ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MODULO DIDÁCTICO DE
DOSIFICACIÓN AUTOMÁTICA DE SÓLIDOS, PARA EL
LABORATORIO DE AIM DE LA ESCUELA POLITÉCNICA DEL
EJÉRCITO”
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE:
INGENIERO MECATRÓNICO
ALEX JAVIER ECHEVERRÍA CÁRDENAS
LUIS HÉCTOR SANDOVAL GUANO
DIRECTOR: ING. MELTON TAPIA
CODIRECTOR: ING. EDGAR TIPAN
Sangolquí, 2013- 08
II
CERTIFICACIÓN DE LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO
El proyecto “diseño y construcción de un módulo didáctico de
dosificación automática de sólidos, para el laboratorio de AIM de la
escuela politécnica del ejército” fue realizado en su totalidad por Alex
Javier Echeverría Cárdenas y Luis Héctor Sandoval Guano, como
requerimiento parcial para la obtención del título de Ingeniero
Mecatrónico.
_______________
ING. MELTON TAPIA
DIRECTOR
_____________
ING. EDGAR TIPAN
CODIRECTOR
III
DECLARACIÓN
Nosotros, Alex Javier Echeverría Cárdenas y Luis Héctor Sandoval
Guano declaramos que el presente trabajo es de nuestra autoría; que
no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación
personal y que hemos consultado las referencias bibliográficas que se
incluye en el documento la Escuela Politécnica del Ejército puede
hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo
establecido por la ley de propiedad intelectual por su reglamento y por
la normativa institucional vigente.
Sangolquí, 28 de agosto del 2013
IV
AUTORIZACIÓN
Nosotros, Alex Javier Echeverría Cárdenas y Luis Héctor Sandoval
Guano autorizamos a que se publique en el repositorio digital de la
biblioteca Alejandro Segovia el presente proyecto de tesis, así como
también los materiales y documentos relacionados a la misma
Sangolquí, 28 de agosto del 2013
V
DEDICATORIA
Dedicó este proyecto y toda mi carrera universitaria a Dios por ser quien a estado
a mi lado en todo momento dándome las fuerzas necesarias para continuar
luchando día tras día y permitiéndome seguir afrontando cualquier adversidad que
se presente.
Este éxito, va dedicado con todo cariño a quienes a base de sacrificio y esfuerzo
hicieron posible esta realidad mis queridos padres Patricio y Elva, a mis hermanos
Evelyn, Iván y Diana. A mis queridos abuelitos especialmente a mi mami Isabelita,
tíos, primos y demás familiares, y como olvidar a mi grupo de estudio.
ALEX JAVIER ECHEVERRÍA CÁRDENAS
Dedicó este proyecto a querida familia a mis padres Héctor y Luisa, a mis
hermanas Karla y María Isabel por guiarme y apoyarme incondicionalmente en
este largo camino lleno de dificultades y éxitos. Parte de este triunfo también es
dedicado a mi novia Carolina, por su inmenso apoyo por haber luchado a mi lado y
juntos superar las adversidades.
LUIS HÉCTOR SANDOVAL GUANO
VI
AGRADECIMIENTO
A mi Dios, por brindarme salud, vida y haber permitido cumplir una de mis metas y
darme sabiduría, para a través del conocimiento poner en marcha el proyecto en
base al estudio. A mi familia por ser un pilar fundamental en este logro, además de
apoyarme en todo momento.
A mis maestros que dieron todo de sí para hacer más que profesionales, hombres
de bien, con virtudes, valores y principio fundamentales, necesarios dentro de la
sociedad y a mis compañeros y amigos a los largo de toda mi carrera profesional.
ALEX JAVIER ECHEVERRÍA CÁRDENAS
Agradezco, primero a Dios por brindarme esta valiosa oportunidad de poder
cumplir mis metas. A mi familia por ser los pilares fundamentales de mi vida por
estar siempre a mi lado por haber confiado y creído siempre en mí.
A mi novia, amigos y compañeros que formaron parte de toda mi carrera
profesional.
LUIS HÉCTOR SANDOVAL GUANO
VII
ÍNDICE
CERTIFICACIÓN DE LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO ............................................. ii
DECLARACIÓN ........................................................................................................................ iii
AUTORIZACIÓN ...................................................................................................................... iv
DEDICATORIA .......................................................................................................................... v
AGRADECIMIENTO ................................................................................................................ vi
ÍNDICE ...................................................................................................................................... vii
RESUMEN ...............................................................................................................................xvi
CAPÍTULO 1 .............................................................................................................................. 1
GENERALIDADES.................................................................................................................... 1
1.1
ANTECEDENTES ..................................................................................................... 1
1.2
JUSTIFICACIÓN........................................................................................................ 2
1.3
ALCANCE ................................................................................................................... 3
1.4
OBJETIVO DEL PROYECTO .................................................................................. 4
1.4.1
OBJETIVO GENERAL ...................................................................................... 4
1.4.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 4
CAPÍTULO 2 .............................................................................................................................. 5
MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 5
2.1.
INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE DOSIFICACIÓN ................................. 5
2.1.1.
2.2.
TIPOS DE DOSIFICADORES Y APLICACIONES ........................................ 6
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO........................................................................... 12
2.2.1.
TRANSPORTACION Y DETECCION DE ENVASES ................................. 13
2.2.2.
DOSIFICACIÓN ............................................................................................... 14
2.2.3.
CONTROL DE CALIDAD................................................................................ 14
2.2.4.
CLASIFICACIÓN ............................................................................................. 14
2.3.
SISTEMAS QUE INTEGRAN LOS MÓDULOS................................................... 15
2.3.1.
SISTEMAS NEUMÁTICOS ............................................................................ 15
2.3.2.
SISTEMAS MECÁNICOS ............................................................................... 22
2.3.3.
SISTEMAS ELÉCTRICOS/ELECTRÓNICOS ............................................. 27
2.3.3.11.
Sensor Capacitivo de nivel ......................................................................... 35
VIII
2.3.3.12.
Sensor Capacitivo de posición .................................................................. 35
2.3.4.
SISTEMAS DE CONTROL ............................................................................. 36
2.3.5.
SOFTWARE PARA LOS MÓDULOS............................................................ 39
CAPITULO 3 ............................................................................................................................ 42
DISEÑO DE LOS SISTEMAS MODULARES...................................................................... 42
3.1.
MECÁNICO .............................................................................................................. 42
3.1.1.
DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA ........................................... 42
3.1.2.
ANÁLISIS ESTÁTICO EN LA ESTRUCTURA ............................................. 43
3.1.3.
VIBRACIONES EN LA ESTRUCTURA ........................................................ 47
3.1.4.
CRITERIO PARA LA SELECCIÓN DE ENVASES ..................................... 53
3.1.5.
DISEÑO BANDA TRANSPORTADORA ...................................................... 55
3.1.6.
DISEÑO Y SELECCIÓN DE LOS RODILLOS ............................................ 63
3.1.7.
DISEÑO Y SELECCIÓN DEL MOTOR PARA EL DISCO GIRATORIO .. 76
3.1.8.
DISEÑO MECÁNICO DE LA TOLVA ............................................................ 80
3.2.
NEUMÁTICA .......................................................................................................... 101
3.2.1.
3.3.
CÁLCULO DE PISTONES ........................................................................... 101
ELÉCTRICO/ELECTRÓNICO ............................................................................. 114
3.3.1.
DISEÑO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ............................................. 114
3.3.2.
SENSOR FOTOELÉCTRICO SENSICK W100 ......................................... 124
3.3.3.
SENSOR CAPACITIVO HANYOUNG NUX 18RP .................................... 125
3.3.4.
SENSORES MAGNÉTICOS CIL DC/AC 4-2 ............................................. 127
3.3.5.
INTERRUPTORES FINAL DE CARRERA ................................................. 127
3.4.
SISTEMAS DE CONTROL................................................................................... 128
3.4.1.
SELECCIÓN DE COMPONENTES ............................................................ 129
3.4.2.
COMUNICACIÓN S7-1200 .......................................................................... 132
CAPÍTULO 4 .......................................................................................................................... 138
PRUEBAS Y PUESTA EN MARCHA ................................................................................. 138
4.1.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 138
4.2.
PLAN DE PRUEBAS............................................................................................. 138
4.2.1.
PRUEBAS DEL SISTEMA MECÁNICO ..................................................... 138
4.2.2.
PRUEBAS DEL SISTEMA ELECTRÓNICO .............................................. 143
IX
4.3.
PUESTA EN MARCHA ......................................................................................... 147
4.4.
MODULO COMPLETO ......................................................................................... 148
CAPITULO 5 .......................................................................................................................... 149
MANUAL DE USUARIO ....................................................................................................... 149
5.1. COMUNICACIÓN NI-OPC SERVERS CON SIEMENS S7-1200 CPU1214C Y
LABVIEW............................................................................................................................ 149
5.2.
ELABORACIÓN DE LAS PRÁCTICAS .............................................................. 150
5.2.1.
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 1 ...................................................... 150
5.2.2.
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 2 ...................................................... 151
5.2.3.
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 3 ...................................................... 151
5.2.4.
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 4 ...................................................... 152
5.2.5.
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 5 ...................................................... 152
5.3.
ELABORACIÓN DE LAS PRÁCTICAS .............................................................. 153
5.3.1.
GUÍA DE LA PRÁCTICA #1 ......................................................................... 153
5.3.2.
GUÍA DE LA PRÁCTICA #2 ......................................................................... 155
5.3.3.
GUÍA DE LA PRÁCTICA #3 ......................................................................... 157
5.3.4.
GUÍA DE LA PRÁCTICA #4 ......................................................................... 159
5.3.5.
GUÍA DE LA PRÁCTICA #5 ......................................................................... 161
CAPÍTULO 6 .......................................................................................................................... 163
ANÁLISIS ECONÓMICO FINANCIERO ............................................................................ 163
6.1.
ANÁLISIS ECONÓMICO FINANCIERO............................................................. 163
6.1.1.
ANTECEDENTE ............................................................................................ 163
6.1.2.
COSTOS DEL PROTOTIPO ........................................................................ 163
6.1.3.
COSTO TOTAL DEL PROTOTIPO ............................................................. 171
6.1.4.
RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN DEL MÓDULO DIDÁCTICO ..... 171
CAPÍTULO 7 .......................................................................................................................... 180
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................... 180
7.1.
CONCLUSIONES .................................................................................................. 180
7.2.
RECOMENDACIONES ......................................................................................... 182
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................¡Error! Marcador no definido.
PLANOS
ANEXOS
X
ANEXO1: MANUAL DE USUARIOS
ANEXO2: GUIA DE PRACTICA 1
ANEXO3: GUIA DE PRACTICA 2
ANEXO4: GUIA DE PRACTICA 3
ANEXO5: CODIGO DE PROGRAMACIÓN EN ATMEGA 328P
ANEXO6: DATASHEET DE SENSORES
XI
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
2.1 Dosificación por vibrador electromagnético ....................................................... 7
2.2 Dosificación por vibrador electromagnético inclinado ...................................... 7
2.3 Dosificación por vibrador electromagnético horizontal ..................................... 8
2.4 Dosificación por tornillo sinfín .............................................................................. 8
2.5 Dosificador volumétrico ........................................................................................ 9
2.6 Dosificador a pistón ............................................................................................. 10
2.7 Dosificador por tornillo sinfín .............................................................................. 10
2.8 Dosificador Isobárico .......................................................................................... 11
2.9 Dosificador gravimétrico ..................................................................................... 12
2.10 Proceso general ................................................................................................ 12
2.11 Sistema de control de dosificación ................................................................. 13
2.12 Elementos principales que comandan un sistema Neumático ................... 15
2.13 Diagrama de válvula cerrada y válvula abierta ............................................. 18
2.14 Partes del cilindro neumático........................................................................... 19
2.15 Tipos de racores ................................................................................................ 20
2.16 Manguera neumática ........................................................................................ 20
2.17 Fin de carrera..................................................................................................... 21
2.18 Silo de acero ...................................................................................................... 23
2.19 Silo de concreto ................................................................................................. 24
2.20 Tipos de envases .............................................................................................. 26
2.21 Motor reductor eléctrico .................................................................................... 28
2.22 Motor ac .............................................................................................................. 29
2.23 Motor dc .............................................................................................................. 30
2.24 Servomotor......................................................................................................... 30
2.25 Diagrama en bloques de la estructura de un servomotor ............................ 31
2.26 Relé ..................................................................................................................... 31
2.27 Sensor digital ..................................................................................................... 32
2.28 Acondicionamiento y procesamiento de señal .............................................. 33
2.29 Modos de detección estándar ......................................................................... 34
2.30 Sensor capacitivo .............................................................................................. 35
2.31 Visión artificial .................................................................................................... 37
3.32 Dimensiones de la Estructura .......................................................................... 42
3.33 Soporte ............................................................................................................... 43
3.34 Cargas aplicadas a la estructura ..................................................................... 43
3.35 Cargas y reacciones aplicadas en la estructura ........................................... 44
3.36 Dimensiones del soporte .................................................................................. 45
3.37 Método de elementos finitos ............................................................................ 51
3.38 Primer ciclo de resonancia ............................................................................... 52
3.39 Esquema Banda Transportadora .................................................................... 55
XII
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
3.40 Metal Gearmotor................................................................................................ 62
3.41 Dimensiones de los Rodillos ............................................................................ 63
3.42 Diagrama de cuerpo Libre................................................................................ 64
3.43 Tensiones del Rodillo ....................................................................................... 64
3.44 Distribución de Cargas eje Y-Z ....................................................................... 65
3.45 Fuerza Plano Y-Z .............................................................................................. 65
3.46 Momento Plano Y-Z .......................................................................................... 66
3.47 Distribución de cargas Plano X-Z.................................................................... 66
3.48 Fuerza Plano X-Z .............................................................................................. 67
3.49 Momento Plano X-Z .......................................................................................... 67
3.50 Motor Disco Giratorio ........................................................................................ 79
3.51 Ángulo de reposo de la lenteja ........................................................................ 86
3.52 Tolva de almacenamiento ................................................................................ 87
3.53 Estructura general ............................................................................................. 88
3.54 Cargas y sujeciones de la tolva ....................................................................... 88
3.55 Diseño CAE Tolvas- ESFUERZOS ................................................................ 89
3.56 Diseño CAE Tolvas- Desplazamientos .......................................................... 90
3.57 Diseño CAE Tolvas- FS ................................................................................... 92
3.58 Disposición de Fuerzas y sujeción en el soporte de la tolva ....................... 93
3.59 Diseño CAE Soporte de tolvas- Esfuerzos .................................................... 94
3.60 Diseño CAE Soporte de tolvas- Desplazamiento máximo .......................... 95
3.61 Diseño CAE Soporte tolvas- FS ...................................................................... 96
3.62 Fuerzas y sujeciones en la estructura superior ............................................. 97
3.63 Diseño CAE Estructura general- Esfuerzos................................................... 98
3.64 Diseño CAE Estructura general- Desplazamiento máximo ......................... 99
3.65 Diseño CAE Estructura general- FS ............................................................ 100
3.66 Cilindro Simple Efecto .................................................................................... 103
3.67 Deflexión en desplazamiento del vástago ................................................... 107
3.68 Microcontrolador ATmega328P..................................................................... 115
3.69 Programación en Arduino .............................................................................. 115
3.70 Dirección .hex en Atmega328p ..................................................................... 116
3.71 Driver de Control L298N................................................................................. 116
3.72 Pulsadores para el Control del motor ........................................................... 118
3.73 Simulación del Control del Motor .................................................................. 118
3.74 Incremento de RPM ........................................................................................ 119
3.75 Disminución de las RPM ................................................................................ 119
3.76 Cambio de Giro ............................................................................................... 120
3.77 Diseño de la Placa electrónica ...................................................................... 120
3.78 Diseño del Circuito PCB ................................................................................. 121
3.79 Diseño de la Placa Electrónica de potencia ................................................ 122
3.80 Diseño del Circuito PCB ................................................................................. 123
XIII
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
3.81 Diseño de la tarjeta principal ......................................................................... 123
3.82 Sensick W100 .................................................................................................. 124
3.83 Partes del Sensor Capacitivo ........................................................................ 126
3.84 Funcionamiento del Microswitch ................................................................... 128
3.85 Componentes................................................................................................... 129
3.86 Diagrama PLC S7-1200 ................................................................................. 131
3.87 Puerto profinet ................................................................................................. 132
3.88 Ventana de programación TIA PORTAL ...................................................... 134
3.89 Programa de configuración del PLC ............................................................. 135
3.90 Mensaje de visuaalización modo local manual ........................................... 136
3.91 Programa de modo local del PLC ................................................................. 137
4.92 Tensor de la banda transportadora .............................................................. 139
4.93 Sistema de tren de llenado ............................................................................ 140
4.94 Sistema de clasificación ................................................................................. 143
4.95 Fuente de alimentación de 5V - 12V ............................................................ 144
4.96 Circuitos de control y de potencia ................................................................. 144
4.97 Tarjeta proncipal de comunicación PLC – Proceso.................................... 145
4.98 Calibración de volumen a dosificar ............................................................... 146
4.99 Conexión a PLC .............................................................................................. 148
4.100 Sistema de dosificación de sólidos ............................................................. 148
5.101 Arquitectura del sistema ............................................................................... 149
XIV
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Formas de detección en el Desequilibrio Estático ........................................... 48
Tabla 3.2 Formas de detección en Holguras y piezas sueltas.......................................... 49
Tabla 3.3 Ciclos de Resonancia............................................................................................ 53
Tabla 3.4 Tipos de Envases .................................................................................................. 54
Tabla 3.5 Banda con revestimiento de PVC ........................................................................ 58
Tabla 3.6 Especificaciones Metal Gearmotor 37Dx57L mm ............................................. 62
Tabla 3.7 Ancho mínimo de las poleas ................................................................................ 63
Tabla 3.8 Factor de Superficie .............................................................................................. 74
Tabla 3.9 Factor de Confiabilidad ......................................................................................... 75
Tabla 3.10 Selección de Envases ......................................................................................... 76
Tabla 3.11 Especificaciones Metal Gearmotor 37Dx57L mm ........................................... 79
Tabla 3.12 Densidad Aparente .............................................................................................. 81
Tabla 3.13 Ángulo de Talud ................................................................................................... 83
Tabla 3.14 Cilindro Simple Efecto AIRTAC ....................................................................... 102
Tabla 3.15 Cilindro de Doble Efecto ................................................................................... 109
Tabla 3.16 Especificaciones técnicas del sensor fotoeléctrico ....................................... 125
Tabla 3.17 Especificaciones técnicas del sensor capacitivo ........................................... 127
Tabla 3.18 Disposición de entradas digitales usadas en el PLC .................................... 130
Tabla 3.19 Disposición de salidas digitales usadas en el PLC ....................................... 131
Tabla 4.20 Dato teorico ........................................................................................................ 141
Tabla 4.21 Toma de datos de envase pequeño................................................................ 141
Tabla 4.22 Toma de datos de envase mediano ................................................................ 142
Tabla 5.23 Salidas digitales ................................................................................................. 154
Tabla 5.24 Entradas y salidas digitales .............................................................................. 156
Tabla 5.25 Entradas y salidas digitales .............................................................................. 158
Tabla 5.26 Salidas digitales ................................................................................................. 160
Tabla 5.27 Salidas digitales ................................................................................................. 162
Tabla 6.28 Mano de obra tecnólogo ................................................................................... 164
Tabla 6.29 Elaboración de la banda ................................................................................... 164
Tabla 6.30 Costo de la ingeniería de los ejecutores ........................................................ 164
Tabla 6.31 Lista de materiales de la parte Mecánica ....................................................... 165
Tabla 6.32 Lista de materiales de la parte electrónica ..................................................... 167
Tabla 6.33 Lista de materiales de la tarjeta de control .................................................... 168
Tabla 6.34 Lista de la tarjeta de potencia .......................................................................... 169
Tabla 6.35 Lista de materiales de la tarjeta principal ....................................................... 169
Tabla 6.36 Lista de materiales de la parte neumática...................................................... 170
Tabla 6.37 Costos indirectos ............................................................................................... 171
Tabla 6.38 Ingresos al laboratorio por utilización del prototipo ....................................... 172
Tabla 6.39 Costo para la elaboración de prácticas en el primer año ............................. 174
XV
Tabla 6.40 Costo proyectado a diez años ......................................................................... 175
Tabla 6.41 Ingresos proyectados a diez años................................................................... 176
Tabla 6.42 Flujo neto de caja proyectado a diez años ..................................................... 177
Tabla 6.43 Calculo del VAN ................................................................................................. 177
Tabla 6.44 VAN y TIR ........................................................................................................... 179
XVI
RESUMEN
El presente trabajo describe el diseño y construcción de un sistema de
dosificación de flujo continuo, para descarga de un producto situado en un
contenedor, desarrollado en el Laboratorio de Automatización Industrial
Mecatrónica de la Escuela Politécnica del Ejército. Para su diseño y
construcción se realizaron adecuaciones mecánicas, eléctricas y electrónicas
además se implementó sistemas de control para la automatización de todo el
proceso de dosificación de sólidos. El sistema de control general está dividido
en el proceso de disco giratorio, detección del envase, proceso de
transportación, ubicación bajo el sistema de dosificación, proceso de visión
artificial y proceso de selección de envases empleando un Controlador Lógico
Programable (PLC). Cada una de las funciones es ejecutada por elementos
mecánicos, neumáticos, eléctricos y electrónicos. Para la visualización del
funcionamiento del módulo didáctico se realizó un HMI, con el propósito de
identificar las variables que permitirán realizar la configuración de parámetros
para realizar el proceso de control del sistema de dosificación. Este proyecto
beneficiaria a la Escuela Politécnica del Ejército, debido a que el desarrollo del
mismo se llevará a cabo en las instalaciones de dicha Institución y podrá ser
utilizado por los estudiantes, para las prácticas en el laboratorio de AIM, esto
permitirá mejorar su proceso de aprendizaje y conocer
procesos que son
utilizados en el Sector Industrial.
Palabras clave: Mecatrónica, Dosificación, Transportación, Visión artificial,
HMI.
XVII
“DISEÑO
Y
CONSTRUCCIÓN
DE
UN
MODULO
DIDÁCTICO
DE
DOSIFICACIÓN AUTOMÁTICA DE SÓLIDOS, PARA EL LABORATORIO DE
AIM DE LA ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO”
En la actualidad la industria ha ido avanzada a pasos agigantados junto con
el desarrollo de la tecnología, es por esta razón que se diseñará e
implementará un módulo didáctico que permita a los estudiantes identificar una
parte de un proceso industrial.
Es por esta razón, que se propone diseñar e implementar un sistema de
dosificación automática de sólidos, que permitirá realizar prácticas en el
laboratorio de Automatización Industrial Mecatrónica, debido a los costos de los
módulos didácticos para aprendizaje que se encuentran en el mercado, es
necesario desarrollar
nuevas técnicas
y estructuras que
mejoren
el
funcionamiento de los equipos, manteniendo la fiabilidad y disminuyendo la
inversión.
Adquirir un módulo didáctico con similares características resultaría muy
costoso, es por esta razón que se realizara un módulo didáctico el cuál permita
identificar un determinado proceso, algunos de los elementos que se utilizan
son materiales existentes en el mercado nacional, utilizando la tecnología del
medio.
1
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
1.1ANTECEDENTES
La Escuela Politécnica del Ejército es un centro de estudio superior
comprometido con el desarrollo de la sociedad ecuatoriana, a través de la
formación de profesionales de alto nivel, acorde con las exigencias del país.
Las prácticas que se desarrollan en el
Laboratorio de Automatización
Industrial, se basan en los módulos didácticos neumáticos digitales; dichos
módulos cuentan con su propio software, por lo cual el estudiante, no analiza
las áreas importantes al momento de realizar el control, como son la mecánica,
electrónica, control y programación en un proceso conjunto.
