Diseño de la Automatización de procesos en la planta recicladora de plástico “Jaime Manzo Lara”
Autor: Lorenzo Almahada
Rosario, 2013
Agradecimiento
El autor expresa su agradecimiento a la Facultad de Administración, Finanzas e Informática. Al mi director y lector de tesis por su dedicación y esfuerzo al guiarme a finalizar el trabajo. A todas las personas que de una u otra manera colaboraron con la realización de la misma.
Lorenzo Almahada.
Dedicatoria
A mi madre, a mis hermanos.
Lorenzo Almahada
INDICE
INTRODUCCION _______________________________________________________ 1 ANTECENDENTES ______________________________________________________ 2
2. EL PROBLEMA __________________________ _____________ __________________________ ________________________ ___________ 2.1. Planteamiento del problema _____________________ _________________________________ __________________ ______ 2.2. Formulación Formulación del problema ______________________ __________________________________ __________________ ______ 2.3. Delimitación ____________________________ _______________________________________ ______________________ _____________
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JUSTIFICACIÓN _______________________ ___________________________________ _______________________ _____________________ __________ 3 OBJETIVOS _____________________ ________________________________ ______________________ ______________________ ________________ _____ 5
4.1. Objetivo general. _____________________ ________________________________ ______________________ ________________ _____ 5 4.2. Objetivos específicos. ______________________ _________________________________ ______________________ _____________ 5 MARCO TEÓRICO __________________________ _____________ __________________________ __________________________ _______________ __ 6 ESTRATEGIAS DE DESARROLLO DESARROLLO ___________________________ _______________________________________ _______________ ___ 29 DISEÑO _____________________________ _________________________________________ _______________________ ____________________ _________ 33
9.1 Velocidad de transporte t ransporte.. ______________________ _________________________________ ____________________ _________ 9.2. Motores. __________________________ _____________ _________________________ __________________________ _________________ ___ 9.3. Sensores. ______________________________________________________ 9.4 Bodega. _________________________ ____________ _________________________ _________________________ ___________________ ______ 9.5. Banda transportadora transporta dora 1. ___________________________ ______________ _________________________ ______________ __ 9.6. Máquina de lavado. ______________________________ _________________________________________ _______________ ____ 9.7. Banda de transporte 2. _____________________ _________________________________ ______________________ __________ 9.8. Máquina trituradora. trituradora. ______________________ _________________________________ ______________________ ___________ 9.9. Banda trasportadora trasportadora 3. ______________________ _________________________________ ____________________ _________ 9.10. Silo. ______________________ _________________________________ ______________________ ______________________ _____________ __ 9.11. Tablero de control control _____________________ ________________________________ ______________________ _____________ __ 9.12. Interface del sistema. _________________________ ____________________________________ __________________ _______ 9.13. Planos. _____________________________ ________________________________________ ______________________ _______________ ____
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CONCLUSIONES ______________________ __________________________________ _______________________ ____________________ _________ 49 RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES ______________________ __________________________________ _______________________ ________________ _____ 50 BIBLIOGRAFIA______________________ __________________________________ _______________________ ______________________ ___________ 51
CAPITULO I INTRODUCCION
Las empresas actualmente deben de optimizar sus recursos tanto técnicos como económicos, esto se puede realizar mediante la automatización de algunos de sus procesos más importantes. Para la presente tesis se ha desarrollado un diseño automatizado de procesos para la planta recicladora de plástico Jaime Manso Lara de la ciudad de Babahoyo. Los procesos existentes consistían en actividades manuales que permitían la ejecución de errores y por ende la demora en la producción. La automatización de estas actividades actividades permitirá la optimización de la producción, producción, casi duplicándose la misma al reducir los tiempos de procesos. Esto al diseñarse un sistema automatizado de transporte, lavado, triturado y llenado del material conocido como plástico aglomerado. aglomerado. El sistema consta con sistemas de sensores de temperatura, voltaje, corriente y otros que permiten la toma adecuada de decisiones, estos sensores se encuentran instalados en módulos cableados e inalámbricos que facilitan su conexión con un computador que es el cerebro principal del sistema. Adicionalmente el sistema si stema cuenta con un sistema de tablero de mando analógico para medición y control de motores y elementos del proceso. Esto fue realizado para conservar la compatibilidad con las máquinas utilizadas que en su mayor parte son de construcción artesanal.
Se espera obtener resultados favorables al aplicar el proceso de lavado y secado automático, eliminando impurezas indeseadas, indeseadas, para reducir costos de mantenimiento y de operación. Se ha planteado la reutilización de equipos existentes de fabricación artesanal, disminuyendo los costos en compra de equipos nuevos y además el aprovechamiento del espacio físico existente.
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CAPITULO II ANTECENDENTES
2. EL PROBLEMA 2.1. Planteamiento del problema La baja producción y el alto consumo energético en la producción de plástico aglomerado, en base a materia prima reciclada en la empresa RECICLADORA DE PLÁSTICOS JAIME MANZO L, ubicada en la ciudad de Babahoyo.
2.2. Formulación del problema Cómo optimizar la producción de plástico aglomerado disminuyendo el consumo o sobre carga de energía eléctrica en la empresa RECICLADORA DE PLÁSTICOS JAIME MANZO L, ubicada en la ciudad de Babahoyo.
2.3. Delimitación La automatización de tareas recurrentes dentro del proceso realizado por la empresa al reciclar plástico y convertirlo en otro producto para su venta, el tamaño de los equipos a utilizar en la cadena de procesamiento y la implementación de equipos de medición de consumo eléctrico
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CAPITULO III JUSTIFICACIÓN El reciclaje de plásticos es una práctica muy útil para reducir los desperdicios sólidos, ya que estos representan en gran medida, incluso en nuestro país un alto porcentaje, el reciclaje ha recibido mucha atención y se han desarrollado muchas técnicas para mejorarlo. Algunas de estas técnicas empezaron a desarrollarse en los años 70's, cuando algunos países empezaron a incinerar sus residuos plásticos. Desde entonces, ha habido muchos avances en la manera de reciclar plásticos. En nuestro medio, el tipo de reciclaje que se está utilizando con mayor frecuencia es el conocido como “Reciclaje Primario”. El reciclaje primario consiste en la
conversión del desecho plástico en artículos con propiedades físicas y químicas idénticas a las del material original. El reciclaje primario se hace con termoplásticos como PET (polietilentereftalato), HDPE (polietileno de alta densidad), LDPE (polietileno de baja densidad), PP (polipropileno), PS (polietileno) y PVC (cloruro de polivinilo), muchos de estos presentes en los plásticos utilizados en industrias locales como las Bananeras. Las propiedades de los termoplásticos son la base de este reciclaje primario debido a la habilidad de los termoplásticos de refundirse a bajas temperaturas sin ningún cambio en su estructura. El proceso de reciclaje primario es fundamentalmente el mismo para los distintos plásticos. Consiste en la separación, limpieza, pele tizado, moldeado, moldeado por inyección, moldeado por compresión y termo formación. Las últimas cuatro técnicas de moldeado, no son utilizadas en la recicladora de plástico referido debido al alto costo de inversión que conlleva. La separación es tan difícil que algunos sistemas automatizados, además del manual, han sido desarrollados. Uno de estos sistemas automatizados son las máquinas fotoópticas las cuales reconocen formas y transparencia. Hay otros métodos de separación automatizada basados en las diferencias en gravedad específica, difracción de rayos x y disolución en solventes. Los métodos de separación pueden ser clasificados en separación macro, micro y molecular. La macro separación se hace sobre el producto completo usando el reconocimiento óptico del color o la forma.
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Los plásticos separados están generalmente contaminados con comida, papel, piedras, polvo, pegamento. De ahí que, tienen que ser primero limpiados al granulárseles y luego lavar este granulado en un baño de detergente. Otra opción de limpiado es la de granular los plásticos repetidamente e irlo desechando sobre pantallas movibles. Después de este proceso de limpieza, los plásticos se llaman "hojuelas limpias" o "granulado limpio".
