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“MECANISMO DE MEDICIÓN Y CORTE PARA UNA MÁQUINA
REBOBINADORA DE PAPEL”
“MECHANISM FOR MEASURING AND CUTTING FOR A REWINDER PAPER
MACHINE”
Martinez A. Julian Ahumada S. Erick** Eslava B. Hermes**
Resumen: Este articulo muestra el desarrollo de un mecanismo de medición y corte para una
máquina rebobinadora de papel. Para esto se utilizó la tarjeta de desarrollo PSoC 4 Pioneer
Kit [1] encargada del control de encendido y apagado del motor, accionamiento de la cuchilla
de corte y la lectura de dos sensores, donde uno de ellos capta la longitud de papel y el otro
detecta la ejecución del corte, además de la implementación de una interfaz en la cual el
operario puede seleccionar la cantidad en metros de papel a rebobinar, y una vez terminado
este proceso enviar los datos recolectados de forma inalámbrica por medio de un módulo
Estudiante de Tecnología Electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia). E-mail: [email protected] ** Estudiante de Tecnología Electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia). E-mail: [email protected] **Licenciado en Electrónica, Universidad Pedagógica Nacional, Ph.D. (c) Ingeniería de Sistemas y computación Universidad Nacional Colombia, Magister en ingeniería de Telecomunicaciones Universidad Nacional Colombia, Especialista en Teleinformática Universidad Distrital, Especialista en Instrumentación electrónica Universidad Santo Tomas. Profesor Asociado Universidad Distrital ingeniería de Telecomunicaciones. Director del Grupo de investigación en Telecomunicaciones TELETECNO Universidad Distrital. Correo electrónico e-mail: [email protected]
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Bluetooth hacia un ordenador, donde se organizan en un archivo, realizando un informe de
costos para su publicación en un servidor web con la herramienta Internet Information Service
(IIS) de Microsoft Windows.
Palabras clave: Automatización, Rebobinado, Medición, Comunicación, Corte.
Abstract: This article shows the development of a mechanism for measuring and cutting
paper rewinding machine. For this the PSoC development board four Pioneer Kit [ 1]
responsible for checking on and off the motor driving the cutting blade and the reading of two
sensors, where one catches the paper length and the other was used detects the execution of
the cut , in addition to the implementation of an interface in which the operator can select the
length in meters of paper rewinding , and once this process send the collected data wirelessly
via a Bluetooth module to a computer, which are organized in a file , making a cost report for
publication on a Web server with Internet Information Service ( IIS ) Microsoft Windows tool .
Key Words: Automation, Rewind, Measurement, Communication, Cut
Introducción
La industria ha buscado la forma de optimizar los procesos para que estos sean realizados con
el menor esfuerzo y obteniendo mejores resultados. Por este motivo, la automatización se ha
visto involucrada ya que ha pasado de ser una herramienta deseable a una indispensable para
tener una mayor competitividad en el mercado. En este artículo el concepto de automatización
se define como la aplicación de tecnologías que mejoran un proceso [2]. Teniendo esto en
cuenta, este documento describe la implementación de dispositivos electrónicos y eléctricos
para optimizar una tarea que era realizada manualmente.
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La idea del proyecto surge al ver la forma en la que habían sido construidas dos máquinas
rebobinadoras, la primera funcionaba de forma mecánica contando el número de vueltas que
daba el motor, cuando se llegaba a la cantidad requerida para una longitud de papel, el operario
debía apagar el motor manualmente. Para la segunda maquina el funcionamiento era similar
pero se usaba un sensor magnético, y se detenía cuando llegaba a la cantidad de vueltas
seleccionada. El corte en ambos casos debía ser ejecutado de forma manual.
Por este motivo, el principal objetivo del proyecto era el de medir una magnitud física que es
la longitud, para esto se implementó un sistema de medición basado en el funcionamiento del
odómetro [3] el cual es un dispositivo que calcula la distancia recorrida por un objeto (en
general es utilizado en los vehículos), usualmente se mueve sobre la superficie pero en este
caso la superficie (el papel) es la que está en movimiento, de esta manera se puede
aproximar a la medida de papel seleccionada en la interfaz. Además de esto hay un
mecanismo de corte, el cual cuenta con una cuchilla que es accionada por un cilindro
neumático de doble efecto. Para finalizar con la implementación de tecnologías en este
proyecto, se hace uso de una comunicación Bluetooth, con el cual se envían los datos hacia
un ordenador y desde ahí a un servidor web.