Se considera también que adquirir una planta que cumpla con todos los
parámetros antes mencionados resultaría muy costoso para esto nos hemos
basado en referencias acerca de procesos industriales.
Es por esta razón, que se propone diseñar e implementar un sistema de
dosificación automática de sólidos, con la finalidad de dar una solución práctica
y real a un proceso industrial, considerando que es un módulo didáctico, que
será implementado para realizar prácticas en el laboratorio de Automatización
Industrial Mecatrónica.
2
1.2JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo describe el diseño y construcción de un sistema de
dosificación automática de sólidos, desarrollado para el Laboratorio de
Automatización Industrial Mecatrónica de la Escuela Politécnica del Ejército.
Es importante considerar que el Laboratorio de Automatización Industrial, no
cuenta con un equipo completo que permita identificar un proceso industrial, es
por esta razón que el sistema de dosificación automática de sólidos permitirá
realizar prácticas en las áreas más relevantes del estudio teórico-práctico como
son mecánica, eléctrica /electrónica, control y programación. Esto permitirá a
los estudiantes desarrollar prácticas didácticas que combinen la parte teórica
con la práctica.
Se considera muy relevante que el estudiante pueda identificar etapas de un
proceso industrial, pero con un fin didáctico y práctico, no solamente se podrá
realizar las prácticas que mencionaremos a continuación, sino también se podrá
colocar más entradas digitales o analógicas y adaptar más elementos
electrónicos como sensores de posición, inductivos, capacitivos etc. La finalidad
es que el estudiante pueda identificar el proceso y automatizarlo.
3
1.3ALCANCE
El módulo didáctico tiene las siguientes características generales:
·
Constará de dispositivo dosificador de flujo continuo el cual tiene un
contenedor en el que se ha introducido una carga de productos sólidos
·
Se realizará el diseño mecánico de las distintas partes que conforman la
dosificadora, para esto se diseñara un feeder, el cual nos permitirá ordenar
las botellas para el ingreso hacia el dosificador.
·
Se diseñará un mecanismo de banda transportadora con el objetivo de
transportar los envases en todo el proceso.
·
Se diseñará un contenedor (tolva) el cual permitirá que el producto este
almacenado además está provista de una compuerta regulable en su
abertura mediante un pistón neumático, para la dosificación del producto
que será evacuado a través de ella, originándose así el flujo continuo de
producto dosificado.
·
Se implementará un panel de control con HMI para el arranque y paro de la
máquina, además será el lugar
donde se visualizará el estado de los
distintos elementos eléctricos y electrónicos.
4
1.4OBJETIVO DEL PROYECTO
1.4.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un módulo didáctico de dosificación automática de
sólidos de flujo continuo, para el laboratorio de Automatización Industrial
Mecatrónica de la Escuela Politécnica del Ejército que contribuya con un equipo
eficiente.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
·
Involucrar estructuras mecánicas y sistemas electrónicos que le den
soporte, seguridad y precisión al sistema de dosificación.
·
Complementar los circuitos eléctricos, electrónicos y neumáticos para el
funcionamiento adecuado del Sistema de Producción Modular Didáctico.
·
Realizar un mecanismo de Dosificador de flujo continuo.
·
Diseñar e Implementar los dispositivos que van a permitir la dosificación,
llenado, transporte, control, verificación, clasificación y descarga de los
diferentes envases.
5
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE DOSIFICACIÓN
En el desarrollo de la actividad industrial, es necesario un control de
materias primas, subproductos o producto final. El llenado de botellas es una de
las principales operaciones en la industria. El esquema del proceso y su
complejidad, varían en función del tipo de producto a dosificar, la capacidad
productiva de la industria, el tipo de envase y cierre, además de muchos otros
factores.
Los sistemas de dosificación pueden abordarse desde la perspectiva de una
máquina, línea, o planta de producción en su conjunto. Sectores como el
químico, metalúrgico, cementero, alimentario, etc., demandan este tipo de
tecnología
como
elemento
indispensable
en
su
proceso
productivo.
Actualmente el pesaje de mercancía, materias primas o vehículos permiten un
mayor
conocimiento
y control
sobre
las
diferentes
materias
primas,
subproductos o productos finales, permitiendo de esta forma un ahorro de
costes considerables.
A continuación se describirán algunos de los procesos industriales los
cuales en ciertas etapas serán modificados o anulados, en función de las
necesidades de nuestro diseño.
6
2.1.1.
TIPOS DE DOSIFICADORES Y APLICACIONES
2.1.1.1. Tipos de dosificadores
Un dosificador es un equipo que de manera integral forma parte de una
línea de producción. La función del dosificador es entregar o suministrar de
forma ágil la cantidad de material o insumo necesario para la realización de un
proceso.
Este es un equipo o medidor con el cual se administran dosis específicas de
algún producto determinado. El producto a dosificar en la industria puede ser de
diferentes tipos así tenemos: Lubricantes, líquidos, Fertilizante de Plantas,
Insecticidas, Compuestos Químicos, Detergentes, Alimentos Concentrados, etc.
2.1.1.1.1.
Por vibración
En la industria el sistema de dosificación por vibración es ideal para
productos sólidos, entonces tenemos un electroimán conformado por el núcleo
(5) y la bobina (6), la estructura rígida (3 y 4) la lámina (1) es atraída el campo
magnético que genera el electroimán, y este no se topa con el núcleo por las
barras (2) que están separadas de 3 a 4mm. El campo magnético es una onda
que varía 50 veces por segundo esto debido a nuestra red eléctrica.
7
Figura 2.1 Dosificación por vibrador electromagnético
Fuente: Propia del autor
Con este sistema se coloca un perfil en forma de U y se inclina el conjunto,
para que el producto se deslice hacia abajo y se realice la dosificación, también
se puede regular la vibración que se realiza en el mecanismo según la cantidad
del producto a dosificar.
Figura 2.2 Dosificación por vibrador electromagnético inclinado
Fuente: Propia del autor
Otro sistema de dosificación por vibración es que la mesa (4) esta horizontal
sujeta en un extremo por el electroimán (1) y dos resortes (2) que tienen una
zona flexible sujeta a una estructura rígida (3) y al momento de su
funcionamiento la mesa se desliza hacia adelante.
8
Figura 2.3 Dosificación por vibrador electromagnético horizontal
Fuente: Propia del autor
2.1.1.1.2.
Por tornillo Sinfín
El presente sistema de dosificación es un mecanismo que cuenta entre sus
partes principales un tornillo sinfín (1) como se describe en la figura, para la
parte superior cuenta con una tolva (2) donde está almacenado el producto y en
uno de los extremos del tornillo sinfín está ubicado un servomotor (3) el cual
permitirá realizar con precisión el proceso de dosificación.
Figura 2.4 Dosificación por tornillo sinfín
Fuente: Propia del autor
2.1.1.2. Aplicaciones
A pesar de que existe una gran variedad de dosificadores cada uno de
estos presenta sus diferencias, los más importantes es la reducción de costos y
9
tiempos para aumentar la eficiencia en la producción obteniendo un mayor
porcentaje de productos dosificados con sus respectivas materias primas.
2.1.1.2.1.
Dosificador volumétrico
Estos dosificadores volumétricos son para productos sólidos porque entrega
una precisión y caudal constante de los productos ya sean estos granulados,
fibrosos o pulverulentos. Este mecanismo no requiere de gran espacio además
que su diseño es sencillo, dentro de la tolva tiene una mezcladora para que el
producto no se quede pegado a la tolva.
Figura 2.5 Dosificador volumétrico
Fuente:http://www.audion.com/es/productos/moldeado-relleno-y-sellado/sistemas
-de-dosificacin/6dosificador-de-volumen-.html
2.1.1.2.2.
Dosificador a pistón
Este dosificador es el más apto para productos viscosos o semilíquidos. En
la parte superior tiene la tolva donde almacena el producto luego tiene el pistón
que realiza la absorción del producto por medio de una válvula de dirección
10
entre la tolva y pistón, se puede regular el volumen dependiendo de la carrera
que se le coloque y luego el pistón descarga el producto en el envase.
Figura 2.6 Dosificador a pistón
Fuente: http://www.tecnoflex.com.mx/piston.html
2.1.1.2.3.
Dosificador a tornillo Sinfín
Este dosificador ayuda a remover el producto desde su ingreso de la tolva
hasta la dosificación para que sea preciso el volumen se utiliza un servomotor
con el cual realiza un numero de vueltas el tornillo y produce la dosificación.
Figura 2.7 Dosificador por tornillo sinfín
Fuente: Propia del autor
11
2.1.1.2.4.
Dosificador isobárico
Este dosificador es ideal para productos líquidos y está compuesto de un
tanque donde está almacenado el producto, el cual tiene dos sensores de nivel
uno que indica si está lleno y otro que está vacío, se encarga de hacer la
dosificación por medio de una válvula de cierre la cual se regula por tiempo.
Figura 2.8 Dosificador Isobárico
Fuente:
http://www.solostocks.com.ar/venta-productos/maquinaria-envasado/otramaquinaria-envasado/dosificador-isobarico-162822
2.1.1.2.5.
Dosificador gravimétrico
Este dosificador es ideal para productos líquidos y está compuesto de un
tanque donde está almacenado el producto, y solo tiene una llave de paso que
puede ser manual o automática al igual que la isobárica se la regula por el
tiempo.
12
Figura 2.9 Dosificador gravimétrico
Fuente: http://www.cavicchiimpianti.com/page.jsp?idPagina=566&idLingua=50
2.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
Como se puede observar en la fig. 2.10 El proceso general de dosificación
de sólidos consta de la entrada de envases vacíos y la salida es la clasificación
de tipo de envase con el tipo de envase seleccionado.
Figura 2.10 Proceso general
Fuente: Propia del autor
13
Figura 2.11 Sistema de control de dosificación
Fuente: Propia del autor
2.2.1. TRANSPORTACION Y DETECCION DE ENVASES
Estos ingresarán a la banda transportadora, cada uno de los envases que
serán detectados a través de un sensor fotoeléctrico que nos indicaran una
señal la cual será utilizada para clasificar los envases de acuerdo a su tamaño,
en el medio cada uno de los envases ingresarán a una disco giratorio, esto será
utilizado para los envases que ingresen. El disco giratorio recibe los envases
esto permitirá ubicar los envases en su correcta posición y proceder al proceso
de dosificación.
El disco giratorio es una mesa plana. El número de revoluciones dependerá
del diámetro y puede estar entre 1 - 2 vueltas por minuto para esto se deberá
ajustar la velocidad mediante un motor de velocidad variable.
14
2.2.2. DOSIFICACIÓN
Ubicados los envases en su correcta posición dentro del disco giratorio, por
debajo de la tolva de dosificación se realizará el proceso de dosificación de flujo
continuo, para productos sólidos situados en un contenedor, el cual desciende
hacia la parte central del embudo, la cual posee en el centro de su parte inferior
una tapa de evacuación, provista de una compuerta , regulable en su abertura
mediante un pistón neumático, para la dosificación del producto que será
evacuado a través de ella, originándose así el flujo continuo de producto
dosificado.
2.2.3. CONTROL DE CALIDAD
Se utilizara visión artificial para identificar
parámetros que serán
importantes dentro del proceso y serán destinados a realizar el análisis de
imágenes. Estos procesos son: captación de imágenes, memorización de la
información, procesado e interpretación de los resultados. Se analizaran
parámetros como tamaño, color de los diferentes tipos de envases. Para esto
utilizaremos una cámara web y el software Labview 2011 toolkit NI visión
Assistant.
2.2.4. CLASIFICACIÓN
En base a los parámetros antes mencionados en el proceso de visión
artificial se realizará el proceso de clasificación para cada uno de los envases
que vayan ingresando, se analizará tamaño, color de cada uno de los envases
así se clasificará y se analizará los diferentes parámetros para transportarlos
15
por cada uno de los diferentes carriles, este es un mecanismo de clasificación
de envases, controlado por cilindros neumáticos y electroválvulas los cuales
recibirán señales enviadas a través del PLC y estos cilindros se activaran y
clasificaran los envases por dos diferentes carriles.
2.3. SISTEMAS QUE INTEGRAN LOS MÓDULOS
2.3.1. SISTEMAS NEUMÁTICOS
Los sistemas neumáticos son sistemas que utilizan el aire que están
constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un aporte de
trabajo para la transmisión de señales o potencia. Dentro del campo de la
neumática la tecnología se ocupa, sobre todo, de la aplicación del aire
comprimido en la automatización industrial (ensamblado, empaquetado, etc.).
Los sistemas neumáticos se usan mucho en la automatización de máquinas
y en el campo de los controladores automáticos. Se encuentran muchas
aplicaciones a nivel industrial, los circuitos neumáticos pueden convertir la
energía del aire comprimido en energía mecánica tienen un amplio campo de
aplicación (martillos y herramientas neumáticas, dedos de robots, etc.) por la
velocidad de reacción de los actuadores y por no necesitar un circuito de
retorno del aire.
Figura 2.12 Elementos principales que comandan un sistema Neumático
Fuente: Propia del autor
16
2.3.1.1.
Válvulas neumáticas
Las válvulas son elementos que ayudan a controlar el arranque, parada,
dirección y sentido del flujo de aire en un circuito neumático. Cumplen la función
de válvulas distribuidoras cuando se utilizan para gobernar todo tipo de
actuadores, bien sean lineales como los cilindros, rotativos como los motores
neumáticos o pinzas.
Las válvulas de mando o pilotaje, se emplean en general para gobernar de
forma directa o indirecta, las válvulas distribuidoras anteriores. Estas válvulas
de pilotaje, se montan en los circuitos en paneles de mando, para ser
manipuladas voluntariamente por el operador de la máquina, o bien se montan
cerca de los actuadores para ser pulsadas mecánicamente por dichos
elementos.
2.3.1.2.
Válvulas direccionales
La función de las válvulas es permitir, orientar o detener el flujo de aire para
distribuir el aire hacia los elementos de trabajo son conocidas también como
válvulas distribuidoras.
Constituyen los órganos de mando de un circuito. También son utilizadas en
sus tamaños más pequeños como emisoras o captoras de señales para el
mando de las válvulas principales del sistema, y aún en funciones de
tratamiento de señales.
17
Las válvulas direccionales pueden ser manipuladas de tres formas distintas:
·
De accionamiento mecánico (apertura y cierre se realiza por medio de
una palanca accionada desde el exterior).
·
De accionamiento eléctrico (apertura y cierre se realiza por medio de un
electroimán).
·
De accionamiento hidráulico (apertura y cierre se realiza por medio de
presión hidráulica).
2.3.1.3.
Electroválvulas
Es una válvula electromecánica, se basan en un diseño para controlar el
flujo de un fluido por medio de un conducto como una tubería, está compuesto
por dos elementos fundamentales para el funcionamiento la válvula y la bobina
solenoide, esta convierte energía eléctrica en energía mecánica para actuar la
válvula.
Existen diferentes tipos de electroválvulas
·
Donde el solenoide actúa de forma directa sobre la válvula
distribuyendo de energía necesaria para el movimiento.
·
Solo hace conmutar la entrada entre dos salidas y este tipo de
electroválvula solo utiliza una bomba de circulación.
·
No controla la válvula de forma directa sino que el solenoide tiene el
control de una válvula piloto secundaria y la energía para que actué
la válvula principal la suministra la presión del propio fluido.
18
Figura 2.13 Diagrama de válvula cerrada y válvula abierta
Fuente: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solenoid_Valve.png
2.3.1.4.
Electroválvula distribuidora 5/2
La válvula 5/2 indica que es de 5 posiciones y 2 vías por el cual conduce el
aire, es biestables quiere decir que la electroválvula tiene memoria y cuando
recibe un pulso en una de sus bobinas mantiene esa posición y al momento de
recibir otro pulso esta actúa y cambia de posición dentro de la válvula.
2.3.1.5.
Electroválvula distribuidora 3/2
La válvula 3/2 indica que es de 3 posiciones y 2 vías por el cual conduce el
aire, es monoestables quiere decir que no tiene memoria, entonces cuando
recibe un pulso en la única bobinas cambia de posición hasta el momento en el
cual termina el pulso y dentro de la válvula hace que regrese a la posición
19
mediante un retorno automático por muelle. El impulso debe ser de 110v o 24v
esto depende con que voltaje esté funcionando el proyecto.
2.3.1.6.
Actuador Neumático
Son mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo
mecánico por medio de un movimiento lineal.
2.3.1.7.
Cilindro neumático
Son los elementos que actúan al recibir la orden de las válvulas
distribuidoras, en si el cilindro neumático transforma la energía neumática en
trabajo mecánico y este depende de la carrera que tenga en el vástago según la
aplicación.
Figura 2.14 Partes del cilindro neumático
Fuente: http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2010_07_01_archive.html
Los cilindros se pueden clasificar en:
·
Simple efecto
·
Doble efecto
·
De rotación
20
2.3.1.8.
Racores neumáticos
Es la herramienta de fácil conexión, para garantizar la mayor eficacia,
seguridad y fiabilidad que se requiere en las instalaciones.
Figura 2.15 Tipos de racores
Fuente: http://www.tefesur.com/racores.html
2.3.1.9.
Mangueras neumáticas
Son los accesorios más utilizados para conducir aire comprimido en los
sistemas neumáticos, en líneas de señal y control, ya que es de material ligero,
resistente y flexible para el paso de aire comprimido.
Figura 2.16 Manguera neumática
Fuente: http://neumatica-es.timmer-pneumatik.de/artikel/H-Schlaeuche/h-schlaeuche4169.html
Hay que recalcar que los racores y las mangueras han ayudado a reducir
los tiempos de ensamble y mantenimiento en las conexiones de aire
comprimido en los procesos.
21
2.3.1.10. Finales de carrera
Son conocidos como "interruptor de límite", son dispositivos eléctricos,
neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, el
objetivo es que manda señales que logran modificar el estado de un circuito
dependiendo de la operación al ser accionados. Internamente pueden
contener interruptores normalmente
abiertos
(NA),
cerrados
(NC)
o conmutadores, de ahí la gran variedad de finales de carrera que existen en
mercado.
Figura 2.17 Fin de carrera
Fuente: http://tecnosi.wikispaces.com/3.+Control+electromec%C3%A1nico.+Leva,
+final+de+carrera+y+rel%C3%A9.
2.3.1.11. Sistemas complementarios
2.3.1.11.1.
Sistema de aire comprimido
Un sistema de aire comprimido está formado por un grupo de equipos y
accesorios los cuales cuentan con cierta disposición específica, con el fin de
proporcionar un caudal de aire determinado, a unas condiciones de presión y
calidad de acuerdo con los requerimientos de la aplicación.
22
La utilización de aire comprimido para diferentes actividades industriales
está fundamentada en las ventajas que lo preceden. Entre otras se destacan la
amplia disponibilidad de esta sustancia; su compresibilidad; la posibilidad y
facilidad para ser transportando en recipientes a presión.
Cada uno de los sistemas requiere una cierta condición de operación
mínima de presión y caudal de aire para su correcto funcionamiento.
Un sistema de aire comprimido, consta de tres elementos básicos los cuales se
describirán a continuación:
·
Sistema de distribución, está formado por elementos los cuales el aire es
transportado (tuberías, válvulas, etc.), Desde el compresor a su punto de
utilización más lejano, no deberá tener una pérdida de presión mayor al
5%.
·
Compresor, que se utiliza para la producción del aire comprimido, los
cuales se pueden clasificar en compresores de flujo intermitente (o
desplazamiento positivo) y compresores de flujo continuo.
2.3.2. SISTEMAS MECÁNICOS
2.3.2.1.
Estructura de módulo
La estructura del módulo se lo va a realizar mediante cálculos que eviten los
inconvenientes de deflexión si se coloca un peso mayor al establecido, la
selección del material para que el sistema tenga un factor de seguridad.
23
2.3.2.2.
Sistema de silos
Son los sistemas de almacenaje de una gran variedad de materia prima
para las diferentes industrias, son necesarios ya que en ellos puede estar el
producto por un largo o corto periodo, ejemplo
·
Granos
·
Agua
·
Semillas
2.3.2.2.1. Tipos de silos
Existen dos grupos en los que se los puede clasificar en función del material
del cuales fabricado.
·
Silos de acero
Los más frecuentes son de acero al carbono o de acero inoxidable, este ya que
es por consumo humano, estos pueden ser de varios acabados superficiales y
tiene una capa para protegerlo, en si las paredes internas son lizas empernadas
o soldadas, también corrugadas empernadas. Los silos también pueden ser en
la parte inferior plana o cónica.
Figura 2.18 Silo de acero
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/masa-transplast/silos-de-acero-inoxidable97735-891089.html
24
·
Silo de concreto
Se encuentran dos grandes grupos: silos con moldes prefabricados y silos
de concreto de construcción. Los silos con moldes prefabricados se construyen
con bloques que se los ponen juntos formando una pared circular, luego se los
ajusta por medio de anillos de acero. Los silos de concreto de construcción, se
utiliza encofrados que tienen la forma del silo deseado. En el espacio que
queda entre los encofrados se verterá el concreto formando así el silo una vez
que este se halla fraguado.
Figura 2.19 Silo de concreto
Fuente: http://es.123rf.com/photo_3392963_industriales-silos-en-fabrica-de-cemento.html
2.3.2.3.
Banda transportadora
Son el mecanismo más eficaz en cuanto a elevación, como de transporte
del producto de un lugar a otro, con la ayuda de ellas se ha logrado en el campo
industrial reducir los tiempos y costos de producción, también para ayudar a
reducir el riesgo a las personas que hacían trabajo pesado.
25
Los materiales usados en las bandas transportadoras y la superficie de las
mismas depende del producto que va a transportar, es un proceso que no tiene
la necesidad de detenerse para la carga y descarga, es así que, los fabricantes
ofrecen varios diseños para dar solución a los procesos que requiera la
industria, materiales como: PVC, malla metálica, poliuretano, goma, etc.
2.3.2.4.
Mecanismos de clasificación de envases
El mecanismo de clasificación es una gran ayuda en el campo industrial, ya
queesta ayuda a que en los procesos se separe los productos que estén
defectuosos, o estos sean de diferente color, forma y a su vez guie al siguiente
proceso ya sea de dosificación, empaque, etc.
2.3.2.5.
Mecanismo de mesa giratoria
Una mesa giratoria es un elemento esencial para una mejor precisión que
es ideal para posicionamiento de un proceso. Hay una gran variedad de mesas
giratorias y estas dependen de la aplicación. Algunas de estas mesas son
utilizadas como mesas de indexación esto quiere decir que realiza un proceso
ordenado, para que el trabajo sea más efectivo.
2.3.2.6.
Tipos de envases
Se denomina envase al contenedor que está en contacto directo con el
producto y su función es almacenar, proteger, conservar e identificar el
producto; también facilita su manejo y comercialización.
26
Tipos de envase:
·
Madera: en si se emplea para la elaboración de cajas, carretes, cajones,
etc. La ayuda de estos nos ayuda por solidez y duración ya que este
depende de las propiedades del material.
·
Vidrio: estos envases se emplean por su versatilidad de diseños por su
color, forma, capacidad por ejemplo botellas, frascos, ampollas.
·
Metal: estos envases son rígidos y en si son para contener productos
sólidos como líquidos y estos son cerrados herméticamente.
·
Plástico: estos materiales son para una vez consumido el producto se lo
descarta ya que este tipo de material es reciclable.
·
Papel y cartón: estos son usados para la transportación de cantidades
grandes de botellas, latas, etc. Y son los materiales reciclables más
tradicionales, en ayuda al medio ambiente.
