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ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE DOSIFICACIN DE LQUIDOS CON CONTROL DE VOLUMEN A PRESIN CONSTANTE

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO EN ELECTRNICA Y CONTROL

DARWIN VINICIO PAREDES PLAZARTE ROBERTO ALEXANDER RODRIGUEZ LANDETA

DIRECTOR: ING. GERMN CASTRO MACANCELA

Quito, Septiembre 2010

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CONTENIDORESUMEN ................................................................................................................................ 1

PRESENTACIN ....................................................................................................................... 3

CAPTULO 1 INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE DOSIFICACIN1.1 ETAPAS DEL PROCESO DE DOSIFICACIN DE LQUIDOS......................................................... 4 1.1.1 LAVADO ..................................................................................................................................... 4 1.1.2 TRANSPORTACIN..................................................................................................................... 6 1.1.3 DOSIFICACIN ........................................................................................................................... 6 1.1.4 CERRADO ................................................................................................................................... 8 1.1.5 ETIQUETADO ............................................................................................................................. 9 1.1.6 PASTEURIZACIN....................................................................................................................... 9 1.1.7 CONTROL DE CALIDAD ............................................................................................................... 9 1.1.8 EMBALAJE Y DISTRIBUCIN ....................................................................................................... 9 1.2 DISPOSITIVOS DE CONTROL .............................................................................................. 10 1.2.1 VLVULAS NEUMTICAS ......................................................................................................... 10 1.2.1.1 Vlvulas direccionales .......................................................................................................... 10 1.2.1.2 Vlvulas reguladoras de caudal ............................................................................................ 12 1.2.1.3 Vlvulas reguladoras de presin .......................................................................................... 12 1.2.2 ELECTROVLVULAS.................................................................................................................. 13 1.2.3 ACTUADOR NEUMTICO (CILINDRO) ...................................................................................... 13 1.2.3.1 Cilindros................................................................................................................................ 13 1.2.4 PANTALLAS TCTILES............................................................................................................... 14 1.2.4.1 Resistivas .............................................................................................................................. 15 1.2.4.2 De onda acstica superficial................................................................................................. 16 1.2.4.3 Capacitivas............................................................................................................................ 17 1.2.4.4 De Galgas Extensiomtricas ................................................................................................. 17 1.2.4.5 De imagen ptica ................................................................................................................. 18

ii1.2.4.6 De infrarrojos ....................................................................................................................... 18 1.2.4.7 Con tecnologa de seal dispersiva ...................................................................................... 18 1.2.4.8 Con reconocimiento de pulso acstico ................................................................................ 19 1.3 SISTEMAS COMPLEMENTARIOS ........................................................................................ 19 1.3.1 SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO .............................................................................................. 19 1.3.1.1 Compresin .......................................................................................................................... 20 1.3.1.2 Refrigeracin ........................................................................................................................ 21 1.3.1.3 Acumulador .......................................................................................................................... 21 1.3.1.4 Distribucin .......................................................................................................................... 21 1.3.1.5 Mantenimiento .................................................................................................................... 22 1.3.2 SISTEMAS DE CONTROL DE PRESIN ....................................................................................... 22 1.3.2.1 Sistemas de tanque a tanque ............................................................................................... 22 1.3.2.2 Sistemas hidroneumticos ................................................................................................... 23 1.3.2.3 Sistemas de control de presin con variador de velocidad ................................................. 24

CAPTULO 2 DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE DOSIFICACIN DE LQUIDOS2.1 TRANSPORTACIN DE BOTELLAS....................................................................................... 26 2.2 DOSIFICACIN DE LIQUIDO ............................................................................................... 28 2.2.1 DESCRIPCIN DEL SISTEMA MECNICO DE LLENADO ............................................................. 28 2.2.2 DETECCIN DE BOTELLAS ........................................................................................................ 32 2.2.3 SISTEMA DE DOSIFICACIN/SUJECIN .................................................................................... 34 2.3 PRESIN DE LQUIDO ........................................................................................................ 38

CAPTULO 3 AUTOMATIZACIN DEL SISTEMA DOSIFICACIN DE LQUIDOS3.1 SISTEMA GENERAL DE CONTROL PARA EL PROCESO DE DOSIFICADO DE LIQUIDO ................ 41 3.2 LGICA DE CONTROL DEL SISTEMA DE DOSIFICACIN ........................................................ 43 3.2.1 LGICA DEL PROCESO.............................................................................................................. 43

iii3.2.2 LGICA DEL AUTMATA S7-200 .............................................................................................. 47 3.3 CONTROL DE PRESIN DEL LIQUIDO .................................................................................. 50 3.3.1 AUTOSINTONIZACIN DEL PID ................................................................................................ 51 3.3.2 ANLISIS DE LA RESPUESTA DE AUTOSINTONIZACIN DEL SISTEMA DE DOSIFICACIN ........ 54 3.4 INTRODUCCIN AL AUTMATA S7200.............................................................................. 56 3.4.1 SELECCIN DEL AUTMATA .................................................................................................... 57 3.4.2 CARACTERSTICAS DEL AUTMATA S7-200 CPU 224XP .......................................................... 58 3.5 DESCRIPCIN DEL SOFTWARE STEP 7 MICROWIN............................................................... 59 3.5.1 COMPONENTES DEL PROYECTO Y SU FUNCIONAMIENTO....................................................... 61 3.5.2 COMPILAR, DESCARGAR Y EJECUTAR EL PROGRAMA EN EL AUTMATA ................................ 64 3.6 DIAGRAMAS DE LOS CIRCUITOS DE FUERZA Y CONTROL ..................................................... 65 3.7 PANELES DE CONTROL ...................................................................................................... 70 3.7.1 PANEL DE CONTROL PLC PANTALLA TCTIL .......................................................................... 70 3.7.2 PANEL DE CONTROL DEL SISTEMA DE TRANSPORTACIN ....................................................... 72

CAPTULO 4 DISEO DE LA INTERFAZ HOMBRE MQUINA4.1 INTERFAZ HOMBRE MQUINA (HMI) DEL SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE LA PANTALLA TCTIL TP 177 MICRO ............................................................................................................. 73 4.1.1 SELECCIN DEL PANEL DE CONTROL ....................................................................................... 73 4.1.2 DESCRIPCIN DEL SOFTWARE WINCC FLEXIBLE ...................................................................... 74 4.1.2.1 Componentes de WinCC flexible .......................................................................................... 74 4.1.2.2 Crear el proyecto .................................................................................................................. 75 4.1.2.3 Crear imgenes .................................................................................................................... 77 4.1.2.4 Crear variables...................................................................................................................... 78 4.1.2.5 Configuracin de entradas y salidas..................................................................................... 79 4.1.2.6 Comprobacin del proyecto................................................................................................. 80 4.1.2.7 Comunicacin de la pantalla TP177 Micro desde WinCC Flexible y comunicacin con un autmata S7-200 .............................................................................................................................. 81 4.1.3 DESCRIPCIN DEL HMI REALIZADO ......................................................................................... 84 4.1.3.1 Control de dosificacin......................................................................................................... 85

iv4.1.3.2 Pantalla del control del sistema del panel ........................................................................... 89 4.1.3.3 Informacin del sistema ....................................................................................................... 89 4.1.3.4 Informacin del proyecto ..................................................................................................... 89 4.1.3.5 Variables utilizadas............................................................................................................... 89 4.2 INTERFAZ HOMBRE MQUINA (HMI) DEL SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE INTOUCH ....... 91 4.2.1 DESCRIPCIN DEL SOFTWARE ................................................................................................. 91 4.2.1.1 Creacin de una aplicacin .................................................................................................. 91 4.2.1.2 Men de WINDOWMAKER................................................................................................... 92 4.2.1.3 Elementos WIZARDS............................................................................................................. 93 4.2.1.4 Creacin de ventanas ........................................................................................................... 95 4.2.1.5 Diccionario de tagnames ...................................................................................................... 96 4.2.1.6 Comunicacin del INTOUCH................................................................................................. 98 4.2.2 DESCRIPCIN DEL HMI REALIZADO ....................................................................................... 103 4.2.2.1 Ventana Principal ............................................................................................................... 103 4.2.2.2 Ventana de presentacin ................................................................................................... 104 4.2.2.3 Ventana de animacin y control Pantalla del Proceso .................................................... 105 4.3 ARQUITECTURA DE CONTROL ..........................................................................................107

CAPTULO 5 PRUEBAS Y RESULTADOS5.1 INTRODUCCIN...............................................................................................................110 5.2 PRUEBAS DE LAS CONEXIONES ELCTRICAS ......................................................................110 5.3 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ...................................................................................... 110 5.4 PRUEBAS DEL SISTEMA MECNICO ..................................................................................111 5.5 ANLISIS DEL SISTEMA DE PRESIN..................................................................................113 5.6 PRUEBAS DE DOSIFICACIN DE LQUIDO ..........................................................................114 5.7 ESTIMADO DE PRODUCCIN ............................................................................................123 5.8 RESULTADOS DE OPERACIN DEL PROCESO .....................................................................124

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CAPTULO 6CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES6.1 CONCLUSIONES ...............................................................................................................125 6.2 RECOMENDACIONES .......................................................................................................127

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.............................................................................................. 129

ANEXOSANEXO A Manual de operacin del sistema de dosificacin de lquidos ANEXO B Plano vista frontal (partes) Plano vista frontal (medidas) Plano vista lateral derecha (partes) Plano vista lateral derecha (medidas) Plano vista superior ANEXO C Conexin de los elementos de control del sistema de transportacin Diagrama de control y fuerza del sistema de transportacin Conexin de los elementos de control del sistema de dosificacin Diagrama de entradas y salidas del autmata S7-200 CPU 224XP Diagrama de electrovlvulas Diagrama del sistema neumtico Diagrama del sistema de presin ANEXO D Datasheet del sensor fotoelctrico Datasheet de la pantalla tctil Datasheet del S7200 CPU 224XP Datasheet del transmisor de presin Gua de inicio rpido del variador de velocidad Manual para autosintonizar el PID y Panel de sintona PID

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RESUMENEl presente trabajo describe el diseo e implementacin de un sistema de dosificacin de lquidos con control de volumen a presin constante desarrollado en el Laboratorio de Control de Procesos de la Escuela Politcnica Nacional. Para su diseo e implementacin se realizaron adecuaciones electromecnicas y se implementaron sistemas de control para la automatizacin de todo el proceso de dosificacin de lquidos. El sistema de control general est dividido en el proceso de transportacin, ubicacin bajo el sistema de dosificacin segn el nmero de botellas asignadas, agarre y evacuacin de botellas, empleando un Controlador Lgico Programable (PLC). Cada una de las funciones es ejecutada por elementos mecnicos, neumticos, elctricos y electrnicos. Para la visualizacin del funcionamiento de la maquina, el ingreso de datos y ordenes de operacin se desarrolla un sistema debidamente estructurado, inteligente, eficaz y prctico, que permita ingresar y visualizar los valores de las variables, ejecutar funciones y ver el estado de todo el proceso de una manera fcil, amigable y rpida. Para fundamentar el proyecto, en el Captulo 1 se detallan los conceptos bsicos de las diferentes partes que componen todo el sistema de dosificacin de lquidos, y algunos parmetros importantes que deben tenerse en cuenta para su correcto funcionamiento. En la aplicacin de la automatizacin es necesario que el funcionamiento mecnico sea adecuado, por lo cual, en el Capitulo 2 se hace el estudio de la implementacin de las partes mecnicas y elctricas que requiere el sistema de dosificacin, de acuerdo con los requerimientos de todo el proceso. En el Capitulo 3 se presenta el diseo de control del sistema de dosificacin mediante un PLC que permite ejecutar todas las tareas encomendadas.

