IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECANICO NOMBRE DEL SEMINARIO: AUTOMATIZACION INDUSTRIAL Y SUS TECNOLOGIAS DEBERA DESARROLLAR: TORRES HERNÁNDEZ OSCAR IVÁN

LUIS TORRES FERMIN DEL VALLE GONZALEZ ALBERTO CRUZ MEJIA OSCAR SANCHEZ GONZALEZ GENARO

NOMBRE DEL TEMA:

“AUTOMATIZACIÓN DE UNA ENVASADORA DE GARRAFONES DE 20L DE AGUA

PURIFICADA”

INTRODUCCION Debido al problema actual que se vive en nuestra gran ciudad por la escasez del agua y quizá, en un futuro no muy lejano se convierta en el oro blanco. Con esto lo que tratamos de proyectar y comprobar en esta tesis es que con el equipamiento adecuado de plantas de purificación de agua en las líneas de lavado, enjuague y llenado con tecnología de reciente creación, garantiza un mejor desempeño de la plata misma, menor contacto con la mano del hombre, más control de los líquidos detergentes, mayor producción, menor costo tiempo-hombre, mayores ganancias, menor costo por mantenimientos y como se dijo en un principio el manejo adecuado del agua, no nos podemos dar el lujo de desperdiciarla. INDICE Capitulo I Marco Teórico Capitulo II Propuesta del Proyecto Capitulo III Desarrollo del Proyecto Capitulo IV Estudio Económico Conclusiones Bibliografía

México D.F. a 25 de Agosto de 2009

Ing. Ezequiel A. Santillan Lechuga Ing. Fernando Morales García Coordinador Asesor

Ing. Magdalena Vasquez Rodríguez Jefe de Carrera

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Agradecimientos:

Oscar Cruz Mejía Sin duda mis mayores agradecimientos serán siempre para mis Padres, (Roberto Mejía Bravo+ María Alanis Álvarez y María Guadalupe Mejía Alanis), a ellos les debo todo lo que soy; Gracias a su esfuerzo y contención he finalizado este proceso superando todas las adversidades. A mi esposa Verónica que siempre confío en mi, y me ofreció su apoyo incondicionalmente, y a nuestra hija Julieta motor de mi vida a quien amo y protejeré siempre. A mis Hermanos, Amigos, Todos mis agradecimientos infinitos por su cariño, compañía y tolerancia en todo este proceso de este año que al fin termina" Un abrazo con profundo Cariño.

Genaro Sánchez González. Doy gracias a DIOS por ayudarme y guiarme en lo espiritual. A mi madre Margarita. A mi Hermano Luis. A todos mis tíos, en especial a Celia Leticia, Alfredo y David. A mis abuelos Eva y Enrique+, por que siempre tuve su apoyo incondicional y lo mas importante que me dieron fue mi formación moral y ética. A mi esposa Paty e hija Alexa Itzamná por alentarme en seguir adelante y por su apoyo incondicional. A mis profesores que se esforzaron en darme los conocimientos académicos que hoy en día pongo en practica. Simplemente Gracias.

Fermín Luis Torres.

A mis Padres, que buscaron darme la mejor de la herencia: una carrera profesional. A mi Esposa, por su apoyo y paciencia.

Alberto Del Valle González. A mis Padres, Hermanos, Amigos y Familiares que obtuve el apoyo incondicional y sobre todo su confianza, por lo que es y será Gracias.

Oscar Iván Torres Hernández. Gracias a mis Padres por su apoyo qu siempre fue incondicinal a mis Hermanos, Profespres y todos aquellos que hicieron de mi un profesionista.

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INDICE Capitulo I Marco Teórico 6

1. Automatización Industrial 6 a. Definición 6 b. Historia de la automatización. 6

2. Tecnologías a aplicar. 8

2.1 Neumática 8

a. Historia de la neumática 8 b. Campos de aplicación 8 c. Ventajas y desventajas de la neumática 9 d. Conceptos básicos de neumática 10 e. Actuadores neumaticos 11 f. Válvulas neumaticas 13

2.2 Electricidad 17

a. Conceptos básicos de electricidad 17 b. Elementos de control y mando 19 c. Elementos de protección 21 d. Motores 24

2.3 Mecánica 26

a. Transmision mecánica 26 b. Tipos de transmisiones 27 c. Engranes 28 d. Tipos de engranes 28

Capitulo II Propuesta del Proyecto 30

1. Situación actual 30

a. Descripción del proceso 30 b. Costo actual del proceso (Operación y mantenimiento) 31 c. Planteamiento del problema 31

2. Solución propuesta 32

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Capitulo III Desarrollo del Proyecto 33

1. Diagrama del proceso 34 2. Croquis de elementos de trabajo 35 3. Secuencia de operaciones de elementos de trabajo 37 4. Diagrama de movimientos (espacio-fase) y finales de carrera 39 5. Diagrama neumático 40 6. Diagrama eléctrico 41 7. Selección de equipo 42

Capitulo IV Estudio Económico 45

1. Cotización de equipos y materiales 45 2. Montaje, instalación, arranque y puesta en marcha 46 3. Costos de operación y mantenimiento 46 4. Presupuesto del proyecto 47 5. Análisis costo-beneficio 48

Conclusiones 49 Bibliografía 50

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JUSTIFICACION:

Hoy en día es necesario emplear nuevas tecnologías para el mejoramiento de los sistemas de producción y como resultado del aprendizaje adquirido durante el Seminario de Titulación nos hemos dado a la tarea de desarrollar el presente proyecto. Elegimos abordar el proceso de envasado, clave en la producción de agua purificada, debido al incremento en su demanda y al gran número de empresas dedicadas a ello. Lo anterior hace necesario optimizar dicho proceso, buscando ser más eficiente para competir y permanecer en el mercado de agua embotellada.

Para el desarrollo de nuestro proyecto: “AUTOMATIZACIÓN DE UNA

ENVASADORA DE GARRAFONES DE 20 LITROS DE AGUA PURIFICADA”, también se considero el impacto que está mejora puede tener en el precio, que actualmente oscila entre 10 y 30 pesos, dependiendo de la zona y la calidad de dicha agua.

Dado que el presente, se enfoca en el proceso de envasado, supondremos

que previamente el proceso de purificación del agua ha sido optimizado y cumple con la normatividad correspondiente; por lo tanto, solo nos enfocaremos en los subprocesos de lavado, esterilizado y llenado. Objetivos:

General: Optimizar el proceso de envasado del expendio XXX de agua purificada en garrafones de 20 litros. Específicos:

• Aumentar la producción de garrafones de agua. • Garantizar la calidad del producto, mediante la automatización del proceso. • Incrementar la rentabilidad del negocio, a través de la reducción de costos

de operación.

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CAPITULO I

Marco Teórico 1. Automatización Industrial

a) Definición

La automatización industrial (automatización por definición proviene del

griego antiguo que significa guiado por uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales substituyendo a operadores humanos.

El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que

ésta provee a operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos físicos del trabajo, la automatización reduce ampliamente la necesidad sensorial y mental del humano. La automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales.

b) Historia de la Automatización Por siglos el ser humano ha construido máquinas que imiten las partes del

cuerpo humano. Los griegos construyeron estatuas que operaban con sistemas hidráulicos, los cuales se utilizaban para fascinar a los adoradores de los templos.

Las primeras máquinas simples sustituían una forma de esfuerzo en otra

forma que pudiera ser manejada por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales de energía renovable (viento, mareas, o un flujo de agua) por energía humana.

Los botes a vela sustituyeron a los botes de remos. Todavía después,

algunas formas de automatización utilizaron fuentes de poder artificiales, algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor; para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos que caracterizaban a figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde 300 AC.

