DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA CD. MENDOZA, VER.

PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL DE LA CARRERA

INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA

TITULO DEL TEMA: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN, PARA EL CONTROL DE TABLEROS POPP EN LA EMPRESA CADILLAC RUBBER & PLASTIC DE MEXICO S.A. DE C.V.”

MODALIDAD: MONOGRAFÍA

NOMBRE DEL ALUMNO: IRIBAS MARTÍNEZ VICTOR

CD. MENDOZA., VER

2012

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN ÍNDICE INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 5 CAPÍTULO I: PRINCIPIOS DE LA AUTOMATIZACIÓN .................................................................................. 7 1.1 HISTORIA DE LA AUTOMATIZACIÓN ......................................................................................................... 7 1.1.1 AUTOMATIZACIÓN ............................................................................................................................ 7 1.1.2 AUTÓMATAS EN LA HISTORIA ........................................................................................................... 7 1.1.3 AUTOMATISMOS INDUSTRIALES..................................................................................................... 15 1.1.4 SISTEMAS DE FABRICACIÓN ............................................................................................................ 16 1.1.5 REALIZACIÓN DE TECNOLOGÍA DEL CONTROL ................................................................................ 22 1.1.6 SISTEMAS AUTOMATIZADOS .......................................................................................................... 25 1.2 NEUMÁTICA............................................................................................................................................ 29 1.2.1 DEFINICIÓN ..................................................................................................................................... 29 1.2.2 EL AIRE COMPRIMIDO..................................................................................................................... 29 1.2.3 LOS COMPRESORES ......................................................................................................................... 30 1.2.3.1 EL COMPRESOR ALTERNATIVO ........................................................................................................................ 30 1.2.3.2 FUNCIONAMIENTO DEL COMPRESOR............................................................................................................. 31 1.2.3.3 EL PRESÓSTATO ................................................................................................................................................ 32 1.2.3.4 EL MANÓMETRO............................................................................................................................................... 33

1.2.4 LOS CILINDROS NEUMÁTICOS ......................................................................................................... 34 1.2.4.1 CILINDROS DE DOBLE Y SIMPLE EFECTO ......................................................................................................... 35 1.2.4.2 VELOCIDAD DE TRABAJO DE UN CILINDRO..................................................................................................... 37

1.2.5 VÁLVULAS NEUMÁTICAS ................................................................................................................. 37 1.2.5.1 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LAS VÁLVULAS.................................................................................... 37 1.2.5.2 VÁLVULAS DE VÍAS O DISTRIBUIDORAS .......................................................................................................... 45 1.2.5.2.1 VÁLVULA NEUMÁTICA DE 2/2 VÍAS ........................................................................................................ 45 1.2.5.2.2 VÁLVULA NEUMÁTICA DE 3/2 VÍAS ........................................................................................................ 45 1.2.5.2.3 VÁLVULA NEUMÁTICA DE 4/2 VÍAS ........................................................................................................ 47 1.2.5.2.4 VÁLVULA NEUMÁTICA DE 5/2 VÍAS ........................................................................................................ 48 1.2.5.3 VÁLVULAS DE BLOQUEO .................................................................................................................................. 49 1.2.5.3.1 LA VÁLVULA ANTI-RETORNO O CIERRE .................................................................................................. 49 1.2.5.3.2 VÁLVULAS SIMULTÁNEAS ........................................................................................................................ 50 1.2.5.3.3 VÁLVULAS SELECTIVAS ............................................................................................................................. 51 1.2.5.3.4 VÁLVULAS DE ESCAPE .............................................................................................................................. 51 1.2.5.4 VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESIÓN .......................................................................................................... 52 1.2.5.5 VÁLVULAS DE CAUDAL ..................................................................................................................................... 53 1.2.5.5.1 REGULADOR DE CAUDAL O ESTRANGULADOR ...................................................................................... 53 1.2.5.5.2 REGULADOR DE CAUDAL BIDIRECCIONAL .............................................................................................. 55 1.2.5.5.3 REGULADOR DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL ........................................................................................... 55

1.2.6 TEMPORIZADOR NEUMÁTICO ........................................................................................................ 55 1.3 ELECTRONEUMÁTICA ............................................................................................................................. 56 1.3.1 FUENTES DE ALIMENTACIÓN .......................................................................................................... 58 1.3.2 TIPOS DE SEÑALES........................................................................................................................... 58 1.3.3 DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS .............................................................................................................. 59 1.3.3.1 ELEMENTOS DE RETENCIÓN ............................................................................................................................ 59 1.3.3.2 SENSORES DE PROXIMIDAD ............................................................................................................................. 59 1.3.3.3 RELEVADORES ................................................................................................................................................... 63 1.3.3.4.1 TIPOS DE ELECTROVÁLVULAS .................................................................................................................. 69

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1.3.3.4.2 ELECTROVÁLVULA DISTRIBUIDORA 4/2 Y SERVOPILOTEADA 4/2 ........................................................ 69 1.3.3.4.3 VÁLVULA DISTRIBUIDORA 3/2, SERVOPILOTADA .................................................................................. 70

1.3.4 TEMPORIZADOR ELÉCTRICO ........................................................................................................... 72 1.3.4.1 TEMPORIZADOR A LA CONEXIÓN .................................................................................................................... 72 1.3.4.2 TEMPORIZADOR A LA DESCONEXIÓN ............................................................................................................. 72

1.4 FESTO FLUIDSIM-P .................................................................................................................................. 74 CAPÍTULO II: INFORMACIÓN SOBRE LA EMPRESA................................................................................... 82 2.1 HISTORIA DE LA COMPAÑÍA.................................................................................................................... 82 2.2 ¿QUIÉN ES AVON? .................................................................................................................................. 84 2.2.1 POLÍTICA DE CALIDAD ..................................................................................................................... 86 2.2.2 POLÍTICA AMBIENTAL ..................................................................................................................... 86 2.2.3 VALORES ......................................................................................................................................... 86 2.3 ¿QUÉ FABRICA AVON? ............................................................................................................................ 87 2.4 PRUEBAS PARA CONTROL DE CALIDAD ................................................................................................... 88 2.4.1 PRUEBA DE TENSIÓN ...................................................................................................................... 88 2.4.2 MÁQUINA DE MEDICIÓN POR COORDENADAS .............................................................................. 89 2.4.3 BOMBA DE VACÍO ........................................................................................................................... 90 2.4.4 REÓMETRO ..................................................................................................................................... 90 2.5 CERTIFICACIONES DE LA EMPRESA ......................................................................................................... 91 2.6 ORGANIGRAMAS DE LA EMPRESA ............................................................. ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 2.6.1 ORGANIGRAMA GERENCIAL ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.6.2 ORGANIGRAMA DE PRODUCCIÓN ...................................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.6.3 ORGANIGRAMA DE RECURSOS HUMANOS......................................... ¡Error! Marcador no definido. CAPITULO III: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN .................................... 94 3.1 ¿QUÉ ES UN TABLERO POPP? ................................................................................................................. 94 3.2 PASOS PARA ENSAMBLAR EN UN TABLERO POPP ..................................... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 3.3 PARTES PRINCIPALES DE UN TABLERO POPP ............................................. ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 3.3.1 BASE DE TABLERO ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.3.2 GUÍA DE LA MANGUERA ..................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.3.3 MATRIZ ............................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.3.4 VENTANA ............................................................................................ ¡Error! Marcador no definido. 3.3.5 PIN O PERNO ....................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.3.6 PISADOR .............................................................................................. ¡Error! Marcador no definido. 3.3.7 CORREDERA ........................................................................................ ¡Error! Marcador no definido. 3.4 SISTEMA ELECTRONEUMÁTICO DE UN TABLERO POPP ............................. ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 3.4.1 ELECTROVÁLVULA 3/2 ........................................................................ ¡Error! Marcador no definido. 3.4.2 VÁLVULA DE BOTÓN DE HONGO 3/2 .................................................. ¡Error! Marcador no definido. 3.4.3 VÁLVULA 5/2 ....................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.4.4 CILINDRO DE DOBLE EFECTO .............................................................. ¡Error! Marcador no definido. 3.4.5 SENSOR INDUCTIVO ............................................................................ ¡Error! Marcador no definido. 3.4.6 MICROINTERRUPTOR .......................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.4.7 MICROINTERRUPTOR PIZZATO ........................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.4.8 SENSOR DE CONTRASTE TIPO SENSICK KT 2 ....................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.4.9 SENSOR DE FIBRA ÓPTICA ................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.5 CLASIFICACIÓN DE TABLEROS POPP SEGÚN SUS COMPONENTES ............. ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. Página 3

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 3.5.1 TABLEROS BAJO EL CONTROL DE UN DISPOSITIVO ELÉCTRICO .......... ¡Error! Marcador no definido. 3.5.2 TABLEROS BAJO EL CONTROL DE DOS DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS ..... ¡Error! Marcador no definido. 3.5.3 TABLEROS BAJO EL CONTROL DE TRES DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS .... ¡Error! Marcador no definido. 3.6 PROBLEMAS QUE PRESENTAN LOS TABLEROS POPP .............................................................................. 95 3.6.1 DAÑOS EN LOS COMPONENTES DEL SISTEMA ELECTRONEUMÁTICO .......................................... 116 3.6.2 MALA OPERACIÓN ........................................................................................................................ 117 3.7 DISEÑO DE MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN ........................................................................................ 117 3.7.1 SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN .................................. 120 3.7.1.1 COMPONENTES PARA EL SISTEMA ELECTRONEUMÁTICO DE UN TABLERO POPP DE DOS ESTACIONES.120 3.7.1.2 COMPONENTES PARA EL SISTEMA DE SECUENCIADOR. ............................................................................. 123 3.7.1.3 COMPONENTES PARA EL SISTEMA ELECTRONEUMÁTICO DEL TEMPORIZADOR. ..................................... 125 3.7.1.4 COMPONENTES ADICIONALES PARA LA CONEXIÓN NEUMÁTICA Y ELÉCTRICA DEL MÓDULO. ............... 127

3.7.2 CIRCUITO ELETRONEUMÁTICO DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN. ........................................ 140 3.7.2.1 FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO ELETRONEUMÁTICO DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN .............. 142

3.8 IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN .................................................................... 146 3.8.1 DISTRIBUCIÓN DE LOS ELEMENTOS ............................................................................................. 146 3.8.2 COLOCACIÓN DE LOS ELEMENTOS ................................................................................................ 147 3.8.3 CONEXIÓN DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN ......................................................................... 149 3.8.3.1 CONEXIÓN NEUMÁTICA ................................................................................................................................. 149 3.8.3.2 CONEXIÓN ELÉCTRICA ................................................................................................................................... 150 3.8.3.3 CONEXIONES FINALES DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN..................................................................... 157

3.8.4 PRUEBA DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN ............................................................................. 162 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 171

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INTRODUCCIÓN En este trabajo se muestra la historia, importancia y aplicación de la automatización en nuestra actualidad, ya que ha sido parte de nosotros con el objetivo de sustituir al operador humano, por un operador artificial en la ejecución de una tarea física o mental y así facilitar el trabajo. En la antigüedad el ser humano se percató de que existían tareas que se podían realizar, e incluso mejorar por medio de sistemas mecánicos, hidráulicos, neumáticos, etc., más o menos complejos. Comenzó a crear artefactos capaces de realizar tareas diarias y comunes para los hombres, o bien, para facilitarles las labores cotidianas; además se dio cuenta de que había tareas repetitivas que se podían igualar con un complejo sistema, y es así como se comenzaron a crear máquinas capaces de repetir las mismas labores que el hombre realizaba. En la actualidad los sistemas de automatización industrial pueden considerarse como herederos de los autómatas mecánicos del pasado. La definición de autómata que aparece en la real academia indica que un autómata es una “máquina que imita la figura y los movimientos de un ser animado”. La realización física de los automatismos ha dependido continuamente del desarrollo de la tecnología, implementándose en primer lugar mediante ingenios puramente mecánicos y posteriormente por medio de tecnologías cableadas como la neumática, la cual es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de energía, necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Una aplicación muy clara y actual de ello es el sistema electroneumático que controla el funcionamiento de tableros POPP en la empresa CADILLAC RUBBER, el cual consiste en activar un pistón mediante el funcionamiento de válvulas neumáticas accionadas mediante una serie de condiciones, con el objetivo de ejercer una presión sobre un clamp POPP, colocado en uno de los extremos del ducto durante 30 segundos para el secado del pegamento aplicado en él. A pesar de que los sistemas automatizados ofrecen muchas ventajas para el incremento en los volúmenes de producción, siempre existen posibles fuentes de falla que son inherentes al proceso y que deben ser atendidos de forma eficaz Página 5

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN para eliminarlos o reducirlos al mínimo. En el proceso descrito anteriormente, por ejemplo, se han presentado problemas por residuos del pegamento utilizado, principalmente. Por lo tanto, se ha llegado a buscar la forma de implementar un nuevo diseño de automatización para la solución de este problema, con lo cual surge el desarrollo de este trabajo.

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CAPÍTULO I: PRINCIPIOS DE LA AUTOMATIZACIÓN 1.1 HISTORIA DE LA AUTOMATIZACIÓN 1.1.1 AUTOMATIZACIÓN El diccionario de la Real Academia Española define a la Automática como: “La disciplina que trata de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitución del operador humano por un operador artificial en la ejecución de una tarea física o mental proveniente programada” [1]. Partiendo de esta definición y ciñéndonos al ámbito industrial, puede definirse la Automatización como el estudio y aplicación de la Automática al control de los procesos industriales. En función del tipo de proceso que pretende controlar y de la forma en la que se realice dicho control, el operador artificial o sistema de control presentará una configuración y características determinadas [2]. Cuando esta sustitución tenga como objetivo el control de un sistema, de forma que este funcione de una manera autónoma, hablaremos del sistema de control automático. Los ingenios y dispositivos diseñados con este fin se denominan de regulación y mando. Mientras que la sustitución tenga como objetivo el procesado automático de la información, entonces nos referimos a la disciplina de la informática. La informática industrial se ocupa del procesamiento automático de la información industrial [1]. 1.1.2 AUTÓMATAS EN LA HISTORIA En la antigüedad el ser humano se percato de que existían tareas que se podían realizar y mejorar por medio de sistemas mecánicos, hidráulicos, etc. más o menos complejos. Por ello comenzó a crear artefactos capaces de realizar tareas diarias y comunes para los hombres, o bien, para facilitarles las labores cotidianas; Página 7

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN esto debido a que se daban cuenta sobre las tareas repetitivas que se podían igualar con un complejo sistema, y es así como se comienza a crear máquinas capaces de repetir las mismas labores que el hombre realizaba; aunque no todos estos artefactos tenían una utilidad, algunas máquinas solamente servían para entretener a sus dueños, y no hacían nada más que realizar movimientos repetitivos ó emitir sonidos [1]. Cabe mencionar que los árabes fueron unos maestros en la construcción de autómatas y en la precisión de sus cálculos, ejemplo de ello, se puede mencionar que inventaron el reloj mecánico e hicieron grandes aportaciones a la astrología. También tenemos

a los

ingenieros

griegos

quienes

aportaron grandes

conocimientos a los autómatas, aunque su interés era más bien hacia el saber humano en vez de las aplicaciones prácticas [14]. Los inicios de los autómatas que aparecen en la historia son ingenios mecánicos más o menos complicados que desarrollaban un programa fijo, que no empleaban necesariamente la noción de realimentación [14]. Los primeros ejemplos de autómatas se registran en la antigua Etiopía. En el año 1500 a. C., OneNote, hermano de Hapu, construye una estatua de Memon, el rey de Etiopía, que emite sonidos cuando la iluminan los rayos del sol al amanecer. En china, en el 500 a. C. King-su Tse, inventa una urraca voladora de madera y bambú y un caballo de madera que saltaba. En el año 206 a. C., fue encontrado el tesoro de Chin Shih Hueng Ti consistente en una orquesta mecánica de muñecos, encontrada por el primer emperador Han [1]. Entre el 400 y 397 a. C., Archytar de Tarento construye un pichón de madera suspendido de un pivote, el cual rotaba con un surtidor de agua o vapor, simulando el vuelo. Archytar es el inventor del tornillo y la polea. En el año 62 Herón de Alejandría describe múltiples aparatos en su libro "Autómata". Entre ellos aves que vuelan, gorjean y beben como se muestra en la figura 1. Todos ellos fueron diseñados como juguetes, sin mayor interés por

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN encontrarles aplicación. Sin embargo, describe algunos como un molino de viento para accionar un órgano o un precursor de la turbina de vapor.

Figura 1. Pájaros de Herón [14].

Figura 2. Caja mágica de Herón [14]. Página 9

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN También se diseñan ingeniosos mecanismos como la máquina de fuego que abría puertas de los templos o altares mágicos como el de la figura 3 donde las figuras apagaban el fuego de la llama [1].

Figura 3. Altar mágico [14].

En Roma existía la costumbre de hacer funcionar juguetes automáticos para deleitar a los huéspedes. Trimalco ofreció en su famoso banquete, pasteles y frutas que arrojaban un chorro de perfume cuando se hacía una ligera presión sobre un priapo de pasta, en cuyo regazo estaban colocados pasteles y frutas. La cultura árabe, heredó y difundió los conocimientos griegos, utilizándolos no sólo para realizar mecanismos destinados a la diversión, sino que les dieron una aplicación práctica, introduciéndolos en la vida cotidiana de la realeza. Ejemplos de estos son diversos sistemas dispensadores automáticos de agua para beber o lavarse. En la edad media se desarrollaron otros autómatas, de los que hasta nuestros días sólo han llegado referencias no suficientemente documentadas, como el hombre de hierro de Alberto Magno (1204-1282) o la cabeza parlante de Roger Bacon (1214-1294). En el año 1235, Villard d’Honnecourt escribe un libro Página 10

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN con bocetos que incluyen secciones de dispositivos mecánicos, como un ángel autómata e indicaciones para la construcción de figuras humanas y animales [1]. Un magnífico ejemplo relevante de la época fue el Gallo de Estrasburgo que funcionó desde 1352 hasta 1789 (ver figura 4). Este es el autómata más antiguo que se conserva en la actualidad, formaba parte del reloj de la catedral de Estrasburgo y al dar las horas movía el pico y las alas.

