UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DEL
PROCESO DE TALADRADO EN “PROCESADORA DE ACERO
VYMSA”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA EN MECATRÓNICA
NÍNIVE TERESA DAZA CAMACHO
DIRECTOR: DR. DANIEL MIDEROS
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO CÉDULA DE IDENTIDAD: 0803010263
APELLIDO Y NOMBRES: DAZA CAMACHO NÍNIVE TERESA
DIRECCIÓN: DE LOS CEREZOS OE3-196 Y REAL
AUDIENCIA
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: -
TELÉFONO MOVIL: 0984971549
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE
CONTROL DEL PROCESO DE
TALADRADO EN “PROCESADORA DE ACERO VYMSA”
AUTOR O AUTORES: DAZA CAMACHO NÍNIVE TERESA
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
NOVIEMBRE 2016 DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
DANIEL MIDEROS
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: INGENIERA MECATRÓNICA RESUMEN: Mínimo 250 palabras
La presente tesis tiene como objeto de estudio a la empresa “Procesadora de Acero VYMSA” que está ubicada en el norte de la ciudad de Quito, la cual es una metalmecánica que se dedica al diseño y fabricación de piezas, partes y mecanismos para electrodomésticos y afines; dirigidos a la venta a empresas de electrodomésticos; este tipo de producción demanda a la empresa de varios procesos, uno de esos es el taladrado de las piezas que son usadas para la fabricación de bisagras para electrodomésticos, en el cual está enfocado este proyecto, el mismo que tuvo como propósito la realización del diseño y simulación del sistema de control del proceso de taladrado en la empresa antes mencionada. Para ello fue necesario el diseño de la alimentación de las piezas mediante un mecanismo; luego se diseñó
el sistema automático de control del taladro, la interfaz de control y el monitoreo correspondiente, posterior a eso se realizó la simulación del sistema de control del taladro y finalmente se determinó la factibilidad económica del proyecto. En el primer capítulo se describe el entorno de la automatización industrial en la actualidad. Se plantea la problemática de la empresa, se establece el objetivo general y los objetivos específicos de la presente tesis, así como la justificación de la misma. El segundo capítulo refiere al marco teórico. El tercer capítulo presenta la metodología empleada para la realización del proyecto. El cuarto capítulo describe el diseño mecánico, electrónico y de control. En el quinto capítulo se muestra los resultados obtenidos y la factibilidad económica. Y en el sexto capítulo se enuncian las conclusiones a las cuales se llegaron y recomendaciones. Este proyecto se justificó por cuanto posee utilidad práctica, por su conveniencia y en base a los beneficios que genera.
PALABRAS CLAVES: TALADRO, ALIMENTACIÓN DE PIEZAS, AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
A mis padres por tanto y por todo lo que hacen por mí, gracias por ese amor que solamente puedo compararlo al amor inefable de Dios.
A mi tutor de tesis Daniel, por la paciencia que me tuvo durante este proceso.
A mi amiga Cristina, por su ayuda desinteresada.
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN ... vi
ABSTRACT ... vii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 5
2.1.VYMSA ... 6
2.1.1.PROCESOS ACTUALES ... 6
2.2.TALADRO. ... 11
2.2.1.TIPOS DE TALADROS ... 11
2.3. ALIMENTACIÓN DE PIEZAS ... 14
3. METODOLOGÍA ... 16
3.1.METODOLOGÍA MECATRÓNICA ... 17
3.2.REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO ... 17
3.3.DISEÑO MECÁNICO ... 18
3.4.DISEÑO ELÉCTRICO ... 18
3.5.DISEÑO ELECTRÓNICO ... 18
3.6.DISEÑO DE CONTROL ... 18
4. DISEÑO ... 19
4.1.PROCESO DEL SISTEMA ... 20
4.2. DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE PARTES Y MATERIALES ... 21
4.3.DIMENSIONAMIENTO ELÉCTRICO ... 23
4.4.INTERFAZ HMI. ... 27
4.5. DISTRIBUCIÓN DE ENTRADAS Y SALIDAS DEL PLC... 30
5. RESULTADOS ... 32
5.1SIMULACIÓN DEL SISTEMA ... 33
5.2.PRESUPUESTO ... 35
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 39
ii
ÍNDICE DE TABLAS
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Tabla 1. Descripción de variables. ... 24
Tabla 2. Dimensionamiento de las protecciones. ... 25
Tabla 3. Parámetros del variador. ... 27
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Planta de corte VYMSA ... 6
Figura 2. Tren de prensas VYMSA ... 7
Figura 3. Taladro VYMSA ... 7
Figura 4. Planta automática de resortes VYMSA ... 8
Figura 5. Corte CNC-Hilo VYMSA ... 8
Figura 6. Galvanizado VYMSA... 9
Figura 7. Cámara de pintura electrostática VYMSA ... 9
Figura 8. Inyección de aluminio VYMSA ... 10
Figura 9. Inyección de ZAMAC VYMSA ... 10
Figura 10. Inyección de plásticos VYMSA ... 10
Figura 11. Taladro sensitivo ... 11
Figura 12. Taladro de columna ... 12
Figura 13. Taladro múltiple ... 12
Figura 14. Taladro radial ... 13
Figura 15. Taladro CNC ... 13
Figura 16. Taladro automático ... 14
Figura 17. Esquema genérico de alimentación de piezas ... 14
Figura 18. Esquema técnicas de alimentación de piezas pequeña…. ... 15
Figura 19. Metodología para el proyecto ... 17
Figura 20. Diagrama de flujo del proceso de taladrado ... 21
Figura 21. Entenalla ... 22
Figura 22. Dispensador ... 22
Figura 23. Mesa Bancada ... 22
Figura 24. Ensamblaje diseño mecánico. ... 23
Figura 25. Dimensionamiento variador ... 26
Figura 26. Pantalla principal HMI. ... 28
Figura 27. Registro de usuario HMI ... 28
Figura 28. Guardar usuario HMI ... 28
