4.4 STREAMLINE TOPOLOGY OF VORTEX-WING INTERACTIONS
4.4.1 Structure in Absence of Incident Vortex
El PLC que se utilizó para desarrollar el autómata fue el que la Universidad de los Andes posee en el Laboratorio de Eléctrica y Electrónica el cual es un PLC S7-300, CPU 314 IFM con alimentación de alterna, entradas y salidas de continua a 24V.
Este PLC posee 20 entradas digitales, 16 salidas digitales, 4 entradas análogas y 1 salida análoga. Tanto el número de entradas y salidas son suficientes para el sistema a desarrollar en este proyecto.
Tomando como referencia la tabla 3, se puede realizar la asignación de entradas y salidas como se indica a continuación:
N. ETIQUETA DIRECCION
1 Y1 A 124.0
2 Y2 A 124.1
IEL2-II-04-22 5 Y4 A 124.4 6 H0 A 125.3 7 H1 A 125.4 8 H2 A 125.5 9 C1_C E 124.0 10 C1_E E 124.1 11 C2_C E 124.2 12 C2_E E 124.3 13 C3_C E 124.4 14 C3_E E 124.5 15 Rearme E 124.7 16 DULCE1 E 125.0 17 DULCE2 E 125.1 20 EM ERGENCIA E 126.2 21 S1 E 126.0 22 S2 E 126.1 23 S3 E 125.2 24 S4 E 125.3 25 S5 E 125.4 26 S6 E 125.5
Tabla 4: Direcciones entradas y salidas
De los GRAFCETS de las figuras 14, 15, 16, 17 se obtuvo el número de los estados
internos, contadores, comparadores. Los estados internos se implementaron con marcas. La tabla que se da a continuación resume esta información:
N. ETIQUETA DIRECCIÒN 1 A1 M 70.0 2 A2 M 70.1 3 A6 M 70.3 4 F4 M 70.2 5 F1 M 55.1 6 D1 M 70.4 7 F1_10 M 55.0 8 F1_11 M 55.2 9 F1_12 M 55.3 10 F1_13 M 55.4 11 F1_14 M 55.5 12 F1_15 M 55.6 13 F1_16 M 55.7
IEL2-II-04-22 15 F1_18 M 60.1 16 F1_19 M 60.2 17 F1_20 M 60.3 18 F1_21 M 60.4 19 F1_22 M 60.5 20 F1_23 M 60.6 21 F1_24 M 60.7 22 F1_25 M 80.0 23 F4_100 M 70.5 24 F4_101 M 70.6 25 F4_102 M 70.7 26 F4_103 M 71.0 27 F4_104 M 71.1 28 F4_105 M 71.2 29 F4_106 M 71.3 30 A6_1000 M 71.4 31 A6_1001 M 71.5 32 A6_1002 M 71.6 33 A6_1003 M 71.7 Tabla 5: Estados internos
3.2.4 Programa de control
Para programar cada uno de las transiciones de los GRAFCETS de las figuras 7, 8, 9, 10 se utilizaron segmentos en lenguaje LADDER (diagrama de contactos). En cada segmento se encuentran, por un lado, la cadena de contactos en serie y/o paralelo que se deben activar para que se cumpla la condición. Si la condición es verdadera, se pone en uno (memorizando, gracias a la función Set) la etapa siguiente y a cero la anterior.
En la figura 11 se muestra el programa completo incluyendo las etapas y transiciones de los GRAFCETS escrito en LADDER, el objetivo de hacerlo totalmente en este lenguaje es que el estudiante conozca de él, y que aunque el proceso esta basado en la guía GEM M A la cual es un GRAFCET, es necesario conocer otros lenguajes de mas bajo nivel ya que para programar las transiciones del GRAFCET se debe hacer ya sea en un lenguaje de instrucciones o LADDER.
En cuanto a la activación de salidas, cada una de estas se activa como resultado de una operación O de los diferentes estados de todos los GRAFCETS en que se tienen que activar.
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Fig 11: Programa
• Subrutina de inicialización: se ponen en 1 todas las etapas iniciales de los GRAFCETS y a 0 el resto de etapas.