2 En el Capitulo 4 se realiza el HMI para el ingreso y visualizacin de datos, se indica la configuracin de una pantalla tctil (touch panel) y de un software de programacin que se encuentra enlazado mediante una red local, que permite tener un control y registro del proceso de llenado. Contiene adems, la explicacin del diseo de los componentes del sistema. En el Capitulo 5 se presentan las pruebas y resultados del rendimiento ideal del sistema de dosificacin de lquidos una vez implementado el sistema de control. Para finalizar se expone las conclusiones y recomendaciones del presente proyecto en el Capitulo 6. Este proyecto ofrece grandes ventajas, ya que se adaptara un equipo a la medida del espacio asignado aprovechando las instalaciones existentes, una maquina de bajo costo, generando trabajo y ms que todo fortaleciendo el rea de la construccin de maquinaria en el Ecuador.

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PRESENTACINEn la actualidad la industria ha ido avanzado a pasos agigantados junto con el desarrollo de la tecnologa, es por esto que los propietarios de empresas industriales deben actualizar constantemente sus maquinas de produccin para competir en un mercado cada vez ms estricto en cuanto a calidad y economa. Es por esta razn que se ha implementado un sistema de dosificacin de lquidos con la finalidad de dar una solucin prctica y real a un proceso industrial, reduciendo los tiempos de produccin en lnea y de esta manera obtener eficiencia y eficacia. Debido a los costos de las mquinas nuevas, se tiene que desarrollar tcnicas y estructuras que mejoren el funcionamiento de los equipos, manteniendo la fiabilidad y disminuyendo la inversin que debe realizar la empresa. Esto debera ser aprovechado principalmente por la pequea y mediana industria para mantener la competitividad. El propsito de este trabajo es construir una mquina en nuestro pas, que cumpla con todas las normas establecidas y que pueda ser de utilidad para las diferentes empresas dedicadas a embotellar lquidos, satisfaciendo las altas velocidades de produccin. Adems deber sostenerse sobre todos los posibles materiales existentes en el mercado nacional, utilizando la tecnologa del medio y apoyndose en parmetros como: procesos de manufactura, tiempo y lo ms importante el factor econmico.

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CAPTULO 1 INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE DOSIFICACINEl llenado de botellas es una de las principales operaciones de envasado de productos lquidos en la industria. El esquema del proceso y su complejidad, varan en funcin del tipo de producto a dosificar, la capacidad productiva de la industria, el tipo de envase y cierre, adems de muchos otros factores. Por esta razn, a continuacin se incluye informacin relativa al proceso completo de envasado, desde el lavado de las botellas hasta la comercializacin del producto embotellado. Algunas de estas etapas sern modificadas o anuladas, en funcin de las necesidades de la industria.

1.1 ETAPAS DEL PROCESO DE DOSIFICACIN DE LQUIDOS1.1.1 LAVADO Para iniciar con el proceso de envasado se debe garantizar una higiene total de las botellas mediante el lavado y esterilizado utilizando maquinas enjuagadoras, sopladoras o mquinas mixtas que permiten limpiar con aire, agua, alcohol, etc. Finalmente deben pasar una inspeccin electrnica para garantizar la limpieza total de las botellas. Existen diferentes tipos de maquinas enjuagadoras dependiente de los requerimientos de la planta: Lineales Rotativas

Maquinas Enjuagadoras Lineales Las enjuagadoras de clase lineal estn diseadas para operar en modo manual, semiautomtico y automtico, en la figura 1.1 se tiene una enjugadora lineal que en el interior se encuentran guas que permiten que las botellas roten 180 grados mientras se produce el avance.

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Figura 1.1

Enjuagadora lineal

La caracterstica de enjuague no es confiable debido a que no todas las botellas alcanzan a ser lavadas y otras no tienen el tiempo suficiente de contacto con el agua, por lo que no garantiza una buena limpieza total del envase ya que depende de la velocidad de alimentacin y del tiempo que se encuentre sobre el rociador. Maquinas Enjuagadoras Rotativas Este mtodo es utilizado por las industrias que necesitan una mayor produccin para cumplir con la demanda, generalmente son empresas que estn posicionadas en el mercado. La figura 1.2 representa una enjuagadora rotativa de alta produccin.

Figura 1.2

Enjuagadora rotativa

6 1.1.2 TRANSPORTACIN Para los diferentes movimientos que se requiere ejecutar en el procesamiento de productos industriales se utiliza bandas transportadoras. Los rodillos o cintas de nylon o polietileno entre otras como elementos auxiliares de los transportadores, cuya misin es mover un producto de forma ms o menos continua para conducirlo a otro punto del proceso. Son equipos que funcionan de manera autmata, intercalados en las lneas de proceso y que no requieren generalmente de ningn operario que manipule directamente sobre ellos de forma continua. Para el proceso de la dosificacin del lquido las bandas transportadoras son elementos fundamentales para el movimiento de las botellas, la figura 1.3 se representa la transportacin de envases hacia una dosificadora del lquido.

Figura 1.3

Transportacin de botellas

1.1.3 DOSIFICACIN Las botellas ingresan hacia los dosificadores de lquidos con ayuda de las

bandas transportadoras, donde el producto se vierte a la velocidad y niveles escogidos por el operador del sistema. En esta etapa, dependiendo de las caractersticas del producto, se emplea diversos sistemas de dosificacin, como por ejemplo: por presin, isobricas, a vaco, por peso, de pistn, lineal, rotativa,

7 monoblock, syncroblock, uniblock, etc. Para productos especiales se incorpora adems un sistema de inclusin de CO2 o N2.1

Figura 1.4

Dosificadora de liquido

Los dos sistemas principales de dosificacin son: Volumtricos Por gravedad a nivel

Dosificado volumtrico Este mtodo manipula la medida del volumen controlando la cantidad de lquido que ingresa a la botella. Proporciona flexibilidad en las capacidades y condiciones de trabajo en funcin del tipo de lquido a dosificar, permitiendo el llenado de productos con viscosidades variadas como agua, leche, zumos, detergentes, cosmticos y otros productos qumicos.1 Dosificado por gravedad a nivel Este sistema aprovecha la gravedad para realizar el llenado en cada una de las botellas, por tal motivo el depsito se ubica en la parte superior de la llenadora.

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GUA TCNICA AINIA DE ENVASES Y EMBALAJE http://www.guiaenvase.com/bases%5Cguiaenvase.nsf/V02wp/55C1539B41E9E38BC1256F25006 3FA82?Opendocument

8 En funcin de sus caractersticas de dosificacin, es apropiado este mtodo cuando el tipo de lquido a llenar son productos fluidos como el agua, el vino, etc. 1.1.4 CERRADO Existen varias alternativas para el cerrado como por ejemplo: rosca de plstico, a presin, roll-on, con gotero, flexo-top, corcho, cpsulas, sellado en foil, metlicas, etc. De todos ellos los sistemas principales son: Cierre a presin Cierre a rosca

Cierre a presin Para efectuar este mtodo, la mquina lleva acoplado un alimentador de tapones de plstico o corchos con cierre a presin que presentan un funcionamiento mecnico. El equipo se compone de las siguientes secciones: tolva de tapones, disco distribuidor, rampa de bajada y disco de cierre. Cierre a rosca Esta mquina tiene acoplado un grupo de cabezales roscadores que son regulables, aptos para cualquier formato y diseo de botella. La figura 1.5 representa una tapadora tipo rosca de modo de operacin manual.

Figura 1.5

Tapadora tipo rosca

9 1.1.5 ETIQUETADO Este proceso incluir informacin bsica sobre el producto, as como otros requerimientos establecidos por la ley. Existen varios sistemas de etiquetado: pegado en fro, pegado en caliente, etiquetas autoadhesivas, termocontrables, lineales, rotativas, modulares, bobinas y con distinta regulacin de velocidad.2 1.1.6 PASTEURIZACIN Es un proceso fsico que permite la estabilidad biolgica para mantener las propiedades originales de los productos por largo tiempo. Para ello se somete a una determinada temperatura establecida por el operador segn los

requerimientos del producto. En el caso de las botellas con producto, esto se realiza habitualmente mediante la aspersin uniforme de agua o vapor de agua en condiciones adaptadas a las necesidades del producto. 1.1.7 CONTROL DE CALIDAD Luego de pasar los anteriores procesos se realiza un control de calidad para verificar que el envase se encuentre en buenas condiciones, cumpliendo con los siguientes requerimientos: Calidad de la botella El nivel de llenado Calidad del cerrado Calidad del etiquetado

1.1.8 EMBALAJE Y DISTRIBUCIN Una vez de haber pasado el control de calidad el producto es colocado en las respectivas cajas, gavetas, plsticos cobertores, entre otras y luego almacenadas para la distribucin en el mercado. La figura 1.6 representa el producto listo para su distribucin.

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GUA TCNICA AINIA DE ENVASES Y EMBALAJE http://www.guiaenvase.com/bases%5Cguiaenvase.nsf/V02wp/55C1539B41E9E38BC1256F25006 3FA82?Opendocument

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Figura 1.6

Producto envasado listo para la distribucin

1.2 DISPOSITIVOS DE CONTROLEn el proceso de llenado del lquido se utilizan elementos de control como actuadores y sensores, que se describen a continuacin: 1.2.1 VLVULAS NEUMTICAS Estos elementos permiten bloquear, distribuir y dirigir el fluido del aire comprimido. Segn la distribucin del aire se encuentran vlvulas de 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 3/3, 4/3 y 5/3. El primer digito numrico indica el nmero de vas de entradas, salidas y descargas mientras que el segundo digito numrico indica el nmero de posiciones. Existen tres tipos de vlvulas segn la aplicacin: Direccionales Reguladoras de Caudal Reguladoras de Presin

1.2.1.1 Vlvulas direccionales Estas unidades permiten iniciar, parar y dirigir el fluido del aire a travs de la red hacia los diferentes actuadores, se pueden clasificar segn la distribucin en 2/2, 4/2 y 4/3.