Figura 2.20 Tipos de envases
Fuente: Propia del autor
27
2.3.3. SISTEMAS ELÉCTRICOS/ELECTRÓNICOS
Un sistema electrónico es un arreglo de dispositivos y componentes
electrónicos que tiene un conjunto definido de entradas y salidas. Con
frecuencia los sistemas electrónicos utilizan sensores para captar variables
externas de entrada y actuadores para controlar variables externas de salida.
2.3.3.1.
Motores eléctricos
Los Motores Eléctricos son máquinas eléctricas que transforman en energía
mecánica la energía eléctrica que absorben por sus bornes.
Estos se clasifican en motores de corriente continua y motores de corriente
alterna, entre los motores de corriente continua más comunes y representativos
son los actuadores debido a que son muy potentes y que giran a demasiada
velocidad y son muy utilizados en aplicaciones robóticas. Es por esa razón se
utilizan los reductores que están basados en engranajes.
2.3.3.2.
Motor reductor
Son utilizados para el accionamiento de toda clase de máquinas y aparatos
de uso industrial, que necesitan reducir su velocidad de manera eficiente.
· Regulación perfecta tanto en la velocidad como en la potencia transmitida.
· Alta eficiencia en la transmisión de la potencia suministrada por el motor.
· Transmisión segura, reduciendo los costos en el mantenimiento.
· Bajo
espacio
requerido
y
mayor
rigidez
en
el
montaje.
28
Figura 2.21 Motor reductor eléctrico
Fuente: Propia del autor
2.3.3.3.
Motor ac
En un Motor AC dado que la corriente es alterna, el motor girara
suavemente a la frecuencia de la forma senoidal, denominándose un Motor
Asincrónico.
El más común es el motor de inducción, donde la corriente eléctrica es
inducida en los bobinados del rotor, más que alimentada directamente. El
campo magnético es producido por un electroimán accionado por el mismo
voltaje de A.C. como en el rotor.
Los
bobinados
que
producen
el
campo
magnético
se
llaman
tradicionalmente los bobinados de campo, mientras los bobinados y el rotor que
giran se llaman armadura. En un motor A.C. el campo magnético varía
sinusoidalmente, tal y como la corriente varíe en el bobinado.
29
Figura 2.22 Motor ac
Fuente: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/motorac.html
2.3.3.4.
Motor dc
Estos motores son muy utilizados para poder regular continuamente la
velocidad del eje. Además tienen un par de arranque elevado.
En un motor DC se debe suministrar corriente continua en el inducido
(bobinado situado en el rotor) y en el inductor (bobinado o imán situado en el
estator).
Rotor: Constituye la parte móvil del motor, proporciona el par para mover a
la carga.
Estator: Constituye la parte fija de la máquina, la función del estator es
suministrar el flujo magnético, el cual será usado por el bobinado del rotor para
realizar su movimiento giratorio.
30
Figura 2.23 Motor dc
Fuente: http://pmtrmagnetismo.blogspot.com/2012/05/motor-de-corriente-directa-cd.html
2.3.3.5.
Servomotor
Un servomotor es un actuador mecánico de corriente continua, que tiene la
capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y
mantenerse estable en dicha posición, el cual cuenta con un motor y un
conjunto de engranes esto permite multiplicar el torque final del sistema, este
posee elementos de control los cuales permiten monitorear de manera
constante la posición de un elemento mecánico, el cual esta enlazado con algún
dispositivo para su control. La acción inducida electrónicamente a un
servomotor, permitirá tener una respuesta mecánica controlada.
Figura 2.24 Servomotor
Fuente: http://www.robotshop.com/ca/hitec-hs-5585mh-servo-motor.html
31
Figura 2.25 Diagrama en bloques de la estructura de un servomotor
Fuente: http://www.servisystem.com.ar/NEOTEO/Servo/servo.htm
2.3.3.6.
Relés
El relé o relevador es un elemento electromecánico. Se lo utiliza como un
interruptor controlado por un circuito eléctrico ya que en su interior tiene
una bobina y un electroimán, al accionarse estos realizan un juego para mandar
señales a uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos
eléctricos de salida de mayor potencia que el de entrada, también se lo
considera, como un amplificador eléctrico.
Figura 2.26 Relé
Fuente: http://www.zigbe.net/archivos/393
32
2.3.3.7.
Sensores digitales
Los sensores digitales son aquellos que ofrecen a su salida una señal en
forma digital, por la simplificación que suponen en el acondicionamiento de
señales y su mayor inmunidad a las transferencias electromagnéticas en
determinados casos. Los sensores digitales pueden ser de dos tipos los que
ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica, este
grupo lo forman los codificadores de posición. El segundo tipo es el de los
sensores que están basados en un cierto fenómeno físico de tipo oscilatorio,
transducido posteriormente por un sensor modular convencional. Los sensores
de este grupo se denominada auto resonantes, de frecuencia variable, o casi
digitales, y necesitan un circuito electrónico posterior (un contador) para ofrecer
la señal digital deseada.
Figura 2.27 Sensor digital
Fuente: http://1510679.blogspot.com/2012/11/21-sensores-y-transductores.html
2.3.3.8.
Acondicionadores y procesadores de señal
Los sensores, no pueden solo representar un componente electrónico
básico, estos deben adaptarse a un sistema de adquisición y control. Por lo que
estos sensores deben adaptarse como parte de una cadena de dispositivos,
que formaran un sistema y proporcionar su salida con características
33
determinadas, para esto se diseñan acondicionadores de señal, basados en
amplificadores operacionales en sus diferentes estructuras de montaje,
pasando por filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales
de analógico a digital para posteriormente ser procesados los datos con un DSP
o Micro controlador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador
o por medio de un convertidor digital a analógico.
Figura 2.28 Acondicionamiento y procesamiento de señal
Fuente: http://dc376.4shared.com/doc/IrTla-VF/preview.html
2.3.3.9.
Sensor fotoeléctrico
Los sensores fotoeléctricos emplean un haz luminoso como condicionante
para detectar objetos su funcionamiento se da a través del cambio en la
cantidad de luz que es reflejada o bloqueada por el objeto que se desea
detectar. El cambio de luz puede ser producido por la ausencia del objetivo,
como resultado de un cambio de tamaño, forma, reflexividad o color del
objetivo. Los parámetros que se analizan son:
34
Salida de operación con luz (LO): La salida se activa (energiza) cuando el
receptor puede detectar suficiente luz proveniente de la fuente de luz.
Salida de operación en oscuro (DO): La salida se activa (energiza) cuando
el receptor no puede detectar la luz proveniente de la fuente de luz.
Figura 2.29 Modos de detección estándar
Fuente: http://miguelangelmei.blogspot.com/2011/06/sensor-fotoelectrico.html
2.3.3.10. Sensor Capacitivo
Estos sensores tienen una ventaja sobre los sensores inductivos,
reaccionan ante metales y no metales por proximidad a la superficie. La
distancia para que se active depende también del material, su respuesta es
más rápida cuanto más elevada sea su constante dieléctrica.
Son usados para identificar, contar objetos, también para toda clase de
controles de nivel de carga ya sea este sólido o líquido. El uso que se le ha
dado en la última década es en los dispositivos con pantalla táctil, como
teléfonos móviles o computadoras ya que el sensor percibe la pequeña
diferencia de potencial por medio de las membranas de los dedos que están
eléctricamente polarizados de una persona adulta. Existen diferentes tipos de
sensores capacitivos como:
35
·
Sensor capacitivo de nivel
·
Sensor capacitivo de posición
Figura 2.30 Sensor capacitivo
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/hanyoung/sensores-de-cercania-capacitivos39710-328848.html
2.3.3.11. Sensor Capacitivo de nivel
Cuando un objeto ingresa en el campo eléctrico que hay entre las placas del
sensor,
varía
el dieléctrico,
variando
consecuentemente
el
valor
de capacitancia.
2.3.3.12. Sensor Capacitivo de posición
En esta aplicación se utiliza un condensador variable, y una de las placas es
móvil, así se puede manipular la superficie efectiva ya sea esta mayor o menor
entre las dos placas y logrando variar el valor de la capacitancia.
2.3.3.13. Actuadores
Los actuadores producen una salida no eléctrica a partir
eléctrica. Existen muchas clases de actuadores, como:
una señal
36
En este caso las aplicaciones más utilizadas para actuadores:
·
Diodos emisores luz (LED) como indicadores, utilizados en el control
de la cantidad de luz.
·
Solenoides, para activar las electroválvulas
·
Motores eléctricos, que se utilizan en la producción de movimiento o
velocidad.
2.3.4. SISTEMAS DE CONTROL
Este sistema nos permite controlar el proceso por medio del PLC S7-1200 y
una interfaz HMI. Se realiza especificaciones de cada sistema para que el
usuario identifique el proceso y pueda realizar el control.
2.3.4.1.
Visión artificial
La visión artificial es considerada en el campo de “Inteligencia artificial”, ya
que con las técnicas que usa obtiene, procesa y analiza varios tipos de
información a través de imágenes.
Además es un conjunto destinado a realizar el análisis de las imágenes, ya
que con el software adecuado este capta, procesa las imágenes e interpreta los
resultados.
Se pueden realizar varias tareas con la visión artificial:
·
Inspecciona los objetos por medio de cámaras.
·
Automatiza tareas de inspección repetitiva.
·
Realiza el control de calidad que eran difíciles de verificar.
·
Reduce el tiempo en los ciclos de procesos automatizados.
37
·
Realiza la inspección del 100% de la producción.
Las aplicaciones más usadas en la industria son:
·
Identificación e inspección de objetos.
·
Mediciones tridimensionales.
·
Determinar las coordenadas importantes de un objeto.
·
Realizar mediciones angulares.
Figura 2.31 Visión artificial
Fuente: http://blog.infaimon.com/2011/12/soluciones-de-vision-artificial-para-automocion/
2.3.4.2.
Control de calidad
El control de calidad es la herramienta que se utiliza en varios campos de la
industria de trabajo para detectar la presencia de fallas que existan. El control
de calidad es una organización de servicio, que permite indicar las
especificaciones establecidas hacia los productos y así ayudar al departamento
de producción para que los productos no tengan fallas. En si esta función
consiste en la recolección y análisis de grandes cantidades de productos que
después de verificar cual fue la falla se inicia una acción correctiva adecuada,
38
todo producto que no cumpla las especificaciones mínimas para decir que
aprobó, será eliminado, sin la posibilidad de reutilizarlo.
Pasos
1. Probar la necesidad de mejoramiento.
2. Identificar los proyectos concretos de mejoramiento.
3. Organizar para la conducción de los proyectos.
4. Organizar para el diagnóstico o descubrimiento de las causas.
5. Diagnosticar las causas.
6. Probar que la solución es efectiva bajo condiciones de operación.
7. Proveer un sistema de control para mantener lo ganado.
2.3.4.3.
Sistema HMI
Las siglas de HMI es la abreviación de Interfaz Humano Máquina, es decir
que se puede observar en una pantalla un proceso industrial, en si estos
dispositivos se ubican en los paneles del operador o en una computadora,
también son conocidos como monitoreo y control de supervisión. Para observar
las señales del proceso en el HMI se utiliza tarjetas de entrada/salida en la
computadora, PLC, RTU, todos estos dispositivos deben tener una interfaz de
comunicación que entienda el HMI.
Las funciones principales de un software HMI son:
· Monitoreo
· Supervisión
· Alarmas
39
· Control
· Históricos
2.3.5. SOFTWARE PARA LOS MÓDULOS
2.3.5.1.
Introducción al autómata s7 1200
El autómata S7-1200, es el último dentro de una gama de controladores
SIMATIC de Siemens, es el sucesor del S7-200 y está disponible desde junio
del 2009. El controlador compacto SIMATIC S7-1200 es el modelo modular y
compacto para pequeños sistemas de automatización que requieran funciones
simples o avanzadas para lógica, HMI o redes. Gracias a su diseño compacto,
su bajo coste y sus potentes funciones, los sistemas de automatización S71200 son idóneos para controlar tareas sencillas. En el marco del compromiso
SIMATIC para con la automatización plenamente integrada (TIA: Totally
Integrated Automation), la familia de productos S7-1200 y la herramienta de
programación STEP 7 Basic proporcionan la flexibilidad necesaria para cubrir
las diferentes necesidades de automatización de cada caso.
El controlador S7-1200 ofrece la flexibilidad y potencia necesarias para
controlar una gran variedad de dispositivos para las distintas necesidades de
automatización. Gracias a su diseño compacto, configuración flexible y amplio
juego de instrucciones, el S7-1200 es idóneo para controlar una gran variedad
de aplicaciones.
La CPU incorpora un microprocesador, una fuente de alimentación
integrada, circuitos de entrada y salida, PROFINET integrado, E/S de control de
40
movimiento de alta velocidad y entradas analógicas incorporadas, todo ello en
una carcasa compacta, conformando así un potente controlador. Una vez
descargado el programa, la CPU contiene la lógica necesaria para vigilar y
controlar los dispositivos de la aplicación. La CPU vigila las entradas y cambia
el estado de las salidas según la lógica del programa de usuario, que puede
incluir lógica booleana, instrucciones de contaje y temporización, funciones
matemáticas complejas, así como comunicación con otros dispositivos
inteligentes.
Para comunicarse con una programadora, la CPU incorpora un puerto
PROFINET integrado. La CPU puede comunicarse con paneles HMI o una CPU
diferente en la red PROFINET.
SIMATIC S7-1200 es el controlador de lazo abierto y lazo cerrado de control
de tareas en la fabricación de equipo mecánico y la construcción de la planta.
Se combina la automatización máxima y mínimo coste. Debido al diseño
modular compacto con un alto rendimiento al mismo tiempo, el SIMATIC S71200 es adecuado para una amplia variedad de aplicaciones de automatización.
Su campo de aplicación se extiende desde la sustitución de los relés y
contactores hasta tareas complejas de la automatización en las redes y en las
estructuras de distribución. El S7-1200 también se abre cada vez más ámbitos
en los que la electrónica especial ha sido desarrollada previamente por razones
económicas.
41
Instalación sencilla y cómoda.
El hardware completo SIMATIC S7-1200 incorpora clips para un montaje rápido
y fácil en perfil DIN de 35 mm, Además, estos clips integrados son extraíbles, lo
que significa que pueden funcionar como taladros de montaje en caso de no
utilizarse perfil soporte. El hardware SIMATICS7-1200 puede instalarse, con
absoluta flexibilidad, tanto en posición horizontal como vertical.
42
CAPÍTULO 3
DISEÑO DE LOS SISTEMAS MODULARES
GENERALIDADES
En el presente capítulo se determinará el cálculo y diseño de todos los
elementos mecánicos que componen el sistema de dosificación, los parámetros
iniciales son capacidad de carga, velocidad de trabajo de masas y banda,
diseño del sistema contenedor el diseño de la estructura teniendo en cuenta la
longitud, ancho y altura y cálculo de los elementos neumáticos.
3.1. MECÁNICO
3.1.1. DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA
La figura 3.32 se observa las dimensiones de la banda transportadora, a
partir de las siguientes dimensiones se realizará el cálculo en la estructura.
Figura 3.32 Dimensiones de la Estructura
Fuente: Propia del autor
43
3.1.2. ANÁLISIS ESTÁTICO EN LA ESTRUCTURA
El peso total se divide para dos, debido a que esta sujetado a los dos
soportes los cuales se unen en la parte del frente y en la posterior como se
indica en la figura 3.34, resultaría que el peso total en cada punto afectaría en
Pt/4. La parte en la cual se realiza el análisis es el soporte ya que este elemento
es el que es sometido a compresión por los pesos que son puestos en la
estructura.
Figura 3.33 Soporte
Fuente: Propia del autor
Figura 3.34 Cargas aplicadas a la estructura
Fuente: Propia del autor
44
Pt: Peso total; Penvases +Pejes
Pw: Peso de la barra
Pt= 1kg* 9,8m/s2 = 9,8N
Pw= 0,704 kg*9,8m/s2 = 6,9N
X1 = 0,35m
X2= 0,7m
Figura 3.35 Cargas y reacciones aplicadas en la estructura
Fuente: Propia del autor
∑Fy = 0
Pt/4 +Pw + Pt/4 – RA – RB = 0
(3.1)
∑Ma = 0
-Pw (X1) - Pt/4 (X2) + RB(X2) = 0
-6.9*0.35 - 2.45*0.7 + 0.7RB = 0
RB = 5.9 N
(3.2)
45
Entonces RB reemplazamos en la ecuación (3.1)
2.45 + 6.9 + 2.45 – RA – 5.9 = 0
RA = 5.9 N
Teniendo en cuenta que el análisis son los soportes a cada lado, para ello
usamos
la
ecuación
de
esfuerzo
máximo
y
deformación
admisible
respectivamente.
ி
(3.3)
ௌ௬
(3.4)
σmáx.=
஺
δadm =ிௌ
El área donde se aplica tiene las siguientes dimensiones
Figura 3.36 Dimensiones del soporte
Fuente: Propia del autor
A=e*b
Dónde:
e: 0.003m es el espesor del soporte
b: 0.1m es el largo del soporte
A = 0,0003 m2
(3.5)
46
Teniendo en cuenta que
[σ máx]൑[δ adm] podemos igualar las dos
ecuaciones (3.3) y (3.4) para así obtener el factor de seguridad del soporte para
la estructura
Y teniendo en cuenta que el aluminio es 6061
Donde
Sy = 5.5 MPa es el límite elástico.
‫ܨ‬
ܵ‫ݕ‬
ൌ
‫ܣ‬
‫ܵܨ‬
FS =
FS=
ௌ௬‫כ‬஺
ி
(3.6)
ହହଵସ଼ହ଴଴‫כ‬଴ǡ଴଴଴ଷ
ହǤଽ
FS = 2804.16
Ahora si nos anteponemos el FS = 1.5, tendremos que determinar el largo
del soporte, entonces partimos de la misma igualdad solo que en este caso
despejamos el largo.
b=
b=
ிௌ‫כ‬ி
ௌ௬‫כ‬௘
ଵǤହ‫כ‬ହǤଽ
ହହଵସ଼ହ଴଴‫כ‬଴Ǥ଴଴ଷ
b = 0.053mm
(3.7)
47
Obteniendo este resultado nos damos cuenta que no podríamos hacer los
soportes con estas dimensiones y a pesar que tenemos un elevado factor de
seguridad con las dimensiones ya propuestas por diseño y porque nuestro
sistema no va a estar exigido a una carga extrema para que así cause daños en
la estructura.
·
Esfuerzo máximo
σ máx.
·
Esfuerzo admisible
[σ]
·
Deformación máxima
δ máx.
·
Deformación admisible [δ]
·
Factor de Seguridad
FS
3.1.3. VIBRACIONES EN LA ESTRUCTURA
3.1.3.1.
Criterios en el cálculo de vibraciones de la
estructura
La resonancia se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a
la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración coincide con el
periodo de vibración característico de dicho cuerpo. En el cual una fuerza
relativamente pequeña aplicada en forma repetida, hace que una amplitud de
un sistema oscilante se haga muy grande.
A partir de esto se analizarán diferentes criterios de diseño:
·
Las vibraciones relativas del eje no deben de exceder ciertos valores
máximos.
48
La variación en las vibraciones del eje respecto a los valores iniciales no
·
debe exceder de ciertos límites.
Para nuestro diseño se determinó que a velocidades menores a las 500 rpm
se realizará un análisis a partir de elemento finitos debido a que las cargas que
se consideran sobre la estructura son pequeñas, también se determinó que
sobre la estructura solo estarán cargas estáticas, y las cargas dinámicas serán
despreciables.
En el caso del diseño de la estructura, se podrá tener mayor rigidez
aumentando el espesor de las paredes de las bases, teniendo en cuenta los
siguientes criterios:
·
Dominio temporal frente a la frecuencia
·
Desequilibrio
El desequilibrio empieza a originarse por no estar la masa uniformemente
distribuida con respecto del centro de giro del rotor, de modo que el centro de
gravedad y el centro de giro no coinciden.
Tabla 3.1 Formas de detección en el Desequilibrio Estático
Tipo de
Frecuencia
Amplitud
Fase
Dirección
Desequilibrio
(CPM)
respecto a
respecto a
de medida
los extremo
los
extremos
Estático
1xrpm
Misma
Misma Fase
Radial
Amplitud
Fuente:
Vibraciones
Mecánicas,Universidad
de
www.uclm.es/area/imecanica/.../Vibraciones.../Tema05_2.pdf
Castilla-La
Mancha
(UCLM),
49
·
Holguras y piezas sueltas
Si uno de los pernos de sujeción estuviese flojo, por el desequilibrio residual,
la fuerza de dicho desequilibrio produce un “levantamiento”, que se repetiría
cuando dicha fuerza no fuese suficiente para compensar el peso del cuerpo (2
impactos por vuelta).
Tabla 3.2 Formas de detección en Holguras y piezas sueltas
Frecuencia (CPM)
Amplitud
Dirección de
medida
2,4,6x rpm
Amplitud
de
la
Radial
vibración más alta en
la
dirección
de
la
holgura.
Fuente:
Vibraciones
Mecánicas,Universidad
de
Castilla-La
Mancha
(UCLM),www.uclm.es/area/imecanica/.../Vibraciones.../Tema05_2.pdf
·
Problemas eléctricos
La Vibración es el resultado de fuerzas electromagnéticas desiguales que
actúan sobre rotor y estator. Las causas que lo producen son las barras rotas
en el rotor, rotores excéntricos, desequilibrio entre fases múltiples, entrehierro
no uniforme, problemas impulso momento torsor (barras sueltas o devanados
sueltos en estator).
Hertzio= Hz =ciclos por segundo
RPM= Revoluciones por minuto
50
CPM= Ciclos por minuto
CPM=RPM= Hz*60
Aparecen a las frecuencias de la red: 60 Hz-3000cpm
Problema de impulso momento torsor: 2x frecuencia de Red (120Hz-6000cpm).
3.1.3.2.
Método de los elementos finitos (SolidWorks )
Se utiliza esta herramienta de simulación, debido que nos permite realizar
una simulación de algún proceso reduciendo los costos y disminuyendo su
tiempo, para esto se incluyen los siguientes pasos:
1. Crear el modelo en el sistema de CAD de SolidWorks.
2. Hacer el prototipo del diseño.
3. Probar el prototipo en el campo.
4. Evaluar los resultados de las pruebas de campo.
5. Modificar el diseño basándose en los resultados de la prueba de campo.
La simulación puede ayudarlo a realizar las siguientes tareas:
·
Reducir costos al probar su modelo utilizando la computadora en lugar de
pruebas de campo.
·
Adelantar la comercialización del producto reduciendo el número de ciclos
de desarrollo del mismo.
·
Optimizar sus diseños al simular conceptos y escenarios antes de tomar
decisiones finales.
51
Para esto se incluye el análisis de las tensiones o análisis estático, calcula
los
desplazamientos, deformaciones
unitarias,
y tensiones en
una
pieza
basándose en el material, las sujeciones y las cargas. Un material falla cuando
la tensión alcanza un determinado nivel. Diferentes materiales fallan a diferentes
niveles de tensión. El análisis estático lineal realiza varias suposiciones para
calcular las tensiones de la pieza.
El Método de elementos finitos en una técnica numérica fiable para analizar
los diseños de ingeniería. Este método sustituye los problemas complejos por
múltiples problemas simples. Divide el modelo en múltiples partes pequeñas de
formas sencillas denominadas "elementos".
Figura 3.37 Método de elementos finitos
Fuente: Propia del autor
Los elementos comparten puntos comunes denominados "nodos". El
comportamiento de estos elementos es conocido bajo todas las situaciones de
soporte y carga posibles. El movimiento de cada nodo se describe por
52
completo mediante conversiones en las direcciones (X, Y, Z), denominado
grados de libertad (GDL). El análisis que utiliza FEM se denomina Análisis de
elementos finitos (FEA).
·
Cálculo de vibraciones
Como anteriormente realizamos el análisis estático en los soporte, tenemos
que analizar de nuevo ya que a estos soportes esta acoplado el motor para la
banda transportadora por el cual va a estar sujeto el eje.