Figura 29. Ingreso usuario registrado HMI ... 29
Figura 30. Verificación usuario HMI ... 29
Figura 31. Ingreso pantalla inicial HMI ... 29
Figura 32. Estado inicial HMI ... 29
Figura 33. Proceso iniciado HMI ... 30
Figura 34. Entradas y salidas PLC ... 30
Figura 35. Diagrama grafcet del proceso ... 31
Figura 36. Sistema encerado. ... 33
Figura 37. Desplazamiento pistón 1 y ubicación pieza. ... 33
Figura 38. Ajuste pieza ... 34
iv
Figura 40. Taladrado. ... 35
ÍNDICE DE ANEXOS
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Anexo 1. Diagrama multifilar de potencia ... 44
Anexo 2. Diagrama de red Industrial ... 45
Anexo 3. Diagrama hidroneumático. ... 46
Anexo 4. Diagrama eléctrico. ... 47
Anexo 5. Simbología. ... 48
Anexo 6. Parte externa del tablero ... 49
Anexo 7. Parte interna del tablero ... 50
Anexo 8. Plano mécanico de entenalla móvil ... 51
Anexo 9. Plano mécanico de entenalla fija ... 52
Anexo 10. Plano mécanico de compuerta ... 53
Anexo 11. Plano mécanico de dispensador ... 54
vi
RESUMEN
La presente tesis tiene como objeto de estudio a la empresa “Procesadora de Acero VYMSA” que está ubicada en el norte de la ciudad de Quito, la cual es una metalmecánica que se dedica al diseño y fabricación de piezas, partes y mecanismos para electrodomésticos y afines; dirigidos a la venta a empresas de electrodomésticos; este tipo de producción demanda a la empresa de varios procesos, uno de esos es el taladrado de las piezas que son usadas para la fabricación de bisagras para electrodomésticos, en el
cual está enfocado este proyecto, el mismo que tuvo como propósito la
ABSTRACT
This thesis aims to study the company "Procesadora de Acero VYMSA" located in the north of Quito, which is an engineering company dedicated to the design and manufacture of pieces, parts and mechanisms related with home appliances; aimed at companies selling appliances; this type of production requires the company of several processes, one of those is the drilling, the design and simulation of the control system of the drilling process in the enterprise above. This required the design of transporting the pieces through a mechanism, then the automatic control of the drill, the interface control and monitoring were designed after this simulation was performed automatic process control drill and finally the economic feasibility project was determined. In the first chapter the industrial automation environment is described nowadays. The problematic of the company is raised, general and specific objectives of this thesis, and the justification of the same. The second chapter refers the theoretical framework. The third chapter presents the methodology used for the project. The fourth chapter describes the mechanical, electronic and control design. The fifth chapter shows the results and economic feasibility. And the sixth chapter articulates the conclusions and recommendations. This project is justified because it has practical value
Para aumentar la cantidad de producto en menos tiempo, optimizar la calidad, y así reducir costos; existe la automatización industrial que es la aplicación de varias tecnologías para el control y monitoreo de una máquina o proceso, que realiza tareas repetitivas funcionando automáticamente y evitando en lo posible la intervención del hombre.
La automatización industrial se encuentra en muchos sectores, en los cuales genera grandes beneficios, como en la fabricación de alimentos, productos químicos, productos farmacéuticos, en la industria petrolera, automotriz, plásticos, telecomunicaciones entre otros. La automatización industrial también se aplica a la gestión de servicios, desde la instalación,
mantenimiento, diseño, contratación e incluso la comercialización. (Bolton,
2001)
“La moderna fabricación exige, en la mayoría de los casos, el uso de sistemas automáticos de alimentación y manipulación de piezas individuales, grupos de piezas y productos. La automatización de los equipos permitió reducir los tiempos necesarios para la ejecución de numerosos procesos de fabricación. Sin embargo, en muchos casos la alimentación de las piezas a las máquinas sigue haciéndose manualmente, con lo que el tiempo necesario para la manipulación de las piezas es mayor. Esta situación constituye un potencial de racionalización que debería aprovecharse debidamente. En la actualidad existe una tendencia a combinar el flujo de los productos y delas piezas con el flujo de la información. Se trata, pues, de un campo muy amplio, en el que la técnica de la manipulación asume una importancia especial. Una de las operaciones de manipulación más costosas y complicadas consiste en ordenar y orientar piezas pequeñas de modo automático. Se trata de piezas que se utilizan con mucha frecuencia y suelen tener unos 200 mm de largo, 50mm de diámetro y aproximadamente hasta 0,5kg de peso. La necesidad de reorganizar y racionalizar los sistemas de alimentación de materiales y piezas adquirió importancia por primera vez cuando empezó la fabricación de productos en grandes series como, por ejemplo, bombillas, agujas, munición, botones y tornillos. Ya en 1873 el estadounidense Spencer construyó un autómata giratorio para la alimentación automática de barras. Años antes, concretamente en 1865, se empezó a utilizar un sistema automático para recoger piezas para fabricar tornillos de madera. A mediados de los años 20 del siglo XX solía utilizarse un depósito segmentado para alimentar varillas y tubos de vidrio en la industria de bombillas eléctricas” (Hesse, 2000)
