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TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
DISEÑO DE UN SISTEMA DE DOSIFICACIÓN POR MASA
PARA UNA MÁQUINA ENVOLVEDORA VERTICAL.
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
por el TSU Héctor R. Piñango O.
para optar al Título de
Ingeniero Electricista.
Caracas, 2017
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
DISEÑO DE UN SISTEMA DE DOSIFICACIÓN POR MASA
PARA UNA MÁQUINA ENVOLVEDORA VERTICAL.
PROFESOR GUÍA: ING. PEDRO PINTO
TUTOR INDUSTRIAL: ING. JHONNY MARTÍNEZ
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
por el TSU Héctor R. Piñango O.
para optar al Título de
Ingeniero Electricista.
Caracas, 2017
iii
iv
DEDICATORIA
A mis padres, por todas sus enseñanzas, apoyo, confianza
y por haberme dado la vida.
v
AGRADECIMIENTOS
La elaboración de este trabajo solo ha sido posible principalmente gracias a
mis padres que siempre me han apoyado en todas mis metas, a todos los profesores
de la EIE a los que tuve el privilegio de conocer y aprender de sus conocimientos, en
especial a los profesores Raúl Arreaza, Pedro Pinto, Servando Álvarez, Mercedes
Arocha, Alejandro González, Luis Sarco, Simón Morales, José Gregorio Czwiencze,
Ebert Brea , William La Cruz, Julian Pérez, Nerio Ojeda, Zeldivar Bruzual, Héctor
Lizarraga, Carlos Moreno y a muchos otros profesores que hacen vida en la escuela,
por su valioso esfuerzo y dedicación en la noble tarea de educar y preparar a las
generaciones de relevo, mi más sincero agradecimiento.
También quiero darle las gracias a mis amigos de 3Phasic Solutions: Jhonny
Martínez y Jorge Crespo por su gran apoyo y colaboración durante la elaboración del
proyecto.
Muchas gracias a todos.
vi
Piñango O. Héctor R.
DISEÑO DE UN SISTEMA DE DOSIFICACIÓN POR MASA PARA
UNA MÁQUINA ENVOLVEDORA VERTICAL
Profesor Guía: Ing. Pedro Pinto. Tutor Industrial: Ing. Jhonny Martínez. Tesis.
Caracas. U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Eléctrica.
Ingeniero Electricista. Opción: Electrónica y Control. Institución: 3Phasic
Solutions, C.A. Trabajo de Grado. 2017. 110 hojas + Anexos.
Palabras Claves: Automatización; Dosificación; PLC; HMI; Celda de Carga;
Sellado Térmico.
Resumen. Se plantea el diseño de un sistema de dosificación por masa para una
máquina envolvedora vertical, para lo cual se propone analizar el principio de
funcionamiento y características de este tipo de máquinas, determinar la solución que
satisfaga los requerimientos del cliente, realizar la selección de instrumentos y
equipos necesarios para implementar el diseño, desarrollar el programa del sistema de
control de manera óptima, realizar los planos, diagramas y cálculos de la instalación,
diseñar e instalar el tablero de control y los demás equipos requeridos. El proyecto
surge de la necesidad del cliente de modificar el sistema de dosificación original de la
máquina y con ello obtener una mayor flexibilidad y variedad en esta línea de
producción. El proyecto abarca la implementación y pruebas de funcionamiento,
dejando la máquina operativa.
vii
INDICE GENERAL
CONSTANCIA DE APROBACIÓN iii
DEDICATORIA iv
AGRADECIMIENTOS v
RESUMEN vi
INDICE GENERAL vii
INDICE DE FIGURAS ix
INDICE DE TABLAS xii
LISTA DE ACRÓNIMOS xiii
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I 3
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3
1.1. Generalidades 3
1.2. Objetivo general 3
1.3. Objetivos específicos 3
1.4. Alcance 4
1.5. Limitaciones 4
CAPÍTULO II 5
2. MARCO REFERENCIAL 5
2.1. Automatización de sistemas industriales 5
2.2. Interfaz Humano – Máquina 15
2.3. Determinación de variables de proceso 16
2.4. Variador de frecuencia 24
2.5. Relé de estado sólido 25
2.6. Elementos en los sistemas de control neumáticos 26
CAPÍTULO III 34
3. MÁQUINA ENVOLVEDORA VERTICAL FAMA 34
3.1. Generalidades del sistema original 34
viii
3.2. Propuesta de modificaciones de la máquina envolvedora vertical 45
3.3. Requerimientos de la máquina envolvedora vertical 48
3.4. Variables de proceso de la máquina envolvedora vertical 49
CAPÍTULO IV 51
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL 51
4.1. Generalidades del diseño del sistema de control 51
4.2. Diagrama de instrumentación y tuberías del sistema 51
4.3. Selección de equipos y dispositivos 56
4.4. Selección de conductores 68
4.5. Selección de las protecciones eléctricas 77
4.6. Diseño del tablero de control 79
4.7. Desarrollo del software de control 81
CONCLUSIONES 102
RECOMENDACIONES 103
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 104
BIBLIOGRAFÍA 110
GLOSARIO 111
ANEXO A 114
ANEXO B 122
ANEXO C 134
ANEXO D 135
ix
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Envolvedora vertical. 1
Figura 2. Diagrama en bloques de un sistema de control a lazo cerrado. 7
Figura 3. Partes de un sistema automatizado. 9
Figura 4. Clasificación de los controladores lógicos. 9
Figura 5. Arquitectura de un autómata programable. 12
Figura 6. Clasificación de los PLC´s según el número de E/S. 13
Figura 7. Control supervisorio con pantalla táctil. 16
Figura 8. Relación resistencias vs temperatura para distintos materiales. 19
Figura 9. Partes de un termopar industrial. 21
Figura 10. Circuito básico de un VFD y la señal obtenida a su salida. 25
Figura 11. Sistema Bobina-Muelle de una electroválvula. 27
Figura 12. Válvula con accionamiento de rodillo. 27
Figura 13. Funcionamiento de las válvulas distribuidoras 3/2 vías. 29
Figura 14. Funcionamiento de las válvulas distribuidoras 5/2 vías. 29
Figura 15. Cilindro neumático de simple efecto. 31
Figura 16. Cilindro neumático de doble efecto. 32
Figura 17. Envolvedora vertical marca FAMA. Vista frontal. 36
Figura 18.Conexión de la bobina de PE-LD. 37
Figura 19. Sistema de dosificación volumétrica instalado en el sistema original. 37
Figura 20. Vista transversal de la máquina. 38
Figura 21. Conexión de la bobina de PE-LD. 39
Figura 22. Unidad de formación de envoltorios. 39
Figura 23. Sellado térmico longitudinal. Vista lateral. 40
Figura 24. Sellado térmico transversal inferior y superior. Vista lateral. 40
Figura 25. Motor principal y su conexión al eje de accionamiento. 41
Figura 26. Placa del motor principal. 42
Figura 27. Mecanismo de arrastre del film de PE-LD. 43
x
Figura 28. Sistema de dosificación volumétrica. 44
Figura 29. Cinta transportadora del producto final. 44
Figura 30. Sistema de dosificación por masa. 47
Figura 31. Esquema actual de la máquina envolvedora vertical. 48
Figura 32. Diagrama de Instrumentación y Tuberías. 52
Figura 33. Leyenda del P&ID del proceso. 53
Figura 34. Diagrama en bloques del suministro eléctrico desde el punto de
generación hasta las cargas conectadas al tablero de control. 71
Figura 35. Curvas de disparo para interruptores termo-magnéticos. 77
Figura 36. Entorno de programación de Siemens, TIA PORTAL V13. 82
Figura 37. Estructura lineal de programación. 83
Figura 38. Programación mediante una estructura modular. 84
Figura 39. Diagrama general de un programa estructurado en bloques. 86
Figura 40. Diagrama general del software de control estructurado en bloques. 89
Figura 41. Bloque de función- Proceso. 90
Figura 42. Diagrama de flujo del control Automático/Manual. 92
Figura 43. Segmento de control de Marcha/Parada del motor principal según el
modo de operación Automático/Manual. 92
Figura 44. Secuencia en la rutina de producción de envoltorios. 93
Figura 45. Bloque de función para el control de velocidad del motor. 94
Figura 46. Funcionamiento del FB ´Control de velocidad´. 94
Figura 47. Bloque de función para la medición del peso de la tolva de pesaje. 95
Figura 48. Funcionamiento del FB ´Medición de Peso´. 95
Figura 49. Bloque de función para medir las temperaturas de las resistencias de
sellado térmico. 96
Figura 50. Función de control PID para la temperatura de la resistencia
longitudinal. 97
Figura 51. Control PID de la temperatura de la resistencia de sellado térmico
longitudinal. 98
Figura 52. Pantalla de inicio de la HMI. 99
xi
Figura 53. Pantalla de configuración del sistema. 99
Figura 54. Pantalla de control en modo automático. 100
Figura 55. Pantalla de control en modo manual. 100
Figura 56. Pantalla de estado del sistema. 101
Figura 57. Pantalla de información. 101
xii
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Características de sondas de resistencias. 20
Tabla 2. Tolerancias y temperaturas de trabajo de termopares. Norma IEC584-1. 24
Tabla 3. Datos de la placa del motor principal. 42
Tabla 4. Estudio y selección del sistema de dosificación 46
Tabla 5. Lazos de control del proceso. 55
Tabla 6. Estudio comparativo para la selección del PLC. 59
Tabla 7. Estudio comparativo para la selección de la fuente de 24 VDC. 62
Tabla 8. Estudio comparativo para la selección del VFD. 63
Tabla 9. Requerimientos y características del transductor de temperatura. 63
Tabla 10. Requerimientos y características del transductor de peso. 64
Tabla 11. Estudio comparativo para la selección de la celda de carga. 65
Tabla 12. Requerimientos de selección del sensor fotoeléctrico. 65
Tabla 13. Requerimientos de selección del SSR. 67
Tabla 14. Requerimientos de selección de las electroválvulas distribuidoras
3/2 y 5/2. 68
Tabla 15. Determinación del calibre de los conductores de los equipos de
fuerza bajo el criterio de capacidad de corriente. 69
Tabla 16. Determinación del alimentador del tablero de control basado en la
sección 409.20 del CEN. 70
Tabla 17. Capacidad de cortocircuito del alimentador del tablero de control. 76
Tabla 18. Capacidad de cortocircuito de los conductores de las cargas
conectadas al tablero de control. 76
Tabla 19. Características de las protecciones eléctricas seleccionadas. 78
xiii
LISTA DE ACRÓNIMOS
AC: Corriente alterna.