Figura 4. Gallo de Estrasburgo [14].

Durante los siglos XV y XVI algunos de los más relevantes representantes del renacimiento se interesan también por los ingenios descritos y desarrollados por los griegos. Es conocido el León Mecánico construido por Leonardo Da Vinci (1452-1519) para el rey Luis XII de Francia, que se abría el pecho con su garra y mostraba el escudo de armas del rey. En España es conocido el hombre de palo construido por Juanelo Turriano en el siglo XVI para el emperador Carlos V. Este autómata con forma de moje, andaba y movía la cabeza, ojos boca y brazos.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Durante los siglos XVII y XVIII se crearon ingenios mecánicos que tenían alguna de las características de los robots actuales. Estos dispositivos fueron creados en su mayoría por artesanos del gremio de la relojería. Su misión principal era la de entretener a las gentes de la corte y servir de atracción a las ferias. Estos autómatas representaban figuras humanas, animales o pueblos enteros. Así, en 1649, cuando Luis XIV era niño, un artesano llamado Camus (1576-1626) construyó para él un coche en miniatura con sus caballos, sus lacayos y una dama dentro donde todas las figuras se podían mover perfectamente. Salomón de Camus también construyó fuentes ornamentales y jardines placenteros, pájaros cantarines e imitaciones de los efectos de la naturaleza. Según P. Labat, el general de Gennes construyó en 1688 un pavo real que caminaba y comía. Este ingenio pudo servir de inspiración a Jacques de Vaucanson (1709-1782) para construir su increíble pato mecánico que fue la admiración de toda Europa. Según Sir David Brewster en un escrito de 1868, describe este pato diciendo que es "la pieza mecánica más maravillosa que se haya hecho". El pato alargaba su cuello para tomar el grano de la mano y luego lo tragaba y lo digería. Podía beber, chapotear y graznar, y también imitaba los gestos que hace un pato cuando traga con precipitación. Los alimentos los digería por disolución y se conducía por unos tubos hacia el ano, donde había un esfínter que permitía evacuarlos (ver figura 5). Vaucanson también construyó varios muñecos animados, entre los que destaca un flautista capaz de tocar melodías. El ingenio consistía en un complejo mecanismo de aire que causaba el movimiento de dedos y labios, como el funcionamiento normal de una flauta. Por instigación de Luis XV, intento construir un modelo con corazón, venas y arterias, pero murió antes de poder terminar esta tarea.

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Figura 5. Pato de Vaucanson [1]

Otra de sus construcciones es un objeto útil para la industria, la silla para los tejedores, pero eso suscitó el disgusto de los manufactureros de seda franceses, quienes lo amenazaron de muerte. El relojero suizo Pierre Jaquet Droz (1721-1790) y sus hijos Henri-Louis y Jaquet construyeron diversos muñecos capaces de escribir (1770), dibujar (1772) y tocar diversas melodías en un órgano (1773). Estos se conservan en el museo de arte e Historia de Neuchâtel, Suiza. Los Maillardet (Henri, Jean-David, Julien-Auguste, Jacques-Rodolphe) entre finales del siglo XVIII y principios del XIX, construyen un escritor-dibujante, con la forma de un chico arrodillado con un lápiz en su mano, escribe en inglés y en francés y dibuja paisajes. Construyen un mecanismo "mágico" que responde preguntas y un pájaro que canta en una caja. A finales del siglo XVIII y principios del XIX se desarrollaron algunas ingeniosas invenciones mecánicas, utilizadas fundamentalmente en la industria textil, entre las que destacan la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica Página 13

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwrigth (1785) y el telar de Jacquard (1801) como se muestra en la figura 6 [1].

Figura 6. Telar de Jacquard [1].

Jacquard basándose en los trabajos de Bouchon (1725), Falcon (1728) y del propio Vaucanson (1745), fue el primero en aplicar las tarjetas perforadas como soporte de un programa de trabajo, es decir, eligiendo un conjunto de tarjetas, se definía el tipo de tejido que se desea realizar. Estas máquinas constituyeron los primeros precedentes históricos de las máquinas de control numérico [1]. Algo más tarde que en la industria textil, se incorporan los automatismos en las industrias mineras y metalúrgicas. El primer automatismo que supuso un gran impacto social, lo realiza Potter a principios del siglo XVIII, automatizando el funcionamiento de una máquina de vapor del tipo Newcomen [1]. A diferencia de los autómatas androides, los automatismos dedicados a controlar máquinas industriales incorporan el concepto de realimentación. El ingeniero diseñador tenía una doble labor: realizar el proceso de diseño mecánico y también

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN desarrollar el automatismo, que en muchos casos era parte integrante de la mecánica de la máquina. A partir de aquí el desarrollo de los automatismos es impresionante, en muchas máquinas se utilizan elementos mecánicos como podían ser los programadores cíclicos (organillos) en los cuales se definía la secuencia de operaciones. 1.1.3 AUTOMATISMOS INDUSTRIALES Los actuales sistemas de automatización industrial pueden considerarse como herederos de los autómatas mecánicos del pasado. La definición de autómata que aparece en la real academia indica que un autómata es una “máquina que imita la figura y los movimientos de un ser animado” [1]. La realización física de los automatismos ha dependido continuamente del desarrollo de la tecnología, implementándose en primer lugar mediante ingenios puramente mecánicos y posteriormente por medio de tecnologías cableadas como la neumática, circuitos de relés electromagnéticos o tarjetas electrónicas. En las dos últimas décadas se han abandonado las tecnologías cableadas siendo sustituidas paulatinamente por los autómatas programables [1]. Los sistemas de automatización industrial han recibido un gran impulso en este siglo XX sobre todo por parte de la industria del automóvil. El término automatización fue acuñado en 1947 Delmar S. Halder de la compañía automovilística Ford en Detroit. Halder opina que la automatización debería ser un concepto global que abarque todos los diseños y dispositivos realizados para conseguir una plena automatización de la producción. En principio Halder inició su campaña dentro de Ford pero se extendió por si sola al resto de la industria americana, estableciéndose un debate sobre su aplicación en la industria y las consecuencias sociales que esto conllevaría. Se vertieron opiniones, no sin falta de razón, pues se creía que el objetivo final era sacar al ser humano fuera del proceso productivo, prediciendo que una gran cantidad de personas se quedaría sin trabajo.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN También se vertieron opiniones favorables dentro del campo tecnológico industrial, donde muchos consideraban la automatización como un concepto nuevo y revolucionario. La ciencia de la automatización “Automatology” haría comenzar una nueva era. La automatización supondría “La segunda revolución industrial”. La formalización del tratamiento de los automatismos es muy reciente. Históricamente se puede decir que el tratamiento de los automatismos lógicos se ha basado a partir del Algebra de Boole y de la teoría de autómatas finitos. Hasta la década de los 60 no se dispuso de herramientas como las redes de Petri, para el diseño y análisis de automatismos secuenciales y concurrentes. 1.1.4 SISTEMAS DE FABRICACIÓN En la industria actual, la mayor parte de los procesos de fabricación son automatizados, tanto la decisión como la inteligencia que llevan a cabo las acciones de fabricación ya no las realiza el ser humano. La inteligencia del proceso está contenida en la unidad de control o mando del sistema de fabricación [1]. La realización tecnológica de esa inteligencia ha adoptado diferentes formas o implementaciones a lo largo de la historia industrial, desde automatismos puramente mecánicos hasta los autómatas programables actuales. En el momento actual se puede afirmar que la mayoría de los procesos automatizados están controlados por autómatas programables y en menor medida por ordenadores de control de proceso y reguladores industriales. La combinación de la inteligencia de los autómatas programables con los accionadores industriales, así como el desarrollo de captadores y accionadores cada día más especializados, permite que se automatice un mayor número de procesos liberando al ser humano tanto de tareas de gran complicación intelectual como de realizar esfuerzos sustituidos por accionadores electromecánicos, neumáticos, etc. [1].

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN En los últimos años el mercado de los productos de automatización cambia y se incrementa continuamente tanto en sus gamas de productos como nuevos elementos para implantar y configurar instalaciones automatizadas. La potencia de los autómatas programables, ha aumentado considerablemente dejando de ser unos “lentos elementos de control que solo pueden sustituir a los cuadros de contactores”, ahora han pasado a ejecutar complicadas aplicaciones de control con un tiempo de computo mínimo y una alta fiabilidad. En la variedad de autómatas se han ido incorporando toda una gama de nuevos módulos para funciones especiales como el control de ejes, el pesaje, la comunicación, etc. [1]. Esto no solo ha sido posible con el desarrollo de la unidad de control, si no que se han invertido grandes esfuerzos e investigaciones en campos como son las redes de comunicación industrial, los buses de campo, los buses de célula, los identificadores de productos, etc. En la figura 7 se observa una línea de fabricación industrial automatizada. Esta instalación es un transporte de suelo de una fábrica de automóviles. El transporte de suelo está controlado por medio de cuatro autómatas programables. Cada autómata controla una zona del transporte de suelo. Las carrocerías de los coches entran por el transporte de tierra TT101 y son llevadas a los elevadores EL90, EL902 y EL903. Para automatizar el proceso el sistema deberá disponer de una serie de captadores y accionadores. Los captadores permitirán detectar el estado y situación de las carrocerías mientras que los accionadores permitirán el desplazamiento.

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Figura 7. Transporte de suelo [1].

Los elementos que componen una instalación Automatizada son: Máquinas Donde se realizan los procesos, los traslados, las transformaciones de los productos, etc. Accionadores Están acoplados a máquinas para realizar movimientos, calentamientos; son motores de corriente continua, motores de corriente directa, cilindros neumáticos.
Accionadores eléctricos Utilizan como fuente energía la eléctrica y toman muy diferentes formas como son: válvulas eléctricas, motores eléctricos de velocidad variable, motores de velocidad fija, resistencias de calentamiento, cabezas de soldadura, cabeza de corte por laser. Los motores eléctricos son adecuados para movimientos angulares y en el control de velocidad de ejes.

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Accionadores neumáticos Utilizan como fuente de energía el aire comprimido. El aire comprimido se obtiene por medio de un grupo de compresores, y luego se distribuye por la fábrica a las máquinas que lo utilicen. Los accionadores neumáticos son principalmente cilindros. Son adecuados para aplicarlos en movimientos lineales cortos que se producen, por ejemplo, en operaciones de transferencia, ensamblajes, aprietes y marcados.
Accionadores hidráulicos Se implementan cuando los esfuerzos a desarrollar son muy importantes (prensas de corte) o bien cuando las velocidades lentas deben ser controladas con precisión.

Figura 8. Captadores y Accionadores de una Instalación [1].

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Pre-accionadores Para comandar y activar los accionadores, es necesario usar los pre-accionadores como contactores, variadores de velocidad, electroválvulas, etc., de los cuales tenemos:
Pre-accionadores eléctricos Contactores, arrancadores y variadores de velocidad.
Pre-accionadores neumáticos Son los distribuidores asociados a los cilindros. Reciben una señal neumática o una señal eléctrica como mando. Captadores Son elementos que informan al órgano de mando del estado del sistema o de los eventos que sucedan en él. Los captadores tal cual lo dice su nombre, captan las señales necesarias para conocer el estado del proceso y decidir su desarrollo futuro. Detectan posición, precisión, temperatura, caudal, velocidad y aceleración.


Finales de carrera

Figura 9. Finales de carrera [1].

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Detectores inductivos

Figura 10. Detector inductivo [1].


Detectores Fotoeléctricos

Figura 11. Detector fotoeléctrico [1].

Elementos de diálogo humano-máquina Permiten el diálogo entre el operador y la unidad de control. Están implantados en el pupitre de la máquina: pilotos, pulsadores, teclados, visualizadores (ver figura 12).

Figura 12. Terminal de explotación Magelis [1] Página 21

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Elementos de mando Son los elementos de cálculo y control que comandan el proceso. Han tenido un desarrollo espectacular en las dos últimas décadas, permitiendo controles más avanzados y flexibles sin requerir instalaciones complejas. Suelen ser autómatas programables u ordenadores de control industrial (ver figura 13 y 14) [1].

Figura 13. Autómata programable Siemens [1].

Figura 14. Terminales de Visualización y ordenadores de control de Proceso [1].

1.1.5 REALIZACIÓN DE TECNOLOGÍA DEL CONTROL Las primeras tecnologías disponibles para implementar controladores de sistemas de eventos discretos, se basaban en la aplicación de tecnologías cableadas, lo que

se denominaba

automatismos

cableados,

los

cuales

se

utilizaban

principalmente en neumática y electroneumática [1].

Página 22

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN La tecnología neumática adquiere especial relevancia en la implementación cableada de automatismos, además cuenta con la ventaja de que es homogénea con numerosas máquinas de producción equipadas con cilindros neumáticos. Se debe resaltar que, aunque sea una tecnología cableada, el mando neumático utiliza secuenciadores modulares que suprimen una parte del cableado. En la actualidad en muchas máquinas neumáticas industriales el sistema de control que sigue en activo está integrado por circuitos neumáticos. Los nuevos productos desarrollados, en el caso de algunas máquinas pequeñas incorporan como sistema de mando, circuitos de relés electromagnéticos, pero la mayoría está comandada por autómatas programables [1]. Los relés electromagnéticos disponen de contactos accionados por una bobina electromagnética. La puesta en tensión de la bobina hace que los contactos conmuten debido a la fuerza electromagnética creada. Dichos relés pueden efectuar conmutaciones de grandes corrientes. Continúan siendo interesantes para automatismos muy sencillos y aunque, han sido prácticamente sustituidos por autómatas programables, se siguen utilizando alrededor de ellos en particular para realizar los circuitos de seguridad [1]. En las instalaciones de las fábricas de Automóviles se instalaban grandes armarios en paralelo con las líneas de producción, dentro de estos armarios se construían mediante circuitos de relés electromagnéticos la inteligencia que controlaba el proceso de fabricación. Esta tecnología funcionaba y por su puesto se fabricaban coches pero también poseía una gran problemática.
La tecnología no era muy adecuada para implementar sistemas de control complejos.
Los elementos que la conforman eran electromecánicos (en el caso de los relés), lo cual implicaba un número no limitado de maniobras y la necesidad de implantar logísticas de mantenimiento preventivo.
Ofrecían una gran dificultad para la búsqueda de averías (un cable que no hace contacto sigue estando visualmente junto al tornillo), para facilitar la Página 23

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN localización de averías se instalaban contactores y relés que señalaban los fallos.
A veces se debían realizar conexiones entre cientos y miles de relés, lo que aplicaba un enorme esfuerzo de diseño y mantenimiento.
Cuando se cambiaba el proceso de producción cambiaba también el sistema de control. Los tiempos de parada ante cualquier avería eran apreciables. Si saltaba una parada de emergencia, se tenía que reiniciar manualmente el sistema, dado que se perdía el estado de la producción. Estas tecnologías se usaban en el tratamiento y toma de decisiones del sistema automatizado. En la actualidad el tratamiento y el control lo ejercen los autómatas programables u ordenadores industriales, habiendo reemplazado en gran cantidad de aplicaciones al cableado. Sin embargo la acción directa sobre las máquinas sigue siendo efectuada mediante elementos de tecnología cableada. Los contactores eléctricos dan alimentación a los accionadores eléctricos tales como motores, resistencias de calentamiento, etc. Los relés eléctricos siguen siendo utilizados en las salidas digitales relevando al autómata de potencia. El desarrollo de los autómatas programables A finales de los años cincuenta los fabricantes de automóviles necesitaban nuevas y mejores herramientas de control de la producción. Los “nuevos controladores” debían ser fácilmente programables por ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida debía ser largo y los cambios en el programa tenían que realizarse de forma sencilla. Finalmente se imponía que trabajaran sin problemas en entornos industriales adversos. Los autómatas programables se introducen por primera vez aproximadamente en 1960. Bedford Associates desarrolló el denominado modular Digital Controler

Página 24

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN (Modicon) para el fabricante de Automóviles General Motors. Otras compañías propusieron a la vez esquemas basados en ordenador, uno de los cuales estaba basado en el PDP-8. EL MODICON 084 fue el primer autómata del mundo comercializado [1]. Las funciones de comunicación comenzaron a integrarse a los autómatas a partir del año 1973. El primer bus de comunicaciones fue el Modbus de Modicon. El autómata podía ahora establecer comunicación e intercambiar informaciones con otros autómatas. La implantación de los sistemas de comunicación permitió aplicar herramientas de gestión de producción que ejecutaban en miniordenadores enviando órdenes de producción a los autómatas de la planta. En las plantas se suele dedicar un autómata programable a ejecutar la función de gestión, este autómata recibe las órdenes de producción y se encarga de comunicarlas a los autómatas programables dedicados al control. Simultáneamente los autómatas de control envían el estado de la producción al autómata de gestión. En la década de los 80 se produjo un intento de estandarización de las comunicaciones en el entorno industrial como el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General Motors. En los últimos años del siglo XX y primeros del siglo XXI se está empezando a imponer como protocolo de comunicación en el entorno industrial el TCP-IP, el protocolo de comunicación estándar mundial utilizando en la comunicación vía Internet [1]. 1.1.6 SISTEMAS AUTOMATIZADOS Una forma de abordar el estudio de los sistemas Automatizados es la división en Parte de Mando y Parte Operativa como se muestra en la figura 15.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 15. Parte de mando y parte operativa [1]

Figura 16. Instalación Industrial Automatizada [1]. Página 26

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN La parte operativa es la aparte que actúa directamente sobre la máquina, son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación. Forman parte de ella los accionadores de las máquinas como son motores de corriente continua, motores de corriente alterna, cilindros neumáticos, accionadores hidráulicos, compresores, bombas, etc. La parte de mando suele ser un autómata programable. En un sistema de fabricación automatizado está el autómata programable en el centro del sistema, el cual está programado para ser capaz de comunicarse con todos los contribuyentes del sistema Automatizado.