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• GEMMA
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• Producción normal
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• Verificación en desorden
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• Inicialización parte operativa
Fig 11 (continuación) • Activación de salidas
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Fig 11. (continuación)
3.3 Construcción prototipo
El prototipo se construyo en aluminio calibre 1/16 totalmente, las bandas transportadores se construyeron en madera plástica. Cabe anotar que el prototipo se construyo siguiendo los planos hechos en AutoCad, dichos planos se pueden ver en unos de los anexos.
El motor que mueve la banda transportadora que lleva los paquetes de dulces es un motor D.C a 110 V de unas 40 a 50 rpm aproximadamente, de potencia 2 caballos, tiene un controlador de velocidad, para controlar el motor se utilizó un rele de estado sólido, el cual funciona como un switch que deja o no pasar la corriente al motor dependiendo de la señal de control mandada por el PLC.
Para mover la banda transportadora en donde van las cajas en donde se van a empacar los paquetes de dulces se puede hacer por medio, ya sea de un motor D.C o A.C, para esta banda no se necesita que el motor tenga una velocidad variable, la potencia que se necesita para mover la banda es de 1 caballo, en el caso que a la banda se le adicionen los rodamientos en cada uno de los rodillos, ya que como esta en estos momentos sin los rodamientos, hay más fricción que le hace oposición al movimiento de la banda, si no se le adiciona los rodamientos seria bueno tener un motor de 2 caballos para que no se tenga ningún problema. Por lo anterior el motor A.C que se necesita es de 1 o 2 caballos, de 50 a 60 rpm, para controlarlo se puede hacer de la misma manera que el motor que mueve la banda que lleva los paquetes de dulces, es decir con un rele de estado sólido.
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Las diferentes partes de la maquina por separado y la maquina completa se ven a continuación:
Fig 12: Motor y banda transportadora
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A continuación se muestra el panel de control para la maquina, en donde se encuentran los diferentes interruptores, pulsadores y pilotos:
Fig 14: Panel de control
3.4 Aspectos técnicos
3.4.1 Accionadores y preaccionadores
Teniendo en cuenta el ciclo de trabajo de la maquina, contando con el tamaño de las piezas que se van a manejar y los esfuerzos que tiene que hacer los cilindros, se decide hacer uso de los siguientes órganos de accionamiento:
• Cilindro separador o De simple efecto.
o Diámetro 25mm y carrera 50mm • Cilindro caja “acomodadora”
o De simple efecto.
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• Cilindro piso
o De simple efecto.
o Diámetro 25mm y carrera 150mm • Preaccionadores
Se utilizaran electroválvulas de dos posiciones y cinco vías, de un solenoide. El consumo de la electroválvula es de 100 mA (aprox.) a 24V DC.
Los cilindros y electroválvulas los vemos a continuación:
Fig 15: Electroválvulas
Fig 16: Cilindro neumático
3.4.2 S ensores
• Para detectar los finales de carrera de los cilindros se necesitan 2 sensores por cada cilindro, uno en cada extremo. Son sensores magnéticos tipo Reed Switch
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Fig 17: Sensores magnéticos finales de carrera [10]
• Para detectar si los dulces se encuentran en posición se utilizaron fotoceldas. • Para detectar la posición de la caja en donde van a ir empacadas las cajas se utilizo
un sensor tipo capacitivo de tipo PNP alimentado con 24 V.
3.4.3 S istema de control
• Mando programado con un PLC S7-300 marca SIEMENS, el cual tiene 20 entradas digitales, 16 salidas digitales, 4 entradas análogas y 1 salida análoga.
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3.4.4 Necesidades energéticas • Instalación neumática
o Compresor portátil, se necesita un compresor de 35 a 40 psi. o Diámetro de tubería 1/8.
o Elementos de conexión: 7 racores o Controladores de flujo
• Instalación eléctrica
ELEMENTO INTENS IDAD DE
CONS UMO TENS ION DE ALIMENTACIÒN Electrovàlvulas 100 mA 24 V DC 6 sensores finales de carrera 100 mA 24 V DC PLC 0.1 A 220 V AC 3.4.5 Instalación de potencia
Teniendo en cuenta todo lo anterior, la figura 19 muestra el esquema neumático del sistema.