ADC: Convertidor analógico digital.
DAC: Convertidor digital analógico.
DC: Corriente directa.
AS: Suministro de aire.
HMI: Interfaz Humano-Máquina.
NA: Normalmente abierto.
NC: Normalmente cerrado.
PE-LD: Polietileno de baja densidad.
PID: Proporcional-Integral-Derivativo.
PLC: Controlador lógico programable.
SSR: Relé de estado sólido.
VAC: Voltaje de corriente alterna.
VDC: Voltaje de corriente directa.
VFD: Variador de frecuencia.
1
INTRODUCCIÓN
Debido a la necesidad de automatizar los procesos industriales y minimizar
los tiempos empleados en diversas líneas de producción, son utilizadas con frecuencia
máquinas automáticas envolvedoras verticales, también conocidas, por su nombre en
inglés, como Flow Pack Vertical, que pueden simultáneamente empaquetar y realizar
la dosificación del producto. Por dosificación se entenderá como la regulación de la
cantidad o porción del producto.
Las envolvedoras verticales son máquinas para empaquetar, donde el
producto, a través de un sistema de dosificación externo o manualmente a través de
un operador, se introduce en el tubo de formación del sobre o envoltorio, y
posteriormente se realiza el cierre del mismo. Los sobres se realizan a partir de una
bobina de hoja plana de material termosellable, que puede ser polietileno,
polipropileno o una combinación de ambos. En la Figura 1 se muestra un esquema
simple de la máquina envolvedora vertical en donde se puede apreciar el proceso de
empaquetado. En cuanto a la forma del envoltorio, estos pueden ser “con fondo
cuadrado” o forma de “cojín”.
2
Figura 1. Envolvedora vertical [1]
Entre las características principales de estas máquinas se pueden enumerar las
siguientes:
Elaboración del envoltorio mediante soldaduras térmicas.
Utilización de bobinas o film termosellable de polietileno de baja densidad
(PE-LD).
Los paquetes con forma de “cojín”, hechas con las máquinas envasadoras
verticales, se caracterizan por tres “termo-soldaduras”: transversal superior,
transversal inferior y longitudinal.
Su principal campo de aplicación son productos sueltos, granulosos, pastosos
o de muy difícil manipulación.
Pueden ser utilizadas tanto para productos alimenticios como no alimenticio.
Opcionalmente pueden imprimir fechas de elaboración y vencimiento, etc.
El presente documento está constituido por los cuatro capítulos siguientes: En
el primer capítulo, Planteamiento del problema, se describe el problema inicial, los
objetivos propuestos y el alcance del proyecto. El segundo capítulo, Marco
referencial, se establecen los conceptos más importantes que hay que tener en cuenta
a lo largo del documento. El tercer capítulo, Máquina envolvedora vertical – FAMA,
3
contiene el levantamiento de información, características de funcionamiento y
requerimientos de la máquina envolvedora vertical bajo estudio. El cuarto capítulo,
Diseño del sistema de control, documenta los pasos, criterios y cálculos realizados
para alcanzar los objetivos propuestos en el primer capítulo.
Finalmente se tienen las conclusiones, recomendaciones, referencias y
bibliografía utilizada, y por último los anexos.
4
CAPÍTULO I
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. Generalidades
Recientemente la empresa 3PHASIC SOLUTIONS C.A., evaluó una propuesta
para la realización de un nuevo sistema de dosificación de una máquina envolvedora
vertical marca FAMA, la cual está destinada a empaquetar queso parmesano rallado y
fue diseñada originalmente para fabricar envoltorios de 100 g.
Dicha máquina utilizaba un sistema de dosificación volumétrica, este método
se basa en la utilización de un compartimiento calibrado como unidad de medida de
peso, en este caso, el espacio del compartimiento estaba calculado para 100 g de
queso parmesano. Tal método imposibilitaba al operador modificar la cantidad de
producto en los envoltorios.
Por tal motivo, se deseaba modificar el sistema de dosificación, para que el
operador pudiese elegir la cantidad de producto a dosificar en cada envoltorio durante
la ejecución del proceso.
1.2. Objetivo general
Diseñar un sistema de dosificación por masa para una máquina envolvedora
vertical.
1.3. Objetivos específicos
1. Identificar las características de funcionamiento de la máquina.
2. Proponer diversas soluciones y seleccionar estratégicamente la más
adecuada a los requerimientos del cliente.
5
3. Adquirir e instalar los equipos y materiales del sistema de dosificación
seleccionado.
4. Desarrollar el sistema de control del proceso.
5. Realizar pruebas de verificación y funcionamiento.
6. Elaborar el manual de la máquina y del usuario
1.4. Alcance
Mediante el desarrollo de este proyecto se logró obtener una Máquina
Envolvedora Vertical con indiscutibles mejoras en cuanto a sus características de
flexibilidad, productividad, control, precisión y seguridad, tal cual como las ofrecidas
actualmente por las últimas máquinas de este tipo encontradas en el mercado
industrial.
Aunado a lo anterior, el proyecto y su documentación, servirán como una
sólida referencia teórica y práctica para emprender cualquier otro desarrollo afín en
esta área de automatización de sistemas industriales.
1.5. Limitaciones
El tiempo establecido para la culminación del proyecto dependerá de los
tiempos de compra y entrega de los equipos, piezas y materiales que se vayan a
utilizar.
6
CAPÍTULO II
2. MARCO REFERENCIAL
2.1. Automatización de sistemas industriales.
Con el nacimiento y desarrollo de la era industrial, también ha surgido la
necesidad de utilizar nuevos métodos de control y automatización que permitan
explotar al máximo las prestaciones que puedan ofrecer las máquinas y sistemas
industriales, traduciéndose así, en una mayor eficiencia, flexibilidad, seguridad al
operador, rentabilidad, menor tiempo de respuesta/producción y estabilidad del
proceso.
Tal es el caso de una planta nuclear de generación de energía eléctrica, en la
cual se deben controlar y monitorear una gran cantidad de variables, tales como,
temperatura, presión, flujo, niveles de radiación, entre otras, con el fin de garantizar
el funcionamiento deseado y la seguridad entre los trabajadores y el entorno.
2.1.1. Estrategias fundamentales de control.
Como se ha mencionado, las plantas y procesos industriales deben contar con
un sistema que controle y monitoree su óptimo desempeño. En muchos casos el
operador forma parte de dicho sistema de control, ya que él debe tomar acciones
según el status actual que se presente.
Por otra parte, debido al gran tamaño y complejidad que pueden representar
algunos procesos industriales, es necesario dividirlos en subprocesos que pueden ser
clasificados en las siguientes áreas:
7
2.1.1.1. Subsistemas de monitoreo.
Muestran el estado actual de las variables del proceso, vigilando las
condiciones anormales o de falla que se puedan presentar y que requieran atención
por parte del operador.
Se utilizan sensores digitales para detectar estados específicos del proceso,
como por ejemplo:
En marcha/Detenido
Vacío/Bajo/Medio/Alto
Directo/Apagado/Inverso
Nivel Alto/Normal/ Nivel Bajo
Falla/Operativo
Mientras que para medir variables con un rango continuo, tales como:
temperatura, presión, flujo, nivel de líquidos, entre otras, se utilizan sensores
analógicos.
Adicionalmente, un sistema de monitoreo frecuentemente permite guardar
información acerca del consumo de energía de los equipos y materiales utilizados,
con el propósito de analizar tales datos y generar un evento o alarma en un historial
de análisis de mantenimiento. Una bomba, por ejemplo, puede requerir
mantenimiento después de 5000 horas de operación. [2]
2.1.1.2. Subsistemas secuenciales.
Son sistemas en los que la activación y desactivación de cada una etapas del
proceso general se realiza secuencialmente generalmente mediante la utilización de
señales digitales, aunque también pueden ser analógicas. Este tipo de control es
utilizado en procesos que siguen una secuencia de trabajo predefinida, tal es el caso
de los sistemas tipo BACH. [2]
8
2.1.1.3. Subsistemas a lazo abierto.
Se refiere a los sistemas de control donde no se toman mediciones de la
variable controlada para corregir la acción de control. En la práctica esta técnica de
control se usa sólo cuando no existen perturbaciones internas ni externas y se conoce
la relación entre la entrada y la salida del proceso. [3]
2.1.1.4. Subsistemas a lazo cerrado.
Estos sistemas de control cuentan con un lazo de realimentación que les
permite comparar la entrada de referencia con la señal obtenida a la salida del
sistema, obteniendo de esta manera una señal de error que permitirá corregir la acción
de control sobre el proceso. El error es cero cuando se obtiene a la salida una señal
igual a la señal de referencia. [3]
2.1.2. Sistemas automatizados.
Son sistemas en los que se emplean diferentes dispositivos y técnicas que
permiten llevar a cabo la transferencia de operaciones y/o funciones que son propias
del ser humano a uno o varios elementos tecnológicos de naturaleza electrónica,
mecánica, química, entre otros. [4]
2.1.2.1. Beneficios que ofrece la automatización.
Aumento en la capacidad de producción.