En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue

dada a Joseph Marie Jacquard, quien revolucionó la industria del textil.

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En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como ` el programa ' para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar.

La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica

industrial. Algunas ventajas son: la repetitividad, el control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, la integración con sistemas empresariales, el incremento de productividad y la reducción de trabajo. Algunas desventajas son: los requerimientos de un gran capital, el decremento severo en la flexibilidad y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación.

Para mediados del siglo 20, la automatización había existido por muchos

años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura; sin embargo, el concepto solamente llego a ser realmente práctico con la adición (y evolución) de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea.

Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad,

poder de cómputo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de los 60’s. Desde entonces las computadoras digitales tomaron el control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semi-especializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos.

Existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la

automatización, por ejemplo: ningún dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído humano. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier expectativa de los ingenieros de automatización.

Las computadoras especializadas, referidas como controlador lógico

programable (PLC), son utilizadas frecuentemente para sincronizar el flujo de entradas de sensores y eventos con el flujo de salidas a los actuadores y eventos. Esto permite ejecutar acciones precisas que permitan un control estrecho de cualquier proceso industrial.

Las interfaces hombre-máquina (HMI) o interfaces hombre-computadora

(CHI), formalmente conocidas como interfaces Hombre-Máquina, son comúnmente empleadas para comunicarse con los PLC's y otras computadoras, para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio que monitorea y controla estas interfaces es conocido como ingenieros de estación.

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2. Tecnologías a aplicar 2.1. Neumática a) Historia de la Neumática

El término neumática procede del griego “pneuma” que significa soplo o aliento.

Las primeras aplicaciones de neumática se remontan al año 2.500 a.C.

mediante la utilización de muelles de soplado. Posteriormente fue utilizada en la construcción de órganos musicales, en la minería y en siderurgia. Hace más de 20 siglos, un griego, Tesillos, construyó un cañón neumático que, accionado manualmente comprimía aire en los cilindros. Al efectuar el disparo, la expansión restituía la energía almacenada, aumentando de esta forma el alcance del mismo.

En el siglo XIX se comenzó a utilizar el aire comprimido en la industria de

forma sistemática. Herramientas neumáticas, martillos neumáticos, tubos de correo neumáticos, son un ejemplo de estas aplicaciones. Durante la construcción del túnel de Mont-Cenis, en 1857, se utilizó una perforadora de aire comprimido que permitía alcanzar una velocidad de avance de dos metros diarios frente a los sesenta centímetros que se obtenían con los medios tradicionales. En 1880 se inventó el primer martillo neumático. La incorporación de la neumática en mecanismos y la automatización comienza a mediados del siglo XX.

b) Campos de aplicación Presentar una lista de aplicaciones actuales de la neumática es un esfuerzo vano por lo interminable que ésta podría resultar, en una apurada síntesis podría decirse que la neumática puede estar presente en cualquier proceso industrial manual o semiautomático que requiera incrementar su producción, aumentando la calidad del producto y mejorar su calidad.

La automatización de los diferentes procesos industriales, ha relevado al

hombre de ciertas actividades, teniendo como consecuencia posibles pérdidas de puestos de trabajo en las empresas. La progresiva sustitución de la energía humana por las energías neumática, hidráulica o eléctrica responde sobre todo a un intento de minimizar los costes de producción y conseguir la automatización de los diferentes procesos industriales.

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De este modo, la neumática se ha convertido en un elemento imprescindible en la automatización de la producción de todos los sectores industriales:

- Industria del automóvil - Producción de energía - Industria textil - Refinerías e industrias petrolíferas - Imprentas y artes gráficas - Máquinas de embalaje - Industria del calzado - Construcción y obras públicas - Industrias agroalimentarias y cárnicas - Siderurgia y minería - Industria química - Maquinaria para la industria maderera - Robótica, alimentación, etc.

Mediante los circuitos neumáticos se pueden generar movimientos rectos

como:

- Sujeción de herramientas - Levantar y bajar objetos - Abrir y cerrar puertas - Arrastrar objetos - Frenar objetos

c) Ventajas y desventajas de la neumática Dentro de las principales ventajas del uso de la neumática se encuentran las siguientes:

- El aire es de fácil captación y abunda en la tierra - El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen

riesgos de chispas. - Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas

y fácilmente regulables - El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto

de golpes de ariete. - Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen

los equipos en forma permanente. - Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa. - Energía limpia - Cambios instantáneos de sentido

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Es importante tener en cuenta las siguientes desventajas:

- En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables

- Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado

- Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas

- Altos niveles de ruidos generados por la descarga del aire hacia la atmósfera

- El aire en la atmósfera contiene cierta cantidad de humedad, que al condesarse puede ser perjudicial para los componentes del circuito neumático.

d) Conceptos básicos de neumática Presión

La presión, también llamada presión absoluta, se define como la fuerza por unidad de superficie. Presión atmosférica.- Se define como el peso por unidad de superficie de la columna de aire entre dicha superficie y el final de la atmósfera Presión relativa.- El la diferencia de la presión absoluta menos la presión atmosférica. Los manómetros miden la presión relativa, por eso la presión relativa también se llama manométrica. La presión absoluta no puede ser negativa, ya que el valor 0 corresponde al vacío absoluto. La presión relativa pasa a ser negativa cuando la absoluta es menor que la atmosférica, generándose un ligero vacío. El vacío nunca podrá ser menor a 1 atm (aproximadamente). La unidad es el Pascal (Pa = N/m2), pero es una unidad muy pequeña (1 atm = 105 Pa), otras unidades son:

- Bar (1 atm = 1.033 Bar) - Kgf/cm2 (1 atm = 1.033 Kgf/cm2) - mmHg (1 atm = 760 mmHg) - mca (1 atm = 10 mca)

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Caudal El caudal o caudal volumétrico se define como el volumen de fluido que circula por una sección en la unidad de tiempo. Caudal másico o gasto másico.- Es la masa de fluido que circula por una sección en la unidad de tiempo. Caudal (Qv) y caudal másico (Qm) están relacionados por la densidad de fluido (ρ): Qm = Qv • ρ Es importante tener en cuenta que la densidad varía con los cambios de temperatura y de presión. Potencia La potencia se define como el trabajo desarrollado por unidad de tiempo (Pot = F • d / t) Para el análisis de neumática, la potencia está dada en términos de presión y caudal, Pot = P • Q. e) Actuadores neumáticos

La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento de giro. Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo (cilindros neumáticos)

A menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con elementos mecánicos combinados con accionamientos eléctricos supone un gasto considerable

Cilindros de simple efecto

Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden

realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa.

El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a

su posición inicial a una velocidad suficientemente grande. En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste

limita la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm.

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Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.

Fig. 1 Cilindros de doble efecto

La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de

doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno

Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso, sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas.

Cilindro de doble efecto.

Fig. 2 Cilindros con amortiguación Interna

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Cuando las masas que traslada un cilindro son grandes, al objeto de evitar un choque brusco y daños es utiliza un sistema de amortiguación que entra en acción momentos antes de alcanzar el final de la carrera. Antes de alcanzar la posición final, un émbolo amortiguador corta la salida directa del aire al exterior .En cambio, es dispone de una sección de escape muy pequeña, a menudo ajustable.

El aire comprimido se comprime más en la última parte de la cámara del cilindro. La sobrepresión producida disminuye con el escape de aire a través de las válvulas antirretorno de estrangulación montada (sección de escapo pequeña). El émbolo se desliza lentamente hasta su posición final. En el cambio de dirección del émbolo, el aire entra sin obstáculos en la cámara del cilindro por la válvula antirretorno.

Cilindro con amortiguación interna.

Fig. 3 f) Válvulas neumáticas

Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y una parte de trabajo, Los elementos de señalización y

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mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas.

Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el

paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica o almacenada en un depósito. En lenguaje internacional, el término "válvula" o "distribuidor" es el término general de todos los tipos tales como válvulas de corredera, de bola, de asiento, grifos, etc.

Esta es la definición de la norma DIN / ISO 1219 conforme a una

recomendación del CETOP (Comité Européen des Transmissions Oiéohydrauliques et Pneumatiques).

Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos: 1. Válvulas de vías o distribuidoras 2. Válvulas de bloqueo 3. Válvulas de presión 4. Válvulas de caudal 5. Válvulas de cierre Válvulas distribuidoras

Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar la corriente de aire, a saber, principalmente puesta en marcha y paro (Start-Stop). Representación esquemática de las válvulas

Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan símbolos; éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvula; solamente indican su función.

Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de

cuadrados.

-La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora.

Fig. 4 -El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (cuadros).

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Fig. 5

-Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de circulación del fluido.

Fig. 6

-Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales.

Fig. 8

-La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto. -Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial.

Fig. 10

-La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan.

Fig. 11

-Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c ... y 0.

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Fig. 12 -Válvula de 3 posiciones. Posición intermedia = Posición de reposo.

Fig. 13

Por posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo

de reposición, p. e., un muelle, aquella posición que las piezas móviles ocupan cuando la válvula no está conectada.

La posición inicial es la que tienen las piezas móviles de la válvula después

del montaje de ésta, establecimiento de la presión y, en caso dado conexión de la tensión eléctrica. Es la posición por medio de la cual comienza el programa preestablecido.

-Conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera). Triángulo directamente junto al símbolo.

Fig. 14

-Conductos de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de reunión). Triángulo ligeramente separado del símbolo.

Fig. 15

Para evitar errores durante el montaje, los empalmes se identifican por medio de letras mayúsculas: Rige lo siguiente:

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Tuberías o conductos de trabajo A, B, C Empalme de energía P Salida de escape R, S, T Tuberías o conductos de pilotaje Z, Y, X 2.2 Electricidad

a) Conceptos básicos

La electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas, estáticas o en movimiento, y por su interacción. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de carga eléctrica, llamadas positiva y negativa.

La electricidad está presente en algunas partículas subatómicas. La partícula fundamental más ligera que lleva carga eléctrica es el electrón, que transporta una unidad de carga. Los átomos, en circunstancias normales, contienen electrones, y a menudo los que están más alejados del núcleo se desprenden con mucha facilidad. En algunas sustancias, como los metales, proliferan los electrones libres. De esta manera, un cuerpo queda cargado eléctricamente gracias a la reordenación de los electrones.

Un átomo normal tiene cantidades iguales de carga eléctrica positiva y negativa; por lo tanto, es eléctricamente neutro. La cantidad de carga eléctrica transportada por todos los electrones del átomo, que por convención es negativa, está equilibrada por la carga positiva, localizada en el núcleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedará cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de electrones, un cuerpo queda cargado positivamente, debido a que hay más cargas eléctricas positivas en el núcleo

La energía eléctrica es la forma de energía más utilizada. Gracias a la flexibilidad en la generación y transporte, se ha convertido para la industria en la forma más extendida de consumo de energía. El transporte por líneas de alta tensión es muy ventajoso y el motor eléctrico tiene un rendimiento superior a las máquinas térmicas. Los inconvenientes de esta forma de energía son la imposibilidad de almacenamiento en grandes cantidades y que las líneas de transmisión son muy costosas.

Las instalaciones para generación y el transporte de la energía eléctrica utilizan generalmente corriente alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el voltaje por medio de transformadores. Para el transporte de una cantidad de energía dada, si se eleva la tensión disminuye la intensidad de corriente

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necesaria; esto disminuye las pérdidas, que son proporcionales al cuadrado de la intensidad.

Posteriormente, para la distribución se reduce el voltaje en las subestaciones, que gradúan la tensión según se utilice en la industria (entre 33 KV y 380 Voltios) o en instalaciones domiciliarias (entre 220 y 110 V).

Una central eléctrica utiliza una fuerza motora para hacer girar un

generador eléctrico con diversas fuentes de energía. Se pueden clasificar las centrales eléctricas según la energía aprovechada:

• Central hidroeléctrica: utiliza la energía obtenida en los saltos de agua (energía hidráulica).

• Central termoeléctrica: utiliza la energía obtenida de los combustibles fósiles (carbón, fueloil, etc.).

• Central nuclear: utiliza la energía obtenida mediante reactores nucleares. • Centrales de recursos renovables: utiliza energía de recursos renovables:

energía solar, eólica, mareomotriz y geotérmica. La producción mundial en los últimos 40 años aumentó más del 1.300%: de 1

billón de KWh a 13 billones. El índice de producción refleja principalmente la importancia de las necesidades de las grandes potencias industriales. Estados Unidos ocupa el primer puesto, con más del 26%; le siguen China, con 8,5%; Japón, con 7,40% y Rusia con 5,80%. La electricidad de estos grandes productores es esencialmente de origen térmico: Estados Unidos, con 70%; China, con el 80%; Japón, con el 59% y Rusia, con el 66%. La electricidad de origen térmico representa un 63% de la producción mundial; le sigue la hidráulica, con el 19%; la nuclear, con el 17%; y se produce solamente un 1% con fuentes de energía eólica, solar y geotérmica.

Corriente eléctrica

El flujo de cargas eléctricas puede generarse en un conductor pero no existe en los aislantes. Algunos dispositivos eléctricos que usan estas características eléctricas en los materiales se denominan dispositivos electrónicos.

La ley de Ohm describe la relación entre la intensidad y la tensión en una corriente eléctrica: la diferencia de potencial (V) es directamente proporcional a la intensidad de corriente (I) y a la resistencia (R). Se describe mediante la fórmula:

La intensidad de corriente (I) en una sección dada de un conductor se define como la carga eléctrica (Q) que la atraviesa en una unidad de tiempo.

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b) Elementos de control y mando Controlador Lógico Programable (PLC)

Los CLP o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en Automatización Industrial.

Su historia se remonta a finales de la década de 1960 cuando la industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional. Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores proporcional integral derivativo (PID).

Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido.

Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más utilizados son el diagrama de escalera (Lenguaje Ladder), preferido por los electricistas, lista de instrucciones y programación por estados, aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más fáciles de interpretar y mantener. Un lenguaje más reciente, preferido por los informáticos y electrónicos, es el FBD (en inglés Function Block Diagram) que emplea compuertas lógicas y bloques con distintas funciones conectados entre si.

En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operadores, desde los más simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas (recetas), apuntadores, algoritmos PID y funciones de comunicación multi-protocolos que le permitirían interconectarse con otros dispositivos Los PLC están adaptados para un amplio rango de tareas de automatización. Estos son típicos en procesos industriales en la manufactura donde el coste de desarrollo y mantenimiento de un sistema de automatización es relativamente alto contra el coste de la automatización, y donde van a existir cambios en el sistema durante toda su vida operacional. Los PLC contienen todo lo necesario para manejar altas cargas de potencia; se requiere poco diseño eléctrico y el problema

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de diseño se centra en expresar las operaciones y secuencias en la lógica de escalera (o diagramas de funciones). Las aplicaciones de PLC son normalmente hechos a la medida del sistema, por lo que el costo del PLC es bajo comparado con el costo de la contratación del diseñador para un diseño específico que solo se va a usar una sola vez. Por otro lado, en caso de productos de alta producción, los sistemas de control a medida se amortizan por si solos rápidamente debido al ahorro en los componentes, lo que provoca que pueda ser una buena elección en vez de una solución "genérica".

Sin embargo, debe ser notado que algunos PLC ya no tienen un precio alto. Los PLC actuales tienen todas las capacidades por algunos cientos de dólares.

