Diseño e Implementación de un módulo electro neumático didáctico para el laboratorio de mandos neumáticos de la EPN

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO ELECTRONEUMÁTICO DIDÁCTICO PARA EL LABORATORIO DE MANDOS NEUMÁTICOS DE LA EPN. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL. SIMBA GRANIZO DARWIN GERMAN ([email protected]). DIRECTOR: ING. CRISTIAN ANDRÉS TASIGUANO POZO ([email protected]). CO-DIRECTOR: ING. LEONARDO DAVID ORTEGA CAMINO ([email protected]). Quito, Junio 2018.

(2) DECLARACIÓN. Yo, Darwin German Simba Granizo, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ______________________ Darwin German Simba Granizo.

(3) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Darwin German Simba Granizo, bajo nuestra supervisión.. ________________________ Cristian Tasiguano, MSc. DIRECTOR DEL PROYECTO. ________________________ Leonardo Ortega, MSc. CO-DIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) AGRADECIMIENTO. Agradezco a Dios, a mis padres, a mi esposa Elizabeth Maila, a mi hijo Emilio Alexander y todos a mis amigos que han sido una gran ayuda para poder lograr esta meta trazada en mi vida, en especial a Verónica Rojas, Carlos Quinatoa, Geovanny Haro, Jorge Erazo, Angel Quinatoa, Andrés Cajo, Leodan Condor y a mi Director de tesis MSc. Cristian Tasiguano y Co-director MSc. Leonardo Ortega, quienes me ayudaron con mucha paciencia y apoyo para la realización de este proyecto..

(5) DEDICATORIA Esta tesis la dedico a mi hijo Emilio Alexander ya que ha sido mi vida, solo dios sabe cuánto sufrimos tu mamá y yo para que estés junto a nosotros, a pesar de las complicaciones y riesgo que tuviste. Doy gracias a la vida que estas muy bien, para mi tu eres mi universo. Espero que cuando leas este texto recuerdes siempre que te amo mucho mijo mío..

(6) i. CONTENIDO RESUMEN ........................................................................................................................... v PRESENTACIÓN .............................................................................................................. vi CAPÍTULO 1 ....................................................................................................................... 1 1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 1 1.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 1. 1.2. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) .................................... 1. 1.2.1. DEFINICIÓN Y PRINCIPIOS DE OPERACIÓN ......................................... 1. 1.2.2. FUNCIONAMIENTO DEL PLC .................................................................... 2. 1.2.3. VENTAJAS DEL PLC .................................................................................... 3. 1.3. INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA (HMI) ..................................................... 3. 1.3.1. DEFINICIÓN .................................................................................................. 3. 1.3.2. CARACTERÍSTICAS DEL HMI ................................................................... 3. 1.3.3. TIPOS DE INTERFAZ GRÁFICA HMI ....................................................... 4. 1.3.3.1. Panel Operador ......................................................................................... 4. 1.3.3.2. Computador con Software HMI. .............................................................. 4. 1.3.4 1.4. VENTAJAS PRINCIPALES DEL HMI. ........................................................ 4. ELEMENTOS NEUMÁTICOS ...................................................................... 5. 1.4.1. CILINDROS NEUMÁTICOS......................................................................... 5. 1.4.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS CILINDROS .............................................. 5. 1.4.3. TIPOS DE CILINDROS ................................................................................. 5. 1.4.3.1. Cilindro de Simple Efecto ........................................................................ 6. 1.4.3.2. Cilindro de Doble Efecto.......................................................................... 7. 1.4.4. 1.5. ACTUADORES GIRATORIOS ..................................................................... 8. 1.4.4.1. Actuador Giratorio de Ángulo Limitado .................................................. 8. 1.4.4.2. Motor Neumático ..................................................................................... 8. VÁLVULAS NEUMÁTICAS ....................................................................... 9. 1.5.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS VÁLVULAS NEUMÁTICAS .................... 9. 1.5.2. TIPOS DE VÁLVULAS ............................................................................... 10. 1.5.2.1. Válvulas de vías ..................................................................................... 10. 1.5.2.2. Válvula de bloqueo................................................................................. 10. 1.5.2.2.1. Válvula anti-retorno ........................................................................... 11. 1.5.2.2.2. Válvula selectora ................................................................................ 11. 1.5.2.2.3. Válvula de escape rápido ................................................................... 11.

(7) ii. 1.5.2.2.4. Válvula de estrangulación con anti-retorno ...................................... 12. 1.5.2.3. Válvula de presión .................................................................................. 12. 1.5.2.4. Válvula de caudal ................................................................................... 12. 1.5.2.5. Válvula de cierre .................................................................................... 12. 1.5.3. SENSOR MAGNÉTICO ............................................................................... 13. CAPÍTULO 2 ..................................................................................................................... 14 2. DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN MÓDULO ELECTRO-NEUMÁTICO. DIDÁCTICO ...................................................................................................................... 14 2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL MÓDULO DIDÁCTICO ........................... 14. 2.1.1. IMPLEMENTACIÓN DEL TABLERO PRINCIPAL DE CONTROL ....... 14. 2.1.1.1. Elementos Mecánicos ............................................................................. 14. 2.1.2 SELECCIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS DEL TABLERO DE CONTROL ................................................. 15 2.1.2.1. PLC......................................................................................................... 15. 2.1.2.2. Pantalla HMI .......................................................................................... 17. 2.1.2.2.1. 2.2. Características técnicas de la pantalla KTP 700 Basic ..................... 17. 2.1.2.3. Fuente externa ........................................................................................ 18. 2.1.2.4. Interruptor magneto-térmico .................................................................. 19. 2.1.2.5. Interruptores ........................................................................................... 20. 2.1.2.6. Adaptador RJ45 ...................................................................................... 21. CONSTRUCCIÓN DEL TABLERO BASE .................................................. 21. 2.2.1.. ELEMENTOS NEUMÁTICOS. ................................................................... 22. 2.2.1.1.. Diseño del sistema neumático ................................................................ 22. 2.2.1.2.. Características técnicas del compresor ................................................... 23. 2.2.1.3.. Unidad de mantenimiento ...................................................................... 24. 2.2.1.4.. Electroválvulas neumáticas ................................................................... 24. 2.2.1.4.1. Electroválvula 5/2 monoestable ......................................................... 25 2.2.1.4.2. Electroválvula 3/2 monoestable ......................................................... 26 2.2.1.5.. Cilindros neumáticos .............................................................................. 26. 2.2.1.5.1. Cilindro de doble efecto ..................................................................... 27 2.2.1.5.2. Cilindros de simple efecto .................................................................. 27 2.2.1.6.. Motor neumático .................................................................................... 28. 2.2.1.7.. Racores ................................................................................................... 29. 2.3. DISEÑO DE LAS SECUENCIAS DE CONTROL DE LOS PROCESOS A EMULARSE. ....................................................................................................... 30 2.3.1.. LÓGICA DEL PROCESO DE LLENADO DE BOTELLAS .................... 31.

(8) iii. 2.3.2.. LÓGICA DEL PROCESO DE MEZCLADO DE PINTURA. ..................... 32. 2.3.3.. LÓGICA DEL PROCESO DE DOBLADO DE TUBOS ............................. 33. 2.3.4.. LÓGICA DEL PROCESO PARA TALADRAR PIEZAS ........................... 34. 2.3.5.. LÓGICA DEL PROCESO DE COMPACTACIÓN DE LATAS ................ 34. 2.3.6.. LÓGICA DEL PROCESO DE UN ELEVADOR NEUMÁTICO ................ 35. 2.3.7.. LÓGICA DE DISEÑO DEL HMI ................................................................ 35. CAPÍTULO 3 ..................................................................................................................... 36 3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SOFTWARE DE CONTROL EN EL. PLC ..................................................................................................................................... 36 3.1. DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE .............................................................. 36. 3.1.1 3.2. TIA PORTAL ................................................................................................ 36. DESARROLLO DE LA PROGRAMACIÓN DEL MÓDULO DIDÁCTICO ... 36. 3.2.1. ACCESO Y CONFIGURACIÓN DEL PROGRAMA TIA PORTAL V13 . 37. 3.2.2. INSERTAR UNA CPU DEL PLC ................................................................ 38. 3.2.3 MARCAS, ENTRADAS Y SALIDAS DEL PLC ASOCIADAS AL MÓDULO DIDÁCTICO ELECTRO-NEUMÁTICO ................................................. 40 3.2.3.1 Entradas y salidas del PLC para el módulo didáctico electroneumático.. ............................................................................................................... 41 3.3. ENSAMBLADO DEL MÓDULO DIDÁCTICO ........................................... 43. 3.3.1. TABLERO PRINCIPAL DE CONTROL ..................................................... 43. 3.3.1.1. Diagrama de conexión eléctrico del PLC ............................................... 45. 3.3.1.2. Montaje de los elementos neumáticos .................................................... 47. CAPÍTULO 4 ..................................................................................................................... 47 4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA INTERFAZ GRÁFICA ..................... 48 4.1 CONFIGURACIÓN DEL TIA PORTAL V13 PARA LA CREACIÓN HMI… ................................................................................................................ 48 4.1.1. Conexión con el PLC ..................................................................................... 48. 4.1.2. Formato de imagen ........................................................................................ 49. 4.1.3. Avisos ............................................................................................................ 50. 4.1.4. Imágenes ........................................................................................................ 50. 4.1.5. Imágenes del sistema ..................................................................................... 51. 4.1.6. Botones .......................................................................................................... 51. 4.2. DESARROLLO DE LA INTERFAZ GRÁFICA ........................................... 52. 4.2.1. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA PRINCIPAL ........................ 56. 4.2.2. SIMULACIÓN DEL PROGRAMA MEDIANTE EL PLCSIM V13 .......... 57.