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3.4.6 Esquemas
A parte del esquema de potencia neumática, mostrado en la figura 19, se tienen los siguientes esquemas:
• Esquema eléctrico
Fig 20: Esquema eléctrico
A partir del esquema anterior en el caso de que ocurra alguna emergencia, automáticamente se desenergizan las bobinas de las electroválvulas volviendo los cilindros a su posición inicial. Lo mismo ocurrirá en el caso de que halla algún corte de la energía eléctrica. Las electroválvulas pueden ser conectadas directamente a las salidas de 24 V del PLC.
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• Entradas al PLC
Fig 21: Entradas al PLC
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Fig 21: (continuación)
• Salidas del PLC
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3.5 Plan de pruebas
Se diseño un plan de pruebas para garantizar el óptimo funcionamiento de la máquina, se empezaron hacer pruebas manuales sobre los elementos como electroválvulas, cilindros y sensores, al comprobar el buen funcionamiento de todos estos elementos se paso hacer pruebas con el PLC, a continuación se enuncia específicamente las pruebas que se hicieron y el orden en que se hicieron:
1. Se comprobó el funcionamiento de las electroválvulas con sus respectivos cilindros accionándolas manualmente por medio de una fuente de voltaje.
2. Se comprobaron los sensores sin conectar al PLC, por medio de un circuito sencillo.
3. Se comprobó el funcionamiento de las electroválvulas pero ya conectadas al PLC, con programas sencillos, como por ejemplo accionar una electroválvula desde el PLC y luego accionar luego 2 y 3 electroválvulas.
4. Se conectaron los sensores al PLC y se probó que este recibiera de manera adecuada la señal de los sensores con los mismos programas que en el punto 2 pero ya teniendo en cuenta los sensores, es decir, el PLC daba la orden de accionar una electroválvula, cuando recibiera la señal de un sensor.
5. Se hicieron las pruebas finales de la producción normal y demás estados del proceso en el modelo. Primero se probó que el PLC recibiera satisfactoriamente todas las señales del panel de control, luego se probaban cada uno de los cilindros accionando los pulsadores del panel de control, luego se pasaba a marcha automatiza para comprobar que el proceso en producción normal funcionara satisfactoriamente, y por último se comprobó la emergencia oprimiendo el hongo de emergencia en cualquier momento dentro de la producción normal verificando que todos los accionadores se quedaran quietos en ese momento y bloqueados.
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RES ULTADOS
El diseño y la construcción se hicieron completamente, con la respectiva adaptación al modelo de electroválvulas, cilindros, sensores y el motor. Se entrega un prototipo completo, teniendo en cuenta que es un modelo experimental y que se piensa dejar en el laboratorio para que los estudiantes trabajen en ella, se entregan los planos completos de la máquina los cuales se realizaron en Autocad para que se pueda hacer un modelo que cumpla con todas las exigencias de uso.
Se diseñaron los GRAFCETS de los diferentes modos de operación basados en la guía GEM M A, se elaboró el programa completo para la automatización de la maquina, que con el plan de pruebas que se planteó se comprobó sobre la máquina, garantizando su funcionamiento y así mostrar que el prototipo realizado cumplía con los requerimientos del proceso y del control.
Se deja un trabajo para que próximos estudiantes interesados en el tema, tengan una buena base para iniciar en el área de automatización, además de los elementos necesarios para poder implementar cualquier proceso de automatización.
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CONCLUSIONES
La metodología propuesta por los autores Jean Pierre Caron, Pierre Jean Barre y Jean Paúl Hautier en su libro Systèmes Automatiques para realizar la automatización de procesos industriales es la apropiada, ya que hace ver en forma clara y ordenada los pasos necesarios para llevar a un final exitoso cualquier automatización.
El tiempo predispuesto y la distribución de actividades fue el apropiado para llevar el proyecto a un final exitoso. Se tuvieron varios inconvenientes, como la consecución de un compresor, que aunque se utilizó el compresor que tiene el departamento de mecánica en su laboratorio, éste no siempre estaba a disposición lo que ocasionaba traumatismos en el desarrollo de la pruebas, teniendo en cuenta que la maquina va a quedar a servicio de los estudiantes, el laboratorio de eléctrica y electrónica debería tener una línea de aíre como en el laboratorio de mecánica o en su defecto adquirir un compresor portátil.