Diferentes técnicas son utilizadas para un alto volumen o una simple tarea de automatización, Por ejemplo, una lavadora de uso doméstico puede ser controlada por un temporizador CAM electromecánico costando algunos cuantos dólares en cantidades de producción.

Un diseño basado en un microcontrolador puede ser apropiado donde

cientos o miles de unidades deben ser producidas y entonces el coste de desarrollo (diseño de fuentes de alimentación y equipo de entradas y salidas) puede ser dividido en muchas ventas, donde el usuario final no tiene necesidad de alterar el control. Aplicaciones automotrices son un ejemplo, millones de unidades son vendidas cada año, y pocos usuarios finales alteran la programación de estos controladores. (Sin embargo, algunos vehículos especiales como son camiones de pasajeros para tránsito urbano utilizan PLC en vez de controladores de diseño propio, debido a que los volúmenes son pequeños y el desarrollo no sería económico.)

Algunos procesos de control complejos, como los que son utilizados en la

industria química, pueden requerir algoritmos y características más allá de la capacidad de PLC de alto nivel. Controladores de alta velocidad también requieren de soluciones a medida; por ejemplo, controles para aviones.

Los PLC pueden incluir lógica para implementar bucles analógicos,

“proporcional, integral y derivadas” o un controlador PID. Un bucle PID podría ser usado para controlar la temperatura de procesos de fabricación, por ejemplo. Históricamente, los PLC’s fueron configurados generalmente con solo unos pocos bucles de control analógico y en donde los procesos requieren cientos o miles de bucles, un Sistema de Control Distribuido (DCS) se encarga. Sin embargo, los PLC se han vuelto más poderosos, y las diferencias entre las aplicaciones entre DCS y PLC han quedado menos claras.

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c) Elementos de protección

Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella.

Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a una instalación eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que describiremos con detalle a continuación son:

i) Protección contra cortocircuitos.

ii) Protección contra sobrecargas.

iii) Protección contra electrocución.

i) Protección contra cortocircuitos.

Se denomina cortocircuito a la unión de dos conductores o partes de un circuito eléctrico, con una diferencia de potencial o tensión entre si, sin ninguna impedancia eléctrica entre ellos.

Este efecto, según la Ley de Ohm, al ser la impedancia cero, hace que la intensidad tienda a infinito, con lo cual peligra la integridad de conductores y máquinas debido al calor generado por dicha intensidad, debido al efecto Joule. En la práctica, la intensidad producida por un cortocircuito, siempre queda amortiguada por la resistencia de los propios conductores que, aunque muy pequeña, nunca es cero.

I = V / Z (si Z es cero, I = infinito)

Según los reglamentos electrotécnicos, "en el origen de todo circuito deberá colocarse un dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en la instalación". No obstante se admite una protección general contra cortocircuitos para varios circuitos derivados.

Los dispositivos mas empleados para la protección contra cortocircuitos son:

• Fusibles calibrados (también llamados cortacircuitos), o

• Interruptores automáticos magneto-térmicos

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Fusibles o cortacircuitos

Los fusibles o cortacircuitos, según se ve en la figura 16.1, no son más que una sección de hilo más fino que los conductores normales, colocado en la entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la corriente, debido a un cortocircuito, sea la parte que mas se caliente, y por tanto la primera en fundirse. Una vez interrumpida la corriente, el resto del circuito ya no sufre daño alguno.

Interruptores automáticos, magneto-térmicos

Estos dispositivos, conocidos abreviadamente por PIA (Pequeño Interruptor Automático), se emplean para la protección de los circuitos eléctricos, contra cortocircuitos y sobrecargas, en sustitución de los fusibles, ya que tienen la ventaja de que no hay que reponerlos; cuando desconectan debido a una sobrecarga o un cortocircuito, se rearman de nuevo y siguen funcionando.

Según el número de polos, se clasifican éstos en: unipolares, bipolares, tri-polares y tetra-polares. Estos últimos se utilizan para redes trifásicas con neutro.

ii) Protección contra sobrecargas

Entendemos por sobrecarga al exceso de intensidad en un circuito, debido a un defecto de aislamiento o bien, a una avería o demanda excesiva de carga de la máquina conectada a un motor eléctrico.

Las sobrecargas deben de protegerse, ya que pueden dar lugar a la destrucción total de los aislamientos, de una red o de un motor conectado a ella. Una sobrecarga no protegida degenera siempre en un cortocircuito.

Según los reglamentos electrotécnicos "Si el conductor neutro tiene la misma sección que las fases, la protección contra sobrecargas se hará con un dispositivo que proteja solamente las fases, por el contrario si la sección del conductor neutro es inferior a la de las fases, el dispositivo de protección habrá de controlar también la corriente del neutro". Además debe de colocarse una protección para cada circuito derivado de otro principal.

Los dispositivos mas empleados para la protección contra sobrecargas son:

• Fusibles calibrados, tipo GT o GF (nunca AM) • Interruptores automáticos magneto-térmicos (PIA) • Relés térmicos

Para los circuitos domésticos, de alumbrado y para pequeños motores, se suelen emplear los dos primeros, al igual que para los cortocircuitos, siempre y

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cuando se utilice el tipo y la calibración apropiada al circuito a proteger. Por el contrario para los motores trifásicos se suelen emplear los llamados relés térmicos, cuya construcción, funcionamiento y utilización se verán en el capitulo siguiente.

iii) Protección contra electrocución

Peligros de la corriente eléctrica

Bajo los efectos de una corriente eléctrica, puede sobrevenir la muerte de una persona, por las causas siguientes:

• Paralización del corazón • Atrofia de los músculos del tórax (asfixia) • Carbonización de los tejidos • Electrólisis de la sangre (solamente en c.c.), etc

Aunque los cuerpos humanos reaccionan de diferente manera unos de otros y dependiendo de las condiciones del momento, podemos decir que la corriente eléctrica empieza a ser peligrosa, cuando atraviesan el cuerpo humano más de 25 mA, durante más de 0,2 segundos.

Se ha comprobado que la resistencia del cuerpo humano, con piel sana y seca, depende de la tensión que se le aplique, pudiendo variar entre 2.500 y 100.000 ohmios. Esta resistencia también disminuye debido a la humedad, la transpiración, las heridas superficiales, al aumentar la masa muscular de las personas, si el contacto es inesperado, etc. También y por causas aun desconocidas se sabe que en las altas frecuencias la corriente eléctrica deja de ser peligrosa para el cuerpo humano (a partir de unos 7.000 Hz aproximadamente), y por tal motivo se emplea mucho en electromedicina.

Debido a todo lo anteriormente expuesto, cuando se hacen cálculos sobre la seguridad contra electrocución, y con el fin de trabajar con un buen margen de seguridad, se considera que la resistencia del cuerpo humano es de 1.000 ohmios.

Por eso los reglamentos electrotécnicos fijan como tensiones peligrosas, exigiendo la instalación de protecciones contra electrocución, las siguientes:

• 50 V, con relación a tierra, en locales secos y no conductores. • 24 V, con relación a tierra, en locales húmedos o mojados. • 15 V, en instalaciones para piscinas

Sistemas de protección contra electrocución

24

Frente a los peligros de la corriente eléctrica, la seguridad de las personas, ha de estar fundamentada en que nunca puedan estar sometidas involuntariamente a una tensión peligrosa. Por tal motivo, para la protección contra electrocución deben de ponerse los medios necesarios para que esto nunca ocurra.

