que se puede comparar con las máquinas modernas construidas en Colombia que empacan entre 50 – 70 bolsas por minuto. Esta condición esta generando pérdidas bastante considerables en la producción por máquina/día. Las máquinas importadas presentan inconvenientes por sus altos costos, igualmente tienen mecanismos de control muy complejos lo que dificulta las labores de mantenimiento o reparación. Una reparación para estas máquinas se debe hacer directamente con el fabricante debido a los diseños del software y tarjetas electrónicas. Estas máquinas empacan entre 60-120 bolsas por minuto y pueden llegar a costar el doble de una máquina nacional.
24
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Las empacadoras de arroz no son lo suficientemente eficientes y precisas, problema que se ve reflejado directamente en pérdidas económicas en la industria arrocera INPROARROZ LTDA. En Inproarroz Ltda. la máquinaria actual está desactualizada en sus mecanismos y sistemas de control. Para una empresa de esta categoría es muy importante actualizar la máquinaria, ya que éste factor se refleja en la producción y utilidad de la empresa. Estas máquinas carecen de un sistema que pueda controlar continuamente el pesaje de cada bolsa de arroz empacada. Debido a estas irregularidades de peso en las empacadoras, un error de 15gr por libra de arroz, se refleja en varias toneladas ocasionando grandes pérdidas para la empresa. El cambio de peso de 500gr a 460gr ó 450gr al empacar también influye en la exactitud, puesto que el sistema de peso tiene un mecanismo manual el cual controla volumen. Este se debe estar pesando manualmente cada instante por las condiciones del producto como arroz partido, generando mayor peso en los pocillos, y ocasionando pérdidas. Este sistema mecánico no utiliza sensores de peso, el cual seria de mayor precisión, al empacar el producto y al seleccionar el peso. El sistema de centrado del rollo de bolsa es totalmente manual. Es necesario tener un sistema de control que posicione automáticamente y correctamente el eje que tiene el rollo de bolsa. Este rollo llega de la fábrica que lo provee bastante descentrado ó mal enrollado y es por esto que el operario tiene que centrarlo continuamente. Este problema se refleja en el momento de sellar la bolsa, porque en algunas ocasiones el pliegue que debe tener la bolsa, es muy reducido y al descentrarse el rodillo de bolsa el proceso no se realiza correctamente. La posición en la que se hace el sellado no es la adecuada, por esta razón la bolsa no es sellada ó queda medio pegada. Este defecto genera 25
pérdidas en el material de empaque y desde luego en tiempo porque se debe romper la bolsa que quedo mal sellada y retornar el arroz a la tolva para volverla a empacar. Estas máquinas carecen de un sistema que permita contar el producto empacado, para así poder llevar una estadística precisa beneficiando tanto los procesos administrativos como los de mantenimiento preventivo. La velocidad de empacado que actualmente tienen las máquinas es muy baja con respecto a las nuevas empacadoras, las máquinas de Inproarroz están empacando entre 40 a 50 bolsas por minuto, mientras que las máquinas empacadoras recientes están en el orden de 60 bolsas por minuto es muy evidente que las pérdidas de producción en varias máquinas en el día es bastante considerable. Este problema puede solucionarse directamente con una modernización de los sistemas actuales que tienen estas máquinas, con sistemas que no necesiten del continuo control de un operario y con un periodo de mantenimiento más largo evitando así gastos innecesarios.
¿Cómo simular y diseñar un sistema para una máquina empacadora de arroz que permita ser más precisa y rápida, mejorando su productividad?