(9) iv. 4.2.3. PANTALLA PRINCIPAL DEL HMI ........................................................... 61. 4.2.3.1. DIAGRAMA DE FLUJO DE LAS SUBRUTINAS ............................. 64. 4.2.3.1.1. Diagrama de flujo de la subrutina 1 para el ejemplo de neumática.. 64. 4.2.3.1.2. Diagrama de flujo de la subrutina 10 para la secuencia de cilindros…. 65. 4.2.3.1.3 Diagrama de flujo de la subrutina 4 para el proceso del llenado de botellas…… ........................................................................................................... 67 4.2.3.1.4 Diagrama de flujo de la subrutina 5 para el proceso del mezclado de pintura……............................................................................................................ 69 4.2.3.1.5 Diagrama de flujo de la subrutina 6 para el proceso del doblado de tubos……… ........................................................................................................... 72 4.2.3.1.6 Diagrama de flujo de la subrutina 7 para el proceso del taladrado de piezas…….. ........................................................................................................... 73 4.2.3.1.7 Diagrama de flujo de la subrutina 8 para el proceso compactado de latas………. ........................................................................................................... 75 4.2.3.1.8 Diagrama de flujo de la subrutina 9 para el proceso elevador neumático… .......................................................................................................... 76 CAPÍTULO 5 ..................................................................................................................... 78 5. PRUEBAS Y RESULTADOS ................................................................................... 78 5.1. COMPROBACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO ........................................ 78. 5.1.1. PRUEBA DE CONTINUIDAD .................................................................... 78. 5.1.2 COMPROBACIÓN DE LA COMUNICACIÓN ENTRE EL PLC Y LA PANTALLA KTP-700 ................................................................................................. 78 5.2. COMPROBACIÓN DEL PROCESO A EMULAR ........................................ 78. 5.2.1. COMPROBACIÓN DEL PROCESO DEL LLENADO DE BOTELLAS ... 79. 5.2.2. SECUENCIAS DE LOS CILINDROS NEUMÁTICOS .............................. 80. 5.3. COSTOS DEL PROYECTO ........................................................................ 82. CAPÍTULO 6 ..................................................................................................................... 84 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 84 6.1. CONCLUSIONES ...................................................................................... 84. 6.2. RECOMENDACIONES.............................................................................. 85. 6.3 TRABAJOS FUTUROS ................................................................................. 86 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 87 ANEXOS…………………………………………………………………………………………………. 89.

(10) v. RESUMEN. En el presente trabajo se desarrolla el diseño e implementación de un módulo electro-neumático didáctico para el Laboratorio de Mando Neumáticos de la FIEE con el propósito de emular diferentes procesos industriales, los cuales pueden ser visualizados en una interfaz gráfica y representados a través de actuadores neumáticos. El módulo didáctico contará con un PLC y utilizará un software para emular procesos industriales. Además, el módulo didáctico contará con elementos: neumáticos, mecánicos, eléctricos y sensores. Este proyecto se lo realiza ya que el Laboratorio de Mandos Neumáticos no posee módulos didácticos que estén relacionados con el manejo de procesos industriales actuales..

(11) vi. PRESENTACIÓN El presente proyecto se describe el diseño e implementación de un módulo electroneumático didáctico para el laboratorio de mandos neumáticos de la EPN. El trabajo se ha organizado en seis capítulos, cuyo contenido es el siguiente: CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO En este capítulo se realiza una recopilación documental de los elementos eléctricos, electrónicos y neumáticos utilizados en los procesos industriales a emularse como son: llenado y taponado de botellas, mezcladora de pinturas, dispositivo para doblar, dispositivo para taladrar, dispositivo para compactar latas y un elevador neumático. CAPÍTULO 2 DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN MÓDULO ELECTRO-NEUMÁTICO DIDÁCTICO En este capítulo se realiza el dimensionamiento de los elementos mecánicos, eléctricos y neumáticos a utilizarse en el módulo didáctico. Además, se realiza el diseño de las secuencias de control de cada proceso industrial a emularse y finalmente se presenta el diseño de la interfaz del HMI. CAPÍTULO 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SOFTWARE DE CONTROL EN EL PLC En este capítulo se realiza una descripción acerca de software a utilizarse de acuerdo a las necesidades requeridas para el manejo del módulo didáctico y de la programación a desarrollarse para la creación de los algoritmos de control en el PLC. Finalmente, se realiza del ensamblado de los elementos eléctricos, electrónicos y neumáticos para probar su funcionamiento en el módulo didáctico..

(12) vii. CAPÍTULO 4 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA INTERFAZ GRÁFICA En este capítulo se realiza la descripción de los programas a usarse para el desarrollo de los procesos industriales a emularse. Se realiza la implementación de una interfaz de usuario y se la enlaza con el PLC para la visualización del estado de los componentes del proceso de acuerdo a la rutina de programación implementada. CAPÍTULO 5 PRUEBAS Y RESULTADOS En este capítulo se realizan las pruebas de funcionamiento del módulo didáctico de acuerdo a los procesos industriales a emularse. Además se desarrolla las nuevas hojas guías para las prácticas de laboratorio de Mandos Neumáticos las cuales serán; llenado y taponado de botellas y de una mezcladora de pinturas las mismas que contarán con preparatorio e informe. CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En este capítulo se establecen las conclusiones respectivas y se mencionan algunas recomendaciones para el mejoramiento y optimización del presente proyecto.. ..

(13) 1. CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO En este capítulo se explica brevemente la información documental de los elementos eléctricos, electrónicos y neumáticos utilizados en los diferentes procesos industriales a emularse, como son: llenado y taponado de botellas, mezcladora de pinturas, dispositivo para doblar, dispositivo para taladrar, dispositivo para compactar latas y un elevador neumático.. 1.1 INTRODUCCIÓN En la actualidad, la importancia de la automatización en la industria de procesos ha aumentado increíblemente en los últimos años [1] por lo que es necesario que los estudiantes conozcan acerca de estos procesos y se familiaricen con los diferentes componentes que intervienen en los mismos. El desarrollo del presente proyecto tiene como objetivo diseñar e implementar un módulo electro-neumático didáctico para la asignatura de Mandos Neumáticos de la EPN.. 1.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) 1.2.1 DEFINICIÓN Y PRINCIPIOS DE OPERACIÓN El PLC, Figura 1.1, es un dispositivo electrónico que usa una memoria para el almacenamiento interno de instrucciones con el fin de implementar funciones específicas, tales como lógicas secuenciales, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritméticas, etc., con el fin de controlar a través de entradas/salidas digitales o analógicas, a uno o varios tipos de máquinas o procesos [2].. Figura 1.1 PLC Siemens [3].

