Línea de Investigación - MiUneSpace

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Universidad Nueva Esparta
Facultad de Ingeniería
Escuela de Electrónica
Trabajo de Grado
Línea de Investigación: Diseño y desarrollo de aplicaciones o dispositivos de tipo
electrónico.
Tema: Control e Instrumentación Industrial.
Título: Diseño e implementación de un sistema de control mediante PLC para la
automatización de un proceso en una máquina de inyección de plástico en la empresa
Industrias Uniplásticas C.A Uniplast.
Tutor: Ing. Gomes Rodolfo
Trabajo de grado
Presentado por:
Br. Betancourt. G Carlos Alberto
C.I. V-18.557.335
Para optar por el Título de:
Ingeniero Electrónico.
Enero del 2012
Caracas Venezuela
Diseño e implementación de un sistema de control mediante PLC para la automatización de un proceso en una máquina de
inyección de plástico en la empresa industriasUniplásticas C.A. Uniplast por Betancourt G., Carlos Alberto se encuentra bajo
una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 3.0 Unported
Índice:
Contenido
Pág.
Jurado
i
Dedicatoria
ii
Agradecimientos
iii
Resumen (español)
v
Resumen (ingles)
vi
Introducción
1
Capítulo I: El problema de la investigación
Marco Problemático
4
Objetivos:
General
Específicos
7
7
Justificación
8
Delimitaciones
9
Capítulo II: Marco Teórico
Antecedentes de la investigación:
11
Bases Teóricas
15
Inyección de plásticos
15
Máquinas inyectadoras de plástico
17
Partes Importantes de una máquina de inyección de plásticos
19
Tolva
19
Unidad de inyección
20
Sistema de calefacción
22
Resistencias
22
Termo Cuplas.
23
Unidad de cierre
24
Molde
25
Cavidad
25
Canales o conductos
26
Canales de Enfriamiento
26
Barras expulsoras
26
Unidad de potencia
26
Sistema de potencia Eléctrico
27
Sistema de potencia Hidráulico
27
Unidad de control
28
Parámetro de una inyectadora
28
Sistemas de control
29
Sistema de control a lazo abierto
31
Sistema de control a lazo cerrado
32
Sistema de control lineal y no lineal
33
Sistemas variantes e invariantes en el tiempo
34
Sistema de control continuo
35
Sistema de control centralizado
35
Sistema de control descentralizado
36
Sistema de control con dominio en el tiempo
37
PID (Proporcional integral derivativo)
37
Sistemas Automatizados
40
Detectores y Captadores
40
Accionadores y Preaccionadores
42
Tecnologías cableadas
Controladores de lógica cableada (WLC)
Tecnologías programadas
Controladores Lógicos Programables (PLC)
43
44
46
46
Campo de aplicación
48
Ventajas e incovenientes
49
Funciones Básicas
51
Nuevas Funciones
52
Estructura interna
54
Estructura externa
65
Dispositivos de control eléctrico
68
Contactor
68
Rele
71
Magneto térmico
74
Sensores de final de carrera
75
Presostatos
75
Variadores de frecuencia
77
Motor eléctrico
78
Asíncronos
79
Jaula de ardilla
81
Trifásicos
82
Cuadro de variables
83
Definición de términos
87
Capítulo III: Marco Metodológico
Diseño de la investigación
94
Población y muestra
96
Información suministrada
Instrumentos de recolección de datos
98
99
Capítulo V: Sistema Propuesto
Investigación Preliminar
110
Diagrama estructural de la máquina Omega
111
Identificación de las variables de control actuales del proceso de
la máquina Omega
122
Variables digitales
123
Variables Analógicas
128
Estudio del estado actual del tablero de control de la máquina Omega
128
Diagramas de bloque del sistema de potencia y control del tablero
actual de la máquina Omega
129
Diseño y selección de dispositivos para el nuevo tablero de control
de motores la máquina Omega
Criterio de selección
138
140
Diseño y selección de dispositivos para el nuevo tablero de control
de calefacción de la máquina omega
156
Diseño y selección de dispositivos para el área de boquilla del nuevo
tablero de control de calefacción de la máquina Omega
163
Construcción del nuevo tablero de control para la máquina Omega
165
Selección de los dispositivos de control
170
Controlador Lógico Programable (PLC)
171
Módulos de expansión local
175
Módulos de expansión remota
175
Programación del sistema de control
178
Diagrama de bloque del proceso general
179
Topología
186
Software del PLC
187
Bloques de función
188
Software de la pantalla HMI (MV4-670)
191
Pruebas del funcionamiento del nuevo tablero y el control del PLC
200
Recursos administrativos
206
Recursos Humanos
206
Recursos Técnicos
207
Recursos Administrativos
209
Capítulo V: Conclusiones
Conclusiones
210
Recomendaciones
213
Índice de ilustraciones
Figuras:
Pág.
1
Esquema de inyectadora IMA
18
2
Partes de una tolva
19
3
Husillo o tornillo de Extrusión
21
4
Resistencia tipo Banda
22
5
Termo cuplas tipo J, K, V
23
6
Unidad de cierre
24
7
Molde de una máquina de inyección de plásticos
25
8
Ingredientes básicos de diagrama de control
30
9
componente del sistema salida de un sistema de control
31
10
Sistema de control lazo abierto
32
11
Sistema de control a lazo cerrado
33
12
Sistema de control centralizado
35
13
Sistema de control descentralizado
36
14
Esquema de control marcha, paro de un motor
45
15
Controladores Lógicos Programables
47
16
Compacto modelo Logo (RLC)
66
17
Autómata compacto
67
18
PLC Modulares
68
19
Contactor 3 polos
68
20
Relé doble polo (N/A)(N/O)
71
21
Partes de un Magneto térmico
74
22
Interruptores Magneto Térmicos
75
23
sensor final de carreras
76
24
Presostato
77
25
Proceso de Variador de frecuencia
79
26
Motor asíncrono
80
27
Motor jaula de ardilla
81
28
Diagrama estructural de la máquina Omega
113
29
Caja reductora del sistema de extrusión
113
30
Entrada de material a la extrusora
114
31
Tolva
115
32
Extrusora o Cañón, y sus sistemas de calefacción
116
33
Cabezal
116
34
Tubo de transferencia Extrusora Acumulador
117
35
Acumulador y su sistema de calefacción
117
36
Pistón de inyección
118
37
Tubo de transferencia acumulador distribuidor
119
38
Distribuidor
119
39
Varillas de apertura y cierre de las boquillas
120
40
Molde
120
41
Sistema Hidráulico
121
42
Motores de las bombas del sistema Hidráulico
121
43
Motor principal
122
44
Finales de carrera de posición de varillas
124
45
Finales de carrera de posición de la prensa
125
46
Finales de carrera de control de acumulador
126
47
Presostato de alta presión del sistema Hidráulico
127
48
supervisor trifásico
127
49
Estructura fundamental de un tablero de control
129
50
Sección N°1 alimentación del tablero
131
51
SSR y magnetos térmicos
132
52
Pirómetros
132
53
Conexión estrella
133
54
Conexión de un motor en delta
134
55
Esquemático y diagrama eléctrico de conexión de motor de 12 puntas en
arranque estrella delta
135
56
Conexión estrella delta del tablero Omega
136
57
Variador de velocidad y su control
137
58
Botoneras, Relé de control
138
59
Esquema eléctrico del tablero de motores
139
60
Placa del motor Principal del sistema Hidráulico
140
61
Placa de datos de motor secundario del sistema Hidráulico
142
62
Placa del motor de la bomba de lubricación de la extrusora
144
63
Placa de datos del motor de la extrusora
148
64
Tabla de ampasidad de conductores de cobre
151
65
Esquema físico de los dispositivos a implementar
155
66
Diagrama Eléctrico del tablero de calefacción principal
156
67
Zonas de calefacción de la máquina Omega
157
68
Esquema eléctrico del área de boquillas del tablero nuevo de calefacción de
la máquina Omega
69
163
Esquema de distribución de los componentes en el
70
tablero de calefacción
164
Esquemático de posición de los tableros en la máquina Omega
165
71
Instalación de canaletas
166
72
Proceso de cableado de los tableros de control.
167
73
conexiones de alimentación para los tableros y el transformador
169
74
Cableados de control
170
75
PLC PS4-341-MM1
171
76
Módulos de expansión local
175
77
Módulos de expansión remota de termocuplas
175
78
Módulo de botoneras de expansión remota
176
79
HMI MV4-670, software de programación
177
80
Diagrama en bloque general del funcionamiento de la máquina
de inyección de plástico Omega
179
81
Diagrama de bloques a lazo cerrado del control de temperaturas
182
82
Diagrama en bloque a lazo abierto del control
de velocidad de la extrusora
184
83
Software de programación
186
84
Topología del PLC
187
85
Pantalla principal del programa Sucosoft S40
188
86
Mascara principal de la pantalla HMI
192
87
Masca de menú de temperaturas
192
88
Mascara de zonas de temperaturas
193
89
Mascara de opciones avanzadas de temperaturas
194
90
Mascara de boquillas.
194
91
Mascara de extrusora
195
92
Mascara de Alarmas
196
93
Mascara de motores
196
94
Mascara de monitor
197
95
Mascara del acumulador
198
96
Mascara de contraseñas
199
97
Mascara de ciclos
199
98
Mascara de ayudas.
200
99
Tablero de pruebas y Módulo de pantalla y PLC
201
100
Diagrama de conexión delta de motores de 12 puntas a 440v
202
101
Mediciones de potencia de motores y zonas de calefacción
203
Índice de tablas
Tabla
Pág.
1
Cuadro de variables
83
2
Mediciones de potencia de motores y zonas de calefacción
141
3
Placa del motor secundario des sistema Hidráulico
143
4
Placa del motor de la bomba de lubricación de la extrusora
145
5
Placa del motor de la extrusora
149
6
Sumatoria
de
los
consumos
individuales
de
corriente
de cada motor
150
7
Selección de protección contra corto circuito
152
8
Selección de contactores
153
9
Selección de conductores
154
10
Calculo de corriente de cada zona de calefacción
158
11
Selección de dispositivos de sistema de calefacción
160
12
Selección de conductores para cada zona de calefacción
161
13
Entradas del sistema
172
14
Salidas del sistema
173
15
Recursos humanos
208
16
Recursos técnicos
207
17
Recursos Administrativos
209
Índice de Gráficos
Gráfico
Pág.
1
Pregunta N° 1 de la encuesta
103
2
104
3
105
4
106
5
108
6
109
Índice de formulas
Fórmula
Pág.
1
Relación RPM con Frecuencia
78
2
Cálculo de corriente del motor trifásico
142
Índice de Anexos
Anexo
Pág.
A
Validación de instrumento de recolección de datos.
220
B
Entrevistas realizadas al personal ejecutivo de Industrias Uniplásticas.
221
C
Entrevistas realizadas al personal técnico, Mantenimiento y
producción de Industrias Uniplásticas.
222
D
Máquina Omega antes de la implementación.
223
E
Máquina Omega luego de la implementación.
224
F
Primera producción luego de la implementación.
224
Universidad Nueva Esparta
Facultad de Ingeniería
Escuela de Electrónica
Trabajo de Grado
Línea de Investigación: Diseño y desarrollo de aplicaciones o dispositivos de tipo
Electrónico.
Tema: Control e Instrumentación Industrial
Título: Diseño e implementación de un sistema de control mediante PLC para la
automatización de un proceso en una máquina de inyección de plástico en la empresa
Industrias Uniplasticas C.A Uniplast
Aprobado
Jurado
Jurado 1
Jurado II
Firma:
Firma:
Tutor
Rodolfo Gomes
C.I: V-13.978.030.
Firma:
DEDICATORIAS
El presente trabajo de grado es dedicado a dos mujeres muy importantes en mi
vida, en primer lugar a mi madre Miria Gomez, por siempre prestarme un apoyo
incondicional y motivarme a seguir luchando en los momentos más difíciles y por darme
la fortaleza necesaria para alcanzar el éxito.
En segundo lugar y no menos importante, a mi abuela Ligia Frías, que siempre ha sido
una segunda madre para mí, dándome palabras de aliento, comprensión, y por compartir
mis alegrías y logros, es por dichas razones que les he dedicado uno de muchos logros.
AGRADECIMIENTOS
A Dios en primer lugar por iluminar cada paso de mi vida, por darme salud y
colocar en el camino a diferentes personas que hicieron posible la culminación de mi
trabajo final de grado.
A mis progenitores Miria Gomez y Carlos Betancourt (QEPD), por darme la vida,
especialmente a mi madre por otorgarme una excelente formación personal
y
principalmente por suministrarme siempre educación y así poder llegar al éxito.
A mi abuela Ligia Frías, por estar conmigo en todo momento, por preocuparse por
mí, y darme palabras de aliento y apoyo.
A mi hermano Jesús Betancourt, T.S.U. en electrónica y a mi compañera Franmar
Acosta,
por el apoyo brindado, la ayuda y colaboración prestada para desarrollo del
proyecto de tesis.
También quiero agradecer al resto de mis familiares por estar al pendiente con la
culminación de mi trabajo de grado.
A mi Tutor de Tesis el Ingeniero Rodolfo Gomes, por su valiosa colaboración y
guía a lo largo de la elaboración del proyecto, por su inducción y su gran aporte para el
desarrollo del mismo.
Por otra parte agradezco a Industrias Uniplasticas C.A. Uniplasts por confiar en mí
y otorgarme el reto de realizar el Diseño e Implementación de un sistema de control
mediante P.L.C. para la automatización de un proceso en la máquina de inyección de
plásticos Omega.
Así mismo agradezco al Ingeniero Griseldino Hevia, asesor de planta, por su
confianza asesoría a lo largo de toda la ejecución del proyecto de grado.
De igual manera quiero agradecerle a toda la junta directiva, personal
administrativo, personal técnico, que laboran en Industrias Uniplasticas C.A. Uniplast, por
el apoyo brindado.
Finalmente agradezco a todos los profesores de la prestigiosa casa de estudios
Universidad Nueva Esparta por contribuir en mi formación, no solo educativa sino también
personal, por enseñarme a trabajar en grupo y otorgarme las herramientas necesarias
para defenderme en el campo laboral correspondiente a Ingeniería electrónica y
destacarme como profesional en el área.
RESUMEN
EL presente trabajo de grado consiste en el Diseño e implementación de un
sistema de control mediante PLC para la automatización de un proceso en una máquina
de inyección de plástico en la empresa Industrias Uniplasticas C.A Uniplast.
El sistema propuesto integra una pantalla HMI con el PLC, esto nos dará la
facilidad de acceso a todos los parámetros y visualización en tiempo real del estado de
proceso de la fabricación de una pieza plástica, así como también el aumento de la
producción de la máquina y se mejorara la seguridad del personal y de las instalaciones
de la planta.
Se describirán los métodos y los pasos que se llevaron a cabo para la realización
del presente trabajo de grado, explicando de forma detallada, el diseño, la contracción y
las pruebas realizadas durante la implementación.
Summary
This work comprises the design level and implementation of a PLC control system for
automation of a process in a plastic injection molding machine at Industrias Uniplasticas
C.A. Uniplast.
By implementing this system will be largely solved these problems optimally, and that the
proposed system integrates a screen HMI with PLC, this will give us easy access to all
parameters and real-time display of process status of manufacturing a plastic part, as well
as increased production of the machine and improve the safety of personnel and facilities
of the plant.
Describe the methods and the steps undertaken to carry out this work degree, explaining
in detail the design, contracting and testing during the implementation
Introducción
En el mundo moderno todo mejoramiento de procesos lleva consigo una
disminución de los desperdicios y una simplificación de las operaciones, mediante la
eliminación de la duplicación, el aseguramiento del valor agregado, la Estandarización, la
automatización y/o la mecanización de los procesos.
Según Industrias Uniplasticas C.A. Uniplast el
mercadeo
Manual de comercialización y
(02/05/2008) “…En un mercado donde prevalece la competencia, las
empresas buscan el mejoramiento a través de cambios que generen la satisfacción de los
clientes, disminución de las perdidas y optimización de los procesos que conlleva a un
incremento de la productividad; para los cuales se apoyan en programas, métodos,
procedimientos, entre otros, que ayuden al mejoramiento y estandarización del proceso
de producción...”
Bajo esta perspectiva, Industrias Uniplasticas, C.A. Uniplast, centra su interés y
dedicación en mejorar el control en el proceso de unas de sus máquinas (máquina
Omega) de inyección de plástico, implementará un controlador lógico programable (PLC)
para sustituir el sistema de control a través de lógica cableada que ya ésta posee.
El trabajo especial de grado que se presenta a continuación tiene como finalidad
proponer e implantar mejoras en el control del proceso de la máquina de inyección de
plástico Omega con la implementación de un controlador lógico programables (PLC), con
el fin de incrementar la eficiencia del proceso, la posibilidad de realizar cambios más
fácilmente del proceso en el futuro y el incremento de la producción, y así, satisfacer la
necesidad de la empresa.
En primer lugar se llevó a cabo un diagnóstico para observar metódicamente el
funcionamiento de la máquina, cuales variables intervienen en el proceso y la secuencia
en la que se ejecutan. En segundo término se examina el sistema de control que se está
utilizando, las condiciones en que se encuentra, su distribución y su funcionabilidad con la
finalidad de conseguir los datos necesarios para desarrollar el trabajo especial de grado,
queda estructurado de la siguiente forma:
Capítulo I
El presente capítulo lleva como título el problema de la investigación, este detallara
los diversos términos o etapas del proyecto como lo son el planteamiento del problema, la
justificación de la investigación, el objetivo general y específico, las delimitaciones
espaciales, de cronológicas, temáticas y técnicas, así como las limitaciones que se
puedan presentar en el plazo del mismo.
Capítulo II
Capítulo titulado marco teórico exponemos la teoría usada para el desarrollo de la
del trabajo de grado, mencionando los antecedentes de dicha mejora basándose en
aquellos trabajos previos relacionados con los objetivos de la investigación. Luego se
exponen aquellas bases teóricas, definición de términos y variables que respalden los
elementos teóricos de la investigación.
Capítulo III
Titulado como marco metodológico, refiere en primera instancia el propósito de la
investigación, las distintas propiedades empleadas para el desarrollo de dicha
investigación, el diseño de la investigación, los parámetros para la escogencia de la
población y muestra de la investigación y las técnicas y herramientas para la recolección
de datos.
Capítulo IV
Este capítulo se titula sistema propuesto y se caracteriza por presentar el sistema
a realizar mediante el diagrama en bloque del sistema, los recursos administrativos,
operacionales, técnicos y humanos para el desarrollo de la investigación en conjunto con
el cronograma de variables.
Capitulo V
En
el
presente
capitulo
se
presentara
las
conclusiones
obtenidas
y
recomendaciones en él presente trabajo de grado.
Capítulo I
Marco Problemático
Planteamiento del problema
Dentro de las funciones principales de toda Gerencia general de las empresas, es
la dedicación a solucionar los problemas de hoy y preparar la empresa para afrontar los
de mañana, Para ello, las actividades que se realizan están enmarcadas dentro de un
gran aspecto: mejoramiento.
Las empresas son tan buenas como sus procesos lo sean. Los distintos procesos
que conforman una organización deben identificarse, mapearse y mejorarse, para
aumentar la competitividad de las empresas.
Para llevar a cabo cualquier mejoramiento dentro del empresa, es necesario
invertir en nuevas maquinaria y equipos más eficientes, así como en la optimización de
los equipos ya existentes, el mejoramiento de la calidad del servicio a los clientes, el
aumento de los niveles de desempeño del recurso humano a través de la capacitación
continua, la inversión en investigación y desarrollo, pero sobre todo el compromiso de
todos los individuos que intervienen.
Bajo esta perspectiva Industrias Uniplásticas, C.A. Uniplast, como empresa
manufacturera dedicada a la fabricación de los productos plásticos tales como: Estivas
(paletas), Tanques, Formaletas, entre otros; no escapa a estos cambios, ya que basados
en la misión y en la política de calidad de la empresa las cual expresa “diseñar, fabricar y
comercializar productos plásticos de calidad, para satisfacer las necesidad de sus
clientes, con el mejoramiento continuo de la eficiencia de su sistema de gestión de la
calidad, y el esfuerzo y dedicación del recurso humano”, se observa el interés y
preocupación por la optimización de sus procesos.
La empresa cuenta actualmente con cinco líneas de producción; repartidas en
cinco máquinas de inyección de plástico (Alfa, Beta, Omega, Gamma, Épsilon), cada una
puede fabricar hasta dos tipos de productos plásticos diferentes simultáneamente, con un
tiempo de elaboración de 3 a 15 minutos, dependiendo de las características del producto
que se esté fabricando.
Las máquinas trabajan las 24 horas distribuidas en tres turnos, mañana, tarde y
noche, cada turno de siete (7), ocho (8) y nueve (9) horas respetivamente. Para la
fabricación de estos productos se utiliza tecnología de INYECCIÓN EN ESPUMA
ESTRUCTURAL, la cual permite que los productos sean más livianos y más resistentes,
empleando como materia prima polietileno de alta densidad (PEAD), en forma virgen y
recuperada; junto con el MASTERBACH (colorante), que le da el color gris oscuro
característico de las piezas. Existen diferentes formulaciones de acuerdo a las
necesidades de cada producto donde se va a emplear mayor porcentaje de materia prima
virgen.
Los productos de UNIPLAST son renovables, una vez concluida su vida útil, se
pueden volver a utilizar como materia prima recuperada. También son utilizados como
materia prima recuperada otros productos no fabricados por UNIPLAST tales como las
cestas y gaveras plásticas de pollos, refrescos, etc. Lo cual contribuye en el proceso de
reciclaje, disminuyendo la contaminación del planeta.
En la actualidad, tres de las máquinas de inyección de plástico (Beta, Gamma,
Épsilon) ya poseen un Controlador Lógico Programable (PLC) para el control de sus
procesos de producción, teniendo a las máquinas Alfa y Omega con un sistema de lógica
a relé como controlador, es en esta máquina donde se concentra el estudio y se
evidencian las siguientes situaciones; Siendo la máquina Omega con mayores
oportunidades de mejoras y por ello se elige ésta para el estudio. Algunas de las
observaciones detectadas son las siguientes sugerencias:
.-
La implementación de la lógica cableada en la automatización de proceso de la
máquina Omega, trae como consecuencia la dificultad en la corrección o el anexo de un
nuevo cambio en el proceso, debido a que debe ser reestructurado la lógica de control.
.-
Cuando ha existido la necesidad de cambios en el proceso, es necesario la
parada de la máquina por tiempos prolongados, ya que se debe reestructurar el tablero de
control; bajando la productividad de la empresa.
.-
Existen problemas en el funcionamiento de los componentes que forman parte del
tablero de control por su antigüedad.
.-
Debido a la gran cantidad de componentes incrementa la probabilidad de
ocurrencias de fallas y dificulta la ubicación-resolución de las mismas.
Todas estas situaciones, reducen la productividad que posee la máquina Omega
con respecto a las demás máquinas, disminuyendo así la capacidad de producción de la
empresa.
La importancia de este trabajo de grado, se resumen en las siguiente interrogantes
¿Cuales serial las posibles mejoras que se conseguirían con la implementación de un
Controlador Lógico Programable a la máquina Omega en Industrias Uniplásticas?
Objetivos
Objetivos General:
Diseñar e implementar un sistema de control mediante PLC para la automatización
de un proceso en una máquina de inyección de plástico en la empresa Industrias
Uniplásticas C.A Uniplast
Objetivos Específicos:
-
Evidenciar la necesidad del proyecto.
-
Realizar un estudio minucioso del proceso de la máquina Omega para conocer su
funcionamiento.
-
Observar la situación actual del funcionamiento de la máquina.
-
Examinar el tablero de control de la máquina Omega con el fin de comprender su lógica
de funcionamiento.
-
Diseñar un nuevo tablero de control para la máquina Omega, tomando en cuenta los
procesos que se desean mejorar.
-
Elaborar un nuevo tablero de control para la máquina Omega.
-
Comprobar el funcionamiento del nuevo tablero y el control del PLC
-
Implementar el PLC, y monitores de control que cumpla con la lógica de funcionamiento, y
muestren en tiempo real los procesos que se ejecutan en la maquina Omega.
-
Evaluar el rendimiento antes y después de la implementación del PLC.
Justificación
Industrias Uniplásticas C.A. Uniplast, es una empresa que se ha desarrollado
durante 42 años, consiguiendo un mayor crecimiento con la utilización de nuevas
tecnologías en el área de la producción y la automatización, logrando de esta forma
cubrir con las necesidades de un mercado cada vez competitivo a nivel nacional, y
pensando siempre en sobrepasar sus expectativas creando nuevos productos y
mejorando sus procesos de producción, bajo estos lineamientos Industrias Uniplásticas
C.A. Uniplast posee como objetivo establecer las mejoras en la automatización de una de
sus máquinas (máquina Omega) con la búsqueda de incrementar la efectividad, seguridad
y la productividad de esta máquina y para la empresa en general.
Al mejorar la eficiencia de funcionamiento de la máquina Omega mediante la
implementación de un controlador lógico programable (PLC), la empresa tendrá una
mejora en todo el proceso de producción, ya que contará con la actualización de la
máquina Omega, dejando en el pasado las paradas prolongadas de la máquina por
cambios de parámetros del proceso, la constantes fallas eléctricas en el tablero de control
por componentes antiguos y ausencias de planos eléctricos. Por lo que se obtendrá un
sistema de control confiable y seguro. Del mismo modo se logrará una mejor planificación
a corto, mediano y largo plazo con respecto a las metas de producción de productos que
en la empresa se fabrican, cumpliendo de esta forma con la demanda del mercado
nacional.
Para la Universidad Nuevas Esparta, este trabajo servirá para afianzar las
relaciones con las empresas permitiendo así el intercambio científico y tecnológico; y un
aporte para las asignaturas que integran la carrera de Ingeniería Electrónica, con los que
se busca aplicar los conocimientos impartidos en dichas cátedras, así como también se
podrá utilizar como referencia para otras investigaciones.
