departamento de eléctrica y electrónica carrera de ingeniería en

departamento de eléctrica y electrónica carrera de ingeniería en
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTROMECÁNICA
PROYECTO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTROMECÁNICO
TEMA: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DIDÁCTICO
PARA
TRANSPORTE
Y
DISCRIMINACIÓN
DE
DISCOS
LABORATORIO DE HIDRÓNICA Y NEUTRÓNICA”
PABLO JAVIER SUÁREZ MULLO
SANTIAGO SEBASTIÁN VÁSQUEZ CHICO
DIRECTOR: ING. WILSON SÁNCHEZ
CODIRECTOR: ING. FREDDY SALAZAR
LATACUNGA
2015
EN
EL
ii
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTROMECÁNICA
CERTIFICADO
ING. WILSON SÁNCHEZ (DIRECTOR)
ING. FREDDY SALAZAR (CODIRECTOR)
CERTIFICAN:
Que el trabajo titulado “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
DIDÁCTICO PARA TRANSPORTE Y DISCRIMINACIÓN DE DISCOS EN
LABORATORIO DE HIDRÓNICA Y NEUTRÓNICA” fue realizado en su
totalidad por los señores: PABLO JAVIER SUÁREZ MULLO y SANTIAGO
SEBASTIÁN VÁSQUEZ CHICO, como requerimiento parcial para la
obtención del título de Ingeniero Electromecánico, el mismo que ha sido
guiado y revisado periódicamente y cumple normas estatutarias establecidas
en el Reglamento de Estudiantes de la Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE Extensión Latacunga.
Debido a que constituye un trabajo de excelente contenido científico que
ayudará a la aplicación de conocimientos y al desarrollo profesional, Sí
recomiendan su publicación.
Latacunga, Junio del 2015.
Ing. Wilson Sánchez
DIRECTOR
Ing. Freddy Salazar
CODIRECTOR
iii
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTROMECÁNICA
DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD Y RESPONSABILIDAD
Nosotros,
PABLO JAVIER SUÁREZ MULLO
SANTIAGO SEBASTIÁN VÁSQUEZ CHICO
DECLARAMOS QUE:
El proyecto de grado titulado “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN
SISTEMA DIDÁCTICO PARA TRANSPORTE Y DISCRIMINACIÓN DE
DISCOS EN EL LABORATORIO DE HIDRÓNICA Y NEUTRÓNICA” ha sido
desarrollado en base a una investigación profunda, respetando derechos
intelectuales de terceros, conforme las citas que consta al pie de las páginas
correspondientes, cuyas fuentes se incorporan en la bibliografía.
En tal virtud, declaramos la autenticidad de este contenido y para los efectos
legales y académicos que se desprenden del presente proyecto de grado, es
y será de nuestra autoría, responsabilidad legal y académica.
Latacunga, Junio del 2015.
Pablo Javier Suárez Mullo
C.C: 0503310336
Santiago Sebastián Vásquez Chico
C.C: 1803100096
iv
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTROMECÁNICA
AUTORIZACIÓN DE PUBLICACIÓN
Nosotros:
PABLO JAVIER SUÁREZ MULLO
SANTIAGO SEBASTIÁN VÁSQUEZ CHICO
AUTORIZAMOS:
A la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga, la
publicación en la Biblioteca Virtual y/o revistas de la institución nuestro
trabajo „DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DIDÁCTICO
PARA
TRANSPORTE
Y
DISCRIMINACIÓN
DE
DISCOS
EN
EL
LABORATORIO DE HIDRÓNICA Y NEUTRÓNICA’’, cuyo contenido, ideas
y criterios son de nuestra exclusiva responsabilidad y autoría.
Latacunga, Junio del 2015.
Pablo Javier Suárez Mullo
C.C: 0503310336
Santiago Sebastián Vásquez Chico
C.C: 1803100096
v
DEDICATORIA
Con el amor de siempre, Quiero dedicar mi trabajo y esfuerzo que va
impregnado en esta investigación a Dios por haberme dado las armas
necesarias para seguir adelante, la capacidad de poder estudiar y la
sabiduría para sobrellevar las cosas más difíciles de mi vida, a mis
padres César y Martha, los mismos que hicieron posible este proceso
de desarrollo para mí, creciendo personalmente y dándome ánimos en
los momentos de flaqueza. A todos los miembros de mi familia que
ayudaron en estos años previos a la obtención de mi título.
Pablo
Dedico este trabajo a mis padres Santiago y Consuelo con los que
inicie esta jornada universitaria, a mi hermana Ariana, a la novia que al
final de la carrera se convirtió en mi esposa María de Lourdes y al
hermoso regalo que ella me pudo regalar mi hijo Joaquín Sebastián el
mismo que me ha dado las fuerzas necesarias cuando creía que no
podía más, a mi gran Dios que me ha cuidado en cada día de la
universidad y lo sigue haciendo y a toda mi familia y a su apoyo
directo o indirecto, para todos ellos todo el cariño
Sebastián
vi
AGRADECIMIENTO
Agradecemos a nuestros Padres y Familia, a Dios, a todos nuestros
tutores a lo largo de la carrera universitaria que permitieron el paso de
cada uno de los escalones que llevaron a la culminación de nuestros
estudios, un agradecimiento especial a nuestro director de proyecto el
Ingeniero Wilson Sánchez que nos regaló mucho de su valioso tiempo
de una manera desinteresada y nos ha apoyado mucho en este
proceso de investigación, al Ingeniero Freddy Salazar quien como CoDirector nos ha guiado en este proyecto hasta su culminación, al
Ingeniero Washington Freire el mismo que siempre estuvo al tanto de
este trabajo.
A la Universidad de las Fuerzas Armadas, por abrirnos sus puertas y
permitirnos formarnos en sus aulas, a todos los anteriormente
mencionados de corazón quedaremos eternamente agradecidos.
Pablo y Sebastián
vii
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CARÁTULA………………………………………………………………………….i
CERTIFICADO .............................................................................................. ii
DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD Y RESPONSABILIDAD ................... iii
AUTORIZACIÓN DE PUBLICACIÓN ........................................................... iv
DEDICATORIA .............................................................................................. v
AGRADECIMIENTO ..................................................................................... vi
ÍNDICE DE CONTENIDOS .......................................................................... vii
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................ xiii
ANEXOS .................................................................................................... xix
RESUMEN................................................................................................... xx
SUMARY .................................................................................................... xxi
CAPÍTULO I
CONTENIDOS ............................................................................................... 1
1.1
Antecedentes .................................................................................... 1
1.2
Planteamiento del problema ............................................................. 2
1.3
Justificación e importancia ................................................................ 2
1.4
Objetivos........................................................................................... 3
1.4.1
Objetivo general ................................................................................ 3
1.4.2
Objetivo específicos .......................................................................... 3
CAPÍTULO Il
FUNDAMENTOS TEÓRICOS ....................................................................... 4
2.1
Automatización industrial .................................................................. 4
2.2.
Diseño modular................................................................................. 5
2.2.1
Características .................................................................................. 6
2.3
Sistemas que integran los módulos .................................................. 7
2.3.1
Sistemas mecánicos ......................................................................... 8
viii
a.
Diseño mecánico .............................................................................. 9
a.1
Diseño CAD .................................................................................... 10
a.2
Sistemas CAM ................................................................................ 10
a.3
Beneficios de CAM ......................................................................... 11
a.4
Sistemas CAE ................................................................................ 12
b.
Análisis de esfuerzo y deformación................................................ 12
b.1
Fuerza cortante y momento flexionantes en vigas .......................... 13
2.3.2
Sistemas neumáticos ...................................................................... 14
a.
Actuadores neumáticos ................................................................... 15
a.1
Actuadores lineales. ....................................................................... 16
a.2
Actuador rotativo neumático ............................................................ 18
b.
Fuerza del cilindro ........................................................................... 20
c.
Consumo de aire ............................................................................. 21
d.
Elementos de mando ...................................................................... 22
d.1
Válvulas direccionales. ................................................................... 22
2.3.3
Sistemas eléctricos y electrónicos ................................................... 24
a.
Sensores ......................................................................................... 24
a.1
Sensores de proximidad. ................................................................ 25
a.2
Sensores de proximidad inductivos................................................. 25
a.3
Sensores de proximidad capacitivos. .............................................. 25
a.4
Sensores de proximidad ópticos. .................................................... 26
a.5
Sensores de proximidad magnéticos. ............................................. 26
b.
Actuadores eléctricos ...................................................................... 27
b.1
Motores de corriente continua (CC) ................................................ 27
2.4
Simatic step 7 TIA portal V13 .......................................................... 28
2.4.1
Características del software TIA portal V13 .................................... 28
2.4.2
Configuración de red y de dispositivos. ........................................... 30
a.
Vista de red. ................................................................................... 30
ix
b.
Vista del dispositivo. ....................................................................... 32
2.4.3
Lenguajes de programación. .......................................................... 33
2.4.4
Diagnóstico. .................................................................................... 34
2.4.5
Online. ............................................................................................ 36
2.5
Sistemas de control ......................................................................... 36
2.5.1
Sistemas de control en lazo abierto. ............................................... 37
2.5.2
Sistemas de control de lazo cerrado. .............................................. 38
2.6
Controlador lógico programable (PLC) ............................................ 39
2.6.1
PLC simatic S7-1200 ...................................................................... 39
CAPÍTULO llI
DISEÑO DE LOS SISTEMAS MODULARES .............................................. 43
3.1
Parámetros de diseño ..................................................................... 43
3.1.1
Capacidad máxima ......................................................................... 44
3.2
Sistema mecánico .......................................................................... 44
3.2.1
Bancada o mesa de montaje ........................................................... 50
3.2.2
Diseño cad de la bancada ............................................................... 50
3.2.3
Construcción del contenedor de piezas ........................................... 56
3.2.4
Construcción de las rampas de salida A y B ................................... 57
a.
Construcción de la rampa de salida A............................................. 57
b.
Construcción de la rampa de salida B............................................. 60
3.2.5
Construcción de la rampa de llegada .............................................. 63
3.2.6
Brazo actuador ................................................................................ 67
3.2.7
Soporte de los actuadores lineales ................................................. 71
3.2.8
Probetas.......................................................................................... 74
3.3
Sistema neumático. ......................................................................... 75
3.3.1
Selección de los actuadores............................................................ 75
a.
Selección del actuador lineal neumático A y B ................................ 79
a.1
Requerimientos del actuador A ....................................................... 79
x
a.2
Requerimientos actuador B ............................................................ 81
3.3.2
Cálculo de los actuadores lineal neumáticos A y B. ........................ 83
3.3.3
Consumo de aire del actuador A y B ............................................... 86
3.3.4
Circuito de potencia neumático ....................................................... 86
3.3.5
Selección del actuador giratorio ...................................................... 87
a.
Consumo de aire del actuador giratorio .......................................... 88
3.3.6
Consumo de aire total del sistema .................................................. 89
3.3.7
Unidad de mantenimiento (FR) ....................................................... 90
3.4
Sistema eléctrico ............................................................................. 91
3.4.1
Sensores ......................................................................................... 91
a.1
Sensores inductivos ........................................................................ 91
a.2
Sensores ópticos ............................................................................ 92
a.3
Sensores magnéticos ..................................................................... 92
3.4.2
Selección del PLC. .......................................................................... 93
3.4.3
Tarjeta de entradas y salidas .......................................................... 94
3.4.4
Diseño PCB .................................................................................... 95
3.4.5
Electroválvulas ................................................................................ 96
CAPÍTULO IV
CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN ................................................... 98
4.1.
Montaje del sistema eléctrico. ......................................................... 98
4.1.1.
Montaje del PLC y las tarjetas PCB. ............................................... 98
4.1.2.
Montaje de los sensores. ................................................................ 99
a.
Montaje de los sensores magnéticos. ............................................. 99
b.
Montaje del sensor óptico. ............................................................ 100
c.
Montaje del sensor inductivo......................................................... 101
d.
Montaje de las electroválvulas. ..................................................... 101
e.
Montaje de la fuente de alimentación de 110Vca y 24Vcc. ........... 102
4.1.3.
Cableado de todo el sistema......................................................... 103
xi
4.2.
Montaje del sistema neumático. .................................................... 104
4.2.1.
Montaje de los cilindros neumáticos lineales A y B. ...................... 104
4.2.2.
Montaje del cilindro neumáticos giratorio. ..................................... 106
4.2.3.
Montaje de la ventosa. .................................................................. 107
4.2.4.
Conexión de todo el sistema neumático. ...................................... 109
4.3.
Implementación del módulo de transporte y discriminación. ......... 110
4.3.1.
Configuración y programación ...................................................... 110
4.3.2.
Configuración de la CPU. ............................................................. 113
4.3.3.
Detección de una CPU sin especificar. ......................................... 113
4.3.4.
Determinación de variables .......................................................... 115
a.
Programación del PLC S7-1200. .................................................. 115
b.
Pruebas de funcionamiento del programa implementado. ............ 118
4.3.5.
Red ethernet y HMI ....................................................................... 119
a.
Programación de la pantalla HMI .................................................. 119
b.
Configuración de la red eternet ..................................................... 123
CAPÍTULO V
MANUAL DE USUARIO Y GUÍAS DE PRÁCTICAS ................................. 128
5.1
Manual de usuario ........................................................................ 128
5.1.1
Introducción .................................................................................. 128
5.1.2
Objetivo del manual ...................................................................... 128
5.1.3
Personal calificado ........................................................................ 128
5.1.4
Señales de seguridad para el usuario ........................................... 129
5.1.5
Aspectos importantes .................................................................... 130
5.1.6
Normas ......................................................................................... 130
5.1.7
Cuidados del equipo ..................................................................... 131
5.1.8
Seguridad...................................................................................... 131
5.1.9
Uso correcto .................................................................................. 133
5.1.10 Montaje y cableado ....................................................................... 133
xii
a.
Montaje de los componentes ........................................................ 133
b.
Cableado....................................................................................... 134
5.1.11 Problemas comunes y posibles soluciones ................................... 134
5.1.12 Tareas de mantenimiento .............................................................. 135
5.2
Guía de prácticas .......................................................................... 136
5.2.1
Guía de la práctica Nº 1 ................................................................ 136
5.2.2
Guía de la práctica Nº 2 ................................................................ 139
5.2.3
Guía de la práctica Nº 3 ................................................................ 142
5.2.4
Guía de la práctica Nº 4 ................................................................ 146
CAPÍTULO VI
ANÁLISIS ECONÓMICO Y FINANCIERO ................................................ 151
6.1
Análisis de costos del PLC. .......................................................... 151
6.1.1
Costos de otros productos similares ............................................. 151
6.1.2
Costo del equipo adquirido. .......................................................... 152
6.2
Análisis de costos de la estación didáctica. .................................. 152
6.2.1
Costos de producción.................................................................... 152
a.
Materia prima directa..................................................................... 153
a.1
Parte estructural. .......................................................................... 153
a.2
Parte neumática............................................................................ 153
a.3
Parte eléctrica. .............................................................................. 154
b.
Mano de obra directa. ................................................................... 156
c.
Costos indirectos de fabricación. ................................................... 156
CAPÍTULO VIl
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................. 158
7.1
Conclusiones ................................................................................ 158
7.2
Recomendaciones ........................................................................ 159
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................... 160
ANEXOS ................................................................................................... 161
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO II
Figura 2.1: Automatización automotriz ............................................................4
Figura 2.2: Estación ........................................................................................8
Figura 2.3: Diagrama de cuerpo libre de una viga. .......................................13
Figura 2.4: Convención de signos de la flexión y el cortante. ........................14
Figura 2.5: Sistema neumático. ....................................................................14
Figura 2.6: Componentes de un sistema neumático. ....................................15
Figura 2.7: Tipos de actuadores. ..................................................................16
Figura 2.8: Cilindros neumáticos ...................................................................17
Figura 2.9: Cilindro simple efecto. .................................................................17
Figura 2.10: Doble efecto..............................................................................18
Figura 2.11: Motor neumático de aletas. .......................................................19
Figura 2.12: Actuador giratorio......................................................................19
Figura 2.13: Montaje. ....................................................................................21
Figura 2.14: Válvula direccional. ...................................................................23
Figura 2.15: Tipos de accionamiento. ...........................................................23
Figura 2.16: Sensores. .................................................................................24
Figura 2.17: Vista de red de automatización instalada. .................................31
Figura 2.18: Vista del dispositivo. .................................................................32
Figura 2.19: Vista topológica. .......................................................................32
Figura 2.20: Lenguajes de programación gráficos KOP y FUP. ....................34
Figura 2.21: Diagnóstico del sistema. ...........................................................35
Figura 2.22: Ciclo abierto. .............................................................................37
Figura 2.23: Sistema de control de lazo abierto. ...........................................38
Figura 2.24: Ciclo de lazo cerrado. ...............................................................38
Figura 2.25: PLC Siemens S7- 1200. ...........................................................40
Figura 2.26: Expansión de la CPU. ...............................................................41
CAPÍTULO III
Figura 3.1: Partes de la estación ..................................................................44
Figura 3.2: Geometría de la Mesa. ...............................................................45
Figura 3.3: Desplazamiento de la mesa. .......................................................45
Figura 3.4: Factor de seguridad de la mesa ..................................................46
Figura 3.5: Diagramas de fuerzas. ................................................................46
xiv
Figura 3.6: Centroide de la mesa ..................................................................48
Figura 3.7: Áreas de las inercias ...................................................................48
Figura 3.8: Geometría de la bancada............................................................50
Figura 3.9: Esquema de colocación de cargas de la bancada ......................51
Figura 3.10: Tensión de Von Mises de la bancada .......................................52
Figura 3.11: Desplazamiento de la bancada .................................................52
Figura 3.12: Desplazamiento de la bancada .................................................53
Figura 3.13: Diagramas de fuerzas. ..............................................................53
Figura 3.14: Tubo cuadrado de aluminio .......................................................55
Figura 3.15: Inercia del perfil ........................................................................55
Figura 3.16: Contenedor. ..............................................................................56
Figura 3.17: Geometría del contenedor. .......................................................57
Figura 3.18: Rampas de salida A y B. ...........................................................57
Figura 3.19: Geometría de la rampa de salida A ...........................................58
Figura 3.20: Esquema de colocación de cargas de la rampa A ....................58
Figura 3.21: Desplazamiento de la rampa de salida A. .................................59
Figura 3.22: Tensión de Von Mises de la rampa de salida A. .......................59
Figura 3.23: Factor de seguridad de la rampa de salida A. ...........................60
Figura 3.24: Geometría de la rampa de salida B. ..........................................61
Figura 3.25: Esquema de colocación de cargas de la rampa de salida B. ....61
Figura 3.266: Tensión de Von Mises de la rampa de salida B. .....................62
Figura 3.27: Desplazamiento de la rampa de salida B. .................................62
Figura 3.28: Factor de seguridad de la rampa de salida B. ...........................63
Figura 3.29: Rampa de llegada. ....................................................................64
Figura 3.30: Geometría de la rampa de llegada ............................................64
Figura 3.31: Esquema de colocación de cargas de la rampa de llegada ......65
Figura 3.32: Tensión de Von Mises de la rampa de llegada. .........................65
Figura 3.33: Desplazamiento de la rampa de llegada. ..................................66
Figura 3.34: Factor de seguridad de la rampa de llegada. ............................66
Figura 3.35: Brazo. .......................................................................................67
Figura 3.36: Engrane. ...................................................................................67
Figura 3.37: Geometría del brazo. ................................................................68
Figura 3.38: Diagrama de fuerzas del brazo .................................................68
Figura 3.39: Deformación del brazo. .............................................................69
xv
Figura 3.40: Deformación del brazo vertical. .................................................69
Figura 3.41: Tensión de Von Mises del brazo ...............................................70
Figura 3.42: Factor de seguridad brazo ........................................................70
Figura 3.43: Coeficientes de fricción .............................................................71
Figura 3.44: Geometría del soporte de los cilindros ......................................72
Figura 3.45: Esquema de colocación de cargas del soporte de los cilindros. 72
Figura 3.46: Desplazamiento del soporte de los cilindros. ............................73
Figura 3.47: Tensión de Von Mises del soporte de los cilindros. ...................73
Figura 3.48: Factor de seguridad de la rampa de salida A. ...........................74
Figura 3.49: Probetas. ..................................................................................75
Figura 3.50: Geometría del actuador. ...........................................................77
Figura 3.51: Esquema de colocación de cargas del actuador. ......................77
Figura 3.52: Tensión de Von Mises del actuador. .........................................78
Figura 3.53: Desplazamiento del actuador. ...................................................78
Figura 3.54: Factor de seguridad del actuador. .............................................79
Figura 3.55: Actuador Airtag A. .....................................................................80
Figura 3.56: Codificación cilindros A. ............................................................81
Figura 3.57: Actuador A. ...............................................................................81
Figura 3.58: Actuador B. ...............................................................................82
Figura 3.59: Codificación actuador B. ...........................................................82
Figura 3.60: Actuador A. ...............................................................................87
Figura 3.61: Actuador giratorio......................................................................88
Figura 3.62: Sistema neumático. ..................................................................89
Figura 3.63: Unidad de mantenimiento FR. ..................................................90
Figura 3.64: Sensor inductivo rampa ............................................................91
Figura 3.65: Sensor óptico ............................................................................92
Figura 3.66: Cilindro sensor magnético.........................................................93
Figura 3.67: Tarjeta entradas y salidas PLC. ................................................95
Figura 3.68: Tarjeta Estación. .......................................................................95
Figura 3.69: Tarjeta PCB y Cable DB25. ......................................................96
Figura 3.70: PBC tarjetas. .............................................................................96
Figura 3.71: Válvulas 5/2. .............................................................................97
Figura 3.72: Válvulas de la estación. ............................................................97
xvi
CAPÍTULO IV
Figura 4.1: Montaje del PLC y Tarjetas PCB.................................................98
Figura 4.2: Tornillo de sujeción. ....................................................................99
Figura 4.3: Montaje de los sensores magnéticos. .........................................99
Figura 4.4: Montaje de los sensores magnéticos giratorio. .........................100
Figura 4.5: Montaje de los sensores óptico. ................................................100
Figura 4.6: Montaje de los sensores inductivo. ...........................................101
Figura 4.7: Base de las electroválvulas.......................................................102
Figura 4.8: Montaje de las electroválvulas. .................................................102
Figura 4.9: Fuente de voltaje 110Vca y 24Vcc. ...........................................103
Figura 4.10: Conexión de la fuente de voltaje 110Vca y 24Vcc. .................103
Figura 4.11: Conexión de los pulsadores y luces piloto. .............................104
Figura 4.12: Base del cilindro de 50mm ......................................................105
Figura 4.13: Montaje del cilindro de 50mm .................................................105
Figura 4.14: Montaje del cilindro de 100mm. ..............................................105
Figura 4.15: Base del cilindro giratorio. .......................................................106
Figura 4.16: Montaje del cilindro giratorio. ..................................................106
Figura 4.17: Montaje del brazo del cilindro giratorio. ...................................107
Figura 4.18: Montaje de la válvula de vacío. ...............................................107
Figura 4.19: Montaje del eje móvil y la base de la ventosa. ........................108
Figura 4.20: Montaje de la ventosa. ............................................................108
Figura 4.21: Módulo de transporte y discriminación. ...................................109
Figura 4.22: Unidad de mantenimiento FR. ................................................109
Figura 4.23: Montaje del módulo de transporte y discriminación. ................110
Figura 4.24: Icono TIA V13. ........................................................................110
Figura 4.25: Crear proyecto. .......................................................................111
Figura 4.26: Agregar Dispositivo .................................................................111
Figura 4.27: Agregar dispositivo PLC..........................................................112
Figura 4.28: Vista de dispositivos. ..............................................................112
Figura 4.29:.Propiedades de la CPU ..........................................................113
Figura 4.30: Detección online. ....................................................................113
Figura 4.31: Especificar en vista de dispositivos. ........................................114
Figura 4.32: Cuadro de dialogo de la detección online. ..............................114
Figura 4.33: Main programación. ................................................................115
xvii
Figura 4.34: Diagrama de flujo del funcionamiento de la programación. .....118
Figura 4.35: Activar y desactivar observación online. .................................119
Figura 4.36: Pantalla Touch. .......................................................................119
Figura 4.37: Agregar la pantalla Touch. ......................................................120
Figura 4.38: Selección de la pantalla Touch. ..............................................120
Figura 4.39: Selección de la pantalla Touch. ..............................................121
Figura 4.40: Pantalla HMI. ..........................................................................121
Figura 4.41: Pantalla HMI principal diseñada e implementada. ...................122
Figura 4.42: Pantalla HMI de discriminación. ..............................................122
Figura 4.43: Pantalla HMI del módulo de transporte y discriminación. ........123
Figura 4.44: Conexión online del PLC.........................................................123
Figura 4.45: Conexión online del PLC.........................................................124
Figura 4.46: Carga del programa. ...............................................................124
Figura 4.47: Implementación de los tres PLC y la pantalla. .........................125
Figura 4.48: Dirección IP módulo de transporte y discriminación. ...............125
Figura 4.49: Red Ethernet. ..........................................................................126
Figura 4.50: Comprobación de la comunicación. ........................................126
Figura 4.51: Red Ethernet online. ...............................................................127
CAPÍTULO V
Figura 5.1: Peligro. .....................................................................................129
Figura 5.2: Atención. ...................................................................................129
Figura 5.3: Precaución. ...............................................................................130
Figura 5.4: Banco de tareas PLC. ...............................................................135
xviii
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO II
Tabla 2.1: Simbología de válvulas distribuidoras. .........................................22
CAPÍTULO III
Tabla 3. 1: Propiedades mecánicas del acero AISI 304. ...............................47
Tabla 3.2: Cálculo de inercias .......................................................................49
Tabla 3.3: Propiedades mecánicas del aluminio 6060 ..................................54
Tabla 3.4 Matriz de decisión del material de la probeta ................................75
Tabla 3.5: Matriz de decisión de los actuadores A y B. ................................76
Tabla 3.6: Tabla de elementos neumáticos para el sistema..........................80
Tabla 7.7: Matriz de decisión del actuador giratorio ......................................87
Tabla 8.8: Consumo de Aire. ........................................................................90
Tabla 9.9: Entradas y salidas a utilizar del PLC. ...........................................93
Tabla 10.10: Selección del PLC. ...................................................................94
CAPÍTULO VI
Tabla 6.1: Costos de varios PLC‟s. .............................................................151
Tabla 6.2: Equipos de automatización siemens. .........................................152
Tabla 6.3: Costos de la parte estructural. ...................................................153
Tabla 6.4: Costos de la parte neumática. ....................................................154
Tabla 6.5: Costos de la parte eléctrica. .......................................................155
Tabla 6.6: Costos de materia prima. ...........................................................155
Tabla 6.7: Costos indirectos de fabricación.................................................156
Tabla 6.8: Costos de producción. ...............................................................157
xix
ANEXOS
A. Selección y características técnicas de los elementos.
B. Planos Mecánicos.
C. Plano Eléctrico.
D. Plano Neumático.
E. Programación en el TIA portal V13 del PLC S71200 CPU 1212C
xx
RESUMEN
El presente proyecto consiste en el diseño e implementación de un módulo
de transporte y discriminación de probetas de dimensiones y materiales
determinados. El desarrollo del siguiente proyecto se realizó con el fin de que
sea utilizado por los estudiantes para su aprendizaje y conocimiento. Los
procesos aplicados en el módulo didáctico son discriminación de materiales
de las probetas, y el transporte. Al ser un elemento didáctico los
componentes deben ser bien seleccionados en tamaño y funcionamiento. El
medio para la alimentación de probetas al módulo es por un cilindro
neumático de 100 mm, tomando a la pieza del dispensador y entregándolo
frente a un sensor inductivo, donde este es discriminado y al ser metálico es
expulsado por otro cilindro neumático de 50mm. Para el transporte luego de
la discriminación seleccionamos un cilindro giratorio acoplado un brazo, el
mismo que toma la pieza a 0 grados y la entrega 90 grados. La alimentación
de los procesos neumáticos está siendo distribuida mediante electroválvulas.
Para el control y programación del equipo se seleccionó un PLC Siemens S71200 el cual nos permite realizar el proceso, proporcionándonos el número
necesario de entradas y salidas del PLC fáciles de reconocer al usuario. El
modulo posee en su tablero de control un selector de dos posiciones el
mismo que desactiva o activa el funcionamiento del sensor inductivo de
discriminación. Se mostraran los pasos necesarios para conectar nuestro
modulo a una red Ethernet con los siguientes módulos que ayuden en usos
didácticos, y subir su proceso a una pantalla HMI. Este proyecto de tesis
incluye guías de laboratorio para entregar a los interesados en comprender y
practicar sus conocimientos de automatización y control.
PALABRAS CLAVE:
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
RED ETHERNET
PANTALLA HMI
LABORATORIO DE HIDRÓNICA Y NEUTRÓNICA-MÓDULO DIDÁCTICO
xxi
SUMARY
This project involves the design and implementation of a transport module
and discrimination of certain specimens of dimensions and materials. The
development of this project was carried out in order to be used by students for
their learning and knowledge. The processes applied in the didactic material
discrimination module are of the specimens, and transportation. As a didactic
element components must be carefully selected in size and function. The
means for supplying specimens to the module by a pneumatic cylinder 100
mm, taking part of the dispenser and handing off an inductive sensor, where
this is discriminated and when metal is expelled through another air cylinder
50mm. For transport after discrimination coupled a rotating cylinder coupled
an arm, it takes the piece from 0 degrees and 90 degrees delivery. Feeding
the tire is being distributed processes by solenoid. For control and
programming team selected a Siemens S7-1200 PLC which allows us to
perform the process, providing the necessary number of inputs and outputs
PLC easy to recognize the user. The module has in its control panel selector
two positions the same as disable or enable the operation of inductive sensor
discrimination. Steps to connect our module to an Ethernet network with the
following modules that help in teaching uses, and upload your process to a
HMI screen will be displayed. This thesis project includes laboratory
guidelines to deliver to those interested in understanding and practicing their
knowledge of automation and control.
KEYWORDS:
PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER
ETHERNET
HMI SCREEN
HYDRONIC AND NEUTRON LABORATORY -TEACHING MODULE
1
CAPÍTULO I
1. CONTENIDOS
1.1 ANTECEDENTES
A nivel mundial los sistemas de automatización han tenido un gran auge
que ha hecho que las industrias empiecen de una manera acelerada la
actualización de sus procesos implementando a sus actividades numerosos
medios que permiten la mayor eficiencia, aumento de producción y
disminución de tiempos.
En nuestro país existen industrias de todo tipo que han realizado a gran y
menor escala dependiendo de sus actividades, sabiendo que la adquisición
de estos equipos requiere una gran inversión, lo que ha hecho que los
profesionales de estas áreas sean necesitados con mayores capacidades y
competencias en estos ámbitos
La Universidad De Las Fuerzas Armadas ESPE – Latacunga como
institución de formación se hace indispensable que para su educación
posean competencias en el área de automatización de procesos industriales
que permitirán realizar un mejor desempeño a nivel profesional lo que
beneficiará a los estudiantes en su proyección como profesionales.
El campo ocupacional del Ingeniero Electromecánico es una de los más
amplios en la ingeniería ya que posee en sus aptitudes conocimientos en
áreas como la eléctrica, mecánica, operación, control, mantenimiento y
gestión administrativa.
Puede Diseñar, operar y mantener dispositivos, máquinas, equipos y
procesos, dotados de un nivel de inteligencia que les permita adaptarse al
entorno en el que operan, garantizando un funcionamiento óptimo.
2
1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga,
en el laboratorio de Hidrónica y Neutrónica se ve la necesidad de que los
estudiantes puedan tener medios didácticos para su aprendizaje, por lo que
se ve la necesidad de crearlos para que los estudiantes tengan una mejor
comprensión y puedan fortalecer sus conocimientos en esta línea de estudio
con aplicaciones prácticas. Planteando así elementos de juicio para
promover el desarrollo de dichas tecnologías, considerando la variable
ambiental. Constituyéndose como una complementación a proyectos de
titulación futuros.
1.3
JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA
La Industria a nivel mundial ha tenido un crecimiento vertiginoso con
respecto a la automatización, lo que hace indispensable que los estudiantes
posean conocimientos con respecto a estos campos. Los laboratorios de
Hidrónica y Neutrónica y Automatización Industrial necesitan equipos con
tecnología actual: mecánica, electrónica, neumática, hidráulica, sistemas
informáticos, hardware y software, incluyendo: sensores, actuadores,
autómatas, robots industriales, sistemas de visión artificial, etc.
La aplicación de los conocimientos y el aporte que se realiza por parte de
los estudiantes, es indispensable para el aprendizaje y formación de los
mismos, siendo esto factible pues para que las competencias de los
estudiantes sean las suficientes, es necesario que posean medios para
practicar, por lo que la estación de ubicación nos permitirá aportar a la
institución con un medio más de aprendizaje
3
1.4
OBJETIVOS
1.4.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar el diseño e implementación un sistema didáctico para transporte
y
discriminación de discos para uso en simulación de producción del
laboratorio Hidrónica y Neutrónica de la Universidad De Las Fuerza Armadas
ESPE - Latacunga.
1.4.2 OBJETIVO ESPECÍFICOS