(14) 2. Los PLC´s operan de manera secuencial y cíclica, es decir, una vez finalizado el recorrido completo de un programa, comienza a ejecutar su primera instrucción nuevamente. Los elementos que contiene un PLC son: ·. Fuente de Alimentación.. ·. Unidad Central de Proceso (CPU).. ·. Módulos de entradas.. ·. Módulos de salidas.. ·. Dispositivos periféricos e Interfaces.. El CPU es el “cerebro” del PLC. Este toma las decisiones relacionadas al control de la máquina o proceso. Durante su operación, el CPU recibe señales de entrada de diferentes dispositivos como sensores, pulsadores etc., y ejecuta operación lógicas, basadas en un programa almacenado en la memoria para controlar los dispositivos de salida de acuerdo al resultado de la lógica programada. Los módulos de entradas y salidas son la sección del PLC en donde sensores y actuadores son conectados y a través de los cuales el PLC monitorea y controla el proceso. La fuente de alimentación convierte altos voltajes de corriente de línea (115V 230V CA) a bajos voltajes (5V, 15V, 24V CD) requeridos por el CPU y los módulos de entradas y salidas para su funcionamiento. 1.2.2 FUNCIONAMIENTO DEL PLC Un autómata Programable logic controller (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente agresivos procesos secuenciales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc..

(15) 3. 1.2.3 VENTAJAS DEL PLC ·. Su capacidad computacional permite diseñar controles más complejos.. ·. Sus componentes confiables hacen posible que pueda operar varios años sin fallas.. ·. Velocidad de operación.. ·. Su instalación es sencilla, además de ocupar poco espacio.. ·. Posibilidad de gobernar varios actuadores con el mismo autómata.. ·. Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado.. ·. Están diseñados para trabajar en condiciones severas como: vibraciones, campos magnéticos, humedad, temperaturas extremas [4].. 1.3 INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA (HMI) 1.3.1 DEFINICIÓN En la actualidad, los procesos en la industria requieren de dispositivos electrónicos de respuestas rápidos e eficientes, para cumplir dichos respuestas se han creado varios sistemas de automatización entre ellos los llamados HMI Un HMI, por sus siglas en inglés: “Human Machine Interface”, es un dispositivo o sistema que permite realizar la interfaz entre el operador (hombre) y la máquina. Además, son interfaces gráficas sencillas de complementar y capaces de desplegar la información del proceso en tiempo real, de manera sencilla y amigable al usuario [5]. Por esta razón, las interfaces Hombre- Máquina son ampliamente usadas a nivel industrial y se han ido modernizando en cuanto a presentaciones y características técnicas junto con los requerimientos de sus usuarios. 1.3.2 CARACTERÍSTICAS DEL HMI Una interfaz HMI posee las siguientes características: ·. Generación de alertas (avisos).. ·. Generación de reportes..

(16) 4. ·. Administración de parámetros.. ·. Control de procesos.. ·. Ilustración y animación de procesos.. 1.3.3 TIPOS DE INTERFAZ GRÁFICA HMI Una interfaz hombre máquina es la que permite que el usuario u operador del sistema de control o supervisión, interactué con los procesos. Existen dos tipos de interfaces las cuales son: ·. Panel operador. ·. Computador con software HMI. 1.3.3.1 Panel Operador Son dispositivos creados especialmente para ambientes agresivos, donde se requiere únicamente despliegues numéricos, alfanuméricos y gráficos. Pueden incluir pantallas táctiles (touch screen). 1.3.3.2 Computador con Software HMI. Se ejecuta el software apropiado para el proceso a través de un computador. El tipo de computador depende de las necesidades del proyecto, y puede ser desde computadores de escritorios, computadores industriales o tipo panel, diseñados para ambientes agresivos. 1.3.4 VENTAJAS PRINCIPALES DEL HMI. Entre las ventajas del HMI se tiene las siguientes referencias: ·. Interfaz sencilla con el usuario.. ·. Mejor control del proceso.. ·. Capacidad para generar reportes y supervisión.. ·. Permite mayor interacción entre el operador y el proceso.. ·. Permiten mostrar todos los elementos en una sola pantalla..

(17) 5. 1.4 ELEMENTOS NEUMÁTICOS Los cilindros neumáticos son elementos que transforman la neumática del aire comprimido en energía mecánica [6]. Se clasifican de acuerdo a su movimiento, en actuadores lineales normalmente llamados cilindros neumáticos, y actuadores de giro como los motores neumáticos. 1.4.1. CILINDROS NEUMÁTICOS. Un cilindro neumático, Figura 1.2, consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que se desliza y que transmite su movimiento al exterior mediante un vástago. Se compone de una camisa o llamado tubo circular hueco el cual se mueve el pistón y de tapas trasera y delantera. La función de los cilindros neumáticos es la de transformar la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo.. Figura 1.2 Cilindro neumático [7]. 1.4.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS CILINDROS La capacidad de trabajo de un cilindro viene determinada por dos características la primera es la carrera que permite el desplazamiento que efectúa el émbolo en el interior del cilindro y depende de la longitud de desplazamiento del vástago y el segundo es el diámetro el cual está determinada por la superficie del émbolo. 1.4.3 TIPOS DE CILINDROS Existen diferentes tipos de cilindros neumáticos y se dividen en dos grupos: ·. Cilindros de simple efecto.. ·. Cilindros de doble efecto..

(18) 6. 1.4.3.1 Cilindro de Simple Efecto El cilindro de simple efecto, Figura 1.3, realiza un trabajo en un solo sentido, al ingresar una presión de aire en la entrada del cilindro hace que este produzca un desplazamiento del émbolo hacia afuera, para retornar a su posición inicial debe de dejar enviar aire a la entrada y esperar que actué el muelle recuperador que lleva internamente el cilindro [8].. Figura 1.3 Cilindro de simple efecto y su simbología [9]. En los cilindros de simple efecto, el aire se alimenta en un solo lado es por ello, ejecutan solamente trabajo en un solo sentido como se ilustra en la Figura 1.4 [10].. Figura 1.4 Cilindro de simple efecto [10]. En la Figura 1.5 y la Figura 1.6 se muestra el estado de reposo y el estado activo de un cilindro de simple efecto.. Figura 1.5 Estado de reposo. Figura 1.6 Estado active.

(19) 7. 1.4.3.2 Cilindro de Doble Efecto Este tipo de cilindro recibe aire comprimido en ambos lados, por lo que puede ejecutar un trabajo en los sentidos del movimiento [11]. El desplazamiento del émbolo se lo realiza en dos sentidos, tanto en la carrera de avance como en la carrera de retroceso, por los que no necesita de resorte u otro tipo de fuerzas externas para su funcionamiento como se ilustra en la Figura 1.7.. Figura 1.7 Cilindro de doble efecto [11]. Antes de ejecutarse el movimiento en el sentido contrario, es necesario descargar primero el aire contenido en la cámara del lado opuesto. En la Figura 1.8 se muestra la imagen real de un cilindro de doble efecto y su simbología neumática.. Figura 1.8 Cilindro de doble efecto y su simbología. En la Figura 1.9 y Figura 1.10 se muestra el estado de reposo y el estado activo de un cilindro de doble efecto.. Figura 1.9 Estado de reposo. Figura 1.10 Estado activo.

(20) 8. Existen otros tipos de cilindros neumáticos, pero el principio de funcionamiento es el mismo, se diferencia en su aspecto exterior y su aplicación. En la Tabla 1.1 se muestra la simbología de otros cilindros de doble efecto los más usados. Tabla 1.1 Cilindro de doble efecto. Cilindro de doble efecto Cilindro de doble efecto con doble vástago. Cilindro de doble efecto sin vástago 1.4.4 ACTUADORES GIRATORIOS Los actuadores rotativos o giratorios realizan la función de transformar la energía neumática en energía mecánica de rotación. Dependiendo de si el giro tiene un ángulo limitado o no, los actuadores se clasifican en: ·. Actuador giratorio de ángulo limitado.. ·. Motores neumáticos.. 1.4.4.1 Actuador Giratorio de Ángulo Limitado Los actuadores giratorios de ángulo limitado son aquellos que proporcionan movimiento de giro pero no llegan a producir una revolución completa (exceptuando alguna mecánica particular como por ejemplo piñón –cremallera). Existen de simple y doble efecto para ángulos de giro desde 30° a hasta un máximo valor de 300º aproximadamente [12]. 1.4.4.2 Motor Neumático Los motores neumáticos, la energía potencial del aire comprimido es convertida en energía mecánica debido a diferencia de presiones entre el aire comprimido a la entrada y el aire de menor presión a la salida [13]. Se caracterizan por proporcionar un elevado número de revoluciones por minuto, son ligeros y compactos..