Reducción de pérdidas/ aumento de ganancias.
Figura 2. Diagrama en bloques de un sistema de control a lazo cerrado. [2]
9
Evitar la intervención del hombre en procesos que puedan afectar la salud.
Simplificar operaciones de mantenimiento.
Realizar operaciones que serían imposibles para el ser humano. [4]
2.1.2.2. Partes de un sistema automatizado.
Según el tipo de señales que se maneje y el tipo de dispositivos involucrados,
las partes que integran un sistema automatizado son las siguientes:
2.1.2.2.1. Parte operativa.
Se compone de los elementos que están en contacto directo con el proceso a
controlar, estos se clasifican en:
Sensores, medidores y transductores, los cuales son los elementos que
toman lecturas de las condiciones actuales del sistema.
Actuadores y pre-actuadores, los cuales son los dispositivos encargados
de realizar la acción final de control. [5]
2.1.2.2.2. Parte de mando.
Interfaz Hombre – Máquina: Interruptores, pulsadores, pilotos y pantallas
Autómata programable: Dispositivo encargado de realizar las operaciones
de control.
Tecnología cableada: Compuesta por los distintos buses empleados para
comunicar e interconectar los dispositivos de la parte operativa (sensores y
actuadores) y de la parte de mando (Pantallas HMI) con el autómata
programable. [5]
10
Figura 3. Partes de un sistema automatizado [5]
2.1.2.3. Controlador lógico.
Dispositivo electrónico, que a partir de las señales que recibe en sus entradas,
toma las acciones de control para la cual es diseñado o programado, actuando en
consecuencia sobre sus respectivas variables de salida. [6]
2.1.2.3.1. Clasificación.
Según sus características de funcionamiento, los controladores lógicos tienen
la siguiente clasificación:
Figura 4. Clasificación de los controladores lógicos [6]
11
2.1.2.4. Lógica cableada.
Es un antiguo método utilizado en el control de procesos (principalmente
industriales), empleando principalmente para tal fin, dispositivos electromecánicos,
neumáticos y compuertas lógicas TTL, CMOS, HCMOS. [6]
Entre las principales desventajas que acarrea la utilización de la lógica
cableada están:
Son diseñados para cumplir un objetivo específico, lo que imposibilita
modificar la ley de control.
No utilizan redes de campo, lo que se traduce en una gran cantidad de cables
para establecer las conexiones.
Gran dificultad para realizar labores de mantenimiento y detección de fallas.
Excesivo tamaño y complejidad.
Baja inmunidad electromagnética.
2.1.3. Controlador lógico programable.
También conocidos como “Autómatas Programables”, son dispositivos
electrónicos que nacen para satisfacer la necesidad de sustituir los anticuados y
complejos sistemas de control basados en lógica cableada. Obedecen una ley o lógica
de control la cual es programada según las necesidades del usuario, son utilizados
principalmente en la automatización de sistemas industriales, dada su capacidad de
trabajo en entornos hostiles. [7]
Según la definición del IEC 61131:
“Un autómata programable (AP) es una máquina electrónica programable diseñada
para ser utilizada en un entorno industrial (hostil) que utiliza una memoria
programable para el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario,
para implantar soluciones específicas tales como funciones lógicas, secuencias,
temporizaciones, recuentos y funciones aritméticas, con el fin de controlar mediante
entradas y salidas, digitales y analógicas diversos tipos de máquinas o procesos”. [8]
12
2.1.3.1. Arquitectura del PLC.
El PLC al igual que otros dispositivos que utilizan controladores, pertenecen a
la familia de los computadores, y al igual que estos tienen la misma arquitectura.
Entre los elementos que la conforman están:
1) Fuente de alimentación: Según el modelo, puede estar incorporada o no al
dispositivo.
Si es incorporada, solo es necesaria la conexión a la red eléctrica.
Según el modelo la alimentación puede ser de: 120 VAC/ 208 VAC /
440 VAC.
Si no es incorporada, es necesario la utilización de una fuente de
alimentación DC, con salida generalmente de 24 VDC.
2) Unidad central de proceso (CPU): Su elemento principal es un controlador.
El CPU ejecuta cada cierto tiempo un ciclo scan del dispositivo, esto es: lee el
estado actual de las entradas, ejecuta el algoritmo de control programado en el
dispositivo y finalmente, modifica las salidas en función del programa
ejecutado.
3) Unidad de memoria: En ella se guardan los datos y el programa ejecutado
por el PLC durante su funcionamiento.
4) Unidades de entradas/salidas digitales: Solo operan con lógica binaria
(Activo/Desactivo), a manera de interruptores.
Existen módulos que trabajan con señales de 5, 12, 24 ó 48 VDC.
Como también con tensiones alternas de 120 ó 208 VAC.
Mientras que las salidas pueden ser:
Salidas PNP o NPN a transistor, que entregan 5, 12, 24 ó 48 VDC.
Salidas a relés, éstas permiten activar dispositivos que trabajan con
120 VAC / 208 VAC.
13
Figura 5. Arquitectura de un autómata programable [7]
5) Unidades de entradas/salidas analógicas: Funcionan bajo complejos
sistemas electrónicos de acondicionamiento y adquisición de señales,
utilizando principalmente convertidores ADC y DAC.
Según el modelo, pueden trabajar con señales de 0 – 20 mA, 4 – 20 mA y -10
hasta +10 VDC. Una característica importante para su selección es la
resolución de los convertidores.
6) Unidades especiales: Pueden estar orientadas para comunicación, interfaz
HMI, control de movimiento, etc.
Ejemplo de ellas son:
Unidades de comunicación: PROFINET, PROFIBUS, MODBUS,
HART, RS 232, RS 485, entre otras.
Programadores manuales
Pantallas
Otros PLC´s y dispositivos. [7],[9] y[10]
14
2.1.3.2. Clasificación.
Existen varios criterios que permiten clasificar los PLC´s, entre ellos los más
usados son los siguientes:
2.1.3.2.1. Según su estructura.
En base a como se encuentran estructuralmente los elementos que componen
su arquitectura:
PLC’s Compactos: integran todas las unidades que conforman la arquitectura
de un PLC, Fuente, CPU, Memoria, Entradas/Salidas Digitales y Analógicas,
Puertos de comunicación, etc. Sin embargo existen modelos que permiten
expandir sus características originales.
PLC’s Modulares: Estos PLC’s traen todos sus módulos por separado,
permitiendo al programador seleccionar las características y la cantidad de los
módulos que requiera para su aplicación. Normalmente el CPU integra
además del procesador y la memoria, el sistema de comunicaciones y
programación. [10]
2.1.3.2.2. Según el número de entradas y salidas.
En base a estos términos, los PLC’s se pueden clasificar en: micro, pequeño,
mediano y grande.
Figura 6. Clasificación de los PLC’s según el número de E/S. [10]
15
Los PLC’s más usados en la pequeña y micro industria y en la automatización
de maquinaria, son los micro PLC’s, cuyas características son aproximadamente las
siguientes:
≤ 32 E/S
Costo menor a US$500
1 K de memoria
Tamaño pequeño (alrededor de 203 x 76 x 76 mm). [10]
2.1.3.3. Limitaciones del entorno industrial.
Debido a que los PLC´s tienen su principal aplicación en el área industrial, deben
cumplir con ciertas normas y requerimientos que garanticen su buen funcionamiento
bajo un ambiente hostil, entre ellos se pueden destacar:
1) Ambiente físico y mecánico.
Vibraciones y choques
Humedad > 80 %
Humedad < 35 %
Temperaturas bajas o elevadas
2) Polución química.
Gases corrosivos, vapores de hidrocarburos, polvos metálicos,
minerales.
3) Perturbaciones eléctricas.
F.E.M generadas por temperaturas, reacciones químicas e
interferencias electromagnéticas. [7]
16
2.1.3.4. Lenguajes de programación de los PLC’s.
Según la norma IEC 61131-3, el cual establece los requerimientos en cuanto a
los lenguajes de programación de un autómata programable, este debe permitir al
programador la utilización de por lo menos tres lenguajes diferentes. Los lenguajes
estandarizados en la citada norma son:
Lenguaje escalera (Ladder Diagram – LD)
Diagrama de bloque de funciones (Function Block Diagram – FBD)
Texto estructurado (Structured Text – ST)
Lista de instrucciones (Instruction List – IL)
Bloques de funciones secuenciales (Sequential Function Chart – SFC) [8]
Para mayor información sobre los lenguajes de programación ver Anexo A.
2.2. Interfaz Humano – Máquina.
Es la parte del proceso de automatización que está en contacto directo con el
operador, recibiendo y entregando información. La recepción de información es
realizada por medio de interruptores, pulsadores, selectores, entre otros.