3 diseño y fabricación de partes para bisagras para electrodomésticos, estas partes previamente pasan por algunos procesos como: estampado, que consiste en realizar hendiduras a la pieza a través de una prensa hidráulica; troquelado, se hace recortes a la pieza, este proceso también es realizado con prensa hidráulica; doblado, se le realizan doblados a las piezas para que tomen la forma deseada igualmente con prensa hidráulica y por último se realiza el proceso de taladrado, perforaciones a las piezas por medio de un taladro manual. La automatización del proceso de taladrado constituye un aporte tecnológico a la industria metal-mecánica para optimizar e implementar un sistema de control de calidad, que permita perforar las piezas según las condiciones que se requieren para la ejecución de los algoritmos necesarios en la identificación de patrones anormales en el proceso de perforación en la fábrica “Procesadora de Acero VYMSA”. El proceso de perforación de las piezas para bisagras es realizado por los operadores los cuales presentan falta de concentración, estrés laboral por la acción continua y repetitiva, la misma que al ser realizada manualmente perjudica a la optimización de tiempo de producción. El taladro con el que hacen las dos perforaciones a las piezas es semiautomático, tiene una manivela con la que el operador tiene que subir y bajar el mandril y un botón con el que se accionan las dos brocas y en cuanto a la alimentación de las piezas al taladro es el mismo operador quien lo hace pieza por pieza, en la base del taladro. El operador pasa de pie largos períodos de tiempo, volviéndose ésta una tarea tediosa, cansada y monótona. La ubicación de las piezas en la base del taladro y perforación de piezas son procesos fundamentales. Para no perjudicar el tiempo de producción del taladro es
necesario que “VYMSA” desarrolle este proyecto. La automatización del
proceso de taladrado de las piezas traería muchos beneficios para los operadores, ya que reduciría el estrés laboral. Así también traería beneficios en cuanto a optimización del tiempo, y calidad.
Para el presente proyecto se desea alcanzar el siguiente objetivo general: Diseñar y simular el sistema de control del proceso de taladrado en “Procesadora de Acero VYMSA.
Para alcanzar el objetivo general antes descrito se requiere desglosar en varios objetivos específicos, los cuales se mencionan a continuación:
• Diseñar el sistema de alimentación de las piezas mediante un mecanismo.
• Diseñar el sistema automático de control del taladro, la interfaz de control y
monitoreo.
En el presente capítulo se presentan los conceptos teóricos necesarios para la realización del proyecto. Se detallarán conceptos como taladro y sus tipos, alimentación de piezas y sus técnicas y procesos actuales de la empresa “VYMSA”.
2.1. VYMSA
“VYMSA es una empresa que se desarrolla en el sector de la metalmecánica, orientada al diseño y fabricación de piezas, partes y mecanismos para electrodomésticos y afines. Realiza innovaciones tecnológicas constantemente con el objetivo de garantizar calidad en sus productos. Utiliza maquinaria con equipos de última generación, herramientas computacionales para el diseño, desarrollo de productos, implementación de sistemas y equipos de ensayo para los materiales utilizados. La empresa cuenta con maquinaria para inyección de metales no ferrosos. Todas las mejoras implementadas por la empresa incorporan productos y procesos amigables con el medio ambiente. Todos los procesos de la fabricación están integrados horizontalmente, iniciando desde el corte y la preparación del acero, pasando por procesos de recubrimientos electrolíticos, pintura electrostática hasta terminar en la entrega de productos.” (Bisagrasestufas, 2015)
2.1.1. PROCESOS ACTUALES
PLANTA DE CORTE.- En ésta área se cortan las láminas metálicas, el procedimiento empieza con la ubicación de las mismas en la mesa de corte, para luego pasar por un conjunto de alisadores de hoja, para posterior a eso realizarse el corte longitudinal por medio de cizallas rotativas a una velocidad de 60 a 100 metros por minuto y por último pasar a la guillotina mediante tijeras progresivas (SLITTER), cizallas y mesas de corte. Esta área provee de la materia prima metálica a las áreas de maquinado (Figura 1).
Figura 1. Planta de corte VYMSA
7
TREN DE PRENSAS.- En los trenes de prensas hidráulicas y excéntricas se realizan los procesos de: conformado y partes por corte, estampado y embutido, de las piezas que diseña y fabrica VYMSA para electrodomésticos (Figura 2).
Figura 2. Tren de prensas VYMSA
Fuente: (Bisagrasestufas, 2015)
TALADRO.- En el área de taladrado, la empresa cuenta con un taladro de dos brocas para la perforación de las piezas. En ésta área las piezas llegan con los procesos anteriores mencionados realizados. El operador ubica pieza por pieza en la mesa base del taladro para luego bajar con manivela el mandril y por medio de un botón las brocas se accionan y hacen su tarea de perforar (Figura 3). En este proceso está basado el presente trabajo.
Figura 3. Taladro VYMSA
PLANTA AUTOMÁTICA DE RESORTES.- En ésta área se elaboran los componentes elásticos como resortes y zimbras de acero que se integran a los mecanismos para electrodomésticos, y para su elaboración se utilizan las máquinas automáticas de fabricación de resortes (Figura 4).