Esta experiencia le permite al investigador el desarrollo de los estudios de
pregrado aplicando todas las herramientas necesarias, adquiridas durante la estadía en la
Universidad; al mismo tiempo cumplir con un requisito exigido para obtener el título de
Ingeniero Electrónico.
Delimitaciones
Delimitaciones Geográficas:
-
La investigación e implementación del proyecto se realizó en las instalaciones de
industrias Uniplásticas C.A. Uniplast, ubicada en el Edo Miranda, Guatire, también se
realizo estudios en los laboratorios de la Universidad Nueva Esparta, Localizada en la Av.
Sur 7, Urbanización Los Naranjos. Municipio el Hatillo. Caracas,
Delimitaciones Temáticas
-
El presente trabajo de grado se desarrolló en el área de Electrónica de potencia y en
sistema de control, tanto eléctrico como electrónico específicamente en el área de
Controladores Lógicos Programables (PLC).
Delimitaciones Cronológicas
-
La investigación se realizó en un tiempo de 6 meses, iniciando la etapa de investigación
en Agosto del 2011 hasta finalizar la implementación en enero del 2012.
Delimitaciones Técnicas
-
El Proyecto se desarrollara exclusivamente para una máquina de inyección de plástico
con la finalidad de realizar una mejora a su sistema de control, específicamente será
implementada en la máquina de inyección de plástico Omega que está ubicada en de
industrias Uniplásticas C.A. Uniplast, esta cumple la función de fabricar piezas de
plásticos tales como: formaletas, paletas, piso porcino, etc. se sustituirá los antiguos
método de lógica de control, por la implementación de controladores lógicos programables
(PLC) y se construirán dos nuevos tableros de control.
El presente trabajo de grado se regirá bajo los parámetros de funcionamiento de la
máquina de inyección de plásticos Omega, tales como, lógica, potencia y velocidades y
específicamente bajo las condiciones laborales de Industrias Uniplásticas C.A. Uniplast.
Capítulo II
Marco Teórico
Antecedentes de la investigación:
Según la Rena (Red Escolar Nacional) (2008) define antecedentes de la
investigación como: “Los antecedentes, son todos aquellos trabajos de investigación que
preceden al que se está realizando. Son los realizados relacionados con el objeto de
estudio presente en la investigación que se está haciendo”.
En la elaboración de este trabajo de grado se realizó una indagación y revisión
documental, donde se hallaron los siguientes antecedentes que dieron los primeros pasos
en la elaboración de esta propuesta.
1.-
Zerpa (2008) elaboró un trabajo de grado denominado “Mejoras en las áreas de
molino y mezclado en el proceso de fabricación de piezas plásticas de las industrias
Uniplásticas C.A. Uniplast” Trabajo especial de grado para optar al título de Ing. Industrial
Universidad Nacional Experimental, Politécnica Antonio José de Sucre, Caracas.
El estudio se centró en una evaluación de la situación actual en que se encontraba
la fábrica, el área de molino y mezclado de material y el proceso de fabricación de las
máquinas de inyección, con la finalidad de llevar a cabo adecuaciones de una serie de
equipos que permitieran una mejoría en el traslado de la materia prima desde el área de
mezclado hasta las máquinas, esta investigación se llevó a cabo en las instalaciones de
Industrias Uniplásticas, C.A. Uniplast para estudiar los espacios físicos de la planta que
equipos se necesitarían utilizar. Y como seria la lógica que Implementarían en la
programación del PLC para determinar que máquinas son las que se necesitan cargar con
materia prima y cuando parar.
Los resultados arrojados por ese estudio sirvieron en el presente trabajo de grado
para entender el proceso de producción de la maquinas desde su comienzo en el área de
molino hasta su final como piezas fabricadas.
2.(PLC)
Eaton Moeller Powering Business Worldwide: Controlador lógico programable
PS4-341-MM1 fabricación 01/2001.
PLS Serie 300 modelo PS4-341-MM1 Moeller compacto PLC PS4 son todo-en-uno
que los dispositivos están equipados con un conjunto completo de funciones de hardware
y software y adecuado tanto para uso industrial en la automatización de fábrica y el
control de muchas aplicaciones de construcción.
Los dispositivos pueden ser simplemente ampliados de forma local, utilizando
módulos LE4 o a través de redes remotas usando módulos EM4.
Todo el PLC compacto está en red y programable vía bus de campo integrado. El
software de programación es aplicable a todos los Sucosoft S40, un paquete de
programación fácil de usar con la norma IEC 61131-3.
Trabaja con una tensión de alimentación de 24v DC y corriente de 1 Amp; posee
16 entradas digitales de 24v y 2 entradas analógica, también cuenta con 14 salidas
digitales de 24v 0.5 Amp y una salida analógica de 0-10 V de 10 bits; tiempo de
procesamiento de 0.5ms por instrucción tipo de conexión suconet k.
PS4-341-MM1 de programación de software y cable basado en Windows, IEC
1131-3 paquete de software compatible, para la programación de la PS4-141-MM1, PS4151-MM1 o PS4-201-MM
1 CD ROM
1 Un conjunto de documentación
(Requiere Windows 3.1 o superior)
Con opciones de visualización de interfaz máquina humano compatible con todos
los modelos de monitores MV4 y MI4.
Posee una capacidad de expansión de 5 módulos Le4 de entradas y salidas
Digitales y con la opción de poseer un PLC esclavo se aumenta a 5 módulos Le4 de
entradas y salidas Digitales. Y con una capacidad de conexión de 8 equipos remotos ya
sean Monitores de control MV4 o MI4, Botoneras, PLC esclavos y módulos analógicos
EM4.
La descripción antes mostrada del producto PS4-341-MM1 ayudó en la selección
del dispositivo a usar en el trabajo de grado; ya que cuenta con una gran capacidad de
procesamiento, un lenguaje de programación amigable con el software Sucosoft S40,
capacidad de aumentar entradas o salidas analógicas y digitales, por último brinda la
posibilidad de trabajar con un monitor de procesos, todo esto es necesario en la
automatización de la máquina de inyección de plástico ya que esta posee una gran
variedad de dispositivos como sensores Digitales y sensores analógicos que deben ser
supervisados en tiempo real y se debe mostrar sus estados en un monitor de procesos.
3.-
Zanella
Rodríguez
(1996)
Elaboró
un
trabajo
de
grado
denominado
“automatización de máquina inyectadora de aluminio a partir del uso de controladores
lógicos programables (PLC)” trabajo especial de grado para optar por el título de Ingeniero
Electrónico en la universidad Nueva Esparta, caracas.
Este trabajo de grado plasmó aportes muy importantes en nuestra investigación
ya que el objetivo planeado fue diseñar y construir un tablero de control con la finalidad de
sustituir el control con lógica a base de transistores por un sistema basado en lógica
programada mediante el uso de autómatas programables. Se describe paso a paso los
distintos procesos que debe llevar a cabo el controlador lógico programable para cumplir
con el proceso de producción de piezas en aluminio, así como también en la elaboración
del tablero de control se describen los distintos dispositivos que debe llevar ( dispositivos
de protección, actuadores, sensores, tipo de cableado, distribución del cableado, etc.).
Los resultados arrojados por ese estudio sirvieron en el presente trabajo de grado
para entender y conocer los distintos pasos que se deben seguir en la elaboración de un
tablero de control y de cómo llevaron a cabo los distintos procesos con el autómata
programable.
Bases Teóricas
Gómez M. Marcelo (2006) define de una manera clara y sencilla lo que es el marco
metodológico de la siguiente forma:
“Siempre es importante ver el pasado para construir el presente y mirar hacia el futuro. Si
la ciencia es un cuerpo de conocimientos sistemático y estructurado, resulta conveniente
localizar, obtener y consultar estudios antecedentes, libros, revistas científicas, paginas de
interne y toda aquella fuente que se relacione directamente con nuestro problema o tema
de investigación”.
El marco teórico, que orientó el desarrollo de esta investigación, se describe a
continuación:
Inyección de plásticos:
Según Cervantes Hernanadez Luis Eduardo, Curiel Hernanadez Eduardo, Pavia
Meza Constantino Israel Lazaro, Soto Vazquez Franscisco Eduardo (02 del 2005). “El
moldeo por inyección es un proceso semi-contínuo que consiste en inyectar un polímero o
cerámico en estado fundido (o ahulado) en un molde cerrado a presión y frío, a través de
un orificio pequeño llamado compuerta. En ese molde el material se solidifica,
comenzando a cristalizar en polímeros semi-cristalinos. La pieza o parte final se obtiene al
abrir el molde y sacar de la cavidad la pieza moldeada.”
El moldeo por inyección es una técnica muy popular para la fabricación de
artículos muy diferentes. Sólo en los Estados Unidos, la industria del plástico ha crecido a
una tasa de 12% anual durante los últimos 25 años, y el principal proceso de
transformación de plástico es el moldeo por inyección, seguido del de extrusión. Un
ejemplo de productos fabricados por esta técnica son los famosos bloques
interconectables LEGO y juguetes Playmobil, así como una gran cantidad de
componentes de automóviles, componentes para aviones y naves espaciales.
Los polímeros han logrado sustituir otros materiales como son madera, metales,
fibras naturales, cerámicas y hasta piedras preciosas; el moldeo por inyección es un
proceso ambientalmente más favorable comparado con la fabricación de papel, la tala de
árboles o cromados. Ya que no contamina el ambiente de forma directa, no emite gases ni
desechos acuosos, con bajos niveles de ruido. Sin embargo, no todos los plásticos.
Pueden ser reciclados y algunos susceptibles de ser reciclados son depositados en el
ambiente, causando daños al medio ambiente.
La popularidad de este método se explica con la versatilidad de piezas que pueden
fabricarse, la rapidez de fabricación, el diseño escalable desde procesos de prototipos
rápidos, altos niveles de producción y bajos costos, alta o baja automatización según el
costo de la pieza, geometrías muy complicadas que serían imposibles por otras técnicas,
las piezas moldeadas requieren muy poco o nulo acabado pues son terminadas con la
rugosidad de superficie deseada, color y transparencia u opacidad, buena tolerancia
dimensional de piezas moldeadas con o sin insertos y con diferentes colores.
El proceso de inyección de plástico consiste en calentar los pellets de un material
termoplásticos para transformarlos en un tipo de masa a través de un cilindro de
plastificación, dándole la forma final al molde. Cuando el plástico está en el molde, se
enfría por medio de circuitos donde fluye el agua y finalmente, se abre el molde para
obtener la pieza sólida.
Fuente: Cervantes Hernanadez Luis Eduardo, Curiel Hernanadez Eduardo,
Constantino Israel Lazaro, Soto Vazquez Franscisco Eduardo (02 del 2005).
Pavia Meza
Las máquinas de inyección tienen sistemas hidráulicos, los cuales controlan el
movimiento del sistema de inyección y cierre; y sistemas eléctricos, que controlan las
temperaturas, flujo de agua, aceite, etc.
El proceso de inyección se divide en 3 partes:
.- Inyección
.- Plastificación
.- Expulsión
Máquinas inyectadoras de plásticos:
El propósito de las máquinas inyectadoras de plásticos es que sean capases de
suministrar la materia prima requerida por el usuario al molde, el cual debe tener un
sistema de enfriamiento apropiado. Para que el producto se encuentre en buen estado y
no pierda sus propiedades ni las especificaciones indicadas.
Los sistemas que componen la maquina son: Sistemas hidráulicos, términos, mecánicos
de enfriamiento y control como muestra la figura N°1.
Fuente: (Extraída de inyección de termo plásticos online 18/4/2011)
Figura N° 1
Cuando se aplica calor a un material termoplástico para fundirlo se dice que se
plastifica. El material ya fundido plastificado por calor puede hacer fluir mediante presión y
llenar un molde donde la materia se solidifica y toma forma del molde. Este proceso se le
nombra moldeo por inyección.
El principio básico de la máquina inyectadora comprende las tres operaciones siguientes
1.- Elevar la temperatura del plástico a un punto donde pueda fluir bajo aplicación de
presión. Normalmente esto se hace calentando los gránulos del material hasta formar una
masa fundida con una viscosidad y temperatura uniforma. Actualmente esto se hace
dentro del barril de la máquina
2.- Permitir la solidificación del material en el molde cerrado. En esta etapa el material
fundido ya plastificado, se transfiere a la parte inferior del cañón o sea la boquilla, que
inyecta hacia los varios canales del molde para llegar a las cavidades donde toma la
forma del producto.
3.- Apertura del molde para la extracción de la pieza. Esto se hace después de mantener
el material bajo presión dentro del molde y una vez que el calor es removido para permitir
solidificar el material en la forma deseada.
Partes importantes de una máquina de inyección de plásticos:
La tolva
Según el sitio web Fabricación de productos plásticos por inyección es el
recipiente en que se tiene depositado el material que va a ser transformado en la
máquina. Puede tener la forma de un cono o de una pirámide invertida como se puede ver
en la Figura Nº 2.
Normalmente posee una tapa, una mirilla, un agujero en la parte inferior para dar paso al
material hacia el cilindro y un sistema para bloquear el paso del material hacia abajo.
Figura Nº 2
Partes de una tolva
Fuente (Protoplásmicos 18/4/20110)
Unidad de inyección
Según la Universidad de Antioquia en su página web dice que la función principal
de la unidad de inyección es la de fundir, mezclar e inyectar el polímero. Para lograr esto
se utilizan husillos de diferentes características según el polímero que se desea fundir.
El estudio del proceso de fusión de un polímero en la unidad de inyección debe
considerar tres condiciones termodinámicas:
1. Las temperaturas de procesamiento del polímero.
2. La capacidad calorífica del polímero Cp [cal/g °C].
3. El calor latente de fusión, si el polímero es semi-cristalino.
El proceso de fusión necesita de un aumento de la temperatura del polímero, que
resulta del calentamiento y la fricción de este con la cámara y el husillo como puede verse
en la figura Nº (3). La fricción y esfuerzos cortantes son básicos para una fusión eficiente,
dado que los polímeros no son buenos conductores de calor. Un incremento en
temperatura disminuye la viscosidad del polímero fundido; lo mismo sucede al
incrementar la velocidad de corte. Por ello ambos parámetros deben ser ajustados
durante el proceso. Existen, además, cámaras y husillos fabricados con diferentes
aleaciones de metales, para cada polímero, con el fin de evitar el desgaste, la corrosión o
la degradación. Con algunas excepciones —como el PVC—, la mayoría de los plásticos
pueden utilizarse en las mismas máquinas.
Fuente (Protoplásmicos 18/4/20110)
La unidad de inyección es en origen una máquina de extrusión con un solo husillo,
teniendo la cámara calentadores y sensores para mantener una temperatura programada
constante. La profundidad del canal del husillo disminuye de forma gradual (o drástica, en
aplicaciones especiales) desde la zona de alimentación hasta la zona de dosificación. De
esta manera, la presión en la cámara aumenta gradualmente. El esfuerzo mecánico, de
corte y la compresión añaden calor al sistema y funden el polímero más eficientemente
que si hubiera únicamente calentamiento, siendo ésta la razón fundamental por la cual se
utiliza un husillo y no una autoclave para obtener el fundido.
Una diferencia sustancial con respecto al proceso de extrusión es que durante la
dosificación el husillo retrocede transportando el material hacia la parte anterior de la
cámara. Es allí donde se acumula el polímero fundido para ser inyectado. Esta cámara
actúa como la de un pistón; el husillo entonces, se comporta como el émbolo que empuja
el material. Tanto en inyección como en extrusión se deben tomar en cuenta las
relaciones de PvT (Presión, volumen, temperatura), que ayudan a entender cómo se
comporta un polímero al fundir.
Figura Nº 3: Husillo o tornillo de extrusión
Fuente: (Extraída de Universidad de Antioquia 18/4/2011)
SISTEMAS DE CALEFACCIÓN:
Esta encargado de aportar calor por conducción al material plástico. Trabaja en
forma de ciclo cerrado, es decir, está en permanente chequeo y se ajusta
automáticamente cuando hay desviaciones. Es un sistema muy importante ya que de él
depende en gran medida el trabajo repetitivo de la máquina.
Partes que conforman un sistema de calefacción
Resistencias: Son las encargadas de aportar el calor que genera el proceso de
fusión del material plástico. Son de tipo banda como se ve en la figura Nº 4 y se
encuentran apretadamente ajustadas a la superficie externa del cilindro.
Figura Nº 4 Resistencia tipo Banda
Fuente (Protoplásticos 18/4/2011)
Debido a la ineficiencia del proceso de conversión de energía eléctrica a térmica,
deben tener ayudas para recuperar parte del calor que se pierde.
Termocuplas: Son las encargadas de poner en contacto a la resistencia con el
sistema que las controla. No conducen calor, sino una señal en mili-voltios que aumenta o
disminuye en forma proporcional al aumento o disminución de temperatura. Hay de varios
tipos: J, K, V, etc.: es muy importante reemplazarlas cuando se dañan por una del mismo
tipo, se puede ver su comportamiento en la figura Nº 5
Figura Nº 5
Termo cuplas tipo J, K, V
.
Fuente (ProtoPlásticos 18/04/2011)
Dependiendo de cuantas hayan instaladas y de cuantos equipos de control se
tengan, el cilindro va a estar dividido en 3, 4, 5 o más zonas, más 1 en boquilla.
No leen la temperatura de la masa, sino la temperatura del cilindro en esa zona en
particular, por tanto el material puede estar a una temperatura mayor de la que es
registrada.
Unidad de cierre:
Es una prensa hidráulica o mecánica como se muestra en la figura N°6, con una
fuerza de cierre bastante grande que contrarresta la fuerza ejercida por el polímero
fundido al ser inyectado en el molde. Las fuerzas localizas pueden generar presiones del
orden de ciento de MPa, que solo se encuentra en el planeta de forma natural únicamente
en los puntos más profundos del océano.
Figura N° 6 Unidad de cierre
Fuente (Tomada de revista ingeniería plástica 18/4/2011)
Si la fuerza de cierra es insuficiente, el material se escapará por la unión del
molde, causando así que pieza final tenga defectos de rebabas. Es común utilizar el área
proyectada de una pieza (área que representa perpendicularmente a la unidad de cierre el
total de la cavidad) para determinar la fuerza de cierra requerida excluyendo posibles
huecos o agujeros de la pieza.
Molde:
El molde (también llamado herramienta) es la parte más importante de la máquina
de inyección, ya que es el espacio donde se genera la pieza; para producir un producto
diferente, simplemente se cambia el molde, al ser una pieza intercambiable que se
atornilla a la unidad de cierre; ver figura N°7
Figura N° 7
Molde de una máquina de inyección de plásticos
Fuente (Extraída de revista ingeniería plástica 18/4/2011)
Las partes del molde son:
1.- Cavidad: es el volumen en el cual la pieza será modelada.
2.- Canales o ductos: son conductos a través de los cuales el polímero fundido fluye
debido a la presión de inyección. El canal de alimentación se llena a través de la boquilla,
los siguientes canales son los denominados bebederos y finalmente se encuentra la
compuerta.
3.- Canales de enfriamiento: son canales por los cuales circula agua para regular la
temperatura del molde. Su diseño es complejo y específico para cada pieza y molde, ya
que se un correcto enfriamiento depende que la pieza no se deforme debido a
contracciones irregulares.
4.- Barras Expulsoras: al abrir el molde, estas barras expulsan la pieza modelada fuera
de la cavidad, pudiendo a veces contar con la ayuda de un robot para realizar la
operación
La unidad de potencia
Es el sistema que suministra la potencia necesaria para el funcionamiento de la
unidad de inyección y de la unidad de cierre. Los principales tipos de sistemas de
potencia se pueden clasificar como.
Sistema de motor eléctrico con unidad reductora de engranajes
Sistema de motor hidráulico con unidad reductora de engranajes
Sistema hidráulico directo
Sistema de potencia eléctrico: El sistema eléctrico se utiliza generalmente en
máquinas relativamente pequeñas. Este sistema se emplea tanto para el giro del tornillo
como para la apertura y cierre del molde. La máquina emplea dos sistemas mecánicos de
engranajes y palancas acodadas, uno para el cierre del molde y otro para el tornillo. Cada
uno accionado por un motor eléctrico independiente. El accionamiento del tornillo cuando
realiza la inyección lo ejecuta un cilindro hidráulico. En los sistemas con motor eléctrico, la
velocidad puede ajustarse sólo en un determinado número de valores, lo cual puede
ocasionar problemas en la reproducción de parámetros de operación y dificultar la
obtención de piezas con una calidad constante. Los motores eléctricos generan grandes
torques de arranque, por lo que debe tenerse precaución al usar tornillos con diámetros
pequeños para evitar que se rompan.
Sistema de potencia hidráulico: Los motores hidráulicos son los más
comúnmente utilizados, su funcionamiento se basa en la transformación de la potencia
hidráulica del fluido en potencia mecánica. A diferencia de los sistemas electromecánicos,
donde la potencia es transmitida a través de engranajes y palancas, en un sistema con
fluidos estos elementos se sustituyen, parcial o totalmente, por tuberías de conducción
que llevan el fluido a presión a los pistones de inyección y de cierre del molde. El fluido
que más se utiliza es el aceite debido, principalmente, a sus propiedades lubricantes en
aplicaciones que involucran grandes cargas. En los sistemas hidráulicos es común utilizar
presiones que varían entre los 70 y 140 kg/cm2. Las ventajas del motor hidráulico con
respecto al eléctrico pueden resumirse principalmente en:
1. Fácil variación de velocidades, regulando el volumen de fluido.
2. La relación entre el torque y la velocidad es aproximadamente lineal. El límite de
torque se determina por la presión limitante y el torque de arranque es
aproximadamente igual al de funcionamiento.
3. Permite arranques y paradas rápidos debido al pequeño momento de inercia.
4. Permite relaciones bajas de peso potencia, lo que posibilita alcanzar altas
velocidades de inyección del material.
La Unidad de control
Este sistema básicamente contiene un controlador lógico programable (PLC) y
controladores PID para las resistencias eléctricas del barril y de la boquilla. El PLC
permite programar la secuencia del ciclo de inyección y recibe señales de alarma, por
sobrepresión o finales de carrera, para detener el ciclo. Los controladores PID son los
más adecuados para el control de temperatura debido a su elevada velocidad de
respuesta para mantener la temperatura a los niveles requeridos.
Parámetros de una inyectora
Las principales características utilizadas para dimensionar y comprar máquina
inyectadoras son:

Capacidad o fuerza de cierre: usualmente se da en toneladas (ton)

Capacidad de inyección: es el volumen de material que es capaz de suministrar la
máquina en una inyección (cm3/inyección). Es común dar este valor en gramos, tomando
como referencia la densidad del poliestireno.

Presión de inyección: es la presión máxima a la que puede bombear la unidad de
inyección el material hacia el molde. Usualmente se trabaja a un 60% de esta presión o
menos.

Capacidad de plastificación: es la cantidad máxima de material que es capaz de
suministrar el tornillo, por hora, cuando plastifica el material; se da en kg/h.

Velocidad de inyección: es la velocidad máxima a la cual puede suministrar la unidad de
inyección el material hacia el molde; se da en cm3/s.
Sistemas de control
En años recientes, los sistemas de control han venido adquiriendo un papel muy
importante en el desarrollo y avance de la civilización y tecnología moderna. Casi todos
los aspectos de nuestras actividades cotidianas son afectados por algún tipo de sistema
de control.
Fuente: Benjamín C. Kuo
Según el libro Sistemas de control (Benjamín C. Kuo) menciona que: “Los sistemas
de control son muy comunes en todos los sectores industriales desde el control de calidad
de productos industriales, líneas de ensamble automático, control de máquinas
herramientas, tecnología espacial y armamento, control por computadora, sistemas de
inventarios y los sistemas de control sociales y económicos, pueden resolverse con
enfoques de teoría de los controles automáticos”.
Sea cual fuese el sistema de control, todos tienen tres aspectos comunes que son:
1.- Objetivos del control.
2.- Componentes del sistema de control.
3.- Resultados.
En la figura Nº 8 se ilustra la relación entro estos tres ingredientes básicos en
forma de diagrama de bloques.
Figura Nº 8 Ingredientes básicos de diagrama de control
Fuente: Autor del presente trabajo de grado
En términos más científicos, estos tres ingredientes básicos pueden identificarse
como entradas, componentes del sistema y salidas, respectivamente, como se muestra
en la figura Nº 9.
Figura Nº 9 Entrada, componente del sistema salida de un sistema de control
En general, el objetivo de un sistema de control consiste en controlar las salidas C
de una manera predeterminada, por medio de las entradas U y aplicando los elementos
del sistema de control. A las entradas del sistema de control se le llama también señales
de control y las salidas variables controladas.
Sistemas de control a lazo abierto.
Según el Ing. Castillo Paolo (2007) “Es aquel sistema en que solo actúa el proceso
sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la
señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación
hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control”. Es decir, la señal
de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador; como se puede ver en
la figura Nº 10.
Figura Nº 10 (Sistema de control lazo abierto)
Sistema de control a lazo cerrado.
Según el sitio web Benjamín C. Kuo (4 de mayo del 2007) define “Los sistemas de
control en lazo cerrado se definen como aquellos en los que existe una realimentación de
la señal de salida”, o dicho de otra forma, aquellos en los que la señal de salida tiene
efecto sobre la acción de control. En algunas ocasiones, la señal controlada y la señal de
referencia no son de la misma naturaleza, por ejemplo, la señal controlada puede ser una
velocidad, y la señal de referencia una tensión. El instrumento encargado de detectar la
señal de salida para utilizarla de nuevo en el captador. Este elemento mide la señal
controlada y la transforma en una señal que puedan entender los demás componentes del
sistema del controlador. Los tipos más habituales de señales empleadas suelen ser
neumáticas o eléctricas.
Las señales neumáticas empleadas suelen ser señales variables que oscilan
linealmente entre 0,2 y 1 kg/cm2. En cambio, las señales eléctricas que se utilizan suelen
tomar valores comprendidos entre 4 y 20 mA, o entre 1 y 5 V en corriente continua.
Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de
salida. Sus características son: Complejos, pero amplios de parámetros. La salida se
compara con la entrada y la afecta para el control del sistema. Estos sistemas se
caracterizan por su propiedad de retroalimentación como se puede ver en la figura Nº 11.
Más estable a perturbaciones y variaciones internas.
Figura Nº 11 Sistema de control a lazo cerrado
Fuente: Mecatrón (2008)
Sistema de control lineal y no lineal:
Según el libro Kuo Benjamin C. en su libro Sistemas de control menciona que:
“Esta clasificación se basa en los métodos de análisis y diseño. En su concepto estricto,
los sistemas lineales no existen en la práctica, pues todos ellos tienen un cierto grado de
no linealidad. Los sistema de control lineales realimentados son modelos idealizados que
solo existen como concepto en la mente del analista para simplificar el análisis y diseño”.
Cuando las magnitudes de las señales de un sistema de control están limitadas a un
intervalo en el que los componentes exhiben características lineales (esto, se aplica el
principio de superposición), el sistema es esencialmente lineal.
No obstante, cuando las magnitudes de las señales se extienden más allá del intervalo
de la operación lineal el sistema deja de ser considerado como tal, dependiendo de la
magnitud de la no linealidad. Por ejemplo, los amplificadores que se usan en los sistemas
de control, suelen exhibir un efecto de saturación cuando sus señales de entrada son muy
grandes; el campo magnético de un motor casi siempre tiene propiedades de saturación.
Otros efectos no lineales comunes de los sistemas de control son la asimetría o desajuste
mecánico de los miembros acoplados mediante engranajes, las características no lineales
de los resortes, las fuerzas de fricción o torsión no lineales entre miembros móviles, etc.
Estos introducen apropósito en los sistemas de control para mejorar su desempeño o
lograr un control más efectivo.
Sistemas invariantes y variantes en el tiempo:
Según Kuo Benjamin C. en su libro Sistemas de control define que: “Cuando los
parámetros de un sistema de control son estacionarios con respecto al tiempo durante la
operación del mismo, se trata de un sistema invariante con el tiempo. En la práctica la
mayor parte de los sistemas reales contienen elementos que varían con el tiempo. Por
ejemplo, la resistencia del devanado de un motor eléctrico varia cuando este sea excitado
y se eleve su temperatura. Otro ejemplo de un sistema variable con el tiempo es el control
de un proyectil dirigido en el que la masa del proyectil disminuye a medida que el proyectil
consume su combustible durante el vuelo. Aunque un sistema variable con el tiempo sin
linealidad es todavía u sistema lineal, el análisis y diseño de esta clase de sistema suelen
ser mucho más complejos que los lineales invariantes con el tiempo.
Sistema de control continuo:
Según Kuo Benjamin C. en su libro Sistemas de control describe que: “Un sistema
continuo es aquel en el que la señales de diferentes partes del sistema son todas
funciones de la variable continua de tiempo T”. Entre los sistemas de control continuos,
las señales pueden clasificarse como de ca o cd. A diferencia de las definiciones
generales de señales de ca o cd que se usan en la ingeniería eléctrica, los sistemas de
control de ca, casi siempre se está haciendo referencia a señales del sistema que se han
modulado de alguna manera. Por otra parte, cuando se trata de un sistema de control cd
simplemente significa que las señales no están moduladas, pero siguen siendo señales ca
de acuerdo con la definición convencional.
Sistema de control centralizado:
Control centralizado es cuando en una organización, se fijan los sistemas de control en
una unidad central, que supervisa toda la información global y establece los controles
para todos los procesos de una planta se puede observar en la figura Nº 12.
Figura Nº 12 (Sistema de control centralizado)
Sistema de control descentralizado:
Según el sitio web voltimum define que: “sistema que no dispone de un elemento a
partir del cual salen las conexiones físicas y las órdenes de control, sino que todos y cada
uno de los elementos del sistemas están conectados entre sí a través de un bus y todos
ellos disponen del suficiente control interno para ejecutar las funciones para las que están
diseñados, utilizando el bus como medio de comunicación entre todos ellos” como
muestra la figura Nº 13.
Figura Nº13 (sistema de control descentralizado)
Fuente: Web Voltium
Sistema de control con dominio en el tiempo:
Según Benjamín C. Kuo define que: el diseño en el domino del tiempo se refiere a
la utilización de las propiedades en el dominio del tiempo como el PID (Proporcional
integral derivativo) que estos puedan ser diseñados con eficiencia.
PID (Proporcional Integral Derivativo):
Es un mecanismo de control por realimentación que se utiliza en sistemas de
control industriales. Un controlador PID corrige el error entre un valor medido y el valor
que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción correctora que puede
ajustar al proceso acorde.
El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: El Propo
rcional, el Integral, y el Derivativo.
El valor Proporcional determina la reacción del error actual.
El Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos aseg
ura queaplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a
cero.
El Derivativo determina la reacción del tiempo en el que el error se produce.
La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un elemento
de control como la posición de una válvula de control o la energía suministrada a un
calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres constantes en el algoritmo de control del
PID, el controlador puede proveer un
control diseñado para lo que requiera el proceso a
realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en términos de respuesta del
control ante un error, el grado el cual el controlador llega al set point; y el grado de
oscilación del sistema. Nótese que eluso del PID para control no garantiza control óptimo
del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno
o dos modos de los que proveeeste sistema de control. Un controlador PID puede ser llam
ado también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control respectivas.
Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy
sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor
deseado debido a la acción de control.
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule un
proceso o sistema se necesita, al menos:
1. Un sensor, que determine el estado del sistema (termómetro, caudalímetro,
manómetro, etc.).
2. Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.
3. Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada (resistencia eléctrica,
motor, válvula, bomba, etc.).
El sensor proporciona una señal analógica o digital al controlador, la cual
representa el punto actual en el que se encuentra el proceso o sistema. La señal puede
representar ese valor en tensión eléctrica, intensidad de corriente eléctrica o frecuencia.
En este último caso la señal es de corriente alterna, a diferencia de los dos anteriores,
que son con corriente continua. El controlador lee una señal externa que representa el
valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto
de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la
señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez,
la señal pueda ser entendida por un humano, habrá que establecer algún tipo de interfaz
(HMI‐Human Machine Interface), son pantallas de gran valor visual y fácil manejo que se
usan para hacer más intuitivo el control de un proceso. El controlador resta la señal de
punto actual a la señal de punto de consigna, obteniendo así la señal de error, que
determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado (consigna) y el
valor medido. La señal de error es utilizada por cada uno de los 3 componentes del
controlador PID. Las 3 señales sumadas, componen la señal de salida que el controlador
va a utilizar para gobernar al actuador. La señal resultante de la suma de estas tres se
llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador, sino que debe
ser transformada para ser compatible con el actuador que usemos.
Sistemas automatizados:
Según la web Grupo-master define como: La automatización es un sistema donde
se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a
un conjunto de elementos tecnológicos.
Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
.- Parte de mando
.- Parte operativa
La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los
elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los
elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como
motores, cilindros, compresores y los captadores como fotodiodos, finales de carrera.
Detectores y Captadores
Como las personas necesitan de los sentidos para percibir, lo que ocurre en su
entorno, los sistemas automatizados precisan de los transductores para adquirir
información de:
Fuente: web Grupo-master
.- La variación de ciertas magnitudes físicas del sistema.
.- El estado físico de sus componentes.
Los dispositivos encargados de convertir las magnitudes físicas en magnitudes eléctricas
se denominan transductores.
Los transductores se pueden clasificar en función del tipo de señal que transmiten en:
.- Transductores todo o nada: Suministran uña señal binaria claramente diferenciados.
Los finales de carrera son transductores de este tipo.
.- Transductores numéricos: Transmiten valores numéricos en forma de combinaciones
binarias. Los encoders son transductores de este tipo.
.- Transductores analógicos: Suministran una señal continua que es fiel reflejo de la
variación de la magnitud física medida.
Algunos de los transductores más utilizados son: Final de carrera, fotocélulas, pulsadores,
encoders, etc.
Accionadores y Preaccionadores
El accionador es el elemento final de control que, en respuesta a la señal de
mando que recibe, actúa sobre la variable o elemento final del proceso.
Un accionador transforma la energía de salida del automatismo en otra útil para el
entorno industrial de trabajo.
Los accionadores pueden ser clasificados en eléctricos, neumáticos e hidráulicos.
Los accionadores más utilizados en la industria son: Cilindros, motores de
corriente alterna, motores de corriente continua, etc.
Los accionadores son gobernados por la parte de mando, sin embargo, pueden
estar bajo el control directo de la misma o bien requerir algún pre-accionamiento para
amplificar la señal de mando. Esta pre-amplificación se traduce en establecer o
interrumpir la circulación de energía desde la fuente al accionador.
Los preaccionadores disponen de:
Parte de mando o de control que se encarga de conmutar la conexión eléctrica,
hidráulica o neumática entre los cables o conductores del circuito de potencia.
La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada),
aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o
módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación
automatizado el autómata programable está en el centro del sistema. Este debe ser capaz
de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.
Tecnologías cableadas:
Con este tipo de tecnología, el automatismo se realiza interconectando los
distintos elementos que lo integran. Su funcionamiento es establecido por los elementos
que lo componen y por la forma de conectarlos.
Esta fue la primera solución que se utilizó para crear autómatas industriales, pero
presenta varios inconvenientes.
Los dispositivos que se utilizan en las tecnologías cableadas para la realización del
automatismo son:
Relés electromagnéticos.
Módulos lógicos neumáticos.
Tarjetas electrónicas.
Fuente: Ing. Modesti Mario R
Controladores de lógica cableada (WLC):
Según el Ing. Modesti Mario R. (24 de Octubre del 2002) “Cuando no existían
medios programables para el desarrollo de automatismo, los controles se desarrollaban
por medio de lo que se denominó WLC (Wired Logic Controller), haciendo uso de un
lenguaje sumamente simple e inmediato denominado lógica de contactos.”
Existen algunas formalidades para normalizar los esquemas, los mas comunes son los de
tipo americano, y europeo. La única diferencia radical consiste en la ubicación del
esquema en la hoja; en el primer caso las ramas del esquema se dibujan en posición
horizontal, y en el segundo en posición vertical.
En ambos casos se dispone de un set de símbolos que identifican los diferentes
elementos que pueden conformar las instrucciones en las ramas decisionales del sistema.
Por lo general todos los dispositivos que conforman las posibilidades de control son:
.- Variaciones derivadas de los contactores de diferentes envergaduras.
.- El control consistes de dos partes bien diferenciadas, una referente al control
propiamente dicho mando, y la otra referida al control de la potencia.
.- Todo esquema de mando esta dibujado en una hoja además contiene las catenarias de
referencia, encargada de vinculas líneas de control entre sí como se puede ver en la
figura Nº 14
Figura N°14 (Esquema de control marcha, paro de un motor)
Fuente (Extraído de Schneider electric 18/4/2011)
La lógica cableada industrial consiste en el diseño de automatismos con circuitos
cableados entre contactos auxiliares de relés electromecánicos, contactores de potencia,
relés temporizados, diodos, relés de protección, válvulas óleo-hidráulicas o neumáticas y
otros componentes. La potencia además de circuitos eléctricos comprende a los circuitos
neumáticos (mando por aire a presión) u óleo hidráulicos (mando por aceite a presión).
Crea automatismos rígidos, capaces de realizar una serie de tareas en forma secuencial,
sin posibilidad de cambiar variables y parámetros. Si se ha de realizar otra tarea será
necesario realizar un nuevo diseño. Se emplea en automatismos pequeños, o en lugares
críticos, donde la seguridad de personas y máquinas, no puede depender de la falla de un
programa de computación.
Tecnologías programadas
Los avances en el campo de los microprocesadores de los últimos años han
favorecido la generalización de las tecnologías programadas. En la realización de
automatismos. Los equipos realizados para este fin son:
Los ordenadores.
Los autómatas programables.
El ordenador, como parte de mando de un automatismo presenta la ventaja de ser
altamente flexible a modificaciones de proceso. Pero, al mismo tiempo, y debido a su
diseño no específico para su entorno industrial, resulta un elemento frágil para trabajar en
entornos de líneas de producción.
Un
autómata
programable
industrial
es
un
elemento
robusto
diseñado
especialmente para trabajar en ambientes de talleres, con casi todos los elementos del
ordenador.
PLC (Controladores lógicos programables)
Según el sitio web de industria y negocios “Los PLC's o Autómatas Programables, son
dispositivos electrónicos creados específicamente para el control de procesos
secuenciales, es decir procesos compuestos de varias etapas consecutivas, con el fin de
lograr que una máquina o cualquier otro dispositivo funcione de forma automática.
Fuente: web de industria y negocios
Puesto que están pensados para aplicaciones de control industrial, su diseño les confiere
una especial robustez” como se puede apreciar en la figura Nº 15.
Figura Nº 15 (Controladores Lógicos Programables)
Fuente (Extraída de Siemens 18/4/2011)
Un autómata programable industrial (API) o Programable Logic Controller (PLC),
es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar
en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales.
Un PLC trabaja en base a la información recibida por los sensores y el programa lógico
interno, actuando sobre los actuadores de la instalación.
Fuente: Siemens
De acuerdo con la definición de la "Nema" (National Electrical Manufacturers Association)
un controlador programable es:
"Un aparato electrónico operado digitalmente, que usa una memoria programable para el
almacenamiento interno de instrucciones para implementar funciones específicas, tales
como lógica, secuenciación, registro,
control de tiempos, conteo y operaciones
aritméticas para controlar, a través de módulos de entrada/salida digitales (ON/OFF) o
analógicos (1 5 VDC, 4 20 mA, etc.), varios tipos de máquinas o procesos”.
Campos de aplicación
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación
muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente
este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus
posibilidades reales.
Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es
necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc, por tanto, su aplicación
abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones
industriales, control de instalaciones, etc.
Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de
almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o
alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en
procesos en que se producen necesidades tales como:
Fuente: Nema (National Electrical Manufacturers Association)
1.- Espacio reducido
2.- Procesos de producción periódicamente cambiantes
3.- Procesos secuenciales
4.- Maquinaria de procesos variables
5.- Instalaciones de procesos complejos y amplios
6.- Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso
Ventajas e inconvenientes
No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello
es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las
innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones
obligan a
referenciar las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.
.-
Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:
.-
No es necesario dibujar el esquema de contactos
.-
No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la
capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.
.-
La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto
correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes
proveedores, distintos plazos de entrega.
.-
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.
.-
Mínimo espacio de ocupación.
.-
Menor coste de mano de obra de la instalación.
.-
Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al
eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.
.-
Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
.-
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el
tiempo cableado.
.-
Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo
útil para otra máquina o sistema de producción.
Inconvenientes
Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un
programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en
día ese inconveniente está solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho
adiestramiento.
El coste inicial también puede ser un inconveniente.
Funciones básica de un PLC
Detección:
Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.
Mando:
Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.
Dialogo hombre maquina:
Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e
informando del estado del proceso.
Programación:
Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El
dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata
controlando la máquina.
Nuevas Funciones:
Redes de comunicación:
Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes
industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo
real. En unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de
memoria compartida.
Sistemas de supervisión:
También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos de
programas de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o
por medio de una simple conexión por el puerto serie del ordenador.
Control de procesos continuos:
Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas
llevan incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de
Módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores
PID que están programados en el autómata.
Entradas- Salidas distribuidas:
Los módulos de entrada salida no tienen por qué estar en el armario del autómata.
Pueden estar distribuidos por la instalación, se comunican con la unidad central del
autómata mediante un cable de red.
Buses de campo:
Mediante un solo cable de comunicación se pueden conectar al bus captadores y
accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente el
estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadores.
Estructura:
El autómata está compuesto de diferentes elementos como CPU, fuente de
alimentación, memoria, E/S, etc. que están colocados de diferente forma y modo según la
estructura externa del autómata.
Estructura interna:
La CPU (Central Procesing Unit) es la parte inteligente del sistema. Interpreta las
instrucciones del programa de usuario y consulta el estado de las entradas. Dependiendo
de dichos estados y del programa, ordena la activación de las salidas deseadas.
La CPU está constituida por los siguientes elementos:
.- Procesador
.- Memoria monitor del sistema
.- Circuitos auxiliares
Procesador
Está constituido por el microprocesador, el reloj (generador de onda cuadrada) y algún
chip auxiliar.
El microprocesador es un circuito integrado (chip), que realiza una gran cantidad de
operaciones, que podemos agrupar en:
Operaciones de tipo lógico.
Operaciones de tipo aritmético.
Operaciones de control de la transferencia de la información dentro del autómata.
Para que el microprocesador pueda realizar todas estas operaciones está dotado de unos
circuitos internos que son los siguientes:
.- Circuitos de la unidad aritmética y lógica o ALU: Es la parte del µp donde se realizan los
cálculos y las decisiones lógicas para controlar el autómata.
.-
Circuitos de la unidad de control (UC) o Decodificador de instrucciones: Decodifica
las instrucciones leídas en memoria y se generan las señales de control.
.-
Acumulador: Es la encargada de almacenar el resultado de la última operación
realizada por el ALU.
.-
Flags: Flags, o indicadores de resultado, que pueden ser consultados por el
programa.
.-
Contador de programa: Encargada de la lectura de las instrucciones de usuario.
.-
Bus (interno): No son circuitos en si, sino zonas conductoras en paralelo que
transmiten datos, direcciones, instrucciones y señales de control entre las diferentes
partes del mp.
Memoria monitor del sistema
Es una memoria de tipo ROM, y además del sistema operativo del autómata
contiene las siguientes rutinas, incluidas por el fabricante.
.-
Inicialización tras puesta en tensión o reset.
.-
Rutinas de test y de respuesta a error de funcionamiento.
.-
Intercambio de información con unidades exteriores.
.-
Lectura y escritura en las interfaces de E/S.
Funciones básicas de la CPU
En la memoria ROM del sistema, el fabricante ha grabado una serie de programas
ejecutivos, software del sistema y es a estos programas a los que accederá el µp para
realizar las funciones.
El software del sistema de cualquier autómata consta de una serie de funciones básicas
que realiza en determinados tiempos de cada ciclo.
En general cada autómata contiene y realiza las siguientes funciones:
Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda de un determinado
tiempo máximo. A esta función se le denomina Watchdog.
.- Ejecutar el programa usuario.
.- Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder
directamente a dichas entradas.
.- Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas, obtenida al
final del ciclo de ejecución del programa usuario.
.- Chequeo del sistema.
Fuente de alimentación:
La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el
funcionamiento de los distintos circuitos del sistema.
La alimentación a la CPU puede ser de continua a 24 Vcc, tensión muy frecuente
en cuadros de distribución, o en alterna a 110/220 Vca. En cualquier caso es la propia
CPU la que alimenta las interfaces conectadas a través del bus interno.
La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse, según tipos, en alterna a 48/110/220
Vca o en continua a 12/24/48 Vcc.
La fuente de alimentación del autómata puede incorporar una batería tampón, que
se utiliza para el mantenimiento de algunas posiciones internas y del programa usuario en
memoria RAM, cuando falla la alimentación o se apaga el autómata.
Interfaces:
En el control de un proceso automatizado, es imprescindible un dialogo entre
operador-máquina junto con una comunicación entre la máquina y el autómata, estas
comunicaciones se establecerán por medio del conjunto de entradas y salidas del citado
elemento.
Los autómatas son capaces de manejar tensiones y corrientes de nivel industrial,
gracias a que disponen un bloque de circuitos de interfaz de E/S muy potente, que les
permite conectarse directamente con los sensores y accionamientos del proceso.
De entre todos los tipos de interfaces que existen, las interfaces especificas
permiten la conexión con elementos muy concretos del proceso de automatización. Se
pueden distinguir entre ellas tres grupos bien diferenciados:
.-
Entradas / salidas especiales.
.-
Entradas / salidas inteligentes.
.-
Procesadores periféricos inteligentes
Las interfaces especiales del primer grupo se caracterizan por no influir en las
variables de estado del proceso de automatización. Únicamente se encargan de adecuar
las E/S, para que puedan ser inteligibles por la CPU, si son entradas, o para que puedan
ser interpretadas correctamente por actuadores (motores, cilindros, etc.), en el caso de las
salidas.
Las del segundo grupo admiten múltiples modos de configuración, por medio de
unas combinaciones binarias situadas en la misma tarjeta. De esta forma se descarga de
trabajo a la unidad central, con las ventajas que conlleva.
Los procesadores periféricos inteligentes, son módulos que incluyen su propio
procesador, memorias y puntos auxiliares de entrada / salida. Estos procesadores
contienen en origen un programa especializado en la ejecución de una tarea concreta, a
la que le basta conocer los puntos de consigna y los parámetros de aplicación para
ejecutar, de forma autónoma e independiente de la CPU principal, el programa de control.
Unidad de programación:
Es el conjunto de medios hardwares y software mediante los cuales el
programador introduce y depura sobre las secuencias de instrucciones (en uno u otro
lenguaje) que constituyen el programa a ejecutar.
Entradas y salidas:
Hay dos tipos de entradas:
.- Entradas digitales
.- Entradas analógicas
La sección de salida también mediante interfaz trabaja de forma inversa a las
entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, y las amplifica y manda
con ellas los dispositivos de salida o actuadores como lámparas, relés... aquí también
existen unos interfaces de adaptación a las salidas de protección de circuitos internos.
Hay dos tipos de salidas:
.- Salidas digitales
.- Salidas analógicas
Entradas digitales
Los módulos de entrada digitales permiten conectar al autómata captadores de
tipo todo o nada como finales de carrera pulsadores...
Los módulos de entrada digitales trabajan con señales de tensión, por ejemplo
cuando por una vía llegan 24 voltios se interpreta como un "1" y cuando llegan cero voltios
se interpreta como un "0"
El proceso de adquisición de la señal digital consta de varias etapas.
.- Protección contra sobretensiones
.- Filtrado
.- Puesta en forma de la onda
.- Aislamiento galvánico o por opto-acoplador.
Entradas analógicas
Los módulos de entrada analógicas permiten que los autómatas programables
trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como
pueden ser la temperatura, la presión o el caudal.
Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un
número que se deposita en una variable interna del autómata. Lo que realiza es una
conversión A/D, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales.
Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de
bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo).
Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad.
El proceso de adquisición de la señal analógica consta de varias etapas:
.- Filtrado
.- Conversión A/D
.- Memoria interna
Salidas digitales
Un módulo de salida digital permite al autómata programable actuar sobre los
preaccionadores y accionadores que admitan ordenes de tipo todo o nada.
El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un
relé interno del autómata en el caso de módulos de salidas a relé.
En los módulos estáticos (bornero), los elementos que conmutan son los
componentes electrónicos como transistores o triacs, y en los módulos electromecánicos
son contactos de relés internos al módulo.
Los módulos de salidas estáticos al suministrar tensión, solo pueden actuar sobre
elementos que trabajan todos a la misma tensión, en cambio los módulos de salida
electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar sobre elementos que trabajen a
tensiones distintas.
El proceso de envío de la señal digital consta de varias etapas:
.-
Puesta en forma
.-
Aislamiento
.-
Circuito de mando (relé interno)
.-
Protección electrónica
.-
Tratamiento cortocircuitos
Salidas analógicas
Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica
interna del autómata se convierta en tensión o intensidad.
Lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el autómata solo trabaja con
señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada
(numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo).
Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para actuadores
que admitan mando analógico como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas
de los tiristores de los hornos, reguladores de temperatura... permitiendo al autómata
realiza funciones de regulación y control de procesos continuos.
El proceso de envío de la señal analógica consta de varias etapas:
.-
Aislamiento galvánico
.-
Conversión D/A
.-
Circuitos de amplificación y adaptación
.-
Protección electrónica de la salida
Como hemos visto las señales analógicas sufren un gran proceso de adaptación
tanto en los módulos de entrada como en los módulos de salida. Las funciones de
conversión A/D y D/A que realiza son esenciales. Por ello los módulos de E/S analógicos
se les consideran módulos de E/S especiales.
Estructura Externa:
La estructura externa o configuración externa de un autómata programable
industrial se refiere al aspecto físico exterior del mismo, bloques o elementos en que está
dividido.
Actualmente son tres las estructuras más significativas que existen en el mercado:
.- Estructura compacta.
.- Estructura semi-modular. (Estructura Americana)
.- Estructura modular. (Estructura Europea)
Estructura compacta
Este tipo de autómatas se distingue por presentar en un solo bloque todos sus
elementos, esto es, fuente de alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etc.
Son los autómatas de gama baja o nano-autómatas los que suelen tener una
estructura compacta como se puede ver en la figura Nº 16. Su potencia de proceso suele
ser muy limitada dedicándose a controlar máquinas muy pequeñas o cuadros de mando.
Figura Nº 16 PLC Compacto modelo Logo (RLC)
Fuente: Extraída de Siemens 30/4/2011
Estructura semi-modular
Se caracteriza por separar las E/S del resto del autómata, de tal forma que en un
bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o de programa y fuente de
alimentación y separadamente las unidades de E/S como se pueder ver en la figura
Nº 17.
Son los autómatas de gama media los que suelen tener una estructura semi-modular
(Americana).
Figura Nº 17 (Autómata compacto)
Fuente: Extraída de Siemens 30/4/2011
Estructura modular
Su característica principal es la de que existe un módulo para cada uno de los
diferentes elementos que componen el autómata como puede ser una fuente de
alimentación, CPU, E/S, etc. La sujeción de los mismos se hace por carril DIN, placa
perforada o sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos
módulos que lo componen como se puede ver en la figura Nº 18.
Son los autómatas de gama alta los que suelen tener una estructura modular, que
permiten una gran flexibilidad en su constitución.
Figura Nº 18 PLC Modulares
Fuentes: Extraída de Siemens 30/04/2011
Dispositivos de control eléctrico:
Contactores:
Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un
receptor o instalación con la posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos
posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna
por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción. Este tipo de
funcionamiento se llama de "todo o nada" ver figura Nº 19.