Simultáneamente el sistema automatizado debe entregar información concerniente al
estatus actual del proceso, utilizando para ello: indicadores luminosos, barras de
nivel, displays de segmentos, y alarmas sonoras.
También es posible la utilización de pantallas gráficas con o sin touch screen,
la cuales permiten la entrada de datos y el despliegue de información, obteniendo de
esta manera una interfaz Humano-Máquina de forma compacta. Estas pantallas viene
diseñadas para trabajar con distintos protocolos de comunicación, según el
requerimiento, entre estos se pueden mencionar: PROFINET, MODBUS, RS485,
HART, PROFIBUS, entre otros. [11]
17
Figura 7. Control supervisorio con pantalla táctil [11]
2.3. Determinación de variables de proceso.
En todo sistema de automatización es necesario obtener una estimación
directa o indirecta de las variables que se desean controlar y que nos indican el estado
actual del sistema o proceso, entre ellas se pueden mencionar las siguientes: presión,
temperatura, flujo, humedad, viscosidad, peso, presencia, corriente, voltaje,
frecuencia, turbidez, fuerza, etc. [12]
2.3.1. Medición de peso
El peso es definido como la fuerza con que la tierra atrae un cuerpo, donde su
expresión matemática es la siguiente:
P = m x g
En la que:
P = peso
m = masa
g = aceleración de gravedad
La necesidad de la determinación del peso de los materiales en la industria, se
debe a que es de vital importancia conocer la cantidad de producto en muchas líneas
18
de producción, bien sea en tareas de inventario, producto final, mezcla, entre otras.
[12]
2.3.1.1. Células de carga a base de galgas extensiométricas.
Consisten en una pieza de elasticidad conocida (tal como el acero de módulo
de elasticidad 2.1 x 10⁶ bar) capaz de soportar la carga sin exceder su límite de
elasticidad. A esta pieza se encuentra cementada una galga extensiométrica, que
puede estar formada por varias espiras de hilo (0.025 mm) pegada a un soporte de
papel o de resina sintética, o bien puede estar formada por bandas delgadas unidas
con pegamento a la estructura sometida a carga.
La tensión o la compresión a la que el peso somete a la célula de carga hacen
variar la longitud del hilo metálico y modifican, por lo tanto, su resistencia eléctrica.
Se usan acondicionadores de señal, que son puentes de Wheatstone, que captan
pequeños cambios en la resistencia y compensan los efectos de la temperatura. [12]
2.3.1.2. Células de carga hidráulicas.
Consisten en un pistón donde se apoya la carga, que ejerce presión sobre un
fluido hidráulico, según la carga, y de acuerdo al área conocida del pistón, se crea una
presión en el aceite que puede leerse en un manómetro Bourdon, y que por lo tanto,
refleja indirectamente la carga.
Sumando las presiones hidráulicas de varias células de carga y aplicándolas a
un transmisor electrónico o digital, se obtiene una señal que puede leerse en un
indicador y utilizarse en sistemas de pesaje electrónicos.
Las células de carga hidráulicas se fabrican para unas capacidades de carga de
1.200 kg hasta 4.500 t, son de respuesta rápida (menos de 2 segundos), su exactitud
es del ±0,25%, admiten sobrecargas hasta el 40%, pueden fabricarse a prueba de
explosión y son resistentes a vibraciones. [12]
19
2.3.1.3. Células de carga neumáticas.
Consisten en un transmisor neumático de carga de equilibrio de fuerzas, en el
que el peso situado en la plataforma de carga se compara con el esfuerzo ejercido por
un diafragma alimentado a una presión de tarado ajustable.
El sistema adopta una posición de equilibrio gracias al conjunto tobera-
obturador y a la cámara de realimentación del transmisor. La presión del aire
alcanzada en esta cámara indica el peso. La capacidad de carga de las células
neumáticas varía de 10 kg a 10 t, poseen una exactitud del ± 0,2% y se adaptan
fácilmente al control neumático. Tienen la ventaja de ser insensibles a los cambios de
temperatura, ser higiénicas y a prueba de explosión, con el inconveniente de precisar
aire comprimido de instrumentos (limpio y seco) o de nitrógeno y de ser de respuesta
relativamente lenta. [12]
2.3.2. Medición de temperatura.
La temperatura es una de las variables más importantes y que encontramos
involucrada con mayor frecuencia en los procesos industriales. La mayoría de los
fenómenos físicos se ven afectados por ella, a tal punto que es posible inferir el valor
de otras variables de proceso a partir de los cambios de temperatura presentes.
Existen diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y que son utilizados
para medirla:
Variaciones en volumen o en estados de los cuerpos (sólidos, líquidos o
gases).
Variaciones de resistencia de un conductor (sondas de resistencia).
Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).
La f.e.m creada en la unión de dos metales distintos (termopares).
La intensidad de la radiación total emitida por un cuerpo (pirómetros de
radiación).
20
Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas,
frecuencia de resonancia de un cristal, etc.). [12]
2.3.2.1. Termómetro de resistencia.
Los termómetros de resistencia basan su funcionamiento en la variación de la
resistencia eléctrica de un conductor metálico en función de la temperatura. El
elemento de detección usualmente consiste en un arrollamiento de hilo muy fino del
conductor adecuado, bobinado entre capas de material aislante y protegido con un
revestimiento de vidrio o cerámica.
Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben tener las
siguientes características:
Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el
elemento de medida será muy sensible.
Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura
dada, tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).
Relación lineal resistencia-temperatura.
Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación y
estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de
obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).
Estabilidad de las características durante la vida útil del material.
Los utilizados comúnmente para su elaboración son: platino, cobre y níquel. [12]
21
Figura 8. Relación de resistencias vs temperatura para distintos materiales [12]
Tabla 1. Características de sondas de resistencias [12]
2.3.2.2. Termistores.
Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de
temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presenta unas
variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente
pequeños en la temperatura. Se fabrican con óxido de níquel, manganeso, hierro,
cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas o en
discos.
22
Los termistores también se denominan NTC (Negative Temperature
Coeficient), aunque existen casos especiales de coeficientes positivos cuando su
resistencia aumenta con la temperatura PTC (Positive Temperature Coeficient). [12]
2.3.2.3. Termopares.
El Termopar basa su funcionamiento en el efecto descubierto por Thomas
Johann Seebeck en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito cerrado,
formado por dos metales diferentes, cuyas uniones (unión de medida o caliente y
unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura.
Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos
combinados, el efecto Peltier (año 1834) que provoca la liberación o absorción de
calor en la unión de metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión
y el efecto Thomson (año 1854), que consiste en la liberación o absorción de calor
cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un
gradiente de temperatura.
Figura 9. Partes de un termopar industrial [13]
Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido
establecer tres leyes fundamentales:
23
1) Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no
puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación
exclusiva de calor.
2) Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la
temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la
suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente
independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si
se pusieran en contacto directo A y B.
3) Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con
sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del
termopar con sus uniones a T1 y T2, y de la f.e.m. del mismo termopar con
sus uniones a las temperaturas T2 y T3.
Por estas leyes, se hace evidente que en un circuito se desarrolla una pequeña
tensión continua, proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que
haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia.
La selección del material de construcción de los alambres para termopares se
hace de forma que cumplan las siguientes características:
Resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación y a la cristalización.
Desarrollo de una f.e.m. relativamente alta.
Estables.
Baja resistencia eléctrica.
Bajo costo.
La relación entre la temperatura y la f.e.m. debe ser tal que el aumento de ésta
sea (aproximadamente) paralelo al aumento de temperatura. [12]
24
Los termopares más comunes son:
Termopar tipo E, de Níquel-Cromo (cromel)/Cobre-Níquel (constantan).
Puede usarse en vacío en atmosfera inerte o medianamente oxidante o
reductora. Es adecuado para temperaturas entre -200 °C y +900 °C.
Termopar tipo T, de Cobre/Cobre-Níquel (constantan). Tiene una elevada
resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede
utilizarse en atmosferas oxidantes o reductoras. Se prefiere para medidas de
temperaturas entre -200 °C y +260 °C.
Termopar tipo J, de Hierro/Cobre-Níquel (constantan). Es adecuado para
atmosferas inertes y para temperaturas entre -200 °C y +1.200 °C.
Termopar tipo K, Níquel-Cromo (cromel) /Níquel-Aluminio (alumel). Se
recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 °C
y 1.250 °C. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas, a
menos que esté protegido con un tubo de protección. Se utiliza para
temperaturas entre -40 °C y +1.100 °C.
Termopar tipo R, de Platino-13% Rodio/Platino. Se emplea en atmósferas
oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1500 °C. Es más estable y
produce una f.e.m. mayor que el tipo S.
Termopar tipo S, (Platino-10% Rodio/Platino). De características similares
al tipo R. Poca sensibilidad (10 µV/°C).
Termopar tipo B, (Platino-30% Rodio/ Platino-6% Rodio). Adecuado para
altas temperaturas hasta los 1.800 °C. Poca sensibilidad (10 µV/°C).
25
Termopar tipo N, (84.6% Níquel-14% Cromo-1.4% Silicio)/ (95.6% Níquel-
0.4% Silicio). Protegido con aislamiento de óxido de berilio y camisa de
molibdeno y de tantalio, se emplea en atmósferas inertes o en vacío a las
temperaturas de trabajo de 0 °C a 2.316 °C. Se utiliza, cada vez con mayor
frecuencia para sustituir el tipo K, presentando una mejor estabilidad y
resistencia a la oxidación a altas temperaturas. [12]
Tabla 2. Tolerancias y temperaturas de trabajo de termopares. Norma IEC 584-1 [12]
2.4. Variador de frecuencia.
Un variador de frecuencia, (VFD: Variable Frequency Drive) es una unidad
de control utilizada para regular la velocidad en motores de corriente alterna (AC),
utilizando para tal fin la variación de frecuencia en el voltaje de alimentación del
motor.
