instituto politÉcnico nacionaltesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12540/1/diseÑo de la... ·...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE EMPAQUETADO FLEXIBLE PARA ROLLOS DE PAPEL

TISSUE

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN

GUADARRAMA RENDÓN YAZAED ZAID

MONTIEL VARELA ALEJANDRO

SALAZAR ÁVILA JESSE ABNER

ASESORES

M. en C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ

M. en C. OMAR NAVA RODRÍGUEZ

MÉXICO D.F. OCTUBRE 2013

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA

UNID AD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION

POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL DEBERA(N) DESARROLLAR C. YAZAED ZAID GUADARRAMA RENDON

C. ALEJANDRO MONTIEL VARELA C. JESSE ABNER SALAZAR ÁVIL A

"DISEÑO DE LA AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA DE EMPAQUETADO FLEXIBLE PARA ROLLOS DE PAPEL TISSUE"

DESARROLLAR LA AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE EMPAQUETADO FLEXIBLE, MEDIANTE LA INTEGRACIÓN DE DISPOSITIVOS DE CONTROL E INTERFAZ GRÁFICA PARA ROLLOS DE PAPEL TISSUE.

» GENERALIDADES. » DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINARIA DE PAPEL TISSUE. » DESARROLLO DE LA INGENIERÍA. » DESARROLLO DE LA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA. » RESULTADOS y CONCLUSIONES.

M. EN C. PED A RODRÍGUEZ

MÉXICO D. F., A 29 DE MAYO DE 2013.

O FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ

~~~ D ~BLANCAMARGARITA 'U''L- .....u...,.'''' J:Á]DEL DEPARTAMENTO ~'L-~.u'''''H'

INGENIERÍA EN CONTROL Y A

JEFATIIRA le A

Contenido

Objetivo General ....................................................................................................................................... I

Objetivos Específicos ................................................................................................................................. I

Introducción ............................................................................................................................................. II

Justificación ............................................................................................................................................. III

Planteamiento del problema .................................................................................................................. IV

Alcance ..................................................................................................................................................... V

Estado del arte ........................................................................................................................................ VI

CAPÍTULO 1 .............................................................................................................................................. 1

1.1 Introducción a la automatización industrial................................................................................... 1

1.2 Manufactura flexible ...................................................................................................................... 3

1.2.1 Sistema flexible de manufactura ............................................................................................. 3

1.2.2 Celda flexible de manufactura ................................................................................................ 4

1.3 Neumática ...................................................................................................................................... 4

1.3.1 Características del aire comprimido ........................................................................................ 5

1.3.2 Rentabilidad de los equipos neumáticos ................................................................................ 6

1.3.3 Elementos neumáticos de trabajo .......................................................................................... 6

1.4 Válvulas ......................................................................................................................................... 9

1.4.1 Válvulas 5/2 ........................................................................................................................... 10

1.4.2 Válvulas 5/3 ........................................................................................................................... 10

1.4.3 Electroválvulas....................................................................................................................... 11

1.5 Interfaz Hombre-Máquina (HMI) ................................................................................................. 11

1.5.1 Tipos de HMI´s ....................................................................................................................... 12

1.5.2 Aplicaciones de las HMI´s ...................................................................................................... 13

1.5.3 Software de programación HMI ............................................................................................ 14

1.5.4 Beneficios del uso de las HMI................................................................................................ 15

1.6 Sensores ....................................................................................................................................... 16

1.6.1 Clasificación según el tipo de señal de salida ........................................................................ 16

1.6.2 Sensores de posición ............................................................................................................. 16

1.6.3 Sensores de proximidad ........................................................................................................ 17

1.6.4 Sensores Ultrasónicos ........................................................................................................... 19

1.6.5 Criterios de selección ............................................................................................................ 20

1.7 Controlador Lógico Programable PLC .......................................................................................... 21

1.7.1 Funcionamiento del PLC ........................................................................................................ 23

1.7.2 Perro guardián (Watch dog) .................................................................................................. 24

1.7.3 Clasificación ........................................................................................................................... 24

1.7.4 Arquitectura del PLC .............................................................................................................. 25

1.7.5 Lenguajes de programación del PLC ..................................................................................... 26

1.8 Protocolos de comunicación ........................................................................................................ 27

1.8.1 Protocolo de comunicación Ethernet industrial. .................................................................. 28

CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................................ 31

2.1 Papel tissue .................................................................................................................................. 32

2.2 Proceso de fabricación de papel tissue ........................................................................................ 33

2.3 Etapa de Empaquetado para papel tissue Hengxin modelo: HX-ZB ............................................ 37

2.4 Empaquetadora Hengxin modelo: HX-ZB ..................................................................................... 41

2.4.1 Problemática Actual .............................................................................................................. 42

CAPÍTULO 3 ............................................................................................................................................ 43

3.1 Arreglo físico en SolidWorks ........................................................................................................ 47

3.2 Selección del equipo necesario para la implementación del sistema Automatizado .................. 51

3.2.1 Equipo de control neumático ................................................................................................ 52

3.2.2 Selección de entradas al PLC (Sensores) ............................................................................... 56

3.2.3 Selección de salidas al PLC .................................................................................................... 58

3.2.4 Características de los motores eléctricos .............................................................................. 60

3.3 Dispositivos de control y comunicación ....................................................................................... 62

3.3.1 Selección del controlador ...................................................................................................... 62

3.3.2 Módulos Point I/O 1734 ........................................................................................................ 65

3.3.3 Módulo adaptador para comunicación Ethernet/IP ............................................................. 68

3.4 Selección de Interfaz Hombre-Máquina ...................................................................................... 69

3.4.1 Características del Panel View Plus seleccionada ................................................................. 70

3.5 Fuentes de alimentación .............................................................................................................. 72

3.5.1 Fuente de alimentación 1606-XLE240E ................................................................................. 74

3.6 Diagramas de conexión ................................................................................................................ 76

3.6.1 Diagrama unifilar ................................................................................................................... 76

3.6.2 Entradas al PLC ...................................................................................................................... 80

3.6.3 Salidas del PLC ....................................................................................................................... 80

3.7 Switch para la comunicación de la red Ethernet .......................................................................... 88

3.7.1 Sotfware para comunicación Ethernet.................................................................................. 88

3.8 Esquema general de módulos de comunicación .......................................................................... 89

3.8.1 Protocolo de comunicación Ethernet .................................................................................... 91

3.8.2 Establecimiento de la dirección IP por medio del servidor BOOTP ...................................... 91

3.8.3 Establecimiento de la dirección IP al adaptador 1734-AENT ................................................ 94

3.9 Programación del sistema ............................................................................................................ 95

3.9.1 Programa principal ................................................................................................................ 96

3.9.2 Movimiento de variables ....................................................................................................... 99

3.9.3 Condiciones iniciales para cilindros C Y L ............................................................................ 101

3.9.4 Bandas de control................................................................................................................ 101

3.9.5 Etapa 1 ................................................................................................................................. 103

3.9.6 Formación de niveles .......................................................................................................... 104

3.9.7 Incremento decremento número de rollos. ........................................................................ 106

3.9.8 Tiempo de trabajo de los motores ...................................................................................... 107

CAPÍTULO 4 .......................................................................................................................................... 109

4.1 Software para el desarrollo de la HMI ....................................................................................... 112

4.2 Ambiente de trabajo FactoryTalk View Studio ........................................................................... 116

4.3 Creación de la aplicación en FactoryTalk View Studio ............................................................... 117

4.3.1 Configuración de los ajustes iniciales del sistema .............................................................. 118

4.3.2 Creación de una nueva configuración de RSLinx Enterprise ............................................... 119

4.3.3 Configuración de las comunicaciones de diseño locales .................................................... 120

4.3.4 Configuración de tags de interfaz de operador .................................................................. 123

4.3.5 Creación de accesos directos de diseño .............................................................................. 124

4.4 Estructura y pantallas de la HMI para la empaquetadora ......................................................... 129

4.4.1 Pantalla de Inicio ................................................................................................................. 132

4.4.2 Selección de tipo de Empaquetado ..................................................................................... 132

4.4.3 Configuración de lote .......................................................................................................... 133

4.4.4 Reporte del lote a producir ................................................................................................. 134

4.4.6 Producción de lote actual .................................................................................................... 135

4.5 Simulación .................................................................................................................................. 138

4.5.1 Simulación del programa de PLC-HMI ................................................................................. 138

4.6 Propuesta Económica ................................................................................................................. 147

4.6.1 Presupuesto de Equipo ....................................................................................................... 147

4.6.2 Presupuesto de mano de obra ............................................................................................ 151

CAPÍTULO 5 .......................................................................................................................................... 152

5.1 Resultados .................................................................................................................................. 153

5.2 Conclusiones............................................................................................................................... 155

5.3 Recomendaciones y trabajos futuros ......................................................................................... 157

ANEXOS ................................................................................................................................................ 158

ANEXO I TABLA DE REFERENCIAS DE DIRECCIONES DE VARIABLES ..................................................... 159

ANEXO II COMPORTAMIENTO DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS ..................................................... 164

ANEXO III CONEXIÓN DE EQUIPO NEUMÁTICO ................................................................................. 169

ANEXO IV GABINETES DE CONTROLADORES ...................................................................................... 172

GLOSARIO ......................................................................................................................................... 174

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................................ 175

RELACIÓN DE FIGURAS

Figura i Empaquetadora manual tipo pie pedal. ................................................................................... VIII

Figura ii Máquina empacadora semiautomática Hengxing HX-ZB .......................................................... IX

Figura iii Máquina empacadora automática modelo WD-TP-PM7 ......................................................... XI

CAPÍTULO 1

Figura 1.1 Clasificación de las tecnologías que integran la automatización. .......................................... 2

Figura 1.2 Esquema de las partes que conforman la Automatización ..................................................... 3

Figura 1.3 Partes de un cilindro de simple efecto. ................................................................................... 8

Figura 1.4 Partes de un cilindro de doble efecto. ................................................................................... 9

Figura 1.5 Válvula neumática 5/2 monoestable de accionamiento manual con retorno de muelle..... 10

Figura 1.6 Válvula neumática 5/3 de accionamiento manual, biestable con retorno de muelle. ......... 10

Figura 1.7 Pantalla de Interfaz Hombre-Máquina .................................................................................. 12

Figura 1.8 Software para el desarrollo de HMI´s (InTouch de Wonderware). ...................................... 15

Figura 1.9 Ilustración de un sensor tipo inductivo. ................................................................................ 17

Figura 1.10 Ilustración de un sensor tipo capacitivo. ............................................................................ 18

Figura 1.11 Ilustración de sensores ópticos. .......................................................................................... 19

Figura 1.12 Ilustración de un sensor tipo inductivo .............................................................................. 20

Figura 1.13 Esquema de bloques de las estructuras del hardware del PLC y la conexión con

dispositivos externos. ............................................................................................................................. 22

Figura 1.14 Comparación del sistema electro-magnético contra el sistema con PLC. ......................... 23

Figura 1.15 PLC de estructura compacta. .............................................................................................. 24

Figura 1.16 PLC de estructura modular. ................................................................................................ 25

Figura 1.17 Esquema de la arquitectura típica del controlador lógico programable (PLC). .................. 26

CAPÍTULO 2

Figura 2.1 Rollos de papel tissue en la etapa de transporte. ................................................................. 32

Figura 2.2 Esquema del “Pulper”. .......................................................................................................... 34

Figura 2.3 Caja de entrada. .................................................................................................................... 35

Figura 2.4 Máquina de papel (caja de entrada y mesa de fabricación de la hoja)................................ 35

Figura 2.5 Operación de secado en el proceso de fabricación de rollos de papel tissue. ..................... 36

Figura 2.6. Etapa de corte de los rollos de papel tissue. ........................................................................ 37

Figura 2.7 Etapa de selección y expulsión .............................................................................................. 38

Figura 2.8 Empaquetado y sellado del bolso. ........................................................................................ 39

Figura 2.9 Ilustración de la empacadora actual y labores del personal. ................................................ 40

CAPÍTULO 3

Figura 3. 1 Máquina empacadora de papel tissue a la que se le desarrollara el diseño de la

automatización. ...................................................................................................................................... 44

Figura 3.2 Diagrama de bloques del proceso de empacado de rollos de papel tissue con respecto a la

máquina a automatizar. ......................................................................................................................... 46

Figura 3. 3. Piezas que conforman el ensamble de las bandas. ............................................................. 48

Figura 3. 4 Imagen de Izquierda: proceso actual Imagen de derecha: proceso modificado. ................ 49

Figura 3. 5 Estructura perteneciente a la etapa de empaquetado. ....................................................... 50

Figura 3. 6 Máquina de empaquetado terminada. ................................................................................ 51

Figura 3.7 Etapa 1: ubicación de los cilindros. ....................................................................................... 54

Figura 3.8 Etapa 2: ubicación de los cilindros. ....................................................................................... 55

Figura 3.9 Etapas a, b y c: ubicación y tipo de sensores utilizados. ...................................................... 57

Figura 3.10 Etapas d, e y f: ubicación y tipo de sensores utilizados. ..................................................... 58

Figura 3.11 Controlador seleccionado (CompactLogix 5370 L1). ........................................................... 65

Figura 3.12 Módulos externos point I/O de la familia 1734 de Allen Bradley. ...................................... 66

Figura 3.13 Módulo de entradas digitales 1734-IV8. ............................................................................. 67

Figura 3.14. Módulo de salidas digitales 1734-OV8E. ........................................................................... 68

Figura 3. 15 Adaptador de Ethernet/IP 1734-AENTR. ............................................................................ 69

Figura 3.16 Terminal gráfica Panel View Plus 1000 ............................................................................... 71

Figura 3. 17. Fuente de alimentación seleccionada 1606-XLE de Allen Bradley. .................................. 75

Figura 3. 18 Fuente de alimentación 1734-EP24DC. ............................................................................. 76

Figura 3. 19 Diagrama Unifilar ................................................................................................................ 79

Figura 3.20 Conexión de dispositivos: fuentes de alimentación, entradas y salidas ............................. 82

Figura 3.21 Conexión de dispositivos: entradas y salidas ...................................................................... 83




Figura 3.25 Conexión de motores .......................................................................................................... 87

Figura 3.26 Switch no administrado Stratix 2000 1783-US05T. ............................................................. 88

Figura 3. 27 Esquema General de módulos de comunicación ............................................................... 90

Figura 3.28 Selección de la opción Network Settings desde la barra de ménu. .................................... 92

Figura 3.29 Ventana Network Settings .................................................................................................. 92

Figura 3.30 Ventana Network Settings .................................................................................................. 92

Figura 3.31 Ventana New Entry. ............................................................................................................ 93

Figura 3.32 Lista de relación donde se corrobora la dirección del controlador. ................................... 93

Figura 3.33 Rueda de control del módulo de comunicación 1734-AENT .............................................. 94

Figura 3.34 Vista del árbol de programa. .............................................................................................. 96

Figura 3.35 Condiciones para el arranque del sistema. ......................................................................... 97

Figura 3.36 Selección del tipo de presentación. .................................................................................... 98

Figura 3.37 Entrada a subrutinas ........................................................................................................... 99

Figura 3.38 Presentación 4. .................................................................................................................. 100

Figura 3.39 Movimiento de variables a contadores. ........................................................................... 100

Figura 3.40 Conteo de los rollos alimentados a la máquina. ............................................................... 102

Figura 3.41 Reset de los contadores. ................................................................................................... 102

Figura 3.42 División del proceso en etapas para la programación. .................................................... 103

Figura 3.43 Salto a subrutina FORMACIÓN DE NIVELES. ..................................................................... 104

Figura 3.44 Segmento de la rutina Formación de Niveles donde se muestra el comando Latch para

permitir subir los cilindros y apilar los rollos. ...................................................................................... 104

Figura 3.45 Ubicación de los sensores y cilindros en el formador de niveles. ..................................... 105

Figura 3.46 Inhibición del sensor F_SENSOR_MAGNETIC_17. ............................................................ 106

Figura 3.47 Incremento, decremento y movimiento de variable para decenas. ................................. 106

Figura 3.48 Instrucciones de menor que y contacto de aceptar para salir de la sub-rutina. .............. 107

Figura 3.49 Conteo del tiempo en marcha de MOTOR 1. .................................................................... 108

CAPÍTULO 4

Figura 4.1 Localización de HMI y módulos de control......................................................................... 112

Figura 4.2 Pantalla RSLogix 5000 Emulate de slot 2 del procesador.................................................... 113

Figura 4.3 Configuración de Driver virtual ........................................................................................... 114

Figura 4. 4 Configuración de la comunicación del software de Rockwell ............................................ 115

Figura 4.5 Ambiente del software FactoryTalk View. ......................................................................... 117

Figura 4.6 Creación de la aplicación en FactoryTalk View Studio ........................................................ 118

Figura 4.7 Inicio de configuración de comunicaciones ....................................................................... 119

Figura 4.8 Ventana de RSLinx Enterprise configuration wizard para la creación de una nueva

configuración de comunicaciones ........................................................................................................ 120

Figura 4.9 Pantalla de configuración de accesos directos de comunicaciones con dispositivos externos

.............................................................................................................................................................. 121

Figura 4.10 Buscar el controlador a realizar en enlace ........................................................................ 122

Figura 4.11 Pasos de creación para acceso directo .............................................................................. 123

Figura 4.12 Creación de una nueva pantalla ........................................................................................ 125

Figura 4.13 Creación de un objeto en el espacio de trabajo pantalla .................................................. 125

Figura 4.14 pantalla de la pestaña connections de la asignación de tags............................................ 126

Figura 4.15 Selección del tag al objeto ................................................................................................ 126

Figura 4. 16 Creación de accesos directos de diseño ........................................................................... 128

Figura 4.17 Estructura de programación de la HMI ............................................................................. 131

Figura 4.18 Pantalla de bienvenida de la HMI...................................................................................... 132

Figura 4.19 Selección del tipo de empaquetado. ................................................................................. 133

Figura 4.20 Configuración de número de lote. .................................................................................... 134

Figura 4.21 Reporte del lote a producir. .............................................................................................. 135

Figura 4.22 Pantalla producción de lote actual. ................................................................................... 136

Figura 4.23 Información del proceso (Área de mantenimiento). ........................................................ 137

Figura 4.24 Enlace entre FactoryTalk View Studio-RSLogix5000. ....................................................... 138

Figura 4.25 Simulación del número de presentación a elegir PLC-HMI ............................................... 139

Figura 4.26 Propiedades del botón PRESENTACIÓN para ver el link entre el programa de PLC y el de la

HMI. ...................................................................................................................................................... 139

Figura 4.27 Simulación de incremento y decremento ......................................................................... 140

Figura 4.28 Arranque del sistema. ....................................................................................................... 141

Figura 4.29 Interfaz para probar la programación de los cilindros. ..................................................... 141

Figura 4.30 Simulación de subrutina ETAPA_1 .................................................................................... 142

Figura 4.31 Activación de cilindro A ..................................................................................................... 143

Figura 4.32 Simulación cilindro D ........................................................................................................ 144

Figura 4.33 Inicio de la sub-rutina de formación de niveles. ............................................................... 144

Figura 4.34 El contador de niveles llego a su cuenta. .......................................................................... 145

Figura 4.35 Inicio de la ETAPA_2. ........................................................................................................ 146

Figura 4.36 Introducción de los rollos a el área de empaquetado. ..................................................... 146

RELACIÓN DE TABLAS

CAPÍTULO 1

Tabla 1.1 Tipos de sensores y su relación de detección con respecto a la distancia. ............................ 20

Tabla 1.2 Comparación de protocolos a nivel de planta. ....................................................................... 28

Tabla 1.3 Topologías Ethernet a nivel de dispositivo. ........................................................................... 29

CAPÍTULO 3

Tabla 3. 1 Relación del equipo de control neumático. ........................................................................... 52

Tabla 3. 2 Relación de los elementos de entrada. ................................................................................. 56

Tabla 3. 3 Relación de los elementos de salida. ..................................................................................... 59

Tabla 3.4 Comparación de controladores industriales. ......................................................................... 63

Tabla 3. 5 Comparación de terminales graficas de diversas marcas para el desarrollo de HMI´s ......... 69