Figura Nº 19 Contactor 3 polos
Fuente (Extraída de Schneider electric 18/4/2011)
Fuente: Schneider electric
Clasificación
-Contactores electromagnéticos. Su accionamiento se realiza a través de un
electroimán.
-Contactores electromecánicos. Se accionan con ayuda de medios mecánicos.
-Contactores neumáticos. Se accionan mediante la presión de un gas.
-Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de un líquido.
Constitución de un contactor electromagnético.
- Contactos principales. Son los destinados a abrir y cerrar el circuito de potencia. Están
abiertos en reposo.
- Contactos auxiliares. Son los encargados de abrir y cerrar el circuito de mando. Están
acoplados mecánicamente a los contactos principales y pueden ser abiertos o cerrados.
- Bobina. Elemento que produce una fuerza de atracción (FA) al ser atravesado por una
corriente eléctrica. Su tensión de alimentación puede ser de 12, 24 y 220V de corriente
alterna, siendo la de 220V la más usual.
- Armadura. Parte móvil del contactor. Desplaza los contactos principales y auxiliares por
la acción (FA) de la bobina.
- Núcleo. Parte fija por la que se cierra el flujo magnético producido por la bobina.
- Resorte. Es un muelle encargado de devolver los contactos a su posición de reposo una
vez cesa la fuerza FA.
Funcionamiento del contactor.
A los contactos principales se conectan al circuito que se quiere gobernar.
Asegurando el establecimiento y cortes de las corrientes principales y según el número de
vías de paso de corriente, será bipolar, tripolar, tetrapolar, etc. realizándose las maniobras
simultáneamente en todas las vías.
Los contactos auxiliares son de dos clases abiertos y cerrados. Estos forman parte
del circuito auxiliar del contactor y aseguran las auto alimentaciones, los mandos,
enclavamientos de contactos y señalizaciones en los equipos de automatismo.
Cuando la bobina del contactor queda excitada por la circulación de la corriente,
mueve el núcleo en su interior y arrastra los contactor principales y auxiliares,
estableciendo a través de los polos el circuito entre la red y el receptor. Este arrastre o
desplazamiento puede ser:
-
Por rotación, pivote sobre su eje.
-
Por traslación, deslizándose paralelamente a las partes fijas.
Cuando la bobina deja de ser alimentada, abre los contactos por efecto del resorte
de presión de los polos y del resorte de retorno de la armadura móvil.
La bobina está concebida para resistir los choque mecánicos provocados por el
cierre y la apertura de los contactos y los choques electromagnéticos debidos al paso de
la corriente por sus espiras, con el fin de reducir los choques mecánicos la bobina o
circuito magnético, a veces los dos se montan sobre amortiguadores.
Si se debe gobernar desde diferentes puntos, los pulsadores de marcha se
conectan en paralelo y el de parada en serie.
Relé:
El relé o relevador, es un dispositivo electromecánico. Funciona como un
interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un
electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar
otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.
Figura Nº 20 se puede ver su funcionamiento y cómo conmuta al activarse y desactivarse
su bobina.
Figura N° 20 Relé doble polo (N/A)(N/O)
Fuente (Tomado de Schneider electric 18/4/2011)
Tipos de relé
Relés electromecánicos:

Relés de tipo armadura: pese a ser los más antiguos siguen siendo lo más utilizados en
multitud de aplicaciones. Un electroimán provoca la basculación de una armadura al ser
excitado, cerrando o abriendo los contactos dependiendo de si es NA o NC.

Relés de núcleo móvil: a diferencia del anterior modelo estos están formados por un
émbolo en lugar de una armadura. Debido su mayor fuerza de atracción, se utiliza un
solenoide para cerrar sus contactos. Es muy utilizado cuando hay que controlar altas
corrientes.

Relé tipo reed o de lengüeta: están constituidos por una ampolla de vidrio, con contactos
en su interior, montados sobre delgadas láminas de metal. Estos contactos conmutan por
la excitación de una bobina, que se encuentra alrededor de la mencionada ampolla.

Relés polarizados o biestables: se componen de una pequeña armadura, solidaria a un
imán permanente. El extremo inferior gira dentro de los polos de un electroimán, mientras
que el otro lleva una cabeza de contacto. Al excitar el electroimán, se mueve la armadura
y provoca el cierre de los contactos. Si se polariza al revés, el giro será en sentido
contrario, abriendo los contactos ó cerrando otro circuito.
Relé de estado sólido
Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente compuesto por
un opto-acoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso por
cero de la corriente de línea y un triac o dispositivo similar que actúa de interruptor de
potencia.
Su nombre se debe a la similitud que presenta con un relé electromecánico; este
dispositivo es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo
de los contactos del relé que en comparación con un relé convencional generaría un serio
desgaste mecánico, además de poder conmutar altos amperajes que en el caso del relé
electromecánico destruirían en poco tiempo los contactos. Estos relés permiten una
velocidad de conmutación muy superior a la de los relés electromecánicos.
Relé de corriente alterna
Cuando se excita la bobina de un relé con corriente alterna, el flujo magnético en
el circuito magnético, también es alterno, produciendo una fuerza pulsante, con frecuencia
doble, sobre los contactos. Es decir, los contactos de un relé conectado a la red, en
algunos lugares, como varios países de Europa y Latinoamérica oscilarán a 50 Hz y en
otros, como en Estados Unidos lo harán a 60 Hz. Este hecho se aprovecha en algunos
timbres y zumbadores, como un activador a distancia. En un relé de corriente alterna se
modifica la resonancia de los contactos para que no oscilen.
Relé de láminas
Este tipo de relé se utilizaba para discriminar distintas frecuencias. Consiste en un
electroimán excitado con la corriente alterna de entrada que atrae varias varillas
sintonizadas para resonar a sendas frecuencias de interés.
La varilla que resuena acciona su contacto; las demás, no. El desarrollo de la
microelectrónica y los PLL integrados ha relegado estos componentes al olvido.
Los relés de láminas se utilizaron en aeromodelismo y otros sistemas de telecontrol.
Magneto térmico:
Según Veliz Tostado Marcos: Un interruptor termomagnético, o disyuntor
termomagnético, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito
cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Se basa en dos de los efectos
producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico
(efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina
bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga; En
la figura Nº 21 se pueden apreciar las partes que componen un magneto termico.
Figura Nº 21 Partes de un Magneto termico
Fuente (extraída de Mailxmail 3/5/2011)
El funcionamiento de un interruptor magnetotérmico consiste en una chapa de
material bimetálico, que se deforma con el sobrecalentamiento que se produce en las
sobrecargas y cortocircuitos. Esta chapa bimetálica, al deformarse, arrastra una serie de
contactos que abren el circuito.
La labor del interruptor diferencial es algo más compleja, su función básica es la de
proteger a las personas de los contactos indirectos. Esto solo puede conseguirlo si existe
una buena red de tierra, cuando se produce una intensidad de defecto, esta es derivada a
tierra provocando una diferencia respecto a la intensidad inicial, esta diferencia es
detectada por el interruptor diferencial provocando su disparo de manera automática; Un
ejemplo de este dispositivo está en la figura Nº22.
Figura Nº 22 Interruptores Magneto térmicos
Fuente (Extraida de Mailxmail 3/5/2011)
Sensores de final de carrera:
El portal de internet de información y negocios QuimiNet (2012) los define como:
Los interruptores o sensores finales de carrera, también llamados interruptores de
posición, son interruptores que detectan la posición de un elemento móvil mediante
accionamiento mecánico.
Fuente: QuimiNet
Son muy habituales en la industria para detectar la llegada de un elemento móvil a
una determinada posición. Se puede apreciar en la figura N° 23
Figura N° 23: sensor final de carreras
Fuente (Extraída de Quiminet 19/1/2012)
Existen multitud de tipos de interruptores final de carrera que se suelen distinguir
por el elemento móvil que genera la señal eléctrica de salida.
Presostatos: Según Quiminet (2011): El presostato también es conocido como
interruptor de presión. Es un aparato que cierra o abre un circuito eléctrico dependiendo
de la lectura de presión de un fluido, se puede apreciar sus características en la figura N°
24
Fuente: QuimiNet
Figura N° 24 Presostato.
Fuente: (Extraída de Quiminet 19/1/2012)
El fluido ejerce una presión sobre un pistón interno haciendo que se mueva hasta
que se unen dos contactos. Cuando la presión baja un resorte empuja el pistón en sentido
contrario y los contactos se separan.
Un tornillo permite ajustar la sensibilidad de disparo del presostato al aplicar más o
menos fuerza sobre el pistón a través del resorte. Usualmente tienen dos ajustes
independientes: la presión de encendido y la presión de apagado.
No deben ser confundidos con los transductores de presión (medidores de
presión), mientras estos últimos entregan una señal variable en base al rango de presión,
los presostatos entregan una señal apagado/encendido únicamente.
Fuente: QuimiNet
Variadores de frecuencia:
FRAILE MORA, JESUS (2008) define que: Un variador de frecuencia (siglas VFD,
del inglés: Variable Frequency Drive o bien AFD Adjustable Frequency Drive) es un
sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC)
por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor. Un variador
de frecuencia es un caso especial de un variador de velocidad. Los variadores de
frecuencia son también conocidos como drivers de frecuencia ajustable (AFD), drivers de
CA, microdrivers o inversores. Dado que el voltaje es variado a la vez que la frecuencia, a
veces son llamados drivers VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia).
Principios de funcionamiento:
Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad
síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por la frecuencia de CA
suministrada y el número de polos en el estator, de acuerdo con la relación de la
fórmula Nº 1:
Fórmula Nº 1 (Relación RPM con Frecuencia)
RPM = (120 x F)/P
Dónde:
RPM = A velocidad del motor
60 = constante
F = Frecuancia de suministro C.A
P = Numero de polos Adimensional
Fuente Extraída: Autor del presente trabajo de grado
El controlador de dispositivo de variación de frecuencia está formado por
dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. El diseño habitual primero
convierte la energía de entrada CA en CC usando un puente rectificador. La energía
intermedia CC es convertida en una señal quasi-senoidal de CA usando un circuito
inversor conmutado. El rectificador es usualmente un puente trifásico de diodos, pero
también se usan rectificadores controlados. Debido a que la energía es convertida en
continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofásicas como trifásicas
(actuando como un convertidor de fase, un variador de velocidad) ver figura Nº 25.
Figura Nº 25 (Proceso de Variador de frecuencia)
Extraída (Wikipedia 4/5/2011)
Motores eléctricos:
Según Martínez Mario de la Universidad tecnológica de Tamaupilas Norte define
que: Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en
energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores
eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica
funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en
locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.
Fuente: QuimiNet
Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y
particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías.
Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos h-íbridos para aprovechar
las ventajas de ambos.
Los motores de C.A. se clasifican de la siguiente manera:
Asíncrono o de inducción: Los motores asíncronos o de inducción son aquellos
motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la
que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta
diferencia de frecuencias ver figura Nº 26.
Figura Nº 26 Motor asíncrono
Fuente (Extraído de Mecánica Popular 4/5/2011)
Jaula de ardilla: Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada
comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un
rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma
instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras
longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos
poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula como explica la Figura Nº 27. El
nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un
hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas)
Figura Nº 27 Motor jaula de ardilla
Fuente (Extraída de Universidad tecnológica de Tamaupilas Norte 17/7/2008)
Artículo principal: Jaula de ardilla Monofásicos Motor de arranque a resistencia.
Posee dos bobinas una de arranque y una bobina de trabajo.
Motor de arranque a condensador. Posee un capacitor electrolítico en serie con la
bobina de arranque la cual proporciona más fuerza al momento de la marcha y se puede
colocar otra en paralelo la cual mejora la reactancia del motor permitiendo que entregue
toda la potencia.
Fuente: Universidad tecnológica de Tamaupilas Norte
Trifásicos Motor de Inducción.
A tres fases
La mayoría de los motores trifásicos tienen una carga equilibrada, es decir,
consumen lo mismo en las tres fases, ya estén conectados en estrella o en triángulo. Las
tensiones en cada fase en este caso son iguales al resultado de dividir la tensión de línea
por raíz de tres. Por ejemplo, si la tensión de línea es 380 V, entonces la tensión de cada
fase es 220 V.
Fuente: Universidad tecnológica de Tamaupilas Norte
Cuadro de Variables
Tabla Nº 1 Cuadro de variables
Objetivo
-
Variable
Dimensión
Indicador
Fuentes
Evidenciar la
Problemas
Tipo problemas
Eléctricos.
Entrevistas
necesidad del
Actuales.
elaboradas al
Mecánicos
proyecto.
Frecuencia de
fallas
.
Horas, días, meses
personal
administrativo.
Funcionamiento
Funcionamiento
mecánico.
Potencias Watts (W)
Realizar un
estudio
minucioso del
Procesos que
intervienen
proceso de la
máquina Omega
Funcionamiento
eléctrico.
Etapas del
Producción
Corriente (A)
Tensión (V)
proceso
RPM de motor
Registro de
Número de piezas
Investigación tipo
documental
para conocer su
funcionamiento.
productos
fabricados
Observar la
Sistema de
Alteraciones en el
situación actual
control actual
sistema de control
del
funcionamiento
de la máquina.
eléctrico.
Potencias Watts (W)
elaboradas al
Corriente (A)
Fallas
Problemas en
Entrevistas
Tensión (V)
personal técnico,
mantenimiento y
producción.
detección de
Investigación tipo
fallas
campo
Objetivo
Variable
Dimensión
Indicador
Fuente
Investigación tipo
documental
Examinar el
tablero de control
de la máquina
Omega con el fin
de comprender
su lógica de
Lógica de
Análisis de
Temperaturas
Investigación tipo
señales análogas
Grados Cº
campo
(pirómetros)
funcionamiento.
RPM de motor
Variadores para
Variables que
intervienen
funcionamiento.
Dispositivos
control de RPM
Potencias Watts (W)
Investigación tipo
documental
del Motor
Tensión (V)
Cálculos para
Corriente (A)
control de
potencia
Botoneras para
control manual y
automático
Diseñar
nuevos
tableros
de
Selección
dispositivos.
potencia para la
máquina Omega,
tomando
cuenta
en
los
procesos que se
de
Distribución
de
tablero
de
Corrientes (A)
Investigación tipo
documental
Potencias Watts (W)
potencia
Distribución
Cálculos
Estructura
control
potencia
para
de
Tensión (V)
Investigación tipo
Dimensiones
campo
desean mejorar
Probar que el
Conexiones.
funcionamiento
de los nuevos
Simulación del
Prueba del
Investigación tipo
programa de PLC
compilador sucosoft
Documental.
Funcionamiento
S40
Errores de la
tableros y el
control del PLC
Correciones
Objetivo
Variable
máquina
Numero de errores
Dimensión
Indicador
Factores de
del proceso
Fuente
consumo de
corriente y
Potencias Watts (W)
tensión
Tensión (V)
Verificación de
Corriente (A)
conexiones
Implementar el
Pruebas en
Evaluación del
Costos como
PLC, y monitores
ambiente real.
costos de
consecuencia de la
implementación
parada de la línea.
de control que
cumpla con la
Investigación tipo
documental
Investigación tipo
Errores
Tiempo estimado
Costos de los
para la sustitución
materiales para la
lógica de
Dispositivos y
funcionamiento, y
material
muestren en
implementados.
Implementación
procesos que se
Nuevos tablero
Compra de
ejecutan en la
de potencia
elementos y
campo
aplicación.
tiempo real los
Costo de los
dispositivos a
implementar.
dispositivos
máquina Omega
necesarios
Mejoras
proceso.
del
Compra de
elementos y
Conexión paralela
al sistema
Implementar
dispositivos
necesarios
Conexión paralela al
normas de
seguridad
sistema
Nacionales y de
estándares.
Pruebas finales de
procesos y control
Pruebas finales
del sistema.
de procesos y
control del
sistema.
Evaluación continua
de la automatización
Dimensión
Objetivo
Variable
Estudiar y
Disponibilidad
comparar el
rendimiento antes
Tiempo en
Fuente
Tiempo de parada
producción
Productividad
Tiempo de ciclo
y después de la
implementación
Indicador
eficiencia
(Horas/Días/Semana
Investigación tipo
s)
documental
Tiempo de ciclo
del PLC.
Retorno de la
Rechazo de
inversión
piezas
(minutos)
Tempo de espera
Tiempo de
Investigación tipo
campo
(días meses años)
recuperación de
la inversión
Definición de términos:
A
Actuador: Es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o
eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un
proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a
ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una
válvula.
Autómata programable: Es un aparato electrónico programable con leguaje no
informático usado para el control de procesos que sustituye los circuitos auxiliares o de
mando de los sistemas automáticos.
Automatización: es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar
maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos.
B
Bits: Un bit es una señal electrónica que puede estar encendida (1) o apagada (0). Es la
unidad más pequeña de información que utiliza un ordenador. Son necesarios 8 bits para
crear un byte
C
Campo Magnético: El campo magnético es una región de espacio en la cual una carga
eléctrica puntual de valor q, que se desplaza a una velocidad, sufre los efectos de una
fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad v como al campo B.
Chip: es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros
cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante
fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. El
encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la
pastilla y un circuito impreso.
Contactos secos: contacto seco que se usa en relés y PLC estos son los contactos libres
de potencial que operan al actuar el relé es decir cambian de estado de abierto a cerrado
y viceversa.
Controlador: es un programa informático que permite al sistema operativo interactuar con
un periférico, haciendo una abstracción del hardware y proporcionando una interfaz posiblemente estandarizada- para usarlo.
Corriente Eléctrica: Es la circulación de cargas o electrones a través de un circuito
eléctrico cerrado.
D
Diodo: El diodo deja circular corriente a través suyo cuando se conecta el polo positivo de
la batería al ánodo, y el negativo al cátodo, y se opone al paso de la misma si se realiza la
conexión opuesta.
E
Electroimán: Es un dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de
alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo interior
se coloca un núcleo de hierro
Encoder: Es un sensor electro-opto-mecánico que unido a un eje, proporciona
información de la posición angular. Su fin, es actuar como un dispositivo de
realimentación en sistemas de control integrado.
Extrusión: es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal definida y
fija. El material se empuja o se extrae a través de un troquel de una sección transversal
deseada.
F
FA (fuerza de atracción): Es la fuerza que atrae a dos cuerpos cuando estos poseen
campos magnéticos de diferente polaridad.
Fotolitografía: es un proceso empleado en la fabricación de dispositivos semiconductores
o circuitos integrados. El proceso consiste en transferir un patrón desde una fotomáscara
(denominada retícula) a la superficie de una oblea.
Flujo magnético: es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del
campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado
entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie.
G
Generador de onda cuadrada u oscilador: es un circuito que es capaz de convertir la
corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente
periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc.,
dependiendo de la forma que tenga la onda producida. Un oscilador de onda cuadrada
suele denominarse multi-vibrador y por lo tanto, se les llama osciladores sólo a los que
funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen una bobina L
(inductancia) y un condensador C (Capacitancia), mientras que a los demás se le asignan
nombres especiales.
H
Hidráulica: es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las
propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se
interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma
Instrumentos: Es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un
proceso de medición.
J
K
L
Linealidad: Cualidad de lo que es lineal.
M
Magnitud: es una propiedad o cualidad de un objeto o sistema físico a la que se le
pueden asignar distintos valores como resultado de una medición cuantitativa.
Seguramente entre las primeras magnitudes definidas resultan la longitud de un segmento
y la superficie de un cuadrado.
MPA: es la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades llamada Pascal. En
este caso la M significa la unidad pascal multiplicada mil veces.
N
Neumática: es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión
de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.
Ñ
O
P
PA: es la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades llamada Pascal. Se
define como la presión que ejerce una fuerza de 1 newton sobre una superficie de 1 metro
cuadrado normal a la misma.
Pellets: Materia prima virgen en forma de bolitas plásticas usadas en la industria de
plásticos para la fabricación de piezas plásticas.
Plantas: Es un equipo o simplemente un juego de piezas de una máquina, funcionando
conjuntamente, cuyo objetivo es realizar una operación determinada.
Polímeros: polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la
unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.
Procesos: Es una operación o desarrollo natural, caracterizado por una serie de cambios
graduales, progresivamente continuos que suceden uno a otro
de un modo
relevantemente fijo; y que tienen un resultado o final; o una operación voluntaria o final,
progresivamente continua, que consiste en una serie de acciones controladas o
movimientos dirigidos sistemáticamente hacia un resultado o fin.
Q
R
S
Saturación: Región de funcionamiento de un transistor en que ambas junturas del
transistor se hallan polarizadas en directo, lo que causa que el voltaje entre colector y
emisor sea muy pequeño (casi 0 voltios).
Sensor: También llamado captador, es un dispositivo diseñado para recibir información
de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que
seamos capaces de cuantificar y manipular.
Señal Binaria: También conocida como señal digital, es una información transmitida
mediante una cadena de bits que llevan una información específica.
Señal digital: es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético
en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término
de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de
un cierto rango.
Señales: es un símbolo, un gesto u otro tipo que informa o avisa de algo. La señal
sustituye por lo tanto a la palabra escrita o al lenguaje. Ellas obedecen a convenciones,
por lo que son fácilmente interpretadas.
Sistemas: Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un
determinado objetivo.
Sobrecarga eléctrica: cuando la suma de la potencia de los aparatos que están a él
conectados, es superior a la potencia para la cual está diseñado el circuito de la
instalación.
Sobretensión: es un aumento de tensión que pueden causar graves problemas a los
equipos conectados a la línea, desde su envejecimiento prematuro a incendios o
destrucción de los mismos.
T
Tensión: La tensión eléctrica o mejor conocida como el voltaje es el trabajo necesario
para mover las cargas eléctricas por un circuito electrónico.
U
V
Válvulas: Es un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la
circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u
obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.
Variable: es un símbolo que representa un elemento o cosa no especificada de un
conjunto dado.
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
Según lo planteado por Balestrini Acuña. (2006), Se sostiene que: “El Marco
Metodológico, está referido al momento que alude al conjunto de procedimientos lógicos,
tecno-operacionales implícitos en todo proceso de investigación, con el objeto de ponerlos
de manifiesto y sistematizarlos” es decir; que en este capítulo se estudian un conjunto de
aspectos que han de considerarse, entre ellos se tienen: definir el nivel de la
investigación, tipo de investigación y las técnicas e instrumentos de recolección de datos.
Diseño de la Investigación
Stracuzzi Santa Palella (2006) indica que: El diseño de investigación se refiere a
la estrategia que adopta el investigador para responder al problema, dificultad o
inconveniente planteado en el estudio. Para fines didácticos, se clasifican en diseño
experimental, diseño no experimental y diseño bibliográfico.
El diseño no experimental es el que se realiza sin manipular deliberada ninguna
variable. El investigador no sustituye intencionalmente las variables independientes. Se
observan los hechos tal y como se presentan en su contexto real y en un tiempo
determinado o no, para luego analizarlos. Por lo tanto, en este diseño no se construye
una situación específica si no que se observan las que existen. Las variables
independientes ya han ocurrido y no pueden ser manipuladas, lo que impide influir sobre
ellas para modificarlas.
Lo antes expuesto indica que el diseño de la investigación realizada en el presente
trabajo de grado es un diseño no experimental debido a que no se manipulan las
variables que intervienen en al proceso de la máquina Omega, esto con el fin de conocer
su funcionamiento.
Modalidad de la Investigación
Según Stracuzzi y Pestana (2004), definen que la modalidad de investigación se
entiende como el modelo de investigación que se adopte para ejecutarla, los cuales
pueden ser, proyectos factibles o proyectos especiales.
Modalidad Proyecto Especial
Stracuzzi y Pestana (2004), definen el proyecto especial como los destinados a la
creación de productos que puedan solucionar deficiencias evidenciadas, se caracterizan
por su valor innovador y aporte significativo en cualquier área del conocimiento.
En tal sentido, la UPEL(2002) los define como trabajos que llevan a creaciones
tangibles, susceptibles de ser utilizadas como soluciones a problemas demostrados o que
responden a necesidades e intereses de tipo cultural.
Al desarrollar esta modalidad, el investigador debe mostrar la necesidad o la
importancia del aporte, según sea el caso, además de la fundamentación teórica, la
descripción de la metodología utilizada y el resultado concreto del trabajo. Todo, en forma
acabada.
El propósito principal de esta modalidad de investigación es el de planificar un
producto aplicable en cualquier área en la cual resulte pertinente. Como recurso
pedagógico puede ser presentado como folleto explicativo, guía de estudio, sucesión de
diapositivas o transparencias con su guion, videos, módulos instruccionales, entre otros.
Se incluye en esta categoría la elaboración de libros de texto y de materiales de
apoyo, el desarrollo de software y de productos tecnológicos en general, así como los de
creación literaria y artística.
POBLACIÓN Y MUESTRA.
Según Fidias Arias (1997) en su concepto de población define: “La población es un
conjunto finito o infinito de elementos con características comunes para los cuales serán
extensivas las conclusiones de la investigación. Ésta queda delimitada por el problema y
por los objetivos de estudio”.
Tomando en cuenta lo antes expuesto, la unidad de estudio o población
seleccionada para desarrollar el proyecto e implementación del mismo, está compuesto
por dos poblaciones de la empresa Industrias Uniplasticas. C.A Uniplást. La población es
accesible ó también llamada población muestreada, entendiéndose que según Fidias
Arias la define como: “la población finita de la población objetivo a la que realmente se
tiene acceso y de la cual se extrae una muestra representativa”.
Muestra:
Según Arias Fidias (2006), la muestra es un subconjunto representativo y finito que
se extrae de la población accesible.
Subdivisión de la Muestra
En este sentido, una muestra representativa es aquella que por su tamaño y
características similares a las del conjunto, permite hacer inferencias o generalizar los
resultados al resto de la población con un margen de error conocido.