1 Desarrollo del Proyecto: Máquina rebobinadora
La máquina rebobinadora de papel es un conjunto de mecanismos electrónicos, diseñados
para la medición y corte del papel. Como se observa en la Figura 1, consta de varios bloques,
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los cuales son sensores (de medición y de corte), acoples (para encendido-apagado del motor
y accionamiento del corte), comunicación inalámbrica (módulos Bluetooth), interfaz de usuario
(LCD y pulsadores) y finalmente la tarjeta de desarrollo PSoC 4 [1], la cual es el centro de todo
el sistema electrónico, eléctrico y mecánico sobre la máquina.
Figura 1. Diagrama general del proyecto
2 Metodología
2.1. PSoC: Programable System on Chip
PSoC (Programable System on Chip) [1] es la denominación de una familia de micro
controladores programables desarrollada por Cypress Semiconductor, estos tienen la facilidad
de que cualquiera de sus terminales pueden ser programadas como entradas o salidas de
forma análoga o digital además de ser compatible con los módulos de Arduino, como es el
caso del módulo HC-05 utilizado para la comunicación inalámbrica.
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El código en la PSoC fue escrito en el lenguaje C++ con el uso del software PSoC Creator
distribuido de forma gratuita por Cypress. Cuando el programa inicia se le pide al usuario
seleccionar un nombre en la pantalla para tener un registro de quien está utilizando la máquina,
luego de esto se muestra un mensaje de bienvenida y se accede al menú principal donde se
tienen tres opciones que son Inicio, Cambiar operario y Suspender. Al seleccionar la opción
Inicio se accede a la siguiente pantalla donde se debe seleccionar la cantidad requerida de
papel pudiendo ser esta 1, 2, 3 o 4 metros, después de esto la maquina queda preparada para
captar la señal enviada por el sensor de medición cuando el motor sea encendido. Finalizado
el proceso de rebobinado, cuando se tiene la cantidad de papel seleccionada, el motor es
apagado y posteriormente el corte es activado. Al bajar la cuchilla, se activa el sensor de corte
y esto hace que la PSoC devuelva la cuchilla a su posición inicial. Por último, se envía el
nombre del operario y la cantidad de papel rebobinada hacia el ordenador y el programa vuelve
al menú principal. Además de la opción de Inicio, también se tiene la posibilidad de cambiar el
nombre del operario en caso de que por ejemplo se produzca un cambio de turno, al
seleccionar la opción de Cambio operario en el menú principal, se accede a la pantalla donde
se muestran los nombres de los operarios encargados del uso de la máquina. Finalmente la
opción de Suspender desactiva la maquina hasta que se pulse el botón inicio. El diagrama de
bloques del código asociado a esta explicación se observa en la Figura 2.
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Figura 2. Diagrama de flujo PSoC
2.2 Python
Python [4] es un lenguaje de programación de alto nivel, interpretado y multipropósito. En la
actualidad su utilización ha ido creciendo y es uno de los más empleados para el desarrollo de
software. Python puede ser utilizado en diversas plataformas y sistemas operativos, entre los
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que podemos destacar los más populares, cómo Windows, Mac OS X y Linux. En el proyecto,
Python tiene la función de organizar la información enviada por la máquina, en un archivo plano
de texto el cual es publicado en la página web.
Lo primero que hace el programa cuando es ejecutado, es abrir el puerto del conversor Serial-
USB, y así comenzar a recibir los datos enviados por el módulo Bluetooth, los cuales constan
de dos partes, una donde está la cantidad de papel seleccionada y la otra parte que indica el
nombre del operario. Esta información es escrita en el archivo, además de la hora y el precio
de venta del papel. En caso de que se cambie de operario en la interfaz de la máquina, también
se cambiara el nombre de este en el archivo de texto. El diagrama de bloques del código se
observa en la Figura 3, además de uno de los archivos de texto creados durante la calibración.
Figura 3. Diagrama de flujo (Izquierda) y archivo de texto (Derecha)
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2.3 Sensores: Medición y Corte
En la realización del proyecto se implementaron dos sensores, los cuales están conformados
por un dispositivo conocido como sensor de herradura, el cual es un encapsulado que contiene
un led infrarrojo y un fototransistor, este último permite el paso de voltaje hacia el micro
controlador siempre y cuando los dos (led y fototransistor) estén alineados sin ninguna
interrupción. Para describir esta parte del artículo, se nombrara como contador al sensor que
capta la longitud de papel y al que detecta el accionamiento del corte como detector de corte.
