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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA
DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN NUEVO SISTEMA DE CONTROL PARA DOSIFICADORAS DE CHOCOLATE
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO EN ELECTRNICA Y CONTROL
EDGAR JAVIER RODRGUEZ NOLASCO javierrodri1122@hotmail.com
DIRECTOR: ING. ANA VERNICA RODAS BENALCZAR ana.rodas@epn.edu.ec
CO-DIRECTOR: ING. DIEGO IVN CAZARES GUALPA
diego.cazares@ferrero.com
Quito, FEBRERO 2013
DECLARACIN Yo Edgar Javier Rodrguez Nolasco, declaro bajo juramento que el trabajo aqu descrito es de mi autora; que no ha sido previamente presentada para ningn grado o calificacin profesional; y, que he consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen en este documento. A travs de la presente declaracin cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politcnica Nacional, segn lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
______________________ Edgar Javier Rodrguez Nolasco
CERTIFICACIN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Edgar Javier Rodrguez Nolasco, bajo mi supervisin. ________________________ ________________________ Ing. Ana Rodas Ing. Diego Cazares DIRECTORA DEL PROYECTO CO-DIRECTOR DEL PROYECTO
AGRADECIMIENTO
Agradezco a todas las personas que ayudaron con el desarrollo de este proyecto, como tambin a todos mis amigos que formaron parte de mi vida universitaria, de manera muy especial a Vctor y Freddy. Adems agradezco a la Ingeniera Ana Rodas y al Ingeniero Diego Cazares por el tiempo dedicado a la direccin de este trabajo.
DEDICATORIA
Dedico este proyecto a Dios, a toda mi familia, a mis Padres Luis y Sonia, mis hermanas Paola, Grace y Karen, quienes en todo momento me apoyaron en mis estudios, brindndome el valor y la fortaleza para seguir delante en los momentos ms difciles y as poder culminar mis estudios con xito. Y de manera especial dedico este proyecto a mi Abuelito Juan quin ahora nos estar cuidando desde y con la compaa de Dios.
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Contenido RESUMEN .............................................................................................................................................. 1 PRESENTACIN .................................................................................................................................. 3
CAPTULO 1 .......................................................................................................................................... 5 DESCRIPCIN DEL SISTEMA MECNICO DE DOSIFICACIN DE CHOCOLATE ........... 5 1.1 Tipos de Dosificadoras ....................................................................................................... 6 1.2 Tipo de Producto ................................................................................................................ 9 1.2.1 Constitucin del Producto ................................................................................................. 9 1.3 Proceso de preparacin .................................................................................................... 10 1.3.1 Cristalizacin .................................................................................................................... 10 1.3.2 Dosificacin ....................................................................................................................... 10 1.3.3 Sellado ............................................................................................................................... 11 1.3.4 Sellado Completo y Troquelado ...................................................................................... 11 1.4 Proyecto a desarrollar ...................................................................................................... 11 1.5 Sistema Mecnico ............................................................................................................. 12 1.5.1 Bloque de Duraluminio .................................................................................................... 12 1.5.2 Bujes .................................................................................................................................. 13 1.5.3 Ejes de Acero Inoxidable ................................................................................................. 14 1.5.4 Retenedores ....................................................................................................................... 16 1.5.5 Chumacera ........................................................................................................................ 17 1.5.6 mbolos ............................................................................................................................. 18 1.5.7 Tolva .................................................................................................................................. 19 1.6 Funcionamiento Mecnico ............................................................................................... 19
CAPTULO 2 ........................................................................................................................................ 22 DISEO E IMPLEMENTACIN DEL HARDWARE DEL SISTEMA ....................................... 22 2.1 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Blanco .................................................. 22 2.2 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Oscuro ................................................. 23 2.3 Elementos Elctricos ........................................................................................................ 23 2.3.1 Clculo del Breaker .......................................................................................................... 24 2.3.2 Clculo de la Fuente de alimentacin ............................................................................. 24 2.3.3 Clculo del Fusible ........................................................................................................... 26 2.3.4 Clculo de la resistencia ................................................................................................... 26 2.3.5 Rels ................................................................................................................................... 28 2.3.6 Rel de estado slido ........................................................................................................ 28 2.4 Elementos neumticos ...................................................................................................... 29 2.4.1 Cilindros Neumticos ....................................................................................................... 29 2.4.2 Tipos de Cilindros segn su construccin ...................................................................... 30 2.4.2.1 Cilindros de simple efecto ................................................................................................ 30 2.4.2.2 Cilindros de doble efecto .................................................................................................. 31 2.4.2.3 Cilindros con doble vstago ............................................................................................. 31 2.4.2.4 Cilindros de doble pistn o en tndem ........................................................................... 31 2.4.2.5 Cilindros acoplados de accin independiente ................................................................ 32 2.4.2.6 Cilindros sin vstago ........................................................................................................ 32 2.4.2.7 Amortiguacin de fin de carrera ..................................................................................... 32 2.4.2.8 Pistn con imn incorporado .......................................................................................... 33 2.4.2.9 Normalizacin ISO ........................................................................................................... 33 2.4.3 Calculo de los Cilindros para las dosificadoras ............................................................. 34 2.4.3.1 Clculo Cilindros Compactos- Movimiento Absorcin y Dosificacin ........................ 35 2.4.3.2 Clculo Cilindros - Movimiento Giratorio ..................................................................... 37 2.4.3.3 Actuador para Tubera .................................................................................................... 38 2.4.3.4 Vlvula de bola VAPB de accionamiento mecnico ...................................................... 39
ii
2.4.4 Componentes del circuito neumtico .............................................................................. 40 2.4.4.1 Vlvula reguladora de caudal ......................................................................................... 40 2.4.4.2 Vlvula distribuidora ....................................................................................................... 41 2.4.4.3 Unidad de mantenimiento ............................................................................................... 42 2.5 Elementos electrnicos ..................................................................................................... 42 2.5.1 Sensores ............................................................................................................................. 42 2.5.1.1 Sensor de Temperatura ................................................................................................... 43 2.5.1.2 Sensores Magnticos ........................................................................................................ 45 2.5.1.3 Sensor capacitivo .............................................................................................................. 46 2.5.2 Controlador de Temperatura .......................................................................................... 51 2.5.3 PLC .................................................................................................................................... 54 2.5.3.1 Descripcin de Entradas y Salidas del PLC LOGO ...................................................... 55 2.5.3.2 Diagrama de Conexiones de Entradas y Salidas del PLC LOGO ............................... 56 2.5.3.3 Descripcin de Entradas y Salidas del PLC S7-1200 .................................................... 57 2.5.3.4 Diagrama de Conexiones de Entradas y Salidas del PLC S7-1200 .............................. 58 2.5.3.5 Diagrama de Conexiones del Mdulo de Entradas y Salidas del PLC S7-1200 ......... 59 2.5.4 HMI ................................................................................................................................... 59
CAPTULO 3 ........................................................................................................................................ 62 DESARROLLO DEL SOFTWARE DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE DOSIFICACIN ................................................................................................................................................................ 62 3.1 Lgica del programa Dosificadoras Chocolate Blanco ................................................. 62 3.2 Lgica del programa Dosificadoras Chocolate Oscuro ................................................ 67 3.3 Siemens Logo Soft Comfort ............................................................................................. 73 3.4 PLC S7-1200 ..................................................................................................................... 74 3.4.1 El software ........................................................................................................................ 75 3.4.2 Totally Integrated Automation Portal V11 .................................................................... 76 3.4.3 Step Basic 7 V11 ............................................................................................................... 76 3.4.4 Win CC Basic V11 ............................................................................................................ 77 3.4.5 Desarrollo de la Programacin S7-1200 .................................................................. 79 3.4.6 Programacin del HMI Kp300 ..................................................................................... 85 3.5 Modo Operacin Dosificadora Chocolate Oscuro ......................................................... 93 3.6 Alarmas y Soluciones ....................................................................................................... 99
CAPTULO 4 ...................................................................................................................................... 102 PRUEBAS Y RESULTADOS ........................................................................................................... 102 4.1 Mquinas Dosificadoras ................................................................................................ 102 4.2 Mquinas Dosificadoras Chocolate Oscuro ................................................................. 104 4.3 Pruebas Elctricas .......................................................................................................... 106 4.4 Pruebas Mecnicas ......................................................................................................... 107 4.5 Pruebas Neumticas ....................................................................................................... 108 4.6 Pruebas Electrnicas ...................................................................................................... 109 4.7 Pruebas de Funcionamiento .......................................................................................... 110 4.7.1 Pruebas de Pesos de Chocolate Oscuro ........................................................................ 110 4.7.2 Pruebas de Pesos de Chocolate Blanco ......................................................................... 114 4.8 Pruebas Pantallas ........................................................................................................... 116 4.9 Pruebas Alarmas ............................................................................................................ 116