Para seleccionar la muestra se utiliza una técnica o procedimiento denominado
muestreo. Existen dos tipos de básicos de muestreo, probabilístico o aleatorio o no
probabilístico.
Muestreo probabilístico: Es un proceso en el que se conoce la probabilidad que tiene
cada elemento de integrar la muestra este se clasifican en: Azar simple, azar sistemático,
estratificado, por conglomerados, casual o accidental, intencional u opinático.
Muestreo intencional u opinático: En este caso los elementos son escogidos con base
en criterios o juicios preestablecidos por el investigador.
El criterio para la selección fueron los siguientes:
Población A: Representada por (3) personas del área de gerencia de la empresa.
.- La primera delimitación por la cual fue seleccionada esta población fue, que está
representa la directiva de la empresa, y es la encargada de decidir la viabilidad de un
proyecto que sea aplicado para mejorar los procesos de la máquina
.- Porque son los calificados para determinar qué proyectos externos (ya sea, nuevas
tecnologías, maquinarias, herramientas, instituciones, personas calificadas, etc.) Son de
interés para mejoras de la compañía.
.- Constituyen las personas en el rango de ingenieros con capacidad profesional para
evaluar la implementación
Población B: Está compuesta por (8) personas que representan al personal de
mantenimiento y de producción.
.-En primera instancia esta población es muy importante por su contacto directo con la
máquina, ya sea en la prueba y puesta en servicio, así como también la manipulación de
parámetros de funcionamiento de esta.
Información suministrada: La información suministrada por la población (B)
comprendida por el personal de técnico y de mantenimiento se sintetiza en las posibles
fallas eléctricas y mecánicas que perjudiquen el funcionamiento de la máquina. Se
recolecto la información acerca de las rutinas de mantenimientos preventivos, correctivos
y predictivos aplicadas a esta, las soluciónes a fallas tanto eléctricas como mecánicas
además de las mejoras en dichos sistemas.
El personal de producción y supervisión aportaron ayuda acerca de los niveles de
producción que puede alcanzar la máquina, su funcionamiento, descripción detallada del
proceso de producción y posibles mejoras de ellos.
La población (A) suministró la información acerca de la toma de decisiones, desde
confirmar que elementos o sistemas son necesarios para las mejoras y correcciones del
sistema de producción que se tiene en la actualidad con la máquina Omega; y también los
recursos económicos que serán necesarios para optimizar la automatización de la
máquina.
Técnicas e instrumentación de recolección de datos.
La autora Balestrini Acuña. (2006), resalta la relevancia de las técnicas e
instrumentos de recolección de datos en el proceso de investigación, definiendo de la
siguiente manera:
“Otro importante aspecto a desarrollar en el Marco Metodológico del proyecto de
investigación, toda vez que se ha delimitado, el tipo de investigación, su diseño, la
población o universo de estudio así como su muestra; está relacionado con la definición
de los métodos, instrumentos y técnicas de recolección de la información que se
incorporan a lo largo de todo el proceso de investigación, en función del problema y de las
interrogantes planteadas; así como, de los objetivos que han sido definidos. Por cierto,
conjunto de técnicas que permitirán cumplir con los requisitos establecidos en el
paradigma científico, vinculados al carácter específicos de las diferentes etapas de este
proceso investigativo y especialmente referidos al momento teórico y al momento
metodológico de la investigación. …Estás técnicas son diversas según el objeto a que se
apliquen y no se excluyen entre sí. Todavía es preciso, por una parte, saber elegir la más
adecuada y, por otra utilizarla convenientemente…“
Según el concepto antes expuesto y partiendo de la línea de investigación de el
presente trabajo de grado se selecciono la observación como la técnica de recolección de
datos que es definido por la RENA (2008) de la siguiente manera: “la observación es la
primera forma de contacto o de relación con los objetos que van a ser estudiados.
Constituye un proceso de atención, recopilación y registro de información, para el cual el
investigador se apoya en sus sentidos (vista, oído, olfato, tacto, sentidos kinestesicos, y
cenestésicos), para estar al pendiente de los sucesos y analizar los eventos ocurrentes en
una visión global, en todo un contexto natural. De este modo la observación no se limita al
uso de la vista.”
Y empleándose como instrumento la entrevista que según Kvale, Steinar. (1.996) define
como: “La entrevista es una forma específica de interacción social que tiene por objeto
recolectar datos para una indagación. El investigador formula preguntas a las personas
capaces de aportarle datos de interés, estableciendo un diálogo, donde una de las partes
busca recoger informaciones y la otra es la fuente de esas informaciones.”
Partiendo del estudio de la población antes descrita se realizo entrevistas a cada
una de las personas, con la finalidad de determinar si la implementación del PLC y la
construcción de un nuevo tablero de control para la máquina Omega era un desarrollo
importante en la mejoría de la compañía Industrias Uniplasticas C.A.
Para aplicar la entrevista se debió conocer el concepto de análisis cuantitativo que según
Carlos A Sabino define que: “Es el tipo de operación que se efectúa, naturalmente, con
toda la información numérica resultante de la investigación. Esta, luego del procesamiento
que ya se la habrá hecho, se nos presentara un conjunto de cuadros, tablas y medidas, a
las cuales se les han calculado sus porcentajes y presentado convenientemente”.
Partiendo de lo antes expuesto se realizo análisis cuantitativo a todas aquellas preguntas
que arrojaron información de manera repetitiva, para así facilitar su posterior análisis.
El análisis cualitativo es definido por Carlos A Sabino como: “el procedimiento de hacer
con la información de tipo verbal que de un modo general, se ha recogido mediante fichas
de uno u otro tipo, el análisis se efectúa cotejando los datos que se refieren a un mismo
aspecto”. Es por esto que se realizo un análisis cualitativo a la información recopilada por
la pregunta N° 5.
A continuación se presenta el formato de entrevista aplicado a cada persona descrita en
la población y muestra.
Guía de Entrevista N#1
Entrevista realizada al personal ejecutivo sobre la automatización de la máquina Omega:
¿Qué problemas presenta la máquina actualmente?
¿Piensa usted que: Mejorando el sistema de control de la máquina se solucionarían los
problemas?
¿Está dispuesto en participar en el proyecto de mejorar la automatización de la máquina
Omega?
¿En cuánto tiempo considera usted que se puede realizar la implementación?
¿Cuál sería el
principal aspectos que se debe tomar en cuenta para mejorar la
implementación del PLC?
Guía de entrevista N#2
Entrevista realizada
al personal mantenimiento, técnico, producción sobre la
automatización de la máquina Omega:
1. ¿Qué problemas presenta la máquina actualmente?
2. ¿Piensa usted que: Mejorando el sistema de control de la máquina se solucionarían los
problemas?
3. ¿Cómo mejoraría la producción de la máquina Omega?
4. ¿Cuáles son las fallas más comunes?
5. ¿Cuáles seria los principales aspectos a mejorar con la implementación del PLC?
Se realizaron un total de once (11) entrevistas, de la cuales tres (3) pertenecieron
a la población A que comprenden el Área ejecutiva y ocho (8) a la población B que
comprenden al personal mantenimiento, técnico, producción. Debido a que en ambas
entrevistas se presentaron preguntas similares, se realizara en primer lugar un análisis a
estas, luego analizaremos el resto de las pregunta partiendo de la población a la que fue
realizada.
Debido a que las preguntas fueron de carácter abiertas, decidimos realizar un
muestreo con las respuestas que fueron sucesivamente repetidas, clasificamos las 3
respuestas que se presentaron con más frecuencia.
Preguntas globales.
Pregunta N° 1 ¿Qué problemas presenta la máquina actualmente?
Gráfico N° 1
Problemas
Personas
Fallas Eléctricas
11
Fallas en el sistema de seguridad
6
Falta de información sobre fallas
4
Fuente: Autor del presente trabajo de grado.
En la grafica N° 1, se presenta cuales son los problemas más comunes que
reportaron ambas poblaciones. Allí podemos apreciar que once (11) de las personas
entrevistadas respondieron que las fallas eléctricas es el problema fundamental de la
máquina Omega, también seis (6) personas argumentaron que la falta de seguridad es
una de ellas, y otras cuatro (4) la falta de información de fallas.
6. Pregunta N° 2 ¿Piensa usted que: Mejorando el sistema de control de la máquina se
solucionarían los problemas?
Gráfico N° 2
Respuesta
Personas
Si se solucionarían los problemas
11
En la figura N° 2 presenta que la totalidad de la población coincidió que mejorando
el sistema de control se solucionarían en gran medida estas fallas.
Pregunta N° 3 ¿Cuál sería el principal aspectos que se debe tomar en cuenta para
mejorar la implementación del PLC?
Gráfico N° 3
Respuestas
Información real de fallas
Sistemas de seguridad
Productividad de la máquina
Personas
5
7
4
Fuente: autor del presente trabajo de grado.
En la Figura N° 3 se presenta cuales serian los objetivos a cumplir con la
implementación de la máquina. De los cuales siete (7) personas coincidieron en que la
máquina tenga la capacidad de entregar un informe de fallas, cinco (5) se aumente la
seguridad tanto del personal como de la máquina y cuatro (4) aumentar su productividad.
Preguntas individuales con respecto a la población seleccionada:
Preguntas realizadas a la población A que pertenece al área ejecutiva de la compañía
Pregunta N° 4 ¿Está dispuesto en participar en el proyecto de mejorar la automatización
de la máquina Omega?
Gráfico N° 4
Respuesta
SI
Personas
11
En el grafico N° 4 se presenta que la población A en su totalidad está dispuesta en
participar en la inicialización de la automatización de la máquina Omega
Pregunta N° 5: ¿En cuánto tiempo considera usted que se puede realizar la
implementación?
Esta pregunta no se le realizo una gráfica cuantitativa para analizar las respuesta
encontradas debido a que cada una de ellas fueron diferentes, mostraremos cada una de
ellas para luego hacerles su posterior análisis.
Respuesta N° 1
La migración debe realizarse entre el 16/12/2011 hasta 15/1/2012; debido a que es
el tiempo en quela máquina es detenida.
Respuesta N° 2.
3 meses. Pero debe estar listo el 15/1/2012.
Respuesta N° 3.
3 meses son necesarios para realizar la implementación; teniendo en cuenta que la
máquina se detiene el 16/12/2011 y arranca el 15/1/2012.
Partiendo de estas respuestas podemos deducir que la implementación debe durar
aproximadamente 3 meses; pero específicamente debe arrancar para la fecha 16/1/2012.
Preguntas realizadas a la población B que pertenece al área ejecutiva de la compañía.
7. Pregunta N° 6: ¿Cómo mejoraría la producción de la máquina Omega?
Gráfico N°5
Respuesta
Eliminando las fallas producidas en la máquina
Trabajando Con materia prima de calidad
Modificando prensa para mayor capacidad
Personas
8
2
3
En la figura N° 5 se muestra que en la totalidad de los entrevistados coincidieron en
que eliminando las fallas en la máquina se aumentaría la producción, otras dos (2)
personas expresaron que trabajar con materia primera de calidad seria una solución y tres
(3) concordaron que realizado modificaciones a la prensa para que esta tenga más
capacidad se aumentaría la producción. A pesar que dos de las respuestas fueron
dirigidas hacia otra área ajenas al presente trabajo de grado, si se logro coincidir que
disminuyendo el número de fallas de la máquina se aumentaría la producción.
Pregunta N° 7 ¿Cuáles son las fallas más comunes?
Gráfico N°6
Respuesta
Fallas por temperatura
Fallas por extrusora
Fallas eléctricas
Personas
8
6
8
En el gráfico antes expuesto (Grafico N° 6) se presenta cuales son las respuestas
de la población acerca de las fallas más comunes de la máquina Omega. Las cuales las
ocho 8 personas entrevistadas coincidieron en que las fallas más comunes se presentan
por temperaturas y eléctricas, y otros seis (6) de esta misma población expreso que las
fallas por la extrusora también son frecuente.
CAPÍTULO IV
SISTEMA PROPUESTO
En el presente capitulo se presentarán aquellas actividades sistemáticas que se
ejecutaron en el transcurso de la automatización con la finalidad de cumplir los objetivos,
anteriormente planteados y que en consecuencia permitieron desarrollar el propósito de
este trabajo de grado. Mostrando los procedimientos, mecanismos y técnicas
implementadas en el estudio, medición, selección, diseño, construcción, pruebas e
implementación del sistema con respecto al funcionamiento previsto.
Fase 1: Investigación preliminar
En primera instancia, la investigación documental fue necesaria para conocer el
funcionamiento de una máquina de inyección de plásticos, sobre los procesos que esta
llevan a cabo, los sub-sistemas que maniobran los movimientos de la máquina (sistemas
Hidráulicos y Neumáticos) y sobre los parámetros que deben poseer las máquinas de
inyección de plásticos para su buen funcionamiento. Este estudio arrojo los conocimientos
necesarios para concluir que por lo general el proceso de inyección de una pieza plástica
consta de 5 fases: primera fase: extrusión en donde los polímeros o materia virgen es
empujado por la acción giratoria de un husillo (Tornillo) que gira concéntricamente en una
cámara de temperaturas controladas llamada cañón (Camisa), debido a acción de empuje
el material se funde y mezcla en el cañón, en una sección de éste, es dosificado el gas de
nitrógeno para mejorar la características del plástico; el siguiente proceso; segunda fase,
es donde se almacena el material fundido, luego de contener la cantidad necesaria de
material, se entra en la etapa de inyección; tercera fase, mediante un sistema hidráulico o
neumático se abren boquillas que permiten el paso al material fundido hacia las cavidades
del molde, y así dar forma a la pieza, terminado la etapa de inyección la máquina entra en
un modo de enfriamiento de moldes; cuarta fase, consiste en dejar circular agua u otro
refrigerante para apresurar el enfriamiento de la pieza, y por último en una quinta fase, al
concluir el tiempo de enfriamiento el molde se abre para que la pieza sea retirada y así
iniciar de nuevo el proceso.
Por medio de la observación directa del sistema interno y externo de la maquina
Omega, integrado con las entrevistas realizadas al personal técnico, encargado del
funcionamiento del proceso; se estableció que la producción de este sistema, constituye
en la elaboración de diversos tipos de piezas plásticas, aunque se produzcan varios
modelos de piezas, el proceso de producción se mantiene constante, desde la extrusión
de la materia virgen mesclada, pasando por la inyección, hasta la retirada de la pieza del
molde; la variante que existe dependiendo de la pieza en la que se trabaja, es maniobrada
por el sistema de control, tales como: los parámetros de inyección, de calefacción, de
carga y descarga de material, velocidad de la extrusión y tiempos de procesos;
conformando esto la estructura funcional del sistema.
Diagrama estructural de la máquina Omega:
La máquina Omega está conformada por dieciséis (16) partes fundamentales
para su funcionamiento y producción de piezas plásticas; se constituye inicialmente por
una caja reductora que cumple las funciones de disminución de las velocidades RPM del
motor principal, y a su vez transmite un mayor torque al tornillo o husillo para aumentar el
empuje de la materia prima (polímeros), en segundo lugar se encuentra el orificio de
entrada de material que está conectado a la tolva, dónde se almacena la materia que va
a ser procesada. El material que pasa por el orificio de entrada es empujado por el tornillo
a lo largo de todo el cañón, éste consta de cuatro zonas de calefacción que se utilizan
para mantener una temperatura elevada y así poder fundir el material.
Una vez finalizado el empuje del material en el cañón, al final de éste se encuentra
el cabezal, el cual posee una zona de calefacción, y a su vez se encuentra la válvula de
seguridad que tiene la finalidad de descargar el ex eso de material o presión, ésta es
conducida por un tubo de transferencia que posee una zona de calefacción encargada de
mantener una temperatura alta a lo largo de este. Al final del tubo de transferencia se
localiza el acumulador, que contiene dos zonas de calefacción (parte alta y baja), éste
almacena el material fundido necesario para llenar el molde, la cantidad de material a
almacenar es determinada mediante sensores finales de carreras que son ajustados su
posición según las especificaciones de la pieza en la que se está trabajando; sobre el
acumulador se encuentra un pistón que ejerce una presión hacia el fondo del mismo, este
tiene la finalidad de aumentar la presión de inyección. Cuando el final de carrera
encargado de enviar una señal de que el acumulador ha alcanzado la cantidad indicada
de materia almacenada es accionado, envía una señal a las electroválvulas del sistema
hidráulico encargadas de accionar los pistones hidráulicos que abren las boquillas.
Una vez que las boquillas se encuentran abiertas se genera una caída de presión
que hace que el material sea inyectado en el molde debido a la presión ejercida por el
pistón del acumulador y la extrusora.
El área donde se encuentran las boquillas es denominada distribuidor, éste posee
dos zonas de calefacción, dos sensores finales de carrera que controlan la apertura y
cierre de las boquillas enviando señales al sistema hidráulico; al inyectar el material
almacenado en el acumulador, la posición de este empieza a descender y cuando acciona
al sensor final de carrera encargado de anuncian que el acumulador esta vacío, este
envía una señal al sistema hidráulico para que cierra las boquillas, ya que se ha
terminado la inyección de material; cuando las boquillas cierran se inicia un tiempo de
enfriamiento controlado por un temporizador (retardo a la conexión) que se encarga de
mantener el molde cerrado mientras se está enfriando la pieza, al molde se la hace
circular agua a temperaturas bajas para apresurar el enfriado, luego de cumplirse el
tiempo de enfriamiento, se envía una señal al sistema hidráulico para que este abra el
molde, el operario se encargar de retirar la pieza y de iniciar de nuevo el ciclo presionando
un botón; en la figura numero 28 se indican cada una de las partes de la máquina Omega.
Figura N° 28 Diagrama estructural de la máquina Omega
N° 1 = caja reductora del sistema de extrusión, mostrada en la figura N° 29
Figura N° 29 Caja reductora del sistema de extrusión
N°2 = Entrada de material a la extrusora, mostrada en la siguiente figura N° 30.
Figura N°30 Entrada de material a la extrusora.
N°3 = Tolva, es donde se almacena la materia virgen que va a ser procesada, se puede
apreciar en la figura N° 31
Figura N° 31 Tolva
N°4 = Cañón, allí se realiza el proceso de fundición de la materia prima, debido a las
zonas de calefacción que se encuentran hay. Se muestra en la figura N° 32
Figura N° 32: Extrusora o Cañón, y sus sistemas de calefacción:
N° 5 = Cabezal, Mostrado en la figura N° 33
Figura N° 33: Cabezal
N°6 = Tubo de Transferencias de Extrusora a acumulador, presente en la figura N°34
Figura N° 34: Tubo de transferencia Extrusora Acumulador:
N°7 = Acumulador, es donde se almacena el material fundido que va a ser inyectado, en
la figura N° 35 se muestra sus sistemas de calefacción:
Figura N° 35 Acumulador y su sistema de calefacción
N° 8 = Pistón de inyección, se encuentra sobre el acumulador y se encarga de aumentar
la presión de la inyección. En la figura N° 36 puede ser observado.
Figura N° 36: Pistón de inyección
N°9 = Tubo de transferencia entre acumulador y distribuidor, se puede observar sus
resistencias calefactoras en la figura N° 37.
Figura N° 37: Tubo de transferencia acumulador distribuidor
N° 10 = Distribuidor, es donde se distribuye la materia fundida hacia las boquillas,
Puede ser visualizado en la figura N° 38
Figura N° 38: Distribuidor
N°11 = Varillas de apertura y cierre de boquillas, se encargar de controlar la inyección del
materia hacia el molde, se pueden visualizar en la figura N° 39
Figura N° 39: Varillas de apertura y cierre de las boquillas
N°12 = Molde, es donde es inyectado el material para darle forma a la pieza que se desea
producir, en la figura N° 40 se puede observar.
Figura N° 40: Molde
N° 13 = Sistema Hidráulico, es el encargado de maniobrar los movimientos mecánicos de
la máquina, se puede observar en la figura N° 41
Figura N° 41: Sistema Hidráulico
N° 14 y 15 = motores de las bombas del sistema Hidráulico, mostrados en la figura N° 42
Figura N° 42 Motores de las bombas del sistema Hidráulico
N° 16 = Motors principal, es el que mueve el tornillo o husillo a través de la caja reductora,
mostrado en la figura N° 43
Figura N° 43: Motor principal
Identificación de las variables de control actuales del proceso de la máquina
Omega.
Luego de conocer el funcionamiento de una máquina de inyección de plásticos,
procedemos a determinar cuáles son las variables que intervienen en el proceso
actualmente. Para la identificación de los distintos procesos que conforman el
funcionamiento del sistema, se estudiaron las diferentes variables que corresponden al
control operativo del proceso o aquellos procedimientos, mecanismos y condiciones que
lo gobiernan.
Entre las variables que intervienen en el control operativo del proceso se pueden
dividir en dos tipos: variables analógicas y variables digitales. Variables digitales tenemos
a todos aquellos dispositivos y sensores que entregan una salida en palabra binaria o en
salidas todo o nada, cada vez que son accionados; y las variables analógicas comprende
las lecturas arrojadas por los transductores que convierten un efecto físico como
temperatura, humedad etc. En una señal normalmente de tensión proporcional al efecto
medido.
Después de comprender los tipos de variables que suelen existir en cualquier
proceso industrial, pasamos a identificar y explicar cada una de las variables que se
encuentran presente en los procesos de la máquina Omega.
Variables digitales:
Tenemos el uso de 7 sensores final de carreras que cumplen con las siguientes
funciones: Dos (2) de ellos se encarga de controlar la posición en la que se encuentran
las varillas, determinando la apertura y cierre de estas, las señales llegan al tablero de
control y es este quien le dice a sistema hidráulico cuando debe de detener el paso de
liquido hacia el pistón y de esta manera no exceder de presión dentro del pistón de
apertura y cierre de las varillas. Se pueden observar en la figura N°44
Figura N°44: Finales de carrera de posición de varillas
Dos (2) se encargan de controlar los movimientos de la prensa, uno determina
cuando la prensa está abierta y el otro se encarga de realizar una parada a la prensa para
que esta espere a que el acumulador este lleno y luego
mande a subir la prensa,
cerrando el molde y así dar inicio a la inyección, en la figura N°45 pueden ser apreciados
Figura N°45 Finales de carrera de posición de la prensa
Tres (3) se ubican en el acumulador, estos se encargan de controlar la cantidad de
material que va a ser inyectado en el molde, uno determinar cuando el acumulador esta
vacio, este envía la señal que establece el fin de la inyección cuando la maquina se
encuentra en modo semiautomático, otro de los finales de carrera es el que establece
cuanta cantidad de material se desea inyectar, su posición en el acumulador puede ser
ajustada según la ficha técnica de la pieza que se esté trabajando, el envía la señal de
que el acumulador está lleno y se puede dar inicio a la inyección del material, y el tercero
es un final de carrera de seguridad, este cumple la función de señalizar cuando se a
alcanzo el límite de material que puede contener el acumulador, como seguridad al ser
accionado este se abre la válvula de seguridad con el fin de purgar el exceso de material
que hay en el acumulador y conjuntamente se detiene la extrusora para evitar que se siga
cargando de material. En la figura N°46 se encuentras dichos finales de carrera.
Figura N°46: Finales de carrera de control de acumulador
La maquina posee un sensor de presión llamado presostato que se puede
visualizar en la figura N°47, este cumple la función de enviar una señal en el momento
que el sistema hidráulico ha levantado la alta presión para cerrar el molde.
Figura N°47: Presostato de alta presión del sistema Hidráulico
Para proteger la máquina de sobre tensión y baja tensión entre las fases, tiene
instalado un supervisor 3f visible en la figura N°48, el envía una señal que indica que la
alimentación de la máquina se encuentra normalizada.
Figura N°48: supervisor trifásico
Variables Analógicas actuales del Proceso:
En una maquina de inyección de plásticos, las temperaturas de cada zona de la
maquina es el factor fundamental para el funcionamiento de esta. La máquina omega
posee 19 zonas de calefacción de las cuales 12 de ellas son manejadas por pirómetros a
través de termocuplas tipo J y las otras 7 zonas, debido a las dificultades de instalar
termocuplas, se trabajan por potenciómetros de potencia controladores de corriente.
Otras de las variables analógica que se presentan en la máquina Omega es la del
control de RPM (Revoluciones por minutos) a través de un variador de velocidad, este
recquiere de una señal de tensión de 0 a 10 v para ajustar la velocidad del motor de la
extrusora, esta variable es controlada por un potenciómetro colocado en la parte frontal
del tablero de control.
Estudio del estado actual del tablero de control de la máquina Omega
Para comprender la lógica de funcionamiento del tablero actual de la máquina
omega se realizo en primera instancia un estudio documental del mismo, a pesar de que
no se conto con esquemas eléctricos o existían muy poco, se usaron los manuales de
encendido y apagado que posee la compañía para dar el primer paso en la comprensión
de la lógica de funcionamiento
En segunda instancia se realizo un estudio de campo, que con ayuda del personal
técnico y operario se pudo comprender cada una de las partes que conformaban el
tablero.
Diagramas de bloque del sistema de potencia y control del tablero actual de la
máquina omega.
Según el profesor Castillo Rubio Paolo define que: “Para la ingeniería de control, la
forma descriptiva de ver un sistema es con base en diagramas de bloques, donde las
variables controlables y no controlables, se representan con flechas ; en tanto que los
bloques o cajas representan el proceso, el mecanismo de regulación, de medición y
demás dispositivos del sistema”.
El diagrama en bloques que sigue a continuación en la figura N° 49 se muestra la
estructura fundamental que debe poseer todo tablero de control,
Figura N° 49: Estructura fundamental de un tablero de control
En el diagrama de bloques de la figura N° 49 es representado por 4 bloques que
constituyen la estructura fundamenta de un tablero de control, debido a que en primer
lugar se encuentra en bloque de alimentación, este representa la línea de alimentación
del sistema, este puede ser tanto alimentación monofásica como alimentación trifásica. En
segundo lugar se encuentra el bloque de protección contra corto circuitos, este representa
los distintos tipos de protección contra cortocircuitos, ya sean, fusibles, breaker térmicos,
magnéticos o magneto térmicos, en tercer lugar se encuentra el bloque de actuadores,
este simboliza los dispositivos de maniobra que pueden ser, relé, contactores, relé de
estado sólidos etc. en cuarto lugar se encuentra el bloque de control, que son los
controladores ya sean, sensores digitales, analógicos, autómatas, etc. Y por ultimo en
quinto lugar tenemos la salida que es el dispositivo q va a ser controlado, pueden ser,
resistencias calefactoras, motores, electroválvulas etc.