En el circuito de acondicionamiento utilizado, el led, está conectado a 5v con una resistencia
de 330Ω generando una corriente de aproximadamente 10mA. El fototransistor se alimenta
con 5v en el colector y una resistencia de 2.2KΩ en el emisor, cuando este es activado por la
luz infrarroja, permite el paso de los 5v en la salida, el circuito y los cálculos de la corriente por
ley de Ohm [5] en el led se muestran en la Figura 4.
Figura 4. Circuito sensores y cálculo de la corriente sobre el LED
A continuación se explica la aplicación de este circuito para determinar la longitud del papel y
para verificar cuando este ha sido cortado. El contador tiene como función determinar la
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distancia que ha recorrido una rueda, esta tiene ranuras las cuales permiten el flujo de la luz
infrarroja hacia la base del fototransistor el cual envía un pulso que detecta el micro controlador,
de esta forma la cantidad de pulsos determina la longitud del papel rebobinado. El detector de
corte indica que el papel ha sido cortado cuando la cuchilla interrumpe el paso de la luz
infrarroja, el micro detecta el pulso recibido y la cuchilla vuelve a su posición inicial. Ambos
dispositivos se observan en la Figura 5.
Figura 5. Contador (Izquierda) y detector de corte (Derecha).
2.4 Circuito de potencia: Accionamiento del motor y mecanismo de corte
En el proyecto se implementaron dos circuitos similares pero con distinta aplicación. El primero
permite el control de encendido y apagado del motor con un contactor y un relevo. El segundo,
es utilizado para activar la electroválvula, permitiendo el paso de aire del compresor al cilindro
de doble efecto que activa la cuchilla.
El circuito utilizado consta de un integrado 4N35 que tiene en su interior un led el cual se
conecta a una resistencia de 330Ω. Cuando hay una señal de 5v en la entrada, se tiene una
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corriente aproximada de 13mA, permitiendo de esta forma la activación del opto transistor lo
cual genera una corriente de 2.2mA hacia la base del transistor 2n2222. En la salida del
colector de este último se conecta una configuración de diodos en inverso (que no permiten
que la corriente se devuelva) con un voltaje de 12V y en paralelo a estos un relevo que controla
el estado del contactor para de esta forma activar el motor, el diagrama con el motor (M) y el
contactor (K1) se observan en la Figura 6. En el accionamiento de corte, el circuito es similar
en sus características de corrientes y funcionamiento, pero en lugar de conectar un relevo, se
tiene una electroválvula que se alimenta con 24V para controlar el flujo de aire y de esta forma
accionar la cuchilla con el cilindro de doble efecto. En la Figura 7 se observa la etapa de corte,
donde K1 es la bobina de la electroválvula y E1 es el cilindro de doble efecto.
Figura 6. Circuito de encendido/apagado del motor
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Figura 7. Circuito de accionamiento de corte
Cuando el circuito activa el relevo, el operario debe oprimir switch 2 (S2) para dar inicio al
rebobinado. En caso de emergencia el motor se puede detener presionando el switch 1 (S1)
lo cual abre el circuito hasta que se vuelva a presionar el S2 [6]. Una vez terminado el conteo
por parte del contador, el relevo se desactiva abriendo el circuito, de esta forma el motor se
detiene y no puede ser activado hasta que sea seleccionada una cantidad de papel. S1 y S2
se pueden observar en la Figura 6 junto con los elementos mostrados en el anterior párrafo.
La máquina rebobinadora cuenta con un motor trifásico a 220v, 2.3A con una potencia de
0.45KW, además para el control de encendido y apagado se utilizó un contactor a 120v, el
funcionamiento de este similar al de un relevo, cuando tiene el voltaje requerido en la bobina
para su activación, cierra o abre sus contactos. En el mecanismo de corte se tienen dos
cuchillas con una longitud de 60cm, un cilindro de doble efecto con una presión de aire de 10
bar y una electroválvula 5/2 a 24v, 200mA, 4.8W con retorno por muelle. En la Figura 8 se
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muestran las características del motor, los parámetros máximos del contactor con el voltaje de
alimentación y características técnicas de la electroválvula.
