Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PROPUESTA DE UN SISTEMA DE PALETIZADO
CONTINUO DE ALTA VELOCIDAD
T E S I S
PARA OBTENER EL GRADO DE: INGENIERO EN CONTROL Y
AUTOMATIZACIÓN
QUE PRESENTAN
MARTÍNEZ URBIOLA GONZALO ANTONIO
PICHARDO SAAVEDRA JUAN CARLOS
RIVÓN SANTIAGO EDGAR MARTÍN
ASESOR
ING. HUMBERTO SOTO RAMIREZ
M. en C.JOEL JUAREZ BETANCOURT
MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE, 2012
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Índice
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................................................... VII
OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................... VIIVIII
OBJETIVOS PARTICULARES .............................................................................................. VIIVIII
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... VIIVIII
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ IIX
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 1
1.1 MANIPULACIÓN MANUAL DE CARGAS .......................................................................... 1
1.1.1 Aspectos fisiológicos .......................................................................................................... 2
1.1.2 Efectos dañinos si realizamos operaciones de manipulación de cargas de forma
inadecuada .................................................................................................................................. 3
1.1.3 Tipos de riesgo ................................................................................................................... 3
1.1.4 Origen y causa del riesgo ................................................................................................... 4
1.2 PALETIZADO .......................................................................................................................... 8
1.2.1 Las fases del proceso de paletización ................................................................................ 9
1.2.2 Transportadores ............................................................................................................... 14
1.3 AUTOMATIZACIÓN ............................................................................................................ 18
1.3.1 El autómata programable o Controlador Lógico Programable (PLC) ........................... 22
1.3.2 Sistemas electro hidráulicos de control de movimiento ................................................... 27
1.3.3 Neumática e hidráulica .................................................................................................... 28
1.3.4 Sensores ............................................................................................................................ 49
1.3.5 Motor eléctrico trifásico de inducción tipo Jaula de Ardilla ........................................... 54
1.3.6 Variador de velocidad ...................................................................................................... 60
CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ACTUAL Y PLANTEAMIENTO DE LA
SOLUCIÓN ....................................................................................................................................... 65
2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ACTUAL .......................................................................... 65
2.1.1 Funciones de trabajadores en cada área. ........................................................................ 71
2.2 PROPUESTA DE LA SOLUCIÓN ........................................................................................ 73
2.2.1 Estudio de tiempos y movimientos .................................................................................... 76
CAPITULO III. PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN DE INGENIERÍA .............................. 79
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3.1 ETAPA 1 – EXPULSIÓN DE CAJAS EN LA BANDA FINAL. .......................................... 82
3.2 ETAPA 2 – ROTACIÓN DE CAJAS. .................................................................................... 84
3.3 ETAPA 3 – BANDA TRANSPORTADORA ESPECIAL DE POSICIONAMIENTO. ........ 88
3.4 ETAPA 4 – COLOCACIÓN DE ESTRATOS SOBRE EL PALLET. ................................... 95
3.5 ETAPA 5 – SISTEMA HIDRÁULICO DE ELEVACIÓN. ................................................. 101
3.6 REJA DE SEGURIDAD Y COLOCACION DEL PANEL DE CONTROL ....................... 104
CAPITULO IV. CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS Y PROGRAMACIÓN DEL
CONTROLADOR MICROLOGIX 1100 ....................................................................................... 109
4.1 CONFIGURACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS ................................................................... 109
4.1.1 Configuración del PLC .................................................................................................. 109
4.1.2 Configuración de los circuitos de 24 VDC y 120 VAC .................................................. 110
4.1.3 Configuración de las entradas y salidas ........................................................................ 111
4.1.4 Configuración de los variadores de velocidad ............................................................... 114
4.2 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR....................................................................... 118
4.2.1 Configuración del Controlador ...................................................................................... 118
4.2.2 Archivos de programa .................................................................................................... 121
4.2.3 Simulaciones en Automation Studio ................................................................................... 140
CAPITULO V. COSTO DE LA PROPUESTA DEL PALETIZADO CONTINUO DE ALTA
VELOCIDAD ................................................................................................................................. 155
5.1 COSTOS POR ETAPAS ....................................................................................................... 155
5.2 COSTOS DE INVESTIGACIÓN E INGENIERÍA .............................................................. 160
RESULTADOS Y CONCLUSIONES ............................................................................................ 161
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................. 163
GLOSARIO DE TÉRMINOS ......................................................................................................... 166
ANEXO A ....................................................................................................................................... 170
FIGURA A: ETAPA 2 – BANDA ROTACIÓN DE CAJAS .......................................................... 171
FIGURA B: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................. 172
FIGURA C: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................ 173
FIGURA D: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................ 174
FIGURA E: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................. 175
FIGURA F: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................. 176
FIGURA G: ETAPA 3 – ESLABON ............................................................................................ 177
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FIGURA H: ETAPA 3 – CORREDERA ...................................................................................... 178
FIGURA I: ETAPA 4 – CAMA DE RODILLOS .......................................................................... 179
FIGURA J: ETAPA 4 – CAMA DE RODILLOS ......................................................................... 180
FIGURA K: ETAPA 4 – BARRERA NEUMÁTICA ..................................................................... 181
FIGURA L: ETAPA 4 – ACOMODO DEL ESTRATO ................................................................ 182
FIGURA M: ETAPA 4 – SOPORTE ........................................................................................... 183
FIGURA N: ETAPA 4 – PLACA PARA EL ACOMODO DEL ESTRATO .................................. 184
FIGURA O: ETAPA 4 – LÁMINA METÁLICA ........................................................................... 185
FIGURA P: ETAPA 4 – MESA DE RETIRO DE PLACA ........................................................... 186
Índice de figuras
Figura 1. 1 Características de la carga ................................................................................................. 4
Figura 1. 2 Esfuerzo físico requerido .................................................................................................. 5
Figura 1. 3 Condiciones del medio de trabajo ..................................................................................... 5
Figura 1. 4 Organización de la actividad ............................................................................................. 6
Figura 1. 5 Factores individuales ........................................................................................................ 6
Figura 1. 6 Los transportadores de rodillo ........................................................................................ 16
Figura 1. 7 Relación de la automatización fija, automatización programable y automatización
flexible como una función del volumen de producción y de la diversidad el producto. ................... 21
Figura 1. 8 Estructura del PLC compacto ......................................................................................... 24
Figura 1. 9 Estructura del PLC modular ........................................................................................... 25
Figura 1. 10 Preparación del aire. ..................................................................................................... 29
Figura 1. 11 Diagrama Espacio-Fase ................................................................................................ 30
Figura 1. 12 Circuito típico de un pistón dentro del cilindro en un sistema hidráulico .................... 32
Figura 1. 13 Cilindro de doble efecto ................................................................................................ 36
Figura 1. 14 Cilindro con amortiguación delantera ........................................................................... 37
Figura 1. 15 Cilindro de cuerpo básico ............................................................................................. 38
Figura 1. 16 Fijación por placa trasera .............................................................................................. 39
Figura 1. 17 Fijación por placa delantera .......................................................................................... 39
Figura 1. 18 Fijación por escuadras ................................................................................................... 39
Figura 1. 19 Fijación por articulación ............................................................................................... 40
Figura 1. 20 Horquilla hembra .......................................................................................................... 40
Figura 1. 21 Fijación por rótula ......................................................................................................... 40
Figura 1. 22 Representación de las posiciones de una válvula.......................................................... 41
Figura 1. 23 Vías y tipos de conexión ............................................................................................... 42
Figura 1. 24 Representación de las líneas de flujo ............................................................................ 42
Figura 1. 25 Localización de los distintos orificios........................................................................... 43
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Figura 1. 26 Gobierno de un cilindro ................................................................................................ 44
Figura 1. 27 Válvulas con distintas funciones ................................................................................... 45
Figura 1. 28 Diferentes tipos de accionamiento manual ................................................................... 46
Figura 1. 29 Diferentes formas de mando mecánico ......................................................................... 47
Figura 1. 30 Electroválvula de accionamiento directo. ..................................................................... 49
Figura 1. 31 Motor trifásico de jaula de ardilla de última generación .............................................. 55
Figura 1. 32 Tipos de bobinados de rotor de jaula de ardilla. ........................................................... 57
Figura 1. 33 La tensión rotórica UR es proporcional al deslizamiento s. Una tensión del rotor del
10% corresponde a un deslizamiento del 10%. ................................................................................. 57
Figura 1. 34 Potencia de salida y pérdidas en un motor de inducción trifásico ................................ 60
Figura 1. 35 Comportamiento del motor a tensión y frecuencia de placa ......................................... 61
Figura 1. 36 Diagrama electrónico típico .......................................................................................... 62
Figura 1. 37 Gráfica de Velocidad-Par .............................................................................................. 63
Figura 2. 1 Distribución de planta (Vista superior). .......................................................................... 65
Figura 2. 2 Fabricación de pasta (Vista superior). ............................................................................ 66
Figura 2. 3 Área de horneado (Vista superior). ................................................................................. 67
Figura 2. 4 Área de empacado de galletas (Vista superior). ............................................................. 68
Figura 2. 5 Área de encajado (Vista superior)................................................................................... 68
Figura 2. 6 Área paletizado (Vista superior). .................................................................................... 69
Figura 3. 1 Sistema de paletizado continuo de alta velocidad. .......................................................... 79
Figura 3. 2 Modificaciones en banda final de proceso ...................................................................... 82
Figura 3. 3 Etapa 1. ........................................................................................................................... 83
Figura 3. 4 Dispositivos de la etapa 1. .............................................................................................. 84
Figura 3. 5 Etapa 2. ........................................................................................................................... 85
Figura 3. 6 Posición de las cajas en la cinta transportadora. ............................................................. 85
Figura 3. 7 Cilindro neumático FESTO de doble efecto modelo DNC-50-100-PPV. ...................... 86
Figura 3. 8 Montaje del cilindro neumático 2. .................................................................................. 86
Figura 3. 9 Rotación de cajas. ........................................................................................................... 87
Figura 3. 10 Etapa 3. ......................................................................................................................... 88
Figura 3. 11 Actuador lineal neumático FESTO. .............................................................................. 89
Figura 3. 12 Válvula FESTO biestable de 5 vías 3 posiciones. ........................................................ 89
Figura 3. 13 Cilindro neumático sin vástago. .................................................................................... 90
Figura 3. 14 Eslabón de banda posicionadora. .................................................................................. 90
Figura 3. 15 Corredera. ..................................................................................................................... 91
Figura 3. 16 Mecanismo de guías. ..................................................................................................... 91
Figura 3. 17 Vista inferior del mecanismo de guías. ......................................................................... 92
Figura 3. 18 Fin de banda de posicionamiento. ................................................................................. 92
Figura 3. 19 Guías de retorno. ........................................................................................................... 93
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Figura 3. 20 Vista inferior, retorno de correderas. ............................................................................ 93
Figura 3. 21 Bases para sensor fotoeléctrico de barrera. ................................................................... 94
Figura 3. 22 Bases para sensor fotoeléctrico de barrera al final de la banda..................................... 94
Figura 3. 23 Etapa 4 (formación del estrato) ..................................................................................... 95
Figura 3. 24 Cama de rodillos ........................................................................................................... 96
Figura 3. 25 Llegada de cajas ............................................................................................................ 96
Figura 3. 26 Barrera neumática ......................................................................................................... 97
Figura 3. 27 Sistema de barrera neumático. ...................................................................................... 97
Figura 3. 28 Acomodo del estrato ..................................................................................................... 99
Figura 3. 29 Vista superior ................................................................................................................ 99
Figura 3. 30 Retiro de lámina metálica dirigida por cilindro neumático. ........................................ 100
Figura 3. 31 Vista lateral ................................................................................................................. 101
Figura 3. 32 Dispositivos de la etapa 5 ........................................................................................... 102
Figura 3. 33 Esquema general de funcionamiento del sistema hidráulico de elevación ................. 102
Figura 3. 34 Posición inicial del sistema hidráulico ........................................................................ 103
Figura 3. 35 Retiro del pallet completo. .......................................................................................... 104
Figura 3. 36 Enrejado de seguridad. ................................................................................................ 105
Figura 3. 37 Ubicación de panel de control..................................................................................... 106
Figura 3. 38 Distribución del panel de control. ............................................................................... 107
Figura 4. 1 LAYOUT del PLC ........................................................................................................ 109
Figura 4. 2 Módulos de expansión de E/S conectados al PLC sobre el riel .................................... 110
Figura 4. 3 Diagrama de habilitación/inhabilitación del sistema .................................................... 111
Figura 4. 4 Configuración de los módulos de entradas 1762-IQ16 ................................................. 113
Figura 4. 5 Configuración del módulo de salidas 1762-OW16 ....................................................... 113
Figura 4. 6 Disposición de los variadores (LAYOUT) ................................................................... 114
Figura 4. 7 Configuración del Variador 1, que se encontrará en la ETAPA 2 del proceso. ............ 115
Figura 4. 8 Configuración del Variador 2, que se encontrará en la ETAPA 3 del proceso. ............ 115
Figura 4. 9 Configuración del Variador 3, que se encontrará en la ETAPA 4 del proceso. ............ 116
Figura 4. 10 Configuración del controlador. ................................................................................... 119
Figura 4. 11 Configuración de las tarjetas de entradas y salidas digitales. ..................................... 119
Figura 4. 12 Creación de los archivos de programa. ....................................................................... 120
Figura 4. 13 Líneas 0 y 1 del archivo de programa arranque y paro. .............................................. 121
Figura 4. 14 Líneas 2, 3 y 4 del archivo de programa arranque y paro. .......................................... 122
Figura 4. 15 Líneas 5-10 del archivo de programa arranque y paro. ............................................... 123
Figura 4. 16 Líneas 11-14 del archivo de programa arranque y paro. ............................................. 124
Figura 4. 17 Diagrama espacio-fase de la etapa 3. .......................................................................... 125
Figura 4. 18 Líneas 0 - 3 del archivo de programa etapa 3. ............................................................ 127
Figura 4. 19 Líneas 4 - 10 del archivo de programa etapa 3. .......................................................... 128
Figura 4. 20 Diagrama espacio-fase de la etapa 4. .......................................................................... 129
Figura 4. 21 Líneas 0 y 1 del archivo de programa etapa 4............................................................. 132
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Figura 4. 22 Líneas 2 - 6 del archivo de programa etapa 4 ............................................................. 133
Figura 4. 23 Líneas 7 - 10 del archivo de programa etapa 4 ........................................................... 134
Figura 4. 24 Diagrama espacio-fase de la etapa 5. .......................................................................... 135
Figura 4. 25 Línea 0 del archivo de programa etapa 5 .................................................................... 137
Figura 4. 26 Líneas 1 - 6 del archivo de programa etapa 5 ............................................................. 138
Figura 4. 27 Líneas 7 - 11 del archivo de programa etapa 5 ........................................................... 139
Figura 4. 28 Líneas 12 - 16 del archivo de programa etapa ............................................................ 140
Figura 4. 29 Simulación Etapa 3 – estado inicial ............................................................................ 141
Figura 4. 30 Simulación Etapa 3 – segundo estado ......................................................................... 142
Figura 4. 31 Simulación Etapa 3 – tercer estado ............................................................................. 143
Figura 4. 32 Simulación Etapa 3 – cuarto estado ............................................................................ 144
Figura 4. 33 Simulación Etapa 3 – regreso a estado inicial ............................................................ 145
Figura 4. 34 Simulación Etapa 4 – estado inicial ............................................................................ 145
Figura 4. 35 Simulación Etapa 4 – primer estado ........................................................................... 146
Figura 4. 36 Simulación Etapa 4 – segundo estado ......................................................................... 146
Figura 4. 37 Simulación Etapa 4 – regreso a estado inicial ............................................................ 147
Figura 4. 38 Simulación Etapa 5 – estado inicial ............................................................................ 148
Figura 4. 39 Simulación Etapa 5 – primer estado ........................................................................... 149
Figura 4. 40 Simulación Etapa 5 – segundo estado ......................................................................... 150
Figura 4. 41 Simulación Etapa 5 – tercer estado ............................................................................. 151
Figura 4. 42 Simulación Etapa 5 – cuarto estado ............................................................................ 152
Figura 4. 43 Simulación Etapa 5 – quinto estado ............................................................................ 153
Figura 4. 44 Simulación Etapa 5 – regreso a estado inicial ............................................................ 154
Índice de tablas
Tabla 1. 1 Características comparativas de los sistemas neumático e hidráulico.............................. 34
Tabla 1. 2 Características comparativas de los sistemas neumático/hidráulico y eléctrico/electrónico.
........................................................................................................................................................... 35
Tabla 1. 3 Código para válvulas neumáticas ..................................................................................... 43
Tabla 1. 4 Velocidades sincrónicas típicas de un circuito de 50 Hz ................................................. 55
Tabla 2. 1 Velocidad/Frecuencia de operación de cada uno de los motores. .................................... 78
Tabla 3. 1 Equipo a utilizar en cada etapa de la propuesta de solución. ........................................... 81
Tabla 4. 1 Asignación de entradas y salidas por etapa .................................................................... 111
Tabla 4. 2 Selección de fuente de frecuencia preseleccionada ........................................................ 117
Tabla 5. 1 Costos por etapas............................................................................................................ 156
Tabla 5. 2 Análisis por Honorarios ................................................................................................. 160
Instituto Politécnico Nacional
VII
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad se buscan alternativas para el paletizado de alta velocidad, debido a que las
líneas de producción son cada vez más automatizadas con lo que se produce un mayor
número de bienes, exigiendo que los procesos que integran la línea total del producto
desempeñen su tarea a la misma velocidad o mayor que el proceso de producción para
acortar el tiempo en la línea total del producto, desde su producción, empacado, hasta el
embalado, con la automatización de los procesos cómo medio para lograr lo anterior.
En la mediana empresa de producción de galletas, el proceso de paletizado se lleva a cabo
por medio de personas, por lo que es un proceso que puede mermar la calidad, así como
dañar los productos empacados debido al cansancio y al estrés acumulados durante las
largas jornadas de trabajo generando pérdidas para le empresa, además es un proceso lento,
con lo que causa un efecto de cuello de botella en la línea total del producto, ya que las
cajas se van acumulando en la línea del proceso de paletizado, teniendo que forzar la
reducción de la velocidad en la línea de producción.
La industria de automatización nacional no ofrece sistemas de paletizado de alta velocidad,
por lo cual las industrias nacionales se ven en la necesidad de implementar sistemas de
paletizado desarrollados por la industria de automatización extranjera, lo que conlleva a una
serie de gastos adicionales, por ejemplo, la importación, contratación de operadores,
capacitaciones o actualizaciones y mantenimientos de las empresas extranjeras que los
desarrollan.
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VIII
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar una propuesta de automatización que sea una alternativa para paletizado
continuo de alta velocidad mediante el uso de cintas transportadoras, camas de rodillos y
actuadores neumáticos, controladas a través de un Controlador Lógico Programable y
Variadores de Velocidad.
OBJETIVOS PARTICULARES
Integrar de manera eficiente la línea de producción de una mediana empresa de
producción de galletas con el proceso de paletizado automático.
Reducir el tiempo en la línea total del producto, es decir, desde la producción hasta
el embalado.
Asegurar la calidad del producto.
Reducir las pérdidas ocasionadas por el maltrato de productos en el proceso de
paletizado.
JUSTIFICACIÓN
El proceso actual de paletizado en la mediana empresa de producción de galletas es
realizado de forma manual, por lo cual es lento, disminuye la calidad de los productos así
como su presentación, además dando la posibilidad de que se dañen siendo esto una pérdida
para la empresa.
Las soluciones existentes para la automatización de este proceso son costosas ya que son
desarrolladas por firmas de ingeniería extranjera, por la importación, el mantenimiento,
entre otros.
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IX
En base a lo anterior surge la propuesta de desarrollo de la automatización del proceso de
paletizado continuo de alta velocidad con ingeniería nacional, para hacer menos costosa su
adquisición por las empresas, además, de hacer que este sea eficiente, asegurando la calidad
de los productos, disminuyendo las pérdidas por daños, además de lograr la correcta
integración de los mismos a la línea de paletizado, evitando los efectos de cuello de botella,
con lo que se reduce el tiempo en la línea total del producto.
Sin el desarrollo de este trabajo no se tendría una alternativa para solventar la problemática
existente dentro del área de paletizado de la mediana empresa productora de galletas, para
la cual se está desarrollando esta propuesta.
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se plantea una propuesta de paletización de alta velocidad para
solventar los problemas o requerimientos actuales, como lo es el tiempo en el que se
desarrollan e integran los procesos de paletización al final de la línea de producción de una
mediana empresa de producción de galletas.
La propuesta se desarrolló por el interés que tiene la empresa por incrementar su
productividad integrando de una manera adecuada la etapa de encajado a la etapa de
paletizado, mediante un sistema de alta velocidad.
Para hacer frente a los problemas mencionados, se desarrolla un análisis basado en; la
comparación de tiempos del proceso actual con el proceso automatizado, la comparación de
la calidad en el proceso de paletizado.
A continuación se presentan y describen los capítulos que contiene el presente trabajo.
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X
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO, esté capítulo contiene la información general del
proceso de paletizado, las distintas formas en que se puede presentar y las herramientas que
se utilizan para ello. La definición de automatización, sus tipos y las características de cada
uno de ellos, los bloques que la constituyen y la tecnología que se utiliza para desarrollarla
e implementarla en distintos procesos.
CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN ACTUAL DEL PROCESO Y
DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN, en éste capítulo se describe cómo se llevan a cabo
actualmente todos los procesos de la empresa, haciendo énfasis en el proceso de paletizado.
Se presenta un diagnóstico en el cual se califica la gravedad de los problemas que se
generan por el proceso de paletizado actualmente presente en la empresa. Por último se
describe la solución propuesta para el proceso de paletizado mediante un sistema de alta
velocidad.
CAPITULO III. PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN DE INGENIERÍA, a lo largo
de éste capítulo se muestra el diseño de la máquina propuesta y los diversos componentes
que formarán parte de la misma, en donde se indican sus características, formas de
operación, el montaje y su orientación.
CAPITULO IV. CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS Y PROGRAMACIÓN DEL
CONTROLADOR, en este capítulo se presenta el controlador lógico programable a
utilizar, la programación desarrollada para el control del sistema propuesto, así como la
configuración de los variadores de velocidad y las conexiones eléctricas de todo el sistema.
CAPITULO V. COSTO DE LA PROPUESTA, durante este capítulo se muestra una tabla
general con el costo de todos los equipos y el costo de desarrollo de ingeniería.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
1
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
A medida que las pequeñas empresas de fabricación que recién inician sus operaciones
crecen y aumentan la producción, inevitablemente buscarán formas de mejorar su
funcionamiento. La mano de obra tiene ventajas de flexibilidad, perspectiva humana y un
costo inicial relativamente bajo. La automatización mecánica también tiene ventajas:
ergonomía, repetitividad y resistencia, por nombrar algunas. Cada empresa debe sopesar las
ventajas y desventajas entre las operaciones manuales y las automáticas.