La reglamentación actual clasifica las protecciones contra contactos indirectos, que pueden dar lugar a electrocución en dos clases:

Clase A: Esta clase consiste en tomar medidas que eviten el riesgo en todo momento, de tocar partes en tensión, o susceptibles de estarlo, y las medidas a tomar son:

• Separación de circuitos • Empleo de pequeñas tensiones de seguridad (50, 24 o 15 V) • Separación entre partes con tensión y masas metálicas, por medio de

aislamientos • Inaccesibilidad simultanea entre conductores y masas • Recubrimiento de las masas con elementos aislantes • Conexiones equipotenciales

Clase B: Este sistema que es el más empleado, tanto en instalaciones domésticas como industriales, consiste en la puesta a tierra de las masas, asociada a un dispositivo de corte automático (relé o controlador de aislamiento), que desconecte la instalación defectuosa.

Por ello se emplean principalmente dos tipos de protecciones diferentes, a saber:

• Puesta a tierra de las masas

• Relés de control de aislamiento, que a su vez pueden ser:

• Interruptores diferenciales, para redes con neutro a tierra. • Relés de aislamiento, para redes con neutro aislado.

d) Motores Un motor eléctrico es un dispositivo rotativo que transforma energía

eléctrica en energía mecánica, y viceversa, convierte la energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generador o dinamo. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos de dinamo.

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Por estos motivos son ampliamente utilizados en instalaciones industriales y demás aplicaciones que no requieran autonomía respecto de la fuente de energía, dado que la energía eléctrica es difícil de almacenar. La energía de una batería de varios kg equivale a la que contienen 80 g de gasolina. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

Funcionamiento de un motor

Tanto motores de corriente alterna como motores de corriente directa se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cuál establece que si un conductor por el cual circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

El conductor tiende a ser un electroimán utilizado como un material al que al adicionarse electricidad adquiera propiedades magnéticas. Su rotación es alternada por varios polos fundamentalmente al ganar velocidad.

Partiendo del hecho que cuando pasa corriente eléctrica por un conductor se produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada exteriormente con el objeto que fuese a desplazarse.

Motores de Corriente Continua Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén

conectados, en:

Motor serie Motor compound Motor shunt Motor eléctrico sin escobillas

Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en

electrónica:

Motor paso a paso Servomotor motor sin núcleo

Motores de Corriente Alterna

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Los motores de C.A. se clasifican de la siguiente manera:

• Asíncrono (Inducción) • Jaula de Ardilla • Monofásicos

Motor de arranque a resistencia.

Motor de arranque a condensador. Motor de marcha. Motor de doble capacitor. Motor de polos sombreados.

Trifásicos

Motor de Inducción. A tres fases.

Rotor Devanado Monofásicos

Motor universal Motor de Inducción-Repulsión.

Trifásicos

Motor de rotor devanado. Síncrono

Cambio de giro

2.3 Mecánica a) Transmisión mecánica Se denomina transmisión mecánica a un mecanismo encargado de trasmitir potencia entre dos o más elementos dentro de una máquina. Son parte fundamental de los elementos u órganos de una máquina, muchas veces clasificado como uno de los dos subgrupos fundamentales de éstos elementos de trasmisión y elementos de sujeción). En la gran mayoría de los casos, estas trasmisiones se realizan a través de elementos rotantes, ya que la transmisión de energía por rotación ocupa mucho menos espacio que aquella por traslación.

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Una transmisión mecánica es una forma de intercambiar energía mecánica distinta a las transmisiones neumáticas o hidráulicas, ya que para ejercer su función emplea el movimiento de cuerpos sólidos, como lo son los engranajes y las correas de transmisión. Típicamente, la transmisión cambia la velocidad de rotación de un eje de entrada, lo que resulta en una velocidad de salida diferente. En la vida diaria se asocian habitualmente las transmisiones con los automóviles. Sin embargo, las transmisiones se emplean en una gran variedad de aplicaciones, algunas de ellas estacionarias. Las transmisiones primitivas comprenden, por ejemplo, reductores y engranajes en ángulo recto en molinos de viento o agua y máquinas de vapor, especialmente para tareas de bombeo, molienda o elevación (norias). En general, las transmisiones reducen una rotación inadecuada, de alta velocidad y bajo par motor, del eje de salida del impulsor primario a una velocidad más baja con par de giro más alto, o a la inversa. Muchos sistemas, como las transmisiones empleadas en los automóviles, incluyen la capacidad de seleccionar alguna de varias relaciones diferentes. En estos casos, la mayoría de las relaciones (llamadas usualmente "marchas" o "cambios") se emplean para reducir la velocidad de salida del motor e incrementar el par de giro; sin embargo, las relaciones más altas pueden ser sobre-marchas que aumentan la velocidad de salida. También se emplean transmisiones en equipamiento naval, agrícola, industrial, de construcciones y de minería. Adicionalmente a las transmisiones convencionales basadas en engranajes, estos dispositivos suelen emplear transmisiones hidrostáticas y accionadores eléctricos de velocidad ajustable. b) Tipos de Transmisiones Entre las formas más habituales de transmisión son:

Con correa, como una correa de distribución. Con cadena. Con balancines. Con cascada de engranajes. Con cardan.

Cadena de transmisión Una cadena de transmisión sirve para transmitir el movimiento a las ruedas o de un mecanismo a otro. Se usan para transmitir el movimiento de los pedales a la rueda en las bicicletas o dentro de un motor para transmitir movimiento de un mecanismo a otro. Por ejemplo del cigüeñal al árbol de levas.

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Hay algún modelo de bicicleta que usa un cardan para transmitir el movimiento a las ruedas. Sin embargo, el sistema de cadena da una cierta elasticidad que ayuda a iniciar el movimiento, sobre todo en cuestas. Su inconveniente es que se puede enganchar y es más débil que un cardan. También hay sistemas hidráulicos o por correa. En los motores se usan cadenas para el árbol de levas porque necesita cierta fuerza. Las correas se usan para otros mecanismos de menos potencia como bomba de agua o el alternador. Cada vez se tiende más a sustituir la cadena del árbol de levas por una correa ya que hace menos ruidoso el motor. A cambio, hay que sustituir la correa con más frecuencia que una cadena y consume un poco mas de potencia del motor. c) Engranes Se denomina engranaje o ruedas dentadas al mecanismo utilizado para transmitir potencia mecánica entre las distintas partes de una máquina. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales a la mayor se le denomina corona y la menor piñón. Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas está conectada por la fuente de energía y es conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido.1 Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de engranajes. La principal ventaja que tienen las transmisiones por engranaje respecto de la transmisión por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene exactitud en la relación de transmisión. d) Tipos de engranes La principal clasificación de los engranajes se efectúa según la disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de dentado. Según estos criterios existen los siguientes tipos de engranajes:

Fig. 16 Ejemplo de Engrane Píñón recto de 18 dientes

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Ejes paralelos:

Cilíndricos de dientes rectos Cilíndricos de dientes helicoidales Doble helicoidales

Ejes perpendiculares:

Helicoidales cruzados Cónicos de dientes rectos Cónicos de dientes helicoidales Cónicos hipoides De rueda y tornillo sinfín

Por aplicaciones especiales se pueden citar:

Planetarios Interiores De cremallera

Por la forma de transmitir el movimiento se pueden citar:

Transmisión simple Transmisión con engranaje loco Transmisión compuesta. Tren de engranajes