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CAPITULO IV OBJETIVOS
4.1. Objetivo general.
Diseñar los procesos de automatización en la planta recicladora de plástico “Jaime Manzo Lara” de la ciudad
de Babahoyo
4.2. Objetivos específicos.
Disminuir los tiempos de transporte de materia prima implementando sistemas automatizados.
Mejorar la calidad del plástico aglomerado estableciendo procesos de tratamiento de materia prima.
Aumentar la eficiencia, mejorando el ambiente del trabajador diseñando sistemas automatizados de iluminación y ventilación adecuados
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CAPITULO V MARCO TEÓRICO Automatización Industrial (automatización; del griego antiguo auto: guiado por uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos. La automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales. Las primeras máquinas simples sustituían una forma de esfuerzo en otra forma que fueran manejadas por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales de energía renovable, tales como el viento, mareas, o un flujo de agua por energía humana. Los botes a vela sustituyeron a los botes de remos. Todavía después, algunas formas de automatización fueron controladas por mecanismos de relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales -algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos caracterizaban a figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde 300 AC. En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue dada a Joseph Marie Jacquard, quien revolucionó la industria del textil. La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial. Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. Por ejemplo, Japón ha tenido necesidad de retirar muchos de sus robots industriales cuando encontraron que 6
eran incapaces de adaptarse a los cambios dramáticos de los requerimientos de producción y no eran capaces de justificar sus altos costos iniciales. Para mediados del siglo XX, la automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura. Sin embargo el concepto solamente llego a ser realmente práctico con la adición (y evolución) de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de cómputo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de 1960s. Antes de ese tiempo, las computadoras industriales eran exclusivamente computadoras analógicas y computadoras híbridas. Desde entonces las computadoras digitales tomaron el control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semiespecializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos. Como un famoso dicho anónimo dice, "para muchas y muy cambiantes tareas, es difícil remplazar al ser humano, quienes son fácilmente vueltos a entrenar dentro de un amplio rango de tareas, más aún, son producidos a bajo costo por personal sin entrenamiento." Existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la automatización. Ningún dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído humano. El más inútil de los seres humanos puede identificar y distinguir mayor cantidad de esencias que cualquier dispositivo automático. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier expectativa de los ingenieros de automatización. Computadoras especializadas, son utilizadas para leer entradas de campo a través de sensores y en base a su programa, generar salidas hacia el campo a través de actuadores. Esto conduce para controlar acciones precisas que permitan un control estrecho de cualquier proceso industrial. (Se temía que estos dispositivos fueran vulnerables al error del año 2000, con consecuencias catastróficas, ya que son tan comunes dentro del mundo de la industria). Existen dos tipos distintos: DCS o Sistema de Control Distribuido, y PLC o Controlador Lógico Programable. El primero era antiguamente orientado a procesos de tipo análogos, 7
mientras que el segundo se utilizaba en procesos de tipo discreto (ceros y unos). Actualmente ambos equipos se parecen cada vez más, y cualquiera de los dos puede ser utilizado en todo tipo de procesos. Las interfaces Hombre-Máquina (HMI) o interfaces Hombre-Computadora (CHI), formalmente conocidas como interfaces Hombre-Máquina, son comúnmente empleadas para comunicarse con los PLCs y otras computadoras, para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio que monitorea y controla estas interfaces son conocidos como ingenieros de estación. Otra forma de automatización que involucra computadoras es la prueba de automatización, donde las computadoras controlan un equipo de prueba automático que es programado para simular seres humanos que prueban manualmente una aplicación. Esto es acompañado por lo general de herramientas automáticas para generar instrucciones especiales (escritas como programas de computadora) que direccionan al equipo automático en prueba en la dirección exacta para terminar las pruebas.
Tipos de plásticos Los plásticos se clasifican según sea su comportamiento con la variación de la temperatura y los disolventes. Así se clasifican en TERMOESTABLES y TERMOPLASTICOS
Termoestables
Son los plásticos que no reblandecen ni fluyen por mucho que aumente la temperatura, por tanto sufren modificaciones irreversibles por el calor y no pueden fundirse de nuevo. Son duros y frágiles.
Termoplásticos
Son plásticos que cuando son sometidos a calor se reblanceden y fluyen por tanto son moldeables por el calor cuantas veces se quiera sin que sufran alteración química irreversible. Al enfriarse vuelve a ser sólido. Tienen estructuras lineales o poco ramificadas. Son flexibles y resistentes. Son más fáciles de reciclar.
Termoplásticos Aplicaciones Usos después del reciclado
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TERMOESTABLES Aplicaciones Poliuretano (PU) Recubrimientos, materiales para el automóvil (parachoques, embragues), espumas para colchones resinas de fenol-formaldehido (PF) Adhesivos, láminas para revestimientos. Piezas de automóviles, componentes eléctricos Caucho nitrilo-butadieno (NBR) Caucho estireno-butadieno (SBR) Los plásticos son materiales idóneos para ser reutilizados porque son duraderos, resistentes, lavables etc. La reutilización se utiliza más en los envases industriales y comerciales que en los domésticos. Así en el sector de la distribución la reutilización de los envases de plásticos como cajas, palés, bidones juegan un papel fundamental. También en los productos del hogar como envases de productos de limpieza (suavizantes, detergentes, etc.), bolsas de plástico que podemos reutilizar. El primer paso para el reciclado es hacer la recogida selectiva de los plásticos, en origen por los todos los consumidores, para ello debemos separa los residuos plásticos del resto de la basura y depositarlos en el
contenedor amarillo o contenedor de envases.
Posteriormente se clasifican según los colores y se procede a su lavado y compactado. 9
Una vez recogido y almacenado el plástico se procede a clasificarlo según su composición, este proceso se lleva a cabo en la ‘planta de reciclaje según las diferentes características físicas de los plásticos. El mejor sistema para la recogida de plásticos y posterior reciclado se basa en recoger aquellos que sean fáciles de identificar, estén en estado puro. Se puede realizar de dos maneras: reciclaje mecánico o químico.
Reciclado mecánico El plástico recuperado, convenientemente prensado y embalado, llega a la planta de reciclado donde comienza la etapa de regenerado del material: - triturado - lavado purificación - extrusión Solamente se pueden reciclar mecánicamente los termoplásticos (PEAD, PP, PET, PS)
Instrumentación Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos, por esto es indispensable controlar y mantener constantes diversas variables del proceso tales como presión, temperatura, humedad, nivel, etc. Los instrumentos de control y medición permiten el mantenimiento y regulación de estas variables en condiciones idóneas para el óptimo desarrollo del proceso. Los instrumentos pueden ser utilizados para medir variables físicas, ejercer acciones de control mediante elementos actuadores, transmitir información de un punto a otro, interpretar señales y mediante algoritmos decidir el funcionamiento del sistema. Los instrumentos industriales son todos aquellos dispositivos eléctricos, mecánicos, electrónicos, neumáticos, hidráulicos que son utilizados en un ambiente industrial como parte de un proceso productivo, cuyo uso permite el desarrollo de las acciones de control. Los instrumentos industriales pueden realizar las siguientes funciones:
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Censar o captar una variable
Acondicionar una variable dada
Transmitir una variable
Controlar una variable
Indicar la magnitud de una variable
Totalizar una variable
Registrar una variable
Convertir una variable
Manifestar una alarma con respecto a la magnitud de una variable
Interrumpir o permitir una secuencia dada
Transmitir una señal
Amplificar una señal
Manipular una variable del proceso, etc.