(21) 9. El arranque y paro es muy rápido, pueden trabajar con velocidad y par variables sin necesidad de un control complejo y baja inercia. En la Tabla 1.2 se muestra la simbología neumática normalizada de los tipos de actuadores giratorios. Tabla 1.2 Actuadores giratorios [7]. Motor neumático, rotación en un sentido, capacidad fija Motor neumático, rotación en un sentido, capacidad variable Motor neumático, rotación en ambos sentidos, capacidad variable Actuador rotativo de recorrido limitado, giro en ambos sentidos.. 1.5 VÁLVULAS NEUMÁTICAS Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, paro y la dirección del aire, así como la presión o el caudal del fluido. 1.5.1 CARACTERÍSTICAS DE LAS VÁLVULAS NEUMÁTICAS Para identificar y representar un tipo de válvula se debe de tomar en cuenta ciertas características importantes como son: ·. El tipo de válvula que viene dado por dos cifras, la primera indica el número de orificios o vías y la segunda representa el número de posiciones de trabajo.. ·. El sentido de circulación de aire, representado por flechas.. ·. Finalmente, las conexiones, estas se indican de forma distintas según se trate de una fuente de aire comprimido o salida libre..

(22) 10. 1.5.2 TIPOS DE VÁLVULAS Las válvulas neumáticas se subdividen en cinco grupos: ·. Válvulas de vías o distribución.. ·. Válvulas de bloqueo.. ·. Válvulas de presión.. ·. Válvulas de caudal.. ·. Válvulas de cierre.. 1.5.2.1 Válvulas de vías La función de las válvulas de vías es de permitir, orientar o detener un flujo de aire. Por distribuir el aire hacia los elementos de trabajo son conocidas también como válvulas distribuidoras. Pueden ser de tres, cuatro y cinco vías dependiendo del trabajo a realizar, como se muestra en la siguiente Tabla 1.3. Tabla 1.3 Actuadores giratorios [14] Válvula 2/2. Se representa como una válvula de dos vías y dos posiciones de control o de trabajo. Esta válvula puede ser normalmente abierta o cerrada.. Válvula 3/2. Al tener tres vías, permite dos direcciones del flujo de aire, lo que les ayuda a realizar la alimentación (posición abierta) y el escape (posición cerrada).. 1.5.2.2 Válvula de bloqueo Su función es la de bloquear o interrumpir el paso del aire un solo sentido, mientras que el otro sentido queda libre. Pueden ser de varios tipos como se indica a continuación: ·. Válvula anti-retorno.. ·. Válvula selectora.. ·. Válvula de escape rápido.. ·. Válvula de estrangulación con anti-retorno..

(23) 11. 1.5.2.2.1 Válvula anti-retorno Las válvulas anti-retorno, Figura 1.11, impiden el paso del aire en un sentido, mientras que en el sentido contrario el aire circula con una pérdida de presión mínima.. Figura 1.11 Simbología de la válvula anti-retorno. 1.5.2.2.2 Válvula selectora Esta válvula tiene dos entradas X e Y, y una salida A como indica en la Figura 1.12. Cuando el aire comprimido entra por la entrada X, la bola bloquea la entrada Y, y el aire circula de X hacia A. Cuando el aire llega por Y se bloquea la conexión de X y pasa de Y hacia A. Por otra parte cuando el aire regresa por A cuando se elimina el aire de un cilindro o una válvula, la bola permanece en la posición en que se encontraba permitiendo su paso hacia X o Y.. A X. Y. Figura 1.12 Simbología de la válvula selectora. 1.5.2.2.3 Válvula de escape rápido La válvula de escape rápido, Figura 1.13, permite una evacuación rápida de aire de los cilindros y de las tuberías de conexión, esto hace que aumente la velocidad del vástago, permitiendo ahorrar tiempos de retorno largo, en especial cuando se utiliza para cilindros de simple [15]. Para obtener una mayor velocidad de respuesta se debe instalarse lo más cerca posible del cilindro. 2 1 3. Figura 1.13 Simbología de la válvula de escape.

(24) 12. 1.5.2.2.4 Válvula de estrangulación con anti-retorno Estas válvulas con anti-retorno y estrangulación regulable como indica en la Figura 1.14, permiten el paso del aire comprimido solo en una dirección, donde es estrangulada. En dirección contraria el aire comprimido tiene paso libre.. Figura 1.14 Simbología de la válvula estrangulación con anti-retorno. 1.5.2.3 Válvula de presión La válvula de presión, Figura 1.15, es la encargada de mantener una presión constante a su salida, sin importar las fluctuaciones que puedan presentar a su salida.. P. T. Figura 1.15 Simbología de la válvula de presión. 1.5.2.4 Válvula de caudal La válvula de caudal, Figura 1.16, permite regular la cantidad de aire que la atraviesa a través del estrangulamiento del conducto de paso de aire y con ello controlar la velocidad de los vástagos de los cilindros.. Figura 1.16 Simbología de la válvula de caudal. 1.5.2.5 Válvula de cierre Las válvulas de cierre, Figura 1.17, permiten bloquear el flujo de aire en una dirección, mediante un tornillo regulable.. Figura 1.17 Simbología de la válvula de cierre.

(25) 13. 1.5.3 SENSOR MAGNÉTICO Los sensores magnéticos o interruptor de proximidad están diseñados para cilindros neumáticos con imanes incorporados en los pistones. La posición del pistón se detecta a través de la pared del cilindro. Los sensores funcionan sin desgaste y por lo tanto ofrecen un alto nivel de seguridad y fiabilidad de funcionamiento tal como se muestra en la Figura 1.18.. Figura 1.18 Fijación del sensor magnético. Diferentes diseños en combinación con una amplia variedad de fijaciones permiten un fácil montaje en todo tipo de cilindros. Los sensores magnéticos para cilindros se caracterizan por su diseño robusto y alta repetitividad. Para ello se utilizan 3 sensores D-C73/76 el cual se describen las características de acuerdo a la Tabla 1.4. Tabla 1.4 Especificación Técnicas [16]. Modelo auto del interruptor D-C73 D-C76 Carga aplicable Relay, PLC Circuito de IC Voltaje de la carga 24 VDC 100VAC 4 a 8 VDC Corriente y gama máximas de la 5 a 40 5 a 20 mA 20 mA carga mA Circuito de protección del contacto Ninguno Caída de voltaje interna ≤ 2.4V ≤ 0.8V Indicador luminoso LED rojo iluminado cuando el detector está en ON. El sensor magnético contiene dos cables para su conexión, el primer cable de color café sirve la alimentacion de 24vdc y mientras que el segundo cable de color azul sirve para la señal de entrada del plc como se indica en la Figura 1.19.. Figura 1.19 Conexión del sensor magnético.

(26) 14. CAPÍTULO 2 DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN MÓDULO ELECTRONEUMÁTICO DIDÁCTICO En este capítulo se desarrolla el dimensionamiento de los elementos mecánicos, eléctricos y neumáticos a implementar en el módulo didáctico, y así también se realiza el diseño de las secuencias de control y la interfaz del HMI.. 2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL MÓDULO DIDÁCTICO El módulo didáctico está compuesto por dos partes fundamentales, la primera la conforma un panel de control principal, el cual controla los procesos a emularse a través de un PLC y un HMI, y la segunda conformada por los elementos neumáticos para la emulación de cada proceso. 2.1.1 IMPLEMENTACIÓN DEL TABLERO PRINCIPAL DE CONTROL El tablero principal cuenta con elementos mecánicos, eléctricos y electrónicos, los mismos que se describen a continuación. 2.1.1.1 Elementos Mecánicos La construcción del tablero principal de control se la realizó partir de un tablero metálico, el cual luego de varios cambios realizados en el mismo, se obtuvo el mostrado en la Figura 2.1.. Figura 2.1 Panel principal final.

(27) 15. Las dimensiones del tablero construido son las indicadas en la Tabla 2.1. Tabla 2.1 Dimensiones del tablero principal Base Altura Panel Frontal Principal. Ancho: 487 mm Largo: 500 mm Alto: 680mm Ancho: 487 mm Largo: 450 mm. El plano constructivo con las diferentes vistas del tablero principal y con sus respectivas medidas se encuentra en el Anexo B. 2.1.2 SELECCIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS DEL TABLERO DE CONTROL Para la implementación eléctrica y electrónica del tablero de control se requiere de los siguientes elementos: ·. PLC.. ·. Pantalla HMI.. ·. Fuente.. ·. Breaker.. ·. Interruptores.. ·. Porta fusibles.. ·. Adaptador RJ45.. 2.1.2.1 PLC Para la selección del PLC a utilizarse se toma en cuenta el número de entradas y salidas digitales y la fuente de alimentación de voltaje para el módulo. Los requerimientos mencionados se pueden observar en la Tabla 2.2 a continuación. Tabla 2.2 Requerimientos del PLC Entradas digitales. 3 Sensores magnéticos. Salidas digitales. 4 Válvulas electro-neumáticas 1 Electroválvula ON/OFF. Voltaje disponible. 1 115-120 VAC. Comunicación. 1 Ethernet.