26
Su principio de funcionamiento se basa en que la velocidad de sincronismo de
un motor de corriente alterna está determinada por el número de polos del estator y la
frecuencia del voltaje de alimentación.
Donde:
ƞRPM : Velocidad en revoluciones por minuto
f: Frecuencia de suministro.
p: Número de pares de polos del estator
Se compone principalmente de tres etapas:
1) Rectificación: Es la etapa inicial, la cual se encarga de rectificar la tensión de
alimentación del VFD, por medio de un puente trifásico de diodos o
rectificadores controlados.
2) Filtrado: Etapa intermedia conformada por un banco de condensadores, los
cuales permiten obtener una tensión DC.
3) Inversión: es un circuito de inversión controlado, compuesto comúnmente por
transistores IGBT, que son activados y desactivados en determinada secuencia
y mediante una modulación de ancho de pulso, generando de esta manera una
forma de onda cuadrada de voltaje DC a una frecuencia constante y cuyo
valor promedio tiene la forma de onda senoidal de la frecuencia que se aplica
al motor. [14]
27
Figura 10. Circuito básico de un VFD y la señal obtenida a su salida [14]
2.5. Relé de estado sólido.
El SSR es un dispositivo híbrido basado fundamentalmente en transistores y
dispositivos ópticos, el cual permite aislar eléctricamente un circuito de mando o
control y un circuito de salida o potencia. Está formado por las siguientes etapas:
Circuito de entrada: en donde se opera el SSR con señales digitales de
control para su activación y desactivación, según el nivel lógico.
Aislamiento: lo constituye un acoplamiento óptico con semiconductor
mediante la utilización de un fotoacoplador, fototriac, fotodiodo, etc.
Detector de cruce por cero (En algunos modelos): Un SSR con función de
cruce por cero, conmuta cuando la tensión alterna de la carga se acerca o
alcanza el cruce por cero voltios. Esto le permite operar a niveles de tensión
muy bajos, traduciéndose en una buena inmunidad a interferencias parásitas
tanto a la entrada como a la salida del SSR.
Los SSR con función de cruce por cero son adecuados para cargas resistivas,
capacitivas e inductivas con factor de potencia entre 0.7 y 1.
28
Circuito de salida: Salida AC con tiristores antiparalelos o triacs, salida CC
con transistor bipolar o MOS FET, salida AC-CC con transistor MOS FET
(ya que tiene igual ganancia en directo que en inverso)
Protección frente a transitorios (en algunos modelos): Es implementado
mediante la utilización de redes RC, diodos, etc. [15]
2.6. Elementos en los sistemas de control neumáticos.
En muchos sistemas de automatización son requeridas la utilización de
dispositivos neumáticos, debido a que en muchas aplicaciones presentan ciertas
ventajas sobre sistemas eléctricos o hidráulicos. Entre los elementos más empleados
se encuentran los siguientes:
29
2.6.1. Electroválvulas.
Son dispositivos electromecánicos diseñados para controlar el paso de aire a
través de ellos. Funcionan bajo un sistema de Bobina-Muelle. Cuando son
energizadas se genera un campo magnético que atrae el núcleo y permite la
circulación de aire a través de la válvula. Por el contrario, mientras no está energizada
la bobina, el muelle devuelve al núcleo a su posición de reposo, interrumpiendo la
circulación de aire. [16]
Figura 11. Sistema Bobina-Muelle de una electroválvula. [16]
2.6.2. Válvulas con accionamiento de rodillo.
Este tipo de válvulas actúan como un final de carrera. Funcionan mediante la
acción de un muelle que en estado de reposo interrumpe la circulación de aire a través
de ella. Cuando el rodillo es presionado y se vence la fuerza ejercida por el muelle, se
activa la circulación de aire a través de la válvula, de esta manera permite detectar el
accionamiento o posición de cualquier mecanismo en el proceso. [17]
30
Figura 12. Válvula con accionamiento de rodillo. [17]
2.6.3. Válvulas distribuidoras.
Son dispositivos que controlan el flujo de aire en los sistemas neumáticos,
abriendo y cerrando sus vías internas. Su principal función de las válvulas
distribuidoras es controlar el accionamiento y posición de los actuadores neumáticos
que componen estos sistemas.
El accionamiento o conmutación de estas válvulas a sus diferentes posiciones
de trabajo puede ser realizado mediante:
Botón pulsador.
Mando por palanca.
Muelle.
Rodillo palpador.
Mando electromagnético.
Mando por presión (Con válvula de pilotaje neumático) [18]
2.6.3.1. Válvulas distribuidoras 3/2 vías.
Estas válvulas poseen tres vías de conexión y dos posibles posiciones de
trabajo. Son utilizadas para realizar un acción ON/OFF sobre un elemento final de
control. Existen dos modelos: normalmente abierta (NA) y normalmente cerrada
(NC). Sus conexiones o vías son las siguientes:
1) Entrada: suministro de aire comprimido
31
2) Salida: hacia el elemento final de control.
3) Retorno: abierta hacia la atmósfera
El funcionamiento de una válvula distribuidora 3/2 - NC es el siguiente:
En estado de reposo se mantiene bloqueada la entrada (1), mientras que la
salida (2) y retorno (3) se encuentran conectadas, permitiendo la circulación
de aire entre ellas.
Cuando la válvula es accionada, se abre el paso entre entrada (1) y (2) y se
cierra (3). Activando de esta manera el elemento final de control.
Cuando la válvula vuelve al estado de reposo, el aire contenido en el elemento
final de control es liberado a través de (3).
Su aplicación más común es el control de cilindros de simple efecto y vibradores.
[18]
Figura 13. Funcionamiento de las válvulas distribuidoras 3/2 vías [18]
2.6.3.2. Válvulas distribuidoras 5/2 vías.
Estas válvulas poseen cinco vías y dos posiciones de trabajo, su uso más
extendido es para el control de cilindros de doble efecto ya que permiten controlar el
movimiento de salida y el de retroceso del vástago del cilindro. Para ello cuentan con
dos salidas y dos retornos.
32
Figura 14. Funcionamiento de las válvulas distribuidoras 5/2 vías [19]
Las cinco vías o conexiones de una válvula 5/2 son las siguientes:
Entrada (P): Suministro de aire comprimido.
Salida (A): Al actuador.
Salida (B): Al actuador.
Retorno (R): Conexión hacia la atmósfera.
Retorno (S): Conexión hacia la atmósfera.
En estado de reposo la válvula permite la circulación de aire desde (P) hacia
(B), manteniendo al vástago del cilindro en esa posición. El aire residual del otro lado
de la cámara, sale a la atmósfera siguiendo el camino desde (A) hasta (R).
Cuando es accionada la válvula se permite la circulación de aire desde (P)
hacia (A) y el vástago sale del cilindro, mientras que el aire contenido al otro lado
dela cámara es liberado a la atmósfera siguiendo la trayectoria desde (B) hasta (S).
[19]
2.6.4. Actuadores neumáticos.
Son los elementos finales de control en un sistema neumático. Su clasificación
es la siguiente:
Actuadores lineales.
Actuadores rotativos.[20]
33
2.6.4.1. Actuadores lineales.
También conocidos como cilindros neumáticos o pistones, representan los
actuadores más comunes en los sistemas de control neumáticos. Se clasifican
fundamentalmente en:
Cilindros de simple efecto: tienen una sola entrada de aire para activar el
movimiento en un solo sentido.
Cilindros de doble efecto: tienen dos entradas de aire que les permite
controlar el movimiento del cilindro en ambos sentidos.[20]
2.6.4.1.1. Cilindros de simple efecto.
Este tipo de cilindro efectúa su trabajo en un solo sentido. El émbolo es
retornado a su posición de inicio cuando se suspende la entrada de aire por medio de
un resorte interno o utilizando otro sistema externo.
Existen de dos tipos, según la posición del émbolo cuando no está conectado
al suministro de aire:
Normalmente dentro.
Normalmente fuera.
El consumo de aire de estos cilindros es más bajo que en un cilindro de doble
efecto, sin embargo el impulso del embolo se ve reducido por la acción del resorte
interno. Para aumentar dicho impulso se recurre a cilindros de mayor diámetro
interno. Entre sus aplicaciones destacar las tareas de marcar, sujetar, expulsar, abrir,
empujar y cortar. [20]
34
Figura 15. Cilindro neumático de simple efecto. [20]
35
2.6.4.1.2. Cilindros de doble efecto.
Los cilindros de doble efecto son los que tienen dos entradas de aire
comprimido, cada una conectada a una cámara diferente y en donde la división entre
dichas cámaras es realizada por el émbolo. Esto le permite realizar un movimiento de
avance y un movimiento de retroceso. Para lograr tal funcionamiento se emplea un
émbolo que puede ser accionado por ambas caras.
Lo que se debe asegurar para su correcto funcionamiento es la existencia de
una diferencia de presión entre ambas entradas de aire comprimido. Por ello, mientras
una recibe aire a presión, la otra es comunicada a la atmósfera, y viceversa.