26
1.3 JUSTIFICACION
Este proyecto esta orientado a favorecer la industria arrocera de Villavicencio inicialmente. Los empresarios de esta región enfrentan problemas de alta deficiencia en el empacado del arroz, los sistemas y la máquinaria del proceso no son competitivos con relación a los molinos de arroz que tiene máquinas automatizadas o nuevas. Estos molinos se beneficiarán con la modernización de sus máquinas empacadoras de arroz, ya que la inversión del proyecto es baja en comparación con las máquinas que ofrece el mercado actual, sea nacional ó importada. Por otra parte, se pretende minimizar el tiempo del proceso de funcionamiento para obtener una eficiencia en la planta de producción, una entrega oportuna, adquiriendo una cantidad mayor de bolsas empacadas por minuto y con una mayor precisión en el peso de las bolsas. Esta mejora dará la calidad de sellado de la bolsa, también evitará problemas de tiempo en la salida de los camiones. Se proyecta de esta forma lograr un gran aporte a esta industria colombiana mejorando sus ingresos, con ello se reducirán pérdidas de bolsas, desperdicio de arroz, máquina parada, horas extras por atrasó de pedidos. Esta modernización esta enfocada en la Ingeniería Mecatrónica, ya que relaciona temas de diseño mecánico, programación de microcontroladores, sistemas de monitoreo ó comunicación Hombre-Máquina con pantallas LCD, teclados matriciales de membrana especiales para el sector industrial además. El aporte que la ingeniería mecatrónica hace a estas máquinas es muy importante desde un punto de vista humano, debido a que los operarios no tienen la capacidad física para manipular estas máquinas produciendo en serie. La ingeniería mecatrónica reúne todos los temas necesarios para lograr una modernización adecuada en este sector industrial y finalmente estar a la
27
vanguardia de la tecnología, sobre todo en competencia con las demás compañías nacionales e internacionales. Por último, desarrollamos este proyecto con el propósito de aplicar todos nuestros conocimientos, de una forma directa a una problemática dada y así poder optar al titulo en ingeniería mecatrónica.
28
1.4 OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivo general
Modernizar y simular una máquina empacadora de arroz con el fin de mejorar su sistema de empacado disminuyendo los costos de operación e incrementando su productividad en la industria.
1.4.2 Objetivos específicos
Diseñar un sistema para controlar el pesaje del producto. Diseñar un sistema
para aumentar la velocidad de empacado de la
máquina. Diseñar un sistema que permita el centrado automático del rollo de bolsa Diseñar o seleccionar un sistema contador de bolsas empacadas. Diseñar una plataforma mecánica para soportar el sensor de peso. Diseñar un esquema de mantenimiento preventivo para este tipo de máquinas. Simulación de cada una de las partes diseñadas. Realizar un análisis de costo beneficio en el desarrollo del proyecto.
29
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 1.5.1 ALCANCES Básicamente
pretendemos
mejorar
las
falencias
de
las
máquinas
empacadoras de arroz que se encuentran en Inproarroz Ltda., con el fin de hacer más eficiente el proceso de empacado y actualizar en tecnología la máquinaria, teniendo en cuenta las siguientes variables a mejorar: 1. Velocidad de llenado y sellado en las bolsas de arroz: Incrementar la velocidad de la máquina por medio de sistemas electrónicos que se puedan controlar de forma externa y también con sistemas que se realimenten continuamente. 2. Consumo de energía: Actualmente el consumo de cada máquina es elevado, esto generado por el rozamiento de las piezas mecánicas y los antiguos sistemas electrónicos como son: • Ejes, Árbol de levas de temporizacion con motores de alto consumo. • Bujes, balineras, cadenas y demás elementos dinámicos que se encuentran sin lubricar y están llenos de polvo, por la falta de protectores y un programa que avise al operario la necesidad del mantenimiento en la máquina. 3. Exactitud del peso deseado: Mejorar el sistema de control de peso es muy importante en el desarrollo de este proyecto porque el producto empacado final, debe tener un control de calidad y si este no es satisfactorio el producto será devuelto por almacenes de cadenas, hipermercados, supermercados, autoservicios. 4. Ahorro de bolsa centrar el rodillo que tiene la bolsa es uno de los puntos más importantes
en la modernización de esta máquina, porque su 30
presentación final es la que decide si sale o no al mercado, de no hacerlo el producto será devuelto y se desperdiciara la bolsa, todo esto, porque el rodillo no se encuentra completamente centrado ni tampoco hay un sistema que lo centre correctamente.
1.5.2 LIMITACIONES Las limitaciones son notables desde el punto de vista del software para la simulación del diseño, tanto electrónico como mecánico, porque algunas licencias de los programas son sólo comerciales y por ende no contamos con ellas. Contamos con programas que tienen licencia académica como son: ¾ Ansys; para la simulación de la parte mecánica. ¾ Solid Edge; para el diseño de las piezas y los planos. ¾ Pspice; para las simulaciones de electrónica. ¾ Contamos con programas con licencia libre como son: Winide y Code Warrior para la programación de los microcontroladores. ¾ Micrograde; para la programación de microcontroladores Motorola. ¾ El tiempo de duración del desarrollo del proyecto ¾ El apoyo que nos pueda brinda la empresa inproarroz Ltda. Se debe tomar todos los datos y pruebas necesarios los fines de semana debido que la planta de empacado se encuentra ubicada en Villavicencio.