Muchas industrias principales: minerales, alimentos, productos químicos, alimentos para
mascotas, alimentación, semillas, agricultura y otras, usan cajas como un medio de
almacenamiento y transporte de productos. La mayoría de las operaciones comienzan con
el apilamiento manual de las cajas y, luego, eventualmente terminan con alguna forma de
paletizado automático [1].
En este capítulo se presenta toda la información pertinente a lo que es automatización,
sensores, controladores y actuadores, manipulación de cargas manuales, el proceso de
paletizado, neumática e hidráulica así como sus ventajas, desventajas y aplicaciones. Que
nos servirá como punto de partida para efectuar la propuesta de automatización mencionada
con anterioridad.
1.1 MANIPULACIÓN MANUAL DE CARGAS
Se considera que la manipulación manual de toda carga que pese más de 3 kg puede
entrañar un potencial riesgo dorso-lumbar, si se manipula en condiciones ergonómicas
desfavorables (alejada del cuerpo, con posturas inadecuadas, muy frecuentemente, en
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
2
condiciones ambientales desfavorables, con suelos inestables, etc.). Por lo que es necesario
definir algunos aspectos importantes sobre la realización de este trabajo manualmente.
1.1.1 Aspectos fisiológicos
Uno de los principales motivos de que exista un riesgo asociado a la manipulación manual
de cargas es la limitación anatómica y fisiológica que presenta el cuerpo humano para
realizar esta actividad.
Interpretando de forma simplificada la capacidad del cuerpo humano para actuar como
elemento de elevación y transporte se pueden considerar tres sistemas fundamentales:
✓ Estructura portante: huesos, articulaciones, ligamentos.
✓ Sistema motor: músculos, tendones.
✓ Sistemas de control: cerebro y sistema nervioso.
El cuerpo humano es una máquina casi perfecta, pero con limitaciones:
✓ Limitaciones de la Estructura portante: limitaciones anatómicas de
articulación de la columna vertebral por la propia estructura ósea de las vértebras
que limita los movimientos de flexión hacia atrás, los laterales, y los de rotación.
Además debemos tener en cuenta que la presión ejercida sobre la
columna al levantar una carga aumenta considerablemente al separar el objeto
del cuerpo.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
3
✓ Limitaciones del Sistema Motor: limitaciones de la resistencia de los músculos ante
esfuerzos dinámicos bruscos, trabajos estáticos mantenidos o trabajos dinámicos
continuados.
✓ Limitaciones del Sistema de Control: el cerebro humano como
controlador de la actividad muscular durante el manejo manual de cargas no tiene
restricciones para evitar que se superen las limitaciones de los sistemas
anteriores, incluso el carácter de las personas tiende en ocasiones a superarlas.
1.1.2 Efectos dañinos si realizamos operaciones de manipulación de cargas de forma
inadecuada
✗ Lesiones dorso lumbares.
✗ Distensión o roturas musculares o de ligamentos.
1.1.3 Tipos de riesgo
✓ Sobreesfuerzos: esfuerzos que sobrepasan la capacidad de funcionamiento normal de
nuestro organismo al manipular cargas de peso/volumen excesivo o de forma incorrecta.
✓ Caída de objetos en manipulación: circunstancia imprevista y no deseada que se origina
al perder la estabilidad de los objetos durante su manipulación.
✓ Fatiga física: situación de desgaste físico ocasionado por esfuerzos realizados durante la
manipulación por reiteración de la operación o por prolongación del tiempo en que se
sostiene la carga.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
4
✓ Caídas al mismo o distinto nivel: por dificultades de paso o impedimento de visión,
irregularidades del piso, etc.
✓ Golpes / cortes por objetos o herramientas.
1.1.4 Origen y causa del riesgo
El riesgo de la manipulación manual de carga dependerá de las operaciones y de las
circunstancias en que dichas operaciones se realizan. Estas constituyen los factores de
riesgo.
En la siguiente imagen (Figura 1.1) se muestran algunas características de la carga que
pueden representar un riesgo.
Figura 1. 1 Características de la carga
En la siguiente imagen (Figura 1.2) se muestran algunos esfuerzos físicos necesarios que
pueden representar un riesgo.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
5
Figura 1. 2 Esfuerzo físico requerido
En la siguiente figura 1.3 se muestran algunas condiciones del medio de trabajo que pueden
representar un riesgo.
Figura 1. 3 Condiciones del medio de trabajo
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
6
En la siguiente figura 1.4 se muestran algunas formas de organización del trabajo que
pueden representar un riesgo.
Figura 1. 4 Organización de la actividad
En la siguiente figura 1.5 se muestran algunos factores individuales del trabajador que
pueden representar un riesgo.
Figura 1. 5 Factores individuales
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
7
Existen otros factores de carácter personal que condicionan las aptitudes para llevar a cabo
trabajos que implican manejo manual de cargas, como puede ser: obesidad, falta de fuerza
física, tabaquismo, factores psicológicos, entre otros.
En resumen:
- La manipulación manual de cargas origina diferentes situaciones de riesgo que debemos
conocer. Muchas de las situaciones de riesgo suelen dar lugar a problemas
generalmente de tipo dorso lumbar.
- Los factores de riesgo van a depender de las operaciones que se realicen y en qué
circunstancias se hacen, englobándolos en cinco grupos diferentes: características de la
carga, esfuerzo físico, características del medio, exigencia de la actividad y factores
individuales.
- Para evitar los efectos debemos de aplicar medidas de control teniendo en cuenta: la
forma en la que vamos a levantar la carga y cómo vamos a realizar el transporte y sujeción
de la misma [2].
En base a todo lo anterior se comprender, que la manipulación manual de cargas puede
provocar consecuencias en la calidad de vida del operador, de tal modo que muchas de las
medianas empresas en crecimiento deben considerar la carga manual como una desventaja
alarmante para su desarrollo, de este modo es viable pensar en un proceso automatizado, el
cual estará enfocado en un sistema de paletizado. Esto nos lleva a conocer el siguiente
concepto para ir creando una visión más amplia de lo que significa esta palabra y su
finalidad.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
8
1.2 PALETIZADO
Paletizar consiste en acomodar cajas de productos sobre un soporte de madera (sistema
típico) conocido como pallet o tarima, para facilitar la manipulación y el transporte
contemporáneo de una gran cantidad de artículos sin someterles a manejos excesivos.
Con el transcurso del tiempo, los pallets han sufrido una importante evolución desde su rol
original de simple unidad logística, adaptándose continuamente al mundo de la distribución
moderna. Estética, funcionalidad y dimensiones reducidas de los embalajes son sólo
algunos aspectos que inciden en el desarrollo de los nuevos paletizadores y de sus sistemas
auxiliares.
Al comparar un paletizador actual con uno de sólo 10 años atrás resultan evidentes las
diferencias de relevancia que de un modo u otro reflejan el cambio que han sufrido también
las costumbres de los consumidores al momento de realizar sus compras, lo que ha
determinado a su vez una revolución en la organización de los puntos de venta de los
diversos distribuidores.
Asimismo, la macro tendencia del respeto del ambiente parece indicar cómo el peso y la
cantidad de los materiales de embalaje estén destinados a reducirse en el futuro, a favor
incluso de un interesante ahorro en términos económicos para los operadores del sector de
embalajes. Es así que nos enfrentaremos al problema de la fragilidad y la inestabilidad de
los contenedores primarios en primer lugar, y de ciertos tipos de embalajes múltiples, que
resultarán siempre más difíciles de manipular.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
9
No olvidemos además que algunos protagonistas del mundo de la distribución como los
supermercados y los mayoristas, entre otros, suelen exponer los productos directamente
dispuestos sobre pallets en sus almacenes, lo que conlleva la necesidad de una estética
determinada, en especial en lo que se refiere a la orientación de las presentaciones frontales
de los productos en los laterales de cada pallet.
Los paletizadores actuales contemplan todos estos aspectos, son capaces de tratar mejor los
productos difíciles y garantizan una gran flexibilidad operativa en términos del formato de
paletización y de cambio de formato. Hoy más que nunca, los puntos finales de las líneas y
los paletizadores deben considerarse instrumentos estratégicos capaces de garantizar a las
empresas la posibilidad de manipular los productos que el mercado exigirá en el futuro, y
que en muchos casos demanda ya. Lo que nos lleva a conocer las diferentes tecnologías que
se han desarrollado a lo largo de la historia y como ya se mencionó a la demanda del
mercado.
1.2.1 Las fases del proceso de paletización
El proceso de paletización consta de varias fases, cada una de las cuales resulta
indispensable para obtener un pallet en el que el producto se disponga de modo tal de
responder a las exigencias relativas a:
• Dosificación del producto.
• Rotación del producto.
• Formación del estrato.
• Compactación.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
10
• Recolección y el depósito.
Dosificación de los paquetes
El objetivo de la dosificación consiste en distanciar y contar los productos a paletizar
(cajas, fardos, artículos sueltos, etc.). Los productos destinados a la paletización se
trasladan desde una zona de acumulación hasta el paletizador a través de un sistema de
cintas transportadoras que permite distanciar convenientemente un producto de otro y
facilitar así su posterior recuento. Los productos pueden gestionarse individualmente (un
producto por vez) o en lotes: esta última solución contribuye a un significativo incremento
de la productividad y a una reducción de la velocidad de avance del producto. Su
desventaja: trabajar con filas de productos no permite garantizar una disposición específica
de cada artículo.
Rotación de paquetes
La fase de rotación de los paquetes permite disponer los productos según la configuración
necesaria. Las exigencias básicas que determinan la necesidad de rotar los productos son:
• Optimización de la estabilidad.
• Optimización del número de productos por estrato.
• Optimización de la visualización de los embalajes (visibilidad del nombre del producto en
el pallet), particularmente importante cuando el mismo pallet es el medio expositor del
producto (supermercados “descuentos altos”). El mecanismo más simple que permite rotar
un producto funciona por impacto contra una referencia fija. Se trata de un sistema
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
11
altamente funcional cuando las velocidades no son excesivamente elevadas y los productos
no son frágiles.
En las aplicaciones con altas velocidades y productos frágiles, la fase de rotación requerirá
soluciones tecnológicas superiores. La elección de uno u otro sistema, o incluso de una
solución combinada, dependerá de las variables en juego durante el proyecto y/o de las
solicitudes particulares de cada cliente. Los sistemas de rotación más empleados son:
Rotación inferior para entrada de rodillos
o Contra-placa con revestimiento de goma y sistema amortiguador neumático para
absorción de impactos.
o Acelerador rotativo estándar (útil para paquetes de grandes dimensiones).
Rotación inferior para entrada de cinta
o "Dedo" con revestimiento de goma y sistema amortiguador neumático para absorción
de impactos.
o Guía de alineación para completar la rotación y mantener el paquete en su posición
correcta.
Formación del estrato
Tras orientar los paquetes o los lotes en función de la configuración de paletización
adoptada, deben alinearse y predisponerse para formar el estrato.
La formación del estrato puede realizarse:
• En línea.
• A 90º respecto del sentido de avance de los productos.
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12
En virtud de sus características técnico-constructivas, los sistemas en línea se adoptan
mayormente cuando se requieren altas velocidades de proceso, mientras que los sistemas a
90º resultan adecuados en los casos de velocidades medio-bajas.
Formación del estrato con sistema de rodillos
El sistema más tradicional consiste en utilizar separadores (o divisores) contra los que el
producto se detiene posicionándose en función de la configuración seleccionada.
Accionados por cilindros neumáticos, estos divisores suben desde la parte inferior del
mecanismo de rodillos sobre los que deslizan los productos. A menor diámetro de los
rodillos, mayor es el número de separadores que podrán instalarse, y mayor será la
posibilidad de posicionar el producto correctamente.
Al incrementarse las configuraciones de paletización y/o ante configuraciones de gran
complejidad, el aumento del número de separadores necesarios (y por consiguiente de los
espacios necesarios para su subida) redunda en una mayor dimensión total del estrato no
compactado aún.
Este estrato no compactado puede descomponerse durante la transferencia, requiriéndose
entonces una corrección manual externa.
La adopción de configuraciones de paletización no previstas durante la fase de proyecto
frecuentemente requiere nuevos componentes mecánicos y la presencia de un técnico
especializado para su instalación.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
13
Cualquiera sea el caso, este tipo de paletizadores con separadores sigue cumpliendo un rol
importante cuando no se requieren altas velocidades ni un gran número de configuraciones,
resultando una solución económica y eficaz.
Formación del estrato sobre cinta paso
El uso de una cinta paso-paso sin separadores es una solución reciente, altamente eficaz
cuando aumentan las exigencias de prestación debido al número de las configuraciones de
paletización y a la velocidad del proceso. Un sistema de cintas accionadas por motores sin
escobillas permite alinear los productos para formar un estrato sin necesidad de utilizar
separadores (basta el simple movimiento de las cintas para obtener el resultado buscado).
Esta solución permite eliminar los impactos entre los productos y entre éstos y los
separadores.
Además, basta adaptar una serie de parámetros para poder definir una nueva configuración
de paletización sin necesidad de instalar componentes mecánicos y/o eléctricos adicionales.
Ventajas adicionales de este sistema:
• Fácil y mínimo mantenimiento.
• Consumo neumático reducido (los separadores implican un consumo mayor debido a los
cilindros).
• Creación de nuevas configuraciones de paletización sin necesidad de instalar
componentes adicionales.
• El cliente puede crear sus propias configuraciones tras un breve período de capacitación.
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14
Compactación, recogida y/o depósito de estratos
El estrato apenas formado debe compactarse antes de ser recogido y depositado sobre el
pallet. Las características de esta operación varían en función del paletizador utilizado.
Paletizadores tradicionales
En el caso de los paletizadores tradicionales, el sistema de compactación está constituido
por 3 perfiles con accionamiento individual a motor que garantizan una gran flexibilidad
del proceso cuando se emplean pallets de dimensiones diferentes, sin que se requieran así
regulaciones manuales [3].
Los transportadores son indispensables en los procesos de paletizado razón por la cual a
continuación se presenta lo que es un transportador y los tipos de transportadores que
existen.
1.2.2 Transportadores
Los transportadores son máquinas de diseño en horizontal, en vertical o en pendiente
que se usan para el transporte continuado de materiales en una trayectoria determinada,
hasta el punto final o de descarga. Se componen de una cinta de superficie que circula
en unos rodillos y poleas, por un motor de propulsión, y todo ello dispuesto en una
estructura o soporte.
Hay transportadoras que son accionadas por gravedad, y otras por fuerza motriz como
los transportadores de banda, tablillas, arrastre, neumáticos, vibratorios, rodillos,
tornillos y elevadores de cubos.
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15
Los transportadores de arrastre y los elevadores de cubos se emplean para transportar
materiales en dirección vertical o para transportar formando un ángulo grande con
respecto a la horizontal, este tipo de transportadores realizan una transportación
continua en las cuales el desplazamiento se lo realiza para cargas en polvo, en granos y
en pedazos pequeños. Este tipo de transportadores no es apto por la razón de que el
ángulo que necesitamos con respecto a la horizontal es pequeño y la carga a transportar
son pedazos grandes.
En el caso del transportador de tornillo se emplea para el transporte de materiales
movedizos, así como materiales húmedos en dirección horizontal y la vía de
transportación es cerrada. Por este motivo este tipo de transportador no reúne los requisitos
ya que este no transporta pedazos grandes y se necesita una vía de transporte abierta en
caso de cualquier eventualidad.
Los transportadores vibratorios pertenecen a la clase de transportadores movedizos, la
carga se desplaza mediante las oscilaciones del elemento portador de carga este
desplazamiento inclinado únicamente se lo realiza bajo un ángulo en dirección de las
oscilaciones, las cargas que se transportan son de polvo, tóxicos, químicamente
agresivas, calientes. En razón esta transportadora no cuenta con la capacidad de
transportar pedazos grandes porque el dimensionamiento de estos transportadores son muy
pequeños para el transporte de las pacas de papel, este tipo de transportador no realiza la
elevación de cargas por tramos inclinados por lo que solo realiza el transporte por
desplazamiento por las oscilaciones y gravedad.
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16
El transportador neumático se utiliza para el transporte de materiales movedizos, el
traslado de las partículas de material se efectúa mediante una corriente de aire, este tipo
de transportador se lo utiliza en las empresas de construcción como para el transporte de
cemento.
Transportadores de rodillo
Los transportadores de rodillo Figura 1.6 (caminos de rodillos), se emplean para
transportar diversas cargas envasadas y por piezas, es decir, conjuntos y piezas de las
máquinas y mecanismos, moldes de fundición, cajas, vigas laminadas, maderas, tubos,
planchas metálicas, cargas a granel en envases de saco, etc. Los transportadores de este
tipo se emplean ampliamente en los talleres de preparación y mecánicos de las fábricas
de construcción de maquinaria, en los talleres de laminado de las fábricas metalúrgicas,
en las empresas de industria ligera, alimentaría, en los almacenes de transporte y de
mercancía.
Figura 1. 6 Los transportadores de rodillo
Los transportadores de rodillo por sus particularidades constructivas se dividen en dos
tipos principales independientes: a) transportadores sin transmisión, gravitacionales, en
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17
los cuales el movimiento de la carga se produce bajo la acción del propio peso, como
consecuencia de una pequeña inclinación de la superficie del transportador hacia el lado
del movimiento; b) transportadores de transmisión, en los cuales los rodillos rotan
directamente desde un motor eléctrico o a través de transmisiones dentadas, por cadena, por
bandas y por cables desde una transmisión general.
Datos económicos
Los transportadores de rodillos sin transmisión son las máquinas de transporte continuo
más baratas. Los gastos de trabajo en la fabricación del conjunto masivo del
transportador de rodillo en la producción en cadena no son muy grandes, y los trabajos en
el ensamblaje del transportador no son complejos y son poco considerables
atendiendo al volumen.
Los transportadores de rodillos con transmisión, por sus índices de costo, se aproximan
a los transportadores de banda en cuanto a su construcción y, a veces, son superiores a
éstos; sin embargo, en cuanto a los consumos de explotación tienen una ventaja
evidente, ya que cualquier órgano de tracción del transportador de rodillo, incluyendo el
órgano en forma de la banda encauchada, sirve más tiempo que en el transportador de
banda [4].
Con anterioridad se hizo mención de automatización, tema que en este punto es importante
retomar y definir después de haber comprendido lo que es un sistema de paletizado, para
ahora saber cómo automatizar un sistema de paletizado.
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18
1.3 AUTOMATIZACIÓN
En la concepción del progreso dominante en nuestra sociedad, la automatización se
presenta como uno de sus principios fundamentales. De este modo, automatizar no es
solamente un medio de aumentar la productividad y el control sobre la fuerza de trabajo,
sino también una manera de extender la ideología del progreso tecnológico como si se trata
de una ineludible necesidad histórica. Con ello, la automatización se ha asumido como
algo natural e inevitable, como si fuera hecho natural e incluso racional, en consonancia
con la idea de la evolución darwinista [5].
La automatización de los procesos industriales constituye uno de los objetivos más
importantes de las empresas en la siempre incesante tarea de la búsqueda de la
competitividad en un entorno cambiante y agresivo. La automatización de un proceso
industrial, (máquina, conjunto o equipo industrial) consiste en la incorporación al mismo,
de un conjunto de elementos y dispositivos tecnológicos que aseguren su control y buen
comportamiento. Dicho automatismo, en general ha de ser capaz de reaccionar frente a las
situaciones previstas de antemano y además frente a imponderables, tener como objetivo
situar al proceso y a los recursos humanos que lo asisten en la situación más favorable.
Históricamente, los objetivos de la automatización han sido el procurar la reducción de
costes de fabricación, una calidad constante en los medios de producción, y liberar al ser
humano de las tareas tediosas, peligrosas e insalubres.
Desde los años 60 debido a la alta competitividad empresarial y a la internacionalización
creciente de los mercados, estos objetivos han sido ampliamente incrementados. Téngase
en cuenta que como resultado del entorno competitivo, cualquier empresa se ve sometida a
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
19
grandes y rápidos procesos de cambio en búsqueda de su adecuación a las demandas de
mercado, neutralización de los avances de su competencia, o simplemente como maniobra
de cambio de estrategia al verse acortado el ciclo de vida de alguno de sus productos. Ello
obliga a mantener, medios de producción adecuados que posean una gran flexibilidad y
puedan modificar oportunamente la estrategia de producción.
La aparición de la microelectrónica y el computador, ha tenido como consecuencia el que
sea posible un mayor nivel de integración entre el sistema productivo y los centros de
decisión de política empresarial.
La tecnología de la automatización se centra en el conocimiento de los dispositivos
tecnológicos utilizados en la implementación de los automatismos, tales como
transductores, pre-accionadores, dispositivos funcionales de aplicación específica
(temporizadores, contadores, módulos secuenciadores etc.) y los dispositivos lógicos de
control (autómatas programables industriales).
Por otra parte el diseñador y el equipo de mantenimiento de los procesos automatizados,
deben contar con una serie de procedimientos metodológicos que le permitan abordar de
una manera sistematizada y potente el estudio preliminar, diseño análisis y mantenimiento
de estos sistemas automatizados [5].
Hay tres clases amplias de automatización industrial: automatización fija, automatización
programable y automatización flexible. La automatización fija se utiliza cuando el volumen
de producción es muy alto, y por tanto es adecuada para diseñar equipos especializados
para procesar el producto (o un componente de producto) con alto rendimiento y con
elevadas tasas de producción, un buen ejemplo de la automatización fija puede
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
20
concentrarse en la industria del automóvil, en donde las líneas de transferencia muy
integradas constituidas por varias decenas de estaciones de trabajo se utilizan para
operaciones de mecanizado en componentes de motores y transmisiones.
La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es
relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En éste caso el equipo de
producción está diseñado para ser adaptable a variaciones en la configuración del producto.
Ésta característica de adaptabilidad se realiza haciendo funcionar el equipo bajo el control
de un programa de instrucciones que se preparó especialmente para el producto dado. El
programa se introduce por lectura en el equipo de producción y éste último realiza la
secuencia particular de operaciones de procesamiento (o montaje) para obtener el producto.
Gracias a la característica de programación y a la adaptabilidad resultante del equipo,
muchos productos diferentes y únicos en su género pueden obtenerse económicamente en
pequeños lotes.
Existe una tercera categoría entre automatización fija y automatización programable que se
denomina automatización flexible. La experiencia adquirida hasta ahora con éste tipo de
automatización indica que es más adecuada para el rango de producción de volumen medio.