Figura 4. Planta automática de resortes VYMSA
Fuente: (Bisagrasestufas, 2015)
CORTE CNC–HILO.- A través de máquinas-herramientas de control numérico, la empresa produce su propia herramentería de fabricación en lo referente a troquelería y moldería para plásticos y para metales no ferrosos (zamac, aluminio, latón) (Figura 5).
Figura 5. Corte CNC-Hilo VYMSA
Fuente: (Bisagrasestufas, 2015)
9
Figura 6. Galvanizado VYMSA
Fuente: (Bisagrasestufas, 2015)
CÁMARA DE PINTURA ELECTROSTÁTICA.- Adicionalmente, la empresa cuenta con cámaras para recubrimiento de pinturas electrostáticas y hornos para curado, los cuales garantizan la calidad de las superficies tratadas (Figura 7).
Figura 7. Cámara de pintura electrostática VYMSA
Fuente: (Bisagrasestufas, 2015)
Figura 8. Inyección de aluminio VYMSA
Fuente: (Bisagrasestufas, 2015)
INYECCIÓN DE ZAMAC.- Del mismo modo se cuenta con inyectoras de zamac con fuerzas de cierre de 138 y 200 toneladas, respectivamente (Figura 9).
Figura 9. Inyección de ZAMAC VYMSA
Fuente: (Bisagrasestufas, 2015)
INYECCIÓN DE PLÁSTICOS.- En el área de plásticos, la empresa cuenta con dos inyectoras de plástico con fuerzas de cierre 60 y 250 toneladas, respectivamente (Figura 10).
Figura 10. Inyección de plásticos VYMSA
11
2.2. TALADRO.
Es una máquina con la cual se realiza la operación de mecanizado que tiene por objeto producir agujeros cilíndricos en una pieza cualquiera, utilizando como herramienta una broca. Estas máquinas tienen manejo sencillo que consiste de
dos movimientos: el de rotación de la broca que le imprime el motor eléctrico de la máquina a través de una transmisión por poleas y engranajes, y el de avance de penetración de la broca, que puede realizarse de forma manual sensitiva o de forma automática, si incorpora transmisión para hacerlo. (PYSSA, 2008).
2.2.1. TIPOS DE TALADROS
TALADROS SENSITIVOS
“Esta máquina constituye el tipo más elemental y sólo puede producir barrenos de pequeñas medidas que oscilan entre 1 y 12 mm de diámetro. Se colocan sobre una mesa o banco de madera y el hecho de que se denominen sensitivas proviene de la acción del penetrado de la herramienta se efectúa a mano apretando la palanca el propio operario. Por lo tanto, dependiendo de la resistencia que sienta en la mano el operario, le dará mayor o menor presión a la palanca”. (Janes, 2000). Como se muestra en la figura 11.
Figura 11. Taladro sensitivo
Fuente: (Instruments, 2006)
TALADRO DE COLUMNA
máquinas de las sensitivas es la longitud de la columna” (Janes, 2000).
(Figura 12).El presente proyecto está enfocado en este tipo de taladro.
Figura 12. Taladro de columna
Fuente: (Instruments, 2006)
TALADRO MÚLTIPLE
“Este tipo de máquinas de taladrado se emplea para trabajos en grandes series. Las máquinas de taladrado de husillos múltiples tienen una forma semejante a las máquinas de taladrado de columna ya que consisten en una bancada con mesa para sujetar las piezas a taladrar y una columna con un cabezal que mueve un eje o husillo principal.” (Janes, 2000). (Figura 13).
Figura 13. Taladro múltiple
Fuente: (REVISTA M&M, 2012)
TALADROS RADIALES
13
Figura 14. Taladro radial
Fuente: (REVISTA M&M, 2012)
TALADRO DE MANDO NUMÉRICO
“Las máquinas de taladrado numérico son máquinas normales provistas de un equipo de control numérico mediante el cual se consigue que la mesa se sitúe automáticamente en distintas partes de la pieza, es decir, el equipo de control numérico hace que la mesa, y por lo tanto la pieza fijada en ella, se desplace hasta lograr la posición deseada para que la herramienta realice el taladrado en el punto previsto, y en caso de que sean varios los taladrados a efectuar, la mesa vuelve a desplazarse hasta lograr la posición requerida para la segunda operación, y así sucesivamente. Todo esto se efectúa en forma automática y según un programa preestablecido.” (Janes, 2000). (Figura 15).
Figura 15. Taladro CNC
Fuente: (REVISTA M&M, 2012)
TALADROS AUTOMÁTICOS
Figura 16. Taladro automático
Fuente: (REVISTA M&M, 2012)
2.3. ALIMENTACIÓN DE PIEZAS
A la operación de entregar las piezas a la máquina se le denomina “alimentación”. La alimentación de piezas es un proceso auxiliar que puede ser de varias técnicas como se observa en la figura 18. La técnica de alimentación de piezas debe ir acorde con las demás instalaciones debido a que son parte de un sistema de producción. La entrega de piezas mediante cargadores o dispensadores es muy práctica más aún si las piezas son colocadas en el dispensador por medio de operaciones realizadas antes del proceso de fabricación. Al utilizar cargadores apilados, el sistema de manipulación tiene que ser capaz de modificar la disposición que originalmente tienen las piezas en dichos cargadores. En los casos en que las piezas son suministradas a granel en algún tipo de recipiente, es necesario retirar las piezas del recipiente para ordenarlas y orientarlas y, a luego, introducirlas en un cargador. Para que una pieza pueda ser mecanizada, esta debe llegar a la zona de trabajo de la máquina correspondiente, luego de que se le realizó el proceso correspondiente debe retirarse, excepto en los casos de operación de montaje. Para realizar la alimentación de una pieza es necesario que esta se encuentre en una posición y momento específicos. (Hesse, 2000).