Partiendo de este diagrama en bloque, se realizo el análisis de cada una de las
partes que constituyen el tablero de control que posee actualmente
la máquina de
inyección de plásticos Omega.
Luego de realizadas las observaciones se concluyo que el tablero de control de la
maquina omega está dividido en 5 secciones las cuales se integran para poder realizar el
control del proceso de la máquina.
La primera sección la constituye la alimentación principal, la cual posee una
alimentación de 220v entre fases, tiene un breaker principal que protege contra corto
circuitos aguas arriba de el resto de los componentes del tablero, es de este braker que
se lleva alimentación a cada una de las demás secciones del tablero, también se
encuentra un contactor principal, que permite la alimentación hacia la sección de
calefacción; se pude observar en la figura N° 50
Figura N° 50 Sección N°1 alimentación del tablero
Segunda sección ó sección de calefacción, esta comprende todos los dispositivos
y sensores tanto de control como actuadores de las zonas de calefacción del sistema,
para la medición de temperatura se usaron transductores como las termocuplas tipo J, se
usan primordialmente por su bajo costo, y también por que las temperaturas que estas
censan no sobrepasan los 540 c°, los pirómetros se encargan de traducir las lecturas de
las termocuplas, estos cumplen la función de control, ya que de acuerdo a los parámetros
establecidos, accionan o no los actuadores, que en este tablero son los relé de estado
sólidos o SSR, estos son los que permiten el paso de la corriente hacia las resistencias
calefactoras, poseen una protección contra corto circuito de interruptores magneto
térmicos de alta velocidad, ya que los SSR son dispositivos electrónicos muy sensibles;
en la siguientes figuras ( figura N° 51 y N° 52) podemos apreciar cada uno de estos
dispositivos en el tablero.
Figura N° 51 SSR y magnetos térmicos
Figura N°52 Pirómetros
Fuente: Autor del presenta trabajo de grado
Sección N°3: sección de motores, esta sección está conformada por los motores
que funcionan en el sistema hidráulico y el motor de la bomba de lubricación de la caja
reductora; debido a que la tensión de alimentación es de 220v entre fases, a los motores
del sistema hidráulico se le implemento un arranque estrella delta, el cual consiste en
reducir el pico de corriente en el momento del arranque, esto es debido a que el arranque
se inicia en estrella, esta conexión tiene la característica de reducir la cantidad de
corriente consumida por el motor, ya que, entre cada fase de alimentación aumentan las
impedancias por el numero de bobinas que se ven involucradas, y por la ley de ohm dice
que a mayor impedancia, menor paso de corriente, en la figura N° 53 se puede apreciar la
conexión típica en estrella de un motor.
Figura N° 53: Conexión estrella
Fuente: mailxmail (3/9/2010)
Luego de permanecer en la conexión estrella por un lapso de tiempo que le haya
permitido al motor alcanzar el 80 % de su velocidad nominal, es desconectado de estrella
para simultáneamente conectarlo en delta, para hacer lograr que el motor consiga la
velocidad total disminuyendo el pico de corriente en el arranque y aumentando su torque,
en la figura N° 54 se muestra la conexión de un motor en delta.
Figura N° 54: Conexión de un motor en delta
Fuente: mailxmail (3/9/2010
Para realizar el cambio de estrella a delta se necesita la implementación de tres (3)
contactores denominados: Contactor de Línea, Contactor de estrella y Contactor de delta;
para la temporización del cambio de conexión se requiere de un temporizador con retardo
a la conexión (Off Delay) en la figura N° 55 se muestra el esquemático de conexión y el
diagrama eléctrico para una conexión estrella delta de un motor de 12 puntas que son los
usados en el sistema hidráulico de la máquina Omega.
Figura N° 55 Esquemático y diagrama eléctrico de conexión de motor de 12 puntas en
arranque estrella delta
Como el sistema hidráulico consta de dos motores, se realizo el arranque estrella
delta por separado dentro del tablero, aunque ambos son accionados por la misma señal
de control, en la figura N° 56 se muestra la conexión estrella delta del tablero de la
maquina Omega.
Figura N° 56 Conexión estrella delta del tablero Omega
Motor Hidráulico principal
Motor Hidráulico secundario
Sección N° 4, sección de variador de velocidad, esta es la encargada de variar la
velocidad del motor de la extrusora, la velocidad a la que debe girar el motor de la
extrusora es pautada por la entrada analógica de 0 a 10 v que este posee, la velocidad es
proporcional a la relación de voltaje que es suministrado por un potenciómetro que se
encuentra en el exterior del tablero, la conexión del variador está compuesta por un
transformador elevador, que aumenta la tensión de 220v a 440v, con la finalidad de
disminuir el consumo de corriente del motor, está protegido contra corto circuito por un
breaker magneto térmico y un contactor aguas arriba al variador de velocidad, el cual es
accionado por un botón; en la figura N° 57 se muestra el variador de velocidad y el
potenciómetro que controla la velocidad a la que debe trabajar este.
Figura N° 57 Variador de velocidad y su control
Sección N° 5, botoneras de control, esta conforma toda la parte lógica del sistema,
en ella se encuentra la botonera que ejecuta los múltiples accionamientos de la máquina,
también está compuesta por un complejo sistema de relé de control, que son los que
realizan las operaciones lógicas para llevar a cabo el proceso, en la figura N° 58 se
observan las botoneras y el sistema de relé de control .
Figura N° 58 Botoneras, Relé de control
Diseño y selección de dispositivos para el nuevo tablero de control de motores de
la máquina Omega.
Para la elaboración del tablero de motores de la máquina Omega y para el criterio
de selección de los dispositivos que se implementaran, fue necesario realizar una serie
de planos eléctricos generales, que integran los tipos de conexiones, dispositivos y
distribución de estos, según las normativas de diseño, simbología y distribución del
código eléctrico nacional. A continuación se muestra en la figura N° 59 el diagrama
eléctrico del tablero de motores
Figura N° 59: Esquema eléctrico del tablero de motores
El diagrama eléctrico del tablero de motores comprende los conductores: L1, L2,
L3 que tendrán una tensión de 440v entre líneas, suministrado por los transformadores
principales de la compañía Industrial Uniplasticas C.A., un breaker principal para la
protección contra cortocircuito señalado como BK1, seis (6) interruptores magneto
térmicos para la protección contra corto circuito individuales señalados como MT1,2…6;
posee seis (6) contactores de tres (3) polos de bobina 110v, identificados como K1,2…6,
los contactores K1, K2, K3, K4, K5 tienen a sus salidas directamente motores de
inducción trifásicos, estos son: dos (2) motores que posee el sistema hidráulico, el motor
de la bomba de lubricación de la caja reductora que posee la extrusora y los motores del
soplador y la bomba de agua que serán implementado en la máquina más adelante; el
contactor K6 a su salida posee el variador de velocidad y este controla la motor M6 que es
el motor de la extrusora
Criterio de selección de los dispositivos para el tablero de control de motores de la
máquina Omega.
Para dar inicio al criterio de selección de los dispositivos a implementarse en el
tablero de control de motores de la máquina omega fue necesario en primer lugar conocer
la potencia de los motores que vamos controlar, para esto se llevo a cabo la observación
y estudio de las placas nominales que poseen los dichos motores, también llevando a
cabo mediciones para corroborar que los datos de las placas son los que realmente se
presentan en el motor, esto es debido a que los motores ha sido re-embobinados por
accidentes ocurridos anteriormente.
M1 o motor principal del sistema Hidráulico, este motor es el encargado de
proporcionar que el sistema hidráulico consiga altas presiones para su funcionamiento,
en la figura N° 60 se presenta la placa nominal del motor.
Figura N° 60 Placa del motor Principal del sistema Hidráulico
En la tabla N° 2 se pueden observar los datos de la placa expuesta en la figura N° 60:
Tabla N° 2: Mediciones de potencia de motores y zonas de calefacción
Numero de serie:
059260
Potencia
50 HP
RPM
1770
Temperatura máxima de trabajo
100°c
Tensión de alimentación
220/440
Partiendo de estos datos podemos calcular el consumo de corriente que tendrá el
motor dependiendo de la tensión de alimentación con la que se va a trabajar; teniendo en
cuenta que 1 HP equivale a 746 W y que la tensión de alimentación con la que se va a
trabajar es de 440 v con la formula N° 2 podemos determinar la corriente que consume el
motor en plena carga.
Formula N° 2: Cálculo de corriente del motor trifásico
1 HP = 746 W
50 HP = 37300 W
P=IxV
Donde P = potencia
I = corriente
V = Tensión
I = P/V
I = 37300 W / 440V
I = 84,7 Amp
La corriente calculada debe ser dividida entre raíz de 3 debido a que la alimentación es
trifásica, entonces:
84,7 amp / 1.73
I = 49 amp
M2: Motor secundario del sistema hidráulico de la Omega; es el encargado de
genera la presión piloto; esta presión es usada por el sistema Hidráulico para realizar el
pilotaje de la válvulas que manejan mayor caudal aceite, ya que, un solenoide no tendría
fuerza suficiente para maniobrarla; en la figura N° 61 se presenta la placa de datos del
motor
Figura N° 61: Placa de datos de motor secundario del sistema Hidráulico
En la tabla N° 3 se pueden observar los datos de la placa antes expuesta en la figura N°
61:
Tabla N° 3 Placa del motor secundario des sistema Hidráulico
Numero de serie:
16L0792
Potencia
25 HP
RPM
1760
Temperatura máxima de trabajo
100°C
220 / 380 / 440 V
trabajar es de 440 v con la formula N° 2 podemos determinar la corriente que consume el
Formula N° 2: Cálculo de corriente del motor trifásico
1 HP = 746 W
25 HP = 18650 W
P=IxV
Donde P = potencia
I = corriente
V = Tensión
I = P/V
I = 18650 W / 440V
I = 42,38 Amp
42,38 amp / 1.73
I = 24.5 amp
M3: Motor de lubricación de la caja reductora de la extrusora, este cumple la
función de hacer circular el aceite lubricante a través de los engranes de la caja y también
hace circular el aceite por un intercambiador de calor con la finalidad de reducir la
temperatura en este y mantener la caja reductora a una temperatura adecuada. En la
figura N° 62 se observa la placa de datos del motor de lubricación de la extrusora
Figura N° 62 Placa del motor de la bomba de lubricación de la extrusora
62:
Tabla N° 4 Placa del motor de la bomba de lubricación de la extrusora
Numero de serie:
2762-3
Potencia
¼ HP
RPM
1725
Frecuencia
50 / 60 Hz
208 / 220 / 440 V
trabajar es en este caso 220v debido a un accidente que sucedió con el motor, fue
re-embobinado y no dejaron acceso a la manipulación de las puntas de la bobinas y
debido a esto solo traba a 220v, con la formula N° 2 podemos determinar la corriente que
consume el motor en plena carga.
Formula N° 2: cálculo de corriente del motor trifásico
1 HP = 746 W
¼ HP = 186.5W
P=IxV
Donde P = potencia
I = corriente
V = Tensión
I = P/V
I = 186.5 W / 220V
I = 0.9 Amp
0.9 amp / 1.73
I = 0.5 amp
M4: Motor del soplador de materia prima; este motor tiene la función de hacer girar
un soplador para llevar materia prima hacia la tolva de la máquina Omega, esto es posible
por un efecto físico llamado efecto de venturi, en estos momentos no se encuentra
implementado este sistema en la máquina, es por esto que no se cuenta con descripción
de dicho motor, pero se presume que un motor de 15 HP de pueda ser utilizado, en base
a este dato calculamos con la formula N° 2 la corriente que puede consumir el motor en
plena carga.
1 HP = 746 W
15 HP = 11190 W
P=IxV
Donde P = potencia
I = corriente
V = Tensión
I = P/V
I = 11190 W / 220V
I = 25.4 Amp
25.4 amp / 1.73
I = 14.7 amp
M5: Motor de la bomba de agua; este motor tiene la función de hacer circular una
cantidad de agua calculada por los moldes, por la finalidad de enfriar la pieza dentro del
moldes de forma más estable, en estos momentos ese sistema no está implementado en
la máquina Omega, es por esto que no poseemos los datos específicos del motor, pero se
presume que el motor seria de 1 HP, entonces con la formula N° 2 se calcula el consumo
de corriente de este motor.
1 HP = 746 W
P=IxV
Donde P = potencia
I = corriente
V = Tensión
I = P/V
I = 746 W / 440V
I = 1.69 Amp
1,69 amp / 1.73
I = 1amp
M6: Motor de la extrusora, este motor tiene la función de realiza la acción giratoria
del tornillo o husillo de la extrusora, este se realiza por medio de una caja reductora
reduce la velocidad de giro y aumenta el torque del mismo, este motor es controlador por
medio de un variador de velocidad que se encarga de variar la velocidad del motor según
un parámetro ajustable, en la figura N° 63 se muestra la placa de datos del motor
Figura N° 63: Placa de datos del motor de la extrusora
Fuente: Autor del presente proyecto de grado
63:
Tabla N° 5: Placa del motor de la extrusora
Numero de serie:
8456033D0
Potencia
36 kW
RPM
1765
Frecuencia
60 Hz
220 / 440 V
Angulo de desfase
Cos 0.85
trabajar es de 440v, con la formula N° 2 podemos determinar la corriente que consume el
1 HP = 746 W
P=IxV
Donde P = potencia
I = corriente
V = Tensión
I = P/V
I = 36 kW / 440V
I = 81,8 Amp
81,8 amp / 1.73
47.3 = 1amp
Luego de conocer el consumo de cada uno de los motores se procede a calcular el
consumo de corriente total que va a requerir el tablero cuando se encuentre en pleno
funcionamiento, para esto sumamos todos los consumos individuales en la tabla N° 6:
Tabla N° 6: Sumatoria de los consumos individuales de corriente de cada motor
M1 ( Principal del hidráulico)
49 amp
M2 ( secundario del hidráulico)
24.5 amp
M3 (motor de bomba de lubricación)
0.5 amp
M4 ( motor del soplador)
14.7 amp
M5 (motor de la bomba de agua)
1 amp
M6 ( motor principal de extrusora)
47.3 amp
Total
137 amp
Partiendo de la tabla N6, conociendo el consumo que va a necesitar el tablero de
control de motores de la máquina Omega, se procede a calcular los conductores de la
alimentación principal del tablero, en la figura N° 64 se muestra la tabla de ampasidad de
los conductores de cobre.
Figura N° 64: Tabla de ampasidad de conductores de cobre
Fuente: U.P.E.T 2011
Según la tabla de ampasidad de los conductores de cobre mostrados en la figura
N° 64, podemos seleccionar el conductor de cobre de 350 MCM, debido a que puede
soportar hasta 325 amp con aislamiento THW sin sufrir daños, otras de la razones por la
cual se seleccionara este conductor de cobre, es porque se encuentra en el stock de
industrial Uniplasticas C.A.
Para la selección del breaker Principal BK1 mostrado en la figura N° 59, fue
tomado en consideración los criterios impuestos por el personal técnico de Industrias
Uniplasticas, el cual menciona que para los dispositivos de protección contra corto
circuito, deben ser seleccionados con un 60% por encima de la corriente nominal con la
que se van a trabajar; es por esto que se selecciono un breaker térmico de 225 amp de la
marca cuter hammer.
La selección de la protección contra cortocircuito de tres polos se realizo de
acuerdo a los consumos de corriente individuales de cada motor, se selecciono de tipo
magneto térmico que están identificados en la figura N° 59 como MT en la tabla N° 7 que
sigue a continuación se muestra la selección de cada unos de los dispositivos.
Tabla N° 7 Selección de protección contra corto circuito
Descripción
Corriente
% superior
Capacidad
Marca
MT1
49 Amp
60%
90 Amp
Schneider
24.5 Amp
60%
50 Amp
Schneider
0.5 Amp
60%
9 Amp
Schneider
14.7 Amp
60%
25 Amp
Schneider
1 Amp
60%
9 Amp
Schneider
47.3 Amp
60%
90 Amp
Schneider
Principal HID
MT2
Secundario HID
MT3
Bomba
Lubricacion
MT4
Soplador
MT5
Bomba de agua
MT6
Extrusora
Fue seleccionada la marca Schneider Electric debido de su gran trayectoria en la
fabricación de productos del área eléctrica, tanto de potencia como de control, y de su
excelente calidad.
La selección de los contactores de tres polos utilizados en el tablero de control de
motores de la máquina Omega se llevo a cabo bajo los criterios de Industrias Uniplásticas,
los cuales describen que: para la maniobra de Motores trifásicos de inducción, los
contactores deben ser de tipo AC3 los cuales son fabricados para cargas inductivas como
motores, se deben elegir con un 80% superior a la corriente que por ellos va a transitar,
esto es con la finalidad de aumentar su vida útil. En la figura N° 59 estos están
identificados como K; en la tabla N° 8 que sigue a continuación se muestra la selección de
cada uno de los dispositivos:
Tabla N° 8 Selección de contactores
Descripción
Corriente
% superior
Capacidad
Marca
K1
49 Amp
80%
90 Amp
Schneider
24.5 Amp
80%
50 Amp
Schneider
0.5 Amp
80%
9 Amp
Schneider
14.7 Amp
80%
25 Amp
Schneider
1 Amp
80%
9 Amp
Schneider
Principal HID
K2
Secundario HID
K3
Bomba
Lubricacion
K4
Soplador
K5
Bomba de agua
K6
47.3 Amp
80%
90 Amp
Schneider
Extrusora
Para la selección de los conductores de cada uno de los motores identificados en
la figura N° 59 identificados como M; se realizo partiendo de la figura N° 64 donde
menciona la ampasidad de cada calibre del conductor; en la tabla N° 9 se muestra la
selección de los conductores para cada uno de los motores del tablero.
Tabla N° 9: Selección de conductores
Descripción
Corriente
Calibre
aislamiento
M1
49 Amp
2
THW
24.5 Amp
6
THW
0.5 Amp
16
THW
14.7 Amp
10
THW
Principal HID
M2
Secundario HID
M3
Bomba de
lubricación
M4
Soplador
M5
1 Amp
16
THW
47.3 Amp
2
THW
Bomba de agua
M6
Extrusora
Fuente: autor del presente trabajo de grado
Variador de frecuencia
:
Luego de realizado los esquemas eléctricos, y la selección de los dispositivos a
implementar en el tablero de control de motores de la máquina Omega, se realizo el
esquema físico del tablero con un software de diseño asistido por computadora Autocad,
con la finalidad de saber la distribución física de los dispositivos en el tablero. En la figura
N° 65 se muestra el esquema físico de los dispositivos a implementar.
Figura N° 65 Esquema físico de los dispositivos a implementar
Diseño y selección de dispositivos para el nuevo tablero de control de calefacción
de la máquina Omega.
Para la elaboración del tablero de calefacción de la máquina Omega y para el
criterio de selección de los dispositivos que se implementaran, fue necesario realizar una
serie de planos eléctricos generales, que integran los tipos de conexiones, dispositivos y
distribución de estos, según las normativas de diseño, simbología y distribución del
código eléctrico nacional. A continuación se muestra en la figura N° 66 el diagrama
eléctrico del tablero de calefacción principal de la máquina.
Figura N° 66 Diagrama Eléctrico del tablero de calefacción principal
El diagrama eléctrico de la calefacción principal comprende los conductores: L1,
L2, L3
que tendrán una tensión de 220v entre líneas, suministrado por los
transformadores principales de la compañía Industrial Uniplásticas C.A., un breaker
principal para la protección contra cortocircuito señalado como BK1, doce (12)
interruptores magneto térmicos de dos polos para la protección contra corto circuito
individuales señalados como MT1,2…12; posee doce (12) contactores de tres (3) polos de
bobina 220v, identificados como K1,2…12, los contactores tienen a sus salidas la
conexión de las resistencias calefactoras identificadas como C1,2…. 13.
En la selección de los distintos dispositivos que se implementaran en el nuevo
tablero de calefacción de la máquina Omega, es necesario conocer el consumo total del
sistema y también el consumo individual de cada zona de calefacción.
Para conocer el consumo individual de cada zona de calefacción es necesario
saber cuántas resistencias intervienen en el calentamiento de dichas zonas, cuanta
potencia posee cada resistencia y su alimentación de trabajo. En la figura N°67 se
muestran todas las zonas de calefacción de la máquina Omega.
Figura N° 67 Zonas de calefacción de la máquina Omega
La Extrusora posee cuatro (4) zonas de calefacción identificadas como Z1A, Z1B,
Z2, Z3, Z4; La Z1 fue dividida en dos partes debido a que es al zona que posee la mayor
cantidad de resistencia y su consumo de corriente es alto, es por esto que se usan dos (2)
contactores para minimizar el tamaño de ellos, estos son controlados por la misma señal
de control.
El cabezal posee una (1) zona de calefacción identificada como Z5; el tubo de
transferencia de extrusora al acumulador posee una (1) zona de calefacción denominada
Z6; El acumulador posee dos zonas de calefacción, están representadas como Z7 y Z8;
el tubo de transferencia de acumulador al distribuidor tiene una (1) zona de calefacción
simbolizada como Z9; El distribuidor contiene dos (2) zonas de calefacción llamados Z10
y Z11 , la válvula de seguridad posee una (1) zona de calefacción y está representada
por Z12, las boquillas comprenden siete (7) zonas de calefacción las cuales están
identificadas con Z13, Z14, Z15, Z16, Z17, Z18, Z19.
En la tabla N° 10 que sigue a continuación, se presentan cada una de la zonas,
identificando el numero de resistencias que esta posee, su potencia, su tensión de
alimentación, y el consumo total de la zona; de esta manera se llegara a la selección de
los dispositivos del tablero de calefacción principal.
Tabla N° 10 Calculo de corriente de cada zona de calefacción
Zona
N° Resistencias
Tensión
Potencia
Corriente total
Z1A
2
220vac
3500 W c/u
31.81 Amp
Z1B
2
220vac
3500 W c/u
31.81 Amp
Z2
2
220vac
3500 W c/u
31.81 Amp
Z3
2
220vac
3500 W c/u
31.81 Amp
Zona
N° Resistencias
Tensión
Potencia
Corriente total
Z4
2
220vac
3500 W c/u
31.81 Amp
Z5
4
220vac
1700 W c/u
31 Amp
Z6
4
220vac
500 W c/u
9 Amp
Z7
4
220vac
2500 W c/u
45.45 Amp
Z8
6
220vac
2500 W c/u
68.18 Amp
Z9
4
220vac
500 W c/u
9 Amp
Z10
1
220vac
3500 W c/u
16 Amp
Z11
1
220vac
3500 W c/u
16 Amp
Z12
2
220vac
250 W c/u
2.27 Amp
Total
356 Amp
De acuerdo a los valores arrojados en la tabla N° 10 se puede iniciar la selección
de los dispositivos a implementar en el tablero de calefacción principal de la máquina
Omega.
Tomando en cuenta que el consumo total de corriente, de todas las zonas de
calefacción es de 356 Amp podemos seleccionar el dispositivo de protección contra
cortocircuito, usando el criterio de 60 % por encima del consumo que transitara, se debe
seleccionar un breaker magnético de 570 Amp, este breaker está identificado en la figura
N°66 como BK1.
Para la selección del contactor principal de calefacción se uso modelos AC1 de
tres (3) polos especiales para cargas resistivas, este contactor debido al consumo total de
corriente debe ser de 570 amp, está identificado en la figura N° 66 como KP
En la tabla N° 11 se seleccionan los dispositivos a usar en cada zona
individualmente
Tabla N° 11: Selección de dispositivos de sistema de calefacción
Zona
Corriente Total
Magneto
Contactor
Marca
térmico
Z1A
31.81 Amp
2 polos 50 Amp
3 polos 50 Amp
Schneider
Z1B
31.81 Amp
2 polos 50 Amp
3 polos 50 Amp
Schneider
Z2
31.81 Amp
2 polos 50 Amp
3 polos 50 Amp
Schneider
Z3
31.81 Amp
2 polos 50 Amp
3 polos 50 Amp
Schneider
Z4
31.81 Amp
2 polos 50 Amp
3 polos 50 Amp
Schneider
Z5
31 Amp
2 polos 50 Amp
3 polos 50 Amp
Schneider
Z6
9 Amp
2 polos 16 Amp
3 polos 18 Amp
Schneider
Z7
45.45 Amp
2 polos 72 Amp
3 polos 80 Amp
Schneider
Z8
68.18 Amp
2 polos 110
3 polos 125
Amp
Amp
Schneider
Z9
9 Amp
2 polos 16 Amp
3 polos 18 Amp
Schneider
Z10
16 Amp
2 polos 25 Amp
3 polos 25 Amp
Schneider
Z11
16 Amp
2 polos 25 Amp
3 polos 25 Amp
Schneider
Zona
Corriente Total
Magneto
Contactor
Marca
3 polos 9 Amp
Schneider
térmico
Z12
2.27 Amp
2 polos 9 Amp
Los magnetos térmicos son representados en la figura N° 66 como MT y los
contactores son identificados como K, luego de identificado los dispositivos a utilizar, se
procedió a la selección del tipo y calibre del conductor de cobre a utilizar según lo
especificado en la figura N° 64, en la tabla N° 12 se identifica los conductores el conductor
utilizado para cada zona de calefacción en especifico.