11 Vlvula distribuidora 2/2 Son vlvulas 2/2 debido a que tienen dos posiciones (abierta y cerrada) y dos orificios (la entrada y la salida del aire), son unidireccionales que cierran o abren la circulacin del aire por medio de bolas, placas o discos evitando cualquier falla de fuga. Son elementos muy simples, pequeos, econmicos e ideales para controlar cilindros de simple efecto, ver figura 1.7.

Figura 1.7

Vlvula 2/2 conectada a un cilindro de simple efecto

Vlvula distribuidora 4/2 Son elementos de control que permiten la circulacin de aire en ambos sentidos debido a que estn constituidos de dos entradas y dos salidas, adems son utilizados para controlar cilindros de doble efecto, ver figura1.8.

Figura 1.8

Vlvula 4/2 conectada a un cilindro de doble efecto

Vlvula distribuidora 4/3 Son dispositivos similares a las vlvulas 4/2 con la ventaja de una pausa entre las posiciones del cilindro. Son utilizadas para controlar cilindros de doble efecto y motores neumticos, ver figura 1.9.

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Figura 1.9

Vlvula 4/3 conectada a un cilindro de doble efecto

1.2.1.2 Vlvulas reguladoras de caudal Son mecanismos que permiten reducir la velocidad y caudal del aire comprimido para el correcto funcionamiento de los actuadores, adems se acopla un anti retorno con el fin de que el aire circule en un solo sentido evitando as grandes problemas que se pueda generar en el sistema, ver figura 1.10.

Figura 1.10

Vlvulas reguladoras de caudal

1.2.1.3 Vlvulas reguladoras de presin Estas vlvulas permiten regular la presin que va hacia los actuadores, segn la aplicacin las vlvulas pueden ser reguladoras de presin, limitadoras de presin y de secuencia, ver figura 1.11.

Figura 1.11

Vlvulas reguladoras de presin

13 1.2.2 ELECTROVLVULAS Son mecanismos que estn constituidas del solenoide y la vlvula. El solenoide se encarga de convertir la energa elctrica en mecnica para actuar sobre la vlvula, en algunas electrovlvulas el solenoide acta directamente sobre la vlvula proporcionando toda la energa necesaria para vencer la fuerza del muelle y abrir la vlvula. Existen electrovlvulas biestables que utilizan un solenoide para abrir y otro para cerrar o con un solo solenoide que abre o cierra con un impulso elctrico. Las electrovlvulas se encuentran normalmente cerradas o normalmente abiertas quedando en su estado original a cualquier fallo de energa elctrica. 1.2.3 ACTUADOR NEUMTICO (CILINDRO) Son mecanismos que convierten la energa del aire comprimido en trabajo mecnico por medio de un movimiento lineal. 1.2.3.1 Cilindros Son elementos que constan de una carrera de avance y otra de retroceso, segn el movimiento del vstago los cilindros se pueden clasificar en: Simple efecto Doble efecto De rotacin

Cilindro de simple efecto Son elementos donde el embolo se desplaza en un solo sentido por la presin del aire comprimido que ingresa al cilindro y para regresar a su posicin original se lo hace mediante una fuerza externa o un muelle de recuperacin. La figura 1.12 se representa un cilindro neumtico de simple efecto.

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Figura 1.12

Cilindro de simple efecto

Cilindro de doble efecto Son cilindros que permiten el deslizamiento del embolo en ambos sentidos por medio de la fuerza del aire comprimido. Su funcionamiento consiste en ingresar el aire comprimido por la entrada posterior empujando al embolo hacia afuera y cuando se requiere empujar el embolo hacia dentro se ingresa aire comprimido por la entrada delantera, ver figura 1.13.

Figura 1.13

Cilindro de doble efecto

Cilindro de rotacin Estos dispositivos convierten el desplazamiento lineal del vstago en un movimiento giratorio aplicando mtodos como la accin de un pin o por medio de poleas, donde se puede configurar el movimiento en sentido horario o anti horario. 1.2.4 PANTALLAS TCTILES Una pantalla tctil (touchscreen en ingls), son paneles de visualizacin que al ejercer un contacto directo sobre su superficie permite la entrada de datos y ejecucin de rdenes al dispositivo de control. Adems, acta como perifrico de salida, mostrando los resultados previamente obtenidos, de esta manera, la pantalla tctil puede operar como perifrico de entrada y de salida de datos.

15 Las pantallas tctiles de ltima generacin consisten en un cristal transparente donde se sita una lmina que permite al usuario interactuar directamente sobre esta superficie, utilizando un proyector para lanzar la imagen sobre la pantalla de cristal.3 Hay diferentes tecnologas de implementacin en las pantallas tctiles: Resistivas De onda acstica superficial Capacitivas De galgas extensiomtricas De imagen ptica De infrarrojos Con tecnologa de seal dispersa Con reconocimiento de pulso acstico

1.2.4.1 Resistivas Son dispositivos de visualizacin que estn constituidas por varias capas, pero las importantes presentan dos finas capas de material conductor con una pequea distancia de separacin entre ellas. Cuando se ejerce un contacto sobre la superficie exterior, las dos capas conductoras entran en contacto, produciendo un cambio en la corriente elctrica, permitiendo a un controlador calcular la posicin del punto tocado en la pantalla midiendo el valor de la resistencia. Algunas pantallas pueden medir las coordenadas del contacto y la presin que se ha ejercido sobre la misma, ver figura 1.14. Las pantallas tctiles resistivas por norma general son ms accesibles pero tienen una prdida de aproximadamente el 25% del brillo debido a las mltiples capas necesarias. Este tipo de pantallas no se ven afectadas por elementos externos como polvo o agua, por tal razn son las ms implementadas en la actualidad.

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http://pantallastransparentes.smartec.es/

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Figura 1.14

Pantalla tctil resistiva

1.2.4.2 De onda acstica s superficial La tecnologa de onda acstica superficial (SAW, del ingls Surface Acoustic , Wave) utiliza ondas de ultrasonidos que transmiten sobre la pantalla tctil. ) Cuando la pantalla es tocada, se produce un cambio en las ondas de ultrasonidos debido a que una parte de la onda es absorbida, este cambio permi registrar la permite posicin tocada en la pantalla y enviarla al controlador para procesarla. El funcionamiento de estas pantallas puede verse afectado por elementos externos, como la presencia de contaminantes sobre la superficie. La figura 1.15 se a superficie. representa la pantalla de onda acstica superficial.

Figura 1.15

Pantalla tctil de onda acstica superficial

17 1.2.4.3 Capacitivas Son elementos de visualizacin que estn cubiertas de un material generalmente de xido de indio y estao, que conduce una corriente elctrica contina a travs de un sensor. El sensor muestra un campo de electrones controlado con

precisin en el eje vertical y horizontal, es decir, adquiere cierto valor de capacitancia. Cuando el campo de capacitancia normal del sensor (estado de referencia) es alterado por otro campo de capacitancia, como puede ser el dedo de una persona, los circuitos electrnicos que se encuentran en cada esquina de la pantalla miden la distorsin resultante en la onda senoidal del campo de referencia y enva la informacin al controlador para su procesamiento matemtico. Los sensores capacitivos deben ser tocados con un dispositivo conductivo. Las pantallas tctiles capacitivas no se ven afectadas por elementos externos como agua o polvo, en la figura 1.16 se muestra una pantalla tctil capacitiva.

Figura 1.16

Pantalla tctil capacitiva

1.2.4.4 De Galgas Extensiomtricas Son pantallas tctiles que tienen una estructura elstica para determinar la posicin tocada a partir de las deformaciones producidas en el momento del contacto. Esta tecnologa tambin puede medir el eje Z o la presin ejercida sobre la pantalla.

18 1.2.4.5 De imagen ptica Este dispositivo presenta dos o ms sensores situados alrededor de la pantalla, generalmente en las esquinas. Emisores de infrarrojos son situados en el campo de vista de la cmara en los otros lados de la pantalla. Cuando la pantalla es tocada muestra una sombra de forma que cada par de cmaras puede triangularizar para localizar el punto de contacto. Esta tecnologa est ganando popularidad, especialmente para pantallas de gran tamao. 1.2.4.6 De infrarrojos Son pantallas que estn constituidas por una matriz de sensores y emisores infrarrojos ubicados en forma horizontal y vertical en la pantalla. En cada eje los receptores estn en el lado opuesto a los emisores de forma que al tocar con un objeto la pantalla se interrumpe un haz infrarrojo vertical y otro horizontal, permitiendo de esta manera localizar la posicin exacta del contacto. Este tipo de pantallas son muy resistentes ideales para aplicaciones que exigen una robustez muy alta, ver figura 1.17.

Figura 1.17

Pantalla tctil de infrarrojo

1.2.4.7 Con tecnologa de seal dispersiva Esta tcnica utiliza sensores para detectar la energa mecnica producida en el cristal al momento de ejercer contacto con la pantalla. Unos algoritmos complejos

19 se encargan de interpretar esta informacin para obtener el punto exacto del contacto. Esta tecnologa es resistente al polvo y otros elementos externos, permitiendo tener excelentes niveles de claridad. Por otro lado, como el contacto es detectado a travs de vibraciones mecnicas, cualquier tipo de objeto puede ser utilizado, incluyendo el contacto directo con el dedo. 1.2.4.8 Con reconocimiento de pulso acstico Estos elementos utilizan cuatro transductores piezoelctricos ubicados en cada lado de la pantalla para convertir la energa mecnica del contacto en una seal electrnica. Esta seal es convertida en una onda de sonido, la cual es comparada con el perfil de sonido preexistente para cada posicin en la pantalla. Este dispositivo tiene la ventaja de no necesitar ninguna malla de cables sobre la pantalla proporcionando la ptica y la durabilidad del cristal que est fabricada. Tambin presenta las ventajas de que no necesita ningn objeto especial para su operacin.

