Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniería y Arquitectura Escuela de Ingeniería Mecánica
Electroneumática Ing. Rigoberto Velásquez Paz
Diseño del sistema de automatización para una maquina empacadora de arroz. Alumnos Guzmán Herrera, José Alejandro
GH09008
Ing. Mecánica
Jiménez Majano, José Erick
JM09005
Ing. Mecánica
Laínez Velásquez, Gerver Iván
LV09018
Ing. Mecánica
Ríos González, Raúl Alexander
RG09073
Ing. Mecánica
Salalá Santos, Luis José
SS09025
Ing. Mecánica
Ciudad Universitaria, 09 de julio de 2013 .
Planteamiento del Problema
Se desea aumentar la eficiencia en la operación del empacado en planta productora de arroz, debido a que la operación de manera manual lleva más tiempo, esto causa una acumulación de la cantidad de arroz en espera del proceso de empaque lo que en general reduce la eficiencia de la planta. Es por esta razón que se requiere el diseño de una máquina automatizada que realice la operación de empaque en presentaciones presentaciones de 400 para el arroz. Tipo de Máquina a Diseñar
Se diseñara una máquina con control eléctrico utilizando un PLC y actuadores tanto neumáticos como eléctricos debido a que la utilización de aire comprimido representa algunas ventajas como son:
Económico: se puede conseguir como fluido de trabajo simplemente
tomándolo de la atmósfera, lo que no implica costos
Seguro: hay pocos riesgos de accidentes, porque no posee propiedades
explosivas
Abundante: se encuentra en grandes cantidades en la Tierra
No contamina: el aire después de utilizado se devuelva al ambiente sin
representar contaminación contaminación del medio
Rápida respuesta; los actuadores pueden trabajar a altas velocidades
No requiere líneas de retomo: a diferencia de otros medios como la
hidráulica, éste no requiere volver al generador, sino que se devuelve al ambiente sin inconvenientes inconvenientes
Fácil montaje y mantenimiento
Fácil transporte
La instalación es sencilla, rápida y limpia
Si bien la utilización del aire comprimido en sistemas de automatización posee notables ventajas también conlleva ciertas desventajas como son:
Humedad: el aire, al salir del compresor, puede tener una alta temperatura,
lo que hace que al recorrer la línea de distribución se presente enfriamiento y se produzca condensación, traduciéndose en presencia de agua en las tuberías. Este es uno de los más graves inconvenientes que presenta el
trabajo con aire comprimido, pues el contenido de humedad puede afectar los dispositivos de trabajo (actuadores, (actuadores, válvulas, etc.).
Ruido: la operación de los elementos de trabajo ocasiona gran cantidad
de ruido lo que obliga al uso de silenciadores en los escapes de las válvulas, incrementando costos. Esto no elimina todo el ruido, pero lo disminuye. También el compresor produce mucho ruido, razón por la cual se debe instalar en un lugar apartado del área de producción de la empresa.
Limitación de fuerza : cuando se trabaja con aire comprimido no se logran
fuerzas muy grandes, lo que obliga a utilizar otras alternativas como la hidráulica cuando se requiere aplicación de grandes fuerzas. La fuerza máxima es de 30000N, aproximadamente. aproximadamente.
Difícil detección de fugas: las fugas normalmente se detectan por el sonido
que producen, pero en una industria hay gran presencia de ruido, lo que dificulta el poder determinar que hay presencia de fugas. Esto genera caídas de presión y disminución en el caudal, obligando al compresor a trabajar más tiempo incrementando incrementando los costos en el consumo de energía.
Costosa producción: el compresor consume mucha energía, por eso se
hace muy costosa la generación de aire comprimido. Al evaluar las ventajas contra las desventajas de un sistema neumático podemos hacer una valoración entre estas, en cuanto a la desventaja de la humedad esta se puede corregir con la utilización de un FRL. La limitación de fuerza no es un inconveniente en la aplicación que se desea debido a que no se requieren grandes fuerzas de trabajo. El costo del consumo de energía por parte del compresor se compensa con un mayor volumen de producción debido a la cantidad de empaques que se alcanzarían por lo que es justificable la utilización de un sistema neumático para el diseño de la máquina empacadora de arroz. Definición de geometrías de la máquina
Para empezar a dimensionar y diseñar las piezas lo primero que se debe hacer es diseñar en base a la cantidad de producto que contendrá cada presentación, en la definición del problema se definió que deben producirse empaques de 400 gramos de arroz, debido a que es más fácil la construcción de la máquina tomando en cuenta un volumen de arroz determinado se procede a calcular el volumen que contendrá cada empaque.
La densidad de arroz (seco, blanco y en grano) es aproximadamente de
De la definición de densidad se calcula el volumen por empaque:
Con el volumen por empaque definido se procede ahora a calcular la cantidad de empaques que se obtendrán definiendo una capacidad de alimentación de arroz de un quintal. Dado que es:
la cantidad de empaques por quintal
Ahora se procede a la definición de los diferentes elementos de la máquina. Tolva de Suministro
Teniendo en cuenta que la cantidad de arroz con la que se alimentará la máquina es de un quintal, se calcula entonces el volumen de arroz que ocuparía el quintal:
Se optará por un diseño de tolva como el siguiente:
Por lo que se deben definir las dimensiones especificadas en la figura, para esto se asume el volumen de arroz igual al volumen contenido en el cono truncado así:
Como se tienen tres incógnitas y una sola ecuación se deben asumir dos longitudes, en este caso se asumirán:
Y con lo que se obtiene una longitud de: Las cotas L1 y L3 son para que el recipiente no se encuentre al ras cuando se llene con el quintal de arroz por lo que se les asigna la siguiente dimensión:
Y teniendo entonces una altura total de: Dosificador
Para asegurar que los empaques contengan 400 gramos de arroz se procederá de manera similar a la tolva, en base al volumen que debe tener la masa de arroz asociada. Se realizara el diseño en base a un disco giratorio en el cuál habrá depósitos con el volumen de arroz requerido, para calcular las dimensiones de cada depósito procedemos de la misma manera:
como se definió antes por las medidas de la tolva se obtiene . Con
El tamaño del dosificador depende de cuantos empaques se obtengan por cada revolución que este se mueva, para una cantidad de 5 depósitos en el dosificador este deberá dar en total 23 revoluciones para obtener 115 empaques que es la cantidad de unidades por quintal de arroz. Con 5 depósitos estos deben espaciarse cada 72 grados dentro de la circunferencia, a continuación una vista superior del dosificador:
Sobre el dosificador y bajo el habrán dos circunferencias del mimos diámetro y cada una de estas con un agujero en posiciones diferentes, la circunferencia superior encajara con la tolva para ir llenando cada depósito y la circunferencia inferior tendrá también un agujero del mismo diámetro que los depósitos y este permitirá que el volumen de arroz medido llene las bolsas que se irán sellando cuándo estén llenas.
Sistema de Sellado de Bolsas
Para sellar los empaques se opta por el método de sellado por calor con resistencias eléctricas, consiste en hacer circular suficiente corriente por un alambre metálico con una resistencia eléctrica baja, al circular una considerable cantidad de corriente la resistencia se calienta lo suficiente para fundir el plástico.
El sistema se divide en dos etapas: 1. Armado y sellado frontal de la bolsa Debido a que las bolsas se fabrican a partir de una bobina de película de plástico, se requiere de un dispositivo que tome los extremos y los traslape en la parte central, luego se pone en contacto la resistencia del lado donde se traslaparon los extremos de la película sellando por calor y obteniéndose una manga de plástico.
En el conjunto de la figura, la película de plástico envuelve el tubo formándose la manga y por la parte de enfrente un cilindro neumático con la resistencia para sellado estarán efectuando la operación antes mencionada. La longitud completa del elemento de la figura es de 50 centímetros. 2. Corte de la bolsa El corte de la bolsa conteniendo el volumen apropiado se efectúa con resistencias también solo que circulando por estas mayor corriente por lo que se encuentran a mayor temperatura, y actuando también con mayor fuerza para cortar la bolsa, la manga baja por la acción de un motor y un par de rodillos, el tiempo de accionamiento de este motor depende del volumen al que se llenara el empaque. El mecanismo de corte se asemeja a un guillotina que es accionada por dos cilindros neumáticos para asegurar un corte limpio.
Estructura base
La estructura base que soportara todos los elementos de la máquina debe diseñarse para soportar el peso de todas las partes y a su vez soportar fuerzas de impacto por el efecto del corte de la bolsa, la estructura básica es la siguiente:
Cotas en mm
Definición de fuerzas necesarias para el empaque y diversos movimientos
Las fuerzas requeridas principalmente serian:
Para el sellado frontal de la bolsa. Para el corte de la bolsa. Para hacer bajar la manga de plástico luego de cortar. Para mover el dosificador.
Corte de Bolsa
El polímero utilizado para el empaque de granos básicos es el Polietileno cuya resistencia a la ruptura es de 4 libras por pulgada cuadrada. En la operación de corte la capa de plástico es doble por lo que la resistencia debe tomarse como 8 psi distribuidos a todo lo largo de la bolsa, generalmente el ancho de la resistencia es de 2 milímetros. Para un ancho de bolsa de 10 centímetros el área efectiva es:
La fuerza requerida para el corte es:
( ) La fuerza que se requerirá en el vástago del cilindro es de 2.7 lb. Sellado frontal
En esta operación no se requiere una fuerza excesiva sino solamente la presión necesaria a la hora del sellado frontal, dado que del cálculo anterior la fuerza para el corte de las bolsas es de 2.7 libras, se tomará esta como fuerza última. Se tomará una fuerza de 1 libra, que generará una presión en el área actuante del sellado de:
( ) Tomando una longitud de sellado de 20 centímetros por vez y la superficie efectiva de la resistencia de 2 milímetros. Motor para hacer bajar la manga de plástico
Aquí se debe tener en cuenta que para hacer correr la manga de plástico es necesario vencer la fricción de la película de plástico con todos los rodillos y con la bobina principal sin dañar la película. Para reducir la fricción en la medida de lo posible los cojinetes de los rodillos y la bobina de plástico deben estar en excelentes condiciones. Debido a la dificultad para el cálculo de esta fuerza y considerando que la menor potencia disponible para un motor eléctrico de carácter industrial a baja tensión es 0.25 kW se tomará este motor para esta parte de la máquina, cabe mencionar que las revoluciones por minuto requeridas son bajas por lo que el motor debe tener un tren reductor. Motor para movimiento del Dosificador
La capacidad de material máxima del dosificador es de 2000 gramos (5 depósitos de 400 gramos cada uno) El momento generado por cada masa de arroz es:
⁄ Se selecciona entonces de tablas un motor de 1HP, 4 polos a 220 V con torque a plena carga de a 1750 rpm, se requerirá de un tren reductor.
Selección de elementos neumáticos y electroneumáticos Cilindros Neumáticos
Selección del cilindro para sellado.
Por la naturaleza de la operación que realizará el cilindro se utiliza un factor de carga de 0.7 para una fuerza en extensión del cilindro y carga estática o movimiento a baja velocidad, de gráfico 1 (anexos) para una fuerza de 1 lb = 4.45 N se lee:
1. Diámetro: 2. Presión de Trabajo:
Se escogerá una longitud de carrera de 150 mm debido a que es necesario mantener la resistencia caliente a cierta distancia del plástico. Para determinar el consumo de aire nos referimos al gráfico 2 (anexos), para una presión de trabajo de 0.2 MPa, 6 mm de diámetro y una carrera de 150 mm se obtiene un volumen de:
También se debe determinar el consumo de aire en la tubería, para una longitud de conexionado aproximada de 2 metros, 0.2 MPa presión de trabajo y diámetro de tubería igual a 5 mm del gráfico 3 se obtiene un volumen de:
El consumo de aire total viene dado por la ecuación:
Dado que la cantidad de ciclos por minuto de este cilindro está dada por la frecuencia a la que se requiera el sello y esta a su vez depende de la velocidad de giro del dosificador y de la velocidad de corte se asumirá una cantidad aproximada de 20 ciclos por minuto, debido a la dependencia de las partes antes mencionadas la cantidad de ciclos por minuto será menor pero así se asegura el cumplimiento de la cantidad de aire necesaria.
⁄
Selección del cilindro para corte.
El cilindro de corte posee funcionamiento dinámico ya que se requiere un corte rápido a una fuerza aproximada de 2.7 lb se utiliza un factor de carga de 1, del gráfico 1 (anexos) para una fuerza de 2.7 lb = 12.01 N se lee:
3. Diámetro: 4. Presión de Trabajo:
Se escogerá una longitud de carrera de 150 mm al igual que con el cilindro de sellado. Para determinar el consumo de aire nos referimos al gráfico 2 (anexos), para una presión de trabajo de 0.4 MPa, 6 mm de diámetro y una carrera de 150 mm se obtiene un volumen de:
También se debe determinar el consumo de aire en la tubería, para una longitud de conexionado aproximada de 2 metros, 0.4 MPa presión de trabajo y diámetro de tubería igual a 5 mm del gráfico 3 se obtiene un volumen de:
Dado que las presiones de trabajo difieren se tomará la presión mayor porque es la requerida para el corte de las bolsas, se optara por utilizar una válvula reguladora de presión para el funcionamiento del cilindro de sellado debido a que este no debe romper la manga de plástico aun con el aumento de presión. Otra consideración es que en el corte se utilizarán dos cilindros en paralelo para un movimiento uniforme, dando como resultado tres cilindros de iguales dimensiones, el consumo total de aire será:
⁄ El tipo de cilindro seleccionado es de la serie CJ2:
Válvulas
Se utilizarán 3 válvulas de 5/2 Vías de retorno por resorte debido a que por la función que desempeñaran se requieren accionamientos cortos y el diagrama eléctrico se complicaría con válvulas de doble solenoide, el voltaje de funcionamiento será a 24 V. Una válvula reguladora de presión para asegurar que el cilindro de sellado funcione a 0.2 Mpa. Válvulas de extrangulamiento para el cilindro de sellado ya que no se requiere que este funcione a alta velocidad a diferencia de los cilindros de corte.
Selección de Compresor
Debido a que los compresores de émbolo cubren una alta gama de presiones de trabajo se optará por uno de este tipo en una sola etapa. Para un compresor de una etapa la presión óptima de funcionamiento es de 400 kPa que es justamente la presión requerida por el sistema, se considerará que las pérdidas de presión son pequeñas debido a que se utilizarán tuberías de plástico y no se requieren longitudes grandes. La selección del acumulador del compresor debe tener en cuenta los siguientes parámetros:
Caudal del compresor Cantidad de aire requerida en el sistema Regulación del compresor Número de conmutaciones
La determinación del volumen del acumulador es a través de gráficos al igual que para la selección de los cilindros, dado que el sistema en cuestión requiere un consumo de aire pequeño se vuelve complicada la determinación de un volumen de acumulador específico para el sistema por lo que se recomienda la utilización de un compresor que cumplas con las características de funcionamiento siguientes:
Presiones efectivas entre 7 y 12 bar (0.7 a 1.2 MPa) Caudal de aire entre 32 – 89 l/s Volumen del acumulador 1 metro cúbico o menor.
Selección del F.R.L
La unidad de mantenimiento o F.R.L debe contener una válvula reguladora de presión para asegurar que la presión de trabajo sea de 0.4 Mpa, por lo que la presión máxima debe ser mayor que la presión efectiva máxima del compresor. La siguiente tabla muestra diferentes tipos de filtración en función de la aplicación.
Se seleccionara un F.R.L que cumpla con las características especificadas en la tabla anterior para cilindros neumáticos y válvulas neumáticas.
Circuito Neumático A0
A1
B0
B1
3 0 %
4
2
YA
4
2
YBC 5
3 2
1
1
5
3 1
3
Como se especifico antes el cilindro de sellado es el cilindro A, con válvula reguladora de presión en su línea para funcionar a 0.2 Mpa y extrangulamiento en la carrera de extensión para evitar que el plástico se corte por impacto. Los cilindros B y C son para el corte y como se explico antes se utilizan en paralelo con la misma electroválvula para accionamiento a la vez y asegurar la acción cortante de la resistencia. Actuadores eléctricos
Aparte de los actuadores neumáticos se requieren algunos actuadores eléctricos que se listan a continuación:
Motor para hacer girar el dosificador (Se requiere final de carrera) Motor para bajar la manga de plástico luego del corte. Resistencia eléctrica de sellado Resistencia eléctrica de corte de bolsas
Para cada uno de estos se requerirá etapa de potencia, relé o contactor dependiendo de la corriente necesaria para su funcionamiento. Se tienen entonces 6 elementos a controlarse en total.
Secuencia de Accionamiento
Los cilindros están nombrados como A y B, los motores se nombraran como M1 el dosificador y M2 el motor para hacer correr la manga de plástico, las resistencias R1 y R2 son respectivamente la de sellado y la de corte. Para empezar se asumirá una bolsa recién cortada para el inicio del proceso y una carga reciente en la tolva de suministro, la secuencia descrita es: 1. El motor M2 hace bajar la manga de plástico. 2. El motor M1 hace girar el dosificador para que pueda llenarse el primer empaque. 3. Una vez llenado el primer empaque se acciona la resistencia R2 para el corte del empaque. 4. Mientras esta accionada R2 se accionan los cilindros B y C para cortar el empaque. 5. Se acciona la resistencia R1 para el sello. 6. Se acciona el cilindro A para sellar el empaque. 7. El motor M2 baja la manga de plástico. 8. El motor M1se mueve una vez para llenar el siguiente empaque. 9. La resistencia R2 se acciona 10. Los cilindros B y C se accionan cortando el empaque. 11. Se acciona la resistencia de sello. 12. Se acciona el cilindro A para sellar. 13. Se repite el ciclo hasta un conteo de 115 empaques que es el número de empaques que se obtienen por cada quintal de arroz depositado en la tolva de suministro. Se tendrá la opción de ciclo único y la secuencia resumida sería: M2, M1, R2, B+, B-, R1, A+, A-, M2, M1, R2, B+, R1, A+……… El panel de control contará con un pulsador para energizar el sistema, un pulsador para el ciclo de empacado completo, un pulsador para ciclo único y un pulsador de paro de emergencia. Los sensores a utilizar serán para conocer la posición de los cilindros, 4 en total y uno en el dosificador al lado de la tolva de suministro para contar los movimientos del dosificador, por lo que se utilizarán 5 finales de carrera.
Diagrama Eléctrico 1
+24V
2
MAIN
K0
K0 4
5
6
7
8
A0
PC
9
10
A0
11
12
13
14
15
T5
16
17
18
K3 T1
CU
C1 B0
M0
K1
B0
A1
T3
K2
K3
B1
T2 C2
KPC
K5
K4
KM0
C2
KCU
PARO K2
K0
KPC
KM0
KCU
K3
K1
KM0
K2
K5
K3
T5
K4
K5
0V
2
7
8
13 15
9
3
7
19
12
11 14
16
15 18
21
15
22
23
30
32
34
20
19
+24V
20
21
22
23
24 25
26 27 28
29
30
31
32
33
K5 K1
K1
K2
K5
K4
T2
A1
K3
T3
K4
T4
C1
B1
A1
B0
C2
T1
T1
0.1
T2
3
T3
3
T4
2
T5
2
C1
115
C2
1
M2
M1
R2
YBC
R1
0V
20 11
11 29
13 31
33
17 10
1
25
1
28
10
Al observar el circuito de control se evidencia la necesidad de recurrir a un PLC ya que un armado con los componentes físicos seria en extremo complicado y más aun elevaría los costos por lo que se utilizará un PLC.
YA
Lista de Elementos Eléctricos
Cuatro pulsadores para las acciones de marcha, paro y la selección del proceso cíclico o ciclo único. Cinco finales de carrera. Nueve relés para control del circuito Cuatro relés para control de actuadores Dos electroválvulas Cuatro temporizadores con retardo a la conexión Un temporizador con retardo a la desconexión Dos contadores digitales. Selección de PLC
Se utilizará un PLC de la serie Simatic S7 – 200, un micro PLC de la compañía Siemens con gran variedad de modelos de CPU disponibles atendiendo a las necesidades de la aplicación. Dado que se requieren nueve entradas digitales (cuatro pulsadores y cinco finales de carrera) y se controlara la acción de seis actuadores (dos motores, dos resistencias, dos electroválvulas) el modelo que mejor se ajusta es una CPU 224 con catorce entradas digitales y diez salidas a relé. Las entradas y salidas restantes pueden utilizarse cuando se requiera hacer alguna modificación al circuito o para el uso de más actuadores. Tablas de equivalencia entre nombres de los elementos de diagramas
Entradas Esquema Eléctrico
Diagrama KOP
Marcha Paro Proceso Cíclico Ciclo Único A0 A1 B0 B1 M0
I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0
Salidas Esquema Eléctrico
Diagrama KOP
M1 M2 R1 R2 A B
Q0.0 Q0.1 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6
Esquema Eléctrico
Diagrama KOP
K0 KPC KCU KMO K1 K2 K3 K4 K5
M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M0.7 M1.0
Marcas
Temporizadores Esquema Eléctrico
Diagrama KOP
T1 T2 T3 T4 T5
TON T37 TOF T6 TON T7 TON T8 TON T9
Esquema Eléctrico
Diagrama KOP
C1 C2
C1 C2
Contadores
Esquema KOP Network 1
Network 2
Network 3
Network 4
Network 5
Network 6
Network 7
Network 8
Network 9
Network 10
Network 11
Network 12
Network 13
Network 14
Network 15
Network 16
Network 17
Network 18
Network 19
Network 20
Network 21
Código AWL
Network 1
Network 5
LD
I0.0
LD
I0.4
O
M0.0
A
I0.6
AN
C1
A
M0.1
AN
C2
LD
I0.4
AN
I0.1
A
I0.6
M0.0
A
M0.2
=
Network 2
OLD
LD
M0.0
O
M0.4
A
I0.2
LD
T5
=
M0.1
A
I0.5
Network 3
AN
LD
M0.0
OLD
A
I0.3
AN
=
M0.2
=
C2
M0.5 M0.4
Network 4
Network 6
LD
M0.0
LD
T5
A
I1.0
AN
T6
=
M0.3
O
M0.5
AN =
M0.6 M0.5
Network 7
Network 12
LD
T7
LD
O
M0.6
TON T39, 30
AN
M0.3
=
M0.6
M0.5
Network 13
LD
M0.7
Network 8
TON T40, 20
LD
M0.6
Network 14
A
M0.3
LD
M1.0
O
M0.7
A
I0.5
AN
M1.0
TON T41, 20
=
M0.7
Network 15
Network 9
LD
I0.7
LD
I0.7
LD
C1
O
M1.0
CTU C1, 1
AN
T5
=
M1.0
Network 16
LD
I0.5
Network 10
LD
C2
LD
CTU C2, 1
M0.4
TON T37, 1
Network 17
Network 11
LD
T2
LD
M0.4
=
Q0.1
AN
T37
Network 18
TOF T38, 30
LD
M0.6
O
T3
=
Q0.0
A
I0.6
Network 19
=
Q0.3
LD
M0.7
=
Q0.5
=
Q0.3
Network 20
LD
T4
=
Q0.6
Network 21
LD
M1.0
Anexos
Gráfico 1. Fuerza del cilindro en la carrera de extensión
Gráfico 2. Consumo de aire de un cilindro
Gráfico 3. Consumo de aire del conexionado