Tabla 3.6 Software de RS para el establecimiento de direcciones IP en la red EtherNet. ..................... 88

CAPÍTULO 4

Tabla 4.1 Tamaño de ventana de los diferentes Panel View de Allen Bradley. .................................. 118

Tabla 4. 2 Costos totales de elementos de control y neumáticos ....................................................... 148

Tabla 4. 3 Costos totales de recursos humanos ................................................................................... 151

CAPÍTULO 5

Tabla 5.1 Tiempos de ejecución de cilindros neumático ..................................................................... 154

I

Objetivo General

Desarrollar la automatización de un sistema de empaquetado flexible, mediante la

integración de dispositivos de control e interfaz gráfica para rollos de papel tissue.

Objetivos Específicos

Diseño de la automatización

Diseñar la automatización para un sistema de empaquetado flexible, el cuál supere

los parámetros de la maquinaria actual en la cual se basa este trabajo, dados los

aspectos siguientes:

Seguridad:

Bosquejar una celda de manufactura flexible para el desarrollo de un proceso seguro

para los operarios. El cual sea factible para su realización.

Eficiencia:

Lograr un diseño de la distribución de elementos y de la lógica de automatización

para alcanzar un flujo continuo de empaques de lote; el cual reduzca el tiempo de

empaquetado con respecto al mismo tipo de empaquetado en comparación con la

maquinaria empaquetadora semiautomática y flexibilidad.

Diseño de la programación

Realizar una programación eficiente y clara para el control de la maquinaria

empacadora. La cual reduzca el tiempo de modificación en caso de ser requerido,

considere aspectos de seguridad en la lógica, y del mismo modo sea eficiente en la

manipulación de los elementos actuadores.

II

Diseño de la HMI

Desarrollar una interfaz hombre-máquina, sencilla y funcional, para trabajar de

manera conjunta con el programa del controlador. Dicha interfaz deberá mejora la

calidad y eficiencia así como minimizar errores de origen humano.

Introducción

En la actualidad se puede encontrar una gran cantidad de maquinaria automatizada,

que influyen en el desarrollo tecnológico y económico de nuestro país. Por otro lado

la creciente competitividad a la que están sometidas las empresas obligan a estas a

alcanzar niveles de automatización que puedan satisfacer las exigencias del

mercado.

En este contexto el presente trabajo tiene como finalidad exponer los métodos y

actividades que se consideraron necesarias para poder desarrollar un sistema

automatizado de empaquetado flexible, por lo cual fue necesario considerar el actual

proceso de empaquetado.

Este trabajo se encuentra compuesto por una serie de capítulos en los cuales se

desarrollan los pasos para la realización del diseño de la automatización.

El capítulo 1 se muestra los fundamentos teóricos tecnologías como neumática, PLC

(Controlador Lógico Programable), HMI (Interfaz Hombre-Máquina), entre otras para

poder llevar a cabo el desarrollo de la automatización, como los son sensores,

actuadores neumáticos, controlador lógico programable, interfaz hombre-máquina,

entre otros.

Posteriormente en el capítulo 2 se muestra el proceso de elaboración del papel

tissue. Por otro lado se describen los pasos que realiza la empaquetadora actual y

las diferentes etapas que tiene que realizar para lograr su objetivo y se plantea la

problemática o desventajas de este tipo de empaquetadora. Se muestran las

III

problemáticas que se localiza en el área de empaquetado y la inconformidad de

llevar a cabo un empaquetamiento manual, el cual depende de operadores.

En el capítulo 3 se desarrolla la parte fundamental del trabajo el desarrollo de la

ingeniería, como primera etapa se llevó a cabo el arreglo de la maquinaria (Lay-Out)

en el software de Solid Works, para tener una idea general de la distribución de los

equipos dentro de la maquinaria, la siguiente etapa consistió en la selección del

equipo de acuerdo a los requerimientos de operación y distribución dentro de la

maquinaria como fueron sensores, actuadores y posteriormente el controlador lógico

programable. La etapa final consistió en el desarrollo de programación, a través del

software RSLogix 5000, y la comunicación entre los diferentes elementos que

conforman la red.

Finalmente el capítulo 4 comprende el desarrollo de programación de una interfaz

gráfica hombre-máquina con el propósito de apoyar al operador en el desarrollo de

su trabajo, además de llevar a cabo el desarrollo de la simulación entre los

programas RSLogix 5000 y el software de HMI llamado FactoryTalk View Studio

Justificación

Debido a que actualmente la empresas medianas nacional dedicadas al

empaquetado de rollos papel tissue cuentan con líneas de empaquetado de rollos

son incapaces de realizar distintos tipos de presentaciones, generando cuellos de

botella, reducción de espacios al tener mayor cantidad de maquinaria, y necesidad

de personal altamente calificado para el uso y programación de estas, por lo que son

líneas que requieren de sistemas que incorporen una automatización con un mayor

grado de flexibilidad para el empaquetado de los rollos, en su mayoría no cuentan

con la versatilidad para producir distintas presentaciones de empaquetado en una

misma línea; con el desarrollo de la automatización planteada se lograra dotar de

versatilidad y simplicidad a su uso, para hacer un sistema amigable y con una

IV

flexibilidad que de la capacidad de producir distintas presentaciones de empaquetado

de una manera simple.

Planteamiento del problema

En la mediana empresa nacional dedicada al empaquetado de papel tissue, existen

diversos factores que reducen la calidad del producto, esto se debe principalmente a

la falta de maquinaria automatizada que sea flexible, para con esto obtener distintos

beneficios como la mejora en la calidad del empaquetado y principalmente la

posibilidad de obtener diversas presentaciones en el empaquetado de los rollos de

papel tissue, ya que la mayoría de la maquinaria automatizada para el empaquetado

de dichos rollos es de origen chino, de costo elevado y por lo tanto es difícil que la

mediana empresa la adquiera.

Los factores significativos que encarecen el producto y reducen la calidad, son las

relacionadas con las acciones desempeñadas por el ser humano. El sello generado

en la bolsa es realizado manualmente por trabajadores, provocando una variación en

el estándar de calidad del empaquetado según la habilidad, experiencia y situaciones

particulares del personal. También es de relevancia considerar que durante la

jornada laboral la situación física y mental varia, trayendo consigo errores; lo que a

su vez conduce a obtener altas tasas de desperdicios. Otra situación conflictiva es el

requerimiento de personal a pie de máquina, el cual tiene límites de horas laborales

regido por la Ley General del Trabajo establecidas en el artículo 123, a diferencia del

uso de sistemas automatizados los cuales pueden cumplir con jornadas extenuantes

de trabajo.

Es considerada la flexibilidad de la maquinaria como otro de los factores relevantes,

ya que en procesos de empaquetado de la mediana industria nacional no se tiene

maquinaria que se ajuste automáticamente para poder decidir en un momento dado

la cantidad de rollos de papel tissue y las dimensiones del rollo de papel requerida

en cada paquete así como la cantidad de producción deseada.

V

De lo anterior se deduce que se requiere tener un sistema de empaquetado

automatizado flexible para la mediana industria de papel tissue, para la mejora en la

calidad del producto, hacer más eficiente al sistema, reducir tiempos entre

empaquetados, tener un mejor control y monitoreo en el empaquetamiento, todo

esto con elementos controladores, interfaces para su fácil operación y elementos

electro-neumáticos.

Alcance

Diseñar la automatización de la empacadora flexible para rollos de papel tissue que

cumplan con los objetivos de este trabajo.

Como una parte del alcance se considera la generación de diagramas y

documentación de ingeniería necesaria para la comprensión del presente trabajo.

El diseño de la automatización comprende una propuesta de arreglo físico de la

maquinaria solo para fines de realizar la programación y selección del equipo y que

esta sujeto a las consideraciones de los profesionales de las ramas correspondientes

de la ingeniería.

Como otro punto importante del alcance se desarrolla una interfaz grafica que facilita

la interacción del operario con el proceso de empaquetado, para la selección de

presentaciones, cantidad a producir, parámetros importantes de mantenimiento y

puesta en marcha de la máquina. El desarrollo del trabajo se lleva hasta una etapa

de simulación del programa del PLC interactuando con el programa de la HMI de

manera virtual en un ordenador, ya que por razones económicas y falta de equipo se

ve justificado el uso de software que permita la simulación de estos programas.

En cuanto a la alimentación neumática de los equipos y el suministro general de

energía eléctrica, el trabajo desarrollado tiene por consideración un suministro

adecuado para estos aspectos. Por lo que solo se toma en cuenta la alimentación

requerida por los equipos neumáticos y electrónicos que se emplean.

VI

En referencia a la variedad de empaques que se pueden realizar, se consideran seis

diferentes presentaciones, por lo que la programación y el diseño de la

automatización se ajustan a este aspecto.

De igual manera se delimita el diseño de la automatización al empaquetado de rollos

de papel tissue, desde la recepción de los rollos provenientes del cortador, hasta la

salida de los rollos de papel empaquetados con el polímero adecuado.

El estudio económico incluyen exclusivamente las partidas generadas por equipos y

actividades relacionadas con el diseño de la automatización que en el presente

trabajo se desarrolla. Todos aquellos aspectos mecánicos y de diseño físico no se

abordan de manera profunda en este estudio debido al alcance propuesto en este

trabajo.

Finalmente los resultados contenidos en el trabajo, son referentes a la reducción en

el tiempo de empaquetado, basando los resultados en simulaciones y otros estudios

de tiempo de ejecución de los actuadores, contrastando con la forma actual de

realizar el proceso de empaquetado y la forma propuesta, además de las

consecuencias inherentes al desarrollo de este tipo de automatización como la

calidad final del producto y por último se muestran las sugerencias y propuestas

futuras que podrían realizarse.

Estado del arte

Se entiende por empaque todo elemento fabricado con materiales de cualquier

naturaleza que se utilice para contener, proteger, manipular, distribuir y presentar un

producto.

El empaquetado de productos surge de la necesidad de proteger, contener con

formas y dimensiones específicas que facilitan el proceso de almacenamiento y

manipulación de los productos. Facilitar el transporte, y Presentar el producto para la venta.

Los materiales que conforman a estos deben adaptarse a los requerimientos de los

productos y contribuir al aumento de la vida útil de los mismos. Inicialmente fueron

VII

utilizados elementos de la naturaleza como hojas y pieles de animales,

posteriormente se utilizaron materiales como el vidrio y el papel. Llegado el Siglo XIX

la industria el empaque fue revolucionada con la introducción de las cajas de cartón y

posteriormente con la aparición del plástico.

Durante el siglo XX y XXI el empaque fue implementado como estrategia de

marketing y hoy en día es toda una industria en desarrollo.

Los empaques, teniendo en cuenta sus características, se pueden clasificar en:

Empaque primario

Es aquel recipiente o envase que contiene el producto de manera directa.

Empaque secundario

Es aquel que contiene al empaque primario y tiene como finalidad brindarle

protección, servir como medio de presentación y facilitar la manipulación del producto

para su aprovisionamiento en los estantes o anaqueles en el punto de venta.

Empaque terciario

Es aquel que puede agrupar varios empaques primarios o secundarios y tiene como

finalidad facilitar la manipulación y el transporte de los productos.

Unidad de carga

La unidad de carga es una combinación o agrupación de empaques una carga

compacta, para ser manejada como una sola unidad, por ejemplo un pallet.

Empaquetadoras

Los avances científicos y tecnológicos que ha generado la humanidad durante el

siglo XX han resultado sorprendentes en relación al desarrollo de la automatización

de maquinaria para procesos de manufactura. La mayor parte de las industrias

tienen un nivel alto en cuanto automatización, o bien utilizan tecnología de

automatización en alguna etapa de sus actividades. Hace apenas unas décadas el

VIII

hombre desarrollo elementos que facilitaran la automatización de maquinaria y

procesos, los sistemas de control programables han evolucionado tanto así que

actualmente son imprescindibles en la generación de aplicaciones que involucran

control y automatización.

Los avances han sido constantes, en un principio la etapa de empaquetado se valía

de la habilidad manual del obrero para la formación de paquetes de rollos de papel

tissue, ya que no se contaba con sistemas automatizado correspondientes para este

fin; esta técnica manual requería esfuerzo, gran número de trabajadores, por lo tanto

el costo para su elaboración era elevado.

Posteriormente con el mecanizado se logró la fabricación de empaquetadoras para

papel tissue tipo pie-pedal (como la mostrada en la figura i) de fácil funcionamiento,

las cuales carecían de calidad de sellado del bolso, esta podía realizar dos diferentes

tipos de empaquetado de 10 y de 20 rollos en un solo bolso. (alibaba)

Figura i Empaquetadora manual tipo pie pedal.

Actualmente existe una gran gama de empaquetadoras para papel tissue, la mayoría

de origen chino, gran parte de ellas comparten la misma característica en cuanto a

variedad de empaquetados como lo son de 4, 6, 8, 10, 12, 16 o 20 rollos, en una

sola capa.

IX

Existen actualmente en el mercado dos principales divisiones de empaquetadoras las

cuales están en función del grado de automatización, es decir con grado

semiautomático o con grado automático. En el primer caso se abarca gran parte de

las empaquetadoras: las semiautomáticas necesitan de personal para sellar uno de

los extremos del paquete. Los paquetes formados por las empaquetadoras

semiautomáticas traen consigo problemas como cansancio del operario en jornadas

largas de trabajo; mal sellado, pegado y una gran tasa de desperdicios; cabe señalar

que para el control de la empaquetadora se utilizan dispositivos de control electro-

neumático, electromagnético y el PLC´s o relevadores inteligentes. Este tipo de

maquinaria semiautomática únicamente puede realizar un tipo de empaquetado.

Otra desventaja de este tipo de empaquetadores es la carencia de dispositivos de

monitoreo que mejoren la eficiencia y simplifiquen el uso del sistema tales pueden

ser los dispositivos de monitoreo como las HMI. Un ejemplo de este tipo de

empaquetadoras semiautomáticas es el modelo HX-ZB de la marca Hengxing de

origen chino observada en la figura ii. (alibaba)

.

Figura ii Máquina empacadora semiautomática Hengxing HX-ZB

Algunas empaquetadoras semiautomáticas permiten realizar diversas presentaciones

de empaquetado, donde se varía la cantidad de rollos y el orden que se le da a

X

estos. Para generar alguna presentación diferente de empaquetado se hace

necesario modificar la estructura física por medio del ajuste de manijas y dispositivos

que limitan de manera mecánica la cantidad de rollos a empacar.

En la mayor parte de este tipo de empaquetadoras, los bolsos utilizados para el

paquete son pre-fabricados dependiendo de presentaciones de empaquetado

requeridas, no obstante en las que emplean un mayor grado de automatización o son

totalmente automatizadas emplean bobinas de plástico termoencogibles como el

polietileno.

En cuanto a las empaquetadoras con grado automático, se tiene como principal

característica el contar con sistemas de empaquetado y sellado automático, con esto

se evita que la película de plástico sea quemada por el operario, disminuyendo por lo

tanto la tasa de residuos por sellos defectuosos, de igual manera; se libera al

operario de esta tarea monótona la cual provoca fatiga en él debido a la larga jornada

laboral que pone en juicio la calidad del empaquetado.

Las empaquetadoras automáticas de rollos de papel tissue adoptan el control

mediante controladores como PLC´s o PAC´s, y hacen uso de dispositivos como lo

son los variadores de frecuencia para la regulación de velocidad en el motor,

circuitos electrónicos que regulen los aspectos fundamentales para mantener el

proceso dentro de los rangos de operación deseados.

En la gran mayoría de estas empaquetadoras se exhibe una LCD que forma parte de

una HMI para el monitoreo de aspectos relevantes del proceso, tales como la

longitud del bolso utilizado, la producción que se tiene hasta ese momento, tiempo de

operación de la maquinaria, etc.

XI

Figura iii Máquina empacadora automática modelo WD-TP-PM7

Para la adquisición de empaquetadoras automáticas deben de ser tomadas ciertas

consideraciones, relativas a las características de los rollos a empacar, capacidad de

empaquetado con respecto a la velocidad, tipo de empaque a utilizar, dimensiones

de la maquinaria y la capacidad de empaques a realizar en cuanto a la disposición

física.

En el mercado se pueden encontrar una gran gama de empaquetadoras, una de las

importantes se tiene la empaquetadora WD-TP-PM7 mostrada en la figura iii

(alibaba), es una máquina 100% automatizada, cuyo fin es envolver los rollos de

papel mediante una película de poliuretano desenrollada por una bobina. El equipo

está compuesto por partes mecánicas, neumáticas, eléctricas, comandadas por un

controlador de funciones y accionada por diferentes servomotores.

También se tiene a la empacadora automática de papel tissue fabricada por

Schneider y es el modelo VCP-25, su principal característica es que son diseñados

ergonómicamente para la comodidad de uso, una operación simple y fácil que

muestran el estado de la maquinaria, mediante interfaces HMI, combina diferentes

envoltorios .

En el mercado se encuentran empaquetadoras con un alto grado de automatización,

con una capacidad de empacado de hasta 25 paquetes por minuto. Mientras que la

XII

velocidad aproximada de una máquina semiautomática convencional es de 4

empaques por minuto, y con la intervención de operarios.

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES SOBRE CONCEPTOS BÁSICOS

Página 1

CAPÍTULO 1

Capítulo I GENERALIDADES SOBRE CONCEPTOS BÁSICOS

1.1 Introducción a la automatización industrial

La automatización es la sustitución de la acción humana por mecanismos,

independientes o no entre sí, movidos por una fuente de energía exterior, capaces de

realizar ciclos completos de operaciones que se pueden repetir indefinidamente.

La competición económica que se conoce ha impuesto a la industria la necesidad de

producir en calidad y en cantidad para responder a la demanda en un entorno

altamente competitivo, esto ha impulsado el desarrollo de la automatización, que

puede ser considerada como el paso más importante del proceso de evolución de la

industria en el siglo XX, ya que ha permitido la eliminación total o parcial de la

intervención humana. (Michel, 1990)

El desarrollo de la automatización basada en dicha competición ha continuado

evolucionado, hasta el punto que hoy en día sus objetivos son:

Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costes de la

producción y mejorando la calidad de la misma.

Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos

penosos e incrementando su seguridad.

Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.

Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades

necesarias en el momento preciso.

Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes

conocimientos para la manipulación del proceso productivo.

Integrar la gestión y producción.

Un sistema automatizado supone siempre la existencia de una fuente de energía, de

elementos de mando, que son los que ordenan el ciclo a realizar y de elementos de

trabajo, que son los que lo ejecutan. Según la naturaleza del automatismo empleado,

puede hablarse de automatización mecánica, neumática, oleo-hidráulica, eléctrica y

electrónica. Además existen técnicas mixtas que son combinaciones de las citadas, y

que en la práctica son las más aplicadas. Un esquema de las tecnologías básicas de

las que se valen los automatismos es mostrado en la figura 1.1. (Michel, 1990)

Figura 1.1 Clasificación de las tecnologías que integran la automatización.

De manera general se tiene que un sistema automatizado consta de dos partes

principales (mando y operación); sin embargo se puede hablar de una parte de

supervisión y monitoreo. Estas partes de la automatización se pueden observar en la

figura 1.2.

Parte Operativa

Parte de Mando

Parte de Supervisión

Lógica Cableada Lógica Programada

Microprocesador Ordenador Neumática

Hidráulica Electrónica

PLC

Eléctrica

Clasificación

Tecnológica

Figura 1.2 Esquema de las partes que conforman la Automatización

.

Según el punto de vista de la programación, la automatización puede considerarse

de ciclo fijo y de ciclo programado. El primer caso es adecuado para la producción de

grandes series, debido a que el automatismo es invariable; es decir; realiza siempre

el mismo ciclo. En el segundo caso se puede encontrar variación de la producción en

el tamaño de pieza, generalmente en lotes pequeños y medianos porque el

dispositivo programador puede ordenar el ciclo que convenga, con las lógicas

limitaciones tecnológicas respectivas. (Michel, 1990)

1.2 Manufactura flexible

Beneficios potenciales como lo son el mejoramiento en calidad, la reducción en

costos e inventario, y un mejor manejo de los productos. Esta tecnología puede

dividirse en dos segmentos: Flexible Manufacturing Systems (FMS, sistemas flexibles

de manufactura) y Flexible Manufacturing Cells (FMC, celdas flexibles de

manufactura).

1.2.1 Sistema flexible de manufactura

Sus siglas en ingles FMS, es una celda de manufactura altamente automatizado que

consiste en un grupo de estaciones de procesamiento (máquinas manufactureras)

interconectadas mediante un sistema automatizado de manejo y almacenamiento de

Parte de Supervisión

y Explotación

*Panel de Mando

*PC+SCADA

*Etc.

Parte de Control

*Lógica Cableada

*PLC´s

*PC+Tarjetas E/S

*Microcontroladores

*Etc,

Parte Operativa

*Actuadores

*Sensores

*Compresores

*Drivers

*Etc.

material y controlado mediante un sistema integrado de computadoras dedicadas a

un solo propósito.

Un sistema flexible de manufactura se diseña para producir partes dentro de un

rango de estilos y tamaños.

Un FMS está formado por un hardware y un software que debe integrarse en una

unidad eficiente y confiable. También incluye personal humano.

Al usar FMS se reducen los costos de mano de obra directa, pero aumentan los de

mano de obra indirecta, debido al mayor nivel de complejidad del hardware. También

se reducen los tiempos de producción, debido a la mayor eficiencia de uso de las

máquinas. (Groover, 1997)

1.2.2 Celda flexible de manufactura

La producción debe organizarse usando celdas de manufactura diseñadas para

especializarse en fabricar partes particulares; es decir, un FMC es un grupo de

máquinas relacionadas que realizan un proceso particular o un paso en un proceso

de manufactura más largo.

Puede ser, por ejemplo, una parte de un FMS. Un FMC es un centro simple o un

pequeño conjunto de máquinas que unidas producen una parte, sub-ensamble o

producto. (Groover, 1997)

1.3 Neumática

La neumática es la parte de la ingeniería que se dedica al estudio y aplicación del

aire comprimido en la automatizacion de diversos procesos industriales. Los

sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el empleo

de cilindros y motores neumáticos, La sencillez de operación, disponibilidad y

seguridad en el manejo de los equipos, dispositivos y herramientas neumáticas, han

propiciado una gran utilizacion de la energia de presion producida por el aire

comprimido. (Antonio S. N., 2000)

Ventajas de la neumática

El aire es de facil captación y abunda en la tierra.

Facilidad de diseño e implementación.

El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de

chispas.

Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y

facilmente regulables.

Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los

equipos de manera permanente.

Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa

Energia limpia.

Cambios instantaneos de sentido.

Desventajas de la neumática

Imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la compresibilidad del

aire.

Posibles fugas que reducen el rendimiento.

En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables.

Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente

empleado.

Las presiones a las que trabajan normalmente no permiten aplicar grandes

fuerzas.

Altos niveles de ruido generados por las descarga del aire hacia la atmosfera.

1.3.1 Características del aire comprimido

El aire empleado en la industria es aire de la atmosfera sometido a presiones de

hasta unos 12 bars aproximadamente. Es una energía facilmente transportable, pero

no se recomiendan grandes distancias en su distribución debido a las pérdidas de

carga que se originan en tuberias y uniones.

La neumática se ha expandido de manera rápida y en un muy corto tiempo, esto se

debe a que la solución para algunos de los problemas de automatización no puede

disponerse de otro medio que sea tan simple y económico como este, además de

que pueden destacarse algunas propiedades que han contribuido a su popularidad

como las siguientes (Antonio G. S., 1999):

Abundante

Transportable

Almacenable

Estable ante los cambios de temperatura

Antideflagrante

Limpio

Veloz

1.3.2 Rentabilidad de los equipos neumáticos

El aire comprimido es una fuente cara de energia, pero sin duda ofrece indudables

ventajas. La producción y acumulación del aire comprimido, asi como su distribución

a las máquinas y dispositivos suponen gastos elevados. Pudiera pensarse que el uso

de aparatos neumáticos esta relacionado con costos especialmente elevados. Esto

no es del todo cierto ya que en el cálculo de la rentabilidad es necesario tener en

cuenta, no solo el costo de energía, sino tambien los costos que se producen en

total. En un análisis detallado, resulta que el costo energético es despreciable junto a

los salarios, costos de adquisición y costos de mantenimiento. (Antonio S. N., 2000)

1.3.3 Elementos neumáticos de trabajo

Los cilindros son componentes neumáticos que mediante el uso del aire comprimido,

generan un movimiento rectilíneo de avance y retroceso de un mecanismo. Son los

elementos de trabajo de más frecuente uso en neumática. Las válvulas son

elementos para el control de arranque parada y dirección del aire comprimido,

cumpliendo con la función de válvulas distribuidoras cuando se utilizan para gobernar

todo tipo de actuadores.

1.3.3.1 Cilindros neumáticos

Los cilindros neumáticos se pueden dividir en dos grandes grupos: de simple y de

doble efecto. Los de simple efecto realizan el esfuerzo activo en un solo sentido y el

retorno depende de un muelle o membrana que lo devuelve a su posición inicial. Los

cilindros de doble efecto actúan de manera activa en los dos sentidos.

Además existen numerosas ejecuciones especiales que pueden considerarse

variantes de los dos tipos básicos, destinadas a empleos muy particulares, como los

cilindros de impacto, cilindro de rotación, cilindro de posiciones múltiples, etc.

(Microingenieria)

Cilindros de simple efecto

Tienen retorno por muelle, el aire comprimido alimenta la cámara posterior, lo que

hace avanzar el pistón, venciendo la resistencia del muelle. El retroceso se realiza al

evacuar el aire a presión de la parte posterior, lo que permite al muelle comprimido

regresar a su posición inicial. Para este tipo de cilindros no se construyen modelos

con recorrido superior a 100 mm. Imágenes del cilindro de simple efecto donde se

observan sus partes así como su símbolo son mostradas en la figura 1.3 y 1.4

respectivamente.

Figura 1.3 Partes de un cilindro de simple efecto.

Cilindro de doble efecto

En este tipo de cilindros a diferencia con los de simple efecto carecen de muelle o

membrana de retorno, y ambas carreras (avance y retroceso) son activas. Estos

cilindros son mayormente empleados porque el retorno no depende de un elemento

mecánico sometido a desgaste y fatiga, y también porque permite construir modelos

de hasta 2000 mm de carrera. En las figuras 1.3 y 1.4 se observa una ilustración del

cilindro de doble efecto con los elementos que lo conforman así como el símbolo que

lo representa. (Microingenieria)

1- Camisa

2-Embolso

3-Culata delantera

4-Culata trasera

5-Vastago

6-Muelle

7-Camara anterior

8-Camara posterior

9-Juntas

10-Vias

11-Fugas

12-Casquillo guía

Figura 1.4 Partes de un cilindro de doble efecto.

1.4 Válvulas

Para el control de los elementos neumáticos de trabajo, es preciso disponer de otros

elementos que realicen funciones de mando (puesta en marcha, paro, retroceso,

avance, etc.), de acuerdo con el trabajo que se debe realizar. Estos elementos de

control son las válvulas. (Microingenieria)

Las válvulas neumáticas son los dispositivos que distribuyen, dirigen y regulan el aire

comprimido. Según sus propiedades y la función que realiza dentro del sistema, las

válvulas neumáticas se clasifican en los siguientes grupos:

Válvulas de regulación de caudal.

Regulan el flujo de aire comprimido generalmente para controlar la velocidad de los

actuadores neumáticos.

Válvulas de regulación de presión.

Se usan para fijar una presión de salida independientemente de la presión de

entrada, para proteger a los elementos de las fluctuaciones de presión.

Válvulas de distribución.

1- Camisa

2-Culata posterior

3-Culata anterior

4-Embolo

5-Vastago

6-Vía

7-Camara posterior

8-Vía

9-Camara anterior

10-Guia

11-Juntas

1- Camisa

2-Culata posterior

3-Culata anterior

4-Embolo

5-Vastago

6-Vía

7-Camara posterior

8-Vía

9-Camara anterior

10-Guia

11-Juntas

Suministran aire comprimido a los actuadores neumáticos del circuito.

1.4.1 Válvulas 5/2

Son parte de las válvulas de distribución, estas en específico poseen cinco orificios

de conexión y dos posiciones de mando. A diferencia de las 4/2, poseen dos

escapes, correspondiendo uno a cada utilización. Su símbolo se puede observar en

la figura 1.5.

Figura 1.5 Válvula neumática 5/2 monoestable de accionamiento manual con retorno de muelle.

1.4.2 Válvulas 5/3

Las válvulas de dos posiciones de mando sólo permiten condiciones de paradas

extremas de los actuadores gobernados, no permitiendo la obtención de paradas

intermedias. Para esto último es necesario contar con una tercera posición de mando

intermedia, surgiendo así válvulas 5/3 mostrada en la figura 1.6. Las funciones

extremas de las válvulas 5/3 es la incorporación una posición central adicional.