El prototipo se entrega totalmente terminada y probada con el autómata, solo falta adicionarle un motor para que mueva la banda transportadora que lleva las cajas en donde van hacer empacados los paquetes de dulces y también se debe adquirir un sensor el cual indicara al autómata programable si dicha caja se encuentra en la posición indicada para que los paquetes de dulces caigan en ella.
Además de las anteriores adiciones a la máquina actual, para tener la máquina completa de encajado de paquetes de dulces se necesitan de dos partes adicionales, la primera es hacer una máquina la cual va antes de la que se tiene, que es la que se encarga de hacer los paquetes de dulces y luego colocarlos en la banda transportadora y la otra viene después y es la encargada de prensar las cajas, entregando así el producto totalmente terminado.
Teniendo en cuenta que en la universidad no se ha profundizado mucho en el tema de la automatización industrial y dada su importancia, se espera que este proyecto sea el
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principio de muchos más de este estilo en la universidad, ya que la automatización en el día de hoy es una opción en la vida laboral futura de todos los estudiantes.
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BIBLIOGRAFIA
[1] Desarrollo de sistemas secuenciales, Rodríguez M ata Antonio, ed. Paraninfo, pp: 2-6 [2] Controles y automatismos eléctricos, Luís Flower Leiva, ed. Luís Flower Leiva, pp: 30- 50
[3] Ingeniería de la Automatización Industrial, Piedrahita M oreno Ramón, ed. Paraninfo, pp: 333 – 340.
[4] Systemes Automatiques, Jean Pierre Caron, Jean Paúl Hautier, Pierre Jean Barre; editorial Ellipses.
[5] Autómatas programables, Balcells José P, ed. Paraninfo, pp: 162-180.
[6] Manual didáctico siemens, www.ad.siemens.de/fea/html_78/down_module.htm.
[7] Diseño y programación con autómata programable o PLC, Luís Flower Leiva, ed. Luis Flower Leiva.
[8] Automatización neumática y electro-neumática, Salvador M illán, ed. Paraninfo [9] Programmable logia controllers, Webb John W.
[10] www.mindman.com.tw
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A4. Protocolo comunicación puerto paralelo
Comunicación PLC-Panel de Control PIN ETIQUETA DIRECCION
1 H0 A 125.3 2 H1 A 125.4 3 H2 A 125.5 4 S3 E 125.2 5 S4 E 125.3 6 S5 E 125.4 7 S6 E 125.5 8 S1 E 126.0 9 S2 E 126.1 10 EM ERGENCIA E 126.2 11 Rearme E 124.7 14-22 Vcc 23-25 GND Comunicación PLC- Máquina PIN ETIQUETA DIRECCION
1 Y1 A 124.0 2 Y2 A 124.1 3 Y3 A 124.2 4 Y4 A 124.3 5 M otor A 124.4 12 Vcc 13 GND 14 C1_C E 124.0 15 C1_E E 124.1 16 C2_C E 124.2 17 C2_E E 124.3 18 C3_C E 124.4 19 C3_E E 124.5 21 Rearme E 124.7 22 DULCE1 E 125.0 23 DULCE2 E 125.1
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A5. Diagramas Eléctricos
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A7. Manual de usuario máquina encajadora de paquetes de dulces
Este manual proporciona al usuario de la máquina encajadora de paquetes de dulces las instrucciones para poder accionar la máquina. La máquina tiene 2 modos básicos de operación, uno es modo automático y el otro es el modo manual. En automático realiza el proceso de encajado en forma normal y en modo manual el usuario u operario puede accionar cada uno de los cilindros que compone la máquina por separado. También la máquina puede entrar a un estado de emergencia si el operario así lo desea.
El panel de control contiene los siguientes elementos:
• Interruptores: Para prender la máquina, escoger entre marcha automática o manual y otro para que el operario pida alguna parada.