CAPTULO 5 ...................................................................................................................................... 118 CAPTULO 5 ...................................................................................................................................... 119 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................... 119 5.1 Conclusiones .................................................................................................................... 119 5.2 Recomendaciones ............................................................................................................ 120
iii
REFERENCIAS BIBLIOFRFICAS124 ANEXOS ANEXO A DIAGRAMA CONEXIONES PLC LOGO OBA6 DOSIFICADORA CHOCOLATE BLANCO DIAGRAMA CONEXIONES SOLENOIDES DOSIFICADORA CHOCOLATE BLANCO DIAGRAMA CONEXIONES PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC - DOSIFICADORA CHOCOLATE
OSCURO
DIAGRAMA CONEXIONES PLC S7-1200 MODULOS DIGITAL Y ANALOGICO - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO
DIAGRAMA CONEXIONES RELS - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO DIAGRAMA SOLENOIDES - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO BLOQUE 1 DIAGRAMA SOLENOIDES - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO BLOQUE 2 DIAGRAMA CONEXIONES CONTROLADOR TEMPERATURA BTC-9100 REL ESTADO SOLIDO -
DOSIFICADORA CHOCOLATE BLANCO
DIAGRAMA CONEXIONES RELS - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO ANEXO B Documentacin Cilindros compactos ADVU/AEVU Documentacin Actuadores giratorios DFPB Documentacin Cilindros normalizados DSNU/DSNUP/DSN/ESNU/ESN, ISO 6432 Hoja de datos: Sensor Capacitivo CM30 Hoja de datos: Detector de proximidad SME-8-K-LED-24 150855 Hoja de datos: Cilindro compacto ADVU-32-25-A-P-A 156620 Hoja de datos: Cilindros normalizados DSNU-25-80-PPS-A 559285 Hoja de datos: Actuador giratorio DFPB-10-090-F03 557539 Hoja de datos: S71200 1214 DC/DC/DC
iv
Lista de Figuras
CAPTULO 1 .......................................................................................................................................... 5 DESCRIPCIN DEL SISTEMA MECNICO DE DOSIFICACIN DE CHOCOLATE ........... 5 Figura 1.1 Unidad Dosificadora para lquido1 ..................................................................................... 7 Figura 1.2 Dosificador de banda para productos frgiles2 ................................................................. 8 Figura 1.3 Dosificacin de Chocolate Oscuro .................................................................................... 11 Figura 1.4 Dosificacin de Chocolate Blanco ..................................................................................... 11 Figura. 1.5 Chocolate con Tartofino ................................................................................................... 11 Figura. 1.6 Cubierta del Producto ...................................................................................................... 11 Figura 1.7 Bloque de Duraluminio ya maquinado ........................................................................... 13 Figura 1.8 Buje Individual ................................................................................................................... 14 Figura 1.9 Diferentes Tipos de Bujes .................................................................................................. 14 Figura 1.10 Eje en la Mquina ............................................................................................................ 15 Figura 1.11 Posicin Inicial del Eje .................................................................................................... 15 Figura 1.12 Posicin para Dosificar del Eje ....................................................................................... 16 Figura 1.13 Bujes y Ejes en el Bloque ................................................................................................. 16 Figura 1.14 Retenedores ...................................................................................................................... 17 Figura 1.15 Chumacera ....................................................................................................................... 18 Figura 1.16 Embolo en la cmara del Bloque .................................................................................... 18 Figura 1.17 Tolva .................................................................................................................................. 19 Figura 1.18 Posicin Inicial de la Dosificadora.................................................................................. 19 Figura 1.19 Posicin de absorcin del chocolate................................................................................ 20 Figura 1.20 Posicin para dosificar el chocolate................................................................................ 20 Figura 1.21 Dosificacin del Chocolate .............................................................................................. 20
CAPTULO 2 ........................................................................................................................................ 22 DISEO E IMPLEMENTACIN DEL HARDWARE DEL SISTEMA ....................................... 22 Figura 2.1 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Blanco ................................................... 22 Figura 2.2 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Oscuro ................................................... 23 Figura 2.3 Fuente de Alimentacin 24 VDC ...................................................................................... 25 Figura 2.4 Diagrama de Conexin Fuente de Alimentacin 24 VDC .............................................. 26 Figura 2.5 Resistencia Recta Tubular ................................................................................................ 26 Figura 2.6 Resistencia Helicoidales ..................................................................................................... 27 Figura 2.7 Resistencia Serpentn ......................................................................................................... 27 Figura 2.8 Resistencia Tubular ........................................................................................................... 28 Figura 2.9 Rels de un Polo 24 VDC ................................................................................................... 28 Figura 2.10 Rel Estado Slido ........................................................................................................... 29 Figura 2.11 Cilindro Normalizado ...................................................................................................... 30 Figura 2.12 Partes Internas del Cilindro Simple Efecto ................................................................... 30 Figura 2.13 Partes Internas del Cilindro Doble Efecto ..................................................................... 31 Figura 2.14 Cilindro con doble Vstago ............................................................................................. 31 Figura 2.15 Cilindros de doble pistn o en tndem ........................................................................... 32 Figura 2.16 Cilindros acoplados de accin independiente ................................................................ 32 Figura 2.17 Cilindros sin vstago ........................................................................................................ 32 Figura 2.18 Pistn con imn incorporado .......................................................................................... 33 Figura 2.19 Cilindro Compacto .......................................................................................................... 36 Figura 2.20 Cilindro Normalizado ...................................................................................................... 37 Figura 2.21 Actuador Neumtico y Vlvula ................................................................................ 38 Figura 2.22 Smbolo e Imagen de un Actuador Giratorio ................................................................ 39 Figura 2.23 Vlvula de Bola de .................................................................................................... 40 Figura 2.24 Vlvula reguladora y Smbolo de la vlvula reguladora de caudal ............................. 40
v
Figura 2.25 Electrovlvula .................................................................................................................. 41 Figura 2.26 Smbolo de la electrovlvula ........................................................................................... 41 Figura 2.27 Unidad de mantenimiento ............................................................................................... 42 Figura 2.28 Posicin de la Pt100 en la Dosificadora.......................................................................... 43 Figura 2.29 PT100 de 3 hilos ............................................................................................................... 44 Figura 2.30 PT100 ................................................................................................................................ 44 Figura 2.31 Ubicacin de los Sensores Magnticos en el Cilindro Neumtico ................................ 45 Figura 2.32 Diagrama Elctrico Sensor ............................................................................................. 46 Figura 2.33 Sensor Magntico ............................................................................................................. 46 Figura 2.34 Sensor Capacitivo en la Dosificador ............................................................................... 46 Figura 2.35 Actuador Giratorio + Vlvula .................................................................................. 46 Figura 2.36 Diagrama Elctrico Sensor ............................................................................................. 47 Figura 2.37 Sensor Capacitivo ............................................................................................................ 47 Figura 2.38 Esquema de sensores dosificadora Chocolate Blanco ................................................... 47 Figura 2.39 Esquema de sensores dosificadora Chocolate Oscuro .................................................. 48 Figura 2.40 Plano de Conjunto 3D Dosificadora Chocolate Blanco ................................................ 49 Figura 2.41 Plano de Conjunto 3D Dosificadora Chocolate Oscuro ............................................... 50 Figura 2.42 Controlador de temperatura BTC-9100 ........................................................................ 51 Figura 2.43 PLC LOGO ...................................................................................................................... 54 Figura 2.44 PLC S7-1200 ..................................................................................................................... 54 Figura 2.45 Diagrama de conexiones PLC LOGO ............................................................................ 56 Figura 2.46 Diagrama de conexiones PLC S7-1200 .......................................................................... 58 Figura 2.47 Diagrama de conexiones PLC S7-1200 Modulo expansin .......................................... 59 Figura 2.48 Pantalla Logo TD ............................................................................................................. 60 Figura 2.49 Pantalla KP300 ................................................................................................................. 60