Figura 1.6 Válvula neumática 5/3 de accionamiento manual, biestable con retorno de muelle.

1.4.3 Electroválvulas

El mando electrónico de una válvula se utiliza cuando la señal procede de un final de

carrera eléctrico, en general de un dispositivo eléctrico. A través de este tipo de

mando la señal eléctrica es transformada en una señal neumática destinada a

accionar el mecanismo de cierre o apertura de las distintas vías de las válvulas.

Pueden ser de asiento o de corredera, también de mando directo o indirecto, o servo

pilotadas.

De forma general, se eligen accionamientos eléctricos para mandos con distancias

considerablemente largas y cortos tiempos de conmutación. Las electroválvulas o

válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas de mando directo o indirecto. Las

primeras se refieren a la acción directa de una señal (de cualquier naturaleza) sobre

el elemento de distribución o conmutación, por tanto se habla de mando indirecto

cuando la señal actúa sobre un elemento piloto y este a su vez opera sobre el

elemento conmutador. Estos últimos también son llamados servomandos.

(Microingenieria)

1.5 Interfaz Hombre-Máquina (HMI)

HMI es el acrónimo para Human Machine Interface (Interfaz Hombre-Máquina), se

define interfaz como el conjunto de elementos hardware y software de un sistema

que presentan información al usuario y le permiten interactuar con la información y

con el ordenador. En el caso industrial la definición involucra el uso de pantallas

como la mostrada en la figura 1.7, computadoras y controladores industriales, así

como el software propio para realizar la transmisión y recepción de información.

Figura 1.7 Pantalla de Interfaz Hombre-Máquina

1.5.1 Tipos de HMI´s

De manera general se pueden dividir las HMI´s en dos categorías, la primera de

acuerdo a la ubicación y los dispositivos empleados de la interfaz y la segunda con

respecto a las funciones que desempeña en el proceso. La primera categoría se

subdivide básicamente dos tipos de HMI´s:

Terminal de Operador

Consiste en un dispositivo, generalmente construido para ser instalado en ambientes

agresivos, donde pueden ser solamente de despliegues numéricos, o

alfanuméricos o gráficos. Pueden ser además con pantalla sensible al tacto (touch

screen).

PC + Software

Esto una alternativa basada en un PC en donde se carga un software apropiado

para la aplicación. Como PC se puede utilizar cualquiera según lo exija el proyecto,

en donde existen los llamados Industriales (para ambientes agresivos), los de panel

(Panel PC) que se instalan en gabinetes dando una apariencia de terminal de

operador, y en general casi cualquier PC pasando por el tradicional PC de escritorio.

La segunda categoría se subdivide según el conjunto de funciones que realizan

(funciones de monitoreo, alarmas, supervisión, control, y manejo de históricos) de

modo que se tienen tres tipos de HMI´s:

El sustituto de pulsador

Dispone de procesos simplificados de fabricación, centralizando todas las funciones

de cada botón en un solo lugar.

El manejador de datos

Es ideal para aplicaciones que requieren una constante retroalimentación del

sistema, o impresiones de los informes de producción. La pantalla HMI debe ser

suficientemente grande para gráficos, representaciones visuales y resúmenes de

producción, etc. Este incluye funciones tales como recetas, datos de tendencias,

registro de datos y manejo de alarma / registro.

El capataz o supervisor

Por último, en cualquier momento una aplicación implica SCADA o MES, una HMI

supervisor es muy beneficioso y probablemente se ejecuta en Windows, y se tienen

varios puertos Ethernet.

1.5.2 Aplicaciones de las HMI´s

Las interfaces hombre máquina (HMI´s) se aplican en los sistemas de control

distribuido (DCS´s); los sistemas de supervisión, control y adquisición de datos

(SCADA´s) y unidades independientes o aisladas. Abajo se definen los alcances de

cada tipo de sistema donde son implementadas las HMI´s.

Sistemas de control distribuido (DCS´s).

Son típicamente sistemas en tiempo real tolerante a fallas para aplicaciones

continuas y de procesos complejos sobre lotes. Los DCS´s fueron desarrollados

inicialmente para procesos de flujo continuo que requerían de lazos analógicos y

control discreto limitado. Un sistema de control distribuido consiste en subsistemas

que pueden estar físicamente separados y localizados de manera remota uno de

otro.

Sistemas de control y adquisición de datos (SCADA´s).

Es un nombre genérico para sistemas computarizados capaces de reunir y procesar

datos aplicando controles operacionales sobre largas distancias, tal como es usado

con líneas de alimentación eléctricas y sistemas de tuberías. Los sistemas SCADA

son para retos únicos de comunicación (retardos, integridad de los datos, etc.)

pudiendo ser así usado por varios medios, como líneas telefónicas, microondas,

satélites y algunos otros. Los sistemas SCADA son usualmente compartidos.

Unidades aisladas o independientes.

Típicamente son sistemas embebidos simples que realizan tareas predefinidas,

usualmente con requerimientos específicos. (Jean, 2009)

1.5.3 Software de programación HMI

Existen dos maneras de realizar la programación de una HMI. La primera mediante

software como Visual C++ y Visual Basic en el que una vez programado no se tiene

posibilidad de realizar cambios. La otra opción se realiza por medio de paquetes de

desarrollo (mostrada en la figura 1.8) los cuales están específicamente orientados a

las tareas HMI, estos permiten ser reprogramados siempre y cuando se cuente con

el software. FIX Dynamic, Wonderware, PCIM, Win CC, Factory Talk View, Vijeo

designer etc.

Figura 1.8 Software para el desarrollo de HMI´s (InTouch de Wonderware).

1.5.4 Beneficios del uso de las HMI

Las aplicaciones de un interfaz hombre máquina van encaminadas a la mejora de la

eficiencia, eficacia y simplificación de las labores del operador; reduciendo así los

riesgos y errores en el proceso. Se debe dejar en claro que la implementación de una

HMI en el proceso no es un lujo que hace lucir mejor el proceso de producción, estos

sistemas se emplean para ayudar a los usuarios a lograr un conjunto de metas

operativas que la organización desea alcanzar (objetivos operacionales y financieros

de la organización). El uso de estos sistemas reduce el error humano al sugerir y

proveer apoyo en las decisiones funcionales. En la parte operativa gran parte de sus

funciones implican identificar, diagnosticar y resolver problemas relacionados con el

proceso.

La integración de una interfaz hombre-máquina en el desarrollo de un proceso o una

etapa del mismo trae consigo beneficios implícitos. Además de hacer que decrezcan

el número de errores de operador en tareas específicas, realizar funciones de

seguridad, y reducir los riesgos en el proceso, reduce el tiempo de capacitación del

personal ya que una adecuada implementación de la HMI permitirá la fácil

adecuación del operario.

1.6 Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud física en una

magnitud de otro tipo, generalmente en una señal eléctrica que se denomina

comúnmente señal codificada ya sea en forma analógica o digital. Son elementos

conectables a autómatas programables a través de las interfaces adecuadas.

Los sensores para la manufactura se pueden clasificar en general como sigue:

Sensores mecánicos: Para medir cantidades de posición, forma, velocidad,

fuerza, torque, presión, vibración, deformación y masa.

Sensores eléctricos: Para medir voltaje, corriente, carga y conductividad.

Sensores magnéticos: Para medir campo y flujo.

Sensores térmicos: para medir temperatura, ultrasónicos, químicos, ópticos,

de radiación, laser y fibra óptica.

1.6.1 Clasificación según el tipo de señal de salida

Atendiendo a la forma de codificar la magnitud medida es posible establecer una

clasificación en: (Bacells Josep, 1998)

Analógicos: Aquellos que dan como salida un valor de tensión o de corriente

variable en forma continua dentro del campo de medida.

Digitales: Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma de

pulsos o en forma de una palabra digital codificada en binario u otro sistema

cualquiera

Todo-nada: Indican únicamente cuando la variable detectada rebasa un cierto

umbral o limite, es decir en donde se codifican solo dos estados.

1.6.2 Sensores de posición

Los sensores de posición permiten medir la distancia de un objeto respecto a un

punto o simplemente detectar la presencia de un objeto a una cierta distancia.

1.6.3 Sensores de proximidad

Los sensores de proximidad pueden estar basados en distintos tipos de captadores,

siendo frecuentes los siguientes:

Detectores inductivos

Detectores Capacitivos

Detectores ópticos

Detectores ultrasónicos

Por lo general se tratan de sensores con respuesta todo o nada.

Sensores inductivos

Este tipo de sensores (ejemplificado con la figura 1.9) sirve para detectar la

proximidad de piezas metálicas en un rango de distancias que va desde 1mm a unos

30 mm.

Figura 1.9 Ilustración de un sensor tipo inductivo.

Sensores capacitivos

Este tipo de sensores como el de la figura 1.10 nos permiten detectar materiales

metálicos o no, pero su sensibilidad se ve afectada por el grado de humedad

ambiental. Las aplicaciones típicas son, sin embargo, la detención de materiales no

metálicos como vidrio, cerámica, aceite, plástico, madera cartón, etc.

Figura 1.10 Ilustración de un sensor tipo capacitivo.

Sensores ópticos

Disponen de un cabezal que incorpora un cabezal de luz y la fotocélula de detención,

actuando por reflexión y detección del haz de luz reflejado sobre el objeto que se

pretende detectar. Otros tipos trabajan a modo barrera y están previstos para

detección a mayores distancias con fuentes luminosas independientes del cabezal

detector. Ambos tipos suelen trabajar con frecuencias luminosas en la gama de

infrarrojo.

Las características particulares de los detectores de proximidad ópticos, respecto a

otros detectores de proximidad son:

Elevada inmunidad a perturbaciones electromagnéticas externas.

Distancia de detección mayor respecto a los inductivos y capacitivos. Se

obtiene fácilmente hasta 500 m en modo barrera, y hasta 5 m por reflexión.

Alta velocidad de respuesta y frecuencia de conmutación

En la siguiente ilustración (figura 1.11) se muestra algunos de los tipos de fotocélulas

de barrera y de reflexión. (Bacells Josep, 1998)

Figura 1.11 Ilustración de sensores ópticos.

1.6.4 Sensores Ultrasónicos

Estos detectores (figura 1.12) están basados en la emisión-recepción de ondas

ultrasónicas. Cuando un objeto interrumpe el haz, el nivel de recepción varia y el

receptor lo detecta. Como ventaja frente a los ópticos, los sensores ultrasónicos

pueden detectar con facilidad objetos transparentes, como cristal y plásticos,

materiales que ofrecen dificultades para la detección óptica. Sin embargo, y dado

que estos detectores utilizan ondas ultrasónicas que se mueven a través del aire, no

podrán ser utilizados en lugares donde este circule con violencia (bocas de aire

acondicionado, cercanía de puertas, etc.), o medios de elevada contaminación

acústica (prensa, choques entre metales, etc.) (Gerardo)

SISTEMA DE BARRERA SISTEMA RÉFLEX

b) Métodos de reflexión.

b) Formas constructivas.

Receptor

Receptor

Emisor

Receptor

Emisor

Reflector

Potenciómetro

LED

Emisor

LED

Figura 1.12 Ilustración de un sensor tipo inductivo

1.6.5 Criterios de selección

La tabla 1.1 nos muestra los criterios de selección dependiendo de la distancia de

sensado y el tipo de material que puede ser sensado.

Tabla 1.1 Tipos de sensores y su relación de detección con respecto a la distancia.

MATERIAL DISTANCIA TIPO DE

DETECTOR

SÓLIDO METÁLICO < 50 mm INDUCTIVO

> 50 mm ULTRASÓNICO

U ÓPTICO

NO METÁLICO < 50 mm CAPACITIVO


U ÓPTICO

POLVO O

GRANULADO

METÁLICO < 50 mm INDUCTIVO


NO METÁLICO < 50 mm CAPACITIVO


LÍQUIDO TRANSPARENTE < 50 mm CAPACITIVO


OPACO < 50 mm CAPACITIVO

> 50 mm ÓPTICO

1.7 Controlador Lógico Programable PLC

Según la definición IEC 61131, un controlador lógico programable (PLC) o autómata

programable industrial (API) es una máquina electrónica programable diseñada para

ser utilizada en un entorno industrial (hostil), que utiliza una memoria programable

para el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario, para

implantar soluciones específicas tales como funciones lógicas, secuencias,

temporizaciones, recuentos y funciones aritméticas, con el fin de controlar mediante

entradas y salidas, digitales y analógicas diversos tipos de máquinas o procesos.

Sus aportaciones son numerosas

Los PLC´s son herramientas de fácil manejo por medio de software de

programación y configuración.

Se puede adaptar y formar al personal del departamento de mantenimiento

eléctrico para llevar a cabo las labores de mantenimiento de este tipo de

dispositivos.

El interfaz hombre máquina de estos dispositivos es muy potente lo cual

facilita la labor tanto del personal de mantenimiento como el de producción.

El API (Autómata programable Industrial) o PLC (Controlador Lógico Programable),

está constituido por un conjunto de dispositivos (mostrados en figura 1.13), que

aseguran la correcta operación de funciones esenciales, como lo son: la circulación

interna de información, la comunicación con el exterior, la sincronización o

encadenamiento de las tareas, adaptación física de las señales, etc.

La Unidad Central de Procesamiento (CPU), es el conjunto de dispositivos

necesarios para el funcionamiento lógico interno del API.

Las entradas/salidas (E/S), son el conjunto de los componentes que permiten

el intercambio de información entre el API y el mundo exterior.

Figura 1.13 Esquema de bloques de las estructuras del hardware del PLC y la conexión con

dispositivos externos.

Un PLC se puede entender como el dispositivo electrónico que viene a sustituir el

conjunto de componentes eléctricos (relevadores, enclavamientos, etc.). El programa

de control que ejecuta un PLC reside en su memoria y contiene los elementos ya

mencionados. La comparación de los sistemas convencionales contra el autómata

programable es mostrada en la figura 1.14.

Figura 1.14 Comparación del sistema electro-magnético contra el sistema con PLC.

1.7.1 Funcionamiento del PLC

Un PLC una vez conectado a la red eléctrica tiene básicamente dos modos de

funcionamiento:

Stop. En este modo de funcionamiento no se ejecuta el programa de control.

Run. En este modo de funcionamiento el programa de control se está

ejecutando de manera indefinida hasta que o bien el PLC pasa al modo Stop o

bien se desconecta de la alimentación.

Es obviamente este último modo de funcionamiento el más interesante. Cuando el

autómata se encuentra en esta situación el programa de control que está grabado en

su memoria se ejecuta cíclicamente describiendo lo que se ha dado en llamar “Ciclo

de Scan”.

Un ciclo de scan consiste básicamente en cuatro pasos bien diferenciados:

Lectura de las entradas del PLC.

Ejecución del programa de control.

Escritura de las salidas del PLC.

Tareas internas del PLC

1.7.2 Perro guardián (Watch dog)

Las cuatro fases de un ciclo de scan determinan su duración. Lo ideal es una

duración que sea corta, sin embargo, a medida que se añaden instrucciones al

programa de control la duración se incrementara, pudiendo provocar desfase del

equipo de control con respecto al proceso

El sistema operativo del PLC proporciona una herramienta prevenir esta situación

denominada “perro guardián” o “watch dog”. El perro guardián se puede configurar

con un valor de tiempo dado. Si un ciclo de scan cualquiera dura más que el tiempo

para el que el perro guardián está configurado, entonces el PLC lo detecta y da una

señal de error que el programador deberá tratar adecuadamente.

1.7.3 Clasificación

PLC de estructura compacta

Este tipo de PLC (figura 1.15) contiene en un solo bloque todos sus elementos

(fuente de alimentación, CPU, memorias de entradas/salidas, etc.) Respecto a sus

aplicaciones en el que el número de entradas/salidas es pequeño, poco variable.

Figura 1.15 PLC de estructura compacta.

PLC de estructura modular

Como se muestra en la figura 1.16 su estructura le permite ser adaptado a las

necesidades de diseño, y a las posteriores actualizaciones. Contiene de manera

independiente la fuente de alimentación, la CPU, y una amplia gama de slots o

tarjetas E/S (analógicas, digitales, etc.) y procesamiento de datos que para ser

enfocado a requerimientos específicos; todo esto contenido en un rack.

Figura 1.16 PLC de estructura modular.

1.7.4 Arquitectura del PLC

Como ya se indicó anteriormente los PLC´s ocupan la posición más alta dentro de los

distintos tipos de equipos de control programables.

La arquitectura típica de un PLC (ver la figura 1.17) puede ser dividida en varios

bloques claramente diferenciados:

Figura 1.17 Esquema de la arquitectura típica del controlador lógico programable (PLC).

Fuente de alimentación: Suministra energía eléctrica al modulo de PLC y en

ocasiones incluso a los sensores del proceso. Por lo general los PLC´s funcionan

internamente a 5 V de corriente continua (CD).

CPU: La CPU es el cerebro del PLC.

Está formada por un microprocesador, una unidad de memoria, una unidad aritmético

lógica, y toda la circuitería necesaria para conectar todos estos componentes y

permitir a su vez la conexión de la CPU con el resto de módulos del PLC.

Rack o bastidor. Es un soporte por lo general metálico sobre el cual se montan los

módulos que componen el PLC (los mencionados hasta el momento y los

siguientes). (Michel, 1990)

1.7.5 Lenguajes de programación del PLC

Actualmente cada fabricante diseña su propio software de programación, debido a

esto existe una amplia variedad. Sin embargo, existen tres tipos de lenguajes de

programación de PLC´s como los más difundidos a nivel mundial; estos son:

Lenguaje de contactos o Ladder

Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones)

Diagrama de funciones

El estándar IEC 1131-3 define dos lenguajes gráficos y dos lenguajes basados en

texto, para la programación de PLC´s. Los lenguajes gráficos utilizan símbolos para

programar las instrucciones de control, mientras los lenguajes basados en texto,

usan cadenas de caracteres para programar las instrucciones.

Lenguajes Gráficos

o Diagrama Ladder (LD)

o Diagrama de Bloques de Funciones (FBD)

Lenguajes Textuales

o Lista de Instrucciones (IL)

o Texto Estructurado (ST)

1.8 Protocolos de comunicación

Las comunicaciones industriales son imprescindibles en la industria moderna. Las

redes industriales están conformadas por equipos que trabajan a distintos niveles de

automatización, con el objetivo de lograr la comunicación totalmente integrada en el

sistema para que los equipos trabajen de forma coordinada en el proceso.

Para implementar redes de comunicaciones industriales es necesario establecer

protocolos, los cuales definen las reglas de dialogo dentro de capa. Existe una

diversidad de protocolos a nivel de planta con respecto a la aplicación. En la tabla 1.2

se comparan algunos protocolos de comunicación a nivel de planta.

Tabla 1.2 Comparación de protocolos a nivel de planta.

Comparación Red EtherNet/IP Red ControlNet Red DeviceNet

Función configuración, recolección de datos, y control a una sola y alta velocidad de red.

Soporta la transmisión de datos en tiempo critico entre el PLC y los dispositivos de E/S

Conecta dispositivos de bajo nivel directamente a los controladores de planta. Sin necesitar una interface hacia los módulos E/S.

Dispositivos típicos de la red

Controladores programables

Robots

HMIs

E/S

Drives

Instrumentación.

Controladores programables

Chasis E/S

HMIs

Computadoras Personales

Drives

Robots

Sensores Arrancadores

Drives

Computadoras Personales

Botones pulsadores

Lectores de

códigos de barras

PLC

Válvulas mainfolds

Renvío de datos Grandes paquetes; enviados regularmente.

Paquetes medianos; la transmisión de datos es determinística y repetible.

Pequeños paquetes; envío de datos cuando es necesario.

Número máximo de nodos

Sin limites 99 nodos 64 nodos totales

Tasa de transferencia de datos.

10 Mbps, 100 Mbps o 1Gbps

5Mbps 500, 250, 125 Kbps

Aplicaciones usuales.

Amplia arquitectura de planta. Aplicaciones de alta velocidad.

Aplicaciones redundantes

Fuentes de alimentación y dispositivos de campo.

1.8.1 Protocolo de comunicación Ethernet industrial.

Ethernet es una especificación para redes de área local que comprende el nivel físico

y el nivel de enlace del modelo de referencia OSI de ISO. Se implementa en principio

sobre una topología bus serie. Se ha convertido en un protocolo ampliamente usado

debido al número de equipos en el mercado y la gran cantidad de software

desarrollado para esta red a su vez esto se convierte en una ventaja ya que el costo

por instalación y dispositivos de conexión es económico.

Por otra parte las redes de comunicación Ethernet tienen altas velocidades de

conexión (10Mbps, 100Mbps o 1Gbps).

Las redes de comunicaciones por Ethernet industrial permiten desarrollar una

variedad de topologías de red, sin embargo; a nivel de planta los dispositivos

incorporan tecnología que permite usarlos en las topologías en anillo a nivel de

dispositivos, topología red lineal y la topología de red en estrella. La tabla 1.3

muestra las topologías Ethernet a nivel dispositivo, antes mencionadas, con una

breve descripción, ventajas y desventajas de cada una.

Tabla 1.3 Topologías Ethernet a nivel de dispositivo.

Topología Descripción

Estrella

La topología mayormente empleada en redes EtherNet/IP es la topología estrella, donde los dispositivos se encuentran interconectados por medio de un switch. En esta topología, los nodos se encuentran usualmente cercanos unos de otros.

Ventajas

Fácil de diseñar, configurar e implementar.

Direccionamiento directo entre dispositivos.

Adicionar y remover dispositivos sin afectar el resto de la red

Incrementa el número de puertos por medio de switches para adicionar dispositivos

La centralización facilita la detección de fallas. El switch detecta la actividad de todos los dispositivos.

Desventajas

Perdida del servicio de red en caso de falla de conexión

Principalmente el punto de falla es el switch centralizado.

Anillo a nivel de dispositivos

– DLR (switch interno)

Una red DLR es tolerante a una falla dentro de la red deseada para la interconexión de dispositivos de automatización. Esta topología también es implementada a nivel de dispositivos. No se requiere de switches adicionales.

Ventajas

Robustez ante un punto de desconexión entre dispositivos.

Cableado simplificado.

Capacidad de cubrir largas distancias con 100 m entre cada segmento de cobre.

Rápida convergencia de red.

Desventajas

Se requiere de una configuración de nodo supervisor.

Complejidad adicional al sistema

Un número variable de hops puede provocar un comportamiento difícil de predecir.

Una red lineal es un conjunto de dispositivos que estan en cadena. La tecnología de switch integrado EtherNet/IP permite

Lineal (switch interno)

a esta topología ser implementada a nivel de dispositivo. No se requiere de switches adicionales. La topología trabaja mejor con un número limitado de dispositivos.

Ventajas

Fácil de diseñar, configurar e implementar.

Mínima cantidad de cable necesario.

Capacidad de cubrir largas distancias 100 m entre cada eslabón.

Desventajas

Perdida del servicio de red en caso de falla de conexión.

Crea potencial de cuellos de botella.

Un número variable de hops provoca un comportamiento difícil de predecir.

El apagado o falla de un dispositivo in el centro de la red afecta la conectividad del resto de la cadena.

Cada eslabón dentro de la cadena representa un retardo.

CAPÍTULO 2 DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINARIA DE PAPEL TISSUE

Página 31

CAPÍTULO 2

Capítulo 2 DESCRIPCIÓN DE LA MAQUINARIA DE PAPEL TISSUE

En este capítulo se explica el proceso de producción de papel tissue, así como el

empaquetado que se realiza actualmente en la mediana industria. Esta investigación

brindará mayor información acerca de la etapa de empaquetado correspondiente a

dicho producto terminado.

2.1 Papel tissue

Se denomina “Papel Tissue” a un tipo de papel cuyas características de suavidad,

elasticidad y absorción responden a las necesidades provenientes del uso doméstico

y sanitario. Se caracteriza por ser de bajo peso y en toda su superficie base presenta

un micro-arruga llamado crepado, la que permite, entre otras cosas, disponer de un

papel más suave. En la figura 2.1 se observan rollos de papel tissue siendo

transportados en bandas.

Figura 2.1 Rollos de papel tissue en la etapa de transporte.

2.2 Proceso de fabricación de papel tissue

El papel tissue se fabrica a partir de fibras mezcladas o puras de celulosa virgen de

pino radiata (fibra larga) y/o de eucalipto (fibra corta), y/o fibras de papel reciclado,

las que son disgregadas en agua transformándose en una pasta, y que

posteriormente se entrelazan mediante un proceso de formación en húmedo de una

hoja continua, la cual luego se seca y es enrollada para ser almacenada, desde

donde finalmente será convertida en producto terminado, listo para ser despachado y

vendido.

Las fibras recicladas se obtienen de papeles y cartones en desuso, los que se

recolectan desde las calles y diversos lugares donde el papel viejo es eliminado. Una

vez recolectados, los papeles y cartones se clasifican de acuerdo a su origen fibroso,

a la cantidad y colores de tinta que llevan impresos y, posteriormente, son sometidos

a procesos de extracción de impurezas, donde se les eliminan, en parte, materiales

tales como recubrimientos plásticos, corchetes y metales, adhesivos, lacas y tintas,

todos los cuales deben ser removidos.

Las fibras de celulosa deben ser seleccionadas, preparadas y mezcladas de acuerdo

a las características y usos de cada producto final; así, un papel para toallas de

cocina, por ejemplo, tendrá una mayor proporción de fibras largas (pino radiata), las

que serán sometidas a un tratamiento que les otorgue propiedades de resistencia y

absorción. En cambio, un papel para fabricar pañuelos desechables tendrá una

mayor proporción de fibras cortas (eucalipto) y será sometido a un tratamiento que le

agregue mayor suavidad.

En una primera etapa las fibras recicladas son dosificadas y mezcladas con agua,

en un elemento llamado pulper (figura 2.2), donde se realiza la operación de

desintegración. Este pulper está formado por un recipiente, en forma cilíndrica, que

tiene una hélice en su parte inferior, la cual agita las hojas que son introducidas en él;

con esto lograremos formar una pulpa de papel que luego será procesada.

Figura 2.2 Esquema del “Pulper”.

Las fibras, luego de su disgregación en el pulper, son procesadas en distintos

equipos y etapas para eliminar sus impurezas, antes de poder pasar a la formación

de la hoja, entre dichas etapas se encuentran:

Depuración centrífuga para eliminar elementos pesados, tales como clips,

corchetes y arena.

Depuración en coladores presurizados para eliminar fragmentos y grumos de

plásticos, adhesivos, etc.

Lavado y flotación para eliminar tintas y cargas minerales.

Una vez que las fibras han sido depuradas, la pulpa o pasta está en condiciones de

transitar al proceso de fabricación del papel, es decir pasar al proceso de formación

de laminado de hojas de papel, es decir se trata de transformar un caudal de esta

pasta de papel diluida en una lámina delgada, ancha y uniforme. En la industria

papelera, se entiende por formación de la hoja a la disposición mediante la cual las

fibras se entrelazan unas con otras. Esta formación de la hoja se realiza en dos

partes en la caja de entrada (ejemplificada en la figura 2.3), que es la encargada de

dar salida a la pasta sobre la mesa de fabricación, en forma de lámina delgada,

ancha y uniforme.

Cuba

Hélice

Figura 2.3 Caja de entrada.

La mesa de fabricación (mostrada en un dibujo en la figura 2.4 donde también se

incluye la caja de entrada), es la encargada de formar la hoja y reducir parte del agua

que contiene la pasta.

Figura 2.4 Máquina de papel (caja de entrada y mesa de fabricación de la hoja).

Figura 2.5 Operación de secado en el proceso de fabricación de rollos de papel tissue.

Los clientes internos del proceso de elaboración de papel tissue requieren que la

materia prima de su etapa llegue de forma adecuada a sus necesidades, es decir se

deben recibir bobinas de papel con tamaños y diámetros apropiados para sus

máquinas (figura 2.5). Aquí es donde tiene lugar la operación de rebobinado; la cual

tiene la función de cortar y rebobinar los rollos de gran diámetro (bobina madre), en

bobinas de diámetro menor (bobinas hijas).

En la industria del papel higiénico, después de la formación de las bobinas hijas, se

pasa a un proceso de corte como se ejemplifica en la figura 2.6 el cual forma el

tamaño real de los rollos de papel higiénico con las medidas específicas para dicho

rollo, este proceso de corte se realiza de forma manual. El operario es el encargado

de ajustar los elementos del cortador para que los rollos sean del tamaño preciso, así

mismo él es el encargado de comprobar el correcto funcionamiento.

Figura 2.6. Etapa de corte de los rollos de papel tissue.

La etapa final, y más importante para el aspecto de publicidad y presentación, es la

de empaquetado, en la cual se obtienen diferentes tipos de presentaciones,

dependiendo del tipo de rollo y el número de estos en cada paquete. (Paper)

2.3 Etapa de Empaquetado para papel tissue Hengxin modelo: HX-ZB

Para saber el funcionamiento de la empaquetadora actual se realió la separación del

empaquetado en tres etapas. En una primera etapa, los rollos o bobinas “hijas” son

predispuestas en una cortadora (Etapa A) la cual cortara las bobinas “hijas” para

generar las dimensiones reales de los rollos de papel tissue que posteriormente

serán empaquetados.

Al finalizar la etapa A, la cortadora expulsa los rollos y a continuación se inicia una

etapa B de transporte para embolsar dichos rollos.

A continuación se inicia la etapa de empaquetado (Etapa C), el funcionamiento de

esta etapa se realiza a través de actuadores neumáticos, llegan los rollos a través de

la banda transportadora al módulo neumático el cual se encargara de seleccionar y

embolsar los rollos para su adecuado embolso.

La banda transportadora impulsa los rollos hacia el módulo neumático (Etapa C),

este módulo neumático contiene dos cilindros los cuales se nombran No. 1 y No. 2; el

cilindro neumático No. 1 traslada los rollos previamente formados hacia el cilindro

No. 2, este cilindro se activa al estar completamente expulsado el cilindro No. 1, el

cilindro No. 2 se encargara de impulsar estos rollos sin romper su formación para su

posterior empaquetado.

En esta etapa final se requiere de un operador el cual realiza la colocación del bolso

de empaquetado con ambas manos sobre la boquilla de la salida del módulo

neumático donde los rollos son expulsados; cuando la bolsa es colocada en el lugar

correcto el cilindro No. 2 realiza la función expulsar los rollos de papel a través del

empaque como se ejemplifica en la figura 2.7, posteriormente otros dos pares de

cilindros neumáticos nombrados No. 3 y No. 4 realizan la función de sellado de la

bolsa.

Figura 2.7 Etapa de selección y expulsión