El campo de aplicación es mucho más amplio que el de los cilindros de simple
efecto ya que ofrecen las siguientes ventajas:
Una mayor longitud de desplazamiento o carrera.
No hay pérdida de fuerza debido a que no existe un resorte o muelle de
oposición.
Permiten controlar el movimiento del actuador en ambos sentidos. [20]
Figura 16. Cilindro neumático de doble efecto. [20]
36
2.6.4.2. Actuadores rotativos.
Este tipo de actuadores están encargados en transformar la energía del aire
comprimido en energía mecánica de rotación, en el cual su ángulo de giro puede estar
limitado o no. Su clasificación es la siguiente:
Actuadores de giro limitado: son aquellos que no llegan a proporcionar una
revolución en su movimiento de giro. Existen disposiciones de simple y doble
efecto para ángulos de giro de 90°, 180°…. hasta un valor máximo de unos
300° (aproximadamente).
Motores neumáticos: son aquellos con los que se obtiene un movimiento
rotativo constante. Se caracterizan por proporcionar un elevado número de
revoluciones por minuto.
Vibradores neumáticos: Es un tipo especial de motores neumáticos
en los que se consigue un par de trabajo excéntrico a consecuencia de
utilizan un rotor desbalanceado. Debido a las grandes velocidades en
los que pueden operar, se pueden conseguir potentes vibraciones. Son
ampliamente utilizados en el transporte de material en la industria
alimenticia, farmacéutica, y metalmecánica. [20]
37
CAPÍTULO III
3. MÁQUINA ENVOLVEDORA VERTICAL FAMA
3.1. Generalidades del sistema original.
La máquina de dosificación y empaquetado vertical a la que se hace
referencia, es un modelo fabricado en Venezuela en la década de los años 90, con la
función de elaborar envoltorios de queso parmesano de 100 g de peso. Entre las
características principales de esta máquina se encuentran:
La máquina cuenta con dos módulos de control de temperatura para las
resistencias de sellado: transversal y longitudinal.
El sistema de control de la máquina para los procesos de dosificación y
fabricación de envoltorios es realizado mediante lógica cableada y
sincronización mecánica.
El sincronismo de la máquina se realiza utilizando un sistema de levas que
están acopladas a un eje de rotación a la salida de la caja reductora de
motor de inducción trifásico. Estas levas accionan en determinado
momento un conjunto procesos mecánicos y eléctricos, tales como
activación del pistón neumático de sellado horizontal, movimiento de
sellado vertical, cuchilla de corte (mordaza), carga y descarga del
compartimiento de dosificado, arrastre de la cinta de PE-LD y por último
el movimiento de la cinta transportadora.
La elaboración de los envoltorios se realiza utilizando una bobina de (PE-
LD) de 20 centímetros de ancho.
38
Los envoltorios se realizan mediante tres termosoldaduras por contacto
directo: dos transversales y una longitudinal.
El producto a dosificar es almacenado previamente en una tolva ubicada
en la parte superior de la máquina, esta tarea es realizada de forma manual
por el operador del equipo.
Utiliza un sistema de dosificación volumétrica, es decir, la cantidad de
producto a dosificar corresponde a la almacenada en un compartimiento
de volumen específico.
La dosificación que realiza la máquina para cada envoltorio es solo de 100
g, ya que el diseño de la máquina no permite intercambiar el
compartimiento asociado.
La forma del empaque es de tipo “cojín”.
El panel de control se conforma por un interruptor trifásico de
energización, dos módulos de control de temperatura, un interruptor de
activación de dichos módulos, un interruptor de inicio de proceso, un
piloto que indica si las resistencias se encuentran a la temperatura de
operación y un piloto de inicio del proceso.
39
3.1.1. Puesta en marcha.
A continuación se indica la secuencia de inicio del sistema:
1) Cargar la tolva con el producto.
2) Activar la entrada de aire comprimido.
3) Activar el interruptor de energización trifásica.
4) Activar las resistencias de sellado. Cuando se alcanza la temperatura de
operación se enciende el piloto respectivo y se habilita el interruptor de inicio.
5) Activar el inicio del proceso. Simultáneamente se enciende el piloto
respectivo.
Figura 17. Envolvedora vertical marca FAMA. Vista frontal. [21]
40
Figura 19. Sistema de dosificación volumétrica instalado en el sistema original [21]
Figura 18. Conexión de bobina de PE-LD [21]
41
3.1.2. Funcionamiento.
En líneas generales el funcionamiento de la máquina consiste en un motor de
inducción trifásico, el cual arrastra la cinta de polietileno hasta la unidad de
formación de envoltorios y luego hasta la unidad de sellado térmico donde se realizan
los envoltorios.
Simultáneamente, utilizando el mismo motor, es desplazado hasta el tubo de
descarga de material, el compartimiento que contiene la cantidad específica de queso
parmesano, en ese momento el producto cae por gravedad hasta del envoltorio justo
antes de sellarlo y de realizar el respectivo corte para que caiga en la cinta
transportadora. Para comprender el principio de operación, en la Figura 20 se
presenta una vista transversal de la máquina para observar con más detalle sus
principales componentes.
Figura 20. Vista transversal de la máquina.
42
3.1.2.1. Conexión de la bobina de PE-LD.
La elaboración de los envoltorios se realiza utilizando una bobina de hoja
plana de PE-LD, la cual es instalada en la parte posterior de la máquina, siendo
transportada a través de un conjunto de rodillos que la mantienen ajustada y facilitan
su traslado hasta la unidad de formación de envoltorios.
Figura 21. Conexión de la bobina de PE-LD.
3.1.2.2. Unidad de formación de envoltorios
Luego de ser transportado entre el conjunto de rodillos, el film de PE-LD
llega hasta la unidad de formación de envoltorios. Esta pieza se encarga de darle
forma cilíndrica al film de PE-LD, recubriendo el tubo de descarga.
Figura 22. Unidad de formación de envoltorios.
43
3.1.2.3. Construcción de los envoltorios.
Posteriormente, luego de recubrir el tubo de descarga, el film de PE-LD sigue
su recorrido hasta llegar a la unidad de sellado térmico por contacto directo, la cual se
compone de un conjunto de tres resistencias de 600 W de potencia con alimentación
de 120 VAC, una dispuesta de manera longitudinal y las dos restantes de manera
transversal. La temperatura de operación de las resistencias es de 110 °C, las cuales
son medidas utilizando dos termopares Tipo K.
Figura 23. Sellado térmico longitudinal. Vista lateral
Primero es realizado el sellado térmico longitudinal, el cual está sincronizado
con el movimiento del motor de la máquina, el eje de rotación y una leva conectada a
dicho eje.
Figura 24. Sellado térmico transversal inferior y superior. Vista lateral
A continuación, se efectúa el sellado transversal superior e inferior, ambos son
accionados simultáneamente utilizando un pistón neumático. Esta acción es ejecutada
44
luego de realizarse la dosificación del producto dentro del envoltorio, de esta manera
se cierra el empaque en curso y se realiza el sellado térmico inferior del próximo
envoltorio.
Es importante acotar que al ejecutarse el movimiento de este pistón (sellado
transversal inferior y superior) también se realiza paralelamente la activación de una
mordaza dispuesta entre ambas resistencias, con el propósito de separar el envoltorio
terminado del envoltorio que lo sigue y que aún está vacío.
3.1.2.4. Motor y eje de accionamiento
El sincronismo de la máquina se realiza mediante la utilización de un motor
de inducción trifásico conectado a un eje de rotación, en el cual existen un conjunto
de levas adaptadas a distintas alturas.
Figura 25. Motor principal y su conexión al eje de accionamiento.
45
Mediante el movimiento rotacional del eje, según la posición de estas levas,
se activan y desactivan distintos procesos del sistema en determinados momentos,
mediante sistemas mecánicos y electromecánicos (finales de carrera).
Los datos de placa de este motor son los siguientes:
Tabla 3. Datos de la placa del motor principal del sistema.
Figura 26. Placa del motor principal. [21]
46
3.1.2.5. Sistema de arrastre del film de PE-LD.
El movimiento de arrastre del film de PE-LD es realizado en determinados
momentos por un conjunto especial de rodillos, dispuestos a la salida del tubo de
descarga, específicamente entre los procesos de sellado longitudinal y transversal.
Debido a que en determinados momentos no se puede arrastrar el film de PE-LD
(mientras se realiza el sellado longitudinal), el movimiento de los rodillos de arrastre
es activado periodicamente a traves de un cloche magnético, el cual a su vez es
accionado por una leva del eje de rotación que conmuta un interruptor final de
carrera.
Figura 27. Mecanismo de arrastre del film de PE-LD.
3.1.2.6. Sistema de dosificación volumétrica.
El sistema de dosificación instalado se compone de una tolva principal donde
es almacenado el producto, y de una bandeja móvil donde se encuentra un depósito
calibrado, el cual es el encargado de transportar la carga a dosificar. La bandeja se
encuentra conectada al eje de rotación de la máquina, el cual la desplaza linealmente
de un lado a otro. El proceso es el siguiente:
Inicialmente la bandeja es dispuesta en la parte inferior de la tolva principal,
en este momento se llena el compartimiento de dosificación hasta su límite superior
por gravedad.
47
Seguidamente la bandeja es desplazada hasta la entrada del tubo de descarga
de material, en dicha posición la parte inferior del compartimiento de dosificación
queda libre y el producto cae sin ningún problema hasta el envoltorio en curso a
través del tubo de descarga
Figura 28. Sistema de dosificación volumétrica.