Figura 8. Características del motor (Izquierda), características del contactor (Derecha)
y características de la electroválvula (Abajo)
2.5 Comunicación inalámbrica
Una de las principales características de la máquina es el envió de datos de forma inalámbrica;
para esto se utilizaron dos módulos HC-05 [7] como el mostrado en la Figura 9, estos fueron
configurados con los comandos AT, para lo cual se oprime el botón del módulo mientras se
conecta al ordenador, los comandos son enviados con el programa RealTerm, el cual es un
monitor serial gratuito. Se abre el puerto a una velocidad de 38400 baudios y los comandos
son enviados de la forma AT+“COMANDO”\r\n, por ejemplo para consultar la velocidad a la
cual está configurado el modulo se envía AT+UART?\r\n, lo cual devuelve +UART:9600,1,0,
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esto significa que el modulo está configurado a una velocidad de 9600 baudios, con un bit de
parada y sin paridad.
Figura 9. Modulo Bluetooth
Para que los módulos puedan comunicarse se debe configurar uno como maestro y otro como
esclavo, estos nombres solo indican que el maestro es el que hace la primera conexión,
mientras que el esclavo espera por un dispositivo que tenga su dirección y la contraseña,
ambos pueden recibir y enviar datos luego de la conexión.
Los comandos utilizados en el módulo esclavo fueron:
AT+ADDR? -> Devuelve la dirección del módulo en este caso 98d3:31:9012ef, la cual es
utilizada en el maestro.
AT+PSWD=1234 -> Contraseña para realizar la conexión, también es utilizada en el maestro.
AT+ROLE=0 -> Configura el modulo como esclavo.
AT+UART=9600,1,0 -> Velocidad del módulo.
Para el modulo maestro se utilizaron los siguientes comandos:
AT+ROLE=1 -> Configura el modulo como maestro.
AT+PSWD=1234 -> Contraseña del esclavo
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AT+UART=9600,1,0 -> Velocidad del módulo.
AT+LINK=98d3,31,9012ef -> Realiza la conexión con la dirección del esclavo
2.6 Internet Information Service (IIS)
Internet Information Service (IIS) [8], es una plataforma incluida en Windows para el desarrollo
de servidores web, se utilizó ya que está instalada por defecto en el sistema operativo de
Microsoft y solo hay que activarlo por medio de las características de Windows. IIS fue activado
en el ordenador donde se crea el archivo de texto con python, para que los dispositivos
conectados a la misma red puedan ver la página ingresando la dirección IPv4 en la barra de
búsqueda del navegador de internet.
Para obtener la dirección IPv4, en la terminal de Windows (CMD) se ingresa el comando
ipconfig seguido de la tecla enter, lo cual muestra la información del adaptador de red además
de la IPv4. La página web fue hecha en HTML y lo que hace es mostrar el archivo de texto
generado por python. En la Figura 10 se observa la dirección IP y la página web vista desde
otro ordenador en la misma red.
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Figura 10. Dirección IPv4 del ordenador (Arriba) y Pagina web (Abajo).
3. Implementación, calibración y pruebas
Los circuitos descritos anteriormente fueron implementados en la máquina, la mayor parte de
estos se encuentran dentro de una caja a excepción de los sensores de medición y corte y la
electroválvula para la cuchilla de corte, la caja y la máquina se observan en la Figura 11.
Figura 11. Máquina Rebobinadora
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Para la calibración de la máquina se tuvo en cuenta el papel que no podía ser sensado en la
distancia entre el contador y el rollo donde se rebobina el papel, esta distancia fue de 26cm y
al estar siempre presente fue incluida para el cálculo del número de pulsos que debía captar
el contador.
En el contador como se mostró antes, consta de una rueda con un diámetro de 2.3 cm y su
circunferencia es de aproximadamente 7.2 cm, al tener dos aberturas la distancia entre ellas
es de 3.6 cm, para el cálculo de pulsos que debían ser contados en la distancia de un metro
se usó la Ecuación 1, obteniendo un resultado de 20.56, debido a que no se puede contar
medio pulso, se aproximó este resultado al siguiente numero entero, en este caso 21.