(28) 16. De acuerdo a lo mencionado, se necesita de un PLC con un mínimo de: ·. 8 Entradas digitales.. ·. 5 Salidas Digitales.. ·. 115-120 VAC.. ·. Comunicación Ethernet.. Por lo tanto, se escoge un PLC de la marca Siemens modelo S7-1200 12/12 AC/DC/RLY, como el que se muestra en la Figura 2.2.. Figura 2.2 PLC S7-1200 1212 AC/DC/RLY [17]. El PLC Siemens S7-1200 tiene 8 entradas digitales y 2 entradas análogas y requiere de un voltaje de alimentación de 110-115VAC. Además, el PLC tiene 6 salidas digitales y dos puntos de referencia 1L y 2L para conectar sus salidas a un voltaje continuo o alterno. La familia S7-1200 ofrece una variedad de opciones de comunicación para satisfacer todas las necesidades de red como son: ·. PROFINET.. ·. PROFIBUS.. ·. Punto a Punto (PTP) Comunicación.. ·. Universal Serial Interface (USS).. ·. Modbus RTU (Modbus TCP/IP en proceso).. ·. Comunicación Telecontrol. La información técnica del PLC Siemens S7-1200 AC/DC/Rly se encuentra en el Anexo G..

(29) 17. 2.1.2.2 Pantalla HMI Para la selección de la pantalla HMI se considera su compatibilidad con la programación del PLC. Además, la pantalla debe permitir visualizar, modificar y controlar las diferentes variables de un proceso. Los requerimientos de la pantalla HMI se muestran en la Tabla 2.3. Tabla 2.3 Requerimientos de la pantalla HMI Entrada de comunicación Programación Alimentación Resolución Pantalla. Ethernet. WinCC (TIA Portal) a partir de V13 24VDC 65000 colores 7”. Tomando en cuenta lo mencionado anteriormente es necesario adquirir una pantalla HMI de la familia SIEMENS siendo el modelo KTP-700 Basic la adecuada en base a los requerimientos indicados. Esta pantalla permite realizar su programación de manera sencilla, gracias al Software TIA Portal V13, el cual es posible integrar al PLC S7-1200 de la misma marca. 2.1.2.2.1 Características técnicas de la pantalla KTP 700 Basic La pantalla HMI KTP-700 de Siemens tiene las siguientes características: ·. Mando por teclas/táctil.. ·. Pantalla 7".. ·. 65536 colores, interfaz profinet.. ·. Configurable desde el Wincc Basic V13/ Step7 Basic V13.. ·. Alimentación 24 VDC.. Una de las ventajas adicionales de la pantalla KTP-700, Figura 2.3, es su puerto USB, el cual se puede conectar un mouse inalámbrico y así alargar la vida útil del touch screen de la pantalla.. Figura 2.3 KTP-700 [18] La información técnica de la pantalla HMI KTP-700 se encuentra en el Anexo G..

(30) 18. 2.1.2.3 Fuente externa Para la selección de la fuente externa, se consideró el consumo de corriente de los elementos eléctricos que requiere del módulo didáctico, los cuales se indica en la Tabla 2.4. Tabla 2.4 Alimentación de elementos eléctricos. Cantidad. Elementos eléctricos Pantalla KTP.. Voltaje. Corriente. 24VDC. 0.23A. Corriente total 0.23A. Interruptores de tres posiciones para la activación de las entradas digitales del PLC.. 24VDC. Para señal “0”.. 5VDC. Para señal “1”.. 15VDC. 0.025A. 0.2A. 4. Electroválvulas.. 24VDC. 0.2A. 0.8A. 3. Sensores magnéticos.. 24VDC. 0.04A. 0.16A. 1. 8. Para el cálculo de la corriente total requerida se utiliza la ecuación (2.1) ! " = "# + "$ + "% + "& = 0.23 + '0.2 + 0.8 + 0.16 = 1.39A'('1.4A''. (2.1). Donde: ·. ! " sumatoria de las Corrientes.. ·. "# corriente de la pantalla ktp-700.. ·. "$ corriente total de las 7 entradas digitales del PLC.. ·. "% corriente total de las 4 electroválvulas.. ·. "& corriente total de los 3 sensores magnéticos.. De acuerdo a lo mencionado anteriormente, es necesaria una fuente externa que pueda proveer una corriente de 1.4 y un voltaje de salida de 24VDC y cuya alimentación sea 110VAC. Se selecciona una fuente de alimentación Meanwell y a continuación se indica sus.

(31) 19. características técnicas en la Tabla 2.5. Tabla 2.5 Datos técnicos de la fuente [19]. MODELO Voltaje de cc Corriente nominal Rango de corriente Potencia nominal Rizado y ruido (max.) note.2 Voltaje mínimo y máximo Tolerancia de tensión Regulación de línea Regulación de la carga. SALIDA. Configuración, tiempo de subida Tiempo de retención (típico) Rango de voltaje Rango de frecuencia Eficiencia (típico) AC corriente (típico) ENTRADA. Corriente de entrada (típico) Corriente de fuga. DR-4524 24 V 2A 0 ~ 2A 48 W 480mVp-p 21.6 ~ 26.4 V +/-1.0% +/-1.0% +/-1.0% 800 ms, 20 ms/230VAC a plena carga 60 ms/230VAC a plena carga 85 ~ 264VAC 1270 ~ 370VDC 47 ~ 63Hz 80% 1.5A/115VAC 0.75A/230VAC ARRANQUE EN FRÍO 28A/115VAC 56A/230VAC < 1mA/240VAC. 2.1.2.4 Interruptor magneto-térmico El interruptor magneto-térmico es un aparato capaz de interrumpir o abrir un circuito eléctrico cuando la intensidad de corriente que circula en él es elevada o que haya sido producto de un cortocircuito, con el fin de evitar que la corriente eléctrica genere daños a los equipos eléctricos. Para el cálculo del magnetotérmico principal se suma todas las cargas que se encuentran en el módulo didáctico. Los valores se ilustran en la Tabla 2.6. Tabla 2.6 Corriente total de los elementos de carga. Cantidad 1 1. Elementos eléctricos PLC Fuente Externa. Voltaje. Corriente. 120VAC. 0.8A. Corriente total 0.8A. 115VAC. 1.5A. 1.5A.

(32) 20. El cálculo de la corriente total se realiza con la (2.2) (2.2). ! " = "# + "$ = 0.8 + +'1.5 = 2.3'A' Donde: ·. "# corriente que soporta el PLC.. ·. "$ corriente que soporta la fuente externa.. De acuerdo al cálculo realizado en la ecuación (2.2), se necesita un interruptor magneto-térmico de 4 amperios la cual servirá para la protección de los elementos eléctricos del módulo didáctico. 2.1.2.5 Interruptores Para la operación del tablero de control del módulo didáctico se han considerado los siguientes elementos: ·. Interruptor con porta fusibles + toma corriente.. ·. Interruptor de tres posiciones con retorno al centro.. ·. Interruptor basculante ON/OFF.. La Tabla 2.7, muestra los valores de amperaje que debe de tener cada fusible, de acuerdo con los valores obtenidos en la Tabla 2.6 mostrados anteriormente. Tabla 2.7 Valores de amperios de cada fusible. Cantidad. Elementos eléctricos. Corriente. Fusible. 2A. 2A. 0.2A. 0.2A. 0.2A. 0.2A. Interruptor con porta fusibles + 1. toma corriente Interruptor ON/OFF, para el encendido de la pantalla KTP-. 1. 700 Interruptor ON/OFF, para la. 1. activación del voltaje de salida de 24VDC del PLC.

(33) 21. 2.1.2.6 Adaptador RJ45 El adaptador RJ45, Figura 2.4, permite realizar la conexión entre la pantalla y el PLC, este adaptador se instaló con el propósito de evitar dañar el Jack interno de la pantalla KTP_700 y así evitar cualquier daño durante su manipulación.. Figura 2.4 Adapatador RJ45. 2.2. CONSTRUCCIÓN DEL TABLERO BASE. Se realiza la construcción de un tablero con el fin de montar los diferentes elementos neumáticos. Para la creación de la base se utilizó perfiles de aluminio debido a su durabilidad, bajo peso y resistencia a la corrección. Para que la base de aluminio quede sujeta, es necesario la colocación de dos perfiles de tipo L, para tener una base compacta como se indica en la Figura 2.5.. Figura 2.5 Base de aluminio.