Cilindro

neumático No.1

Cilindro

neumático No.2

El cilindro neumático No. 3 sujeta el extremo de la bolsa, este extremo será al que se

le realizara el sellado. Posteriormente el cilindro neumático No. 4 realiza mediante

mordazas el sellado del empaque como se ilustra en la figura 2.8.

Figura 2.8 Empaquetado y sellado del bolso.

En esta etapa en el proceso actual llevado a cabo con maquinaria semiautomática se

tiene complicaciones debido a la colocación manual del bolso, ya que la calidad del

empaquetado recae directamente en la pericia y atención del operador para realizar

su trabajo. Así mismo la velocidad de empaques como otros aspectos que depende

del operador.

En la figura 2.9 se ilustra las diferentes etapas en las cuales se dividió el proceso, asi

como un lay-out de los elementos de dicha maquinaria

Cilindros neumáticos

No.3

Cilindros neumáticos

No.4

Figur

a 2.9

Ilustr

ación

de la

empa

cador

a

actua

l y

labor

es

del

perso

nal.

2.4 Empaquetadora Hengxin modelo: HX-ZB

Sus principales ventajas son:

Poco mantenimiento: esto se debe a que el módulo neumático es de fácil

operación y en pocas ocasiones se requiere un mantenimiento correctivo, y si

en algún momento ocurriera alguna falla se remplazarían válvulas o cilindros

Supervisión del producto: Los operadores supervisan la calidad del

empaquetado y sellado del empaque con mayor eficiencia gracias al contacto

directo con el producto al salir de módulo neumático.

Ahorro de energía: Gracias a la mano del hombre en el empaquetado no es

necesario emplear un sistema que consuma algún otro tipo de energía..

Dentro de las principales desventajas se tiene:

Poca cantidad de presentaciones (Baja flexibilidad): debido a las

limitantes de la maquinaria, no se es posible obtener variación de

empaquetado

Contacto directo del operador con el producto (Calidad): No se puede

garantizar una higiene completa en el producto terminado debido a la

exposición física que hay entre el operador y el producto en el momento del

empaquetado y sellado.

Rol de turnos para los operadores: Al estar empaquetando un operario una

larga jornada de trabajo este presenta desgaste físico por lo cual necesitan

obligatoriamente rolar turnos de trabajo.

Riesgo constantes para el operario: Los operadores se exponen a un

accidente grave al estar en contacto directo con la máquina, ya que ellos

deben de suministrar el bolso en la boquilla del módulo neumático, lo que

conlleva al paro total de la producción.

Gasto por salarios: Debido a que se tiene que rolar turnos conlleva a un

gasto mayor por el salario de los diferentes operarios

Productividad: Debido a que en la etapa de empaquetado se requiere de un

operario para colocar el empaque en la boquilla de salida de la máquina, por lo

tanto este proceso tiene una demora de tiempo.

2.4.1 Problemática Actual

Actualmente en la pequeña y mediana industria papelera, específicamente la

dedicada a la fabricación de rollos de papel tissue o en su defecto las empresas que

se dedican al empacado de los rollos de papel tissue. Cuentan con ciertas limitantes

de distinta índole en la fase de empaquetado, las cuales les dificultan diversificar las

presentaciones que ofrecen, obtener una calidad uniforme y calidad superior en el

producto final. Otra clase de problemáticas se ligan directamente a la influencia del

factor humano en el proceso, tales como la tasa de productividad, desperdicio de

material, re-procesos, tiempos muertos, cuellos de botella en la producción, etc.

Como se mencionó algunas de estas situaciones son producto de la limitante de la

maquinaria con la cual se cuenta, ya que al carecer de una economía que permita

adquirir maquinaria automatizada de mayor capacidad la mediana industria se ve

forzada a adquirir máquinas semiautomáticas donde es forzoso el desenvolvimiento

del recurso humano en tareas monótonas sin siquiera una mínima variación en la

metodología, las cuales terminaran aburriendo al operador, reduciendo así la

dedicación y con esto la calidad del producto; esto sin contar las variaciones de

situación mental y/o física a la que está sujeta cualquier persona las cuales influyen

de forma significativa en el proceso. Una ventaja adicional de resolver los conflictos

anteriores es que al reducir el tiempo del operario frente a la maquinaria, se reduce

de igual manera la exposición de este a los riesgos de proceso.

La adquisición de maquinaria a precios accesibles para el empresario mexicano, la

cual remedie las situaciones antes expuestas es la vía de oportunidad, desarrollo y

crecimiento para la pequeña y mediana industria que empaca rollos de papel tissue.

CAPÍTULO 3 DESARROLLO DE LA INGENIERÍA

Página 43

CAPÍTULO 3

Capítulo 3 DESARROLLO DE LA INGENIERÍA

Siempre que se inicia un proyecto se debe tomar como base el desarrollo,

conocimientos, aportaciones y errores previos a la propia aportación en la que se

trabaja. En este caso la construcción de la idea y el desarrollo de la ingeniería tomo

como base las tecnologías mencionadas en el capítulo 1, y la maquinaria ya

desarrollada mostrada en el capítulo anterior (2).

El objetivo del presente capítulo es hacer un diseño serio de la automatización con

base en la maquinaria mostrada en la figura 3.1, estableciendo la disposición física

de sensores, actuadores y cualquier otro dispositivo relevante para el desarrollo de la

automatización. Estos elementos formaran parte de las entradas y salidas que se

comunicaran al controlador.

Figura 3. 1 Máquina empacadora de papel tissue a la que se le desarrollara el diseño de la

automatización.

El desarrollo de la ingeniería de automatización se apega a la estructura de la

empacadora, sobre ellos se vislumbra, planea e idea la secuencia de proceso a la

par que se seleccionan los elementos que se hacen necesarios. La especificación de

las características de dichos elementos toma consideraciones propias del equipo y la

conexión que se planea llevar a cabo con los módulos del controlador; esto para

evitar problemas por falta de compatibilidad con la alimentación de elementos de

entrada y salida, así como se evalúa si es requerido algún equipo extra para la

realización de intercambio de señales de manera exitosa.

Para lo anterior se hizo necesaria la secuencia de operación de la maquinaria, que

se observa en la figura 3.2 en un diagrama de bloques.

Ban

das

1, 2

y 3

Actuad

ores

Neumá

ticos

A, B, C

y D

Actua

dores

Neumá

ticos

D, E,

E´, F y

F´

Actuado

res

Neumáti

cos

D, G, H,

I y F´

Banda 3

Actuador

es

Neumático

s J, J´,

K, K´, L, M

y M´

Banda 4

B

a

n

d

a

5

a

)

b

)

c

)

d

)

e

)

f

)

Tran

spor

te

Aquí

los

rollos

prove

nient

es de

la

etapa

de

corta

do

son

lleva

dos

hasta

el

prime

r

módu

lo.

For

maci

ón

de

Cam

as

Esti

bado

de

Cam

as

Envo

lven

te

plás

tico

Cort

e de

sobr

ante

s

Term

o

enco

gido

a)

a)

Un

conjunto

de

cilindros

neumáti

cos y

con la

ayuda

de la

banda 3

(banda

de

control)

crean

formacio

nes de

rollos

según

haya

sido

program

ado

b)

a)

Las camas

recién

formadas

son

llevadas a

un

mecanismo

el cual

encima en

2 ó 3

niveles. En

caso de ser

solo un

nivel es

llevado sin

detenerse

a la

siguiente

etapa.

c)

a)

Un

conjunto

de

cilindros

y una

banda

hacen

pasar la

formació

n de

cilindros

contra

un

plástico

el cual

envolver

á los

rollos,

será

tensado

y

cortado.

d)

a)

La banda

del paso

anterior

conduce el

empaque

hacia otra

banda (4) y

posiciona

el paquete

bajo un

conjunto de

mecanismo

s

accionados

por medios

neumáticos

el cuál

cortara los

extremos

sobrantes. e)

a)

Finalme

nte se

hace

pasar el

empaqu

e por un

túnel de

termoen

cogido

el cual

ajusta el

plástico

al

contorno

de la

formació

n de

rollos.

f)

a)

Figura

3.2

Diagrama

de

bloques

del

proceso

de

empacad

o de

rollos de

papel

tissue

con

respecto

a la

máquina

a

automatiz

ar.

Esta secuencia de operación tiene tres opciones generales de empaquetado,

definiendo las rutas principales de operación de acuerdo al número de niveles del

empaque. Se observa una descripción breve sin adentrarse en detalles de los

elementos de E/S que intervienen.

La anterior descripción de la secuencia de operación y la estructura de la maquinaria

con la selección de los elementos de entrada y salida dan la pauta para la elección

del controlador, módulos de E/S y aditamentos adicionales; así mismo se selecciona

la terminal gráfica con base en la compatibilidad del controlador y otros aspectos de

interés.

El diseño de la ingeniería de automatización de la empacadora se vale de diversas

tecnologías para cumplir con el objetivo propuesto. La estructura se basa de manera

general en el procesamiento de señales de entrada y salida por medio de un

controlador lógico programable y una terminal gráfica que facilita al operador la

selección de operación. Las entradas básicamente estarán conformadas por una

variedad de sensores, botones de pulso y selectores. Por otro lado las salidas serán

conformadas por electroválvulas que controlaran actuadores neumáticos lineales,

contactores que influirán según corresponda la lógica para la activación de motores,

lámparas o una bocina. Habiendo mencionado esto de forma gruesa, la parte de

automatización puede ser dividida en: los dispositivos de control, comunicación,

dispositivos de entrada y los dispositivos de salida.

3.1 Arreglo físico en SolidWorks

Para llevar a cabo el ensamble general de la máquina empaquetadora de rollos de

papel higiénico en el programa SolidWorks, fue necesario hacer varios sub-

ensambles. Un ensamble es la unión de distintas partes diseñadas de forma

individual y unirlas para formar un sistema de mayor complejidad, este diseño consta

de 4 etapas, que en general comprenden todo el diseño, estas partes que lo

conforman serán brevemente explicadas a continuación.

Etapa 1

El modelado de la estructura de la maquinaria comenzó con las bandas

transportadoras, las cuales están conformadas por soportes laterales y los postes

estructurales. Posteriormente fueron agregados elementos como la banda elástica,

las chumaceras y el motor. Únicamente dejando pendiente los sensores que fueron

insertados en la etapa de selección de equipo. El ensamblaje de la banda

transportadora 1 y 2 se muestran en la figura 3.3.

Figura 3. 3. Piezas que conforman el ensamble de las bandas.

La maquinaria contempla 5 bandas, y de manera general en la realización de todas

ellas se siguió el mismo procedimiento para dibujarlos.

Etapa 2

El segundo paso fue realizar el arreglo físico la mesa empacadora, la cual se basa

en un modelo existente. El arreglo físico de la nueva empacadora contempla

modificaciones importantes para obtener atributos que serán benéficos en el proceso

Motores

Soportes

laterales

Bandas

Transportadora

Banda

elástica Postes

estructurales

de empaquetado, tales como la adecuación del equipo de automatización en una

estructura apropiada para contener todos sus elementos.

Como se mencionó en el párrafo anterior, existen 2 diseños de empaquetadoras de

papel tissue, el diseño de la maquinaria del proceso actual y el diseño de la celda de

manufactura flexible; la segunda se basa en la empaquetadora actual y ambos

diseños son mostrados en la figura 3.4.

Figura 3. 4 Imagen de Izquierda: proceso actual Imagen de derecha: proceso modificado.

Etapa 3

El sistema de empaquetado flexible se ideo por módulos o etapas, siendo la de

empaquetado la que se presenta en la figura 3.5. A la izquierda se puede observar la

estructura únicamente metálica de la etapa de empaquetado, a la derecha se

muestra el diseño acoplado con las bandas y con algunos de los elementos de

automatización.

Empaquetadora

actual HX-ZB Etapa

de formación de

rollos

Propuesta de

Empaquetadora,

etapa 2 propuesta

formación de

presentaciones

Figura 3. 5 Estructura perteneciente a la etapa de empaquetado.

Etapa 4

Finalmente fueron adicionados al modelo de la empacadora los elementos

actuadores, guillotinas, bandas y rieles. Así como el resto de los componentes de

automatización y los gabinetes con los equipos de control (como el PLC y módulos

remotos de entradas y salidas, etc.), y un túnel de termo-encogido para dar la vista

final del proceso completo como se muestra en la figura 3.6.

Estructura de

empaquetado

Integración de la

estructura de

empaquetado al

sistema

Figura 3. 6 Máquina de empaquetado terminada.

Para puntualizar este apartado se debe mencionar de manera enfática que a pesar

de haberse desarrollado una estructura física con una disposición de elementos

mecánicos móviles, únicamente pueden ser considerados como una propuesta hasta

que el diseño sea revisado por un profesional al cual le atañe el estudio y validación

de esa parte de la ingeniería.

3.2 Selección del equipo necesario para la implementación del sistema

Automatizado

Para efectuar de manera eficiente y en forma automática el proceso descrito en el

diagrama de bloques es indispensable la utilización de equipos modernos de

automatización usados a nivel industrial. En los siguientes puntos se describen los

equipos seleccionados y sus características así como los criterios tomados en

consideración.

Proceso de

termo-encogido

Proceso de

empaquetado

HMI

Formación de

presentacion

es

Compaq-

Logix POINT I/O

3.2.1 Equipo de control neumático

Los cilindros que nos permitirán realizar las operaciones de compactar los rollos,

traslado, y sujeción del bolso a empacar son cilindros de simple efecto, doble efecto

y actuadores lineales neumáticos de la marca Festo.

Para la selección de los actuadores neumáticos, la marca Festo proporciona un

software (xProPneumatic) de ayuda para dicho proceso. Los datos solicitados con el

software son: Tiempo en el cual se desea alcanzar el posicionamiento necesario,

longitud de la carrera requerida, la presión de funcionamiento y la cantidad de masa

que deseamos mover.

La presión media de trabajo en cilindros neumáticos se establece entre 4 Bar y 9 Bar.

Para lo cual para el cálculo de los cilindros neumáticos se tomó el valor estándar que

es de 6 Bar; por razones económicas se han estandarizado dicha presión, ya que

con presiones mayores a 9 Bar el valor máximo económico es excedido. En cuanto a

las velocidades el aire comprimido es uno de los medios de trabajo mas rápidos

utilizables en la industria. Con cilindros neumáticos convencionales pueden

obtenerse velocidades máximas de hasta 1.5 m/s. (Stoll, 2000)

En la tabla 3.1 se muestran las especificaciones de dichos actuadores neumáticos

así como el tag asignado en base a la maquinaria y el número de cilindros

neumáticos necesarios.

Tabla 3. 1 Relación del equipo de control neumático.

No. – Tag Código Descripción Función

1- A ADN-25-260-A-P-A

Cilindro de doble efecto Traslado de rollos

Banda-Palanca 1

1-B ESNU,ISO 6432 Cilindro de simple

efecto

Controlador de guías

1-C DNC-40-350-P

Cilindro de

posicionamiento (Doble

efecto)

Determinar el numero

de columnas (1-4)

1-D DGP/DGPL Actuador lineal Movimiento palanca 1

2-E-E’ DSN-16-120-P

Actuador de Simple

efecto

Movimiento de las

paletas abre-cierre

2-F-F’ ADN-25-260-A-P-A

Cilindro de

posicionamiento de 3

niveles (Doble efecto)

Generación de los

niveles para el

empaquetado

1-G DGO-16-650-PPV-A-B

Cilindro de doble efecto Movimiento palanca 2

1-H DNC-32-400-PPV

Cilindro de doble efecto Movimiento de la

cizalla

1-I DSN-20-300-P

Cilindro de doble efecto Movimiento de sujeción

del bolso

2- J-J’ ADN-16-50-A-P-A

Cilindro de doble efecto Agarre del bolso para

su posterior corte

(sobrante)

2- K- K’ DNC-32-250-PPV

Cilindro de

posicionamiento (Doble

efecto)

Movimiento retiro de

sobrante

1-L SLG Planos Actuador de

desplazamiento lineal

Posicionamiento

transversal de las

cuchillas para corte

lateral

2- M- M’ DNC-40-400-PPV

Cilindro de doble efecto Movimiento de la

cizalla

Las figura 3.7 y 3.8 muestran la ubicación de los cilindros en la maquinaria, así como

el tag asignado para su relación con la tabla 3.1

Figura 3.7 Etapa 1: ubicación de los cilindros.

En la figura 3.7 y 3.8 se lleva a cabo la ubicación de los actuadores neumáticos

(lineales) de las primeras etapas del proceso de empaquetado (etapas a, b y c,

referentes al figura 3.2). En estas etapas los rollos provenientes de la banda son

formados en dos hileras. Guías inferiores activadas por el cilindro de simple efecto B

no permiten estos se desacomoden. El cilindro C funge como límite mecánico para el

control del número de rollos por hilera, mientras el cilindro A es el encargado de

trasladar la formación de rollos terminada hacia el cilindro D una vez que las guías

están abajo. Finalmente el cilindro D lleva los rollos hacia un módulo donde se

estiban las camas de rollos según el tipo de empaque a realizar, este trabajo es

desempeñado por los actuadores E y E’, los cuales abren y cierran un mecanismo

con forma de E´s encontradas, mientras que los actuadores F y F’ se encargan de

ascender o descender el mecanismo.

Figura 3.8 Etapa 2: ubicación de los cilindros.

Las etapas siguientes (etapas d, e y f con referente al figura 3.2), tienen como

principal objetivo aplicar el plástico termoencogible sobre la estructura formada con

los rollos. Esta etapa comienza cuando el cilindro D traslada los rollos provenientes

del módulo donde las camas fueron estibadas. De manera siguiente, el cilindro G

traslada estos rollos de forma perpendicular al cilindro D, tensando el plástico

termoencogible mientras la banda en la parte inferior avanza un poco. Una vez que la

formación está ubicada en el lugar correcto, el cilindro I baja, tensando aún más el

poliuretano, secuencialmente el cilindro H baja cortando el plástico sobrante. Los

cilindros I y H serán retirados y la banda avanzara hasta hacer entrar la formación a

otro módulo donde será cortado el excedente de plástico de los extremos laterales

del bolso. Aquí interviene una compleja formación de actuadores neumáticos.

Empezando con los cilindros K y K’, quienes se encargan de posicionar el

mecanismo que contiene a los grippers, activados a su vez por los actuadores J y J’,

quienes tensan los extremos del bolso para que los cilindros M y M’ realicen el corte

de los mismos. Finalmente la función del actuador L es posicionar al cilindro M según

la longitud del empaque. Solo es requerido un cilindro para ubicar los cilindros de

corte M y M’ ya que uno de ellos es fijo.

3.2.2 Selección de entradas al PLC (Sensores)

En la tabla 3.2 se muestran especificaciones de los diferentes sensores que fueron

seleccionados para la automatización de la empaquetadora, en su mayor parte; son

sensores magneto-resistivos (reed-switch) para la detección de las posiciones del

embolo de los cilindros neumáticos; también se encuentran sensores fotoeléctricos,

sensores capacitivos, botones pulsadores, etc. Cada elemento sensor muestra el tag

asignado para su ubicación en la maquinaria, una breve descripción e información

complementaria.

Tabla 3. 2 Relación de los elementos de entrada.

No.-Tag Código Descripción Ubicación en el proceso

Alim. Salida

2-E GLV18-55-G/115/120

Sensor fotoeléctrico de barrera óptica por

reflexión (TRIFILAR)

Detección de nivel de la bobina para

embolso.

10 - 30 V CC (máx. 100mA)

PNP

2-J GLV12-54/37/40b/92

Sensor fotoeléctrico de barrera por

reflexión(BIFILAR)

Bandas iniciales 10 - 30 V CC (máx. 300 mA)

PNP

2-A (Banda)

2-B (Conteo

)

CJ15-40-A2

Sensor capacitivo (TRIFILAR)

Conteo de rollos (mesa de formación

de camas) y detección de

paquetes.

10 - 30 V CC (max. 200 mA)

PNP

1-C 1-F 1-D

CJ15-40-A2 Sensor capacitivo (TRIFILAR)

En la detección de llegada de rollos a posición deseada

10 - 30 V CC (max. 200 mA)

PNP

7 SIEMENS 3SE5

Sensor de limite accionamiento mecánico

N/C

Tapas en las áreas peligrosas de la

maquinaria

43 Sensores N.O SMT-8M

Trifilares

Sensores Magneto- resistivos

(BIFILAR, CONECTOR M8)

Cilindros 24 V CC (máx. 100

mA)

PNP

1-I GLV18-55-G/115/120

Sensor fotoeléctrico de barrera óptica por

reflexión (TRIFILAR)

Conteo de paquetes al final de la línea de

empaquetado

24 V CC (máx.

100mA)

PNP

1 Botón pulsador N/C. Botonera.

1 Botón Hongo (Paro de emergencia)

Botonera

1 Botón pulsador N/A. (Arranque)

Botonera.

Se muestra la tabla 3.2 con la relación de sensores y otros elementos de entrada,

donde fue considerado el mantener uniformidad con respecto al tipo de salida (PNP o

NPN), de la misma manera los rangos de alimentación para facilitar y requerir de la

menor cantidad de dispositivos para hacerlos compatibles con las tarjetas de E/S del

PLC que se seleccionaron posteriormente

Las figuras 3.9 y 3.10 muestran la ubicación de los sensores en la maquinaria, de la

misma manera el tag asignado y el tipo de sensor para su relación con la tabla 3.2.

Figura 3.9 Etapas a, b y c: ubicación y tipo de sensores utilizados.

La primera sección (etapas a, b y c referentes al figura 3.2), contienen principalmente

sensores de tipo capacitivo debido a la corta distancia de sensado requerida y al tipo

de cuerpo que detectan; sin embargo también se emplea un sensor fotoeléctrico en

la banda y un magnético (reed-switch) para la detección de la posición del cabezal

del cilindro neumático D.

Figura 3.10 Etapas d, e y f: ubicación y tipo de sensores utilizados.

En esta segunda imagen figura 3.10 se pueden identificar claramente los sensores

que intervienen en las etapas d, e y f (referentes al figura 3.2). En las cuales el

objetivo es obtener un empaquetado terminado una vez recibiendo la formación de

rollos. Para esto se emplean: 1 sensor capacitivo para la detección de la formación

de rollos, 2 sensores fotoeléctricos para la detección de plástico en las bobinas (1 por

bobina), y 3 sensores de tipo fotoeléctrico para la detección del paso de la formación

de rollos en las distintas sub-etapas.

3.2.3 Selección de salidas al PLC

Para la realización del proceso de empaquetado de rollos de papel tissue, se

requiere de un conjunto de elementos de salida que no pueden ser directamente

conectados a las terminales de salida de los módulos del PLC por la razón de que la

tensión o corriente de alimentación es diferente y no puede ser suministrada por los

módulos de salida; en otro de los casos la tecnología con la que funcionan los otros

dispositivos es diferente, como en el caso de los cilindros neumáticos. La solución a

esto es la utilización de elementos intermedios como lo son contactores, relevadores

y válvulas electroneumáticas los cuales fueron seleccionados para el diseño de la

automatización de la maquinaria con una tensión de alimentación de 24 volts de

corriente directa. Estos elementos son mostrados en la tabla 3.3, en el caso de las

electroválvulas se incluye el tag del cilindro al que controlan.

Tabla 3. 3 Relación de los elementos de salida.

No.-Tag cilindro

Código Descripción Ubicación en el proceso

Alim.

1 S/C Lámpara 1 “En operación” (Verde). Torreta de luces 24 V CC

1 S/C Lámpara 2 “Paro”. (Rojo)

Torreta de luces 24 V CC

1 S/C Lámpara 3 “Paro de emergencia” (Amarillo)


1 S/C Lámpara 4 “Alerta de intruso” (Anaranjada)


1 S/C Lámpara 5 “Reset (Azul) Torreta de luces 24 V CC

1-A VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Empuje inicial rollos

24 V CC

1-B VUVG-L14 Electroválvula 3/2 para Cilindro neumático S.E.

Guías 24 V CC

1-C VUVG-L14 Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.

Ajusta el largo de paquete 2, 3, 4.

24 V CC

1-D VUVG-L14 Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.

Palanca 1 24 V CC

2-E-E´ VUVG-L14 Electroválvula 3/2 para Cilindro neumático D.E.

Apertura de cuchillas para

niveles

24 V CC

2-F-F´ VUVG-L14 Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.

Para la formación de numero de niveles 1,2,3

24 V CC

1-G VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Palanca 2 24 V CC

1-H VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Cizalla cte. Ext. Bolsos.

24 V CC

1-I VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Sujeción del bolso 24 V CC

2-J- J´ VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Cilindro para retiro de sobrantes

24 V CC

2-K-K´ VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Cilindro para retiro de sobrantes

24 V CC

1-L VUVG-L14 Electroválvula 5/3 para Cilindro neumático D.E.

Cilindro para cerrar o abrir el rango de corte

lateral

24 V CC

2-M-M´ VUVG-L14 Electroválvula 5/2 para Cilindro neumático D.E.

Cilindro de corte lateral

24 V CC

7 S/C Contactores Motores .75 HP

Acopladas a las bandas

24 V CC

3.2.4 Características de los motores eléctricos

Para las bandas transportadoras de rollos de papel tissue se determina una

velocidad que es de 0.3 m/s, por lo tanto para la determinación de la velocidad

angular del motor, calculamos la la velocidad angular, dado un brazo de palanca que

esta en función de la polea conductora esta es de 0.07 m de radio, por lo tanto:

wrv *

Donde:

v = velocidad lineal (m/s)

r = distancia del centro del eje al punto de velocidad (m)

w = velocidad angular en el eje (rad/s)

Despejando la velocidad angular w :

sradm

smw

r

vw

/28.407.0

/3.0

Dado que la velocidad angular es de 4.28 rad/s es conveniente tener un motor de

1800 RPM, utilizando una caja de relación baja a comparación de tener un motor con

RPM mayores a 1800, por lo tanto el motor es de 4 polos a 1800 RPM.

Dado que tenemos 1800 RPM como velocidad síncrona, se sabe que la velocidad de

operación es menor debido al deslizamiento provocado por el motor a plena carga

este es de 1710 RPM, ya que es de 4 a 5 % menor de la velocidad síncrona por lo

tanto la velocidad de operación es de 1710 RPM equivalente a 179.07 rad/s. y

Para el cálculo de la caja de reducción para tener una velocidad de 0.3 m/s, se

realizó una división entre la velocidad angular del motor y la velocidad angular a la

salida de la caja que deseamos; en este caso:

62.41/28.4

/07.179

srad

srad

Dado el cálculo anterior se observa que la escala de reducción de velocidad es de

40, por lo tanto se puede determinar que la caja de reducción es de 40:1

Para bandas transportadoras se utiliza principalmente motores trifásicos de 220 volts

de inducción tipo jaula de ardilla, en este caso de 4 polos. La potencia del motor

debido a las características de la banda y la carga que es de 50 N debido al papel ya

que este pesa un total de 102 gr es de 0.75 HP. La potencia de salida en watts es:

wattswattsPHP 5.559746*75.0746*:.

Ahora necesitamos saber el consumo de corriente que demanda el motor trifásico de

inducción, esto se logra en base a la fórmula de potencia, el cálculo se muestra a

continuación:

CosIVP ***3

Despejando la corriente se tiene:

ACosV

watts

CosV

PI 468.1

95.*220*3

5.559

**3

El consumo de este motor en cuanto a la corriente nominal dado el cálculo anterior

es de 1.468 A. La corriente de arranque de un motor de inducciones

considerablemente más alta que la nominal (3 a 8 veces mayor), por lo tanto:

AAIarranque 276.10468.1*7

Por lo tanto dado el cálculo anterior el contactor debe soportar esta corriente de

arranque al igual que el fusible de protección que es de 10.276 A, ya que si no se

respeta dicha corriente de arranque el circuito de alimentación al motor no operara

eficientemente. En cuanto a la sobrecarga del motor cabe señalar que esta no debe

sobrepasar 1.25 la corriente de arranque, para que dicha protección de sobrecarga

no se dispare abriendo el circuito de alimentación por lo tanto la sobrecarga será,

dado el cálculo siguiente de 12.485 A.

AAII arranqueasobrec 845.12)276.10(25.125.1arg

3.3 Dispositivos de control y comunicación

Esta sección contempla la selección y los criterios en los que se basa la estructura

de control y comunicación, la cual contiene dentro de sí los siguientes dispositivos:

Controlador.

Módulos de E/S del PLC (locales y remotos).

Módulos de conexión y comunicación.

Terminal grafica (HMI).

Fuentes de alimentación para los dispositivos de entradas y salidas de los

módulos 1734.

3.3.1 Selección del controlador

La selección del controlador se llevó a cabo considerando los siguientes aspectos:

Capacidad de tratamiento de señales (Velocidad, CPU y memorias).

Escalabilidad.

Capacidades de comunicación industrial.

Tipos de lenguajes de programación.

Compatibilidad con otros equipos de proceso.

En lo referido a la escalabilidad se consideraron las capacidades de incrementar el

número de terminales de E/S locales y remotas por medio de módulos de conexión,

dentro de estos se incluyen los módulos de comunicación industrial requeridos para

llevar a cabo el intercambio de información con el controlador.

Para la selección del controlador adecuado se consideraron una amplia variedad de

marcas y modelos, sin embargo evaluando los requerimientos específicos del

proceso (comunicación, E/S, escalabilidad, etc.) fueron reducidas las posibilidades a

tres fabricantes (Allen Bradley, Siemens y Schneider Electric). Esta información es

mostrada en la tabla 3.4. Allí se muestran parámetros y características de peso que

influyeron para la selección. Es importante resaltar que no se mencionan algunas

características debido a la falta de relevancia para el análisis.

Tabla 3.4 Comparación de controladores industriales.

Marca Allen Bradley Siemens Schneider

Modelo CompactLogix 5370 L18ER-BB1B

Simatic S7-313c-Ptp Modicon M340 BMXP341000

Memoria 512 KB 64 kB 256Kb

Puertos de Comunicación

1 x USB 2 x RJ45

1 x RS422 1 x RS485

1 x USB 1x RJ45

Conexiones EtherNet

Integradas

2 No No

E/S incorporadas 16 salidas digitales/ 16 entradas digitales

16 salidas digitales/ 16 entradas digitales

No

Máximo de módulos

expandibles locales.

8 7 11

Máximo de módulos extras

63 módulos (remotos) 3 racks de 7 módulos (c/u)

1 rack de 11 módulos (c/u)

Bastidores totales CPU + 8 4 2

Grado de protección

IP 20 según IEC 529 IP 20 según IEC 529 IP 20 según IEC 529

Software/ Firmware RSLogix 5000 Step 7, Unity Pro

Lenguajes de programación

Diagrama de Escalera (LAD), Diagrama de

Bloques de Funciones (FBD), Texto

estructurado (ST), Funciones Secuenciales

de caracteres (SFC)


Bloques de Funciones (FBD), Lista de

instrucciones (IL), Funciones Secuenciales de caracteres (SFC), S7-SCL (ST), S7-HiGraph,

CFC


Bloques de Funciones (FBD), Texto

estructurado (ST), Lista de instrucciones (IL),

Funciones Secuenciales de Caracteres (SFC).

Opciones de modulo de

comunicaciones

Ethernet/IP, DeviceNet Ethernet/IP, PROFINET, PROFUBUS, As-

Interface, PtP, MPI

Ethernet/IP, Modbus, CANopen field bus

SD Memory Card Sí Sí Sí

3.3.1.1 Características del Controlador Seleccionado 5370 L1 Allen Bradley

Fue seleccionado el controlador CompactLogix 5370 L1 de Allen Bradley debido a

que combina características de potencia con la flexibilidad de módulos de terminales

de E/S en un formato compacto y económico. Este tipo de controlador es ideal para

máquinas de tamaño pequeño a mediano.

La serie L1 tiene 3 CPU´s de entre los cuales se eligió el modelo intermedio: L18ER-

BB1B. Esta versión tiene mayor velocidad de procesamiento y capacidad de escalar

la cantidad de módulos E/S, así como un número mayor de puertos de comunicación

EtherNet incluidos, lo cual supera ampliamente las características de la CPU L16ER-