La Figura 1.7 muestra en una gráfica los 3 tipos de automatización.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
21
Figura 1. 7 Relación de la automatización fija, automatización programable y
automatización flexible como una función del volumen de producción y de la
diversidad el producto.
Los sistemas automatizados flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones
de trabajo que están interconectadas por un sistema de almacenamiento y manipulación de
materiales.
Una de las características que distingue a la automatización programable de la
automatización flexible es que con la automatización programable los productos se
obtienen en lotes. Con la automatización flexible, diferentes productos pueden obtenerse al
mismo tiempo en el mismo sistema de fabricación. Esto significa que pueden obtenerse
productos en un sistema flexible en lotes si ello fuera deseable, o varios estilos de productos
diferentes pueden mezclarse en el sistema [6].
Dentro de un sistema automatizado se requiere la intervención de instrumentos (sensores,
actuadores neumáticos, válvulas, PLC, etc.), que son herramientas necesarias para llevar a
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
22
cabo todo un proceso automático, así como la necesidad de comprender conceptos básicos
de neumática, hidráulica, etc. para poder comprender con mayor facilidad el proceso de
automatización.
1.3.1 El autómata programable o Controlador Lógico Programable (PLC)
Desde el punto de vista de su papel dentro del sistema de control, se ha dicho que el
autómata programable es la unidad de control, incluyendo total o parcialmente las
interfaces con las señales de proceso. Por otro lado, se trata de un sistema con un hardware
estándar, con capacidad de conexión directa a las señales de campo (niveles de tensión y
corriente industriales, transductores y periféricos electrónicos) y programable por el
usuario.
Al conjunto de señales de consigna y de retroalimentación que entran en el autómata se les
denomina genéricamente entradas y al conjunto de señales de control obtenidas salidas,
pudiendo ser ambas analógicas o digitales.
El concepto de hardware estándar que venimos indicando para el autómata se complementa
con el de modularidad, entendiendo como tal el hecho de que este hardware está
fragmentado en partes interconectables que permiten configurar un sistema a la medida de
las necesidades.
Así pues, encontramos autómatas compactos que incluyen una unidad de control y un
mínimo de entradas y salidas y luego tienen previstas una serie de unidades de expansión
que les permiten llegar hasta 128 o 256 entradas/salidas. Para aplicaciones más complejas
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
23
se dispone de autómatas montados en rack con posibilidad hasta unas 2000 entradas/salidas
controladas por una única unidad central (CPU).
Existe también la posibilidad, en autómatas grandes, de elección entre varios tipos de CPU,
adaptados a la tarea que deba realizarse o incluso de múltiples CPU trabajando en paralelo
en tareas distintas.
Así, las posibilidades de elección, tanto en capacidad de proceso como en número de
entradas/salidas, son muy amplias y esto permite afirmar que se dispone siempre de un
hardware estándar adaptado a cualquier necesidad.
Esta adaptabilidad ha progresado últimamente hacia el concepto de inteligencia distribuida,
gracias a las comunicaciones entre autómatas y a las redes autómata-ordenador. Esta
técnica sustituye al gran autómata, con muchas entradas/salidas controladas por una única
CPU, por varios autómatas, con un número menor de E/S, conectados en red y controlando
cada punto o sección de una planta bajo el control de una CPU central [7].
Clasificación del PLC
Compactos
Es decir, en un solo bloque se encuentran la CPU, la fuente de alimentación, la
sección de entradas y salidas, y el puerto de comunicación, este tipo de PLC se
utiliza cuando nuestro proceso a controlar no es demasiado complejo y no
requerimos de un gran número de entradas y/o salidas ó de algún módulo especial.
Modular
Se divide en:
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24
Estructura Americana.- En la cual se separan los módulos de entrada/salida
del resto del PLC.
Estructura Europea.- Cada módulo realiza una función específica; es decir,
un módulo es el CPU, otro la fuente de alimentación, etc.
En ambos casos, tenemos la posibilidad de fijar los distintos módulos
(Estructura Modular) o el PLC (Estructura Compacta) en rieles
normalizados.
En las figuras 1.8 y 1.9 se muestra la estructura del PLC Compacto y Modular
respectivamente.
Figura 1. 8 Estructura del PLC compacto
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
25
1. Rack.
2. Barra de compensación de
potencial.
3. Tarjetas de entradas y salidas.
4. Tarjetas de comunicación.
5. C.P.U.
6. Tarjeta de memoria.
7. Tarjeta de fuente de
alimentación.
Figura 1. 9 Estructura del PLC modular
Aplicaciones
Donde instalar un PLC:
Actuadores distintos en un mismo proceso industrial.
Verificación de las distintas partes del proceso de forma centralizada.
Cuando el lugar donde se tiene que instalar el sistema de control dentro de la
planta es reducido.
Procesos secuenciales.
Criterios para la selección del PLC
Capacidad de entradas y salidas.
Módulos funcionales (análogos, digitales, comunicación).
Cantidad de programas que puede ejecutar al mismo tiempo (multitarea).
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26
Cantidad de contadores, temporizadores, banderas y registros.
Lenguajes de programación.
Capacidad de realizar conexión en red de varios PLC.
Respaldo de la compañía fabricante del PLC, servicio y repuestos.
Compatibilidad con equipos de otras gamas.
Ventajas y desventajas del PLC
Ventajas:
Control más preciso.
Mayor rapidez de respuesta.
Flexibilidad Control de procesos.
Seguridad en el proceso.
Mejor monitoreo del funcionamiento.
Menor mantenimiento.
Detección rápida de averías.
Posibilidad de modificaciones sin elevar costos.
Menor costo de instalación, operación y mantenimiento.
Posibilidad de gobernar varios actuadores con el mismo autómata.
Desventajas:
Mano de obra especializada.
Centraliza el proceso.
Condiciones ambientales apropiadas.
Mayor costo para controlar tareas muy pequeñas o sencillas [8].
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27
1.3.2 Sistemas electro hidráulicos de control de movimiento
En sistemas hidráulicos, el medio de transmisión de potencia es un fluido hidráulico
presurizado. Si el control del flujo del fluido presurizado se hace por medios eléctricos,
entonces de denomina sistemas electrohidráulicos (EH). Si el control del fluido se hace por
una combinación de mecanismos mecánicos e hidráulicos, entonces se denominan sistemas
hidromecánicos.
Las aplicaciones de sistemas de control de movimiento hidráulico incluyen:
1. Equipo móvil como equipo de construcción que genera su potencia de un motor de
combustión interna y suministra potencia a herramientas de trabajo, por medio de
fluido hidráulico presurizado empleando una bomba, válvula y componentes del
cilindro/motor.
2. Aplicaciones de automatización en fábricas industriales:
a) Prensas (prensas punzonadoras, prensas de transferencia)
b) Máquinas de moldeo por inyección.
c) Accionamiento de control del espesor de láminas metálicas en fábricas
siderúrgicas [8].
Gracias a los sistemas electro hidráulicos, podemos mover cargas muy pesadas sin la
necesidad de la intervención humana, también encontramos otro tipo de transportes de
carga que nos permiten el traslado de cargas hacia otra zona y/o área donde se requiera
mover dicho objeto, como el que se menciona a continuación.
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28
1.3.3 Neumática e hidráulica
Los sistemas de movimiento y control basados en fluidos pueden ser neumáticos,
hidráulicos, eléctricos y mecánicos.
Neumática
La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire y así en sus
comienzos el hombre utilizó el viento en la navegación y en el uso de los molinos
para moler grano y bombear agua. En 1868 George Westinghouse fabricó un freno de
aire que revolucionó la seguridad en el transporte ferroviario. Es a partir de 1950 que
la neumática se desarrolla ampliamente en la industria con el desarrollo paralelo de
los sensores.
Los sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el empleo de
cilindros y motores neumáticos y se aplican en herramientas, válvulas de control y
posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar, motores neumáticos, sistemas de
empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neumáticas, robots industriales,
vibradores, frenos neumáticos, etc.
Las ventajas que presenta el uso de la neumática son el bajo coste de sus componentes, su
facilidad de diseño e implementación y el bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar
a las bajas presiones con que trabaja (típico 6 bar) lo que constituye un factor de seguridad.
Otras características favorables son el riesgo nulo de explosión, su conversión fácil al
movimiento giratorio así como al lineal, la posibilidad de transmitir energía a grandes
distancias, una construcción y mantenimiento fáciles y la economía en las aplicaciones.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
29
Entre las desventajas figura la imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la
compresibilidad del aire, los altos costes de la energía neumática y las posibles fugas que
reducen el rendimiento.
La neumática precisa de una estación de generación y preparación del aire comprimido
formada por un compresor de aire, un depósito, un sistema de preparación del aire (filtro,
lubricador y regulador de presión), una red de tuberías para llegar al utilizador y un
conjunto de preparación del aire para cada dispositivo neumático individual (Figura 1.10).
Los sistemas neumáticos se complementan con los eléctricos y electrónicos lo que les
permite obtener un alto grado de sofisticación y flexibilidad. Utilizan válvulas solenoide,
señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos
de final de carrera. El PLC (controlador lógico programable) les permite programar la
lógica de funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea
específica.
Figura 1. 10 Preparación del aire.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
30
Una herramienta eficaz para programar circuitos electro-neumáticos es el método “paso a
paso”, para el cual es preciso desarrollar diagramas de espacio-fase con los que se obtienen
los permisivos de cada paso para realizar determinada secuencia. A continuación se
presenta dicho método, así como los diagramas de espacio-fase o diagramas de
movimientos.
Diagramas de movimientos
Es un diagrama donde se muestra cada una de las fases de trabajo para los circuitos
secuenciales para ciclos programados, estas y otras particularidades del esquema deben
quedar claras en el diagrama para analizar los movimientos, las posiciones de cada cilindro
en un determinado momento y los tiempos empleados en los distintos recorridos. En la
siguiente imagen (Figura1.11), se muestra un ejemplo de un diagrama espacio fase. [9]
Figura 1. 11 Diagrama Espacio-Fase
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31
Método paso a paso
El método paso a paso, recibe este nombre porque una etapa es activada por la anterior y
desactivada por la siguiente. Se establece la secuencia o sucesión de movimientos a
realizar. Por ejemplo:
En la primera etapa un cilindro “A” se expulsa, en la segunda etapa un cilindro “B”
se expulsa y se contrae el cilindro “A”, en la tercera etapa el cilindro “B” es
retraído, en la cuarta etapa un cilindro “C” se expande, en la quinta etapa el cilindro
“A” y “B” vuelven a ser expulsados, en la sexta etapa el cilindro “A” es contraído y
en la última etapa el cilindro “B” y “C” son retraídos, como se observa a
continuación:
(A+, B+ A-, B- , C+, A+ B+, A-, B- C-)
Se divide la secuencia de movimientos en etapas, de tal modo, que en las etapas no haya
ninguna letra repetida y que el número de etapas sea el menor posible; cada etapa es
activada por la etapa anterior (último final de carrera de la etapa anterior) [10].
En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápido y
avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en la sujeción de piezas utilizada en
los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de
producción, se combinan la neumática y la hidráulica en un circuito oleo neumático,
utilizando parte neumática para accionamiento y control y parte hidráulica para el actuador.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
32
Hidráulica
La hidráulica utiliza básicamente los fluidos hidráulicos como medios de presión para
mover los pistones de los cilindros. En la Figura 1.12 se representa el movimiento típico de
un pistón dentro del cilindro gracias a la energía proporcionada por un sistema hidráulico
formado por una bomba, un depósito y un conjunto de tuberías que llevan el fluido a
presión hasta los puntos de utilización. Dentro de estos sistemas se encuentran los motores
hidráulicos con velocidades que abarcan desde 0,5 rpm hasta 10.000 rpm y el par que
proporcionan va desde 1 Nm (baja velocidad) hasta 20.000 Nm (alta velocidad).
Figura 1. 12 Circuito típico de un pistón dentro del cilindro en un sistema hidráulico
Los sistemas hidráulicos se aplican típicamente en dispositivos móviles tales como
maquinaria de construcción, excavadoras, plataformas elevadoras, aparatos de elevación y
transporte, maquinaria para agricultura y simuladores de vuelo.
Sus aplicaciones en dispositivos fijos abarcan la fabricación y montaje de máquinas de todo
tipo, líneas transfer, aparatos de elevación y transporte, prensas, máquinas de inyección y
moldeo, máquinas de laminación, ascensores y montacargas.
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33
Tienen las siguientes ventajas:
Gran potencia transmitida con pequeños componentes, posicionamiento preciso, arranque
con cargas pesadas, movimientos lineales independientes de la carga ya
que los líquidos son casi incompresibles y pueden emplearse válvulas de control,
operación suave e inversa, buen control y regulación y disipación favorable de calor.
Y entre sus desventajas figuran:
Polución del ambiente con riesgo de incendio y accidentes en el caso de fuga de aceite,
sensibilidad a la suciedad, peligro presente debido a las excesivas presiones, dependencia
de la temperatura por cambios en la viscosidad.
Análogamente a los sistemas neumáticos, los sistemas hidráulicos se complementan con los
eléctricos y electrónicos mediante dispositivos tales como válvulas solenoide, señales de
realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de
carrera. Es fácil, en particular en sistemas complejos, acoplarles un PLC (controlador
lógico programable) que les permite programar la lógica de funcionamiento de varios
cilindros.
Comparación entre neumática, hidráulica, eléctrica y electrónica
En la tabla 1.1 se muestran las características comparativas entre los sistemas neumático e
hidráulico y en la tabla 1.2 entre la neumática/hidráulica y la electricidad/electrónica [11].
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
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Tabla 1. 1 Características comparativas de los sistemas neumático e hidráulico.
Neumática Hidráulica
Efecto de las
fugas
Solo pérdida de energía Contaminación
Influencia del
ambiente
A prueba de explosión. Insensible
a la temperatura
Riesgo de incendio en caso de fuga.
Sensible a cambios de la temperatura
Almacenaje de
energía
Fácil Limitada
Transmisión
de energía
Hasta 1.000 m. Caudal v = 20 - 40
m/s. Velocidad de la señal 20 - 40
m/s
Hasta 1.000 m. Caudal v = 2 - 6 m/s.
Velocidad de la señal hasta 1.000
m/s
Velocidad de
operación
V = 1,5 m/s V = 0,5 m/s
Coste de la
alimentación
Muy alto Alto
Movimiento
lineal
Simple con cilindros. Fuerzas
limitadas. Velocidad dependiente
de la carga
Simple con cilindros. Buen control
de velocidad. Fuerzas muy grandes
Movimiento
giratorio
Simple, ineficiente, alta velocidad Simple, par alto, baja velocidad
Exactitud de
posición
1/10 mm posible sin carga Puede conseguirse 1 mm
Estabilidad Baja, el aire es compresible Alta, ya que el aceite es casi
incompresible, además el nivel de
presión es más alto que en el
neumático.
Fuerzas Protegido contra sobrecargas.
Fuerzas limitadas por la presión
neumática y el diámetro del
cilindro (F = 30 kN a 6 bar)
Protegido contra sobrecargas, con
presiones que alcanzan los 600 bar y
pueden generarse grandes fuerzas
hasta 3.000 kN
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35
Tabla 1. 2 Características comparativas de los sistemas neumático/hidráulico y
eléctrico/electrónico.
Neumático/Hidráulico Eléctrico/Electrónico
Elementos de trabajo Cilindros, Motores,
Componentes
Motores eléctricos, Válvulas
de solenoide, Motores
lineales
Elementos de control Válvulas distribuidoras
direccionales
Contactores de potencia,
Transistores, Tiristores
Elementos de proceso Válvulas distribuidoras
direccionales, Válvulas de
aislamiento, Válvulas de
presión
Contactores, Relés, Módulos
electrónicos
Elementos de entrada Interruptores, Pulsadores,
Interruptores final de
carrera, Módulos
programadores, Sensores
Interruptores, Pulsadores,
Interruptores final de
carrera, Módulos
programadores, Sensores,
Indicadores/generadores
Al tener conocimiento de los conceptos de neumática e hidráulica, es de mucha importancia
comprender dichos conceptos ya que son una herramienta base para comprender lo
siguiente.
Cilindros neumáticos
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, muy por encima de los
accionadores rotativos, motores, pinzas y otros. Aunque existe en el mercado una gran
variedad de tipos, algunas veces fuman parte de un bloque mecánico y es preciso
fabricarlos como parte integrante del mismo.
Con la utilización del aire comprimido se consiguen en cilindros velocidades de hasta 1,5
m/s en los convencionales, y hasta 10 m/s, en los cilindros de impacto.
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36
Cilindros de doble y simple efecto
En la Figura 1.13 se muestra un cilindro de doble efecto con las partes más esenciales.
Figura 1. 13 Cilindro de doble efecto
El funcionamiento del cilindro es el siguiente: para hacer avanzar el vástago, el aire a
presión penetra por el orificio de la cámara trasera, llenándola y haciendo avanzar el
vástago. Para que esto sea posible, el aire de la cámara delantera ha de ser desalojado al
exterior a través del orificio correspondiente. En el retroceso del vástago, se invierte el
proceso haciendo que el aire penetre por el orificio de la tapa delantera, y sea evacuado al
exterior a través del conducto unido a la tapa trasera.
Esencialmente un cilindro neumático se compone de tapa trasera (1), tubo o camisa (3),
pistón (6), vástago (7) y tapa delantera (9). Para conseguir la estanqueidad es preciso que
tanto las tapas, como el pistón y el vástago, posean las correspondientes juntas de cierre.
Así, en las tapas se montan juntas estáticas (2), en el pistón juntas estáticas (4) y dinámica
(5), y en el vástago la dinámica (8). La junta (10) es lo que se denomina anillo rascador, y
tiene por misión limpiar el vástago de impurezas de polvo y suciedad que pueden adherirse
a la superficie, cada vez que este avanza y se pone en contacto con el aire ambiente.
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Cuando las velocidades de traslación de las masas que accionan los cilindros son elevadas,
conviene amortiguar la velocidad al final de la carrera para evitar choques bruscos, ruido
excesivo, y posible deterioro de algunas partes. La amortiguación se realiza en el mismo
cilindro, cuando se monta uno de ellos especialmente concebido para este efecto, y consiste
fundamentalmente en crear un colchón de aire con escape regulable al final de la carrera.
En la Figura 1.14 se presenta la parte delantera de un cilindro con amortiguación regulable.
Como puede observase, al penetrar el pequeño pistón de frenado (3) en la cámara
correspondiente, queda el aire retenido formando un cojín y es evacuando a la cámara
principal (1) que comunica con el aire exterior a través del tornillo (2) como puede verse.
Esta cámara de frenado existe también en la tapa trasera, con lo cual se amortigua también
el retroceso del vástago hasta su posición final trasera.
La amortiguación al término del recorrido, permite acelerar al máximo los tiempos de
aproximación y frenar gradualmente la carrera final, con lo que se aumenta la frecuencia de
trabajo en el cilindro.
Figura 1. 14 Cilindro con amortiguación delantera
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Fijación de los cilindros
Cuando se proyecta un mecanismo accionado neumáticamente, si éste utiliza cilindro,
normalmente es un elemento comercial elegido dentro de la amplia gama que se encuentra
en el mercado. Existen cilindros de muy diversas formas y tamaños estudiados para cada
uso en particular y con diferentes anclajes. Se han seleccionado aquí los más frecuentes que
son por rosca en el cuerpo, por placa base delantera y trasera, por patas o escuadras y por
articulación trasera. En todos ellos se parte de un cuerpo básico al cual se le adaptan las
distintas fijaciones.
En la Figura 1.15 se muestra un cilindro convencional de cuerpo básico dotado de rosca
delantera y trasera en el cuerpo, y de oscilación trasera. Aquí puede emplearse una de las
roscas para realizar el anclaje a un soporte roscado también.
En la Figura 1.16 se representa un anclaje por placa trasera. La fijación de esta placa
normalizada se realiza en la propia rosca del cuerpo mediante la correspondiente tuerca. Lo
mismo ocurre con la fijación por placa delantera que se muestra en la Figura 1.17. Ambas
fijaciones son rígidas impidiendo cualquier movimiento del cilindro.
Figura 1. 15 Cilindro de cuerpo básico
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La Figura 1.18 indica una fijación por escuadras o patas, para lo cual se aprovechan
también las roscas del cuerpo para sujetarlas al cilindro mediante tuercas. Al igual que los
dos casos anteriores. Este tipo de fijación evita cualquier movimiento del cilindro.
Figura 1. 16 Fijación por placa trasera
Figura 1. 17 Fijación por placa delantera
Figura 1. 18 Fijación por escuadras
Para terminar con los tipos de fijación más representativos, se muestra en la Figura 1.19
una fijación por articulación trasera. Aquí se fija el soporte al cilindro mediante un bulón
que permite un giro del cilindro alrededor del eje de dicho bulón. Es una solución muy
empleada en casos de accionamiento de palancas o bielas que describen movimientos
rotativos alrededor de un punto.
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Figura 1. 19 Fijación por articulación
También para los vástagos existen fijaciones normalizadas. La mayoría de los cilindros,
sean del tipo que sean, se comercializan con el vástago roscado en el extremo para unirlo al
mecanismo por accionar. La fijación por rosca es la más frecuente, pero existen otras
soluciones. En la Figura 1.20 se muestra una horquilla hembra empleada para articulaciones
delanteras. Se fija a la rosca del vástago, y con contratuerca, se asegura contra el giro. En la
Figura 1.21 se muestra una solución interesante por rótula que permite montajes cuando se
prevén ciertas desalineaciones entre el cilindro y la parte solidaria al vástago.
Figura 1. 20 Horquilla hembra
Figura 1. 21 Fijación por rótula
Válvulas distribuidoras y de mando
Las válvulas son elementos concebidos para controlar el arranque, parada, dirección y
sentido del flujo de aire en un circuito neumático. Cumplen la función de válvulas
distribuidores cuando se utilizan para gobernar todo tipo de actuadores, bien sean lineales
como los cilindros, rotativos como los motores neumáticos, o pinzas. Como válvulas de
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mando o pilotaje, se emplean en general para gobernar de forma directa o indirecta, las
válvulas distribuidoras anteriores. Estas válvulas de mando o pilotaje, se montan en los
circuitos en paneles de mando, para ser manipuladas voluntariamente por el operador de la
máquina, o bien se montan cerca de los actuadores, para ser pulsadas mecánicamente por
dichos elementos. Unas y otras válvulas funcionan bajo el mismo principio y con la misma
representación simbólica. Sólo se diferencian en los circuitos, por la función que cada una
de ellas cumple y también, a veces, por el tipo de mando.