3.1.2.7. Cinta transportadora
La cinta transportadora se encuentra conectada permanentemente al
movimiento del motor través del eje de rotación. Su función es extraer los envoltorios
de la máquina para su posterior almacenamiento.
Figura 29. Cinta transportadora del producto final
48
3.2. Propuesta de modificaciones de la máquina envolvedora vertical.
Para alcanzar el objetivo de optimizar el funcionamiento y operación de la
máquina, fue necesario realizar modificaciones en el sistema de dosificación y en
algunas piezas de diversas partes del proceso. A continuación se enumeran tales
modificaciones:
1) El sistema de dosificación.
2) La unidad de formación de envoltorios
3) Resistencias de sellado transversal
4) Mordaza o cuchilla de corte
5) Rodillos de transporte de la cinta de PE-LD.
Adicionalmente se instaló un sistema de transporte de material utilizando para
tal propósito un tornillo sin fin controlado por un motor de inducción trifásico de
iguales características que el motor principal. El objetivo es sustituir el llenado
manual de la tolva principal realizado por el operador por un método automatizado.
3.2.1. Sistema de dosificación.
Inicialmente se evaluaron dos propuestas para realizar el transporte de materia
prima en el proceso de dosificación:
Sistema de desplazamiento vibratorio.
Sistema de desplazamiento mediante cinta transportadora
La siguiente tabla resume los requerimientos del proceso, así como las
características de cada propuesta:
49
Tabla 4. Estudio y selección del sistema de dosificación.
Adicionalmente se tomó en consideración que para el transporte de queso
parmesano las cintas transportadoras tienen la desventaja de que parte del producto se
queda adherido a la superficie de la banda, como se pudo confirmar en otros procesos
de la planta en la cual han implementado este sistema de transporte de material.
Finalmente la propuesta seleccionada es el sistema de desplazamiento
vibratorio, ya que se adapta mejor a los requerimientos del proceso.
La siguiente etapa en el sistema de dosificación es la utilización de una tolva
de pesaje cuyo elemento principal es una celda de carga, la cual es utilizada para
obtener la medición en tiempo real de la cantidad de producto a dosificar. Todo el
conjunto del sistema de dosificación funciona de la siguiente manera:
El producto es cargado en una tolva principal.
Posteriormente el producto es transportado por una canaleta hasta una tolva de
pesaje, en dicha canaleta se encuentra instalado un dispositivo vibratorio cuya
función es activar el desplazamiento del producto.
Por otro lado, la tolva de pesaje se encuentra conectada a una celda de carga,
cuando es alcanzado el peso seleccionado se desactiva el movimiento
vibratorio en la canaleta y con ello el desplazamiento de producto.
50
Finalmente, la activación un pistón neumático realiza la apertura de la
compuerta de descarga de la tolva de pesaje y el material cae a través del tubo
de descarga hasta el envoltorio en curso.
Figura 30. Sistema de dosificación por masa.
3.2.2. Versatilidad en el tamaño de los envoltorios.
Ya que el requerimiento del cliente era poder elaborar envoltorios
principalmente entre un rango de 250 g y 1500 g, fue necesario determinar un tamaño
específico para el ancho de la bobina de PE-LD que se utilizaría en la elaboración de
los empaques, de modo tal que no afectara la presentación del producto final.
En base a lo anteriormente planteado, se eligió una bobina de PE-LD de 40
cm de ancho. Pero existen ciertas etapas sistema en las que las dimensiones de sus
piezas están determinadas de acuerdo al ancho del film a utilizar, y en el sistema
original se ajustaban para trabajar con una bobina de PE-LD de 20 cm de ancho.
Tales piezas son las siguientes:
El conjunto de rodillos que componen el sistema de conexión de la bobina de
PE-LD.
La unidad de formación de envoltorios.
Las resistencias de sellado transversal.
La cuchilla de corte o mordaza
51
Figura 31. Esquema actual de la máquina envolvedora vertical.
3.3. Requerimientos de la máquina envolvedora vertical.
Al implementar un sistema de dosificación por masa y la automatización de
todo el proceso, el cliente desea:
1) Controlar la cantidad de producto durante la elaboración de los envoltorios.
2) Definir previamente la cantidad de envoltorios que desea producir.
3) Automatizar el sistema de llenado de la tolva principal.
4) Controlar la velocidad del proceso.
5) Permitir un control manual de cada etapa de la línea de producción para
facilitar las labores de mantenimiento.
52
3.4. Variables de proceso de la máquina envolvedora vertical.
En base al levantamiento de información realizado en la evaluación de la
máquina y a los requerimientos del cliente, se definen las variables de proceso que
deben ser controladas durante su operación y funcionamiento. Las mismas son
enumeradas a continuación:
1) Peso del producto a dosificar.
Se debe realizar una medición en tiempo real de la cantidad de producto
existente en la tolva de pesaje, para posteriormente realizar la dosificación
dentro del envoltorio en curso una vez que se alcance el peso programado por
el operador.
2) Temperatura de la resistencia de sellado longitudinal.
Debido a las características del sistema y del film de PE-LD utilizado para la
fabricación de los envoltorios es necesario mantener dicha resistencia en una
temperatura de operación que garantice un óptimo sellado térmico.
3) Temperatura de las resistencias de sellado transversal.
De igual manera, es necesario controlar la temperatura de operación de estas
resistencias.
4) Velocidad del motor principal de la máquina.
Para controlar la velocidad del proceso es necesario realizar un control de
velocidad para el motor de la máquina, el cual es un motor de inducción
trifásico.
53
5) Nivel alto de material en la tolva principal.
La obtención del estado de esta variable determinará funcionamiento del
tornillo de desplazamiento de material desde la tolva de almacenamiento hasta
la tolva principal, y de esta manera garantizar la existencia de producto en la
línea de producción.
6) Posición del mecanismo de sellado longitudinal
La posición de dicho mecanismo determinara la activación o desactivación del
sistema de arrastre del film de PE-LD. El sistema de arrastre no debe ser
activado simultáneamente cuando se realiza el sellado longitudinal, ya que en
ese preciso instante el film de PE-LD queda presionado entre la resistencia
asociada y el tubo de descarga de material.
54
CAPÍTULO IV
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
4.1. Generalidades del diseño del sistema de control.
Luego de evaluar y recopilar toda la información sobre la máquina
envolvedora vertical en estudio: funcionamiento, componentes, requerimiento del
cliente y variables de proceso a controlar, el siguiente paso es el diseño del sistema de
control de todo el proceso, para lo cual se deben realizar los siguientes pasos:
Elaboración del Diagrama de Instrumentación y Tuberías. (P&ID).
Estudio y selección de dispositivos.
Estudio y selección de conductores.
Diseño del tablero de control
Elaboración de los planos del tablero de control.
Desarrollo del programa de automatización del proceso
Todo lo anterior hecho bajo las normas nacionales e internacionales que rigen
tales proyectos, como lo son: el AMERICAN NATIONAL STANDARD ANSI/ISA-
5.1-2009 (Sobre Identificación y símbolos de instrumentación), el CÓDIGO
ELÉCTRICO NACIONAL DE VENEZUELA ed.2009 (CEN), el IEC 60617 (Símbolos
gráficos para esquemas eléctricos), la COVENIN 2811:1998 (Tableros eléctricos de
media y baja tensión), la IEC 61131-3 (Lenguajes de programación para PLC), entre
otras.
4.2. Diagrama de instrumentación y tuberías del sistema.
El Diagrama de Instrumentación y Tuberías (P&ID) es empleado para
identificar dentro del sistema de control todos los elementos que lo componen,
55
mediante una simbología, un código e identificación específica, permitiendo de esta
manera tener una clara idea y entender el funcionamiento del proceso.
56
Fig
ura
32. D
iagram
a de In
strum
entació
n y
Tuberías
57
Figura 33. Leyenda del P&ID del proceso
4.2.1. Lazos de control del proceso.
A continuación se describen los ocho (8) lazos de control que regulan el
funcionamiento y operación de la máquina envolvedora vertical:
1) Control de velocidad del proceso.
Se realiza controlando la velocidad del motor principal (M1), a través del
Controlador e Indicador de Velocidad (SIC/1-2) y el Controlador de Velocidad
(SC/1).
2) Transporte de material hasta la tolva principal.
Por medio de este lazo de control se activa el transporte de material desde la
tolva de almacenamiento hasta la tolva principal. Esto es realizado activando el
motor del tornillo alimentador (M2).
58
Dicho motor me mantendrá activo hasta que el Transductor de Nivel Alto
(LTH/1) indique que la tolva principal ya se encuentra llena.
Esta operación es controlada por el Controlador e Indicador de Velocidad
(SIC/1-2) y la Unidad de Control (UC/1-2).
3) Control de la cantidad de producto a dosificar.
Esta función es realizada utilizando el Vibrador neumático (VN1) para
transportar el producto desde la tolva principal hasta la tolva de pesaje.
Paralelamente se obtiene la cantidad almacenada en la tolva de pesaje a través del
Transmisor de Peso (WT/1). Esta operación es controlada por el Controlador e
Indicador Neumático (NIC/1-4) y el Controlador e Indicador de Peso (WIC/1).
4) Descarga del producto.
Cuando se alcanza el peso deseado en la tolva de pesaje, se procede a la
apertura de la compuerta de descarga por medio del Cilindro Neumático (P1) y a
la activación del Vibrador Neumático (VN2) para evitar el apelmazamiento del
producto en el tubo de descarga. Esta operación es controlada por el Controlador
e Indicador Neumático (NIC/1-4).