BB11B. Con respeto a la versión L18ERM-BB1B las características son las mismas,

únicamente diferenciándose porque el último tiene la capacidad de controlar 2 de

ejes de movimiento (servodrives), características que están sobradas y no se utilizan

en la empaquetadora. Las características de la CPU elegida (L18ER-BB1B) son las

siguientes:

512 MB de memoria.

16 terminales integradas de entrada (24 V CD).

16 terminales integradas de salida (24 V CD).

8 módulos de expansión local.

Máximo de puntos 64 de expansión (8 por módulo).

Máximo total de 96 puntos de conexión de E/S.

8 puertos de conexión E/S Ethernet/IP.

El CompactLogix 5370 L18ER-BB1B es la opción adecuada para el control de la

lógica de esta maquinaria ya que el procesamiento de 65 entradas digitales y 34

salidas digitales pueden ser manejadas sin problema; aunado a esto es escalable y

tiene la capacidad de comunicación Ethernet gracias a los puertos que incluye,

permite realizar la interfaz hombre-máquina (HMI) sin la necesidad de adquirir

módulos externos de comunicación. De la misma manera el intercambio de

información con los módulos remotos de E/S por medio de la red Ethernet/IP se lleva

a cabo por medio de los puertos de comunicación RJ45 integrados en el controlador

mostrado en la figura 3.11.

Figura 3.11 Controlador seleccionado (CompactLogix 5370 L1).

El controlador CompactLogix 5370 L1 fue elegido para realizar la lógica del sistema a

través del monitoreo continuo de entradas como sensores e información proveniente

del módulo HMI, para proveer a las salidas como las electroválvulas y contactores de

las señales adecuadas para llevar a cabo las acciones de control de los cilindros

neumáticos y motores.

3.3.2 Módulos Point I/O 1734

Se eligió la familia de módulos externos de E/S 1734 (figura 3.12) ya que son ideales

para aplicaciones que requieren flexibilidad y bajo costo, permiten ser aplicados a

cualquier sistema de automatización.

Se pueden utilizar en paneles de dispositivos remotos, paneles de control local, y se

puede acceder desde muchos lugares, incluyendo Internet usando una topología tipo

estrella.

Ventajas

Su diseño compacto permite que encaje en el espacio de panel limitado.

Remplazo automático de dispositivos para agregar características de la

máquina.

Los componentes modulares se instalan y se separan fácilmente para su

mantenimiento y resolución de problemas.

Sistema de cableado extraíble para sistema económico puesta en marcha.

Figura 3.12 Módulos externos point I/O de la familia 1734 de Allen Bradley.

El modulo externo 1734 (mostrado en la figura 3.12) fue seleccionado debido a que

el controlador 5370 L1 solo permite 8 módulos de expansión local, lo cual es

insuficiente para el desarrollo de la automatización de nuestro proceso; sin embargo

el módulo externo point I/O 1734 permite utilizar hasta un máximo de 63 módulos de

expansión remota, lo cual permite escalar el sistema a las características de entradas

Adaptador Ethernet

1734 AENT

Fuente de

alimentación 1734

EP24DC

Módulos

de E/S

Módulos

de E/S Riel DIN

y salidas que son requeridas por medio de una conexión Ethernet al controlador 5370

L1. Aunado a estas ventajas el módulo de entradas y salidas remotas 1734 nos

permite disminuir la longitud de cableado de los bornes de conexión de los módulos a

los sensores y elementos finales de control ya que el punto de E/S puede ser

ubicado a distancia del controlador y estar en la cercanía de los elementos de

entrada y salida del proceso.

Tomando en cuenta las características de nuestro modulo externo 1734 point I/O y

con base en las características del tipo de señal manejadas por entradas y salidas

como sensores inductivo, capacitivos reflectivos, magneto-resistivos, electroválvulas

y dispositivos de control de motores como contactores; en base a estos

requerimientos de operación es necesario módulos de entradas digitales 1734-IV8 y

módulo de salida digital 1734-OV8E, los cuales proveen las características

específicas mostradas a continuación.

Módulo de expansión remota entradas digitales 1734-IV8 (Figura 3.13)

Número de parte: 1734-IV8

Número de entradas: 8 digitales

Voltaje: 24 V DC

Corriente mínima para activación: 2 mA

Corriente máxima para activación: 5 mA

Corriente máxima para desactivar: 1.5 mA

Figura 3.13 Módulo de entradas digitales 1734-IV8.

Módulo de expansión remota salidas digitales 1734-OV8E (Figura 3.13)

Número parte: 1734-OV8E

Número de Salidas: 8 digitales

Voltaje: 24 V DC

Corriente máxima por modulo: 3 A

Figura 3.14. Módulo de salidas digitales 1734-OV8E.

3.3.3 Módulo adaptador para comunicación Ethernet/IP

El adaptador para Ethernet/IP 1734-AENTR (mostrado en la figura 3.15) contiene un

switch cuya tecnología soporta topologías lineales o en anillo. El adaptador

Ethernet/IP 1734-AENTR proporciona una interface para controlar y comunicarse con

los módulos E/S de una red Ethernet. El número máximo de módulos de entradas y

salidas que soporta el adaptador es de 63. El adaptador se ubica izquierda de la

fuente de alimentación y de los módulos de E/S.

Figura 3. 15 Adaptador de Ethernet/IP 1734-AENTR.

3.4 Selección de Interfaz Hombre-Máquina

Para llevar a cabo la selección de la HMI adecuado para la empacadora. Se

considero una variedad de marcas y modelos, para esto se seleccionan las

siguientes marcas ya que cuentan con este tipo de interfaces. En la tabla 3.5. Allí

mismo se muestran parámetros y especificaciones de peso que influyeron para la

selección. Es importante resaltar que no se mencionan algunas características

debido a la falta de relevancia en el proceso.

Tabla 3. 5 Comparación de terminales graficas de diversas marcas para el desarrollo de HMI´s

Marca Allen Bradley Siemens Schneider Electric

Modelo Panel View Plus Compact 1000

SIMATIC MP 277 INOX 10 inch Touch

Magelis XBTGT

Pantalla 10.4 pulgadas a color TFT.

10.4 pulgadas a color TFT.

10.4 pulgadas a color LCD.

Resolución 640 x 480 pixeles 640 x 480 pixeles 640 x 480 pixeles VGA.

Tipo de entrada Pantalla táctil. Pantalla táctil. Pantalla táctil.

Puertos de Comunicación

1 x RS-232, 1 x Ethernet, 2 x USB

1 x RS485, 1 x RS422, 2 x USB 1 x Ethernet 1 x Combinado

3 x Ethernet TCP/IP 2 x USB 1 x RS485 1 x RS232C/RS422/ RS485

Módulo de comunicación add-on.

Ninguno. Ninguno Ninguno

Software de programación

FactoryTalk View Win CC Vijeo Designer

Sistema operativo Ninguno Ninguno Ninguno

Sistema abierto o cerrado

Cerrado Cerrado Cerrado

Memoria Flash 64 MB no volátil/ RAM de 64 MB

1024 kB SRAM 512 kB Memoria Flassh EPROM 32 MB

Almacenamiento externo

1 slot Compact Flash

SD/Multi Media 1 slot Compact Flash

Alimentación eléctrica

24 V CD (18 a 30 V CD)

24 V CD (20.4 a 28.8 V CD)

24 V CD (19.2 a 28.8 V CD)

alarmas 200 200 Si

3.4.1 Características del Panel View Plus seleccionada

Los PanelView Plus (HMI) son una gama de pantallas de interface altamente

versátiles e ideales para las terminales de operador del nivel de máquina dentro de

un entorno industrial. Poseen pantallas brillantes, sistemas de alarma, son capaces

de administrar miles de recursos y de satisfacer las necesidades de las más

complejas configuraciones de máquina, pero también lo bastante sencillo como para

construir las aplicaciones más pequeñas.

De acuerdo a las necesidades, la aplicación se requiere un controlador de tamaño

mediano y una pantalla de interface de operador, esta solución, además de ser

rentable, ofrece funciones avanzadas para la integración de controladores de la

familia Logix de Allen Bradley. Esto quiere decir que la referencia de tags es directa

con el software de programación del controlador (RSLogix 5000) al software del HMI

FacktoryTalk View Studio característica de peso por la que fue elegida dicha

terminal.

La terminal gráfica seleccionada dentro de esta gama fue el PanelView Plus

Compact 1000 mostrada en la figura 3.16, esta posee funciones selectivas

optimizadas para las aplicaciones de tamaño pequeño y preferencia de conectividad

con los controladores CompactLogix, en este caso el 5370 L1.

Figura 3.16 Terminal gráfica Panel View Plus 1000

Características PanelView Plus 1000:

Pantalla táctil 10.4 pulgadas a color

Puertos de comunicación incorporados

RS-232

Ethernet

1 USB: compact 400/600

2 USB: 1000

Comunicaciones en serie

RS-232: DF1 o DH-485

Software de Programación: FactoryTalk View ME 5.1 o posterior

Memoria Flash de 64 MB no volátil/RAM de 64 MB

Capacidades

25 pantallas

200 mensajes de alarma

Recetas

Tendencias

Registro de datos

Diferencias clave

Un solo controlador para aplicaciones de gama media

Direccionamiento Logix nativo

Referencia directa de tags RSLogix

FactoryTalk View Machine Studio (simulación)

3.5 Fuentes de alimentación

Todo sistema o equipo que desarrolle una función necesita del suministro adecuado

de energía con rangos y características determinadas para desempeñar su función

correctamente sin dañarlo o provocar algún conflicto con otros equipos. Los equipos

que desarrollan funciones de automatización no son la excepción.

Debido a la distancia del PLC con respecto a los módulos 1734 y la cantidad de

elementos de E/S la fuente integrada en el controlador es insuficiente por lo que se

requieren fuentes externas de alimentación. En esta sección se exponen las

consideraciones y cálculos respectivos que se realizaron para la selección de las

fuentes de alimentación, mismos cálculos y consideraciones que nos brinda

información para la selección de los elementos de protección eléctrica.

Cálculo de corriente de salida del PLC

El cálculo de la corriente de salida es necesario para elegir la fuente y seleccionar las

protecciones. Primeramente para este cálculo se consideró la corriente máxima por

módulo de salida 1734-OV8E, esta es de 3 A; y la corriente máxima para cada una

de los ocho puntos de salida que esta contiene, es decir: 375 mA. El paso siguiente

fue ubicar el valor de la protección debiendo ser este menor a la corriente máxima

(375 mA) de cada punto de salida y de la tarjeta completa (3 A).

Con base en los elementos totales de salida conectados a nuestro sistema como las

bobinas de los contactores y relevadores para el control de motores, solenoides de

las electroválvulas y la corriente que consumen otros dispositivos como lámparas, se

obtuvo la suma de la corriente total por medio de la siguiente ecuación:

Donde:

: Corriente total de salida

: Corriente total de lámparas

: Corriente total de las electroválvulas

: Corriente total de las bobinas para el control de motores

Calculo de corriente de las electroválvulas

Calculo de corriente de las bobinas

Corriente Total de Salida

Calculo de corriente de entradas del PLC

La corriente que se consideró para los dispositivos de entrada, está en función de la

corriente mínima que es necesaria en cada punto de entrada, en donde se tiene un

optoacoplador que activa al transistor interno. Entonces para los módulos de entrada

1734 IV8 se tiene la siguiente ecuación:

Con respecto a los sensores de 3 hilos como son los capacitivos (CJ15-40-A2) y

fotoeléctricos (GLV18-55-G/115/120), se debe de considerar la corriente que

consumen para su propio funcionamiento por lo tanto se tiene:

Por lo tanto se tiene la corriente total de entrada como:

La corriente total de los dispositivos de entrada es:

3.5.1 Fuente de alimentación 1606-XLE240E

Para la alimentación del controlador CompactLogix 5370 L1 y los dos módulos de

E/S (16 entradas digitales y 16 salidas digitales) fue seleccionada la fuente de

alimentación 1606-XLE240E (mostrada en la figura 3.17). Con base en la corriente

requerida (amperes de los dos módulos locales) y las capacidades ofrecidas por el

fabricante. Las especificaciones de la fuente se muestran a continuación:

Tensión de alimentación: 100 a 120/200 a 240 VCA

Potencia de salida: 240 W

Tensión de salida: 24 a 28 VCD

Corriente de salida: 10 A

Protección del circuito a la entrada: 10 A

Relación tensión/corriente [V AC]: 120/ 230 4.34/2.23

Figura 3. 17. Fuente de alimentación seleccionada 1606-XLE de Allen Bradley.

3.5.2 Fuente de alimentación 1734-EP24DC

La fuente de alimentación 1734-EP24DC (figura 3.18) es utilizada para el suministro

de energía a los módulos de expansión remota de entradas y salidas digitales

(modelos: 1734-IV8 y 1734-OV8E).

Esta fuente entrega 24V de corriente continua a los módulos de E / S situados a la

derecha de la misma. La fuente de alimentación de expansión extiende la potencia

del backplane bus de 4 a 17 módulos E / S. En el caso de la empacadora de papel

tissue es necesario alimentar un módulo de conexión Ethernet, módulos de entradas

digitales 1734-IV8 y módulos de salidas digitales 1734-OV8E; por tanto la corriente

requerida es de 11.181 A y la fuente seleccionada lo cubre porque su límite de

corriente es 12 A:

Figura 3. 18 Fuente de alimentación 1734-EP24DC.

Las características de la fuente 1734-EP24DC son las siguientes:

Capacidad de alimentar de 4 a 17 módulos, dependiendo del rango de

corriente de cada módulo.

Se limita su uso con terminales de conexión E/S únicamente.

Tensión de alimentación: 24 VCD (Rango de 10 a 28.8)

Tensión de irrupción máxima: 6 A por 10 ms.

3.6 Diagramas de conexión

Una vez que se seleccionó todos los dispositivos como lo es fuentes de alimentación,

entradas, salidas, HMI y módulos de control se procedió a la realización de

diagramas integrando cada uno de estos. Primeramente se tiene un diagrama unifilar

del sistema general, y posteriormente el diagrama de conexión de los dispositivos al

PLC.

3.6.1 Diagrama unifilar

Para el diseño del sistema eléctrico general de la empaquetadora se divide en dos

circuitos, el circuito de control que abarca dispositivos como PLC, HMI, switch y

módulos POINT I/O; y circuito de fuerza que abarca los motores de las bandas

transportadoras.

Circuito de fuerza

El circuito de fuerza se encuentra conformado por seis motores en este caso cada

motor es de 0.75 H.P. alimentado a 220 VCA. Dados los datos anteriores el circuito

de fuerza tiene la siguiente carga:

wattswattsPHPHPtotal 3357746*.5.46*.75.0

Ahora con la corriente total del circuito, se necesita saber la corriente, para poder

seleccionar las pastillas del circuito general de fuerza.

Awatts

V

PI total 81.8

220*3

3357

*3

Los motores consumen al arranque de 3 a 8 veces su corriente nominal, por lo tanto

hay que multiplicarlo por este factor la corriente de 8.81.

AAItotal 67.617*81.8

Ahora se calcula la corriente corregida que es la 1.25 veces mayor que la corriente

anteriormente calculada.

AAIIc 0875.7725.1*67.6125.1*

Por lo tanto para protección general se necesitan protecciones de 77.0875 A para el

circuito de fuerza.

Circuito de control

Se tienen dos principales fuentes para la alimentación del controlador 5370 L1 y los

módulos POINT I/O 1734 (mencionadas en el tema 3.5.2 y 3.5.1), estas fuentes son

1606-XLE y 1734-EPDC respectivamente. LA fuente 1606-XLE en base a sus

características es alimentada a 120 VCA a una corriente de 10 A; mientras que la

fuente 1734-EP24DC su corriente es de 12 A y su alimentación es de 127 VCA.

Con los datos anteriores de las fuentes de alimentación se calcula la corriente total

del circuito de control.

AAAIII EPDCXLEtotal 22121017341606

Para el cálculo de las protecciones se toma 1.25 veces la corriente de las fuentes en

este caso.

AAIIc 5.2725.1*2225.1*

En base al cálculo anterior se tiene que las protecciones para el circuito general de

control deben ser de 27.5 A.

Para las protecciones del circuito derivado se toma 1.25 veces las corriente

demandada por cada una de las fuentes de alimentación.

Fuente 1606-XLE

AAIIc 5.1225.1*1025.1*

Fuente 1606-XLE

AAIIc 1525.1*1225.1*

La potencia suministrada, con base en el cálculo anterior es:

wattsVAVIP 2794127*22*

Interruptor general

Para el cálculo del interruptor general se tiene la suma de las corrientes tanto de

control como de fuerza.

AAAI 58.1040875.775.27

En la figura 3.19 se muestra el diagrama unifilar separado en sus dos circuitos tanto

de fuerza como de control, además de las especificaciones.

3

220 V

CT

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FU

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220

V

I=7

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V1

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V1

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TE

173

4-

FU

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TE

3.6.2 Entradas al PLC

En las siguientes figuras primeramente se muestran los diagramas de las dos fuentes

de alimentación, la del PLC (CompactLogix 5370) y la del módulo remoto de entradas

y salidas (POINT I/O 1734), en el mismo formato se muestran los 2 módulos de

entrada SLOT 1 y SLOT 2 pertenecientes al PLC CompactLogix 5370 L1. En estos 2

slots se encuentran conectados los botones de arranque, paro, paro de emergencia y

sensores fotoeléctricos y capacitivos de 2 y 3 hilos respectivamente, además de

algunos contactos de interruptores de límite para la detección de intruso en las

guardas acrílicas como se muestra en la figura 3.20.

En la figura 3.21 se muestra en el SLOT 3 la continuación de los contactos de los

interruptores de límite para la detección de intruso en las guardas acrílicas, sensores

fotoeléctricos de 3 hilos y sensores magnéticos que son para detectar la posición del

cilindro A.

En el SLOT 4, 5 y 6 de la figura 3.21 se encuentran conectados sensores magnéticos

de 2 hilos, estos sirven para saber la posición de todos los cilindros del proceso.

La figura 3.22 muestra también sensores magnéticos conectados al SLOT 7,8 y 9,

que como se ha venido diciendo tienen la función de detectar la posición de los

cilindros.

3.6.3 Salidas del PLC

En el SLOT 10 de la figura 3.23 muestra conectadas a sus primeras salidas las

lámparas de señalización, tanto de paro, arranque, paro de emergencia, reset. En

sus últimas 3 salidas están conectadas 3 solenoides, estas controlaran a las

electroválvulas correspondientes.

Los SLOT 11, 12 y las primeras 3 salidas del SLOT 13 de la figura 3.23 muestran la

conexión de solenoides, estas servirán para el control de los cilindros mediante su

respectiva válvula como se mencionó en el párrafo anterior. Se ven conectadas en

sus últimas 5 salidas del SLOT 13, 5 bobinas de relevadores, quienes controlaran 5

de los 6 motores de las bandas del proceso.

La figura 3.24 muestra al SLOT 14 en donde se encuentran conectadas 2 bobinas

de relevador, quienes se encargaran de hacer la inversión de giro de un motor.

En la figura 3.25 se encuentran contenidos los diagramas de fuerza para el control

de los 5 motores de las bandas.

L1

N+

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Mó

du

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34

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Figura

3.25

Conexión

de

motores

3.7 Switch para la comunicación de la red Ethernet

Para la implementación de la red Ethernet se requiere de un switch. Fue

seleccionado el switch Stratix 2000 1783-US05T. Por motivos que los switches de

Ethernet no administrados son adecuados para pequeñas redes aisladas. Tal como

la red que se presenta en este trabajo (figura 3.26).

Figura 3.26 Switch no administrado Stratix 2000 1783-US05T.

3.7.1 Sotfware para comunicación Ethernet

Para el establecimiento de las direcciones IP a los dispositivos que conforman la red

Ethernet/IP diseñada se consideró las vías para hacerlo. La familia de productos de

Allen Bradley usa software de Rockwell Software los cuales se muestran en la tabla

3.6. En esta se especifican algunas otras funciones que pueden desarrollar.

Tabla 3.6 Software de RS para el establecimiento de direcciones IP en la red EtherNet.

Software Funciones Requerido

RSLogix 5000 Configurar el proyecto CompactLogix.

Definir la comunicación EtherNet/IP.

Cambiar la dirección IP para dispositivos en la

red, incluido el controlador CompactLogix 5370

Si

RSLinx Classic Asignar o cambiar direcciones IP a los dispositivos en una red

3.8 Esquema general de módulos de comunicación

El la figura 3.27 muestra la selección de equipos para llevar a cabo la

automatización. En la misma figura se muestra de manera general la conexión entre

las entradas remotas (1606-XLE240E y 1734-EP24DC), la terminal grafica (Panel

View Compact Plus 1000), los módulos E/S remotos (Point I/O 1734) y el controlador

(CompactLogix 5370 L1). La topología de conexión es tipo estrella, mediante

comunicación Ethernet tanto para los módulos remotos como para la terminal grafica.

EtherNet/IP.

Configurar dispositivos de comunicación

Proporcionar diagnósticos

Establecer comunicación entre dispositivos

Utilidad BOOTP/DHCP con RSLogix

5000

Asignar direcciones IP a los dispositivos en una red EtherNet/IP.

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Figura 3.

27

Esquema

General de

módulos

de

comunicac

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3.8.1 Protocolo de comunicación Ethernet

La dirección IP identifica cada nodo dentro de la red (o sistema conectado a la red).

Por tanto, cada nodo TCP/IP en la red debe tener una dirección única. La dirección

IP tiene una longitud de 32 bits.

Cada nodo en la misma red física deben tener una dirección IP de la misma clase y

debe tener el ID de red misma. Cada nodo en la misma red deben tener un ID de

host diferente lo que le otorga una dirección IP única.

Las direcciones IP se escriben como cuatro enteros decimales (0 ... 255) separados

por puntos donde cada número entero da el valor de un byte de la dirección IP.

3.8.2 Establecimiento de la dirección IP por medio del servidor BOOTP

El protocolo Bootstrap (BOOTP) permite que el controlador (u otro dispositivo) se

comunique con un servidor BOOTP. Se usa el servidor BOOTP para asignar

manualmente una dirección IP al controlador CompactLogix 5370.

Antes de iniciar la aplicación BOOTP/DHCP Server de Rockwell Software se debe

obtener la dirección de hardware (MAC) del controlador. La dirección de hardware

está en la parte frontal del controlador y utiliza una dirección en un formato similar al

siguiente:

00:00:BC:2E:69:F6

Procedimiento:

Seleccionar y abrir BOOTP/DHCP Server de Rockwell Software.

En el menú Tools, seleccionar Network settings como se muestra en la figura

3.28.

Figura 3.28 Selección de la opción Network Settings desde la barra de ménu.

Ingresar la máscara de subred y aceptar (el resto de los campos son

opcionales) como se ejemplifica en la figura 3.29.

Figura 3.29 Ventana Network Settings

En el panel Request History se muestran las direcciones de hardware de todos los

dispositivos que están emitiendo peticiones BOOTP o DHCP. Seleccionar la línea

con la misma dirección MAC que el controlador deseado y se hace clic en Add to

Relation List (figura 3.30).

Figura 3.30 Ventana Network Settings

Aparece el cuadro de diálogo

En la ventana emergente (New Entry) figura 3.31 se escriben los datos de dirección

IP, Hostname y Description para el controlador, y se acepta.

Figura 3.31 Ventana New Entry.

Se asigna permanentemente esta configuración al controlador (figura 3.32),

esperando a que el controlador aparezca en el panel Relation List y seleccionándolo.

Finalmente se hace clic en Disable BOOTP/DHCP.

Figura 3.32 Lista de relación donde se corrobora la dirección del controlador.

Esta es el procedimiento usual cuando el equipo es nuevo y se incorpora a una red

en construcción. Sin embargo; también es posible recuperar la dirección IP desde la

memoria no volátil, o usar un servidor del Protocolo de Configuración Dinámica del

Host (DHCP), tal como Rockwell Automation BOOTP / DHCP.

3.8.3 Establecimiento de la dirección IP al adaptador 1734-AENT

El establecimiento de la dirección de red para el adaptador 1734-AENT se realiza de

la misma forma que con el controlador. Sin embargo; aquí antes debe ser

configurada la rueda. Mostrada en la figura 3.33.

Figura 3.33 Rueda de control del módulo de comunicación 1734-AENT

Primeramente el adaptador lee el valor de la rueda del switch sólo cuando se apaga

y se reinicia, para determinar si los switches se configuraron con un número válido.

Se pulsa cualquiera de los botones + o - para cambiar el número (valores válidos

desde 001 hasta 254).

Cuando los interruptores están ajustados a un número válido, la dirección IP del

adaptador se define con la siguiente estructura 192.168.1.xxx (donde xxx representa

el número establecido en los interruptores). La máscara de subred del adaptador se

define (por ejemplo) como 255.255.255.0 y la puerta de acceso en 0.0.0.0. El

adaptador no debe tener un nombre de host asignado, o utilizar un DNS (Sistema de

Nombres del Dominio) cuando se utiliza la rueda de control para ajustar los

interruptores y activar DHCP.

Dirección de Red Rueda de conf. (Botones + y -)

3.9 Programación del sistema

El programa para la automatización del sistema de empaquetado flexible de papel

tissue fue desarrollado en RSLogix 5000 que forma parte de la familia de Rockwell

software. Esto debido a la facilidad de vinculación con otro software de la misma

familia tales como desarrolladores de HMI, emuladores, y otros que permiten la

comunicación entre ordenadores.

El programa de la empacadora se estructura con una rutina principal y las 9 sub-

rutinas que se muestran a continuación:

1) Programa principal

2) Banda control

3) Condiciones iniciales para cilindros “C” y “L”

4) Contador de paquetes terminados

5) Etapa 1

6) Etapa 2

7) Formación de niveles

8) Movimiento de variables

9) Paro del sistema

10) Seguridad

Las subrutinas mencionadas contienen la secuencia lógica desglosada por bloques

para reducir las líneas de código. El funcionamiento y la forma de operación del

programa se describen en las secciones posteriores del trabajo. La imagen del árbol

de programa con la estructura de las rutinas se observa en la figura 3.34.

Figura 3.34 Vista del árbol de programa.

3.9.1 Programa principal

Primeramente, la rutina principal (programa principal) recibe las variables enviadas

por la HMI con las que se indica el tipo de empaquetado deseado, la cantidad de

paquetes a realizar, así como se asegura se hallan dado el resto de los permisivos

de arranque para el lote actual de producción, esto mediante el ingreso de la

contraseña en la HMI. Como complemento de lo anterior, también se requiere del

ingreso de la contraseña cuando se desea la cancelación del lote actual de

producción.

El programa principal se divide conceptualmente en 3 etapas para su explicación,

tales pueden llamarse de la siguiente manera: etapa de arranque, selección de

presentación y llamadas a subrutinas.

La primera etapa contiene un JSR (salto a una subrutina) que lleva a la subrutina de

seguridad para cerciorarse de que el sistema puede arrancar sin problemas y no se

encuentra activado ningún paro. En caso de estar todo listo, se regresa al programa

principal. En la línea 1 de éste, se tiene un contacto el cual recibe el dato de la HMI

que indica si la contraseña es correcta y se activa un comando de enclavamiento

“latch”, que queda a la espera de que se presione el botón de arranque que se

encuentra asignado a otro comando “latch” del que depende el contacto ARRANQUE

GENERAL (mostrado en la línea 3 de la figura 3.35), al cumplirse estas condiciones

el “latch” de condición ACTIVA PROCESO activa todos los contactos siguientes para

permitir entrar a las subrutinas siguientes.

Figura 3.35 Condiciones para el arranque del sistema.

En la sección central el programa principal, se reciben los datos provenientes de la

HMI que indican el tipo de empaque a realizar (presentación 1, 2, 3, 4, 5, ó 6),

activando así un comando “latch” (línea 6, figura 3.35) según el tipo de presentación

elegida, ya que la HMI solo envía un pulso, y es necesario mantener esa señal activa

para que se muevan los valores correctos de cada presentación a las variables de

los contadores que ayudaran a tener un control del tamaño de las presentaciones. La

operación de movimiento de variables se da por medio de los comandos MOV (por

ejemplo: línea 10, figura 3.36), que se encuentran debajo de las comandos “latch” y

“unlatch” de la selección de presentación, solo sirve para poder confirmar e indicar en

la HMI el tipo de presentación seleccionada para ser producida. En la figura 3.36 se

observan líneas de código de la descripción realizada en este párrafo.

Figura 3.36 Selección del tipo de presentación.

La tercera y última parte del programa principal realiza las llamadas a las subrutinas

que se encargan de realizar el proceso. Siempre que la condición ACTIVA

PROCESO sea cumplida. En la línea 18 de la figura 3.37 se tiene un contacto XIC

(examina sí cerrado) para verificar se hallan cumplido las condiciones iniciales que

permiten entrar a la subrutina CONDICIONES INICIALES PARA CILINDROS “C” Y

“L”. Esta subrutina se encarga de ubicar en una posición específica a los cilindros ya

mencionados, dependiendo del tipo de presentación elegida. Durante la producción

de todo el lote, no es necesario posicionarlos más que una vez para esa

presentación de empaque en específico. Al finalizar la producción de cada unidad de

empaquetado y mientras sigan productos en la cola de producción del lote, los

cilindros se ubicaran en posiciones donde el desplazamiento para realizar cortes o la

sujeciones será menor en comparación con el desplazamiento que tendrían que si

regresaran a la posición cero (posición de reposo, sin lote en cola de producción, ni

selección del empaque). Lo anterior se logra gracias a un contacto que indica el

estado de la rutina de condiciones iniciales, este se abre para no permitir el acceso a

dicha subrutina. Con las anteriores líneas de código se evita el desperdicio de tiempo

y energía. A su vez los demás contactos abiertos de la condición que indica si se

completó la rutina de condiciones iniciales, permiten que se puedan entrar al resto

de las subrutinas.

Figura 3.37 Entrada a subrutinas

3.9.2 Movimiento de variables

La subrutina “Movimiento de variables” se encarga de mover valores de proceso del

lote a los contadores; los valores dependerán del tipo de presentación, es decir; si

por ejemplo se elige la presentación que aparece en la figura 3.38 la cual es la

presentación 4, se moverá al preset contador de niveles el valor 2, ya que esta

presentación consta de dos niveles.

Figura 3.38 Presentación 4.

Ádemas, la presentacion 4 tiene un largo de 3 rollos por 2 de ancho (como el resto

de las presentaciones manejadas por la máquina) y dos niveles de alto; asi que el

valor de 3 sera movido al preset: CONTADOR ROLLOS LINEA DERECHA,

CONTADOR ROLLOS LINEA IZQUIERDA, CONTADOR POSICIONAMIENTO C y

CONTADOR POSICIONAMIENTO L. La figura 3.39 ilustra la descripción de el

movimiento de variables descrito en este parrafo.

Figura 3.39 Movimiento de variables a contadores.

3.9.3 Condiciones iniciales para cilindros C Y L

Aquí se programó la ubicación de los cilindros “C” y “L” en la posición de trabajo

dependiendo el largo de la presentación de rollos, así permanecerán hasta haber

cumplido con todo el lote. El cilindro C tiene la función de limitar la llegada de los

rollos despachados por la banda, y el cilindro L tiene la función de cortar y sellar los

sobrantes laterales de cada empaquetado.

El posicionamiento de los 2 cilindros se logra mediante la lógica de programación