El autómata elabora las acciones a realizar sobre el sistema de fabricación en base al programa que ha sido introducido en su memoria, en base a las señales de los captadores y en base a las órdenes que provengan del suministro de información; puede coordinarse con otros procesos comunicándose con los demás autómatas de la línea de producción o con un nivel superior de supervisión. Sin embargo, no es posible automatizar todos los procesos. Las razones pueden ser varias, aunque las más comunes son:
Es muy caro desarrollar las máquinas y robots necesarios para la automatización.
No existen captadores fiables del proceso que se desea automatizar. Un ejemplo puede ser la automatización inteligente de lavadoras. ¿Existe un captador de suciedad fiable? ¿A qué llamamos suciedad?
Es más barato que lo realice un ser humano.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 17. Parte de Mando. Armario con Autómata programable y Elementos Auxiliares [1].

Para que el control de proceso sea efectivo, las informaciones de los captadores deben ser suficientes y fiables. Los procesos de movimiento como los traslados en cintas transportadoras y los movimientos de los robots han sido totalmente automatizados dado que existen los captadores y accionadores adecuados. Los captadores son finales de carrera, detectores de proximidad inductivos, encoders, dínamos tacométricas, etc. Los accionadores son motores de corriente continua, motores de corriente alterna y cilindros neumáticos. En la figura 16 se observa una Instalación Automatizada controlada por medio de un Autómata programable TSX Micro Telemecánica dispuesto en el Armario 2. Los componentes del Armario 2 se observan en la figura 17. El Autómata controla el movimiento del vehículo trasbordador, que se encarga de llevar los pelets producidos por las ocho líneas de entrada a la línea de salida donde se encuentra una máquina enfundadora.

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1.2 NEUMÁTICA 1.2.1 DEFINICIÓN La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de energía, necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse, según la ley de los gases ideales [3]. De manera breve para que se comprendan y conozcan las bases del funcionamiento del aire comprimido con sus aplicaciones, se habla un poco sobre este tema. 1.2.2 EL AIRE COMPRIMIDO Lo que interesa en éste tema es el aire atmosférico. El aire, como todos los gases, es comprimible o compresible, es decir, es elástico, por ejemplo: dentro de un recipiente con capacidad de un litro, es posible introducir en él varios litros de aire, y esto es posible porque el aire se comprime, pero es indudable que, como cuando se estira una goma elástica, al soltarla vuelve a su medida original, así también el aire, si se deja salir del recipiente tomara su volumen original. En el caso de estirar una goma elástica, se tiene que realizar un esfuerzo, mayor cuanto más se quiera estirarla, y se experimenta la energía que desarrolla cuando se deja libre. Así también para comprimir el aire se tiene que realizar un esfuerzo, mayor cuanto se quiera comprimir el aire, y cuando el aire intenta quedar libre y volver a su estado normal desarrolla una gran energía, y esta energía es la que se aprovecha para realizar los trabajos pesados en la industria por ejemplo, y en éste caso los experimentos de laboratorio [4]. El uso del aire comprimido es muy común en la industria, su uso tiene la ventaja sobre los sistemas hidráulicos de ser más rápido, aunque es menos preciso en el posicionamiento de los mecanismos y no permite fuerzas grandes [5]. Página 29

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1.2.3 LOS COMPRESORES Como se muestra en la figura 18, los compresores son máquinas que como el nombre lo indica se utilizan para comprimir, en éste caso el aire atmosférico. El más conocido y, por supuesto, más utilizado actualmente es el compresor alternativo, con este sistema funciona una máquina de comprimir aire tan elemental y conocida como es la bomba de inflar las ruedas de las bicicletas. Así también ha sido necesario diseñar y construir máquinas compresoras que trabajen automáticamente, y para ello nada mejor que un motor eléctrico.

a) Imagen real

b) Símbolos

Figura 18. Compresor [5].

Por supuesto que existen compresores movidos o accionados con otros tipos de motores, como los de combustión interna, llamados moto-compresores, pero generalmente son utilizados para obras públicas o en agricultura [4]. 1.2.3.1 EL COMPRESOR ALTERNATIVO En este caso el compresor movido por motores eléctricos, llamado electrocompresor, al que también se llama simplemente compresor es el que será detallado, y precisamente se hace referencia al compresor alternativo. El compresor alternativo como se muestra en la figura 19, tiene una gran similitud con los motores de combustión interna, se compone de un cilindro y su culata con las correspondientes válvulas, una de admisión y una de expulsión; un pistón provisto de segmentos para asegurar la compresión; una biela, y un cigüeñal.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Todo montado en un cárter que, a su vez, hace de depósito para el aceite lubricante [4].

ASPIRACIÓN EXPULSIÓN ALETAS DE REFRIGERACIÓN

Figura 19. Compresor alternativo [4].

1.2.3.2 FUNCIONAMIENTO DEL COMPRESOR Debido al giro del cigüeñal, el émbolo o pistón desciende, lo que produce un vacio en el cilindro, éste vacío fuerza la apertura de la válvula de admisión, normalmente cerrada por el efecto de un muelle opuesto, al abrirse ésta válvula, penetra por ella el aire atmosférico, que es obligado a pasar por un filtro con el fin de retener todas las partículas que puedan dañar la camisa del cilindro. Cuando el pistón alcanza el punto máximo inferior, todo el espacio dejado por el pistón se ha llenado de aire a la presión atmosférica. Se inicia el ascenso del pistón a consecuencia del muelle de la válvula de admisión y ayudada por el inicio de compresión del aire del interior del pistón se cierra la válvula de admisión. En éste caso no se produce la presión del interior del cilindro por introducir más aire del que cabe en él, sino que la presión se produce a consecuencia de reducir la capacidad del cilindro cuando sube el pistón. Si se supone que cuando el pistón está en el punto más bajo el volumen de aire absorbido por el cilindro es de ½ litro, y cuando el pistón se sitúa en el punto superior el volumen del cilindro se reduce

Página 31

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN prácticamente a nada, es natural pensar que el ½ litro de aire se ha tenido que comprimir. Y así en efecto, pero cuando la presión del aire del interior del cilindro se va comprimiendo, también aumenta la fuerza por compresión que éste aire ejerce. Cuando ésta fuerza es suficiente para vencer al muelle que tiene la válvula de expulsión, ésta se abre y el aire comprimido en el pistón sale rápidamente a medida que el pistón continúa su ascenso; cuando el pistón alcanza el punto superior, todo el aire que el cilindro había absorbido previamente ha sido expulsado a presión, y seguidamente se inicia un nuevo ciclo. Las aletas de refrigeración son necesarias porque el trabajo de comprimir aire y solo en el momento de la compresión se produce un fenómeno físico: el aire se calienta considerablemente [4]. 1.2.3.3 EL PRESÓSTATO Como es natural, estas máquinas deben tener sus controles, principalmente es necesario controlar la presión del interior del calderín, que es el depósito colocado debajo del conjunto electro-compresor y que recibe el aire aspirado y comprimido por el compresor, éste control lo hace un dispositivo llamado presóstato (ver figura 20) [4]. La entrada de aire a presión está conectada directamente mediante un tubo o conexión apropiada al depósito de aire comprimido, de manera que, en el interior del fuelle existe la misma presión que en el interior del depósito, éste fuelle tiende a extenderse. Cuando la presión del interior del fuelle es suficiente como para vencer la resistencia del muelle, el fuelle se extiende empujando al muelle y a una placa adosada, ésta placa llega a hacer contacto con el accionador del microrruptor que, por éste motivo conmuta sus contactos, estos contactos hacen que el motor se pare. Solo cuando la presión se reduzca por debajo de la fuerza del muelle, éste empujará al fuelle, que se encogerá, la placa se separará del accionador del microrruptor y este volverá a restablecer sus contactos con lo que el motor volverá a arrancar y el sistema comprimirá aire hasta llegar a la presión Página 32

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN deseada. Con el tornillo de regulación se fija la fuerza del muelle, con lo cual se marca la presión a que el presóstato debe actuar [4].

Figura 20. Presóstato [4]

1.2.3.4 EL MANÓMETRO Para saber a qué presión está el aire en el interior del depósito utilizamos los aparatos de medida llamados manómetros (ver figura 21) [4].

Figura 21. Manómetro [4].

La constitución de los manómetros se basa en un pequeño tubo curvado que suele ser de cobre, para aprovechar la elasticidad de éste material; cuando el aire a presión entra dentro de éste tubo, el tubo tiende a enderezarse más cuanto mayor sea la presión, éste movimiento se aprovecha para hacer girar mediante cualquier depósito una pequeña rueda qué, a su vez, arrastra a la aguja que sirve para indicar el grado de deformación del tubo; el grado de deformación del tubo es proporcional a la presión del aire. Página 33

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Por supuesto que no es éste el único sistema de medida de la presión, pero sea cual sea el sistema, incluso electrónico, seguirá siempre un principio muy similar, por no decir el mismo [4]. 1.2.4 LOS CILINDROS NEUMÁTICOS El primer sistema de aprovechamiento de la fuerza del aire comprimido son precisamente los cilindros neumáticos. Un cilindro neumático típico puede verse a continuación en la siguiente figura:

Figura 22. Cilindro neumático [4].

El tipo de cilindro que se muestra en la figura 22 es el más generalizado; existen otros modelos, pero el funcionamiento práctico del cilindro no varía nada en absoluto, solo su aspecto exterior y en realidad muy poco, porque nunca deja de tener forma cilíndrica [4]. Tabla 1. Nomenclatura normalizada de actuadores.

Descripción

Símbolo

De simple efecto, retorno por muelle

De simple efecto, retorno por fuerza externa

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

De doble efecto

De doble efecto con amortiguador

De doble efecto con doble vástago

De simple efecto telescópico

Lineal sin vástago

Accionador angular

Motor neumático de un solo sentido de giro

Motor neumático de dos sentidos de giro

1.2.4.1 CILINDROS DE DOBLE Y SIMPLE EFECTO Si a un cilindro se le introduce aire comprimido por una de sus cámaras, por ejemplo, la trasera, el aire empujará el émbolo y hará que el vástago salga, por estar unido sólidamente al émbolo; acción mostrada en la figura 23 [4]. Página 35

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 23. Cilindro de doble efecto [4].

Para volver el vástago otra vez a su interior será necesario introducirle aire comprimido por su cámara delantera, el aire empujará al émbolo y éste arrastrará hacia adentro el vástago como se muestra en la figura 24 [4].

Figura 24. Cilindro de doble efecto [4]

A este tipo de cilindros se les llama de doble efecto por el motivo de tener que introducirle aire comprimido en los dos sentidos, es decir por las dos cámaras [4]. También existen cilindros de simple efecto; en estos el aire siempre entra por la cámara trasera, produciendo el mismo efecto que en el cilindro de doble efecto, es decir, sale el vástago, esta acción se puede observar en la figura 25:

Figura 25. Cilindros de simple efecto [4].

Para volver a su sitio el vástago, basta con quitar la presión del aire y el vástago recupera su sitio interior empujado por un muelle opuesto. Se llaman de simple efecto por la sencilla razón de que solo es necesario introducir aire comprimido en una de sus cámaras. Éste tipo de cilindro es utilizado solo en ocasiones muy específicas, casi generalmente para la fijación de piezas durante el trabajo [4]. Página 36

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1.2.4.2 VELOCIDAD DE TRABAJO DE UN CILINDRO Está determinada por la velocidad con que se le suministra el aire comprimido, por la presión del aire comprimido y por la velocidad con que escape el aire de la cámara contraria. La velocidad con que se suministra el aire comprimido se llama caudal y está directamente relacionado con la sección interior de los tubos de las válvulas que alimentan de aire al cilindro. La presión del aire comprimido tiene relación, por dos motivos; una, porque a más presión, más aire libre entra por minuto, y dos, porque a más presión, más fuerza desarrolla el cilindro, y por lo tanto mejor y más rápidamente vence a la resistencia del trabajo que tiene que efectuar. Finalmente, el escape, porque si no escapa el aire de la cámara contraria, el cilindro no podrá moverse, solo se moverá a medida que sale el aire de la cámara, cuanto antes escape el aire antes terminará el vástago su recorrido. Precisamente éste efecto se aprovecha para regular la velocidad de los cilindros, es decir, si estrangulamos la salida del aire de escape, podemos hacer que el cilindro se mueva a la velocidad que queramos, simplemente controlando el aire que escapa mediante dicha estrangulación [2]. 1.2.5 VÁLVULAS NEUMÁTICAS 1.2.5.1 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LAS VÁLVULAS Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan símbolos; éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvula; solamente indican su función (ver figura 26).

Figura 26. Cuadro que indica la posición de la válvula [6] Página 37

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN La cantidad de cuadrados unidos indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora (ver figura 27).

Figura 27. Dos cuadros dos posiciones [6].

El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas ó cuadros (ver figura 28).

Figura 28. Una posición dos vías [6].

Las líneas representan tuberías o conductos, las flechas, el sentido de circulación del fluido y el punto representa la unión de conductos (ver figura 29).

Figura 29. Una posición con cuatro vías y unión de conductos [6].

Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales (ver figura 30).

Figura 30 Una posición, cuatro vías con cierre dentro de la casilla [6].

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial (ver figura 31).

Figura 31. Dos posiciones con conexiones de entrada y salida [6].

La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan (ver figura 32).

Figura 32. Dos posiciones en posición de reposo abiertas [6].

Por posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo de reposición, aquella posición que las piezas móviles ocupan cuando la válvula no está activada. Para válvulas de 3 posiciones, la posición intermedia se considera como posición de reposo (ver figura 33).

Figura 33. Tres posiciones con posición de reposo intermedia [6].

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Los conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera), se representan por un triángulo directamente junto al símbolo (ver figura 34).

Figura 34. Salida de escape a la atmósfera [6].

Para conductos de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de reunión), por un triángulo ligeramente separado del símbolo (ver figura 35).

Figura 35. Salida de escape a un punto de reunión [6].

Para identificar los orificios o vías de una válvula se utiliza la siguiente normativa: Tabla 2. Nomenclatura de válvulas [6]. CETOP ( Numérica )

ISO ( Alfabética )

1

P

Utilización

2,4,6

A,B,C

Escape

3,5,7

R,S,T

Pilotaje

12,14,16

x,y,z

Fuga

9

L

Alimentación neumática

Identificación de las diferentes válvulas:

Página 40

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Tabla 3. Identificación de válvulas [6]. Denominación

Significado

Símbolo

Dos conexiones en posición de reposo cerradas. 2 vías / 2 posiciones Dos conexiones en posición de reposo abiertas. Primera posición, entrada cerrada, con escape al exterior 3/2 En reposo, entrada abierta, conectada a la utilización Dispone de dos 4/2

posiciones de conexión; para utilizar con cilindros de doble efecto Igual que la válvula

5/2

anterior, pero con escape del fluido Esta válvula nos sirve de modo ejemplo para

4/3

diseñar otras válvulas con diferente número de entradas.

Así también es importante mencionar que todo tipo de válvulas, sean neumáticas o eléctricas, tiene que tener un mando para accionarlas, sea directo o indirecto. El concepto de mando directo representa el modo más sencillo de controlar el funcionamiento de un cilindro, dado que allí participa solo una válvula con función Página 41

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN de distribución y de mando, algunos procesos utilizan actuadores pequeños y por lo tanto de bajo consumo de caudal de aire; en algunos casos, dichos actuadores son comandados con válvulas de mando, cuyos conductos son de diámetro de paso también pequeños y suministran el caudal necesario para realizar el trabajo, éste tipo de mando es llamado mando directo. Una de las utilidades muy importante de válvulas es el mando de otras mayores, como en forma de pulsador para accionar el piloto o los pilotos de una válvula de 5/2 vías por ejemplo, a esto se le llama mando indirecto, puesto que no mandan señal directamente al actuador sino que gobiernan otras válvulas distribuidoras. Tabla 4. Simbología de mandos para válvulas.

TIPOS DE ACCIONAMIENTO Descripción

Símbolo

Enganche con enclavamiento

Pulsador de emergencia. Seta

Pulsador general

Tirador

Accionamiento por leva

Accionamiento por rodillo

Página 42

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Accionamiento por presión

Accionamiento por rodillo escamoteable

Mando eléctrico

Accionamiento por motor eléctrico

Accionamiento por palanca

Accionamiento por pedal

Retorno por muelle

Electroválvula servopilotada

Electroválvula servopilotada gobernable manualmente

Detector neumático

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Final de carrera accionado

Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un aporte de trabajo. Los elementos de señalización y mando, modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas. Para el tratamiento de la información de mando es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el fluido de forma pre establecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del aire comprimido. En los principios de la automatización, los elementos rediseñados se mandan manual o mecánicamente; cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizan elementos de comando por símbolo neumático. A continuación se describe solamente las más comunes y utilizadas, cabe mencionar que estas válvulas son el principio de todo tipo de válvulas distribuidoras, además de que son las utilizadas en el laboratorio. Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones: •

Distribuir el fluido

•

Regular caudal

•

Regular presión

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por el compresor o almacenado en un depósito [6]. Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos: 1. Válvulas de vías o distribuidoras Página 44

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 2. Válvulas de bloqueo 3. Válvulas de presión 4. Válvulas de caudal 5. Válvulas de cierre 1.2.5.2 VÁLVULAS DE VÍAS O DISTRIBUIDORAS Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar la corriente de aire comprimido [6]. 1.2.5.2.1 VÁLVULA NEUMÁTICA DE 2/2 VÍAS Es la válvula distribuidora más elemental. Dispone de dos orificios o vías para el paso del aire y dos posiciones de trabajo. Tiene exclusivamente dos posiciones: cerrada o abierta. El símbolo normalizado y su forma constructiva se muestran en la figura 36. Esta válvula deja pasar el aire al ser accionada y luego, al soltarla, impide el paso tanto del que proviene de P, como del que salió por A. Por esta razón, no se utiliza para gobierno de cilindros como válvula distribuidora principal, pero si realiza funciones auxiliares, como bloqueos, derivaciones para otras válvulas, etc. También se pueden conseguir con la función inversa: en reposo deja pasar el aire y al ser accionada, el flujo se interrumpe [6].