Realizando el análisis por medio de elementos finitos en el programa
solidworks podemos observar que se tendría una deformación en la primera
frecuencia de 782.82 rad/s entrando en resonancia.
Figura 3.38 Primer ciclo de resonancia
Fuente: Propia del autor
53
Tabla 3.3 Ciclos de Resonancia
Nro.
Frecuencia
Frecuencia
Periodo
(rad/s)
(Hz)
(seg)
1
782.82
124.59
0.0080263
2
783.53
124.7
0.0080191
3
2455.6
390.82
0.0025587
4
2467.2
392.67
0.0025467
5
4690.3
746.48
0.0013396
Fuente: solidwork datos de los ciclos de resonancia
Entonces para que en nuestro sistema exista resonancia no debe
sobrepasar la frecuencia de
f= 782.82 rad/s
‫כ‬
ଵ௥௘௩‫଺כ‬଴
ଶగ௠௜௡
(3.7)
f = 7475.38 rev/min
A la frecuencia que va a estar sometido el sistema de la banda
transportadora es de 80rev/min y con este resultado no va a entrar en ningún
ciclo de resonancia.
3.1.4. CRITERIO PARA LA SELECCIÓN DE ENVASES
Se seleccionó envases de vidrio, ya que es uno de los materiales más
cotidianos y con el que estamos continuamente en contacto. De vidrio se
fabrican envases y embalajes para alimentos, bebidas. Este material es
impermeable, resiste el calor dentro de un cierto rango, puede apilarse sin
aplastarse, además de que el consumidor puede ver el interior del envase para
verificar la apariencia del producto.
54
·
Características de los envases
Tabla 3.4 Tipos de Envases
Sin
Con
Producto
Producto
PEQUEÑO
66,5 gr.
114 gr.
MEDIANO
86,2 gr.
165 gr.
ENVASES
Fuente: Propia del autor
·
Criterio aproximado para velocidad en los envases
Ø Envase = 5cm.
5 envases en la banda
Dónde:
Cap.1= Cantidad de Envases por minuto que ingresaran al proceso.
Cap.2= Distancia de separación entre envases
Cap. 1= 10 envases/min.
Cap.2 = 20 cm/envases
Velocidad = Cap.1*Cap.2
Velocidad= 90 cm/ min.
(3.8)
0.033 m/seg.
55
3.1.5. DISEÑO BANDA TRANSPORTADORA
Se efectúa la descomposición de todas las fuerzas que intervienen en la
banda transportadora con la finalidad de realizar un análisis de cada uno de los
elementos que componen la banda transportadora telescópica, por medio de
cálculos y diseño se selecciona los perfiles adecuados que soporten la carga en
la estructura, también se analiza y se efectúa el cálculo de columnas, ejes,
planchas, rodillos, tipos de chumaceras, transmisión de movimiento a través de
piñón cadena, análisis de soldadura, elementos de sujeción, sujetadores,
sistema electromecánico y con el análisis realizado se considerará los
esfuerzos determinados en los cálculos anteriores, para establecer un excelente
diseño y selección de materiales, componentes mecánicos de esta forma se
garantizan tener un diseño óptimo de la banda transportadora telescópica.
3.1.5.1.
Cálculo de la holgura de la banda
Se define la holgura de la banda (c) como el espacio que se ubica en los
costados de la banda, ésta permite tener un margen de espacio utilizado para
impedir que el material a transportar resbale.
Figura 3.39 Esquema Banda Transportadora
Fuente: Propia del autor
56
Así tenemos:
c= Holgura de la banda (in)
B= Ancho de la Banda (in)
ܿ ൌ ͲǤͲͷͷ ‫ כ‬ሺ‫ ܤ‬൅ ͲǤͻሻ
(3.9)
B= 8 cm. / 3,15 in
ܿ ൌ ͲǤͲͷͷ ‫ כ‬ሺ͵ǡͳͷ ൅ ͲǤͻሻ
ܿ ൌ Ͳǡʹʹ͵ in
3.1.5.2.
0,56 cm
Cálculo del ancho plano de la Banda
El ancho plano de la banda se refiere al espacio donde se ubicará el
material para ser transportado.
‫ ܾ݌ܣ‬ൌ ͲǤ͵͹ͳ ‫ܤ כ‬
Siendo:
(3.10)
B= Ancho de la Banda (in)
‫ ܾ݌ܣ‬ൌ ͳǡͳ͹ in
3.1.5.3.
Siendo:
2,97 cm
Cálculo del área del material a transportar
‫ ݉ܣ‬ൌ ߨ ‫ ݎ כ‬ଶ
(3.11)
57
Am= área del material (m2)
r = radio del cilindro (5 cm.)
‫ ݉ܣ‬ൌ ߨ ‫ כ‬ሺʹǤͷሻଶ
‫ ݉ܣ‬ൌ ͳͻǤ͸͵ͷܿ݉ଶ
3.1.5.4.
Cálculo volumen del Envase
ܸ݉ ൌ ‫݄ כ ݉ܣ‬
Siendo:
(3.12)
h = Altura del Cilindro (9 cm.)
ܸ݉ ൌ ͳͻǡ͸͵ͷ ‫ͻ כ‬
ܸ݉ ൌ ͳ͹͸ǡ͹ʹܿ݉ଷ
3.1.5.5.
Criterios de Selección de una Banda
Transportadora
·
Una banda o cinta transportadora es una estructura de goma o tejido en
forma de correa cerrada en anillo, con una unión vulcanizada o con
empalme metálico, utilizada para el transporte de materiales.
·
Las bandas transportadoras son los aparatos más utilizados para el
transporte de objetos sólidos y material a granel a gran velocidad y
cubriendo grandes distancias.
·
Definimos el tipo de producto que se va a transportar, en nuestro caso
son envases de vidrio.
58
·
Son bandas ligeras resistentes a los aceites y aptas para la industria
alimentaria, soportan temperaturas desde -15º hasta 80º grados
centígrados.
3.1.5.6.
Selección de la Banda Transportadora
Se seleccionó una banda transportadora de PVC debido a sus múltiples
características, además estas bandas transportadoras se utilizan para
aplicaciones estándar en el transporte de productos alimenticios, además es
necesario indicar que las bandas de PVC tienen baja exigencia mecánica.
Tabla 3.5 Banda con revestimiento de PVC
Fuente: Bandas Transportadoras y de procesamiento Food HABASIT
·
Características Banda transportadora PVC
Material: PVC blanco Liso
Espesor: 2mm
59
Diámetro Mínimo de la Polea: 1(in) – 25,4 mm
Peso de la banda = 1,40
௞௚Ǥ
௠మ
Peso botellas llenas= 220 gr
0,220 Kg.
Peso botellas vacías = 99.4 gr.
Total de botellas sobre la banda = 2 botellas llenas+2 botellas vacías
Pesos de botellas = 638.8 gr.
Ancho de banda = 7 cm.
3.1.5.7.
0.07 m
Cálculo de la Longitud de la Banda
Longitud entre centros de los rodillos (700 mm)
Dónde:
Lr: Mitad del Perímetro del rodillo
dr : Diámetro del rodillo (25,4 mm)
L= 3,1416*12,7 = 39,9 mm
‫ ݎܮ‬ൌ ߨ ‫כ‬
ௗ௥
ଶ
Longitud total de la banda= (2*700)+ (39,9*2)
Longitud total de la banda= 1480 mm =1,480 m
(3.13)
60
3.1.5.8.
Cargas sobre la Banda Transportadora
Peso banda Total = Peso banda*Ancho de Banda*Longitud total de la banda
(3.14)
ܲ݁‫ ݈ܽݐ݋ݐܾܽ݀݊ܽ݋ݏ‬ൌ ʹǡͷ
PT = Peso total
݇݃
‫ͳ כ‬ǤͶͺͲ݉ ‫Ͳ כ‬ǤͲ͹݉
݉ଶ
ܲ݁‫ ݈ܽݐ݋ݐܾܽ݀݊ܽ݋ݏ‬ൌ ͲǤʹͷͻ݇݃Ǥ
ܲܶ ൌ ܲ݁‫ ݈ܽݐ݋ܾ݈ܶܽ݀݊ܽܽ݁݀݋ݏ‬൅ ܲ݁‫ݏ݈݈ܽ݁ݐ݋ܾ݁݀ݏ݋ݏ‬
(3.15)
ܲܶ ൌ Ͳ.259+0.638
ܲܶ ൌ Ͳ.897 kg.
μc = 0,25 Entre el PVC y Aluminio.
‫ ݎܨ‬ൌ ߤܿ ‫ݔܽ݉ܰ כ‬
(3.16)
ܰ݉ܽ‫ ݔ‬ൌ ܲܶ ‫ͻ כ‬ǡͺ
ܰ݉ܽ‫ ݔ‬ൌ ͺǡͺͲ
‫ ݎܨ‬ൌ ʹǡͳͻ͹ N
‫ ݎܨ‬ൌ Ͳǡʹͷ ‫ כ‬ͺǡͺͶ
3.1.5.9.
Cálculo de la Potencia del Motor
ܲ݉ ൌ ‫݀ܽ݀݅ܿ݋݈ܸ݁ כ ݎܨ‬
(3.17)
61
ܲ݉ ൌ ͲǤͲ͹͵ܹ
3.1.5.10. Cálculo Velocidad Angular
Dónde:
r : radio del rodillo
߱ൌ
௩௘௟௢௖௜ௗ௔ௗ
߱ൌ
௥
(3.18)
ͲǤͲ͵͵
ଵଶǡ଻
ଵ଴଴଴
߱ ൌ ʹǡ͸
‫݀ܽݎ‬
‫݃݁ݏ‬Ǥ
ܴܲ‫ ܯ‬ൌ ʹͷ
3.1.5.11. Cálculo Velocidad Angular
ܶ‫ ݁ݑݍݎ݋‬ൌ ௉௠
ఠ
ܶ‫ ݁ݑݍݎ݋‬ൌ ͲǡͲ͵ܰ݉
3.1.5.12. Selección del Motor
Seleccionamos el siguiente motor para el diseño:
(3.19)
62
Figura 3.40 Metal Gearmotor
Fuente: http://www.pololu.com/catalog/product/1102
Tabla 3.6 Especificaciones Metal Gearmotor 37Dx57L mm
Características
Especificaciones
Alimentación
12V
Torque
18 kg-cm
RPM
80
Tamaño
37D x 57L mm
Corriente
5A
Máxima
Fuente: Catalogo de Producto, PololuRobotics&Electronics, www.pololu.com.
Para el caso de la selección del motor utilizamos el motor con torque de
funcionamiento en esta caso es de 16 kg cm a 5A y 100rpm, este valor lo
transformamos a Nm. Para poder comparar con nuestro calculo.
Torque del motor= 1,57 Nm., por lo que para nuestro diseño utilizaremos
este motor debido a que cumple con los requerimientos antes analizados.
63
3.1.6. DISEÑO Y SELECCIÓN DE LOS RODILLOS
3.1.6.1.
Cálculo de fuerzas sobre el eje
Figura 3.41 Dimensiones de los Rodillos
Fuente: Propia del autor
Dimensiones:
Ancho de la banda: 70 mm
Tabla 3.7 Ancho mínimo de las poleas
Ancho de la Cinta
Ancho de las poleas mayor que
(mm)
el ancho de la cinta (mm)
Menor de 460
25
De 461 hasta 750 incl.
50
De 761 hasta 1000 incl.
75
De 1001 hasta 1400 incl.
100
De 1401 hasta 1700 incl.
125
De 1701 hasta 2000 incl.
150
Fuente: Manual de cálculo de cintas transportadoras, PIRELLI
Considerando el criterio de Bandas transportadoras, ANEXO de la tabla29
del Manual PIRELLI en obtenemos que si el ancho de la banda es menor a 400
mm.
64
Figura 3.42 Diagrama de cuerpo Libre
Fuente: Propia del autor
·
Análisis de las cargas sobre el Rodillo
ܲܶ ൌ Ͳ.897 kg.
‫ ܶܲܽ݃ݎܽܥ‬ൌ ͺ.79 N
T= Tensión
Figura 3.43 Tensiones del Rodillo
Fuente: Propia del autor
Radio del rodillo = 12,7 mm
ൌ
ൌ
ൌ
ଶ‫כ‬ெ
௥
(3.20)
ʹ ‫Ͳ כ‬ǡͲ͵ܰ݉
ͲǡͲͳʹ͹݉
ʹ ‫Ͳ כ‬ǡͲ͵ܰ݉
ͲǡͲͳʹ͹݉
65
·
Análisis de fuerzas Y-Z
ൌ Ͷǡ͹ܰ
Figura 3.44 Distribución de Cargas eje Y-Z
Fuente: Propia del autor
઱ࡲ࢟ ൌ ૙
െ െ ൌ Ͳ
(3.21)
RAP=RBP
ൌ ʹ
ൌ ͶǤ͵ͻͷ
Analizamos las fuerzas que actúan sobre el rodillo, en el programa MDsolids
y podemos obtener su momento y torque.
Figura 3.45 Fuerza Plano Y-Z
Fuente: Propia del autor
66
Figura 3.46 Momento Plano Y-Z
Fuente: Propia del autor
·
Análisis de fuerzas X-Z
Figura 3.47 Distribución de cargas Plano X-Z
Fuente: Propia del autor
ȭ‫ ݔܨ‬ൌ Ͳ
െ š െ š ൌ Ͳ
Ax=Bx (3.22)
ൌ ʹ‫ݔܣ‬
‫ ݔܣ‬ൌ
ܶ
ʹ
‫ ݔܣ‬ൌ ʹǡ͵ͷܰ
Analizamos las fuerzas que actúan sobre el rodillo, en el programa MDsolids
y podemos obtener su momento y torque.
67
Figura 3.48 Fuerza Plano X-Z
Fuente: Propia del autor
Figura 3.49 Momento Plano X-Z
Fuente: Propia del autor
3.1.6.2.
·
Cálculo en el cambio de sección del Rodillo
Calculo del diámetro en el cambio sección del rodillo (diámetro menor)
Fuerza aplicada en el apoyo del rodillo
‫ ܶܨ‬ൌ ξ‫ ݔܣ‬ଶ ൅ ܴ‫ܲܤ‬ଶ
(3.23)
‫ ܶܨ‬ൌ ඥʹǡ͵ͷଶ ൅ Ͷǡ͵ͻଶ
·
Momento Flector:
Dónde:
‫ ܶܨ‬ൌ Ͷǡͻ͹ܰ
‫ ܨܯ‬ൌ ‫ݎܮ כ ܶܨ‬
(3.24)
68
FT: Fuerza aplicada en el apoyo del rodillo
Lr: Longitud del rodillo del diámetro menor
Mf= 4,97N *20mm
M=99, 58 Nmm
·
0, 0994 Nm
Cálculo del esfuerzo por Flexión
ெ஼
ߪ݂ ൌ
గ‫כ‬௥ ర
Inercia del eje por flexión =
ସ
ߪ݂ ൌ
ூ
(3.25)
ͲǡͲͻͻͶ ‫ݎ כ‬
గ‫כ‬௥ ర
ସ
ߪ݂ ൌ
Ͳǡͳʹ͹
‫ݎ‬ଷ
ߪ݂݉ܽ‫ ݔ‬ൌ
Ͳǡͳʹ͹
‫ݎ‬ଷ
ߪ݂݉݅݊ ൌ െ
Dónde:
Ͳǡͳʹ͹
‫ݎ‬ଷ
ߪ‫݉݋‬: Esfuerzo por flexión medio.
ߪ‫ܽ݋‬: Esfuerzo por flexión alternativo.
ߪ‫ ݉݋‬ൌ
ఙ௙௠௔௫ାఙ௙௠௜௡
ଶ
=0
(3.26)
69
ߪ‫ ܽ݋‬ൌ
ఙ௙௠௔௫ିఙ௙௠௜௡
ଶ
Ͳǡͳʹ͹
‫ݎ‬ଷ
ߪ‫ ܽ݋‬ൌ
Dónde:
=0
ߪ݂ ‫ כ‬ൌ ߪ‫݂ܭ כ ܽ݋‬
(3.27)
(3.28)
Kf: Coeficiente de Fatiga
q: La sensibilidad de la muesca (0-1)
Kt: Coeficiente estático para flexión (2,2)
݂݇ ൌ ͳ ൅ ሺ݇‫ ݐ‬െ ͳሻ ‫ݍ כ‬
(3.29)
q = 1 debido a que se consideró que la muesca es lo más sensible por criterio
de diseño.
Se escoge que q=1 debido a que es más sensible a la muesca y por lo tanto
Kf=Kt
݂݇ ൌ ͳ ൅ ሺʹǡʹ െ ͳሻ ‫ݍ כ‬
݂݇ ൌ ʹǡʹ
ߪ݂ ൌ
Ͳǡͳʹ͹
‫ݎ‬ଷ
ߪ݂ ‫ כ‬ൌ ߪ‫݂ܭ כ ܽ݋‬
ߪ݂ ‫ כ‬ൌ
Ͳǡʹ͹ͺ
ܰ݉
‫ݎ‬ଷ
70
·
Esfuerzo cortante por torsión
߬‫ ݐ‬ൌ
It: Inercia por torsión
்‫כ‬௥
ூ௧
(3.30)
Torque esto se determinara a partir de la RPM que tendrá el motor
seleccionado.
M: 1,57 Nm
‫ ݐܫ‬ൌ
߬‫ ݐ‬ൌ
గ‫כ‬ଵ଺‫כ‬௥ ర
ଷଶ
(3.31)
ͳǡͷ͹ ‫ݎ כ‬
߬‫ ݐ‬ൌ
Criterio de Falla según GOODMAN
గ‫כ‬ଵ଺‫כ‬௥ ర
ଷଶ
ͳܰ݉
‫ݎ‬ଷ
Se debe al que torque es constante:
߬‫ ݔܽ݉ݐ‬ൌ
߬‫ ݊݅݉ݐ‬ൌ
߬‫ ݉݋‬ൌ
ͳܰ݉
‫ݎ‬ଷ
ͳܰ݉
‫ݎ‬ଷ
ఛ௧௠௔௫ାఛ௧௠௜௡
ଶ
(3.32)
71
߬‫ ܽ݋‬ൌ
ఛ௧௠௔௫ିఛ௧௠௜௡
߬‫ ݉݋‬ൌ
Dónde:
ଶ
(3.33)
ͳܰ݉
‫ݎ‬ଷ
߬‫݉݋‬: Esfuerzo por torsión medio.
߬‫ܽ݋‬: Esfuerzo por torsión alternativo.
El coeficiente estático de torsión debido al cambio de sección:
݇‫=ݐ‬3.0 Recomendación de Shigley, por criterios de diseño.
q=1
Dónde:
Máxima sensibilidad en la muesca.
݂݇ ൌ ͳ ൅ ሺ݇‫ ݐ‬െ ͳሻ‫ݍ‬
݇‫ݐ‬: Concentración de esfuerzo por torsión.
݂݇: Coeficiente de fatiga por torsión.
݂݇ ൌ ͳ ൅ ሺ͵ െ ͳሻͳ
݂݇ ൌ ͵
߬‫ ݉݋‬ൌ
߬‫ כ ݐ‬: Esfuerzo de flexión por torsión
ͳܰ݉
‫ݎ‬ଷ
(3.34)
72
߬‫ כ ݐ‬ൌ ߬‫ݐܭ כ ݉݋‬
߬‫ כ ݐ‬ൌ
·
(3.35)
͵ܰ݉
‫ݎ‬ଷ
Teorema de esfuerzo de VON-MISSES
Se utiliza para obtener el equivalente de los esfuerzos de torsión y Flexión.
Dónde:
ߪ݁‫ כ݉ݍ‬: Esfuerzo equivalente medio
ߪ݁‫ כܽݍ‬: Esfuerzo equivalente alternativo
ߪ݁‫ כ݉ݍ‬ൌ ඥߪ‫݉݋‬ଶ ൅ ͵߬‫ כ ݐ‬ଶ
ߪ݁‫ כ ݉ݍ‬ൌ
ହǡଶ
௥య
ܰ݉
ହଶ଴଴
௥య
ܰ݉݉
ߪ݁‫ כܽݍ‬ൌ ටߪ݂ ‫ כ‬ଶ ൅ ͵߬‫ כܽ݋‬ଶ
ߪ݁‫ כܽݍ‬ൌ
·
଴ǡଶ଻଼
௥య
ܰ݉
ଶ଻଼
௥య
(3.36)
(3.37)
ܰ݉݉
Cálculo de la resistencia a la fatiga:
Dónde:
ܵ݁ ൌ ݇௧ ‫݇ כ‬௦௨௣ ‫݇ כ‬௖ ‫݇ כ‬௖௢௡௙ ‫ ݁ܵ כ‬ᇱ
ܵ݁ ᇱ : Limite a la fatiga para vida infinita.
݇௧ : Factor de tamaño.
(3.38)
73
݇௦௨௣ : Factor de superficie.
݇௖௔௥ : Factor de carga.
݇௖௢௡௙ : Factor de confiabilidad.
El material seleccionado es el aluminio 6061 por las características antes
mencionadas, para esto seleccionamos:
Su: Resistencia ultima.
Sy: Resistencia a la fluencia.
Dónde:
Su: 124 MPa (18 Ksi)
Sy: 55 MPa (8 Ksi)
Por criterios de diseño se considera que para materiales forjados con Su<= 200
Ksi, la formula a utilizar será:
ܵ݁ ᇱ ൌ ͲǤͷ ‫ݑܵ כ‬
(3.39)
ܵ݁ ᇱ ൌ ͲǤͷ ‫ʹͳ כ‬Ͷ ൌ ͸ʹ‫ܽ݌ܯ‬
Para poder determinar la resistencia a la fatiga es necesario determinar los
diferentes factores antes mencionados, estos fueron analizados de diferentes
criterios para el Diseño de Máquinas.
74
Factor de tamaño:
݇௧ ൌ ͲǤ͹ Factor de tamaño determinado por Deushman, esto se considera
cuando por diseño no se cuenta con valores iniciales. pag. 61
Factor de Superficie:
݇௦௨௣ ൌ ‫ܣ‬ሺܵ‫ݑ‬ሻ௕
Dónde:
(3.40)
A y b: Son los coeficientes para la ecuación del Factor de superficie.
Acabado
Superficial
Maquinado o
estirado en frio
Tabla 3.8 Factor de Superficie
Mpa
A
b
A
4,51
-0,265
2,7
kpsi
b
-0,265
Fuente: Tabla de coeficientes para la ecuación de factor superficial, Norton, Diseño de
elementos de máquinas.
݇௦௨௣ ൌ ʹǤ͹ሺͳͺሻି଴Ǥଶ଺ହ
Factor de carga:
݇௦௨௣ ൌ ͳǤʹ͸
Este factor de carga se obtuvo del libro de Norton para Diseño de Maquinas,
en el cual se considera que se tomara un factor igual a 1 cuando exista
Factor de Confiabilidad:
݇௖ ൌ ͳ
El factor es elegido para una confiabilidad del 90%
75
Tabla 3.9 Factor de Confiabilidad
Confiabilidad ࢑ࢉ࢕࢔ࢌ࢏ࢇ࢈࢏࢒࢏ࢊࢇࢊ
%
50
1.000
90
0.897
99
0.814
99.9
0.753
99.99
0.702
99.999
0.659
Fuente: Factores de Confiabilidad, Norton, página 381
Remplazamos los valores, antes analizados en la ecuación (3.38) se obtiene:
ܵ݁ ൌ ͲǤ͹ ‫ͳ כ‬Ǥʹ͸ ‫Ͳ כ ͳ כ‬Ǥͺͻ͹ ‫ כ‬͸ʹ
·
Criterio de Soderberg:
ௌ௬
ிௌ
Dónde:
ܵ݁ ൌ Ͷͻ‫ܽܲܯ‬
ൌ ߪ௘௤௠ ൅
ௌ௬‫כ‬ఙ೐೜ೌ
ௌ௘
(3.41)
Sy: 55 MPa (8 Ksi)
FS: Es el factor de seguridad, el cual es 1.5, factor utilizado en máquinas
dinámicas, criterio de MOTT.