Tabla N° 12 Selección de conductores para cada zona de calefacción
Zona
Corriente Total
Calibre
Aislamiento
Z1A
31.81 Amp
4
THW
Z1B
31.81 Amp
4
THW
Z2
31.81 Amp
4
THW
Z3
31.81 Amp
4
THW
Z4
31.81 Amp
4
THW
Z5
31 Amp
4
THW
Z6
9 Amp
14
THW
Z7
45.45 Amp
4
THW
Z8
68.18 Amp
2
THW
Z9
9 Amp
14
THW
Corriente Total
Calibre
Aislamiento
Z10
16 Amp
10
THW
Z11
16 Amp
10
THW
Z12
2.27 Amp
16
TF
Zona
Diseño y selección de dispositivos para el área de boquillas del nuevo tablero de
control de calefacción de la máquina Omega.
Para la elaboración del tablero de calefacción de boquillas de la máquina Omega y
para el criterio de selección de los dispositivos que se implementaran, fue necesario
realizar una serie de planos eléctricos generales, que integran los tipos de conexiones,
dispositivos y distribución de estos, según las normativas de diseño, simbología y
distribución del código eléctrico nacional. A continuación se muestra en la figura N° 68 el
diagrama eléctrico del tablero de calefacción principal de la máquina.
Figura N° 68: Esquema eléctrico del área de boquillas del tablero nuevo de
calefacción de la máquina Omega.
El diagrama eléctrico del área de boquillas de la calefacción principal comprende
los conductores: L1, L2, L3 que tendrán una tensión de 220vac entre líneas, suministrado
por los transformadores principales de la compañía Industrial Uniplásticas C.A., un
breaker principal para la protección contra cortocircuito señalado como BK1, y un
contactor principal de calefacción ilustrado como KP, este diagrama está comprendido
dentro de la figura N° 66, pero por razones de espacio fueron divididos para mejorar su
comprensión , este esquema posee 7 zonas de calefacción denominadas boquillas,
encargadas de la calefacción de los puntos de inyección de la máquina Omega.
Están protegidas contra corto circuito por magneto térmicos de alta velocidad
identificados en la figura N° 68 como MT, y el seccionador en este caso se realiza con
SSR, igualmente identificado en el esquema eléctrico, estas resistencias calefactoras
trabajan con una alimentación de 110 vac y poseen una potencia de 150 wts,
consumiendo una corriente de 1.36 Amp c/u, es por esto que, se seleccionaron Magneto
térmicos de 6 Amp y SSR de 10 Amp.
Luego de realizado los esquemas eléctricos, y la selección de los dispositivos a
implementar en el tablero de control de de calefacción de la máquina Omega, se realizo el
esquema físico del tablero con un software de diseño asistido por computadora Autocad,
con la finalidad de saber la distribución física de los dispositivos en el tablero. En la figura
N° 69 se muestra el esquema físico de los dispositivos a implementar
Figura N° 69: Esquema de distribución de los componentes en el tablero de calefacción
En la figura N° 70 se ejemplifica como debe ser la distribución de ambos tableros,
motores y calefacción en el espacio físico de la máquina Omega.
Figura N° 70: Esquemático de posición de los tableros en la máquina Omega
Construcción del nuevo tablero de potencia para la máquina Omega.
El inicio a la construcción de los nuevos tableros de potencia (tablero de motores y
tablero de calefacción), se llevo a cabo a partir de los diseños realizados en el software
AutoCad, los cuales fueron hechos en tamaño real, para así, poder calcular el tamaño
físico que ocuparía los dispositivos dentro de los tablero; luego de elegidos los
dispositivos a implementar, se clasifican según el funcionamiento que cumplan y son
seccionados por las canaletas usadas para enrutar el cableado, estas garantizan, tanto la
estética como el orden de el tablero, se pueden observar en la figura N° 71
Figura N°71: Instalación de canaletas
Luego de tener el tablero seccionado y tener fijas las canaletas, se inicia la
instalación de los rieles simétricos sobre los cuales son fijados los dispositivos, hecho
esto, se empieza a distribuir los dispositivos sobre los rieles de soporte, según los
especificado en el esquema diseñado en AutoCad, luego de tener los dispositivos en sus
respectivos lugares, se inicia el cableado de los mismos, para el cableado de control se
utiliza cable calibre18 AWG debido a la poca corriente que se maneja y a su flexibilidad,
el color del cableado identifica el tipo de tensión de control y potencia, el cableado
realizado con color rojo representa las señales de control en AC 110vac, el cableado azul
representa señales de control en DC a 24vdc, el cableado amarillo simboliza a señales
analógicas , estos van dirigidos hacia el PLC y sus módulos de entras y salidas, el
cableado negro representa los conductores de potencia que son los que se dirigen hacia
motores o zonas de calefacción, todo el cableado es direccionado a borneras de entrada ,
salidas y distribución; en la figura N° 72 se observa el proceso de cableado de los tablero.
Figura N° 72: Proceso de cableado de los tableros de control.
Luego de instalar y cablear todos los dispositivos en ambos tableros, se inicia el
cableado hacia la máquina omega, a sus zonas de calefacción y a sus motores, este
cableado se realizo de forma paralela al cableado original, esto se hiso con el fin de, no
parar la máquina y de esa forma no detener la producción; la canalización del cableado
que llega a todos los puntos eléctricos de la máquina se realizo a través de tubería
cuadrada ligera de 2x2, y segmentada de acuerdo a la dirección que llevaba cada
cableado, esto con el fin de tener cada sección por separado y en el caso de que existirá
una sobrecarga de algún cable y este se fundiera, no afectaría a todo el cableado de la
máquina, los cables fueron llevado hacia los puntos eléctricos sin conectarse, ya que este
trabajo de debe realizarse en el mes de diciembre del 2011, debido a que, es el momento
donde la máquina es detenida por vacaciones colectivas.
Otra modificación implementada a la máquina, fue el uso de un posicionador lineal
en el acumulador, este funciona entregado un valor de tensión analógico proporcional a
la posición que se encuentre el emisor de la barrera, con este dispositivos se eliminan los
sensores finales de carrera que anteriormente se usaban para controlar la posición del
acumulador, ya que desde el PLC se puede hacer la misma función y de manera más
precisa. Lo anterior fue una mejora importante desde el punto de seguridad, ya los
sustituidos finales de carrera constantemente eran mal ajustado por el personal
encargado de realizar los cambios de moldes y por los operarios, lo cual podía ocasionar
un incidente por un sobre llenado del acumulado.
Los cables de alimentación L1, L2, L3 de tensión 220vac se tendieron a través de
una bandeja en la parte superior de la máquina, esto se llevo por medio de conductores
de 350 MCM debido al consumo total del tablero de calefacción, se usaron terminales tipo
“L” de 600 – 1000 MCM para el empalme de los conductores al breaker principal del
tablero de calefacción, y otros terminales tipo “L" de 350 -500 MCM para el empalme entre
los demás dispositivos de la alimentación principal, debido a recortes de presupuesto para
el tablero de motores, no se pudo tender cables de 350 MCM desde el transformador
principal de 440vac hasta el tablero, entonces se utilizo un transformador elevador de
tensión alterno situándolo en la parte superior del tablero de calefacción, que poseía la
máquina anteriormente para conseguir así la elevación de 220vac hasta 440vac, en la
figura N° 73 se puede observar las conexión de alimentación del tablero de calefacción, y
de motores, también la conexión del transformador elevador.
Figura N° 73: conexiones de alimentación para los tableros y el transformador
Luego de realizado el trabajo de cableado de los tablero de potencia, se inicio el
cableado que se dirige desde el PLC hacia los nuevos tablero, estos son todos los cables
que controla todas las zonas de calefacción, control de motores, sirenas, también la
entrada del supervisor trifásico y de alimentación de la fuente de poder del PLC; también
se realizo el cableado de todo el sistema hidráulico y se direcciono hacia el nuevo el
tablero del PLC En la figura N° 74 se aprecian los conductores de control tendidos desde
los nuevos tableros y el sistema hidráulico.
Figura N° 74: Cableados de control
Selección de los dispositivos de control.
La selección de dispositivos de control comprende el conjunto de controladores
lógicos programables, los instrumentos de conexión y monitores de procesos requeridos
para la implementación deseada, los cuales serán dispuestos a continuación con sus
respectivos criterios de selección.
Controlador Lógico Programable (PLC):
PLC Serie 300 modelo PS4-341-MM1 Moeller, En primera instancia se decide
seleccionar el PLC PS4-341-MM1debido a que es un dispositivo muy versátil, Posee una
capacidad de expansión de 5 módulos Le4 de entradas y salidas Digitales y con la opción
de poseer un PLC esclavo se puede aumentar a 5 módulos Le4 de entradas y salidas
Digitales. Y con una capacidad de conexión de 8 equipos remotos ya sean Monitores de
control MV4 o MI4, Botoneras, PLC esclavos y módulos analógicos EM4. Ver figura N° 75
Figura N° 75 PLC PS4-341-MM1
Fuente: klocknermoeller (2007)
Trabaja con una tensión de alimentación de 24vdc y corriente de 1 Amp; posee 16
entradas digitales de 24v y 2 entradas analógica, también cuenta con 14 salidas digitales
de 24v 0.5 Amp y una salida analógica de 0-10 V con resolución de 10 bits; tiempo de
procesamiento de 0.5ms por instrucción, tipo de conexión entre los equipos de expansión
remota (Fieldbus) suconet k.
El software de programación es aplicable a todos los Sucosoft S40, un paquete de
programación fácil de usar con la norma IEC 61131-3.
Para la selección de módulos de expiación local, se tomo el número de entrada y
salidas que se necesitan para la máquina Omega y su tipo (digitales o analógica); en la
tabla N° 13 se muestran las entradas y su descripción.
Tabla N° 13 Entradas del sistema
Descripción
Sensor
Tipo
Inyectores abiertos
Final de carrera
Digital
Inyectores cerrados
Final de carrera
Digital
Prensa abierta
Final de carrera
Digital
Pausa de la prensa
Final de carrera
Digital
Seguridad del acumulador
Final de carrera
Digital
Alta presión
Presostato
Digital
Parada de Emergencia
Pulsador NC
Digital
Supervisor trifásico
Contacto NO
Digital
Posicionador lineal
Sensor de posición
Analógico
Posicionador lineal
Sensor de posición
Analógico
Gatos abiertos
Final de carrera
Digital
Gatos cerrados
Final de carrera
Digital
Silo vacío
Sensor de presencia
Digital
Silo medio
Sensor de presencia
Digital
Silo lleno
Sensor de presencia
Digital
Tolva vacía
Sensor de presencia
Digital
Descripción
Sensor
Tipo
Lectura de corriente del
Variador de frecuencia
Analógica
Sensor de presión
Analógica
Total
19
variador
presión de extrusora
En la tabla N° 14 se muestran todas las salidas del sistema su tipo y tensión
Tabla N° 14: Salidas del sistema
Descripción
Tipo
Tensión
Z1 A/B
Digital
110vac
Z2
Digital
110vac
Z3
Digital
110vac
Z4
Digital
110vac
Z5
Digital
110vac
Z6
Digital
110vac
Z7
Digital
110vac
Z8
Digital
110vac
Descripción
Tipo
Tensión
Z9
Digital
110vac
Z10
Digital
110vac
Z11
Digital
110vac
Z12
Digital
110vac
Z13
Digital
24vdc
Z14
Digital
24vdc
Z15
Digital
24vdc
Z16
Digital
24vdc
Z18
Digital
24vdc
Z19
Digital
24vdc
Abrir prensa
Digital
110vac
Cerrar prensa
Digital
110vac
Abrir inyectores
Digital
110vac
Cerrar inyectores
Digital
110vac
Abrir gatos
Digital
110vac
Cerrar gatos
Digital
110vac
Velocidad de la extrusora
Analógica
0-10vdc
Sirena
Digital
110vac
Luz roja
Digital
110vac
Luz verde
Digital
110vac
Descripción
Tipo
Tensión
Luz azul
Digital
110vac
Bomba principal del sistema Digital
110vac
hidráulico
Bomba
secundaria
del Digital
110vac
sistema hidráulico
Motor de extrusora
Digital
110vac
Bomba de lubricación de Digital
110vac
extrusora
Motor del soplador
Digital
110vac
Bomba de agua
Digital
110vac
calefacción Digital
110vac
Digital
110vac
Total
38
Contactor
de
principal
Presión piloto
Fuente: Autor de presente trabajo de grado
Partiendo de las tablas N° 13 y N° 14 tenemos el total de entradas y salidas
necesarias para el funcionamiento del sistema de control de la máquina Omega y con
esto el criterio de selección de los módulos de expansión remota;
Módulos de expansión local: se selecciono 1 modulo modelo LE4-206-AA1
debido a que posee 4 entradas analógicas y dos salidas analógicas de 0 a 10 v
1 modulo modelo LE4-116-DD1 de 8 salidas digitales a 24v, 2 módulos de salidas a relé
modelo LA4-108-XD1 poseen 8 salidas c/u. En la figura N° 76 se muestran los módulos
de expansión remota
Figura N° 76 Módulos de expansión remota
módulos
de
expansión
remota:
los
módulos
de
expansión
remota
implementados trabajan específicamente en sensar temperaturas mediante temocuplas
tipo J, son 12 zonas las zonas de calefacción que se controlan mediante termocuplas, es
por esto que tenemos 4 módulos ya que cada uno posee 6 entradas de termocuplas. Ver
figura N° 77
Figura N° 77 Módulos de expansión remota de termocuplas
Selección de modulo de botoneros de control, para el PLC PS4-341-MM1 existe un
modulo de expansión remota de botoneras de control, la cual elimina todo tipos de
conexión punto a punto con botones externos al tablero, debido a su protocolo de
comunicación FieldBus suconet k, esta botonera posee los componentes necesario para
el control de la máquina, con ella se selecciona, modos de trabajo de la máquina,
movimientos de prensa, inyectores, gatos de molde, posee un pulsador donde se
visualizan y resetean alarmas, un pulsador de inicio de ciclo y otro pulsador de apertura
de la válvula de seguridad. Ver figura N° 78
Figura N° 78 Módulo de botoneras de expansión remota
Fuente: Autor de presente trabajo de grado
Selección de la pantalla HMI: Fue seleccionado el modelo MV4-670 debido a la
conexión de FieldBus suconect k, formando parte de los módulos de expansión remota
que son compatibles con el PLC PS4-341-MM, posee puerto Ethernet para futuras
aplicaciones en sistemas Escadas, además de contener una interfaz gráfica a color, tiene
una posibilidad de memoria para el registro de recetas, y es programable a través del
software Galileo – Panel Desing Tool S40. V4.20. ver figura N° 79
Figura N° 79: HMI MV4-670, software de programación
Programación del sistema de control:
Para realizar la programación del sistema de control, fue necesario el estudio y la
realización de diagramas en bloque para facilitar de esta manera la lógica de
funcionamiento que debe poseer dicho programa en el PLC; en Primera instancia se
realizo un diagrama de bloques general, para identificar las rutinas que debe realizar el
PLC durante cada etapa del proceso de fabricación de una pieza plástica.
Diagrama de bloque del proceso general:
En el siguiente diagrama de bloques mostrado en la figura Nº 80 se representa el
funcionamiento general del sistema de control a lazo cerrado de la máquina de inyección
de plástico Omega que es identificado con las flechas de color rojo, también se muestra
las variables controlables que domina el PLC durante cada uno de los procesos de la
máquina, estos los representamos con las flechas azules y las variables externas que en
este caso representa a los operarios de las máquinas son identificados con las flechas de
color verde.
Figura Nº 80 Diagrama en bloque general del funcionamiento de la máquina de inyección
de plástico Omega.
Fase 1 (Material): En esta fase se suministra el material plástico en forma de
gránulos (Pelets) mezclado entre materia prima virgen y materia prima recuperada, a
través de un sistema de soplado aplicando el efecto Venturi, que llena una tolva y esta
acumula el material mientras distribuye este hacia la extrusora.
Fase 2 (Extrusora): Extrusora es la zona donde se funde y se transporta el
material hacia el acumulador, en esta zona el PLC domina el control tanto del motor del
tornillo como el control de las temperaturas de las 5 zonas de calefacción que en ella
existe, el PLC debe mantener constante las RPM del motor de acuerdo a los valores
introducidos por el monitor de procesos; también mantiene constante las temperaturas en
las 5 zonas de calefacción de acuerdo a su valor de funcionamiento (set point), también
introducidos por el monitor de procesos; el tornillo tiene la función de transportar y generar
una presión en el material ya fundido por las altas temperaturas para que se desplace
hacia el acumulador
Fase 3 (Tubo de transferencia): Es el conducto que une la extrusora y el
acumulador este posee una zona de calefacción controlada por el PLC que realiza la
función de mantener el conducto a una temperatura estable alrededor del set point
introducido por el monitor de procesos para que el material no se enfríe en el recorrido y
se endurezca.
Fase 4 (Carga del acumulador): El material empujado por al extrusora entra en el
acumulador, este posee 2 zonas de calefacción controladas por el PLC, que cumplen la
función de mantener temperaturas estables alrededor del set point introducido por el
monitos de procesos y garantizar que el material permanezca fundido mientras se cumple
el ciclo de carga del acumulador.
Fase 5 y 6 (Acumulador lleno y Apertura de inyectores): Cuando el acumulador
termina el ciclo de llenado, el PLC recibe una señal analógica enviada por el posicionador
lineal 1, que es interpretada como el estado de acumulador lleno, en ese momento el PLC
activa el Hidráulico 4 hasta recibir la señal del micro swiche arriba que le indica el estado
de inyectores abiertos al PLC; los inyectores abren permitiendo el paso del material hacia
el molde, los inyectores poseen 7 zonas de calefacción, también estas controladas por el
PLC que en este caso, trabajan de modo proporcional de acuerdo a los parámetros
introducidos en el monitor de procesos; este modo proporcional funciona partiendo de un
tiempo en base a diez (10) segundos, donde se controla el ciclo de trabajo por medio de
la pantalla HMI
Fase 7 y 8 (Descarga del acumulador y tubo de transferencia 2): Sobre el
acumulador hay dos pistones hidráulicos lleno de aceite que se comunican con 4
bombonas ya presurizadas con gas nitrógeno (N²O) estando el acumulador vacío, esto es
para hacer la veces de un resorte neumático (similar a los sistemas hidroneumáticos de
los hogares), pero en vez de bombear agua se desplaza el aceite lo que mueve los
pistones y éstos a sus vez empujan el material del acumulador, atravesando el tubo de
transferencia 2 para dirigirse hacia el molde, en el tubo de transferencia 2 existe 1 zona
de calefacción que es controlada por el PLC y este se encarga de mantener la
temperatura constante alrededor del set point introducido por el monitor de procesos.
Fase 9, 10 y 11 (Descarga de material en el molde, Acumulador vacío y
Cerrado inyectores):
La descarga de material en el molde sucede hasta que el
posicionador línea 1 le envía una señal análoga al PLC que este lo interpreta como la
posición vacía del acumulador, en ese momento el PLC envía una señal activando el
hidráulico 3 que se encargar de cerrar los inyectores hasta que el microswiche de posición
abajo es activado y se le indica al PLC que se ha llegado a la posición de inyectores
cerrados.
Fase 12 y 13 (Tiempo de enfriamiento y Apertura de molde): El tiempo de
enfriamiento se inicia cuando el PLC determina que el acumulador se encuentra vacío,
mediante un temporizador de retardo a la conexión (On delay), el cual lleva el tiempo
introducido por el monitor de procesos, cuando este se cumple el PLC envía una señal de
accionamiento del hidráulico 2, que permite la apertura del molde hasta que el
posicionador lineal 2 le envía una señal análoga que es interpretada como molde abierto.
Fase 14 (Retiro de la pieza): El operario de la máquina es el encargado de retirar
la pieza cuando el ciclo de la maquina es finalizado.
Fase 15 (Inicio de ciclo): El operario cuando ya ha desmontado la pieza debe
accionar el pulsador de inicio de ciclo para que se repita nuevamente todo el proceso.
Para el control de temperaturas de la máquina, se realizo un diagrama de bloques
a lazo cerrado, con la finalidad de comprender como debe ser programado en el PLC. Ver
figura N° 81
Figura N° 81: Diagrama de bloques a lazo cerrado del control de temperaturas
Partiendo de la Figura N° 82 se describen cada uno de los bloques que integran el
sistema de control de temperaturas a lazo cerrado.
Transductor: El transductor es el encargado de convertir un efecto físico, que en
este caso es la temperatura, en una señal de tensión para que luego pueda ser procesado
por el controlador así este puede realizar la maniobra para la que este programado, en
este caso el transductor comprende las termocuplas Tipo J con la que se trabaja en la
máquina Omega.
Controlador: Es el dispositivo encargado de analizar los datos de los sensores y
transductores y realizar las maniobras para la que este programado, en nuestro caso
representa al controlador lógico programable PLC.
Actuador: Son los dispositivos de campo encargados de realizar la acción emitida
por el controlador, esto comprende a las electroválvulas, solenoides, luces pilotos,
contactores, SSR, etc.
El análisis de la figura N° 82 se realiza de la siguiente manera, en todo momento el
transductor está midiendo la salida del sistema que en este caso es la temperatura de la
zona de calefacción, entonces, teniendo en cuenta que el controlador posee parámetros
preestablecidos sobre la temperatura que se desea obtener en la salida, este toma
decisiones de accionar el contactor o no, para calentar o no, de acuerdo a la lectura
obtenida de la temperatura de la zona de calefacción.
Para el sistema de control de la velocidad de la extrusora se realiza mediante un
diagrama en bloque a lazo abierto como se puede ver en la figura N° 82.
Figura N° 82: Diagrama en bloque a lazo abierto del control de velocidad de la extrusora
El diagrama de bloques de la figura N° 82, se tiene la entrada, que es el valor
establecido, que representa la pantalla HMI, luego el controlador representa el dispositivo
de control del sistema, refiriéndose en este caso al PLC, y el actuador que se identifica
como el dispositivo que realiza la acción, representado al variador de velocidad. Este
sistema de control es a lazo abierto debido a que no existe una realimentación es decir no
existe ninguna señal que le indique al controlador el estado de la salida del actuador.
Luego de presentar y comprender los sistemas de control a implementar en la
lógica del PLC se procede a la programación del mismo:
El software utilizados para la programación que se realiza para el control del
autómata y pantalla corresponden a: 1- sucosoft S40 el cual es requerido para poder
programar todos los PLC de la seria PS4. Este programa permite la creación de topología
de los dispositivos de campo y locales, así como la creación de subrutinas que consolidan
las funciones de control deseadas, permite también corrida en caliente del programa
instalado en el PLC para el monitoreo de los procesos a tiempo real.
Para la pantalla HMI se requiere del software Galileo – Panel Desing Tool S40.
V4.20. que brinda la posibilidad de creación de recetas, de niveles de seguridad, alarmas
y toda una gama de iconos gráficos para el monitoreo del proceso en tiempo real. Al
adquirir los productos del proveedor (Moeller) se requiere de la licencia otorgada por la
empresa para su programación. Ver figura N° 83
Figura N° 83 Software de programación
Topología:
La programación principal comprende el diseño estructural o topología que se
desea controlar, colocando los dispositivos de control, ya sean los módulos de extensión
local o remota; los módulos de extensión local son los dispositivos situados de manera
horizontal, como se pueden ver en la figura N° 84; estos dispositivos comprenden, los
módulos de entrada y salidas de 24vdc, de salidas a relé y de entradas y salidas
analógicas es aquí que se le otorga una dirección en el PLC para que puedan ser usados
en el programa posteriormente.
Los módulos de extensión remota están situados de manera vertical en la figura
N° 85, estos comprenden los módulos de termocuplas tipos J, el modulo de botonera y la
pantalla HMI, acá es donde le indica al PLC que tipo de pantalla HMI se va a utilizar, las
velocidades de transmisión de datos y las dirección de comunicación, la interconexión de
estos módulos es lograda por medio del protocolo FieldBus suconet k, que es estándar en
toda la serie de PLC PS4 Moeller
Figura N° 84 Topología del PLC
Software del PLC
Luego de establecer e indicar al PLC con que dispositivos se disponen a trabajar
se inicia la realización del programa.
La programación del software se realiza al integrarle funciones que se traducirán
en órdenes dadas por el dispositivo maestro (PLC) hacia los módulos de extensión tanto
local como remota. Estas órdenes dependen de las entradas que reciba, ya sea por medio
de sensores, transductores o por los datos de la pantalla HMI y por módulo de botoneras,
el procesamiento de estos datos corresponderán a las salidas que se dirigen hacia los
actuadores de campo, que en este caso son los contactores, electro válvulas y SSR
seleccionados.
Bloques de función:
En la figura N° 85 se presentan todos los bloques de función que conforman toda
la programación del PLC, Se presenta un bloque principal llamado Tesis, es a este que se
le integran los demás bloques de función para realizar un sistema de control eficaz, la
programación es realiza en lógica de escaleras, esta es denomina POU
Figura N° 85 Pantalla principal del programa Sucosoft S40
Bloque de función Principal (Tesis): Este bloque de función comprende la raíz
del programa de la máquina Omega, el cual se encarga de controlar todos los
movimientos mecánicos de la máquina, así como también, generar las alarmas, la
comunicación con la pantalla HMI y es a éste que se le integran todas las subrutinas que
de control, logrando un enlace entre cada una de ellas para, controlar de manera eficiente
el proceso de control de la maquina Omega. Ver CD de anexo.
Bloque de función de tiempo de ciclo (sub rutina): esta se encarga de llevar un
registro de los ciclos realizados por la máquina, con la finalidad de llevar un control del
tiempo que demora la máquina en realizar una pieza plástica Ver CD de anexo.
Bloque de función de tiempo de enfriamiento (sub rutina): Este bloque de
función se encarga de realizar la etapa de enfriamiento de la pieza, el cual consiste en
que luego de inyectado el material en el molde y si se encuentra en modo automático se
inicie un tiempo de enfriamiento, que tendrá la duración especificado por la pantalla HMI.