𝑃𝑎𝑝𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 − 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑦 𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑙𝑙𝑜
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎𝑠= 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠
Ecuación 1. Calculo de pulsos para el contador
Al aproximar el resultado en teoría la distancia en la que se realiza el corte es de 101.6 cm,
esta se obtiene despejando de la Ecuación 1 el Papel requerido. En la Tabla 1 se muestran
estos mismos datos en centímetros para las distancias de 1, 2, 3 y 4 metros.
Cantidad requerida (cm)
Cantidad de pulsos calculados
Aproximación de los pulsos
Cantidad Teórica (cm)
100 20,56 21 101,6
200 48,33 49 202,4
300 76,11 77 303,2
400 103,89 104 400,4
Tabla 1. Calculo de pulsos para las distancias de 1, 2, 3 y 4 metros
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Se hicieron un total 20 pruebas con la máquina calibrada, 5 para cada una de las opciones
(1m, 2m, 3m y 4m). Para el error absoluto se restó la distancia requerida a la cantidad medida
y en el error relativo se multiplico el error absoluto por 100 y se dividió entre la distancia
requerida. Los resultados obtenidos se observan en la Tabla 2.
Pruebas para 1 metro (100 cm)
Cant. Medida (cm) Error Absoluto (cm) Error Relativo (%)
Prueba 1 103 3 3
Prueba 2 105 5 5
Prueba 3 98 -2 -2
Prueba 4 103 3 3
Prueba 5 102 2 2
Promedio 102,2 2,2 2,2
Pruebas para 2 metros (200 cm)
Cant. Medida (cm) Error Absoluto (cm) Error Relativo (%)
Prueba 1 210 10 5
Prueba 2 207 7 3,5
Prueba 3 195 -5 -2,5
Prueba 4 206 6 3
Prueba 5 200 0 0
Promedio 203,6 3,6 1,8
Pruebas para 3 metros (300 cm)
Cant. Medida (cm) Error Absoluto (cm) Error Relativo (%)
Prueba 1 301 1 0,33
Prueba 2 304 4 1,33
Prueba 3 298 -2 -0,67
Prueba 4 306 6 2
Prueba 5 295 -5 -1,67
Promedio 300,8 0,8 0,27
Pruebas para 4 metros (400 cm)
Cant. Medida (cm) Error Absoluto (cm) Error Relativo (%)
Prueba 1 400 0 0
Prueba 2 402 2 0,5
Prueba 3 394 -6 -1,5
Prueba 4 398 -2 -0,5
Prueba 5 410 10 2,5
Promedio 400,8 0,8 0,2
Tabla 2. Pruebas de la máquina rebobinadora de papel y error.
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Finalmente para la máquina, se tuvo un error relativo [9] de 2.2% para 1 metro, 1.8% para 2
metros, 0.26% para 3 metros, 0.2% para 4 metros lo cual nos da un error promedio total de
1.1%.
Conclusiones
La automatización de la máquina, junto con la publicación de resultados en la página web, y
los resultados observados en la última parte de este documento, muestra como se puede
mejorar una tarea realizada manualmente sin la necesidad de recurrir a la adquisición de
nuevas máquinas con funciones que probablemente no van a ser utilizadas.
En comparación con la forma en la cual funcionaban las dos máquinas, se redujo el error
sobre el valor real requerido por el operario que es de aproximadamente 5% a un 1.1% con
las tecnologías implementadas en la nueva máquina. Además de esto también es de
destacar el proceso de corte, ya que reduce el trabajo por parte del operario y evita hacer un
corte impreciso.
Finalmente con la implementación del sistema de comunicación inalámbrica entre la maquina
rebobinadora y el ordenador, se puede tener un informe de costos y de esta forma ayudar a
la contabilidad en la empresa, ya que se tendrá un registro digital acerca de la cantidad de
papel rebobinada por cada uno de los operarios, además de poder visualizar esta
información en la red.
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Bibliografía
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INGENIERIA,» de AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: ÁREAS DE APLICAICON PARA INGENIERIA, Guatemala,
2008.
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[5] R. Boylestad, Introducción al analisis de circuitos, Decimosegunda ed., Naucalpan: Pearson Educación de México, 2011.
[6] L. Flower Leyva, Controles y Automatismo Eléctricos, Tercera ed., Colombia: Telemecanique de Colombia, 1999.
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https://www.iis.net/overview. [Último acceso: 22 09 2015].
[9] N. Guarin Salazar, Estadistica Aplicada, Medellin, 2002.