Figura 36. Válvula dos vías dos posiciones [6].

1.2.5.2.2 VÁLVULA NEUMÁTICA DE 3/2 VÍAS Una de las válvulas más utilizada es la denominada de 3 vías 2 posiciones. Se trata de una válvula que solo tiene una salida, un escape y, por supuesto, la entrada de alimentación y los dos pilotos; el pilotaje neumático (indirecto) es Página 45

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN cuando una válvula se activa mediante una señal neumática como se muestra en la figura 37 [4].

Figura 37. Válvula neumática 3/2, de mando indirecto [4].

Mediante esta válvula se consigue que cuando se aplica un pilotaje por Z, el aire comprimido sale por A, pero cuando se aplica pilotaje por Y, es la salida A la que se conecta con el escape y el aire comprimido queda bloqueado dentro de la válvula como se puede ver en la figura 38.

Figura 38. Pilotajes Z y Y de una válvula 3/2 [4].

También es frecuente usarla para comandar cilindros de simple efecto, aquellos en los que el vástago retorna mediante un muelle, en esta ocasión se habla de un mando directo por estar directamente conectada al actuador, como se muestra en la figura 39.

A

A

a) Figura 39.

a) Válvula en reposo

b) b) Válvula accionada [4]. Página 46

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1.2.5.2.3 VÁLVULA NEUMÁTICA DE 4/2 VÍAS Éste tipo de válvula es netamente mecánica y accionada solo por aire comprimido además, es de constitución bastante simple. Tiene cuatro vías porque son cuatro los orificios por donde pasa el aire comprimido: un orificio para la alimentación de aire comprimido, uno para el escape del aire comprimido, uno para la conexión de la válvula a la cámara delantera y uno para la conexión de la válvula a la cámara trasera. Se dice que tiene dos posiciones, porque son dos las que se necesitan para cambiar la salida del aire comprimido de una cámara a otra. El dispositivo, sea cual sea su característica que efectúa la conmutación de la válvula, se llama piloto. Para que sea de mayor comprensión, se muestra un par de figuras que tienen el símbolo, el cilindro y su efecto, según sea la aplicación de la señal de pilotaje (ver figura 40) [4].

a

b

Figura 40. Funcionamiento de Válvulas neumáticas 4/2 [4].

En la figura 40-a) se puede apreciar que cuando se pilota la válvula en un sentido, en éste caso el piloto de la derecha, el cilindro introduce su vástago porque al aire comprimido entra por la culata delantera y la válvula se encarga, además, de poner la conexión de la culata trasera conectada con la salida de escape, de ésta manera, el aire que lógicamente tiene que tener el cilindro en la cámara trasera b cuando tiene el vástago fuera puede escapar a la atmósfera. Y bien, si ahora se pilota la válvula en sentido contrario, es decir, se inyecta una señal neumática en el piloto correspondiente (ver figura 40-b)), el de la izquierda, ocurre lo que se representa en dicha figura. Los conductos del interior de la válvula cambian de lugar, los que antes estaban en el cuadro de la derecha pasan a ocupar el cuadro de la izquierda y viceversa [4].

Página 47

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN En éste caso, el aire comprimido se conduce a través de la válvula a la conexión de la culata trasera, llenando por ésta causa la cámara trasera del cilindro, con lo que el vástago se ve obligado a salir pero, sale a medida que se vacía la cámara delantera que está conectada con la salida de escape de la válvula. Se debe recordar en todo momento que en esta válvula solo puede existir una sola señal de piloto, de forma que si se pretende pilotar la válvula en cualquier sentido sin haber eliminado antes la señal contraria, lo que ocurrirá es que la válvula no responderá a la segunda señal y permanecerá en la posición en que estaba en tanto que la primera señal no desaparezca [4]. 1.2.5.2.4 VÁLVULA NEUMÁTICA DE 5/2 VÍAS La válvula neumática de 5/2 vías es prácticamente igual y trabaja de la misma manera que la de 4/2 vías, la diferencia es que en la de 4/2 vías el escape de las dos cámaras se efectúa por el mismo orificio de salida de la válvula, mientras que en la de 5/2 vías los escapes de las dos cámaras son independientes. El símbolo característico para la válvula de 5/2 vías es el de la figura 41, las conexiones de esta válvula con un cilindro son iguales y de la misma forma que en la válvula de 4/2 vías [4].

Figura 41. Símbolo válvula 5/2 [4].

Las letras que figuran en el dibujo son referencias que normalmente se representan escritas en el cuerpo de las válvulas y corresponden a la normativa o nomenclatura mostrada anteriormente en la tabla 2 del mismo capítulo. Cuando se pilota una de estas válvulas, es decir, se introduce aire comprimido por uno de sus pilotos, siempre ocurre: el aire comprimido que entra por P, sale siempre por una referencia determinada, que siempre es la misma para cada piloto, de manera que Página 48

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN cuando se pilota por Y el aire sale por B, y A escapa por R, y cuando se pilota por Z, el aire sale por A, y B escapa por S, esto se puede observar en las figura 42.

Figura 42. Representación de válvulas 5/2 al accionarse los pilotajes Z, Y [4].

Lo normal es que cuando se pilota esta válvula por uno de sus pilotos, el aire comprimido salga por A o por B, pero siempre será por el lado más próximo del lado del piloto que se ha accionado, el escape será, por el contrario, por las salidas R o S pero siempre será por el lado más alejado del piloto accionado [4]. Todo lo que se ha explicado hasta ahora sobre neumática es el principio y el fin de todo el sistema. 1.2.5.3 VÁLVULAS DE BLOQUEO Primeramente se dirá que este tipo de válvula tiene la peculiaridad de accionarse ante unas determinadas condiciones. En segundo lugar, se debe saber que dependiendo el desempeño que tengan que realizar se usa un tipo u otro, por lo tanto, se dispone de varios tipos que son: 1. Anti-retorno. 2. Simultáneas. 3. Selectivas. 4. De escape [7]. 1.2.5.3.1 LA VÁLVULA ANTI-RETORNO O CIERRE Éste elemento neumático se ha dado en llamar válvula anti-retorno, y este nombre es correcto porque, al fin y al cabo, el aire que primero la atraviesa en un sentido luego no puede retornar en el sentido contrario, exactamente igual que la corriente Página 49

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN eléctrica en el seno de un diodo rectificador. Estas válvulas sirven para separar instalaciones neumáticas o circuitos de aire comprimido, de la alimentación de aire [4].

El símbolo y el croquis de la constitución de este elemento se representan en la figura 43.

Figura. 43 Válvula anti-retorno [4].

Cuando el aire comprimido entra por la izquierda en la figura 43, empuja el retén, que tapa de esta manera el orificio de la derecha. Por el contrario, cuando el aire comprimido entra por el orificio de la derecha en la figura, también empuja el retén, pero ahora está detenida por unos soportes que no le permiten tapar completamente el orificio de la izquierda, con lo que el aire comprimido puede rodear el retén y salir por dicho orificio [4]. 1.2.5.3.2 VÁLVULAS SIMULTÁNEAS Las válvulas simultáneas tienen dos entradas, una salida y un elemento móvil, en forma de corredera, que se desplaza por la acción del fluido al entrar por dos de sus orificios, dejando libre el tercer orificio. Sí solamente entra fluido por un orificio, el orificio que debería dejar paso al fluido, queda cerrado (ver figura 44) [7].

a) Símbolo

b) Imagen real

Figura 44. Válvula AND. Página 50

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1.2.5.3.3 VÁLVULAS SELECTIVAS Las válvulas selectivas como se muestra en la figura 45, tienen 2 entradas y una salida. Su elemento móvil suele ser una bola metálica. Cada una de las entradas está conectada a un circuito diferente, por este motivo se llaman válvulas selectivas. Este tipo de válvula se utiliza cuando deseamos accionar una máquina desde más de un sitio de mando. El funcionamiento es sencillo de entender, si entra aire por una entrada, la bola se desplazará obturando la otra entrada y dejando salir el fluido por la salida. Así mismo si se da la casualidad de que entre aire por las dos entradas a la vez, se cerrará la que menos presión tenga, y si tiene igual presión continuará cerrada la salida porque esta no es la condición de servicio de la válvula [8].

a) Símbolo

b) Imagen Real

Figura 45. Válvula Selectiva.

1.2.5.3.4 VÁLVULAS DE ESCAPE Como se muestra en la figura 46 éste tipo de válvulas tiene dos funciones que desempeñar. Uno para liberar el aire lo antes posible, pues sí el aire tiene que pasar por gran cantidad de tubería, tardaría mucho en salir al exterior. La otra utilidad, es que a veces quedan restos de presión en las tuberías, lo cual facilita que se den errores de funcionalidad en el circuito, con este tipo de válvula se elimina ésta posibilidad [8]. Página 51

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

a) Símbolo

b) Imagen Real Figura 46. Válvula de escape.

1.2.5.4 VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESIÓN Estas válvulas se encargan de regular la presión que recibe para enviar la presión ideal obtenida al actuador (sea cilindro o motor). Así mismo se pueden clasificar en: 1-Válvula reguladora de presión: Es una válvula con dos vías: el aire entra por la entrada y si la presión es más elevada de la que queremos, entonces la fuerza del muelle hace reducirla, luego el aire comprimido sale hacia el actuador (ver figura 47) [8].

E

S

E

S

E

S

Figura 47. Válvula reguladora de presión [8].

Página 52

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 2-Válvula de secuencia: Esta válvula (ver figura 48), cuando alcanza cierta presión, que está calibrada por un muelle, entrega una señal neumática como salida. Se usa para controlar presiones distintas para luego ejecutar unas u otras funciones (es decir que esta válvula simplemente actúa a la presión ajustada y envía una señal) [8].

Figura 48. Válvula de secuencia [8].

1.2.5.5 VÁLVULAS DE CAUDAL 1.2.5.5.1 REGULADOR DE CAUDAL O ESTRANGULADOR En neumática también se dispone de un medio para regular el caudal de aire que circula en un determinado momento por un circuito neumático, al que se le llama regulador de caudal. Esto es cuando se genera mucho aire a presión y éste va a mucha velocidad y se quiere reducir el caudal para que funcione bien el cilindro. Éste funciona de tal forma que cuando se enrosca el caracol el caudal disminuye ya que hace frenar el aire a presión. Normalmente se acopla un anti-retorno, para que el fluido solamente vaya estrictamente en un sentido, evitando así grandes problemas como se muestra en la figura 48 [4].

a) Símbolo

b) Constitución

c) Imagen real

Figura 48. Válvula estranguladora [4]. Página 53

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Con éste dispositivo, como con las resistencias variables en los motores eléctricos, se puede regular la velocidad de desplazamiento del vástago en los cilindros. En los motores eléctricos, el movimiento es circular, en los cilindros el movimiento es lineal, pero no dejan de ser motores. Válvulas reguladoras de caudal, de estrangulación constante: Válvula de estrangulación.- En esta válvula, la longitud del tramo de estrangulación es de tamaño superior al diámetro. Válvula de restricción de turbulencia.- En esta válvula la longitud del tramo de estrangulación es de tamaño inferior al diámetro.

Válvulas reguladoras de caudal, de estrangulación variable:

Válvula de estrangulación regulable

Válvula de estrangulación de accionamiento mecánico, actuando contra la fuerza de un muelle. Resulta más conveniente incorporar las válvulas de estrangulación al cilindro.

Además, utilizando estos elementos, se construye también otro aparato neumático de gran importancia en la automatización, que son los temporizadores. Al entrar el aire comprimido atravesando este dispositivo, se encuentra con el estrechamiento que se forma entre el cono macho y el cono hembra. El cono macho está unido a un esparrago roscado que sobresale terminando en una pequeña rueda moleteada. Mediante esta rueda moleteada, es posible aproximar o separar los dos conos.

Página 54

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN No cabe la menor duda de que cuanto más próximos estén los conos, más estrecho será el paso del aire comprimido y por tanto menos aire comprimido podrá circular, en definitiva, aproximando o separando los conos es como éste mecanismo puede regular el caudal de aire que lo atraviesa [4]. 1.2.5.5.2 REGULADOR DE CAUDAL BIDIRECCIONAL Cuando un regulador de caudal es como el de la anterior figura 48, se dice que es un regulador bidireccional, por el hecho de que puede controlar el caudal de aire comprimido en las dos direcciones, según la figura, de izquierda a derecha, o al contrario, de derecha a izquierda. [8] 1.2.5.5.3 REGULADOR DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL Asociando un regulador de caudal con una válvula anti-retorno se tiene construido un regulador de caudal unidireccional, se llama así porque ésta asociación permite regular el caudal de aire comprimido en un sentido, en el sentido en que no puede circular por el anti-retorno y se ve obligado a hacerlo a través del estrangulador.

a) Simbolo

b) Imagen Real

Figura 49. Regulador con anti-retorno.

En cambio, el aire comprimido pasa libremente en el otro sentido, en el que puede circular a través de la válvula anti-retorno, con lo que no es posible su regulación (ver figura 49) [4]. 1.2.6 TEMPORIZADOR NEUMÁTICO El temporizador neumático, es una unidad formada por tres elementos básicos:


Una válvula direccional Página 55

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Una válvula reguladora de caudal unidireccional
Un acumulador


La regulación del tiempo se logra estrangulando el paso del fluido que llega por la línea Z al acumulador. Cuando la cantidad de aire que ha ingresado al acumulador genera una presión suficiente para vencer el resorte, se acciona la válvula direccional para bloquear la señal de presión y establecer comunicación entre A y R. Cuando la línea Z se pone en descarga, el fluido sale del acumulador a través del conducto que en primera instancia cerraba la membrana flexible (anti-retorno) en lugar de seguir por la estrangulación ya que esto significa un mayor esfuerzo. El temporizador de la figura 50 es normalmente abierto y cuando actúa, corta la señal de presión. El temporizador normalmente cerrado, cuando actúa, comunica señal de presión a la línea A. [7]

a) Símbolo

b) Imagen real

Figura 50. Temporizador neumático [7].

1.3 ELECTRONEUMÁTICA En electroneumática, la energía eléctrica sustituye a la energía neumática como el elemento natural para la generación y transmisión de las señales de control que se ubican en los sistemas de mando. Los elementos nuevos y/o diferentes que entran en juego, están constituidos básicamente para la manipulación y acondicionamiento de las señales de voltaje y corriente, que deberán de ser transmitidas a dispositivos de conversión de energía eléctrica a energía neumática, para lograr la activación de los actuadores neumáticos [7].

Página 56

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Se desenvuelve sobre la base de los elementos de neumática básica, donde, se introducen elementos eléctricos y electrónicos en la cadena de mando, como se muestra en la figura 57.

Figura 51. Cadena de mando [9].

Así mismo se debe tener en cuenta los factores que intervienen en la utilización de la electroneumática y tomar en cuenta que tiene ventajas y desventajas respecto a otras ramas de automatización como lo es principalmente con la hidráulica, neumática etc. Por ello se presentan a continuación algunas de ellas: Sus ventajas: Mediana fuerza (porque se pueden lograr fuerzas mucho más altas con la hidráulica).

Altas velocidades

de operación. Menos

riesgos

de

contaminación por fluidos (especialmente si se utiliza en la industria de alimentos o farmacéutica). Menores costos que la hidráulica o la electricidad neta. Ocupa menor espacio que un equipo completamente neumático así como mayor facilidad de control y cambios en el programa.

Página 57

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Desventajas: Alto nivel sonoro. No se pueden manejar grandes fuerzas. El uso del aire comprimido, si no es utilizado correctamente, puede generar ciertos riesgos para el ser humano. Altos costos de producción del aire comprimido y la complejidad si se cuenta con sincronías dentro del proceso, es decir un mismo tipo de movimientos o situaciones en diferentes partes del proceso. [7] 1.3.1 FUENTES DE ALIMENTACIÓN En circuitos electroneumáticos, al utilizarse dos energías diferentes: eléctrica y neumática, debe recurrirse a dos fuentes: una de alimentación de corriente continua o de corriente alterna para los elementos eléctricos y una de provisión de aire comprimido para los elementos neumáticos. En el primer caso, en el laboratorio, se utilizan fuentes de 24 Vcc. Sin embargo se debe tener en cuenta que existen electroválvulas que funcionan además con tensiones de: 24 Vcc, 110 Vca, 220 Vca, y detectores cuya alimentación generalmente es en muy baja tensión, por debajo de los 24 Vcc. Al existir distintas tensiones dentro de un mismo proceso se hace necesario el uso de relés, con bobinas alimentadas con cualquiera de las tensiones antes citadas [10]. 1.3.2 TIPOS DE SEÑALES Señal analógica es aquella que ofrece diversas informaciones en cada uno de los puntos comprendidos por un margen de valores continuo. En consecuencia, el contenido de la información Ip (parámetro de información) de estas señales, puede tener cualquier valor comprendido dentro de determinados límites. Señal digital es cuando el parámetro tiene una cantidad ilimitada de márgenes de valores, correspondiendo la totalidad de cada margen de valores a una información determinada. La Señal Binaria o señal de dos puntos es una señal digital de un parámetro relacionado solamente a dos márgenes de valores. La señal solo contiene dos informaciones (On/Off, Uno/Cero, Arranque/Paro, Activo/Inactivo, Alto/Bajo, avance/retroceso) [10].