(34) 22. La base tiene las siguientes dimensiones indicadas en la Tabla 2.8. Tabla 2.8 Medidas de la base de aluminio. Base del Módulo.. Perfiles tipo L. Ancho: 430mm. Largo: 800 mm. Largo: 800 mm. Espesor: 0.8 mm. Espesor: 30 mm. 2.2.1. ELEMENTOS NEUMÁTICOS. 2.2.1.1.. Diseño del sistema neumático. Para la emulación de los diferentes procesos industriales se consideran los siguientes elementos neumáticos, indicados en la Tabla 2.9. Tabla 2.9 Elementos neumáticos. Cantidad. Componente. 2. Cilindro doble efecto. 2. Cilindro simple efecto. Simbología. 4. 2. 2. Válvula 5/2 vías 5. 3. 1. 2. 2. Válvula 3/2 vías 1. 1. Unidad de mantenimiento. 1. Motor neumático. 1. Fuente de aire comprimido. 3.

(35) 23. La Figura 2.6 se muestra el esquema de disposición de los elementos neumáticos.. Cilindro doble efecto. Cilindro doble efecto A0. B0. A1. Cilindro simple efecto. B1. C0. Motor neumático. C1. 0. 4. 2. S1. 4. 2. S2 5. Valvula 5/2 Monoestable. 1. 2. 2 S4. S3. 3. 5. Valvula 5/2 Monoestable. 1. 3. 1. 1. 3. Valvula 3/2. 3. Valvula 3/2. Figura 2.6 Esquema del sistema neumático creada en FluidSIM-P. 2.2.1.2.. Características técnicas del compresor. El suministro de aire comprimido para accionamiento de los cilindros neumáticos, se los realiza a través de un compresor, el cual se encuentra en el laboratorio de Mandos Neumáticos. Las características técnicas del compresor se indican en la Tabla 2.10. Tabla 2.10 Características técnicas del compresor. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL COMPRESOR Marca. CAMPBELL. Clase. B. Temperatura ambiente. 40°C. Voltaje. 120/240 VAC. Amperios. 15/7.5 A. Frecuencia. 60 HZ.. S.F.(Factor de servicio). 1.0. Presión máxima. 135 psi / 9,3 Bar.

(36) 24. 2.2.1.3.. Unidad de mantenimiento. A partir de los datos de presión y caudal del compresor se escoge un FRC (unidad de mantenimiento) como se indica en la Figura 2.7.. Figura 2.7 Unidad de Mantenimiento. La siguiente Tabla 2.11, se muestra las características técnicas de la FRC. Tabla 2.11 Características técnicas de la Unidad de Mantenimiento [20]. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS UNIDAD DE MANTENIMIENTO Fabricante de la FRC. 2.2.1.4.. MAFR200, MAL200. Tamaño de agujero. 6A. 8A. Rosca de entrada / salida de aire. PT 1/4. PT 1/8. Rango de operación de presión. (0~0.99MPa). Presión de prueba. (1.5MPa). Rango de regulación de presión. (0.05~0.85MPa). Temperatura de trabajo.. 㸫5~㸩60). Peso. 432g. 380g (MACP200L). Electroválvulas neumáticas. A partir de los datos de presión y caudal de la unidad de mantenimiento se escoge 4 tipos de electroválvulas como mínimo, las cuales servirán para realizar la emulación de los procesos industriales. El tablero Base tendrá como un máximo de capacidad de soporte de 5 cilindros neumáticos y 6 electroválvulas, esto es debido a que el tablero consta de un tamaño de 43x80 *,$ . La información se encuentra detallada en el Anexo G..

(37) 25. 2.2.1.4.1. Electroválvula 5/2 monoestable En base a los datos de presión y caudal de la unidad de mantenimiento se escogen dos electroválvulas neumáticas de 5/2 monoestable de 1/8", Figura 2.8.. Figura 2.8 Electroválvula 5/2 monoestable. La siguiente Tabla 2.12 se muestra las características técnicas de la electroválvulas 5/2. Tabla 2.12 Características técnicas de las electroválvulas 5/2 [21]. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ELECTROVÁLVULA NEUMÁTICA 5/2 MONOESTABLE Fabricante de la electroválvula. Mindman.. Tipo de roscas. G 1/8". Tensión de la bobina. 24VDC.. Potencia de la bobina. 4,9VA.. Tipo de fluido. Aire a presión. Presión de trabajo de la electroválvula. 2 a 7 bar.. Presión mínima de trabajo. 2 bar.. Temperatura de trabajo.. -10ºC a 60ºC.. Ø de paso efectivo. 18 mm².. Caudal. 799 Nl/min.. Accionamiento manual. Si.. Electroválvula. 1/8-5/2. 1 Bobina. 24VDC..

(38) 26. 2.2.1.4.2. Electroválvula 3/2 monoestable En base a los datos de presión y caudal de la unidad de mantenimiento se escogen dos electroválvulas neumáticas de 3/2, Figura 2.9.. Figura 2.9 Electroválvula 3/2. La siguiente Tabla 2.13, se muestra las características técnicas de la electroválvulas 5/2. Tabla 2.13 Características técnicas de las electroválvulas 3/2 [22]. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ELECTROVÁLVULA NEUMÁTICA 3/2 Fabricante de la Mindman electroválvula. 2.2.1.5.. Tipo de roscas. G 1/8". Tensión de la bobina. 24VDC.. Potencia de la bobina. 4,9VA.. Tipo de fluido. Aire a presión. Presión de trabajo. 2 a 8 bar.. Presión mínima de trabajo. 2 bar.. Temperatura de trabajo.. -10ºC a 60ºC.. Ø de paso efectivo. 18 mm².. Caudal. 799 Nl/min.. Accionamiento manual. Si.. Electroválvula. 1/8-3/2 NC.. 1 Bobina. 24VDC.. Cilindros neumáticos. De acuerdo a los datos de presión y de caudal de las electroválvulas, se seleccionó 3 cilindros neumáticos como son: ·. Dos cilindros de doble efecto.. ·. Un cilindro de simple efecto..

(39) 27. 2.2.1.5.1. Cilindro de doble efecto En base a los datos de caudal y de presión de las electroválvulas se escogen dos cilindros de doble efecto, en la Figura 2.10, se muestra un cilindro de doble efecto.. Figura 2.10 Cilindro de doble efecto. En la Tabla 2.14, se muestra las características técnicas de un cilindro de doble efecto. Tabla 2.14 Características técnicas del cilindro de doble efecto [23]. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE UN MICROCILINDRO DE DOBLE EFECTO Fabricante Mindman. Referencia del fabricante. MCMI-11-20-80-M. Diámetro y carrera. Ø20x80 mm.. Rosca para racores. G1/8".. Tipo. Cilindro neumático doble efecto.. Tipo de fluido. Aire con o sin lubricación.. Norma de fabricación. ISO 6432.. Presión máxima de funcionamiento. 7 Bar.. Presión máxima. 10 Bar.. Tipo de juntas. NBR.. Temperatura de funcionamiento. -5ºC a +60ºC.. Tipo de construcción. Vástago y culatas en acero cromado. 2.2.1.5.2. Cilindros de simple efecto En la Figura 2.11, se muestra un cilindro de simple efecto..

(40) 28. Figura 2.11 Microcilindro de simple efecto. La Tabla 2.15, muestra las características técnicas de un cilindro de simple efecto. Tabla 2.15 Características técnicas del cilindro simple efecto [24]. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE UN MICROCILINDRO DE SIMPLE EFECTO Fabricante. Mindman.. Referencia del fabricante. MCMI-15-20-50-M. Diámetro y carrera. Ø20x50 mm.. Rosca para racores. G1/8".. Tipo. Cilindro neumático simple efecto.. Tipo de fluido. Aire con o sin lubricación.. Norma de fabricación. ISO 6432.. Presión máxima de funcionamiento. 7 Bar.. Presión máxima. 10 Bar.. Tipo de juntas. NBR.. Temperatura de funcionamiento. -5ºC a +60ºC.. Tipo de construcción. Vástago y culatas en acero cromado. La información técnica de los cilindros neumáticos se encuentra en el Anexo G. 2.2.1.6.. Motor neumático. Los motores neumáticos son unos elementos capaces de transformar la energía neumática en energía mecánica. Los motores neumáticos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, tales como: movimientos de maquinaria de producción,.