CAPTULO 3 ........................................................................................................................................ 62 DESARROLLO DEL SOFTWARE DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE DOSIFICACIN ................................................................................................................................................................ 62 Figura 3.1 Diagrama de Flujo Inicio ............................................................................................... 62 Figura 3.2 Diagrama de Flujo - Dosificacin ..................................................................................... 63 Figura 3.3 Diagrama de Flujo Alarmas ........................................................................................... 64 Figura 3.4 Visualizacin Pantalla Logo TD ....................................................................................... 66 Figura 3.5 Logo TD Botn F3.............................................................................................................. 66 Figura 3.6 Logo TD Botn F4.............................................................................................................. 66 Figura 3.7 Logo TD Botn F2.............................................................................................................. 66 Figura 3.8 Alarma de Sensor Logo TD ............................................................................................... 67 Figura 3.9 Diagrama de Flujo - Inicio ................................................................................................ 67 Figura 3.10 Diagrama de Flujo - Modo Automtico ......................................................................... 68 Figura 3.11 Diagrama de Flujo - Modo Manual ................................................................................ 69 Figura 3.12 Diagrama de Flujo Alarmas y otras Opciones del men ........................................... 70 Figura 3.13 Diagrama de Flujo Configuracin de la Mquina ..................................................... 71 Figura 3.14 Logo Soft ........................................................................................................................... 73 Figura 3.15 Logo TD ............................................................................................................................ 74 Figura 3.16 PLC s7-1200 ..................................................................................................................... 74 Figura 3.17 PLC s7-1200 Mdulos expansin ................................................................................. 75 Figura 3.18 S7-1200 Mdulos Comunicacin .................................................................................... 76 Figura 3.19 TIA PORTAL V11 ........................................................................................................... 76 Figura 3.20 Step Basic 7 ....................................................................................................................... 77 Figura 3.21 Vista Inicial TIA PORTAL V11 ..................................................................................... 79 Figura 3.22 Vista Inicial Proyecto Creado ......................................................................................... 79 Figura 3.23 Agregar Dispositivos ........................................................................................................ 80 Figura 3.24 Vista General del Proyecto .............................................................................................. 80 Figura 3.25 Programacin PLC Diagrama Ladder ....................................................................... 81
vi
Figura 3.26 Tipos de Bloque de programacin .................................................................................. 82 Figura 3.27 Bloque de Datos ................................................................................................................ 84 Figura 3.28 Tabla de Variables ........................................................................................................... 84 Figura 3.29 Variables del Proyecto ..................................................................................................... 85 Figura 3.30 Objeto Tecnolgico .......................................................................................................... 85 Figura 3.31 Agrega HMI ..................................................................................................................... 86 Figura 3.32 Conexiones HMI .............................................................................................................. 86 Figura 3.33 Conexin HMI - PLC ...................................................................................................... 87 Figura 3.34 Vista de Conexiones ......................................................................................................... 87 Figura 3.35 Presentacin de la Imagen HMI ..................................................................................... 88 Figura 3.36 Configuracin Avisos ....................................................................................................... 88 Figura 3.37 Configuracin Imgenes Sistema ................................................................................... 89 Figura 3.38 Configuracin de la RED ................................................................................................ 89 Figura 3.39 Configuracin Runtime HMI ......................................................................................... 90 Figura 3.40 Vista del Proyecto y Configuracin Imgenes ............................................................... 90 Figura 3.42 Configuracin Avisos ....................................................................................................... 91 Figura 3.43 Variable de Imgenes ...................................................................................................... 92 Figura 3.44 Tipos de Variables del sistema ........................................................................................ 92 Figura 3.45 Deteccin automtica de los Dispositivos ....................................................................... 93 Figura 3.46 Accesos Online ................................................................................................................. 93 Figura 3.47 Pantalla Inicial de la Dosificadora Choc. Oscuro ......................................................... 94 Figura 3.48 Men Fondo Blanco ......................................................................................................... 94 Figura 3.49 Men Fondo Verde .......................................................................................................... 94 Figura 3.50 Pantalla Inicio Sistema Fondo Verde ............................................................................. 94 Figura 3.51 Pantalla Inicio Sistema Fondo Blanco............................................................................ 95 Figura 3.52 Modo Automtico ............................................................................................................ 96 Figura 3.53 Modo Manual Dosificar ................................................................................................... 96 Figura 3.54 Modo Manual ................................................................................................................... 96 Figura 3.55 Temperatura .................................................................................................................... 97 Figura 3.56 Historial ............................................................................................................................ 97 Figura 3.57 Alarmas ............................................................................................................................. 98 Figura 3.58 Configuracin de la Mquina ......................................................................................... 98 Figura 3.59 Alarma Sensor .................................................................................................................. 99 Figura 3.60 Alarma Pistn ................................................................................................................... 99 Figura 3.61 Visualizacin despus de resetear la Mquina ............................................................ 100
CAPTULO 4 ...................................................................................................................................... 102 PRUEBAS Y RESULTADOS ........................................................................................................... 102 Figura 4.1 Dosificadora Chocolate Blanco Vista 1 .......................................................................... 102 Figura 4.2 Dosificadora Chocolate Blanco Vista 2 .......................................................................... 103 Figura 4.3 Dosificadora Chocolate Oscuro Vista 1 ........................................................................ 104 Figura 4.4 Dosificadora Chocolate Oscuro Vista 2 ......................................................................... 104 Figura 4.5 Dosificadora Chocolate Oscuro Vista 3 ......................................................................... 105 Figura 4.6 Fuente con S7-1200 .......................................................................................................... 106 Figura 4.7 Fuente con LOGO ............................................................................................................ 106 Figura 4.8 Fuente en el Tablero ........................................................................................................ 106 Figura 4.9 Bloque sin los ejes ............................................................................................................ 107 Figura 4.10 Cilindros Compactos Dosificadora Chocolate Oscuro ............................................... 108 Figura 4.11 Bobinas ............................................................................................................................ 108 Figura 4.12 Juego Actuador Giratorio y Vlvula .................................................................... 108 Figura 4.13 Posicin de Sensores Cilindro Estndar ...................................................................... 109 Figura 4.14 Posicin Sensores Cilindro Compacto ...................................................................... 109 Figura 4.15 Posicin de Sensor Capacitivo ...................................................................................... 109 Figura 4.16 Controlador temperatura .............................................................................................. 110
vii
Figura 4.17 PT100 .............................................................................................................................. 110 Figura 4.18 Balanza DW-3000E ........................................................................................................ 110 Figura 4.19 Peso de cada cavidad Chocolate Oscuro a 35,6 C ..................................................... 112 Figura 4.20 Peso de cada cavidad Chocolate Oscuro a 34,9 C ..................................................... 112 Figura 4.21 Peso de cada cavidad Chocolate Oscuro a 36,1 C ..................................................... 113 Figura 4.22 Peso de cada cavidad Chocolate Blanco a 35,1 C ...................................................... 114 Figura 4.23 Peso de cada cavidad Chocolate Blanco a 36,2 C ...................................................... 115 Figura 4.24 Peso de cada cavidad Chocolate Blanco a 36,1 C ...................................................... 115 Figura 4.25 Pantalla Dosificadora Chocolate oscuro ...................................................................... 116 Figura 4.26 Pantalla Dosificadora Chocolate Blanco ...................................................................... 116
CAPTULO 5 ...................................................................................................................................... 119 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................... 119 5.1 Conclusiones ........................................................................................................................... 119 5.2 Recomendaciones ................................................................................................................... 120
1
RESUMEN
El proyecto tiene por objetivo principal minorar las prdidas que se tiene con la
dosificacin de chocolate (Blanco y Oscuro), en la Fbrica de Ferrero del Ecuador
S. A., con la creacin de nuevas dosificadoras para el chocolate.
El nuevo sistema de dosificacin de Chocolate consiste principalmente en su
parte mecnica de una tolva, para el almacenamiento del chocolate, un bloque de
duraluminio donde se realizar los movimientos de absorcin y dosificacin del
producto, ejes pequeos y medianos para poder manipular la absorcin o la
dosificacin del chocolate, bujes para que los ejes puedan moverse sin problema
y retenedores para que el producto no se escape fuera de los bujes.
A la tolva se llega con tubera para que pueda llenarse las mismas y se controla el
nivel del producto con la por medio de un sensor magntico para la apertura o
cierre una vlvula de bola, la cual est acoplada a un actuador giratorio
neumtico.
Las dosificadoras realizan el siguiente proceso:
Se espera la seal de inicio para la dosificacin y con ayuda de cilindros
neumticos los ejes pequeos absorben el producto en 4 cmaras que estn
maquinadas en bloque, el peso es regulado con la carrera que se quiera dar al
cilindro pero se manipula el mismo hasta calibrar el peso que debe ir en el
producto terminado, ya que el peso es fijo para la dosificacin del chocolate.
El siguiente movimiento consiste en mover 90o a los ejes medianos para que los
mismos cambien a la posicin dosificacin, con la ayuda de los cilindros
neumticos.
Se utiliza sensores magnticos para sensar la posicin de los cilindros
neumticos y saber cundo hay que absorber o dosificar.
Adems se necesita mantener el chocolate a cierta temperatura por lo que se
utiliza resistencias para calentar el bloque a la temperatura deseada.
Cuando los ejes medianos se encuentren en la posicin de dosificar, se expulsa el
chocolate que se encuentra en las cmaras del bloque y se dosifica el producto.
Por ltimo se regresa a la posicin inicial los ejes medianos para poder realizar el
proceso nuevamente.
2
Para poder controlar los diferentes movimientos de cada cilindro neumtico se
utiliza un Controlador Lgico Programable, el cual ha sido programado para que
realice los movimientos deseados en el proceso.
3
PRESENTACIN
En el presente proyecto se describe la implementacin de las dosificadoras
Chocolate Blanco y Oscuro, tanto en su parte estructural que est formado por un
bloque maquinado, ejes, bujes y tolva. Adems de sistema de control de cada
dosificadora.