31
2. MARCO DE REFERENCIA 2.1 MARCO CONCEPTUAL LCD (Liquid Crystal Display): son las siglas en ingles de Pantalla de Cristal Líquido. Las pantallas de cristal líquido son dispositivos electrónicos que sirven para visualizar mensajes de texto, números, símbolos y gráficos. MICROCONTROLADOR1:
Un
microcontrolador
(MCU)
es
como
una
minicomputadora en donde se pueden realizar cálculos como sumas, restas multiplicaciones,
divisiones,
movimientos
de
información,
etc.
Cuando
conectamos a el aparatos como teclados, pantallas, motores, sirenas, etc. Estamos dando aplicabilidad al microcontrolador, pues es él quien se encarga de realizar los procesos para que estos aparatos realicen funciones y en su conjunto se conviertan en herramientas útiles para la vida cotidiana. El microcontrolador es una pastilla de silicio con patitas (pines) metálicas llamadas puertos, estos permiten ejecutar las acciones que deseemos que el microcontrolador haga. Una sola patita tiene dos estados Verdadero o Falso que son representados por niveles de voltaje 0 voltios para Falso y 5 voltios para Verdadero, además una sola de ellas puede funcionar como entrada o como salida, esto depende de que conectemos a ella y de que forma fluirá la corriente. Por ejemplo si conectamos a ella un LED la corriente deberá fluir desde el pin del microcontrolador esto es una Salida, pero si en cambio conectamos un botón, la corriente fluirá hacia el pin del microcontrolador, esto es una Entrada. MÁQUINA DE ESTADOS EN MICROCONTROLADORES (MICROGRADES)2: "Una máquina de estados está definida por dos funciones, una calcula el estado siguiente en que se encontrará el sistema, y la otra calcula la salida. El estado siguiente 1
Microgrades Microcontroller Graphic Developement System 2
Fernando Pardo, Universidad Valencia, VHDL lenguaje de modelado
32
se calcula, en general, en función de las entradas y del estado presente. La salida se calcula como una función del estado presente y las entradas" CARACTERÍSTICAS DE LAS SEÑALES. La señal digital posee tres características mínimas que se utilizan en diferentes casos, estas características que son: flanco ascendente, nivel y flanco descendente se muestran en la figura 5. Figura 5. Características de las señales de entrada de un microcontrolador.
Fuente: Wakerly, John, Diseño digital, principios y prácticas, 3 edición, Ed. Prentice hall.
NIVEL LÓGICO Es un nivel constante de voltaje representando así un 1 ó un 0 lógico, no poseen cambios aparte de estas dos opciones lo que permite identificar un valor falso o verdadero.
FLANCO ASCENDENTE Cuando un nivel pasa de un estado de 0 a 1 en un instante de tiempo se le Conoce con este nombre.
FLANCO DESCENDENTE Cuando un nivel pasa de un estado de 1 a 0 en un instante de tiempo se le conoce con este nombre.
PULSO E IMPULSO En Teoría un impulso es un valor determinado en un instante de tiempo instantáneo, y el pulso es un valor determinado en una cantidad de tiempo determinada. EL MUESTREO: consiste en la lectura y la escritura periódicas desde y hacia el hardware, con retención de la información en la memoria RAM del
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Microcontrolador Guardar la información en la memoria RAM se hace necesario para estabilizar la información en el desarrollo de la aplicación. OPERACIÓN LÓGICA AND: Se puede representar con diferentes símbolos como el punto (A * B), (A & B), o por la ausencia de un operador (AB). Por ejemplo Z = A & B, quiere decir que Z = 1 sólo si, A = 1 y B = 1, de caso contrario Z = 0. OPERACIÓN LÓGICA OR: Se puede representar con diferentes símbolos como el más (A + B), (A | B). Por ejemplo Z = A + B, quiere decir que Z = 1 cuando A = 1 ó B = 1, de caso Contrario Z = 0. OPERACIÓN LÓGICA NOT: Se puede representar con diferentes apóstrofes como la tilde (A´), ó con una línea horizontal encima (Ā) Por ejemplo Z = Ā, quiere decir que Z = 1 cuando A = 0 y Z = 0 cuando A = 1. BIT START-ARRANQUE: (primer) primer bit en la Tx asíncrona de un carácter y se usa para sincronizar el receptor. Es el primer bit que sigue al bit de parada. BIT STOP-PARADA: (final) último bit en la Tx asíncrona de un carácter, para devolver el cto al estado de reposo. BIT DE PARIDAD: Digito binario que se agrega a un patrón de bits para hacer que la suma de todos incluyendo el de paridad, sea siempre par o impar. Comprueba la integridad de los datos durante la comunicación entre ctos o computadores. BAUDIO: unidad que define el número de veces que una señal de datos cambia por segundo = Unidad de Tx de datos. VELOCIDAD DE TX: Número de elementos de información enviados por unidad de tiempo.