ଶ଻଼
ͷͷ ‫ כ‬య ܰ݉݉
ͷͷ ͷʹͲͲ
௥
ൌ ଷ ܰ݉݉ ൅
‫ݎ‬
ͳǤͷ
Ͷͻ
El radio mínimo en el apoyo del rodillo es:
76
‫ ݎ‬ൌ ͷǤ͵݉݉
‫ ܦ‬ൌ ͳͲǤ͸݉݉
3.1.7. DISEÑO Y SELECCIÓN DEL MOTOR PARA EL DISCO
GIRATORIO
Para la selección del motor se consideró las fuerzas que están actuando así
tenemos:
·
Pesos de los Envases
·
Peso del plato giratorio.
Dentro del plato giratorio se consideró el torque máximo, para esto
consideramos que dentro del disco giratorio, están 2 envases vacíos y 3
envases llenos.
Tabla 3.10 Selección de Envases
Tipo de
Cantidad
Peso
Total
Vacío
2
99,4 gr.
198,8 gr.
Lleno
3
220 gr.
660 gr.
Envase
858,8 gr.
Fuente: Propia del autor
3.1.7.1.
Peso total = 0,859 kg.
Dónde:
Pt: Peso Total en Kgf
Análisis de cargas sobre el Disco Giratorio
77
μs: Coeficiente de rozamiento estático entre Aluminio y Vidrio.
Nmx= Normal máxima
Pt= 0,859*9,8
Pt= 8,42 Kgf
Nmx= Pt* μs
(3.42)
Nmx= 1, 43 N
·
Cálculo estimado para la velocidad de los envases
Dónde:
Cap.1: Numero de envases que ingresaran por minuto
Cap.2: Distancia entre envases en (cm)
Cap. 1= 8 envases/min.
Cap.2 = 7 cm/envases
Capt= Cap. 1* Cap. 2
Velot. = 56 cm/min.
Velot. = 0, 0093 m/seg.
·
Cálculo de la potencia del motor necesaria
(3.43)
78
Pm1=Nmx*Velot.
(3.44)
Pm1=1, 43*0, 0093
Pm1= 0, 014 W
·
Cálculo Velocidad Angular
Dónde:
rd : Radio del Disco Giratorio
߱ͳ ൌ
߱ͳ ൌ
௩௘௟௢௧Ǥ
௥ௗ
ͲǤͲͲͻ͵
଺ହ
ଵ଴଴଴
߱ͳ ൌ ͲǡͳͶͶ
RPM= 2
·
(3.45)
‫݀ܽݎ‬
‫݃݁ݏ‬
Cálculo del Torque requerido:
ܶ‫ ݁ݑݍݎ݋‬ൌ ௉௠
ఠଵ
ܶ‫ ݁ݑݍݎ݋‬ൌ ͲǡͲͳܰ݉
3.1.7.2.
Selección del motor
(3.46)
79
Figura 3.50 Motor Disco Giratorio
Fuente: http://www.pololu.com/catalog/product/1102
Seleccionamos el siguiente motor para el diseño:
Tabla 3.11 Especificaciones Metal Gearmotor 37Dx57L mm
Características
Especificaciones
Alimentación
12V
Torque
6 kg-cm
RPM
30
Tamaño
37D x 57L mm
Corriente
5A
Máxima
Fuente: Catalogo de Producto, PololuRobotics&Electronics, www.pololu.com.
Para el caso de la selección del motor utilizamos el motor con torque de 6
kg.mm, este valor lo transformamos a Nm. Para poder comparar con nuestro
calculo.
Torque del motor= 0,588 Nm., por lo que para nuestro diseño utilizaremos
este motor debido a que cumple con los requerimientos antes analizados
80
3.1.8. DISEÑO MECÁNICO DE LA TOLVA
3.1.8.1.
Teoría de Janssen y Pleizner (Alemania)
En 1895, Janssen estudia la fórmula para el cálculo de las presiones sobre
las paredes y el fondo de un silo, fue el primer método para el cálculo de silos
en ser desarrollado, H. A. Janssen estudió las presiones estáticas debido al
material almacenado en silos. Su teoría está basada en el equilibrio de una
sección diferencial del silo con el material en reposo. Con este análisis
consiguió derivar la expresión para la presión vertical del material, la presión
lateral y la fuerza de fricción en la pared del silo. Este método es uno de los
más empleados para el análisis de estas fuerzas y está recomendado por la
mayoría de las normativas vigentes para el cálculo de silos.
3.1.8.2.
Cálculo de las Presiones
Para calcular el silo primero debemos obtener las presiones que va a
soportar tanto horizontal, como vertical y el espesor del silo
w =Densidad del material almacenado en la celda en kg/݉ଷ
h = Altura desde el borde superior de la celda al punto donde se calcula la
presión, en metros.
A = Área de la sección recta de la celda en, ݉ଶ
U = Perímetro de la misma sección, en m.
R = A/U= radio hidráulico medio de la sección, en m.
81
Φ =ángulo de reposo del material almacenado, en grados.
Φ´ =ángulo de rozamiento entre el material almacenado, en grados.
μ´ = tg Φ´.
Ph = Presión horizontal en kg/݉ଶ
Pv = Presión verticalen kg/݉ଶ
௉௛
ଵିୱ୧୬ ஍
݇ ൌ ௉௩ ൌ ଵାୱ୧୬ ஍
Siendo:
ࡼ࢜ ൌ
࢝ࡾ
ࣆƲ࢑
ࣆƲ࢑ࢎ
ࡾ
൬૚ െ ࢋି
(3.47)
൰
(3.48)
Tabla 3.12 Densidad Aparente
DENSIDAD APARENTE
PRODUCTOS AGRICOLAS SOLIDOS
ALFALFA, GRANOS
DENSIDAD (Kg/m3)
750 - 800
ALGODÓN, GRANOS CON SU FIBRA
420
ALGODÓN, GRANOS NO APRETADOS
100 - 120
ARROZ CÁSCARA
500 -630
ARROZ, GAVILLAS
80 - 120
FRIJOLES O HABICHUELAS, GRANOS
750 -850
ARROZ DE EMBARQUE
700 - 750
(DESCASCARADO)
Fuente: EQUIVALENCIA DE DIVERSAS UNIDADES MUNDIALES.
82
w = 850 kg/݉ଷ
ߜൌ
Siendo:
௠
(3.47)
௏
ߜ : Densidad del material kg/݉ଷ
m : masa del material – Aproximadamente 2 Kg
V: Volumen
A: Área del silo
h : Altura
r : radio del silo (7 cm)
ܸͳ ൌ ‫݄ כ ܣ‬
(3.49)
‫ ܣ‬ൌ ߨ ‫ݎ כ‬ଶ
ܸൌ
ܸൌ
(3.50)
݉
ߜ
ʹ
ͺͷͲ
ܸ ൌ ͲǡͲͲʹ͵ͷ݉ଷ
݄ൌ
݄ ൌ ͳͷǡʹ͹ܿ݉
ͲǡͲͲʹ͵ͷ݉ଷ
ߨ ‫ כ‬ሺͲǡͲ͹ሻଶ
15cm/0,15m
83
R=0,035 m
Tabla 3.13 Ángulo de Talud
ÁNGULO DE TALUD NATURAL Y COEFICIENTE DE FROTAMIENTO EN LAS PAREDES
MATERIA ENSILADA
GUISANTES,GRANOS
ANGULO DE TALUD
COEFICIENTE DE
NATURAL
FROTAMIENTO
24° a 26°
0.394 a 0.601
Fuente: EQUIVALENCIA DE DIVERSAS UNIDADES MUNDIALES.
Φ= ʹͷ଴
Φ´= –ƒିଵ ͲǡͶͻ͹ͷ
Φ´= ʹ͸ǡͶͷ଴
μ´ =0,4975
݇ൌ
ͳ െ •‹ Ȱ
ͳ ൅ •‹ Ȱ
݇ ൌ ͲǡͶͲ͸
ܲ‫ ݒ‬ൌ
ഋƲೖ
‫ܴݓ‬
൬ͳ െ ݁ ି ೃ ௛ ൰
ߤƲ݇
Remplazando los valores antes obtenidos la Presión vertical.
ܲ‫ ݒ‬ൌ ͳͶʹǤͻ
݇݃
݉ଶ
Para determinar la presión horizontal tenemos:
݄ܲ ൌ ‫ݒܲ כ ܭ‬
84
݄ܲ ൌ ͷͺǤͲͳ
݇݃
݉ଶ
Pprm = ඥሺ݄ܲଶ ൅ ܲ‫ ݒ‬ଶ ሻ
Pprm = 154.23
(3.51)
௞௚
௠మ
Para determinar el espesor del Silo Cilíndrico liso, se obtiene a partir de lo
siguiente:
݁ൌ
்
(3.52)
ଵ଴‫כ‬ఙ௔ௗ௠
݁ : Espesor de la chapa del silo mm
T: Tracción en Kg por metro lineal
ߪܽ݀݉: Esfuerzo de la tracción admisible
Dónde:
P: Presión de lateral
࢑ࢍ
࢓૛
࢑ࢍ
ܶ ൌ
௉஽
(3.53)
ଶ
(1200 ࢉ࢓૛ )
D: Diámetro del silo en metros / 0,14 m
ܶ ൌ
ͳʹͲͲͲͲͲͲ ‫Ͳ כ‬ǡͳͶ
ʹ
ܶ ൌ ͺͶͲͲͲͲ
௞௚௙
௠
(N/m)
85
ߪܽ݀݉ ൌ
ௌ௬
(3.54)
ிௌ
Sy= 310 MPa(N/mm2)
ߪܽ݀݉ ൌ
͵ͳͲ
ͳǡͷ͹
ߪܽ݀݉ ൌ ͳͻ͹ǡͶͷ‫(ܽܲܯ‬N/mm2)
ߪܽ݀݉ ൌ ͳͻ͹Ͷͷʹʹʹͻǡ͵(N/m2)
݁ൌ
ܶ
ͳͲ ‫݉݀ܽߪ כ‬
‡ ൌ ͲǡͲͶͷ…
3.1.8.3.
0,5 mm
Diseño cad / tolva de almacenamiento
A continuación se presentará los distintos elementos que se consideran al
momento del diseño de las tolvas, entre los cuales destacan:
·
Capacidad de almacenaje
·
Densidad aparente del grano
·
Angulo de reposos del grano (β)
·
Angulo de la tolva α=β + 15°
·
Tolva
·
Soporte de tolva
·
Estructura superior
86
·
Tolva
Se tiene que tener en consideración que el ángulo de reposo se lo estima
dejándolo caer a una determinada altura sobre el piso y así este representara el
ángulo de reposo.
Figura 3.51 Ángulo de reposo de la lenteja
Fuente: Propia del autor
La inclinación de la caída de la tolva que permite que el grano fluya es
aproximadamente 15° más que el ángulo de reposo.
Entonces:
·
Angulo de la tolva α=38 + 15
α=53°
La geometría diseñada para la tolva fue seleccionada para que contenga
2Kg, la tolva siempre tendrá en su interior granos. Se comienza eligiendo el
material con el que se va a trabajar, por sus propiedades físicas, facilidad de
obtención y bajo costo.
87
Figura 3.52 Tolva de almacenamiento
Fuente: Propia del autor
Se varió el diámetro de la boquilla ya que al realizar pruebas se comprobó
que el grano se atora por tener un diámetro pequeño en la boquilla para la
dosificación, el cual se incrementó a 3cm su diámetro.
Se podrá observar en el plano de la tolva.
·
Estructura Superior
La estructura fue diseñada de acuerdo a las dimensiones para acoplarse
con la tolva y tratando que no varié la altura de dosificación, logrando así evitar
problemas al momento de acoplarse con algún dispositivo o que choque con el
envase que lo dirige el disco giratorio.
Se realizó un análisis con el mismo material que se utilizó para realizar la
estructura de la banda aluminio 6061 para este tipo de construcción, con
perfiles en U con espesor de pared de 3 mm.
A continuación se muestra una imagen general de la estructura.
88
Figura 3.53 Estructura general
Fuente: Propia del autor
3.1.8.4.
·
Diseño cae/ tolvas de almacenamiento
Tolva
Figura 3.54 Cargas y sujeciones de la tolva
Fuente: Propia del autor
A continuación se va aplicar las fuerzas a las que va a estar expuesta la
tolva, como son:
·
Fuerza ejercida por el grano en el interior.
89
·
Fuerza ejercida en los apoyos de sujeción.
Se debe señalar que la capacidad máxima que tiene la tolva es de 2 Kg de
granos. A continuación se presenta los resultados obtenidos tomando en
consideración la notación dada en el análisis de los soportes:
Las constantes a utilizar para los siguientes análisis son por factores de diseño:
·
0.66 : Es el esfuerzo admisible por parte del elemento
·
350: Constante general para calcular los desplazamientos máximos
Se realizará un análisis global, y posterior a esto se realizará un análisis
puntual en la tolva ya que es donde va a estar mayormente afectado.
3.1.8.5.
Análisis general de las tolvas
·
Esfuerzo:
·
Límite elástico = 206 MPa
Figura 3.55 Diseño CAE Tolvas- ESFUERZOS
Fuente: Propia del autor
90
Se debe cumplir que:
ߪ݉ž‫ ݔ‬൏ ሾߪሿ
(3.55)
Ecuación 0-54 Relación entre esfuerzo permisible y esfuerzo máximo
ɐžš ൌ ͲǤ͵ͳ͹ƒ
Conociéndose que: ሾɐሿ ൌ ͲǤ͸͸ ‫ כ‬ɐ
Ecuación 0-55 Esfuerzo permisible
Se obtendrá:
ሾߪሿ ൌ ͲǤ͸͸ ‫Ͳʹ כ‬͸
ሾߪሿ ൌ ͳ͵ͷǤͻ͸‫ܽܲܯ‬
Cumpliéndose así con la condición de inicio
ͲǤ͵ͳ͹‫ ܽܲܯ‬൏ ͳ͵ͷǤͻ͸‫ܽܲܯ‬
·
Desplazamiento máximo:
Figura 3.56 Diseño CAE Tolvas- Desplazamientos
Fuente: Propia del autor
(3.56)
91
Se debe cumplir con:
ࢾ࢓ž࢞ ൏ ሾࢾሿ
(3.57)
Ecuación 0-56 Relación entre desplazamiento máximo y desplazamiento
permisible
Conociendo que:
ࢾ࢓ž࢞ ൌ ૙Ǥ ૙૙૙૙ૠ૞ૡૡ࢓࢓
ሾߜ ሿ ൌ ௟௢௡௚௜௧௨ௗ
ଷହ଴
(3.58)
Ecuación 0-57 Desplazamiento permisible
Donde la longitud será toda la distancia que se tenga distribuida nuestra
fuerza, siendo esta de 250 mm, tendremos:
ሾߜሿ ൌ ʹͷͲ
͵ͷͲ
ሾߜሿ ൌ ͲǤ͹ͳͶ
Cumpliéndose así con nuestra condición de inicio.
ͲǤͲͲͲͲ͹ͷͺͺ ൏ ͲǤ͹ͳͶ݉݉
92
·
Factor de seguridad
Figura 3.57 Diseño CAE Tolvas- FS
Fuente: Propia del autor
A continuación se realizará el análisis del factor de seguridad en nuestro
diseño, el mismo que debe ser mayor de 1 para evitar posibles fallos en las
tolvas.
ఙ
‫ ܵܨ‬ൌ ఙ௠ž௫
(3.59)
Ecuación 0-18 Factor de seguridad
‫ ܵܨ‬ൌ ʹͲ͸
ͲǤ͵ͳ͹
‫ ܵܨ‬ൌ ͸ͶͻǤͺ
Se observa que tenemos un factor de seguridad excesivamente alto, pero al
realizar el análisis crítico en el elemento que mayor dificultad presenta, se
observará que se tiene un factor de seguridad aceptable, posterior a realizar
varias modificaciones.
93
3.1.8.6.
Soporte de tolvas
Para el análisis del soporte de la tolva se va a tomar en cuenta:
Dónde:
ܹ݃‫ ݋݊ܽݎ‬ൌ ͳͻǤ͸ܰ
ܹ‫ ܽݒ݈݋ݐ‬ൌ ͺǤͺʹܰ
ܹ‫ ݈ܽݐ݋ݐ‬ൌ ʹͺǤͶʹܰ
Figura 3.58 Disposición de Fuerzas y sujeción en el soporte de la tolva
Fuente: Propia del autor
94
Figura 3.59 Diseño CAE Soporte de tolvas- Esfuerzos
Fuente: Propia del autor
·
Límite elástico aluminio 6061 = 55.14MPa
Se debe cumplir que:
ߪ݉á‫ ݔ‬൏ ሾߪሿ
Conociéndose que:
Se obtendrá:
(3.60)
ߪ݉á‫ ݔ‬ൌ ʹʹǤͷͳ‫ܽܲܯ‬
ሾߪሿ ൌ Ͳǡ͸͸ ‫ߪ כ‬
ሾߪሿ ൌ ͲǤ͸͸ ‫ כ‬ͷͷǤͳͶ
ሾߪሿ ൌ ͵͸Ǥ͵ͻ‫ܽܲܯ‬
(3.61)
95
Cumpliéndose así con la condición de inicio
ʹʹǤͷͳ‫ ܽܲܯ‬൏ ͵͸Ǥ͵ͻ‫ܽܲܯ‬
·
Desplazamiento máximo
Figura 3.60 Diseño CAE Soporte de tolvas- Desplazamiento máximo
Fuente: Propia del autor
Se debe cumplir con:
ߜ݉á‫ ݔ‬൏ ሾߜሿ
Conociendo que:
ߜ݉á‫ ݔ‬ൌ ͲǤͲ͵ͺ͵݉݉
ሾߜሿ ൌ ݈‫݀ݑݐ݅݃݊݋‬
͵ͷͲ
Se utilizara la Ecuación 0.57 para Desplazamiento permisible, donde la
longitud será toda la distancia que se tenga distribuida nuestra fuerza, siendo
esta de 30 mm, tendremos:
96
ሾߜሿ ൌ ͵Ͳ
͵ͷͲ
ሾߜሿ ൌ ͲǤͳͳͶ
Cumpliéndose así con la condición de inicio.
·
Factor de seguridad
ͲǤͲ͵ͺ͵݉݉ ൏ ͲǤͳͳͶ݉݉
Figura 3.61 Diseño CAE Soporte tolvas- FS
Fuente: Propia del autor
A continuación se realizará el análisis del factor de seguridad en nuestro
diseño, el mismo que debe ser mayor de 1 para evitar posibles fallos en las
tolvas.
Se utilizara la Ecuación 0.28 para determinar el Factor de seguridad
‫ ܵܨ‬ൌ ߪ
ߪ݉ž‫ݔ‬
97
‫ ܵܨ‬ൌ 3.1.8.7.
ͷͷǤͳͶ
ʹʹǤͷͳ
‫ ܵܨ‬ൌ ʹǤͶͷ
Estructura Superior
Figura 3.62 Fuerzas y sujeciones en la estructura superior
Fuente: Propia del autor
·
Esfuerzo
La fuerza que fue aplicada en las áreas indicadas, son las ejercidas debido
al peso de la tolva, los granos y al soporte de las tolvas.
Dónde:
ܹ݃‫ ݋݊ܽݎ‬ൌ ͳͻǤ͸ܰ
ܹ‫ ܽݒ݈݋ݐ‬ൌ ͺǤͺʹܰ
98
ܹ‫ ܽݒ݈݋ݐ݁ݐݎ݋݌݋ݏ‬ൌ ͳǤͶ͹ܰ
ܹ‫ ݈ܽݐ݋ݐ‬ൌ ʹͻǤͺͻܰ
Figura 3.63 Diseño CAE Estructura general- Esfuerzos
Fuente: Propia del autor
·
Límite elástico aluminio 6061 =55.14MPa
Se debe cumplir que:
ߪ݉ž‫ ݔ‬൏ ሾߪሿ
Conociéndose que:
Se obtendrá:
ߪ݉ž‫ ݔ‬ൌ ͳͲǤʹ‫ܽܲܯ‬
ሾߪሿ ൌ Ͳǡ͸͸ ‫ߪ כ‬
ሾߪሿ ൌ ͲǤ͸͸ ‫ כ‬ͷͷǤͳͶ
99
ሾߪሿ ൌ ͵͸Ǥ͵ͻ‫ܽܲܯ‬
Cumpliéndose así con la condición de inicio
ͳͲǤʹ‫ ܽܲܯ‬൏ ͵͸Ǥ͵ͻ‫ܽܲܯ‬
·
Desplazamiento máximo
Figura 3.64 Diseño CAE Estructura general- Desplazamiento máximo
Fuente: Propia del autor
Se debe cumplir con:
ߜ݉ž‫ ݔ‬൏ ሾߜሿ
ߜ݉ž‫ ݔ‬ൌ ͲǤͶͷͲ͸݉݉
100
Conociendo que:
ሾߜሿ ൌ ݈‫݀ݑݐ݅݃݊݋‬
ͺͲͲ
Donde la longitud será toda la distancia que se tenga distribuida nuestra
fuerza, siendo esta de 453 mm, tendremos:
ሾߜሿ ൌ Ͷͷ͵
ͺͲͲ
ሾߜሿ ൌ ͲǤͷ͸͸
Cumpliéndose así con nuestra condición de inicio.
·
Factor de seguridad
ͲǡͶͷͲ͸݉݉ ൏ ͲǤͷ͸͸݉݉
Figura 3.65 Diseño CAE Estructura general- FS
Fuente: Propia del autor
101
A continuación se realizará el análisis del factor de seguridad en nuestro
diseño, el mismo que debe ser mayor de 1 para evitar posibles fallos en las
tolvas.
‫ ܵܨ‬ൌ ‫ ܵܨ‬ൌ ߪ
ߪ݉ž‫ݔ‬
ͷͷǤͳͶ
ͳͲǤʹ
‫ ܵܨ‬ൌ ͷǤͶ
Obteniendo así un factor de seguridad alto, pero si cambiamos las
dimensiones de nuestra estructura en cambio se obtendría desplazamientos
bastante altos en la estructura.
3.2. NEUMÁTICA
3.2.1. CÁLCULO DE PISTONES
Las principales variables a considerar en la selección de los cilindros
neumáticos son la fuerza del cilindro, la carga, el consumo de aire y la velocidad
del pistón.
·
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:
102
‫ ܨ‬ൌ ܲ௔௜௥௘ ‫݊݋ݐݏ݈݅ܲ݁݀ܽ݁ݎܣ כ‬
(3.62)
Presión de operación del compresor = 4 Bar
Dependiendo de la presión de operación del cilindro se acogió, el siguiente
cilindro con las siguientes características las cuales fueron sacadas del ANEXO
7 de Cilindros AIRTAC.