Figura 17. Esquema genérico de alimentación de piezas
15
Figura 18. Esquema técnicas de alimentación de piezas pequeñas
Fuente: (Hesse, 2000)
17
3.1. METODOLOGÍA MECATRÓNICA
Como se puede observar en la Figura 19 se parte de una necesidad o problema para esto se establecen los requerimientos del sistema, para dar solución a ese problema o suplir esa necesidad. Estos requerimientos especifican las características y funciones del producto final, luego de tener establecidas las especificaciones del proyecto es necesario el diseño de sistemas mecánicos, electrónicos y de control. Los resultados individuales de cada proceso se unen en la integración del sistema para verificar si cumple el objetivo principal. Los mismos que posteriormente deben ser comprobados por medio de una simulación computacional, para luego ser implementado, sí este fuera el caso. Y finalmente se hace el análisis de factibilidad económica para verificar el retorno de la inversión. (Figura 19). (Bolton, 2001).
Figura 19. Metodología para el proyecto
3.2. REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
la calidad. Para dar la mejor solución a esta necesidad se debe conocer cuáles son los requerimientos del proyecto; es decir lo que se necesita para que el proceso cumpla con la necesidad principal de la empresa. Estos requerimientos se mencionan a continuación:
La alimentación de las piezas hacia la entenalla del taladro debe ser automática, evitando así que un operador interfiera en el proceso.
Se necesita controlar el desplazamiento en el eje Y del mandril.
Controlar la velocidad de las dos brocas, a los 5 segundos se genera perturbación en el momento de la fricción de las brocas con la pieza que va a ser taladrada y a los 2 segundos aproximadamente, que el sistema se estabilice con un tipo de control.
Se requiere que el operador controle el proceso mediante una interfaz.
3.3. DISEÑO MECÁNICO
En una herramienta CAD se diseña el dispensador, donde se cargan las piezas, la entenalla sus partes móvil y fija y la mesa-bancada.
3.4. DISEÑO ELÉCTRICO
Se especifica conductores para la alimentación eléctrica de los motores de las brocas y del mandril.
Se especifican las protecciones eléctricas para los motores.
Se usa una herramienta de simulación y programación para el dispositivo del control.
3.5. DISEÑO ELECTRÓNICO
Se realizan cálculos de dimensionamiento para el variador de velocidad que sirve para regular la velocidad del motor de las brocas.
Se seleccionan los sensores y actuadores para el proceso. Dimensionamiento del controlador.
3.6. DISEÑO DE CONTROL
En el presente capítulo se describe el diseño del sistema de control del proceso de taladrado, dividido en diseño mecánico, electrónico y de control. Para realizar el diseño es preciso mencionar el proceso de funcionamiento de todo el sistema.
4.1. PROCESO DEL SISTEMA
El sistema cuenta con un dispensador en forma de rampa para las piezas en el cual por gravedad las piezas se deslizan hacia abajo. En la parte inferior de la rampa, está ubicado el pistón neumático 1 (asociado al sensor óptico 1); cuando la pieza está ubicada en el eje de ese primer pistón neumático, éste la empuja hacia la entenalla ubicada en la mesa base del taladro, luego la pieza se sujeta con un pistón neumático 2 (asociado al sensor óptico 2) y se espera a que el mandril baje y las dos brocas perforen la pieza. Para bajar y subir el mandril que sujeta las dos brocas se utiliza control ON-OFF, y se dispone de dos fines de carrera (para detectar la posición superior e inferior) y un motor trifásico; los fines de carrera le indican al mandril que llegó al tope superior e inferior respectivamente y estos envían una señal al PLC y éste activa a dos contactores KM1 y KM2; siendo KM1 el que activa al motor para que baje y KM2 el que realizan la inversión de giro del motor trifásico.
Para el control de la velocidad de giro de las brocas se utiliza un control PID, mientras que para determinar la velocidad de giro se usa estimación vectorial, para ello se dispone de un motor trifásico.
21
Figura 20. Diagrama de flujo del proceso de taladrado
4.2. DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DE PARTES Y MATERIALES
En una herramienta CAD, se diseñó, el dispensador de piezas, la mesa-bancada; la entenalla y los planos de construcción para ser ocupados en implementación.
ENTENALLA
Figura 21. Entenalla
DISPENSADOR
El dispensador se diseñó de tal manera que facilite la carga y descarga de las piezas, para éste se debe usar acero inoxidable ASTM A36, porque debe ser no deformable. Se lo diseñó con la forma y medida de las piezas, para ser mecanizadas. (Figura 22).
Figura 22. Dispensador
MESA BANCADA
Se diseñó la mesa con las formas donde van a ser acopladas las diferentes partes que conforman todo el sistema, como son: la entenalla, el cilindro de la base del taladro, la base del pistón 1, y la base donde va el dispensador de piezas. Se usó acero inoxidable ASTM A36, porque debe ser no deformable. (Figura 23).
23 Terminado el diseño y selección del sistema mecánico, se procede a realizar el ensamblaje de todas sus partes, como se muestra en la Figura 24. Cabe mencionar que el taladro no es parte del diseño, pues éste ya existe en la empresa VYMSA, pero fue añadido en el dimensionamiento de partes para poder observar el proceso de taladrado.