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CONTROL DE FLUJO: sistema de señales que permiten a un dispositivo receptor decir al dispositivo Tx cuando debe hacer una pausa en la Tx y cuando puede continuar con la misma. BIT DE DATOS: es el número de bits que conforman cada carácter Tx o recibido en un sistema de comunicaciones seriales. BIT DE MARCA: parte activa de un pulso en un sistema de Tx de datos.
2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO Las máquinas industriales de procesos de empacado de productos alimenticios están sujetas a normas como: Las partes de la máquina que se encuentran en contacto con el producto alimenticio, deben estar fabricadas en acero inoxidable, teflón, plásticos, polímeros, materiales que al estar al medio ambiente y la humedad no contaminen el producto, evitando la corrosión y certificando normas de calidad del producto empacado. En los procesos mecánicos de industria alimenticia es conveniente utilizar sistemas neumáticos, por lo cual los sistemas hidráulicos son deficientes debido a las fugas del fluido, que se presentan en los racores, empaques y uniones del las mangueras de esta manera contaminando el producto alimenticio.
RESOLUCION No. 1296 (Mayo 5 de 2005) Por la cual se reglamenta la movilización de arroz paddy y arroz blanco desde las zonas fronterizas hacia el interior del país.
35
EL GERENTE GENERAL DEL INSTITUTO COLOMBIANO AGROPECUARIO “ICA” En ejercicio de sus atribuciones legales y estatutarias, en especial las conferidas Por los Decretos 2141 de 1992, 1840 de 1994.el Acuerdo 0008 del 2001, y CONSIDERANDO: Que es función del Instituto Colombiano Agropecuario “ICA”, velar por la Sanidad Agropecuaria del país a fin de prevenir la introducción y propagación de plagas que puedan afectar la agricultura y la ganadería. Que las movilizaciones incontroladas de productos agropecuarios de la zona de frontera hacia el interior del país constituyen grave riesgo para la sanidad vegetal. Que estos materiales o subproductos pueden se portadores de plagas de importancia económica. Que la presencia de nuevas plagas en el territorio nacional incidirá gravemente en la sostenibilidad del sistema de producción arroz y otros cultivos. Que el ICA, conjuntamente con las autoridades aduaneras, de policía y gremiales, ha concertado un plan estratégico para hacer del cultivo del arroz y de las actividades derivadas del mismo un negocio competitivo rentable, de bajo riesgo sanitario y sostenible en todas las áreas del cultivo. Que corresponde al Instituto Colombiano Agropecuario “ICA”, velar por la normatización para el desarrollo de acciones de fitosanidad e inocuidad de alimentos, mediante hechos relaciona dos con campañas de prevención, control, erradicación y manejo de plagas que afectan las especies cultivadas y la inocuidad de alimentos de origen agropecuario. RESUELVE: ARTICULO 1º. Establecer como requisito obligatorio previo la “Licencia fitosanitaria para movilización de material vegetal” expedida por el ICA,
36
para la movilización de arroz paddy y arroz blanco desde las zonas fronterizas con destino al interior del País.
