UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE PUEBLA GOBIERNO PÚBLICO DESCENTRALIZADO INGENIERÍA MECATRÓNICA PROYECTO DE INVESTIGACIÓN II “ AUTOMATIZACIÓN DE UNA PRENSA HIDRÁULICA PARA LA PRODUCCIÓN DE AISLADORES ACÚSTICOS”
ALUMNO: Eric Huelitl Rojas ASESOR: MC. José Pedro Sánchez Santana DICIEMBRE 2011
Índice General Resumen i 1. Introducción 1 2. Marco teórico 1 2.1. Antecedentes 1 2.2. Comienzos de la automatización 2 2.3. Controladores lógicos programables (PLC) 4 2.4. Descripción del PLC 5 2.5. Lenguajes de programación 5 2.6. Elementos de la automatización 6 2.7. Prensa hidráulica 7 3. Planteamiento del problema 8 3.1. Objetivo general 8 3.2. Justificación 8 4. Metodología 9 4.1. Metodología para la elaboración del sistema 9 4.2. Etapa de investigación 9 4.3. Etapa de análisis 10 4.4. Etapa de diseño 10 4.5. Etapa de pruebas o simulación 11 4.5.1. Metodología de pruebas hidráulicas 11 4.5.2. Metodología de pruebas eléctricas 12 4.6. Etapa de implementación 13 4.7. Diagrama de proceso 14 4.8. Diagrama de estados del proceso 15 4.9. Cronograma de actividades 16 5. Implementación o desarrollo 17 5.1. Diseño conceptual 17 5.2. Dibujos de CAD 18 5.3. Diseño electrónico 19 5.4. Etapa de potencia 20 5.5. Diagrama electrónico general 21 5.6. Diagrama de salida 22 5.7. Programa del proceso 23 6. Resultados 24 6.1. Resultado de CAD 24 6.2. Resultado de montaje de dispositivos 25 6.3. Resultado electrónico 26 6.4. Resultado del prototipo completo 27 7. Conclusiones 28 8. Referencias 29
Índice Anexos A. Sistema completo de la prensa hidráulica Vista frontal y posterior I Vista lateral derecha e izquierda I Vista isométrica derecha e izquierda I Corte lateral y frontal II B. Sistema eléctrico Diagrama eléctrico selector on-off III Diagrama de fuerza de motores trifásicos IV Diagrama general eléctrico V Tarjetas de PLC entradas y salidas VI Programa del proceso de compresión y enfriamiento VII Distribución de elementos en gabinete o armario VIII C. Sistema hidráulico Circuito hidráulico IX Datos técnicos válvula tándem X Datos técnicos del pistón XI D. Prototipo prensa hidráulica Diseño conceptual XII Dibujo de CAD XII Plano de riel de soporte XIII Plano de placa interna XIV Plano de placa superior XV Plano de barras de soporte XVI Plano de rodillos XVII
Resumen La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos para su funcionamiento. La automatización de la prensa hidráulica tiene la finalidad de compactar moldes de producción de aisladores acústicos, este proyecto habrá de sustituir la función de los operadores encargados de manipular las prensas manuales para realizar el proceso de compresión y enfriamiento, además a este proceso se han adaptado el funcionamiento de dos ventiladores para realizar una etapa de enfriamiento que colabore con el endurecimiento de las piezas dentro del molde. La automatización de la prensa hidráulica será un sistema conformado por: PLC y una interfaz de potencia, que habrá de realizar el control automático de de actuadores eléctricos e hidráulicos permitiendo una mayor flexibilidad para la programación sin necesidad de hacer cambios en la estructura, por lo tanto el sistema automático ofrecerá una mejor comprensión, enfriamiento y velocidad de producción a través de sensores. Finalmente este sistema automático habrá de eliminar riesgos al personal de trabajo a través de interface amigable y fácil de usar. Finalmente, la automatización de este proceso reducirá ampliamente la necesidad sensorial y mental de los obreros por un sistema autónomo que brinde seguridad al operario y reduzca tiempos de producción. Palabras clave: automatización, prensa, hidráulica, producción, aisladores, acústicos.