A continuacin se describe los diferentes captulos que tiene el proyecto:
En el captulo uno se presenta algunos tipos de dosificadores comerciales, as
como tambin una descripcin del sistema mecnico y de cada uno de los
elementos mecnicos que se utilizan para el funcionamiento de las dosificadoras
de chocolate.
En el captulo dos se presenta el diseo e implementacin del Sistema de Control
para las dosificadoras, el diseo de los circuitos elctricos y electrnicos para la
automatizacin del sistema. Adems del diseo de los elementos neumticos
para el control.
En el captulo tres se detalla el desarrollo del software para la programacin; se
uso paquetes computacionales como: LOGO SOFT, TIA PORTAL V11; se
describe los programas de control para los sistemas desarrollados en los PLCs y
tambin el desarrollo del programa del sistema microprocesado.
En el captulo cuatro se presentan las pruebas y resultados que se obtienen al
hacer funcionar el sistema, calibracin del acondicionamiento, la tabulacin de
todos los datos registrados y clculos realizados.
En el captulo cinco se presentan las conclusiones que logradas luego de la
realizacin de este proyecto, tambin se dan algunas recomendaciones.
4
CAPTULO 1
5
CAPTULO 1
DESCRIPCIN DEL SISTEMA MECNICO DE
DOSIFICACIN DE CHOCOLATE
Hoy en da, brindar al consumidor un producto de calidad importante, ya no solo
es meta, sino tambin un objetivo de cada empresa, ya que las altas exigencias
de los consumidores, han hecho que las empresas busquen diferentes maneras
de incrementar sus mercados. La exactitud en la dosificacin se ha convertido en
un tema de importancia debido a la necesidad de cumplir con los altos estndares
de calidad que caracterizan a la produccin. En este sentido, los aditivos lquidos
y los slidos presentan particularidades diferentes a la hora de dosificarse en las
fbricas.
En el caso del chocolate, se busca brindar al consumidor la cantidad exacta del
mismo pero buscando otras maneras de dosificarlo, lo que nos lleva a la
realizacin de nuevos tipos de dosificacin del chocolate.
Una dosificadora es un mecanismo que proporciona la cantidad exacta de algn
material de manera automatizada con el fin de optimizar una operacin.
Adems de ser una mquina industrial diseada para extraer dosis de algn tipo
de producto para su posterior empaque, es decir que su uso evita desperdicio,
agiliza el proceso productivo y garantiza al consumidor la cantidad exacta que
est adquiriendo. Si bien la nocin de dosificacin se aplica tambin a bombas
que regulan el caudal de un lquido, la mquina dosificadora es aquella utilizada
en el campo de los alimentos. Sirven para empacar y conservar los alimentos de
la manera ms eficiente y limpia posible.
Las primeras mquinas dosificadoras eran accionadas de manera manual y
utilizaban una especie de embudo con divisiones de medidas que iban
proporcionando la cantidad de alimento requerido cada vez que se vaciaba el
producto en el empaque individual.
6
En la actualidad se puede encontrar infinidad de dosificadoras, ya que con la
evolucin de la tecnologa se ha tratado de mejorar los diferentes procesos, ya
sea buscando otra de manera de producirlo u optimizando el mismo.
La dosificacin exacta de los componentes y su correcto mezclado en la industria
son dos partes fundamentales a la hora de conseguir un alimento con las
especificaciones deseadas. Los componentes en forma lquida requieren una
mayor atencin para evitar que surjan problemas en los diferentes procesos.
Las mquinas dosificadoras que ms se conoce en el mercado son:
Dosificadoras de Slidos
Dosificadoras de Lquidos
Dosificadoras de Slidos
Como su nombre lo indica, estas mquinas trabajan con productos slidos.
Los dosificadores de slidos en la industria se utilizan para integrar diferentes
materiales, en proporciones previamente definidas de anteriores subprocesos,
para conseguir un producto final, un ejemplo claro es en la industria farmacutica,
dnde se necesita pesos exactos de sus componentes.
Dosificadoras de Lquidos
Estas mquinas funcionan con productos en forma lquida. Mientras la
dosificacin gravimtrica (bsculas) es el mtodo estndar para dosificar los
ingredientes slidos, los ingredientes lquidos habitualmente se dosifican con
sistemas volumtricos o con sistemas gravimtricos, en combinacin con
mecanismos de pulverizacin (spraying) que transportan los aditivos o materias
primas lquidos y los aplican dentro de la mezcladora. Los equipos de dosificacin
volumtrica son sensibles a la temperatura y a la viscosidad, factores que pueden
introducir indeseadas fluctuaciones en la exactitud de hasta un 5%. Incluso los
sistemas gravimtricos para lquidos pueden tener sus limitaciones en el difcil y
pulverulento ambiente de la fbrica.
1.1 Tipos de Dosificadoras
Existen los siguientes tipos de dosificadoras:
Dosificadoras Volumtricas
7
Dosificadoras Gravimtricas
Dosificacin Volumtrica
Las dosificadoras volumtricas son la solucin bsica, ms simple y econmica
para las diferentes aplicaciones de dosificacin. El material se retiene en una tolva
que alimenta un volumen constante en un tiempo preestablecido mediante la
regularizacin de la velocidad del dosificador. El volumen del material se
determina mediante calibracin. El proceso de la dosificacin depende de la
uniformidad del flujo y densidad del material.
Los productos que pueden ser dosificados por las dosificadoras volumtricas son:
Sulfato de aluminio, cal, carbonato de sodio o de calcio, etc.
En la Figura 1.1 se puede ver una dosificadora de lquidos volumtrica.
Figura 1.1 Unidad Dosificadora para lquido1
Dosificacin Gravimtrica
La dosificacin gravimtrica integra adems un sistema de pesaje y la regulacin
de la velocidad del dispositivo. El control del sistema corrige el flujo de los
materiales no uniformes y las variaciones de densidad, consiguiendo una
dosificacin muy precisa. En este proceso, la tolva y el dosificador se depositan
en un sistema de pesaje (bscula de plataforma o bscula suspendida).
[1] Unidad dosificadora para lquido (dosificador volumtrico)
http://www.directindustry.es/prod/tenco/unidades-dosificadoras-para-liquidos-dosificador-
volumetrico-60499-480591.html
8
Una vez tasado y calibrado el peso del depsito y de la tolva, se procede a la
descarga del material y se mide la prdida de peso en el tiempo preestablecido. El
valor real obtenido se compara con un valor de referencia deseado y la diferencia
permite al sistema corregir la velocidad de alimentacin. Cuando el material de la
tolva alcanza un mnimo, se interrumpe el control gravimtrico y la tolva se vuelve
a llenar. Durante este tiempo el control es volumtrico, a partir de la referencia
previa establecida.
Los productos que pueden ser dosificados por las dosificadoras gravimtricas
son:
Granulados, polvos, plsticos recuperados, lquidos, fibras, etc.
En la Figura 1.2 se puede observar una mquina dosificadora gravimtrica de
productos frgiles.
Figura 1.2 Dosificador de banda para productos frgiles2
A continuacin se hablar del tipo de producto que se va a dosificar, sus
caractersticas, y su proceso de preparacin. Posteriormente describir el sistema
mecnico que utiliza las mquinas.
[2] Dosificador de banda para productos frgiles (dosificador gravimtrico) MWSK
http://www.directindustry.es/prod/buhler-ag/dosificadores-de-banda-para-productos-fragiles-
dosificadores-gravimetricos-68538-598928.html
9
1.2 Tipo de Producto
El tipo de producto que se maneja en la dosificacin es el Chocolate, el mismo
que puede ser Chocolate Blanco o Chocolate Oscuro.
El chocolate es el alimento que se obtiene mezclando azcar con dos productos
derivados de la manipulacin de las semillas del cacao: una materia slida (la
pasta de cacao) y una materia grasa (la manteca de cacao).
A partir de esta combinacin bsica, y dependiendo de la proporcin de estos dos
elementos se elaboran los distintos tipos de chocolate.
El chocolate desde el punto de vista mecnico es un fluido no newtoniano,
plstico, lo que significa que no cumple la ley de Newton de la viscosidad, por lo
tanto, la relacin entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformacin deja de
ser lineal.
Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido
y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.
Estos fluidos se caracterizan porque su viscosidad no permanece constante
cuando la temperatura y la composicin permanecen invariables, sino que
depende del esfuerzo cortante o gradiente de velocidad y, a veces, del tiempo de
aplicacin del esfuerzo y de la historia previa del producto o muestra. Ello es
debido a que la constitucin fsica vara al someter el producto a los efectos de
rozamiento a lo largo del tiempo.
Entre los alimentos tpicamente plsticos se encuentran el pur de patata, la nata
batida, el chocolate fundido y algunas grasas como margarinas, mantequillas.
Sus caractersticas principales son:
- Similares a los pseudoplsticos
- Necesitan una tensin mnima para que exista deformacin contina
- Al aumentar la temperatura disminuye la cohesin entre molculas.