• Pulsadores: Tiene tres pulsadores para cada uno de los cilindros, uno para solicitar el rearme de la máquina (puesta en condiciones iniciales de todos los cilindros) y uno para solicitar la emergencia.
• Indicadores luminosos: Tiene 3 indicadores, uno verde para indicar que la máquina se encuentra en estado automático, uno amarillo cuando es en estado manual y uno rojo para indicar que se encuentra en estado de emergencia.
La apariencia del panel de control es la siguiente:
A continuación se encuentran los pasos para poner en funcionamiento la máquina en sus diferentes modos de operación:
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• Modo automático:
1. Poner el interruptor ON/OFF en ON, y elija con el interruptor AUTO/M ANUAL la opción de automático e inmediatamente se encenderá el indicador luminoso verde, luego oprima el pulsador REARM E para inicializar el sistema.
2. En el momento que la máquina llene una caja con 3 capas de paquetes de dulces esta se parará prendiéndose el indicador luminoso amarillo para indicar que la caja esta llena, cuando coloque una nueva caja vacía oprima el pulsador REARM E y la máquina iniciará de nuevo la producción.
3. Para pedir alguna parada mientras este trabajando la máquina, solo mueva el interruptor de paro y cuando termine de realizar el ciclo que este haciendo la máquina esta se apagará.
• Modo manual:
1. Poner el interruptor ON/OFF en ON, y elija con el interruptor AUTO/M ANUAL la opción de manual e inmediatamente se encenderá el indicador luminoso amarillo, luego oprima el pulsador REARM E para inicializar el sistema.
2. Para mover los cilindros solo oprima los pulsadores cilindro1, cilindro2 o cilindro3.
3. Para pasar a modo automático solo ponga el interruptor AUTO/M ANUAL en automático, inmediatamente la luz amarilla se apaga y la luz verde se enciende iniciando de esa manera la producción normal.
• Modo emergencia:
1. Cuando se este en producción automática y el operario ve algo anormal en el funcionamiento de la máquina, deberá oprimir el hongo de emergencia (botón rojo), inmediatamente se pararán todos los cilindros y el motor y en el panel se encenderá el indicador luminoso rojo.
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condiciones iniciales y el motor vuelva a funcionar se debe oprimir el pulsador de REARM E, en ese momento la máquina se pondrá en condiciones iniciales y lista para comenzar de nuevo la producción normal.
Recomendaciones de uso
Para que la máquina funcione correctamente se deben tener en cuenta algunas recomendaciones para el mantenimiento de la máquina y para solucionar algunos problemas comunes que se pueden presentar:
1. Revisar si las mangueras se encuentran los suficientemente limpias para que fluya el aíre libremente, ya que con el uso se van pegando impurezas en las paredes de las mangueras impidiendo el paso del aíre, dificultando el movimiento de los cilindros.
En el caso de que las mangueras estén muy sucias se deben cambiar por unas nuevas.
2. Revisar los racores de las electroválvulas y los controladores de flujo que se encuentran en los cilindros, ya que las mismas impurezas que afectan a las mangueras pueden afectar a estos elementos obstruyendo el paso del aíre.
3. Aplicar aceite en las partes donde hay algún tipo de roce por los movimientos de los diferentes cilindros de la máquina para evitar al máximo la fricción que ponga resistencia.
4. Estar revisando permanentemente todos los tornillos verificando que se encuentren fijos, para que le den a la estructura firmeza y resistencia al constante movimiento de los cilindros.
5. Sí al prender la máquina el motor que mueve la banda transportadora no se prende inmediatamente cuando el PLC da la orden, si todas las conexiones eléctricas con el rele se encuentran bien, lo más seguro es que el motor se encuentra en una velocidad muy alta por lo cual no puede arrancar de inmediatamente, para solucionar esto solo se debe mover la perilla que controla la velocidad del motor, de esa manera el motor empieza a funcionar.
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6. Debido que la banda no tiene rodamientos que facilite su movimiento, algunas veces el motor no logra mover la banda, para solucionar esto solo se debe cuadrar los tensiometros que tienen la banda en uno de sus extremos hasta que la banda empiece a moverse.
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