Transmisión mediante cadena o polea dentada

Mecanismo piñón cadena Polea dentada

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CAPITULO II

Propuesta del Proyecto

1. Situación Actual a) Descripción del proceso A continuación se describirá el proceso del embotellado de agua purificada en garrafones de 20 litros 1.- Recepción del garrafón 2.- Pre-lavado de garrafón con detergente biodegradable. 3.- Lavado y enjuague de garrafón 4.- Llenado de garrafón 5.- Secado y sellado de garrafón 6.- Entrega de garrafón al consumidor 1.- Recepción del garrafón: La recepción del garrafón se realiza en el momento que se recibe el garrafón por parte del cliente en la ventanilla del local. 2.- Lavado de garrafón con detergente biodegradable: Este subproceso se realiza con ayuda de un taladro y un cepillo de cerdas tipo lavador de biberón. Se vierte una porción de detergente biodegradable dentro del garrafón y posterior mente se introduce manualmente el cepillo en la boquilla del garrafón, se acciona el taladro haciendo girar el cepillo dentro del garrafón realizando movimientos circulares asegurando llegar a todas las áreas internas del garrafón, posteriormente se apaga el taladro retirándolo del garrafón para posteriormente lavar su exterior con una fibra y detergente biodegradable. 3.- Lavado y enjuague. Este subproceso se realiza en 2 etapas, a) con la ayuda de una tobera por la cual sale un chorro de agua con químicos especiales a presión, que además de eliminar e inhibir el detergente del paso anterior, desprenden cualquier partícula e higienizan completamente la parte interior del garrafón. Al

RECEPCION DEL GARRAFON

PRELAVADO DEL GARRAFON

LAVADO Y ENJUAGUE DEL

GARRAFON

LLENADO DEL GARRAFON

SECADO Y SELLADO DEL

GARRAFON

ENTRAGA AL CONSUMIDOR

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mismo tiempo se cepilla la parte externa del garrafón. b) Posteriormente, se pasa a otra tobera que expulsa agua purificada a presión para enjuagar el interior del garrafón y en la parte exterior se enjuaga con una manguera conectada a un aspersor. 4.- Llenado de garrafón. Se trasporta el garrafón manualmente al área de llenado y se coloca debajo de las toberas para posteriormente abrirlas y que el agua que esta circulando en el circuito de llenado con la ayuda de un sistema hidroneumático y cerrado la válvula una vez que a llegado a su capacidad de 20 litros se coloca un tapón roscado de plástico protegiendo el agua de las impurezas del medio ambiente. 5.- Secado y sellado de garrafón: Se coloca el garrafón en el área de secado colocando un sello de plástico celofán el cual se contrae con una secadora de aire caliente, posteriormente se seca con un paño esterilizado el excedente de agua en el exterior del garrafón. 6.- Entrega de garrafón al consumidor: Una vez llenado y sellado esta listo para salir a la venta al consumidor. b) Costo actual del proceso (Operación y mantenimiento). El proceso actual tiene un costo de operación aproximado de: Intervienen 2 trabajadores el cual su costo de mano de obra es de $200 por dia de trabajo, y el costo de energía es de $ 50 por día. Costo por materia prima $ 900 por día Lo que nos da un costo total de $1150 Y si tomamos en cuenta que se pueden producir 137 garrafones llenados y lavados por día a un costo de $12 el resultado es de $1644 por lo tanto Venta diaria $ 1644 - costo de producción $1150 = $ 494 Ganancia Total por día Si tomamos en cuenta que el proceso dura 3.50 segundos y se laboran 8 horas al día nos da como resultado 136 garrafones diarios. c) Planteamiento del problema Las áreas de oportunidad identificadas en el proceso actual son:

Baja productividad.- Si se quiere utilizar la máxima capacidad instalada, es necesario contar con 3 operarios; i) el primero seleccionaría los garrafones para pre-lavarlos; ii) el segundo ejecutaría el lavado y enjuague; y finalmente, iii) el tercero los llenaría, taponaría y secaría, es decir, los dejaría listos para almacenarlos o entregarlos al cliente.

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Consideramos que si se automatizan los pasos anteriores, hasta una sola persona puede ejecutar los subprocesos anteriores. Variación en la calidad del producto.- Debido a que durante el proceso interviene constantemente la mano del hombre, es posible que algunos garrafones no sean higienizados correctamente o llenados al nivel adecuado. Esto, puede derivar en insatisfacción del cliente si i) encuentra alguna partícula extraña dentro del garrafón o ii) sabor a detergente o iii) garrafones incompletos. Lo anterior, puede asegurarse si se automatiza el proceso, de manera que se estandaricen las actividades; es decir, si para eliminar todas las partículas del interior son necesarios 10 segundos de cepillado y disparar el agua a cierta presión, entonces nos aseguraremos de que dichos parámetros se ejecuten siempre de la misma manera. Incrementar la rentabilidad del negocio.- Como se pudo observar durante el análisis de costo actual del proceso, un gran porcentaje del costo unitario de venta del garrafón es absorbido por el costo de mano de obra o costo de operarios. Además del costo de desperdicios y retrabajos, por ejemplo: i) uso indiscriminado de detergente y/o productos químicos en algunos casos; ii) uso excesivo de agua limpia y purificada para eliminar el exceso de detergente del paso anterior; iii) desperdicio de agua purificada, si se derrama al momento del llenado; y iv) rechazos de clientes insatisfechos, o lo que es peor, pérdida de clientes. Con un proceso automatizado, podemos eliminar desperdicios, asegurar la calidad. Obteniendo por consecuencia mayor rentabilidad y competitividad en el mercado de agua purificado, que a pesar de que, como vimos anteriormente es un mercado muy demandado, existe mucha competencia. 2. Solución propuesta Tal y como se anticipo, la solución a las áreas de oportunidad identificadas, es la automatización del proceso, pero, ¿qué actividades deben automatizarse?, ¿cómo asegurarse que la inversión se recuperará en un periodo razonable?, ¿cuál es el diseño óptimo?, esta y otras preguntas se resolverán en los siguientes párrafos o en los siguientes capítulos. En este capítulo solo nos enfocaremos a identificar las actividades que se automatizarán y a presentar un bosquejo como quedaría el nuevo proceso. Nuestra solución consiste en una máquina que ejecuta al mismo tiempo las siguientes actividades:

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• Cepillado interior y cepillado exterior con mezcla de agua y detergente (Estado 2),

• Lavado a presión con productos químicos y enjuague exterior con agua potable (Estado 3),

• Enjuague interior con agua purificada (Estado 3) y • Llenado (Estado 4).

Para tal efecto, mediante un sensor, el sistema detectaría cuando los

garrafones estuviesen posicionados en cada estación, accionando las válvulas y motores durante un periodo preestablecido.

Previamente, será necesario lavar la boca del garrafón y colocarlos en la

máquina. Una vez lleno los garrafones, se deberán taponar.

CAPITULO III

Desarrollo del Proyecto El proyecto consta de una maquina automatizada para mejorar el proceso del lavado, enjuague y llenado de garrafones de agua purificada de 20 L. Mediante la cual se logra eliminar el contacto de la mano del hombre para evitar así la contaminación del agua y el garrafón. La maquina consta de tres estaciones para el automatizado de dichos procesos: Lavado ; consta de un actuador de doble efecto el cual al censar la presencia del garrafón le envía una señal al cilindro el cual sube el vástago y abre la válvula de paso que contienen el liquido detergente para lavar el garrafón internamente, al mismo tiempo el mecanismo de lavado exterior se pone en posición y empieza a lavar el garrafón, luego de un tiempo de 9 segundos se cierra la válvula de paso de detergente y el vástago se retrae (baja), y da paso a la siguiente estación de Enjuague: al llegar el garrafón a esta estacón el censor optoelectronico detecta y envía una señal al motor de paro para que se inicie el ciclo de enjuague. Enjuague: Consta de un actuador de doble efecto el cual al censar la presencia del garrafón inicia su carrera ascendente de modo que se posiciona para que la válvula de paso de agua abra y salga el agua para enjuagar el garrafón durante un periodo de 9 segundos; Posteriormente se cierra la válvula de paso de agua para enjuagar y el vástago del cilindro se retrae (abajo), dando paso al siguiente proceso de llenado. Llenado: consta de un sensor optoelectronico que detecta la presencia del garrafón y abre la válvula de paso de agua purificada para el llenado del garrafón, una vez transcurrido el tiempo de llenado se cierra la válvula de llenado y el garrafón sale listo para ser tapado y sellado.