5) Sellado transversal y activación de la mordaza.
Luego de dosificar la cantidad de material dentro del envoltorio, se realiza el
sellado transversal y la activación de la mordaza que corta el envoltorio
terminado. Esta tarea se realiza activando el Cilindro Neumático (P2), el cual está
conectado mecánicamente a la resistencia de sellado R2. ). Esta operación es
controlada por el Controlador e Indicador Neumático (NIC/1-4).
6) Control de temperatura de operación de la resistencia de sellado
longitudinal.
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La energización de la resistencia R1 se realiza en función de la información
proporcionada por el Transductor de temperatura (TT/1). Esta operación es
controlada por el Controlador e Indicador de Temperatura (TIC/1-2).
7) Control de temperatura de operación de las resistencias de sellado
transversal.
La energización de la resistencia R2 se realiza en función de la información
proporcionada por el Transductor de temperatura (TT/2). Esta operación es
controlada por el Controlador e Indicador de Temperatura (TIC/1-2).
8) Transporte del film de PE-LD.
Dicha operación es realizada con la activación del Embrague Magnético
(MC1), pero está sujeta a la información obtenida a través del Indicador de
Estado (YI/2). Esta operación es controlada por la Unidad de Control (UC/1-2).
60
Tabla 5. Lazos de control del proceso
4.3. Selección de equipos y dispositivos.
La clave para la correcta realización del diseño de un sistema de control es el
análisis de todo el conjunto de condiciones de funcionamiento. Es fundamental que el
conjunto de condiciones del sistema de control tenga toda la información necesaria
para la realización del proyecto, ya que la misma guarda una estrecha relación con los
componentes de la parte operativa. En base a dicha información y a distintos criterios
se realiza la selección de los equipos y dispositivos a emplear en el diseño del sistema
de control.
A continuación se presentan algunas condiciones y criterios que deben ser
evaluados para determinar las características de los instrumentos y componentes:
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Generales: normas, recomendaciones, tipo de material, características de la
red de alimentación, espacio disponible.
Utilización: frecuencia de uso, disposición de mandos.
Características funcionales: campo de medida, exactitud en las mediciones,
funciones requeridas, posibles ampliaciones, tipo de HMI requerida,
periféricos, comunicación, conectividad, entre otras.
Ambiente: clasificación del lugar, tipo de atmósfera, existencia de polvo,
temperatura ambiente, nivel de vibraciones mecánicas, nivel de humedad,
nivel de exposición a la intemperie.
Posteriormente y en base a la información recopilada, se realiza la elección
del tipo de tecnología a utilizar y todos los equipos requeridos, asegurando siempre la
compatibilidad entre ellos.
62
4.3.1. Planteamientos iniciales.
Para comenzar es importante destacar que en el lugar de operación de la
máquina envolvedora vertical se cuenta con:
Suministro eléctrico trifásico de 208 VAC (3Ø + N)
Suministro de aire comprimido no menor a 5 bar.
En cuanto a las condiciones de operación y exigencias del cliente es necesario
tener en cuenta:
1) La máquina presentará un alto nivel de vibración mecánica, debido a la
utilización de:
Dos motores de inducción trifásicos.
Dos cilindros neumáticos de doble efecto, utilizados en el proceso de
sellado transversal y descarga.
Tres vibradores que controlan los procesos de dosificación y descarga.
Otros mecanismos, cadenas, ejes y engranajes.
2) Debido al tipo de producto a tratar y otras líneas de producción en la planta, se
verificó que los instrumentos y equipos estarán expuestos a considerables
cantidades de partículas derivadas del procesamiento de queso.
3) Es necesario la utilización de una HMI robusta y de fácil interacción que
facilite el ingreso y lectura de datos por parte del operador de la máquina.
Adicionalmente se plantea utilizar señales de control con niveles de 0 – 24
VDC, con la finalidad de aumentar las condiciones de seguridad del operador durante
su interacción con la máquina y su estructura.
63
4.3.2. Selección de la tecnología a emplear.
Las tecnologías actualmente disponibles para la realización de un sistema de
control son básicamente: electromecánica, neumática o electrónica (autómatas
programables, micro y mini ordenadores y tarjetas electrónicas estándar o
específicas).
Sin embargo, existen algunos criterios (según el Manual de Tecnologías de
Control Industrial de Schneider Electric) que nos permiten realizar una correcta
selección:
Viabilidad: nos permite descartar las tecnologías que no permiten cumplir
todo el conjunto de condiciones.
Optimización: su objetivo es reducir al mínimo el coste global durante el ciclo
de vida útil de la máquina (compras, instalación, puesta a punto, flexibilidad,
gestión, mantenimiento…).
En principio la elección de una tecnología electrónica es correcta, debido
principalmente a la capacidad de programar fácilmente la ley de control bajo la cual
funcione el sistema.
Pero entre todas las opciones que abarca este tipo de tecnología, y
considerando todos los requerimientos y condiciones de trabajo para diseñar el
sistema de control de la máquina envolvedora vertical bajo estudio, la utilización de
un Autómata Programable presenta claramente una mayor viabilidad y nivel de
optimización, debido principalmente a las condiciones del entorno industrial a la que
estará sometido.
Finalmente, debido a las características generales del proceso y cantidad de
lazos de control, no se considera necesario establecer un sistema de control
distribuido (varios autómatas trabajando en conjunto). Por esta razón se plantea la
64
realización de un sistema de control centralizado, ya que con un solo autómata se
pueden satisfacer todos los requerimientos del sistema
4.3.3. Selección del controlador lógico programable.
En el proceso de selección se evaluaron los siguientes equipos:
Un PLC Siemens, modelo S7-1200 1214C DC/DC/DC, con un módulo de
señales analógicas Siemens SM 1234.
Un PLC OMRON, modelo CP1H-XA40D
La selección del controlador lógico programable se realizó fundamentalmente en
base a dos criterios:
Características Cuantitativas
Características Cualitativas
65
Tabla 6. Estudio comparativo para la selección del PLC.
Las principales características cuantitativas de ambos equipos satisfacen los
requerimientos del sistema, sin embargo el factor determinante fueron algunas
características cualitativas: fiabilidad y previsión de repuestos en el país. La Tabla Nº
5 muestra la comparación realizada entre ambos equipos.
Como resultado se obtuvo que el PLC Siemens S7-1200 es el que mejor se
adapta a los a nuestras necesidades. [23]
4.3.4. Selección de la HMI.
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Debido a los requerimientos del sistema el componente principal de la HMI lo
constituye una pantalla táctil analógica resistiva de alta resolución diseñada para
trabajar en entornos industriales.
La selección de esta pantalla se realizó de acuerdo al controlador seleccionado
previamente, garantizando de esta manera una completa compatibilidad en la
transferencia de datos e instrucciones y explotar de esta forma todos los beneficios
que nos ofrece. El dispositivo seleccionado es una pantalla Siemens SIMATIC HMI
Basic Panel: modelo KTP700 Basic, con la cual podemos obtener:
Comodidad en la lectura e ingreso de datos debido a su diseño y área activa de
la pantalla (154,1 x 85,9 mm (7")).
Alta calidad en la representación gráfica debido a su resolución (800 x 480
píxeles).
Gran capacidad de memoria de datos y memoria de programa (256 MB y 512
MB respectivamente)
Esta pantalla permitirá al operador:
1) Programar la cantidad de producto a dosificar.
2) Controlar la velocidad del proceso.
3) Monitorear el estado de las variables de proceso
4) Seleccionar el modo de operación: Automático/Manual.
5) Programar la cantidad de envoltorios a elaborar.
Adicionalmente la HMI contará con:
Un interruptor principal trifásico, que permite energizar toda la máquina.
Un pulsador de emergencia con retención de color rojo.
Un interruptor mecánico que habilita el suministro de aire comprimido.
[24]
4.3.5. Selección de la fuente de alimentación DC.
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La elección de la fuente de alimentación DC es de vital importancia para el
correcto funcionamiento de la máquina, ya que además de energizar el controlador
principal, esta fuente estará encargada de alimentar los siguientes dispositivos:
La pantalla de la HMI.
El módulo de entradas analógicas.
El módulo transductor de peso.
El sensor de la tolva principal.
El sensor que detecta la posición de sellado longitudinal.
Todas las electroválvulas neumáticas.
Los relés de estado sólido.
Se evaluaron los siguientes equipos:
Una fuente Schneider modelo: ABL8REM24050
Una fuente Siemens modelo: SITOP MODULAR 6EP1 333-3BA00
Ambos equipos son de excelente calidad y satisfacen con creces las exigencias
de nuestro diseño, sin embargo se seleccionó la fuente Schneider por presentar una
mejor relación calidad/precio. [25]
La Tabla Nº 7 muestra los requerimientos y la comparación entre las dos
fuentes de poder evaluadas.
68
Tabla 7. Estudio comparativo para la selección de la fuente de 24 VDC.
4.3.6. Selección del variador de frecuencia.
Mediante este equipo se realizará el control de velocidad del motor principal
del sistema (M1), a través del controlador programable. Para ello es importante la
selección de un VFD que además de ser capaz de controlar un motor con las
características del utilizado en el proceso, debe poseer características de
comunicación compatibles con el módulo de señales analógicas del PLC seleccionado
en el punto 4.3.4.
El equipo seleccionado es un VFD de Schneider Electric modelo
ATV12H075M2, el cual además de satisfacer los todos los requer
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