RESOLUCION No. 1296 (Mayo 5 de 2005) Por la cual se reglamenta la movilización de arroz paddy y arroz blanco desde las zonas fronterizas hacia el interior del país. ARTICULO 2º. Para la obtención de la Licencia fitosanitaria para la movilización de arroz paddy y arroz blanco a que se refiere el artículo 1º.de esta resolución, el interesado debe estar avalado por la DIAN. ARTICULO 3º. Los funcionarios del ICA procederán a realizar la inspección física del producto y de acuerdo con su estado sanitario expedirán la correspondiente licencia fitosanitaria. ARTICULO 4º. Para el cumplimiento de lo previsto en la presente resolución los funcionarios del ICA gozarán en el desempeño de sus funciones del amparo y protección de las autoridades civiles y militares de la Nación y tendrán carácter de Policía Sanitaria de conformidad con lo establecido con el parágrafo Único del artículo 65 de la Ley 101 de 1993 y el artículo 14 del Decreto 1840 de 1994. ARTICULO 5º. La violación de las disposiciones legales establecidas en la presente resolución y demás que se deriven de la misma, serán sancionadas mediante resolución motivada que expida el ICA, de conformidad con el Decreto 1840 de 1994. ARTICULO 6º. La presente resolución rige a partir de su publicación en el Diario Oficial. COMUNÍQUESE Y CÚMPLASE Dada en la ciudad de Bogotá, D.C:, a 05 de mayo de 2005 JUAN ALCIDES SANTAELLA GUTIERREZ Gerente General Luís Felipe Guevara B. Revisado: Oficina Asesora Jurídica 37
2.3 MARCO TEORICO
Las empacadoras son máquinas diseñadas para una continua producción. Estas máquinas tienen dispositivos esenciales de conteo y de regulación de velocidad, han aportado una gran capacidad de manipulación en el desarrollo industrial, por ello cuentan con una estructura rígida en materiales resistentes como es acero estructural, acero inoxidable, Aluminio y bronce sus elementos principales son por lo general motores eléctricos y accionadores neumáticos los cuales tienen la propiedad de su rápida respuesta. La parte sensorial de estas máquinas están constituidos por interruptores finales de carrera y en algunos casos sensores ópticos los cuales tienen como característica la posibilidad de no tener contacto con ningún objeto a detectar. Dentro
de los elementos requeridos para el desarrollo de este proyecto
tenemos las tolvas construidas en acero inoxidable, es el preferido para el manejo de alimentos debido a sus componentes químicos.
Por lo general las
tolvas tienen forma geométrica cónica con el propósito que el producto que se encuentra en ella no se detenga y se pueda manipular con mayor facilidad. Otro punto muy importante en el desarrollo de este proyecto es calificar la calidad del aire que se encuentra en la planta, debido a que es el medio con el que energizaremos los actuadores neumáticos los cuales son parte esencial en esta máquina, como también los compresores. Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para poder transportar el fluido por un circuito neumático, con el fin de accionar los actuadores neumáticos.
38
2.3.1 ACTUADORES FIGURA 6. Actuador neumático
Fuente: FESTO Actuador neumático doble efecto
Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. Existen tres tipos de actuadores: ¾ Hidráulicos ¾ Neumáticos ¾ Eléctricos Los actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatos Mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. 2.3.1.1 Los actuadores eléctricos: son muy utilizados en los proyectos mecatronicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de 39
mantenimiento.
Por
todo
esto
es
necesario
conocer
muy
bien
las
características de cada actuador para utilizarlos correctamente de acuerdo a su aplicación específica 2.3.1.2 Actuadores Neumáticos: A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad. En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención. 2.3.1.3 Actuadores hidráulicos: Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan con base a fluidos de presión. En este proyecto no se debe utilizar este tipo de actuador debido a su contaminación en el área de trabajo ya que se trata del sector alimenticio como es el arroz. 2.3.2 MOTORES ELECTRICOS
FIGURA 7. Motor-reductores de corriente continúa
Fuente: www.buhler.com/motorreductores.
40
La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores de velocidad o caja de engranes debido a que los motores utilizados son de corriente continua y su potencia es de fracciones de horse power. Es evidente tener en cuenta el consumó de estos motores es muy mínimo a comparación de un motor monofásico ó trifásico, en los sistemas de control modernos se utilizan los motores de corriente continua debido a su fácil sistemas de acople de potencia y su bajo consumo de energía. La forma más sencilla para el accionamiento con un pistón, seria la instalación de una palanca solidaria a una bisagra adherida a una superficie paralela al eje del pistón de accionamiento y a las entradas roscadas. 2.3.3 SENSORES ELECTRICOS3 Los sensores ó transductores, en general, son dispositivos que transforman una cantidad física cualquiera, por ejemplo un desplazamiento mecánico, en otra cantidad física equivalente, digamos una señal eléctrica de corriente ó voltaje. Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de control, tanto eléctricos como electrónicos utilizándose extensivamente en
3
Curso practico de Electrónica Industrial y automatización P-19-
41
todo tipo de procesos industriales para propósitos de monitoreo, control y procesamiento. Tanto la entrada como la salida de un sensor puede ser la combinación de los siguientes seis tipos básicos de variables existentes en la naturaleza: ¾ Variables mecánicas. Longitud, área, Volumen, flujo másico, torque, presión, velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad acústica, etc. ¾ Variables térmicas. Temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc. ¾ Variables eléctricas. Voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento bipolar. ¾ Variables magnéticas. Intensidad de campo, densidad de flujo, momento magnético, permeabilidad, etc. ¾ Variables ópticas. Intensidad, longitud de onda, polarización, fase, reflectancia, trasmitancia, índice de refracción, etc. ¾ Variables químicas ó moleculares. Composición, concentración, potencial redox, rata de reacción, PH, olor, etc. 2.3.3.1 SENSORES CAPACITIVOS Principios de operación de los sensores de proximidad capacitivos. Esta basado en al medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier material. FIGURA 8. Sensor Capacitivo.