Diseñar e implementar un prototipo de sistema didáctico para
transporte y discriminación de discos que permita realizar proceso
industriales

Seleccionar componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos para la
construcción del prototipo.

Realizar comparaciones para verificación del funcionamiento del
sistema implementado, en uno de los procesos.

Implementar la conexión de una Red de comunicación para el sistema.

Elaborar guías de laboratorio para efectuar prácticas y demostrar el
funcionamiento teórico del módulo didáctico.
4
CAPITULO II
2.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1
Automatización industrial
Automatización es el uso de sistemas de control y de tecnología
informática para reducir la necesidad de la intervención humana en un
proceso. En el enfoque de la industria, automatización es el paso más allá de
la mecanización en donde los procesos industriales son asistidos por
máquinas o sistemas mecánicos que reemplazan las funciones que antes
eran realizadas por animales. Mientras en la mecanización los operadores
son asistidos con maquinaria a través de su propia fuerza y de su
intervención directa, en la automatización se reduce de gran manera la
necesidad mental y sensorial del operador como se ve en la figura 2.1. [1]
Figura 2.1: Automatización automotriz
Fuente: [1]
Herramientas de automatización. La tecnología informática, junto con los
mecanismos y procesos industriales, pueden ayudar en el diseño,
implementación y monitoreo de sistemas de control. Un ejemplo de un
sistema de control industrial es un controlador lógico programable (PLC). Los
5
PLC‟s están especializados en sincronizar el flujo de entradas de sensores y
eventos con el flujo de salidas a los actuadores y eventos. La Interfaz
hombre-máquina (HMI) o interfaces hombre computadora, se suelen utilizar
para comunicarse con los PLC‟s y otros equipos. El personal de servicio se
encarga del seguimiento y control del proceso a través de los HMI, en donde
no solo puede visualizar el estado actual proceso sino también hacer
modificaciones a variables críticas del proceso. [1]
Niveles de automatización.
Actualmente para evaluar el grado de
automatización de los procesos industriales se ha establecido una estructura
jerárquica de cuatro niveles. Se define como un proceso de fabricación
asistido por computadoras (CIM - Computer Integrated Manufacturing), aquel
que incluye de forma integrada a la producción de conceptos tales como
gestión empresarial, planificación, programación, entre otras. En ellos debe
cumplirse el axioma básico: ha de planificarse “top-down” (“de arriba abajo”),
pero debe implantarse “bottom-up” (“de abajo hacia arriba”). Su estructura
responde a una estructura piramidal jerarquizada, produciéndose en la
cúspide las decisiones de política empresarial. [2]
En la base se incluyen las denominadas islas de automatización
(autómatas programables, máquinas de control numérico, robots, etc.) que se
integran en un sistema de control jerarquizado y distribuido que permita la
conversión de decisiones de política empresarial en operaciones de control
de bajo nivel. Tales componentes lógicos incluyen, entre muchos otros,
aplicaciones informáticas como procesador de textos, que permite
al
usuario realizar todas las tareas concernientes a edición de textos; software
de sistema, tal como un sistema operativo, que, básicamente, permite al
resto de los programas funcionar adecuadamente, facilitando la interacción
con los componentes físicos y el resto de las aplicaciones, también provee
una interfaz para el usuario. [2]
2.2.
Diseño Modular
Los sistemas modulares tienen una estructura tal que es posible
dedicarse a aplicaciones que rebasan lo previsto por cada uno de los
módulos de menor complejidad.
6
Una formación práctica en plantas industriales y de producción en la que
el estudiante pueda experimentar no suele ser posible habitualmente, el
sistema de producción modular prepara a los alumnos para las exigencias
laborables de forma óptima.
En los sistemas de producción modular didáctico el instructor puede
establecer el grado de complejidad de la práctica. El sistema para la
enseñanza de este proyecto ha sido creado exclusivamente para la
formación y perfeccionamiento profesional en materia de sistemas y técnicas
de automatización industrial que integran sistemas mecánicos, electrónicos,
de control e informáticos.
Por ejemplo, es posible trabajar con controladores lógicos programables
para actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos.
Los equipos didácticos abordan los siguientes temas técnicos:

Neumática

Electro neumática

Controladores Lógicos Programables

Automatización con ordenadores personales (PC)

Hidráulica

Electrohidráulica

Hidráulica Proporcional

Técnicas de Manipulación
2.2.1 Características
En el sistema de producción modular didáctico se rige por diversos
planes de estudio y exigencias que plantea el pensum de estudio de la
carrera. Los equipos didácticos están clasificados según los siguientes
criterios:
• Los equipos didácticos
7
• Equipos didácticos tecnológicos
• Equipos didácticos de funciones
• Equipos didácticos de aplicaciones
Los sistemas modulares tienen la misma estructura:
• Hardware (Equipos Técnicos).
• Teachware (material didáctico para la enseñanza).
• Software.
• Instrucción Académica.
El Hardware incluye componentes y equipos industriales que han sido
adaptados para fines didácticos. La concepción didáctica y tecnología del
Teachware considera el Hardware didáctico ofrecido. El Teachware incluye lo
siguiente:
• Manuales de estudio (con ejercicios y ejemplos)
• Manuales de trabajo (con ejercicios prácticos, informaciones
complementarias, soluciones y hojas de datos)
• Transparencias para proyección y videos (para crear un entorno de
formación activo)
El software incluye programas de estudio mediante ordenador y software
de programación para PLC‟s. Los contenidos se abordan mediante los
equipos didácticos tecnológicos y se complementan mediante la instrucción
académica para la formación y perfeccionamiento profesional.
2.3
Sistemas que integran los módulos
La estación está integrando los siguientes sistemas que proporcionarán a
la estación la necesidad específica, en este caso son la parte mecánica,
eléctrica,
electrónica y neumática; integradas en un conjunto que
proporcionará a los estudiantes un medio factible para el aprendizaje de los
estudiantes, en la figura 2.2 se puede observar lo siguiente:
8

Posee elementos periféricos de entrada a través de los cuales la
información llega al sistema.

Elementos periféricos de salida (parte mecánica, hidráulica, eléctrica)

Unidad central de procesamiento de datos (PLC).
Figura 2.2: Estación
2.3.1 Sistemas Mecánicos
Diseño de máquinas es fundamental en el conocimiento de la
funcionalidad de la estación, siendo parte de este campo el diseño de
elementos de máquinas. En el caso más típico, los aparatos
mecánicos
comprenden piezas móviles que transmiten potencia y ejecutan pautas
específicas de movimiento. Los sistemas mecánicos están formados por
varios aparatos mecánicos. [3]
El diseño de máquinas puede estar integrado en cualquier área que se
imagine.

Productos al consumidor ( Electrodomésticos, sierras eléctricas,
sistemas de acondicionamiento de aire, etc)

Sistemas de manufactura, aparatos de manejo de materiales,
transportadoras, robots industriales.
9

Equipos de construcción ( Tractores con cargador frontal o
escariadores, grúas móviles, volteadoras de tierra, camiones de
volteo, compresoras)
Para el proceso de diseño debemos considerar las siguientes pautas:
1. Identificar los requisitos del cliente
2. Definir las funciones del dispositivo
3. Indicar los requisitos del diseño
4. Definir los criterios de evaluación
5. Proponer varios conceptos de diseño alternativos
6. Evaluar cada alternativa propuesta
7. Validar cada alternativa de acuerdo con cada criterio de evaluación
8. Seleccionar el concepto de diseño óptimo
9. Completar el diseño detallado del concepto seleccionado [3]
a. Diseño Mecánico
La tecnología CAD/CAE/CAM las utilizamos para el diseño ya que
fundamentalmente nos ayuda a verificar el diseño o validar el mismo.
Podemos observar cómo sigue a continuación las siglas más importantes:

CAD ( Computer Aided Design): Diseño asistido por computador.

CADD ( Computer Aided Design and Drafting): Diseño y dibujo asistido
por computadora.

CAE ( Computer Aided Engineering):
Ingeniería asistida por
computador.

CAM ( Computer Aided Manufacturing): Manufactura asistida por
computador.

CIM ( Computer Integrated Manufacturing) Manufactura integrada por
computador.
10