1. Introducción Hoy en día la industria dedicada a la fabricación de aisladores acústicos tiene en sus procesos a personas encargadas de la manipulación de las prensas hidráulicas o neumáticas. En la industria usan las prensas por su fácil manipulación en los procesos de compresión, corte y deformación de los diferentes materiales. Por ejemplo, esta máquina es usada para la creación de autopartes metálicas o plásticas entre otras. En este proyecto la prensa hidráulica es seleccionada porque es una máquina versátil para realizar la automatización en la producción de aisladores acústicos. Por lo tanto, esta máquina ha evolucionado a través del tiempo desde la manipulación a través de palancas hasta la operación manual por medio de botones en nuestros días. El funcionamiento manual ha sido eficaz en el proceso actual para la producción de aisladores acústicos, pero la calidad no es la mejor debido al funcionamiento manual de las prensas. Esto es desde la aplicación de la presión sobre el molde sin dejar a un lado otros factores que afectan la producción y calidad. Los principales factores que afectan el proceso de fabricación son; el tiempo para ejercer la presión sobre el molde, debido a la ejecución del proceso la cual está en consideración del operador que ejecuta el funcionamiento manual de la prensa hidráulica en la estación de trabajo; el sistema de enfriamiento la cual está integrada por medio de una pistola de aire comprimido. Estos procesos mencionados afectan la velocidad de la producción y principalmente al operador en la función corporal y mental por la alta temperatura que tienen los moldes al salir del horno. Finalmente este documento describe el proceso de automatización de la prensa hidráulica para la producción de aisladores acústicos. Por lo tanto, esta automatización habrá de agilizar el proceso de producción de aisladores acústicos por la reducción de tiempos en el proceso compactación, enfriamiento y envío de moldes, por lo consiguiente se incrementará la seguridad al tener que prescindir de personal de trabajo para realizar este proceso.
2. Marco teórico La palabra automatización proviene de la palabra griega automatos, que significa “semejante a la forma en que tu mente trabaja” o actuación propia; Por lo cual se puede definir la automatización como la tecnología utilizada para realizar procesos o procedimientos sin la ayuda de las personas [1]
. 2.1. Antecedentes Para la automatización de procesos, se desarrollaron máquinas operadas con Controles Programables (PLC), actualmente de gran ampliación en industrias como la textil y la alimentación. Donde la calidad en los productos se logra mediante exactitud
de las máquinas automatizadas y por la eliminación de los -1-
errores propios del ser humano, lo que a su vez repercute grandes ahorros de tiempo y materia al eliminarse la producción de piezas defectuosas. La prensa hidráulica ha sido seleccionada por la flexibilidad que tiene la máquina, la cual permite su fácil adaptación tanto a una producción individualizada y diferenciada en la misma línea de producción, así como un cambio total de la producción. Esto posibilita una adecuación flexible a las diversas demandas del mercado. Por lo tanto, la inversión en tecnología de automatización acerca de la prensa hidráulica a través de una automatización, no puede ser considerada como cualquier otra Inversión, sino como una necesidad estratégica de competitividad en la producción de aisladores acústicos, no Invertir en esta tecnología puede salir mucho más caro a corto o largo plazo al perder posibles compradores potenciales.
2.2. Comienzos de la automatización La fabricación automatizada surgió de la íntima relación entre fuerzas económicas e innovaciones técnicas como la división del trabajo, la transferencia de energía y la mecanización de las fábricas, y el desarrollo de las máquinas de transferencia y sistemas de realimentación, como se explica a continuación. La división del trabajo se desarrolló en la segunda mitad del siglo XVIII, y fue analizada y desarrollada por primera vez por el economista británico Adam Smith en su libro Investigación sobre la naturaleza y causas de la riqueza de las naciones (1776). En la fabricación, la división del trabajo permitió incrementar la producción y reducir el nivel de especialización de los obreros. Finalmente en la década de 1920 la industria del automóvil cambió estos conceptos en un sistema de producción integrado. El objetivo de este sistema de línea de montaje era abaratar los precios. A pesar de los avances más recientes, éste es el sistema de producción con el que la mayoría de la gente asocia el término automatización por el uso de un cerebro y elementos para controlar diferentes procesos [6].
Véase en la Figura 2.1. Figura 2.1 Automatización de procesos. -2-
La automatización de la prensa hidráulica es un sistema donde se trasladaran tareas de producción, realizadas habitualmente por el operador a través de botones, a un conjunto de elementos tecnológicos tal como motores o bobinas eléctricas. Por lo tanto, la automatización de la prensa hidráulica tiene el fundamento o Proceso a eliminar los procesos actuales. Tales como: Operación manual de la prensa, por una operación automática. ➢Prensa hidráulica semiautomática, por una prensa hidráulica automática. ➢Producción rígida de aisladores acústicos, por producción flexible. ➢
La automatización del sistema de fabricación sobre aisladores acústicos es donde el autómata programable (PLC) se encuentra en el centro del sistema. El cual deberá ser capaz de comunicarse con todos los elementos del sistema automático. Por ejemplo sensores y actuadores, además estos elementos habrán de controlar los procesos de compresión y enfriamiento para la producción de aisladores acústicos. Véase en la Figura 2.2. El sistema automático de la prensa hidráulica estará constituido por medio del: ➢
Control de mando
➢
Control operativo
Figura 2.2. Control de procesos discretos. 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 actuadores del sistema como motores, cilindros y los ventiladores, además de fin de carrera o sensores. La Parte de Mando es la parte del autómata programable la cual habrá de energizar los elementos como relés electromagnéticos (tecnología cableada). -3Procesos de event-os discreto: Parte Ge Mando ordenes
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Algunas ventajas de este sistema automático es la repetitividad, que se obtendrá en la producción de aisladores acústicos así como el incremento productividad y reducción de trabajo [2]
. Véase la Figura 2.2.