(41) 29. movimientos de grúas, perforadoras de alta velocidad, movimiento de agitadores, impulsión de válvulas o como fuente de energía para una variedad de aplicaciones industriales [12]. Una de las aplicaciones de los motores neumáticos en la industria es en el proceso de taponado de botellas, se escogió un motor de acuerdo a la presión y caudal de las electroválvulas, sin embargo cabe mencionar que para este proyecto de titulación se tiene como objetivo realizar emulaciones de procesos industriales, es por esta razón que se escogió un motor neumático con un regulador de aire para controlar la velocidad del motor, el mismo que servirá para la emulación del proceso del llenado de botellas y otros procesos. En la Figura 2.12, se muestra un motor neumático.. Figura 2.12 Motor neumático. La Tabla 2.16, muestra las características técnicas de un motor neumático. Tabla 2.16 Características técnicas de un motor neumático. MOTOR NEUMÁTICO Cuerpo Gatillo. 2.2.1.7.. Entrada de aire. Aluminio Con memoria de presión de apagado para mayor seguridad. 1/4 “.. Presión de aire Consumo de aire. 90PSI (6.3 Bar) 4cfm.. Velocidad. 25000 RPM.. Diámetro manguera necesaria Compresor Nivel de ruido. 3/8”. ½ hp. 103 dBA.. Vibración. 5.4m/s.. Largo. 17cm. Racores. Para la conexión de los diferentes elementos neumáticos se utilizarán dos tipos de racores con entrada de 1/4", como los indicados en la Figura 2.13 y Figura 2.14..

(42) 30. Figura 2.13 Racor de 1/4" tipo L. Figura 2.14 Racor de 1/4" recto. Debido a las dimensiones del motor neumático se requiere de un reductor como se indica en la Figura 2.15.. Figura 2.15 Racor reductor de 3/8" a 1/4". Para la atenuación del ruido en las electroválvulas se utilizaran silenciadores de escape rápido de 1/8" como se indica en la Figura 2.16.. Figura 2.16 Silenciadores de escape rápido de 1/8" Para reducir o aumentar la velocidad del vástago del cilindro y la del motor neumático se utilizará un reductor de aire como se indica en la Figura 2.17.. Figura 2.17 Regulador de aire. EL plano de conexión eléctrico del Módulo Didáctico se encuentra en el Anexo B.. 2.3. DISEÑO DE LAS SECUENCIAS DE CONTROL DE LOS PROCESOS A EMULARSE. Para realizar el control de los procesos es necesario seguir métodos y los procedimientos lógicos con el fin de realizar un correcto funcionamiento de cada.

(43) 31. proceso a emularse. 2.3.1. LÓGICA DEL PROCESO DE LLENADO DE BOTELLAS La Figura 2.18, se muestra la secuencia de operación para el proceso de llenado de botellas.. Inicio. Selección de número de botellas entre 0-5. Pulsar botón marcha SI Paro. NO Activar llenado de la botella. Detector de nivel. Activa taponado de botellas. A.

(44) 32. A Proceso de etiquetado. Activa recogedor de botellas. Desactiva recogedor de botella. Transporte de botellas. Fin. Figura 2.18 Secuencia del proceso del llenado de botellas. 2.3.2. LÓGICA DEL PROCESO DE MEZCLADO DE PINTURA. Para que el proceso de mezclado de pinturas se ponga en marcha es necesario definir parámetros como son: la selección del color, número de latas a envasarse y porcentaje de llenado de la pintura, la secuencia de operación es la mostrada en la Figura 2.19. Inicio. Botón de ingreso a los ajustes parámetros. Selección de color, cargar color, seleccionar número de latas de pintura, llenar taques de pintura y pulsar botón salir de param etros. Seleccionar válvula de salida para el envasado de la pintura al 100%. B.

(45) 33. B. Marcha. SI. Paro NO. Activar válvula de llenado de pintura. Activar taponado de tapas de pintura. Fin. Figura 2.19 Secuencia del proceso del mezclado de pinturas. 2.3.3. LÓGICA DEL PROCESO DE DOBLADO DE TUBOS La lógica de procesos de doblado de tubos se encuentra en la Figura 2.20. Inicio. Pulsar botón colocar tubo. Paro. SI. NO NO Pulsar botón doblar tubo. Fin. Figura 2.20 Secuencia del proceso del doblado de tubos.

(46) 34. 2.3.4. LÓGICA DEL PROCESO PARA TALADRAR PIEZAS Para el desarrollo del proceso de taladrar piezas, la secuencia es la mostrada en la Figura 2.21. Inicio. Seleccionar tiempo 0-10s. Botón taladrar. SI Paro NO Activar m otor neum atico. Fin. Figura 2.21 Secuencia del proceso para taladrar piezas. 2.3.5. LÓGICA DEL PROCESO DE COMPACTACIÓN DE LATAS Para el desarrollo del proceso de compactar piezas, la secuencia es la mostrada en la Figura 2.22. Inicio. Seleccionar número de latas 0-5. Marcha. SI. Paro NO. Activar aplastadora de latas Fin. Figura 2.22 Secuencia del proceso de compactación de latas.

(47) 35. 2.3.6. LÓGICA DEL PROCESO DE UN ELEVADOR NEUMÁTICO Para el desarrollo del proceso de un elevado neumático la secuencia es la mostrada en la Figura 2.23. incio. Presionar el botón subida. Activación de dos cilindros neumáticos subida. Presionar el botón bajada. Activación de dos cilindros neumáticos bajada. Fin. .. Figura 2.23 Secuencia del proceso de un elevador neumático. 2.3.7. LÓGICA DE DISEÑO DEL HMI El diagrama de flujo general de la configuración HMI y el PLC, como indica en la Figura 2.24. HMI. Configuración de la comunicación HMI+PLC. Correspondencia entre puntos en HMI y dirección en PLC. Secuencias de control. Animación graficas. Implementación e emulación. Figura 2.24 Secuencia del HMI y el PLC.

(48) 36. CAPÍTULO 3 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SOFTWARE DE CONTROL EN EL PLC El siguiente capítulo se dará una breve descripción acerca del software utilizado y de la programación desarrollada para la creación de los algoritmos de control en el PLC. Además, se presenta el desarrollo del montaje de los elementos eléctricos, electrónicos y neumáticos en el módulo didáctico para probar su funcionamiento.. 3.1 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE Para la creación de los procesos a emular se utilizó el software de programación STEP 7 (TIA Portal V13). El software STEP 7 es la herramienta de programación para los sistemas de automatización de la familia SIMATIC. 3.1.1 TIA PORTAL El software Totally Integrated Automation (TIA Portal), en la versión V13, permite configurar, revisar, diagnosticar equipos HMI y familias de PLCs SIMATIC S/-1200, S7-1500, S7-300/400. El software desarrollado por Siemens es una integración del STEP 7 que es empleado para la programación del PLC Siemens y del WinCC empleado para la programación del HMI en computador. El TIA Portal permite programar los dos elementos en un mismo proyecto brindando la facilidad del enlace de variables del proceso y comunicación entre los dos dispositivos (PLC-PC). TIA Portal es el innovador sistema de ingeniería que permite configurar de forma intuitiva y eficiente todos los procesos de planificación y producción. Convence por su funcionalidad probada y por ofrecer un entorno de ingeniería unificado para todas las tareas de control, visualización y accionamiento [25].. 3.2 DESARROLLO DE LA PROGRAMACIÓN DEL MÓDULO.

(49) 37. DIDÁCTICO 3.2.1 ACCESO Y CONFIGURACIÓN DEL PROGRAMA TIA PORTAL V13 Para la creación de un nuevo proyecto y configuración de los dispositivos se accede al programa a través del ícono de TIA portal V13 como se indica en la Figura 3.1.. Figura 3.1 Ícono principal. Una vez abierto el programa es necesario crear un nuevo proyecto como se indica en la Figura 3.2. El botón “Crear proyecto” despliega un cuadro para la creación del proyecto principal en donde se llena la siguiente información: ·. Nombre del Proyecto.. ·. Ruta, es el lugar donde se desea guardar el programa principal.. ·. Nombre del autor, es el nombre del usuario del programador.. ·. Comentario, es opcional.. Y finalmente se da un clic en el botón “Crear”.. Figura 3.2 Pantalla principal. Una vez creado el proyecto es necesario seleccionar los dispositivos a programarse, para la cual se debe seleccionar la pestaña “Dispositivos y redes”.