1.2.1 Constitucin del Producto
El chocolate que se utiliza para la fabricacin del producto a ser utilizado con las
dosificadoras construidas, tiene los siguientes ingredientes:
Azcar, leche desnatada en polvo y leche entera en polvo, aceites vegetales,
avellanas, grasas vegetales, harina de trigo, cacao desgrasado, pasta de cacao,
emulgentes: lecitinas (soja), almidn de trigo, manteca de cacao, protenas de la
10
leche, aroma, gasificantes (carbonato cido de sodio, carbonato amnico), sal,
productos de la leche, cacao.
Se usa chocolate blanco y chocolate negro que varan en el tipo de preparacin,
densidad, y constitucin.
Chocolate Oscuro: es el derivado del cacao ms popular. Se trata, bsicamente,
de un dulce, por lo que la proporcin de pasta de cacao suele estar por debajo del
40%. No obstante, buena parte de las ms importantes marcas de chocolate
producen tabletas de chocolate con leche con proporciones de cacao inusuales,
por encima incluso del 50%, dirigidas tanto al mercado de los gourmets como al
negocio de la pastelera. El chocolate con leche, como su nombre indica, lleva
leche aadida, en polvo o condensada.
Chocolate Blanco: estrictamente, no se trata de chocolate, pues carece en su
composicin de la pasta de cacao, que es la materia que aporta las propiedades
del cacao. Se elabora con manteca de cacao (por lo menos, el 20%), leche (en
polvo o condensada) y azcar. Es un producto extremadamente energtico y
dulce. Visualmente muy atractivo, es un elemento decorativo muy usado en la
repostera.
1.3 Proceso de preparacin
1.3.1 Cristalizacin
Para la elaboracin del producto final, se empieza con la cristalizacin del
chocolate, que consiste en calentar el mismo hasta cierta temperatura, luego se lo
enfra hasta que se cristalice y obtenga ciertas caractersticas que diferencian a
este chocolate de otros.
1.3.2 Dosificacin
El chocolate es llevado por tubera hacia cada una de las dosificadoras
(construidas en este proyecto de titulacin), las cuales se encuentran en un
carrusel rectangular de valvas, donde primero se dosifica el chocolate negro,
luego se procede a dosificar el chocolate blanco y continuar con el proceso.
Adems de la dosificacin se procede a colocar dos Bolitas de Galleta, en cada
cavidad dosificada.
11
1.3.3 Sellado
En el proceso de sellado, el producto ya dosificado es cubierto por una lmina de
aluminio con la ayuda de una mquina selladora, la cual en base a altas
temperaturas, sella el producto para su conservacin y que permanezca con las
caractersticas para que pueda ser consumido por usuario.
1.3.4 Sellado Completo y Troquelado
Para finalizar el proceso, el producto ya sellado es llevado para ser nuevamente
sellado por medio de ultrasonido aumentando un juguete sorpresa. Finalmente el
producto es cortado de tal manera que da forma a un huevo, para ser enviado al
mercado y posteriormente al consumidor.
Figura 1.3 Dosificacin de Chocolate Oscuro Figura 1.4 Dosificacin de Chocolate Blanco
Figura. 1.5 Chocolate con Tartofino Figura. 1.6 Cubierta del Producto
1.4 Proyecto a desarrollar
El proyecto tiene los siguientes objetivos a cumplir:
Disear e implementar un sistema de control automtico para dosificadoras
de chocolate.
Acondicionar e instalar instrumentos adecuados para la dosificacin del
chocolate.
Desarrollar el software para el control de la dosificadora.
12
Realizar pruebas para verificar el correcto funcionamiento del sistema.
Con este fin, se realizarn las siguientes actividades:
Disear y programar el algoritmo de control por medio de la utilizacin de
un Controlador Lgico Programable.
Acondicionar e instalar sensores de temperatura y magnticos para que la
mquina pueda trabajar automticamente.
Controlar el movimiento de los pistones neumticos por medio de los
sensores y el programa en el PLC.
Construir un tablero donde se tenga visualizacin y control para cada una
de las dosificadoras por medio de un visualizador de texto HMI para
facilitar el proceso al operario.
El nmero de mquinas que se construirn son 3:
2 Dosificadoras para el Chocolate Blanco.
1 Dosificadora para el Chocolate Oscuro.
La construccin mecnica de las mquinas las realiz el personal de la empresa.
Sin embargo, el autor de este proyecto estuvo presente en cada paso del mismo
por lo que se procede a describirlo.
1.5 Sistema Mecnico
El sistema mecnico consiste principalmente en los siguientes elementos:
Bloque de Duraluminio
Bujes
Ejes Acero Inoxidable
Retenedores
Chumacera
Tolva
1.5.1 Bloque de Duraluminio
Es el nombre de la aleacin de aluminio y cobre, que proviene de la ciudad
alemana Duren (Renania). La composicin qumica fundamental del duraluminio
13
es: cobre, 2,5-4,5%; silicio, 0,3-0,9%; magnesio, 0,3-1,0%; manganeso, 0,5-0,8 %,
y el resto es aluminio.
El duraluminio resulta idneo principalmente para ser trabajado por deformacin
plstica, puesto que es dctil y maleable. Adems, puede ser trabajado con
mquinas herramientas y se presta medianamente a ser soldado. En las
construcciones automovilsticas se usa para piezas estampadas, como brazos,
palancas y detalles formados por embuticin. Adems de tener:
Buena mecanizacin.
Buena resistencia a la abrasin.
Buena resistencia a la corrosin.
La funcin que tiene el bloque de Duraluminio en la mquina dosificadora es de
almacenar y mantener al chocolate a cierta temperatura para que pueda ser
dosificado. Adems de tener orificios donde se detendr el chocolate, tiene 8
orificios por los cuales se enviar el chocolate a las diferentes cmaras, para que
pueda ser dosificado en las valvas. Este elemento se puede apreciar en la Figura
1.7
Figura 1.7 Bloque de Duraluminio ya maquinado
1.5.2 Bujes
Es el elemento de una mquina donde se apoya y gira un eje. Puede ser una
simple pieza que sujeta un cilindro de metal o un conjunto muy elaborado de
componentes que forman un punto de unin3, como se puede ver en la Figura 1.8
y en la Figura 1.9. Un buje es una pieza de unin mecnica entre dos partes,
posiblemente en movimiento o un punto de unin reforzado dnde un ensamble
mecnico es acoplado a otro.
[3] Sistema de Suspensin - Bujes http://sistemadesuspension.blogspot.com/
14
Se caracterizan por su construccin y sistema de giro. Es un cuerpo cilndrico
hecho con un material especial (acero, acero inoxidable, duraluminio, etc.), para
soportar los ejes de mquina rotatorias. Se puede comparar al rodamiento.
Adems para ciertas temperaturas tiende a dilatarse y perder su forma inicial.
En la mquina este elemento est hecho de acero inoxidable. La funcin que
tiene este elemento mecnico es de ayudar a que el eje de acero inoxidable
pueda girar, para que el mismo pueda colocarse en posicin de absorber y
dosificar el chocolate, en las valvas.
Figura 1.8 Buje Individual Figura 1.9 Diferentes Tipos de Bujes
1.5.3 Ejes de Acero Inoxidable
Es un elemento constructivo destinado a guiar el movimiento de rotacin a una
pieza o un conjunto de piezas, como una rueda o un engranaje. Un eje se aloja
por un dimetro exterior al dimetro interior de un agujero, con el cual tiene un
determinado tipo de ajuste. En algunos casos el eje es fijo, no gira, y un sistema
de rodamientos o de bujes insertas en el centro de la pieza permite que sta gire
alrededor del eje. En otros casos, la rueda gira solidariamente al eje y el sistema
de guiado se encuentra en la superficie que soporta el eje. 4
El acero inoxidable es un acero de elevada pureza y resistente a la corrosin,
dado que el cromo, u otros metales que contiene, poseen gran afinidad por el
oxgeno y reacciona con l formando una capa pasivadora, evitando as la
corrosin del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con
oxgeno son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosin,
como los que contienen fsforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por
algunos cidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por
mecanismos granulares o picaduras generalizadas.
[4] TEORA DE MAQUINAS CONCEPTOS BSICOS - EJES http://www.buenastareas.com/ensayos/Conceptos-Generales-Teoria-De-Maquinas/3445684.html
15
Algunos tipos de acero inoxidable contienen adems otros elementos aleantes;
los principales son el nquel y el molibdeno.
El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se descubri
que una pequea cantidad de cromo (el mnimo para conseguir propiedades
inoxidables es del 12%) aadido al acero comn, le daba un aspecto brillante y lo
haca altamente resistente a la suciedad y a la oxidacin. Esta resistencia a la
oxidacin, denominada resistencia a la corrosin, es lo que hace al acero inoxidable diferente de otros tipos de acero. 5
En el caso de la dosificadora, el eje acero de inoxidable est acoplado a una
biela. La biela es una platina que se puede acoplar a diferentes elementos
mecnicos, que en el caso de la mquina est acoplado a un pistn neumtico.