Página 58

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1.3.3 DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS El conjunto de elementos que debemos de introducir para lograr el accionamiento de los actuadores neumáticos son básicamente:
Elementos de retención.
Sensores de proximidad.
Relevadores.


Válvulas electroneumáticas [7]. 1.3.3.1 ELEMENTOS DE RETENCIÓN Son empleados, generalmente, para generar la señal de inicio del sistema, o en su defecto, para realizar paros, ya sea de emergencia o sólo momentáneos. El dispositivo más común es el botón pulsador. Dispositivo de acción mecánica, el cual al ser presionado, si los contactos que dependen de él se encuentran abiertos en su posición normal, se cerrarán; y si su posición original son cerrados, estos se abrirán [7].

a) Símbolo

b)Imagen real

Figura 52. Botón pulsador normalmente abierto [7].

1.3.3.2 SENSORES DE PROXIMIDAD El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan [11]. Entre los sensores de proximidad se encuentran:
Sensor capacitivo
Sensor inductivo Página 59

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN
Sensor o interruptor de final de carrera
Convertidor de señal Neumático-Eléctrico 1 . 3 . 3 . 2 . 1 S E N S O R C AP AC I TI V O La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar, su masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector. Los detectores capacitivos están construidos en base a un oscilador RC. Debido a la influencia del objeto a detectar, y del cambio de capacitancia, la amplificación se incrementa haciendo entrar en oscilación el oscilador.

El punto exacto de ésta función puede regularse mediante un potenciómetro, el cual controla la realimentación del oscilador. La señal de salida del oscilador alimenta otro amplificador, el cual a su vez, pasa la señal a la etapa de salida.

Figura 53. Sensor capacitivo [11].

Cuando un objeto conductor se acerca a la cara activa del detector, el objeto actúa como un condensador. El cambio de la capacitancia es significativo durante una larga distancia. Si se aproxima un objeto no conductor, solamente se produce un Página 60

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN cambio pequeño en la constante dieléctrica, y el incremento en su capacitancia es muy pequeño comparado con los materiales conductores (ver figura 53) [11].

1. 3. 3. 2. 2 S E NS OR I NDU C TI V O Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos. El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida.

Al aproximarse un objeto metálico o no metálico, se inducen corrientes de histéresis en el objeto. Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación. El circuito sensor reconoce entonces un cambio específico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido o la posición "ON" y "OFF".

El funcionamiento es similar al capacitivo; la bobina detecta el objeto cuando se produce un cambio en el campo electromagnético y envía la señal al oscilador, luego se activa el disparador y finalmente al circuito de salida hace la transición entre abierto o cerrado (ver figura 54) [11].

Figura 54. Sensor inductivo [11]. Página 61

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1 . 3 . 3 . 2 . 3 I N T E R R U P T O R E S M E C Á N I C O S D E F I N AL D E C AR R E R A Estos interruptores son empleados, generalmente, para detectar la presencia o ausencia de algún elemento por medio del contacto mecánico entre el interruptor y el elemento a ser detectado. Son muy habituales en la industria para detectar la llegada de un elemento móvil a una determinada posición. Existen multitud de interruptores final de carrera que se suelen distinguir por el elemento móvil que genera la señal eléctrica de salida, se tienen por ejemplo: los de lengüeta, bisagra, palanca con rodillo, varilla, palanca metálica con muelle, de pulsador, etc. (ver figura 55) [11].

a) Símbolo

b) Imagen real

Figura 55. Interruptor de final de carrera normalmente abierto [7].

1 . 3 . 3 . 2 . 4 C O N V E R T I D O R D E S E Ñ AL N E U M Á TI C O -E L É C T R I C O La combinación más simple es un interruptor final de carrera eléctrico, accionado por medio de un cilindro neumático de simple efecto como se muestra en la figura 56. Al aplicar aire comprimido al cilindro de simple efecto, éste conmuta el interruptor final de carrera, donde los dos elementos están montados en un bloque. Según la conexión, el interruptor final de carrera puede emplearse como contacto normalmente abierto, normalmente cerrado o como conmutador. La escala de presiones de esta combinación es de 60 a 1000 kPa (0,6 a 10 bar).

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Para baja presión existen elementos especiales (con otro bloque), qué trabajan con una presión de reacción de 10 kPa ó 0,05 kPa (0,1 6 0,0005 bar), respectivamente [15].

Figura 56. Convertidor de señal neumático-eléctrico [15].

1.3.3.3 RELEVADORES Son dispositivos eléctricos que ofrecen la posibilidad de manejar señales de control del tipo on/off. Constan de una bobina y de una serie de contactos que se encuentran normalmente abiertos o cerrados. El principio de funcionamiento, es hacer pasar corriente por una bobina generando un campo magnético que atrae a un inducido, y éste a su vez, hace conmutar los contactos de salida (ver figura 57) [7].

Son ampliamente utilizados para regular secuencias lógicas en donde intervienen cargas de alta impedancia y para energizar sistemas de alta potencia. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico [7].

Figura 57. Relevador eléctrico [7].

Página 63

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN En la figura 57 se observa el principio de funcionamiento del relevador como un simple contacto. Cuando se recibe una señal de entrada, la bobina genera un campo magnético provocando el cierre del contacto. A la salida del servicio se conecta la carga a ser activada. En la siguiente figura se observa un relevador comercial que ofrece más de una salida, todas a la vez, siendo algunas de ellas normalmente cerradas (ver figura 58) [7].

Figura 58. Esquema del relevador [7].

La representación simbólica de un relevador es la siguiente: K1 identifica al relevador número uno, A1 y A2 identifican a las terminales del relevador. La numeración identifica a la primera cifra con la cantidad de contactos, mientras que la segunda cifra (3 y 4) indican que se trata de contactos normalmente abiertos. Para contactos normalmente cerrados se emplean en las segundas cifras, los números 1 y 2, respectivamente (ver figura 59) [7].

Figura 59. Símbolo del relevador [7].

Para el caso de relevadores que emplean contactos tanto normalmente abiertos como cerrados, se tiene la siguiente representación (ver figura 60).

Página 64

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

K1

Figura 60. Relevador con contactos normalmente abiertos y cerrados [7].

Los contactos normalmente abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé esta activo. Este tipo de contactos es ideal para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos (ver figura 61).

Figura 61. Relevadores eléctricos Festo Didactic.

Los contactos normalmente cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado. Mientras que los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto NA y uno NC con una terminal común [7]. 1 . 3 . 3 . 4 E L E C TR O V Á L V U L AS N E U M Á TI C AS Se necesita un dispositivo medular para los circuitos electroneumáticos y como es de esperar, se tiene el elemento apropiado para convertir una señal eléctrica en señal neumática, y a este elemento se le llama electroválvula. Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador eléctrico, un final de carrera eléctrico, preostatos o mandos electrónicos y debe ser transmitida a los actuadores o a alguna válvula neumática. En general, se elige el accionamiento Página 65

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN eléctrico para mandos con distancias extremamente largas y cortos tiempos de conexión. Esencialmente, consisten de una válvula neumática a la cual se le adhiere una bobina sobre la cual se hace pasar una corriente para generar un campo magnético que, finalmente, genera la conmutación en la corredera interna de la válvula, generando así el cambio de estado de trabajo de la misma, modificando las líneas de servicio [7]. Las electroválvulas aprovechan la fuerza de un circuito magnético para abrir en principio una pequeña válvula de 3 vías 2 posiciones. El émbolo del centro de la bobina está apoyado y haciendo presión a causa del muelle en la junta del orificio por donde puede entrar el aire comprimido al interior de la válvula. Como la sección del orificio es muy pequeña, la presión del aire no puede levantar el émbolo; sigue el mismo principio y cálculo que para la fuerza de los cilindros, por lo que el aire comprimido no puede penetrar en el interior de la electroválvula, con lo que no puede salir por la salida de la misma. Al estar el émbolo en esta posición, el orificio de salida de la electroválvula está directamente conectado con el escape a través del centro de la electroválvula [4]. En la figura 62 la bobina se encuentra alimentada con una corriente eléctrica, la cual crea un campo magnético en donde el centro del mismo es precisamente el émbolo de la electroválvula. Este campo magnético tiene la propiedad de hacer que el émbolo se desplace buscando el centro de la bobina eléctrica.

Figura 62. Electroválvulas neumáticas [4].

Página 66

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN A causa de este fenómeno magnético, el émbolo vence efectivamente la resistencia del muelle y se desplaza separándose de la junta del orificio de entrada del aire comprimido, pero quedando apoyado con la fuerza del campo magnético de la junta del orificio de escape. Así, el aire comprimido puede pasar perfectamente al interior de la electroválvula y alcanzar el orificio de salida de la misma. En el momento en que se retira la corriente eléctrica de la bobina, desaparece el campo magnético y el émbolo vuelve a su posición de reposo, con lo que el aire comprimido deja de circular por el interior de la electroválvula, escapando el aire que tenga el orificio de salida y por tanto el aire que tenga el circuito alimentado por la electroválvula [4]. La misma situación de la figura antes mencionada se consigue accionando manualmente el pequeño resorte que poseen estas electroválvulas, este resorte funciona de la siguiente manera: al oprimir el botón de mando manual, el resorte se desplaza hacia el interior, el pequeño bisel del extremo interior del mando, al encontrarse con el bisel de la parte baja del émbolo, obliga al émbolo a separarse del orificio de entrada y tapar el orificio de escape, lo mismo que hace el campo magnético. Este mando manual es utilizado para probar manualmente los circuitos conectados a éste tipo de electroválvulas. Se fabrican electroválvulas con bobinas apropiadas para corriente continua o corriente alterna y cualquier tensión. El consumo eléctrico de estos elementos es muy bajo, del orden de 0.025 amperios para 220 voltios, para tensiones más bajas el consumo aumenta proporcionalmente, por ejemplo, para 24 voltios el consumo es de aproximadamente 0.25 amperios [4]. Estas electroválvulas suelen ser reversibles. La que se ha representado es una válvula normalmente cerrada y para que esta válvula sea normalmente abierta, lo que se hace es utilizar la salida de escape como entrada de alimentación, y al contrario, la entrada de alimentación como escape, no hay ningún problema en

Página 67

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN este sentido. Como es lógico, también este elemento debe tener un símbolo, que es muy simple, y se puede observar en la figura 63.

Figura 63. Símbolo de Electroválvula 3/2 [4].

La utilidad de este tipo de electroválvulas está relativamente limitada, pues el caudal de aire que puede circular por ellas es muy pequeño, debido al diámetro de los orificios que tapa el émbolo. Prácticamente se utilizan como generadores de una señal neumática partiendo de otra eléctrica o para el control de pequeños cilindros neumáticos de simple efecto [4]. Cuando se utilizan para comandar otras válvulas más potentes, simplemente es utilizado el símbolo de la figura 64.

Figura 64. Pilotaje de electroválvula [4].

Lo que ocurre es que este símbolo es para colocar en el símbolo de cualquiera de las válvulas antes mencionadas a modo de piloto; de esta manera se dice que ese piloto concretamente es accionado mediante una señal eléctrica. Todas las válvulas neumáticas pueden ser pilotadas eléctricamente en cualquier sentido, incluso en ambos [4]. La corriente alterna permite manejar potencias mayores a las de corriente continua, entonces la potencia eléctrica, es la que determina el tipo de electroválvula a utilizar, y de acuerdo al tipo de alimentación, utilización y demás Página 68

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN factores que intervienen en el circuito; la composición interna es similar, pero varían las características del material, el calibre del hilo para el embobinado por ejemplo. Y aunque comúnmente en la industria las más utilizadas son las de 24 V.C.C., y con características físicas más robustas a las de C.A., también se puede llegar a encontrar electroválvulas con características para trabajar con corrientes de 220 y 110 V.C.A. 1.3.3.4.1 TIPOS DE ELECTROVÁLVULAS Las electroválvulas o válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas de mando directo o indirecto. Las de mando directo solamente se utilizan para un diámetro de luz pequeño (ver figura 65), puesto que para diámetros mayores los electroimanes necesarios resultarían demasiado grandes [8].

Figura 65. Electroválvula distribuidora 3/2 [12].

Para reducir al mínimo el tamaño de los electroimanes, se utilizan válvulas de mando indirecto, que se componen de dos válvulas: Una válvula electromagnética de servo pilotaje (de diámetro nominal pequeño) y una válvula principal, de mando neumático [8]. 1.3.3.4.2 ELECTROVÁLVULA DISTRIBUIDORA 4/2 Y SERVOPILOTEADA 4/2 En la electroválvula el conducto de alimentación P de la válvula principal tiene una derivación interna hacia el asiento de la válvula de mando indirecto. Un muelle empuja el núcleo contra el asiento de esta válvula. Al excitar el electroimán, el núcleo es atraído, y el aire fluye hacia el émbolo de mando de la válvula principal, empujándolo hacia abajo y levantando los discos de válvula de su asiento.

Página 69

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Primeramente se cierra la unión entre P y R, entonces, el aire puede fluir de P hacia A y escapar de B hacia R. Al desconectar el electroimán, el muelle empuja el núcleo hasta su asiento y corta el paso del aire de mando. Los émbolos de mando en la válvula principal son empujados a su posición inicial por los muelles (ver figura 66) [12].

Figura 66. Electroválvula 4/2 [12].

En la válvula distribuidora 4/2 servopilotada como se muestra en la figura 67, a través de la válvula de servopilotaje reciben aire comprimido dos membranas, y dos émbolos de mando unen los diversos empalmes. La fuerza de accionamiento no varía; es también de 1.8 N (180 p) [16].

Figura 67. Válvula distribuidora 4/2 (servopilotada) [12].

1.3.3.4.3 VÁLVULA DISTRIBUIDORA 3/2, SERVOPILOTADA Para que las fuerzas de accionamiento no sean grandes, las válvulas de mando mecánico se equipan también con válvulas de servopilotaje (ver figura 68). La fuerza de accionamiento de una válvula es decisiva para el caso de aplicación. En

Página 70

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN la válvula descrita de 1/8”, con 600 kPa (6 bar), es de 1.8 N (180 p), aproximadamente.

Figura 68. Válvula distribuidora 3/2 [12].

Funcionamiento: La válvula de servopilotaje está unida al empalme de presión (P) por medio de un taladro pequeño, cuando se acciona el rodillo, se abre la válvula de servopilotaje. El aire comprimido circula hacia la membrana y hace descender el platillo de válvula. La inversión se realiza en dos fases: en primer lugar se cierra el conducto de A hacia R y luego se abre de P hacia A. La válvula se reposiciona al soltar el rodillo, se cierra el paso de la tubería de presión hacia la membrana y se purga de aire, el muelle hace regresar el émbolo de mando de la válvula principal a su posición inicial. Este tipo de válvula puede emplearse opcionalmente como válvula normalmente abierta o normalmente cerrada. Para ello sólo hay que permutar los empalmes P y R e invertir el cabezal de accionamiento 180º (ver figura 69) [12].

Figura 69. Estructura de una Válvula distribuidora 3/2 [12]. Página 71

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1.3.4 TEMPORIZADOR ELÉCTRICO El temporizador es un tipo de relé auxiliar, pero se diferencia en que sus contactos no cambian de posición instantáneamente. Existen relés temporizados de varios tipos, pero tres funciones básicas son; la temporización al cierre o conexión, temporización a la apertura o desconexión y la emisión de un pulso temporizado al cierre. En los dos últimos casos el relé temporizado deber alimentarse desde una conexión independiente a la de la bobina [13]. 1.3.4.1 TEMPORIZADOR A LA CONEXIÓN Cuando el temporizador recibe tensión y pasa un tiempo hasta que conmuta los contactos, se denomina Temporizador a la Conexión. Es un relé cuyo contacto de salida se conecta después de un cierto retardo a partir del instante de conexión de los bornes de su bobina a la red. El tiempo de retardo es ajustable mediante un potenciómetro o regulador frontal del aparato si es electrónico. También se le puede regular mediante un potenciómetro remoto que permita el mando a distancia; este potenciómetro se conecta a los bornes y no puede aplicarse a los relés de los contactos (ver figura 70) [13].

Figura 70. Temporizador con retardo a la conexión.

1.3.4.2 TEMPORIZADOR A LA DESCONEXIÓN Cuando el temporizador deja de recibir tensión y al cabo de un tiempo conmuta los contactos, se denomina Temporizador a la Desconexión. Es un relé cuyo contacto de salida conecta instantáneamente al aplicar la tensión de alimentación en los bornes de la bobina, al quedar sin alimentación, el relé permanece conectado

Página 72

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN durante

el

tiempo

ajustado

por

el

potenciómetro

frontal

o

remoto,

desconectándose al final de dicho lapso (ver figura 71) [13].

Figura 71. Temporizador con retardo a la desconexión.

Tabla 5. Simbología eléctrica para circuitos electroneumáticos.