Fuente: www.efector.com
42
Este tipo de sensor es de gran interés debido que el puede detectar el plástico para el sistema de velocidad de empacado. Cuando un objeto no metálico entra al campo eléctrico del cabezal de detección, el campo eléctrico entre las placas se intensifica debido a que la constante dieléctrica es mayor que la del aire. 2.3.3.2 SENSORES DE PROXIMIDAD ÓPTICOS. Los sensores de proximidad ópticos utilizan medios ópticos y electrónicos para la detección de objetos. Para ello se utiliza luz infrarroja. Son pequeños y robustos tiene una larga vida útil y puede modularse fácilmente. Los fotodiodos y los fototransistores se utilizan como elementos receptores. Cuando se ajusta un sensor de proximidad óptico, la luz roja tiene la ventaja a la infrarroja de que es visible. Además puede utilizarse cables de fibra óptica de polímero en la longitud de onda del rojo, dada su baja atenuación de la luz. 2.3.3.3 SENSORES DE BARRERA Consta de dos componentes emisor y receptor, montados separadamente, con los cuales puede obtenerse amplios rangos de detección. Para poder detectar la interrupción de luz, debe cubrirse la sección activa del rayo. El objeto a detectar sólo debe permitir una mínima penetración de la luz, pero puede reflejar cualquier cantidad de luz.
Ventajas del sensor de barrera: ¾ Incremento de la fiabilidad debido a la presencia permanente de luz durante el estado de reposo. ¾ Amplio alcance. ¾ Puede dectetarse pequeños objetos. ¾ Adecuado para ambientes agresivos. ¾ Los objetos pueden ser reflectantes, especulares ó traslúcidos. ¾ Buena precisión de posicionamiento.
43
FIGURA 9. Verificación de la rotura de broca por medio de sensores de barrera.
Fuente: Sensórica de FESTO. P-104.
2.3.3.4 SENSORES DE RETROREFLEXIÓN. El emisor y el receptor se encuentran instalados en un sólo cuerpo, con lo que se requiere de un reflector. Se evalúa la interrupción del rayo de luz reflejado. Los objetos a controlar o a medir deben posicionarse de tal forma que el rayo reflejado sea interrumpido y no sea devuelto por el propio objeto. En comparación con los sensores de reflexión directa, los sensores de retroreflexión poseen un alcance mayor. (Ver figura 10.)
FIGURA 10. Sensor óptico de retrorefleción.
Fuente: Electrónica Industrial y Automatización.
Ventajas del sensor de retroreflexión ¾ Mejor fiabilidad dado que hay luz permanente durante el estado de reposo. ¾ Instalación y ajustes sencillos. 44
¾ El objeto a reflectar puede ser reflectante, especular ó transparente siempre que absorba un porcentaje suficiente elevado de luz. ¾ Cubren mayor rango en comparación con los de reflexión directa.
Desventajas del sensor retroreflexión. ¾ Los objetos transparentes, muy claros pueden pasar inadvertidos.
2.3.4 CELDA DE CARGAS Las celdas de carga son transductores que convierten una fuerza mecánica en una señal eléctrica proporcional a la variable a medir. (Ver figura 11.) La siguiente celda de carga es una opción para el diseño del sistema de peso.
FIGURA 11. Celdas de carga en su estructura física.
Fuente: Curso practico de electrónica industrial y automatización, Cenit P-38.
Se deben tener muy presentes algunos parámetros para elegir una celda de carga cuando se realiza algún tipo de trabajo con ellas, en este caso es de indispensable para el sistema de control de peso; Capacidad Se refiere a la cantidad de fuerza que puede soportar una celda. Su valor se expresa generalmente en libras.