La funcin que tiene este elemento mecnico en la mquina dosificadora es de
posicionarse de tal manera que el chocolate sea absorbido de la tolva o dosificado
desde las cmaras del Bloque. Esto se puede llegar a realizar ya que los ejes
tienen agujeros con forma de L a 90o, 4 para la Mquina Dosificadora de
Chocolate Blanco y 8 para la Mquina Dosificadora de Chocolate Oscuro, como
se puede apreciar en la Figura 1.10.
Figura 1.10 Eje en la Mquina
Cuando se necesite absorber el chocolate el eje estar hacia arriba, posicionado
para absorber el chocolate, como se puede observar en la Figura 1.11
Figura 1.11 Posicin Inicial del Eje
[5] DOCUMENTACIN TODO EN ACERO INOXIDABLE http://www.todoenaceroinoxidable.com/documentacion
16
Y cuando se necesite dosificar el chocolate el eje estar hacia abajo, posicionado
para expulsar el chocolate.
Figura 1.12 Posicin para Dosificar del Eje
La vista de los bujes y ejes en el bloque se lo puede ver en la Figura 1.13
Figura 1.13 Bujes y Ejes en el Bloque
1.5.4 Retenedores
Los retenes de aceite o sellos, son elementos vitales para el funcionamiento de
los diferentes sistemas que componen los vehculos automotores y todo tipo de
maquinaria ya que al cumplir sus funciones de mantener el lubricante dentro de
los sistemas y evitar el ingreso de los contaminantes, permiten obtener una vida
prolongada de los elementos internos que forman parte de estos sistemas.6
En la industria alimenticia, para garantizar procesos seguros que favorezcan la
reduccin de costos operacionales en el rea de mantenimientos de mquinas y
equipos, y muy especficamente en el sellado de fluidos, deber hacer una
adecuada seleccin de los retenedores de aceite, en donde un buen
acompaamiento del equipo tcnico con el fabricante de los respectivos sellos es
la herramienta ms acertada para alcanzar el objetivo propuesto7, como se puede
observar en la Figura 1.14. Los retenedores funcionan mejor sobre ejes de acero
al carbn medio o acero inoxidable.
[6] RETENEDORES http://www.itacr.com/boletin27.html
[7] SECTOR ALIMENTICIO http://www.retenedorescri.com/index.php?option=com_content&view=article&id=79&Itemid=104
Eje Buje
Bloque Duraluminio
17
Las superficies cromadas o niqueladas, correctamente acabadas, son aceptables.
El alojamiento donde se va a instalar el retenedor a presin debe estar libre de
irregularidades y bordes agudos. Se debe asegurar que el alojamiento est limpio
y seco antes de instalar el retenedor.
La funcin que tiene este elemento mecnico en la maquina dosificadora es de
impedir que el chocolate se escape por el espacio que existe entre el eje y el buje,
as no existan fugas del mismo, ya que el juego o espacio que hay entre el eje y el
buje no es cero.
Adems los retenedores deben ser de un material de grado alimenticio.
Figura 1.14 Retenedores
1.5.5 Chumacera
Es una pieza de metal o madera con una muesca en que descansa y gira
cualquier eje de maquinaria.8
Casi toda mquina industrial pesada utiliza algn tipo de chumaceras de pelcula
fluida para soportar el peso del eje y controlar el movimiento causado por las
fuerzas desbalanceadas, fuerzas aerodinmicas y excitaciones externas de los
sellos y acoples. Las dos principales ventajas de las chumaceras sobre los
cojinetes de elementos rodantes son su superior capacidad para absorber
energa, para amortiguar vibraciones y su duracin debido a la ausencia de
esfuerzos de contacto rodante.9
La amortiguacin es muy importante en muchos tipos de mquinas rotativas
donde las chumaceras son a menudo la principal fuente de absorcin de energa
necesaria para controlar las vibraciones.
[8] CHUMACERA http://es.wikipedia.org/wiki/Chumacera
[9] CHUMACERAS - PRINCIPIOS DE OPERACION http://turboepsilon.com/chumaceras.htm
18
La funcin que tiene este elemento mecnico en la mquina Dosificadora de
Chocolate Oscuro es de ayudar al eje a que no se desbalancee al momento de
girar y as evitar que el eje llegue trabarse, lo que representara tiempo de paro de
la mquina.
Este elemento mecnico aparece en la Dosificadora de Chocolate Oscuro porque
la longitud del Bloque se duplica con respecto a las 2 primeras, lo que hace que el
buje se duplique tambin. La chumacera se la puede apreciar en la Figura 1.15.
Figura 1.15 Chumacera
1.5.6 mbolos
Un mbolo es una superficie deslizante dentro de un tubo: un pistn.
Adems de ser una pieza mvil que se encuentra dentro de un cuerpo cilndrico y
que al moverse alternativamente cambia la presin de un fluido, generalmente
con el objetivo de desplazarlo.
En la mquina Dosificadora de Chocolate este elemento mecnico es el
encargado de absorber el chocolate (Blanco u Oscuro) en las cmaras del bloque
de Duraluminio cuando el eje est en posicin de absorcin del chocolate, o
expulsar de las cmaras del bloque de Duraluminio cuando el eje est en posicin
de dosificar el chocolate hacia las valvas, como se puede observar en la Figura
1.16.
Figura 1.16 Embolo en la cmara del Bloque
19
1.5.7 Tolva
Se denomina tolva a un dispositivo similar a un embudo de gran talla destinado al
depsito y canalizacin de materiales granulares o pulverizados. En muchos
casos, se monta sobre un chasis que permite el transporte.
Generalmente es de forma cnica y siempre es de paredes inclinadas, de tal
forma que la carga se efecta por la parte superior y la descarga se realiza por
una compuerta inferior.
Es fundamental para diversos procesos industriales de muchas ndoles en la
actualidad.
La funcin que tiene este elemento mecnico en la dosificadora de chocolate es
de almacenar el chocolate, para que pueda ser dosificado en las valvas. Su forma
se puede observar en la Figura 1.17.
Figura 1.17 Tolva
1.6 Funcionamiento Mecnico
La mquina dosificadora de Chocolate, ya sea del Blanco o del Oscuro tiene el
siguiente funcionamiento mecnico:
Para condiciones iniciales la mquina debe que tener los mbolos hacia adelante,
para que puedan absorber el chocolate; y los ejes deben estar hacia arriba para
que el chocolate pueda alojarse en las cavidades del bloque, con la absorcin que
realicen los mbolos, este movimiento se puede apreciar en la Figura 1.18
Figura 1.18 Posicin Inicial de la Dosificadora
20
El siguiente movimiento que debe realizar la mquina es absorber el chocolate
por medio de los mbolos que sern acoplados a un pistn neumtico, y as hacer
el vaco para poder llenar la cmara con el peso necesario del producto, como se
puede ver en la Figura 1.19.
Figura 1.19 Posicin de absorcin del chocolate
El movimiento que se realiza despus de la absorcin es el de girar los ejes 90o
para que los ejes queden en posicin de dosificacin del chocolate, como se
puede observar en la Figura 1.20.
Figura 1.20 Posicin para dosificar el chocolate
Por ltimo se expulsa el chocolate de las cavidades del bloque con ayuda de los
mbolos, los cules empujan al chocolate para que sea dosificado en las valvas,
este movimiento se lo puede ver en la Figura 1.21.
Figura 1.21 Dosificacin del Chocolate
En la lnea el primer chocolate que es dosificado es el chocolate negro, ya que por
fabricacin es el que debe ir en la parte inferior del producto, y posteriormente se
dosifica el chocolate blanco.
21
CAPTULO 2
22
CAPTULO 2
DISEO E IMPLEMENTACIN DEL HARDWARE DEL
SISTEMA
En este captulo se describir el hardware elctrico y electrnico que se utilizar
para realizar el control de las Mquinas de Dosificacin de Chocolate y los
diferentes tipos de instrumentos que se utilizan para realizar el control de la
dosificadora de chocolate.
Para el diseo del control se debe especificar los diferentes niveles de voltajes
que se van a manejar en la mquina, los cuales se describen a continuacin:
220 VAC para alimentacin general y las resistencias que se utilicen para
calentar al bloque de duraluminio.
24 VDC para alimentacin de sensores, PLC (Entradas, Salidas, Digitales
y Analgicas), Pantalla de Control, Rels, Bobinas de Electrovlvulas, etc.
2.1 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Blanco
Figura 2.1 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Blanco
PLC Logo OBA6
ENTRADAS DIGITALES
SALIDAS TIPO RELAY
Rels Estado Slido
Pistones Neumticos
Resistencias
Sensores Magnticos Sensor Capacitivo
Sensor Temperatura
Pantalla HMI
Alimentacin General
220 VAC
Fuente AC/DC 24 VDC
Controlador Temperatura
23
2.2 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Oscuro
Figura 2.2 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Oscuro
Dispositivos de Control
Para el control del sistema mecnico se utiliza elementos de control entre los que
se tiene: dispositivos elctricos, dispositivos neumticos y dispositivos
electrnicos.