FEA ( Finite Element Analysis): Análisis por elementos finitos.
a.1 Diseño CAD
CAD es el acrónimo inglés de Computer Aided Design, y significa Diseño
Asistido por Computador. La tecnología CAD es utilizada fundamentalmente
del sector metalmecánico, ingeniería electrónica, sector textil y otros.
Gracias a la revolución informática que ha permitido un desarrollo
tecnológico gigantesco lo que ha provocado que estos medios como en este
caso el CAD faciliten el diseño de dispositivos.
Las mejoras que se alcanzan son:
Los softwares nos permiten en muchos casos principalmente que
nuestros modelos sean plasmados en papel, además de la visualización en
la pantalla de una computadora que nos ayuda a mejorar el diseño.
Cuando se dé el caso donde ya no exista una manera más fiable de
examinar el diseño visualmente y se necesite conocer su forma real, es
factible construir un prototipo.
a.2 Sistemas CAM
Manufactura Asistida por Computadora (CAM) comúnmente se refiere al
uso de aplicaciones de software computacional de control numérico (NC)
para crear instrucciones detalladas (G-code) que conducen las máquinas de
herramientas para manufactura de partes controladas numéricamente por
computadora (CNC). Los fabricantes de diferentes industrias dependen de
las capacidades de CAM para producir partes de alta calidad. Una definición
más amplia de CAM puede incluir el uso de aplicaciones computacionales
para definir planes de manufactura para el diseño de herramientas, diseño
asistido por computadora (CAD) para la preparación de modelos,
programación NC, programación de la inspección de la máquina de medición
(CMM), simulación de máquinas de herramientas o post-procesamiento. El
plan es entonces ejecutado en un ambiente de producción, como control
11
numérico directo (DNC), administración de herramientas, maquinado CNC, o
ejecución de CCM. [4]
a.3
Beneficios de CAM
Los beneficios de CAM incluyen un plan de manufactura correctamente
definido que genera los resultados de producción esperados. [4]
Los sistemas CAM pueden maximizar la utilización de la amplia gama de
equipamiento de producción, incluyendo alta velocidad, 5 ejes, máquinas
multifuncionales y de torneado, maquinado de descarga eléctrica (EDM), e
inspección de equipo CMM. [4]
Los sistemas CAM pueden ayudar a la creación, verificación y
optimización de programas NC para una productividad óptima de maquinado,
así como automatizar la creación de documentación de producción. [4]
Los sistemas CAM avanzados, integrados con la administración del ciclo
de vida del producto (PLM) proveen planeación de manufactura y personal
de producción con datos y administración de procesos para asegurar el uso
correcto de datos y recursos estándar. [4]
Los sistemas CAM y PLM pueden integrarse con sistemas DNC para
entrega y administración de archivos a máquinas de CNC en el piso de
producción. [4]
Algunos sistemas CAM permiten introducir la información geométrica de
la pieza partiendo de una nube de puntos correspondientes a la superficie de
la pieza, obtenidos mediante un proceso de digitalizado previo. La calidad de
las superficies mecanizadas depende de la densidad de puntos digitalizados.
Si bien este método acorta el tiempo necesario para fabricar el prototipo, en
principio no permite el rediseño de la pieza inicial. [4]
La utilización más inmediata del CAM en un proceso de ingeniería
inversa es para obtener prototipos, los cuales se utilizan básicamente para
verificar la bondad de las superficies creadas cuando éstas son críticas.
Desde el punto de vista de la ingeniería concurrente es posible, por ejemplo,
empezar el diseño y fabricación de parte del molde simultáneamente al
12
diseño de la pieza que se quiere obtener con el molde, partiendo de la
superficie externa de la pieza mientras aún se está diseñando la parte interna
de la misma. [4]
a.4
Sistemas CAE
Computer-aided engieneering (CAE) que significa ingeniería asistida por
computadora, es el uso de softwares para simular el desarrollo de productos
de diseño o ayudar a la resolución de problemas de ingeniería para un ancho
rango de industrias. [4]
Un caso típico de un proceso CAE comprende en pre procesamiento,
resolución y pos procesamiento fase. En el pre procesamiento los ingenieros
los ingenieros modelan la geometría o sistema de representación y las
propiedades físicas del diseño, luego el modelo es resuelto usando una
apropiada
representación
matemática
de
las
físicas
fundamentales,
finalmente en la fase del post procesos los resultados son presentados al
ingeniero para su respectiva revisión. [4]
b. Análisis de esfuerzo y deformación
La palabra sistema se usará para denotar cualquier parte aislada de una
máquina o estructura incluyendo su totalidad si así se quiere que se desee
estudiar. Un sistema, de acuerdo con esta definición, puede consistir en una
partícula, varias partículas, una parte de un cuerpo rígido o un cuerpo rígido
completo, o incluso varios cuerpos rígidos. Si se supone que el sistema que
se va a estudiar no tiene movimiento o, cuando mucho, tiene velocidad
constante, entonces el sistema tiene aceleración cero. Bajo esta condición se
dice que el sistema está en equilibrio. La frase equilibrio estático también se
usa para implicar que el sistema está en reposo. En caso de equilibrio, las
fuerzas y los momentos que actúan sobre el sistema se balancean de tal
manera que: [5]
∑
∑
Ec. 2.1
=0
Ec. 2.2
13
En gran medida, el análisis de una estructura o máquina muy compleja se
puede simplificar por medio del aislamiento sucesivo de cada elemento, para
después estudiarlo y analizarlo mediante el empleo de diagramas de cuerpo
libre. Cuando todos los elementos se han analizado de esta manera, el
conocimiento
se
unifica
para
producir
información
respecto
del
comportamiento del sistema total. De esta forma, el diagrama de cuerpo libre
es, en esencia, un medio para descomponer un problema complicado en
segmentos manejables, analizar estos problemas simples y después reunir
toda la información. [5]
b.1 Fuerza cortante y momento flexionantes en vigas
En la figura 2.3 se muestra una viga que se apoya en las reacciones R1 y
R2 cargada con las fuerzas concentradas F1, F2 y F3. Si la viga se corta en
alguna sección localizada en x = x1 y se quita la parte izquierda como en un
diagrama de cuerpo libre, deben actuar una fuerza cortante interna V y un
momento flexionante M sobre la superficie cortada para asegurar el
equilibrio. La fuerza cortante se obtiene sumando las fuerzas a la izquierda
de la sección cortada. El momento flexionante es la suma de los momentos
de las fuerzas a la izquierda de la sección tomada respecto de un eje a
través de la sección aislada.
Figura 2.3: Diagrama de cuerpo libre de una viga.
Fuente: [3]
En la figura 2.4 se muestran las convenciones de signo usadas para el
momento flexionante y la fuerza cortante en este libro.
14
Figura 2.4: Convención de signos de la flexión y el cortante.
Fuente: [3]
La fuerza cortante y el momento flexionante se relacionan mediante la
ecuación fuerza cortante.
Ec. 2.3
2.3.2 Sistemas Neumáticos
Figura 2.5: Sistema neumático.
La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire. Los
sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el
empleo de cilindros y motores neumáticos, y se aplican herramientas,
válvulas de control y posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para
pintar,
motores
herramientas
de
neumáticos,
impacto,
sistemas
prensas
de
empaquetado,
neumáticas,
robots
elevadores,
industriales,
vibradores, frenos neumáticos, etc. Las ventajas que presenta el uso de la
neumática son el bajo costo. Sus componentes, su facilidad de diseño e
implementación y el bajo par, la fuerza escasa que puede desarrollar a las
15
bajas presiones con que trabajan (típico 6 bar), lo que constituye un factor de
seguridad. Otras características favorables son el riesgo nulo de explosión,
su conversión fácil al movimiento giratorio así como al lineal, la posibilidad de
transmitir energía a grandes distancias, una construcción y mantenimiento
fáciles y la economía en las aplicaciones. [6]
Sistemas Neumáticos. La neumática precisa de una estación de
generación y preparación del aire comprimido formado por un compresor de
aire, un depósito, un sistema de preparación de aire (filtro, lubricador y
regulador de presión), una red de tuberías para llegar al utilizador y un
conjunto de preparación de aire para cada dispositivo neumático individual
como se observa en la figura 2.6 . [6]
Figura 2.6: Componentes de un sistema neumático.
Fuente: [6]
a. Actuadores neumáticos
Los actuadores neumáticos convierten la energía del aire comprimido en
trabajo mecánico generando un movimiento lineal mediante servomotores de
diafragma, pistones o cilindros o bien un movimiento giratorio con motores
neumáticos. [6]
16
Figura 2.7: Tipos de actuadores.
Fuente: [6]
En la figura 2.7 se tiene algunos tipos de actuadores que existen en el
mercado para poder armar un circuito neumático.
a.1
Actuadores Lineales.
Los cilindros neumáticos de movimiento lineal son utilizados comúnmente
en aplicaciones donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento
son elevados. Entre éstos se encuentran los cilindros de simple y doble
efecto, el cilindro tándem (dos cilindros de doble efecto que forman una
unidad), el de multiposición, el cilindro
neumático guiado, el cilindro sin
vástago y el cilindro neumático de impacto.
Los actuadores neumáticos de movimiento giratorio pueden ser: cilindro
giratorio de pistón-cremallera-piñón y de dos pistones con dos cremalleras en
los que el movimiento lineal del pistón es transformado en un movimiento
giratorio mediante un conjunto de piñón y cremallera; y cilindro de paleras
giratorias de doble efecto para ángulos comprendidos entre 0" y 270". [6]
A continuación se puede ver los cilindros neumáticos lineales.
17
Figura 2.8: Cilindros neumáticos
Fuente: [6]
Cilindro de simple efecto. Recibe esta denominación porque utiliza aire
comprimido para conducir el trabajo en un único sentido de movimiento, sea
para el avance o retorno. Este tipo de cilindro posee solamente un orificio por
donde el aire entra y sale de su interior, comandado por una válvula. En la
extremidad opuesta a la entrada, es dotado de un pequeño orificio que sirve
de respiro, buscando impedir la formación de contra-presión internamente,
causada por el aire residual de montaje como se observa en la figura 2.9. El
retorno, en general, es efectuado por acción del resorte y la fuerza externa.
Cuando el aire es extraído, el pistón (asta + pistón) vuelve a la posición
inicial. [7]
Figura 2.9: Cilindro simple efecto.
Fuente: [7]
Cilindro de doble efecto. Cuando un cilindro neumático utiliza aire
comprimido para producir trabajo en ambos sentidos de movimiento (avance
y retorno), se dice que es un cilindro de Doble Acción, el tipo más común de
utilización. Su característica principal, por definición, es el hecho de poder
18
utilizar tanto el avance o el retorno para el desarrollo del trabajo. Existe, sin
embargo, una diferencia en cuanto al esfuerzo desarrollado: las áreas
efectivas de actuación de la presión son diferentes; el área de la cámara
trasera es mayor que el de la cámara delantera, pues en esta hay que tomar
en cuenta el diámetro del vástago, que impide la acción del aire sobre toda el
área. El aire comprimido es admitido y liberado alternadamente por dos
orificios existentes en los cabezales, uno en la parte trasera y otro en la parte
delantera que, actuando sobre el pistón, provocan los movimientos de
avance y retorno. Cuando una cámara está recibiendo aire, la otra está en
comunicación con la atmósfera. Esta operación es mantenida hasta el
momento de inversión de la válvula de comando; alternando la admisión del
aire en las cámaras, el pistón se desplaza en sentido contrario en la figura
2.10 se tiene un ejemplo de un cilindro doble efecto.
Figura 2.10: Doble efecto
Fuente: [7]
a.2
Actuador rotativo neumático
Motores neumáticos.
Se los llama motores neumáticos ya que
transforman la energía del aire comprimido en energía útil que el caso
mencionado se hace girar un eje como se observa en la figura 2.11. Entre las
características que destacan se tiene que son silenciosos en el momento de
su funcionamiento, la velocidad y el sentido de giro, es fácilmente regulable y
al no ser eléctrico no necesita protección en caso de una sobrecarga no se
quemará, simplemente se detendrá. Su desventaja principal se relaciona con
19
su torque ya que es limitado por la presión del aire comprimido. Un ejemplo a
mencionar es el llamado motor neumático de aletas, donde al ingresar el aire
por uno de los lados, en la cámara hace girar por la presión a las paletas.
Figura 2.11: Motor neumático de aletas.
Fuente: [7]
Actuadores de giro. Los actuadores de giro generan fuerzas rotativas
con ángulos máximos
previamente establecidos por construcción que
pueden estar entre 0° y 360°.
Se observa en la figura 2.12 el actuador de giro que permite rotar las
aletas dentro de la carcasa moviendo este cilindro en un rango de 0° y 180°.
Figura 2.12: Actuador giratorio.
Fuente: [8]
20
Los cilindros de este tipo son adecuados para la traslación de un lugar a
otro, dependiendo del torque.
b. Fuerza del cilindro
La fuerza del cilindro es una función del diámetro del cilindro, de la
presión del aire y del roce del émbolo, que depende de la velocidad del
émbolo y que se toma en el momento de arranque. La fuerza que el aire
ejerce sobre el pistón es:
Ec. 2.4
Donde:
F= Fuerza (newton)
D= Diámetro del cilindro (mm)
Paire Presión del aire ( bar)
F= Fuerza muelle (newton)
Se debe considerar también que dependiendo de cómo sea el montaje se
producirán fuerzas en el cilindro en tres grupos diferentes:
Grupo 1. Montaje fijo que absorbe la fuerza del cilindro en la línea central.
Es el mejor sistema ya que las fuerzas sobre el vástago están equilibradas y
los elementos de fijación (tornillos, etc.) sólo están sometidos a una simple
tensión o cizalladura. La fijación del cilindro puede ser del tipo de espárragos
o de brida. Ver en la figura 2.13.
Grupo 2. El montaje absorbe la fuerza del cilindro en la línea central y
permite el movimiento en un plano. Se emplean cuando la máquina donde
están montados se mueve siguiendo una línea curva. Ver en la figura 2.13.
Grupo 3. El montaje no absorbe la fuerza del cilindro en la línea central y
el plano de las superficies de montaje no coincide con dicha línea, por lo que,
al aplicar la fuerza, se produce un momento de giro que tiende a hacer girar
el cilindro alrededor de los pernos de montaje. Ver en la figura 2.13. [6]
21
Figura 2.13: Montaje.
Fuente: [6]
c. Consumo de aire
El consumo de aire del cilindro es una función de la relación de
compresión, del área del pistón y de la carrera, según la fórmula: [6]
(
[
)
]
Ec. 2.5.
El volumen de aire requerido para una carrera del pistón expresado en
es:
(
)
Ec. 2. 6.
22
d. Elementos de mando
Para regular el arranque, parada y el sentido así como la presión o el
caudal del aire de los cilindros neumáticos, existen varios sistemas de
accionamiento de las válvulas: manual, mecánico, eléctrico, hidráulico o
neumático. Los sistemas más utilizados son las válvulas distribuidoras, las
válvulas antiretorno o de bloqueo, las válvulas reguladoras de presión y las
reguladoras de flujo o de velocidad. [6]
Y se pueden clasificar de la siguiente manera.

Válvula de control de dirección

Válvula de retención de control de dirección o sin retorno

Válvulas de control de flujo
Según su construcción

Del tipo de Asiento

Del tipo de carrete
d.1 Válvulas direccionales.
Las válvulas direccionales o
distribuidoras dirigen el aire comprimido
hacía varias vías en el arranque, la parada y el cambio de sentido del
movimiento del pistón dentro del cilindro. En la simbología de estas válvulas
DIN-ISO1219 (Internacional Standard Organization) y CETOP (Comité
Europeo de Transmisiones Oleohidráulicas y Neumáticas), se utiliza la
siguiente nomenclatura:
Tabla 2.1: Simbología de válvulas distribuidoras.
ISO 1219
Alfabética
P
A, B, C
CETOP
Numérica
1
2, 4, 6
R, S, T
X, Y, Z
L
3, 5, 7
12, 14, 16
9
Función
Conexión del aire comprimido(alimentación)
Tuberías o vías de trabajo con letras
mayúsculas.
Orificios de purga o escape
Tuberías de control, pilotaje o accionamiento
Fuga
23
En el siguiente gráfico podemos observar una válvula direccional.
Figura 2.14: Válvula direccional.
Fuente: [8]
Entre las posiciones que podemos destacar de las válvulas son las
siguientes:
Válvula normal cerrada = No permite el paso del aire en posición de
reposo. Si se excita (acciona), permite circular el aire comprimido. [6]
Válvula normal abierta = En reposo el paso del aire está libre y, al
excitarla (accionarla), se cierra. [6]
Posición de partida = Movimiento de las partes móviles de una válvula al
estar montada en un equipo y alimentarla a la presión de la red neumática.
Los cilindros accionados por las válvulas distribuidoras se representan con
letras A, B, C, etc. Los sensores asociados de la posición inicial y final del
vástago se representan con un código alfanumérico. [6]
Válvula de control de dirección 5/2, que significa que tiene 5 vías y 2
posiciones como se muestra en la figura 2.15.
Figura 2.15: Tipos de accionamiento.
Fuente: [6]
24
Dónde, los tipos son:
1. Botón
2. Pedal
3. Embolo buzo mecánico
4. Aire comprimido
5. Solenoide
6. Aire comprimido y solenoide combinados
7. Resorte
2.3.3 Sistemas eléctricos y electrónicos
a. Sensores
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o
químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en
variables eléctricas ver figura 2.16. Las variables de instrumentación pueden
ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración,
inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento,
pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en
una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una
Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un
fototransistor), etc. [9]
Figura 2.16: Sensores.
Fuente: [9]
25
a.1
Sensores de proximidad.
Son sensores que dan respuestas de señales digitales, esto en forma
más simplificada podemos decir que existen únicamente dos estados. Son
los más utilizados en sistemas de automatización y adoptan diferentes
formas: sensor de proximidad inductivo, capacitivo, óptico y magnético.
a.2
Sensores de proximidad inductivos.
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. [10]
a.3
Sensores de proximidad capacitivos.
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
26
capacitancia, la amplificación se incrementa haciendo entrar en oscilación. El
punto exacto de ésta función puede regularse mediante un potenciómetro, el
cual controla la realimentación del oscilador. La distancia de actuación en
determinados
materiales,
pueden
por
ello,
regularse
mediante
el
potenciómetro. La señal de salida del oscilador alimenta otro amplificador, el
cual a su vez, pasa la señal a la etapa de salida. 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, (>1) solamente se produce un cambio
pequeño en la constante dieléctrica, y el incremento en su capacitancia es
muy pequeño comparado con los materiales conductores. Este detector se
utiliza comúnmente para detectar material no metálico: papel, plástico,
madera, etc. ya que funciona como un condensador. [10]
a.4
Sensores de proximidad ópticos.
El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo.
El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a
una salida que el sistema pueda entender. La señal enviada por el emisor
puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores
a la vez. Esto es muy utilizado en la robótica en casos en que se necesita
tener más de un emisor infrarrojo y solo se quiera tener un receptor. [10]
a.5
Sensores de proximidad magnéticos.
Los sensores de proximidad magnéticos son caracterizados por la
posibilidad de distancias grandes de la conmutación, disponible de los
sensores con dimensiones pequeñas. Detectan los objetos magnéticos
(imanes generalmente permanentes) que se utilizan para accionar el proceso
de la conmutación. Los campos magnéticos pueden pasar a través de
muchos materiales no magnéticos, el proceso de la conmutación se puede
también accionar sin la necesidad de la exposición directa al objeto. Usando
los conductores magnéticos (ej. hierro), el campo magnético se puede
27
transmitir sobre mayores distancias, por ejemplo, poder llevarse la señal de
áreas de alta temperatura. [10]
b. Actuadores eléctricos
Los actuadores eléctricos son elementos que tienen la capacidad de
realizar actividades que requieren una actividad física por medio de sistema
de control. Entre los movimientos comunes existen los rectilíneos o los
circulares.
b.1
Motores de corriente continua (CC)
Dependiendo de la fuente del giro las máquinas eléctricas pueden ser
generadores donde se convierte la energía mecánica en eléctrica, y motores
que convierten la energía eléctrica en mecánica.
Los generadores tienen su función principal en la vida diaria ya que nos
ofrecen en nuestros hogares la energía eléctrica necesaria para los hogares.
Por su parte los motores eléctricos se utilizan por las ventajas ante los de
combustión interna, de que producen un mínimo de ruido y de
contaminación, son portables, así como económicos de ahí la importancia de
su uso. Hay que anotar eso sí que las maquinas rotativas pueden funcionar
como motor o generador, la única diferencia es el sentido de flujo de la
potencia.
Se diferencian de los generadores solamente en que el flujo de la
potencia es el contrario, es decir,
reciben energía eléctrica y se obtiene
energía mecánica. Los motores de CC se utilizan principalmente en la
actualidad en los automóviles, camiones, aviación, máquinas herramientas,
etc. Estos tienen la ventaja principal
presentar una gran variación de
velocidad.
Los motores en la práctica se los evalúa por la regulación de velocidad:
La regulación de velocidad da una medida aproximada de la
característica Torque – velocidad; la regulación de velocidad positiva significa
28
que la velocidad de un motor desciende ante el aumento de la carga, y una
regulación de velocidad negativa significa que la velocidad aumenta con el
incremento de la carga.
Existen básicamente 5 tipos de motores de CC:

Motor en Derivación (Shunt)

Motor de Excitación Independiente

Motor de Imán Permanente

Motor Serie

Motor Compound
2.4
SIMATIC STEP 7 TIA Portal V13
El software TIA Portal V13 es la clave para liberar todo el potencial de la
automatización totalmente integrada. El software optimiza todos sus
procedimientos de procesamiento, operación de máquinas y planificación.
Con su intuitiva interfaz de usuario, la sencillez de sus funciones y la
completa transparencia de datos es increíblemente fácil de utilizar. Los datos
y proyectos preexistentes pueden integrarse sin ningún esfuerzo, lo cual
asegura su inversión a largo plazo. [11]
2.4.1 Características del software TIA PORTAL V13

No funciona con Windows XP

Funciona con W8 Profesional

Funciona con W7 32 y 64 bits.

Siemens recomienda Procesador Intel Core i-5, RAM 8GB y 64bits.

Incluye WinCC Basic V13

Es compatible con la instalación de STEP 7 V11, V12, V5.4 o V5.5,
STEP 7 Micro/WIN, WinCC flexible (2008 y superior) y WinCC (V7.0
SP2 y superior).
29

STEP 7 Basic V13. Solo para SIMATIC S7-1200 y SIMATIC Basic
Panels.

STEP 7 Professional V13. Para SIMATIC S7-1500, S7-1200, S7-300,
S7-400, WinCC y ET 200 CPUs. [12]
SIMATIC STEP 7 Basic es la herramienta de ingeniería más moderna
para la configuración y programación de todos los controladores SIMATIC.
Para las tareas sencillas de visualización con los SIMATIC Basic Panels
también se incluye SIMATIC WinCC Basic. [11]
STEP 7 (TIA Portal) - es el sistema de ingeniería para cada fase del ciclo
de vida de la producción que permite:

Reducir el tiempo invertido en ingeniería: Gracias a las innovaciones
del habla así como a las funciones integradas y a la configuración
gráfica

Puesta en marcha rápida: Con la localización de errores eficiente a
través del diagnóstico del sistema integrado, del seguimiento en
tiempo real y las funciones en línea.

Menor tiempo de parada: Gracias al mantenimiento a distancia sencillo
y al diagnóstico con el servidor web

Seguridad de las inversiones: Con la reutilización de componentes, las
librerías y la compatibilidad. [11]
STEP 7 (TIA Portal) le ayudará a solucionar las tareas de ingeniería de
forma intuitiva y eficiente. Totally Integrated Automation Portal convence en
todos los pasos de trabajo y programación gracias a su claridad, a la guía
inteligente del usuario y a los procesos cómodos. Las funciones como
"arrastrar y soltar", "copiar y pegar" o IntelliSense agilizan y facilitan el trabajo
de forma decisiva. [11]
Lenguajes de programación IEC - Potentes editores y compiladores de
rendimiento.

Texto estructurado (SCL)

Esquema de contactos (KOP)

Diagrama de funciones (FUP)

Lista de instrucciones (AWL)

Programación secuencia (GRAPH)
30
Los conocidos paquetes opcionales S7-SCL, S7-GRAPH, S7-PLCSim,
documentación de instalaciones y Teleservice de STEP 7 V5.5 ya están
integrados en STEP 7 Basic (TIA Portal) por lo que no es necesaria ninguna
licencia adicional. [13]
SIMATIC STEP 7 Basic ofrece las mismas prestaciones que el STEP 7
Profesional de software de ingeniería gracias a su integración en el sistema
de ingeniería TIA Portal, por ejemplo, el diagnóstico en línea directa, fácil
creación de objetos tecnológicos y también el concepto de biblioteca para
el ahorro de tiempo, el trabajo eficiente y componentes de programación
reutilizar. [11].
STEP 7 Basic (TIA Portal) es compatible con la norma IEC lenguajes
de programación KOP (esquema de contactos) y FUP (Diagrama de
bloques de funciones) y SCL (texto estructurado). [11]
2.4.2 Configuración de red y de dispositivos.
Con un solo editor gráfico es posible configurar toda una instalación de
forma muy simple. El editor ofrece tres vistas distintas para una distinción
clara entre la conexión en red y la configuración de los dispositivos:

Vista de red – Conexiones gráficas entre los dispositivos.

Vista del dispositivo – Parametrización y configuración de los distintos
dispositivos.

Vista topológica - Conexión real entre los dispositivos PROFINET.
Con este editor se pueden manejar de forma fácil sistemas complejos y
se conserva la claridad en proyectos de gran envergadura. En el modo online
se representa la información de una forma clara y gráfica. [11]
a. Vista de red.
Presentación clara de los dispositivos de automatización de toda una
instalación figura 2.17.
31
Figura 2.17: Vista de red de automatización instalada.
Fuente: [11]
La vista de red permite configurar la comunicación en la instalación. Aquí
se proyectan de forma gráfica e ilustrativa los enlaces de comunicación entre
las distintas estaciones. [13]

Representación conjunta de todos los participantes en la red y los
componentes de red.

Proyección gráfica de las distintas estaciones.

Conexión en red de los participantes mediante la interconexión de las
interfaces de comunicación mediante la función Drag&Drop (arrastrar
y soltar).

Es posible emplear varios controladores, periféricos, dispositivos HMI,
estaciones SCADA, estaciones de PC y accionamientos en un solo
proyecto.

El procedimiento en la integración de dispositivos AS-i es idéntico al
zoom y la navegación de páginas de PROFIBUS/PROFINET. [11]
32
b. Vista del dispositivo.
Figura 2.18: Vista del dispositivo.
Fuente: [11]
En la vista del dispositivo se lleva a cabo la configuración de racks, la
asignación de direcciones etc. Todos los dispositivos están representados de
forma realística como se ve en la figura 2.18. Existe la posibilidad de guardar
los módulos de hardware proyectados en un "module clipboard" y de
reutilizar dicho espacio de almacenamiento. [13]
A partir de un zoom de 200 % los E/As se representan con direcciones o
nombres simbólicos.

Selección automática del hardware existente con HW-Detect.

Búsqueda de texto completo en el catálogo de hardware.