(50) 38. como se indica en la Figura 3.3.. Figura 3.3 Dispositivos y redes. Luego se despliega la pantalla mostrada en la Figura 3.4 donde se da un clic en “Agregar dispositivo”.. Figura 3.4 Agregar dispositivo. 3.2.2 INSERTAR UNA CPU DEL PLC Al agregar un dispositivo se despliega una ventana mostrada en la Figura 3.5 donde se debe elegir “Controladores”. Luego se selecciona el tipo de CPU del PLC a utilizarse en el proyecto. Al seleccionar la CPU se crean el rack y la CPU.. Figura 3.5 Agregar una CPU. Para este proyecto se utiliza un PLC S7-1200 y una CPU 1212 AC/DC/RLY se los.

(51) 39. selecciona como se indica en la Figura 3.6.. Figura 3.6 CPU 1212 AC/DC/RLY. Una vez seleccionada la CPU es necesario especificar el número de referencia y versión de la CPU a seleccionarse como se indica en la Figura 3.7. A continuación se da un clic en el icono “CPU” el cual se despliega una lista de CPUs, en este caso se escoge la 6ES7 212-1BE40-0XB0 ya que para el PLC físico a usar contiene esta versión la misma que se encuentra en la parte lateral derecha del mismo y para la versión de la 6ES7 212-1B40-0XB0 se designa la 4.0 el cual se encuentra señalado con color rojo e indica la versión del firmware del PLC, luego se da un clic en el botón “Siguiente”.. Figura 3.7 CPU 6ES7 212-1B40-0XB0. Finalmente, una vez realizada la configuración del PLC se despliega una pantalla.

(52) 40. con sus componentes principales de trabajo como se muestra en la Figura 3.8.. Figura 3.8 Vista de proyecto. La vista del proyecto proporciona acceso a diversos componentes como son: ·. Árbol de proyecto: permite acceder a todos los elementos y datos del proyecto y modificar y agregar propiedades en cada componente.. ·. Ventana de proyecto: se puede agregar nuevos dispositivos y demás.. ·. Vista detallada: muestra la lista de textos o variable de elementos seleccionados.. ·. Cambiar a vista del portal: permite visualizar los dispositivos agregados.. ·. Área de trabajo: permite el acceso a las características del hardware seleccionados permitiéndole editar sus propiedades activas.. ·. Ventana de inspección: muestra las propiedades de los componentes seleccionados.. ·. Ventana de tareas: permite al acceso a las librerías.. 3.2.3 MARCAS, ENTRADAS Y SALIDAS DEL PLC ASOCIADAS AL MÓDULO.

(53) 41. DIDÁCTICO ELECTRO-NEUMÁTICO En este acápite se describe marcas, entradas y salidas que se asocian al PLC para permitir emular seis procesos industriales enfocados a la electro-neumática. 3.2.3.1 Entradas y salidas del PLC para el módulo didáctico electro-neumático En la se Tabla 3.1 se muestra las entradas y salidas del PLC para los procesos industriales a emularse. Tabla 3.1 Entradas y Salidas del PLC para los procesos a emularse PROCESO DE LLENADO DE BOTELLAS ASIGNACIÓN. ENTRADA. ASIGNACIÓN. SALIDAS. Sensor magnético. I0.0. Q0.0. Sensor magnético. I0.1. Sensor magnético. I0.2. Botón “Marcha”. M2.1. Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto) Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto) Activación electroválvula 3/2 (Movimiento del cilindro de simple efecto) Activación electroválvula 3/2 (Movimiento del motor neumático). Botón “Paro”. M2.0. Seleccionar “Número de botellas” Visor de gráficos. MW70. Q0.1. Q0.2. Q0.3. MW10. PROCESO DE MEZCLADO DE PINTURA Sensor magnético. I0.0. Botón “Marcha”. M6.1. Botón “Paro”. M6.2. Botón “Parámetros”. MW88. Botón “Visor de gráficos”. MW14. Activación electroválvula 3/2 (Movimiento del cilindro de simple efecto) Activación electroválvula 3/2 (Movimiento del motor neumático). PROCESO DE DOBLADO DE TUBOS. Q0.2. Q0.3.

(54) 42. Sensor magnético. I0.0. Sensor magnético. I0.1. Sensor magnético. I0.2. Botón “Colocar”. M7.1. Botón “Doblar”. M7.2. Botón “Paro”. M7.3. Botón “Reset”. M7.4. Botón “Visor de gráficos”. MW18. Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto) Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto) Activación electroválvula 3/2 (Movimiento del cilindro de simple efecto). Q0.0. Q0.1. Q0.2. PROCESO DE TALADRADO DE PIEZAS Sensor magnético. I0.0. Botón “Taladrar”. M8.1. Botón “Paro”. M8.2. Botón “Tiempo de taladrado” Botón “Visor de gráficos”. MW112. Activación electroválvula 3/2 (Movimiento del cilindro de simple efecto) Activación electroválvula 3/2 (Movimiento del motor neumático). Q0.2. Q0.3. MW45. PROCESO DE COMPACTADO DE LATAS Sensor magnético. I0.0. Botón “Marcha”. M9.1. Botón “Paro”. M9.2. Botón “Encerar”. M10.2. Botón “Visor de gráficos”. MW82. Seleccionar “Número de latas”. MW50. Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto). PROCESO DE ELEVADOR NEUMÁTICO. Q0.0.

(55) 43. Sensor magnético. I0.0. Sensor magnético. I0.1. Botón “Subir” Botón “Bajar”. M8.1 M8.2. Botón “Visor de gráficos”. MW4135. Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto) Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto). Q0.0. Q0.1. SECUENCIA DE LOS CILINDROS Botón “A+”. MW178. Botón “A-”. MW182. Botón “B+”. MW186. Botón “B-”. MW190. Botón “C+”. MW194. Botón “C-”. MW198. Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto) Activación electroválvula 5/2 (Movimiento del cilindro de doble efecto) Activación electroválvula 3/2 (Movimiento del cilindro de simple efecto). Q0.0. Q0.1. Q0.2. 3.3 ENSAMBLADO DEL MÓDULO DIDÁCTICO Para el ensamblado del módulo didáctico se usa un tablero metálico que representa el panel principal de control. Adicionalmente, se usa una base de aluminio para el montaje de todos los elementos neumáticos. 3.3.1 TABLERO PRINCIPAL DE CONTROL El tablero principal de control consta de elementos eléctricos y electrónicos con los cuales se logra el manejo de los procesos industriales a emularse. A continuación en la Figura 3.9 se muestra el panel de control con sus respectivas entradas y salidas del módulo didáctico y los componentes eléctricos y electrónicos..

(56) 44. Figura 3.9 Panel de control del módulo vista frontal. En la Figura 3.10 que se muestra a continuación contiene la vista superior del tablero de control donde se encuentra un Riel Din sobre el cual se fija un breaker monofásico, una fuente de voltaje AC/DC y un PLC S7-1200.. Figura 3.10 Tablero principal vista superior.

(57) 45. 3.3.1.1 Diagrama de conexión eléctrico del PLC En el tablero principal de control se instala un PLC S7-1200 con CPU 1212C AC/DC/Rly. Además, cabe mencionar que en este PLC no se ocuparon las entradas análogas AI (ANALOG INPUTS), ya que no fueron necesarias para el propósito de este proyecto, sin embargo estas entradas análogas se encuentran conectadas en el tablero principal de control en caso que se desee utilizarlas para otro propósito a futuro. A continuación en la Figura 3.11 se muestra las conexiones eléctricas del PLC hacia el tablero principal de control para sus respectivas conexiones con las electroválvulas neumáticas.. Figura 3.11 Conexión eléctrica del PLC.

(58) 46. En la Tabla 3.2 se muestra la representación de la asignación de los elementos eléctricos. Tabla 3.2 Asignación de elementos eléctricos en el PLC. REFERENCIA. ELEMENTO. Y1 (Q0.0). L1. Conexión con la salida Q0.0 para la electroválvula 5/2 Conexión con la salida Q0.1 para la electroválvula 5/2 Conexión con la salida Q0.2 para la electroválvula 3/2 Conexión con la salida Q0.3 para la electroválvula 3/2 Línea 1. N. Neutro. SW. Interruptor de tres posiciones. Y2 (Q0.1) Y3 (Q0.2) Y4 (Q0.3). En la Figura 3.12 se representa la conexión eléctrica de los sensores magnéticos de dos hilos hacia el PLC.. Figura 3.12 Conexión eléctrica de sensores magnéticos.