1.3 SISTEMAS COMPLEMENTARIOS1.3.1 SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO Se refiere a una tecnologa o aplicacin tcnica que hace uso del aire que ha sido sometido a presin por medio de un compresor (ver figura 1.18). El uso del aire comprimido es muy comn en la industria. Para que los actuadores neumticos funcionen perfectamente, el aire comprimido debe pasar antes por siguientes procesos: Compresin Refrigeracin Acumulador Distribucin Mantenimiento

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Figura 1.18

Sistema de aire comprimido

1.3.1.1 Compresin Este proceso consiste en elevar la presin del aire con la ayuda de un compresor, teniendo en cuenta que para una larga duracin de la compresin, el aire a comprimir debera ser puro. Sin embargo para cada tipo de aplicacin se usa un tipo de compresor: Embolo oscilante Embolo giratorio Turbocompresor

Embolo oscilante Es el compresor ms utilizado y apropiado para comprimir aire a baja, media o alta presin. Durante el proceso de compresin se forma gran cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeracin. Embolo giratorio Este mecanismo tiene la funcin de ingresar el aire por un lado del compresor y mediante rotores comprimir para que el aire salga con presin por el otro lado. Turbocompresor Es usado para grades caudales, su funcionamiento est basado en el principio de la dinmica de fluidos, su fabricacin es de tipo axial y radial. El aire que ingresa

21 al compresor es corrido por medio de las ruedas de la turbina permitiendo la energa cintica convertirla en energa elstica de compresin. 1.3.1.2 Refrigeracin Al comprimir el aire se produce calor que se debe dispersar por medio de aletas de refrigeracin para compresores pequeos, para compresores grandes se debe instalar un ventilador adicional y para compresores mayores de 30 KW de potencia se tendra que instalar un sistema de refrigeracin con circulacin de agua en un circuito abierto o cerrado. 1.3.1.3 Acumulador La funcin del acumulador es estabilizar el abastecimiento de aire comprimido, cuando el aire se va utilizando la presin se va compensando. Dependiendo de la cantidad de aire que se requiera utilizar en algn proceso se selecciona el acumulador de aire comprimido, ver figura 1.19.

Figura 1.19

Acumulador

1.3.1.4 Distribucin El aire comprimido en el acumulador debe ser distribuido hacia los actuadores mediante una red de tuberas que deben estar dimensionadas correctamente para evitar fallos en el sistema por prdidas de presin. Para el tendido de las tuberas en la red se debe considerar una cada de la tubera del 2% en el sentido de la corriente para evitar la acumulacin del aire. Se

22 puede tener una red abierta o una cerrada, pero la ms implementada es una red cerrada debido a que la circulacin del aire es uniforme. 1.3.1.5 Mantenimiento En el proceso de generacin y distribucin del aire comprimido se acumulan impurezas, suciedad y polvo, para evitar esto se utiliza un filtro a la entrada. Tambin durante el proceso el aire se calienta debido a esto se debe enfriarlo generando vapor de agua y para eso se utiliza un secador. Pero adems del filtro y del secador se necesita de un mantenimiento que contiene los siguientes elementos antes de ir a los actuadores como se representa en la figura 1.20. Regulador de presin: mantiene la presin constante Filtro: extrae todas las impurezas (polvo, agua, suciedad) Lubricacin: para evitar el desgate de las piezas

Figura 1.20

Unidad de mantenimiento

1.3.2 SISTEMAS DE CONTROL DE PRESIN 1.3.2.1 Sistemas de tanque a tanque Consiste en trasladar el lquido de un tanque que se encuentre en la parte inferior hacia un tanque ms elevado con una altura que permita tener la presin de lquido requerido, de esta manera se hace descender el lquido mediante tuberas hacia el proceso basado en el principio de la gravedad. La seleccin de los equipos de bombeo se debe hacer en base a las curvas caractersticas de los

23 mismos y de acuerdo a las condiciones del sistema de distribucin, ver figura 1.21.

Figura 1.21

Sistema de bombeo tanque a tanque

1.3.2.2 Sistemas hidroneumticos Se basan en el principio de compresibilidad o elasticidad del aire cuando es sometido a presin. Consiste en la succin del lquido desde un tanque de almacenamiento hacia un tanque de presin, dentro de este tanque se encuentra un volumen de aire que al ingresar un lquido se comprime hasta llegar a una presin mxima preestablecida por un presostato, al llegar a la presin preestablecida la bomba de alimentacin del lquido se apaga, mientras se va consumiendo el lquido que se encuentra en el interior del tanque, va bajando la presin hasta llegar a una mnima establecida por el presostato y encender la bomba de alimentacin para empezar nuevamente el ciclo (ver figura 1.22). La desventaja de este sistema es que el presostato presenta un amplio rango de trabajo en el control de presin, debido a esto la bomba de alimentacin del lquido se prende y apaga con mucha frecuencia, disminuyendo as la vida til de la bomba. Adems la presin de trabajo a la salida del tanque hidroneumtico no se mantiene en un valor constante, sino que tiene un amplio rango de variacin.

24

Figura 1.22

Sistema hidroneumtico

1.3.2.3 Sistemas de control de presin con variador de velocidad Son sistemas basados en controlar y mantener la presin del lquido constante, colocando un sensor a la lnea de descarga y luego conectado directamente hacia el variador para que ejecute el algoritmo de control enviando la frecuencia adecuada hacia el motor para mantener constante la presin como se puede apreciar en la figura 1.23.

Figura 1.23

Sistema de control de presin con variador de velocidad

25 Un sistema de parmetros programables desde la interface del controlador permite una operacin sencilla y sin complicaciones para el operador. Estos parmetros contienen toda la informacin que el sistema requiere para controlar la presin del lquido y permite cambiar la forma de operacin en un espacio de tiempo muy corto sin tener que detener el proceso de bombeo, aumentando as la productividad. El variador de frecuencia incorpora una funcin de arranque suave que consume menos corriente de la red elctrica y permite fluctuaciones en el nivel de voltaje de alimentacin. El arranque suave controlado por el variador de frecuencia disminuye el estrs mecnico al que se ven expuestas las cajas reductoras, los acoplamientos y las bombas de agua, esto incide directamente en la disminucin de los costos por mantenimiento. El sistema de control con variador de frecuencia no requiere que los motores estn continuamente arrancando y parando. Las ventajas que presenta este sistema son: Inversin menor al compararse con soluciones con tanques elevados. Mejor calidad de servicio. Presin constante. Ocupa menos espacio que los sistemas hidroneumticos. Menor costo de mantenimiento. Menor consumo de energa. Caractersticas de control avanzadas.4

4

SAI Soluciones de Automatizacin Industrial bombeo-de-agua-presin.html

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CAPTULO 2 DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE DOSIFICACIN DE LQUIDOSPara una explicacin detallada del sistema de dosificacin de lquidos se ha dividido en varios subprocesos que son: Transportacin de botellas Dosificacin del producto Presin del lquido

2.1 TRANSPORTACIN DE BOTELLASEst constituido de dos bandas transportadoras de acero inoxidable, permitiendo el traslado de las botellas. La primera es la encargada de recibir y trasladar las botellas a ser llenadas hacia la segunda banda, la cual ubica los envases bajo el sistema de dosificacin, como se representa en la figura 2.1 y 2.4.

Figura 2.1

Banda transportadora de ingreso de las botellas

27 Adicionalmente cada una de las bandas transportadoras consta de un motorreductor trifsico (ver figura 2.2 y 2.3), que se encuentra acoplado al eje por medio de cadenas para su accionamiento. En la tabla 2.1 se indica las caractersticas de cada uno de los motorreductores.

Figura 2.2

Motorreductor 1

Figura 2.3

Motorreductor 2

Caractersticas de los motorreductores:Motorreductor de la banda transportadora 1 (ingreso de las botellas) MOTOR Marca: Tipo: Serie: Potencia: Voltaje: Corriente: Frecuencia: Velocidad: Eurodriva INC. DFT 80N4 SEF DUTY TEFC 870014598.6.02.87.002 1 Hp 330 / 575 Voltios 2,69 / 1,55 Amperios 60 Hz 1700 rpm Motorreductor de la banda transportadora 2 (banda para la dosificacin) MOTOR Marca: Tipo: Serie: Potencia: Voltaje: Corriente: Frecuencia: Velocidad: Sew Do Brasil Ltda 0280 K4 7001.64038 / 4010004 0.55 Kw 220 / 380 / 440 / 760 Voltios 3.1 / 1.8 / 1.5 / 0.9 Amperios 60 Hz 1680 rpm

CAJA REDUCTORA Tipo: Serie Relacin: Potencia: P 600 T 80 N4 870014598 37.55 1700 / 45 1 HpTabla. 3.1

CAJA REDUCTORA Tipo: Serie Relacin: Potencia:Caractersticas de los motorreductores

R660280K4 7001.64038 / 4010004 72.73 1680 / 23 0.66 Kw

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2.2 DOSIFICACIN DE LIQUIDO2.2.1 DESCRIPCIN DEL SISTEMA MECNICO DE LLENADO Est compuesto principalmente de un mdulo de llenado y evacuacin de las botellas. La figura 2.4 muestra de manera simplificada las partes constituyentes del sistema, esquematizado sus movimientos en las tres coordenadas X,Y y Z.

Figura 2.4

Sistema mecnico de dosificacin

El mdulo principal contiene los movimientos Y (arriba y abajo) de las vlvulas dosificadoras y Z para poder evacuar las botellas ya llenas. Aqu se encuentran la mayor parte de piezas que conforman todo el proceso de dosificacin. Para su diseo y construccin se toma en cuenta el tamao de la banda transportadora que ubica las botellas en la posicin adecuada, y de los distintos elementos que conforman el modulo de dosificacin y evacuacin. La estructura metlica es el soporte principal del mdulo de llenado y evacuacin de botellas. Est compuesta por cuatro perfiles de tubo de 1 x 2 con una altura de 2 metros que forman las patas del modulo y estn sujetas por medio de ngulos y pernos ubicados en la parte superior. Adems est formada de cuatro perfiles de ngulo perforados que sujetan al cuadro de soporte del tren de llenado en una ubicacin adecuada dependiendo de la altura de las botellas que van a ser dosificadas, representado en la figura 2.5. Toda la estructura se encuentra sujeta mediante pernos y barras metlicas ubicadas en lugares donde sea conveniente, con la finalidad de conseguir una mayor estabilidad.

29

Figura 2.5

Cuadro estructura metlica

En el cuadro de soporte se tienen dos canales localizados a cada extremo que sirven para que el tren de llenado pueda moverse libremente por ellos, mediante cuatro ruedas pequeas insertadas en los perfiles permiten dar una mejor

sujecin, con la finalidad de permitir deslizar el tren en el eje Z para realizar la accin de evacuacin de botellas, ver figura 2.6.