Sensores Son los elementos de medición de parámetros o variables del proceso. Los sensores pueden ser usados también como indicadores, para transformar la señal medida en señal eléctrica. Los sensores más comunes son los de nivel, temperatura, presencia, proximidad, flujo, presión, entre otros. Los sensores pueden ser de varios tipos: SENSORES DE CONTACTO: Son aquellos que realizan la medida en contacto directo, real y físico con el producto o materia. Ejemplos: Sensores de boya para medir nivel en un tanque, termopilas para medir temperatura, etc. SENSORES DE NO CONTACTO : Se basan en propiedades físicas de los materiales, son más exactos, pero propensos a interferencias del medio ambiente. Ejemplos: sensores ultrasónicos, sensores ópticos, etc. SENSORES DIGITALES: Trabajan con señales digitales, en código binario, pueden representar la codificación de una señal analógica, o también la representación de dos estados on/off. Ejemplo: Sensores tipo switch. SENSORES ANALÓGICOS: Proporcionan medidas continuas, los rangos típicos son de 0 a 20mA, 4 a 20mA, 0 a 5V, 1 a 5V, entre otros. Ejemplos:
Sensores
capacitivos,
sensores
piezoresistivos,
etc.
SENSORES
MECÁNICOS: Son aquellos que traducen la acción física del elemento medido, en un comportamiento mecánico, típicamente de movimiento y/o calor. Ejemplos: Barómetro, termómetro de mercurio, etc. SENSORES ELECTRO-MECÁNICOS: Este tipo de sensor 11
emplea un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico. Ejemplos: Sensores resistivos, sensores magnéticos, etc.
Sensores de Temperatura Probablemente sea la temperatura el parámetro físico más común que se mide en una aplicación electrónica, incluso en muchos casos en que el parámetro de interés no es la temperatura, ésta se ha de medir para incluir indirectamente su efecto en la medida deseada. La diversidad de sus aplicaciones ha condicionado igualmente una gran proliferación de dispositivos sensores y transductores, desde la sencilla unión bimetálica de los termostatos, hasta los dispositivos semiconductores más complejos. TERMOPARES: Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos. RESISTIVOS: Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la dependencia de la resistividad de un conductor con la temperatura, están caracterizadas por un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient). También lo son las NTC (Negative Termal Coefficient), que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo. SEMICONDUCTORES: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente.
Sensores de Posición Los sensores de posición pueden dar según su construcción o montaje, una posición lineal o angular. Estos pueden ser de varios tipos: ELECTROMECÁNICOS: Lo forman los Finales de Carrera o Microinterruptores. Se sitúan en puntos estratégicos a detectar, en sistemas industriales y máquinas en general. Conmutan directamente cualquier señal eléctrica. Tienen una vida limitada. Solo pueden detectar posiciones determinadas, debido a su tamaño. MAGNÉTICOS: Lo forman los Detectores de Proximidad Magnéticos, que pueden ser los de Efecto Hall y los Resistivos, típicos en aplicaciones industriales. INDUCTIVOS: Lo forman los Detectores de Proximidad Inductivos, los Sincros y Resolvers, los RVDT (Rotatory Variable Differential Transformer) y LVDT (Lineal Variable Differential Transformer). POTENCIOMÉTRICOS: Lo forman los Potenciómetros lineales o circulares. ÓPTICOS: Lo forman las Células fotoeléctricas y los Encoders.
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Sensores Ópticos Un sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes
modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas. Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LED`s (Diodo emisor de luz según siglas en ingles) como fuentes de luz. Un LED es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa. Los LEDs pueden ser construidos para que emitan en verde, azul, amarillo, rojo, infrarrojo, etc. Los colores más comúnmente usados en aplicaciones de sensado son rojo e infrarrojo, pero en aplicaciones donde se necesite detectar contraste, la elección del color de emisión es fundamental, siendo el color más utilizado el verde. Los sensores ópticos los forman los fotointerruptores de barrera y los reflectivos: FOTO INTERRUPTORES DE BARRERA: Están formados por un emisor de infrarrojos y un fototransistor separados por una abertura donde se insertará un elemento mecánico que producirá un corte del haz. La salida será 0 o 1. Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Se establece un área de detección donde el objeto que va a ser detectado es reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz. Debido a que el modo de operación de esta clase de sensores se basa en la interrupción del haz de luz, '''la detección no se ve afectada por el color, la textura o el brillo''' del objeto a detectar. De todos modos el tamaño del objeto debe ser tomado en cuenta ya que algunos modelos de barreras emisor-receptor tienen ajuste de sensibilidad para permitir la detección (o no) de objetos de diferentes tamaños.
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Figura 5.1. Sensor Fotoeléctrico de Barrera
FOTO INTERRUPTORES REFLECTIVOS: Están formados por un emisor y un receptor de infrarrojos situados en el mismo plano de superficie, que por reflexión permiten detectar dos tipos de colores, blanco y negro normalmente, sobre un elemento mecánico. A diferencia de las barreras emisor-receptor, las barreras reflectivas o barreras reflex, tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo cuerpo. El haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector catadióptrico. El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la detección no es afectada por el color del mismo. La ventaja de las barreras reflex es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor que es en ambos lados. La distancia efectiva de sensado es levemente menor que la distancia total de sensado, debido a la “zona muerta” que queda
establecida justo enfrente del sensor. Esto se debe a la separación que existe entre el componente emisor y el componente receptor y el ángulo al cual la luz es reflejada desde el reflector.
Figura 5.2. Sensor Fotoeléctrico Reflectivo
Sensores de Nivel En la mayoría de procesos se utilizan tanques, recipientes y otros tipos de contenedores que no siempre se tiene acceso directo a ver o medir los niveles de material o flujo 14
almacenado. Para detectar nivel de líquido en algún tipo de contenedor existen diversos tipos de sensores dependiendo del material o fluido y de la posible manipulación tenemos los siguientes:
Desplazamiento (Flotador)
Presión Diferencial
Burbujeo
Radiactivo
Capacitivo
Ultrasónico
Radar
Servoposicionador
El tipo más común de los sensores de nivel es el flotador que se basa en la apertura y cierre de un switch mecánico que puede ser por contacto directo o magnético.
Figura 5.3. Sensor de nivel tipo Flotador
Actuadores Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de un fluido: líquidos, gases o eléctricos. El actuador recibe la orden de un controlador y genera una salida para activar a un elemento final de control. Los actuadores son los elementos que nos permiten controlar directa o indirectamente las variables del proceso. Tales dispositivos responden a la señal enviada por el controlador, a veces por intermedio de una interface que convierta la señal del controlador a una magnitud necesaria por el actuador. El diseño de los actuadores es un tema complejo y ha dado lugar a la existencia 15
de distintos tipos en función de las condiciones a cumplir (respuesta a la señal de control) y de los materiales que soporten las características tanto del proceso como del medio ambiente: temperatura, presión, corrosividad, erosión, etc. Los actuadores o accionamientos pueden ser clasificados atendiendo al tipo de energía empleada. Según esto tendríamos: ACTUADORES ELÉCTRICOS: Son usados para posicionar dispositivos de movimientos lineales o rotacionales. Ejemplos: Motores, relé, switch, electroválvulas. ACTUADORES NEUMÁTICOS: Trabajan con señales de presión, estas señales son convertidas a movimientos mecánicos. Ejemplo: Pistones neumáticos, válvulas. ACTUADORES HIDRÁULICOS: Operan igual a los neumáticos, son usados en tareas que requieren mayor fuerza por ejemplo levantar compuertas, mover grúas, elevadores, etc. Ejemplo: Pistones hidráulicos.
Motores Eléctricos En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.
Figura 5.4. Generación del Movimiento de Rotación
Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo 16
magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.