Posibilidad de aplicar filtros en el catálogo de hardware en relación
con los grupos de componentes y módulos que se están utilizando.
c. Vista topológica.
Figura 2.19: Vista topológica.
Fuente: [11]
33
Los periféricos descentralizados en PROFINET se proyectan en la vista
de red. Aquí se puede representar de forma gráfica a los controladores y los
periféricos descentralizados que le están asignados ver en la figura 2.19. Una
comparación offline/online identifica los puertos comunicantes. Mediante la
determinación, representación y supervisión de las conexiones físicas entre
los dispositivos de PROFINET IO el administrador es capaz de supervisar
con facilidad las redes más complejas. [11]
2.4.3 Lenguajes de programación.
Con SIMATIC STEP 7 V13 dispone de potentes editores de
programación para los controladores SIMATIC S7. [13]
Disponible para todos los controladores: Texto estructurado (SCL),
esquema de contactos (KOP) y diagrama de funciones (FUP).
El STEP 7 V13 le ofrece al usuario una concepción eficiente de su
programa de aplicación. Los distintos lenguajes de programación de un
componente se pueden transformar fácilmente. El concepto de manejo
intuitivo de STEP 7 V12 se basa en los editores de programación adaptados
a las tareas y el transcurso y las actuales técnicas de Windows. La inclusión
de los distintos editores en el entorno de trabajo común asegura que los
datos del usuario estén a disposición de forma más consistente y que no se
pierda en ningún momento la claridad y el control sobre los datos del
proyecto. [11]
Los componentes de programación se pueden almacenar en cualquier
momento. La búsqueda de fallos se simplifica y acelera mediante varios
recursos: una ventana Syntax muestra en una lista todos los fallos en el
componente actual. De esta forma se proporciona una navegación fácil entre
los distintos errores y se dispone del indicador para redes con fallos. [11]
34
Figura 2.20: Lenguajes de programación gráficos KOP y FUP.
Fuente: [11]
STEP 7 V13 apoya los lenguajes de programación gráficos con nuevos
compiladores de alto rendimiento. Las potentes herramientas y la
funcionalidad integrada como por ejemplo la programación indirecta
incrementan la eficiencia de la ingeniería en la creación de los programas.
[13]
Los editores gráficos KOP y FUP ofrecen una buena vista en conjunto y
una rápida navegación en el editor de los componentes.

Abrir y cerrar de redes enteras.

Muestra oculta los símbolos y direcciones.

Función directa de zoom y guardar layouts.

Numerosas accesos directos en el teclado.

Función de lazo, copiar e insertar para determinados comandos y
estructuras de comando.

La nueva calculadora Calculate-Box permite introducir directamente
las fórmulas en el S7-1200 y S7-1500.
2.4.4 Diagnóstico.
El diagnóstico de sistema es una parte integral de STEP 7 y no requiere
una licencia adicional. Ver figura 2.21
35
En la fase de ingeniería no se precisa una proyección manual del
diagnóstico de sistema. La proyección del diagnóstico está integrada en el
sistema para comodidad del usuario y se activa con un simple clic. A la hora
de introducir nuevos componentes de HW se lleva a cabo una actualización
automática de la información de diagnóstico a través del sistema de
ingeniería (HWCN). [8]
Figura 2.21: Diagnóstico del sistema.
Fuente: [13]
El diagnóstico de sistema proporciona toda la información relevante sobre
los fallos existentes en el sistema. Dicha información se integra de forma
automática en mensajes que incluyen los siguientes componentes:

Módulo

Texto de mensaje

Estado de notificación [8]
Ventajas del diagnóstico de sistema integrado:

No requiere una programación del diagnóstico de sistema.

Rápida localización de los fallos.

Actualización automática del diagnóstico de sistema cuando se llevan
a cabo cambios en la configuración del hardware.
36

Mensaje de estado transparente para los controladores, periféricos y
accionamientos (mensajes de control).

El diagnóstico de sistema viene activado por defecto para los nuevos
controladores Simatic S7-1200.

El diagnóstico de sistema también está disponible para los
controladores S7-1200 en estado de parada. [13]
El diagnóstico online tiene como característica fundamental que nos
permite evaluar si existe algún fallo en el sistema o en el dispositivo, sea en
nuestro caso el PLC o el HMI.
2.4.5 Online.
Con STEP 7 V13 dispone de varias funciones online. Con un solo clic
online: indicación del estado de funcionamiento, claro resumen del
diagnóstico mediante esquema del proyecto y comparación online/offline a
nivel de los componentes:

Rápida transmisión de todos los cambios en el programa con una
descarga continúa.

Comparación de proyectos offline/offline.

Descarga en RUN.

Subida de los datos de configuración del HW de los controladores
existentes - HW Detect.

Subida completa del software de proyecto a un PG vacío.

Rápido servicio sin un proyecto existente (con HW Detect y SW
Upload). [13]
2.5
Sistemas de control
Un sistema de control es una interconexión de componentes que forman
una configuración del sistema que proporcionará una respuesta deseada. La
base para el análisis de un sistema es el fundamento proporcionado por la
teoría de los sistemas lineales, que supone una relación entre causa y efecto
para sus componentes. Por tanto un componente o proceso que vaya a ser
37
controlado puede representarse mediante un bloque tal como se muestra en
la figura 2.22, la relación entrada-salida representa la relación entre causa y
efecto del proceso, que a su vez representa un procesamiento de la señal de
entrada para proporcionar una señal de salida, frecuentemente con una
amplificación de potencia. [14]
Figura 2.22: Ciclo abierto.
Fuente [14]
Este concepto nos adentra en la inmensa variedad y la amplitud a la cual
podemos aplicar estas ideas, como se sabe todo proceso puede ser
controlado según su tipo o la manera en la que se quiere que sea manejado.
Un sistema de control está formado por subsistemas y procesos (o
plantas) unidos con el fin de controlar las salidas de los procesos. Por
ejemplo, un horno produce calor como resultado del flujo de combustible. En
este proceso, los subsistemas, llamados válvulas de combustible y
actuadores de válvulas de combustible, se usan para regular la temperatura
de una habitación al controlar la salida de calor del horno. Otros subsistemas,
por ejemplo los termostatos que funcionan como sistemas detectores, miden
la temperatura de la habitación. [15]
2.5.1 Sistemas de control en lazo abierto.
Un sistema de control de lazo abierto utiliza un dispositivo de actuación
para controlar el proceso directamente sin emplear realimentación. [14]
Se observa en la figura 2.23 como se muestra un sistema de control de
lazo abierto, donde se utiliza un actuador para obtener la respuesta deseada.
38
Figura 2.23: Sistema de control de lazo abierto.
Fuente: [14]
La estación que se va a construir tiene las características de este tipo
pues nuestro controlador que va a ser el PLC va a recibir señales eléctricas
que son de los sensores y van a salir señales hacia los actuadores que van a
realizar su función según la programación que se establecerá para el
funcionamiento de la estación.
2.5.2 Sistemas de control de lazo cerrado.
Las desventajas de los sistemas en lazo abierto, por ejemplo la
sensibilidad a perturbaciones e incapacidad para corregirlas, pueden ser
superadas en los sistemas en lazo cerrado.
Figura 2.24: Ciclo de lazo cerrado.
Fuente: [15].
Como puede ser observado en la figura 2.24. El transductor de entrada
convierte la forma de entrada a la forma empleada por el controlador. Por
ejemplo, si el controlador utiliza señales eléctricas para manejar las válvulas
de un sistema de control de temperatura, la posición de entrada y la
temperatura de salida son convertidas en señales eléctricas. La posición de
entrada puede convertirse por medio de un potenciómetro, o resistor variable,
y la temperatura de salida puede ser convertida en voltaje por medio de un
39
termistor, o dispositivo cuya resistencia eléctrica cambia con la temperatura.
[15]
2.6
Controlador lógico programable (PLC)
El PLC es un dispositivo electrónico operado digitalmente que usa una
memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones las
cuales realizan funciones determinadas tales como lógicas, secuénciales,
temporización, conteo y aritméticas, para reconocer a través de módulos de
entrada /salida digitales y analógicas, varios tipos de máquinas o procesos.
Funcionamiento de un PLC. Para explicar el funcionamiento del PLC, se
pueden distinguir las siguientes partes: interfaces de entradas y salidas, CPU
(unidad central de proceso), memoria y dispositivos de programación.
2.6.1 PLC SIMATIC S7-1200
El controlador S7-1200 ofrece un diseño compacto, configuración flexible
y un amplio juego de instrucciones, idóneo para controlar una gran variedad
de aplicaciones. Incorpora un microprocesador, fuente de alimentación
integrada, circuitos de entrada y salidas,
PROFINET
integrado,
E/S
de
control de movimiento de alta velocidad, entradas analógicas incorporadas,
formando así un potente controlador. La CPU vigila las entradas cambiando
el estado de las salidas, según la lógica programada del usuario, que puede
ser lógica booleana, instrucciones de contaje y temporización, funciones
matemáticas complejas o comunicación con otros dispositivos mediante el
puerto integrado PROFINET. [8]
40
Figura 2.25: PLC Siemens S7- 1200.
Fuente: [8].
Memoria. Hasta 50 KB de memoria de trabajo en el controlador, con libre
configuración del tamaño de memoria de programa y de datos de usuario.
Además, el controlador posee hasta 2 MB de memoria de carga integrada y 2
KB de memoria de datos remanente. Con la SIMATIC Memory Card opcional
pueden transferirse fácilmente programas a varias CPU. La tarjeta también
puede utilizarse para guardar diversos archivos o para actualizar el firmware
del controlador. [8]
Diseño escalable y flexible. Hasta 8 módulos de señales (SM) pueden
ser conectados al CPU. Por otra parte todos los CPUś SIMATIC S7-1200
tienen la posibilidad de incorporar Signal Boards (SB), que son micro
módulos de entradas/salidas que pueden ser enchufados directamente en la
parte frontal de la CPU, esto permite ocupar el mínimo espacio en el caso
que se procesen pocas señales. [8]
Comunicación.
Hasta 3 módulos de comunicación (CM) pueden ser
integrados en la configuración de cualquiera de los PLCś SIMATIC S7-1200.
Los protocolos de comunicación posibles con SIMATIC S7-1200 son:

Industrial Ethernet / PROFINET (Puerto Integrado)

Profibus Maestro / Esclavo

Modbus RTU

Modbus TCP (Puerto Integrado)
41

USS

GSM / GPRS

AS-Interface
Figura 2.26: Expansión de la CPU.
Fuente: [8].
Interfaz PROFINET / Industrial Ethernet integrada.
La funcionalidad
PROFINET Controller integrada en el SIMATIC S7-1200 permite implementar
redes
de control en arquitecturas descentralizadas, por ejemplo con
ET200, variadores de velocidad, etc. La interfaz Profinet / Industrial Ethernet
es también utilizada para la programación del PLC, comunicación PLC-HMI y
PLC-PLC. Soporta además comunicación con equipos terceros bajo el
protocolo TCP/IP. La transmisión de datos se realiza a una tasa de
10/100Mbps. Ejecución del programa de usuario. La CPU soporta diferentes
tipos de bloques lógicos que permiten estructurar eficientemente la
programación del usuario:
Bloques de organización (OBś), son los que definen la estructura del
programa, los OBś tienen reacciones y eventos de arranque predefinidos o
también pueden ser personalizados. [8]
42
Las funciones (FCś) o bloques de función (FBś), son los que contienen el
código de programa correspondientes a tareas o parámetros específicos de
entradas y salidas, creando subrutinas que se ejecutan al llamar desde otro
bloque lógico (OB, FB o FC), un bloque de datos (DB) asociado únicamente
a un FB es el que almacena los datos de la llamada necesarios para
transferir parámetros. Bloque de datos (DBś), almacenan datos que pueden
ser utilizados por otros bloques del programa a los que estén asociados. [8]
43
CAPÍTULO III
3. DISEÑO DE LOS SISTEMAS MODULARES
3.1 Parámetros de Diseño
La estación modular de producción didáctica para el laboratorio se ha
diseñado y construido para que tenga un sistema mecánico, neumático y
eléctrico integrado en conjunto.
Este modelo por su utilización de perfiles de aluminio cuadrados permite
su ensamblaje fácil y así mismo su desarme.
Mediante un cilindro neumático giratorio se debe trasladar la probeta
(disco) correspondiente a la programación, en el caso inicial la probeta de
nylon, en caso de otro material se trasladará mediante un cilindro de 50 mm
hacia el siguiente proceso.
El espacio en el que se trasladará será de 250mm en el cual debemos
considerar que el ángulo de giro del cilindro giratorio no debe superar los
180o.
Cualquiera de las partes que se han desarrollado y se han integrado para
formar la estación se conmutan entre la teoría y la práctica, de manera que,
el estudiante no solo busca el aprendizaje teórico sino que podrá usar sus
conocimientos en la práctica de la programación del PLC y las partes que
forman al mismo lo que permitirá un mejor desarrollo profesional.
En la siguiente figura se observa las partes constitutivas del módulo.
44
Sensor Magnético
Sensor Óptico
Cilindro neumático
Actuador
neumático
Tarjetas
PLC
giratorio
PCB
Fuente de Voltaje
Sensor
inductivo
Ventosa
Válvulas de vacío
Electroválvulas
Figura 3.1: Partes de la estación
3.1.1 Capacidad máxima
En el caso del conocimiento de la capacidad máxima del módulo se debe
considerar en la carga para transportar y el peso que resisten los dos perfiles
de base.
En el caso de los discos no tendrán un peso más allá de 0,2 Kg y el peso
que soportará la base de los perfiles es de
.
3.2 Sistema mecánico
La primera parte de este estudio es la parte mecánica, la misma que
requieren un diseño y análisis para los componentes. En el presente capítulo
se plantea el diseño mecánico de la estructura, mecanismos y partes
constitutivas que darán forma a la estación.
La mesa que va a soportar la estación se considera como el estudio por
elementos finitos únicamente los perfiles de tubo cuadrado de 20 x 20 mm,
conociendo cuanto vamos a soportar que es aproximadamente una carga de
para ello vamos a multiplicar este valor para la longitud a la que se va
aplicar la carga y por la gravedad, así en cada longitud de base tenemos
.
45
Figura 3.2: Geometría de la Mesa.
Se observa en los datos de la figura 3.3 que la mayor deformación que se
pude tener es de 0,5 mm que es una cantidad mínima con la que se
considera como admisible.
Figura 3.3: Desplazamiento de la mesa.
El factor de seguridad en la Figura 3.4 da un valor de 2.357 que puede
soportar la pieza mecánica.
46
Figura 3.4: Factor de seguridad de la mesa
Considerando el perfil extremo, el de mayor deflexión se realiza el cálculo
del factor de diseño con los datos de la figura 3.5.
Figura 3.5: Diagramas de fuerzas.
Del software se obtiene los siguientes datos para realizar los cálculos
posteriores.
Ra=240 N
Rb=240 N
47
En la siguiente tabla se tiene las propiedades del acero que nos da
valores ya establecidos para los cálculos del factor de seguridad.
Tabla 3. 1: Propiedades mecánicas del acero AISI 304.
Material
Acero Inoxidable AISI 304
Resistencia a la corrosión
Muy buena
Capacidad de limpieza
Excelente
Resistencia al impacto
Excelente
Soldabilidad
Alta
Resistencia a la tracción[MPa]
460
Porcentaje de elongación [%]
67
Resistencia a la fluencia[MPa]
250
Conociendo cual es el valor del esfuerzo máximo del acero se obtiene,
junto a la inercia del perfil, el valor del factor de seguridad.
Ec. 3.1
Donde:
σ= Esfuerzo de trabajo
M= Momento máximo
I= Inercia
c= Distancia del centro a la distancia máxima del esfuerzo
Para el análisis se debe considerar el valor del esfuerzo de fluencia es de
250 MPa.
Se debe conocer la inercia que depende del área del tubo cuadrado que
siendo sus dimensiones de 20x20(mm)
El tubo de la estructura es una figura regular sabemos que el centroide
se encuentra en la parte media de cada extremo.
48
Figura 3.6: Centroide de la mesa
Se realiza el cálculo de la inercia utilizando el teorema de Steiner donde
sabemos que:
∑
Ec. 3. 2
Figura 3.7: Áreas de las inercias
;
;
;
Conociendo que la inercia de superficies rectangulares es igual a:
Ec. 3. 3
49
Tabla 3.2: Cálculo de inercias
Figura
1
Área ( )
0,00002
2
0,000032
3
0,00002
SUMA
0,000072
Inercia( )
1,66667E10
1,06667E11
1,66667E10
3,44E-10
d(m)
0,005
Axd^2( )
5E-10
0,009
2,592E-09
0,005
5E-10
3,592E-09
Utilizando la ecuación 3.2 el resultado total de la inercia es de:
(
)
)
((
(
))
El esfuerzo de trabajo se obtiene dividiendo el momento máximo con el
resultado de la inercia:
c = 0,01 m
Se sabe que el factor de seguridad nos resulta dividiendo el valor del
esfuerzo disponible sobre el calculado:
Ec. 3. 4
Como resultado del factor de seguridad calculado y el valor que se
obtiene del software arroja un margen pequeño de diferencia pero los dos
valores son aceptables para el diseño.
50
3.2.1 Bancada o mesa de montaje
Para la mesa donde irá montado todo el módulo se debe considerar que
se va a utilizar perfiles de aluminio cuadrados, para la fácil colocación y
ensamblaje de partes y equipos.
La bancada va a poseer en hilera de 23 perfiles uno junto al otro, los
mismo que van a estar sobre dos perfiles en sus extremos.
3.2.2 Diseño CAD de la bancada
La bancada sirve como fundamental servicio de sostener a todos los
equipos que se encuentren sobre ella, siendo ellos con muy poco peso se
puede decir que su función principal es de ser un medio para un ensamblaje
fácil.
La estructura posee unas medidas 71 cm x 35 cm, se recurre a la ayuda
de un sistema CAD para poder dibujarla, sabiendo que está disponible para
cualquier tipo de proceso y debido a su fácil ensamblaje, la estructura debe
ser resistente por lo tanto también robusta, para soportar los pesos tanto en
funcionamiento como estáticamente.
Como se observa para simplificar el mallado y que el cálculo sea más
sencillo observando en la figura siguiente la bancada, esta va a ser
soportada mediante cada perfil una carga específica con lo que se puede
determinar si soportará la misma.
Figura 3.8: Geometría de la bancada.
51
Aproximadamente sobre la bancada soporta un peso de
y sabiendo
que la longitud es de 0,7 m para el cálculo sobre cada perfil.
Para calcular la carga distribuida se debe multiplicar por el valor de la
gravedad y por la longitud.
Se obtiene una carga distribuida de
Es importante notar que la bancada es la parte que va a soportar la
mayor cantidad de peso.
En la figura 3.9 se observa que conociendo las fuerzas, estas se
distribuyen hacia uno de los perfiles que analizaremos mediante el software
CAD.
Figura 3.9: Esquema de colocación de cargas de la bancada
En la Figura 3.10 se tiene el esfuerzo de Von Mises obtenido en el
software, y el esfuerzo máximo de Von Mises es 55.15 MPa. Por ende, el
resultado es un valor aceptable ya que se encuentra por debajo del límite de
fluencia del aluminio.
52
Figura 3.10: Tensión de Von Mises de la bancada
La Figura 3.11 se observa un desplazamiento mínimo del material de
0,001 mm y el máximo de 0.29 mm. Por lo tanto, el desplazamiento es un
valor considerado bajo y aceptable en el diseño.
Figura 3.11: Desplazamiento de la bancada
La figura 3.12 muestra un factor de seguridad de 2.50, que se pude
considerar como aceptable para el diseño. Este factor de seguridad
demuestra que esta pieza es segura para usarlo en el módulo.
53
Figura 3.12: Desplazamiento de la bancada
En la siguiente figura se observa los datos que servirán para cálculos
posteriores.
Figura 3.13: Diagramas de fuerzas.
Se realizara los cálculos manuales en el perfil, que se utiliza para la
construcción, en base a los datos obtenidos.
54
Ra=137,20 N
Rb=137,20 N
Conociendo cual es el valor del esfuerzo máximo del aluminio
se
obtiene, junto a la inercia del perfil, el valor del factor de seguridad.
Donde:
σ= Esfuerzo de trabajo
M= Momento máximo
I= Inercia
C = Distancia del centro a la distancia máxima del esfuerzo
En la siguiente tabla se tiene las propiedades del aluminio que da
valores ya establecidos para los cálculos.
Tabla 3.3: Propiedades mecánicas del aluminio 6060
Material
Aluminio 6060
Resistencia a la corrosión
Excelente
Capacidad de limpieza
Excelente
Resistencia al impacto
Excelente
Magnético
No
Soldabilidad
Alta con suelda MIG
Resistencia a la tracción
200
Porcentaje de elongación [%]
24
Resistencia a la fluencia
160
Para el análisis se considera el valor de del esfuerzo de fluencia de 160 MPa.
Se debe conocer la inercia dependiendo del área del tubo cuadrado que
siendo sus dimensiones de 31 x 31 (mm)
Siendo una figura regular se sabe que el centroide se encuentra en la
parte media de cada extremo.
55
Figura 3.14: Tubo cuadrado de aluminio
El resultado total de la inercia se puede observar en la siguiente figura:
Figura 3.15: Inercia del perfil
El esfuerzo de trabajo se obtiene dividiendo el momento máximo con el
resultado de la inercia
c = 0,015 m
56
Se sabe que el factor de seguridad se obtiene dividiendo el valor del
esfuerzo disponible sobre el calculado como se indicó en la Ec. 3.4:
El valor del factor de seguridad es aceptable para el diseño.
3.2.3 Construcción del contenedor de piezas
Esto va a estar soportado por un perfil de aluminio que será fijado con
amarras y va a sostener a nuestro contenedor, el mismo que posee las
siguientes dimensiones:
Largo de 93 mm un diámetro de 40 mm, la parte inferior posee una
abertura que nos permite observar cual es la probeta siguiente. El material
que se utilizó para su construcción es aluminio. Ver figura 3.16.
Figura 3.16: Contenedor.
Se puede observar el diseño CAD del mismo en la figura 3.17.
57
Figura 3.17: Geometría del contenedor.
.
3.2.4 Construcción de las rampas de salida A y B
Para que se realice el proceso se utiliza dos bases de plancha de
aluminio la misma que tiene un espesor de 1 mm, sus dimensiones son de
ancho de 45 mm para las dos y de largo son de 100 mm y de 130 mm
respectivamente cada uno. Ver figura 3.18.
Salida A
Salida B
Figura 3.18: Rampas de salida A y B.
a. Construcción de la rampa de salida A
Para la verificación del funcionamiento de la rampa de salida A se
determina esfuerzos, factores de seguridad y desplazamientos utilizando el
software CAD.
58
En la figura 3.19 se presenta la rampa de salida A de las probetas.
Figura 3.19: Geometría de la rampa de salida A
En la figura 3.20 se observa que la carga aplicada a la rampa de salida A
es uniforme ya que la probeta es de aluminio y nylon y es sólida.
Figura 3.20: Esquema de colocación de cargas de la rampa A
Si se analiza el desplazamiento máximo del material es de 0,1907 mm,
cuando la probeta provoca rozamiento en la rampa de salida A. Por lo tanto,
el desplazamiento es un valor considerado bajo y aceptable en el diseño. Ver
figura 3.21.
59
Figura 3.21: Desplazamiento de la rampa de salida A.
En la figura 3.22 se observa el esfuerzo de Von Mises ejecutados en el
software CAD, y el esfuerzo de Von Mises es 90 MPa. Por lo tanto, el
resultado es un valor satisfactorio ya que se encuentra por debajo del límite
de fluencia del aluminio cuyo valor es de 160 MPa.
Figura 3.22: Tensión de Von Mises de la rampa de salida A.
La figura 3.23 muestra el factor de seguridad que es de 1,784 que es
aceptable para las condiciones de diseño, con la finalidad de garantizar el
correcto funcionamiento del módulo en el futuro.
60
Figura 3.23: Factor de seguridad de la rampa de salida A.
Como método de comprobación del factor de seguridad se va a ocupar la
ecuación 3.4 para calcular de la siguiente manera:
Como se puede ver el factor de seguridad tanto del software como el
calculado son aceptables y no tiene ningún riesgo, garantizando su
seguridad.
b. Construcción de la rampa de salida B
Para la verificación del funcionamiento de la rampa de salida B se
determina esfuerzos, factores de seguridad y desplazamientos utilizando el
software CAD.
El diseño y la construcción de la rampa de salida B es la misma de la
rampa A, el material de la rampa es de aluminio y únicamente vamos a variar
la longitud que es de 130 mm.
61
Figura 3.24: Geometría de la rampa de salida B.
En la figura 3.25 muestra la colocación de cargas en este caso seria 0.2
Kg que es el peso de las probetas que van a salir del proceso por medio de
esta rampa de salida, se debe tomar en cuenta que la fricción ejercida por la
probeta es casi nula por el peso ligero que tiene la misma.
Figura 3.25: Esquema de colocación de cargas de la rampa de salida B.
La figura 3.26 presenta el esfuerzo de Von Mises ejecutado en el
software CAD, y el esfuerzo de Von Mises obtenido es 90 MPa. Por lo tanto,
el resultado es un valor satisfactorio ya que se encuentra muy por debajo del
límite de fluencia del aluminio cuyo valor es de 160 MPa.
62
Figura 3.266: Tensión de Von Mises de la rampa de salida B.
En la figura 3.27 se indica un desplazamiento máximo del material de
0,000003279 mm, cuando la probeta provoca rozamiento en la rampa de
salida B. Por lo tanto, el desplazamiento es un valor considerado
insignificante y aceptable para el diseño.
Figura 3.27: Desplazamiento de la rampa de salida B.
Se observa en la figura 3.28 que el factor de seguridad es 1.738,
considerando este valor muy satisfactorio ya que no supera el límite elástico.
63
Figura 3.28: Factor de seguridad de la rampa de salida B.
Como método de comprobación del factor de seguridad se va a ocupar la
ecuación 3.4 para calcular de la siguiente manera:
Como podemos ver el factor de seguridad tanto del software como el
calculado son aceptables y no tiene ningún riesgo para la seguridad del
módulo o el operador del mismo.
3.2.5 Construcción de la rampa de llegada
Así mismo la parte donde se coloca las piezas va a ser una rampa con un
espesor de 1mm con una inclinación 30 grados, un ancho de 45 mm su
longitud es de 115 mm.
64
Figura 3.29: Rampa de llegada.
Con ayuda del software CAD se pude modelar la Rampa de llegada como
se ve en la siguiente figura.
Figura 3.30: Geometría de la rampa de llegada
Para la verificación del funcionamiento de la rampa de llegada se
determina esfuerzos, factores de seguridad y desplazamientos utilizando el
software CAD.
La figura 3.31 presenta la distribución de las cargas que va a soportar la
rampa de llegada de la probeta, la figura muestra que la mayor concentración
de carga está en la parte que tiene la inclinación ya que allí es donde la
ventosa va a soltar la probeta.
65
Figura 3.31: Esquema de colocación de cargas de la rampa de llegada
La figura 3.32 muestra el esfuerzo de Von Mises ejecutado en el software
CAD, el esfuerzo máximo de Von Mises obtenido es 125 MPa. Por lo tanto, el
resultado es un valor satisfactorio ya que se encuentra muy por debajo del
límite de fluencia del aluminio cuyo valor es de 160 MPa.
Figura 3.32: Tensión de Von Mises de la rampa de llegada.
En la figura 3.33 se indica un desplazamiento máximo del material de
0,1934
mm, en caso de que el peso de la probeta exceda el límite de
fluencia del material que está construida la rampa en nuestro caso aluminio.
Por lo tanto, el desplazamiento es un valor considerado bajo o insignificante y
aceptable en el diseño.
66
Figura 3.33: Desplazamiento de la rampa de llegada.
El factor de seguridad en la Figura 3.34 da un valor mínimo de 1.248 que
es satisfactorio, y brindará un alto grado de seguridad, con el objetivo de
descartar un posible pandeo de la rampa de llegada. Por lo tanto es
aceptable para el diseño
Figura 3.34: Factor de seguridad de la rampa de llegada.
Como método de comprobación del factor de seguridad se va a ocupar la
ecuación 3.4 para calcular de la siguiente manera:
67
Como se puede ver el factor de seguridad tanto del software como el
calculado son aceptables y no tiene ningún riesgo para la seguridad del
módulo o el operador del mismo.
3.2.6 Brazo actuador
Para el movimiento de la rotación del brazo se va a utilizar un eje el
hueco con medidas exactas para acoplar con un diente de engrane que
comunicado con otro de la misma forma a una distancia de 135 mm entre
centros para que no se mueva y pueda mantener la ventosa en la posición
vertical el material que se va a ocupar es aluminio para tener mayor fijación
al momento que este transportando las probetas.
Figura 3.35: Brazo.
Figura 3.36: Engrane.
68
Para la verificación del funcionamiento del brazo que transportara las
probetas se determina esfuerzos, factores de seguridad y desplazamientos
utilizando el software CAD.
Figura 3.37: Geometría del brazo.
Siendo la capacidad en la que se deberá evaluar la resistencia del brazo
en la ubicación correspondiente que serán a 90 y 0 grados que será igual
que en el de 180 grados.
Figura 3.38: Diagrama de fuerzas del brazo
La deformación mayor que se llega a producir es de 0,0213 mm como
máximo con una masa de la probeta de 0,2 kg, cuando la probeta está
69
provocando una fuerza en el brazo. Por lo tanto, el desplazamiento es un
valor considerado bajo o insignificante y aceptable en el diseño.
Figura 3.39: Deformación del brazo.
Igualmente se puede observar en la figura 3.40 el brazo en una posición
a 90 grados, con un desplazamiento máximo del material de 0,0016 mm, la
deformación es menor que en 0 grados, esto se debe a que el peso esta
soportado como una columna en el brazo, lo que nos da como resultado que
la posición mínima de resistencia es cuando se encuentra vertical.
Figura 3.40: Deformación del brazo vertical.
El esfuerzo de Von Mises en la figura 3.41 ejecutado en el software CAD
da un valor de 105 MPa y este valor es satisfactorio y aceptable.
70
Figura 3.41: Tensión de Von Mises del brazo
La figura 3.42 muestra el factor de seguridad del brazo da un valor
mínimo de 1.519 que es un poco elevado a lo requerido, pero brindará un
alto grado de seguridad y es satisfactorio. Por lo tanto es aceptable para el
diseño.
Figura 3.42: Factor de seguridad brazo
Como método de comprobación del factor de seguridad se va a ocupar la
ecuación 3.4 para calcular de la siguiente manera:
71
Como se puede ver el factor de seguridad tanto del software como el
calculado son aceptables y no tiene ningún riesgo para la seguridad del
módulo o el operador del mismo.
Siendo el peso de no más de 0,2 kg de la probeta podemos concluir que
todas las piezas diseñadas y construidas están sobredimensionadas ya que
es un módulo didáctico.
3.2.7 Soporte de los actuadores lineales
Para los actuadores, donde se soportará las cargas de traslación serán
en el empotramiento. Se sabe que como se van a trasladar sobre una
superficie lo que deben vencer es únicamente la fricción.
Figura 3.43: Coeficientes de fricción
Fuente: [3]
El coeficiente de fricción se lo obtiene de la figura 3.43
72
Para el cálculo de la fricción el peso no es más de 0,2 kg se sabe que:
Para la verificación del funcionamiento de la rampa de salida A se
determina esfuerzos, factores de seguridad y desplazamientos utilizando el
software CAD.
En la siguiente 3.44 se presenta los soportes de los cilindros neumáticos
lineales.
Figura 3.44: Geometría del soporte de los cilindros
En la figura 3.45 se observa que la carga aplicada a las soportes es
mínima ya que la probeta es de aluminio y nylon y su peso es muy ligero.
Figura 3.45: Esquema de colocación de cargas del soporte de los cilindros.
73
Si se analiza el desplazamiento máximo del material es de 0,001411 mm,
cuando la probeta provoca rozamiento en las rampas. Por lo tanto, el
desplazamiento es un valor considerado bajo y aceptable en el diseño.
Para la fricción tenemos como resultado un valor de deformación de muy
pequeño debido a que las probetas no pesan tanto por lo que la normal es
pequeña. Como se ve en la siguiente figura.
Figura 3.46: Desplazamiento del soporte de los cilindros.
En la figura 3.47 se observa el esfuerzo de Von Mises ejecutados en el
software CAD, y el esfuerzo de Von Mises es 36 MPa. Por lo tanto, el
resultado es un valor satisfactorio ya que se encuentra por debajo del límite
de fluencia del aluminio cuyo valor es de 160 MPa.
Figura 3.47: Tensión de Von Mises del soporte de los cilindros.
74
La figura 3.48 muestra el factor de seguridad que es de 4.437 que es
aceptable para las condiciones de diseño, con la finalidad de garantizar el
correcto funcionamiento del módulo en el futuro.
Figura 3.48: Factor de seguridad de la rampa de salida A.
Como método de comprobación del factor de seguridad se va a ocupar la
ecuación 3.4 para calcular de la siguiente manera:
Como se puede ver el factor de seguridad tanto del software como el
calculado son aceptables y no tiene ningún riesgo, garantizando su
seguridad.
3.2.8 Probetas
Para selección del material vamos a utilizar un rango sobre diez,
escogiendo dos materiales acero y aluminio.
Se ha tomado una escala de 5 – 10, siendo 5 un valor poco favorable
para el tipo de material de la probeta y 10 un valor favorable.
75
Tabla 3.4 Matriz de decisión del material de la probeta
Características
Acero
Aluminio
Peso
8
10
Costo
10
8
Manufactura
8
10
TOTAL
8,67
9.,33
Es lógica la respuesta pues el aluminio presta versatilidad en peso y
manufactura pero su principal funcionalidad es que nos permite mediante la
vetosa sujetarla y trasladarla a la posición requerida, así mismo dependiendo
del proceso al tener menor densidad en consecuencia tendrá menor fricción.
Se han utilizado para el proceso que se ha diseñado dos materiales, uno
ferromagnético y un no metal. Para ello son probetas de aluminio y nylon
respectivamente. Ver figura 3.49
Figura 3.49: Probetas.
Las dimensiones de las probetas son 40 mm de diámetro
para que
puedan ubicarse en el contenedor dispensador, y la altura de 25 mm.
3.3 Sistema neumático.
3.3.1 Selección de los actuadores
El actuador cumplirá las siguientes funciones de la estación:
76