Figura 2.6

Representacin de la rueda del tren de llenado

El tren de llenado constituye una parte importante del mdulo mecnico puesto que realiza las acciones de dosificacin de lquido y evacuacin de las botellas. Para su construccin se tom en cuenta las dimensiones de los cilindros neumticos, que son los encargados de los movimientos en el eje Y y Z. Para el

30 movimiento en el eje Y (subida y bajada de las botellas) se tienen dos cilindros neumticos y un cilindro que permite el movimiento del tren de llenado en el eje Z (cilindro de evacuacin), como se representa en las figuras 2.7 y 2.8.

Figura 2.7

Cilindro neumtico eje Y

Figura 2.8

Cilindro neumtico eje Z

Los cilindros neumticos para el eje Y son los que hacen subir o bajar las seis vlvulas dosificadoras/sujetadoras hacia las botellas, cuando stas se encuentran bajo el tren de llenado. En su parte superior e inferior los cilindros se encuentran sujetos al tren de llenado mediante rodelas y tuercas de medida adecuada para el efecto (ver figura 2.9). Esta sujecin es importante, ya que deben permanecer firmes en el instante de realizar cada uno de los movimientos que requiere el proceso y as evitar que se descalibre el tren de llenado. El recorrido del vstago de los cilindros son de 16 cm, lo que permite subir y trasladar las botellas dosificadas fuera de la banda transportadora sin ningn problema, tomando en cuenta que las guas ubicadas en la banda tienen una altura de 10cm desde la base.

Figura 2.9

Representacin cilindro neumtico eje Y

El cilindro neumtico para el eje Z (cilindro de evacuacin), permite sacar las botellas dosificadas fuera de la banda transportadora. El cilindro se encuentra

31 sujeto en su parte posterior mediante una pieza de dos canales, que forma parte del cuadro del tren de llenado y esta sujeto en la parte frontal mediante su

vstago a una pieza en escuadra, ubicada en la parte posterior y central de la base del tren de llenado, ver figura 2.10.

Figura 2.10

Representacin cilindro neumtico eje Z

La carrera del cilindro de evacuacin es de 19 cm considerando la ubicacin de las botellas fuera de la banda transportadora. Para tener un control de la posicin del tren de llenado en el momento de la dosificacin y evacuacin de las botellas se implementa en el modulo dos finales de carrera, llamados tambin sensores de contacto, ubicados en el cuadro de soporte del modulo principal. Cada uno de ellos se encuentra sujetos mediante pernos y ubicados en cada extremo del movimiento horizontal (eje Z), lo que permite detectar la posicin exacta para realizar la accin de dosificacin y evacuacin de cada una de las botellas en el momento que el proceso lo requiera, ver figura 2.11.

Figura 2.11

Representacin de los finales de carrera en el modulo de dosificacin

32 El final de carrera est formado por tres terminales, un contacto normalmente abierto (NO), un normalmente cerrado (NC) y un contacto comn (C), de los cuales para las condiciones del proceso se utiliz el contacto normalmente abierto. La conexin o desconexin de sus contactos se realiza a partir de accionamientos mecnicos. 2.2.2 DETECCIN DE BOTELLAS Es el encargado de realizar el control y la detencin del ingreso de las botellas bajo el tren de llenado. La primera parte del sistema consiste en dejar pasar los envases hacia el modulo de llenado y detener el resto en la banda transportadora, mientras las botellas son dosificadas y evacuadas. Para realizar esta accin se implementa un cilindro neumtico retenedor que est sujeto mediante un acople a la pared de la segunda banda transportadora antes del modulo de llenado. El cilindro tiene en su vstago una pieza de aluminio acoplada en su extremo, que permite pasar las botellas a ser dosificadas y cuando las mismas hayan pasado el cilindro saca su vstago para detener el resto de botellas. Adems se implementa un sensor fotoelctrico sujeto a la pared de la banda transportadora mediante barras metlicas perforadas que permite realizar el conteo del nmero de botellas, ver figura 2.12.

Figura 2.12

Cilindro neumtico y pieza de aluminio retenedora de botellas

El sensor fotoelctrico (ver figura 2.12 y 2.13) es el encargado de enviar una seal digital al PLC (Controlador Lgico Programable) en cada momento que una botella pasa por frente del sensor. El PLC activa el vstago del cilindro neumtico hacindole salir cuando hayan pasado un determinado nmero de botellas para

33 detener el resto en la banda transportadora, y dejando pasar los siguientes envases cuando el proceso de dosificacin y evacuacin ha terminado. El sensor fotoelctrico tiene la fuente de luz y el receptor en un mismo cuerpo. La luz emitida por la fuente viene reflejada de forma difusa por el objeto detectado. Una parte de este reflejo retorna al receptor y con ello se conmuta la salida al excederse una determinada intensidad. As la textura y el color de la superficie del objeto tienen una gran influencia en la deteccin de objetos. La reflectividad de la superficie del objeto a detectar afecta la distancia sensiblemente, as se debe especificar un factor de correccin. Generalmente se recomienda una prueba de aplicacin al objeto especfico a efectuar en las condiciones de ambiente, como son la suciedad y la humedad, para determinar el sensor ptimo que requiere el proceso.

Figura 2.13

Sensor fotoelctrico

La segunda parte del proceso consiste en detener las botellas bajo el tren de llenado para la dosificacin antes de realizar la accin de evacuacin. Para esta operacin al final de la segunda banda transportadora, se encuentra una pieza fija de aluminio implementada a la izquierda del mdulo y sujeta a la pared de la misma, mediante un acople adecuado como se puede apreciar en la figura 2.14.

Figura 2.14

Pieza fija detenedora de botellas

34 2.2.3 SISTEMA DE DOSIFICACIN/SUJECIN Constituyen una parte importante para el sistema de dosificacin de lquidos, ya que son las encargas del llenado y sujecin de las botellas durante el proceso de dosificacin y evacuacin de las mismas. Se encuentran sujetas al tren de llenado mediante rodelas y tuercas de medida adecuada para el efecto, que mantienen firmes a las vlvulas dosificadoras durante todo el proceso. Estn constituidas por algunas partes como: el tubo para ingreso del lquido, el cono de la vlvula, la boya inflable y base para fijacin de la boya inflable, ver figura 2.15.

Figura 2.15

Vlvula dosificadora/sujetadora de lquido

La boya inflable ubicada en la parte inferior interna del cono de la vlvula, permite la sujecin de cada una de las botellas en el momento de la dosificacin y evacuacin. La boya esta construida en material de caucho en forma cilndrica y posee un racor para unirlo mediante abrazaderas a mangueras de caucho flexibles para el ingreso de aire. La base para la boya inflable, permite una mejor firmeza de la boya dentro del cono de la vlvula en el momento del ingreso de aire para una mejor sujecin de cada botella.

35 El cono del sistema de dosificacin/sujecin es de acero inoxidable, tiene la forma de un cono y sus medidas permiten llenar botellas desde 300cm3. El tubo para lquido se encuentra ubicado en el centro de la vlvula dosificadora y es por donde ingresa el lquido a cada una de las botellas, el tubo es de acero inoxidable de de pulgada, y en su extremo superior se encuentra sujeto mediante abrazaderas a una manguera de caucho flexible que transporta el lquido. El ingreso y distribucin del lquido en las vlvulas dosificadoras/sujetadoras est formado por un flautn de acero inoxidable de 1 de dimetro que se encuentra sujeto al tren de llenado, el cual posee una entrada en uno de sus extremos, por donde ingresa el lquido y seis agujeros con rosca interna ubicados a lo largo del mismo, donde se encuentran conectadas seis vlvulas de bola de pulgadas, ver figura 2.16 y 2.17.

Figura 2.16

Sistema de distribucin de lquido o aire hacia las vlvulas dosificadoras/sujetadoras

Figura 2.17

Vlvula de bola de lquido o aire

36 En el extremo de las vlvulas de bola se tienen acoples que permiten unir a mangueras flexibles de caucho mediante abrazaderas, que a su vez se unen a seis electrovlvulas on/off que permiten el paso del lquido a cada una de las vlvulas dosificadoras/sujetadoras. Cada una de las electrovlvulas es accionada desde el PLC (Controlador Lgico Programable) y permite controlar el llenado del lquido que circula por toda la tubera. En su estado de reposo se encuentran normalmente cerradas, lo que permite que en caso de que falle la alimentacin elctrica se mantengan totalmente cerradas, ver figura 2.18.

Figura 2.18

Electrovlvula de paso de lquido

Las caractersticas principales de la electrovlvula son: Voltaje Corriente Potencia Presin 110V 1200mA 9W 0-150PSI

El ingreso y distribucin del aire en las boyas de cada vlvula, est formado principalmente por la vlvula reguladora de presin que permite controlar y regular la presin del aire que ingresa desde el compresor, y de esta manera mantener una buena distribucin de la cantidad de aire comprimido que necesita cada uno de los cilindros neumticos para que puedan funcionar correctamente.

37 El sistema est conformado por un flautn de acero inoxidable de 1 pulgadas de dimetro que tiene una entrada en uno de sus extremos, por donde ingresa el aire y seis agujeros con rosca interna ubicados a lo largo del mismo, donde se encuentran conectadas las vlvulas de bola de (ver figura 2.16 y 2.17), que permiten la regulacin y distribucin de aire a cada una de las boyas inflables de las vlvulas dosificadoras/sujetadoras, mediante mangueras flexibles de caucho. En la entrada del flautn se tiene una vlvula de bola de que permite el paso del aire. Mediante dos electrovlvulas ubicadas antes de la vlvula de bola se realiza el control del proceso, tanto para la carga del aire a las boyas inflables en el momento de la dosificacin y sujecin, como para la descarga de aire en el momento de la evacuacin, ver figura 2.19.

Figura 2.19

Electrovlvula de paso de aire

Las caractersticas principales de las electrovlvulas son:

Marca Serie Cdigo Voltaje

Honeywell Skinner Valve Division X54LB2100 UG3 110/120 V

Frecuencia 50/60 Hz Potencia Presin 10 W 100 PSI 689 KPa

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2.3 PRESIN DE LQUIDOEl sistema consiste en enviar el lquido a ser dosificado a las botellas a una presin constante durante todo el tiempo de funcionamiento del proceso. Para su implementacin se utiliza un tanque hidroneumtico, una bomba trifsica de succin, un transmisor de presin, un autmata, un variador de frecuencia, un manmetro, una vlvula check, una vlvula de compuerta y la tubera adecuada para todo el sistema (ver figura 2.20). El tanque hidroneumtico es un recipiente cerrado donde se acumula el lquido a presin. Al ingresar el producto al tanque por medio de la bomba de succin, el aire que se encuentra en su interior se va comprimiendo dndole lugar al lquido, esto se debe a que el aire por ser un gas tiene sus molculas ms separadas y por ello tiende a comprimirse con ms facilidad. Cuando la vlvula de bola se abre se libera hacia el proceso el lquido acumulado en el tanque hidroneumtico a una determinada presin. Al salir el lquido del tanque pasa a travs del manmetro y del transmisor de presin, que permite el control de presin respectivo para realizar la compensacin de presin en caso que se requiera.