Figura 24. Ensamblaje diseño mecánico
4.3. DIMENSIONAMIENTO ELÉCTRICO
Para el dimensionamiento de todos los dispositivos, se debe tener en cuenta los diagramas realizados y la descripción de variables.
Diagrama 1: Diagrama Multifilar de potencia (taladro) – Anexo # 1
En este diagrama se muestra la conexión de los dos motores, del variador, contactores, fines de carrera, PLC y HMI.
Diagrama 2: Diagrama de red Industrial - Anexo # 2 Muestra la comunicación entre el PLC, HMI y variador.
Diagrama 3: Diagrama Hidro neumático - Anexo # 3
Este diagrama muestra los cilindros (pistones), las electroválvulas de los cilindros y del refrigerante.
Diagrama 4: Diagrama de control - Anexo # 4 Programación del PLC.
Diagrama 5: Simbología - Anexo # 5
Diagrama 6: Parte externa del tablero - Anexo # 6
Diagrama 7: Parte interna del tablero - Anexo # 7
Los siguientes diagramas son los planos mecánicos, en los cuales se muestra las dimensiones con las que fueron diseñadas las partes; entenalla, dispensador y mesa-bancada.
Diagrama 8: Plano mecánico de entenalla móvil - Anexo # 8.
Diagrama 9: Plano mecánico de entenalla fija - Anexo # 9
Diagrama 10: Plano mecánico de compuerta - Anexo # 10
Diagrama 11: Plano mecánico de dispensador - Anexo # 11
Diagrama 12: Plano mecánico de mesa-bancada – Anexo #12
DESCRIPCIÓN DE VARIABLES
En la tabla 1 se describen los elementos utilizados.
Tabla 1. Descripción de variables.
VARIABLE DESCRIPCIÓN
VDF1 Variador para controlar motor de brocas.
KM1 Contactor para activar el motor del mandril.
KM2 Contactor para cambio de giro del motor del mandril.
FC1 Fin de carrera que determina la posición superior del motor del mandril. FC2 Fin de carrera que determina la posición inferior del motor del mandril. KV1 Electroválvula del pistón 1.
KV2 Electroválvula del pistón 2. KV3 Electroválvula del pistón 3. KV4 Electroválvula de la refrigeración.
S1 Sensor óptico 1 (pistón 1) S2 Sensor óptico 2 (pistón 2)
V1 Señal de contacto del VDF1 al PLC para determinar estado óptimo del VDF1.
R1 Contactor para activar corriente continua.
DIMENSIONAMIENTO DE LOS CONDUCTORES
25 Según cualquier tabla de calibre en función de amperaje como la mayor corriente es de 16 [A] se recomienda cable 14 AWG para la alimentación de los motores. Para el cableado interno se recomienda cable 16 AWG. Esto se puede apreciar en los diagramas 1 y 7.
DIMENSIONAMIENTO DE LAS PROTECCIONES
Para proteger los motores se sobredimensiona entre un 150% y 250% de la corriente nominal del motor, en base a la norma NEC 430.52 C, y se utiliza guardamotores. Para mayor entendimiento se puede verificar la distribución interna del tablero de control en el diagrama 7.
Cálculo:
Para el motor 1 (brocas):
Corriente = 1.5 x 6.2 [A] = 9.3 [A] Corriente = 2.5 x 6.2 [A] = 15.5 [A]
Ya que el resultado tuvo un resultado entre 9.3 [A] y 15.5 [A], por lo tanto se escoge un guardamotor estándar ALLEN BRADLEY de 16 [A] que tiene la particularidad de ser regulable con un rango de ajuste de corriente de 10 [A] – 16 [A], sirviendo como guía la tabla propia de la marca del guardamotor.
Para el motor 2 (mandril):
Corriente = 1.5 x 1.2 [A] = 1.8 [A] Corriente = 2.5 x 1.2 [A] = 3 [A]
El resultado está entre 1.8 [A] y 3 [A], por lo tanto se elige de la tabla de la marca ALLEN BRADLEY el valor más cercano, en éste caso es 2.5 [A]; que
es regulable con un rango de ajuste de corriente de 1.6 [A] – 2.5 [A]. En la
tabla 2 se muestra los resultados para ambos casos, motor 1 y motor 2.
Tabla 2. Dimensionamiento de las protecciones.
Motor Corriente del
Guardamotor[A]
Modelo Guardamotor
Rango ajuste corriente guardamotor
[A] Motor
1
16 140M-C2E-C16
10 - 16 Motor
2
2,5 140M-C2E-B25
DIMENSIONAMIENTO DEL VARIADOR DE FRECUENCIA
El motor 1 tiene las siguientes características:
Motor 1 (velocidad de perforación de las brocas):
Marca = ALLEN BRADLEY Modelo = 112 M2A
Potencia = 5 HP Corriente = 6,2 [A] Voltaje = 220 [V]
Velocidad = 3495 [rpm] Factor de potencia = 0,92 IP = 55
Polos = 2
Caja de reducción = 2:1 Frecuencia = 60 [Hz] Clase = F
En base a la potencia del motor, el variador seleccionado es: Modelo del variador = VFD037C23A (Figura 25).
Marca = Delta Potencia = 5 [HP] Voltaje = 230 [V] Número de fases = 3
Figura 25. Dimensionamiento variador
Fuente: (Delta, 2006)
CONFIGURACIÓN DE PARÁMETROS VARIADOR.
27 del proyecto se debe configurar ciertos parámetros, descritos a continuación en la tabla 3:
Tabla 3. Parámetros del variador.