Llevar la pieza hacia el sensor inductivo.

Ubicar en la posición todas las probetas, indistintamente del tipo de
probeta, nos facilita en el proceso ya que solo hay que ir colocando las
probetas en el contenedor.

Separar del proceso a la probeta dependiendo de la programación ya
sea una probeta metálica o plástica.
En la siguiente tabla podemos observar la selección de los actuadores.
Tabla 3.5: Matriz de decisión de los actuadores A y B.
Factor
Factor de
Actuador Mecanismo
ponderación neumático de tornillo
lineal
10
Funcionalidad
2
10
2
2
Didáctico
3
10
8
3
2,4
Costo
2
7
8
1,4
1,6
Facilidad de
3
10
5
Diseño
3
1,5
TOTAL
10
9,4
7,5
Al seleccionar el actuador A y por ente el actuador B se ha tomado una
escala de 5-10, siendo 5 un valor poco favorable para el sistema y 10 un
valor favorable. Los métodos para diseñar un actuador neumático lineal son
simples, a diferencia del diseño de un mecanismo de tornillo sin fin que
consiste en cálculos más exactos y consistentes. Considerando que es un
sistema didáctico, un cilindro neumático es utilizado a menudo en la industria.
Por tal motivo se ha seleccionado como actuadores, un cilindro neumático
doble efecto con una carrera de 100 mm y otro cilindro doble efecto con una
carrera de 50 mm. En el proceso de discriminación y separación de la
probeta se requieren actuadores con las mismas características, para lo cual,
no será necesario volver a realizar una matriz de decisión. Se concluye que
la estación mencionada utilizará
el mismo tipo de actuador (cilindro
77
neumático de doble efecto) porque
cumplirán la función de despacho y
discriminación de piezas
Se puede analizar si existe deformación en el actuador, el cual va a ser
analizado únicamente el de 100 mm ya que es el de mayor posibilidad de
deformación. Ver figura 3.50
Figura 3.50: Geometría del actuador.
Para la verificación del funcionamiento de los actuadores neumáticos
lineales se determina esfuerzos, factores de seguridad y desplazamientos
utilizando el software CAD.
La figura 3.51 presenta la distribución de las cargas que va a soportar el
cilindro, la figura muestra que la mayor concentración de carga está en la
parte que tiene contacto con la probeta.
Figura 3.51: Esquema de colocación de cargas del actuador.
La figura 3.52 muestra el esfuerzo de Von Mises ejecutado en el software
CAD, el esfuerzo máximo de Von Mises obtenido es 40 MPa. Por lo tanto, el
resultado es un valor satisfactorio ya que se encuentra muy por debajo del
límite de fluencia del aluminio cuyo valor es de 160 MPa.
78
Figura 3.52: Tensión de Von Mises del actuador.
En la figura 3.53 se indica un desplazamiento máximo del material de
0.00006902 mm, en caso de que el peso de la probeta exceda el límite de
fluencia del material que está construido el actuador. Por lo tanto, el
desplazamiento es un valor considerado bajo o insignificante y aceptable en
el diseño.
Figura 3.53: Desplazamiento del actuador.
El factor de seguridad en la Figura 3.54 da un valor mínimo de 3.982 que
es satisfactorio, y brindará un alto grado de seguridad, con el objetivo de
descartar un posible daño en el vástago del actuador. Por lo tanto es
aceptable para el diseño
79
Figura 3.54: Factor de seguridad del actuador.
Como método de comprobación del factor de seguridad se va a ocupar la
ecuación 3.4 para calcular de la siguiente manera:
Como se puede ver el factor de seguridad tanto del software como el
calculado son aceptables y no tiene ningún riesgo para la seguridad del
módulo o el operador del mismo.
a. Selección del actuador lineal neumático A y B
a.1
Requerimientos del actuador A
El actuador neumático A debe cumplir los siguientes requerimientos:

Carrera mínima 100 mm, ya que vamos a llevar a una ubicación de
100 mm para que sea trasladado hacia el otro lado donde se receptan
las probetas dependiendo de la programación si es la probeta
correcta.

Presión máxima de 6 bares.
80
Tabla 3.6: Tabla de elementos neumáticos para el sistema.
Numeración
Elemento
1
Compresor con depósito
2
3
Unidad de Mantenimiento (filtro, regulador,
manómetro)
Válvula 5/2 con accionamiento eléctrico
4
Válvula estranguladora
5
Cilindro doble efecto
Cabe mencionar que la selección de los componentes en su mayoría
será realizada por catálogo pues la información que se presenta en ellos es
precisa y confiable además que cumplimos con el proceso de diseño y es la
forma más práctica y real de escogerlos.
En el mercado ecuatoriano las empresas dedicadas a la comercialización
de productos neumáticos cuentan con micro cilindros con dimensiones del
diámetro del embolo a partir de 16 [mm], por lo que se realizara su respectiva
selección en base a esta medida, considerando que la variable más
importante de selección es la carrera del cilindro.
Figura 3.55: Actuador Airtag A.
Fuente: [16]
Sabiendo que se ha seleccionado según las características que se han
especificado se puede obtener su codificación. Ver la siguiente figura.
81
Figura 3.56: Codificación cilindros A.
Se ha finalizado seleccionado un cilindro que principalmente posea una
carrera de 100 mm para este actuador.
Figura 3.57: Actuador A.
a.2
Requerimientos actuador B
El actuador neumático debe cumplir los siguientes requerimientos:

Carrera mínima 45 mm, ya que vamos a llevar a una ubicación de 50
mm para que sea separada la probeta incorrecta del proceso que
dependerá de la programación.

Presión máxima de 6 bares.
82
Para el caso del cilindro neumático B únicamente varia la longitud de la
carrera a 50 mm. Como se ve en la figura 3.58. El vástago nos ayudará a
mover las piezas según su tipo sea plástica o metálica.
Figura 3.58: Actuador B.
Sabiendo que se ha seleccionado según las características que se han
especificado se puede obtener su codificación. Ver la siguiente figura.
Figura 3.59: Codificación actuador B.
Se ha finalizado seleccionado un cilindro que principalmente posea una
carrera de 50 mm para este actuador.
83
3.3.2
Cálculo de los actuadores lineal neumáticos A y B.
Para diseñar un actuador lineal es necesario aplicar el siguiente
procedimiento para dimensionar el diámetro mínimo del embolo:

Determinar los datos de coeficiente de rozamiento (µ), presión de
alimentación [bar], masa del objeto a ser manipulada por el actuador
[Kg].

Calcular la fuerza de rozamiento mínima y máxima mediante la
siguiente ecuación.
Ec. 3. 5
Donde:

Calcular el área del émbolo mediante la siguiente ecuación.
Ec. 3. 6
Donde:

Calcular el diámetro mínimo del émbolo mediante la siguiente
ecuación.
Ec. 3. 7
84
Donde:
Para determinar la fuerza de rozamiento se considera un valor
contemplando un nivel de rozamiento máximo para el diseño y la masa a ser
transportada por el cilindro que tiene un valor máximo de diseño de 2[Kg]. Al
reemplazar estos datos en la ecuación anterior, se obtiene un
.
Como diseñadores de la estación existe la obligación de cuantificar
razonablemente la incertidumbre de posibles aspectos como inexistencia
comercial del cilindro diseñado, futuras modificaciones en la masa del juego
de piezas, por lo que se recurre a la selección adecuada de un factor de
seguridad
basado en tres factores relacionados con la calidad de
información disponible.
Generalmente un factor de seguridad para materiales dúctiles no debe
ser seleccionado con más de un punto decimal (
Selección Factor
).
: Las condiciones del entorno en el cual se utilizará el
sistema son en esencia las de un entorno de ambiente de habitación pues
será utilizado en el laboratorio, un lugar cerrado y cubierto, entonces
Selección factor
.
: El modelo de los cilindros son construidos en base a
normas ISO, es decir, han sido probados contra experimentos, entonces
. De este modo, al aplicar la ecuación anterior obtenemos un
, que al reemplazar en la ecuación resulta
Para determinar el área mínima del embolo se reemplaza en la ecuación
el valor
de determinado en la ecuación que corresponde al valor de
F, y la presión de trabajo máxima a la que trabaja el sistema
85
. De esta manera, se obtiene un valor de
.
Al despejar el diámetro de la ecuación, y reemplazando el valor obtenido,
nos resulta un valor de
√
Para calcular la fuera de compresión del cilindro se debe despejar de la
ecuación 3.6
[
]
86
3.3.3 Consumo de aire del actuador A y B
Para calcular el consumo de aire de cada elemento neumático existen
varios métodos, que para el caso será la siguiente ecuación.
(
[
[
(
)
)
(
]
Ec. 3.8
)
]
3.3.4 Circuito de potencia neumático
El diseño del circuito de potencia neumático es importante, pues así se
determina los componentes necesarios para la instalación que permitirá el
correcto funcionamiento de los cilindros de la estación. El proceso de la
estación
consiste en el transporte de piezas hacia la siguiente posición
mediante la manipulación de un cilindro de doble efecto sobre el cual se
tendrá el control de caudal mediante una válvula estranguladora.
87
Figura 3.60: Actuador A.
3.3.5 Selección del actuador giratorio
El actuador giratorio neumático es el componente encargado de
transportar las probetas de la posición de separación de las mismas, hacia la
siguiente posición que debe ser en nuestro caso a la rampa de llegada de
una inclinación aproximada de 90 grados.
En la siguiente tabla podemos observar la selección del actuador giratorio.
Para seleccionar el actuador giratorio se ha tomado una escala de 5-10,
siendo 5 un valor poco favorable para el sistema y 10 un valor favorable.
Tabla 7.7: Matriz de decisión del actuador giratorio
Factor
Factor de
ponderación
Actuador
neumático de 90
grados
Funcionalidad
2
7
1,4
Angulo de giro
3
Costo
2
Disponibilidad
3
TOTAL
10
6
2,1
8
2,4
8
2,4
8,3
Actuador
neumático de
180 grados
10
2
10
3
7
1,4
8
2,4
8,8
88
Como podemos observar en la tabla anterior hemos seleccionado según
la necesidad pues tenemos un espacio de 180 grados para el movimiento.
En el actudor giratorio DSR, esta codificacion nos indica que es un
actuador giratorio con eje con chaveta y podemos tener una variación que es
el actuador de giro con eje de brida hueco DSRL, para la funcion que va a
desempeñar en el módulo vamos a ocupar el DSR ya que posee ranuras que
ayuda a la sujeción y movimiento del brazo.
Ademas es muy util este actuador giratorio ya que posee topes para
regular el angulo de giro entre 0 y 180 grados, en la estación el actuador
DSR va a trabajar en el rango de 0 a 90 grados.
Figura 3.61: Actuador giratorio.
Fuente: [17]
a. Consumo de aire del actuador giratorio
Para calcular el consumo de aire de cada elemento neumático existen
varios métodos, que para el caso será la siguiente ecuación.
[
(
)
]
Ec. 3. 9
89
[
(
)
(
)
]
3.3.6 Consumo de aire total del sistema
Figura 3.62: Sistema neumático.
El consumo del cilindro de doble efecto que ya obtuvimos anteriormente
se debe multiplicar por un factor 2 que representa el número de cilindros en
todo el sistema.
90
Tabla 8.8: Consumo de Aire.
Elemento
Cilindro de
doble efecto
Cilindro
giratorio
Consumo U.
[l/min]
Número de
Cilindros
Consumo
Total [l/min]
0,58
2
1,16
3,81
1
3,81
TOTAL
4,97
3.3.7 Unidad de mantenimiento (FR)
La estación de transporte y discriminación maneja una presión de 6
bares, por lo que se vio la necesidad de implementar una unidad de
mantenimiento FR que ayudará a controlar la presión que ingresa al módulo
debido a que si hay un exceso de presión en el suministro de aire podría
causar daños en los elementos neumáticos de la estación, además de
poseer esta unidad un regulador posee un filtro el cual permitirá el paso de
cualquier impureza que pueda estar en el suministro de aire, en la figura 3.63
se observaba la unidad de mantenimiento de la marca TRUPER.
Figura 3.63: Unidad de mantenimiento FR.
91
3.4 Sistema eléctrico
Los elementos del sistema eléctrico serán los que permitan el control de
toda la estación, obteniendo así un correcto funcionamiento, para la
selección se debe tener un criterio técnico para que estos elementos no
tengan paradas innecesarias, o mucho menos algún daño en la estación.
3.4.1 Sensores
a.1
Sensores Inductivos
Los sensores inductivos incorporan una bobina electromagnética la cual
es usada para detectar la presencia de un objeto metálico conductor. Los
sensores inductivos usados permiten detectar la presencia de la parte
metálica de la pieza (inserto) y la posición inicial de la pieza, hay que tener
en cuenta la distancia de sensado ya que no admite grandes distancias de
detección.
En nuestro caso permitirá identificar el material ya que se va a utilizar dos
tipos de probetas que serán de aluminio y nylon. Se lo ubica en una base
como se muestra en la siguiente figura para que una vez iniciado el proceso
se pueda realizar el proceso correspondiente.
Sensor Inductivo
Figura 3.64: Sensor inductivo rampa
92
a.2
Sensores Ópticos
El sensor óptimo es un dispositivo que convierte rayos de luz en señales
electrónicas. Consta de un emisor que posee un diodo emisor de luz (led) y
un receptor (fotodiodo) el cual recepta rayos de luz a través de un lente
óptico. Se lo alimenta con una fuente de energía de 24 VCD. Se lo usa para
detectar la presencia de la pieza.
La disposición en la que se lo ha ubicado es en la parte inferior del
dispensador de las probetas, lo que permitirá iniciar el proceso. Se puede
observar más claramente en la siguiente figura su ubicación.
Sensor óptico
Figura 3.65: Sensor óptico
a.3
Sensores Magnéticos
Estos pequeños sensores se los usa en los cilindros neumáticos para
detectar la posición de fin de carrera del émbolo magnético que posee el
cilindro. Este posee un circuito interno que responde cuando un campo
magnético incide sobre éste, funciona tipo Switch. Uno para cada cilindro
expulsor. Estos sensores al detectar el final de carrera correspondiente se
activan cambiando el valor de la entrada correspondiente del autómata.
Además llevan incorporada una pequeña lámpara que se enciende al
activarse el sensor para así poder comprobar su estado a simple vista.
93
Se ha ubicado un sensor magnético cerca del brazo del cilindro giratorio
ya que con la ayuda de un imán nos permitirá realizar el procedimiento
programado.
Para los cilindros neumáticos utilizamos estos sensores en la ubicación
extrema únicamente como podemos observar en la siguiente figura.
Sensor Magnético
Figura 3.66: Cilindro sensor magnético
3.4.2 Selección del PLC.
Para la selección del PLC es necesario determinar el número de entradas
y salidas que se va a utilizar en el módulo, en la tabla 3.9 se muestra todas
los sensores y actuadores que se van a utilizar de este modo se puede
seleccionar el PLC.
Tabla 9.9: Entradas y salidas a utilizar del PLC.
Entradas y Salidas
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Tipo
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Digital
Descripción
Inicio
Paro
Óptico
Inductivo
Magnético del cilindro A
Magnético del cilindro B
Magnético del cilindro giratorio
Luz de inicio
Cilindro A
Cilindro B
Cilindro giratorio
Ventosa
94
Se debe tomar en cuenta que el PLC tenga comunicación Ethernet para
poder tener una red entre los dispositivos de otros módulos.
Tabla 10.10: Selección del PLC.
Características
Versión
CPU 1212
AC/DC/Relé
CPU 1214
AC/DC/Relé
Tensión de entrada
110-220 AC
110-220 AC
Entradas digitales
8
14
Salidas digitales
6
10
Entradas analógicas
2
2
Salidas analógicas
No
No
Tipo de salida
Relé
Relé
Interfaz de comunicación
Ethernet
Ethernet
Tipo de programación
FBD, Ladder Logic
FBD, Ladder Logic
Para la selección del PLC se comparó entre la CPU1212 y la CPU1214 y
por el número de entradas y salidas que se utilizará, y la comunicación
Eternet que posee la CPU1212 es la que se escogió para el módulo de
transporte y discriminación de discos. Para mayores detalles de las
características técnicas del PLC. Ver en el ANEXO A-1.
3.4.3 Tarjeta de entradas y salidas
Estas tarjetas sirven para que las entradas y salidas del PLC puedan ser
conectadas una sola vez a su bornera y que no exista necesidad de estar
desconectando para otro proceso, permite versatilidad y rapidez. Ver la figura
3.67.
95
Figura 3.67: Tarjeta entradas y salidas PLC.
En la siguiente figura se puede observar la tarjeta que va conectada a la
estación, a sus sensores y actuadores.
Figura 3.68: Tarjeta Estación.
3.4.4 Diseño PCB
Los bornes ubicados en la tarjeta electrónica están dedicadas para 8
entradas y 8 salidas con sus respectivos indicadores led del estado,
adicionalmente esta interfaz incluye bornes de distribución para dos voltajes
de alimentación de 0 V y 24 V para los sensores, actuadores,
tarjetas
electrónicas, PLC, KTP600 mono y electroválvulas. El cuerpo o base se
puede montar en perfiles DIN, donde queda sujeto mediante clips.
96
Todos los puntos de conexión y, también, la alimentación de corriente
eléctrica, se encuentran en el conector DB-25 tipo hembra que mediante un
cable DB-25 macho lleva las señales de los sensores y tarjetas electrónicas
de manera cómoda, rápida, con una excelente presentación y simplicidad del
cableado hacia donde se procesarán estas señales para lograr la
automatización de la estación.
Figura 3.69: Tarjeta PCB y Cable DB25.
Fuente: [18]
Figura 3.70: PBC tarjetas.
3.4.5 Electroválvulas
Es común utilizar para el accionamiento de actuadores neumáticos de
doble efecto válvulas de 5 vías y 2 posiciones, como se muestra en la figura
siguiente. Resulta ineficiente realizar una matriz de decisión para comparar
varias, pues la necesidad que tenemos es para cilindros de doble efecto.
97
Figura 3.71: Válvulas 5/2.
Fuente: [10]
Válvulas de la estación
Figura 3.72: Válvulas de la estación.
98
CAPÍTULO IV
4. CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN
En este capítulo se describe los procesos para la etapa de construcción e
implementación del sistema didáctico para transporte y discriminación de
discos, en el capítulo anterior se realizó la selección y el diseño del mismo.
4.1.
Montaje del sistema eléctrico.
El equipo que se implementa para el control del módulo es un PLC
S71200 que ayuda a manejar las variables que son enviadas desde los
sensores y da señales de salida para que se activen los actuadores
dependiendo de la programación que se implemente más adelante.
4.1.1. Montaje del PLC y las tarjetas PCB.
A continuación se va a colocar una riel en donde va a asegurarse el PLC
y las tarjetas PCB, la riel como todos los otros elementos son acoplados a la
bancada por medio de tornillos M6x1/2 y con una turca m6 para que se
quede fijado como se puede ver en las siguientes figuras.
Figura 4.1: Montaje del PLC y Tarjetas PCB.
99
Figura 4.2: Tornillo de sujeción.
4.1.2. Montaje de los sensores.
El módulo consta de los siguientes sensores: tres sensores magnéticos,
un sensor óptico y un sensor inductivo.
a.
Montaje de los sensores magnéticos.
Los sensores magnéticos que van en los cilindros neumáticos lineales se
los sujeta por medio de correas plásticas para un mejor manejo en la
calibración ya que estos funcionan como fines de carrera y si no están en un
lugar adecuado del cilindro no va a dar la señal para el retorno el cilindro
para ello solo fijamos con correas y poder calibrar de mejor manera los
sensores como se ve en la figura siguiente.
Sensor
magnético
Figura 4.3: Montaje de los sensores magnéticos.
En el caso del sensor magnético del cilindro giratorio se lo fijo en la base
del mismo y se tuvo que aumentar un imán en el brazo para que de la señal
del fin de carrera y realice el siguiente paso que va a depender de la
programación que se lo realizará posteriormente. Para la calibración de este
100
sensor se debe colocar que en los dos elementos ya mencionados estén en
línea y así detecte el sensor al imán.
Imán
Sensor
magnético
Figura 4.4: Montaje de los sensores magnéticos giratorio.
b.
Montaje del sensor óptico.
El sensor óptico está fijado a la bancada por medio de una base de
aluminio la cual esta acoplado con un tornillo M6x1/2 y una tuerca M6 como
se muestra en la figura, este sensor envía una señal al PLC para saber que
la probeta está en el dispensador y empezar el proceso de la estación. Este
sensor se debe calibrar para que no detecte la presencia del pitón del cilindro
ya que esto perturba a la estación y deja de funcionar como se establecerá
en la programación.
Sensor
óptico
Figura 4.5: Montaje de los sensores óptico.
101
c.
Montaje del sensor inductivo.
Este sensor esta acoplado con una base en L de aluminio la misma que
está sujeta a la bancada por medio de un tornillo M6x1/2 y una turca M6 para
tener una fijación del sensor, este envía una señal al PLC para que la
probeta de metal salga del proceso y las plásticas sigan a la otra estación.
Como se ve en la siguiente figura el sensor está sujeta a la base con 2 turcas
de esta manera se facilita la calibración del sensor en caso de que este muy
alejado de la probeta y no le detecte.
Sensor
inductivo
Figura 4.6: Montaje de los sensores inductivo.
d.
Montaje de las electroválvulas.
Para el montaje de las electroválvulas se las han fijado en una base de
aluminio como se ve en la siguiente figura, luego para que la misma sea
acoplada a la bancada por medio de un tornillo M6x1/2 y una turca M6 este
procedimiento se lo realiza en caso de tener que removerlas a otro sitio del
módulo sea más fácil y no dañar las electroválvulas.
102
Base de
aluminio
Figura 4.7: Base de las electroválvulas.
Figura 4.8: Montaje de las electroválvulas.
e.
Montaje de la fuente de alimentación de 110Vca y 24Vcc.
Esta fuente de voltaje esta acoplada a la mesa en su parte interna
simplemente con cinta doble faz debido a que no hace ningún movimiento o
no va a desacoplarse en el momento en que funcione el módulo.
103
Figura 4.9: Fuente de voltaje 110Vca y 24Vcc.
La conexión de la fuente es muy sencilla y solo se ocupa los bornes de
110Vca para el PLC y la de 24Vcc para los sensores, electroválvulas y para
las tarjetas PCB, la conexión de la fuente lo podemos ver en la siguiente
figura.
Figura 4.10: Conexión de la fuente de voltaje 110Vca y 24Vcc.
4.1.3. Cableado de todo el sistema
El cableado se lo llevará a cabo con un cable número 16 AWG de hilos,
debido a que no se maneja altas corrientes y así se evita caídas de voltaje en
el sistema. Los colores a utilizar son: Blanco para el positivo de 24Vcc y
104
110Vca, verde para el negativo de 24Vcc y negro para el neutro de 110Vcc,
el plano eléctrico que indica la conexión de todo el sistema se lo encuentra
en el ANEXO C.
La conexión eléctrica debe pasar por pulsadores y luces pilotos para que
estas señales den el inicio, el paro y el paro de emergencia dependiendo de
la programación que se realizará más adelante. En la siguiente figura
podemos ver la conexión de los pulsadores y las luces piloto.
Figura 4.11: Conexión de los pulsadores y luces piloto.
4.2.
Montaje del sistema neumático.
4.2.1. Montaje de los cilindros neumáticos lineales A y B.
El cilindro va a ser sujetado con una base en L de aluminio en la parte
frontal del mismo el cual ayuda a tener una mejor fijación al momento de que
este en activación el cilindro, y en la bancada la base es fijada con un tornillo
M6x1/2 y con una turca m6 para que se quede acoplado a la bancada como
se ve en la figura siguiente.
105
Figura 4.12: Base del cilindro de 50mm
Figura 4.13: Montaje del cilindro de 50mm
El mismo procedimiento se realiza para la colocación del cilindro
neumático de 100 mm se tiene que ir viendo las distancias y probando para
que se ubique en el lugar correcto y no se colisionen los elementos. Ver
figura 4.14.
Figura 4.14: Montaje del cilindro de 100mm.
106
4.2.2. Montaje del cilindro neumáticos giratorio.
El cilindro giratorio se lo acopla a una base de aluminio cuadrado para
que sean los soportes al momento de la fijación en la bancada mediante
pernos M10x1/2 como se observa en la figura 4.15.
Figura 4.15: Base del cilindro giratorio.
A continuación se fija el cilindro giratorio a la bancada para que pueda
accionarse sin tener riesgo de que se mueva o se desacople de la bancada y
evitando así posibles daños en el equipo como se ve en la siguiente figura.
Figura 4.16: Montaje del cilindro giratorio.
En el cilindro giratorio se debe acoplar el brazo que va a ayudar al
transporte de la probeta de la posición inicial (0 grados) a la posición final (90
grados) para que la probeta vaya al siguiente módulo como se muestra en la
figura 4.17.
107
Figura 4.17: Montaje del brazo del cilindro giratorio.
4.2.3. Montaje de la ventosa.
Para el montaje de la ventosa se requirió antes la colocación de una
válvula de vacío que ayudará a la ventosa para la succión de la probeta, la
válvula se la fijo con una base de aluminio y dos tornillos M6x1/2 y dos turcas
m6 para que se acople con la bancada, como se ve en la figura 4.18, este
elemento va a estar sujeto a jalones ya que la conexión del aire va a la
ventosa que estará en constante movimiento por el brazo.
Figura 4.18: Montaje de la válvula de vacío.
Luego de la colocación de la válvula de vacío se colocó en el extremo del
brazo que ya fue implementado un eje móvil que permite que la ventosa este
siempre en posición vertical y de esta manera la probeta estará hacia abajo
en todo momento, además en el eje móvil se colocó una base de aluminio,
como se ve en la siguiente figura.
108
Eje móvil
Base de la ventosa
Figura 4.19: Montaje del eje móvil y la base de la ventosa.
Finalmente el montaje de la ventosa se lo realizó por medio de una T de
4 mm la misma que tiene tres orificios, en el uno va la ventosa que se acopló
a la T por un pedazo de manguera de 8mm, en el segundo la conexión de la
manguera y en el tercero un tapón para que no se escape el aire y se realice
la succión de la probeta, la T va sujeta a la base por medio de un tornillo
M3x1 como se ve en la figura 4.20.
Figura 4.20: Montaje de la ventosa.
Hasta este punto la mayoría de elementos del módulo tanto eléctricos
como neumáticos están acoplados en la bancada y se puede comprobar que
todos los elementos estén en la posición correcta y que no va a existir
colisión entre los elementos como se observa en la figura 4.21.
109
Figura 4.21: Módulo de transporte y discriminación.
4.2.4. Conexión de todo el sistema neumático.
La conexión neumática del sistema se lo llevo a cabo por medio de
mangueras de 4 mm ya que la presión máxima a utilizar es 6 bares y la
manguera soporta dicha presión, el plano neumático que indica la conexión
de todo el sistema se lo encuentra en el ANEXO D.
La conexión neumática debe pasar antes por una unidad de
mantenimiento FR (filtro - regulador). En la siguiente figura podemos ver la
conexión neumática del sistema.
Figura 4.22: Unidad de mantenimiento FR.
110
Figura 4.23: Montaje del módulo de transporte y discriminación.
4.3.
Implementación del módulo de transporte y discriminación.
4.3.1. Configuración y programación
La programación de los dispositivos se hará mediante el software TIA
Portal V13 que deberá ser instalado previamente en un equipo programador,
tomando en cuenta los requerimientos para su instalación. Será necesario
reconocer las funciones del TIA Portal V13 para configurar los dispositivos.
Manejo del software de programación TIA Portal V13 .El software de
programación TIA Portal V13 incorpora el software STEP 7 Basic junto a las
funciones del software WinCC Basic integrado, ofreciendo facilidad para el
aprendizaje de su utilización, permitiendo así al usuario aprender de manera
rápida y sencilla a creer proyectos nuevos.
Para iniciar el uso del software instalado en una PC, se puede acceder
directamente a él a través del icono de inicio del TIA Portal V13 como se ve
en la siguiente figura.
Figura 4.24: Icono TIA V13.
111
Crear un proyecto. Una vez abierto el software nos mostrará el portal de
inicio con múltiples opciones, para crear un proyecto se dará clic en la opción
"Crear proyecto nuevo" para después introducir el nombre del proyecto y
haciendo clic en el botón "Crear" obtener un proyecto nuevo. Ver figura 4.25.
Figura 4.25: Crear proyecto.
Una vez creado el nuevo proyecto se puede agregar dispositivos
accediendo al portal dispositivos y redes y haciendo clic en el botón "Agregar
nuevo dispositivo" como se ve en la figura 4.26.
Figura 4.26: Agregar Dispositivo
112
Insertar una CPU.
En la ventana de diálogo “Agregar dispositivos”
aparece la lista de hardware disponible, de la lista se seleccionará la CPU
asegurándose de insertar el modelo y la versión de firmware correctos.. Ver
figura 4.27.
Figura 4.27: Agregar dispositivo PLC.
Al seleccionar la CPU desde la ventana de diálogo "Agregar dispositivo"
se crean el rack y la CPU seleccionada, además se presenta la vista de
dispositivos para configuración de hardware, como se observa en la figura
4.28.
Figura 4.28: Vista de dispositivos.
113
4.3.2. Configuración de la CPU.
Para configurar la CPU insertada se la selecciona en la ventana vista de
dispositivos, ver figura 4.29, para visualizar así las propiedades de la CPU en
la ventana de inspección.
Figura 4.29:.Propiedades de la CPU
4.3.3. Detección de una CPU sin especificar.
Al existir una conexión de una PC con la CPU es posible cargar su
configuración incluidos los módulos vinculados a la CPU. Se lo puede realizar
de dos formas distintas, la primera creando un proyecto nuevo y
seleccionando la CPU sin especificar, la segunda omitiendo la configuración
del dispositivo por completo al seleccionar “Crear un proyecto PLC” en el
portal “Primeros pasos”, así STEP 7 Basic crea una CPU sin especificar.
Para identificar la CPU conectada se recurre a la opción “Online” en el editor
de programación, seleccionando “Detección de hardware”. Ver figura 4.30.
Figura 4.30: Detección online.
114
En el portal “Vista de dispositivos” también se encuentra el dispositivo no
especificado y las opciones para especificar el dispositivo mediante el
catálogo de hardware o mediante la detección online del dispositivo
conectado, como se muestra en la siguiente figura.
Figura 4.31: Especificar en vista de dispositivos.
La detección online abrirá un cuadro de diálogo en el que se indica la
CPU conectada, incluidos los módulos SM, SB o CM en el caso de existir,
para poder cargar la configuración de hardware de los dispositivos. Ver figura
4.32.
Figura 4.32: Cuadro de dialogo de la detección online.
115
Agregar módulos a la configuración. Mediante el catálogo de hardware
de STEP 7 Basic se puede agregar diferentes módulos a la configuración,
seleccionando los módulos de acuerdo a las necesidades y considerando su
función. El módulo de señales (SM) ofrece entradas E/S digitales o
analógicas adicionales. Estos módulos se conectan a la derecha del CPU.
4.3.4. Determinación de variables
a. Programación del PLC S7-1200.
La programación del PLC S7-1200, se realiza de forma completa
utilizando un bloque de programación OB, para crear el bloque de
programación se accede a la opción “Bloques de programa” del menú del
árbol de proyecto, a continuación se selecciona el bloque de programación
“Main [OB1]”, como se ve en la siguiente figura, creando de esta manera el
bloque en el que se iniciará la programación del PLC mediante segmentos de
programa.
Figura 4.33: Main programación.
116
Segmentos de programación del PLC.
La programación del PLC S7-
1200 para el control automático del módulo de transporte y discriminación se
la realizará por segmentos, utilizando lenguaje de programación KOP, en
cada segmento se programa una etapa de funcionamiento del módulo de
transporte y discriminación, con las condiciones de activación previstas en
cada etapa del proceso.
Los segmentos serán programados según el orden en el que se da cada
etapa del proceso. La programación completa en ladder se la puede ver en el
ANEXO E.
En primer lugar se realiza el enclavamiento el cual nos permitirá iniciar la
programación y además encender las luces piloto de inicio y la luz piloto de
paro estar apagado.
La memoria de inicio se colocara en cada línea de programación para
tener un mejor control de cada segmento y no tener una activación errónea
en cualquier etapa del programa
Se procede a la detección de las probetas en el contenedor y así
continuar con lo establecido en la programación.
El sensor óptico ayuda a la detección y crear una memoria y la ventosa,
el cilindro giratorio y una memoria del inductivo ayuda para que esta etapa no
se active por error.
La memoria creada activa una salida en un tiempo programado de 600ms
luego nos retarda la activación de la señal en un tiempo de 500ms para
activar al cilindro de carga y se realiza un enclavamiento para mantener la
señal.
En esta línea de programación una señal del magnético de la carga nos
controla la activación y desactivación del cilindro de carga.
La memoria del magnético de la carga se va a controlar por medio de la
señal del magnético de la carga y para no tener una falla en la activación de
la memoria ayuda la memoria del inductivo, el magnético de expulsión y la
ventosa y un enclavamiento ayudara a mantener la señal.
117
La memoria creada da el activación de la señal durante 600ms luego de
un tiempo de 100ms se moverá el cilindro giratorio de la posición inicial (90
grados) hacia la posición para el traslado de la probeta (0 grados) el tiempo
que estará en este sitio es de 1500ms esta señal como ya se mencionó
activa al cilindro giratorio y luego de 1200 ms se creara una memoria de
activación de la ventosa, en esta línea de programación ayudará a controlar
una mala activación la memoria del cilindro de expulsión y memoria del
inductivo.
Por medio de la memoria de activación de la ventosa se activa la ventosa
y se la desactiva por medio de una memoria de desactivación de la ventosa.
Para crear la memoria de desactivación de la ventosa se lo hace por
medio del magnético del cilindro giratorio, esta señal estará presente durante
600ms y luego de 200 ms se activará la memoria de desactivación de la
ventosa.
Una memoria del inductivo nos activa el cilindro que va a expulsar a la
probeta fuera del proceso, para la creación de la memoria del inductivo
ayudará simplemente la señal del sensor, el magnético del cilindro de
expulsión desactiva la memoria y de esta manera controlar la activación y
desactivación del cilindro de expulsión, para mantener la señal solo se
enclava.
La memoria del cilindro de expulsión se crea con la señal del cilindro de
expulsión y se mantiene la señal enclavando, la memoria se desactiva por la
ventosa y el magnético de carga. Esta memoria ayuda a que no se active el
cilindro giratorio si se realizó la discriminación de la probeta. En la siguiente
figura se ve el funcionamiento del programa en diagrama de flujo.
118
INICIO
SENSOR ÓPTICO
DETECTA LA
PROBETA
ACCIONAMIENTO DEL
ACTUADOR DE CARGA
SENSOR INDUCTIVO
DETECTA LA PROBETA
DE ALUMINIO
ACCIONAMIENTO DEL
ACCIONAMIENTO DEL
ACTUADOR GIRATORIO
ACTUADOR DE EXPULSION
ACCIONAMIENTO DE LA
VENTOSA
SENSOR MAGNÉTICO
DETECTA AL BRAZO
DESACTIVAR VENTOSA
FIN
Figura 4.34: Diagrama de flujo del funcionamiento de la programación.
b. Pruebas de funcionamiento del programa implementado.
Para realizar pruebas de funcionamiento se debe tener muy en cuenta
que se puede realizar una prueba paso a paso en la vista online, la misma
119
que permite identificar cuáles serán los procesos a realizarse. Se sabe
también que si existe un error en identificación de variables no va a funcionar
el programa y no va a correr la programación del PLC, como se ve en la
siguiente figura.
Figura 4.35: Activar y desactivar observación online.
4.3.5. Red Ethernet y HMI
a. Programación de la pantalla HMI
La Touch para la implementación es una SIMATIC Basic Panel KP400
BASIC, pantalla
de 3,8”, táctil y 4 teclas de función, con interfaz
PROFINET/Industrial Ethernet. Ver en la siguiente figura. El desarrollo de la
interfaz HMI se lo realiza mediante el software TIA Portal, la comunicación es
vía Ethernet.
Figura 4.36: Pantalla Touch.
Para empezar se debe establecer la comunicación entre la PC, los tres
PLC‟s que se van anclar a la red Eternet y la pantalla touch, esto se lo
consigue por medio de un Router (Switch Eternet). El PLC ya fue
120
programado y agregado anteriormente por lo que nos falta agregar la
pantalla, para lograr esto se debe ir al árbol de programación allí se
encontrará un icono agregar dispositivo. Ver en la siguiente figura.
Figura 4.37: Agregar la pantalla Touch.
Posteriormente se desplegará una ventana donde se debe seleccionar
HMI y luego seleccionar el dispositivo dependiendo del modelo y la
descripción de la pantalla, y para finalizar dar clic en aceptar para que se
agregue el dispositivo como se ve en la figura 4.38.
Figura 4.38: Selección de la pantalla Touch.
121
En el panel de operador se muestra todas funciones que se puede
asignar a la pantalla y si existe comunicación entre dispositivos. Ver en la
Figura 4.39. Se debe seleccionar el driver de comunicación, la interfaz y el
PLC para ello se va al botón examinar y seleccionar el dispositivo y dar clic
en siguiente y finalizar.
Figura 4.39: Selección de la pantalla Touch.
Luego se desplegará una pantalla HMI vacía para poder diseñar una
presentación y a programar lo que aparecerá en la pantalla. En la parte
derecha de la ventana del software tenemos una pestaña de herramientas
que servirán para realizar el diseño de la pantalla.
Figura 4.40: Pantalla HMI.
122
Una vez ya diseñada e implemetada la programacion de la pantalla se
tiene una presentacion como se muestra en la figura 4.41.
Figura 4.41: Pantalla HMI principal diseñada e implementada.
A continuación se debe diseñar y programar la pantalla que nos permita
visualizar si el modulo está discriminando o no. Ver figura 4.42.
Figura 4.42: Pantalla HMI de discriminación.
Finalmente se diseña y programa una pantalla para controlar el
funcionamiento de la estación y controlar cada etapa de la misma. Ver figura
4.43.
123
Figura 4.43: Pantalla HMI del módulo de transporte y discriminación.
Cuando se envía a cargar las configuraciones a la pantalla touch
aparecerá un mensaje de transferencia de datos como de observa en la
figura 4.44.
Figura 4.44: Conexión online del PLC.
b. Configuración de la Red Eternet
Para realizar la red Eternet se debe cargar en un solo programa los tres
PLC y la pantalla Touch para tener un manejo de todas las variables, se
puede cargar o descargar programaciones realizadas desde o hacia el PLC.
124
Presionar el botón de transferir y aparecerá la siguiente pantalla donde se
debe seleccionar la interfaz de comunicación. Después en la ventana que se
despliega oprimir Conectar como se muestra en la figura 4.45.
Figura 4.45: Conexión online del PLC.
Luego se debe cargar el programa eso se lo logra cono solo presionar en
el icono Cargar. Ver en la siguiente figura.
Figura 4.46: Carga del programa.
125
Una vez realizado este procedimiento con los Tres PLC‟s en el árbol de
proyecto aparecerá todos los equipos que están conectados a la red
Ethernet. Ver en la figura 4.47.
Figura 4.47: Implementación de los tres PLC y la pantalla.
Se debe realizar la comunicación física de los tres PLC, la pantalla y la
PC por medio de un Router (Switch Eternet) y cable Eternet para tener todos
los equipos ya mencionados en línea, y de este modo se puede establecer
una dirección IP para todos los equipos, esta dirección ID debe ser diferente
para cada equipo, en las figura 4.48 se puede ver la dirección IP del módulo
de transporte y discriminación.
Para cambiar la dirección IP solo basta con reemplazar el último número
por cualquier otro que no se repita en la red Ethernet.
Figura 4.48: Dirección IP módulo de transporte y discriminación.
126
Cabe recalcar que las direcciones IP de los otros equipos son: PLC1192.198.0.2, PLC2-192.198.0.3, la pantalla touch 192.198.0.4 y el de la
computadora debe ser diferente a cualquiera de las direcciones IP de los
equipos.
Para empezar la configuración de la red Ethernet nos dirigimos al Árbol
del proyecto luego a
dispositivos y redes, aquí podemos editar la red
Eternet, como se observa en la Figura 4.49, y realizar las conexiones de los
PLC´s con la pantalla touch.
Figura 4.49: Red Ethernet.
Se debe comprobar de la comunicación de todos los dispositivos que se
encuentran en la red Ethernet ubicándose en la pestaña “Online” como se
muestra en la Figura 4.50.
Figura 4.50: Comprobación de la comunicación.
127
Una vez comprobada la comunicación se puede tener todos los equipos
en línea y conectados en red Ethernet como se ve en la siguiente figura.
Figura 4.51: Red Ethernet online.
128
CAPÍTULO V
5 MANUAL DE USUARIO Y GUÍAS DE PRÁCTICAS
5.1
Manual de usuario
5.1.1 Introducción
Nuestra estación didáctica para el laboratorio que posee una parte
mecánica, la cual nos permite realizar los movimientos propuestos en el
proceso, la parte neumática que sirve para que en el aprendizaje del
estudiante se utilice esto como base para su desarrollo profesional, mientras
que con el PLC se podrá programar y aprender mediante este medio como
desarrollar un proceso mediante la estación.
Al ser una estación de ensamblaje rápido se puede desarmar así como
también, permite al estudiante modificar y adaptar los componentes para que
cumplan diversos criterios de funcionamiento, puede aprovecharse tanto para
el análisis como para la síntesis de sistemas técnicos. En lo que al análisis se
refiere, el modelo puede dividirse en varias estaciones si el proceso
pedagógico lo amerita.
5.1.2 Objetivo del manual
El objetivo del presente manual nos ofrece una guía donde se explica el
montaje, mantenimiento y operación de la estación de transporte y
discriminación.
5.1.3 Personal calificado
A este grupo pertenecen las personal autorizadas a conectar, identificar y
poner en marcha los diferentes aparatos, sistemas y circuitos que se
encuentran en la estación.
129
5.1.4 Señales de seguridad para el usuario
Se identifica la información necesaria para seguridad del usuario y para
prevenir daños materiales. Las indicaciones se representaran de la siguiente
manera:
Peligro
Figura 5.1: Peligro.
Significa que, si no se adoptan las medidas dictadas en ese punto, se
pueden producir daños materiales considerables, lesiones graves o incluso la
muerte.
Atención
Figura 5.2: Atención.
130
Se trata de una información importante sobre el producto, el manejo del
mismo o cierta parte del manual en la que se desea llamar la atención.
Precaución
Figura 5.3: Precaución.
Significa que, si no se adoptan las medidas preventivas requeridas,
pueden producirse leves lesiones corporales o daños materiales.
5.1.5 Aspectos importantes
En el desarrollo del manual se debe tomar aspectos con respecto al uso
de la estación y que beneficien al usuario.
5.1.6 Normas