Figura 2.20

Sistema de presin de lquidos

39 A la descarga de la bomba trifsica de succin (ver figura 2.21), se encuentra una vlvula check, que impide al lquido regresar al recipiente de almacenamiento.

Figura 2.21

Bomba trifsica de succin

Las caractersticas principales de la bomba trifsica de succin: Serie Caudal de trabajo Altura de trabajo 155V 5 70 l/min 5 55 m

Altura de aspiracin manomtrica hasta 7 m Temperatura del lquido hasta + 60C Mxima temperatura ambiente + 40C Voltaje Frecuencia RPM Potencia Corriente nominal 220/380 V 60 Hz 3400 2 HP 6,78 amp

El variador de frecuencia se trata de un equipo Allen Bradley de la serie PowerFlex 4 adjustable (ver figura 2.22), ste controla la velocidad del motor de la bomba de liquido y es piloteado por seales analgicas enviadas por el autmata programable.

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Figura 2.22

Variador de frecuencia

Las caractersticas del variador de frecuencia: Nmero de catlogo Temperatura de operacin Grado de proteccin Potencia Fases Voltaje de entrada Corriente de entrada Voltaje de salida Frecuencia de salida Corriente de salida Carga requerida Tiempo de aceler/desaceler Corriente de sobrecarga Entradas de control analgicas 22A-B017N104 -10C a 50C NEMA IP20 3,7Kw - 5HP 3 fases 200 - 240 VAC (10%) 21 A 0 a 230 V 0 a 240 Hz (Programable) 17,5 A motor de induccin trifsico balanceado 0 a 600 seg 150% por 1 minuto, 200% por 3 segundos 4-20mA / 0-10VCC / Pot. Externa 1-10K

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CAPTULO 3 AUTOMATIZACIN DEL SISTEMA DE DOSIFICACIN DE LQUIDOS3.1 SISTEMA GENERAL DE CONTROL PARA EL PROCESO DE DOSIFICADO DE LIQUIDOComo se observa en la figura 3.1 el proceso general del dosificado de lquidos consta de la entrada de botellas vacas y la salida es un envase dosificado con volumen de lquido seleccionado.

Figura 3.1

Sistema general de control

El bloque mencionado PROCESO se divide en 3 subprocesos como se representa en la figura 3.2. Cada subproceso tiene una entrada y una salida, el trabajo de cada uno se describe a continuacin: Transportacin y deteccin de botellas En este subproceso se colocan las botellas vacas sobre una banda transportadora que se encarga de llevar a una segunda banda para colocarlas bajo el tren de llenado, pasando primero por la deteccin de botellas que permite pasar un determinado nmero de botellas y el resto retenerlas para un nuevo ciclo, para esto es preciso activar un cilindro neumtico cuando el sensor fotoelctrico haya contado el nmero de botellas establecido. Dosificacin de lquido Habiendo llegado las botellas vacas bajo el tren de llenado, el sistema entra al subproceso de la dosificacin a presin constante, en el cual activa un cilindro

42 vertical para colocar las vlvulas dosificadoras sobre las botellas y activar las vlvulas de paso de liquido un determinado tiempo dependiendo del volumen y la presin seleccionadas por el operador. Adems se tiene una compensacin de lquido para mantener la presin constante con ayuda de un sensor de presin que enva la informacin al PLC, encargado de realizar el algoritmo PID para manipular la frecuencia del variador que controla la velocidad del motor de la bomba de lquido. Evacuacin de las botellas Este subproceso permite trasladar las botellas a una mesa receptora para terminar con el proceso de dosificado, para esto es necesario activar la vlvula de carga de aire para realizar el agarre de las botellas y con la ayuda del cilindro vertical u horizontal ejecutar los diferentes movimientos del tren de llenado, cuando las botellas se encuentran sobre la mesa receptora se activa una vlvula de descarga de aire que permite soltar los envases. A continuacin se presenta el diagrama de los subprocesos mencionados anteriormente.

Figura 3.2

Subprocesos de la maquina dosificadora

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3.2 LGICA DE CONTROL DEL SISTEMA DE DOSIFICACINTodo el sistema est separado por varios subprocesos que deben cumplir un orden determinado para garantizar el correcto funcionamiento del dosificado. 3.2.1 LGICA DEL PROCESO Para poder empezar con el proceso, colocando las botellas sobre la banda transportadora se debe cumplir con algunas condiciones que son requeridas: Condiciones mecnicas inciales del sistema. Configuracin de parmetros mediante HMI Encendido de las bandas transportadoras Encendido del aire comprimido Encendido del sistema de presin de liquido Modo de operacin

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Figura 3.3

Diagrama de flujo del proceso de dosificacin

Condiciones mecnicas inciales Se hace referencia a la posicin que se encuentran los cilindros de los diferentes movimientos. La condicin del vstago del cilindro de retencin de botellas debe estar activado hasta cuando el operador de la orden de inicio del proceso o cuando empiece con otro ciclo. La condicin del vstago del cilindro encargado de sostener los dosificadores debe estar desactivado en este caso el fin de carrera FC1 se encuentra en OFF mientras que el estado del fin de carrera FC2 se halla en ON.

45 La condicin del vstago del cilindro de evacuacin del tren de llenado debe estar desactivada, en este caso el fin de carrera FC3 se encuentra en OFF mientras que el estado del fin de carrera FC4 se halla en ON. Modos de operacin del sistema de dosificacin El sistema consta de dos modos de operacin manual y automtico. Modo manual En este mando se realiza las operaciones fundamentales de la mquina, los movimientos de los dosificadores, movimientos de evacuacin, apertura y cierre de las vlvulas de dosificacin que se activan al pulsar los correspondientes pulsadores independientemente de una lgica de proceso. El modo manual es utilizado para calibracin y mantenimiento de los diferentes elementos que intervienen en la dosificacin. Modo automtico En modo automtico solo se tiene dos opciones, start y stop que son seleccionados por el operador para empezar o parar ciclos de operacin. Antes de iniciar con el proceso automtico primero se coloca las botellas en la banda transportadora, luego se pone en marcha la transportacin, el aire comprimido y el sistema de presin constante de lquido. En el modo automtico luego de ingresar todos los parmetros por medio del HMI, se pulsa start para que el cilindro de retencin permita ingresar las botellas

colocndose bajo los dosificadores que deben sujetarlas para empezar con la evacuacin y dosificacin, para luego colocarlas en la mesa receptora y regresando el tren de llenado a la posicin inicial para empezar un nuevo ciclo, ver figura 3.4.

46

Figura 3.4

Diagrama de flujo en modo automtico del sistema de dosificacin

47 3.2.2 LGICA DEL AUTMATA S7-200 Para realizar la lgica del autmata hay que considerar siguientes requerimientos: Lgica del proceso Condiciones inciales Configuracin de parmetros Modos de operacin

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49

50

Figura 3.5

Diagrama de flujo de la lgica de control del autmata S7-200 CPU 224XP

3.3 CONTROL DE PRESIN DEL LIQUIDOCon el propsito de controlar el volumen de llenado se mantiene la presin constante para conservar el caudal tambin constante y de esta manera corregir la cantidad volumen antes que se produzca el error obteniendo un sistema feedforward como se representa en la figura 3.6.

Figura 3.6

Control feedforward del sistema de dosificacin

51 3.3.1 AUTOSINTONIZACIN DEL PID Para compensar la perturbacin de la presin y corregir el error en el llenado se realiza mediante un PID sensando la presin de descarga del tanque hidroneumtico y compensado la cada de presin con un variador y una bomba trifsica como representa en la figura 3.7.

Figura 3.7

Control de presin de liquido

El variador de velocidad est configurado para operar a una frecuencia de salida de 0 a 60 HZ con un control de velocidad de 0 a 10V. La gua de inicio rpido para instalar, poner en marcha y programar los parmetros de configuracin del variador de velocidad se indica en el ANEXO D. Para la calibracin del PID se usa el algoritmo de autosintona del S7200 basado en la tcnica denominada realimentacin con rel, propuesta por K. J. Astrom y T. Haggkund en 1984. La realimentacin con rel consiste en provocar una oscilacin pequea pero mantenida en un proceso por los dems estable. La frecuencia y la ganancia lmites del proceso se determinan segn el periodo de las oscilaciones y los cambios de amplitud observados por la variable del proceso. Utilizando dichos

52 valores lmite de la ganancia y de la frecuencia, el autosintonizador PID propone los valores de sintona de ganancia, as como los de accin integral y derivativa.5 Los valores propuestos dependen de la velocidad de respuesta del lazo seleccionada para el proceso. La respuesta puede ser rpida, media, lenta o muy lenta. Dependiendo del proceso, una respuesta rpida podra tener un sobreimpulso, lo que correspondera a una condicin de sintona subamortiguada. Una respuesta media podra estar a punto de tener un sobreimpulso, lo que correspondera a una condicin de sintona crticamente amortiguada. Una respuesta lenta podra no tener sobreimpulso, lo que correspondera a una condicin de sintona sobreamortiguada. Una respuesta muy lenta podra no tener sobreimpulso, lo que correspondera a una condicin de sintona altamente sobreamortiguada.1 El autosintonizador permite determinar un conjunto de parmetros que ofrece aproximadamente valores ptimos del lazo. A partir de estos valores el usuario puede afinar y optimizar el proceso. En el sistema de dosificacin de lquido se realiza la autosintonizacin a una respuesta rpida lo que correspondera a una condicin de sintona

subamortiguada, esto se debe que el llenado en cada ciclo es rpido, por lo tanto la presin se debe compensar y estabilizar antes de iniciar con el otro ciclo. Requisitos de la autosintonizacin Para realizar la autosintonizacin el lazo debe estar en modo automtico. Antes de iniciar la autosintona, el proceso debe encontrarse en estado estable, para este caso la presin del lquido. Esto significa que la presin del lquido deber haber alcanzado el set point establecido. Secuencia de autosintona Se empieza tras haberse establecido los valores de histresis y desviacin. El proceso de sintona inicia cuando el paso de la salida se aplica a la salida del

5

Manual del sistema automatizacin S7200

53 lazo, este cambio de valor a la salida provoca un cambio en la variable del proceso (presin del lquido) de modo que exceda el lmite de histresis detectando un evento de paso por cero. Cada vez que exista un paso por cero el autosintonizador llevar la salida en sentido contrario. El autosintonizador completara la secuencia cuando el proceso haya pasado

doce eventos de paso por cero. La magnitud de los valores pico a pico de la variable del proceso y la frecuencia depender directamente de la dinmica del proceso. Los valores limites de ganancia y frecuencia se obtienen de la informacin recopilada de frecuencia y ganancia en el proceso de autosintonizacin. A partir de esta informacin se calcula los valores propuestos para la ganancia proporcional, los tiempos de accin integral y derivativa. En la figura 3.8 se representa la respuesta del comportamiento de la salida y la variable durante la autosintonizacin del PID en un lazo de actuacin directa. Se puede ver como conmuta la salida para provocar las oscilaciones en el proceso.