45
Señal vs. Excitación Este es un parámetro que indica el nivel de voltaje de la señal, con carga plena y con un voltio de alimentación. Se da en mV/V y los valores típicos son 2 y 3 mV/V. Carga Mínima Este valor, igual que la capacidad, esta dado en libras. Es el voltaje mínimo que se le puede aplicarse a la celda para que el voltaje de la señal sea confiable. Precisión Este es un parámetro común para todos los tipos de sensores. Una celda de mayor precisión suministrara un valor más exacto de la fuerza medida. Un rango normal de precisión en las celdas de carga es del 0.01% al 0.3%.
2.3.4.1
MEDICIÓN POR FUERZA DE FLEXIÓN
Es una de las más utilizadas a nivel comercial. Esto es gracias a su diseño más simple y bajo costo. En la figura 10 podemos apreciar una celda de este tipo y en la figura 12 aparece la forma en que se debe montar y la manera en que se debe aplicar la fuerza. FIGURA 12. Forma de montaje de la celda de carga para medición de fuerza por flexión.
Fuente: Curso practico de electrónica industrial y automatización, Cenit P-38
46
2.3.4.2
MEDICIÓN DE FUERZAS POR COMPRESIÓN.
Otro tipo de celdas comúnmente usadas son las que miden fuerzas de compresión, como la de la Figura 13. Por lo general se utilizan para grandes fuerzas, por ejemplo para la medición del peso de vehículos de carga. FIGURA 13. Celda de carga para medición de fuerza por compresión.
FUENTE: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización P-39.
2.3.4.3
MEDICIÓN DE FUERZAS POR TENSIÓN
Estas celdas de carga se utilizan generalmente para “colgar” los elementos a los cuales se les quiere medir el peso, o alguna fuerza de tensión, Figura 14. Generalmente tiene la forma de una “S” con el punto de apoyo en uno de sus extremos, para aplicar la tensión en el otro extremo. FIGURA14. Celda de carga para medición de fuerza por tensión.
FUENTE: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización P-39.
47
2.3.4.4
MEDICIÓN DE FUERZAS POR CORTE O CIZALLADURA
También existen las celdas de carga de tipo cizalladura, la cual poseen dos puntos de apoyo, uno en cada extremo. La fuerza se aplica en al mitad de los dos puntos de apoyo, como tratando de cortarla con una cinzalla. Figura 15. FIGURA 15. Celda de carga para medición de fuerza por corte ó cizalladura.
Fuente: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización P-39.
En la Figura 16 podemos apreciar una aplicación típica de este tipo de celdas en una báscula de camiones.
FIGURA 16. Aplicación de las celdas de carga por corte ó cizalladura.
Fuente: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización P-40.
48
FIGURA 17. Báscula, a través de celdas de carga tensión ó compresión.
Fuente: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización P-40.
2.3.5 RELE El relé es un dispositivo mecánico capaz de comandar cargas pesadas a partir de una pequeña tensión aplicada a su bobina. Básicamente la bobina contenida en su interior genera un campo magnético que acciona el interruptor mecánico. Ese interruptor es el encargado de manejar la potencia en sí, quedando al circuito electrónico la labor de "mover" la bobina. Permite así aislar mecánicamente la sección de potencia de la de control. Pero para accionar la bobina la corriente y tensión presente en un puerto paralelo no es suficiente. Figura 18. Estructura física interna de un rele.
Fuente: Curso practico de Electrónica Industrial y Automatización.
49
2.3.6 PANTALLAS DE CRISTAL LÍQUIDO Existen dos tipos de LCD: •
Pantallas de cristal líquido alfanuméricas.
•
Pantallas de cristal liquido graficas.
2.3.6.1
Pantalla de cristal líquido alfanuméricas FIGURA 19. LCD Pantallas Alfanuméricas
Fuente: www. Industry Standard Character LCD Modules - Crystalfontz.htm
Las LCD se están utilizando recientemente en numerosos proyectos de tecnología industrial. Su habilidad para visualizar letras, números, palabras y símbolos los hace más versátiles que los familiares display de 7 segmentos compuestos por LED´S (diodos emisores de luz). Además son de bajo costo y fácil manejo. Estos usan un chip controlador que se encarga de hacer posible las funciones de LCD y de simplificar la interfase con el microcontrolador MOTOROLA a usar. TIPOS Y TAMAÑOS Existen en la actualidad una gran variedad de formas y tamaños. Unidades de 8,16, 20, 24, 32 y 40 caracteres estandarizados en versiones de una, dos y cuatro líneas (filas). Algunos modelos incluyen Back Light o luz luminiscente para ambientes oscuros o de noche.