Motores Monofásicos Fueron los primeros motores utilizados en la industria. Cuando este tipo de motores está en operación, desarrolla un campo magnético rotatorio, pero antes de que inicie la rotación, el estator produce un campo estacionario pulsante. Para producir un campo rotatorio y un par de arranque, se debe tener un devanado auxiliar desfasado 90° con respecto al devanado principal. Una vez que el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito. Debido a que un motor de corriente alterna (C.A.) monofásico tiene dificultades para arrancar, está constituido de dos grupos de devanados: El primer grupo se conoce como el devanado principal o de trabajo, y el segundo, se le conoce como devanado auxiliar o de arranque. Los devanados difieren entre sí, física y eléctricamente. El devanado de trabajo está formado de conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque. Es importante señalar, que el sentido de giro de las bobinas involucra la polaridad magnética correspondiente MOTORES DE FASE PARTIDA: En general consta de una carcasa, un estator formado por laminaciones, en cuyas ranuras aloja las bobinas de los devanados principal y auxiliar, un rotor formado por conductores a base de barras de cobre o aluminio embebidas en el rotor y conectados por medio de anillos de cobre en llama así, por que se asemeja a una jaula de ardilla. Fueron de los primeros motores monofásicos usados en la industria, y aún permanece su aplicación en forma popular. Estos motores se usan en: máquinas herramientas, ventiladores, bombas, lavadoras, secadoras y una gran variedad de aplicaciones; la mayoría de ellos se fabrican en el rango de 1/30 (24.9 W) a 1/2 HP (373 W). MOTORES DE ARRANQUE CON CAPACITOR: Este tipo de motor es similar en su construcción al de fase partida, excepto que se conecta un capacitor en serie con el devanado de arranque para tener un mayor par de arranque. Su rango de operación va desde fracciones de HP hasta 15 HP . Es utilizado ampliamente en muchas aplicaciones de tipo monofásico, tales como accionamiento de máquinas herramientas (taladros, pulidoras, etcétera, compresores de aire, refrigeradores, etc.)
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Figura 5.5. Motor Monofásico con Capacitor
Tipos y aplicaciones. Los motores de inducción son máquinas eléctricas, las cuales han tenido mayor aplicación en la industria y artefactos electrodomésticos. Estas máquinas son los principales convertidores de energía eléctrica en mecánica (actualmente los motores de inducción consumen casi la mitad de la energía eléctrica generada). Su uso es, principalmente, en calidad de mando eléctrico en la mayoría de los mecanismos, ello se justifica por la sencillez de su fabricación, su alta confiabilidad y un alto valor de eficiencia. Hay 2 tipos de motores de inducción; los de rotor de jaula de ardilla y los de rotor de anillos rozantes. En la siguiente tabla se muestra los Datos Nominales de los Motores Eléctricos.
Tabla 1. Datos Nominales de los Motores Eléctricos
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Principio de funcionamiento. El motor de inducción esta formado por dos sistemas de devanados, uno se coloca en el estator y el otro en el rotor. Entre el estator y rotor se tiene un entrehierro, cuya longitud se trata de, en lo posible, hacerlo pequeño (0.1 - 0.9 mm), con lo que se logra mejorar el acople magnético entre los devanados. Figura 1. Motor de Inducción.
El devanado del estator puede ser monofásico o trifásico (en caso general polifásico). En lo sucesivo se analiza el motor trifásico, cuyas bobinas se colocan en las ranuras interiores del estator. Las fases del devanado del estator AX, BY, CZ se conectan en tipo estrella Y o triángulo, cuyos bornes son conectados a la red. El devanado del rotor también es trifásico (o polifásico) y se coloca en la superficie del cilindro. En el caso simple se une en corto circuito. Cuando el devanado del estator es alimentado por una corriente trifásica, se induce un campo magnético giratorio, cuya velocidad (síncrona) es:
Electroválvulas 19
Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para actuar la válvula. La válvula es el elemento mecánico por el cual circula el fluido. Existen varios tipos de electroválvulas. En algunas electroválvulas el solenoide actúa directamente sobre la válvula proporcionando toda la energía necesaria para su movimiento. Es común que la válvula se mantenga cerrada por la acción de un muelle y que el solenoide la abra venciendo la fuerza del muelle. Esto quiere decir que el solenoide debe estar activado y consumiendo energía mientras la válvula deba estar abierta. También es posible construir electroválvulas biestables que usan un solenoide para abrir la válvula y otro para cerrar o bien un solo solenoide que abre con un impulso y cierra con el siguiente impulso. Las electroválvulas pueden ser normalmente cerradas lo cual quiere decir que cuando falla la alimentación eléctrica quedan cerradas o bien pueden ser del tipo normalmente abiertas que quedan abiertas cuando no hay alimentación.
Figura 5.6. Esquema Electroválvula Normalmente Cerrada
Calentadores Eléctricos Las resistencias calentadoras convierten energía eléctrica en calor. Procedimiento descubierto por James Prescott Joule cuando en 1841 al hacer circular corriente eléctrica a través de un conductor se liberó calor por encontrar resistencia. Un calentador eléctrico es un dispositivo que produce energía calórica a partir de la eléctrica. El tipo más difundido es el calefactor eléctrico "resistivo", donde la generación del calor se debe al Efecto Joule. Los calefactores resistivos generan calor proporcionalmente al cuadrado de la corriente eléctrica que fluye a través de ellos. Esta relación es conocida como "Ley de Joule". 20
Los materiales conductores (metales y aleaciones) no son "conductores perfectos", sino que tienen una resistividad eléctrica al paso de la corriente eléctrica. La resistividad es una desventaja cuando se requiere transportar energía eléctrica, pero es deseable cuando se busca generar calor. Como la corriente eléctrica genera calor en el seno del conductor, y como la resistencia de un metal aumenta con la temperatura, la resistencia de un calefactor aumenta a medida que éste se calienta. Por otro lado, a mayor temperatura, el conductor transferirá más calor hacia el medio que le rodea. Pero si las pérdidas de calor al ambiente son menores que los watt generados por efecto Joule, la temperatura seguirá aumentando y el conductor puede llegar a fundirse. Por lo tanto, en el diseño de calefactores (que trabajan entre unos 50 y 1150°C aproximadamente), es importante que el control de temperatura funcione bien, y considerar materiales que no sean tan buenos conductores, que no se fundan ni oxiden ni fracturen a la temperatura y atmósfera de trabajo, y cuya resistividad cambie muy poco con la temperatura. Entre las aplicaciones más conocidas del efecto Joule se tienen los elementos de las estufas para calentar el ambiente, los filamentos de los secadores para el pelo, las resistencias de las planchas para la ropa, las hornillas de las cocinas, las resistencias de tostadores y hornos industriales, los calentadores en los hervidores de agua y fermentadores, los alambres para evitar el congelamiento en refrigeradores y el empañamiento en vidrios de las ventanas traseras de automóviles, los calefactores en peceras e invernaderos, y muchísimas aplicaciones más.
Figura 5.7. Calentador Eléctrico
Sistemas de Control Automático Definiciones Básicas
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CONTROL: Acción ejercida con el fin de poder mantener una variable dentro de un rango de valores predeterminados. SISTEMA DE CONTROL: Conjunto de equipos y componentes, que van a permitir llevar a cabo las operaciones de control. OPERACIONES DE CONTROL: Conjunto de acciones que buscan mantener una variable dentro de patrones de funcionamiento deseados. CONTROL AUTOMÁTICO: Es el desarrollo de la acción de control, sin la participación directa de un ser humano (operario). SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO: Conjunto de elementos (sensor, actuador, controlador y proceso) que forman parte de un proceso productivo industrial y que van a funcionar independientemente de la acción del hombre AUTOMÁTICO: Es todo aquello que se mueve, regula, opera por sí solo independiente del medio que lo rodea. AUTOMATIZACIÓN: Consiste de un sistema de control automático, por el cual el sistema verifica su propio funcionamiento, efectuando mediciones y correcciones sin la interferencia del ser humano. SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN: Conjunto de equipos, sistemas de información, y procedimientos que van a permitir asegurar un desempeño independiente del proceso, a través de operaciones de control y supervisión. SUPERVISIÓN Y MONITOREO: Es el proceso de lectura de valores de las diversas variables del proceso, con el objetivo de identificar el estado en el que se viene desarrollando el proceso en un tiempo actual.