2.3 Elementos Elctricos
Los Elementos Elctricos o de Potencia que se maneja en la mquina son los que
se mencionan a continuacin:
- Breaker de maniobra
- Fusible
El Breaker ser para proteccin de la alimentacin general y las resistencias, las
cules se alimentan con 220 VAC.
El fusible se usar para proteger la fuente de 24 VDC.
Para el clculo de los elementos de proteccin se debe considerar que este
aparato de maniobra protege todo el sistema:
PLC S7-1200
1214 DC/DC/DC
ENTRADAS DIGITALES ENTRADAS ANALGICAS
SALIDAS DIGITALES
Rels 24 VDC Rels Estado
Slido
Pistones Neumticos
Resistencias
Sensores Magnticos Sensor Capacitivo
Sensor Temperatura
Pantalla HMI
Alimentacin General
220 VAC
Fuente AC/DC 24 VDC
24
2.3.1 Clculo del Breaker
Se tienen 3 fuentes (AC/DC):
2 fuentes de 24 VDC a 2.5 A y 1 de 24 VDC a 4 A, por lo que el total de consumo
de las fuentes ser:
P1 = 24 * 2.5 * 2 = 120W
P2 = 24 * 4 = 96W
Existen 4 resistencias elctricas de calentamiento de 1000W, 3 que estn en
funcionamiento ahora y 1 que comenzar a funcionar cuando se coloque el
segundo bloque del chocolate oscuro, por lo que el consumo de las resistencias
ser:
P3 = 1000W * 4 = 4000W
Se disponen de 2 controladores de temperatura ubicados en la dosificadora de
chocolate blanco que tienen una potencia de 10 W.
P4 = 10W * 2 = 20W
P = P1 + P2 + P3 + P4
V = 208 V
Cos = fp = 0.9
ISistema = =
IBreaker = 1.5 * ISistema = 1.5 * 13.09 = 19.63 (A)
Se escogi un Breaker de 30 A, porque se tiene pensado aumentar otros
elementos en los prximos meses para la nueva lnea.
2.3.2 Clculo de la Fuente de alimentacin
Es un dispositivo que convierte la tensin alterna de la red de suministro, en una o
varias tensiones, prcticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del
aparato electrnico, que para este caso alimenta a los siguientes elementos:
PLC
Pantallas
Sensores
Bobinas
Rels de un Polo
Rels de estado slido
25
Figura 2.3 Fuente de Alimentacin 24 VDC
La fuente de alimentacin para la dosificadora de chocolate blanco debe proveer
el voltaje y la corriente necesaria para los dispositivos indicados a continuacin:
1 PLC Logo: 100 mA Sensores: 9 Magnticos: 70 mA / sensor 1 Capacitivo: 150 mA 1 Pantalla: 40 mA 5 Bobinas: 80 mA / bobina 1 Rel estado Slido: 30 mA 1 Mdulo Expansin: 60 mA
Se dimensiona con un 25% de la corriente que consumen los elementos. 1,76 A Se escoge una fuente de 24 VDC, 2.5 A, como se puede ver en la Figura 2.3.
Para la Dosificadora de Chocolate Oscuro se tienen los consumos de los
siguientes elementos:
1 PLC: 500 mA Sensores: 13 Magnticos: 70 mA 1 Capacitivo: 150 mA 1 Pantalla: 100 mA 7 Bobinas: 80 mA 1 Rel estado Slido: 30 mA 7 Rel 1 polo: 20 mA Mdulo Expansin 1: 180 mA Mdulo Expansin 2: 40 mA
3.2625 A
26
Se escoge una fuente de 24 VDC, 4 A
Figura 2.4 Diagrama de Conexin Fuente de Alimentacin 24 VDC
2.3.3 Clculo del Fusible
Fusible de cada Dosificadora Chocolate Blanco
IFUSIBLE = 1.2 * IFUENTE = 1.2*2.5 = 3 A
Se escoge un Fusible de 3 A.
Fusible Dosificadora Chocolate Blanco
IFUSIBLE = 1.2 * IFUENTE = 1.2*4 = 1.2 * 4 = 4.8 A
Se escoge un Fusible de 5 A.
2.3.4 Clculo de la resistencia
Resistencias Tubulares
Figura 2.5 Resistencia Recta Tubular
0 VDC 24VDC
+ -
SIEMENS
LOGO! Power
24VDC 24VDCOUTPUT
AC 100-240 AC 100 240 INPUT
L1 N
110 / 220
27
Se escoge una resistencia tubular recta porque se necesita que este elemento no
ocupe demasiado espacio en el bloque y adems de que sea fcil de insertar y
sacar, por lo que la resistencia tubular quedar bien para nuestra aplicacin.
En la actualidad existen dimetros disponibles desde 1/4", 5/16", 3/8" 7/16", 1/2",
con una alimentacin de 120V, 240V, 440V.
La potencia de calentamiento es proporcional a la longitud aproximadamente 10
watts x cm. lineal, en acero inoxidable, 18 watts x cm. lineal en incoloy.
Adems se puede encontrar en diferentes formas, dependiendo de la necesidad
que se tenga para el proceso, como se muestra en las Figuras 2.5, 2.6 y 2.7.
Figura 2.6 Resistencia Helicoidales Figura 2.7 Resistencia Serpentn Dnde:
q = Calor o transferencia de calor [J/s = W].
k = Conductividad trmica [W/moK].
A = rea de transferencia [m2]. = Variacin de Temperatura [oK]. L = Longitud por donde debe transferirse el calor [m].
Datos:
k = 164 [W/mK]. (Duraluminio)
A = 250 mm x 200 mm
Como se necesita tener el chocolate entre 25 oC y 45 oC para la dosificacin, se
utilizar estos valores de temperatura para el clculo de la resistencia:
T0=25 oC
T1=45 oC
L = 200 mm = 820 W
28
La resistencia ser tubular de 1000 W, se la puede ver mejor en la Figura 2.8.
Figura 2.8 Resistencia Tubular
2.3.5 Rels
Como se sabe un rel es un dispositivo electromecnico. El mismo funciona como
un interruptor controlado por un circuito elctrico en el que por medio de una
bobina y un electroimn, se acciona un juego de uno o varios contactos que
permiten abrir o cerrar otros circuitos elctricos independientes. Dado que el rel
es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada,
puede considerarse como un amplificador elctrico.
Este elemento se utilizar para activar las bobinas de las electrovlvulas de los
actuadores neumticos en la dosificadora de chocolate oscuro, porque se
necesita proteger las salidas del PLC (S7-1200), los mismos se los pueden
observar en la Figura 2.9.
Figura 2.9 Rels de un Polo 24 VDC
2.3.6 Rel de estado slido
Se llama rel de estado slido a un circuito hbrido, normalmente compuesto por
un opto acoplador que asla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso
por cero de la corriente de lnea y un triac o dispositivo similar que acta de
interruptor de potencia10, como se puede apreciar en la Figura 2.10.
[10] REL DE ESTADO SLIDO http://www.soloelectronica.net/rele_solido.htm
29
Este dispositivo es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un
uso continuo de los contactos del rel que en comparacin con un rel
convencional generara un serio desgaste mecnico, adems de poder conmutar
altos amperajes que en el caso del rel electromecnico destruiran en poco
tiempo los contactos. Estos rels permiten una velocidad de conmutacin muy
superior a la de los rels electromecnicos.
Este elemento es usado para activar las resistencias elctricas ubicadas de los
bloques, y as calentar los mismos hasta obtener la temperatura deseada.
Figura 2.10 Rel Estado Slido
Con los datos de la resistencia se escogi un rel de estado slido de 220 VAC,
con una corriente 10 A y una bobina de 24 VDC.
2.4 Elementos neumticos
Para el diseo de los elementos neumticos se debe tener muy en cuenta el
sistema mecnico. En base a los pesos de los ejes, mbolos y dems elementos
mecnicos se proceder a calcular los pistones y dems accesorios que se
necesite para realizar el control de los mismos.