Representación esquemática y función característica
Las válvulas distribuidoras y de mando pueden ser de dos o tres posiciones y de dos o más
vías. Las posiciones se representan por un cuadrado, así (Figura 1.22), dos cuadros pegados
el uno al otro representan una válvula de 2 posiciones, y tres cuadro representan una
válvula de 3 posiciones. En neumática, el caso más frecuente es el de las válvulas
distribuidoras y de mando de 2 posiciones.
Las vías de una válvula se representan por las entradas o salidas que están unidas a uno de
los cuadrados. Estas vías son orificios, roscados o no, que comunican con el exterior. Se
excluyen aquí los orificios empleados para el pilotaje, si es que la válvula lleva incorporado
este tipo de mando.
Figura 1. 22 Representación de las posiciones de una válvula
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
42
En la Figura 1.23 (a) se representa una válvula de 2 posiciones y de 4 orificios o conexiones
con el exterior. En (b) se representa una conexión general; en (c) conexión con toma de
presión; en (d) un escape con tubo conectable a la atmósfera, y en (e) el mismo escape pero
directo a la atmósfera o al exterior. Todas estas vías o conexiones con el exterior se
representan en el cuadro que representa la posición de reposo o inactiva del circuito. Dentro
de cada cuadro se representan las líneas de flujo del aire con el sentido de circulación, los
cierres de paso y la unión de algunos conductores. Así, en la Figura 1.24 se muestran
diferentes formas de sentido de flujo (a), cierre de paso (b) y unión de los conductores en
un punto (c). En (d) se indica la válvula de 2 posiciones y 3 vías, donde puede apreciarse la
toma de presión, el sentido del flujo y el escape a la atmósfera. En (e) se muestra el símbolo
de una válvula de 3 posiciones y 4 vías, con posición central cerrada en los 4 orificios.
Figura 1. 23 Vías y tipos de conexión
Figura 1. 24 Representación de las líneas de flujo
La localización de cada uno de los orificios del distribuidor se realiza según un código que
utiliza números o letras, según se indica a continuación en la tabla 1.3:
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Tabla 1. 3 Código para válvulas neumáticas
Función Números Letras
Alimentación de presión 1 P
Orificios de trabajo 2,4 A,B,…
Orificios de escape 3, 5 R, S,…
Orificios de pilotaje donde la presión en 1 se
comunica con la salida 2
12 x, y,…
Orificios de pilotaje donde la presión en 1 se
comunica con la salida 4
14 x, y,…
Así pues, siguiendo el criterio anterior, en la Figura 1.25 se muestra una válvula de 4 vías y
2 posiciones con la localización de los distintos orificios según las especificaciones
anteriores.
Figura 1. 25 Localización de los distintos orificios
Cada cuadrado o casilla de un distribuidor produce una determinada función. Para ello, y
aunque en los circuitos se dibujan en posición de reposo, se supone que bajo una acción
externa que puede ser fuerza manual, neumática, electromagnética, etc., la casilla se
desplaza sobre la toma exterior y ocupan una u otra posición. La mejor interpretación de lo
que se ha expuesto puede verse en la Figura 1.26, donde se ha representado el gobierno de
un cilindro de doble efecto, mediante la válvula de 4 vías mostrada en la figura anterior. En
(a) se aprecia lo que se transmite a la salida (4) y el vástago del cilindro permanece atrás en
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44
reposo. Mientras tanto, y para que esto ocurra, el aire de la cámara trasera del cilindro
deberá ser desalojado a la atmósfera a través de los orificios (2) y (3).
En la Figura 1.26 (b) se muestra la otra posible posición de la válvula donde, como puede
observarse, en este caso es la conexión (1) la que se comunica con (2) haciendo avanzar al
émbolo del cilindro. Para que esto sea posible, el aire de la cámara delantera debe ser
desalojado al exterior a través de la vía formada por los orificios (4) y (3),
Figura 1. 26 Gobierno de un cilindro
Tipos de válvulas
Los tipos de válvulas pueden dividirse según su forma constructiva, según la función que
cumplen pueden clasificarse en tres tipos: distribuidoras de flujo a los actuadores o
elementos de trabajo, de mando de otras válvulas por accionamiento manual, y captadoras o
detectoras de señal o posición. Estas funciones pueden apreciarse en el circuito elemental
mostrado en la Figura 1.27. La válvula principal (1), que distribuye el caudal a las dos
cámaras del cilindro. Las demando (2) de puesta en marcha del sistema y la válvula
captadora de posición (3).
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
45
Figura 1. 27 Válvulas con distintas funciones
Otra clasificación que diferencia a las válvulas es el tipo de accionamiento, ya que
necesitan de alguna fuerza para mover la corredera, o el pistón de las de asiento.
Válvulas de accionamiento manual
Las válvulas de accionamiento manual son aquellas que para su funcionamiento requieren
la acción voluntaria del operador. En un circuito neumático puro, es decir, resuelto
solamente con la tecnología neumática, el número de válvulas de accionamiento manual
dependerá del grado de automatización del sistema.
Normalmente estas válvulas de accionamiento manual se instalan en pupitres de mandos,
donde se centralizan varias de ellas, o bien se sitúan en lugares aparte donde se puedan
manipularse con facilidad por el operador de la máquina.
En la Figura 1.28 se muestran los tipos de mandos más normales pertenecientes a
microválvulas o válvulas que habitualmente se montan en pupitres de mando o placas de
reducido espesos, con taladros normalizados, y sujetas por tuercas o tornillos en la parte
posterior al mando.
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46
Figura 1. 28 Diferentes tipos de accionamiento manual
En (a) se representa un pulsador rasante protegido, como puede apreciarse, por un anillo
metálico o de plástico, que impide el accionamiento accidental de la válvula cuando
represente peligro para el operador o para el propio proceso industrial.
El mando (b) es del tipo seta, diferenciado del anterior en que este no posee ningún tipo de
protección; el pulsado del mando es más fácil y puede realizarse con la mano extendida con
un simple golpe.
El tipo (c) es de seta también pero de mayores dimensiones; se emplea como elemento de
emergencia ante posibles anomalías o peligro en el funcionamiento del circuito.
Existen circuitos en los que es preciso proteger su funcionamiento ante personas ajenas a él.
Para ello se han creado las válvulas selectoras de llave mostradas en (d), a través de las
cuales se logra bloquear el sistema de forma voluntaria. Sólo el uso de la llave permite el
desbloqueo, y por tanto, puesta en marca de la máquina.
El mando mostrado en (e) es un selector de maneta de 2 ó 3 posiciones fijas, o bien de 2
posiciones externas y retorno por muelle a la posición central. Este tipo de mando es muy
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
47
utilizado, por ejemplo, en la selección manual o automática de un determinado ciclo de
trabajo.
Válvulas de accionamiento mecánico
Las válvulas de accionamiento mecánico son activadas por un mecanismo en movimiento o
por el vástago del propio cilindro. Al igual que las de accionamiento manual, la mayoría
son de pequeño tamaño y se emplean como válvulas detectoras de posición. Existen
también de mayor tamaño que gobiernan directamente los cilindros, pero usadas con menor
frecuencia. En general se usan las de pequeño tamaño para gobernar distribuidores de
cilindros de mando neumático.
En la Figura 1.29 se muestran tres de las formas más usadas en el mando de estas válvulas.
En (a) se muestra una válvula de pulsador de ataque frontal. Para que se produzca la
conmutación en la válvula es preciso un pequeño recorrido; después de éste, existe una
carrera de seguridad que, bajo ningún concepto debe ser sobrepasada por el mecanismo de
accionamiento. Es, por tanto, preciso un tope mecánico exterior que limite la carrera del
mecanismo.
Figura 1. 29 Diferentes formas de mando mecánico
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48
El problema anterior de posible arrastre de la válvula por el mecanismo si uno u otro no
están perfectamente ajustados, queda resuelto con el uso de válvulas de ruleta como las
mostradas en (b) y (c). Ambos mandos se acciona por topes con rampa inclinada, como el
mostrado en (d).
Válvulas de pilotaje neumático
En el pilotaje neumático consiste en accionar una válvula a distancia aprovechando la
fuerza que produce el aire a presión. Esta fuerza se utiliza para desplazar el núcleo de la
válvula y producir la conmutación de las vías. La mayoría de las veces se aprovecha la
presión de la red para actuación, pero existen elementos en los cuales, la conmutación se
produce por una reducción de la presión en una de las cámaras; en la otra puede actuar un
resorte o una contrapresión de aire.
Las válvulas de pilotaje neumático se utilizan en circuitos como elementos de mando de los
distintos tipos de actuadores existentes: cilindros, actuadores rotativos, motores y otros.
Necesitas de otras válvulas de pequeño formato, capaces de direccionar el fluido hacia las
cámaras de pilotaje de los distribuidores principales.
Electroválvulas
El mando electromagnético de una válvula se utiliza cuando la señal procede de un final de
carrera eléctrico, de un reóstato o 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.
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49
Pueden ser de asiento o de corredera indistintamente y, también, de mando directo o
indirecto, o servo pilotadas.
Las de mando directo, (Figura 1.30), son válvulas de pequeño formato, son elementos que
constan esencialmente de un cuerpo de válvula (3), de la bobina electromagnética (1) y del
núcleo móvil (4), provisto de los asientos de cierre.
Como puede apreciarse en la Figura 1.28, al cerrar el contacto eléctrico (2) de alimentación
de la bobina (1), se crea un campo magnético con una fuerza axial suficiente como para
vencer la acción del resorte y atraer al núcleo (4). Se abre así el paso de (P) hacia (A) y se
cierra a la vez la salida (R). Al dejar de alimentar la bobina, el resorte hace volver el núcleo
a su posición de reposo y se cierra el paso de (P) a (A), comunicando este último orificio
con la salida a la atmósfera de (R).
Figura 1. 30 Electroválvula de accionamiento directo.
1.3.4 Sensores
Los sensores son el primer enlace entre el sistema automatizado típico y el proceso
convencional. Los sensores transportan información del equipo de proceso de manufactura,
la parte que está siendo manufacturada y el operador humano, si este existe [12].
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
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La medición de variables es necesaria para fines de monitoreo y control. Las variables
comunes que se deben medir en un sistema de adquisición de datos y control son:
1. Posición, velocidad, aceleración.
2. Fuerza, par de torsión, deformación, presión.
3. Temperatura.
4. Gasto.
5. Humedad.
El dispositivo de medición se denomina sensor. Un sensor se coloca en el entorno donde se
debe medir una variable. El sensor está expuesto al efecto de la variable medida. Hay tres
fenómenos básicos en efecto en cualquier operación del sensor.
1. El cambio en la variable medida se traslada a una carga en la propiedad del sensor.
A esto se le denomina transducción. El cambio de la variable medida se convierte
en un cambio equivalente de la propiedad en el sensor.
2. El cambio en la propiedad del sensor se traslada en una señal eléctrica de caída de
tensión.
3. Esta señal del sensor de baja de potencia se amplifica, se acondiciona y se transmite
a un dispositivo inteligente para su procesamiento, es decir, se representa de manera
visual, o se emplea en un algoritmo de control de lazo cerrado.
Los tipos de sensores varían en la etapa de transducción al medir una variable física. En
respuesta a la variable física, un sensor se puede diseñar para cambiar sus resistencias,
capacitancia, inductancia, corriente inducida o voltaje inducido [13].
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
51
Interruptor manual
El sensor más familiar que existe es el interruptor manual. La mayor parte de la gente no
piensa que este sea un sensor, pero el interruptor es el enlace entre la lámpara y la persona
quien desea si está prendida o apagada. En el mismo concepto, en un sistema automatizado
se vincula al operador, quien decide si apagar, encender el sistema o hacer ajustes del ciclo
de automatizado. El estado normal de un interruptor puede ser en posición abierta o en
posición cerrada, lo que lleva al término normalmente abierto (NA) y normalmente cerrado
(NC).
Interruptor de límite
Tal como los interruptores manuales los interruptores de límite actúan mecánicamente, pero
los interruptores de límite son entradas automáticas del proceso de manufactura, material o
del mismo proceso automatizado, sin intervención de un operador.
Los sistemas robóticos emplean interruptores de límite tanto en la construcción del mismo,
como en el equipamiento periférico. Los interruptores de límite pueden ser usados para
limitar el viaje de un brazo robótico en cualquiera de sus ejes de movimiento. Cuando el
límite ha sido alcanzado un circuito es abierto o cerrado, lo que desconecta la energía de un
eje de movimiento, directamente o a través del controlador del robot.
Interruptores de proximidad
Algunos de los interruptores no requieren de contacto físico o de radiación de luz para
“sensar” un objeto. Estos interruptores son llamados interruptores de proximidad porque
ellos pueden sensar la presencia de un objeto cercano sin tocarlo. Dentro de este tipo de
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
52
interruptores, existen aquellos que pueden sensar la presencia de objetos metálicos, así
como no metálicos.
Otra ventaja de los interruptores de proximidad metálicos es que las barreras no metálicas
se vuelven transparentes, así que el interruptor “puede ver” a través de las barreras y actuar
sobre los objetos metálicos del otro lado de la barrera.
Existen bases físicas para los interruptores de proximidad que pueden responder a cualquier
objeto, metálico o no metálico. Un tipo usa una antena electromagnética (radio frecuencia)
especialmente diseñada y colocada para ajustarse a la aplicación. La antena recibe una señal
transmitida por otra antena colocada estratégicamente, pero la recepción de la señal es
distorsionad a por la intrusión de cualquier objeto dentro del campo. Esta distorsión es
detectada por la antena que cambia un interruptor cuando la perturbación alcanza un nivel
específico. Desafortunadamente para algunas aplicaciones (y afortunadamente para otras) la
sensibilidad de la antena está relacionada con las propiedades eléctricas del material del
objeto detectado. El tamaño del objeto también juega un papel importante. El sistema puede
ser ajustado para ser selectivo con algunos objetos específicos.
Otro tipo de interruptor de proximidad que funciona con objetos no metálicos es el tipo
sonar. Los sistemas de sonar transmiten y reciben reflejos de ondas al detectar la presencia
de un objeto. Estas ondas son llamadas comúnmente ondas de sonido cuando sus
frecuencias se encuentran dentro del rango audible.
Sensores fotoeléctricos
En mayor uso que los interruptores de proximidad están los sensores que son sensibles a la
radiación de la luz, los cuales son llamados sensores fotoeléctricos.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
53
Existen básicamente 2 enfoques para la implementación de los sensores fotoeléctricos.
El primer enfoque básicamente utiliza una celda para detectar la presencia de radiación de
luz de forma natural por algunos objetos en el proceso.
El segundo enfoque utiliza un haz de luz emitido por una fuente artificial de luz. El
propósito principal de esto es detectar la presencia o ausencia de objetos dentro del camino
del haz. El emisor del haz puede ser una unidad separada o estar incorporado al sensor.
La variedad de combinaciones requiere algún tipo de reflector natural o artificial para
dirigir el haz de luz de vuelta al emisor/sensor.
Sensores infrarrojos
A veces es útil detectar radiación electromagnética fuera del rango visible. Los sensores
infrarrojos responden a radiación en el rango de longitud de onda más allá del espectro
visible. Objetos calientes emiten radiación infrarroja y así los sensores infrarrojos son útiles
para localizar fuentes de calor en procesos. Tales aplicaciones en las que se mide la
radiación infrarroja natural son útiles para detectar mal funcionamiento en los sistemas
monitoreados. Los sensores infrarrojos son de mucha ayuda cuando se usan haces
artificiales para detectar presencia o ausencia de objetos, aún más que los sistemas
fotoeléctricos [12].
Con esto se comprende que es un sensor, los tipos y algunas características importantes que
nos servirán de ayuda más adelante, ahora es turno de conocer otro concepto para comenzar
a dar una idea más clara de lo que se pretende dar a conocer.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
54
1.3.5 Motor eléctrico trifásico de inducción tipo Jaula de Ardilla
El motor de inducción trifásico, también llamado motor asíncrono, es hoy día el motor
eléctrico que más se utiliza en las aplicaciones industriales, sobre todo el motor con rotor de
jaula de ardilla.
Principios de funcionamiento
La sección del motor de inducción trifásico, tal como se muestra en la Figura 1.31, se
compone de un bastidor o estator fijo, un bobinado trifásico alimentado por una red
eléctrica trifásica y un rotor giratorio. No hay ninguna conexión eléctrica entre el estator y
el rotor. Las corrientes del rotor se inducen desde el estator a través del entrehierro. Tanto
el estator como el rotor están fabricados de una lámina de núcleo altamente magnetizable
que proporciona pérdidas por corrientes de Foucault e histéresis bajas.
Estator
El bobinado del estator está formado por tres bobinados individuales que se superponen y
están decalados con un ángulo eléctrico de 120°. Cuando se conecta a la alimentación, la
corriente de entrada primero magnetiza el estator. Esta corriente de magnetización genera
un campo rotativo que gira con la velocidad de sincronismo ns.
Velocidad de sincronismo
f = frecuencia s-1
(segundo)
p = número de pares de polos (número de polos/2)
Para el número de pares de polos más pequeño 2p = 2 en un circuito de 50 Hz, la velocidad
sincrónica más alta es ns = 3000/min-1
. Las velocidades sincrónicas de un circuito de 50 Hz
se indican en la Tabla 1.4.
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55
Rotor
En los motores de inducción con rotor de jaula de ardilla, el rotor está formado por un
bloque laminar de núcleo de rotor cilíndrico y ranurado provisto de barras de aluminio
unidas por delante con anillas para formar una jaula cerrada. El rotor de los motores de
inducción trifásicos a veces se denomina rotor. Este nombre tiene su origen en la forma de
ancla que tenían los rotores de los primeros dispositivos eléctricos. En un equipo eléctrico,
el bobinado del rotor está inducido por el campo magnético, mientras que en los motores
trifásicos, este papel corresponde a los rotores.
Tabla 1. 4 Velocidades sincrónicas típicas de un circuito de 50 Hz
Las velocidades sincrónicas son un 20% más alta en un circuito de 60 Hz
Figura 1. 31 Motor trifásico de jaula de ardilla de última generación
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56
El motor de inducción parado actúa como un transformador cortocircuitado en el
secundario. Por consiguiente, el bobinado del estator corresponde al bobinado principal y el
bobinado del rotor (bobinado de jaula), al bobinado secundario. Dado que está en
cortocircuito, la corriente interna del rotor depende de la tensión inducida y de su
resistencia. La interacción entre el flujo magnético y los conductores de corriente del rotor
genera un par de torsión que se corresponde con la rotación del campo rotativo. Las barras
de la jaula está dispuestas de forma excéntrica con respecto al eje de rotación para impedir
fluctuaciones en el par de torsión (véase la Figura 1.32). Esto se denomina "inclinación".
Cuando está en vacío, el rotor casi alcanza la velocidad sincrónica del campo rotativo, ya
que el par de torsión antagonista es reducido (ninguna pérdida sin carga). Si la rotación
fuera la de sincronismo, la tensión ya no se induciría, la corriente dejaría de fluir y ya no
habría par de torsión.
Durante el funcionamiento, la velocidad del rotor baja hasta la velocidad de carga n. La
diferencia entre la velocidad sincrónica y la de carga se denomina deslizamiento s. Basado
en este deslizamiento s, dependiente de la carga, la tensión inducida en el bobinado del
rotor cambia y éste, a su vez, cambia la corriente del rotor y el par de torsión M. Al
aumentar el deslizamiento, también lo hacen la corriente del rotor y el par de torsión. Dado
que el motor de inducción trifásico actúa como un transformador, la corriente del rotor se
transforma en la parte del estator (o secundario) y la corriente de alimentación del estator
cambia esencialmente de la misma manera. La potencia eléctrica del estator generada por la
corriente de alimentación se convierte, a través del entrehierro, en potencia mecánica en el
rotor. Por ello, la corriente del estator consta de dos componentes, la corriente de
magnetización y la corriente de carga en sí.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
57
Figura 1. 32 Tipos de bobinados de rotor de jaula de ardilla.
Deslizamiento
La diferencia entre la velocidad sincrónica ns y la velocidad n de funcionamiento de
régimen se denomina deslizamiento s y suele expresarse en porcentaje. Dependiendo del
tamaño de la máquina, durante el funcionamiento de régimen esta diferencia es
aproximadamente del 10-3%. El deslizamiento es una de las características más importantes
de una máquina de inducción, tal como se observa en la Figura 1.33.
Deslizamiento
s = deslizamiento
= velocidad sincrónica
n = velocidad del rotor
Figura 1. 33 La tensión rotórica UR es proporcional al deslizamiento s. Una tensión
del rotor del 10% corresponde a un deslizamiento del 10%.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
58
La tensión rotórica inducida UR, mostrada en la Figura 1.4.1, es proporcional al
deslizamiento s. En la posición de parada, la tensión alcanza su máximo con n = 1 y s = 1,
lo que también intensifica al máximo el flujo de corriente. En las aplicaciones reales, este
hecho lo confirma la elevada corriente de arranque (aflujo de corriente de arranque). El par
de torsión también alcanza su máximo durante el periodo de parada con una resistencia de
rotor determinada. Este comportamiento puede modificarse variando el diseño. Sin
embargo, la resistencia del rotor no suele utilizarse para este fin. La siguiente fórmula se
aplica para la velocidad del rotor:
Velocidad del motor
n = velocidad del motor
= velocidad sincrónica
s = deslizamiento
Disipación
Dado que la velocidad n del rotor es inferior a la velocidad sincrónica ns del campo rotativo
por el valor del deslizamiento s, la potencia mecánica P2 del rotor también es inferior a la
potencia del campo rotativo PD transmitida eléctricamente. La diferencia PVR se pierde en el
rotor en forma de calor. En consecuencia, estas pérdidas en el bobinado dependen
directamente del deslizamiento s. Desde el primer momento del proceso de arranque, toda
la potencia inducida en el rotor se convierte en calor.
Disipación en el rotor = pérdida óhmica en W
La ecuación muestra que el peligro térmico es mayor para un rotor estacionario con s = 1,
ya que toda la potencia de entrada eléctrica se convierte en disipación de calor en el motor.
Debido a la elevada intensidad del arranque de los motores de inducción, el calor disipado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
59
es múltiplo de la potencia nominal del motor. Asimismo, los motores autoventilados
convencionales no proporcionan una refrigeración adecuada cuando se detienen.