Tabla 3.14 Cilindro Simple Efecto AIRTAC
Tamaño del
Vástago de
diámetro
(mm)
Tipo de acción
Presión de
Presión de
diámetro
la zona en
la
(mm)
(mm2)
Operación
(MPA) – 0,4
16
6
Tipo desimple
201
54,8 N
efectoEmpujar
Fuente: Manual AIRTAC para cilindros mini de Acero Inoxidable- SERIE MI
Placa de sujeción al Pistón:
Densidad de aluminio
ߜ ൌ ʹ͹ͲͲ
Material a considerar:
ap: Ancho de la placa(0,09 m)
ae: Altura del envase(0,05 m)
Área de la placa:
݇݃
݉ଷ
103
‫ ݈ܽܿܽ݌݈ܽ݁݀ܽ݁ݎܣ‬ൌ ܽ‫݁ܽ כ ݌‬
(3.63)
‫ ݈ܽܿܽ݌݈ܽ݁݀ܽ݁ݎܣ‬ൌ0,0045 m2
ep: Espesor de la placa (3mm)
ܸ‫ ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ ‫݌݁ כ ݈ܽܿܽ݌݈ܽ݁݀ܽ݁ݎܣ‬
(3.64)
ܸ‫ ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ ͲǡͲͲ͹ͷ݉ଷ
ߜൌ
ெ
௏௢௟௨௠௘௡
‫ ܯ‬ൌ ͲǡͲ͵͹‫݃ܭ‬
Peso del producto = 220 gr. / 0,22 kg
Masa total = peso del producto + M
Masa Total=0,26 Kg
Fuerza necesaria = 2,51 N
·
Cálculo de la Fuerza del Cilindro de simple Efecto:
Figura 3.66 Cilindro Simple Efecto
Fuente: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm
(3.65)
104
Dónde:
‫ ܨ‬ൌ ܲ௔௜௥௘ ‫݊݋ݐݏ݈݅ܲ݁݀ܽ݁ݎܣ כ‬
”‡ƒ†‡Ž‹•–‘ ൌ
஠‫כ‬ୈమ
ସ
(3.66)
D = Diámetro del Cilindro (mm)
”‡ƒ†‡Ž‹•–‘ ൌ
π ‫ͳ כ‬͸ଶ
Ͷ
”‡ƒ†‡Ž‹•–‘ ൌ ʹͲͳǡͲ͸ଶ
1Bar=0.1 MPa
‫ ܨ‬ൌ ͲǡͶ ‫ͳͲʹ כ‬ǡͲ͸
‫ ܨ‬ൌ ͺͲǡͶʹܰ
·
Consumo de Aire en Pistón de Simple efecto
El consumo de aire es un cilindro neumático se mide en litros por metro en
condiciones normales y depende de su diámetro, de su carrera y del número del
ciclos de ida y vuelta que efectúa en la unidad de tiempo.
Volumen del cilindro en el sentido de la salida del vástago para la carrera C:
ܸൌ
Dónde:
D = Diámetro interior (16mm)
గ‫כ‬஽మ
ସ
‫ܥכ‬
(3.67)
105
C = Carrera (75mm)
ܸൌ
ߨ ‫ͳ כ‬͸ଶ
‫ כ‬͹ͷ
Ͷ
ܸ ൌ ͳͷͲ͹ͻǡ͸ͺ݉݉ଷ
Volumen del Cilindro en el sentido de entrada del vástago
ܸͳ ൌ
గ‫כ‬ሺ஽మ ିௗమ ሻ
ସ
‫ܥכ‬
(3.68)
Dónde:
d = Diámetro vástago (6mm)
ߨ ‫ כ‬ሺͳ͸ଶ െ ͸ଶ ሻ
‫ כ‬͹ͷ
ܸͳ ൌ
Ͷ
ܸͳ ൌ ͳʹͻͷͻǡͳ݉݉ଷ
ܸ‫ ݈ܽݐ݋ܶ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ ܸ ൅ ܸͳ
(3.69)
La suma de V+V1 representa el volumen del cilindro en una carrera de ida y
regreso, por lo tanto el volumen de aire consumido por el cilindro en cada ciclo
viene dado por:
‫ ݋݉ݑݏ݊݋ܥ‬ൌ ሺܸ ൅ ܸͳሻሺܲ ൅ ͳሻ
(3.70)
Valor, que viene multiplicado por el número de ciclos que efectúa el cilindro
en la unidad de tiempo nos proporciona el consumo.
106
ܸ‫ ݈ܽݐ݋ܶ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ ͳͷͲ͹ͻǡ͸ͺ݉݉ଷ ൅ ͳʹͻͷͻǡͳ݉݉ଷ
ܸ‫ ݈ܽݐ݋ܶ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ ʹͺǡͲͶܿ݉ଷ
Ciclos de ida y regreso por 2 por min.
Volumen Total * 2 = ͲǡͲʹͺͲͶ݈ ‫ʹ כ‬
Presión= 4
௖௜௖௟௢௦
௠௜௡Ǥ
= 0,05607
௟
௠௜௡
௄௚
௖௠మ
Consumo= (Presión+1)*Volumen Total
Consumo= 0,28
௟
௠௜௡
En nuestro caso para el control de calidad, se consideró dos cilindros de
simple efecto los cuales van a tener la misma carrera e igual característicos.
Por lo tanto el consumo total de los pistones será:
‫ ݈ܽݐ݋ݐ݋݉ݑݏ݊݋ܥ‬ൌ ʹ ‫݋݉ݑݏ݊݋ܥ כ‬
‫ ݈ܽݐ݋ݐ݋݉ݑݏ݊݋ܥ‬ൌ Ͳǡͷ͸
·
݈
݉݅݊
Cálculo de la Fuerza del Cilindro de doble Efecto:
El cilindro es utilizado para la apertura y cierre de la compuerta en el
proceso de dosificación, el cilindro tiene una carrera de 100 mm en la parte del
vástago se colocará una placa, como se muestra en la Figura 3.67, esta placa
nos permite que el producto a dosificar se mantenga dentro de la tolva.
107
Se debe analizar las cargas que soportara la placa.
Para nuestro diseño, se consideró que el vástago actúa como una viga en
voladizo con carga concentrada. Para nuestro diseño se analiza la deflexión
dependiendo la carga que debe soportar.
Figura 3.67 Deflexión en desplazamiento del vástago
Fuente: Propia del autor
Dónde:
‫ݕ‬௠௔௫ ൌ െ
ி‫כ‬௟ య
ଷ‫כ‬ா‫כ‬ூ
‫ݕ‬௠௔௫: Deflexión máxima.
l: Es la longitud total del vástago más placa.
a: La distancia donde se encuentra localizada la fuerza.
R1: Reacciones normales sobre el eje.
F= Es la fuerza total que actúa sobre el vástago.
E: Modulo de elasticidad del material.
(3.71)
108
I: Inercia del elemento.
Wv: Peso sobre la placa fijada al vástago (2,5 Kg)
‫ ܨ‬ൌWv*9,8
‫ ܨ‬ൌ24,5 N
݈‫ ݋‬ൌ ͳʹͷ݉݉
‫ܫ‬ൌ
Dónde:
ߨ ‫ܦ כ‬ସ
͸Ͷ
D: Diámetro recomendado del vástago (6 mm)
E= 210000 MPa
‫ݕ‬௠௔௫ ൌ
·
Fuerza teórica del pistón:
ʹͶǡͷ ‫ʹͳ כ‬ͷଷ ‫ כ‬͸Ͷ
͵ ‫ כ ߨ כ ͲͲͲͲͳʹ כ‬͸ସ
‫ݕ‬௠௔௫ ൌ െͳ݉݉
109
Tabla 3.15 Cilindro de Doble Efecto
Tamaño del
Vástago de
Tipo de
Presión de la
Presión de la
diámetro (mm)
diámetro
acción
zona en
Operación
(mm2)
(MPA) – 0,4
(mm)
32
12
Tipo de
804,3
327,1 N
doble
efectoEmpujar
Fuente: Manual AIRTAC para cilindros mini de Acero Inoxidable- SERIE MI
Fuerza de salida:
Se trabajara a una presión de 4 Bar, debido a que esta nos proporcionar el
compresor.
P: Presión de trabajo (4Bar)- 0,4 MPa
D: Diámetro del cilindro
• ൌ ‫כ‬
‫ ݏܨ‬ൌ ͲǡͶ ‫כ‬
஠‫כ‬ୈమ
ସ
(3.72)
ߨ ‫ʹ͵ כ‬ଶ
Ͷ
‫ ݏܨ‬ൌ ͵ʹͳǡ͹ܰ
Fuerza de entrada:
d : Diámetro del vástago (12mm)
‫ ݁ܨ‬ൌ ܲ ‫כ‬
గ‫כ‬ሺ஽మ ିௗ మ ሻ
ସ
(3.73)
110
ߨ ‫ כ‬ሺ͵ʹଶ െ ͳʹଶ ሻ
‫ ݁ܨ‬ൌ ͲǡͶ ‫כ‬
Ͷ
‫ ݁ܨ‬ൌ ʹ͹͸Ǥͷܰ
Fuerza nominal a 4 bar de acuerdo a catalogo = 327.1 N
Como la fuerza nominal del pistón es mayor a la fuerza que oponen los
elementos a ser trasladados podemos tomar este pistón para ser utilizado.
Consumo:
Para determinar el volumen de salida así como la de entrada se utilizaran
las ecuaciones (3.65 y 3.66), respectivamente.
Volumen de salida:
C: Carrera del cilindro (100 mm)
ܸ‫ ݏ‬ൌ
ܸ‫ ݏ‬ൌ
Volumen de entrada:
ߨ ‫ܦ כ‬ଶ
‫ܥכ‬
Ͷ
ߨ ‫ʹ͵ כ‬ଶ
‫ͲͲͳ כ‬
Ͷ
ܸ‫ ݏ‬ൌ ͺͲͶʹͷ݉݉ଷ
ܸ݁ ൌ
ܸ݁ ൌ
ߨ ‫ כ‬ሺ‫ ܦ‬ଶ െ ݀ ଶ ሻ
‫ܥכ‬
Ͷ
ߨ ‫ כ‬ሺ͵ʹଶ െ ͳʹଶ ሻ
‫ͲͲͳ כ‬
Ͷ
111
Volumen total en un ciclo:
ܸ݁ ൌ ͸ͻͳͳͷ݉݉ଷ
ܸ‫ ݏ‬൅ ܸ݁ ൌ149,54 ܿ݉ଷ
Ciclos de ida y vuelta por minuto:
n=3 ciclos/min
ܸܿ ൌ ݊ ‫Ͳ כ‬ǡͳͶͻ݈ ൌ ͲǡͶͶͺ͸ʹ
݈
݉݅݊
Para determinar el consumo en el cilindro de doble efecto se utilizará la
ecuación (3.69).
ܳ ൌ ሺܲ ൅ ͳሻ ‫ܸܿ כ‬
ܳ௥ ൌ ሺͶ ൅ ͳሻ ‫Ͳ כ‬ǡͶͷ ൌ ʹǡʹͶ
·
Consumo total de los pistones
݈
݉݅݊
Consumo en los Pistones= Consumo total+ܳ௥
‫ ݏ݁݊݋ݐݏ݅݌ݏ݋݈݊݁݋݉ݑݏ݊݋ܥ‬ൌ Ͳǡͷ͸
݈
݈
൅ ʹǡʹͶ
݉݅݊
݉݅݊
‫ ݏ݁݊݋ݐݏ݅݌ݏ݋݈݊݁݋݉ݑݏ݊݋ܥ‬ൌ ʹǡͺ
·
Cálculo del caudal de las mangueras:
݈
݉݅݊
Longitud total de la manguera aproximadamente: 50 cm.
(3.74)
112
Diámetro de la mangueras: 1/8 plg.=3,175 mm
ܸ‫ ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ ͷͲ ‫כ‬
ߨ ‫͵ כ‬ǡͳ͹ͷଶ
Ͷ
ܸ‫ ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ ͵ͻͷǡͺ͸݉݉ଷ
ܸ‫ ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ Ͳǡ͵ͻͷܿ݉ଷ
ܸ‫ ݊݁݉ݑ݈݋‬ൌ ͲǡͲͲ͵ͻͷ݈
·
Consumo de Aire en la manguera:
2 ciclos/min.
௟
Volumen Total * 2 = ͲǡͲͲ͵ͻͷ݈ ‫ =ʹ כ‬0,0079௠௜௡
Consumo= (Presión+1)*Volumen Total
ே௟
Consumo= 0,0395௠௜௡
En nuestro caso los dos pistones de simple efecto están a las mismas
distancias por lo que las longitudes de las mangueras serán iguales.
Así que el consumo total en las mangueras será:
ே௟
Consumo m1= 0,0395*2 ௠௜௡ (Pistones de Simple efecto)
Consumo total1= 0,079
ே௟
௠௜௡
ே௟
Consumo m2= 0,0395௠௜௡ (Pistón de doble efecto)
113
Ctm: Consumo total en las mangueras de los diferentes pistones
Ctm= 0,079
ே௟
௠௜௡
+0, 0395
ே௟
௠௜௡
௟
Ctm= 0,1185 ௠௜௡
·
Consumo total en pistones y mangueras
Consumo2=‫ ݏ݁݊݋ݐݏ݅݌ݏ݋݈݊݁݋݉ݑݏ݊݋ܥ‬൅ Ctm
Consumo2=͵ǡͳͶ
௟
௠௜௡
Consumo2= 3,2585
൅0,1185
௟
௠௜௡
௟
௠௜௡
114
3.3. ELÉCTRICO/ELECTRÓNICO
3.3.1. DISEÑO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
El control de los motores se lo realizará de dos maneras manual y
automática, para esto se diseñó circuitos los cuales permitirán realizar el control
sobre los motores.
Antes de analizar los circuitos es necesario mencionar el lenguaje de
programación, se utilizó una
plataforma de electrónica abierta llamada
ARDUINO.
Arduino se utiliza para la creación de prototipos basada en software y
hardware flexibles y fáciles de usar.
La plataforma Arduino puede tomar la información del entorno a través de
sus pines de entrada de toda una gama de sensores y puede afectar aquello
que le rodea controlando luces, motores y otros actuadores.
El microcontrolador que se utilizo fue el ATmega328P microcontrolador
Bootloader Arduino en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de
programación Arduino(basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino
(basado
en Processing).Microcontrolador
Atmega328
precargado
bootloader del Arduino UNO basado en OptiBoot que funciona a 115kbps.
con
115
Figura 3.68 Microcontrolador ATmega328P
Fuente: http://todoelectronica.com/microcontrolador-arduino-bootloader-atmega328-p13186.html
En Anexos se describirá el programa realizado en ARDUINO utilizado para
el control del motor, todos los comandos y librerías utilizadas
pueden ser
detallados en la página de ARDUINO. La cual fue utilizada para describir y
asignar cada una de las variables utilizadas en el programa.
Para verificar el programa que se realizó en ARDUINO, se utilizó el
programa PROTEUS que es muy utilizado en el diseño de circuitos
electrónicos.
Figura 3.69 Programación en Arduino
Fuente: Propia del autor
116
Es necesario señalar que para poder cargar el programa en la simulación
realizada en PROTEUS, ARDUINO genera un ejecutable .hex el cual se
visualiza en el programa, en la parte inferior de color negro se debe copiar la
dirección y cargarla en la simulación del microcontrolador ATmega328P como
se indica en la figura, el código del programa se encuentra en el (Anexo 5).
Figura 3.70 Dirección .hex en Atmega328p
Fuente: Propia del autor
Para realizar el control del motor
se utilizó un driver de potencia que
permite controlar motores DC este es el chip L298N. Este dispositivo permite
controlar el sentido de giro y velocidad mediante señales TTL.
Figura 3.71 Driver de Control L298N
Fuente: http://yourduino.com/sunshop2/index.php?l=product_detail&p=336
117
Las principales características por las cuales se utilizó este driver son:
·
Alimentación motores: 5-46V DC
·
Corriente máxima: 2 Amperios por salida (4A en total o puenteado)
·
Alimentación lógica independiente: 5-7V
·
Corriente para lógica: ~36 mA
·
Niveles TTL: Bajo -0.3V~1.5V, alto: 2.3V~Vss
Las siguientes figuras que se describirán muestran la simulación del motor y
control respectivo que se realiza con el microcontrolador y el driver de potencia.
Los datos se verán visualizados en el LCD el cual muestra los cambios de
estado que presenta el motor. Estos cambios se darán por medio de pulsos y
cada uno de ellos ejecuta una acción sobre el motor.
Los parámetros que se consideró para realizar el control del motor fueron los
siguientes:
1.
Incrementó de las RPM del motor.
2.
Decremento de las PRM del motor.
3.
Control ON/OFF del motor
4.
Cambio de giro del motor.
5.
Resetear todo el proceso.
118
1
2
3
4
5
Figura 3.72 Pulsadores para el Control del motor
Fuente: Propia del autor
Figura 3.73 Simulación del Control del Motor
Fuente: Propia del autor
119
Figura 3.74 Incremento de RPM
Fuente: Propia del autor
Figura 3.75 Disminución de las RPM
Fuente: Propia del autor
120
Figura 3.76 Cambio de Giro
Fuente: Propia del autor
Figura 3.77 Diseño de la Placa electrónica
Fuente: Propia del autor
121
Figura 3.78 Diseño del Circuito PCB
Fuente: Propia del autor
Se diseño una placa electrónica que permite realizar el control del motor
pero esta vez utilizando el PLC 1200, se realizo un control ON/OFF el cual
permitirá controlar los motores de manera automatica desde el PLC.
La placa electrónica se conectaráa bornés que estan ubicadas en los
pulsadores de la primera placa, esto nos permitira comunicar ambas placas y
estas señales utilizarlas para conectarlas al PLC y realizar el control de los
motores.
Como se muestra en la figura 3.79 la señal que se envia al PLC sale TBlock
J1 esta debe conectarse a las salidas del PLC para realizar el control ON/OFF
del motor.
122
Figura 3.79 Diseño de la Placa Electrónica de potencia
Fuente: Propia del autor
Se utilizó un circuito Darlington, cuando el pulsador permanece sin accionar
la tensión en la base del Darlington es cero y por lo tanto está en corte, no
circulan corrientes y el motor permanece parado.
Si se acciona el pulsador, la tensión en la base aumenta y se pasa a
saturación, en este momento, el Darlington permite el paso de corriente y el
motor se pone en marcha.
Como la ganancia de corriente es de 1000 aproximadamente, si se hace
circular una corriente de 1 mA por la base por el colector circulará una corriente
de 1000 mA es decir de un Amperio. La resistencia R3 limita la corriente que
entra por la base.
Por otra parte la caída de tensión entre la base y el emisor del Darlington se
corresponde con la caída de tensión en dos diodos de silicio en polarización
directa, es decir 1,4 V. El diodo en paralelo con el motor protege al Darlington
123
del pico de corriente que produce el bobinado del motor en el mismo momento
que el Darlington pasa de saturación a corte debido a la fuerza contra
electromotriz.
Figura 3.80 Diseño del Circuito PCB
Fuente: Propia del autor
Se realizó una tarjeta en la que van a estar ubicados los sensores que son
nuestras entradas y los actuadores que son nuestras salidas
Figura 3.81 Diseño de la tarjeta principal
Fuente: Propia del tutor
124
3.3.2. SENSOR FOTOELÉCTRICO SENSICK W100
Es un dispositivo que
opera
al cambio en la intensidad de la luz.
Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un
componente receptor que percibe la luz generada por el emisor. Todos los
diferentes modos de sensar se basan en este principio de funcionamiento.
Estos sensores tienen múltiples aplicaciones pero para este proceso será
utilizado para la detección y el control de los envases en el ingreso al proceso
de dosificación.
Figura 3.82Sensick W100
Fuente: http://www.tme.eu/es/details/wl12l-2b530/sensores-fotoopticos-estandar/sick/
·
Fuentes de luz
Los sensores fotoeléctricos utilizan leds como fuentes de luz. Un led es un
elemento semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, el cual emite una
luz cuando una corriente circula por él en forma directa.
125
Fuentes de luz habituales
Color
Rango
Características
ROJO
660…700
Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser
nm
afectado por luz ambiente intensa, y es de uso
general en aplicaciones industriales.
Las características más relevantes de este sensor son las siguientes:
· Energéticos interruptores de proximidad fotoeléctricos para aplicaciones
estándar
· La luz roja visible como dispositivo de ajuste
· Punto de conmutación ajustable
Tabla 3.16 Especificaciones técnicas del sensor fotoeléctrico
Especificaciones Técnicas
Distancia de Operación
10-100 mm
Suministro de tensión Vs
10-30 VDC
Consumo de energía
≤ 30 mA
Corriente de salida Iamax
100 mA
Tiempo de respuesta
≤ 0.5 ms
Frecuencia de conmutación
1,000 Hz
3.3.3. SENSOR CAPACITIVO HANYOUNG NUX 18RP
Este dispositivo electrónico nos permite señalar un cambio de estado,
basado en la variación de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos nos
permiten detectar objetos metálicos, o no metálicos, midiendo la variación en la
126
capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar
su masa, tamaño, forma y la distancia hasta la superficie sensible del detector.
Los sensores capacitivos son detectores los cuales están construidos en
base a un oscilador RC. 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.
Figura 3.83 Partes del Sensor Capacitivo
Fuente: http://sensoresdeproximidad.blogspot.com/p/capacitivo.html
En la figura 3.83 se visualiza el campo eléctrico que al tener cerca un material,
el sensor reacciona ante un cambio en la capacitancia de su zona activa.
127
Tabla 3.17 Especificaciones técnicas del sensor capacitivo
Especificaciones Técnicas
Alcance
15mm +/- 10%
Diámetro
30mm
Alimentación
12 - 24VDC
Respuesta en frecuencia
60 Hz
Salida de control
NPN-NA / 200 mA
Grado de protección
IP65
3.3.4. SENSORES MAGNÉTICOS CIL DC/AC 4-2
Los sensores magnéticos son utilizados básicamente para controlar la
posición del pistón en cilindros y manipuladores. La característica del sensor es
detectar el campo del imán integrado en el pistón a través de la pared del
actuador. Estos sensores nos permitirán detectar la posición sin contacto, los
sensores magnéticos funcionan de forma fiable y libre de desgaste, no se
produce ninguna quemadura por roce, rebote o adhesión y solo hay un punto de
actuación. La posición del pistón se detecta de forma fiable también a altas
velocidades de desplazamiento.
3.3.5. INTERRUPTORES FINAL DE CARRERA
Este tipo de sensores son también conocidos como microswitch que es un
conmutador de 2 posiciones con retorno a la posición de reposo el cual cuenta
con una palanca de accionamiento como se puede ver en la figura 3.84.
128
El funcionamiento del microswitch en estado de reposo la pata común (C) y
la de contacto normal cerrado (NC), están en contacto permanente hasta que la
presión aplicada a la palanca del microswitch hace saltar la pequeña platina
acerada interior y entonces el contacto pasa de la posición de normal cerrado a
la de normal abierto (NO), se puede escuchar cuando el microswitch cambia de
estado, porque se oye un pequeño clic, esto sucede casi al final del recorrido de
la palanca.
Figura 3.84 Funcionamiento del Microswitch
Fuente: Propia del autor
3.4. SISTEMAS DE CONTROL
En el diseño se consideró,
dos formas de control del proceso son de
manera manual o de manera automática, es importante mencionar que se
realizará un HMI, con el propósito de identificar las variables que permitirán
realizar la configuración de parámetros y operación para realizar el control del
sistema de dosificación. El estudiante modificará los parámetros iniciales de
control, para obtener una respuesta diferente en el proceso.
129
Para el control de todo el proceso de dosificación se utilizó el PLC S7-1200
el cual nos ofrece la flexibilidad y potencia necesarias para controlar una gran
variedad de dispositivos para las distintas necesidades de automatización.
3.4.1. SELECCIÓN DE COMPONENTES
En el tablero se colocan las borneras de alimentación (110V), un relé de
protección, al PLC siemens S7-1200, las borneras para las entradas y salidas
digitales con las cuales contamos.
Figura 3.85 Componentes
Fuente: Propia del tutor
·
La fuente de alimentación permite energizar con corriente a la unidad
central y a los módulos de amplificación conectados.
·
Las entradas y salidas nos permiten realizar el control para el sistema de
automatización.