que envía los cilindros siempre a su posición máxima, es decir; a la posición 4, la

cual da el largo máximo de rollos permitido en la máquina. Esta es la posición de

referencia para comenzar la producción de lote de cualquier presentación, ya sea

para 2, 3, ó 4 rollos de largo.

3.9.4 Bandas de control

La labor de esta subrutina es cargar los rollos de papel de la banda a la máquina en

la cantidad adecuada para la formación de las camas, la figura 3.40 muestra las

líneas de código de mayor relevancia. Lo primero que realiza el programa es contar

los rollos que entran en la máquina, el conteo se realiza de ambos lados de la banda

con los contadores de rollos de línea derecha e izquierda mediante los sensores

capacitivos 1 y 2, estos sensores permiten saber cuando se ha llegado a la cantidad

de rollos deseada en cada nivel y de cada lado de la banda, ya que la alimentación

de los rollos de papel puede variar en alguna de las hileras de la banda. En la

programación, cuando el valor de los contadores es igual al establecido en su

preset, la banda se detiene e invierte su giro, retrocediendo cerca de 15 cm

(aproximadamente durante 2 segundos). De otra manera cuando los contadores aún

no llegan al valor del preset, la banda continuará avanzando hacia el frente

alimentando los rollos de papel a la máquina. La figura 3.40 muestra las líneas de

programación de la subrutina que contiene las líneas de programación con la cual

funcionan las bandas de control; la línea 2 y 3 contienen los contadores encargados

de llevar la cuenta del tiempo de inversión de giro del motor. La ilustración contiene

las líneas de programación de mayor relevancia.

Figura 3.40 Conteo de los rollos alimentados a la máquina.

Los contadores son llevados al estado de reset al terminar el tiempo de regreso de la

banda de control como se observa en la figura 3.41.

Figura 3.41 Reset de los contadores.

Antes de comenzar a describir la programación en las subrutinas de Etapa 1, Etapa

2 y Formación de niveles, es necesario observar la manera cómo fue divido el

proceso para realizar una programación con mayor orden. A continuación se

muestran las etapas en la figura 3.42, conforme a la distribución de la maquinaria:

Figura 3.42 División del proceso en etapas para la programación.

3.9.5 Etapa 1

La subrutina Etapa 1 (figura 3.43) contiene la lógica de las condiciones de

funcionamiento y acciones a realizar por los cilindros neumáticos para llevar los

rollos a la apiladora (la cual se encarga de apilar los rollos en una cama) y llamar a la

rutina Formación de niveles una vez cumplido dicho paso. También esta rutina se

encarga de hacer que el cilindro D traslade los rollos apilados hasta la etapa 2 y

regrese.

-ETAPA 1

-ETAPA 2

-FORMACIÓN DE NIVELES

Figura 3.43 Salto a subrutina FORMACIÓN DE NIVELES.

3.9.6 Formación de niveles

Como su nombre lo indica esta etapa (figura 3.44) se encarga de estibar las camas

de rollos dependiendo el tipo de presentacion que se haya elegido. Cabe señalar que

de ser una presentación de solo 1 nivel, la condición Latch sube nivel no será

activada.

Figura 3.44 Segmento de la rutina Formación de Niveles donde se muestra el comando Latch para

permitir subir los cilindros y apilar los rollos.

La figura 3.44 muestra el segmento de la rutina Formación de Niveles, donde se

controla a los cilindros F y F’ que son encargados de proporcionar movimiento al

mecanismo encargado de estibar las camas de rollos de papel en 2 ó 3 niveles

respectivamente. Para hacer esto en la programación se inhiben las señales de los

sensores responsables de la detección de los rollos (figura 3.46), para que el

mecanismo no quede estático en esa posición y pueda continuar con la estiba del

siguiente nivel. Se aprecia en la figura 3.45 el mecanismo que hace posible la estiba

de las camas de rollos, así como los elementos primarios de medición (sensores

magnéticos del 16 al 21) y los elementos finales de control (actuadores lineales

neumáticos F y F´).

Figura 3.45 Ubicación de los sensores y cilindros en el formador de niveles.

Figura 3.46 Inhibición del sensor F_SENSOR_MAGNETIC_17.

3.9.7 Incremento decremento número de rollos.

La figura 3.47 muestra algunas líneas la subrutina que permite ingresar la cantidad

de empaques del lote, está compuesta por operaciones de adición y substracción

para hacer el incremento y decremento de las decenas, centenas y millares. El valor

después de ser adicionado o substraído se mueve a una variable que será leída por

la HMI.

Figura 3.47 Incremento, decremento y movimiento de variable para decenas.

Esta subrutina cuenta también con un elemento que impide que se soliciten

cantidades negativas, esto se logra gracias a la instrucción menor que (less than)

que se encuentran en las líneas 13, 14 y 15 del segmento de programación mostrado

en la figura 3.48. Una vez introducida y aceptada la cantidad de empaques del lote

se podrá salir de esta subrutina.

Figura 3.48 Instrucciones de menor que y contacto de aceptar para salir de la sub-rutina.

3.9.8 Tiempo de trabajo de los motores

En esta última sub-rutina únicamente se mide el tiempo de trabajo de los motores

(figura 3.49) mediante contadores de tiempo retentivos a la desconexión o RTO´s. La

unidad de tiempo que maneja éste comando son los milisegundos, por lo tanto se ha

programado al RTO para que esa magnitud sea recibida por un contador y este

active su contacto DN cada 60000 milisegundos, haciendo así la conversión de

milisegundos en minutos; de la misma manera los minutos son convertidos a horas.

Los valores finales son guardados en variables individuales, es decir las horas y

minutos para ser usados posteriormente por la HMI.

Figura 3.49 Conteo del tiempo en marcha de MOTOR 1.

CAPÍTULO 4 INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA

Página 109

CAPÍTULO 4

Capítulo 4 Desarrollo de la Interfaz Hombre Máquina

Una vez finalizada la programación del controlador en el software RSLogix 5000

(descrita en el capitulo anterior), el desarrollo de la ingeniería continuó con la

programación de la interfaz gráfica (HMI). Como se señalo en el tema 3.3.3, la

terminal grafica seleccionada PanelView Compact Plus 1000 fue elegida debido a

que la vinculación de los tags del programa del controlador al programa de la HMI es

directa, sin necesidad de acciones adicionales; esto gracias a que ambos

dispositivos pertenecen al mismo fabricante de hardware (Allen Bradley) y de la

misma manera comparten el fabricante de software (Rockwell Automation).

La comunicación entre el controlador y la terminal grafica (HMI) debe ser establecida

mediante el protocolo Ethernet/IP; esté utiliza los puertos RJ-45 (los cuales ya

incorpora tanto el controlador como la pantalla HMI) y cable UTP. De igual manera

este tipo de entradas, junto con el protocolo Ethernet/IP se utiliza para comunicar el

controlador con los módulos remotos de entradas y salidas.

La simbología empleada en todo el entorno y de manera particular en los cuadros de

dialogo se basa en el color, sin embargo; se considera que entre los posibles

operadores se halle personal con problemas de visión en cuanto al reconocimiento

de colores por lo cuál, por seguridad se tienen otros apoyos visuales relativos a la

forma y posición de las figuras empleadas.

Así mismo el entorno de la interfaz es sencillo, evita el manejo de información

innecesaria permitiendo al operario enfocarse en los puntos medulares del proceso

por tanto se desarrolla el proceso con mayor eficiencia y productividad.

En el capitulo uno fue mencionado que la implementación de la HMI no es un lujo, es

una herramienta enfocada en la mejora de la seguridad y la productividad, esto se

justifica de la siguiente manera. Con respecto a la seguridad, la implementación de

una HMI reduce en gran medida los errores y riesgos por deficiencias en los

comportamientos del operario basados en habilidades, reglas o conocimientos, ya

sea por falta de aptitud, desconocimiento u omisión; estos errores y riesgos son

minimizados por medio del despliegue de cuadros de información y/o advertencia en

la HMI donde se pide la confirmación del proceso o acción a realizar seleccionada

previamente de esta manera también se incluye información relevante ayudando al

usuario a tener una guía conceptual que lo asesore en la toma de decisiones y en la

distinción entre situaciones normales y anormales. Esto de alguna manera puede

considerar redundancia en la toma de decisiones.

Para diseñar una interfaz hombre máquina exitosa, es necesario saber y

comprender el diseño del proceso a realizar. Así como identificar de antemano los

tipos de errores que pueden ser cometidos. Se considera prudente analizar el

comportamiento del operario frente a la máquina para hacer un sistema adecuado a

los requerimientos del personal, así mismo se debe entablar un intercambio de

información con la parte operacional y gerencial para conocer lo que buscan y

esperan de la implementación de la HMI. En el caso del desarrollo de este diseño fue

observado el proceso mediante una variedad de videos de la maquinaria mencionada

en el capítulo 1 y otras similares, se consideraron opiniones de profesores y

profesionales dedicados al desarrollo de maquinaria industrial, todo fue amalgamado

y desarrollado con criterios propios para hacer de este un sistema funcional que

cumpla y supere los requerimientos mínimos esperados. En la figura 4.1 se muestra

la localización de la pantalla HMI en la maquinaria, así como los gabinetes de control

y los módulos de expansión local point I/O 1734.

Figura 4.1 Localización de HMI y módulos de control

4.1 Software para el desarrollo de la HMI

Como fue mencionado se utilizaron productos de software de Rockwell Automation,

en este caso para la HMI fue FactoryTalk View Studio; producto con un entorno

amigable con el usuario, intuitivo que permite reducir el tiempo de desarrollo de

aplicaciones HMI y el tiempo de entrenamiento. El entorno de desarrollo contiene las

herramientas necesarias para crear todos los aspectos de una interfaz hombre-

máquina, incluidas las pantallas gráficas y animación en tiempo real. Finalmente,

permite comprobar aplicaciones en la máquina de desarrollo antes de implantarla en

una terminal. Esto supone un importante ahorro en las pruebas y en el desarrollo de

la aplicación.

FactoryTalk View es parte de una suite escalable y unifica soluciones de

monitorización y control diseñados para abarcar aplicaciones independientes a nivel

de máquina hasta aplicaciones a través de aplicaciones HMI a nivel de supervisión a

través de una red. Esta suite le ofrece un entorno de desarrollo común, reutilización

de aplicaciones y arquitectura por lo que puede aumentar la productividad y reducir

los costos de operación.

HMI

CompacLogix Point I/O

El software con el que se desarrolló la HMI (FactoryTalk View) fue indispensable en

el desarrollo de la ingeniería, sin embargo; fueron necesarios los siguientes tres

software para establecer la comunicación en las pruebas de la aplicación de la HMI.

RSLinx Enterprise se utiliza para comunicar FactoryTalk View Studio a un

controlador Allen Bradley.

RSLogix 5000 se utiliza para la programación en escalera en donde se

asignaran los tags a los elementos utilizados

RSLogix Emúlate 5000 se utiliza para la asignación del número de slot al

controlador y RSLinx.

1.- Se ejecuta como primer software RSLogix 5000 Emulate en donde se agrega el

bloque de emulación del controlador en el slot 02, ya que el slot 01 es de

comunicaciones como se muestra en la figura 4.2, con esto se logra la comunicación

con el PLC y posteriormente con la HMI con el slot 01 anteriormente mencionado.

Figura 4.2 Pantalla RSLogix 5000 Emulate de slot 2 del procesador

Creación del objeto

Emulate en

2.- Se ejecuta RSLinx para comprobar que la comunicación con el controlador sea

exitosa, para ello se selecciona la pestaña de who active y se agrega el driver

Backplane para la comunicación con el controlador, para comprobar dicha

comunicación se da clic en la pestaña device y se verifica que el controlador este en

línea como se observa en la figura 4.3.

Figura 4.3 Configuración de Driver virtual

La figura 4.4 muestra de manera general los pasos utilizados para la realización de la

comunicación entre los diferentes software de programación

a) Creación

de driver

b) Selección

de driver

c) Ejecutamos

el driver

4.2 Ambiente de trabajo FactoryTalk View Studio

Para llevar a cabo el desarrollo de nuestra terminal, es necesario primero establecer

el tipo de terminal utilizada, para visualizar el área de trabajo empleada, además de

las funciones y recursos que se pueden utilizar de los más principales se muestran

en la figura 4.5.

Figura 4.5 Ambiente del software FactoryTalk View.

4.3 Creación de la aplicación en FactoryTalk View Studio

Para realización de la aplicación primeramente ejecutamos el programa FactoryTalk

View Studio. Posteriormente creamos una nueva aplicación con el nombre

Empaquetadora tissue, además de la asignación del idioma en este caso español de

nuestra aplicación, en la figura 4.6 se muestra la ventana creación de aplicación

Árbol de

trabajo

Área de

Trabajo

Barra de

herramientas

Ventana de

errores

Barra de

Menús

Figura 4.6 Creación de la aplicación en FactoryTalk View Studio

4.3.1 Configuración de los ajustes iniciales del sistema

En esta sección se realizó la configuración de tamaño de la terminal a utilizar. En la

ventana explorer del ambiente del software FactoryTalk View Studio, seleccionar la

opción de Project Settings para configurar el tamaño de la pantalla. En este caso

seleccionar la pantalla que tiene un tamaño de 640x480 ya que corresponde al Panel

View 1000 como se muestra en la tabla 4.1.

Tabla 4.1 Tamaño de ventana de los diferentes Panel View de Allen Bradley.

Tipo de terminal Tamaño de la ventana del

proyecto (MP)

PanelView 400 320 x 240

PanelView 600 320 x 240

PanelView 700 640-480



PanelView 1500 1024-768

a) Introducir el

nombre de

aplicación

b) Introducir el

idioma de nuestra

aplicación c) Crear la

aplicació

n

4.3.2 Creación de una nueva configuración de RSLinx Enterprise

Este proceso nos permite enlazar los tags utilizados en RSLogix 5000 con

FactoryTalk View, para esto se realiza la creación de una acceso directo. En la figura

4.16 se ejemplifica las etapas para la realización del acceso directo con RSLogix

5000.

1.- En la ventana Explorer (explorador), inicie Communication Setup (configuración

de las comunicaciones) como se muestra en la figura 4.7 desplegando el árbol

correspondiente a RSLinx Enterprise.

Figura 4.7 Inicio de configuración de comunicaciones

2.- A continuación se ejecuta la pantalla RSLinx Enterprise (figura 4.8) Configuration

Wizard (asistente de configuración de RSLinx Enterprise), y se crea una nueva

Ventana Explorer

Doble clic para

configurar las

comunicaciones

configuración de RSLinx Enterprise; este paso solo se realizara una vez ya que

posteriormente al guardar nuestra aplicación guarda la comunicación que en este

paso creamos para enlazarse con el controlador CompactLogix.

Figura 4.8 Ventana de RSLinx Enterprise configuration wizard para la creación de una nueva

configuración de comunicaciones

4.3.3 Configuración de las comunicaciones de diseño locales

Ahora se realizara el enlace entre el CompactLogix y FactoryTalk View Studio

mediante Ethernet.

3.- Al aceptar la nueva configuración como se mostró en la figura 4.8 se ejecutara el

editor de configuración de las comunicaciones (Communication Setup) y se

ejemplifican su ambiente de trabajo como se muestra en la figura 4.9.

a) Se selecciona

crear nueva

configuración

b) Se acepta en

la opción finalizar

Figura 4.9 Pantalla de configuración de accesos directos de comunicaciones con dispositivos

externos

La pantalla de configuración de comunicaciones en la parte derecha se tiene la

pestaña de Desing (Local) como se muestra en la figura 4.9, esta opción nos permite

enlazarnos con el CompactLogix y a su vez el 1734 POINT I/O mediante Ethernet,

hacemos doble clic en la opción de Ethernet y seleccionamos la opción Start

Browsing (figura 4.10) para buscar el controlador CompactLogix 5370 L1, para

enlazarse por medio de Ethernet.

Creación de accesos directos con

él se comunicara RSLogix5000 y

FactoryTalk View Studio

Acceso directo aun archivo con

tags o un dispositivo en línea

Verifica si el acceso directo se

ha creado correctamente

Permite aplicar el

acceso directo a la

aplicación

Gestión de comunicaciones

Desing Local Runtime

Figura 4.10 Buscar el controlador a realizar en enlace

4.- Posteriormente se procede a la creación de un acceso directo que permitirá como

el nombre lo indica la creación un acceso entre los tags creados en RSLogix 5000 y

poder exportarlos a FactoryTalk View Studio.

Como se muestra en la figura 4.11, se selecciona el controlador al cual se quiere

importar los tags, se busca la dirección del archivo en donde se encuentra guardado

el programa de escalera, se agrega un nuevo acceso directo y se le nombra y por

último se da clic en la opción Apply.

a) Doble clic en la

opción Ethernet

b) Clic en la opción Start

Browsing

Figura 4.11 Pasos de creación para acceso directo

Con este proceso se crea en enlace entre el controlador CompactLogix 5370 L1 y

FactoryTalk View Studio para utilizar los tags tanto de entradas, salidas y bits

internos que se ocuparan en las pantallas de la HMI. Con este proceso se puede

comprobar la aplicación desde un ordenador sin necesidad de un arreglo físico del

Panel View plus 1000.

4.3.4 Configuración de tags de interfaz de operador

FactoryTalk View Studio admite dos tipos de tags:

Tags de interfaz de operador: el lugar central donde se configuran los valores

de los datos tanto si corresponden al PLC como si no que utilizan como

referencia los objetos de pantalla. Cuando se crea un tag HMI, debe

a) Selección de

controlador

b) Se agrega un

acceso directo

c) Se agrega el

archivo que

contiene los tags

d) Clic en apply

e) Clic en aceptar

especificarse cuál será su origen de datos durante la ejecución. El origen de

los datos puede ser:

Dispositivos: recibe sus datos de un controlador programable a través del

controlador directo.

Memoria: los datos provienen solo de la tabla de valores en vez de un

controlador programable o de otro programa.

Sistema: el tag de sistema lo crea el sistema y se almacena en una carpeta

llamada system.

Ejemplo: cuando el personal de mantenimiento pueda modificar el brillo de la

pantalla, ya que el valor de brillo no proviene del PLC, en este caso es

necesario crear un tag HMI de operador para incorporar esta función.

Tags de referencia directa: la ubicación especifica en la memoria de un valor

PLC que utilizan como referencia los objetos de la pantalla.

4.3.5 Creación de accesos directos de diseño

Una vez configuradas las comunicaciones correctamente, ya se puede crear un

objeto en una pantalla y buscar en el controlador.

FactoryTalk View Studio permite que los usuarios puedan configurar métodos de

comunicación independientes para el desarrollo de aplicaciones (Local-Ordenador) y

para el desarrollo de ejecución (Objetivo-Panel View). Este proceso nos permite

enlazar los tags utilizados en RSLogix 5000 con FactoryTalk View. En la figura 4.16

se ejemplifica las etapas para la realización del acceso directo con RSLogix 5000 y

comunicaciones.

1.-Se crea una nueva pantalla, esto en la ventana explorer, se da clic derecho en el

menú display que se encuentra alojado en la carpeta de Graphics como se muestra

en la figura 4.12, y se selecciona la opción new.

a) Clic

derecho en

la opción

Graphics

b) Clic en la

opción

New

Figura 4.12 Creación de una nueva pantalla

2.-A continuación se crea un objeto en este caso un botón para ejemplificar la

asignación del tag a los objetos insertados en la pantalla. Para ello se escoge el

objeto botón y se arrastra el ratón a la posición dentro de la pantalla, como se

muestra en la figura 4.13.

Figura 4.13 Creación de un objeto en el espacio de trabajo pantalla

a) Selección de

objetos a usar

en la pantalla

b) Arrastra el

objeto

3.- A continuación se asigna el tag al objeto que se inserta en la pantalla, para ello se

da doble clic en el objeto que se insertó y se abre una pantalla como la mostrada en

la figura 4.14, posteriormente a esto da doble clic en la pestaña de Connections ya

que nos permitirá enlazar el objeto con algún componente programado en RSLogix

5000.

Figura 4.14 pantalla de la pestaña connections de la asignación de tags

4.- Damos clic en el símbolo de tag (…) para ejecutar el buscador de tags a través

del acceso directo (Figura 4.15) que se creó en el tema 4.3, para asignar el tag que

se desea contener en este objeto.

Figura 4.15 Selección del tag al objeto

Pestaña

Connections

(Configuración

de Tags)

a) Clic en Tag

b) Selección

del Tag

5.- Procedemos a la asignación de tags, se da clic en la carpeta de offline para abrir

el árbol que se mostrará en la parte izquierda de la ventana Tag Browser, a

continuación se desplegará un menú en la parte izquierda en donde se selecciona el

tag que se nombró en el software RSLogix 5000, aceptamos el tag con la opción ok.

Con las etapas anteriores tanto de comunicación y asignación de tags, se logró

enlazar un objeto de la HMI y un contacto que se tenía en el programa de escalera

en este caso, de manera general se ejemplifica en la figura 4.16 el proceso que se

realizó.

Para llevar a cabo la simulación con el software RSLogix 5000, previamente se debe

poner en modo RUN el programa de PLC, y posteriormente ejecutar el programa

FactoryTalk View Studio, cabe señalar que es necesario realizar los pasos mostrados

en el figura 4.16 de manera correcta y en el orden mencionado para evitar

complicaciones con la simulación.

4.4 Estructura y pantallas de la HMI para la empaquetadora

Antes de iniciar con la construcción de la HMI, fue realizada una meticulosa

planeación, haciendo delimitaciones y correcciones con respecto a los puntos que

contendría en los rubros de seguridad, complejidad, información contenida, etc. Fue

así que se delimitaron como sus tareas el monitoreo y control del proceso

desarrollado en esa etapa, y como sus objetivos los siguientes:

1. Reducir riesgos de operación para los recursos humanos y para la maquinaria.

2. Aumentar la productividad y eficiencia de esta etapa del proceso.

3. Reducir el tiempo de entrenamiento para los operadores.

4. Obtener un estándar superior en la calidad del empaquetado.

5. Reducir desperdicios.

6. Brindar apoyo en la planeación del mantenimiento.

7. Tener un entorno sencillo, amigable e intuitivo que no dé lugar a dudas.

8. Extensión de mínima de pantallas que permita agilizar el proceso de

configuración del lote.

Respecto al tercer punto se contempla como usuario final a un operador con las

siguientes características:

Técnico general con mínima capacitación en el manejo de esta celda de

manufactura flexible.

Así mismo se ideó dos tipos de ventanas en la HMI:

1. Ventanas normales.

2. Ventanas emergentes

a) De alerta.

b) De confirmación de operación.

El primer tipo contiene ventanas que involucran aspectos de configuración, selección,

visualización y guía informativa en condiciones de operación normal. Todas estas

ventanas son fijas, es decir; no son emergentes y solo se puede navegar entre ellas

en un orden específico. Entre estas se tienen funciones como las de: arranque y paro

del sistema, visualización de información y parámetros de interés del proceso

(número y tipo de empaques realizados, número y tipo de empaques a realizar, horas

de trabajo de la máquina, etc.), ajuste de tipo y cantidad de empaques a desarrollar

durante el desarrollo de otro lote, etc.

La segunda clasificación contiene a las ventanas que aparecen repentinamente

dentro de la pantalla principal que esté de fondo. Estas son las ventanas de alerta y

las de confirmación de operación. Las de alerta informan acerca de cualquier

operación anómala que impida el correcto funcionamiento de la maquinaria con

respecto a la lógica de programación; estas pueden ser: nivel bajo en las bobinas de

plástico termoencogible, detección de apertura de las guardas de seguridad, etc. Y

finalmente se tienen a las ventanas emergentes de confirmación de proceso, por

ejemplo: la confirmación de un nuevo lote a producir o en la cancelación del lote en

producción.

Habiendo considerando los aspectos anteriores se creó un mapa de navegación de

las pantallas de la HMI. Esta es observada en el figura 4.16, e incorpora únicamente

ventanas “normales” de operación ya que las emergentes no tienen un orden

específico de aparición.

Siguiendo adelante con la descripción del figura 4.17, se tiene una pantalla inicial que

conduce a las pantallas donde se configura el tipo y cantidad empaques a producir,

pantallas de aceptación del lote a producir y cancelación del lote en producción, así

como las respectivas pantallas de requisición de contraseñas para confirmar las

acciones anteriores. Finalmente se muestra una ventana paralela a las de selección

del empaquetado, dicha ventana muestra información general de la maquinaria.

Cada una de estas pantallas se describirán durante el presente capitulo con mayor

detenimiento.

Pantalla de Inicio

Número de empaques

Resumen de

Lote

Lote en

Producció

n

Selección de presentación

Informació

n gener

al.

Pantalla de pruebas

4.4.1 Pantalla de Inicio

La primera pantalla (imagen en la figura 4.18) tiene por fondo el color azul, muestra

el nombre del equipo y debajo de esta la imagen del modelo de la maquinaria

realizado en SolidWorks. La parte inferior tiene tres botones, cada uno en un color

diferente. De izquierda a derecha se observa en color verde el botón “MENÚ

PRINCIPAL”, este es la ruta para configurar el lote de producción. El segundo en

color morado “INFORMACIÓN DE PROCESO”, conduce a la pantalla de información

general de la empacadora. Finalmente, en color azul se tiene “CERRAR”, como su

nombre lo indica este botón cierra con la aplicación HMI.

Figura 4.18 Pantalla de bienvenida de la HMI

4.4.2 Selección de tipo de Empaquetado

En la figura 4.19 se ilustra la ventana a la que se llega al haber presionado el botón

“MENÚ PRINCIPAL”; como su nombre lo indica aquí se tiene la opción de elegir el

tipo de presentación a producir en el lote de entre seis existentes. La forma de

seleccionar la presentación es tocando la pantalla directamente encima de las figuras

que tienen los rollos acomodados de diversas maneras (según la presentación).

Figura 4.19 Selección del tipo de empaquetado.

La estructura es semejante en la mayoría de las pantallas, se tienen botones en la

parte inferior que le permitirán avanzar a la siguiente pantalla o regresar. Es

relevante mencionar que esto no es posible en todas las pantallas ya que depende

de ciertas condiciones y/o lógica particular de esa ventana las opciones a elegir.

Algunos de estos movimientos no son mostrados en el figura 4.17, por la razón de

que la ejemplificación de dichas relaciones generaría confusiones en lugar de

aclararlas.

4.4.3 Configuración de lote

Para la configuración general de lote es requerido ingresar las variables tipo y

cantidad de empaques a producir. En la pantalla anterior (figura 4.19 fue

seleccionado el tipo de empaque, ahora en la figura 4.20 se ilustra la pantalla de la

HMI que permite ingresar al sistema la cantidad de empaques a realizar; esto se

logra por medio de tres pares de botones de acenso y descenso de unidades, ya

sean decenas, centenas o millares. A la derecha de estos botones se muestra un

display con la cantidad ingresada al sistema, debajo está el botón “Aceptar”, para

confirmar el envío de datos y los botones “Regresar” y “Siguiente”, los cuales son

textuales en cuanto a la acción que desarrollan: ir a la pantalla siguiente (una vez

habiendo configurado la cantidad de empaques) o regresar a la pantalla anterior para

elegir el tipo de empaques.

Figura 4.20 Configuración de número de lote.

4.4.4 Reporte del lote a producir

En la figura 4.21, literalmente se muestra un reporte con los parámetros ingresados

(tipo y cantidad de empaques a realizar), así como el tiempo estimado que toma

producir dicho lote. Esta es una ventana que permite revisar los datos para la

producción; aquí la única interacción posible es aceptar e ir al siguiente paso o

regresar a la configuración de los parámetros de lote.

Figura 4.21 Reporte del lote a producir.

4.4.6 Producción de lote actual

La figura 4.22 muestra una pantalla de gran importancia para el proceso, ya que por

medio de ésta se confirma y se lleva a cabo el arranque y paro cuando la producción

del lote ha sido permitida y después de haber sido ingresada la contraseña. Para el

arranque y paro es de suma importancia mencionar que fuera de la HMI se

encuentran los botones físicos de arranque (verde) y paro del sistema (rojo), sin

embargo estos no llevaran a cabo ninguna acción a menos que; como fue

mencionado, se haya llegado a la pantalla de “Producción del lote actual”. En tal

pantalla es donde se podrá arrancar y parar el sistema, ya sea por medio de los

botones físicos o los botones virtuales de la pantalla de producción de lote actual de

la HMI.

Otro aspecto importante del equipo es que permite sea monitoreado el proceso por

medio de una serie de indicadores numéricos semejantes a los de la pantalla de

reporte de lote a producir. Contiene los mismos campos (tipo de presentación,

cantidad de empaques del lote y tiempo estimado), más el indicador del número de

empaques realizados.

Esta pantalla incluye un botón que permite ir a la pantalla de “Información de

proceso” (mostrada en la figura 4.23), visualizar la información que ofrece y retornar

sin problema. El hecho de salir de la pantalla de “producción de lote actual” no

supone ningún riesgo al desaparecer los botones virtuales de arranque y paro, pues

se hallan los botones físicos a la mano como se mencionó en el párrafo anterior.

Figura 4.22 Pantalla producción de lote actual.

4.4.7 Información de Proceso

La figura 4.23 permite conocer información sobre el tiempo de operación de la

empaquetadora, cantidad de empaques realizados (generales) y el tiempo de

operación de cada motor. Esta se tiene como apoyo en la planeación y ejecución del

mantenimiento que debe darse al equipo y a sus componentes.

Se tienen dos ventanas idénticas con accesos por distintas rutas. Para acceder a

estas ventanas las rutas son las siguientes; la primera es por medio del menú

principal (figura 4.18), con un retorno a la misma ubicación (sin ninguna otra

posibilidad de navegación). Y la segunda que se vincula desde la ventana de

producción de lote actual (figura 4.22) y que de igual manera únicamente tiene por

regreso el punto de partida. El regreso al punto de partida se logra cuando se pulsa

el botón en color morado en el lado inferior derecho; ya sea “INICIO” o “LOTE EN

PRODUCCIÓN” según corresponda.

Figura 4.23 Información del proceso (Área de mantenimiento).

4.5 Simulación

Para la simulación de la HMI se siguieron los pasos mostrados en la figura 4.16 para

lograr en enlace entre el diagrama de escalera y la pantalla de la HMI. En la figura

4.24 se puede visualizar como al presionar el botón de arranque en nuestra pantalla