SIMBOLOGÍA DE DIAGRAMAS ELÉCTRICOS Descripción

Elemento

Conexión eléctrica 0 V y 24 V

Botón con enclavamiento normalmente abierto

Botón con enclavamiento normalmente cerrado

Botón pulsador normalmente abierto

Botón pulsador normalmente cerrado

Relé

Válvula solenoide

Página 73

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Temporizador a la desconexión

Temporizador a la conexión

Contador

Interruptor de proximidad capacitivo

Interruptor de proximidad inductivo

Interruptor de proximidad magnético

Interruptor de proximidad óptico

1.4 FESTO FLUIDSIM-P El software de Festo FluidSIM-P es un simulador de circuitos el cual es utilizado en el apoyo de aprendizaje de automatización industrial, enfocado a la neumática y electroneumática. A continuación se muestran los pasos básicos para realizar un sistema, y así observar el comportamiento del mismo, este software permite observar en tiempo real el funcionamiento de las válvulas y actuadores para neumática, así como las válvulas solenoides y relevadores por parte de

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN electroneumática. Para el uso de Festo FluidSIM-P se muestran los siguientes pasos a seguir: 1.- En la figura 73, como se inicia el programa Festo FluidSIM-P (versión DEMO) pulsando desde el escritorio el ícono “FluidSIM Pneumatics” o bien siguiendo la secuencia desde el botón “inicio” como se muestra a continuación: “Inicio>Programas->Festo Didactic->FluidSIM Pneumatics”. El camino puede variar de acuerdo a la instalación del software en la PC.

Figura 73. Ruta de acceso a FluidSIM-P [17].

2.- Automáticamente se abre la ventana que muestra el programa donde se trabajan los ejemplos de aplicación y donde se podrá iniciar un sistema como se muestra en la figura 74.

Figura 74. Ventana de programa FluidSIM-P [17].

3.- Para iniciar un nuevo sistema, debe colocarse el puntero en la parte superior del programa y seleccionar el botón “archivo” y posteriormente “nuevo” para iniciar el sistema como se muestra en la figura 75, (los accesos que se muestran se encuentran en idioma inglés por ser versión de prueba).

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 75. Ruta para inicio de nuevo proyecto [17].

Una vez abierta la ventana para el nuevo proyecto se puede observar de la manera siguiente (ver figura 76).

Figura 76. Ventana para nuevo proyecto [17].

4.- Para poder trabajar con las herramientas y accesorios de neumática, es necesario ubicarse en la parte de entorno de trabajo, que es la ventana que se muestra a continuación, ubicada en la parte izquierda de la pantalla y se selecciona “Neumática” (Pneumatic) (ver figura 76 y 77).

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 77. Herramientas y Accesorios [17].

5.- Se debe desplazar los sub menú de elementos neumaticos donde se puede encontrar los necesarios para la realizacion del proyecto, se puede observar principalmente el compresor, el servicio de aire, posteriormente las válvulas, actuadores y demás elementos; los elementos se muestran de acuerdo a la categoría. A cotinuación se muestra la figura 78 que hace referencia del sub menú de elementos neumaticos suplementarios.

Figura 78. Menú de elementos suplementarios [17].

6.- Se debe seleccionar el elemento requerido con un clic izquierdo del mouse, y manteniendo pulsado el botón sobre éste, se arrastra y coloca en la ventana de Página 77

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN trabajo (ver figura 79). Este paso se repite con todos los elementos a utilizar para el proyecto que se esté trabajando.

Figura 79. Selección de elementos de trabajo [17].

7.- Para realizar las conexiones entre los elementos, se coloca el puntero en el círculo del elemento donde se quiere llevar a cabo la conexión, el cual se pondrá en color verde si es correcta la conexión, y rojo si es una conexión que no se puede realizar (ver figura 80-a). Se selecciona dando clic y sin soltar el botón desde la posición que se quiere conectar, hasta ubicarse en la parte donde se requiere que llegue ésta conexión, la cual se pondrá en color verde (ver figura 80b); una vez ubicado el puntero en la posición se suelta y observa como inmediatamente quedan comunicados los elementos como se muestra en la figura 80-c.

a)

b)

c)

Figura 80. Pasos de conexión de elementos [17].

Página 78

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 8.- Una vez colocadas las conexiones, se debe verificar el desfogue de las válvulas, ubicándose en la parte de la válvula a poner el desfogue, de igual manera se pone en color verde (ver figura 81-a), se da doble clic e inmediatamente sale la ventana donde se debe seleccionar el tipo de salida requerida (ver figura 81-b). Una vez seleccionada se pulsa OK e inmediatamente aparece el símbolo en la válvula como se muestra en la figura 81-c.

a)

b)

c)

Figura 81. Pasos para colocar filtros en los desfogues [17].

Figura 82. Configuración de accionamiento de valvulas [17].

Página 79

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 9.- Para seleccionar el tipo de mando que se le da a las válvulas, ya sea manual, (por boton pulsador o con enclavamiento) mecánico, (por rodillo) eléctrico o neumático, así como el pilotaje o retorno por resorte, etc., que depende del tipo de acción requerida en el ejercicio, se da doble clic sobre la válvula a configurar, e inmediatamente aparece la ventana donde se puede configurar todo tipo de mandos y señales. En esta ocasión se muestra el mando del lado izquierdo por boton pulsador y el lado derecho retorna por resorte como se muestra en la figura 82. 10.- Realizadas las conexiones y configuraciones correspondientes se da paso a la simulación en tiempo real del proyecto; ubicandose en la parte superior de la barra de herramientas, de la ventana de trabajo, y posteriormente poner en marcha la simulación con el boton nombrado “start” (ver figura 83-a), inmediatamente cambia el estado en el que se observan las conexiones, poniendose en color azul indicando el paso de aire (ver figura 83-b) y en color rojo para las conexiones eléctricas de mando en prácticas electroneumáticas).

a)

Puesta en marcha de la simulación

b) Simulación

activada Figura 83. Pasos para la puesta en marcha del simulador [17].

11.- Se coloca el puntero sobre el elemento a accionar, en este caso la válvula 3/2 vías, presionando el lado indicado como botón pulsador, para poder observar como sede al paso de aire, y

se pone en color azul la conexión; se puede

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN observar el funcionamiento de los elementos involucrados en el sistema viendo como ejemplo inmediato, la salida del actuador (ver figura 84).

A

Figura 84. Accionamineto de un cilindro de simple efecto [17].

12.- Finalmente, terminado el proyecto, se debe ubicar nuevamente el puntero en la barra de herramientas, en “archivo” -> “guardar como” y nombrar el proyecto, posteriormente se selecciona la ubicación donde queda guardado y se podrá utilizar cuántas veces sea necesario en un futuro. Una vez hecho esto, se selecciona “archivo”-> “salir” como se muestra la figura 85.

Figura 85. Ruta para guardar proyecto y para salir del programa [17].

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

CAPÍTULO II: INFORMACIÓN SOBRE LA EMPRESA 2.1 HISTORIA DE LA COMPAÑÍA Avon comenzó hace un siglo en Wiltshire con E. G. Browne y J. C. Margetson, ellos adquirieron un pequeño molino harinero abandonado (ver figura 86), conocido como molino de Avon, en el río Avon en Limpley en 1885. El señor Browne era el socio financiero y el señor Margetson proporcionó un conocimiento práctico de la fabricación del caucho de la India combinado con química elemental, siendo empleado del carro Co. de Bristol.

Figura 86. La primera fabrica “Limpley Stoke”

En 1885 el señor Gottleid Daimler inventó el motor de combustión interna que al año accionó el primer vehículo de motor. Con esto Avon comenzó a producir neumáticos. La mano de obra consistió de 7 hombres, supervisados por Willie Holbrow que permanecía como encargado de la fábrica. En 1889 se compro otro molino en Melkscham, el cual se convirtió en las jefaturas corporativas de la compañía. En 1890 se declaro como compañía limitada que se nombró: El Avon de la India Rubber Company Limitada El brote de la guerra mundial se ocupó para el transporte de artillería y usaron los neumáticos de Avon. Página 82

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN El Ministerio de Marina era un usuario particularmente grande de los productos de Avon. En 1918 Avon contaba con 566 empleados calificados, pero con la guerra se ofrecieron voluntariamente para el deber, 300 hombres calificados por lo que creo dificultades serias y mucha improvisación en la producción.

Figura 87. Artículo elaborado por Avon en 1920.

Al terminar la guerra los hombres volvieron a su anterior trabajo y a fines de 1919 el número de personal había aumentado el 50% y empezó a crear centros de distribución instalados en Londres, Newcastle, Leeds y Bristol. Después de la guerra empezó a producir todo lo concerniente a deportes como tenis, balompié, golf, natación, así como también calzado, incluyendo los soles y los talones de goma, las esteras de baño, alfombra de esponja. En 1973 fabricó cubiertas reprográficas del rodillo para las fotocopiadoras de alta velocidad. En 1974 surtimos pedidos de mangueras reforzadas principalmente de Volkswagen y de Saaon Internacional. En 1978 fabricó polainas moldeadas por inyección Avon Automotive Orizaba, a partir del 11 de Julio de 1995, es una de las divisiones de AVON AUTOMOTIVE y AVON Norte América, la cual a su vez es parte de AVON. Página 83

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

AVON

AVON AUTOMOTIVE

AVON NORTE AMERICA

AVON AUTOMOTIVE ORIZABA 11 de julio de 1995

2.2 ¿QUIÉN ES AVON? Avon es internacional (ver figura 88).

Figura 88. Ubicación de AVON en el Mundo. Página 84

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Avon Automotive Orizaba (ver figura 89) se especializa en la manufactura y prueba de una amplia variedad de productos automotrices de hule tales como:
Mangueras reforzadas para el sistema de enfriamiento
Ensambles de mangueras reforzadas
Protectores de tubos de aire de enfriamiento, etc. Por medio de procesos tales como:
Extrusión convencional y reforzada
Curado
Ensamble
Inyección de plástico, etc.

Figura 89. AVON Orizaba.

Misión •

"Incrementar la utilidad de los accionistas en la compañía"

Visión •

"Seremos reconocidos como una compañía internacional innovadora respetada por la calidad de sus productos y su gente, dedicada al mejoramiento continuo en todas sus operaciones".

•

"Esto se lograra comprometiéndonos y cumpliendo con los requerimientos del Cliente haciendo uso de la tecnología y de los recursos".

Página 85

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 2.2.1 POLÍTICA DE CALIDAD “Con el propósito de cumplir con las expectativas de clientes y accionistas. Estamos comprometidos a: Mantener un Sistema de Gestión de la calidad basado en ISO/TS16949 y a Mejorar continuamente su efectividad. Establecer, Medir y Mejorar los Objetivos de Calidad considerando opciones Tecnológicas y financieras” 2.2.2 POLÍTICA AMBIENTAL “En Avon Automotive Orizaba estamos comprometidos a mantener el equilibrio entre nuestras actividades de negocio y la preservación y el cuidado al medio ambiente. Nuestro reto es prevenir y en lo posible evitar la contaminación ambiental cumpliendo los requerimientos de ISO 14001” 2.2.3 VALORES Nos esforzamos para alcanzar las expectativas y satisfacer las necesidades de todos aquellos que comparten nuestro éxito observando nuestros valores:
Buena comunicación,
Mejora Continua,
Integridad,
Confianza y lealtad mutua, conjuntándolos en mejores prácticas y un control efectivo de negocio en el trato con nuestros asociados. Nuestros asociados son:
Clientes: Aquellos a los que debemos proveerles productos con valor, con calidad, con durabilidad y seguridad en recompensa de un pago rápido en los términos acordados y la oportunidad de desarrollar futuros negocios.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN
Empleados: Aquellos en los que debemos ser justos en la selección y desarrollo a través de un alto nivel de entrenamiento proveer satisfacción en el trabajo dentro de un ambiente seguro a cambio de una participación en la búsqueda continua efectiva y eficiente del valor agregado.
Proveedores: Para aquellos con los que tratamos con justicia esperamos suplementos y servicios de buen valor, calidad consistente, confiabilidad y seguridad.
Accionistas: En Avon Automotive Orizaba nos esforzarnos a mejorar la utilidad de la inversión y proveer una comunicación efectiva y en tiempo de los objetivos del negocio y sus resultados. Por lo antes expuesto esperamos un soporte continuo a nuestros planes de largo plazo.
Sociedad: Nos esforzamos a ser buenos vecinos de la comunidad en la que operamos mientras que cumplimos con los estándares del medio ambiente recibiendo a cambio el soporte a la continuidad de nuestras operaciones.

2.3 ¿QUÉ FABRICA AVON? •

Mangueras de enfriamiento para automóvil (ver figura 90, 91, 92)

Figura 90. Mangueras de Enfriamiento para Automóvil. Página 87

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Productos

Figura 91. Regular Clamping.

Figura 92. Sobremoldeo Plástico.

2.4 PRUEBAS PARA CONTROL DE CALIDAD 2.4.1 PRUEBA DE TENSIÓN La cual nos permite conocer las características del material cuando se somete a esfuerzos de tracción (ver figura 93). El objetivo es determinar la resistencia a la rotura y las principales propiedades mecánicas del material que es posible apreciar en el diagrama carga-deformación:






Límite elástico Punto de fluencia Límite de fluencia Resistencia a la fatiga Punto de fractura

Figura 93. Prueba de tensión.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Los datos obtenidos en el ensayo deben ser suficientes para determinar esas propiedades, y otras que se pueden determinar con base en ellas. Por ejemplo, la ductilidad se puede obtener a partir del alargamiento y de la reducción de área.

Figura 94. Prueba de Revenimiento.

2.4.2 MÁQUINA DE MEDICIÓN POR COORDENADAS Máquina de Medición por Coordenadas (CMM) la cual emplea tres componentes móviles que se trasladan a lo largo de guías con recorridos ortogonales, para medir una pieza por determinación de las coordenadas X, Y y Z de los puntos de la misma con un palpador de contacto y sistema de medición del desplazamiento (escala), que se encuentran en cada uno de los ejes" como se muestra en la figura 95. Como las mediciones están representadas en el sistema tridimensional, la CMM puede efectuar diferentes tipos de medición como: dimensional, posicional, desviaciones geométricas y mediciones de contorno.

Figura 95. CMM máquina. Página 89

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 2.4.3 BOMBA DE VACÍO Bomba de vacío que se muestra en la figura 96, es un dispositivo el cual nos ayuda a eliminar las moléculas de gas de un volumen cerrado con el fin de dejar un parcial de vacío.

Figura 96. Bomba de vacío.

2.4.4 REÓMETRO El reómetro que se muestra en la figura 97, es un instrumento de laboratorio que se usa para medir la forma en que fluyen un líquido, mezcla o suspensión bajo la acción de fuerzas externas. Se emplea para fluidos que no pueden definirse con un valor de viscosidad y por tanto requieren más parámetros que los que puede proporcionar un viscosímetro. Mide la reología del fluido.

Figura 97. Reómetro.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

2.5 CERTIFICACIONES DE LA EMPRESA Calidad: Certificación ISO/TS16949 Estándar internacional cuyo objetivo es el desarrollo de una calidad de gestión del sistema que ofrece para la mejora continua, haciendo hincapié en defecto de la prevención y la reducción de la variación y de residuos en la cadena de suministro TS16949 se aplica al diseño / desarrollo , producción e

instalación

correspondiente en la prestación de servicios a la industria de productos automotrices. Se basa en la norma ISO9001 . La norma ISO 9001:2008 es una de las normas en la familia ISO 9000 incluyen
Un conjunto de procedimientos que cubren todos los procesos clave en el negocio; Control de los procesos para garantizar su efectividad;
Mantenimiento de registros adecuados;
Comprobar la salida de los defectos, con las medidas adecuadas y correctivas cuando sea necesario;
Examinar regularmente los procesos individuales en el sistema de calidad propio para la eficacia y
Familiar para la mejora continua. Ambiental: Certificación 14001:2002

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN DE LA PÁGINA 92 A LA 93 INFORMACIÓN CONFIDENCIAL DE LA EMPRESA CADILLAC RUBBER & PLASTIC DE MEXICO S.A. DE C.V

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

CAPITULO

III:

DISEÑO

E

IMPLEMENTACIÓN

DEL

MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 3.1 ¿QUÉ ES UN TABLERO POPP? Los tableros POPP son parte del proceso, donde se agrega al producto (Manguera o Ducto) los componentes extras que deben llevar, antes de ser producto final, para la satisfacción de los clientes a los que provee Avon Automotive

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN DE LA PÁGINA 95 A LA 115 INFORMACIÓN CONFIDENCIAL DE LA EMPRESA CADILLAC RUBBER & PLASTIC DE MEXICO S.A. DE C.V

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3.6 PROBLEMAS QUE PRESENTAN LOS TABLEROS POPP Los tableros POPP como ya se ha mencionado son tableros en los cuales colocan un clamp POPP con un adhesivo industrial llamado RITE LOK el cual es colocado en un extremo de la manguera para posteriormente ser presionado con el pistón del tablero durante 30 segundos.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Debido a la utilización de pegamento y a la existencia de tableros de dos estaciones, donde el operador debe colocar la pieza en la primera estación y posteriormente en la segunda, se han presentado los siguientes problemas:
Daños en los componentes del sistema electroneumático por caída de pegamento en los mismos.
Mala operación (falta de uno de los clamp´s) 3.6.1 DAÑOS EN LOS COMPONENTES DEL SISTEMA ELECTRONEUMÁTICO Debido a la utilización de este adhesivo es muy frecuente encontrar excesos del mismo sobre los componentes del sistema electroneumático, como lo es en válvulas, cables, sensores y microinterruptores como se muestra en la figura 140 y 141. Provocando daños en los mismos, y pérdidas tanto de tiempo en reparación, como económicas para la empresa.

Figura 140. Adhesivo en Válvula, conector y cable.

Figura 141. Exceso de adhesivo en Fuente PA10-U.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 3.6.2 MALA OPERACIÓN Como ya se ha mencionado existen tableros con dos estaciones, con el objetivo de colocar dos clamp´s (ver figura 142), pero se ha presentado el caso en el cual el operador realiza una mala operación y coloca la pieza en el contenedor sin uno de ellos (ver figura 143)

Figura 142. Tablero con dos estaciones.