En ella se presenta un parte del código de programación. Ver CD de anexo
Bloque de función de tiempo de inyección (sub rutina): El bloque de función se
encarga de establecer un límite de tiempo al momento de la inyección, este límite es
establecido por medio de la pantalla HMI, esto tiene la finalidad de proteger el molde de
una sobrecarga de material, ya que si el tiempo que demora la máquina inyectado supera
el tiempo establecido de inyección, instantáneamente el PLC ejecuta la orden de finalizar
la inyección de material. Ver CD de anexo
Bloque de función posición del acumulador (sub rutina): este bloque tiene la
finalidad de establecer los parámetros de carga de material, por medio de la pantalla HMI
se establece la cantidad de material que se desea inyectar en el molde, también genera
alarmas de sobrecarga del acumulador en distintos niveles. Ver CD de anexo
Bloque de función de temperaturas individuales (sub rutina): Se encarga del
control de las temperaturas en cada zona de calefacción de manera individual, partiendo
de lo antes expuesto acerca del control de temperatura a lazo cerrado, este bloque
genera alarmas de alta temperatura, baja temperatura, estos parámetros de alarmas y
set point son establecidos por medio de la pantalla HMI. Ver CD de anexo
Bloque de función driver (sub rutina): En este bloque se realiza la conversión
de la información que proviene de la pantalla HMI del parámetro de velocidad de la
extrusora, para obtener una salida analógica proporcional a la velocidad introducía. Ver
CD de anexo
Bloque de función de Boquillas (sub rutina): El bloque de función de boquillas
se encarga del control de la calefacción de estas, al no poseer termocuplas para sensar la
temperatura, sea trabajado el encendido de manera proporcional a un lapso de 10
segundos, donde puede ser seleccionado el ciclo de trabajo de manera individual a cada
boquilla desde la pantalla HMI. Ver CD de anexo
Bloque de función convertidor de temperatura (sub rutina): en la figura N° 96
se aprecia parte del código del bloque de función de convertidor de temperaturas, la
señal entregada por las termocuplas tipo J, son convertidas en una señal binaria con
resolución de 16 bits (Palabra) por los módulos de termocuplas, es aquí donde el bloque
de función escala esa señal para entregar un valor real que puede ser monitoreado por la
pantalla HMI y a partir de este valor se lleva a cabo el control de las temperaturas . Ver
CD de anexo
Bloque de función de temperaturas (sub rutina): este bloque de función se
encarga de controlar los modos de trabajo de las zonas de calefacción, ya sea si se está
trabajando bajo control de termocuplas o modo proporcional, o si es necesario el inicio del
precalentamiento; esto solo si se está arrancando la máquina. Ver CD de anexo
Bloque de función de Prensa (Sub rutinas): El bloque de función de prensa se
encarga del control de la prensa. Ver CD de anexo
Bloque de función de T_On y T_Off (sub rutinas): estos dos bloques de función
se encarga de convertir los valores de variables INT que se cargan en la pantalla como
parámetros de tiempo, en variable TIME para realizar temporizaciones de retardo a la
conexión y a la desconexión. Ver CD de anexo
Software de la pantalla HMI (MV4-670):
La pantalla es la interfaz hombre-máquina (HMI), esta brinda las formas para
poder interactuar con el proceso, cambiar parámetros, visualización en tiempo real del
estado de la máquina; todo esto para facilitar el trabajo del operador; se usa el software
Galileo – Panel Desing Tool S40 mencionado anteriormente, la pantalla posee una gama
de 256 colores, y la característica más atractiva es que es totalmente táctil, es decir no
posee botonería externar, con solo presionar sobre el panel de la pantalla, se pueden
acceder a parámetros según se halla programado la misma.
Para iniciar la programación en la pantalla HMI, en primer lugar se debe crear un
nuevo proyecto, se deben configurar las direcciones y protocolos de comunicación tal cual
como se realizo en la pantalla de topología del PLC. Cada una de las ventanas que se
van a visualizar en la pantalla, son denominadas por el software como mascaras, estas
mascaras son programas en base a gráficos, es decir se pueden crear botones,
asignarles un funcionamiento, y se le asigna una dirección, que en el PLC serán usadas
para efectuar las acciones que ocurran al pulsar ese botón.
Máscara Principal: comprende la ventana principal de la pantalla HMI, esta
ventana permite el acceso a todas las secciones del programa, se puede ver en la figura
N° 86
Figura N° 86: Mascara principal de la pantalla HMI
Máscara de menú de temperaturas: esta mascara secciona en dos (2) las zonas
de calefacción, zonas de calefacción general y zona de boquillas, esta nos direcciona a
cada una de estas pantallas. Ver figura N°87
Figura N° 87 Masca de menú de temperaturas
Máscaras de zonas de temperaturas: en esta mascara se presentan las zonas
de calefacción principales de la máquina, como se puede observar en la Figura N° 88 esta
mascara nos presenta un menú completo de parámetros de cada zona de temperaturas
como por ejemplo: nombre de la zona de calefacción, la luz piloto indica el estado en que
se encuentra la salida del PLC asociada a esa zona de calefacción, el set point de la
temperatura que se desea alcanzar, la lectura sensada por la termocuplas, alarmas de
alta temperaturas, alarmas de baja temperaturas y la tolerancia de calentamiento.
También presenta una sección de opciones avanzadas que será explicada más adelante.
Figura N° 88: Mascara de zonas de temperaturas.
Máscara de opciones avanzadas de temperaturas: esta mascara representa
alguno parámetros sobre el funcionamiento de la zona de temperatura, se puede observar
en la figura N° 89 se tiene en primer lugar un botón llamado proporcional, este se encarga
de hacer que el PLC controle la zona de calefacción de forma proporcional al tiempo que
se especifica debajo de este botón, e ignore la lectura de termocupla, también se muestra
los parámetros del precalentamiento, y el parámetro de seguridad por bajas temperaturas;
También se presenta un grafico que arroja una curva de comportamiento de la
temperatura en un lapso de tiempo, esta mascara es común para todas las zonas de
calefacción, aunque dependiendo en la zona que se haya accedido se pueden modificar
parámetros de forma independiente
Figura N° 89 Mascara de opciones avanzadas de temperaturas
Máscara de boquillas: esta mascara posee los parámetros de funcionamiento de
las boquillas, debido a que no poseen termocuplas, su modo de control es a través de un
encendido proporcional especificado a cada una de ellas, la luz piloto indica el estado en
que se encuentra la salida del PLC asociada a esa zona de calefacción. Ver figura N° 90
Figura N° 90 Mascara de boquillas.
Máscara de extrusora: en ella se muestran todos las variables que intervienen en
el control de la extrusora, aunque en este momento muchas de ellas no se estén
utilizando, se ha reflejado para ir anexando más adelante cada unos de estos parámetros
y mejorar el control de la misma, actualmente solo se puede controlar la velocidad de la
extrusora. Ver figura N° 91
Figura N° 91 Mascara de extrusora.
Fuente: Autor de presente trabajo de grado.
Máscara de Alarmas: en la presente mascara mostrada en la figura N° 92, se
presenta las alarmas de fallas diagnosticadas por el sistema, posee un botón de ayuda
que facilita una descripción más detallada de las alarmas, registra un histórico de alarmas
que pueden ser impresos para llevar un control de las fallas ocurridas.
Figura N° 92: Mascara de Alarmas.
Máscara de control de motores: esta brinda un panel de pulsadores que
permiten el encendido de los motores que posee la máquina Omega. Ver figura N° 93
Figura N° 93: Mascara de motores
Máscara de monitor: esta es la pantalla más importante del programa ya que esta
permite visualizar el proceso a tiempo real, en ella también se pude controlar la velocidad
de la extrusora, indica la cantidad de material almacenado en el acumulador, tanto de
forma numérica como gráfica, posee un contador de piezas, que tiene la finalidad de llevar
un control de número de piezas producidas por turno, allí se establecen los parámetros de
enfriamiento, de inyección y de control de ciclos. Y por ultimo pose la opción de cambiar el
modo de control de la calefacción, denominado modo retro, este consiste en establecer
una temperatura estandarizada de acuerdo al set point introducido en todas las zonas de
calefacción, también posee una barra de ventanas que permiten el acceso a dichas
máscaras identificadass con una imagen o descripción.. Ver figura N° 94
Figura N° 94 Mascara de monitor
Mascara de acumulador, en la figura N° 95 se presenta el contenido de esta máscara, es
aquí donde se introducen los parámetros de cantidad de material que se desea inyectar y
posee una representación gráfica del acumulador para poder visualizar la cantidad de
material que está almacenando en tiempo real.
Figura N° 95: Máscara del acumulador
Máscara de prensa: Actualmente se encuentra deshabilitada.
Máscara de contraseñas: acá es donde se seleccionan los usuarios que
manipularan la pantalla HMI, dependiendo del usuario cargado se le permite, o restringe
el acceso a ciertos parámetros, se selecciono 4 niveles de seguridad, el nivel tres (3), es
el usuario que no tiene acceso a ningún parámetro de la maquina, nivel dos (2) o nivel
operador, este posee acceso a ciertos parámetros de la máquina como son las
velocidades de la extrusora, nivel uno (1) o nivel supervisor, este posee un poco mas de
acceso a los parámetros de la máquina ya que estos son los encargados de controlar las
variables del proceso, y el nivel cero (0) o nivel máster posee acceso a todos los
parámetros de la máquina, esto se realizó para mantener un poco de más control en la
parametrizacion del proceso, para mantenerlo lo más constante posible. Ver figura N° 96
Figura N° 96: Máscara de contraseñas.
Máscara de ciclos: esta se encarga de llevar el tiempo que se tarda la máquina
en realizar un ciclo. Ver figura N° 97
Figura N° 97 Máscara de ciclos
Máscara de ayudas: Esta mascara tiene la finalidad de mostrar una guía al
operario en el momento de arrancar la máquina. Ver figura N° 98.
Figura N° 98 Mascara de ayudas.
Pruebas del funcionamiento del nuevo tablero y el control del PLC:
La prueba en conjunto de los nuevos tableros y el control del PLC, era imposible
de realizar mientras la máquina Omega se mantuviera operativa, se debió esperar hasta
el 15/12/2011, que era la fecha en la que industrias Uniplasticas realizo una parada de
planta debido a las vacaciones colectivas.
Mientras se esperaba la fecha antes mencionada, se elaboró un pequeño tablero
de pruebas, este tablero consistía de swiches, pulsadores, y potenciómetros, para simular
cada una de las entradas que posee la máquina, con este tablero y una base para la
pantalla HMI, PLC y un módulo de extensión remota de termocuplas; que fue otorgado por
la compañía Industrias Uniplásticas, se realizaron las primeras pruebas de control del
programa del PLC. En la figura N°99 se presenta el tablero de control y el módulo de la
pantalla y PLC.
Figura N°99: tablero de pruebas y Módulo de pantalla y PLC
Estas primeras pruebas fueron de gran importancia, ya que gracias a ellas se pudo
corregir la sincronía del programa del PLC, luego de realizadas la simulaciones del
procesos de la máquina Omega con el tablero de pruebas, se dio paso a calibrar las
mediciones de temperaturas en el PLC, este proceso de calibración fue realizado
partiendo de una medida de temperatura real que fue tomada de un multímetro Fluke, el
cual posee un sensor de temperatura. Luego de realizada la calibración de la temperatura,
se procedió a la programación de la lógica relacionada con las temperaturas.
Pasada la fecha 15/12/2011 y realizada la parada de planta, se inicio la fase final
de la construcción de los tableros de control, se retiro el cableado original y se conecto el
cableado que provenía de los nuevos tableros de control; para los motores del sistema
hidráulico que anteriormente trabajaban con una tensión de 220 vac, se modifico la
conexión para hacerlos trabajar en 440v en tipo Delta serie, ya que, en 220vsc también
era Delta pero paralelo. Ver figura N°100 donde se muestra las conexiones en dichos
motores.
Figura N°100: Diagrama de conexión delta de motores de 12 puntas a 440v
Luego de direccionar todo el cableado de control de entradas y salidas hacia el
tablero donde se instalo el PLC (el tablero donde se encuentra instalado el PLC fue un
trabajo realizado por una compañía externa a Industrias Uniplásticas, pero por motivos
que desconocemos se detuvo el proyecto, el cual se está concluyendo con el presente
trabajo de grado).
Al iniciar las pruebas de los tableros nuevos junto con el PLC, lo primero que se
tomó en cuenta fue el direccionamiento de las entradas y salidas, para las entradas se
accionó manualmente cada uno de los dispositivos que llevan señales al PLC y haciendo
una corrida en caliente se visualizo por medio de una computadora conectada en línea al
PLC, que se accionaran los contactos direccionas a esas entradas.
Para las salidas se probó el accionamiento de cada uno de los actuadores, por
medio de la pantalla HMI y del módulo de botoneras.
Después de tener direccionado correctamente todas las salidas del PLC se dio
inicio a la alimentación hacia las zonas de calefacción, y motores, para realizar las
mediciones y verificar que los consumos fueran los establecidos en los cálculos realizados
en las tablas N° 6 y N° 10 Ver figura N°101, donde se aprecian las mediciones realizadas
para corroborar que la instalación de los cables de alimentación quedaron bien
direccionados.
Figura N°101 Mediciones de potencia de motores y zonas de calefacción
Con el encendido de todas las zonas calefacción de la máquina se iniciaron las pruebas
de la lógica aplicada a este sistema, como por ejemplo, el inicio del precalentamiento que
consiste en alimentar las resistencias por pulsos de corriente proporcionales a un tiempo
establecido por pantalla, con el fin de realizar un aumento de temperatura controlado
hasta llegar a un set point señalado por pantalla, que normalmente oscila entre los 90 y
100 °C , luego de alcanzado esta temperatura, la termocupla toma el control del
calentamiento de la zona de calefacción, también se probo la selección de modos de
calentamiento, ya sea por calentamiento proporcional a un tiempo establecido o
calentamiento por control de termocuplas. Estas pruebas se realizaron con éxito y luego
de que todas las zonas de calefacción llegaron a sus temperaturas de trabajo que oscilan
entre 190 y 220 °C, se dio el permisivo para encender el motor de la extrusora, con el
funcionamiento correcto del motor de la extrusora, se termino con las pruebas a los
tableros de potencia y control.
Para la fecha 9/1/2012 que se iniciaron las actividades operativas en industrias
Uniplásticas. En ese momento se probó el sistema de control bajos las condiciones reales
del funcionamiento de la máquina, se probaron que todos los movimientos mecánicos
estuvieran sincronizados y se dio inicio a las primeras pruebas del proceso de producción
de piezas plásticas en el modo automático, durante dos (2) días se mantuvieron las
pruebas, haciendo seguimiento a diversas puestas a punto donde el programa en
ocasiones perdía la sincronía del proceso, luego de superado todos los inconvenientes,
para la fecha 13/1/2012 finalizaron las pruebas y
quedo terminado oficialmente
el
presente trabajo de grado “Diseño e implementación de un sistema de control mediante
PLC para la automatización de un proceso en una máquina de inyección de plástico en la
empresa Industrias Uniplásticas C.A Uniplast”.
Transcurrido tres (3) semanas de funcionamiento de la máquina Omega luego de la
implementación, tomando en cuenta que la primera semana se realizaron los ajustes, en
las ultima dos (2) semanas no se presentaron fallas; partiendo de reportes anteriores de la
máquina Omega, esta presentaba fallas de 2 a 3 veces a la semana, que poseían tiempo
estimado de diez (10) minutos hasta dos (2) horas. Se mejoro en gran medida el sistema
de seguridad, tanto para el personal como para la propia máquina.
Otras de la mejoras implementadas fue el aumento de maniobrabilidad del sistema
hidráulico, anteriormente el sistema hidráulico, al iniciar el ciclo de producción, cerraba la
prensa e iniciaba la alta presión hasta el momento de finalización del tiempo de
enfriamiento. Ahora el sistema hidráulico se puede mantener en pausa durante el tiempo
de carga de material, y faltando 2 centímetros en el acumulador de material necesaria, el
sistema hidráulico termina de cerrar la prensar y alcanzar la alta presión, esto trae como
consecuencia en primer lugar, un ahorro energético ya que los motores del sistema no se
encuentra elevando constantemente la presión disminuyendo su consumo de corriente,
también disminuye el desgaste de las piezas que conforman el sistema hidráulico.
Implementación de recetas fue otra de las mejorías que posee la máquina Omega, ya que
anteriormente, cuando se realizaba un cambio de molde, el supervisor debía ingresar
cada uno de los parámetros que poseía esta nueva pieza plástica, con la nueva opción de
recetas se puede guardar los parámetros para un conjunto de piezas, esto reduce el
tiempo de parada de máquina debido al cambio de molde, ya que, los parámetros de cada
una de las piezas están grabados en la CPU de la pantalla HMI y con solo seleccionar el
modelo de pieza automáticamente se cargan todos los parámetros de ésta.
Las razones antes expuestas demuestran la factibilidad del presente trabajo de grado,
debido a que reduciendo el número de fallas se consigue una mayor disponibilidad de
tiempo de la máquina, trayendo como consecuencia incremento de la producción, también
disminuye las horas de trabajo en reparaciones, esto reduce el pago de horas extras
debido a la reparaciones fuera del horario laboral y reduce el consumo de repuestos por
reparaciones, al aumentar la seguridad disminuye los accidentes laborales, esto trae
consigo una disminución de gastos en cuanto a atención medica y demandas por parte
del personal afectado.
Recursos Administrativos:
Recursos Humanos:
Tabla Nº 15 Recursos humanos
Nombre
Categoría
Horas
mensuales
Horas totales
Costo
(Bsf)
Betancourt
Estudiante de Ing
Carlos
Electrónica.
224
1440
5600
16
80
2660
16
80
2660
1
4
480
Electronica
1
5
0*
T.S.U Electrónica
1
8
0*
Total:
11400
(Autores)
Gomes Rodolfo
Ing Electrónico
(Tutor)
Griseldino Hevia
Ing Eléctrico
(Asesor
de
planta)
Rodríguez Tayler
Ing Eléctrico
(Acesor)
Acosta Franmar
Jesús Betancourt
Estudiante de Ing
* Como esta persona no presenta un contrato laboral con la empresa no percibe una
remuneración o sueldo de la misma.
Recursos Técnicos:
Tabla Nº 16 Recursos técnicos
Costo
Componente
Contactor
Cantidad
7
Descripción
Contactor
Telemecani
40Amp
Precio unitario
(Bsf)
500
3500
1200
3600
250
750
350
1050
400
400
700
700
40
Amp
Contactor
3
Contactor
Telemcani
80 Amp
80
Amp
Contactor
3
Contactor
Telemecani
12 Amp
12
Amp
Contactor
3
Contactor
Telemecani
18 Amp
18 Amp
Contactor
1
Contactor
Telemecani
25 Amp
25
Amp
Contactor
1
Contactor
Telemecani
50 Amp
50
AMp
Magneto
8
Magneto térmico
telemecaní
térmico 50 Amp
600
4800
50
Amp
Componente
Cantidad
Descripción
Precio
unitario
Costo
(Bsf)
Magneto térmico
3
Magneto térmico
telemecaní
90 Amp
1500
4500
200
600
250
750
400
400
5000
5000
80
amp
Magneto térmico
3
Magneto térmico
telemecaní
12 Amp
12
amp
Magneto térmico
3
Magneto térmico
telemecaní
18 amp
18
Amp
Magneto térmico
1
Magneto térmico
telemecaní
25 Amp
25
Amp
Breaker
500
1
Braker
Telemecani
Amp
500
Amp
PS4-341-MM1
1
PLC
Moeller
6000
6000
15000
15000
serie 300
MV4
1
Montitor
Procesos
de
táctil
MV4 Moelles de
256 Colores
Componente
Cantidad
Descripción
Precio unitario
Costo
(Bsf)
LE4
Modulos
5
I/O
1500
7500
1800
10800
Digitales Moeller
ME4
Modulos
6
I/O
analógicas
Moeller
Total:
65350
Recursos Administrativos:
Tabla Nº 17 Recursos Administrativos
Nombre
Descripción
Costos (Bsf)
Papelería
Hojas, Impresiones, informes,
Suministrado por la compañía
etc.
Sucosoft S40
Software de programación del
Suministrado por la compañía
PLC Mueller PS4-341-MM1
Nombre
Descripción
Costos (Bsf)
Galileo V1.1
Software de programación del
Suministrado Por la compañía
Monitos de procesos MV4
Autocad, Autocad Electrical
Software de
diseño gráfico
400
para instalaciones eléctricas
CAPITULO V
CONCLUSIONES
En el área industrial, la automatización de procesos es la base fundamental del
desarrollo de cualquier compañía, aunque esto implica la inversión nuevas tecnologías,
contar con personal capacitado para emprender proyectos de investigación y estudio
sobre mejoras de procesos, comprensión y entendimiento de las relaciones existentes
entre las distintas variables que intervienen en cualquier sistema de control.
Sin embargo dependiendo de la complejidad de los procesos, puede o no ser
justificables tales inversiones en el tema de automatización, pero existen indicadores que
prueban la necesidad de mejorar el proceso, entre los cuales tenemos los siguientes.
.- La necesidad de aumentar el nivel de seguridad al personal operario y a las
instalaciones.
.- Aumentar los niveles de producción.
.- Bajar los costos de producción.
.- Disminuir las paradas de máquinas por mantenimientos correctivos.
Suele ser viable una mejora en la automatización, si los beneficios económicos a
corto, medio y largo plazo superan el capital invertido en el desarrollo de la misma, es por
esto que las compañías antes de pensar en mejorar la automatización, en primer lugar
realizan un estudio de beneficios que traería transformar un proceso controlado de forma
manual y llevarlo proceso totalmente automatizado.
Partiendo de lo anterior expuesto, se planteo en el presente trabajo de grado cual
sería el alcance que tendría la implementación de un sistema de control mediante PLC en
la empresa Industrias Uniplásticas, presentándose a continuación:
1.- Se comprendió las necesidades que requería la máquina en su sistema de
control y potencia, información suministrada por medio de las entrevistas realizadas al
personal seleccionado.
2.- Se consiguió de forma satisfactoria comprender el funcionamiento de una
máquina de inyección de plásticos, identificar los distintos procesos que llevan a cabo,
mediante el estudio documental y el estudio de campo.
3.- Se comprendió la función que cumplen cada uno de los dispositivos, sensores y
tableros que posee la máquina para el control del proceso, a partir de esto fue
seleccionado el PLC a utilizar, y se diseñó el programa en diagrama escalera que
cumpliera con la lógica de control del proceso de inyección de plásticos, también se
realizaron los planos eléctricos y las mediciones de potencia para la selección de los
dispositivos que se implementaron en los tableros de potencia de la máquina, el diseño y
distribución de estos se realizo mediantes planos realizados por software de diseño
asistido por computadora, con la finalidad de tener una distribución eficiente y ordenada
en el tablero.
4.- Se ejecutaron las pruebas con la finalidad de corregir cualquier tipo de errores y
por último se implemento el sistema de control mediante PLC en la máquina Omega.
La presente automatización, trae consigo un conjunto de mejoras que indican que
la inversión en el desarrollo del presente trabajo de grado, traerá beneficios a corto, medio
y largo plazo, debido a que: se aumento la eficiencia del sistema, reducción de paradas
por fallas y mantenimientos correctivos debido a la protecciones implementadas a sus
distintos niveles de seguridad de la máquina, un aumento considerable en la seguridad al
personal operario, indicadores de mantenimiento preventivos, debido al informe de fallas
que describe posible problemas que presenta la máquina, se puede llevar un control del
número de piezas producidas evitando así, falsos informes de producción, aumento en
gran medida la seguridad al personal y a las instalaciones, una pantalla de interacción
humano máquina más amigable para el uso de los operarios, posibilidad del anexo de
nuevos dispositivos, sensores y transductores para mejorar el control de la máquina.
Con esto se puede concluir que el límite de un PLC depende de la imaginación de
quien lo implementa. Por último luego de conocer todos los beneficios que traen las
nuevas tecnologías, se deduce que el objetivo de una automatización es alcanzar el punto
óptimo de un proceso, es decir aumentar las ganancias y disminuir las pérdidas de
producción, logrando de esta manera cumplir los objeticos de quienes se benefician de
una automatización.
Recomendaciones:
1.-
Es recomendable la capacitación del personal en cuanto al manejo básico de un
PLC, rutinas de mantenimiento, conexiones de cableado, sobre los distintos tipos de
señales de control que estos manejan, y un nivel básico de programación, esto con la
finalidad de poseer una independencia a la hora de corregir fallas o de expandir el sistema
a controlar.
2.-
Es importante recomendar la implementación de un sistema PID para el control de
la calefacción.
3.-
Recomendamos a la empresa Industrias Uniplásticas, a seguir automatizando sus
procesos realizar otro proyecto de implementación de un sistema de control mediante
PLC, como es el caso de la máquina Alfa, ya que esta es una de las máquinas que
conforman su línea de producción y aun mantiene controladores a base de lógica de relé.
4.-
En la medida de lo posible homogenizar la presentación de los HMI de todas las
máquinas a la implementada en la máquina Omega ya que ésta es más completa y
amigable gráficamente para el usuario. Lo anterior facilita la adaptación de los operarios y
mecánicos que manipulan las máquinas al ser todas muy similares de operar.
5.-
De igual forma se recomienda tomar el presente trabajo de grado para
proporcionar una base y un punto de inicio para futuros proyectos en lo que respecta a
sistemas de control mediante PLC, así como también deja abierto a estudios más
especializados con respecto a este tema (Sistemas Escadas).
Bibliografía
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Página consultada 3/5/2011 Disponible en: http://www.mailxmail.com/curso-seguridadinstalaciones-electricas/interruptor-magnetotermico-interruptor-diferencial.
Anexos
Anexo A. Validación de instrumento de recolección de datos
Anexo B. Entrevistas realizadas al personal ejecutivo de Industrias Uniplásticas
Anexo C. Entrevistas realizadas al personal técnico, Mantenimiento y producción de
Industrias Uniplásticas.
Anexo D. Máquina Omega antes de la implementación
Anexo E Máquina Omega luego de la implementación
Anexo F: Primera producción luego de la implementación
Fuente. Autor del presente trabajo de grado.

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