Figura 3.8

Respuesta a la de autosintonizacin PID

54 En la tabla 3.1 se muestran los parmetros obtenidos para el control PID y los parmetros de la respuesta del sistema.DATOS DE LA AUTOSINTONIZACIN PID DEL SISTEMA

Kc

Ti

Td

Set -Point (PSI)

Variable de Proceso (PSI)

Error (%)

5,351904Tabla. 3.1

0,161389

0

20

20

0

Parmetros ptimos para el control PID y respuesta del sistema

3.3.2 ANLISIS DE LA RESPUESTA DE AUTOSINTONIZACIN SISTEMA DE DOSIFICACIN

DEL

En la tabla 3.1 se observa que el control que se realiza es un PI (proporcional e integral), debido a que su parte derivativa es igual a cero. Respuesta a un cambio de Set-Point La primera prueba del control PI de presin, consiste en observa la respuesta del sistema para cambios del punto de consigna en el tiempo, ver figura 3.9.

Figura 3.9

Respuesta del sistema con variacin de Set-Point

55 Respuesta cuando se aplica una perturbacin En el proceso del sistema de dosificacin se tiene ciclos de llenado lo que implica tener una perturbacin en la apertura y en el cierre de las electrovlvulas de paso de lquido. La figura 3.10 representa como el actuador cambia su estado ante cada perturbacin para compensar a la variable controlada.

Figura 3.10

Respuesta del sistema con perturbacin mediante el llenado de varios ciclos

En la figura 3.11 se representa una perturbacin en una mayor escala, donde se observa que el valor de la presin seteada se recupera en 5,7seg.

Figura 3.11

Respuesta del sistema a una perturbacin de un solo ciclo de llenado

56

3.4 INTRODUCCIN AL AUTMATA S7200En todo proceso industrial debido a las perturbaciones que pueden existir en la planta se usan Controladores Lgicos Programables, por la robustez, facilidad de programacin y compatibilidad para comunicarse con equipos de control de diferentes fabricantes. La unidad principal de control PLC (Controlador Lgico Programable), permite interactuar con todos los elementos de mando como son sensores, actuadores y los diferentes HMI implementados como se representa en la figura 3.12.

Figura 3.12

Diagrama de bloques del sistema de control

Los sensores que se implementan en el sistema de dosificacin son cuatro fines de carreras correspondientes a los movimientos del tren de llenado, los pulsadores del tablero principal para el modo de operacin manual o automtico y un transmisor de presin. Las electrovlvulas controlan los cilindros para los diferentes movimientos del tren de llenado, ingreso de las botellas y la dosificacin de lquido. Para mantener la presin contante se usa un variador de velocidad que opera al motor trifsico de la bomba.

57 3.4.1 SELECCIN DEL AUTMATA Para la correcta seleccin se considerar varios tems: Nmero de entradas y salidas digitales Nmero de entradas y salidas analgicas El numero de puertos de comunicacin Instrumentacin disponible en el proceso Elementos de interfaz hombre mquina A continuacin se describe la tabla de entradas y salidas que se requiere en el proceso de dosificacin:

SMBOLO MANUAL_AUTOMATICO PARAR EMPEZAR FC_1 FC_2 FC_3 FC_4 SENSOR AGUA SALE_AIRE INGRESA_AIRE MOV_HORIZONTAL MOV_VERTICAL INGRESO_BOTELLAS CILINDRO_R CILINDRO_V CILINDRO_H VALVULA_I_AIRE VALVULA_O_AIRE VALVULA_DE_AGUA

DIRECCIN I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5

COMENTARIO SELECCIONAR AUTOMTICO O MANUAL DEL SISTEMA PARAR EL SISTEMA EN AUTOMTICO EMPEZAR EL SISTEMA EN AUTOMTICO FIN DE CARRERA MOVIMIENTO VERTICAL INFERIOR FIN DE CARRERA MOVIMIENTO VERTICAL SUPERIOR FIN DE CARRERA MOVIMIENTO HORIZONTAL FRONTAL FIN DE CARRERA MOVIMIENTO HORIZONTAL POSTERIOR SENSOR PARA EL CONTEO DE BOTELLAS PULSADOR PARA EL INGRESO DE AGUA PULSADOR PARA LA SALIDA DE AIRE DE LAS BOYAS PULSADOR PARA EL INGRESO DE AIRE A LAS BOYAS SWITCH PARA COMANDAR EL MOVIMIENTO HORIZONTAL SWITCH PARA COMANDAR EL MOVIMIENTO VERTICAL PULSADOR PARA EL INGRESO DE BOTELLAS ELECTROVLVULA DEL CILINDRO DE RETENCIN DE LAS BOTELLAS ELECTROVLVULA DEL CILINDRO DEL MOVIMIENTO VERTICAL ELECTROVLVULA DEL CILINDRO DEL MOVIMIENTO HORIZONTAL ELECTROVLVULA DE CARGA DE AIRE A LAS BOYAS ELECTROVLVULA DE DESCARGA DE AIRE DE LAS BOYAS ELECTROVLVULA DE INGRESO DE LQUIDO

Tabla. 3.2

Entradas y salidas digitales del PLC

58 Adems de estos parmetros para la seleccin del autmata se debe considerar que la automatizacin del sistema va cumplir con los siguientes objetivos: Mejoramiento en las deficiencias encontradas en el proceso Mejoramiento en tiempos de produccin Mejoramiento en la seguridad del proceso Fcil comunicacin con elementos externos de control El autmata seleccionado para la automatizacin del sistema de dosificacin de lquidos es el S7-200 CPU224xp de la familia SIEMENS que cumple con los requerimientos para el control del proceso. 3.4.2 CARACTERSTICAS DEL AUTMATA S7-200 CPU 224XP En la siguiente tabla se indica las caractersticas del autmata:Versiones disponibles Tipos de alimentacin Entradas / salidas integradas Analgicas integradas Correcciones en tiempo de ejecucin. Opcional Memoria de programa lgico (L) (Kb) Memoria de datos (V) (Kb) Tiempo de ejecucin (micro segundos) AC - DC - Rel y DC - DC DC Alimentacin AC = 85-264 VAC 14 DI / 10 DO 2 A entrada / 1 A salida SI 12 con correcciones run time habilitadas 16 con correcciones run time deshabilitadas 10 0.22 6 Total Single Ended 4 de 30 kHz 2 de 200 kHz Dos fases 3 de 20 kHz 1 de 100 kHz 2 a 100 kHz 2 x RS-485 SI SI SI

Contadores rpidos

Salidas de pulsos Interfaz de comunicacin integrado Funciones de autoajuste de PID Instrucciones avanzadas - Registros de datos - Gestin de recetasTabla. 3.3

Caractersticas de la autmata s7-200 CPU 224xp

59

3.5 DESCRIPCIN DEL SOFTWARE STEP 7 MICROWINPara la programacin del autmata se usa el software STEP 7- Micro/WIN. En la figura 3.13 se explica algunas opciones que tiene el software:

Figura 3.13

Ventana principal del software STEP7-Micro/WIN

Barra de navegacin Accede a las opciones ms comunes de forma rpida que se encuentran a lado izquierdo de la ventana principal. rbol de operaciones Se encuentran todas las rdenes de programacin aceptadas por el autmata. Ventana de resultado Se visualiza el estado de la compilacin del programa, errores, entre otras y se encuentra ubicada en la parte inferior de la ventana principal.

60 Ventana de programacin Se encuentra ubicada en la parte derecha y dividida por lneas de programacin donde se realiza el programa que ha de gobernar al autmata. La presentacin vara segn el editor elegido (KOP, AWL FUP), adems el programa es capaz de traducir a cualquiera de estos lenguajes. Para la programacin del autmata se usa el modo de visualizacin tipo KOP (esquema de contactos) que permite crear programas con componentes similares a los circuitos de control. Los programas tipo KOP (ver figura 3.14), hacen que la CPU 224XP simule la circulacin de corriente elctrica desde la fuente de alimentacin a travs de condiciones lgicas de entrada que a su vez habilitan condiciones lgicas de salida.

Figura 3.14

Representacin tipo KOP

Las operaciones se representan mediante smbolos grficos KOP que contienen tres formas bsicas: Contactos Bobinas Cuadros

Contactos Inserta una entrada de la CPU por ejemplo interruptores, pulsadores, fines de carrera y sensores.

61 Bobinas Inserta una salida de la CPU las mismas que pueden disparar diferentes tipos de actuadores por ejemplo rels, contactares, electrovlvulas. Cuadros Inserta funciones programadas por ejemplo operaciones aritmticas. 3.5.1 COMPONENTES DEL PROYECTO Y SU FUNCIONAMIENTO Un proyecto comprende los siguientes componentes bsicos: Bloque de programa Tabla de smbolos Tabla de estados Bloque de datos Bloque del sistema Referencia cruzada temporizadores, contadores, PID,

Bloque de programa Incluye el cdigo a ejecutarse que comprende un programa principal (OB1),

subrutinas y rutinas de interrupcin, ver figura 3.15.

Figura 3.15

Bloque del programa

62 Tablas de smbolos Permiten el direccionamiento simblico para facilidad de programacin, ver figura 3.16.

Figura 3.16

Tabla de smbolos

Tablas de estado Permiten ver valores del proceso a medida que se ejecuta el programa de usuario, ver figura 3.17.

Figura 3.17

Tabla de estado

Bloque de datos Comprende datos (valores inciales de memoria, valores de constantes) y comentarios. Bloque de sistema Realiza la configuracin de parmetros de comunicacin, las reas remanentes, los filtros de las entradas analgicas y digitales, los valores de las salidas en caso

63 de un paso a STOP y la informacin sobre la proteccin con contrasea. La configuracin de los parmetros se carga en la CPU, ver figura 3.18.