Figura 143. Pieza sin un clamp.

3.7 DISEÑO DE MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Debido a los problemas mencionados en las secciones anteriores, en AVON Automotive se han implementado algunas estrategias para corregir o disminuir al Página 117

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN máximo estos problemas que causan periodos de paro en la producción. Algunas de las acciones que se han implementado para protección de componentes electroneumáticos son: a) Forros de plástico. Estos forros son colocados sobre cada uno de los componentes del sistema como se muestra en la figura 144, una vez que el forro presente pegamento se retira y se coloca un forro nuevo.

Figura 144. Fuente forrada de plástico.

Ventajas. Las ventajas de proteger los componentes con forros de plástico son:
Son de bajo costo.
Se colocan fácilmente.
Se aprecian los datos del componente. Desventajas Las desventajas de proteger los componentes con forros de plástico son:
Si el adhesivo es en exceso es difícil de retirar el forro.
Si no se retira a tiempo el adhesivo llega al componente. Página 118

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN
Solo lo protege del adhesivo más no de un golpe. b) Guardas de Acero Inoxidable. Son guardas colocadas sobre todo el sistema del tablero como se muestra en la figura 145, una vez que presente adhesivo se retira para posteriormente ser limpiada y colocada de nuevo.

Figura 145. Guarda de acero inoxidable.

Ventajas Las ventajas de proteger los componentes con guardas de acero inoxidable son: a) Protege los componentes de adhesivo y de ser golpeados. b) Son fáciles de limpiar. Desventajas Las desventajas de proteger los componentes con guardas de acero son:
Hacen más pesado el tablero.
En caso de falla provoca un paro mayor en línea. Página 119

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Como ya se ha mencionado no ha sido posible cubrir al 100% el problema de exceso de pegamento en los componentes del tablero ni el problema de falta de clamp en la manguera,

por lo cual se ha optado por diseñar un módulo de

automatización que sea capaz de realizar de manera eficaz el control de los tableros, el cual cuente con un secuenciador para evitar que el operador se salte un paso del proceso, reutilizando los componentes de los tableros ya existentes y utilizando un menor número de refacciones en caso de reparación, cuyo diseño permita que los componentes permanezcan fuera del alcance del pegamento, logrando así una disminución en los tiempos de paro debido al mantenimiento correctivo o de limpieza de los componentes de control. 3.7.1

SELECCIÓN

DE

LOS

COMPONENTES

DEL

MÓDULO

DE

AUTOMATIZACIÓN Para la selección de los componentes del módulo de automatización que ya se han mencionado, se ha divido en 3 partes que son las siguientes: 1. Componentes para el sistema electroneumático de un tablero POPP de dos estaciones. 2. Componentes para el sistema del secuenciador. 3. Componentes para el sistema electroneumático del temporizador. 3.7.1.1 COMPONENTES PARA EL SISTEMA ELECTRONEUMÁTICO DE UN TABLERO POPP DE DOS ESTACIONES. Para el sistema electroneumático del tablero POPP se utilizaran los componentes que se muestran acontinuación: a) ELECTROVÁLVULAS 3/2 CON SOLENOIDE. ELECTROVÁLVULA 3/2. Marca

FESTO

Página 120

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Modelo

MFH-3-1/8

Información

Electroválvula

3/2

cerrada

monoestable, accionamiento eléctrico. G1/8. Presión permitida

1.5 a 8 bar

Cantidad

2 piezas

22 a 120 psi

Figura 146. Electroválvula 3/2.

SOLENOIDE. Marca

FESTO

Modelo

MFW-110-50/60 6720

Tensión permitida

110V AC 50/60 Hz

Cantidad

2 piezas

Figura147. Solenoide Festo.

Página 121

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN b) VÁLVULAS 5/2 CON PILOTAJES NEUMÁTICOS. Marca

FESTO

Modelo

j-5/2-1/8-B

Información

Válvula neumática 5/2

biestable.

G1/8 Presión permitida en 1

0.9 a 10 bar

Presión permitida en 12/14

1.5 a 8 bar

Cantidad

2 piezas

Figura 148. Válvula 5/2 Pilotajes neumáticos.

c) CONTROLADORES DE SENSOR. Marca

Autonics

Modelo

PA10-U

Fuente de alimentación

100-240 VAC 50/60 Hz

Rango de tensión permitida

90 a 110 % de la Tensión Nominal

Consumo de energía

100VAC 50/60Hz: Aprox. 7VA (condición : 12VDC /200mA) 240VAC 50/60 Hz : Aprox. 10VA

Página 122

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Energía para sensor externo

12VDC ± 10 % max. 200mA

Cantidad

2 piezas

Figura 149. Fuente PA10-U.

3.7.1.2 COMPONENTES PARA EL SISTEMA DE SECUENCIADOR. Para el sistema de secuenciador se utilizaran los componentes que se muestran a continuación: a) RELEVADOR Y BASE. Marca

Finder

Modelo

60.12.8.120.0040

Tensión permitida para contactos

250 VAC 10A.

Tensión permitida en reelevador

120 VAC

Cantidad

1 pieza

Página 123

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 150. Reelevador Finder.

b) CONVERTIDORES DE SEÑAL (NEUMÁTICO-ELÉCTRICO). Marca

FESTO

Modelo

PE-1/8-1N

Tensión permitida

125-250 VAC

Conexión de presión

G1/8

Conexión eléctrica

Bornes atornillados

Cantidad

2 piezas

Figura 151. Convertidor de señal Neumático-eléctrico.

Página 124

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 3.7.1.3 COMPONENTES PARA EL SISTEMA ELECTRONEUMÁTICO DEL TEMPORIZADOR. Para el sistema del temporizador se utilizan los componentes que se muestran a continuación: a) TEMPORIZADORES ELÉCTRICOS. Marca

MOELLER

Modelo

ETR4-69-A

Tensión permitida

AC 24-240V 50/60 Hz

Tiempo

0.05s…100h

Cantidad

2 piezas

Figura 152. Temporizador ETR4-69-A.

b) CONVERTIDORES DE SEÑAL (NEUMÁTCO-ELÉCTRICO). Marca

FESTO

Modelo

PE-1/8-1N

Tensión permitida

125-250 VAC

Conexión de presión

G1/8

Página 125

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Conexión eléctrica

Bornes atornillados

Cantidad

2 piezas

Figura 153. Convertidor de señal Neumático-eléctrico.

c) ELECTROVÁLVULAS 3/2 CON SOLENOIDE. Marca

FESTO

Modelo

MFH-3-1/8 7802 AN 14

Información

Electroválvula

3/2

cerrada

monoestable, accionamiento eléctrico. G1/8. Presión permitida

1.5 a 8 bar

Cantidad

2 piezas

22 a 120 psi

Figura 154. Electroválvula 3/2. Página 126

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN SOLENOIDE. Marca

FESTO

Modelo

MFW-110-50/60 6720

Tensión permitida

110V AC 50/60 Hz

Cantidad

2 piezas

Figura155. Solenoide Festo.

3.7.1.4 COMPONENTES ADICIONALES PARA LA CONEXIÓN NEUMÁTICA Y ELÉCTRICA DEL MÓDULO. Para la conexión neumática y eléctrica del módulo, se utilizaran los siguientes Racor´s que se muestran acontinuación: a) RACOR RÁPIDO ROSCADO EN L (1/8). Marca

FESTO

Modelo

QSML-B-1/8-4-20

Información

Racor rápido roscado en L.

Rosca

exterior R1/8 para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Página 127

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Cantidad

7 piezas

Figura 156. Racor rápido roscado en L (1/8) [16].

b) RACOR RÁPIDO ROSCADO (1/8) Marca

FESTO

Modelo

QS-B-1/8-4-20

Información

Racor rápido roscado. Rosca exterior R1/8 para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm

Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Cantidad

5 piezas

Figura 157. Racor rápido roscado (1/8) [16].

c) RACOR RÁPIDO ROSCADO EN L (M5). Marca

FESTO

Modelo

QSML-B-M5-4-20

Página 128

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Información

Racor rápido roscado en L. Rosca exterior M5 para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm

Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Cantidad

3 piezas

Figura 158. Racor rápido roscado en L (M5) [16].

d) RACOR RÁPIDO ROSCADO (M5) Marca

FESTO

Modelo

QSM-B-M5-4-20

Información

Racor rápido roscado. Rosca exterior M5 para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm.

Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Cantiadad

1 pieza

Figura 159. Racor rápido roscado (M5) [16].

Página 129

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN e) RACOR RÁPIDO ROSCADO LATERAL EN T. Marca

FESTO

Modelo

QSTL-B-1/8-4-20

Información

Racor rápido roscado exterior 1/8 lateral en T para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm.

Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Cantiadad

6 piezas

Figura 160. Racor rápido roscaddo lateral en T [16].

f) SILENCIADORES NEUMÁTCO Marca

FESTO

Modelo

UC-1/8

Información

Silenciadores PE

Conexión de presión

G1/8

Nivel de ruido

59 dB(A)

Cantidad

8 piezas

Página 130

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 161. Silenciador Neumático Festo [16].

g) RACOR RÁPIDO EN T. Marca

FESTO

Modelo

QST-B-4-20

Información

Racor rápido en T para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm.

Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Cantidad

2 piezas

Figura 162. Racor rápido en T [16].

h) RACOR RÁPIDO ROSCADO (1/4) . Marca

FESTO

Modelo

QS-B-1/4-4-20

Información

Racor rápido roscado Rosca exterior R1/4 para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm

Página 131

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Cantidad

2 piezas

Figura 163. Racor rápido roscado (1/4) [16].

i)

PASA MUROS.

Marca

FESTO

Modelo

QSMS-4

Información

Racor rápido pasamuros para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm.

Presión permitida

-0,95 - 14 bar

Cantidad

4 piezas

Figura 164. Racor rápido pasamuros [16].

j) Marca

RACOR RÁPIDO PARA DIAMETRO DE 4 A 6 mm. FESTO

Página 132

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Modelo

QS-B-6-4-20

Información

Racor rápido para diámetro exterior del tubo flexible de 4 mm para diámetro exterior del tubo flexible de 6.

Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Cantidad

2 piezas

Figura 165. Racor rápido para diametro de 4 a 6 mm [16].

k) TUBO FLEXIBLE DE 4 mm. Marca

FESTO

Modelo

PUN-4x0,75-SI

Información

Tubo de material sintético 4 mm 2,6 mm.

Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Figura 166. Tubo flexible de 4 mm [16]. Página 133

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN l) TUBO FLEXIBLE DE 6 mm. Marca

FESTO

Modelo

PUN-6x1-SI

Información

Tubo de material sintético 6 mm 4 mm.

Presión permitida

-0,95 - 10 bar

Figura 167. Tubo flexible de 6 mm [16].

m) CONEXIÓN RÁPIDA NEUMÁTICA Tipo de cuerda

Hembra

Tamaño NTP

1/4”

Material

Bronce

Cople Anflo

C20B

Espiga Anflo

CP20B

Cantidad

2 piezas

Página 134

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 168. Conexión rápida neumática espiga.

n) GLÁNDULA Cantidad

1 pieza

Figura 169. Glánda 1/2” NTP.

ñ) BOTÓN SELECTOR SELECTOR LLAVE 2 POSICIONES

M22-WS

BASE

M22-A

CONTACTO NA MOELLER

M22-K10

Cantidad

2 piezas

Figura 170. Botón Selector de dos posiciones.

Página 135

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN o) CLEMA ELÉCTRICA Marca

Weidmuller

Modelo

Zdu 2.5

Medidas mm paso

5/60/47 paso 5

Calibre datos técnicos

2.5mm 26-12AWG 800V/24ª

Cantidad

3 piezas

Figura 171. Clema Zdu 2.5 marca Weidmoller.

p) CONDUCTOR ELÉCTRICO 1) Marca

Condulac

Cable

TF-LS

Color

Negro y Balnco

Calibre AWG

16

Número de hilos

7

Figura 172. Cable condulac TF-LS calibre 16 AWG.

Página 136

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 2) Marca

Condulac

Cable

Cordón dupléx flexible SPT

Color

Negro

Calibre AWG

16

Número de hilos

16

Figura 173. Cordón dupléx flexible SPT condulac calibre 16 AWG.

3) Marca

Condulac

Cable

Cordón uso rudo

Color

3 Negro, Blanco, Verde

Calibre AWG

14

Figura 174. Cordón uso rudo condulac calibre 14 AWG.

q) CLAVIJA Descripción

Clavija aterrizada de hule redonda con abrazadera.

Tensión permitida

127 Volts

Corriente permitida

15 A

Página 137

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Cantidad

1 pieza

Figura 175. Clavija aterrizada de hule.

r)

CABLE PARA SENSOR DE CONTRASTE

Marca

SICK- DOL

Modelo

DOL-1205-G02M

Conexión

5 Pin, enchufe M12

U. trabajo máxima V CC

36

Corriente de trabajo máxima

4A

Cantidad

2 piezas

Figura 176. Cable Dol-1205-G02M, M12, 5Pin Recto.

s) CONECTOR BANANA HEMBRA Cantidad

2 piezas

Tensión permitida

127 volts

Página 138

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 177. Doble conector para banana macho.

t) SOPORTE PARA RELEVADOR, TEMPORIZADOR Y CONTROLADOR DE SENSOR.

Figura 178. Riel DIN TS 35X7.5, Marca WEID.

u) GABINETE Marca

DERRANT

Ancho

30 cm.

Largo

40 cm.

Profundidad

20 cm.

Cantidad

1 pieza

Figura 179. Gabinete eléctrico DERRANT y Gabinete de acrílico.

Página 139

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 3.7.2 CIRCUITO ELETRONEUMÁTICO DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN. A continuación se muestra en la figura 180, el diseño elaborado en el simulador Festo FluidSIM-P del sistema electroneumático de automatización que se implementará en la solución del problema de los tableros POPP en

AVON

Automotive.

Figura 180. Circuito electro neumático para la solución de los tableros POPP [17].

Página 140

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Descripción de los componentes. 1.-Dispositivos de control: Representan al sensor, fibra óptica y microinterruptor. Los cuales conectados entre si, aseguran que la manguera cuenta con los componentes requeridos y posteriormente accionan la electroválvula. 2.-Electroválvulas 3/2 (FESTO MFH-3-1/8, 7802 AN14, 1.5-8 bar, 22-120 psi): Permite manipular mediante los dispositivos de control conectados al solenoide, el suministro de aire hacia la válvula de botón. 3.- Válvulas de botón 3/2: Se localizan el la mesa de trabajo, es alimentada por la electroválvula 3/2 y su función es accionar el pilotaje 14 de la válvula 5/2. 4.-Válvulas 5/2 (FESTO j-5/2-1/8-B, 173171 A4002, 1: 0.9-10 bar, 12/14: 1.5-8 bar): Manipulan el cilindro de doble efecto, el cual avanzará a través del servicio 4 activado por la válvula de botón mediante el pilotaje 14, y retrocederá con el servicio 2 activado por la señal del temporizador mediante el pilotaje 12. 5.-Convertidores de Señal (FESTO PE-1/8-1N): Se encuentran conectados neumáticamente en el servicio 4 de la electroválvuala 5/2 y su función es activar el temporizador eléctrico, recibiendo una señal neumática y convirtiéndola en señal eléctrica. 6.- Temporizadores (MOELLER ETR4-69-A, 24-240V AC 50/60 Hz, 0.5s-1OOh): Es accionado mediante el convertidor neumático-eléctrico al recibir la señal neumática, está configurado para contar 30 segundos y posteriormente accionar una electroválvula 3/2. 7.-Electroválvulas 3/2 (FESTO MFH-3-1/8, 7802 AN14, 1.5-8 bar, 22-120 psi): Son accionadas al finalizar el temporizador, mandando una señal neumática al pilotaje 12 para activar el servicio 2 de la válvula 5/2 y hacer retornar el cilindro de doble efecto. 8.-Relevador (Finder, 60.12.8.120.0040, 10A-250V, 120V AC, 50-60 Hz): Su objetivo es abrir y cerrar uno de sus contactos, de esa forma se manipula el

Página 141

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN circuito del sistema de la primera estación, de ahí es accionado con un convertidor de señal y se mantiene enclavado con otro convertidor de señal, formando entonces un secuenciador. 9.-Convertidor de Señal (FESTO PE-1/8-1N): Se encuentra conectado en el servicio 4 de la electroválvula 5/2 de la primera estación y su función es activar el relevador una vez accionado el cilindro de doble efecto, abriendo así el contacto y desactivando el sistema de la misma estación. 10.- Convertidor de Señal (FESTO PE-1/8-1N): Se encuentra conectado en el servicio 2 de la electroválvula 5/2 de la segunda estación, su función es mantener activado el relevador, una vez accionado el cilindro de doble efecto de la misma estación, rompe el enclavamiento y de esa forma el contacto vuelve a cerrarse energizando la primera estación. 3.7.2.1

FUNCIONAMIENTO

DEL

CIRCUITO

ELETRONEUMÁTICO

DEL

MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 181. Alimentación eléctrica a electroválvula 3/2 y neumática a válvula de botón 3/2 de la primera estación [17].

Página 142

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Al accionar el dispositivo de control de la primera estación (1), se cierra el circuito energizando la electroválvula 3/2 (2) y hace pasar el aire de uno a dos, alimentando neumaticamente la válvula de botón 3/2 (3) (ver figura 181) Se pulsa el botón de la válvula neumática 3/2 (3) y de esa forma se acciona el pilotaje neumático 14 de la válvula 5/2 (4) dejando pasar el aire de 1 a 4 para hacer avanzar el vástago del cilindro de doble efecto y que a su vez activa el convertidor de señal (9) el cual energiza el relevador (8) donde al mismo tiempo acciona el convertidor de señal (5) que accionará el temporizador (6) (ver figura 182).