Si analizamos todas las pérdidas de potencia Pv de un motor, como muestra la Figura 1.34,
encontramos las siguientes pérdidas individuales:
• PFe Pérdida en el núcleo del estator ⇒ más o menos constante durante el
funcionamiento
• PCuS Pérdida óhmica en el estator ⇒ función cuadrada de la corriente
• PCuR Pérdida óhmica en el rotor ⇒ función cuadrada de la corriente
• PLu Pérdida por resistencia aerodinámica ⇒ más o menos constante durante el
funcionamiento
• PLa Pérdidas por rozamiento mecánico ⇒ más o menos constantes durante el
funcionamiento
• Pzus Pérdidas por dispersión el funcionamiento ⇒ más o menos constantes durante el
funcionamiento
La pérdida en el núcleo del estator PFe se debe a las pérdidas por histéresis y por corrientes
parásitas que dependen de la tensión y la frecuencia. Por ello, durante el funcionamiento
son más o menos constantes. En el rotor, las pérdidas son insignificantes debido a la baja
frecuencia de la corriente del rotor durante el funcionamiento. Las pérdidas óhmicas se
originan en el estator PCuS y el rotor PCuR. Ambas son una función cuadrada de la carga. Las
pérdidas por resistencia aerodinámica PLu y por rozamiento mecánico PLa también son
constantes debido a la velocidad de funcionamiento prácticamente constante. Las pérdidas
por dispersión Pzus son originadas principalmente por las corrientes parásitas de los
componentes metálicos de la máquina [14].
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
60
Figura 1. 34 Potencia de salida y pérdidas en un motor de inducción trifásico
1.3.6 Variador de velocidad
Los variadores de velocidad son convertidores de energía encargados de modular la energía
que reciben los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de
frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.
Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:
- Dominio de par y la velocidad
- Regulación sin golpes mecánicos
- Movimientos complejos
- Mecánica delicada
El motor
Los variadores de velocidad están preparados para trabajar con motores trifásicos
asincrónicos de rotor jaula. La tensión de alimentación del motor no podrá ser mayor que la
tensión de red. A tensión y frecuencia de placa del motor se comporta de acuerdo al gráfico
de la Figura 1.35 siguiente:
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
61
Figura 1. 35 Comportamiento del motor a tensión y frecuencia de placa
El dimensionamiento del motor debe ser tal que la cupla resistente de la carga no supere la
cupla nominal del motor, y que la diferencia entre una y otra provea la cupla acelerante y
desacelerante suficiente para cumplir los tiempos de arranque y parada.
El convertidor de frecuencia
Se denominan así a los variadores de velocidad que rectifican la tensión alterna de red
(monofásica o trifásica), y por medio de seis transitores trabajando en modulación de ancho
de pulso generan una corriente trifásica de frecuencia y tensión variable. Un transistor más,
llamado de frenado, permite direccionar la energía que devuelve el motor (durante el
frenado regenerativo) hacia una resistencia exterior. En la Figura 1.36 se muestra un
diagrama electrónico típico:
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
62
Figura 1. 36 Diagrama electrónico típico
La estrategia de disparo de los transistores del ondulador es realizada por un
microprocesador que, para lograr el máximo desempeño del motor dentro de todo el rango
de velocidad, utiliza un algoritmo de control vectorial de flujo. Este algoritmo por medio
del conocimiento de los parámetros del motor y las variables de funcionamiento (tensión,
corriente, frecuencia, etc.), realiza un control preciso del flujo magnético en el motor
manteniéndolo constante independientemente de la frecuencia de trabajo. Al ser el flujo
constante, el par provisto por el motor también lo será. En el gráfico de la Figura 1.37 se
observa que desde 1Hz hasta los 50 Hz el par nominal del motor está disponible para uso
permanente, el 170% del par nominal está disponible durante 60 segundos y el 200% del
par nominal está disponible durante 0,2 s.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
63
Figura 1. 37 Gráfica de Velocidad-Par
Selección de un variador de velocidad
Para definir el equipo más adecuado para resolver una aplicación de variación de velocidad,
deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:
Tipo de carga: Par constante, par variable, potencia constante, cargas por impulsos.
Tipo de motor: De inducción rotor jaula de ardilla o bobinado, corriente y potencia
nominal, factor de servicio, rango de voltaje.
Rangos de funcionamiento: Velocidades máximas y mínimas. Verificar necesidad
de ventilación forzada del motor.
Par en el arranque: Verificar que no supere los permitidos por el variador. Si supera
el 170% del par nominal es conveniente sobredimensionar al variador.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I
64
Frenado regenerativo: Cargas de gran inercia, ciclos rápidos y movimientos
verticales requieren de resistencia de frenado exterior.
Condiciones ambientales: Temperatura ambiente, humedad, altura, tipo de gabinete
y ventilación.
Aplicación multimotor: Prever protección térmica individual para cada motor. La
suma de las potencias de todos los motores será la nominal del variador.
Consideraciones de la red: Micro-interrupciones, fluctuaciones de tensión,
armónicas, factor de potencia, corriente de línea disponible, transformadores de
aislación.
Consideraciones de la aplicación: Protección del motor por sobretemperatura y/o
sobrecarga, contactor de aislación, bypass, rearranque automático, control
automático de la velocidad.
Aplicaciones especiales: Compatibilidad electromagnética, ruido audible del motor,
bombeo, ventiladores y sopladores, izaje, motores en paralelo, etc [15].
Hemos conocido dentro de este capítulo, las herramientas necesarias para poder
comprender los temas a tratar en los siguientes capítulos, ya que se explicó desde la
operación manual de cargas, lo que es la automatización y todos los recursos que se
implementan para lograrla, dichos conceptos son las bases para poder guiarnos en cada
explicación, procedimiento, etc.
Dando como conclusión de este capítulo que la integración de todo lo explicado nos lleva a
tener una visión más clara de lo que en un momento no se tenía conocimiento y/o reforzar
aquello de lo que existía como una vaga idea.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
65
CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ACTUAL Y PLANTEAMIENTO
DE LA SOLUCIÓN
En el siguiente capítulo se explicará el proceso actual de la producción de galletas de una
mediana empresa, así como los problemas que presentan los trabajadores en cada área de
producción. De igual forma, se indicara como se planea dar solución a la problemática que
se presenta.
2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ACTUAL
En la actualidad la mediana empresa de galletas tiene una línea de producción semi-
automatizada, que cuenta con una distribución de áreas (ver Figura 2.1), cada una se
explicará en forma más detallada más adelante, para la primer zona (a) se encuentra el área
de mezclado, en la segunda zona (b) se encuentra el área de horneado, para la tercer zona
(c) se encuentra el área de empaquetado/encajado, en la cuarta zona (d) se encuentra el área
de paletizado y en la última zona (e) se encuentra la bodega de almacenamiento.
Figura 2. 1 Distribución de planta (Vista superior).
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
66
El proceso de producción comienza en el área de mezclado, donde se lleva a cabo la
homogenización de la materia prima para generar la pasta de producción de galletas, en
dicha zona (ver Figura 2.2) se realizan las siguientes operaciones:
1. La materia prima se coloca previamente en la sección (h) que está dividida en
contenedores.
2. Los operadores (i) agregan la materia prima a las mezcladoras.
3. Las mezcladoras (a, b, c, d, e, f y g) tienen una capacidad de producción de pasta de
aproximadamente 500 kg por lote para las cuales se ocupan 5 trabajadores en cada
mezcladora (35 en total para la sección de mezclado).
4. El tiempo de mezclado de la pasta tiene un aproximado de 10 minutos por lote.
Figura 2. 2 Fabricación de pasta (Vista superior).
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
67
Transcurrido el tiempo de mezclado, 30 trabajadores colocan la pasta para galletas dentro
de recipientes para trasladarlos al área de horneado (Figura 2.3), en esta área se dedican los
mismos trabajadores (b) a vaciar la pasta dentro de los recipientes (a) hacia los moldes (e)
para posteriormente colocarlos en charolas sobre los carros (d), estos trabajadores se
dedican al manejo de los 10 hornos existentes en el proceso (c).
Figura 2. 3 Área de horneado (Vista superior).
Al terminar el tiempo de cocción los trabajadores se dedican a sacar las galletas de las
charolas para ser llevadas al área de empacado, como se muestra en la Figura 2.4, al llegar a
esta área los trabajadores (a) depositan las galletas en un embudo de acero inoxidable (c)
que las distribuye a modo que sobre la banda (d) caigan una por una, por medio de la banda
las traslada al empacado (e), el cual es un proceso automático que internamente realiza el
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
68
conteo de diez galletas que son introducidas en una bolsa de celofán, dentro del mismo
proceso se realiza el sellado por medio de calor para quedar selladas.
Figura 2. 4 Área de empacado de galletas (Vista superior).
Ya que se encuentran sellados los paquetes, siguen a través de la banda (f) donde se
incorporan al proceso de encajado (Figura 2.5). Este proceso se lleva a cabo por medio de
una máquina (c), la cual se alimenta por dos bandas que son: la banda (a) correspondiente a
los paquetes de galletas y la banda (b) correspondiente a las cajas vacías, internamente en la
maquina se realiza el conteo de 30 paquetes y son depositadas en la caja vacía para circular
sobre la banda (d).
Figura 2. 5 Área de encajado (Vista superior).
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
69
Cuando termina el proceso anterior las cajas son dirigidas a ser selladas, el proceso de
sellado es automático (ver Figura 2.6), en este proceso las cajas que circulan por la banda
(a) y entran al sellado automático (b) posterior a esto las cajas selladas pasan al área de
paletizado ubicado al final del proceso de producción por la banda final, lugar donde 8
trabajadores realizan dicha tarea, dos de ellos (d) se encargan de posicionar cajas en la
tarima y los 6 restantes (f) se dedican al embalado con los rollos de plástico strech (e) y
transporte de los pallets (c) a la bodega mediante el uso de traspaletas manuales (g).
Figura 2. 6 Área paletizado (Vista superior).
El área de paletizado es nuestra área de enfoque para realizar nuestra propuesta, por lo que
se necesita saber las dimensiones y la distribución del espacio, las cuales se muestran en la
figura 2.7.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
70
Figura 2. 7 Distribución del área de paletizado (Vista superior).
Como se muestra en la figura 2.7 tenemos un ancho de 10 m y un largo de 15 m, dentro de
la distribución encontramos que la banda final de proceso (a) corre por el extremo derecho
para que los trabajadores (c) realicen el acomodo de las cajas en el pallet, para (b)
encontramos los pallets vacíos que los transporta otro trabajador con ayuda de una
traspaleta y los rollos de plástico strech para el embalado, también podemos visualizar los
trabajadores que se dedican a transportar los pallets completos y embalados a la bodega, de
modo que tienen suficiente espacio para maniobrar con las traspaletas.
Actualmente en la empresa se producen 4 pallets por hora, esto implica que se produzcan:
(
) (
) (
)
Tomando en cuenta que cada galleta pesa aproximadamente 35 gr., se calcula la materia
prima utilizada para producir los 4 pallets en una hora de la siguiente forma:
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
71
Si tomamos en cuenta que la capacidad total de los equipos de producción es de
aproximadamente 7000 kg en una hora, se deduce que actualmente la empresa se encuentra
operando al 48% de su capacidad. No obstante y considerando que la cantidad actual de
producción es pequeña, se presenta el efecto de cuello de botella en el área de paletizado.
2.1.1 Funciones de trabajadores en cada área.
A continuación se describe las funciones de cada trabajador en su respectiva área.
Área: fabricación de la materia prima
35 trabajadores se encargan de la operación de las mezcladoras así como la adición
de la materia prima a la máquina y la colocación de la masa en recipientes.
30 trabajadores rellenan los moldes y transportan los recipientes con las pasta de un
sección a otra.
Estos mismos trabajadores son los responsables de operar los hornos, así como del
acomodo de las galletas en las charolas sobre los carros que se llevan al
empaquetado.
Área de empaquetado
Los trabajadores del horneado se dedican a colocar las galletas sobre la banda
de empaquetado, estas galletas son introducidas en los paquetes de celofán que
se sellan mediante calor, estos paquetes posteriormente se insertan en las cajas
para ser selladas.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
72
Área de paletizado
Dos trabajadores retiran las cajas de la banda y acomodan las mismas en la
tarima.
Seis trabajadores realizan el embalado de la tarima terminada usando como
material el plástico strech para embalaje, terminado el embalado se encargan de
llevar el pallet a la bodega con ayuda de la transpaleta manual, donde lo
acomodan.
Definiendo lo anterior se realizó un sondeo enfocándonos a los trabajadores del área de
paletizado para saber los principales inconvenientes que se presentan en dicha área, como
son:
o El acumulamiento de cajas en la línea de paletizado.
o Estrés debido al acumulamiento de cajas, que exige trabajar más rápido.
o Desgaste físico y mental en un periodo corto.
o Llegan a olvidar la posición adecuada de las cajas.
o Pueden ocasionar daños a las cajas al aventarlas.
o La paletización no es uniforme, es decir que los niveles no son correctamente
alineados.
o Prolongamiento de jornada laboral debido al incumplimiento de pedidos.
o Accidentes al colocar una nueva tarima y posicionar las cajas.
Debido a los inconvenientes, los trabajadores propusieron diferentes alternativas de
solución, como son:
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
73
o Incrementar el número de trabajadores en el área.
o Disminuir la velocidad de producción.
o Descanso entre periodos dentro de la jornada laboral.
o Tarimas con un número menor de cajas.
o Sustituir el embalado por flejes.
o Automatizar parte del proceso.
Con todos los inconvenientes ya expuestos gracias al sondeo, podemos afirmar que el
personal se encuentra en un continuo estado de estrés y desgaste físico, lo cual se refleja en
la calidad de su trabajo, provocando la posible disminución de la calidad del producto
considerando el mismo como regular; esto se debe en parte a que la empresa no cuenta con
un control de calidad en el proceso de paletizado.
Mientras no se automatice el proceso de paletizado la producción no se podrá aumentar, ya
que se presenta el efecto de cuello de botella junto con el desgaste físico y mental de los
trabajadores. Aunado a esto si no se establece un control de calidad en el área de paletizado
la calidad del producto seguirá siendo regular disminuyendo el potencial de crecimiento de
la empresa
2.2 PROPUESTA DE LA SOLUCIÓN
La propuesta de solución se integra de cinco etapas; en la primera, las cajas provenientes
de la línea de producción se integran a la línea de paletizado mediante la expulsión de un
cilindro neumático, aquí inicia la segunda etapa, en la cual sobre una banda se rotan las
cajas mediante un cilindro neumático que frena un extremo de la caja permitiendo el giro
deseado, este va a depender de la posición que se requiera en la matriz del pallet.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
74
En la tercera etapa las cajas se incorporan a otra banda de alta velocidad que selecciona el
área a donde van a llegar en el pallet, para lograr esto es necesario implementar una banda
con un mecanismo posicionador para que las cajas se vayan direccionando y no terminen en
la posición en la que entraron.
En la cuarta etapa del proceso las cajas llegan a una lámina por medio de una cama de
rodillos en la que se formarán estratos mientras la lámina en donde se han acumulado las
cajas que forman la matriz de posiciones completa es retirada.
Una vez formada la matriz con las cajas de productos, existirán espacios entre ellas debido
a que la tercera etapa no es completamente exacta, para solventar este inconveniente, las
cajas serán ligeramente presionadas por guías laterales manipuladas por cilindros
neumáticos.
En la quinta y última etapa la plataforma de lámina sobre la cual descansan las cajas ya
acomodadas será removida mediante un mecanismo guiado, dando paso a que un sistema
hidráulico de elevación con una cama de rodillos posicione el pallet debajo de la lámina
cada ocasión que se forme un estrato; la altura con la que el pallet se posicionará dependerá
del número de niveles con el que éste cuente, así como el límite predeterminado que se
exige por cada uno.
Al cumplir el límite de niveles con el que debe contar cada pallet, el sistema hidráulico de
elevación se posicionará en su tope inferior, accionando la cama de rodillos que lo
transportará al área donde los trabajadores desarrollarán el embalado para posteriormente
llevarlo hacia la bodega.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
75
Con esta propuesta que se observa en el diagrama de flujo (Figura 2.8), se pretende
incrementar la velocidad del proceso de paletizado de la empresa para resolver el efecto
cuello de botella que se presenta con el paletizado manual y así incrementar la producción.
Los trabajadores presentes en esa área, se verían beneficiados con la disminución o
eliminación de los inconvenientes que presentaron, ya que no estarían en contacto directo
con el proceso.
Esto no significa que los trabajadores sean desplazados de la fuerza productiva de la
empresa, ya que pueden ser reasignados en el área de embalado y almacenamiento, sector
que requerirá de más personal a causa del aumento de producción.
La empresa requiere la automatización de este y otros procesos para incrementar su
productividad, una de las principales causas de que aún no se haya logrado ese objetivo es
el alto costo que tienen los equipos provenientes del extranjero, con lo que está propuesta
busca ser una alternativa económicamente factible haciendo posible enfocarse en alguna
otra área que necesite más atención.
Figura 2. 8 Diagrama de bloques de la propuesta de solución.
Tomando en cuenta la propuesta de solución y para asegurar el buen funcionamiento del
área de paletizado se propone a la empresa implementar un sistema de control de calidad,
que lleve una relación y recaude datos continuamente sobre todos los inconvenientes en el
Alimentación
de las cajas
Paso a la
segunda
banda Giro de
las cajas
Estr
atif
icac
ión
Pal
etiz
ado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
76
área, así como de los estratos generados, esto permitirá observar los posibles
inconvenientes que el sistema propuesto genere y así poder mejorar la calidad del producto
continuamente.
Para poder desarrollar el planteamiento de ingeniería es necesario hacer un estudio de
tiempos y movimientos del paletizado para solventar los problemas antes mencionados y
así determinar los valores con los cuales configuraremos y programaremos los dispositivos
a utilizar para la automatización.
2.2.1 Estudio de tiempos y movimientos
Para poder incrementar la producción y al mismo tiempo eliminar el efecto de cuello de
botella, se tendrían que paletizar 8 pallets en una hora, con los cuales se tendrían:
(
) (
) (
)
Con este dato, se puede calcular el tiempo en el cual se debe de llevar a cabo el proceso de
paletizado para cada caja, el cual es de:
Una vez que se obtiene el tiempo en el que debe llevarse a cabo el paletizado para cada
caja, se hace una distribución de tiempos para cada etapa del paletizado. Esto con el fin de
calcular la velocidad a la que operarán los motores que se usarán en el proceso de
paletizado y lograr así la correcta integración de las etapas del proceso.
La distribución del tiempo es el siguiente
- Rotación: 1.2 segundos
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
77
- Direccionamiento: 2 segundos
- Cama de rodillos 1.42 segundos
- Lámina: 1 segundo
Así, con la anterior distribución, se hacen los cálculos de la velocidad lineal de los motores,
tales motores son empleados en las etapas de “Rotación”, “Direccionamiento” y “Cama de
rodillos”, dichos cálculos se muestran a continuación.
Una vez que se tiene el cálculo de la velocidad lineal de cada motor, se hace el cálculo de la
velocidad angular de cada uno, y de acuerdo con las características de cada motor, se hace
el cálculo de la frecuencia a la que debe configurarse cada variador
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO II
78
Ahora que se conoce la velocidad angular a la que debe operar cada motor, se calcula la
frecuencia de operación de cada motor, estos valores pueden apreciarse en la tabla 2.1.
Tabla 2. 1 Velocidad/Frecuencia de operación de cada uno de los motores.
Etapa Velocidad angular
nominal/frecuencia Velocidad angular
requerida/frecuencia
Rotación 1365 RPM/50 Hz 777.77 RPM/28.48 Hz
Direccionamiento 920 RPM/50 Hz 666.66 RPM/36.23 Hz
Cama de rodillos 2660 RPM/50 Hz 1373.23 RPM/25.81 Hz
Con los valores que se muestra en la tabla 2.1 se pueden configurar los variadores de
velocidad para que al momento que el PLC envíe las señales mediante los relevadores, los
variadores se enciendan e inmediatamente los motores giren a la velocidad deseada.
En este capítulo se dio a conocer la distribución general de la empresa, así como las
actividades que se llevan a cabo en cada una de las áreas, haciendo énfasis en nuestra área
de interés que es la de paletizado, gracias al sondeo realizado con los trabajadores se
muestra toda la problemática que existe dentro de la misma, tomando dicha información se
propuso el planteamiento para la solución del problema.
En el siguiente capítulo se presenta el desarrollo de la solución de ingeniería, se observa y
describe el desarrollo de la máquina propuesta con los dispositivos de automatización que
se implementan, así como el funcionamiento del sistema completo.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
79
CAPITULO III. PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN DE INGENIERÍA
En este capítulo se presenta la solución de ingeniería al problema de paletizado manual. La
solución consta en realizar el paletizado de forma automática y continua, esto se logra con
un proceso de cinco etapas, que se detallan a continuación.
Figura 3. 1 Sistema de paletizado continuo de alta velocidad.
La propuesta de la máquina paletizadora se hizo perpendicularmente a la banda final de
proceso, debido a las dimensiones y distribución del área destinada al paletizado que se
muestra en la Figura 2.8.
a) Etapa 1 - Expulsión
b) Etapa 2 - Rotación
c) Etapa 3 - Posicionamiento
d) Etapa 4 - Estratificación
e) Etapa 5 – sistema hidráulico de
elevación
Banda final de proceso (ya
existente en la planta)
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
80
En la Figura 3.1 se muestra el sistema de paletizado continuo de alta velocidad de forma
completa, en esta se observa la etapa (a), que es la banda final de proceso ya existente en la
cual se implementó un cilindro neumático simple efecto controlado mediante una válvula
de 3 vías 2 posiciones para mandar el producto final a la etapa (b), en esta etapa se lleva a
cabo la rotación del mismo dependiendo la posición que se requiera para el estrato
mediante un cilindro neumático de simple efecto controlado por una válvula de 3 vías 2
posiciones, terminando la etapa (b) el producto final pasa a la banda de posicionamiento
que corresponde a la etapa (c), donde se implementará un cilindro neumático sin vástago
controlado por una válvula de 5 vías 3 posiciones que funge como selector de posición
mediante un mecanismo de guías. Cuando el producto final está en la posición deseada este
pasa a una cama de rodillos y una lámina de acero inoxidable correspondiente a la etapa
(d), en la cual se completa el estrato y se accionan dos cilindros neumáticos de simple
efecto controlados por dos válvulas de 3 vías 2 posiciones para ajustar la posición del
estrato y sujetarlo mientras la lámina de acero es desplazada en la misma orientación de la
banda posicionadora, esto mediante un cilindro neumático de doble efecto controlado por
una válvula de 5 vías 2 posiciones, una vez que la lámina es retirada los dos cilindros que
sujetan el estrato se retraen para depositar el estrato en el pallet, en este momento se da
paso a la última etapa (e), su función únicamente es bajar el pallet mediante un sistema
hidráulico cada vez que se deposite un estrato en el pallet hasta cumplir con los estratos
necesarios. Cuando el pallet está completo el sistema hidráulico llega a su tope inferior para
activar la cama de rodillos que traslada el pallet hacia el área donde los montacargas
disponen de los mismos para llevarlos al almacén.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
81
En la tabla 3.1 se observan los distintos equipos a implementar en cada etapa, como son
sensores, actuadores y salidas que controlan los actuadores.