50
CONEXIONES Los módulos de display están estandarizados. Son provistos de 14 pines de acceso ó de 16 pines con Back Light, (14 ó 16 huecos para soldar jumper ó cojinetes para soldar una cinta), también viene una gama alta con comunicación serial y USB. En el proyecto elegimos por economía el display de 40 caracteres por 4 filas con Back Light Blue y 16 pines. Los pines pueden estar enumerados en la tarjeta de circuito impreso. Para localizar el pin número 1 este puede estar aterrizado a la placa metálica del display en algún punto. La función de cada uno de los pines es mostrada en la tabla. Los pines uno y dos son líneas de alimentación. El pin 3 es un pin de control, Vee es usado para ajustar el contraste del display. Idealmente puede ser conectado a una fuente de voltaje variable o potenciómetro. TABLA 1 Configuración de pines del microcontrolador.
# DE PINES NOMBRE
FUNCION
1
Vss
Ground
2
Vdd
+Ve Suplí
3
Vee
Contrast
4
RS
Register Select
5
R/W
Read/Write
6
E
Enable
7
D0
Data bit 0
8
D1
Data bit 1
9
D2
Data bit 2
10
D3
Data bit 3
11
D4
Data bit 4
51
12
D5
Data bit 5
13
D6
Data bit 6
14
D7
Data bit 7
15
V++
Led +
16
GND
Led -
Fuente: Memorias del curso de Microgrades del autor.
2.3.6.2
Pantallas de cristal liquido graficas
Las pantallas graficas son utilizadas para representar; animaciones, dibujos, iconos, gráficos, números, símbolos y palabras.
TIPOS Y TAMAÑOS En el mercado se puede conseguir de diferentes tamaños; 122x32, 144x32, 128x64, 160x80, 160x128, 160x 160, 240x 128, 320x240, píxeles y de distintos colores según la aplicación. En la figura 20 podemos apreciar algunas pantallas LCD graficas que se encuentran en el mercado.
FIGURA 20. Pantallas LCD GRAFICAS.
Fuente: www.crystalfontz.com
52
2.3.7 MICROCONTROLADORES FIGURA 21: MICROCONTROLADORES MOTOROLA.
Fuente: www.motorola.com
Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de un ordenador: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un sólo circuito integrado. Aunque sus prestaciones son limitadas, además de dicha integración, su característica principal es su alto nivel de especialización. Aunque los hay del tamaño de un sello de correos, lo normal es que sean incluso más pequeños, ya que, lógicamente, forman parte del dispositivo que controlan. Es un microprocesador optimizado para ser utilizado para controlar equipos electrónicos. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de ordenadores vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa, usted tiene probablemente distribuido entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo eléctrico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etc. Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en un ordenador en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, 53
enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Por ejemplo, un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM, significando que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos
programas
de
control
y
un
cristal
de
sincronización.
Los
microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital, temporizadores, UARTs y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por
instrucciones
de
procesadores
especializados.
Los
modernos
microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito. Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el microcontrolador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería. Los microcontroladores más comunes en uso son: •
Freescale ( Motorola) o
8 bits
68HC05
68HC08
68HC11
2.3.8 TECLADO MATRICIAL DE MEMBRANA. El teclado matricial esta diseñado por varios pulsadores de forma matricial. De esta manera podemos utilizar 16 pulsadores por 8 líneas ahorrando pines del puerto de entrada en el microcontrolador, y la presentación es más elegante ante un diseño a nivel ingenieril en comparación de los pulsadores eléctricos. 54
Figura 22: Teclados de membrana matricial y lineal.
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Estos teclados son muy utilizados en las grandes empresas que tienen cuartos de control, electrodomésticos, vehículos y otros. Debido a estructura física. En la siguiente figura podemos apreciar el circuito interno. FIGURA 23. Estructura interna del teclado.
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Son utilizados para introducir información al microcontrolador. Los hay de varios tipos: de lámina flexible, de efecto Hall, de efecto inductivo, de efecto capacitivo. Los más comunes son los de lámina flexible.
Características técnicas típicas: ¾ Valor nominal. de los contactos 24V d.c. 50mA ¾ Resistencia de contacto