Elementos de un Sistema de Control Automático El sistema de control va a actuar independiente del operario y va a determinar por sí mismo los mejores valores para las señales de control. Para ello se contará con una referencia, que es un valor dado por el operario, este valor es fijo y depende del tipo de proceso y de las exigencias que este amerite; es conocido como set – point, este valor es el que se desea alcanzar y mantener.
Figura 5.8. Elementos de un Sistema de Control Auto mático
CONTROLADOR: Es aquel instrumento que compara el valor medido con el valor deseado, en base a esta comparación calcula un error (diferencia entre valor medido y 22
deseado), para luego actuar a fin de corregir este error. Tiene por objetivo elaborar la señal de control que permita que la variable controlada corresponda a la señal de referencia. Los controladores pueden ser de tipo manual, neumático, electrónico; los controladores electrónicos más usados son: computadoras con tarjetas de adquisición de datos, PLC (controladores lógicos programables), microcontroladores (PIC). El tipo de controlador más común es el PLC, el cual es un equipo electrónico basado en microprocesadores, hace uso de memorias programables y regrabables (RAM), en donde se almacenan instrucciones a manera de algoritmos que van a permitir seguir una lógica de control. Contiene interfaces que le permiten manejar gran número de entradas y salidas tanto analógicas como digitales. ACTUADOR: Son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control. PROCESO: Esta referido al equipo que va a ser automatizado, por ejemplo puede ser una bomba, tolva, tanque, compresor, molino, intercambiador de calor, horno, secador, caldera, etc. SENSOR: Es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo.
Métodos de Control Existen varios métodos de control que han venido desarrollándose a través del tiempo para brindar una acción de control rápida y precisa entre los más conocidos están los siguientes:
Métodos de control clásico
Métodos de control moderno
Métodos de control avanzado
Controlador lógico programable (PLC)
Controlador Lógico Programable (PLC)
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Un PLC es un dispositivo electrónico de funcionamiento digital basado en un microprocesador, que utiliza una memoria para el almacenamiento de las instrucciones de programa empleado para el control automático de maquinas y procesos, mediante la implementación de funciones especificas tales como operaciones lógicas, aritméticas, temporizaciones, cuentas y secuencias, a través de módulos de entrada y salida de tipo analógico / digital. 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 y 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”.
Figura 5.9. Diagrama de Operación de un PLC
Los PLC se aplican en: instalaciones de aire a condicionado, calefacción, almacenamiento y trasvase de cereales, cerámica, frió industrial, maquinado y retiro de virutas, plantas depuradoras de residuos, embotelladoras, seguridad, tratamientos térmicos, instalaciones eléctricas y de comando, industria de automoción, maquinaria de ensamblaje, maquinaria en procesos textiles y de confección, maquinarias en la industria del plástico, maquinaria en procesos de grava, arena y cemento, maquinaria industrial del mueble y madera, etc. Pueden poseer una interface hombre-maquina (IHM) para la programación, o sino su programación se realiza utilizando la unidad de programación o una terminal de programación independiente, sin embargo actualmente existen PLCs cuya modularidad permite instalar módulos especializados que actúan en algunos casos como IHM. Existen PLC compactos que reúnen en una sola unidad, la fuente de poder, el CPU, la memoria y las interfaces I/O. Esta versión representa grandes ventajas en lo que se refiere a costos más accesibles, utilización de espacios reducidos, su selección se hace más fácil, responde con alto desempeño en condiciones hostiles del ambiente de trabajo, pueden ser programados mediante paquetes de software desde una PC. Existen varios lenguajes de 24
programación, tradicionalmente los más utilizados son el diagrama de escalera, lista de instrucciones y programación por estados, aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más fáciles de interpretar y mantener. En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operandos, desde los más simples como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y operadores matemáticos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas (recetas), apuntadores, algoritmos PID y funciones de comunicación multiprotocolos que le permitirían interconectarse con otros dispositivos. Entre sus componentes principales están: FUENTE DE PODER: Convierte la energía eléctrica disponible (de tipo AC en muchos casos) a niveles de tensión continua necesarios para la operación de los circuitos del procesador y las secciones de entrada y salida. PROCESADOR: Es el cerebro del sistema, realiza la toma de decisiones y la transferencia de la información. En el procesador se distinguen tres bloques principales como son el CPU, la memoria y la interfaz de comunicaciones. BLOQUE DE ENTRADAS: Realiza la interface entre el procesador y los dispositivos conectados como entrada, adapta las señales provenientes de los sensores. BLOQUE DE SALIDAS: Realiza la interface entre el procesador y los dispositivos conectados como salida, proporcionando señales a los actuadores. INTERFAZ DE COMUNICACIONES: Es un componente conversor de protocolos que permite la comunicación del PLC con una PC, con otros PLCs, o con otros dispositivos de campo. SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN: Los primeros PLC fueron diseñados para ser usados por electricistas que podían aprender a programar los PLC en el trabajo. Estos PLC eran programados con “lógica de escalera”. Los PLC modernos pueden ser
programados de muchas formas, desde la lógica de escalera hasta lenguajes de programación tradicionales como el BASIC o C. Otro método es usar la Lógica de Estados (State Logic), un lenguaje de programación de alto nivel diseñado para programas PLC basándose en los diagramas de transición de estados. Recientemente, el estándar internacional define cinco lenguajes de programación para los sistemas de control programables: FBD (Diagrama de Bloque), LD (Diagrama Escalera), ST (Texto Estructurado, similar al Lenguaje de programación Pascal), IL (Lista de Instrucciones) y SFC (Sequential function chart). Mientras que los conceptos fundamentales de la programación del PLC son comunes a todos los fabricantes, las 25
diferencias en el direccionamiento E/S, la organización de la memoria y el conjunto de instrucciones hace que los programas de los PLC nunca se puedan usar entre diversos fabricantes. Incluso dentro de la misma línea de productos de un solo fabricante, diversos modelos pueden no ser directamente compatibles.
Tipos de Señales que Detecta SEÑAL DIGITAL Algunos PLC tiene solo Entradas / Salidas digitales. Las señales de entrada todo – nada (1 ó 0), por lo general de contactos electromecánicos como por ejemplo: interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc.; y las de salida están en bobinas de electroimanes como por ejemplo: relés, electroválvulas, etc.las entradas del PLC son alimentadas con una tensión de 24 VDC y las salidas pueden ser alimentadas con una tensión de 24 VDC ó 120 VAC. SEÑAL ANALÓGICA No todos los PLC son capaces de manipular señales de tipo analógico, pero es frecuente que existan módulos de ampliación para los tipos compactos, que sí son capaces de tratar dichas señales. El procesamiento de datos dentro del PLC es enteramente digital, como corresponde a todo proceso basado en un microprocesador y, por tanto, las señales de tipo analógico deben ser previamente digitalizadas para que puedan ser procesadas. Esta forma digital consiste en representar el número de la variable analógica por un número codificado en forma binaria.
Sistemas de Automatización En un proceso productivo no siempre se justifica la implementación de sistemas de automatización, pero existen ciertas señales indicadoras que justifican y hacen necesario la implementación de estos sistemas, los indicadores principales son los siguientes:
Requerimientos de un aumento en la producción
Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos
Necesidad de bajar los costos de producción
Escasez de energía
Encarecimiento de la materia prima
Necesidad de protección ambiental
Necesidad de brindar seguridad al personal
Desarrollo de nuevas tecnologías 26
La automatización solo es viable si al evaluar los beneficios económicos y sociales de las mejoras que se podrían obtener al automatizar, estas son mayores a los costos de operación y mantenimiento del sistema. La automatización de un proceso frente al control manual del mismo proceso, brinda ciertas ventajas y beneficios de orden económico, social, y tecnológico, pudiéndose resaltar las siguientes:
Se a segura una mejora en la calidad del trabajo del operador y en el desarrollo del proceso, esta dependerá de la eficiencia del sistema implementado.
Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.
Existe una reducción en los tiempos de procesamiento de información.
Flexibilidad para adaptarse a nuevos productos (fabricación flexible y multifabricación).
Se obtiene un conocimiento más detallado del proceso, mediante la recopilación de información y datos estadísticos del proceso.
Se obtiene un mejor conocimiento del funcionamiento y performance de los equipos y máquinas que intervienen en el proceso.
Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.
Factibilidad para la implementación de funciones de análisis, optimización y autodiagnóstico.
Aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad para incorporar nuevos equipos y sistemas de información.
Disminución de la contaminación y daño ambiental.
Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.
Aumento en la seguridad de las instalaciones y la protección a los trabajadores.
Los elementos de una Instalación Automatizada que interactúan en un proceso industrial, si luego de una evaluación y análisis se decide implementar son los siguientes: MAQUINAS (PROCESO): Son los equipos mecánicos que realizan los procesos, traslados, transformaciones, etc. de los productos o materia prima. ACTUADORES: Son equipos acoplados a las máquinas, y que permiten realizar movimientos, calentamiento, ensamblaje, embalaje. Pueden ser:
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Actuadores eléctricos: Usan la energía eléctrica, son por ejemplo, motores, electroválvulas, resistencias, etc.
Actuadores neumáticos: Usan la energía del aire comprimido, son por ejemplo, cilindros, válvulas, etc.
Actuadores hidráulicos: Usan la energía de la presión de un fluido para controlar velocidades lentas pero precisas.
PRE ACTUADORES: Se usan para comandar y activar los accionadores por ejemplo, contactores, switchs, variadores de velocidad, distribuidores neumáticos, etc. CAPTADORES: Son los sensores y transmisores, encargados de captar las señales necesarias para conocer el estados del proceso, y luego enviarlas a la unidad de control. INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA: Permite la comunicación entre el operario y el proceso, puede ser una interfaz gráfica de computadora, paneles pulsadores, teclados, visualizadores, etc. UNIDAD DE CONTROL: Son los elementos de cálculo y control que gobiernan el proceso, se denominan autómata, y conforman la unidad de control. COMUNICACIONES: Conjunto de elementos que hacen posible transferir datos de la unidad de control hacia los elementos instalados en planta, y viceversa.
Figura 5.10. Elementos de una Instalación Automatizada
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CAPITULO VI ESTRATEGIAS DE DESARROLLO Existen complejos procesos de automatización que requieren de la colaboración entre los diversos departamentos de una empresa (gestión, logística, automatización, distribución, etc.). En esta sección se enfoca el problema en concreto en la parte de automatización, desde el punto de vista del trabajo que debe realizar el ingeniero/ingeniera técnica. El marco metodológico consta de las fases siguientes, que el operario debe realizar: Automatización Supervisión Interacción Implementación Pruebas
En el caso de llevar a la práctica un proyecto de automatización, es necesario seguir las fases de la metodología presentada, así como indicar el tipo de operario o grupo de ellos encargados de llevar a cabo las fases por separado o el conjunto de ellas. Secuencia ordenada de fases. Es decir, si la metodología quiere llevarse a la práctica hay que seguir paso a paso el método de forma secuencial. Cabe destacar el rol del operario en este esquema. El operario lleva a cabo cada una de las fases; hace la transición entre una fase y la siguiente, y, finalmente, se encarga de proceder a una iteración para rehacer el primer ciclo para introducir mejoras. Las fases que aparecen en el marco metodológico no son conceptos puntuales; cada uno de ellas puede tratarse en profundidad. A continuación, se presenta tan sólo un breve resumen de cada una de las fases, ya que lo que se quiere constatar es la relación entre las fases y los aspectos dinámicos intrínsecos de cada fase.
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Automatización En esta fase elemental hay que desarrollar los pasos siguientes relacionados con el GRAFCET (Grafo de Estados y transiciones) y la puesta en marcha de automatismos: - Observación del proceso a controlar y generación del GRAFCET de primer nivel en su descripción funcional. - Selección del automatismo (autómata programable, regulador digital autónomo). - Selección y cableado físico de sensores y actuadores, con las secciones de entradas y salidas del automatismo. - Generación del GRAFCET de segundo nivel en su descripción tecnológica. En estas líneas, la fase de automatización coincide con todas las propuestas que hacen las referencias bibliográficas básicas de automatización y autómatas programables. En la fase de automatización aparecen diversas tecnologías, entre ellas la sensórica y la neumática, supeditadas a su conexión física con el automatismo (autómata programable, por ejemplo). La representación del control secuencial sobre el proceso se representa mediante GRAFCET. A partir de estas líneas, el GRAFCET generado pasa a denominarse GRAFCET de producción, en asociación con el módulo de producción. Una vez la fase de automatización ya está consolidada, hay que establecer la fase de supervisión.
Supervisión A continuación, en esta segunda fase, hay que desarrollar los pasos siguientes: - Hay que reunir el máximo de especificaciones a priori sobre los estados posibles en las que se puede encontrar una máquina o un proceso, según la experiencia del agente encargado de la automatización o según las peticiones del cliente. - Hay que definir los módulos a utilizar según la complejidad del problema (seguridad, modos de marcha, producción) y representar gráficamente el caso de estudio mediante
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los estados y las transiciones de la guía GEMMA (Guía de Estudios de modos de marcha y paro). - Para cada módulo, hay que generar un GRAFCET parcial. Cabe destacar que en el caso de producción, el GRAFCET de producción ya se ha generado en la fase de automatización, de manera que lo que hay que establecer aquí es la relación con el resto de módulos. En el caso del módulo de modos de marcha el GRAFCET de conducción promueve la activación y desactivación del módulo de producción, que normalmente presenta un desarrollo secuencial cíclico. Finalmente, mediante el módulo de seguridad, el GRAFCET de seguridad pertinente vigila los dos módulos anteriores ante la posible aparición de fallos o situaciones de emergencia en el sistema automatizado. - Los GRAFCET parciales se integran de forma modular y estructurada en un solo GRAFCET general que contemple todos los módulos enunciados en función de la complejidad del problema, mediante las reglas de forzado y las reglas de evolución. - El operario procede a la supervisión cuando está vigilando la evolución del proceso controlado automáticamente, y está atento a la presencia de posibles imprevistos que merezcan activar el módulo de seguridad e intervenir directamente en el mismo. Conviene indicar que GRAFCET muestra el control secuencial a modo de etapas de funcionamiento de la máquina/proceso, mientras que la guía GEMMA muestra la presencia de las acciones del operario humano en forma de estados de parada, funcionamiento y fallo. Una vez la fase de supervisión ya está consolidada, hay que establecer la fase de interacción.
Interacción En la interacción entre la supervisión humana llevada a cabo por el operario y el proceso controlado por parte del automatismo, hay que concretar la intervención del operario mediante el diseño del panel de mando en función de las acciones físicas sobre dispositivos y la recepción de señales informativas visuales o acústicas.
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Los dispositivos concretos a utilizar dependen de los módulos definidos en la fase denominada supervisión. En concreto, presentamos una disposición básica de dispositivos en la siguiente sección. Para el diseño del panel de mando se utilizan conceptos que aparecen en la normativa de seguridad en máquinas, así como especificaciones ergonómicas y el conjunto de situaciones a tratar mediante la guía GEMMA. La siguiente sección muestra en detalle esta integración. En función de la complejidad del problema, el operario debe conocer qué dispositivos necesita y si el panel es el adecuado o conviene hacer mejoras. En automatización industrial, existe una gran diversidad de dispositivos, que se engloban en lo que se conoce como interfaz persona-máquina (HMI human-machine interface). La siguiente sección muestra una posible clasificación de interfaces persona-máquina en el ámbito industrial, mientras que la sección 2.4 aborda en detalle el diseño de una interfaz para su uso con la guía GEMMA. La comprensión de la fase de interacción es vital para que el usuario pueda clasificar las diversas situaciones que se dan en el sistema automatizado y procesar la información e intervenir con coherencia. Una vez realizadas las fases de automatización, supervisión e interacción, y antes de seguir con el resto de fases, el operario puede rehacer convenientemente cada una de ellas a medida que aumenta el conocimiento experto del funcionamiento del sistema.
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CAPITULO IX DISEÑO 9.1 Velocidad de transporte. La velocidad de transportación está determinada por la máquina de triturado que es el eje central del proceso y a su velocidad de procesamiento, todo esto se detallará más adelante. Teniendo en cuenta que la máquina de triturado tiene las siguientes características: 1760 rpm, cuchillas de 90 cm de largo y puede procesar 150Kg de materia prima (polipropileno de baja densidad) en 20 min para producir 50Kg de material aglomerado. De esto se obtiene: Si 150Kg en 20 min, entonces en 1Kg son 7.5 min, entonces =
=
3 7.5
= 40
= 0.66
Esta velocidad impone los tiempos del proceso. La densidad γ del polipropileno de baja densidad es 936 Kg/m3 ,
9.2. Motores. Los motores de inducción son máquinas eléctricas, las cuales han tenido mayor aplicación en la industria y artefactos electrodomésticos. Estas máquinas son los principales convertidores de energía eléctrica en mecánica (actualmente los motores de inducción consumen casi la mitad de la energía eléctrica generada). Su uso es, principalmente, en calidad de mando eléctrico en la mayoría de los mecanismos, ello se justifica por la sencillez de su fabricación, su alta confiabilidad y un alto valor de eficiencia. Hay 2 tipos de motores de inducción; los de rotor de jaula de ardilla y los de rotor de anillos rozantes. En la siguiente tabla se muestra los Datos Nominales de los Motores Eléctricos.
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Tabla 1. Datos Nominales de los Motores Eléctricos
Principio de funcionamiento. El motor de inducción esta formado por dos sistemas de devanados, uno se coloca en el estator y el otro en el rotor. Entre el estator y rotor se tiene un entrehierro, cuya longitud se trata de, en lo posible, hacerlo pequeño (0.1 - 0.9 mm), con lo que se logra mejorar el acople magnético entre los devanados.
Figura 1. Motor de Inducción.
El devanado del estator puede ser monofásico o trifásico (en caso general polifásico). En lo sucesivo se analiza el motor trifásico, cuyas bobinas se colocan en las ranuras interiores del estator. Las fases del devanado del estator AX, BY, CZ se conectan en tipo estrella Y o triángulo, cuyos bornes son conectados a la red. El devanado del rotor también es trifásico (o polifásico) y se coloca en la superficie del cilindro. En el caso simple se une en corto circuito. Cuando el devanado del estator es alimentado por una corriente trifásica, se induce un campo magnético giratorio, cuya velocidad (síncrona) es: 34
9.3. Sensores.
El Sharp GP2Y0A02YK es un sensor de infrarrojos que proporciona una lectura continua de la distancia medida como una tensión analógica dentro de un rango de 20 a 150 cm. La tensión de alimentación es de 5V y la tensión de salida varia unos 2 voltios de diferencia entre el margen mínimo y el máximo de la distancia medida. El encapsulado es similar a otros sensores sharp, pero presenta una mayor distancia entre la lente y el sensor con el fin de aumentar el rango de trabajo. La conexión se realiza mediante un conector JST (incluido) de 3 vías, 2 para la alimentación y una para la salida. La salida esta disponible de forma continua y su valor es actualizado cada 39 ms. Normalmente se conecta esta salida a la entrada de un convertidor analógico digital el cual convierte la distancia en un numero que puede ser usado por el microprocesador.
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Valores Máximos de Funcionamiento Parámetro
Símbolo Valor
Unidad
Tensión Alimentación
VCC
-0.3 a +7
V
Tensión del Terminal de Salida
VO
-0.3 a VCC +0.3
V
Temperatura de Trabajo
T opr
-10 a +60
°C
Temperatura Almacenamiento
T stg
-40 a +70
°C
Tensión de Alimentación Parámetro
Símbolo
Valor
Unidad
Tensión de Alimentación
VCC
4.5 a 5.5
V
Características Electro-Opticas Parámetro
Símbolo Condiciones
Min. Typ. Max. Unit
Rango de Distancia delta L *2 *3 de Medición
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Tensión del VO Terminal de Salida
L = 150 cm *2
0.25 0.4 0.55 V
Diferencia de delta Tensión en Salida VO
Diferencial relativo a la 1.8 2.05 2.3 V distancia (150 cm -> 20 cm) *2
Consumo medio de Icc corriente
-
-
-
33
150 cm
50
mA
L: Distancia hasta el objeto reflectante *2 Objeto reflectante: Papel Blanco (Hecho por Kodak Co. Ltd. gray cards R-27, cara blanca, ratio de reflexión ratio: 90%) *3 Distancia medida desde la óptica del sensor.
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9.4 Bodega. El proceso de reciclado de plástico (polipropileno de alta densidad) empieza por la compra de la materia prima la cual se obtiene de las diversas bananeras existentes en los alrededores del cantón
Babahoyo.
aproximadamente
Estos
15Kg
“bultos”
de
este
son
de
material,
normalmente en bodega se tiene una cantidad de este material sobre las 5Tn para uso diario.
Este material posee un bajo nivel de suciedad, aproximadamente un 2% del peso del bulto. Ilustración 1. Bodega de almacenamiento
Se encuentran altamente comprimidos para ahorrar espacio de almacenamiento. El material debe ser transportado a la máquina trituradora para su posterior transformación a material aglomerado, previamente, éste debe ser lavado para eliminar las impurezas y mejorar la calidad del producto final.
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9.5. Banda transportadora 1. Su finalidad llevar el material desde el “bulto” hasta la máquina lavadora, este proceso
necesita de la intervención humana para liberar el material desde el bulto hasta la banda o cinta transportadora. Se selecciona la goma dura como material de la cinta, y rodillos metálicos, con una longitud horizontal de 2m y 2,5 m inclinada en un ángulo de 32°. La separación entre rodillos es de 25 cm, con un volumen de transporte 0.28 m 3. Este recorrido va desde la bodega hasta la máquina lavadora. Esta cinta es impulsada por un motor de 1/2HP. En ella van instalados 2 sensores GP2Y0A02YK ubicados al final de la banda y a la mitad de la misma.
Ilustración 2. Banda transportadora
9.6. Máquina de lavado.
Consiste principalmente en un gran tambor giratorio horizontal que gira en el sentido de las manecillas del reloj, dentro del cual se aplica agua en forma de llovizna y aire seco. Tiene una longitud de 3 m de largo por 1.5m de alto. Trabajo con un motor de 50 HP, permite disminuir al grado de impurezas del material, para su refinamiento. La alimentación de agua está provista de una conexión de ½” a un tanque reservorio de 1000
lts.