Tabla 3. 1 Equipo a utilizar en cada etapa de la propuesta de solución.
ETAPA
SENSORES/
ENTRADAS SALIDAS ACTUADORES
1
1 Sensor
Capacitivo
2 Sensores
Magnéticos de
posición
1 Válvula monoestable de 3 vías 2
posiciones normalmente cerrada
con accionamiento por solenoide y
regreso por muelle.
1 Cilindro neumático de
doble efecto (carrera: 280
mm)
2
2 Sensores
Magnéticos de
posición
1 Válvula monoestable de 3 vías 2
posiciones normalmente cerrada
con accionamiento por solenoide y
regreso por muelle
1 Variador de velocidad
1 Motor trifásico de 0.33
Hp
1 Cilindro neumático de
doble efecto (carrera: 100
mm)
3
2 Sensores
Fotoeléctricos
de barrera
4 Sensores
Magnéticos de
posición
1 Válvula biestable de 5 vías 3
posiciones con accionamientos
por solenoide
1 Variador de velocidad
1 Motor trifásico de 0.74
Hp
1 Cilindro neumático sin
vástago (carrera: 620
mm)
4
1 Sensor
Fotoeléctrico de
barrera
8 Sensores
Magnéticos de
posición
3 Válvulas monoestable de 3
vías 2 posiciones normalmente
cerrada con accionamiento por
solenoide y regreso por muelle
1 Válvula monoestable de 3 vías
2 posiciones normalmente
abierta con accionamiento por
solenoide y regreso por muelle
1 Variador de velocidad
1 Motor trifásico de 0.5
Hp
3 Cilindros neumáticos
de doble efecto (carrera:
100 mm)
1 Cilindro neumático de
doble efecto (carrera:
1200 mm)
5 6 Sensores de
límite
1 Válvula monoestable de 5 vías
3 posiciones con accionamientos
por solenoide (incluida en el
sistema hidráulico de elevación)
1 Relevador contactor.
1 Cilindro Hidráulico de
doble efecto
1 Motor trifásico de 0.5
Hp
(ambos incluidos en el
sistema hidráulico de
elevación)
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
82
A continuación se describen a profundidad cada una de las etapas antes mencionadas
incluyendo los detalles de los dispositivos que se implementarán.
3.1 ETAPA 1 – EXPULSIÓN DE CAJAS EN LA BANDA FINAL.
En esta etapa las cajas que provienen del empaquetado y encajado llegarán a través de una
banda transportadora, es preciso mencionar que esta banda ya se encuentra en la empresa y
es impulsada por un motor trifásico ABB que mantiene una velocidad constante, esta banda
funge como alimentación para la etapa 2. Ahora bien como primer paso se realizará la
modificación al final de la banda, esta modificación será añadir el barandal y los soportes
que nos permitirán colocar los dispositivos como se muestra en la Figura 3.2.
Figura 3. 2 Modificaciones en banda final de proceso
Barandal
modificado.
Soporte para el
cilindro neumático 1.
Guías para accesorio de
movimiento de cajas.
Soporte para
sensor.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
83
Figura 3. 3 Etapa 1.
De acuerdo a la Figura 3.3 encontramos el cilindro 1(a), el cual es de la marca FESTO
modelo DSNU-40-320-PPV-A con una carrera de 320 mm (Figura 3.4 B) que nos ayudará a
hacer la transición de los productos de la banda de la etapa 1 hacia el comienzo de la etapa
2 con ayuda de un accesorio con guías que estará montado en el vástago del cilindro, para
que se pueda lograr el accionamiento del cilindro será necesario auxiliarnos de un sensor
capacitivo (b) de proximidad marca ALLEN-BRADLEY modelo 875CP 3-Wire DC
(Figura 3.4 C), que detectará las cajas cuando se aproximan al final de la banda a 20 mm de
distancia para evitar que lleguen al barandal, en el momento que se detecte la caja se
enviará la señal al PLC e inmediatamente se realizará el accionamiento de la electroválvula
5/2 monoestable marca FESTO modelo CPE18-M1H-5LS-1/4 (Figura 3.4 A), de forma
paralela se instalarán dos sensores magnetorresistivos de la marca FESTO modelo SMT-
8M-A-NS-24V-E-2,5-OE en el cilindro 1 (Figura 3.4 D), uno para detectar la expulsión del
vástago y otro para detectar la retracción del mismo.
(a)
(b)
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
84
Figura 3. 4 Dispositivos de la etapa 1.
3.2 ETAPA 2 – ROTACIÓN DE CAJAS.
Esta etapa es propiamente donde se realizará la rotación de las cajas de galletas y se
muestra en la Figura 3.5 como resultado de dicho proceso, las posiciones que presentaran
las cajas dentro de la cinta transportadora se describirán como posición 1 y posición 2 como
se observa en la Figura 3.6.
A B
C D
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
85
Figura 3. 5 Etapa 2.
Figura 3. 6 Posición de las cajas en la cinta transportadora.
Todas las cajas provenientes de la etapa 1 se encuentran en la posición 1, de modo que solo
se llevará a cabo el proceso de rotación si la caja requiere llegar al pallet en la posición 2.
Esto dependerá totalmente del diseño de estrato que se desarrolle.
La etapa 2 consta de una cinta transportadora de rodillos con cama deslizante con un motor
ABB de alta eficiencia trifásico de 4 polos con una potencia de 0.33 HP (0.25kW) modelo
M2AB 71MB 3GAB 072212-BSB el cual va a ser manipulado con un variador de
velocidad ALLEN-BRADLEY modelo POWERFLEX 4 y un cilindro neumático FESTO
de doble efecto modelo DNC-50-100-PPV (Figura 3.7), controlado mediante una
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
86
electroválvula FESTO monoestable 5/2 modelo CPE18-M1H-5LS-1/4 utilizada también en
el control del cilindro 1. El montaje del cilindro se muestra en la Figura 3.8
Figura 3. 7 Cilindro neumático FESTO de doble efecto modelo DNC-50-100-PPV.
Figura 3. 8 Montaje del cilindro neumático 2.
Para verificar cuando el cilindro 2 este retraído o expulsado se utilizara un par de sensores
magnetorresistivos FESTO modelo SMT-8M-A-NS-24V-E-2,5-OE.
Cilindro Neumático 2
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
87
Cuando es necesario llevar a cabo el proceso de rotación, el cilindro 2 es expulsado
inmediatamente después de que el cilindro 1 llega a su final de carrera extendido, para que
cuando la caja llegue a hacer contacto con el cilindro 2, uno de sus extremos sea frenado y
el otro extremo circule libremente a la misma velocidad de la cinta transportadora, con lo
cual se presentará la rotación.
Para entender mejor el proceso de rotación, en la Figura 3.9 se observan dos cajas sobre la
cinta transportadora de la etapa en descripción, una de las cajas pasó el cilindro 2 en la
posición 1 ya que no necesita rotación alguna y otra caja se encuentra rotando gracias a la
expulsión del cilindro 2 con el cual está en contacto.
Figura 3. 9 Rotación de cajas.
Para verificar medidas de la banda de rotación de cajas, dirigirse al Anexo A, Figura A.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
88
3.3 ETAPA 3 – BANDA TRANSPORTADORA ESPECIAL DE
POSICIONAMIENTO.
En esta etapa se hace el direccionamiento de las cajas hacia el lugar que estas requieran
dentro del estrato que se esté formando en el pallet (ver Figura 3.10).
Figura 3. 10 Etapa 3.
Esta etapa consta de una banda transportadora especial de posicionamiento con un motor
ABB trifásico de alta eficiencia de 6 polos a 920 RPM modelo M2BA 80MB 3GBA 082
214-BSB, el motor será controlado por medio de un variador de velocidad ALLEN-
BRADLEY modelo POWERFLEX 4.
Dentro de la banda se utiliza un actuador lineal neumático FESTO (Figura 3.11) modelo
DGC-50-620-G-PPV-A con una carrera de 620mm controlado mediante una válvula
FESTO biestable de 5 vías 3 posiciones modelo CPE18-M1H-5/3G-QS-8 con pilotaje
interno y solenoides (Figura 3.12); para detectar la posición en la que se encuentra el
cilindro se usarán 4 sensores magnetorresistivos FESTO modelo SMT-8M-A-NS-24V-E-
2,5-OE montados en la ranura T a lo largo de la cara lateral de las guías del actuador lineal
neumático.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
89
Para verificar las medidas de la banda posicionadora, dirigirse al Anexo A, Figuras B, E y
F.
Figura 3. 11 Actuador lineal neumático FESTO.
Figura 3. 12 Válvula FESTO biestable de 5 vías 3 posiciones.
En la Figura 3.13 se observa el lugar donde se encuentra el actuador lineal neumático.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
90
Figura 3. 13 Cilindro neumático sin vástago.
Para verificar medidas del cilindro para el direccionamiento, dirigirse al Anexo A, Figura
D.
La banda de posicionamiento, está conformada por eslabones individuales (Figura 3.14)
sobre los que se desliza un mecanismo de corredera, el cual tiene forma de T (Figura 3.15)
para que el deslizamiento a través del eslabón sea regido por medio de guías instaladas por
debajo de los eslabones.
Figura 3. 14 Eslabón de banda posicionadora.
Eslabón
Corredera
Cilindro 3
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
91
Para verificar las medidas del eslabón, dirigirse al Anexo A, Figura G.
Figura 3. 15 Corredera.
Para verificar las medidas de la corredera, dirigirse al Anexo A, Figura H.
Para seleccionar el carril hacia el que se mandarán las cajas, se presenta un mecanismo de
guías, a través y entre de las cuales correrán las extremidades cilíndricas de las correderas,
accionado por el cilindro 3 como se muestra en las siguientes figuras 3.16 y 3.17.
Figura 3. 16 Mecanismo de guías.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
92
Figura 3. 17 Vista inferior del mecanismo de guías.
Para verificar medidas del mecanismo de direccionamiento, dirigirse al Anexo A, Figura C.
Al final de la banda de posicionamiento, como se observa en la Figura 3.10, las correderas
de los eslabones llegan en diferentes posiciones, debido a que al salir las extremidades
cilíndricas de las correderas, de las guías de direccionamiento no hay algún otro elemento
que interfiera en la trayectoria de las mismas a lo largo de la banda, esto se muestra en la
Figura 3.18.
Figura 3. 18 Fin de banda de posicionamiento.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
93
Para que las correderas lleguen en la posición central requerida para poder ser
direccionadas nuevamente, se diseñó un soporte guía de retorno, en forma de cuello de
botella, como se puede observar en la Figura 3.19.
Figura 3. 19 Guías de retorno.
En la Figura 3.20 se puede observar de mejor manera como es que las correderas regresan a
su posición inicial cuando los eslabones se desplazan sobre la parte inferior de la banda.
Figura 3. 20 Vista inferior, retorno de correderas.
Guías de
retorno
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
94
Para detectar el momento en el que tiene que ser accionado el mecanismo de guías de
posicionamiento mediante el cilindro 3, se tiene un sensor fotoeléctrico de barrera OMRON
modelo E3Z-T61A, en la Figura 3.21 se observan las bases sobre las cuales serán montados
el emisor y el receptor en los barandales laterales superiores de la banda.
Figura 3. 21 Bases para sensor fotoeléctrico de barrera.
Del mismo modo para llevar a cabo la detección de la salida de las cajas, así como el
conteo de las cajas que han pasado a través de esta etapa, se utilizan los mismos sensores
fotoeléctricos OMRON mencionados antes. Esto se observa en la Figura 3.22.
Figura 3. 22 Bases para sensor fotoeléctrico de barrera al final de la banda.
Bases para
sensor
Bases para
sensor
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
95
3.4 ETAPA 4 – COLOCACIÓN DE ESTRATOS SOBRE EL PALLET.
Como ya sabemos las cajas serán distribuidas por la etapa 3 en el área que se requiera, en
el estrato, de modo que terminando la etapa 3 las cajas pasarán ya con la posición a una
cama de rodillos es aquí donde comenzará la etapa 4 (Figura 3.23), esta etapa consta de 4
sub etapas la primera será la cama de rodillos (1) ya mencionada, la segunda será la barrera
neumática (2), como tercer etapa tendremos el acomodo del estrato (3) y para finalizar
encontraremos el retiro de la lámina (4) para depositar el estrato en el pallet.
Figura 3. 23 Etapa 4 (formación del estrato)
La cama de rodillos (Figura 3.24) se accionará mediante un motor ABB de alta eficiencia
modelo M2BA 71MB 3GBA 071 211-BSB controlado por un variador de la marca ALLEN-
BRADLEY modelo POWERFLEX 4, la implementación de todos los dispositivos tendrá
como función que las cajas sigan su trayecto sin perder su velocidad y generar un proceso
continuo.
(1)
(2) (3)
(4)
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
96
Figura 3. 24 Cama de rodillos
Figura 3. 25 Llegada de cajas
Con respecto a la Figura 3.25 se podrá visualizar como llegarán las cajas de la etapa
anterior, en las diferentes secciones a lo ancho de la cama de rodillos, esto permitirá que se
vaya formando el estrato. De este modo pasará a la lámina de retiro la cual se explicará su
funcionamiento más adelante.
Para verificar las medidas de la cama de rodillos, dirigirse al Anexo A, Figuras I y J.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
97
En conjunto a esto estará trabajando la sub etapa dos que será la barrera neumática ver
Figura 3.26, la cual está fabricada de acrílico con un espesor de 10 mm y una altura de 100
mm, está será elevada o retraída con la ayuda de un cilindro neumático de la marca FESTO
modelo DSNU-10-P-A con una carrera de 100 mm, el control del cilindro se llevará a cabo
con la electroválvula 5/2 monoestable marca FESTO modelo CPE18-M1H-5LS-1/4.
Figura 3. 26 Barrera neumática
Figura 3. 27 Sistema de barrera neumático.
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98
Para verificar las medidas de la barrera neumática, dirigirse al Anexo A, Figura K.
Con respecto a la Figura 3.27 se visualiza el sistema de barrera, el cilindro sostendrá a la
barrera de acrílico por medio de un prensa, y subirá o bajará, este barrera tendrá como
función bloquear el paso de las cajas, cuando ya se tenga un estrato completo en la sub
etapa de acomodo sobre la lámina metálica, ya que si se permite el paso de las cajas
provenientes de la cama de rodillos se generaría un cuello de botella, de modo que la
barrera actuara como límite para que las posteriores cajas se vayan acumulando en la caja
de rodillos para posteriormente ser colocadas ahora en la lámina donde estuvo el anterior
estrato, de tal forma que el accionamiento de la barrera será cíclico las veces que se
requieran hasta cumplir con los pallets necesarios en la producción.
Al tener un estrato completo en la lámina metálica, como antes se mencionó entrará en
acción la sub etapa de acomodo del estrato, como se ve en la Figura 3.28 dicha sub etapa,
contendrá dos cilindros neumáticos de la marca FESTO modelo DNC-50-100PPV con una
carrera de 100 mm distancia necesaria para el proceso, estos serán controlados cada uno por
la electroválvula 5/2 monoestable marca FESTO modelo CPE18-M1H-5LS-1/4.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
99
Figura 3. 28 Acomodo del estrato
Figura 3. 29 Vista superior
De acuerdo a la Figura 3.29, se visualiza el desplazamiento de 100 mm que sostendrá y
acomodará las cajas de forma adecuada, las placas serán accesorios implementados en el
Desplazamiento
de 100 mm
Placa para el acomodo
del estrato
Lámina
metálica Cilindros
neumáticos
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
100
vástago del cilindro con una longitud de 1200 mm para su buen funcionamiento, cuando el
estrato son sostenidas por las placas entrará la última sub etapa que es el retiro de la lámina
metálica.
Para verificar las medidas de las bases para los elementos del sistema de acomodo del
estrato, dirigirse al Anexo A, Figuras L, M y N.
Para está ultima sub-etapa se conforma de una lámina metálica (ver Figura 3.30) que será
desplazada por un cilindro de marca FESTO modelo KDNG-40-PPV-A con un una carrera
de 2000 mm, que es la distancia que requerimos para retirar e introducir la lámina, dicho
cilindro será controlado por la electroválvula 5/2 monoestable marca FESTO modelo
CPE18-M1H-5LS-1/4.
Figura 3. 30 Retiro de lámina metálica dirigida por cilindro neumático.
Para verificar las medidas de la lámina metálica y sus guías, dirigirse al Anexo A, Figura O.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
101
Figura 3. 31 Vista lateral
Para verificar las medidas de la mesa para retiro de la placa, dirigirse al Anexo A, Figura P.
Como se ve en la Figura 3.31, tanto la mesa como las guías de la lámina tendrán una
inclinación de 10 grados con respecto al suelo esto se realiza para que cuando se llene el
estrato proveniente de la cama de rodillos las cajas no pierdan su velocidad y lleguen a la
sección que le corresponde, esto evitará que se maltraten las cajas y se depositen de forma
adecuada en el pallet. Cuando se realice el retiro de la lámina las cajas caerán en el pallet
colocándolas en el sistema hidráulico de elevación, cuando se termine de depositar todo el
estrato en el pallet la lámina regresará a su posición inicial repitiendo este proceso hasta
que se a completen los estratos requeridos para el pallet.
3.5 ETAPA 5 – SISTEMA HIDRÁULICO DE ELEVACIÓN.
Durante esta última etapa del proceso de paletizado continuo de alta velocidad se lleva a
cabo el desplazamiento vertical del sistema hidráulico de elevación (Figura 3.32a), el cual
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
102
es de la marca Disset modelo MSA1300 y que se encargará de colocar el pallet a diferentes
alturas dependiendo el número de estratos que se requiera según la programación y el
número de estratos que ya se hayan colocado sobre el pallet, en la Figura 3.33 se muestra el
esquema general de su funcionamiento en nuestro proceso.
Figura 3. 32 Dispositivos de la etapa 5
Figura 3. 33 Esquema general de funcionamiento del sistema hidráulico de elevación
Cabe mencionar que este sistema ya viene con todos los componentes de abastecimiento y
control incluidos, como son bomba de aceite, conectores, mangueras, válvulas de control
a
b
Posicionamiento
a nivel de la
lámina
Posicionamiento
a 200 mm por
debajo del nivel
de la lámina
Posicionamiento
a 400 mm por
debajo del nivel
de la lámina
Posicionamiento
a 600 mm por
debajo del nivel
de la lámina
Posicionamiento
a 800 mm por
debajo del nivel
de la lámina
Posicionamiento
al nivel de la
cama de rodillos
para transición
del pallet a la
zona de
montacargas
Colocación
del primer
estrato
sobre el
pallet
Colocación
del segundo
estrato
sobre el
pallet
Colocación
del quinto
estrato
sobre el
pallet
Colocación
del cuarto
estrato
sobre el
pallet
Colocación del
tercer estrato
sobre el pallet
Expulsión del
pallet hacia los
montacargas
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
103
para el cilindro hidráulico, etc. Este sistema será controlado mediante el PLC (el cuál se
mencionó en la etapa 1), para lograr el control de este sistema será necesario detectar la
posición del mismo mediante 6 contactos de límite (limit switch) marca OMRON modelo
D4C-3532 (Figura 3.32b) los cuáles detectarán cuándo el sistema se coloque a determinada
altura y enviarán inmediatamente un señal al PLC para que este a su vez envíe una señal al
sistema hidráulico de elevación para que cambie de posición.
Tal como se ve en la Figura 3.34 en primer lugar el sistema se colocará a nivel de la lámina
de la etapa 4, para lograr esto se colocará uno de los contactos de límite a la altura de la
lámina para que cuándo el contacto se active por el sistema este se detenga, una vez que se
haya formado el primer estrato la lámina se retirará y el estrato quedará sobre el pallet, en
ese momento el sistema bajará y al activar el segundo contacto, el cual estará 200 mm por
debajo del primero, se detendrá para repetir el proceso de la lámina, así sucesivamente
hasta formar los 5 estratos.
Figura 3. 34 Posición inicial del sistema hidráulico
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
104
Una vez que estén formados los 5 estratos el sistema bajará una vez más hasta que se active
el sexto y último contacto, en ese momento el motor de la cama de rodillo se activará para
enviar el pallet con los 5 estratos hacia el área de los montacargas (Figura 3.35)
Figura 3. 35 Retiro del pallet completo.
3.6 REJA DE SEGURIDAD Y COLOCACION DEL PANEL DE CONTROL
Por motivos de seguridad de los operadores, se propone colocar una reja de seguridad
alrededor de las bandas transportadoras, la banda posicionadora, parte del sistema de
elevación hidráulico y la salida del pallet, para evitar que cualquier trabajador ingrese a la
zona de trabajo automático, disminuyendo los riesgos contra el operador y provocar algún
retraso en el proceso de paletizado. En la figura 3.36 se muestra el enrejado de seguridad.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
105
Figura 3. 36 Enrejado de seguridad.
Como se observa en la figura 3.36 la reja de seguridad corre a lo largo de las bandas,
evitando que se tenga contacto con el proceso, sin embargo podemos apreciar que hay un
camino abierto al operador, esto es debido a que la colocación de los pallets se hará de
forma manual ya que la empresa no despedirá a ninguno de los operadores que estaban
trabajando en el proceso sino que los reubicara, esta es la razón por la cual la alimentación
de los pallets será de forma manual. A la salida del pallet con sus respectivos estratos no
habrá necesidad de continuar la reja de seguridad, ya que los operadores se encargaran de
mover el pallet con ayuda de traspaletas hacia el área de almacén, por tal motivo se
necesita tener el libre acceso a esta última sección del proceso.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
106
Figura 3. 37 Ubicación de panel de control
En la figura 3.37 se puede observar más de cerca la ubicación del panel de control, el cual
se encuentra en paralelo a la cama de rodillos de la salida del pallet armado, se colocó en
esta parte del proceso de paletizado debido a que desde ese punto se puede supervisar como
se van formando los estratos, al igual que su caída en el pallet ingresado manualmente, otro
punto importante de su ubicación es para facilitar el paro de emergencia por los operadores
que estén trabajando en las áreas manuales anteriormente mencionadas.
A continuación se mostrara la distribución interna del panel de control en la figura 3.38,
que será ilustrada por medio de bloques para después hacer la explicación de su
distribución.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
107
Figura 3. 38 Distribución del panel de control.
La figura 3.38 representa la distribución del panel de control donde encontramos diferentes
bloques, el número uno le corresponde al PLC, en el numero dos se montará el relevador
contactor, los bloques con el número tres son referentes a los variadores de velocidad
POWERFLEX 4, el bloque cuatro se usa para montar el circuito de habilitación del sistema
a 24 volts y el bloque cinco corresponde a el circuito de habilitación del sistema pero a
diferencia del bloque cuatro este es a 220 VCA, estos dos últimos bloques se separan ya
que no todo se alimenta con el mismo voltaje.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO III
108
En este capítulo se dio a conocer el diseño de la propuesta de paletizado continuo de alta
velocidad, los dispositivos seleccionados para formar parte del sistema, así como la
disposición de los mismos.