Figura 3.18

Bloque del sistema

Referencias cruzadas Visualiza las tablas donde figuran los elementos utilizados en el programa, as como las reas de memoria ya asignadas. Mientras se edita un programa en modo RUN, se observa los nmeros de los flancos positivos y negativos que el programa usa actualmente. Las referencias cruzadas y la informacin sobre los bits y bytes usados no se cargan en la CPU, ver figura 3.19.

Figura 3.19

Referencias cruzadas

64 3.5.2 COMPILAR, DESCARGAR Y EJECUTAR EL PROGRAMA EN EL AUTMATA Primero compilar el programa con la finalidad de depurar posibles errores ortogrficos. La respuesta aparecer en la ventana de resultados, si existe algn error se debe corregir antes de cargar a la CPU, ver figura 3.20.

Figura 3.20

Ventana de resultados con cero errores

Para cargar el programa en la autmata se selecciona el icono Cargar en CPU Terminada la carga en la CPU mediante la opcin RUN, se observa su funcionamiento real a travs del PLC, teniendo en cuenta que el autmata debe tener su selector en la posicin TERM. Si se quiere parar la simulacin real con el PLC se presiona el icono STOP, ver figura 3.21.

Figura 3.21

Ventana general para compilar, descargar y ejecutar en programa en el autmata

65

3.6 DIAGRAMAS DE LOS CIRCUITOS DE FUERZA Y CONTROLPara el control de los elementos del proceso de dosificacin, se tienen los siguientes diagramas de conexiones: Circuito de fuerza y control del sistema de transportacin Circuito de fuerza y control del sistema de dosificacin Circuito Neumtico CIRCUITO DE FUERZA Y CONTROL DEL SISTEMA DE TRANSPORTACIN El circuito de fuerza y control es independiente del resto de circuitos implementados, esto se debe a que el control solo es ON/OFF para los dos motorreductores de las bandas transportadoras. Los circuitos de fuerza y control representados en la figura 3.22 y 3.23 estn implementados en un solo tablero que consta con las respectivas protecciones, contactores, pulsadores, luces piloto y un paro de emergencia, (ver ms detalles Anexo C).

Figura 3.22

Circuito de fuerza del sistema de transportacin

66

Figura 3.23

Circuito de control del sistema de transportacin

CIRCUITO DE FUERZA Y CONTROL DEL SISTEMA DE DOSIFICACIN El control de la dosificacin est basado principalmente en el autmata S7-200 el cual recibe las seales de los sensores y activa los actuadores. Las entradas discretas del autmata provienen de pulsadores, finales de carrera, y del sensor fotoelctrico, mientras que la entrada analgica proviene del sensor de presin que est implementada en el sistema. Las salidas discretas del autmata no se encuentran conectadas directamente a las bobinas del los actuadores, se lo realiza mediante rels para proteger las salidas de daos externos (ver figura 3.24 y 3.25). En caso de darse una eventual avera el reemplazo del rel seria ms econmico que remplazar el autmata, (ver ms detalles Anexo C).

67

Figura 3.24

Circuito de entradas y salidas del autmata

68

K6

LUZ PILOTO DE INGRESO DE LIQUIDO EN DOSIFICADORES INGRESO DE LIQUIDO EN DOSIFICADOR 6

INGRESO DE LIQUIDO EN DOSIFICADOR 5

INGRESO DE LIQUIDO EN DOSIFICADOR 4

INGRESO DE LIQUIDO EN DOSIFICADOR 3

INGRESO DE LIQUIDO EN DOSIFICADOR 2

INGRESO DE LIQUIDO EN DOSIFICADOR 1K6

K5

LUZ PILOTO DE SALIDA DE AIRE DE LAS BOYAS SALIDA DE AIRE DE LAS BOYAS

K5

K4

LUZ PILOTO DE INGRESO DE AIRE A LAS BOYAS INGRESO DE AIRE A LAS BOYAS

K4

K3

LUZ PILOTO DEL CONTROL DEL MOVIMIENTO HORIZONTAL DEL TREN DE LLENADO CONTROL DEL MOVIMIENTO HORIZONTAL DEL TREN DE LLENADO LUZ PILOTO DEL CONTROL DEL MOVIMIENTO VERTICAL DEL TREN DE LLENADO CONTROL DEL MOVIMIENTO VERTICAL DEL TREN DE LLENADO LUZ PILOTO DE INGRESO DE BOTELLAS

K3

K2

K2

K1

INGRESO DE BOTELLASK1

Figura 3.25

Circuito de acoplamiento de los rels a las bobinas de los diferentes actuadores

69 CIRCUITO NEUMTICO Para el mando de los diferentes movimientos del tren de llenado y retencin de botellas se realiza mediante cilindros neumticos que a su vez son controlados por electrovlvulas, adems el cilindro de retencin tiene dos reguladores de caudal a la entrada y salida para manipular la velocidad del vstago. Los dosificadores de lquidos constan de boyas para la sujecin de las botellas que son controladas por medio de electrovlvulas para la carga y descarga del aire, adems se tiene un regulador de caudal para evitar que estallen las boyas por un exceso de carga de aire, ver figura 3.26.

Figura 3.26

Circuito neumtico del sistema de dosificacin

70

3.7 PANELES DE CONTROL3.7.1 PANEL DE CONTROL PLC PANTALLA TCTIL Considerando todos los elementos como rels, contactores, protecciones, y el autmata que va a realizar el control del sistema de dosificacin se usa un gabinete de 40cm de alto por 30cm de ancho por 20 cm de profundidad con perforaciones para el montaje en la parte posterior del modulo, sobre la primera banda transportadora y sujeto mediante pernos a la estructura. En la parte exterior del panel de control se pueden observar los elementos de maniobra y visualizacin con los que el operador puede trabajar, como son pulsadores, selectores, paro de emergencia y luces piloto que requiere el proceso para su funcionamiento, ver figura 3.27.

Figura 3.27

Panel de control del sistema de dosificacin

71 En la tabla 3.4 se detalla el funcionamiento de cada uno de los elementos implementados en el panel de control.# 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Funcin ON/OFF DEL PANEL GENERAL LUZ PILOTO DEL PANEL GENERAL PARO DE EMERGENCIA PANTALLA TCTIL TP 177 MICRO PULSADOR Y LUZ PILOTO DEL INGRESO MANUAL DE BOTELLAS SWITCH Y LUZ PILOTO DEL MOVIMIENTO MANUAL VERTICAL DEL TREN DE LLENADO SWITCH Y LUZ PILOTO DEL MOVIMIENTO MANUAL HORIZONTAL DEL TREN DE LLENADO PULSADOR Y LUZ PILOTO DE CARGA DE AIRE A LAS BOYAS EN FORMA MANUAL PULSADOR Y LUZ PILOTO DE DESCARGA DE AIRE DE LAS BOYAS EN FORMA MANUAL PULSADOR Y LUZ PILOTO DE LLENADO DE LQUIDO PULSADOR DOBLE PARA START Y STOP EN AUTOMTICO SELECTOR DE DOS POSICIONES PARA MODO MANUAL/AUTOMTICO Tabla. 3.4 Descripcin de la parte frontal del tablero de control

En la parte interna del gabinete de control se encuentran distribuidos los elementos de control, mando y proteccin dispuestos de la siguiente manera: en la parte superior debe estar todo el circuito de potencia y en la parte inferior el circuito de control, ver figura 3.28.

Figura 3.28

Parte interna del tablero de control

La pantalla tctil se encuentra ubicada en la parte frontal del tablero de control, mediante la cual el operador tiene acceso para controlar todo el proceso del sistema de dosificacin en el modo manual o automtico, as como tambin ingresar los diferentes parmetros que el sistema requiera, dependiendo de las condiciones del proceso, ver figura 3.29.

72

Figura 3.29

Pantalla tctil TP177micro

3.7.2 PANEL DE CONTROL DEL SISTEMA DE TRANSPORTACIN Se encuentra ubicado en la parte frontal del modulo, sujeta mediante pernos de medida adecuada a la banda transportadora. Desde aqu el operador puede controlar el encendido y apagado de cada una de las bandas transportadoras, ver figura 3.30.

Figura 3.30

Panel de control de las bandas transportadoras

Los conductores y protecciones para cada uno de los elementos a controlar son diseados tomando en cuenta los requerimientos elctricos que presentan, y de las recomendaciones que el fabricante menciona para el clculo de los conductores. Adems cuenta con sealizacin adecuada para cada uno de los elementos a controlar, con la finalidad de observar si estn operando normalmente como lo requiere el proceso.

73

CAPTULO 4 DISEO DE LA INTERFAZ HOMBRE MQUINAAnte la necesidad de controlar en forma local y remota los diferentes elementos del sistema de dosificacin de lquidos, se desarroll dos interfaces HMI (Interfaz Hombre-Mquina) que permiten al operador el mando total de la planta, tanto en modo de operacin manual como en modo automtico. La interfaz hombremquina es realizada con un computador que permite la operacin del sistema, historial de produccin y configuracin de parmetros. Adems se tiene una pantalla tctil para acceder a la configuracin de parmetros y el control del proceso.

4.1 INTERFAZ HOMBRE MQUINA (HMI) DEL SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE LA PANTALLA TCTIL TP 177 MICROCon el propsito de realizar la supervisin, configuracin de parmetros y operacin del sistema de dosificacin se implementa una pantalla tctil para la interfaz hombre mquina en el tablero de control para facilidad de acceso del operador. 4.1.1 SELECCIN DEL PANEL DE CONTROL Para su correcta seleccin se consideran algunos tems: Compatibilidad con el autmata utilizado Interfaz grfica necesaria con el usuario Informar los valores de operacin del proceso Administracin de usuarios Software para la pantalla

Con los requerimientos antes mencionados se selecciona la pantalla tctil TP177 micro que utiliza el software WinCC flexible de SIEMENS para la programacionde la interfaz HMI.

74 4.1.2 DESCRIPCIN DEL SOFTWARE WINCC FLEXIBLE 4.1.2.1 Componentes de WinCC flexible WinCC flexible Engineering System Este software realiza todas las tareas de configuracin necesarias. La edicin de WinCC flexible determina que paneles de operador de la gama SIMATIC HMI se pueden configurar, ver figura 4.1.

.Figura 4.1 Estructura modular de WinCC flexible

WinCC flexible Runtime Es el software para visualizar procesos. En runtime, el proyecto se ejecuta en modo de proceso donde el usuario puede controlar y visualizar todo el funcionamiento del sistema implementado. Las tareas ms frecuentes son: La comunicacin con los sistemas de automatizacin La visualizacin de las imgenes en la pantalla El control del proceso, por ejemplo, mediante entrada de valores de consigna o mediante apertura y cierre de vlvulas La grabacin de los datos actuales de runtime, como por ejemplo, los valores de proceso y los evento