HMI el cual se le asignó el tag con el nombre Boton_Arranque, al dar clic en el botón

podemos observar cómo se ilumina el color verde en dicho botón, es decir nos indica

que se encuentra en estado activo. En el diagrama de escalera se puede ver como el

contacto se ilumina igual en color verde, es decir se activa al presionar el botón de

arranque.

Figura 4.24 Enlace entre FactoryTalk View Studio-RSLogix5000.

4.5.1 Simulación del programa de PLC-HMI

Para comprobar el correcto funcionamiento en la programación para la selección del

tipo de presentación que se deseara fabricar, podemos valernos del programa de

Factory Talk View para la HMI realizado, solamente realizando la comunicación

entre los software RSLogix 5000 y Factory Talk View, para poder realizar la

Enlace entre el botón start y

el contacto mediante el

acceso directo creado y

llamado “Botón Arranque”

emulación de entradas como la selección del tipo de presentación como se muestra

en la figura 4.25.

Figura 4.25 Simulación del número de presentación a elegir PLC-HMI

En la Figura 4.26. se muestra el link que existe entre el botón de la HMI y el

programa de PLC, el recuadro de PRESENTACIÓN 1 esta correlacionado con el

contacto PRESENTACIÓN del programa.

Figura 4.26 Propiedades del botón PRESENTACIÓN para ver el link entre el programa de PLC y el de

la HMI.

SELECCIÓN DE

PRESENTACION 1 EN LA HMI SELECCIÓN DE

PRESENTACION 1 EN EL

PROGRAMA MEDIANTE

LA HMI

Simulación de la rutina incremento-decremento

Esta rutina se encarga de sumar o restar múltiplos de 10, 100 y 1000 para poder

realizar una cantidad de empaques, de igual manera podemos hacer uso del

programa de HMI como se muestra en la Figura 4.27.

Figura 4.27 Simulación de incremento y decremento

Dado que la programación para centenas y millares es la misma es suficiente probar

el correcto funcionamiento de las decenas. Al tener las condiciones de fabricación ya

seleccionadas se puede realizar el arranque del sistema como se muestra a

continuación en la figura figura 4.28.

Figura 4.28 Arranque del sistema.

Para poder comprobar el funcionamiento de las rutinas que controlan cilindros, se

realizó una pequeña pantalla en Factory Talk View como se muestra en la Figura

4.29 para poder simular la detección de algunos sensores y también el estado de

cada cilindro, esto es para reducir el tiempo de prueba de las rutinas al no activar

manualmente cada contacto desde el diagrama de escalera.

Figura 4.29 Interfaz para probar la programación de los cilindros.

SELECCIÓN DEL BOTÓN DE

ARRANQUE

Simulación de la sub-rutina ETAPA_1

Para simular esta etapa se seguirá de forma puntual cada una de las acciones que

sucederían si el sistema estuviera construido físicamente, es decir se simulara la

llegada de los rollos a ciertas posiciones que activan ciertas etapas para hacer que el

proceso de empaquetado se realice de forma continua.

Esta etapa comienza con la llegada de los rollos desde la banda de control hasta la

barra 1 donde se encuentra el sensor capacitivo C que detectara la llegada de los

rollos como se muestra en la Figura 4.30.

Figura 4.30 Simulación de subrutina ETAPA_1

Después de detectarse los rollos, el cilindro de simple efecto B tendrá que bajar

como lo muestra la figura 4.30, para permitir que el cilindro A empuje la cama de

rollos hacia la barra 2 donde se encuentra el sensor capacitivo D. Esto se ejemplifica

en la figura 4.31.

SIMULACIÓN DE DETECCIÓN

DEL SENSOR CAPACITIVO ACTIVACIÓN MEDIANTE LA

HMI AL SENSOR

CAPACITIVO

ACTIVACIÓN DEL CILINDRO

B PARA PERMITIR EL PASO

DE LA CAMA DE ROLLOS.

Figura 4.31 Activación de cilindro A

Al extenderse el cilindro A, la cama de rollos de papel higiénico serán empujados

hacia la barra donde se encuentra contenido el sensor capacitivo que hará que el

cilindro A regrese a su estado inicial y además harán que la paleta movida por el

cilindro lineal D empuje los rollos hacia el apilador de camas.

En la figura 4.32 se muestra como fue activado el sensor capacitivo que realiza la

función de actuador del cilindro A

SE ACTIVA EL CILINDRO A

Figura 4.32 Simulación cilindro D

Simulación de la sub-rutina FORMACIÓN_DE_NIVELES

Al estar posicionada la cama de rollos de papel dentro del formador de niveles

entrará en ejecución la rutina formación de niveles, en caso de haber sido

seleccionada una presentación de 2 o 3 niveles como se muestra en la figura .33.

Figura 4.33 Inicio de la sub-rutina de formación de niveles.

SIMULACIÓN DE QUE EL

SENSOR A ESTA EXTENDIDO

AL ESTAR EXTENDIDO EL

CILINDRO A Y LOS ROLLOS

EN POSICIÓN EL CILINDRO

LINEAL D SE MOVERÁ EN

UN SENTIDO.

AL ENCONTRARSE LA PALETA

CON LOS ROLLOS EN LA

ENTRADA DEL FORMADOR DE

NIVELES SE ACTIVA

D_SENSOR_MAGNETIC_10 Y SE

SUBE UN NIVEL.

SIMULACION DE DETECCION DE

D_SENSOR_MAGNETIC_10

Como en este caso solo fue de 2 niveles la presentación elegida, el contacto de

CONTADOR_DE_NIVELES.DN ya no permitirá que se active una vez más el cilindro

para subir y el cilindro D como se muestra en la figura 4.34.

Figura 4.34 El contador de niveles llego a su cuenta.

Después de haber finalizado la etapa de formación de niveles se ejecuta la sub-rutina

de ETAPA_2, donde la acción inmediata es empujar el paquete de rollos hasta la

barra 3 donde se encuentra el sensor capacitivo F, este detectara la presencia de el

paquete de rollos y activara al cilindro G para introducir a los rollos dentro de la

empaquetadora como lo muestra la figura 4.35.

AL SER SOLO 2 NIVELES EL

CONTADOR LLEGA A SU CUENTA Y

ABRE SU CONTACTO IMPIDIENDO

QUE SUBA UN NIVEL MAS.

Figura 4.35 Inicio de la ETAPA_2.

Ya los rollos dentro del área de envoltura para el empaquetado son detectados por

G_SENSOR_FOTOELECTRIC_6 se activa un contador para permitir el retorno del

cilindro G antes de que las cuchillas de corte bajen, después de transcurrido el

tiempo, baja el cilindro I para después activar la bajada del cilindro H que son las

cuchillas como lo muestra la figura 4.36.

Figura 4.36 Introducción de los rollos a el área de empaquetado.

SIMULACIÓN DE DETECCIÓN DEL

SENSOR CAPACITIVO F Y

ACTIVACIÓN DEL CILINDRO G.

SIMULACIÓN DE DETECCIÓN DEL SENSOR

FOTOELECTRICO G Y ACTIVACIÓN DEL CILINDRO

SUJETADOR I.

Hasta el momento ha sido probado el 80% del programa, con lo que se pueden

descartar fallas en la programación ya que la programación restante es de un nivel

más bajo en comparación a lo ya simulado.

4.6 Propuesta Económica

Se generara una propuesta de costos contemplando si es que se toma la decisión de

llevar a cabo la adquisición del equipo de control, neumático y electro neumático. Es

de esta manera que es importante se cuente con la información necesaria de estos

costos que se deriven del equipo con el fin de dar un panorama general del alcance y

efecto de la maquinaria.

Se establece la siguiente condición para realizar esta propuesta:

Presentar un presupuesto (aproximado dado a la vigencia de las cotizaciones)

al equipo de control, eléctrico, neumático y electro neumático. Excepto para el

equipo mecánico.

4.6.1 Presupuesto de Equipo

Se tiene la oportunidad de contar con cotizaciones y catálogos en línea para llevar a

cabo la siguiente propuesta de materiales proporcionados en los diseños de la

máquina.

Es así que se extiende la lista de precios bajo las siguientes condiciones:

Los precios están en dólares.

La vigencia de los precios es sin previos aviso dado el proveedor la cotización

fue efectuada el 1 de octubre de 2012.

En la siguiente tabla 4.2 se muestra la cotización hecha para la adquisición

del equipo que integra la máquina.

Tabla 4. 2 Costos totales de elementos de control y neumáticos

No. DESCRIPCIÓN CANTIDAD COSTO POR UNIDAD

TOTAL

1 CompactLogix 5370 con Procesador 1769-L18ER-BB1B

512 MB de Memoria MCA de Allen Bradley

1 $1,428.00 $1,428.00

2 Fuente de poder 1606-XLE240E 240W, 24-28VCD de Allen Bradley 512 MB de Memoria MCA de Allen

Bradley

1 $307.70 $307.70

3 Adaptador EtherNet/IP 1734-AENT, 2 puertos de Allen Bradley

1 $497.25 $497.25

4 Unidad de expansión de energía 1734-EP24DC, 10-28.8 VCD de

Allen Bradley

1 $154.70 $154.70

5 Módulo de expansión E/S 1734-IV8, 8 entradas, 24 VCD de Allen Bradley

7 $92.65 $648.55

6 Módulo de expansión E/S 1734-OV8E, 8 salidas, 24 VCD de Allen

Bradley

3 $151.30 $453.90

7 Panel View Plus Compact 1000, 10.4”, pantalla a color, comunicación

RS-232, 64 MB RAM de Allen Bradley

1 $2,759.68 $2,759.68

8 Sensor Fotoeléctrico GLV18-55-G/115/120 de P+F

3 $80.98 $242.94

9 Sensor óptico de reflexión por barrera, GLV-12/ 54/37/40b/92 de

P+F

2 $97.37 $194.74

10 Sensor capacitivo CJ15-40/A2 7 $357.23 $2,500.61

11 Electroválvula 5/2 monoestable, retorno por muelle de FESTO

12 $110.25 $1,323.00

12 Electroválvula 5/3 biestable de FESTO

5 $75.45 $377.25

13 Electroválvula 3/2 biestable de FESTO

1 $111.45 $111.45

14 Cilindro neumático D.E. de FESTO ADN-25-260-A-P-A

1 $300.58 $300.58

15 Cilindro neumático S.E. de FESTO ESNU,ISO 6432

1 $400.98 $400.98

16 Cilindro neumático D.E. de FESTO DNC-40-350-P

1 $410.29 $410.29

17 Actuador lineal neumatico posicionamiento DGPL-HD 25

1 $450.26 $450.26

18 Cilindro neumatico S.E. DSN-16-120-P

2 $270.25 $540.50

19 Cilindro neumatico D.E ADN-25-260-A-P-A

2 $425.69 $851.38

20 Cilindro neumático D.E. DGO-16-650-PPV-A-B

1 $450.52 $450.52

21 Cilindro neumático D.E. DNC-32-400-PPV

1 $352.25 352.25

22 Cilindro neumático D.E. DSN-20-300-P

1 $325.58 $459.63

23 Cilindro neumático D.E. ADN-16-50-A-P-A

2 $280.30 560.6


2 $425.69 $851.38

25 SLG Planos 1 $425.89 $425.89


2 $375.89 751.78

27 Sensor magnetorresistivo 23 $125.96 $2,897.08

28 Electrovalvula VUVG-L10 18 $158.89 $2,859.48

TOTAL $23,562.37

Al realizar un cálculo total con respecto al costo de todo el equipo tanto eléctrico y

neumático con relación a los precios mostrados en la tabla 4.2 da un total de

$ 23,562.37 dólares.

Todo el equipo utilizado en la máquina automatizada propuesta es de la última

generación de productos de Rockwell Automation, FESTO y Pepper and futch, por lo

que su participación y disponibilidad en el mercado es muy amplia, así mismo el

soporte técnico para su instalación.

Se presentan las principales ventajas que se obtienen al implementar estos equipos

de alta tecnología para la propuesta.

Topología: Con base al protocolo de comunicación Ethernet IP de Allen

Bradley que permite una velocidad de comunicación de 100 Mbps, punto

primordial para incrementar la velocidad de la máquina si esta se requiere en

cuanto a comunicación con los módulos Point I/O.

Diseño Expandible: Dado los diseños es de fácil adaptación realizar un ajuste

en la máquina para otro tipo de aplicación, el diseño tiene la versatilidad de

ajustar nuevos componentes si es que se desea seguir automatizando mas el

proceso

Comunicación HMI’s: Debido a que tanto la interfaz Hombre-Máquina y el

CompactLogix

En el mercado hay equipo similar de otras marcas es decir el proyecto es flexible

como Parker y BIMBA.

4.6.2 Presupuesto de mano de obra

Los recursos humanos se basan principalmente en las horas de ingeniería

desarrollada por el personal. En la tabla 4.3 se tienen de manera general los gastos

requeridos de mano de obra para llevar a cabo la instalación del equipo ya

mencionado para la máquina que se propone.

Tabla 4. 3 Costos totales de recursos humanos

Puesto Sueldo por hora Horas de

trabajo

Numero de

empleados

Sueldo Total

Ingeniero en Control

Y automatización

$ 270 350 3 $ 94500

Técnico electricista $ 110 64 1 $ 7,040

Programación HMI $ 300 48 1 $ 14,400

Técnico en sistemas

Automatizados

$ 120 56 1 $ 6,720

Ayudante general $ 80 80 1 $ 6,400

Total $ 129,060

La suma total del presupuesto de recursos humanos da como el resultado

$129, 060 pesos como un costo que integra la instalación del equipo y la puesta en

marcha del mismo.

Una vez realizado los cálculos anteriores se tiene que el costo aproximado de la

empaquetadora es de $ 451,864.46 pesos.

CAPÍTULO 5 Resultados y Conclusiones

Página 152

CAPÍTULO 5

ANEXOS

Página 153

Capítulo 5 Resultados y Conclusiones

A continuación se muestra la comparativa entre el tiempo empleado para el

empaquetado de forma manual contra el tiempo de empaquetado de forma

automática con la automatización planteada, tomando en cuenta que el análisis de

forma semiautomática se realizó para el empaquetado de 10 rollos y para la forma

automática es de 24 rollos.

5.1 Resultados

Empaquetado semiautomático

Actualmente el proceso de empaquetado lo realiza un empleado y este como se

mencionó en el capítulo 2 es el encargado de proporcionar el empaque a la

maquinaria. Las características que se observaron es que no es constante el tiempo

que el operario tarda en colocar el bolso que servirá para el empaquetado y este

puede demorar algunos segundos debido a las condiciones como jornada de trabajo,

además que la etapa es realizada de manera semiautomática.

La primera etapa consta del tiempo que el sistema semiautomático (neumático) tarda

en colocar los rollos en el bolso y posteriormente realizar el sellado del bolso, este

tiempo es constante y es de 9 segundos en el momento que el operador pulsa el

botón correspondiente a dicha acción. El tiempo que tarda el operador en colocar el

bolso no es preciso ya que depende de las condiciones físicas con las que se

encuentre pero de manera general se observó que el tiempo es de 4 a 5 segundos;

por lo anterior se observó que el tiempo aproximado es de 13 segundos por

empaquetado y por lo tanto la velocidad es de 4 paquetes por minuto, tomando en

cuenta que se realiza solo la presentación un tipo de que es de 10 rollos.

Empaquetado automático

Para el siguiente análisis se toma en cuenta la velocidad y el tiempo que les lleva a

los actuadores neumáticos en expulsar la longitud total de su vástago, para ello se

ANEXOS

Página 154

toman los datos proporcionados en el anexo IV donde se muestran las

características de los cilindros seleccionados como su velocidad y tiempo.

En la tabla 5.1 se muestra el tiempo aproximado de cada cilindro y la función que

realiza durante este intervalo de tiempo.

Tabla 5.1 Tiempos de ejecución de cilindros neumático

Numero de cilindro Descripción Tiempo

A Traslado de rollos de banda a

palanca 1

1.02 s

B Movimiento de guías 0.7 s

C Determinar el número de columnas

1,2,3 y 4

2.03 s

D Movimiento palanca 1 Velocidad

propuesta 1 m/s Velocidad máxima

3 m/s

1.42 s

E-E’ Movimiento de palancas abre y

cierra, para formado de camas

0.97 s

F-F’ Generación de niveles 1,2 y 3 3.89 s

G Movimiento de palanca dos (inicio

etapa 2)

4.02 s

H Movimiento de la cizalla 2.05 s

I Movimiento de sujeción del bolso 3.12 s

J-J’ Movimiento para sujetar sobrantes

del bolso

1 s

K-K’ Movimiento para retiro de sobrantes 2.01 s

L Movimiento lateral para corte de

sobrantes

Velocidad propuesta 0.5 m/s

Velocidad máxima 1 m/s

1 s

M-M’ Cizalla de corete de sobrantes 2.04 s

TIEMPO ESTIMADO DE EMPAQUETADO 21.2 s

ANEXOS

Página 155

En la tabla 5.1 se muestran los tiempos que utiliza cada elemento para la expulsión

de su vástago o llegar a la posición deseada y este tiempo es para la realización de

la presentación 6 que contiene 24 rollos, esta presentación se toma ya que se

requiere saber principalmente el tiempo máximo que tardará la máquina en la

presentación de la mayor cantidad de rollos a empaquetar, cabe mencionar que los

elementos como el cilindro C, L son cilindros que en una primera instancia se

colocaran a la posición deseada desde el momento de elegir el tipo de presentación

desde la HMI.

El tiempo de 21.2 s es el tiempo para la realización del primer paquete, para el

segundo paquete el tiempo es menor ya que el proceso es automatizado, mientras

el primer paquete es terminado de apilar en el mecanismo de formación de camas, la

formación del segundo paquete es inicializada. Para esto se contempla el tiempo

desde la banda de control (Banda 3) hasta la formación de las 3 camas para la

formación de la presentación 6 y este tiempo es de 8 s, es decir el tiempo de

empaquetado a partir del segundo paquete es de 8 s, después de los 13 s del primer

paquete. Por lo tanto se puede concluir que la velocidad es de 6 paquetes por

minuto en la presentación 6.

5.2 Conclusiones

El diseño de la automatización de la empacadora flexible para rollos de papel tissue

se desarrolló tomando como aliciente diversas problemáticas de la mediana industria

nacional. Con base en las condiciones, las tecnologías disponibles y la factibilidad de

desarrollo a continuación se detallan y se explican los motivos por los cuales se

toman como aciertos los resultados obtenidos y en qué medida estos fueron

alcanzados.

De manera general se cumplió con el objetivo principal, desarrollar un sistema de

empaquetado flexible, mediante la integración de dispositivos de control e interfaz

ANEXOS

Página 156

gráfica para rollos de papel tissue; una de las vías mediante las cuáles se logro, fue

una selección estricta de los componentes de automatización que están

configurados para permitir la obtención de seis distintas presentaciones de

empaquetado, sin embargo el total de presentaciones que la estructura física y los

mecanismos permiten obtener son 12.

Se recalca el hecho de que el arreglo físico de la maquinaria aquí mostrado está

limitada físicamente para la realización de empaques a una configuración máxima de

3 niveles de altura, 2 filas y 4 rollos de largo.

La programación se desarrolló de manera clara en subrutinas que son reutilizadas,

esto con el objetivo de ahorrar líneas de programación y tiempo en los ciclos internos

de lectura que realiza el controlador así como para una mejor estructuración y

entendimiento del mismo. Por tanto; de manera puntual se considera que la claridad

y eficiencia de la lógica de programación tiene tal calidad que inclusive en el caso de

modificarse el programa se ahorrara tiempo, recurso de gran valor en el área

industrial.

Uno de los aspectos a los que se le dio mayor relevancia durante todo el proceso de

investigación, planeación y diseño fue el enfoque de seguridad hacia el personal, la

planta y el ambiente. La seguridad enfocada al operario y al proceso se estableció

primeramente con el uso y distribución de elementos sensores destinados para

funciones exclusivas de seguridad, aunada a la estructura de programación que

controla el sistema, la cual impide que el proceso se ejecute en caso de detectarse

abierta alguna de las guardas de seguridad que rodean mecanismos y actuadores

neumáticos, y la integración de HMI, la cual brinda facilidad de operación y seguridad

al operario.

El diseño para la empacadora flexible para rollos de papel tissue se centro en lograr

mayor eficiencia y versatilidad. Con respecto a esto se evaluó el tiempo que le toma

ANEXOS

Página 157

a cada maquinaria, es decir a la maquina semiautomatizada y automatizada realizar

el empaquetado recién comenzado el lote; posteriormente fue medido el tiempo de

empaquetado a partir del segundo empaquetado. Los resultados acerca de estos

puntos se centran en la reducción del tiempo de empaquetado del sistema flexible;

contrastado con la maquinaria semiautomatizada.

El tiempo fue tomado después de realizar el primer empaque de la máquina

automatizada con respecto al primer empaque de la maquinaria semiautomatizada,

siendo el tiempo de la primera de 8 segundos en un empaque de tres niveles, dos

filas y cuatro rollos de largo; en comparación con los trece segundos de la máquina

semiautomatizada cuando realiza un empaque de un solo nivel, dos filas y cuatro

rollos de largo.

El desarrollo del trabajo se logro gracias al aprovechamiento al máximo de las

nuevas tecnologías empleadas hoy en día como software de simulación del

programa del PLC trabajando e interactuando con el programa de la HMI las cuales

resultan ser competitivas en el ámbito industrial y que reflejan ser ahorrativas y

versátiles

5.3 Recomendaciones y trabajos futuros

Cabe señalar y aclarar que este trabajo estará sujeto a la adaptación e integración de

posibles trabajos futuros, dentro de estos trabajos podría dar mejores beneficios un

desarrollo más profundo con respecto a HMI, como el uso de alarmas, mensajes de

advertencia y brindar seguridad en cuanto quien puede operar la empaquetadora.

Otro aspecto importante es consolidar la parte mecánica, mediante el análisis por

parte de los profesionales correspondientes del diseño de la máquina, aspectos de

diseño tales como la altura específica y velocidades entre las bandas 1 y 2 para

garantizar el volteo de los rollos.

ANEXOS

Página 158

ANEXOS

ANEXO I TABLA DE REFERENCIAS DE DIRECCIONES DE

VARIABLES

ENTRADAS

Local 3:I:Data [0]

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL PLC

NOMBRE REFERENTE INTERNO DESCRIPCIÓN

0 B_ARRANQUE

1 B_PARO

2 PARO_EMERGENCIA

3 J-SENSOR_FOTOELEC_1 LIMITE_ROLLOS_BANDA_IZQ

4 J-SENSOR_FOTOELEC_2 LIMITE_ROLLOT_BANDA_DER

5 A-SENSOR_CAP_1 ROLLOS_BANDA_IZQ

6 A-SENSOR_CAP_2 ROLLOS_BANDA_DER

7 B-SENSOR_CAP_3 CONTEO_ROLLOS_IZQ

Local 3:I:Data [0]


NOMBRE REFERENTE INTERNO

DESCRIPCIÓN

8 B-SENSOR_CAP_4 CONTEO_ROLLOS_DER

9 C-SENSOR_CAP_5 LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA1

10 D-SENSOR_CAP_6 LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA2

11 F-SENSOR_CAP_7 LLEGADA_ROLLOS_A_BARRA3

12 Sensor_limite_1 PRESENCIA_DE_INTRUSO




POINT _IO_ADAPTER:I.Data[2] - ENTRADAS

DIRECCIÓN FÍSICA EN EL

PLC


DESCRIPCIÓN

0 Sensor_limite_5

1 Sensor_limite_6

2 Sensor_limite_7

3 I-SENSOR_FOTOELEC_3 CONTEO_PAQUETES_TERMINADOS

4 E-SENSOR_FOTOELEC_4 NIVEL_BOBINA_1

5 E-SENSOR_FOTOELEC_5 NIVEL_BOBINA_2

6 A-SENSOR_MAGNETIC_1 EXTENDIDO CILINDRO A

7 A-SENSOR_MAGNETIC_2 RETRAIDO



PLC


DESCRIPCIÓN

0 B-SENSOR_MAGNETIC_3 EXTENDIDO CILINDRO B

1 B-SENSOR_MAGNETIC_4 RETRAIDO

2 C-SENSOR_MAGNETIC_5 LARGO_1_PAQUETES CILINDRO C

3 C-SENSOR_MAGNETIC_6 LARGO_2_PAQUETES

4 C-SENSOR_MAGNETIC_7 LARGO_3_PAQUETES CILINDRO C

5 C-SENSOR_MAGNETIC_8 LARGO_4_PAQUETES

6 D-SENSOR_MAGNETIC_9 CILINDRO_LINEAL_POS_1 CILINDRO D

7 D-SENSOR_MAGNETIC_10 CILINDRO_LINEAL_POS_2

POINT _IO_ADAPTER:I.Data[4]- ENTRADAS


PLC


DESCRIPCIÓN

0 D-SENSOR_MAGNETIC_11 CILINDRO_LINEAL_POS_3 CILINDRO D

1 E-SENSOR_MAGNETIC_12 CILINDRO_ABRIR_IZQ CILINDRO E

2 E-SENSOR_MAGNETIC_13 CILINDRO_CERRAR_IZQ

3 E’-SENSOR_MAGNETIC_14 CILINDRO_ABRIR_DER CILINDRO E’

4 E’-SENSOR_MAGNETIC_15 CILINDRO_CERRAR_DER

5 F-SENSOR_MAGNETIC_16 NIVEL 1_ROLLOS_DER CILINDRO F’_DER 6 F-SENSOR_MAGNETIC_17 NIVEL 2_ROLLOS_DER

7 F-SENSOR_MAGNETIC_18 NIVEL 3_ROLLOS_DER



PLC


DESCRIPCIÓN

0 F’-SENSOR_MAGNETIC_19 NIVEL 1_ROLLOS_IZQ CILINDRO F’

1 F’-SENSOR_MAGNETIC_20 NIVEL 2_ROLLOS_IZQ

2 F’-SENSOR_MAGNETIC_21 NIVEL 3_ROLLOS_IZQ

3 G-SENSOR_MAGNETIC_22 CILINDRO_LINEAL_POS_1 CILINDRO G

4 G-SENSOR_MAGNETIC_23 CILINDRO_LINEAL_POS_2

5 H-SENSOR_MAGNETIC_24 ABAJO_CILINDRO_GUILLOTINA CILINDRO H

6 H-SENSOR_MAGNETIC_25 ARRIBA_CILINDRO_GUILLOTINA

7 I-SENSOR_MAGNETIC_26 ABAJO_CILINDRO_GUILLOTINA CILINDRO I



PLC


DESCRIPCIÓN

0 I-SENSOR_MAGNETIC_27 ARRIBA_CILINDRO_GUILLOTINA CILINDRO I

1 J-SENSOR_MAGNETIC_28 ABRIR_MECANISMO CILINDRO J

2 J-SENSOR_MAGNETIC_29 CERRAR_MECANISMO

3 J’-SENSOR_MAGNETIC_30 ABRIR_MECANISMO CILINDRO J’

4 J’-SENSOR_MAGNETIC_31 CERRAR_MECANISMO

5 K-SENSOR_MAGNETIC_32 RETIRO_DE_SOBRANTES CILINDRO K

6 K-SENSOR_MAGNETIC_33 ACERCAMIENTO_DE_GRIPPER

7 K’-SENSOR_MAGNETIC_34 RETIRO_DE_SOBRANTES CILINDRO K’



PLC


DESCRIPCIÓN

0 K’-SENSOR_MAGNETIC_35 ACERCAMIENTO DE GRIPPER CILINDRO K’

1 L-SENSOR_MAGNETIC_36 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_1 CILINDRO L

2 L-SENSOR_MAGNETIC_37 CILINDRO_CORTADO_LATERAL_2



5 M-SENSOR_MAGNETIC_40 CILINDRO_CORTE_ARRIBA_DER CILINDRO M

6 M-SENSOR_MAGNETIC_41 CILINDRO_CORTE_ABAJO_DER

7 M’-SENSOR_MAGNETIC_42 CILINDRO_CORTE_ARRIBA_IZQ CILINDRO M’



PLC


DESCRIPCIÓN

I:9/0 M’-SENSOR_MAGNETIC_43 CILINDRO_CORTE_ABAJO_IZQ CILINDRO M’

I:9/1 G-SENSOR_FOTOELEC_6 DETECTAR_ROLLOS-BAJAR CUCHILLAS

I:9/2 H-SENSOR_FOTOELEC_7 DETECTAR_ROLLOS-CORTE_LATERAL

SALIDAS

Local 3:O:Data [1] - SALIDAS



DESCRIPCIÓN

0 LÁMPARA 1

1 LÁMPARA 2

2 LÁMPARA 3

3 LÁMPARA 4

4 LÁMPARA 5

5 SOLENOIDE 1 Cilindro A Válvula 5/2

6 SOLENOIDE 2 Cilindro B Válvula 3/2

7 SOLENOIDE 3 Cilindro C Válvula 5/2

Local 3:O:Data [1] - SALIDAS



DESCRIPCIÓN

8 SOLENOIDE 4 Cilindro D Sentido 1 Válvula 5/3

9 SOLENOIDE 5 Cilindro D Sentido 2

10 SOLENOIDE 6 Cilindro E Válvula 5/2

11 SOLENOIDE 7 Cilindro E’ Válvula 5/2

12 SOLENOIDE 8 Cilindro F Nivel 1 Válvula 5/3

13 SOLENOIDE 9 Cilindro F Nivel 1

14 SOLENOIDE 10 Cilindro F’ Nivel 2 Válvula 5/3

15 SOLENOIDE 11 Cilindro F’ Nivel 2

POINT _IO_ADAPTER:O.Data[9]– SALIDAS



DESCRIPCIÓN

0 SOLENOIDE 12 Cilindro G Válvula 5/2

1 SOLENOIDE 13 Cilindro H Válvula 5/2

2 SOLENOIDE 14 Cilindro I Válvula 5/2

3 SOLENOIDE 15 Cilindro J Válvula 5/2

4 SOLENOIDE 16 Cilindro J’ Válvula 5/2

5 SOLENOIDE 17 Cilindro K Válvula 5/2

6 SOLENOIDE 18 Cilindro K’ Válvula 5/2

7 SOLENOIDE 19 Cilindro L Rango de corte lateral

Válvula 5/3

POINT _IO_ADAPTER:O.Data[10]– SALIDAS



DESCRIPCIÓN

0 SOLENOIDE 20 Cilindro L Rango de corte lateral

Válvula 5/3

1 SOLENOIDE 21 Cilindro M Válvula 5/2

2 SOLENOIDE 22 Cilindro M’ Válvula 5/2

3 BOBINA M1 IZQ MOTOR 1

4 BOBINA M1 DER MOTOR 1

5 BOBINA M2 MOTOR 2

6 BOBINA M3 MOTOR 3

7 BOBINA M4 MOTOR 4

POINT _IO_ADAPTER:O.Data[10]


PLC

NOMBRE REFERENTE INTERNO DESCRIPCIÓN

O:14/0 BOBINA M5 MOTOR 5

O:14/1 BOBINA M6 MOTOR 6

O:14/2 SOLENOIDE 22 Cilindro C

ANEXO II COMPORTAMIENTO DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS

Cilindro A modelo: ADN-25-260-A-P-A

Tiempo total de posicionamiento: 1.02 s

Velocidad promedio: 0.25 m/s

Cilindro C modelo: DNC-40-350-P



Cilindro E-E’ modelo: DSN-16-120-P



Cilindro F-F’ modelo: ADN-25-260-A-P-A



Cilindro G modelo: DGO-16-650-PPV-A-B



Cilindro H modelo: DNC-32-400-PPV



Cilindro I modelo: DSN-20-300-P



Cilindro J-J’ modelo: ADN-16-50-A-P-A

Tiempo total de posicionamiento: 1 s


Cilindro K-K’ modelo: DNC-32-250-PPV



Cilindro M-M’ modelo: DNC-40-400-PPV



ANEXO III CONEXIÓN DE EQUIPO NEUMÁTICO

IPN

Em

pre

sa:

Dis

eñ

ad

or:

1:3

LA

YO

UT

_T

ES

IS.d

wg

1S

up

erv

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CIR

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ITO

S N

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MA

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EM

AS

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RO

L

15/O

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/2012

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Mo

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SO

L 6

CIL

IND

RO

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L 7

DIA

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AS

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L N

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L 4

SO

L 5

CIL

IND

RO

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L 3

SO

L 2

3

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CC

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L 1

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L 2

CIL

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RO

B

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DE

CO

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RO

L N

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SO

L 1

3

CIL

IND

RO

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CIR

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ITO

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EU

MA

TIC

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ES

QU

EM

AS

DE

CO

NT

RO

L

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UB

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Ing

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Mo

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OL

11

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RO

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4

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IND

RO

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eñ

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L 9

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IND

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L

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L 2

1

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5

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RO

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6

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IND

RO

J'

SO

L 1

7

CIL

IND

RO

K

SO

L 1

8

CIL

IND

RO

K'

ANEXO IV GABINETES DE CONTROLADORES

1

606-X

L

Ga

bin

ete

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ndard

mo

de

lo B

C4C

/18

10

40

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1

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10

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1:3

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2

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531

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1 E

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17

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+

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1:3

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E/2

012

Ing

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leja

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are

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IPN

925

mm

230

mm C

AN

AL

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AB

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O

FU

EN

TE

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EN

TA

CIO

N CLE

MA

S D

E C

ON

EX

ION

PO

IN I/O

GLOSARIO

CompactLogix: Familia de controladores de la marca Allen Bradley.

CPU: Central Processing Unit (unidad de proceso central).

HMI: Human Machine Interface (Interfaz Hombre Máquina).

Ethernet/IP: Protocolo de red en niveles para aplicaciones de automatización

Interfaz: Elemento físico o de programa que permite el acoplamiento de dos

sistemas distintos o dos partes distintas de un mismo sistema, al objeto de

intercambiar información

Comunicación: Proceso de transmisión de información de un emisor a un receptor a

través de un medio.

Controlador: Recibe el nombre de controlador, el dispositivo que se emplea para el

gobierno de uno o varios procesos.

RSLinx: Software que permite configurar el enlace (puertos de comunicación) del

PLC a los dispositivos de comunicación, entradas y salidas.

RSLogix 5000: Software de programación para PLC modulares de la marca Allen

Bradley

FactoryTalk View Studio: Software de programación de la marca Allen Bradley para

terminal grafica HMI.

Papel Tissue: El papel tissue es un papel higiénico fino absorbente hecho de pulpa

de celulosa. Se suele fabricar con varias capas como papel higiénico

PLC: Programmable Logic Controller (Controlador Lógico Programable)

http://es.wikipedia.org/wiki/Pulpa_de_celulosa

http://es.wikipedia.org/wiki/Pulpa_de_celulosa

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] alibaba. (s.f.). Obtenido de http://spanish.alibaba.com/product-gs/hx-zb-toilet-paper-packing-

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