2.4.1 Cilindros Neumticos
Los cilindros neumticos son unidades que transforman la energa potencial del
aire comprimido en energa cintica o en fuerzas prensoras. Bsicamente
consisten en un recipiente cilndrico provisto de un mbolo o pistn, y se puede
apreciar en la Figura 2.11. Al introducir un determinado caudal de aire
comprimido, ste se expande dentro de la cmara y provoca un desplazamiento
lineal. 11
[11] CILINDROS NEUMTICOS http://www.automatica.mex.tl/imagesnew/5/0/1/4/2/GUIA%20NEUMATICA%205.pdf
30
Figura 2.11 Cilindro Normalizado
Si se acopla al embolo un vstago rgido, este mecanismo es capaz de empujar
algn elemento, o simplemente sujetarlo. La fuerza de empuje es proporcional a
la presin del aire y a la superficie del pistn: Dnde: F = Fuerza
p = Presin A = rea del mbolo o pistn
2.4.2 Tipos de Cilindros segn su construccin
2.4.2.1 Cilindros de simple efecto
Su movimiento principal est dado por medio de aire comprimido, mientras que el
otro se da por una accin contraria, generalmente un resorte colocado en el
interior del cilindro. Este resorte podr situarse opcionalmente entre el pistn y
tapa delantera (con resorte delantero) o entre el pistn y su tapa trasera (con
resorte trasero). Realiza trabajo aprovechable slo en uno de los dos sentidos, y
la fuerza obtenible es algo menor a la que da la expresin F = P x A, pues hay
que descontar la fuerza de oposicin que ejerce el resorte. Las partes internas del
pistn se muestran en la Figura 2.12.
Figura 2.12 Partes Internas del Cilindro Simple Efecto
31
2.4.2.2 Cilindros de doble efecto
Este cilindro es accionado por el aire comprimido en ambas carreras. Realiza
trabajo aprovechable en los dos sentidos de marcha. Las partes internas del
cilindro se muestran en la Figura 2.13
Figura 2.13 Partes Internas del Cilindro Doble Efecto
2.4.2.3 Cilindros con doble vstago
Estos cilindros poseen salida de vstago en ambos extremos, como se puede
observar en la Figura 2.14, lo que ofrece un mejor guiado del conjunto, facilitan el
colocado de levas o fines de carrera cuando hay problemas de espacio en la zona
de trabajo, y adems presentan iguales reas de pistn a ambos lados.
Figura 2.14 Cilindro con doble Vstago
2.4.2.4 Cilindros de doble pistn o en tndem
Consisten en dos cilindros de doble efecto acoplados en serie con un vstago en
comn, formando una unidad compacta (ver la Figura 2.15). Aplicando
simultneamente presin sobre los dos mbolos se obtiene una fuerza de casi el
doble de la de un cilindro convencional del mismo dimetro.
32
Figura 2.15 Cilindros de doble pistn o en tndem
2.4.2.5 Cilindros acoplados de accin independiente
Estn constituidos por dos cilindros unidos por sus tapas traseras. stos pueden
operarse dependientemente de modo tal de obtener sobre uno de los extremos
del vstago, tres o cuatro posiciones de trabajo segn sean iguales o distintas las
carreras de ambos cilindros, como se indica en la Figura 2.16. Es un dispositivo
multiposicionador sencillo y econmico.
Figura 2.16 Cilindros acoplados de accin independiente
2.4.2.6 Cilindros sin vstago
El pistn transmite el movimiento a la carga a travs de un carro acoplado
mecnicamente al pistn, como se puede ver en la Figura 2.17.
Un sistema de cintas garantiza un doble sellado y evita el ingreso de impurezas al
interior del cilindro. Variantes constructivas de ste incluyen guas externas de
diversos tipos.
Figura 2.17 Cilindros sin vstago
2.4.2.7 Amortiguacin de fin de carrera
Son dispositivos, fijos o regulables, colocados generalmente en las tapas de los
cilindros, y cuya finalidad es la de absorber la energa cintica de las masas en
33
movimiento. Segn los modelos de cilindros, se puede tener amortiguacin
delantera, trasera o doble.
2.4.2.8 Pistn con imn incorporado
Ciertos cilindros incorporan un imn en el pistn a efectos de actuar un interruptor
magntico del tipo Reed-Switch o similar, montado en el exterior del cilindro,
durante el final de su carrera, como se indica en la Figura 2.18. Esta seal
elctrica es utilizada para gobernar a otros rganos componentes del sistema,
actuadores, contadores, emitir seales luminosas, actuar contactares, rels, PLC,
o bien para controlar su propio movimiento, y es lo que se utilizar para el control
de los pistones.
Figura 2.18 Pistn con imn incorporado
2.4.2.9 Normalizacin ISO
La ISO (International Standard Organization) ha establecido una serie de normas
de carcter internacional que regulan el aspecto dimensional de los cilindros
neumticos. En ella bsicamente se establecen las dimensiones tendientes a
garantizar al usuario la intercambiabilidad de cilindros de diversas procedencias.
Segn esta entidad quedan fijados los dimetros constructivos de los cilindros, los
extremos de vstagos, roscas de conexin, materiales a emplear, sus tolerancias
y los diferentes accesorios de montaje.
Para los dimetros establece la siguiente serie:
8- 10- 12- 16- 20- 25- 32- 40- 50- 63- 80- 100- 125- 160- 200- 250- 320 mm - etc.
Las primeras seis dimensiones (8 a 25 mm) corresponden a los comercialmente
denominados micro cilindros, que responden a un tipo particular de construccin
(sin tensores y en general no desarmables), en tanto las restantes (a partir de 32
mm) son los genricamente conocidos como cilindros.
34
Velocidad mxima y mnima de cilindros neumticos
Los cilindros neumticos pueden alcanzar una velocidad mxima comprendida
entre 0,6 y 2,6 m/s segn el dimetro, como se indica en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1 Tabla Normalizacin Cilindros Neumticos
Estos valores mximos a su vez se ven afectados por la carga desplazada,
tamao de la vlvula y conducciones, condiciones de descarga (libre, regulada o
con escape rpido), carrera del cilindro, etc.
En realidad se prefiere hablar de velocidades medias alcanzables, ya que el
cilindro desarrolla su carrera en un tiempo en el cual se produce una aceleracin
inicial y una desaceleracin final de modo que su velocidad no es constante a lo
largo del recorrido. Como velocidades medias puede considerarse un 70 % del
valor indicado en la tabla anterior.
2.4.3 Calculo de los Cilindros para las dosificadoras
Para el clculo se tienen las siguientes frmulas: Dnde:
F = Fuerza (N) M = Masa (Kg) P = Presin (6 bares) A = Superficie (mm2) a = Aceleracin (9,8
) Para realizar el movimiento de los diferentes elementos mecnicos, se decidi
utilizar cilindros de doble efecto, porque se necesita realizar fuerza.
Dimetro (mm) Velocidad mx. (m/s) 10 - 12 - 16 2,6 20 - 25 - 32 2,6
40 2,5 50 2 63 1,5 80 1,1
100 0,9 125 0,7 160 0,6
35
Para el movimiento recto de los 4 mbolos (absorcin y dosificacin del
chocolate), se escogi pistones compactos, para tener fuerza en poca carrera.
A continuacin estn los clculos para poder escoger el dimetro y la carrera del
pistn. Para el clculo se utiliza la fuerza en newton, la presin en bar, el dimetro en mm
y la superficie en mm2. De este modo, la frmula anterior pasa a ser: Frmula 2.1 Frmula para el clculo de la Fuerza del Pistn
2.4.3.1 Clculo Cilindros Compactos- Movimiento Absorcin y Dosificacin
Para los pistones que van a realizar el movimiento de absorber el chocolate se
tiene el siguiente peso:
Masa del Chocolate / Cmara = 10 g
Masa de mbolos + Placa = 1,6 kg
Masa Total = 2 Kg
Los cilindros deben realizar 10 ciclos por segundo, porque es a la velocidad que
se tendra cuando se agrande la lnea del chocolate.
Fuerza necesaria = Fuerza del peso + Fuerza de aceleracin
Fuerza de peso = m * g = 2kg * 9.81 = 19.62 N
Fuerza de aceleracin = m * a = 2kg * 10 (ciclos x segundo) = 20 N
Fuerza necesaria = 40 N
Por el producto con el que se va a trabajar, se duplica la fuerza, ya que cuando se
pare la mquina el fin de semana, puede que el chocolate se endurezca y se
necesite ms fuerza para la dosificacin el momento en el que se encienda la
mquina. Por lo que la FT = 80 N
36
El cilindro escogido es el siguiente:
Cilindro Compacto ADVU-32-25-A-P-A
El cul tiene las siguientes caractersticas: Carrera: 25 mm Dimetro del mbolo: 32 mm Amortiguacin P: Amortiguacin por tope elstico/placa a ambos
lados
Figura 2.19 Cilindro Compacto
Existen una gran cantidad de cilindros neumticos. De entre ellos se ha utilizado
cilindros de doble efecto, de vstago simple, con un dimetro de mbolo de 32
mm, carrera de 25 mm, amortiguacin de final de carrera, deteccin magntica de
final de carrera y soporta una presin mxima de 10 bares. En un cilindro de
doble efecto el vstago se invierte por medio de la alimentacin alternativa de aire
comprimido. La amortiguacin en ambos extremos evita choques bruscos del
mbolo en las culatas. La amortiguacin de los finales de recorrido puede
ajustarse por tornillos de regulacin. El campo magntico de un imn permanente,
unido al mbolo, permite accionar interruptores de proximidad magnticos. Este
pistn se lo utiliza para realizar el movimiento recto, y sus caractersticas son las
siguientes:
Caractersticas Propied
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