En el siguiente capítulo se muestra el controlador lógico programable seleccionado, su
programación en base a las necesidades que demanda el proyecto, la metodología de
configuración de los variadores de velocidad y las conexiones eléctricas del sistema.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
109
CAPITULO IV. CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS Y PROGRAMACIÓN
DEL CONTROLADOR MICROLOGIX 1100
En este capítulo se presentan las configuraciones de los dispositivos utilizados para la
solución de ingeniería, así como los diagramas eléctricos necesarios para la instalación de
los dispositivos y los diagramas de programación del controlador.
4.1 CONFIGURACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS
4.1.1 Configuración del PLC
El funcionamiento de los dispositivos de entrada y salida a utilizar es de tipo digital, y
tienen un rango de operación de 24VDC, debido a esto se seleccionó un PLC Micrologix
1100 de la marca Allen-Bradley modelo 1763-L16BWA, el cual opera con una
alimentación de 120/240 VAC, además cuenta con 6 entradas digitales de 24 VDC, 4
entradas digitales de alta velocidad de 24 VDC, 2 entradas analógicas de 0-10 VDC y 6
salidas a relevador. En la Figura 4.1 se presenta el LAYOUT del PLC.
Figura 4. 1 LAYOUT del PLC
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
110
Debido al número de entradas y salidas que se van a manejar en el proceso, adicionalmente
al PLC se seleccionaron 3 módulos de expansión, de los cuales; 2 son módulos de entradas
digitales de 16 puntos a 24 VDC modelo 1762-IQ16, y un módulo de salidas a relevador de
16 puntos a VAC/VDC modelo 1762-OW16. En la Figura 4.2 se observa cómo quedarán
instalados los módulos de expansión junto con el PLC sobre el riel.
Figura 4. 2 Módulos de expansión de E/S conectados al PLC sobre el riel
4.1.2 Configuración de los circuitos de 24 VDC y 120 VAC
Para el control del sistema se utilizarán 2 botones, uno de habilitación (NO) y otro de
inhabilitación (NC), el botón de arranque energizará una bobina, la cual cuenta con 3
contactos auxiliares, el primer contacto se utilizará en el enclave del arranque para
mantener el sistema funcionando, el segundo contacto auxiliar se usará para
habilitar/deshabilitar los circuitos de 24 VDC y el último para habilitar/deshabilitar los
circuitos de 120 VAC. El botón de paro será el que deshabilite todos los circuitos, en la
Figura 4.3 se puede observar el diagrama de conexión de esta parte del sistema.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
111
Figura 4. 3 Diagrama de habilitación/inhabilitación del sistema
4.1.3 Configuración de las entradas y salidas
Para poder hacer la configuración de las entradas y salidas del proceso, se asignó una
dirección a cada una de estas, las cuales ayudarán a realizar la programación de forma más
sencilla.
Tabla 4. 1 Asignación de entradas y salidas por etapa
ENTRADAS SALIDAS
ETAPA 1
Sens1_cap1 I1:1.0/0 Solenoide1_1 O0:3.0/0
Sens1_mag1 I1:1.0/1
Sens1_mag2 I1:1.0/2
ETAPA 2
Sens2_mag1 I1:1.0/3 Solenoide2_1 O0:3.0/1
Sens2_mag2 I1:1.0/4 Act_var1 O0:3.0/2
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
112
Des_var1 O0:3.0/3
ETAPA 3
Sens3_fot1 I1:1.0/5 Solenoide3_1 O0:3.0/4
Sens3_fot2 I1:1.0/6 Solenoide3_2 O0:3.0/5
Sens3_mag1 I1:1.0/7 Act_var2 O0:3.0/6
Sens3_mag2 I1:1.0/8 Des_var2 O0:3.0/7
Sens3_mag3 I1:1.0/9
Sens3_mag4 I1:1.0/10
ETAPA 4
Sens4_fot1 I1:1.0/11 Solenoide4_1 O0:3.0/8
Sens4_mag1 I1:1.0/12 Solenoide4_2 O0:3.0/9
Sens4_mag2 I1:1.0/13 Solenoide4_3 O0:3.0/10
Sens4_mag3 I1:1.0/14 Solenoide4_4 O0:3.0/11
Sens4_mag4 I1:1.0/15 Act_var3 O0:3.0/12
Sens4_mag5 I1:2.0/0 Des_var3 O0:3.0/13
Sens4_mag6 I1:2.0/1
Sens4_mag7 I1:2.0/2
Sens4_mag8 I1:2.0/3
ETAPA 5
Sens5_lim1 I1:2.0/4 Solenoide5_1 O0:3.0/14
Sens5_lim2 I1:2.0/5 Solenoide5_2 O0:3.0/15
Sens5_lim3 I1:2.0/6 Rele_Contactor O0:0.0/0
Sens5_lim4 I1:2.0/7
Sens5_lim5 I1:2.0/8
Sens5_lim6 I1:2.0/9
ARRANQUE Y PARO TOTAL
Arranque I1:2.0/10
Paro total I1:2.0/11
Después de haber hecho la asignación de direcciones a cada una de las entradas y salidas
del proceso se realizan los diagramas de conexión que representan a cada uno de los
módulos y sus entradas/salidas.
En las figuras 4.4 y 4.5 se pueden observar la configuración de los módulos de expansión
de entradas/salidas.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
113
Figura 4. 4 Configuración de los módulos de entradas 1762-IQ16
Figura 4. 5 Configuración del módulo de salidas 1762-OW16
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
114
4.1.4 Configuración de los variadores de velocidad
Cómo ya se mencionó anteriormente, para el control de los motores se utilizarán variadores
de velocidad de la marca Allen-Bradley modelo POWERFLEX 4, en la Figura 4.5 se
observa la disposición (LAYOUT) de los 3 variadores (alimentación de los variadores y de
los motores) a utilizar en el proceso, así mismo, en las figuras 4.6, 4.7 y 4.8 se muestra la
configuración para el control de cada uno de los variadores de velocidad.
Figura 4. 6 Disposición de los variadores (LAYOUT)
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
115
Figura 4. 7 Configuración del Variador 1, que se encontrará en la ETAPA 2 del
proceso.
Figura 4. 8 Configuración del Variador 2, que se encontrará en la ETAPA 3 del
proceso.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
116
Figura 4. 9 Configuración del Variador 3, que se encontrará en la ETAPA 4 del
proceso.
Los variadores de velocidad serán configurados para que al momento en que el PLC envíe
la señal al variador, éste se encienda y llegue a una determinada velocidad, a continuación
se describe la forma en que se realiza esta configuración de los variadores:
1- Con el parámetro P031 se ingresa el voltaje de alimentación del motor a controlar
2- Con el parámetro P032 se ingresa la frecuencia de alimentación del motor a
controlar
3- Con el parámetro P033 se ingresa la máxima corriente permisible del motor
4- Con el parámetro P034 se ingresa la frecuencia mínima de salida del variador
5- Con el parámetro P035 se ingresa la frecuencia máxima de salida del variador
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
117
6- Con el parámetro P036 se selecciona el método de arranque del variador, en este
caso se seleccionará la opción “1”, que es “Tres hilos” y el retroceso quedará
inhabilitado por el parámetro A095 al colocarlo en la opción “1”
7- Con el parámetro P037 se selecciona el modo de paro del variador, en este caso se
selecciona la opción “0” que es “frenado en rampa borrando el fallo”
8- Con el parámetro P038 se establece la fuente de la velocidad de referencia para el
variador, en este caso se selecciona la opción “4”, la cual es “frecuencia
preseleccionada”, para operar con la “frecuencia preseleccionada 0” es necesario
configurar los parámetros A051 y A052 en la opción “4”, y en el parámetro A070 se
selecciona el valor de la “frecuencia preseleccionada 0”, tal como se muestra en la
tabla 4.2, al seleccionar los parámetros A051 y A052 en “4” y mantener el estado de
las entradas digitales en “0” el variador selecciona la fuente de frecuencia
“frecuencia preseleccionada 0”
Tabla 4. 2 Selección de fuente de frecuencia preseleccionada
9- Con el parámetro P039 se establece el tiempo de aceleración en segundos
10- Con el parámetro P040 se establece el tiempo de desaceleración en segundos
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
118
11- Con el parámetro P041 se restablecen los valores de todos los parámetros, en este
caso se inhabilita seleccionando la opción “0”
12- Con el parámetro P043 se habilita/inhabilita la función de retención de sobrecarga
del motor, en este caso se selecciona la opción “0”
Al seguir todos los pasos antes mencionados, se logra configurar cada variador para
controlar el arranque, paro y la velocidad de referencia de cada motor de acuerdo a las
necesidades del proceso.
Los valores a configurar, serán las frecuencias de funcionamiento de cada uno de los
motores, las cuales se obtienen a partir de las velocidades a las que deben operar, ya
mencionadas anteriormente en el tema 2.2.1.
4.2 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR
4.2.1 Configuración del Controlador
Para realizar la programación del controlador primero se realizo la configuración del mismo
en el software RSLogix 500 del fabricante Allen-Bradley, seleccionando en archivo (file)
un nuevo proyecto e ingresando el tipo de procesador a utilizar, que en nuestro caso es el
1763 MICROLOGIX 1100 A, como se puede observar en la figura 4.10.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
119
Figura 4. 10 Configuración del controlador.
Posteriormente se configuró el tipo de tarjetas de entradas y salidas a utilizar por modulo,
como se observa en la figura 4.11.
Figura 4. 11 Configuración de las tarjetas de entradas y salidas digitales.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
120
Una vez configuradas las tarjetas de entradas y salidas digitales, creamos las rutinas y
subrutinas o archivos de programa en los cuales se establecerá: el arranque y paro (A/P), la
etapa 3, la etapa 4 y la etapa 5. Después de haber sido creados, aparecen en el árbol de
proyecto, como se puede observar en la figura 4.12.
.
Figura 4. 12 Creación de los archivos de programa.
Habiendo configurado el software RSLogix 500, se procede a realizar la programación de
cada archivo de programa; debido a la sencillez de funcionamiento de la etapa 1 y 2 no se
creo un archivo de programa individual como para las otras tres etapas restantes, por lo cual
las primeras dos etapas se encuentran contenidas en el archivo de programa de arranque y
paro (A/P).
Archivos de programa
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
121
4.2.2 Archivos de programa
A continuación se presenta cada archivo de programa, así como la descripción de cómo se
desarrolló cada uno de ellos.
Arranque y paro
El arranque y paro es la rutina principal del programa y se encuentra en la escalera 2 o
ladder 2, a lo largo de esta rutina existen diversas instrucciones permisivas que al cumplirse
llaman a los demás archivos de programas o subrutinas.
A continuación se presenta y se describe la rutina principal mediante las figuras 4.13, 4.14,
4.15 y 4.16.
Figura 4. 13 Líneas 0 y 1 del archivo de programa arranque y paro.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
122
Figura 4. 14 Líneas 2, 3 y 4 del archivo de programa arranque y paro.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
123
Figura 4. 15 Líneas 5-10 del archivo de programa arranque y paro.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
124
Figura 4. 16 Líneas 11-14 del archivo de programa arranque y paro.
Ahora se explicará el desarrollo de las subrutinas o archivos de programa: etapa 3, etapa 4
y etapa 5.
Etapa 3
Debido a la complejidad de la secuencia de movimientos que requiere desempeñar el
cilindro neumático sin vástago de la etapa 3, fue necesario el desarrollo de un diagrama
espacio-fase (Figura 4.17), para poder visualizar de manera más clara la función que tiene
el ya mencionado actuador.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
125
Figura 4. 17 Diagrama espacio-fase de la etapa 3.
Se puede observar que el cilindro 3 se mueve con respecto a 4 posiciones, las cuales están
representadas en el eje “y” del gráfico anterior, por medio del número 0 al 3. La secuencia
que realiza este actuador comprende 7 etapas, las cuales se encuentran representadas por
medio de E0 hasta E6.
La etapa cero es activada cuando el acumulador del contador C5:0 es igual a uno y el
sensor magnético 1 de la etapa 3 (Sens3_mag1) se encuentra detectando que el cilindro 3
está en la posición 0 (extremo derecho de su carrera), en esta etapa la solenoide 1 de la
etapa 3 (Solenoide3_1) es activada, provocando que el cilindro se desplace hacia la
izquierda.
La etapa cero es desactivada cuando el sensor magnético 2 de la etapa 3 (Sens3_mag2)
detecta que el cilindro 3 ha llegado a la segunda posición, de manera simultánea la etapa
uno es activada.
En la etapa uno el actuador neumático se mantiene en la posición 2, hasta que el
acumulador del contador C5:0 es igual a 2, en ese instante la etapa uno es desactivada y la
etapa dos activada.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
126
En la etapa dos, la solenoide 1 de la etapa 1 (Solenoide3_1) es activada nuevamente,
haciendo que el cilindro se desplace hacia la izquierda, hasta que es detectado por el sensor
magnético 3 de la etapa 3 (Sens3_mag3), en ese momento se desactiva la etapa dos y se
procede a la etapa tres, en la cual el cilindro se mantiene en la misma posición.
Cuando el acumulador del contador C5:0 es igual a 3, la etapa tres es desactivada y se
activa la etapa cuatro, energizando de nuevo la solenoide 1 de la etapa 3 (Solenoide3_1)
para mover el cilindro hacia la izquierda. Cuando el cilindro es detectado por el sensor
magnético 4 de la etapa 3 (Sens3_mag4), la etapa cuatro es desactivada dando paso a la
activación de la quinta etapa en donde el cilindro se mantiene en la misma posición hasta
que el acumulado del contador es igual a 4, en ese instante la etapa cinco es activada
provocando que se energice la solenoide 2 de la etapa 3 (Solenoide3_2) la cual provoca que
el cilindro se desplace hacia la derecha, hasta la posición 0 en donde vuelve a comenzar la
secuencia.
Con la descripción anterior y utilizando el método paso a paso se desarrolló la
programación de la subrutina etapa3 que se presentará a continuación con las figuras 4.18 y
4.19.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
127
Figura 4. 18 Líneas 0 - 3 del archivo de programa etapa 3.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
128
Figura 4. 19 Líneas 4 - 10 del archivo de programa etapa 3.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
129
Etapa 4
En ésta etapa también fue necesario el uso de un diagrama de espacio-fase (Figura 4.20)
para visualizar de un modo más sencillo la secuencia que tienen que seguir los cuatro
cilindros presentes en ésta etapa.
Figura 4. 20 Diagrama espacio-fase de la etapa 4.
Se puede observar que los cilindros 4, 5, 6 y 7 se mueven únicamente en 2 posiciones, las
cuales están representadas por medio de los números 0 y 1. La secuencia que realizan estos
actuadores se comprende de 6 etapas, las cuales se encuentran representadas por medio de
E0 hasta E5.
La etapa cero es activada cuando el bit interno B3:0/9 está en estado alto, lo cual indica que
han pasado menos de 16 cajas de un estrato frente al sensor fotoeléctrico de barrera 1 de la
etapa 4 (Sens4_fot1), y simultáneamente los sensores magnéticos 2, 3, 5 y 8 de la etapa 4
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
130
(Sens4_mag2, Sens4_mag3, Sens4_mag5 y Sens4_mag8) están activos, lo cual indica que
el cilindro 4 (barrera de acrílico) está expulsado, los cilindros 5 y 6 (alineadores del estrato)
están retraídos y el cilindro 7 está expulsado manteniendo la lámina sobre el pallet, en esta
etapa las solenoides 1 y 4 de la etapa 4 (Solenoide4_1 y Solenoide4_4) son activadas,
provocando que los cilindros 4 y 7 sean expulsados, al mantener el cilindro 4 expulsado se
mantiene el tope de acrílico arriba y no permite el paso de las cajas, mientras que el
mantener expulsado el cilindro 7 la lámina se mantiene sobre el pallet.
La etapa cero es desactivada cuando el bit interno B3:0/9 se encuentra en estado bajo, lo
que indica que han pasado las 16 cajas de un estrato frente al sensor fotoeléctrico de
barrera 1 de la etapa 4 (Sens4_fot1), de manera simultánea la etapa uno es activada.
En la etapa uno la solenoide 4 de la etapa 4 (Solenoide4_4) se mantiene activa, lo cual
mantiene al cilindro 7 expulsado y a la lámina sobre el pallet, mientras que la solenoide 1
de la etapa 4 (Solenoide4_1) es desactivada y se retrae el cilindro 4, bajando la barrera de
acrílico y permitiendo el paso de un estrato de cajas hacia la lámina, cuando el sensor
magnético 1 de la etapa 4 (Sens4_mag1) se activa, el cual indica que el cilindro 4 (barrera
de acrílico) está retraído, se desactiva la etapa uno y se activa la etapa dos.
En la etapa dos, la solenoide 4 de la etapa 4 (Solenoide4_4) se mantiene activa, haciendo
que el cilindro 7 continúe expulsado manteniendo la lámina sobre el pallet, hasta que se
vuelve a activar el bit interno B3:0/9, lo cual indica que han pasado menos de 16 cajas de
otro estrato frente al sensor fotoeléctrico de barrera 1 de la etapa 4 (Sens4_fot1), en ese
momento se desactiva la etapa dos y se procede a la etapa tres.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
131
En la etapa tres se activa la solenoide 1 de la etapa 4 (Solenoide4_1) la cual expulsa al
cilindro 4 (barrera de acrílico), al mismo tiempo se activan las solenoides 2 y 3 de la etapa
4 (Solenoide4_2 y Solenoide4_3) las cuales activan a los cilindros 5 y 6 respectivamente,
estos cilindros alinean las cajas del estrato mientras la lámina que está sobre el pallet es
retirada, esto se logra desactivando la solenoide 4 de la etapa 4 (Solenoide4_4). Cuando los
sensores magnéticos 2, 4 y 6 se activan, lo cual indica que el cilindro 4 (barrera de acrílico)
y los cilindros 5 y 6 (alineadores del estrato) están expulsados, la etapa tres es desactivada y
se activa la etapa cuatro, la cual mantiene activas las solenoides 1, 2 y 3 de la etapa 4
(Solenoide4_1, Solenoide4_2 y Solenoide4_3) hasta que el sensor magnético 7 de la etapa
4 (Sens4_mag7) es activado, lo que indica que la lámina que se encontraba sobre el pallet
ha sido retirada por completo y el estrato ha sido colocado sobre el pallet, en este momento
la etapa cuatro se desactiva y la etapa cinco procede a ser activada.
Durante la etapa cinco las solenoides 2 y 3 de la etapa 4 (Solenoide4_2 y Solenoide 4_3)
son desactivadas, esto hace que los cilindros 5 y 6 (alineadores del estrato) se retraigan, al
mismo tiempo la solenoide 1 de la etapa 4 (Solenoide4_1) se mantiene activa, manteniendo
así al cilindro 4 (barrera de acrílico) expulsado y también se activa la solenoide 4 de la
etapa 4 (Solenoide4_4), ésta expulsa al cilindro 7 colocando a la lámina sobre el pallet.
Cuando el bit interno B3:0/9 está en estado alto, lo cual indica que han pasado menos de 16
cajas de otro estrato frente al sensor fotoeléctrico de barrera 1 de la etapa 4 (Sens4_fot1) y
simultáneamente los sensores magnéticos 2, 3, 5 y 8 de la etapa 4 (Sens4_mag2,
Sens4_mag3, Sens4_mag5 y Sens4_mag8) están activos, lo cual indica que el cilindro 4
(barrera de acrílico) está expulsado, los cilindros 5 y 6 (alineadores del estrato) están
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
132
retraídos y el cilindro 7 está expulsado manteniendo la lámina sobre el pallet, la etapa 5
termina y en este momento es donde vuelve a comenzar la secuencia.
Con la descripción anterior y utilizando el método paso a paso se desarrolló la
programación de la subrutina etapa4 que se presentará a continuación con las figuras 4.21,
4.22 y 4.23
Figura 4. 21 Líneas 0 y 1 del archivo de programa etapa 4
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
133
Figura 4. 22 Líneas 2 - 6 del archivo de programa etapa 4
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
134
Figura 4. 23 Líneas 7 - 10 del archivo de programa etapa 4
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
135
Etapa 5
Ésta última etapa también requirió del uso de un diagrama de espacio-fase (Figura 4.24)
para visualizar de manera clara la secuencia que desarrollará el cilindro 8.
Figura 4. 24 Diagrama espacio-fase de la etapa 5.
Se puede observar que el cilindro 8 se mueve a través de 6 posiciones, las cuales están
representadas por medio de los números del 0 al 5. La secuencia que realiza este actuador
se comprende de 11 etapas, las cuales se encuentran representadas por medio de E0 hasta
E10.
La etapa cero es activada cuando se detectan simultáneamente el sensor magnético 7 de la
etapa 4 (Sens4_mag7) y el final de carrera 1 de la etapa 5 (Sens5_lim1), lo cual indica que
el cilindro 7 está retraído y la lámina que se encontraba sobre el pallet se ha retirado y que
el cilindro 8 se encuentra en la primer posición de las 6 posibles. Ésta etapa activa la
solenoide 1 de la etapa 5 (Solenoide5_1), la cual hace que el cilindro 8 desplace el pallet
hacia abajo. Cuando el final de carrera 2 de la etapa 5 (Sens5_lim2) se activa, lo cual indica
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
136
que el cilindro 8 se encuentra en la segunda posición, se desactiva la etapa cero y se activa
la etapa uno.
En la etapa uno, la solenoide 1 de la etapa 5 (Solenoide5_1) se desactiva y el cilindro se
mantiene en esa segunda posición hasta que se detecta de nueva cuenta al sensor magnético
7 de la etapa 4 (Sens4_mag7), lo cual indica que el cilindro 7 se encuentra retraído y la
lámina que se encontraba sobre el pallet se ha retirado. En ese momento se desactiva la
etapa uno y se da paso a la etapa dos.
En las siguientes siete etapas (etapa dos – etapa ocho) se repite la analogía de las dos etapas
anteriores, donde ocurren cambios en los permisivos de las etapas tres, cinco y siete, donde
los permisivos serán la activación del final de carrera 3 de la etapa 5 (Sens5_lim3), el final
de carrera 4 de la etapa 5 (Sens5_lim4) y el final de carrera 5 de la etapa 5 (Sens5_lim5),
respectivamente, mientras que el permisivo para las etapas dos, cuatro y seis es el mismo,
siendo la activación del sensor magnético 7 de la etapa 4 (Sens4_mag7). Una vez que la
secuencia se encuentra en la etapa ocho, la condición para que esta sea desactivada y se
active la etapa nueve, será la activación del final de carrera 6 de la etapa 5 (Sens5_lim6), lo
que indica que el pallet con los estratos completos ya se encuentra sobre la cama de rodillos
del sistema de elevación.