Figura 182. Accionamiento del cilindro de doble efecto [17.]

El temporizador cuenta 30 segundos y al finalizar acciona la electroválvula 3/2 (7) la cual acciona el pilotaje 12 de la válvula 5/2 (4) dando paso al aire de 1 a 2 y así el cilindro de doble efecto retrocede. El relevador se mantiene activado con el convertidor de señal (10) invirtiendo su contacto cerrado (8)y de esa forma abre el circuito de la primera estación, la cual no accionará hasta que se desactive el relevador (ver figura 183).

Página 143

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figua 183. Función del temporizador y el relevador [17].

Para desactivar el relevador se debe accionar la segunda estación, de esta forma se asegura que despues de accionar la primera estación el operador acciona la segunda. Se activa el dispositivo de control de la segunda estacion (1), se cierra el circuito energizando la electroválvula 3/2 (2) y hace pasar el aire de uno a dos, alimentando neumáticamente la válvula de botón 3/2 (3) (ver figura 184).

Figura 184. Alimentación eléctrica a electroválvula 3/2 y neumática a válvula de botón 3/2 de la segunda estación [17]. Página 144

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Se pulsa el botón de la segunda estación de la válvula neumática 3/2 (3) y de esa forma se acciona el pilotaje neumático 14 de la válvula 5/2 (4) dejando pasar el aire de 1 a 4 para hacer avanzar el vástago del cilindro de doble efecto que a su vez acciona el convertidor de señal (5), el cual acciona el temporizador (6) y al mismo tiempo desactiva el convertidor de señal (10) siendo el que desenclava el relevador (8), es así como de nuevo se energiza la primera estación (ver figura 185).

Figura 185. Accionamiento del cilindro de doble efecto y desactivación del relevador [17].

El temporizador cuenta 30 segundos, al finalizar acciona la electroválvula 3/2 (7) la cual acciona el pilotaje 12 de la válvula 5/2 (4) dando paso al aire de 1 a 2 y entonces el cilindro de doble efecto retrocede (ver figura 186).

Página 145

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 186. Función del temporizador [17].

3.8 IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN A continuación se presenta la distribución, montaje y conexión de los elementos de nuestro módulo de automatización. 3.8.1 DISTRIBUCIÓN DE LOS ELEMENTOS Los elementos serán montados en una base de lámina galvanizada que cuenta con las siguientes medidas, 38 centímetros de largo por 28 centímetros de ancho como se muestra en la figura 187.

Figura 187. Base metálica. Página 146

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Se marcan e identifican las figuras de los componentes que se colocarán en nuestra base (ver figura 188), las cuales son distribuidas formando los siguientes sistemas:

Figura 188. Organización de los sistemas.


Sistema del temporizador (azul)
Sistema del secuenciador (rojo)
Sistema del tablero POPP (verde) 3.8.2 COLOCACIÓN DE LOS ELEMENTOS Antes de ser colocados los elementos del módulo de automatización son colocados unos soportes como se muestra en la figura 186, para los convertidores de señal al igual que el riel para los temporizadores, clemas, controladores de sensor y el relevador, los cuales son sotenidos con tornillos 3/16 X 1/4, tuercas y rondanas 3/16 como se muestra en la figura 189.

Página 147

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 189. Colocación de soportes.

Se colocan cada uno de los elementos del módulo de a cuerdo a la distribución de la base, los temporizadores, clemas, controladores de sensor y el relevaddor se montan en el riel, los convertidores de señal en los soportes en forma de L, las electroválvulas 3/2 son sujetas con tornillos 3/16 X 2 ½ , tuercas y rondanas 3/16, las válvulas 5/2 son sujetas con tornillos 3/16 X 1 ½ , tuercas y rondanas 3/16 (ver figura 190 A,B ).

A

Página 148

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

B

Figura 190. Montaje de los elementos [17].

3.8.3 CONEXIÓN DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 3.8.3.1 CONEXIÓN NEUMÁTICA Una vez colocados los elementos del módulo de automatización con ayuda del diagrama elaborado en el simulador FluidSIM-P se realiza la conexión neumática, en la que utilizamos tubo flexible de 4 milímetros como se muestra en la figura 191 A,B.

A

Página 149

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

B

Figura 191. Conexión neumática del módulo [17].

3.8.3.2 CONEXIÓN ELÉCTRICA Una vez realizada la conexión neumática, se realiza la conexión eléctrica de los sistemas que forman el módulo. a) Conexión del sistema del temporizador El temporizador se configurará de la siguiente manera (ver figura 192):
Rango de 30 segundos
Tiempo de 30 segundos
Función 11

Figura 192. Configuración del temporizador. Página 150

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Se mantendra con L2 alimentando A2 y con L1 al común 15, este a su vez se mantiene abierto con 18 del temporizador. Al recibir una señal eléctrica en A1 proveniente del convertidor, el cual está energizado con L1, comenzará a contar y al término de los 30 segundos se cierra el contacto 18, el cual está conectado a A1 de la solenoide, y L2 a A2 de la misma, es así como se energiza la electroválvula (ver figura 193 A,B).

A

B

Figura 193. Conexión eléctrica del temporizador [17]. Página 151

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN b) Conexión del sistema del secuenciador El relevador es conectado de L2 a 7(A2) y al común 1, el cual se mantiene cerrado con 4, L1 es conectado al común 8 donde se mantiene abierto con 6. El primer convertidor es conectado neumáticamente a 4 de la válvula 5/2 y electricamente de L1 al común, y el normalmente abierto a 2(A1) del relevador para que al ser accionado

active

el

relevador;

el

segundo

convertidor

esta

conectado

neumaticamente a 2 de la válvula 5/2 y electricamente de 6 del relevador al común del convertidor, y el normalmente abierto a 2(A1) del relevador, ya que se mantiene activado y por lo cual enclava el relevador abriendo 1 de 4 del mismo para desenergizar la primera estación, manteniendose así hasta que se accione la segunda estación para que desactive el segundo convertidor y desenclave el relevador (ver figura 194 A,B,C,D )

A

Página 152

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

B

C

D

Figura 194. Conexión eléctrica del secuenciador [17].

Página 153

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN c) Conexión del sistema del tablero POPP de dos estaciones Se conecta L2 a 5 y, L1 a 1 y al común 3 de los controladores de sensor, la electroválvula se conecta: L2 a A2 de la solenoide de la segunta estación y del contacto cerrado 4 del relevador a A2 de la solenoide de la primera estación. La señal obtenida de los botones selectores de cada estación es interrumpida por la conexión serial del tablero POPP y su retorno es conectada en A1 de cada solenoide (ver figura 195 A,B,C)

A

B

Página 154

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

L2

C L1

Figura 195. Conexión eléctrica de tablero POPP de dos estaciones [17].

En la base del botón selector se coloca dos interruptores abiertos, en los cuales, el primero y el segundo se conectarán en 3 del cable que va directo a la solenoide, y en 4 del interruptor uno al normalmente abierto, el cual dará la opción de detectar un clamp gris y, en 4 del interruptor 2 al normalmente cerrado del controlador de sensor el cual dará la opción de detectar el clamp negro, esto se realiza en los dos botones selectores (ver figura 196 y 197).

2 N/O

1 N/O 2 N/C 1 N/C

2 N/O

2 N/C 1 N/O

2

1 N/C

1

Figura 196. Conexión del controlador de sesor al botón selector.

Página 155

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

3 3 3

1-4 2-4

1 BOTÓN

1-4 2-4

2 BOTÓN

3

Figura 197. Conexión de los botones selectores.

d) Conexión eléctrica del gabinete a los componentes del tablero. Como ya se ha mencionado, se interrumpe la señal de L1 del botón selector para que mediante un conector doble banana hembra, se conecte en serie con los dispositivos de control del tablero y el retorno será conectado a la solenoide de la electroválvula del sistema de dos estaciones (ver figura 199). Al igual que el cable del sensor de contraste para el accionamiento del controlador de sensor, al cual se conecta, café en 9, azul en 10 y blanco en 11, como se muestra en la figura 198.

Página 156

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 198. Conexión del cable para sensor de contraste al controlador de sensor.

Figura 199. Envio y recepción de señal eléctrica del gabinete al tablero.

3.8.3.3 CONEXIONES FINALES DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN. 1) Conexión Neumática del gabinete a los componentes externos (válvula de botón y cilindro de doble efecto). De cada estación, se conecta la salida dos de la electroválvula 3/2 del sistema de dos estaciones a uno de los pasamuros del gabinete, el cual conecta a 1 de la válvula de accionamiento por botón 3/2 y la salida 2 de la válvula 3/2 de botón se conecta al siguiente pasamuros, para posteriormente conectarla al pilotaje 14 de la válvula 5/2 (ver figura 200 A,B,C).

Página 157

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

A

B

C

Figura 200. Conexión de la válvula de botón mediante pasamuros [17]. Página 158

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN La válvula 5/2 como ya se ha mencionado, se conecta en el pilotaje 14 de la señal proveniente de la válvula de botón; en la salida 4 se coloca una extensión que conectará al inicio del cilindro de doble efecto mediante un convertidor de tubo flexible de 4 a 6 mm para diferenciar de la salida 2 (ver figura 202), y a la salida 2 de la misma válvula se coloca una extensión con tubo flexible de 4 milímetros al final del mismo cilindro (ver figura 201).

Figura 201. Conexión del Cilindro de doble efecto [17].

CONVERTIDORES DE 4 A 6 MILÍMETROS

Figura 202. Conexión de 4 a 6 mm y salida a los sistemas neumáticos externos.

Página 159

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 2) Alimentación neumática del gabinete La alimentación neumática se realiza mediante dos espigas neumáticas con entrada a ¼, las cuales mediante un conector de 4 milímetros se conectan cada una independiente de cada estación, con el objetivo de poder trabajar en una sola estación sin tener salidas de aire innecesarias (ver figura 200).

Figura 200. Alimentación neumática independiente del gabinete.

3) Alimentación eléctrica del gabinete La conexión eléctrica se realiza con una clavija donde el cable se introduce al gabine mediante una glandula y es conectado a las clemas para posteriormente distribuir la energía eléctrica dentro del mismo (ver figura 201).

Figura 201. Alimentación eléctrica.

Página 160

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 4) Módulo de automatización final Despues de realizar las siguientes conexiones: a) Conexión del sistema del temporizador b) Conexión del sistema del secuenciador c) Conexión del sistema del tablero POPP de dos estaciones d) Conexión eléctrica del gabinete a los componentes del tablero 1) Conexión Neumática del gabinete a los componentes externos (válvula de botón y cilindro de doble efecto) 2) Alimentación neumática 3) Alimentación eléctrica Se finaliza el módulo de automatización como se muestra en la figura 202:

Figura 202. Módulo de automatización para el control de tableros POPP. Página 161

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 3.8.4 PRUEBA DEL MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN Una vez terminado el módulo de automatización se realizan pruebas fisicas con dos tableros POPP para comprobar su funcionamiento realizando los siguientes pasos: 1.- Se deshabilita todo el sistema electroneumático de cada uno de los tableros POPP en los cuales se realizarán las pruebas pertinentes (ver figura 203).

Figura 203. Sistema electroneumático de un tablero POP.

2.- Se conecta el cilindro, la válvula de botón y los dispositivos eléctricos de control al módulo de automatización como se muestra en la figura 204.

Figura 204. Conexión del módulo de automatización a los tableros. Página 162

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 3.- Se conecta neumaticamente y energiza el módulo de automatización (ver figura 205).

Figura 205. Conexión eléctrica y neumática del Módulo de Automatización.

4.- Una vez conectado el módulo se selecciona mediante la llave, en el botón selector el color de clamp, negro para la primera estación y gris para la segunda estación (ver figura 206 y 207), con las cuales se realizará la prueba.

Figura 206. Selección del color negro de clamp en la primera estación.

Página 163

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 207. Selección del color gris de clamp en la segunda estación.

4.- Para la primera estación como se muestra en la figura 208 se coloca un clamp negro en la matriz, un objeto metálico en el sensor inductivo de la guía y se oprime el botón de la válvula con el objetivo de accionarla.

Figura 208. Accionamiento de la primera estación.

Página 164

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 5.- Se observa en la figura 209 que se activó el relevador y se prueba nuevamente la primera estación para comprobar que se ha desenergizado (ver figura 210).

Figura 209. Relevador activado.

Figura 210. Prueba de la primera estación desenergizada.

6.- Una vez terminado el proceso de la primera estación se trabaja con la segunda como se muestra en la figura 211, colocando un clamp gris en la matriz, un

Página 165

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN objeto metálico en el sensor inductivo de la guía y se oprime el botón de la válvula con el objetivo de accionarla.

Figura 211. Accionamiento de la segunda estación.

7.- Se observa en la figura 212 que el relevador se ha desactivado y se prueba nuevamente

la primera estación como se muestra en la figura 213, para

comprobar que se ha vuelto a energizar y asi poder comenzar un nuevo ciclo de ensamblado.

Figura 212. Relevador desactivado. Página 166

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

Figura 213. Prueba de la primera estación energizada.

7.- Cuando la primera estación es un ensamble manual y la segunda un tablero POPP, se deshabilita la primera estación (ver figura 214) y solo se trabaja con la segunda para no perder la secuencia del proceso y se repite el paso número 6.

Figura 214. Deshabilitacion de la primera estación.

Página 167

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 8.- En caso de que el tablero POPP no cuente con sensor de contraste, se selecciona con la llave en el botón selector la opción negro y de esta manera funcionará solo con los dispositivos de control que presente (ver figura 215).

Figura 206. Selección del color negro en caso de ausencia de sensor de contraste.

En los resultados obtenidos de la prueba realizada se observa que se protegen los componentes del sistema electroneumático, el tablero realiza un trabajo óptimo, en caso de alguna falla técnica sólo será necesario cambiar el módulo, evitando así pérdidas de tiempo en la producción. Además, se ha agregado como seguridad para el proceso, que la primera estación no pueda funcionar nuevamente hasta que haya terminado el proceso de la segunda, evitando con ello que se obtengan piezas incompletas y de esta manera se resuelven los siguientes problemas: 1. Daños en los componentes del sistema electroneumático por caída de pegamento en los mismos, 2. Mala operación (falta de uno de los clamp´s), y 3. Pérdidas de tiempo por reparación.

Página 168

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

CONCLUSIONES Debido al mantenimiento preventivo realizado a los tableros POPP, y a la cantidad de componentes que se desechaban como: válvulas, electroválvulas, conectores y tubo flexible que se encontraban inservibles en la empresa CADILLAC RUBBER AND PLASTIC DE MÉXICO. Se llegó a la conclusión que los principales daños y pérdida de los mismos era debido al exceso de adhesivo, que por descuido de operación se regaba en ellos. Para lo cual se realizaron las siguientes soluciones: forrarlos de plástico o colocarles una guarda de acero inoxidable, con el propósito de proteger el sistema electroneumático y así evitar pérdidas, sin embargo, ninguna de estas cumplía con el objetivo, debido a que los forros de plástico se dañaban rápido y si no se retiraban a tiempo, el adhesivo llegaba al componente, mientras que las guardas ocasionaban un problema secundario, ya que al realizar el mantenimiento correctivo en la línea de producción, se aumentaba las pérdidas de tiempo por reparación. De ahí que se optó por diseñar un módulo de automatización reutilizando los componentes ya existentes de los tableros, con el objetivo de proteger el sistema electroneumático, controlar de forma eficaz el funcionamiento de cada tablero, aún si este presenta diferentes dispositivos de control para el accionamiento del mismo y en caso de alguna falla técnica sólo se necesite cambiar el módulo, evitando así pérdidas de tiempo en la producción; además, se han agregado dos temporizadores y un sistema de seguridad para el proceso, en donde la primera estación no pueda funcionar nuevamente hasta que haya terminado el proceso de la segunda, evitando con ello que se obtengan piezas incompletas, mejorando de forma general la calidad del producto final para lo cual se realizaron los siguientes pasos:

Página 169

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN 1) Estudio del funcionamiento de un tablero POPP 2) Estudio de cada uno de los componentes mecánicos del tablero 3) Estudio del funcionamiento de cada uno de los componentes del sistema electroneumático 4) Clasificación de los tableros por dispositivos de control 5) Problemas por resolver 6) Análisis de las posibles soluciones 7) Diseño del módulo de automatización 8) Selección de los componentes del módulo 9) Ensamble del módulo 10)Pruebas del módulo con un tablero real. Uno de los problemas que se presentó en el diseño del módulo, fue el adaptar el controlador de sensor PA 10-U, ya que para detectar el clamp gris se configuraba de una forma y para el negro de otra, por lo cual se realizó un estudio más a fondo de su conexión y asi poder facilitar su adaptación, por que se observó que su sistema es similar a un relevador y de esa forma en vez de utilizar 4 controlodores, dos para cada estación por si utilizaba clamp negro o gris, sólo se utilizaron 2 controladores en el módulo, uno para cada estación, manipulando cada uno de ellos con un botón selector de llave. De esta manera se lograron resolver los problemas de daños en los componentes del sistema electroneumático por caída de pegamento en los mismos, la mala operación (falta de uno de los clamp´s) y pérdidas de tiempo por reparación. El desarrollo de este trabajo me permitió aplicar los conocimientos básicos de automatización adquiridos durante la carrera de ingeniería mecánica eléctrica, así mismo, complementados con la experiencia adquirida en la industria, por lo tanto se ha logrado integrar, modificar y mejorar un sistema de automatización de un proceso real. Con esto, es innegable la importancia de la aplicación de la automatización en los procesos industriales.

Página 170

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE AUTOMATIZACIÓN

BIBLIOGRAFÍA

[1]

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Madrid: RA-MA. México D.F. ALFAOMEGA 2ª Edición. [2]

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