PARÁMETRO EXPLICACIÓN CONFIGURACIÓN
00-20
Fuente del comando de frecuencia maestra (AUTO)
1: comunicación serie RS-485
00-21
Fuente del comando de operación (AUTO)
2: comunicación serie RS-485. STOP del teclado desactivado.
01-00 Frecuencia de funcionamiento
máxima 60 Hz
01-02
Configuración de voltaje de salida
máximo del motor 1
220 V
02-13
Salida de múltiples funciones 1
RY1
2
03-11 Ganancia de entrada
analógica 1 (AVI) 100 %
08-00
Terminal de entrada para la retroalimentación PID
1: retroalimentación PID negativa: entrada desde el terminal externo AVI (Pr.03-00)
08-01 Ganancia proporcional (P) Kp1
08-02 Tiempo integral (I) Ki1
08-03 Control derivativo (D) Kd1
09-00 Dirección de
comunicación COM1 2
09-01 Velocidad de transmisión
COM1 9.6 Kbps
09-02 Comportamiento de
transmisión fallida COM1
3: no advertir y continuar con el funcionamiento
09-04 Protocolo de
comunicación COM1 0: 7N1 (ASCII)
11-36 Selección del límite de
velocidad
1: a través del comando de frecuencia (Pr.00-20)
4.4. INTERFAZ HMI.
Para la interfaz humano-máquina del proyecto taladro de banco se diseñó el siguiente HMI.
Esta pantalla es la pantalla principal, con la que arranca la interfaz del HMI, como se puede ver, arranca a partir de la introducción de un usuario y una contraseña, para ejecutar el proceso. (Figura 26).
Figura 26. Pantalla principal HMI.
REGISTRO DE USUARIO
Se registra un usuario y contraseña y se guarda. (Figuras 27 y 28).
Figura 27. Registro de usuario HMI
Figura 28. Guardar usuario HMI
INGRESO PANTALLA INICIAL
29
Figura 29. Ingreso usuario registrado HMI
Figura 30. Verificación usuario HMI
Figura 31. Ingreso pantalla inicial HMI
PANTALLA INICIAL HMI
La figura 32 muestra el estado inicial de la pantalla HMI. Para poder interactuar con el HMI, el programa del PLC debe estar cargado y corriendo en el Delta WPLSoft. Al pulsar el botón START, se inicia el proceso de taladrado, y los leds de los pistones indican en color verde que el taladro ha empezado a funcionar y hacer el proceso. (Figura 33).
Figura 33. Proceso iniciado HMI
4.5. DISTRIBUCIÓN DE ENTRADAS Y SALIDAS DEL PLC
Para el proceso se utiliza 5 entradas digitales y 6 salidas tipo relé, descritas a continuación en la figura 34.
Figura 34. Entradas y salidas PLC
31
33
5.1 SIMULACIÓN DEL SISTEMA
En este capítulo se demuestra la simulación del mecanismo en conjunto con la lógica de control detallada en la figura 20. Para el funcionamiento correcto de la simulación del sistema de control del proyecto taladro, se lo realizó en el programa propio del PLC llamado Delta WPLSoft y para la pantalla que indica el HMI se usó el programa ScrEdit.
POSICIÓN INICIAL
Como se observa en la Figura 34 todo el sistema mecánico se encuentra en una posición inicial cero.
Figura 36. Sistema encerado.
DESPLAZAMIENTO PISTÓN 1 Y UBICACIÓN DE PIEZA
Como se muestra en la Figura 35 el proceso inicia con el desplazamiento del pistón 1. Y con este se desplaza también la pieza desde el dispensador para ser ubicada en la entenalla.
Figura 37. Desplazamiento pistón 1 y ubicación pieza.
AJUSTE PIEZA
ajuste de la pieza que fue ubicada previamente y evitar una posición incorrecta de la misma.
Figura 38. Ajuste pieza
DESPLAZAMIENTO MANDRIL
Como se muestra en la Figura 37, una vez ajustada la pieza, el mandril empieza su desplazamiento hacia abajo hasta la posición marcada según el fin de carrera.
Figura 39. Desplazamiento mandril
PROCESO DE TALADRADO
35
Figura 40. Taladrado.
DESPLAZAMIENTO COMPUERTA DE SALIDA Y LIBERACIÓN DE PIEZA
Como se observa en la Figura 39, el cabezal y la muela móvil han vuelto a su posición inicial, entonces se mueve el pistón 3 y se abre la compuerta de salida que está acoplada al mismo, permitiendo así que la pieza caiga fácilmente a un contenedor de almacenamiento, ubicado debajo de la mesa del taladro.
Figura 41. Desplazamiento compuerta de salida y liberación pieza.
5.2. PRESUPUESTO
Para la implementación del proyecto se necesitará un presupuesto como se detalla en la tabla 4.
Tabla 4. Presupuesto.