Cuando la etapa nueve es activada, se activa la salida a relevador 0 del PLC
(Rele_Contactor), lo que acciona el motor de la cama de rodillos del sistema de elevación
sobre la cual se encuentra el pallet con los estratos completos, al mismo tiempo se activa un
temporizador al energizado con un “preset” de 1.42 segundos, una vez que el temporizador
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
137
al energizado llega al “preset”, se activa la bobina “Done” (DN), con la activación de esta
bobina se desactiva la etapa nueve y se activa la etapa diez.
En la etapa diez se acciona la solenoide 2 de la etapa 5 (Solenoide5_2), la cual hace que el
cilindro 8 desplace hacia arriba el pallet sin estratos, cuando se activan simultáneamente el
final de carrera 1 de la etapa 5 (Sens5_lim1) y el sensor magnético 7 de la etapa 4
(Sens4_mag7), la etapa diez termina y en este momento es donde vuelve a comenzar la
secuencia.
Con la descripción anterior y utilizando el método paso a paso se desarrolló la
programación de la subrutina etapa5 que se presentará a continuación con las figuras 4.25,
4.26, 4.27 y 4.28.
Figura 4. 25 Línea 0 del archivo de programa etapa 5
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
138
Figura 4. 26 Líneas 1 - 6 del archivo de programa etapa 5
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
139
Figura 4. 27 Líneas 7 - 11 del archivo de programa etapa 5
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
140
Figura 4. 28 Líneas 12 - 16 del archivo de programa etapa
4.2.3 Simulaciones en Automation Studio
En esta parte del capítulo se ilustrará mediante una secuencia de imágenes los resultados
que se obtuvieron mediante una simulación en Automation Studio, dichos resultados son la
consecuencia del desarrollo de programación del controlador que se presentó en el punto
4.2.2, en el cual no sólo se mostraron las imágenes de la programación en RSLogix, sino
que también se explicó a detalle cómo funciona para cada una de las etapas del proceso de
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
141
paletizado. En esta sección sólo se hará mención de qué representa cada imagen en cada
etapa de la simulación.
Figura 4. 29 Simulación Etapa 3 – estado inicial
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
142
Figura 4. 30 Simulación Etapa 3 – segundo estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
143
Figura 4. 31 Simulación Etapa 3 – tercer estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
144
Figura 4. 32 Simulación Etapa 3 – cuarto estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
145
Figura 4. 33 Simulación Etapa 3 – regreso a estado inicial
Figura 4. 34 Simulación Etapa 4 – estado inicial
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
146
Figura 4. 35 Simulación Etapa 4 – primer estado
Figura 4. 36 Simulación Etapa 4 – segundo estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
147
Figura 4. 37 Simulación Etapa 4 – regreso a estado inicial
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
148
Figura 4. 38 Simulación Etapa 5 – estado inicial
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
149
Figura 4. 39 Simulación Etapa 5 – primer estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
150
Figura 4. 40 Simulación Etapa 5 – segundo estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
151
Figura 4. 41 Simulación Etapa 5 – tercer estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
152
Figura 4. 42 Simulación Etapa 5 – cuarto estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
153
Figura 4. 43 Simulación Etapa 5 – quinto estado
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO IV
154
Figura 4. 44 Simulación Etapa 5 – regreso a estado inicial
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO V
155
CAPITULO V. COSTO DE LA PROPUESTA DEL PALETIZADO CONTINUO DE
ALTA VELOCIDAD
Para poder concluir el trabajo de forma favorable, es necesario tomar en cuenta los costos
de cada equipo que se necesita como son: sensores, cilindros neumáticos, bandas,
transportadores, motores trifásicos, variadores de velocidad y el PLC. Esto con la finalidad
de que la empresa evalúe que tan viable es la propuesta de automatización y en un futuro
pueda ser aplicada para aumentar la eficiencia y la calidad de su producción.
5.1 COSTOS POR ETAPAS
En la tabla 5.1 se darán a conocer los costos de todos los equipos, instrumentos, bandas,
etc. que serán necesarios para llevar acabo la propuesta, de modo que se dividirá la tabla
por etapas, que son: ETAPA 1 – EXPULSIÓN DE CAJAS EN LA BANDA FINAL,
ETAPA 2 – ROTACIÓN DE CAJAS, ETAPA 3 – BANDA TRANSPORTADORA
ESPECIAL DE POSICIONAMIENTO, ETAPA 4 – COLOCACIÓN DE ESTRATOS
SOBRE EL PALLET y ETAPA 5 – SISTEMA HIDRÁULICO DE ELEVACIÓN.
Cada una con lo que el proceso demanda para su correcto funcionamiento, la tabla estará
caracterizada con los siguientes elementos: equipo, marca, modelo, número de unidades,
precio unitario, precio total de acuerdo al número de unidades y el total todo el proceso.
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO V
156
Tabla 5. 1 Costos por etapas
Equipo Marca Modelo Precio Cantidad Total
ETAPA 1
Sensor Capacitivo Allen-
Bradley
875CP 3-Wire
DC
$250.00 1 $250.00
Sensores Magnéticos
de Posición
FESTO SMT-8M-A-NS-
24V-E-2,5-OE
$270.00 2 $540.00
Válvula monoestable
de 5/2 NC
FESTO CPE18-M1H-
5LS-1/4
$500.00 1 $500.00
Cilindro neumático
de doble efecto
FESTO DSNU-40-320-
PPV-A
$750.00 1 $750.00
ETAPA 2
Sensores Magnéticos
de Posición
FESTO SMT-8M-A-NS-
24V-E-2,5-OE
$270.00 2 $540.00
Válvula monoestable
5/2 NC
FESTO CPE18-M1H-
5LS-1/4
$500.00 1 $500.00
Motor Trifásico de
0.33 Hp
ABB M2AB71MB3G
AB072212-BSB
$1400.00 1 $1400.00
Variador de velocidad
Para motor trifásico
Allen-
Bradley
POWERFLEX 4 $2800.00 1 $2800.00
Cilindro Neumático
de doble efecto
FESTO DNC-50-100-
PPV
$700.00 1 $700.00
Banda transportadora BTYS DE ACUERDO
A LAS
$20,000.00 1 $20,000.00
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO V
157
ESPECIFICACI
ONES
ETAPA 3
Sensores
fotoeléctricos de
barrera
OMRON E3Z-T61A $1000.00 2 $2000.00
Sensores Magnéticos
de posición
FESTO SMT-8M-A-NS-
24V-E-2,5-OE
$270.00 4 $270.00
Válvula biestable 5/3 FESTO CPE18-M1H-
5/3G-QS-8
$600.00 1 $600.00
Motor Trifásico 0.74
Hp
ABB M2BA 80MB
3GBA 082 214-
BSB
$ 1500.00 1 $1500.00
Variador de velocidad
Para motor trifásico
Allen-
Bradley
POWERFLEX 4 $3000.00 1 $3000.00
Cilindro neumático
sin vástago
FESTO DGC-50-620-G-
PPV-A
$1100.00 1 $1100.00
Banda Paletizadora BTYS DE ACUERDO
A LAS
ESPECIFICACI
ONES
110,000.00 1 $110,000.00
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO V
158
ETAPA 4
Sensor Fotoeléctrico
de barrera
OMRON E3Z-T61A $1000.00 1 $1000.00
Sensor Magnético de
posición
FESTO SMT-8M-A-NS-
24V-E-2,5-OE
$270.00 8 $270.00
Válvulas monoestable
5/2 NC
FESTO CPE18-M1H-
5LS-14
$500.00 3 $1500.00
Válvula monoestable
5/2 NA
FESTO CPE18-M1H-
5LS-14
$500.00 1 $500.00
Motor Trifásico de 0.5
Hp
ABB M2BA-
71MB3GBA071
211-BSB
$1900.00 1 $1500.00
Variador de velocidad
Para motor trifásico
Allen-
Bradley
POWERFLEX 4 $3000.00 1 $3000.00
Cilindro neumático de
doble efecto
FESTO DNC-50-
100PPV
$700.00 3 $2100.00
Cilindro neumático de
doble efecto
FESTO DNG-40-PPV-A $1800.00
1 $1800.00
Transportador de
Rodillos
BTYS DE ACUERDO
A LAS
ESPECIFICACI
ONES
$44,000.00 1 $44,000.00
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO V
159
ETAPA 5
Sensores de Limite OMRON D4C-3532 $200.00 6 $1200.00
Relevador contactor OMRON D4C-5892 $300.00 1 $300.00
Sistema hidráulico de
elevación
DISSET MSA1300 $45,000.00 1 $45,000.00
Transportador de
Rodillos
BTYS DE ACUERDO
A LAS
ESPECIFICACI
ONES
$30,000.00 1 30,000.00
PLC Allen-
Bradley
MICROLOGIX
1100 1763-
L16BWA
$4800.00 1 $4800.00
Módulo de
expansión de
entradas digitales
Allen-
Bradley
1762-IQ16 $1648.00 2 $3296.00
Módulo de
expansión de salidas
digitales
Allen-
Bradley
1762-OW16 $1720.00 1 $1720.00
COSTO TOTAL $ 288336.00
De acuerdo a la tabla 5.1 encontramos un total de $ 288,336.00 pesos mexicanos, todo se
maneja en moneda nacional, ya que las empresas que se contactaron cuentan con sucursales
Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO V
160
y/o distribuidores dentro de la zona metropolitana lo que hace más fácil que se adquieran
los equipos.
5.2 COSTOS DE INVESTIGACIÓN E INGENIERÍA
Examinando la cuestión de investigación e ingeniería, no se puede desglosar de manera
detallada el costo de cada actividad que realizamos para su desarrollo, ya que esto está
ligado al desarrollo de la propuesta ya como un proyecto físico, de modo que se puede dar
un aproximado del trabajo realizado y horas que se invirtieron para llevar a cabo la
investigación, desarrollo y diseño de la propuesta de paletizado continuo de alta velocidad,
así tomando como criterio profesional proponemos cobrar por honorarios por horas hábiles
dedicadas a la investigación, la siguiente tabla muestra de manera clara la idea anterior.
Tabla 5. 2 Análisis por Honorarios
Costo de investigación e ingeniería
Costo por hora de
investigación
Costo por
investigación 8
horas por día
Costo de
investigación por
mes
Costo de
investigación del
proyecto
$ 400.00 $ 3 200.00 $ 64 000.00 $ 640 000.00
Se consideran 20 días hábiles para obtener el costo por mes.
El proyecto se realizó en un lapso de 10 meses
De este modo podemos ahora si hablar del costo total de la propuesta juntando el costo de
los equipo con el costo de investigación que nos dará un total de: $ 928 336.00 pesos
mexicanos, con esto podemos concluir dentro del análisis económico que el costo por la
implementación de la propuesta es viable ya que es un solución de innovación nacional,
con esto se cubre la intervención de empresas extranjeras lo que no genera costos extras y
un retraso por el manejo de información al extranjero.
Instituto Politécnico Nacional RESULTADOS Y CONCLUSIONES
161
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Como resultado del desarrollo de la propuesta de automatización del proceso de paletizado
continuo de alta velocidad para la mediana empresa productora de galletas, se consiguió lo
siguiente:
Se logró integrar de manera eficiente la línea de producción con el proceso de
paletizado continuo de alta velocidad, ya que este ultimo es capaz de hacer 8 pallets
por hora, lo cual representa que la empresa ocupe el 100% de su capacidad de
producción, sin que se genere mas el cuello de botella en la banda final de proceso.
Debido a la correcta integración de los procesos, la empresa incrementaría su
productividad, ya que por hora se generarían 4 pallets más de los que se hacen con
el proceso de paletizado manual, haciendo la empresa más eficiente, es decir, que
utilice de manera óptima los recursos disponibles para la obtención de los resultados
deseados.
Se logra mejorar la calidad del proceso de paletizado, ya que los estratos generados
con el sistema de paletizado continuo de alta velocidad son uniformes y ordenados,
lo que facilita también el proceso de embalado para los trabajadores que
desempeñan esta actividad.
Al mejorar la calidad del proceso de paletizado, se tienen menos pérdidas para la
empresa, ya que los productos provenientes del área de producción, no sufren
caídas, ni maltrato alguno a través del paletizado automático.
Debido a las dimensiones del producto terminado que se desarrolla actualmente en la
empresa, no fue necesario utilizar la etapa 2 del sistema propuesto, ya que en el único
Instituto Politécnico Nacional RESULTADOS Y CONCLUSIONES
162
diseño posible de estrato caben 16 cajas de producto sin necesidad de rotación, pero por
petición de la empresa se desarrolló esta etapa para hacer flexible el sistema, ya que en un
futuro se pretende sacar al mercado presentaciones de producto con dimensiones diferentes
la presentación actual y única que manejan.
Con base a todo el desarrollo de la propuesta y al sondeo que se realizó en el capítulo II,
podemos decir que la calidad del producto será “buena”, sin embargo el tener un sistema de
paletizado no garantiza que la calidad se mantenga, por lo que se propone como trabajo a
futuro desarrollar por parte de la empresa, un sistema de calidad de producción, donde se
vean involucrados todos los trabajadores que se encuentran en el área de paletizado, es
necesario y de suma importancia que se realice este sistema de calidad de producción, ya
que la empresa no cuenta con datos, gráficas, estadísticas, reportes, etc. dentro del área lo
que puede provocar una disminución en la calidad del producto y la calidad de vida del
operador aun teniendo el sistema de paletizado continuo de alta velocidad.
Dentro de la elaboración de la propuesta se generó un sistema de seguridad básico, lo
definimos básico ya que solo evita que los trabajadores tengan contacto directo con bandas,
sistemas neumáticos, motores eléctricos y manipular las cajas dentro del proceso afectando
su posición, de modo que también se propone como trabajo a futuro desarrollar un sistema
de seguridad completo, que incluya todos los equipos, dispositivos, conexiones,
señalamientos, etc. necesarios, para lograr la mayor eficiencia de producción.
Retomando los resultados que se lograron, se puede concluir que la empresa crecerá en su
producción, calidad, desarrollo y crecimiento.
Instituto Politécnico Nacional BIBLIOGRAFÍA
163
BIBLIOGRAFÍA
[1]¿Es ahora el momento de considerar un paletizador robotizado?
Escrito por Premier Tech Chronos.
Artículo que se puede consultar en la liga:
www.premiertechieg.com/media/718386/white_paper_palletizing_es.pdf
[2] Seguridad en mi trabajo: Manual de Prevención de Riesgos Laborales,
Manipulación manual de cargas.
Escrito por Fraternidad – Muprespa.
El cual se puede consultar en la liga:
http://www.fraternidad.com/descargas/previene/manuales/PR-MAN-13-0-
MANIPULACI%C3%93N%20MANUAL%20DE%20CARGAS.pdf
[3] Paletización y formación del estrato.
Escrito por Ocme.
Catalogo que se puede consultar en la liga:
http://www.ocme.it/adm/Media/gallery/paletizadores_es.pdf
[4] Diseño de maquinaria industrial.
Escrito por V, S, Shubin y C, Pedre., Cuba: Puebla y Educación, 1997.
Instituto Politécnico Nacional BIBLIOGRAFÍA
164
[5] La locura de la automatización.
Escrito por David F. Noble, Alikornio Ediciones, Barcelona (España), Octubre
2001.
[6] Robótica industrial: Tecnología, programación y aplicaciones.
Escrito por Mikell P. Groove, McGraw-Hill, 1990.
[7] Autómatas programables.
Escrito por Josep Balcells, José Luis Romeral, Barcelona (España), Marcombo,
1997.
[8] Información obtenida de páginas de fabricantes
Este información s epuede consultar en:
http://ab.rockwellautomation.com/Programmable-Controllers, 2012
http://products.schneider-electric.us/products-services/products/automation-
products/, 2012
[9] Neumática.
Escrito por Antonio Serrano Nicolás, 5ta. Edición, Paraninfo, 1996.
[10] Automatización de procesos industriales.
Escrito por Emilio García Moreno, CFP-CERES-Universidad Politécnica de
Valencia, España, 1999.
[11] Neumática e Hidráulica.
Escrito por Antonio Creus Solé, 2da. Edición, Marcombo, 2010.
Instituto Politécnico Nacional BIBLIOGRAFÍA
165
[12] Robots and manufacturing automation.
Escrito por C. Ray Asfahl, Universidad de Michigan, Wiley, 1992.
[13] Mecatrónica.
Escrito por Sabri Cetinkunt, Ediciones Larousse Sa. de Cv., 2007.
[14] Conceptos básicos sobre el uso de los motores de inducción trifásicos
Escrito por Rockwell Automation
Artículo que se puede consultar en la liga:
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/icg-
wp000_-es-p.pdf
[15] Variadores de velocidad, arrancadores electrónicos y motores
Escrito por Schneider Electric
Artículo que se puede consultar en la liga:
http://www.schneider-
electric.com.ar/documents/recursos/myce/capitulo04_1907.pdf
Instituto Politécnico Nacional GLOSARIO
166
GLOSARIO DE TÉRMINOS
ACTUADOR: Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es
proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que
provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión
hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo del origen
de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”.
AGUAS ARRIBA: 'aguas arriba' y 'aguas abajo' es una expresión de la industria para
referirse a productos y procesos al comienzo del proceso industrial y al final del mismo. O
bien al proceso/producto justo anterior y justo posterior al que en ese momento se trate.
Con un ejemplo: Si un proceso industrial tuviera los pasos/procesos 1-2-3-4-5-6, el 1 sería
aguas arriba y el 6 abajo. Pero si estuviésemos en el paso 4, también podría ser
aguas arriba el 3 y abajo el 5.
APTITUDES: Cualidades de algo o alguien de ser hábil o adecuado a un fin.
COMPETITIVIDAD: Entendemos por competitividad a la capacidad de una organización
pública o privada, lucrativa o no, de mantener sistemáticamente ventajas comparativas que
le permitan alcanzar, sostener y mejorar una determinada posición en el entorno
socioeconómico.
CONSONANCIA: Relación de acuerdo o de correspondencia entre varias personas o cosas.
CUELLO DE BOTELLA: En ingeniería, un cuello de botella es un fenómeno en donde el
rendimiento o capacidad de un sistema completo es severamente limitado por un único
componente. El componente es generalmente llamado punto del cuello de botella. El
Instituto Politécnico Nacional GLOSARIO
167
término es una derivación metafórica que hace referencia al cuello de una botella, donde la
velocidad del flujo de un líquido es limitado por este cuello angosto.
DESGASTE: En ciencia de materiales, el desgaste es la erosión de material sufrida por una
superficie sólida por acción de otra superficie. Está relacionado con las interacciones entre
superficies y más específicamente con la eliminación de material de una superficie como
resultado de una acción mecánica
DISTENSIÓN: Es el cambio en el tamaño o forma de un tejido u órgano tras aplicar una
tensión externa.
EFICAZ: Que logra hacer efectivo un intento o propósito.
EMBALADO: Colocar convenientemente dentro de cajas, cubiertas o cualquier otro
envoltorio los objetos que han de transportarse.
ENCODER: Un encoder es un dispositivo electromecánico usado para convertir la posición
angular de un eje a un código digital, lo que lo convierte en una clase de transductor.
ERGONOMÍA: La ergonomía es la disciplina tecnológica que trata del diseño de lugares
de trabajo, herramientas y tareas que coinciden con las características fisiológicas,
anatómicas, psicológicas sistema (humano-máquina-ambiente), para lo cual elabora
métodos de estudio de la persona, de la técnica y de la organización.
FARDOS: Paquetes o bultos grandes muy apretados.
FUNCIONALIDAD: Conjunto de características que hacen que algo sea práctico y
utilitario.
Instituto Politécnico Nacional GLOSARIO
168
IMPONDERABLE: Que no puede pesarse o medirse.
LOTE: La producción por lotes o producción discontinua es una técnica, o forma de
fabricación que crea un componente determinado antes de continuar con el siguiente paso
en el proceso de producción.
MECANIZADO: El mecanizado es un proceso de fabricación que comprende un conjunto
de operaciones de conformación de piezas mediante la eliminación de material, ya sea por
arranque de viruta o por abrasión.
OPTIMIZAR: La optimización es la búsqueda y el hecho de mejorar el rendimiento de un
sistema operativo, programa o dispositivo.
PALLET: Un pallet, es una estructura de agrupación de carga, fabricada generalmente con
madera. La funcionalidad del pallet, es el transportar carga.
PLANTA: Se llama planta de proceso al lugar en el que se desarrollan diversas operaciones
industriales, entre ellas operaciones unitarias, con el fin de transformar, adecuar o tratar
alguna materia prima en particular a fin de obtener productos de mayor valor agregado.
PRODUCTIVIDAD: La productividad es la relación entre la cantidad de productos
obtenida por un sistema productivo y los recursos utilizados para obtener dicha producción.
RENDIMIENTO: La idea rendimiento refiere a la proporción que surge entre los medios
empleados para obtener algo y el resultado que se consigue. El beneficio o el provecho que
brinda algo o alguien también se conoce como rendimiento.
RIESGO: El riesgo es la probabilidad de que una amenaza se convierta en un desastre.
Instituto Politécnico Nacional GLOSARIO
169
SOPESAR: Examinar con atención las ventajas e inconvenientes de un asunto.
TRANSDUCTOR: Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un
determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida, de valores de energía
muy pequeños en términos relativos con los de un generador.
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170
ANEXO A
Dimensiones de la
propuesta
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171
FIGURA A: ETAPA 2 – BANDA ROTACIÓN DE CAJAS
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172
FIGURA B: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA
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173
FIGURA C: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA
Instituto Politécnico Nacional ANEXOS
174
FIGURA D: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA
Instituto Politécnico Nacional ANEXOS
175
FIGURA E: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA
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176
FIGURA F: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA
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177
FIGURA G: ETAPA 3 – ESLABON
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178
FIGURA H: ETAPA 3 – CORREDERA
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179
FIGURA I: ETAPA 4 – CAMA DE RODILLOS
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180
FIGURA J: ETAPA 4 – CAMA DE RODILLOS
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181
FIGURA K: ETAPA 4 – BARRERA NEUMÁTICA
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182
FIGURA L: ETAPA 4 – ACOMODO DEL ESTRATO
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183
FIGURA M: ETAPA 4 – SOPORTE
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184
FIGURA N: ETAPA 4 – PLACA PARA EL ACOMODO DEL ESTRATO
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185
FIGURA O: ETAPA 4 – LÁMINA METÁLICA
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186
FIGURA P: ETAPA 4 – MESA DE RETIRO DE PLACA