El proceso de limpieza se hace necesario pues el plástico generalmente está contaminado de polvo, comida, papel, piedrecillas (basura sólida), pegamento, grasa, químicos, etc. En un proceso de alta tecnología los plásticos deben ser granulados, este granulado es limpiado y luego es colocado sobre pantallas movibles. También se usan hidra ciclones cuando el desecho plástico está muy contaminado Cabe señalar que el plástico reciclado
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con estos pasos se lo usa para elaborar fundas de basura, mangueras para electricidad o cualquier otro producto que no sea para el uso humano. El plástico previamente debe ser clasificado por el tamaño y luego ir a dos etapas de lavado: la limpieza de basura “sólida” y limpieza de químicos que se lo hará con
detergentes, no con solventes pues la clasificación previa no está basada en densidades y características propias del plástico El lavado del plástico, según este sistema, se basa en un sistema de aletas rotatorias, similar a una lavadora de ropa pero con eje horizontal, en el cual el lavado se basa en el movimiento del plástico provocado por aletas sujetadas en eje soportado en un semitambor horizontal. El agua ingresa a la por su parte superior a través de una flauta. También consta de una compuerta de acceso para dar el mantenimiento respectivo, el cual está especificado en el manual de operaciones. La máquina posee tres sistemas principales: Sistema motor, que incluye el motor, bandas cadenas, poleas, piñones, y rodamientos Sistema de lavado, que incluye un eje (elemento crítico), flauta de ingreso del agua, paletas de lavado, canastilla y rodamientos
9.7. Banda de transporte 2. La finalidad de esta banda es la de transportar la materia prima que fue sometida al proceso de limpieza hacia la máquina trituradora de plásticos. La velocidad de transporte es la misma del sistema, 40 cm/min, y recorre una longitud de 3m con una inclinación de 32°, finalizando en la tolva de entrada de la máquina. A esta se encuentra conectado un motor de ½ HP. En ella como en la banda comentada anteriormente, van instalados 2 sensores GP2Y0A02YK ubicados al final y a mitad de la banda, estos permiten controlar si existe o no presencia de materia prima en la banda de transporte.
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9.8. Máquina trituradora. La máquina trituradora es de fabricación artesanal, consta de una carcasa de acero, de 2 m de diámetro y 1,7m de altura. Conectado a ella un motor de 50HP de marca ABB, conectado a tierra y una cuchilla de 93 cm que gira a 1760 rpm. Tiene un volumen de procesamiento de 50Kg de materia prima. A esta se han conectado 2 sensores de temperatura YYYYY en el interior a la entrada de la materia prima y otro a la carcaza. Se ha instalado un Tacómetro en la base de la cuchilla. Instalados para medición se ubicaron TP y TC SIEMENS XXX, conectados a tarjetas de voltaje y corriente (LABVIEW DDD-SSS) y al multímetro análogo instalado Ilustración 3. Máquina trituradora de plástico
en el tablero de control. La compuerta de salida está controlada por un electroimán a 24 V que está conectado a al
bus de control de datos, esta compuerta tiene un temporizador programado a 20 min. El sistema de sensores y transformadores de corriente y potencia permitirá controlar lo siguiente: control de temperatura excesiva del motor, control de atascos en la cuchilla y potencia de funcionamiento. Para cada uno de esto problemas se ha implementado un manual de operaciones.
9.9. Banda trasportadora 3.
La finalidad de esta banda es la de transportar la materia prima que fue sometida al proceso de trituradora de plásticos y se conoce ahora como material aglomerad, hacia el deposito del material o silo. La velocidad de transporte es la misma del sistema, 40 cm/min, y recorre una longitud de 3m con una inclinación de 32. A esta se encuentra conectado un motor de 1 HP, instalados 2 sensores GP2Y0A02YK ubicados al final y a
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mitad de la banda, estos permiten controlar si existe o no presencia de material aglomerado en la banda de transporte.
9.10. Silo. Es un deposito circular metálico de fabricación artesanal 1.5 m de altura con base superior de 1m e inferior de 10 cm, ubicado a 2 m del suelo con una altura de para almacenamiento del material aglomerado, el cual permite optimizar el llenado del material en los sacos de 50Kg, por medio de un sistema eléctrico o electroválvula, el cual al ser accionada tiene un tiempo de funcionamiento de XX min, esto se da por el caudal de abertura es XX m3/s lo cual al ser aplicado a un diámetro de 10 cm da el tiempo de XX min mencionado para llenar un saco de 50Kg. Es decir, se pueden llenar sacos de material aglomerado, almacenarlos en bodega y tener un respaldo aun almacenado.
9.11. Tablero de control Según la aplicación que vamos a diseñar utilizaremos un centro de control de motores (CCM) instalado en un gabinete metálico de 50 cm x 80 cm x 25 cm, anticorrosivo. Internamente se ha dispuesto el espacio para los elementos que lo constituyen como
Protección diferencial.
Protección magnetotérmica.
Borne de tierra.
Amperímetros analógicos.
Contactores
Transformadores de potencia y corriente.
Barra de distribución de potencia.
Pulsadores.
Este tablero de control se instalará como soporte manual al sistema de automatización, debido a las presencia de equipos artesanales que están sometidos aún a pruebas de funcionamiento.
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9.12. Interface del sistema. El sistema de control digital consta de tarjetas capturadoras de señales como voltaje, corriente, temperatura y velocidad, de marca NI (National Instruments) montandas sobre módulos compact DAQ NI cDAQ-9184, con tarjetas DAQ NI-USB 6008, adquisición de voltaje, módulos de adquisición de corriente NI 9203, sensores de temperatura NI 9211, y labview 2011 (versión student, por las pruebas), conectadas inalámbricamente a una red wifi 801.11g protegida.
Ilustración 4. compactDAQ
Ilustración 7. NI USB 9203
Ilustración 5. Chasis compactDAQ wifi
Ilustración 8. NI USB 9211
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Ilustración 6. NI USB 6008
Interface.
Cada banda transportadora tiene 3 sensores que indican si esta con carga (materia prima), si se encuentra vacía o si existe una obstrucción en la parte final de la misma, además de un visualizador de velocidad. La lavadora tiene instalado 4 sensores: carga, vacío, obstrucción y sin agua, así como un control de temperatura dentro de la misma. Botón de paro. Si el sistema muestra un error como una obstrucción o falla en la velocidad
y/o temperatura, el sistema se detendrá automáticamente al ser detectada la falla, pero si 43
el operario considera que existe una falla inminente puede presionar el botón de paro y todo el proceso será detenido. Al detenerse el proceso se debe considerar la materia prima en sus diferentes etapas, por lo que para reiniciar el sistema se recomienda se realice una limpieza en los equipos principales: lavadora y trituradora. Dentro de ellas se encuentra materia prima a medio lavar o procesar, esta deberá ser removida para evitar posibles atascos que puedan producir un pico de corriente innecesario y active erróneamente los sistemas de protección.
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9.13. Planos.
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CONCLUSIONES
Al añadir el proceso de lavado y secado de materia prima, antes del proceso de triturado (o aglomerado) y mantener los tiempos totales, se tiene en esta fase en particular una disminución de tiempo.
La calidad de la materia prima es mejorada al aplicar el proceso de lavado y secado automático, eliminando impurezas indeseadas.
Se reducen costos de diseño al reutilizar maquinaria existente, y que ha estado con un buen mantenimiento.
El diseño de nuevos planos para la
ubicación de maquinara y equipos
eléctricos/electrónicos permite aprovechar de mejor manera el espacio físico sin necesidad de grandes cambios en la estructura, evitando gastos innecesarios en readecuación.
La utilización de un silo para almacenar la materia prima permite optimizar aún más el espacio existente en bodega de almacenamiento, además de tener en reserva materia prima.
El consumo de energía eléctrica se ve aumentado en un pequeño porcentaje pero este se verá justificado al mejorar la producción del material aglomerado.
El sistema de iluminación se modifico de sistemas incandescentes de 200 W a vapor de sodio de 150W mejorando el ambiente de trabajo.
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RECOMENDACIONES
Los procesos se mantengan de acuerdo a lo establecido tanto en carga como en tiempo de producción para no sobrecargar el sistema, por existir equipos no nuevos.
Se recomienda la utilización de equipos de seguridad industrial no existentes en el sistema anterior.
Elaborar un plan de mantenimiento preventivo y correctivo, dirigido a los equipos e instrumentos a instalarse.
El stock de materia prima en bruto no debe ser menor del 10% de la capacidad de almacenamiento para mantener la capacidad de producción estimada.
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BIBLIOGRAFIA PIEDRAFITA MORENO, R. Ingeniería de la automatización industrial. Ed. RAMA. 2 ed. 2004.
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