2.3. Controladores Lógicos Programables (PLC) Actualmente en México existen diferentes marcas de PLC como son: Omron, Allen Bradley, Siemens, Telemecanique, Mitsubishi, entre otros. La selección correcta del PLC dependerá de la programación y del sistema que se desea automatizar o controlar, que en este caso son los procesos de compresión y enfriamiento de aisladores acústicos. Figura 2.3. Controladores lógicos programables. El PLC no sólo controlara el funcionamiento lógico de la programación de la prensa hidráulica además controlara el proceso de la fabricación de aisladores acústicos, sino que también podrá realizar operaciones de producción continua, a través del envió y recepción de señales digitales para la función automática del control. Los controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en automatización industrial por su versatilidad y compatibilidad al poder integrase a casi todo tipo de proceso de producción. Las interfaces utiliza para el control de este proceso de producción se realizara por medio de botones de inicio y paro el cual es conocido como interface Hombre- Máquina en su estado más simple, esta interface es comúnmente empleada para comunicarse con los PLCs, para labores tales como envió de señales de inicio de proceso o paro del proceso. Además, el control automático tendrá un sistema de -4-
alarmas por medio de señales visuales, los cuales son claros ejemplos de versatilidad y compatibilidad del PLC.
2.4. Descripción del PLC Por otro lado, es importante conocer las generalidades y lo que un PLC puede hacer por el proceso, por ejemplo, el reducir costos en material eléctrico a través de una programación. Figura 2.4. Partes de un PLC. En la actualidad un PLC se compone de una o varias cajas de plástico acopladas mecánica y eléctricamente entre sí. Una de ellas contiene en su interior el CPU (Unidad de procesamiento central) y otras cajas contienen los módulos complementarios para las entradas y salidas de comunicación, de alimentación y otras funciones especiales, estos módulos adicionales tienen bornes para los cables de conexión del autómata para los sensores y actuadores [5]
.Véase la Figura 2.4.
2.5. Lenguajes de programación Los programas son un conjunto lógico de todos los elementos y construcciones del lenguaje de programación que son necesarios para el tratamiento de señal previsto que se requiere para el control de una máquina o proceso mediante el sistema de autómata programable. Un programa puede contener, aparte de la declaración de tipos de datos, variables y su código interno en distintas instancias de funciones y bloques funcionales. Por lo tanto, los lenguajes de programación son necesarios para la comunicación entre el usuario y la máquina o proceso para el cual están diseñados. La interacción se puede realizar por medio de una interfaz a través de botones donde el usuario puede controlar el PLC o proceso. Para lograr la comunicación se tiene que utilizar un cargador de programa que lleva por nombre PPI- USB multimaster. -5-
Sin embargo, la programación de proceso deseado y el control dependerá de programador y su conocimiento sobre los lenguajes de programación. Finalmente, la elección del lenguaje de programación depende de: Los conocimientos del programador. ➢El problema a tratar. ➢Nivel de descripción del proceso. ➢La estructura del sistema de control. ➢La coordinación con otras personas o departamentos. ➢
Los distintos lenguajes de programación están interrelacionados y permiten su empleo para resolver conjuntamente un problema común según la experiencia del usuario por lo tanto se ha seleccionado los siguientes dos lenguajes de programación siguientes, (figura 2.7.) por su fácil uso y manejo para lograr una programación completa y confiable sobre la secuencia de compresión y enfriamiento de aisladores acústicos. Figura 2.7. Lenguajes de programación. ➢
El Diagrama de contactos (LD): tiene sus orígenes en los Estados Unidos.
Está basado en la presentación gráfica de la lógica de relés. Diagramas de Bloques Funcionales (FBD): es muy común en aplicaciones que implican flujo de información o datos entre componentes de control. Las funciones y bloques funcionales aparecen como circuitos integrados y es ampliamente utilizado en Europa. ➢
2.6. Elementos de la automatización Para realizar la Automatización de la prensa hidráulica es necesario un conjunto de sensores, actuadores y controladores conectados convenientemente por medio de circuitos de comunicación, para determinar proceso, todo este sistema habrá de funcionar con una mínima intervención humana. A través de los siguientes elementos tecnológicos. -6DIAGRAMA BLOQUES