El uso del mandil en el laboratorio es obligatorio para la realización de
las prácticas planeadas.

Desalojar el lugar de trabajo de posibles objetos que puedan interferir
en la realización de la práctica.

Operar un dispositivo solamente cuando se conoce de él, de no
conocer el dispositivo solicitar ayuda al profesor a cargo del
laboratorio, para conocer el funcionamiento y adquirir destreza en el
manejo del dispositivo. Una vez terminado el uso de dicho dispositivo
seguir el procedimiento para apagarlo, desconectarlo, guardarlo y
entregarlo al profesor a cargo.
131

Para las personas que posean el cabello largo mantenerlo siempre
recogido.

Se prohíbe el uso de pulseras, colgantes, bufandas y mangas anchas.

Si ocurre algún incidente o accidente, notificarlo inmediatamente al
profesor.

Al finalizar con la práctica, dejar todo el equipo utilizado limpio y
debidamente guardado, tomando en cuenta que las tomas de aire y
eléctricas estén debidamente desconectadas y/o cerradas.

Es siempre recomendable que antes de comenzar una práctica de
laboratorio conozcan el material, equipo y dispositivos a ser utilizados,
así como su funcionamiento, uso y cuidados.
5.1.7 Cuidados del equipo
En la estación existen dispositivos que son de un costo muy elevado y
también muy delicados. Por lo que si se utiliza incorrectamente el dispositivo
o el módulo, este puede sufrir daños.
Como consecuencia de ello, en este manual se indica una descripción de
todo lo que el módulo posee y las instalaciones que se debe realizar para
que el módulo funcione a la perfección, poniendo énfasis en los aspectos
eléctricos, neumáticos y en los requisitos que podrían facilitar la operación
del módulo. Se ha tomado en cuenta los problemas que lo pueden afectar al
módulo, identificando sus causas y cuáles pueden ser las posibles
soluciones.
5.1.8
Seguridad
En el laboratorio de la ESPE-L uno de los puntos más importantes es la
seguridad propia y la de los demás.
El módulo se diseñó para que se realicen las prácticas programadas con
seguridad, pero hay que tener mucha precaución y poner atención a las
señales de alerta.
132
El peligro más grande que existe en el laboratorio es, que el usuario no
posea la información suficiente para el manejo de los diferentes equipos y
dispositivos.
Una acción recomendable es la de, no manipular u operar el módulo
hasta que todos las instrucciones hayan sido impartidas y el profesor a cargo
haya dado el permiso de manipularlo.
Con el fin de prevenir cualquier percance hacia el módulo o el usuario se
han incluido todas las explicaciones, descripciones e información del módulo
en el manual.
Ubicado la estación de transporte y discriminación en el lugar de trabajo,
es importante un correcto funcionamiento y seguridad del equipo, y la
verificación de los siguientes aspectos:

Los alumnos solo deben trabajar en la estación bajo la supervisión de
un docente.

Observar las indicaciones que se encuentran en las guías de
laboratorio.

Verificar el estado de la estación por materiales y tamaños. De
presentarse averías avisar al encargado.

Control de interruptores de paso de corriente y el pulsador de
emergencia se encuentre desbloqueado.

Verificar el voltaje requerido para el buen funcionamiento de la
estación, esto es de 24 voltios de corriente continua.

Controlar la presión del aire en el sistema, entre 4 y 6 bares como
máximo.

No aplicar aire comprimido hasta que se haya establecido y asegurado
todas las uniones con la tubería adecuada para la estación.

Identificar fugas de aire en racores, válvulas y mangueras flexibles, en
caso de presentarse desconectar la línea de alimentación de entrada
al equipo.

Verificar que los mandos manuales neumáticos de electroválvulas
accionen correctamente sin energía eléctrica.

No desconectar conductos de aire que estén bajo presión.
133

Hay que tener especial cuidado al aplicar aire comprimido. El cilindro
puede avanzar o retroceder tan pronto se aplique aire comprimido.

Montar todos los componentes en la estación de forma segura.

Durante las prácticas comprobar el funcionamiento de los programas
en los simuladores, para posteriormente cargar en el PLC, tomar en
cuenta los elementos que se dispone en la estación.

No retirar las protecciones instaladas, evitar la manipulación excesiva
del cableado de los sensores para evitar averías.

Evitar el ajuste de terminales de borneras cuando el equipo esté en
funcionamiento.

Al inicio y al final de la práctica debe realizarse la limpieza de la
estación de transporte y discriminación, evitar la presencia de polvo y
partículas extrañas que puedan afectar al sistema de sensores,
eléctrico y neumático.
5.1.9 Uso correcto
El equipo se podrá utilizar para las aplicaciones o practicas previstos por
el profesor a cargo, y solo en combinación con equipos y componentes
ajenos que cumplan con las especificaciones descritas.
El funcionamiento correcto y seguro de la estación depende de un
cuidado, mantenimiento, montaje y manejo adecuados.
5.1.10 Montaje y cableado
a. Montaje de los componentes
Cada uno de los componentes tiene una ubicación específica para que
no exista entre ellos alguna disfuncionalidad, por ejemplo en la parte 1 se
encuentra la parte eléctrica, en el medio se encuentra el punto 2 que es la
parte mecánica, donde se encuentra el proceso donde mediante la selección
de la pieza, es llevada a la posición final del proceso, la parte neumática en
134
el punto 3 donde se encuentran las válvulas neumáticas y la unidad de
mantenimiento.
b. Cableado
Para el cableado se debe considerar que existen las tarjetas de entradas
y salidas lo que permite esto es evitar el cableado directamente al PLC.
La Parte neumática que conecta del suministro del aire hacia los cilindros
de doble efecto de 50 y 100 mm de carrera y el actuador neumático giratorio.
5.1.11 Problemas comunes y posibles soluciones
Uno de los problemas más comunes puede ser la ubicación de los
componentes o de parte de la estructura, los mismos que deben estar
ubicados, conociendo el espacio de trabajo, para que en la programación no
exista ningún problema de choques entre componentes.
Se debe verificar antes de realizar el proceso que no exista nada
interrumpiendo su funcionamiento, esto hace que tengamos precaución de
sus movimientos.
Siempre antes de iniciar el proceso verificar que el botón de paro este
desbloqueado.
En caso de que exista error en el PLC tomar en cuenta de que puede ser
tanto el sistema eléctrico como el PLC y si se ha cambiado la programación
verificarla ya que puede existir un error.
135
5.1.12 Tareas de Mantenimiento
TAREA:
FECHA:





BANCO DE TAREAS
PLC Simatic S7-1200 CPU
ELEMENTO:
1212 AC/DC/Rly
LABORATORIO:
Hidrónica y Neutrónica
FACULTAD:
Ingeniería Electromecánica
DEPARTAMENTO:
Eléctrica y electrónica
FRECUENCIAS: Semestral
Revisión y Limpieza del PLC 1200
PROCEDIMIENTO:
Quitar alimentación de toda la estación.
Realizar una inspección de los tornillos de las borneras de las entradas y
salidas del PLC.
Verificación de continuidad de los terminales.
Limpieza de los contactos del PLC
Comprobación de los voltajes de entrada y salida del PLC
HERRAMIENTAS:
 Destornillador de estrella
 Destornillador plano
 Multímetro
MATERIALES:
 Guaipe
 Brocha
 Spray limpiador
REPUESTOS:
____________________________
OBSERVACIONES:
EQUIPOS:
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
Figura 5.4: Banco de tareas PLC.
136
5.2 Guía de prácticas
5.2.1 Guía de la práctica Nº 1
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO
CÓDIGO DE LA
ASIGNATURA
CARRERA
NOMBRE DE LA
ASIGNATURA
Electromecánica
PRÁCTICA
N°
LABORATORIO
DE:
Reconocimiento
TEMA:
1
DURACIÓN
(HORAS)
Hidrónica y Neutrónica
estación
de
y
la
sus
1
componentes.
1 OBJETIVOS
 Conocer los componentes que conforman la estación.

Conocer el funcionamiento de los diferentes tipos de actuadores,
sensores, electroválvulas y demás dispositivos.

Realizar pruebas en vacío en las diferentes etapas de la estación, para
conocer su respectivo funcionamiento.

Realizar pruebas de funcionamiento de la estación con las probetas
propias del módulo.
2
INSTRUCCIONES
A. EQUIPO Y MATERIALES NECESARIOS

Estación de transporte y discriminación de discos.

Compresor.

Probetas de nylon y aluminio.
B. TRABAJO PREPARATORIO

Revisar el manual de usuario para operar la estación.
137

Consultar los siguientes términos: Sistemas automatizados, sistema
de producción modular, actuadores neumáticos, elementos de
mando, sensores y actuadores eléctricos, y en caso de ser un
elemento que consta en la estación investigar cómo funciona y como
es su conexión para tener el conocimiento antes de manipular los
elementos que tiene la estación.
3 ACTIVIDADES A DESARROLLAR
 Verificar el estado del módulo.

Identificar las etapas del módulo y los componentes que integran el
mismo. Llenar la tabla 1 que se encuentra en la sección de resultados.

Describir cuales son entradas/salidas en el módulo, y familiarizarse con
las tarjetas PCB, luego llenar la Tabla 2 que se encuentra en la sección
de resultados.

Conectar a la red eléctrica a la estación (110V).

Empezar la prueba en vacío de las salidas de la estación (verificar que el
LED indicador en el panel de control se encienda), con el juego de
piezas se puede probar las entradas de la estación. (verificar que el LED
indicador en el panel de control se encienda), realizada la prueba en
vacío se deberá terminar de llenar la Tabla 2, la parte que respecta al
funcionamiento de las entradas/salidas.

Una vez reconocido las entradas y salidas del PLC de la estación poner
en marcha el módulo para verificar el proceso completo tanto en
funcionamiento físico como en el funcionamiento de la programación.

Se debe anotar en observaciones si existe alguna anomalía, falla o mal
funcionamiento del módulo.
4 RESULTADOS OBTENIDOS
Escriba los componentes que consta en la estación de transporte y
discriminación de discos.
Nombre del
Número
Parte de la estación
componente
1
2
3
4
138
5
6
7
Escriba las entradas y salidas que posee la estación y su función.
Número
Entradas y salidas
Función
1
2
3
4
5
6
7
5 CONCLUSIONES
6 RECOMENDACIONES
7
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB
INFORME:
En
el
informe
el
alumno
debe
incluir
objetivos,
conclusiones,
recomendaciones, resultados de su auditoria y sustentar teóricamente con
tablas o gráficas.
139
5.2.2 Guía de la práctica Nº 2
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO
CÓDIGO DE LA
ASIGNATURA
CARRERA
NOMBRE DE LA
ASIGNATURA
Electromecánica
Tesis
PRÁCTICA
N°
LABORATORIO
DE:
2
TEMA:
Hidrónica y Neutrónica
Cilindros
DURACIÓN
(HORAS)
neumáticos
lineales con discriminación.
1
1 OBJETIVOS
 Conocer los cilindros neumáticos lineales y su funcionamiento.

Conocer el funcionamiento del sensor inductivo.

Realizar la programación en TIA V13 para el desarrollo de la práctica.

Realizar pruebas de funcionamiento de la estación con el programa a
implementar.
2
INSTRUCCIONES
A. EQUIPO Y MATERIALES NECESARIOS

Estación de transporte y discriminación de discos.

Compresor.

Probetas de nylon y aluminio.

PC

Cable Ethernet

Software TIA V13
B. TRABAJO PREPARATORIO

Revisar el manual de usuario para operar la estación.

Instalar el programa TIA V13 en la PC que se va a utilizar.

Consultar los siguientes términos: actuadores neumáticos lineales
140
doble efecto, elementos de mando, sensor inductivo y sensor
magnético.

Investigar cómo funciona cada elemento antes descrito y como es su
conexión para tener el conocimiento antes de manipular los
elementos que se utilizarán.
3 ACTIVIDADES A DESARROLLAR
 Verificar el estado del módulo.

Describir cuales son entradas/salidas que se va a utilizar en el módulo, y
familiarizarse con las tarjetas PCB, luego llenar la Tabla 1 que se
encuentra en la sección de resultados.

Conectar a la red eléctrica a la estación (110V).

Conectar la PC al PLC mediante el cable Ethernet.

Realizar la comunicación del PLC a la PC

Realizar la programación en base a la siguiente secuencia.
Enclavamiento de inicio. Se presiona el botón de inicio para que se
enclave y se encienda la luz piloto de inicio, y la luz piloto de paro va a estar
apagado siempre y cuando la luz piloto de inicio se encuentra encendido.
La luz piloto de paro se va a encender al pulsar el botón de paro y la luz
piloto de inicio va a estar apagado.
La memoria de inicio se colocara en cada línea de programación para tener
un mejor control de cada segmento y no tener una activación errónea en
cualquier etapa del programa.
Detección de la probeta. El sensor óptico nos va ayudar a la detección y
crear una memoria, y la ventosa, el cilindro giratorio y una memoria del
inductivo ayuda para que esta etapa no se activa por error.
La memoria creada activa una salida en un tiempo programado de 600ms
luego nos retarda la activación de la señal en un tiempo de 500ms para
activar al cilindro de carga y realizamos un enclavamiento para mantener la
señal.
En esta línea de programación una señal del magnético de la carga nos
controla la activación y desactivación del cilindro de carga.
Discriminación del aluminio. Una memoria del inductivo nos activa el
cilindro que va a expulsar a la probeta fuera del proceso, para la creación de
la memoria del inductivo nos ayudara simplemente la señal del sensor, el
magnético del cilindro de expulsión nos desactiva la memoria y nos activa y
141
desactiva el cilindro de expulsión, para mantener la señal solo se enclava.
La memoria del cilindro de expulsión se crea con la señal del cilindro de
expulsión y se mantiene la señal enclavando, la memoria se desactiva por la
ventosa y el magnético de carga. Esta memoria ayuda a que no se active el
cilindro giratorio si se realizó la discriminación de la probeta.

Una vez realizada la programación se deberá cargar en el PLC

Antes de conectar el suministro de aire se debe realizar una prueba en
vacío para evitar choques entre cilindros, para esta prueba se debe
observar las luces de las tarjetas PCB que nos ayuda a identificar las
entradas y salidas que se están activando.

Comprobado que el programa funciona correctamente se conectará el
suministro de aire, para comprobar el funcionamiento de la estación con
la programación implementada.
4 RESULTADOS OBTENIDOS
Escriba las entradas y salidas que se van a utilizar de la estación y su función.
Número
Entradas y salidas
Función
1
2
3
4
5
6
7
Se deberá tomar fotos para realizar el informe correspondiente a esta práctica.
5 CONCLUSIONES
A la finalizacion de esta practica el alumno será capaz de:

Saber el funcionamiento de los actuadores, sensores y electroválvulas

Deberá saber cómo funciona el software TIA V13

Realizar programas en el software para el manejo de cilindros,
electroválvulas y sensores
142

Saber el funcionamiento físico y de la programación que se implementó.
6 RECOMENDACIONES
 Se debe regular la presion a 6 bares como máximo para evitar daños en
la estación.

Al momento de comprobar la programacion en la estacion se debe
colocar solo dos probetas (1 de nylon y 1 de aluminio).