CANTIDA
D MATERIALES SERIAL MARCA
PRECIO UNITARIO[US
D]
PRECI O TOTAL
1
BOTON PARA EMERGENCIA TIPO HONGO (1 CONTACTO NO, 1 CONTACTO
NC)
CK-22PL12 CAMSCO 2.36 2.36
1
SELECTOR DE DOS POSICIONES (2 CONTACTOS NO)
CA-027 CAMSCO 2.15 2.15
2 PULSADOR DE
MARCHA CK-22P12 CAMSCO 1.8 3.6
3 RIEL DIN 1 M 199-DR1 ALLEN
BRADLEY 2.2 6.6
1 GUARDAMOTOR
TRIFASICO 16 A
140M-C2E-C18
ALLEN
BRADLEY 71.15 71.15
2 GUARDAMOTOR
TRIFASICO 2.5 A
140M-C2E-B25
ALLEN
BRADLEY 60.16 120.32
4
CONTACTOR TRIFASICO, BOBINA 24 VDC,
1 CONTACTO NO, 1 CONTACTO NC,
MINIMO 15 A
100-K09ZJ10 ALLEN
BRADLEY 25 100
8
PORTAFUSIBLES CON FUSIBLE DE
1 A
1492-H5 ALLEN
BRADLEY 2.4 19.2
8 BORNERAS DE
PASO 1492-J3
ALLEN
BRADLEY 1.26 10.08
6
TOPE PARA ELEMENTOS MONTADOS EN
RIEL DIN
1492-EAJ35 ALLEN
BRADLEY 2.15 12.9
2
BREAKER DE 2 POLOS, 10 A, 220
V
1492-SP2C160
ALLEN
BRADLEY 7.15 14.3
2
ETIQUETA Y SEPARADOR
PARA BORNERAS
1492-GM35 ALLEN
BRADLEY 1.55 3.1
3 CANALETA DE PVC PARA CABLEADO INTERNO DE TABLERO CON TAPA, 40X60 MM
1492-EAJ35 CAMSCO 9.15 27.45
30 CABLE 12 AWG
37
NEGRO
20 CABLE 14 AWG
FLEXIBLE, ROJO 0.306 6.12
20
CABLE 14 AWG FLEXIBLE,
BLANCO
0.306 6.12
1 FUENTE DC, 24
V, 10 AMP
1606-XLS240E
ALLEN
BRADLEY 209 209
2 FIN DE CARRERA INDUSTRIAL PALANCA REGULABLE FINAL, 1 CONTACTO NO, 1 CONTACTO NC
ME-8108 MOUJEN 19.99 39.98
3
BOTON TACTIL SWITCH, 1 CONTACTO NO, 1 CONTACTO NC
B3W-1020
OMRON ELECTRONI
C
0.7 2.1
3
ELECTROVALVU LA DE 3/2, 1/8", 24 VDC, 100 PSI
MCH-3-1/8 FESTO 15 45
2
SENSOR OPTICO, 24 VDC,
SALIDA TIPO CONTACTO NO
D-C73 SMC 9.55 19.1
1
TABLERO DE ACERO DE 1219x610x305mm
CSD482412 HOFFMAN 350 350
1
PANTALLA TACTIL PARA
HMI
DOPB7S211 DELTA 350 350
1 PLC 16 DI, 12 D0 DVP28SV11
R2 DELTA 500 500
1
BARRA DE PUESTA A TIERRA
P-GS2K HOFFMAN 5 5
1
PANEL PARA TABLERO (1173 x
564)[MM]
CP4824 HOFFMAN 35 35
1
VARIADOR DE FRECUENCIA DE
5 [HP], 220 V, TRES FASES
VFD037C23A DELTA 700 700
SUBTOTAL 1 3211.6
Con todo lo descrito en la tabla para la ejecución del proyecto se necesita una inversión total de $2700.22.
SUBTOTAL 2 2890.5
IVA 346.86
TOTAL 2700.2
CONCLUSIONES
Se diseñó y simuló el sistema de control del proceso de taladrado en “Procesadora de Acero VYMSA.
Se diseñó el sistema de alimentación de las piezas al taladro mediante un dispensador en forma de rampa, esta técnica de alimentación de piezas hace que el proceso de taladrado sea más rápido y sencillo, al tratarse de piezas pequeñas; la distancia entre la rampa y el taladro es pequeña; y se lograría que el tiempo que tarda una pieza en ser trasladada a la zona de trabajo sea corto.
Se diseñó el sistema automático de control del taladro, el cual permite la subida y bajada del mandril mediante control ON-OFF e inversión de giro del motor trifásico y dos fines de carrera para detectar la posición superior e inferior.
Para el control de la velocidad de giro de las brocas se utiliza un PID, mientras que para determinar la velocidad de giro, se usa estimación vectorial, para ello se dispone de un motor trifásico.
Se diseñó también la interfaz de control y monitoreo, que epermite registrar un usuario y controlar e interactuar con el sistema.
41
RECOMENDACIONES
Para detectar fallas en las brocas se podría utilizar un sistema de visión artificial, para saber el estado de la broca.
Se recomienda incluir alarmas sonoras en caso de falla de motores o sistema de refrigeración.
Se recomienda manejarse con una sola marca, para evitar uso de conversores de comunicación y problemas con protocolos de comunicación entre variadores y PLC.
Se recomienda que para la instalación correcta del sistema de control se base en los planos electrónicos.
Antes de operar la máquina se debe conocer sus características técnicas, para esto se recomienda que los operarios sean capacitados antes de manipular la máquina.
BIBLIOGRAFÍA
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Bisagrasestufas. (1 de Octubre de 2015). Obtenido de
ANEXO 1
ANEXO 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 39 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 47 4 8 4 9 5 0 5 1 5 2 53 5 4 5 5 5 6 5 7 58 5 9 N O M B R E : T ÍT U LO : D IA G R A M A N º: D IA G RA M A D E R ED IN D U ST RIA L 2/ 12 D E LT A C 20 00 C O M 1 R S -2 32 C O M 1 R S -2 32 C O M 2 R S -4 85 C O M I R S -4 85 6 9 1 5 1 2
36 85