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1.- Diagrama del proceso El diagrama del proceso del lavado y llenado de garrafones:

Fig. 17

35

3. Croquis de elementos de trabajo

VISTA FRONTAL

Fig. 18

CROQUIS DE ELEMENTOS FASE-LAVADO

Fig. 19

36

CROQUIS DE ELEMENTOS ENJUAGADO

Fig. 20

CROQUIS DE ELEMENTOS LLENADO

Fig. 21

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3.- Secuencia de operaciones de elementos de trabajo Estado 1.- Se colocan los garrafones Elementos S1.1 Sensor de garrafón Y1.1 Bobina que arranca y para la banda transportadora M1.1 Motor que mueve cadena y transporta los garrafones. Estado 2.- Lavado de garrafón Elementos F2.1 Final de carrera (Reposo) F2.2 Final de carrera (Accionado) S2.1 Sensor de llegada de garrafón detiene Catarina activa actuador y enciende motor A2.1 Actuador doble efecto giratorio con esprea M2.1 Motor de tren de engranes para lavado exterior de garrafón BT1 Tiempo 4 segundos Y2.1 Bobina de actuador 2.1 Inyector de detergente a presión Estado 3.- Enjuague de garrafón Elementos F3.1 Final de carrera (Reposo) F3.2 Final de carrera (Accionado) S3.1 Sensor de llegada de garrafón a enjuague, activa actuador A3.1 A3.1 Actuador doble efecto giratorio con esprea BT2 Tiempo 4 segundos Y3.1 Bobinas de actuador I3.1 Inyector de agua a presión para enjuague Estado 4.- llenado de garrafón Elementos S4.1 Sensor de llegada de garrafón al llenado A4.1 Actuador doble efecto V4.1 Válvula de llenado de agua purificada. Y4.1 Bobina que activa actuador A4.1 S5.1 Detecta nivel de boquilla y abre válvula de llenado S6.1 Detecta nivel de llenado y cierra válvula de llenado BT3 Sale garrafón y se va a sellado y entrega de producto terminado. Donde: S= Sensor Y= Bobina A= Actuador M= Motor BT= Temporizador I= Inyector F= Finales de carrera de los actuadores V= Válvula

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SECUENCIA DE OPERACIONES PARA LA LLENADORA DE

GARRAFONES.

D(S1.1),A(M1.1),A(T1.1),DA(M1.1),D(S2.1),A(Y2.1),A(A2.1),A(I2.1),BT2,DA(I2.1),R(A2.1),F2.1 A(M1.1),A(T1.1),DA(M1.1),D(S3.1),A(A3.1),D(F3.2),A(Y3.1),A(I3.1),BT3,DA(I3.1),DA(Y3.1),R(A3.1),A(F3.1),A(M1.1),A(T1.1),DA(M1.1),D(S4.1),A(A4.1),A(BT4),),D(I4.1),A(T1.1),A(M1.1)BT4,D(S1.1)…….

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4.- Diagrama de movimientos (Espacio-Fase) y finales de carrera. A

CT

UA

DO

RE

S

M1.1

A2.1

M2.1

I 2.1

A3.1

I3.1

A4.1

V4.1

LAVADO ENJUAGADO PUNTO MUERTO PONER TAPON Y

SELLOPUNTO MUERTO 2

F 2 . 2 F 2 . 1 F 3 . 2 F 3 . 1 F 3 . 1

F 3 . 1

S 4 . 1

S 5 . 1

40

6.- Diagrama neumático.

41

7.- Diagrama eléctrico.

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8.- Selección de equipo

Partida Cantidad Unidad Descripción

1 6 Pza Cilindro de doble efecto Marca Numatics Modelo DH150012A diámetro exterior del

vástago 0.43", diámetro de paso del fluido0.25", diámetro de conexiones neumáticas 0.125"

2 12 Pza Relee de retardo y desaceleración Marca Tyco Modelo CB-1003B-70, a operar a 127V, tiempo de conexión y desconexión de 0.1 a 10 segundos

3 8 Pza Sensor optoelectrónico Marca Festo Modelo SOEGRSG4PSKLTI, con sensor láser, sensor de reto reflexión para objetos transparentes, diámetro de rodillo de 4mm, salida digital PNP normalmente abierto, conexión eléctrica por cableado, indicador con un diodo luminoso y versión estándar

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4 6 Pza Válvula Marca Festo Modelo MVH-B Tiger 2000, monoestables de 5/2 vías, Construcción Válvula de asiento, Principio de estanquidad Juntas de material sintético, Tipo de mando Servopilotaje, Alimentación del aire de pilotaje Interna o externa, Sentido del flujo Irreversible, Función de escape Con estrangulación, Accionamiento manual auxiliar Reposición, enclavable, cubierto, Tipo de fijación Mediante taladros, Posición de montaje Indistinta

5 5 Pza Motor Marca Festo Modelo MTR−DCI, es un servomotor avanzado que incorpora un motor DC, reductor, encoder y electrónica de control (control de posicionamiento y regulador de posición). El interfase de bus de campo soporta el perfil para el manejo y el posicionamiento (FHPP). Alternativamente, también permite la utilización del perfil DS 402, definido por CIA

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6 1 Pza Compresora de aire Marca Elmo Reitshle Modelo R-WPB25 con compresor tipo lóbulos con capacidad de 50 a 550 mbar, con un caudal de 20 a 25 m3/Hr.

7 2 Pza Valvula reguladora para estrangulación Marca Festo Modelo VFOC-E-S4-Q4, Ejecucion metalica muy robusta y fiable, Montaje rapido y sencillo de tubos flexibles mediante racores Qs de probada eficiencia, Instalación sencilla mediante casquillo enchufable, Caudales: QnN: 0 ... 400 l/min, Utilizacion en combinacion con todos los tubos flexibles de calibración externa, Ajuste sencillo para la dosificacion del caudal, para regular la velocidad de cilindros de simple o doble efecto mediante el ajuste del aire de alimentacion o de escape

8 8 Pza Catarina en acero Marca Martín Modelo 204288 con Diámetro Exterior de 3.010 in y diámetro Interior de 0.625

9 2 Pza Interruptor de corriente on off 10 2 Pza Transformador de corriente de 127V a 24V

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CAPITULO IV

Estudio Económico

1.- Cotización de equipos y materiales

Cotización de Materiales

Partida Cantidad Unidad Descripcion P.U. N.M. Total M.N.

1 6 Pza Cilindro de doble efecto Marca Niumatics Modelo DH150012A diametro exterior del vastago 0.43", diametro de paso del fluido0.25", diametro de conexiones neumaticas 0.125"

$890.00 $5,340.00

2 12 Pza Relee de retardo y desaceleraciion Marca Tyco Modelo CB-1003B-70, a operar a 127V, tiempo de conexión y desconexión de 0.1 a 10 segundos

$450.00 $5,400.00

3 8 Pza Sensor optoelectronico Marca Festo Modelo SOEGRSG4PSKLTI, con sensor laser, sensor de reto reflexión para objetos transparentes, diametro de rodillo de 4mm, salida digital PNP normalmente abierto, conexión eléctrica por cableado, indicador con un diodo luminoso y versión estandar

$6,754.00 $54,032.00

4 6 Pza Válvula Marca Festo Modelo MVH-B Tiger 2000, monoestables de 5/2 vías, Construcción Válvula de asiento, Principio de estanquidad Juntas de material sintético, Tipo de mando Servopilotaje, Alimentación del aire de pilotaje Interna o externa, Sentido del flujo Irreversible, Función de escape Con estrangulación, Accionamiento manual auxiliar Reposición, enclavable, cubierto, Tipo de fijación Mediante taladros, Posición de montaje Indistinta

$2,968.00 $17,808.00

5 5 Pza Motor Marca Festo Modelo MTR−DCI, es un servomotor avanzado que incorpora un motor DC, reductor, encoder y electrónica de control (control de posicionamiento y regulador de posición). El interface de bus de campo soporta el perfil para el manejo y el posicionamiento (FHPP). Alternativamente, también permite la utilización del perfil DS 402, definido por CIA.

$7,398.00 $36,990.00

6 1 Pza Compresora de aire Manrca Elmo Reitshle Modelo R-WPB25 con compresor tipo lobulos con capacidad de 50 a 550 mbar, con un caudal de 20 a 25 m3/Hr.

$45,789.00 $45,789.00

7 2 Pza Va lvula reguladora para estrangulacion Marca Festo Modelo VFOC-E-S4-Q4, Ejecucion meta lica muy robusta y fiable, Montaje ra pido y sencillo de tubos flexibles mediante racores Qs de probada eficiencia, Instalacion sencilla mediante casquillo enchufable, Caudales: QnN: 0 ... 400 l/min, Utilizacion en combinacion con todos los tubos flexibles de calibracion externa, Ajuste sencillo para la dosificacion del caudal, para regular la velocidad de cilindros de simple o doble efecto mediante el ajuste del aire de alimentacion o de escape.

$359.00 $718.00

46

8 8 Pza Catarina en acero Marca Martin Modelo 204288 con Diametro Exterior de 3.010 in y diametro Interior de 0.625

$375.00 $3,000.00

9 2 Pza Interruoptur de corriente on off $40.00 $80.00

10 2 Pza Transformador de corriente de 127V a 24V $295.00 $590.00

Sub Total $169,747.00

IVA $25,462.05

Ciento Noventa y Cinco Mil Doscientos Nueve Pesos M.N. 05/100 Total $195,209.05

2.- Montaje, instalación, arranque y puesta en marcha

Montaje, Instalación, Puesta en Marcha y Arranque

Partida Cantidad Unidad Descripción P.U. M.N. Total M.N.

1 1 Lote Instalación, maniobras, acarreo de equipo, colocación de soportaría para accesorios, catarinas, motores, cilindros, bandas transportadoras y materiales misceláneos.

$15,700.00

$15,700.00

2 1 Lote Arranque y pruebas de funcionamiento de los equipos y accesorios dejándolos programados y balanceados en tiempo y movimiento debidamente calculados en proyecto.

$9,360.00 $9,360.00

Sub Total $25,060.00

IVA $3,759.00

Veinti Ocho Mil Ocho Cientos Diecinueve Pesos M.N. 00/100 Total $28,819.00

3.- Costos de operación y mantenimiento

Costos de Operación y Mantenimiento

Partida Cantidad Unidad Descripción P.U. M.N. Total M.N.

1 1 Lote Mantenimiento Bimestral a equipo de automatización que incluye: Servicio de limpieza y calibración a equipos neumáticos, como cilindros de doble efecto y sensores de proximidad, válvulas solenoides. Limpieza reapriete de conexiones eléctricas y elementos y electromecánicos como: catarinas banda transportadora, rodillos de lavado y enjuagado.

$3,400.00 $3,400.00

2 1 Lote Costo de operación al día que como factores de estudio se involucran: Costo de consumo de energía por Hora, factor de desgaste de equipo y accesorios, mano de obra hora-hombre, mantenimiento, horario de operación de lunes a Sábado de 9:00 a.m. a 5:00 p.m.

$234.00 $234.00

Sub Total $3,634.00

IVA $545.10

Cuatro Mil Ciento Setenta y Nueva Pesos M.N. Pesos M.N. 10/100 Total $4,179.10

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4.-Presupuesto del proyecto

Costo de Proyecto

Partida Cantidad Unidad Descripción P.U. M.N. Total M.N.

1 1 Lote Costo de equipos y materiales. $169,747.00 $169,747.00

2 1 Lote Montaje, Instalación, Puesta en Marcha y Arranque

$25,060.00 $25,060.00

Sub Total $194,807.00

IVA $29,221.05

Doscientos Veinti Cuatro Mil Veinti Ocho Pesos M.N. 05/100 Total $224,028.05

48

5.- Análisis Costo-Beneficio

Comparativo

!"#$%&'$&()* +,)-,.* /-012,0&3,41* /51%%1*

Duracióndelproceso(seg/ciclo) 300 168 132

Unidadesproducidasporciclo 3 12

No.Operarios 2 2

Costoporoperario(día) 100 100

Costodemanodeobra($) 200 200

Horasporturno(Considerando1horadedescanso)

7 7

Tiempodisponiblepordía(seg) 25200 25200

Producciónpordía 252 1800

Costounitariodemanodeobra(CostoMO/Unidadproducida)

$0.79 $0.11 $0.68

AhorroconProcesoAutomatizado

Descripción Costo

Ahorroporgarrafón $0.68

Utilidaddiaria $1,228.57

Costodemantenimientoyoperación(anual) $25,000.00

Costodemantenimiento(diario) $69.44

/51%%1*4&,%&1*67"018* *9******:;:<=>:?**

Costodelamáquina $170,000.00

Costodetraslado $1,000.00

Costodeinstalación $25,000.00

Inversióntotal $196,000.00

Periododerecuperacióndelainversión(días) $169.09

Díashábilesdelaño $312.00

@"%&141*4"*%"$-'"%,$&()*4"*.,*&)A"%#&()*6,B1#8* C><D*

49

Conclusiones Mediante la automatización de la planta purificadora los beneficios que se obtienen son muy significativos en tiempo y costo de producción, adicionalmente se asegura la calidad e higiene del producto desde su lavado hasta que se saca a la venta al publico, el principal punto que se elimino es el de mano de obra reduciéndola en un 50% a si mismo el tiempo de producción se redujo en un 86% de este modo las ganancia totales son de un 160% . Si se requiere de mayor demanda de producto la maquina esta diseñada para poder ampliarse y aumentar la producción en un 100% por lo tanto se considera que tiene un gran desarrollo para su comercialización dentro de la industria del embasado de agua purificada ya se en pequeñas cantidades o a gran escala. Así mismo podemos decir que la producción de garrafones por día incrementa en 1548 unidades producidas más que en el proceso manual, por otro lado cave mencionar que los costos de producción se reducen en $ 0.68 por unidad producida teniendo como consecuencia una utilidad diaria de $ 1,228.00. Por tal motivo concluimos que el futuro del desarrollo de este proyecto es una garantía de inversión para los negocios de agua embotellada.

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Bibliografía.

• Serrano Nicolás, A., Neumática. Quinta edición. Thomson-Paraninfo, 2003.

• Meixner, H., Introducción en la Neumática, Manual de Estudio. FESTO, 1988.

• FESTO, Introducción a la Electroneumática. 1990.

• Hessen, S., 99 ejemplos prácticos de aplicaciones neumáticas. FESTO, 2000.

• De las Heras, S., Instalaciones Neumáticas. Editorial UOC, 2003.

• DEL RAZO, Hernández Adolfo, Sistemas Neumáticos e Hidráulicos: Apuntes de Teoría" Editorial: U.P.I.I.C.S.A, México D.F., 2001.

• DEPPERT W. / K. Stoll. "Dispositivo Neumáticos" Ed. Marcombo Boixareu. España

• Edminister, Joseph A., Circuitos eléctricos, McGraw-Hill 2a. ed.

• Coyne, Electricidad práctica aplicada, Editorial Uteha.