Para que no se choquen los elementos o las probetas se debe colocar
primero la de aluminio y luego la de nylon.
7

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB
FESTO. festo-didactic. [En línea] http://www.festo-didactic.com/.

SIMATIC STEP 7 en el Totally - Software SIMATIC. Siemens
Corporation. s.l. : 2012, 2012

Siemens Corporation. SIMATIC Controlador Programable S7-1200
Manual
de
sistema,
Siemens
AG.
https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/sim
atic/Documents/S71200-MANUAL%20DEL%20SISTEMA.PDF.
INFORME:
En
el
informe
el
alumno
debe
incluir
objetivos,
conclusiones,
recomendaciones, resultados de su auditoria y sustentar teóricamente con
tablas o gráficas.
5.2.3 Guía de la práctica Nº 3
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO
CARRERA
Electromecánica
CÓDIGO DE LA
ASIGNATURA
NOMBRE DE LA
ASIGNATURA
Tesis
143
PRÁCTICA
N°
LABORATORIO
DE:
Hidrónica y Neutrónica
Activación
TEMA:
3
del
DURACIÓN
(HORAS)
actuador
giratorio, la ventosa y la
1
válvula de vacío.
1 OBJETIVOS
 Conocer
el
funcionamiento
del
actuador
giratorio,
sensores,
electroválvulas, válvula de vacío y ventosa.

Realizar la programación en TIA V13.

Realizar pruebas en vacío para comprobar el programa que se va a
implementar.

Realizar pruebas de funcionamiento de la estación con el programa a
implementar.
2
INSTRUCCIONES
A. EQUIPO Y MATERIALES NECESARIOS

Estación de transporte y discriminación de discos.

Compresor.

Probetas de nylon y aluminio.

PC

Cable Ethernet

Software TIA V13
B. TRABAJO PREPARATORIO

Instalar el software TIA V13

Revisar el manual de usuario para operar la estación.

Consultar los siguientes términos: actuadores neumáticos giratorios,
elementos de mando, sensores, válvula de vacío y ventosa.

Investigar cómo funciona y como es la conexión para tener el
conocimiento antes de manipular los elementos que se van a utilizar.
3 ACTIVIDADES A DESARROLLAR

Verificar el estado del módulo.

Describir cuales son entradas/salidas que se va a utilizar en el módulo, y
familiarizarse con las tarjetas PCB, luego llenar la Tabla 1 que se
144
encuentra en la sección de resultados.

Conectar a la red eléctrica a la estación (110V).

Conectar la PC al PLC mediante el cable Ethernet.

Realizar la comunicación del PLC a la PC

Realizar la programación de la siguiente secuencia:
Enclavamiento de inicio. Se presiona el botón de inicio para que se
enclave y se encienda la luz piloto de inicio, y la luz piloto de paro va a
estar apagado siempre y cuando la luz piloto de inicio se encuentra
encendido.
La luz piloto de paro se va a encender al pulsar el botón de paro y la luz
piloto de inicio va a estar apagado.
La memoria de inicio se colocara en cada línea de programación para
tener un mejor control de cada segmento y no tener una activación
errónea en cualquier etapa del programa.

Activación del cilindro giratorio. La memoria de inicio va a controlar la
activación al actuador giratorio y creara
la memoria de activa de la
ventosa.
La memoria creada nos da el activación de la señal durante 600ms luego
de un tiempo de 100ms se moverá el cilindro giratorio de la posición
inicial (90 grados) a la posición para el traslado de la probeta (0 grados)
el tiempo que estará en este sitio es de 1500ms esta señal como ya
mencionamos activa al cilindro giratorio y luego de 1200 ms se creara
una memoria de activación de la ventosa.
Por medio de la memoria de activación de la ventosa se activa la
ventosa y se la desactiva por medio de una memoria de desactivación
de la ventosa.
Para crear la memoria de desactivación de la ventosa se lo hace por
medio del magnético del cilindro giratorio, esta señal estará presente
durante 600ms y luego de 200 ms se activara la memoria de
desactivación de la ventosa.
4 RESULTADOS OBTENIDOS
Escriba las entradas y salidas que se va a utilizar en esta práctica y su función.
Número
1
2
Entradas y salidas
Función
145
3
4
5
6
7
Se deberá tomar fotos para realizar el informe correspondiente a esta práctica.
5 CONCLUSIONES
A la finalizacion de esta practica el alumno será capaz de:

Saber el funcionamiento de los diferentes dispositivos que se utilizaron
en esta práctica.

Saber regular el ángulo del actuador giratorio.

Conocer como la válvula de vacío ayuda a la ventosa a realizar la
succión.

Programar en el software TIA V13 lo que se solicitó en esta práctica.

Saber el funcionamiento físico y de la programación que se implementó.
6 RECOMENDACIONES
 Primero se debe desconectar el suministro de aire para evitar que
existan movimientos no deseados en la estación.

Se debe dejar el módulo con el paro de emergencia para que en
prácticas posteriores no se active causando algún daño en la estación.

Revisar la presion de aire que ingresa al módulo para que no haya
daños en los elementos.
7
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB
 FESTO. festo-didactic. [En línea] http://www.festo-didactic.com/.


CRÉUS, Antonio. Neúmatica e Hidráulica. México : Alfaomega, 2011.
SIMATIC STEP 7 en el Totally - Software SIMATIC. Siemens
Corporation. s.l. : 2012, 2012
146
INFORME:
En
el
informe
el
alumno
debe
incluir
objetivos,
conclusiones,
recomendaciones, resultados de su auditoria y sustentar teóricamente con
tablas o gráficas.
5.2.4 Guía de la práctica Nº 4
UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS
ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO
CÓDIGO DE LA
ASIGNATURA
CARRERA
NOMBRE DE LA
ASIGNATURA
Electromecánica
Tesis
PRÁCTICA
N°
LABORATORIO
DE:
4
TEMA:
Hidrónica y Neutrónica
DURACIÓN
(HORAS)
Sistema de transporte y
discriminación.
1
1 OBJETIVOS
 Conocer los componentes que conforman la estación.

Conocer el funcionamiento de los diferentes tipos de actuadores,
sensores, electroválvulas y demás dispositivos que consta la estación.

Realizar la programación para que la estación funcione correctamente y
de manera óptima

Realizar pruebas en vacío para verificar el correcto funcionamiento del
programa a cargar en el PLC.

Realizar pruebas de funcionamiento de la estación usando probetas de
nylon y aluminio y comprobar el programa a implementar.
2
INSTRUCCIONES
A. EQUIPO Y MATERIALES NECESARIOS

Estación de transporte y discriminación de discos.

Compresor.
147

Probetas de nylon y aluminio.

PC

Cable Ethernet

Software TIA V13
B. TRABAJO PREPARATORIO

Instalar el software TIA V13

Revisar el manual de usuario para operar la estación.

Consultar los siguientes términos: actuadores neumáticos giratorios,
actuador lineal, elementos de mando, sensores, válvula de vacío,
ventosa,
electroválvulas,
PLC,
tarjetas
PCB
y
unidad
de
mantenimiento.

Investigar cómo funciona y como es la conexión de los elementos
antes mencionados para tener el conocimiento antes de manipular
los elementos que se van a utilizar.
3 ACTIVIDADES A DESARROLLAR
 Verificar el estado del módulo.

Describir cuales son entradas/salidas que se va a utilizar en el módulo, y
familiarizarse con las tarjetas PCB, luego llenar la Tabla 1 que se
encuentra en la sección de resultados.

Conectar a la red eléctrica a la estación (110V).

Conectar la PC al PLC mediante el cable Ethernet.

Realizar la comunicación del PLC a la PC

Realizar la programación de la siguiente secuencia:
Enclavamiento de inicio. Se presiona el botón de inicio para que se
enclave y se encienda la luz piloto de inicio, y la luz piloto de paro va a
estar apagado siempre y cuando la luz piloto de inicio se encuentra
encendido.
La luz piloto de paro se va a encender al pulsar el botón de paro y la luz
piloto de inicio va a estar apagado.
La memoria de inicio se colocara en cada línea de programación para
tener un mejor control de cada segmento y no tener una activación
errónea en cualquier etapa del programa.
Detección de la probeta. El sensor óptico nos va ayudar a la detección
148
y crear una memoria, y la ventosa, el cilindro giratorio y una memoria
del inductivo ayuda para que esta etapa no se activa por error.
La memoria creada activa una salida en un tiempo programado de
600ms luego nos retarda la activación de la señal en un tiempo de
500ms para activar al cilindro de carga y realizamos un enclavamiento
para mantener la señal.
En esta línea de programación una señal del magnético de la carga nos
controla la activación y desactivación del cilindro de carga.
Activación del cilindro giratorio. La memoria del magnético de la
carga se va a controlar por medio de la señal del magnético de la carga
y para no tener una falla en la activación de la memoria ayuda la
memoria del inductivo, el magnético de expulsión y la ventosa y un
enclavamiento ayudara a mantener la señal.
La memoria creada nos da el activación de la señal durante 600ms luego
de un tiempo de 100ms se moverá el cilindro giratorio de la posición
inicial (90 grados) a la posición para el traslado de la probeta (0 grados)
el tiempo que estará en este sitio es de 1500ms esta señal como ya
mencionamos activa al cilindro giratorio y luego de 1200 ms se creara
una memoria de activación de la ventosa, en esta línea de programación
ayudara a controlar una mala activación la memoria del cilindro de
expulsión y memoria del inductivo.
Por medio de la memoria de activación de la ventosa se activa la
ventosa y se la desactiva por medio de una memoria de desactivación
de la ventosa.
Para crear la memoria de desactivación de la ventosa se lo hace por
medio del magnético del cilindro giratorio, esta señal estará presente
durante 600ms y luego de 200 ms se activara la memoria de
desactivación de la ventosa.
Discriminación del aluminio. Una memoria del inductivo nos activa el
cilindro que va a expulsar a la probeta fuera del proceso, para la
creación de la memoria del inductivo nos ayudara simplemente la señal
del sensor, el magnético del cilindro de expulsión nos desactiva la
memoria y nos activa y desactiva el cilindro de expulsión, para mantener
la señal solo se enclava.
La memoria del cilindro de expulsión se crea con la señal del cilindro
de expulsión y se mantiene la señal enclavando, la memoria se
desactiva por la ventosa y el magnético de carga. Esta memoria ayuda a
149
que no se active el cilindro giratorio si se realizó la discriminación de la
probeta.

Una vez realizada la programación se deberá cargar en el PLC

Antes de conectar el suministro de aire se debe realizar una prueba en
vacío para evitar choques entre cilindros, para esta prueba se debe
observar las luces de las tarjetas PCB que nos ayuda a identificar las
entradas y salidas que se están activando.

Comprobado que el programa funciona correctamente se conectará el
suministro de aire, para comprobar el funcionamiento de la estación con
la programación implementada.
4 RESULTADOS OBTENIDOS
Escriba las entradas y salidas que posee la estación y su función.
Número
Entradas y salidas
Función
1
2
3
4
5
6
7
Se deberá tomar fotos para realizar el informe correspondiente a esta práctica.
5 CONCLUSIONES
A la finalizacion de esta practica el alumno será capaz de:

Saber el funcionamiento de los diferentes dispositivos que se utilizaron
en esta práctica.

Saber manejar los sensores de la estación.

Programar en el software TIA V13 lo que se solicitó en esta práctica.

Saber el funcionamiento físico y de la programación que se implementó.
6 RECOMENDACIONES
 Antes de conectar la energía electrica y el suministro de aire de debe
tener presionado el paro de emergencia para evitar movimientos
150
inesperados en la estación.

Se debe regular el paso del aire en los actuadores por medio de la
valvula extranguladora para que trabajen de manera correcta.

En caso de estar trabajando en conjunto con otros módulos se debe
asegurar las llantas de la mesa de la estación para que no se mueva y
se desacople del siguiente módulo.
7
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y DE LA WEB
 FESTO. festo-didactic. [En línea] http://www.festo-didactic.com/.


CRÉUS, Antonio. Neúmatica e Hidráulica. México : Alfaomega, 2011.
SIMATIC STEP 7 en el Totally - Software SIMATIC. Siemens
Corporation. s.l. : 2012, 2012
INFORME:
En
el
informe
el
alumno
debe
incluir
objetivos,
conclusiones,
recomendaciones, resultados de su auditoria y sustentar teóricamente con
tablas o gráficas.
151
CAPÍTULO VI
6 ANÁLISIS ECONÓMICO Y FINANCIERO
6.1
Análisis de costos del PLC.
6.1.1 Costos de otros productos similares
Se realizará una valoración económica del uso o consumo de recursos
para la ejecución, elaboración del proyecto de tesis denominado “DISEÑO E
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DIDÁCTICO PARA TRANSPORTE Y
DISCRIMINACIÓN DE DISCOS EN LABORATORIO DE HIDRÓNICA Y
NEUTRÓNICA”
Tabla 6.1: Costos de varios PLC‟s.
Fabricantes
SIMATIC S7-1200, CPU
1212C AC/DC/RELÉ
Twido, Schneider Electric
Micrologix, Allen Bradley
110
Imagen
Precio(USD)
Disponibilidad
690
Excelente
754
Bueno
754
Delta DVP32ES00T2
260
Omrom
860
Bueno
Excelente
Excelente
La orientación comercial, hoy en día, amplía los criterios de selección de
un PLC, nuevas estrategias de marketing y desarrollo tecnológico han
152
evolucionado el giro de este negocio. Dentro del mercado de la
automatización existen diferentes marcas del PLC
6.1.2 Costo del equipo adquirido.
Tras el análisis realizado de los costos de los diferentes equipos de las
marcas reconocidas a nivel mundial de PLC‟s, se decidió adquirir los equipos
de la marca SIEMENS por la facilidad, versatilidad, confiabilidad, flexibilidad,
disponibilidad, costo y por sus características técnicas. Como se ve en la
siguiente tabla.
Tabla 6.2: Equipos de automatización siemens.
ÍTEM
CANT
1
1
DESCRIPCIÓN
VALOR
UNITARIO(USD)
SIMATIC S7-1200, CPU 1212C,
COMPACT CPU, AC/DC/RLY,
ONBOARD I/O. 14 DI 24 DC; 10 DO
RELAY 0,5 A; 2AI 0 - 10V DC, POWER
SUPPLY; AC 85- 264 V AC @ 4763Hz, PROGRAM/DATA MEMORY: 50
KB
690
TOTAL(USD)
690
SUBTOT
AL
690
12% IVA
82,8
TOTAL
772,8
En Ecuador existen diferentes empresas que comercializan los equipos
Siemens como por ejemplo: INASEL Cía. Ltda., INGELCOM, entre otras.
6.2 Análisis de costos de la estación didáctica.
6.2.1 Costos de producción.
Los elementos que conforman el costo de producción son:

Materia prima directa

Mano de obra directa

Costos indirectos de fabricación
153
a.
Materia prima directa.
Es el material o materiales que se emplean en la fabricación de la
estación de transporte y discriminación didáctica, se lo ha dividido por partes:
parte estructural, parte neumática y parte eléctrica.
a.1
Parte Estructural.
La estación de posicionamiento está constituida principalmente de
perfiles de aluminio que está colocado de acuerdo a su utilización. Ver en la
siguiente tabla.
Tabla 6.3: Costos de la parte estructural.
Cantidad
Descripción
Precio Unitario(USD)
Precio
Total(USD)
1
Base de aluminio de la
estación.
200
200
Perfiles de Aluminio
1
Canaleta ranurada gris
25X25 mm
3,19
3,19
1
Riel Din 1 metro
2,23
2,23
1
Mesa de la estación
90
90
Otros
10
10
Total
a.2
305,42
Parte Neumática.
La estación está constituido principalmente por lo elementos de control
(Conjunto de electroválvulas) y los elementos de operación (cilindros de
154
simple efecto, ventosa, generador de vacío). El sistema está conectado a una
alimentación general de aire que va en el conjunto de las electroválvulas. Ver
en la siguiente tabla.
Tabla 6.4: Costos de la parte neumática.
Cantidad
Descripción
Precio Unitario(USD)
Precio
Total(USD)
1
Cilindro 50 mm
75,88
75,88
2
Válvula 3x2 de doble efecto
3
Racores
Cilindro 100 mm de doble
efecto
640
640
1
1
Unidad de Mantenimiento
2
Silenciadores
4m
Manguera 4mm Poliuretano
0,50
2,00
1m
Manguera 6mm Poliuretano
0,70
0,70
Otros
10
10
Total
a.3
728,58
Parte eléctrica.
La estación de producción didáctica está constituida principalmente del
PLC, tarjetas PCB‟s, sensores, entre otros elementos que ayudarán en el
control de los sistemas anteriormente descritos.
155
Tabla 6.5: Costos de la parte eléctrica.
Cantidad
Descripción
Precio Unitario(USD)
Precio
Total(USD)
1
Paquete de entrenamiento
Simatic S7-1200
772,80
772,80
1
Pulsador paro de emergencia
2,58
2,58
1
Pulsador paro de inicio
1,52
1,52
1
Pulsador de paro
1,52
1,52
4
Tarjetas Electrónicas
80
320
5
Cable flexible 16 AWG GPT
0,16
0,80
10
Plaquetas adhesivas
0,18
1,80
1
Amarras 10cm blancas
0,69
0,69
1
Terminal tipo puntera blanco
20 AWG
2,68
2,68
3
Sensor Magnético
30
90
1
Sensor óptico
60
60
1
Sensor Inductivo
80
80
1
Cable de poder
2
2
Total
1336,39
Los costos directos de materia prima totales se presentan en la siguiente
tabla.
Tabla 6.6: Costos de materia prima.
Parte
Costo Total(USD)
Estructural
305,42
Neumático
728,58
Eléctrico
1339,39
Total
2373,39
156
b. Mano de obra directa.
Es el salario que se paga o percibe el trabajador que intervienen
directamente en la fabricación de la estación. Los costos generados por
mano de obra en la estación de posicionamiento didáctico no serán cobrados
porque es parte de la formación estudiantil de los presentes autores de éste
proyecto.
c. Costos indirectos de fabricación.
Estos costos están constituidos por: materiales indirectos, mano de obra
indirecta, otros costos indirectos.
Tabla 6.7: Costos indirectos de fabricación.
Cantidad
Descripción
Precio
Unitario(USD)
Precio
Total(USD)
1
Thinner
1
1
1
Guaipe
0,50
0,50
1
Taipe
0,50
0,50
3
Brocas
0,70
2,10
2
Lijas
1
2
1
Pintura
10
10
1
Cinta de doble faz
5,46
5,46
Total
22
Por lo tanto los costos de producción es la suma de los costos de materia
prima directa, mano de obra directa y costos indirectos de fabricación.
CMP= Costos de materia prima
CMO= Costos de mano de obra
CIF= Costos indirectos de fabricación
157
Tabla 6.8: Costos de producción.
Descripción
Costo total(USD)
Materia Prima directa
2373,39
Mano de Obra directa
0
Costos indirectos de fabricación
22
Total
2395,39
158
CAPÍTULO VII
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 CONCLUSIONES

Se ha diseñado e implementado un sistema didáctico para transporte
y discriminación de discos en el laboratorio de Hidrónica y Neutrónica
que simula un proceso industrial.

Se construyó una estación con un cilindro giratorio para desplazar
probetas de nylon y aluminio, apoyándonos en los conocimientos de
automatización de procesos optimizando el espacio y garantizando la
fiabilidad del mismo.

Se implementó un módulo didáctico con el sustento teórico respectivo
en el diseño mecánico y eléctrico, el mismo que al compararlo con
módulos de empresas dedicadas a la construcción de los mismos y el
funcionamiento del nuestro supera ya que se incrementó una etapa en
el proceso, y el análisis económica resultó mejor la construcción e
implementación, hasta dejarlo en óptimo funcionamiento.

Se elaboraron tarjetas de entradas y salidas que nos permiten la
conexión más eficiente, eliminando el cableado en demasía entre la
estación y el control del mando, permitiendo la conexión rápida y evitar
el deterioro de las borneras del PLC.

Se implementó una red de comunicación Ethernet industrial para
centralizar el control con otros módulos y una pantalla de
visualización.

Se elaboraron guías de laboratorio en función a las normativas que
rigen en la institución de esta manera se pueden efectuar prácticas y
demostrar el funcionamiento teórico del módulo didáctico.
159
7.2 RECOMENDACIONES

Vigilar que durante el movimiento del cilindro giratorio no exista nada
obstaculizando su recorrido.

Cuidar la presión necesaria para el funcionamiento de la parte
neumática para que el proceso no se interrumpa

Utilizar imanes que se hallan en sistemas de amplificación de sonido
ya que tienen una magnetización suficiente para que detecten los
sensores.

Verificar que las tarjetas estén conectadas entre sí con sus
respectivos cables, para que no existan errores en la ejecución del
programa.

Se deja como precedente la implementación de nuevas tecnologías
como visión artificial, lógica difusa y redes neuronales que permitan
controlar, monitorear e inclusive registrar datos del módulo, se deberá
utilizar software libre como Open CV para disminuir costos.
160
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Rocateck S.A.S, [En línea]. Available: http://www.rocatek.com/.
[2] EcuRed, «EcuRed,» [En línea]. Available: http://www.ecuared.cu/.
[3] R. MOTT, Diseño de elements de máquinas, México: PEARSON EDUCACIÓN,
2006.
[4] Siemens Product Lifecycle Management Software Inc., «Acerca de
nosotros: Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.,» [En línea].
Available: http://www.plm.automation.siemens.com/.
[5] R. BUDYNAS y J. NISBETT, Diseño en ingeniería mecánica de Shigley,
Mexico: McGRAW-HILL, 2008.
[6] A. CRÉUS, Neúmatica e Hidráulica, México: Alfaomega, 2011.
[7] Parker Hannifin Corporation, «Tecnología Neumática Industrial,» 2003.
[8] Siemens Corporation, «SIMATIC Controlador Programable S7-1200 Manual
de sistema, Siemens AG,» Noviembre 2009. [En línea]. Available:
https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Do
cuments/S71200-MANUAL%20DEL%20SISTEMA.PDF.
[9] SILICA, «SILICA,» [En línea]. Available: http://www.silica.com/.
[10] Wikipedia, «Wikipedia,» [En línea]. Available: http://es.wikipedia.org/.
[11] Siemens Corporation, «SIMATIC STEP 7 Professional,» Siemens, 2014. [En
línea]. Available: http://www.industry.siemens.com.
[12] Amalero, «Amalero. Ingeniería - Consultoría - Formación,» Amalero, [En línea].
Available: http://www.amelero.com/recursos/instalacioneselectrot%C3%A9cnicas/step-7-tia-portal-v-13/.
[13] Siemens Corporation, «SIMATIC STEP 7 en el Totally - Software SIMATIC,»
2012.
[14] R. C. DORF y R. H. BISHOP, «Sistemas de Control Moderno,» 2005.
[15] N. S. NISE, Sistemas de Control para Ingeniería, México: GRUPO PATRIA
CULTURAL, S.A. DE C.V., 2006.
161
ANEXOS
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Thank you for your participation!

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