Las entradas nos permiten indicar las diferentes señales de los aparatos de
campo como pueden ser sensores o interruptores, mientras que las salidas
pueden activar a motores y electroválvulas.
130
· Los diodos luminosos nos indican el modo de operación de la CPU (RUN
o STOP), el estado de las entradas del PLC.
Entradas digitales
El PLC S7-1200 cuenta con 10 entradas digitales cuya alimentación es de 24
VDC. En el proyecto se utilizaron 6 entradas digitales las cuales están
distribuidas de la siguiente manera:
Tabla 3.18 Disposición de entradas digitales usadas en el PLC
N°
Descripción
TIPO
Dirección
1
Sensor fotoeléctrico
Input
Digital
I0.0
2
Sensor Capacitivo
Input
Digital
I0.1
3
Sensor magnético 1
Input
Digital
I0.2
4
Sensor magnético 2
Input
Digital
I0.3
5
Microswitch1
Input
Digital
I0.4
6
Microswitch2
Input
Digital
I0.5
Salidas Digitales
En el PLC S7-1200 se cuenta con 10 salidas digitales tipo relé, las cuales se
pueden conectar a 24 VDC, para nuestro proyecto se utilizaron todas las salidas
a relé con las que cuentan el PLC.
131
Tabla 3.19 Disposición de salidas digitales usadas en el PLC
N°
Descripción
TIPO
1
Incremento Motor Banda
Output
Digital
Q0.0
2
Decremento Motor Banda
Output
Digital
Q0.1
3
I/O Motor Banda
Output
Digital
Q0.2
4
Incremento Motor Disco
Output
Digital
Q0.3
5
Decremento Motor Disco
Output
Digital
Q0.4
6
I/O Motor disco
Output
Digital
Q0.5
7
Electroválvula A+
Output
Digital
Q0.6
8
Electroválvula A-
Output
Digital
Q0.7
9
Electroválvula S. Efecto B+
Output
Digital
Q1.0
10
Electroválvula S. Efecto C+ Output
Digital
Q1.1
Figura 3.86 Diagrama PLC S7-1200
Fuente: Propia del tutor
Dirección
132
3.4.2. COMUNICACIÓN S7-1200
Para el montaje se han utilizado los siguientes componentes hardware:
En la laptop se ha instalado el software: TIA Portal V11 para la programación
del controlador de Siemens, se utilizó el PLC S7-1214 con firmware 2.2.
La comunicación pala el PLC S7-1200 se los realizó bajo el protocolo Modbus
sobre el medio físico de una red Ethernet. Es posible configurar los parámetros
de la interfaz PROFINET.
Figura 3.87 Puerto profinet
Fuente: Propia del tutor
La comunicación del SIMATIC S7-1200 está formada por una conexión
RJ45 inmune a perturbaciones, con función autocrossing, que admite hasta 16
conexiones ethertnet y alcanza una velocidad de transferencia de datos hasta
de 10/100 Mbits/s. para reducir al mínimo las necesidades de cableado y
permitir la máxima flexibilidad de red, puede usarse conjuntamente con
SIMATIC s7-1200 el nuevo compact switch module CSM 1277, a fin de
configurar una red homogénea o mixta, con topologías de línea, árbol o estrella.
133
Desarrollador del software para el modulo
Para el desarrollo del módulo se utilizaron el siguiente software`s:
·
LABVIEW
·
TIA PORTAL V11 SIEMENS
·
KEPSeverEx5
·
ARDUINO 1.0.5
Con cada uno de
estos software`s se realizó una determinada
programación, los cuales se describirán a continuación.
Con el software de LABVIEW se realiza la programación de la interfaz
hombre maquina amigable al operador, con el software TIA PORTAL V11 se
desarrolla el algoritmo de control del PLC en lenguaje ladder, el KEPSeverEX5
se utilizó para para conectar, gestionar, monitorizar y controlar diferentes
dispositivos y aplicaciones de software en automatización esto nos permitirá
tener una comunicación entre el PLC y el HMI.
Arduino es una plataforma de creación de prototipos electrónicos de código
abierto basado en flexibilidad, hardware y software en el cual se desarrolló un
algoritmo que permita controlar los diferentes motores.
SIMATIC TIA PORTAL V11
El software optimiza todos sus procedimientos de procesamiento, operación
de máquinas y planificación. Los datos y proyectos preexistentes pueden
integrarse sin ningún esfuerzo, por el entorno de programación del S7-1200. El
134
STEP7 Basic v11es la herramienta en la que vamos a configurar, administrar y
programar nuestros S7-1200 y las. Todo bajo un mismo entorno de forma
rápida y sencilla.
El Tia Portal V11 dispone del lenguaje de programación KOP el cual se
utilizó para desarrollar el modulo. Este es el lenguaje más apropiado para esta
aplicación por su estructura didáctica.
Figura 3.88 Ventana de programación TIA PORTAL
Fuente: Propia del tutor
Desarrollo del programa del PLC
Mediante la programación del PLC se puede trabajar con los siguientes modos
de operación:
·
Local o Remoto
Se diseñó alternativas para que el operador pueda hacer funcionar el
modulo didáctico, ya sea físicamente o desde una PC.
135
Para cualquiera de los casos antes descritos se diseñó una manera de
trabajar manual el cual es activado por el operario o de modo automático, el
cual permitirá accionar y controlar los diferentes motores.
Figura 3.89 Programa de configuración del PLC
Fuente: Propia del tutor
Modo Local Manual
En este modo de operación la pantalla (LCD) le indica al usuario, las
condiciones actuales del motor y si desea que este sea activado. Se accionan
los motores DC dependiendo del proceso que se requiera, y esto se realiza
mediante el switch respectivo que se encuentra en cada uno de los circuitos
como se puede visualizar en la figura 3.90.
Cada circuito cuenta con cuatro botones o switch los cuales cumplen una
función específica dependiendo de las necesidades del usuario, como el
incremento o decremento en las RPM de los motores, STAR/STOP del motor y
cambio de giro.
136
Figura 3.90 Mensaje de visuaalización modo local manual
Fuente: Propia del tutor
Modo remoto Manual
En este modo de trabajo se diseñó en un sistema HMI, a través del software
de labview el cual permitirá al usuario contar con algunas alternativas para
poder ejecutar el proceso.
En la pantalla principal del HMI se visualiza las variables que permiten
controlar el sistema automático de dosificación como: sensores, señales de los
respectivos motores y también el proceso de visión artificial el cual se utilizó,
para clasificar los envases de acuerdo al color y forma del envase.
En la figura 3.91 se describe el algoritmo de control para el modo local
manual
del
PLC.
137
Figura 3.91 Programa de modo local del PLC
Fuente: Propia del tutor
138
CAPÍTULO 4
PRUEBAS Y PUESTA EN MARCHA
4.1.
INTRODUCCIÓN
En este capítulo se describen las pruebas realizadas y los análisis
complementarios. Las pruebas de funcionamiento de la parte mecánica,
neumática, electrónica y de control para los diferentes envases a dosificar.
Se realiza la verificación de las conexiones eléctricas en la tarjeta de control
de los sensores y actuadores, con el objetivo de asegurar un buen
funcionamiento de todo el proceso y que se cumpla con los objetivos.
4.2.
PLAN DE PRUEBAS
4.2.1. PRUEBAS DEL SISTEMA MECÁNICO
Corresponden las pruebas de cada uno de los movimientos para la
dosificación, la banda transportadora, funcionamiento de las electroválvulas de
dosificación, como las de clasificación para determinar y eliminar los posibles
defectos.
139
Pruebas de movimiento de la banda transportadora
En el momento del encendido del motorreductor que acciona a la banda
transportadora para el ingreso de botellas, se observó que tiende a desviarse la
banda hacia un lado y no permanecer en línea uniforme, eso se solucionó de
manera rápida debido a que tiene dos tensores que deben estar a la misma
distancia tensionados para que no ocurra este inconveniente, pero a la vez no
debe estar muy tensionada ya que puede hacer que los rodillos tanto el
conductor como el conducido resbalen y no ejerzan ningún movimiento a la
banda transportadora.
Figura 4.92 Tensor de la banda transportadora
Fuente: Propia del tutor
Luego se enciende el segundo motorreductor que debe dirigir el envase
vacío bajo el tren de llenado y luego detenerse hasta que sea llenado, para
después encenderse de nuevo y llevarlo al envase hacia la banda
transportadora y continuar con el proceso, se observó que se encuentra
funcionando correctamente ya que no presenta ningún problema en su
movimiento.
140
Figura 4.93 Sistema de tren de llenado
Fuente: Propia del tutor
Pruebas de movimiento del tren de llenado
En cada prueba realizada se analiza el movimiento de dosificación ya que la
tolva debe estar bien alineada con la boquilla secundaria para que no exista
desperdicio de producto y a la vez la alineación de la tolva con la boquilla
permitan que el producto caiga de manera adecuada a los envases para esto
tuvimos que ubicar el pistón de doble efecto que actúa en forma de compuerta
para que dosifique.
Pruebas de las electroválvulas de dosificación y de clasificación
Durante las pruebas en el cilindro de doble efecto el problema que surgió
era de alinearlo de manera adecuada para que al momento que el cilindro abra
la compuerta y regrese no choque con las paredes de la boquilla secundaria,
141
para solucionar este inconveniente se realizaron varias pruebas de calibración
hasta conseguir que el cilindro salga y regrese sin ningún problema.
Para los cilindros de clasificación de simple efecto, se observó que salían
muy rápido debido a la cantidad de aire que ingresa en los cilindros neumáticos
que permiten este movimiento, para solucionar este inconveniente se colocó
reguladores de caudal para la salida y el regreso logrando así poder tener
control de la cantidad necesaria y a la vez conseguir un movimiento con la
velocidad adecuada ya que en los cilindros de clasificación podían hacer que el
envase derrame el producto y no actué de forma adecuada el proceso.
Pruebas de volumen para los diferentes envases
Durante las pruebas del volumen se realizó una toma de datos para verificar
que el llenado de los dos tipos de envases están dentro del riesgo de error
aceptado es generalmente del +5% y -5%.
Tabla 4.20 Dato teórico
Envases
Dato
teórico
Pequeño
86
Mediano
160
Tabla 4.21 Toma de datos de envase pequeño
N°
Peso envase
pequeño
1
84
2
84,5
3
83,5
4
83,3
5
83,9
Promedio
83,84
142
Para obtener el riesgo de error usamos la siguiente ecuación
‫ܧ‬Ψ ൌ ‫ ݋ܿ݅ݎ݋݁ݐ݋ݐܽܦ‬െ ‫݈ܽݐ݊݁݉݅ݎ݁݌ݔ݁݋ݐܽܦ‬
‫ͲͲͳ כ‬Ψ
‫݋ܿ݅ݎ݋݁ܶ݋ݐܽܦ‬
‫ܧ‬Ψ ൌ ͺ͸ െ ͺ͵ǡͺͶ
‫ͲͲͳ כ‬Ψ
ͺ͸
‫ܧ‬Ψ ൌ ʹǡͷͳ
De la misma forma lo realizamos para el envase mediano
Tabla 4.22 Toma de datos de envase mediano
N°
Peso envase
mediano
1
155
2
155,4
3
155,1
4
154,8
5
155,1
Promedio
155,08
‫ܧ‬Ψ ൌ ͳ͸Ͳ െ ͳͷͷǡͲͺ
‫ͲͲͳ כ‬Ψ
ͳ͸Ͳ
‫ܧ‬Ψ ൌ ͵ǡͲͺ
Así logramos determinar que la dosificación realizada por medio de los dos
sensores magnéticos si nos asegura el volumen adecuado dentro de los
parámetros antes mencionados.
143
Figura 4.94 Sistema de clasificación
Fuente: Propia del tutor
4.2.2. PRUEBAS DEL SISTEMA ELECTRÓNICO
Pruebas de funcionamiento de las tarjetas electrónicas
Una vez realizada la comprobación del funcionamiento independiente de los
sistemas mecánicos, procedemos a verificar el funcionamiento de las tarjetas
electrónicas diseñadas. Con esto comprobamos la continuidad en todos sus
elementos con el objetivo de que no exista la perdida de señal, también
monitorear el voltaje de las fuentes de alimentación de 5V y 12V, activación y
desactivación de los relés para tener el control de los motorreductores por
medio del microcontrolador.
144
Figura 4.95 Fuente de alimentación de 5V - 12V
Fuente: Propia del tutor
También se verifico las señales de activación de los motorreductores y su
debido aislamiento con la tarjeta principal de control y evitar el ruido eléctrico al
poner los motores en marcha.
Figura 4.96 Circuitos de control y de potencia
Fuente: Propia del tutor
Finalmente se comprobó el funcionamiento de la tarjeta principal que nos
permite controlar los sensores y actuadores desde el PLC y adicionalmente una
primera prueba de comunicación con el computador.
145
Figura 4.97 Tarjeta principal de comunicación PLC – Proceso
Fuente: Propia del tutor
Pruebas de calibración de la cantidad de volumen a dosificar
Estas pruebas se realiza descargando el producto de la tolva hacia los
envases a ser llenados con lo cual para calibrar el volumen de los diferentes
envases se colocó dos sensores magnéticos que funcionarían como finales de
carrera logrando así que la compuerta se cierre y haga la dosificación con el
volumen adecuado, en el caso de los envases y por la velocidad de llenado la
diferencia de la ubicación de los sensores es mínima y para lo cual el aire que
está en el cilindro debe ser constante para que así no ocasione que los envases
tanto el pequeño como el mediano sean llenados con poco producto o que a su
vez se riegue el mismo bajo el tren de llenado.
146
Figura 4.98 Calibración de volumen a dosificar
Fuente: Propia del tutor
Pruebas de los sensores
Una vez hechas las pruebas de las placas electrónicas que tienen el control
sobre los motorreductores, se realizó la calibración de los sensores, y de los
dos microswitch y se realizaron las siguientes pruebas.
Se verifico que todos los dispositivos conectados en la tarjeta principal que
es la intermediaria entre el proceso y el PLC, se encuentren alimentados y en
sus salidas presenten los niveles adecuados necesarios para el control y
detectar que su lógica no este invertida NPN o PNP, como el sensor
fotoeléctrico y el sensor capacitivo.
En los fines de carrera se verifico la ubicación a la cual deben estar
colocados para que exista la sincronización al momento de quedar los envases
bajo el tren de llenado y que regrese a la posición de inicio, para continuar con
el siguiente envase.
147
Pruebas de comunicación Ethernet
La prueba de comunicación Ethernet se la realiza configurando el IP que
tiene el PLC S7 1200 con la tarjeta de red de la PC. Una vez comprobado que
existe la comunicación entre el PLC y la PC se realizó un HMI desarrollada en
Labview, para lo cual también hay que verificar que exista comunicación con el
OPC server de la cual se menciona en el Anexo como se debe configurar.
Pruebas del funcionamiento de la HMI
Durante estas pruebas se verifico si no hay perdida de información a través
de la comunicación HMI, entonces se activó y desactivo repetidamente el
proceso para el encendido de los motorreductores, las electroválvulas, los
sensores y finales de carrera para luego poner en marcha todo el proceso.
4.3.
PUESTA EN MARCHA
Con la verificación de que el sistema mecánico, sistema electrónico y el
sistema de control funcionan de manera adecuada se conectó de manera
respectiva las señales que son entradas y las que son salidas para el PLC,
además que se implementó con dos rieles, la primera para el PLC con el
breaker y la segunda para las borneras, donde posteriormente se procedió a
energizar a todo el proceso y se verifico si todas las señales estén conectadas
correctamente en la tarjeta principal implementada y a través de la PC también
se verifico las señales para garantizar la fiabilidad del equipo.
148
Figura 4.99 Conexión a PLC
Fuente: Propia del tutor
4.4.
MODULO COMPLETO
A continuación se muestra la conformación del módulo.
Figura 4.100 Sistema de dosificación de sólidos
Fuente: Propia del tutor
149
CAPITULO 5
MANUAL DE USUARIO
En el manual de usuario se describe como hacer un nuevo archivo para
programar en el TIA PORTAL V11, además de configurar el KEPServerEX5 que
nos permite tener la comunicación entre el Labview y el PLC S7-1200 que
trabajaría en forma de interfaz gráfica.
5.1.
COMUNICACIÓN NI-OPC SERVERS CON SIEMENS S7-1200
CPU1214C Y LABVIEW
La conexión entre un PLC y un PC es un proceso muy utilizado en el área
industrial, a continuación se describirá la forma de conectar un computador con
OPC a un PLC siemens S7-1200.
Arquitectura del sistema
Para esta práctica se necesita de los siguientes elementos (Anexo A1)
Figura 5.101 Arquitectura del sistema
Fuente: Propia del tutor
150
5.2. ELABORACIÓN DE LAS PRÁCTICAS
Descripción de las Prácticas a Realizarse
Una vez concluidas las pruebas en el módulo didáctico y verificando cada
uno de los componentes utilizados, se procede a realizar cada una de las
prácticas con el objetivo de que el
estudiante pueda adquirir poco a poco
experiencia, sobre el uso del módulo, especialmente del PLC y la interfaz de
comunicación para el control de los procesos.
El modulo didáctico es un modelo a escala de un proceso industrial para un
sistema de dosificación, el cual es funcional y óptimo para realizar diferentes
prácticas las cuales se describirán a continuación:
5.2.1. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 1
El título de la práctica #1 “Control de la banda transportadora con el
PLC”. Esta práctica pretende que el estudiante tenga un primer contacto con el
PLC, y con el módulo de dosificación, se utilizará una parte del proceso, todo el
control se lo realizará con el PLC y se activaran las salidas.
El objetivo principal de la práctica es que el estudiante conozca el correcto
funcionamiento de una banda transportadora, junto con los componentes
mecánicos, electrónicos y tipo de control que se utilizó para el funcionamiento.
151
5.2.2. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 2
El título de la práctica # 2 “Sincronización del disco giratorio”. El objetivo
de esta práctica es que el estudiante realice un programa para la sincronización
del disco giratorio el cual es activado por un motor, este proceso es
indispensable para el correcto ingreso de los envases hacia el proceso de
dosificación.
Este proceso se lo realiza mediante el PLC para su control así como un
sensor fotoeléctrico y dos microswitch los cuales nos permitirá tener señales de
entrada para el ingreso de los envases, y poder activar el disco giratorio.
5.2.3. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 3
El título de la práctica # 3 es “Sistema automático de dosificación”. En
esta práctica el estudiante trabajará con seis señales digitales las cuales
cumplirán una determinada función en el sistema de dosificación
El estudiante en esta práctica deberá aplicar los conocimientos adquiridos
en las anteriores prácticas debido a que tendrá que utilizar la banda
transportadora junto con el disco giratorio para posicionar el envase por debajo
de la tolva y activar la electroválvula para realizar el dosificado de acuerdo al
tipo de envase con la intervención de dos sensores magnéticos.
152
5.2.4. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 4
El título de la práctica # 4 “Clasificación de Envases de acuerdo al
color”. Esta práctica tiene por objetivo utilizar el software de Labview NI
VISION de visión artificial.
El estudiante tendrá que clasificar los envases de acuerdo al color después
de realizar el proceso de dosificación, pero utilizando la herramienta de visión
artificial para esto deberá utilizar labview y programar en dicho software, una
vez identificado el envase se activará los pistones de simple efecto los cuales
guiaran los envases por rieles.
5.2.5. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA # 5
El título de la práctica # 5
“Clasificación de Envases de acuerdo al
tamaño”. Esta práctica tiene por objetivo utilizar el software de Labview NI
VISION de visión artificial.
El estudiante tendrá que clasificar los envases de acuerdo al color después
de realizar el proceso de dosificación, pero utilizando la herramienta de visión
artificial para esto deberá utilizar labview y programar en dicho software, una
vez identificado el envase se activará los pistones de simple efecto los cuales
guiaran los envases por rieles.
153
5.3. ELABORACIÓN DE LAS PRÁCTICAS
5.3.1. GUÍA DE LA PRÁCTICA #1
Título: “Control de la banda transportadora con el PLC”
a) Objetivo:
-
Identificar el tipo de variables para el control con el PLC.
-
Investigar el funcionamiento de la Banda Transportadora.
-
Realizar un tipo de control Manual y Automático
b) Materiales y Equipos:
-
PLC SIEMENS S7-1200
-
Fuente de poder
-
Cable de comunicación
-
Computador
-
Programa TIA PORTAL V11
-
Elementos de la Banda Transportadora
-
Labview
c) Puntos requeridos para realizar la práctica:
154
·
Se debe verificar las variables con las cuales se requiera realizar el
control para la banda transportadora.
·
Los circuitos diseñados cuentan con pulsadores que permiten de manera
manual poder realizar el control.
·
Se podrá realizar una interfaz HMI para por medio de pulsadores creados
en el software de LABVIEW poder incrementar o decremento de las rpm
del motor que activa la banda transportadora.
-
Elaborar un programa en el cual al activarse las Salidas digitales.
Tabla 5.23 Salidas digitales
Variables
Descripción
M0.0
Pulsos que activan el incremento
M0.1
Pulsos que activan el decremento
Q0.0
Salida que activa el incremento de las rpm.
Q0.1
Salida que activa el decremento de las rpm.
Q0.2
Salida que activa el I/O Motor.
Q0.3
Salida que activa el cambio de giro en el motor.
d) Conclusiones y Recomendaciones
Nota: Todos los resultados y soluciones para la práctica #1, están en (ANEXO
2).
155
5.3.2. GUÍA DE LA PRÁCTICA #2
Título: “Sincronización del disco giratorio con el PLC”
a) Objetivo:
-
Identificar el tipo de variables para el control con el PLC.
-
Sincronizar el disco giratorio para el ingreso de los envases.
-
Realizar este proceso con el de la banda transportadora.
b) Materiales y Equipos:
-
PLC SIEMENS S7-1200
-
Fuente de poder
-
Cable de comunicación
-
Computador
-
Programa TIA PORTAL V11
-
Elementos que componen el disco giratorio.
-
Labview
c) Puntos requeridos para realizar la práctica:
156
·
Se debe verificar las variables con las cuales se requiera realizar el
control en el disco que es activado por el motor 2.
·
Los circuitos diseñados cuentan con pulsadores que permiten de manera
manual poder realizar el control.
·
Este proceso es indispensable debido a que se debe utilizar tres
entradas digitales las cuales son utilizadas para el control del motor del
disco giratorio.
·
Se podrá realizar una interfaz HMI para por medio de pulsadores creados
en el software de LABVIEW poder incrementar o decremento de las rpm
del motor que activa la banda transportadora.
-
Elaborar un programa en el cual al activarse las Salidas digitales.
Tabla 5.24 Entradas y salidas digitales
Variables
Descripción
I0.0
Sensor Fotoeléctrico
I0.1
Microswitch
I0.2
Microswitch1
Q0.3
Salida que activa el incremento de las rpm.
Q0.4
Salida que activa el decremento de las rpm.
Q0.5
Salida que activa el I/O Motor
d) Conclusiones y Recomendaciones
Nota: Todos los resultados y soluciones para la práctica #2, están en (ANEXO
3).
157
5.3.3. GUÍA DE LA PRÁCTICA #3
Título: “Sistema automático de dosificación”
a) Objetivo:
-
Identificar el tipo de variables para el control con el PLC.
-
Investigar tipos de sistemas de dosificación.
-
Realizar un sistema de dosificación manual o automático.
b) Materiales y Equipos:
-
PLC SIEMENS S7-1200
-
Fuente de poder
-
Cable de comunicación
-
Computador
-
Programa TIA PORTAL V11
-
Elementos del sistema de dosificación
-
Labview
c) Puntos requeridos para realizar la práctica:
158
·
Se debe conocer sobre el funcionamiento de los sensores magnéticos.
·
Elementos neumáticos que se utilizan para la práctica.
·
Conexión y alimentación para la electroválvula para el cilindro de doble
efecto.
·
Se podrá realizar una interfaz HMI para por medio de pulsadores creados
en el software de LABVIEW poder indicar el tipo de dosificación que se
requiere realizar.
-
Elaborar un programa en el cual al activarse las Entradas y
Salidas digitales, para el sistema de dosificación
Tabla 5.25 Entradas y salidas digitales
Variables
Descripción
I0.0
Sensor Capacitivo
I0.1
Sensor magnético
I0.2
Sensor magnético 1
Q0.6
Salida que activa la electroválvula A-
Q0.7
Salida que activa la electroválvula A+
d) Conclusiones y Recomendaciones
Nota: Todos los resultados y soluciones para la práctica #3, están en (ANEXO
4).
159
5.3.4. GUÍA DE LA PRÁCTICA #4
Título: “Clasificación de Envases de acuerdo al color”
a) Objetivo:
-
Identificar el tipo de variables para el control con el PLC.
-
Investigar sobre Labview NI VISION
-
Realizar un tipo de control que permita clasificar los envases de
acuerdo a su color.
b) Materiales y Equipos:
-
PLC SIEMENS S7-1200
-
Fuente de poder
-
Cable de comunicación
-
Computador
-
Programa TIA PORTAL V11
-
Elementos del sistema de dosificación
-
Cámara web
-
Labview NI VISION
160
c) Puntos requeridos para realizar la práctica:
·
Activar banda transportadora de manera manual o por el PLC debido, a
que se deben transportar los envases hacia el proceso de visión artificial.
·
Conocer el software Labview Ni Vision indispensable para realizar la
práctica.
·
Conexión y alimentación del sistema neumático para los cilindros de
simple efecto necesarios para realizar la clasificación del envase de
acuerdo al color.
·
Se realizara una interfaz HMI para visualizar que tipo de envase ingresa.
-
Elaborar
un
programa
en
el
cual
pueda
activarse
las
electroválvulas.
Tabla 5.26 Salidas digitales
Variables
Descripción
M0.0
Memoria para activar la señal de la electroválvula.
M0.1
Memoria para activar la señal de la electroválvula.
Q1.0
Salida que activa la electroválvula S. Efecto B
Q1.1
Salida que activa la electroválvula S. Efecto C
d) Conclusiones y Recomendaciones
Nota: Todos los resultados y soluciones para la práctica #4, están en (ANEXO
1).
161
5.3.5. GUÍA DE LA PRÁCTICA #5
Título: “Clasificación de Envases de acuerdo al tamaño”
a) Objetivo:
-
Identificar el tipo de variables para el control con el PLC.
-
Investigar sobre Labview NI VISION
-
Realizar un tipo de control que permita clasificar los envases de
acuerdo al tamaño.
b) Materiales y Equipos:
-
PLC SIEMENS S7-1200
-
Fuente de poder
-
Cable de comunicación
-
Computador
-
Programa TIA PORTAL V11
-
Elementos del sistema de dosificación
-
Cámara web
-
Labview NI VISION
162
c) Puntos requeridos para realizar la práctica:
·
Activar banda transportadora de manera manual o por el PLC debido, a
que se deben transportar los envases hacia el proceso de visión artificial.
·
Conocer el software Labview Ni Vision indispensable para realizar la
práctica.
·
Conexión y alimentación del sistema neumático para los cilindros de
simple efecto necesarios para realizar la clasificación del envase de
acuerdo al color.
·
Se realizara una interfaz HMI para visualizar que tipo de envase ingresa.
-
Elaborar
un
programa
en
el
cual
pueda
activarse
las
electroválvulas.
Tabla 5.27 Salidas digitales
Variables
Descripción
M0.0
Memoria para activar la señal de la electroválvula.
M0.1
Memoria para activar la señal de la electroválvula.
Q1.0
Salida que activa la electroválvula S. Efecto B
Q1.1
Salida que activa la electroválvula S. Efecto C
d) Conclusiones y Recomendaciones
Nota:Todos los resultados y soluciones para la práctica #5, están en (ANEXO
1).
163
CAPÍTULO 6
ANÁLISIS ECONÓMICO FINANCIERO
6.1. ANÁLISIS ECONÓMICO FINANCIERO
6.1.1. ANTECEDENTE
·
El proyecto que se realiza es para dar una solución en el laboratorio de
Automatización Mecatrónica ya que por motivos de inexistencia de
módulos didácticos no se puede realizar las prácticas de laboratorio por
parte de los estudiantes de la Facultad de Ingeniería Mecatrónica, debido
a que existe una gran cantidad de estudiantes.
·
En primera instancia el proyecto de grado es financiado totalmente por
los estudiantes ejecutores de dicho proyecto de grado.
6.1.2. COSTOS DEL PROTOTIPO
6.1.2.1.
Costos Directos
Dentro de los costos directos del prototipo tenemos:
Costos de construcción, para la construcción y ensamble de toda la parte
mecánica, como la estructura de la banda transportadora, disco selector,
soportes de los envases, cubierta del sistema de calidad y soportes para los
pistones de clasificación. Se necesita la experiencia de un tecnólogo en
164
elaboración de máquinas industriales que partiendo de los materiales y planos
necesarios hechos en base a nuestro diseño, realice la construcción de las
partes del prototipo.
Tabla 6.28 Mano de obra tecnólogo
Mano de obra tecnólogo
$ 297,00
Para la cinta de la banda transportadora se necesita la ayuda de la empresa
Bandas & Bandas, que se dedica a la elaboración de bandas industriales de
diferentes tipos para las necesidades de las industrias y mediante los cálculos
de nuestros rodillos obtuvimos una banda con su respectivo espesor, además
para la unión de la banda es vulcanizada.
Tabla 6.29 Elaboración de la banda
Medidas de banda
Costo
Cantidad
Total
156mm x 60mm
22,40
2
44,80
El costo de la ingeniería de los dos ejecutores, para la realización del
proyecto durante los seis meses que duró el mismo es el siguiente:
Tabla 6.30 Costo de la ingeniería de los ejecutores
Ejecutores
$ 3200,00
Costos de materiales, para poder construir el módulo didáctico y cumplir con
los objetivos propuestos se necesita de los siguientes materiales:
165
Tabla 6.31 Lista de materiales de la parte Mecánica
Material
Costo
Cantidad
Total
Folleto de banda
20,00
1
20,00
Envase pequeño
2,00
5
10,00
Envase mediano
2,25
8
18,00
Plancha de aluminio 3mm
63,50
1
63,50
Transporte de plancha
5,00
1
5,00
Corte de plancha
1,20
1
1,20
Torno ejes
7,50
1
7,50
Tubo para eje
1,00
1
1,00
Rodamientos
2,00
4
8,00
Perno hex GR8.8 negro 7x1.0x20
0,05
8
0,40
Matrimonio
3,00
2
6,00
Chumaceras para ejes
3,00
2
6,00
Chumaceras para rodillos
3,00
4
12,00
Corte y acabado de ejes
1,75
2
3,50
Matrimonio de acero inoxidable
2,00
2
4,00
Tuerca mm GR8.8 7x1.0
0,02
8
0,16
Perno hex GR8.8 negro 5x.80x16
0,03
20
0,60
Tuerca mm GR8.8 paso especial
0,20
2
0,40
Tuerca mm galvan/t 5x0,80
0,02
20
0,40
Plancha de acero inoxidable 1mm
10,00
1
10,00
Tolva
90,00
1
90,00
Caja de cámara de visión
2,00
1
2,00
Base de acero galvanizado
25,00
1
25,00
Buril cónico tust -d/C
40,00
1
40,00
Buril oval tust -d/C
33,79
1
33,79
Lija #80 para taladro
6,75
1
6,75
Fibra #240 para taladro
15,00
1
15,00
16x1.50
166
Caja de acrílico placas control
42,00
1
42,00
Caja de acrílico placa sensores
17,50
1
17,50
Perforaciones disco
11,00
1
11,00
Spray cromado
4,38
2
8,76
Brujita
1,50
1
1,50
Tornillos m3
0,05
20
1,00
Tornillos m4
0,05
20
1,00
Placas de maquina
7,00
2
14,00
Pintura
75,00
1
75,00
Estructura de madera
7,50
1
7,50
TOTAL
569,46
167
Tabla 6.32 Lista de materiales de la parte electrónica
Material
Costo
Cantidad
Total
Motor 30 rpm 6kg/cm
25,00
2
50,00
Cámara
70,00
1
70,00
Sensor palpadorreflex
117,50
1
117,50
Cable de mando de pv
2,08
11
22,88
Sensor capacitivo
40,00
1
40,00
Cable utp
1,50
1
1,50
Canaleta
3,62
1
3,62
Caja de fuente
6,00
1
6,00
Conectores banana y plug
6,60
1
6,60
Micro switch
0,60
3
1,80
Capacitores 10uf
0,40
4
1,60
Manguera termofundible
2,00
1
2,00
Case db25
0,60
1
0,60
Borneras para plc
0,80
21
16,80
Riel para plc
4,50
1
4,50
Breaker
4,91
1
4,91
Porta fusible
2,67
1
2,67
Fusible
0,45
1
0,45
Terminales cobre
0,12
10
1,20
TOTAL
354,63
168
Tabla 6.33 Lista de materiales de la tarjeta de control
Material
Costo
Cantidad
Total
Resistencia 1/4 W
0,03
30
0,90
Capacitor 22pf
0,20
4
0,80
Capacitor 1000uf/16V
0,35
4
1,40
Capacitor 104
0,10
6
0,60
Zócalos 28 pines
0,50
2
1,00
Atmega 328
0,70
4
2,80
Driver L298M
4,25
2
8,50
Espadin hembra simple
0,50
1
0,50
Led
0,20
2
0,40
Borneras 2pines
0,30
14
4,20
Molex 16pines
1,25
4
5,00
LCD 16x2
7,00
2
14,00
Potenciómetro precisión 5K
0,65
2
1,30
Pulsadores 7mm
0,30
10
3,00
Sw grande bl
0,45
2
0,90
cristal 20MHz
0,65
2
1,30
Cable 40h
0,25
4
1,00
TOTAL
47,60
169
Tabla 6.34 Lista de la tarjeta de potencia
material
costo
cantidad
total
Zócalos 8pines
0,09
8
0,72
4n25
0,65
8
5,20
2N3904
0,12
8
0,96
Tip 41
0,55
8
4,40
1N4007
0,12
8
0,96
Borneras 2pines
0,30
10
3,00
Borneras 3pines
0,35
8
2,80
Relé 12V 5pines
0,80
8
6,40
PCB de control
18,90
2
37,80
PCB de Potencia
15,20
2
30,40
TOTAL
92,64
Tabla 6.35 Lista de materiales de la tarjeta principal
Material
Costo
Cantidad
Total
Borneras 3pines
0,30
36
10,80
Db25
0,40
2
0,80
Bornera de placa 25pines
1,25
2
2,50
Resistencia 1K 1/2W
0,03
2
0,06
Papel
0,87
1
0,87
Placa de fibra
2,45
2
4,90
Ácido
0,22
4
0,88
PCB de tarjeta principal
20,00
1
20,00
TOTAL
40,81
170
Tabla 6.36 Lista de materiales de la parte neumática
material
costo
cantidad
total
Sensor para cilDC/AC 4-2
16,64
2
33,28
Cilindro simple efecto 16x75mm
47,79
2
95,58
Cilindro iso 32x100mm sm
52,58
1
52,58
Montaje tipo pie MA-16
4,37
4
17,48
Manguera
0,49
3
1,47
Válvula solenoide VM 1/8 3-2ss
30,81
2
61,62
41,34
1
41,34
Acople recto 6mm x 1/8 MPT
0,64
4
2,56
Codo quick 6mm x 1/8 MPT
0,86
2
1,72
Codo quick 6mm x M5
0,90
4
3,60
Silenciador BR 1/8 MPT
0,61
3
1,83
Regulador silenciador 1/8
3,00
2
6,00
Regulador unidad 6x1/8mpt
4,74
2
9,48
Regulador caudal 6xm5
8,46
3
25,38
TEE rapido 6mm
1,16
4
4,64
Acople recto 6mm x 1/4 MPT
1,78
3
5,34
sm
24VDC
Válvula solenoide 1/4 5-2ds
24VDC
TOTAL
363,90
El total de los costos directos es el siguiente:
Costos Directos = 297,00 + 44,80 + 3200,00 + 1470
Costos Directos = $ 5011,80
171
6.1.2.2.
Costos Indirectos
Dentro de este rubro se contempla: el transporte de los materiales,
materiales de prueba, planificación del proyecto, impresión de memoria técnica
y planos.
Tabla 6.37 Costos indirectos
Costos indirectos
$ 600
6.1.3. COSTO TOTAL DEL PROTOTIPO
El costo total de prototipo resulta de la sumatoria de todos los costos antes
mencionados:
Costo total del prototipo = costos directos + costos indirectos
Costo total del prototipo = 5011,80 + 600
Costo total del prototipo = $ 5611,80
Para este análisis no se tomó en cuenta como costo directo el valor del PLC
S7-1200, por el motivo que este pertenece al laboratorio de Automatización.
6.1.4. RECUPERACIÓN DE LA INVERSIÓN DEL MÓDULO DIDÁCTICO
Para el análisis de la recuperación de la inversión del módulo didáctico, se
tomó en cuenta el número de créditos que son designados para la asignatura
de Automatización y Mecatrónica. El número es de cinco créditos, de los cuales
cuatro créditos están asignados a la teoría y uno crédito está asignado para
prácticas de laboratorio.
172
El número de estudiantes de la asignatura de Automatización y Mecatrónica
va aumentando en cada nivel, y generalmente este número varía entre 60 a 80
estudiantes, para fines de cálculo tomaremos un promedio de 70 estudiantes.
El crédito estudiantil de la ESPE aumenta cierto porcentaje en cada nivel,
actualmente este valor es de $35 y con los datos el presupuesto para el
Laboratorio de Automatización y Mecatrónica es de:
70 _ estudiante s ´
1 _ créditos
$35
´
= $2450
estudiante créditos
El laboratorio no cuenta con el equipo para realizar prácticas de procesos
industriales con el fin que los estudiantes se familiaricen, y a su vez la
programación de los PLC´S.
Si un 50% de este presupuesto fuera destinado para el pago del módulo
didáctico, tendríamos $1225 por semestre y al año sería $2450 que ingresa al
laboratorio para el módulo didáctico.
Tabla 6.38 Ingresos al laboratorio por utilización del prototipo
Ingresos laboratorio
$ 2450
Se realiza un cálculo estimado del costo por práctica en el módulo didáctico.
Las cinco prácticas utilizan todos los elementos de control y automatización del
proceso.
173
La duración de cada práctica de laboratorio es de una hora y media (1.5 H).
Suponemos para el cálculo que una fuente eléctrica de todo el modulo didáctico
está trabajando constantemente durante toda la práctica de laboratorio.
Consumo eléctrico de la práctica : 1.5 KW ×1.5H = 2.25
KW - H
práctica
Costo del KW - H : $ 0.15
Costo eléctrico de la práctica : 2.25
KW - H
$
$
× 0.15
= 0.34
práctica
KW - H
práctica
El número de prácticas a realizarse con el modulo didáctico son cinco, el
número de estudiantes es de 70 y éstos se dividen en grupo de dos
estudiantes, lo que significa que tenemos un total de 35 grupos. Cada grupo
debe realizar las cinco prácticas lo cual nos da un total de 175 prácticas que se
realizan por semestre. Este valor proyectado en el año nos representa 350
prácticas.
El costo total de las prácticas en el año es:
Costo total de las prácticas : 0.34
$
prácticas
$
× 350
= 119
práctica
año
año
El costo de la dirección de la práctica por parte de un ingeniero más la de un
ayudante es de $ 75 al mes, y al año sería un valor de $900.
El prototipo será depreciado a diez años y el valor de salvamento será de
cero, por lo tanto el valor de depreciación es de:
Depreciaci ón :
5611.80 - 0
= $561.18
10
174
El costo total para la elaboración de prácticas en el módulo didáctico
durante el primer año es:
Tabla 6.39 Costo para la elaboración de prácticas en el primer año
$
año
Práctica
119.00
Dirección
900.00
Depreciación
561.18
Total
1580.18
Hay que tomar en cuenta la inflación anual del Ecuador en el año 2012 2013 que fue aproximadamente del 8.00%. En la siguiente tabla se proyectan el
costo del módulo didáctico más los costos de elaboración de las prácticas a 10
años.
Se debe tomar en consideración que el valor actual del crédito estudiantil de
la ESPE es de $ 35.00, Tomando como referencia el valor anterior que era de
$32.50, tenemos que el crédito a aumentado en un 7% por semestre, para fines
de cálculo tomaremos un valor de incremento del crédito del 10% anual.
Para el cálculo de los ingresos de laboratorio de Automatización y
Mecatrónica
asumimos que se mantiene constante la asignación del 50%
durante los diez años con lo cual tenemos la siguiente tabla (6.41)
175
Tabla 6.40 Costo proyectado a diez años
Períodos en
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5611,80
5050,62
4489,44
3928,26
3367,08
2805,90
2244,72
1683,54
1122,36
561,18
0,00
Depreciación
0,00
561,18
561,18
561,18
561,18
561,18
561,18
561,18
561,18
561,18
561,18
Costos Fijos
0,00
900,00
972,00
1049,76
1133,74
1224,44
1322,40
1428,19
1542,44
1665,84
1799,10
Costos
0,00
119,00
128,52
138,80
149,91
161,90
174,85
188,84
203,95
220,26
237,88
1580,18
1661,70
1749,74
1844,83
1947,52
2058,43
2178,20
2307,57
2447,28
2598,17
Años
Valor
Variables
Inflación
Costos totales
8,00%
5611,80
176
Tabla 6.41 Ingresos proyectados a diez años
Períodos en
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
34,5
35,00
38,50
42,35
46,59
51,24
56,37
62,00
68,21
75,03
82,53
4900,00
5390,00
5929,00
6521,90
7174,09
7891,50
8680,65
9548,71
10503,59
11553,94
2450,00
2695,00
2964,50
3260,95
3587,05
3945,75
4340,32
4774,36
5251,79
5776,97
Años
Valor del
credito
Incre. del
10,00%
Credito
Ingreso por
credito
Asigna. pagar
50,00%
prototipo
Ingreso total
0,00
177
Tabla 6.42Flujo neto de caja proyectado a diez años
Períodos en
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-5611,80
869,82
1033,30
1214,76
1416,12
1639,53
1887,32
2162,12
2466,79
2804,51
3178,81
Años
Flujo neto de
Caja
Tabla 6.43 Calculo del VAN
Períodos en
Años
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VAN
-5611,80
735,58
738,97
734,66
724,26
709,11
690,30
668,76
645,24
620,37
594,64
178
Con todos los valores calculados anteriormente obtenemos el Valor Actual
Neto (VAN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR) para la aceptación o no del
proyecto.
La fórmula para el cálculo del VAN es la siguiente:
FNC1
VAN = - Inversión +
1
(1 + i )
FNC 2
+
2
(1 + i )
+ ... +
FNCn
(1 + i )n
FNC: Flujo Neto de Caja
i: este es igual a Tasa Mínima Aceptable de Rendimiento (TMAR)
El TMAR se calcula de la siguiente manera:
TMAR : i1 + f + i1 × f
i 1 : premio al riesgo
f : inflación
El premio al riesgo tomado en el proyecto es de 7.5% y la inflación es de
10%, donde el TMAR nos da:
TMAR = i = 18.25%
La fórmula para el cálculo del TIR es la siguiente:
Inversión =
FNC: Flujo Neto de Caja
VS: Valor de Salvamento
FNC1
1
(1 + i )
+
FNC 2
2
(1 + i )
+ ... +
FNCn + VS
(1 + i )n
179
Despejando la i de la ecuación anterior tenemos el TIR.
Tabla 6.44 VAN y TIR
VAN
TIR
1250,09
22,96%
Observando que la máquina tiene beneficios ya que si se recupera la
inversión y los costos de este módulo didáctico son económicos y a la vez nos
permite realizar para demostraciones y prácticas por parte de los estudiantes,
es claro que el módulo didáctico de proyecto de grado realizado nos permite
realizar una mayor cantidad de procesos aplicables a la industria utilizando el
PLC S7 - 1200 de manera real.
180
CAPÍTULO 7
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1. CONCLUSIONES
Terminado la realización del presente proyecto de titulación se han obtenido las
siguientes conclusiones:
·
El proyecto realizado cumple con los objetivos propuestos de diseñar y
construir un sistema automático de dosificación de sólidos utilizando un
controlador lógico programable S7-1200 y una interfaz HMI.
·
Se emplearon materiales muy utilizados en las industrias, como tolva de
acero inoxidable y la banda transportadora de PVC grado alimenticio.
·
De acuerdo a nuestro diseño de la tolva se garantiza un flujo continuo
del producto, sin atascamientos en la boca de la tolva.
·
Los circuitos electrónicos diseñados garantizan la eficiencia en el
proceso sin la necesidad de conectar a un PLC, esto permite verificar su
correcto funcionamiento.
·
Al controlar el recorrido del embolo a través de los sensores magnéticos
se garantiza la eficiencia en el proceso de llenado para dos tipos de
envases diferentes.
181
·
La cámara web que se incorporó al proceso de visión artificial permite
que el usuario obtenga imágenes con alta nitidez para realizar la
programación.
182
7.2. RECOMENDACIONES
·
Se puede mejorar el proceso de dosificación utilizando sensores de nivel
verificando que exista producto en la tolva.
·
En procesos industriales se recomienda verificar el voltaje de las fuentes
de alimentación con las cuales trabaja el proceso para garantizar que el
equipo funcione en óptimas condiciones.
·
Para garantizar que el proceso de dosificación sea continuo para dos
tipos de envases de diferente forma se recomienda incorporar una
cámara web al inicio del proceso.
·
Se podrá realizar otro tipo de dosificación, utilizando una Galga
extensiométrica reemplazando el sensor capacitivo con el objetivo del
realizar el proceso de llenado de acuerdo al peso.
183
Bibliografía
·
ARDUINO. (26 de Septiembre de 2010). ARDUINO. Recuperado el
Marzo de 2013, de http://www.arduino.cc/es/
·
Budynas, R., & Nisbett, K. (2008). Diseño en Ingeniería mecánica de
Shigley. México D.F.: McGRAW-HILL.
·
Habasit. (2009). Bandas Transportadoras. Recuperado el Abril de 2013,
de http://www.habasit.com/
·
Millan, S. (1995). Automatización Neumática y electroneumática.
Barcelona: Marcombo S.A.
·
SIEMENS. (Septiembre de 2009). Manual del sistema de un controlador
programable S7-1200. Recuperado el 5 de Mayo de 2013, de
http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/aut_s
imatic/Documents/Manual%20de%20sistema%20SIMATIC%20S71200%20Ed.2009-11.pdf
·
Svoboda,
J.,
&
Dorf,
R.
(2006).
Circuitos
Electricos.
México:
ALFAOMEGA GRUPO EDITOR.
·
systemens, D. (Agosto de 2010). Método de Elementos Finitos.
Recuperado
el
Mayo
de
2013,
de
http:///www.SolidWorks/NonCore/SimulationXpress.com
·
Technologies, K. (Noviembre de 2010). KepserverEx Client Connectivity
guide for national instruments Labview. Recuperado el Mayo de 2013, de
184
http://www.kepware.com/Support_Center/SupportDocuments/KTSM0003
2_LabVIEW_Connectivity_Guide.pdf
·
Zienckiewicz, L., & Taylor, R. (1994). Método de elementos finitoa.
México D.F: McGraw-Hill/CIMNE.
185
PLANOS
186
ANEXO A1
GUIA DE PRÁCTICA 1
187
ANEXO A2
GUIA DE PRÁCTICA 2
188
ANEXO A3
GUIA DE PRÁCTICA 3
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement