UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
AUTOMATIZACIÓN DE UNA LAVADORA INDUSTRIAL EN EL
“HOTEL 6 DE DICIEMBRE”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
GUILLERMO ALFREDO MOSQUERA CANCHINGRE
DIRECTOR: ING. VLADIMIR BONILLA VENEGAS
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2011
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto no hubiera podido ser realizado sin la intervención de varias personas a las cuales quiero agradecerles por la ayuda prestada.
Quiero agradecerle a un gran amigo, Ing. Fernando Logacho, quien me asistió, en el desarrollo de este proyecto aportando con su conocimiento y experiencia.
Al Ing. Jorge Ruiz, Administrador del Hotel 6 de Diciembre, quien me permitió realizar mi tesis de grado en el hotel antes mencionado.
DEDICATORIA
Dedico este proyecto a mis padres Guillermo Mosquera y Elizabeth Canchingre, ya que gracias a ellos soy la persona que soy, sin ellos no habría podido llegar donde estoy ahora.
A mis hermanos Alex, Elizabeth y Ana María, a quienes les tengo mucho cariño y aprecio a pesar de todas las diferencias entre nosotros.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
ÍNDICE DE FIGURAS...ii
ÍNDICE DE TABLAS ...v
ÍNDICE DE ECUACIONES ... vi
ÍNDICE DE ANEXOS... vii
RESUMEN... viii
ABSTRACT...ix
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO DE REFERENCIA ... 9
2.1. MARCO TEÓRICO ... 9
2.1.1. PLC (PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLORES)... 9
2.1.2. PLCS CONTRA OTROS TIPOS DE CONTROL... 12
2.1.3. SISTEMAS DE CONTROL... 14
2.1.4. TRANSDUCTORES Y SENSORES... 18
2.1.5. ACTUADORES ... 22
2.1.6. LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN... 27
3. METODOLOGÍA... 30
3.1. METODOLOGÍA MECATRÓNICA... 30
3.1.1. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO... 31
3.1.2. DISEÑO SIMULTANEO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA………... ………44
4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO... 67
4.1. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA... 67
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 73
5.1. CONCLUSIONES ... 73
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Diagnóstico del proceso... 2
Figura 2. Control del pronóstico ... 3
Figura 3. Controlador Lógico Programable ... 9
Figura 4. PLCs de diferentes marcas, de izquierda a derecha:Mitsubishi, Schneider, Siemens... 10
Figura 5. Arquitectura del PLC... 11
Figura 6. Estructura de los sistemas de control ... 15
Figura 7. Ejemplo de sistema de lazo abierto ... 17
Figura 8. Ejemplo sistema de lazo cerrado... 17
Figura 9. Transductor de presión ... 19
Figura 10. Switch on/off ... 20
Figura 11.Switch pulsador ... 21
Figura 12. Luces indicadoras... 21
Figura 13. Sensor de nivel ... 22
Figura 14. Motor jaula de ardilla... 25
Figura 15. Electroválvula ... 26
Figura 16. Ejemplo 1 de programación FBD... 28
Figura 17. Ejemplo 1 de programación Ladder... 28
Figura 18. Ejemplo 2 de programación FBD... 29
Figura 19. Ejemplo 2 de programación Ladder... 29
Figura 20. Elementos claves de la Mecatrónica... 31
Figura 21. Motor AC de la lavadora ... 32
Figura 22. Válvulas de ingreso de agua... 33
Figura 23. Luces indicadoras 22 mm ... 34
Figura 24. Contactor LC1-D09 ... 35
Figura 25. C60N... 36
Figura 26. DG63C20... 37
Figura 27. Sensor de nivel de agua ... 38
Figura 28. Pulsador 16 mm... 38
Figura 30. Zelio SR2-B201FU... 40
Figura 31. Diseño 3D motor AC ... 44
Figura 32. Diseño 3D Zelio SR2B201FU ... 45
Figura 33. Diseño 3D tambor de la lavadora ... 45
Figura 34. Diseño 3D válvula de ingreso de agua ... 46
Figura 35. Diseño 3D sensor de nivel ... 46
Figura 36. Diseño 3D breaker C20 ... 47
Figura 37. Diseño 3D breaker C60N... 47
Figura 38. Diseño 3D contactor LC109D ... 48
Figura 39. Diseño 3D luz indicadora 22mm ... 48
Figura 40. Diseño 3D pulsador 16mm ... 49
Figura 41. Diseño 3D Ensamble de lavadora ... 49
Figura 42. Diagrama de flujo etapa de Enjuague... 50
Figura 43. Diagrama de flujo etapa de Drenaje ... 51
Figura 44. Diagrama de flujo etapa de Lavado ... 52
Figura 45. Diagrama de flujo etapa de Centrifugado ... 53
Figura 46. Diagrama de flujo Programa 1 ... 54
Figura 47. Diagrama de flujo Programa 2 ... 55
Figura 48. Diagrama de flujo Programa 3 ... 56
Figura 49. Diagrama de flujo Programa 4 ... 57
Figura 50. Diagrama de bloques del modelo ... 58
Figura 51. Bloque Powergui... 58
Figura 52. Bloque de fuente de voltaje trifásica programable ... 59
Figura 53. Bloque de máquina asíncrona ... 60
Figura 54. Bloque Máquina de medición demultiplexor ... 61
Figura 55. Bloque Switch manual ... 61
Figura 56. Bloque Constante ... 62
Figura 57. Bloque Derivador ... 63
Figura 58. Bloque Saturación... 63
Figura 59. Bloque Osciloscopio ... 63
Figura 60. Bloque Multiplexor ... 64
Figura 62. Modelo 3D importado a MATLAB ... 65
Figura 63. Velocidad de entrada ... 66
Figura 64. Velocidad de salida... 66
Figura 65. Instalación de protecciones, contactores y PLC ... 67
Figura 66. Perforación para pulsadores... 68
Figura 67. Panel Frontal perforado, pulsadores... 68
Figura 68. Instalación de pulsadores ... 69
Figura 69. Perforación para luces indicadoras 1... 69
Figura 70. Perforación para luces indicadoras 1... 70
Figura 71. Instalación sensor magnético en la puerta... 70
Figura 72. Instalación sensor magnético en la estructura... 71
Figura 73. Programación del PLC... 71
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Comparación Zelio vs LOGO... 6
Tabla 2. Comparación SolidWorks vs Autodesk Inventor... 7
Tabla 3. Comparación Matlab vs Labview... 7
Tabla 4. Viabilidad Económica... 8
Tabla 5. Ventajas de los PLCS... 14
Tabla 6. Ejemplo de control secuencial, control de una lavadora... 18
Tabla 7. Características del motor de la lavadora... 32
Tabla 8. Características de las válvulas de agua... 33
Tabla 9. Características contactor LC1-D09... 35
Tabla 10. Características breaker... 36
Tabla 11. Características breaker DG63C20... 37
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1. Potencia Aparente... 41
Ecuación 2. Factor de Potencia ... 41
Ecuación 3. Potencia Absorbida ... 41
Ecuación 4. Intensidad Absorbida... 41
Ecuación 5. Rendimiento ... 42
Ecuación 6. Potencia Rotacional ... 42
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1: PROGRAMA EN ZELIOSOFT... 78
Anexo 2: CIRCUITO IMPLEMENTADO... 79
Anexo 3: SUBSISTEMA DE LA LAVADORA EN MATLAB... 81
Anexo 4. PLANO DE ENSAMBLE DE LA LAVADORA... 82
Anexo 5. CÁLCULOS 2... 83
Anexo 6. COMPARACIÓN CONTROL DEL LAVADO... 84
Anexo 7. LISTA DE ELEMENTOS... 85
RESUMEN
En diferentes hoteles y hospitales de la ciudad de Quito se utilizan lavadoras industriales para realizar el lavado de prendas que se utilizan en los mismos como sábanas y toallas.
Muchas de estas lavadoras solo tienen descompuesto sus sistemas de control.
Este trabajo estudia la forma de hacer que estos equipos funcionen nuevamente mediante el diseño de un sistema de control con componentes actuales.
En el primer capítulo se presenta la investigación del problema y el planteamiento del equipo que se planea utilizar.
En el segundo capítulo se describen los diferentes conceptos que abarcan los sistemas de control, como sensores actuadores y los dispositivos de control.
En el tercer capítulo se analiza los requerimientos del sistema necesarios para el funcionamiento, se diseña los elementos y el programa que utilizara la lavadora, se realiza la simulación del funcionamiento del sistema.
ABSTRACT
In different hotels and hospitals in the city of Quito use industrial washing machines for washing clothes that are used in them as sheets and towels. Many of these washing machines only have broken their control systems. This paper studies how to make these devices work again by designing a control system with actual components.
In the first chapter introduces the research problem and the approach of the devices plan to use.
The second chapter describes the different concepts that include control systems, such as sensors, actuators and control devices.
In the third chapter analyzes the system requirements necessary for the operation, the elements that use the washing machine are designed and programmed, the simulation of system operation is realized.
1. INTRODUCCIÓN
La automatización ha avanzado en conjunto con los avances tecnológicos, los primeros autómatas eran dispositivos totalmente mecánicos y posteriormente los diseños incluían tecnologías cableadas apoyadas en la neumática, circuitos de relés electromagnéticos o tarjetas electrónicas. Los sistemas actuales de automatización industrial son herederos de los autómatas mecánicos. (Piedrafita, R, 2004)
Existen equipos que originalmente funcionaban con dispositivos de control electromecánicos, pero estos sistemas antiguos tienden a presentar desperfectos, como es el caso del desgaste de los microcontactos, los cuales son indispensables para su correcto funcionamiento.
El costo de una lavadora industrial es elevado, esto es un gran impedimento al momento de adquirir una. Sin embargo, es posible el remplazo del sistema de control original por un dispositivo de control actual, lo que permitiría que la lavadora pueda volver a funcionar.
Dispositivos de control actuales como los PLCs permiten programar sistemas de control adaptables a los requerimientos de las industrias.
Las lavadoras que se utilizan en el “Hotel 6 de Diciembre” fueron diseñadas para funcionar con controladores electromecánicos, impulsadas por motores, ejes de transmisión, comunicados por medio de poleas y bandas. El control de los ciclos de lavado se lo realizaba electromecánicamente por medio de microcontactos, que se abrían o se cerraban con el paso de levas acopladas a un tambor rotativo.
Remplazar el controlador original por uno similar solo solucionaría el problema de forma provisional debido a que sufren daños constantes, lo cual provocaría un nuevo remplazo.
Actualmente, estos controladores electromecánicos pueden ser remplazados por controladores electrónicos, los cuales son más resistentes y flexibles en el momento de programarlos.
Como parte de la sistematización del siguiente proyecto se presenta el siguiente diagnostico.
La menor cantidad de ropa que se lava en el hotel está entre 40 a 50 sábanas y toallas diarias, cuando la afluencia de huéspedes se encuentra en temporada baja, y sobre las 100 sábanas y toallas, cuando se encuentran en temporada alta.
El hotel cuenta con dos lavadoras marca SpeedQueen de 39 kg (75 lb) y Haceb de 13.8 kg (30 lb); las mismas que, no abastecen los requerimientos debido a que la cantidad de ropa sucia es superior a la capacidad instalada, quedando el trabajo acumulado para el siguiente día.
El siguiente pronóstico se presenta de acuerdo con datos tomados del personal de lavandería del hotel.
Si no se realiza ningún cambio, se tendrá que seguir utilizando las lavadoras antes indicadas.
Dependiendo de si se encuentra en temporada baja o temporada alta, muchas veces no se podrá terminar de lavar todas las prendas y el trabajo continuará acumulándose, y al día siguiente se tendría que lavar más ropa que el día anterior.
Una forma de optimizar el proceso de lavado en el hotel a partir de diagnóstico anterior seria rehabilitar la lavadora industrial de marca Wascator de 22.7 kg (50 lb).
Por ello se propone cambiar los elementos que están defectuosos, y remplazar el controlador electromecánico por un PLC programado para varios ciclos de lavados.
El problema que se percibió es si ¿Es posible que la automatización de la lavadora industrial permita disminuir el tiempo y el uso de recursos en el lavado de ropa de cama del Hotel 6 de Diciembre?
El objetivo general presentado en este proyecto es automatizar la lavadora industrial del hotel “6 de Diciembre” de la ciudad de Quito.
Los objetivos específicos que se buscan alcanzar con este proyecto son: Diseñar el sistema de control de lavado automático.
Determinar e implementar los diferentes ciclos de lavado en el sistema de control.
Implementar el HMI1lavadora.
Para justificar este proyecto se ha tomado en cuenta la lavadora del hotel que se encuentra paralizada, debido a que la tarjeta de control de la misma está averiada. Este tipo de tarjetas de control no se encuentran en el país, por lo cual, para adquirirla es necesario importarla. Esto generaría un gran gasto para el hotel, se estima que el costo del controlador y su importación sería de $2000.00. Sin embargo, esta tarjeta puede ser remplazada por componentes económicos y que se encuentran en el país, en este caso se utilizará un PLC para cambiar el sistema de control de la lavadora además de otros componentes que serán necesarios para poder realizar la automatización.
El proceso de lavado automatizado representa una ventaja, dado que mejoraría la calidad del proceso; respecto a costos, se ahorraría en electricidad y agua, debido a que ya no sería necesario que el operario controle el tiempo de acuerdo a su criterio, o que, por hacer una tarea diferente, deje que la lavadora siga en funcionamiento por tiempo indefinido, de igual modo se evitaría que llene el tambor de la lavadora con agua manualmente. En el anexo 6 se puede ver un grafico comparativo el cual demuestra que no hay mucha diferencia entre realizar un sistema de lavado automático y un sistema de lavado integrando técnicas de control difuso.
El alcance del proyecto se detalla a continuación:
La tarjeta original de control será remplazada por un PLC Zelio de la marca Schneider. El PLC será programado para que realice los diferentes procesos de forma automática.
Las variables manipuladas que deben ser tomadas en cuenta para el funcionamiento del proyecto son:
Un sensor de nivel; este se encargará de indicar el nivel de agua dentro del tanque.
Un switch magnético, como indicador del estado de la puerta; es decir para conocer si la puerta se encuentra abierta o cerrada.
Cinco pulsadores; los cuales accionaran cuatro diferentes programas y el quinto pulsador será el encargado del paro de emergencia.
Las variables controladas dentro de este proyecto se detallan a continuación: Giro a baja velocidad en sentido horario.
Giro a bajo velocidad en sentido antihorario. Giro a alta velocidad en sentido antihorario.
2 válvulas una para controlar el ingreso y otra para controlar la extracción de agua
Tres luces indicadoras, una verde para indicar que la lavadora está realizando algún proceso, una luz roja para indicar el paro de emergencia y que la puerta está abierta, y una luz amarilla para indicar que el proceso de lavado ha terminado.
Para llevar a cabo la factibilidad técnica de este proyecto se han buscado herramientas que se consiguen en el mercado local y metodologías adquiridas durante los estudios.
Tabla 1. Comparación Zelio vs LOGO
Características LOGO! 230 Siemens Zelio SR2 B201FU Schneider
Velocidad de respuesta a las
salidas 100ms 10ms
Memoria de programación 200 bloques 200 bloques en FBD 120 líneas en Ladder
Comunicación No No
Entradas/Salidas digitales 8E/4S 12E/8S Temperatura de
funcionamiento 0…50°C -22…50°C
Temperatura de
almacenamiento -40…70°C -40…70°C
Protección IP20 IP20
Tiempo de respaldo a 25° 80 horas 10 años
Display Incorporado Si Si
Capacidad para emitir mensajes en su propio display
No Si
Se opto por el PLC Zelio SR2 B201FU de Schneider, debido a que supera en varios aspectos al LOGO! 230 de Siemens, que son:
Cantidad necesaria de entradas y salidas.
La velocidad de respuesta en las salidas es superior. El tiempo de respaldo de los datos es mayor.
Capacidad de mostrar mensajes en su propio display.
El software que se utilizara para la programación del PLC es el Zelio Soft 2.0 propio de la marca Schneider ya que es el único software que el PLC admite. Para realizar el diseño 3D del sistema se realizó una comparación entre los software CAD2Solidworks y Autodesk Inventor.
Tabla 2. Comparación SolidWorks vs Autodesk Inventor
Características SolidWorks Autodesk Inventor
Requerimientos del sistema 5.0 4.5
Soporte técnico 5.0 5.0
Interfaz de usuario 5.0 5.0
Facilidad de uso 5.0 5.0
Moldeamiento de piezas 3D 5.0 5.0
Trabajo con ensambles 5.0 4.0
Integración con aplicaciones externas 4.0 3.0
Simulación 5.0 5.0
Total 39.0 36.5
Para el diseño y la simulación del proyecto se utilizará la herramienta CAD SolidWorks, que por muy poco supera a Autodesk Inventor. Sumado a esto se tiene mayor experiencia con el diseño en SolidWorks.
SolidWorks es un software que permite el moldeamiento mecánico de piezas en 3D, trabajar de forma sencilla y organizada con varias piezas para realizar ensamblajes de las mismas.
Permite realizar simulaciones del modelo.
Puede ser integrado con aplicaciones externas como Matlab y Labview. Para este proyecto se usará Matlab debido a que es una herramienta más robusta para realizar modelos matemáticos. La experiencia que se posee sobre la misma es mayor comparado con Labview.
Tabla 3. Comparación Matlab vs Labview
Características Matlab Labview
Requerimientos del sistema 5.0 4.5
Soporte técnico 5.0 5.0
Interfaz de usuario 4.0 5.0
Facilidad de uso 4.0 3.0
Herramientas 5.0 4.0
Integración con aplicaciones externas 4.0 3.0
Total 27.0 24.5
En la siguiente tabla se presenta el estudio de viabilidad económica para la realización del proyecto.
Tabla 4. Viabilidad Económica
Descripción Cant. Valor Unitario Total
Elementos $ 409,20
Adaptador Serial – Usb 1 $ 15,00 $ 15,00 Pulsadores 16mm 5 $ 1,24 $ 6,20 C20 1 $ 12,00 $ 12,00 C60N 1 $ 23,00 $ 23,00 Cable PC-PLC
SR2CBL01 1 $ 80,00 $ 80,00 LC1-D09 3 $ 35,00 $ 105,00 Luces piloto 22mm 3 $ 2,00 $ 6,00 Sensor de nivel 1 $ 10,00 $ 10,00 Sensor magnético 1 $ 2,00 $ 2,00 Zelio SR2B201FU 1 $ 150,00 $ 150,00
Software de control $ 100,00 Programa de PLC $ 100,00 $ 100,00
Herramientas $ 76,00 Juego Pinzas 1 $ 20,00 $ 20,00
Juego Destornilladores 1 $ 26,00 $ 26,00 Taladro 1 $ 30,00 $ 30,00
Mano de obra $ 400,00
TOTAL $ 985,20
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1.
MARCO TEÓRICO
2.1.1. PLC (PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLORES)
Controladores Lógicos Programables o PLC por sus siglas en ingles, son miembros de la familia de las computadoras, los cuales usan circuitos integrados en lugar de dispositivos electromecánicos para implementar funciones de control.
Son una forma especial de controladores basados en microprocesadores que utilizan memoria programable para almacenar e implementar instrucciones, tales como secuenciación, temporización, conteo, aritmética, manipulación de datos, y comunicación, para controlar máquinas industriales y procesos. (Bolton W, 2006)
Definido de una forma más simple los PLCs pueden ser considerados como computadoras industriales con arquitectura especialmente diseñada tanto en su unidad central (el PLC en sí) y su circuitería de interfaz con los dispositivos de campo (conexiones de entrada y salida con el mundo real).
Figura 4. PLCs de diferentes marcas, de izquierda a derecha: Mitsubishi, Schneider, Siemens
De acuerdo con Bolton W (2000) el hardware del PLC está compuesto por los siguientes elementos:
1. La unidad de proceso, unidad central de proceso o CPU (Central Processing Unit) es la unidad que contiene al microprocesador que se encarga de interpretar las señales de entrada y enviar las señales de salida a los dispositivos para realizar las acciones de control, de acuerdo al programa que este almacenado en su memoria.
2. La fuente de poder es necesaria para convertir el voltaje AC en voltaje DC, la conversión de voltaje depende del nivel de voltaje que el PLC necesite para su funcionamiento.
Por ejemplo el PLC que se va a utilizar en este trabajo no necesita una fuente de poder para convertir el voltaje, este PLC es capaz de funcionar con 120 VAC.
4. La unidad de memoria, es donde se almacena el programa que es utilizado por el microprocesador para tomar las acciones de control.
5. Los puertos de entrada y de salida, es donde el procesador recibe la información de los dispositivos externos de entrada y comunica la información a los dispositivos externos de salida. Las entradas pueden ser switches, pulsadores, sensores como foto-celdas, sensores de presión, de temperatura, de nivel, o de flujo, etc. Las salidas son los actuadores como motores, válvulas, etc.
Los dispositivos de entrada y de salida pueden ser clasificados por utilizar señales discretas, digitales o análogas. Dispositivos que utilizan señales discretas o digitales son los que manejan señales on/off, por ejemplo un pulsador es un dispositivo que envía una señal discreta, es decir hay voltaje (on) o no hay voltaje (off). Dispositivos que utilizan señales análogas son los que sus señales son proporcionales al tamaño de la variable que está siendo monitoreada, por ejemplo un sensor de temperatura entrega un voltaje proporcional a la temperatura que se está midiendo.
6. La interface de comunicación, es utilizada para recibir y transmitir información en una red de comunicación desde o hacia otros PLCs. Esto se refiere a acciones como verificación de dispositivos, adquisición de datos, sincronización entre las aplicaciones del usuario y gerencia de conexión.
2.1.2. PLCS CONTRA OTROS TIPOS DE CONTROL
2.1.2.1. Plcs Contra Control Por Relés
Conforme a varios estudios realizados (Bryan L.A, & Bryan E.A 1997; Petruzella, F, 2005) por años los ingenieros, gerentes de planta, etc, se han preguntado si utilizar control por medio de relés, o utilizar un PLC.
Cuando se tenga que decidir entre estos dos tipos de control se tiene que considerar las siguientes preguntas:
¿Se necesita flexibilidad para realizar cambios en la lógica de control? ¿Se necesita mucha exactitud?
¿Hay espacio suficiente para la instalación? ¿Es necesaria la adquisición de datos?
¿Habrá cambios frecuentes en la lógica de control? ¿Habrá la necesidad de una modificación rápida?
¿Sera necesario utilizar el mismo control lógico en máquinas diferentes? ¿Cuáles serán los costos totales en caso de un futuro crecimiento?
Los méritos de sistemas con PLCs los hace especialmente adecuados para aplicaciones en las cuales los requerimientos antes citados son particularmente importantes para la viabilidad económica del proceso.
La implementación de sistemas que usan electromecánica estándar y temporizadores harían que el panel de control este lleno de una gran cantidad de cables que no permitan una apropiada presentación, e inclusive el mantenimiento se haría más complicado.
Dado que los PLCs tienen un corto ciclo de escaneo, permite que la productividad de las máquinas que previamente estaban bajo control electromecánico se incremente considerablemente.
Aunque el sistema de control de relés, cueste menos inicialmente, esta ventaja se pierde si el tiempo de inactividad de la producción debido a fallas es alto.
2.1.2.2. PLCs contra Computadoras
La arquitectura del CPU de un PLC es básicamente la misma de una computadora de propósito general, sin embargo, algunas características importantes los hace diferentes.
A diferencia de las computadoras los PLCs están específicamente diseñados para resistir las condiciones del ambiente industrial. Un PLC bien diseñado puede ser ubicado en un área con cantidades sustanciales de ruido eléctrico, interferencia electromagnética, vibración mecánica, y ambientes húmedos. Los PLCs están diseñados para que los técnicos puedan utilizarlos fácilmente. La interfaz de hardware es parte del mismo PLC lo que hace que sea más fácil de conectar.
Las computadoras en si no son un rival directo de los PLCs, más bien son un aliado en la implementación de sistemas automáticos.
De todas formas las computadoras son utilizadas como dispositivo de programación de los PLCs. Las computadoras también son usadas para recoger la información del PLC y mostrar información acerca del proceso o la máquina.
Tabla 5. Ventajas de los PLCS
Característica Beneficio
Componentes de estado solido Alta seguridad
Memoria programable Simplifica cambios Control Flexible
Tamaño pequeño Requerimiento mínimo de espacio Basado en microprocesadores Capacidad de comunicación
Alto desempeño
Alta calidad de productos Capacidad multifuncional Temporizadores/contadores por software Elimina hardware
Niveles cambiados fácilmente
Control de relés por software Reduce costos de cableado y hardware Reduce requerimiento de espacio Arquitectura modular Flexibilidad de instalación
Facilidad de instalación Reduce costo de hardware Capacidad de expansión
Variedad de interfaces de entrada y salida Controla variedad de dispositivos Elimina controles personalizados Estaciones remotas de entrada y salida Elimina cableados extensos
Indicadores de diagnostico Reduce el tiempo de resolución de problemas
Funcionamiento apropiado de la señal Interface de entrada y salida modular Apariencia clara del panel de control
Facilidad de cableado Fácil de mantener
Desconexión rápida de entradas y salidas Servicio sin desarmar el cableado Variables del sistema almacenado en la
memoria de datos Útil Mantenimiento y AdministraciónPuede ser extraído en forma de reporte. (Bryan, 1997)
2.1.3. SISTEMAS DE CONTROL
“El sistema más simple es en el que puede considerarse como una estructura cerrada, en la que se tiene una sola entrada y una salida, y lo que interesa es la relación que existe entre estas dos variables” (ABC de la mecatrónica, p. 2).
Según la teoría de control, un sistema o proceso está conformado por elementos relacionados entre sí, los cuales ofrecen señales de salida en función de datos de entrada.
El conocimiento preciso de la relación entre la entrada y la salida permite realizar un control adecuado sobre nuestro proceso.
La Mecatrónica, en el área de control se apoya en desarrollos tecnológicos refiriéndose a transductores, sensores, actuadores, sistemas de medición, microprocesadores, microcontroladores, PLCs, y hasta computadores.
Figura 6. Estructura de los sistemas de control
2.1.3.1. Características de un sistema de control
De acuerdo con los estudios de Ogata, K, (2002) se indican las características de los sistemas de control:
Variable controlada. Es la cantidad o condición obtenida, que se desea controlar. Puede ser tomada como la salida del proceso.
Perturbaciones. Son señales que afectan el valor de la salida del sistema de control. Estas pueden ser internas o externas.
Retroalimentación. Esta característica le permite a un sistema de control el comparar el valor que se desea obtener con el valor que se tiene en realidad, para poder corregir el error que se produzca en el mismo.
2.1.3.2. Tipos de Sistemas de Control
2.1.3.2.1. Sistemas de lazo abierto
Son sistemas sencillos en los que la señal de entrada no se compara con la señal de salida, por lo que poseen menos capacidad de control que los sistemas de lazo cerrado.
Nise, N (2004) afirma que, al no poseer realimentación no es posible corregir errores que se presenten por perturbaciones en el sistema, lo que lo hace un sistema inestable.
El funcionamiento de este tipo de sistemas depende solamente de su calibración.
“Un sistema de control en lazo abierto utiliza un dispositivo de actuación para controlar el proceso directamente sin emplear realimentación” (Dorf & Bishop, 2005, p. 2).
Figura 7. Ejemplo de sistema de lazo abierto
2.1.3.2.2. Sistemas de lazo cerrado
Son sistemas con mayor grado de complejidad. Poseen realimentación entre la entrada y la salida, por lo que estos sistemas son capaces de corregir errores por perturbaciones que se presenten en el sistema, lo que lo hace un sistema más robusto y estable. También son llamados sistemas de realimentación.
“Un sistema de control en lazo cerrado usa una medida de la salida y la realimentación de esta señal para compararla con la salida deseada” (Dorf & Bishop, 2005, p. 3).
Su capacidad de control es mayor que los sistemas de lazo abierto, por lo que estos sistemas son más utilizados en las industrias.
Figura 8. Ejemplo sistema de lazo cerrado
El mismo ejemplo del aire acondicionado puede ser tomado en cuenta, con la diferencia que esta vez el sistema posee un sensor de temperatura colocado para medir la temperatura de la habitación y así poder corregir en caso de que la temperatura no sea 25 °C como en el ejemplo anterior.
Mandal, A (2006) clasifica a los sistemas como corregibles y no auto-corregibles, a los sistemas de lazo cerrado y a los sistemas de lazo abierto respectivamente.
Equipo de aire acondicionado Temperatura deseada Temperatura de la habitación Controlador Sensor
2.1.3.2.3. Control secuencial
Hay sistemas de control en los que la variable que se necesita controlar es el tiempo. En un proceso que contiene varias etapas, estas se ejecutan en un orden específico con la duración de tiempo que se le asigne a cada uno (ABC de la mecatrónica).
Un buen ejemplo seria el del control de una lavadora de ropa.
Tabla 6. Ejemplo de control secuencial, control de una lavadora Minutos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Lavar Enjuagar/Secar
Llenar X X X X X X
Agitar X X X X X X X
Centrifugar X X X X
Vaciar X X X X X X X
(ABC de la Mecatrónica)
2.1.4. TRANSDUCTORES Y SENSORES
Para poder captar variables del entorno físico y que el PLC pueda interpretarla y tomar las acciones de control almacenadas en la unidad de memoria es necesario utilizar dispositivos conocidos como sensores y transductores.
Sinclair (2001) define a los transductores son dispositivos capaces de tomar una variable y convertirla en otro tipo de variable.
Los transductores pueden clasificarse en dos tipos según la señal convertida: transductores análogos y transductores digitales.
Los transductores analógicos son aquellos que guardan una relación de proporcionalidad entre la señal medida y la señal enviada, por ejemplo los transductores de fuerza, mientras mayor fuerza se aplica, mayor es el voltaje que se obtiene a la salida.
Los transductores digitales son aquellos que manejan niveles lógicos de voltaje, estos pueden ser altos o bajos, por ejemplo los detectores de metales, cuando se detecta un metal, envía un nivel lógico alto, y cuando no se detecta ningún metal este envía un nivel lógico bajo.
Los sensores se pueden clasificar también como sensores activos y pasivos. Los sensores activos son aquellos que pueden generar una señal sin necesidad de una fuente externa de alimentación. Por ejemplo las celdas fotovoltaicas, termocúplas, dispositivos piezoeléctricos, etc.
Los sensores pasivos son aquellos que necesitan de una fuente externa de alimentación para poder general una señal. Por ejemplo sensores infrarrojos.
Figura 9. Transductor de presión (ABC de la mecatrónica)
2.1.4.1. Switches
sensores debido a que al ser activados estos envían una señal al dispositivo de control.
Permiten el paso o la interrupción de la corriente al ser activados, sea esta corriente DC o AC. Pueden ser normalmente abiertos o normalmente cerrados. La interpretación de su señal también puede ser interpretada como estados lógicos, cero lógico o uno lógico.
También hay swithces en forma de pulsador, de los cuales pueden ser autoenclavados y otros sin efecto autoenclavador.
Normalmente se utilizan para que el operador ingrese la operación deseada. Están compuestos por dos láminas laterales separadas, y una lamina central que permite el contacto entre estas dos para que la corriente circule.
Figura 11.Switch pulsador (Sinclair, 2001)
2.1.4.2. Luces indicadoras
Todos los paneles de control usan luces indicadoras. La función de estas luces es indicar el estado del funcionamiento de la máquina. (Hackworth, J & Hackword R (2003)
2.1.4.3. Sensor de nivel
Estos sensores permiten conocer la distancia ocupada por una sustancia ya sea esta liquida o solida.
Existen varios tipos de sensores como: desplazamiento (flotador), presión, radioactivo, capacitivo, ultrasonidos, conductividad, radar.
Cada uno tiene diferentes formas de funcionar pero todos cumplen con la misma función.
Los sensores de presión también pueden ser utilizados para medir el volumen de un líquido.
Figura 13. Sensor de nivel
2.1.5. ACTUADORES
Los actuadores son dispositivos que reciben la señal de salida enviada por la unidad de control, generalmente reciben energía eléctrica y la convierten en energía mecánica. Los actuadores también son una forma de transductores. (Pons, J, 2005)
Existen 4 tipos de actuadores: Electrónicos
Eléctricos Hidráulicos Neumáticos
Los actuadores son utilizados en sistemas mecatrónicos.
Para este proyecto se utilizan actuadores eléctricos ya que solo necesitan de energía eléctrica como fuente de poder.
2.1.5.1. Motores Eléctricos
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas que esencialmente convierten la energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico a través de medios electromagnéticos (Videla).
Los motores pueden dividirse en dos grandes grupos, en motores de corriente continua y en motores de corriente alterna.
Básicamente los motores de corriente alterna se componen de dos partes, del estator y del rotor.
“El estator está constituido por chapas magnéticas, con ranuras abiertas en las que se alojan los conductores que forman las bobinas” (Viloria, J, 2006, p. 269).
El estator es la parte externa donde se encuentran las bobinas por las cuales circula la corriente alterna para generar el campo magnético rotatorio.
El rotor es la parte interna que está unido a un eje de salida, es la parte del motor que gira.
Los motores de corriente alterna se pueden clasificar por: a) Por su velocidad de giro
1. Asíncronos 2. Síncronos b) Por el tipo de rotor
1. Motores de anillos rozantes 2. Motores con colector
3. Motores de jaula de ardilla
c) Por su número de fases de alimentación: 1. Monofásicos
2. Bifásicos 3. Trifásico
2.1.5.1.1. Motor Jaula de ardilla
Acorde con las publicaciones (Hughes, 2006; Rodriguez, 2008) se puede afirmar de los motores jaula de ardilla lo siguiente:
Este tipo de motor se lo puede encontrar en casi todos los equipos domésticos y en las industrias debido a su eficiencia, tienen buen rendimiento, no poseen escobillas, lo que hace que su manteamiento sea económico.
El rotor está formado por barras de aluminio o cobre distribuidas longitudinalmente, conectados en sus extremos en corto circuito por medio de unos anillos.
El estator posee devanados que hacen que el campo magnético rote alrededor de rotor. Esto induce una corriente en las barras longitudinales. La reacción que se produce entre el campo magnético y la corriente que circula en las barras produce una fuerza electromotriz lo que hace que el rotor gire. Este tipo de motores tienen un núcleo de hierro que sirve para llevar el campo magnético a través del motor.
El rotor gira un poco más lento que el campo magnético, esto recibe el nombre de deslizamiento, el cual aumento cuando se aumenta la carga.
2.1.5.2. Electroválvulas
Para realizar control en sistemas neumáticos e hidráulicos se utilizan válvulas para poder controlar el sentido del flujo de un fluido. Hay válvulas que controlan si el fluido pasa o no, se las denomina válvulas on/off. (Bolton, W, 2006).
Las electroválvulas son válvulas que para ser activadas necesitan de corriente eléctrica. Hay varios tipos de válvulas, las hay normalmente cerradas que al recibir el pulso eléctrico se abren, o normalmente abiertas que al recibir el pulso eléctrico se cierran.
Las electroválvulas se componen de dos elementos: el solenoide, y la válvula.
Dependiendo del tipo de electroválvulas algunas necesitan ser alimentadas constantemente para pasar de un estado a otro, otras solo con un impulso eléctrico pasan de un estado a otro, y con el siguiente pulso regresan a su estado anterior, otras cuentan con un solenoide para abrir la válvula y otro para cerrarla.
2.1.6. LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN
En la actualidad existen tres lenguajes de programación que se han difundido mayormente a nivel mundial, estos son:
Lenguaje de contactos o Ladder. Diagrama de funciones.(FBD3)
Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones).
De estos tres, el lenguaje de programación más popular es Ladder o lenguaje de contactos, o de escalera.
Este lenguaje de programación se lo llama lenguaje de escalera porque se asemeja a una con dos renglones rieles verticales y varias líneas horizontales que representan los escalones. Los rieles verticales son de alimentación, el riel izquierdo representa un conductor de tensión y el derecho representa la tierra, en las líneas horizontales se encuentran los circuitos de control que definen la lógica a través de funciones. (Musalem, R) Su popularidad se le acredita a que está basado en diagramas eléctricos de control clásicos. Cualquier persona con estos conocimientos le será muy fácil adaptarse a este lenguaje de programación.
Para ejecutar un programa el PLC lo realiza en orden, de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha, primero los contactos y luego las bobinas.
La programación FBD utiliza bloques de funciones lógicas. Es muy cómodo para técnicos que están acostumbrados a trabajar con circuitos de compuertas lógicas.
A continuación se puede apreciar dos ejemplos de programación Ladder y su equivalente en FBD.
Figura 16. Ejemplo 1 de programación FBD
Figura 18. Ejemplo 2 de programación FBD
3. METODOLOGÍA
3.1. METODOLOGÍA MECATRÓNICA
“La mecatrónica está compuesta de “meca” de mecanismo y por “trónica” de electrónica” (Yasakawa, citado en Bishop 2008, p).
“El termino mecatrónica se usa para describir la integración de sistemas de control basados en microprocesadores, sistemas eléctricos y sistemas mecánicos. Un sistema mecatrónico no es simplemente la unión de sistemas eléctricos y mecánicos, y es más que un simple sistema de control: es la integración completa de todo lo anterior” (W. Bolton, citado en Bishop 2008). “Mecatrónica se refiere al diseño integrado de los sistemas buscando un menor costo, una mayor eficiencia y mayor confiabilidad y flexibilidad desde el punto de vista mecánico, eléctrico, electrónico, de programación y de control” (ABC de la mecatrónica, p. 2).
He citado tres conceptos de diferentes autores sobre la definición de mecatrónica, con los cuales se puede afirmar que la mecatrónica es la integración de diferentes disciplinas que envuelven a los sistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos, de control, y para su metodología de diseño se requiere hacer un análisis integrado de todas las disciplinas para que este pueda ser flexible, rentable y confiable.
Figura 20. Elementos claves de la Mecatrónica (Bishop, 2008)
3.1.1. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
Para cumplir con lo planteado en este proyecto se requiere lo siguiente: Descripción de componentes eléctricos motor, válvulas, luces
indicadoras, protecciones.
Descripción de componentes de control sensores, pulsadores, PLC, lógica de control.
Diseño mecánico, ubicación de los componentes de la lavadora.
3.1.1.1. Actuadores
3.1.1.1.1. Motor
El motor de la lavadora en cuestión, se encuentra en buen estado por lo que se lo puede utilizar. Este es un motor trifásico de inducción. Las características del funcionamiento del motor son las siguientes:
rueda de 49.3 cm de diámetro, esta rueda se conecta a un eje de 5 cm de diámetro, están conectados por medio de una ranura para poder transmitir el movimiento de giro. El eje está soldado al tambor de la lavadora. Este eje interactúa con unos rodamientos dentro de la manzana, los cuales le permiten girar.
El motor posee dos bobinados independientes lo que le permite girar a dos velocidades distintas. A baja velocidad se controla el motor para que gire tanto en sentido horario como antihorario. En la velocidad alta el motor solo gira en sentido antihorario, esta velocidad se usa para el centrifugado.
Tabla 7. Características del motor de la lavadora
Características Motor AC de la lavadora
Tipo Jaula de ardilla, motor de inducción
Bobinados 2
Voltaje de funcionamiento 208…240 VAC Velocidad del motor 360/3450 RPM
Potencia 330/1470 W
Frecuencia de funcionamiento 60 Hz
3.1.1.1.2. Válvulas
La lavadora necesita de 2 electroválvulas, una válvula para el abastecimiento y otra válvula para el drenado del agua que se utiliza en el proceso.
Una vez que se acciona uno de los programas, la válvula de ingreso de agua permite su paso, se mantiene activa hasta que el switch de nivel se active, en ese momento esta válvula detiene su funcionamiento.
La válvula de desalojo de agua se activa en cada ciclo de drenaje. Tabla 8. Características de las válvulas de agua Características Válvulas de abastecimiento Válvula de drenaje
Tipo On/off On/off
Voltaje de funcionamiento 220VAC 220VAC Frecuencia de operación 60 Hz 60 Hz
Estado NC4 NA5
Diámetro 3/4” 2”
Figura 22. Válvulas de ingreso de agua
3.1.1.1.3. Luces indicadoras
Las luces indicadoras que se usaran son luces de 22 mm de diámetro y con voltaje de funcionamiento de 220 VAC.
Las luces indicadoras están directamente conectadas al PLC, se ubicaron 3 luces indicadoras, cumplen con el siguiente funcionamiento:
La luz verde realiza parpadeos con intervalos de un segundo cuando está realizando un proceso.
La luz amarilla se parpadea durante 10 segundos una vez que el proceso ha terminado.
La luz roja se enciende cuando se ha presionado el pulsador de paro de emergencia o cuando la puerta se encuentra abierta.
Figura 23.Luces indicadoras 22 mm
3.1.1.2. Protecciones
3.1.1.2.1. Contactor LC1-D09
Los contactores reciben la señal del PLC y permiten que el motor reciba alimentación.
Se necesitan 3 contactores de las mismas características para realizar el control del motor, para poder cambiar entre las 2 velocidades que posee el motor, y para poder cambiar el sentido de giro en la velocidad baja.
El contactor #1 activa el giro antihorario, el contactor #2 activa el giro horario y finalmente el contactor #3 se lo utiliza para realizar el giro horario a máxima velocidad.
Características
Tabla 9.Características contactor LC1-D09
Temperatura alrededor del dispositivo Almacenamiento -60…+80 °C Operación -5…+55°C
Número de polos 3
Corriente máxima de operación 9 A Voltaje máximo de operación 690 V Limites de frecuencia 25…400 Hz Protección por fusible de cortocircuito 20 A
Tiempo de operación Cerrando 12…22 ms
Abriendo 4…19 ms
3.1.1.2.2. Breaker de circuito de control
Este breaker se encarga de proteger al dispositivo de control. Normalmente un PLC no consume mucha corriente, pero es necesario que se coloque una protección ya que el PLC está conectado a la misma red que el motor. Una vez que la corriente llega a 2 A este dispositivo se encarga de interrumpir el paso de la corriente, abriendo su contacto para que el PLC no sufra daños. Puede ser reactivado manualmente.
Características
Tabla 10. Características breaker
Numero de polos 1
Voltaje 230…240 VAC
Corriente máxima 2 A
Figura 25. C60N
3.1.1.2.3. Breaker de alimentación
elementos eléctricos conectados al breaker sufran daños. Puede ser reactivado manualmente.
Características
Tabla 11. Características breaker DG63C20
Numero de polos 3
Voltaje 415 VAC
Corriente soportada 20 A
Temperatura calibrada 30°C Frecuencia de operación 50/60 Hz
Figura 26.DG63C20
3.1.1.3. Sensores
3.1.1.3.1. Sensor de nivel de agua
El sensor encargado de medir el nivel de agua dentro del tanque de la lavadora es un switch de presión. Este switch puede ser calibrado para medir desde 6.3 hasta 8 pulgadas (9,1 – 20,3 mm) de agua, lo que produce una presión de 0,22 a 0,28 psi (1,56 – 1,99 Kpa).
contacto se acciona una vez que se ha alcanzado el nivel calibrado. El switch dispone de contactos NA y NC, una vez que se activa el switch el contacto NA se cierra y el contacto NA se abre. Para este proyecto se toma la el contacto NA.
Figura 27. Sensor de nivel de agua
3.1.1.3.2. Pulsadores
Se utilizara pulsadores de 16 mm de diámetro y funcionamiento de 220 VAC. Los pulsadores se encuentran directamente conectados al PLC para activar los diferentes programas. Se ubicaron 4 pulsadores de color verde para los diferentes programas y uno de color rojo para el paro de emergencia.
3.1.1.3.3. Sensor magnético
Se colocó un sensor magnético en la puerta para conocer su estado, es decir si se encuentra abierta o cerrada. El sensor está compuesto por dos elementos magnéticos, un switch normalmente abierto y un imán independiente.
El switch se lo colocó en el cuerpo de la lavadora y se lo conectó en serie con la fuente y el PLC. El imán se lo situó en la puerta, de tal forma que al cerrarse la puerta, el switch y el imán queden en paralelo y no muy separados para que el imán active el switch y cierre el circuito.
Al momento de iniciar un programa de la lavadora, este no iniciará hasta que la puerta se encuentre cerrada.
Mientras la puerta se mantenga abierta se mantendrá encendida la luz indicadora de color rojo. En el Anexo 7 se encuentra una lista resumen de las características de los elementos utilizados en el proyecto.
3.1.1.4. PLC (Controlador Lógico Programable)
El controlador que se utilizara en este proyecto es el PLC Zelio Logic modelo SR2-B201FUde la empresa Schneider Electric.
Características
Tabla 12. Características PLC Zelio SR2B201FU Velocidad de respuesta a las salidas 10ms
Memoria de programación 200 bloques en FBD 120 líneas en Ladder
Comunicación No
Entradas/Salidas digitales 12E/8S Temperatura de funcionamiento -22…50°C
Temperatura de almacenamiento -40…70°C
Protección IP20
Tiempo de respaldo a 25° 10 años
Display incorporado Si
Capacidad para emitir mensajes en su propio display Si
Voltaje de alimentación 100…240VAC
Limites de volteje de alimentación 85…264 VAC
Frecuencia de alimentación 50/60 Hz
Corriente de alimentación 100 mA a 100 VAC 50 mA a 240 VAC
Consumo en VA 11 VA
Voltaje de isolación 1780 V
(Documento Zelio SR2-B201FU)
2.1.1.1. Cálculos
Para realizar la simulación del funcionamiento del motor de la lavadora en
MATLAB es necesario obtener algunos datos del mismo, para esto se
realizaron los siguientes cálculos.
Cálculos
Potencia Aparente
= √3. . Ecuación [1]
= √3 ∗ 220 ∗ 3.3 = 1.25 ∗ 10
Factor de Potencia
= Ecuación[2]
cos =1.25 ∗ 10330 = 0.264
Potencia Absorbida
= √3. . . Ecuación[3]
= √3 ∗ 220 ∗ 3.3 ∗ 0.264 = 331.97
Intensidad Absorbida (Rendimiento)
=
√3. .η. cosφ
Ecuación[4]
Debido a que la incógnita es el rendimiento (η), se despeja para obtener su
valor.
= 330
√3 ∗ 220 ∗ 3.3 ∗ 0.264 = 0.99
Rendimiento (Potencia Útil)
= Ecuación[5]
Se despeja la incógnita que en este caso es la potencia útil.
= ∗
= 0.99 ∗ 331.97 = 328.65
Potencia Rotacional (Torque)
= . Ecuación[6]
Para obtener el torque del motor es necesario despejar de la formula de
Potencia Rotacional.
=
= 37.69330 / = 8.75
Donde:
Pz = potencia aparente
cos = factor de potencia
Pa = potencia absorbida
= rendimiento
Pu = potencia útil
P = potencia rotacional
T = torque
= velocidad angular
U = voltaje de alimentación
Para revisar los cálculos de la velocidad angular 2 ( 2) véase Anexo 5.
.
2.1.1.2. Calculo de protecciones
= × Ecuación[7]
Donde:
IF = corriente de protección
K = constante de protección 2.0
IN= corriente nominal
= 2.0 × 3.3 = 6.6
Dado que la corriente de protección es de 6.6 A se seleccionó el contactor
LC1-D09 el cual opera con una corriente máxima de 9A, bajo estas
condiciones los contactores funcionaran bien y permitirán el correcto
funcionamiento del motor.
Para la selección del breaker de protección del circuito completo es
necesario sumar la corriente de protección por cada fase que posee el
circuito, en este caso se suma la corriente tres veces.
= (6.6 + 6.6 + 6.6) = 19.8
Por lo que se selecciono el breaker con valor inmediato superior, en este
El PLC solo necesita de una corriente de 50 mA para funcionar, pero puede soportar hasta 2 A, por lo que se selecciono el breaker C60N.
3.1.2. DISEÑO SIMULTANEO DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA
Este es el resultado obtenido en base a los requerimientos del sistema. El diseño 3D de los componentes se lo realiza en Solidworks. Estos elementos son necesarios para poder realizar la simulación en Matlab.
Primero se realizaron los diseños de cada elemento por separado.
3.1.2.1. Motor AC
3.1.2.2. Zelio SR2B201FU
Figura 32. Diseño 3D Zelio SR2B201FU 3.1.2.3. Tambor
3.1.2.4. Válvula de ingreso de agua
Figura 34. Diseño 3D válvula de ingreso de agua
3.1.2.5. Sensor de nivel
3.1.2.6. C20
Figura 36. Diseño 3D breaker C20
3.1.2.7. C60N
3.1.2.8. LC109D
Figura 38. Diseño 3D contactor LC109D
3.1.2.9. Luz indicadora 22 mm
3.1.2.10. Pulsadores 16 mm
Figura 40. Diseño 3D pulsador 16mm
3.1.2.11. Lavadora
Este es el resultado final del diseño 3D en el cual se encuentran integrados todos los componentes correspondientes a la lavadora. En el anexo 4 se encuentran las medidas completas del modelo 3D.
3.1.2.12. Diagrama de flujo del programa
A continuación se presenta el diagrama de flujo del diseño de los programas que serán accionados por los diferentes pulsadores ubicados en el panel de control.
Los tiempos de cada ciclo de lavado son tiempos estándar obtenidos del programa de otra lavadora de la misma marca.
3.1.2.12.1. Etapa de Enjuague
Figura 42.Diagrama de flujo etapa de Enjuague
arrancar el motor pero en sentido horario, lo hace durante 25 segundos, se detiene y se repite el bucle hasta cumplir con el tiempo de 2:54 minutos que dura la etapa completa, a su vez se abre la válvula de ingreso de agua al tanque hasta que el sensor de agua detecte que está al nivel calibrado y se cierra la válvula de ingreso de agua.
3.1.2.12.2. Etapa de Drenaje
Figura 43. Diagrama de flujo etapa de Drenaje
3.1.2.12.3. Etapa de Lavado
Figura 44. Diagrama de flujo etapa de Lavado
3.1.2.12.4. Etapa de Centrifugado
Figura 45. Diagrama de flujo etapa de Centrifugado
Durante esta etapa el motor gira en sentido anti horario pero a la velocidad alta durante 5:00 minutos.
3.1.2.12.5. Programa 1
3.1.2.12.6. Programa 2
3.1.2.12.7. Programa 3
0
Lavado Pulsador 3 1
Lavadora en reposo
5:10 min
Drenado 1
2
Enjuague 3
Drenado 4
2:54 min 1:00 min
1:00 min
5
Repetición = 2
Centrifugado 5:00 min
3.1.2.12.8. Programa 4
0
Pulsador 4 1
Lavadora en reposo
Enjuague 2 Drenado 3 2:54 min 1:00 min 4
Repetición = 2
Centrifugado 5:00 min
Figura 49. Diagrama de flujo Programa 4
3.1.3. Simulación y Prototipo
Para el desarrollo de este sistema se realizo el diseño 3D del mismo en la herramienta CAD SolidWorks, luego este modelo fue importado a través del complemento Simmecanichs link, el cual genera un archivo de extensión “.xml” para que el modelo pueda ser interpretado por Matlab.
Figura 50. Diagrama de bloques del modelo
Powergui
El bloque de Powergui es necesario para la simulación de cualquier modelo de Simulink que contenga bloques SimPowerSystems. Se utiliza para almacenar el equivalente del circuito de Simulink que representa las ecuaciones espaciales de estado del modelo.
Este bloque es necesario para que los bloques Three-Phase Programmable Voltage Source, Asynchronous Machine, Machine Measurement Demux puedan funcionar.
Fuente de Voltaje Trifásica Programable (Three-Phase Programmable Voltage Source)
Este bloque genera una onda de voltaje sinusoidal trifásica con parámetros variantes en el tiempo. Se puede programar la variación del tiempo para la amplitud, fase, o la frecuencia del componente fundamental de la fuente. Además, dos armónicos pueden ser programados y superpuestos en la señal principal.
Se encarga de suministrar el voltaje de alimentación al motor de la lavadora.
Figura 52. Bloque de fuente de voltaje trifásica programable
Máquina Asíncrona (Asynchronous Machine)
Este bloque opera como un generador o como un motor. El modo de operación está determinado por el signo de torque mecánico:
Si Tm es positivo, la máquina actúa como un motor. Si Tm es negativo, la máquina actúa como un generador.
Sistema eléctrico
Donde:
= + + = + ′
= + − = + ′
′ = ′ ′ + ′ + ( − ) ′ ′ = ′ ′ +
′ = ′ ′ + ′ − ( − ) ′ = +
= 1.5 ( ) ′ = ′ +
Sistema Mecánico
=21 ( − − )
=
En los pines A, B, C se conecta la alimentación del motor, en el pin Tm se indica el torque, y el pin m proporciona la salida es decir produce el movimiento del motor.
Máquina de Medición Demultiplexor (Machine Measurement Demux)
Divide la medida de una señal del modelo de una máquina en varias señales.
Para este sistema este bloque se lo utiliza para medir la velocidad y el ángulo de rotación del rotor.
Figura 54. Bloque Máquina de medición demultiplexor
Switch Manual (Manual Switch)
Este bloque es un conmutador que selecciona una de las dos entradas para darle paso a través de la salida. Este switch puede ser manipulado antes de comenzar la simulación o durante la misma.
Se lo utiliza para asignar manualmente un torque cero para el arranque del motor y luego se asigna la constante dos.
Constante (Constant)
Este bloque genera un valor constante real o complejo. El bloque puede generar un escalar, vector, o una salida matricial dependiendo de la dimensión del parámetro de la constante y el ajuste del vector que interpreta los parámetros como un parámetro de una dimensión.
Para el caso de la simulación se utiliza una constante escalar real, se tienen las constantes cero y dos.
Figura 56. Bloque Constante
Tierra (Ground)
El bloque de tierra se lo utiliza para realizar la conexión a tierra de la fuente trifásica.
Derivador (Derivative)
El bloque de derivado aproxima las derivadas de su entrada calculando
donde du es el cambio del valor de la entrada y dt es el cambio de tiempo desde el intervalo de tiempo de simulación previo. El bloque acepta uno entrada y genera una salida. La salida inicial del bloque es cero.
La precisión del resultado depende del tamaño del intervalo de tiempo tomado en la simulación. Intervalos más pequeños permiten una curva de salida más suave y más precisa de este bloque.
Figura 57. Bloque Derivador
Saturación (Saturation)
El bloque de saturación impone límites superior e inferior a una señal. Cuando la señal de entrada se encuentra dentro del rango especificado por el límite inferior y límite superior, la señal de entrada no sufre ningún cambio. Cuando la señal esta fuera de estos límites, el bloque ajusta la señal al límite superior o inferior. Cuando los límites superior e inferior tienen el mismo valor el bloque tiene como resultado ese valor.
Figura 58. Bloque Saturación
Osciloscopio (Scope and Floating Scope)
Este bloque muestra su entrada con su respectivo tiempo de simulación. Este bloque está mostrando la velocidad de entrada y la velocidad de salida.
Multiplexor (Mux)
Combina sus varias entradas en un solo vector como salida. Una entrada puede ser un escalar o una señal vectorial. Todas sus entradas deben ser del mismo tipo del mismo tipo de datos y del mismo tipo numérico. Los elementos del vector de salida toman su orden desde arriba hacia abajo o de izquierda a derecha de los puertos de las señales de entrada.
En este sistema toma las señales de velocidad, ángulo de rotación del rotor y la aceleración y se las transmite al subsistema que contiene el modelo de la lavadora.
Figura 60. Bloque Multiplexor
Subsistema (Subsystem, Atomic Subsystem, Nonvirtual Subsystem, CodeReuse Subsystem)
El bloque de subsistema contiene a un sistema. Puede representar subsistemas virtuales o sistemas no virtuales. En este caso este bloque es el que contiene el diagrama de bloques de la lavadora. Ver Anexo 3.
Figura 61. Bloque Subsistema
Figura 62. Modelo 3D importado a MATLAB
Figura 63. Velocidad de entrada
4. DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO
4.1. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA
Se instalo el sistema eléctrico para poder controlar y proteger el motor y el sistema de control. Los elementos que se instalaron fueron las protecciones del motor y los contactores para el control del mismo, la protección para el PLC, el PLC, y se realizo el cableado de estos elementos.
Figura 65. Instalación de protecciones, contactores y PLC
Adecuación de luces y pulsadores
Por medio de un taladro se perforo el material de la lavadora, se realizaron sin agujeros para colocar los 5 pulsadores de 16 mm de diámetro.
Figura 66. Perforación para pulsadores
Figura 67. Panel Frontal perforado, pulsadores
Se instalaron los pulsadores.
Figura 68. Instalación de pulsadores
Para los agujeros de las luces indicadoras se uso primero un taladro y luego un saca bocados para poder obtener el diámetro de las luces el cual es de 22 mm.
Figura 70. Perforación para luces indicadoras 1
El sensor magnético posee unos adhesivos para su colocación. El imán se instaló en la puerta.
Figura 71. Instalación sensor magnético en la puerta
Figura 72. Instalación sensor magnético en la estructura
Se desarrollo el programa que controla la lavadora en Zeliosoft que es el software propio de la compañía Schneider para este PLC. Se transfirió el programa a la lavadora a través del cable de comunicación serial adaptado con un conversor serial a usb y se realizaron pruebas con el producto físico.
Al final se etiqueto los pulsadores para la facilidad de manipulación de la lavadora por medio de los operadores. Se enumero los pulsadores del uno al cuatro y al pulsador de paro de emergencia se lo represento con la letra E. En el Anexo 8 se describe como se debe manipular el equipo.
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
Se automatizó el sistema de control de la lavadora industrial remplazando el sistema de control electromecánico por un sistema de control electrónico para rehabilitar las funciones de la lavadora.
Se diseñó e implementó un sistema de control capaz de realizar el proceso de lavado de forma automática.
Se diseñó e implementó diferentes ciclos de lavado en la lavadora industrial a través de la programación de un PLC Zelio Logic.
Se implementó una HMI constituida por cinco pulsadores para manipulación del dispositivo, y tres luces indicadoras del estado del mismo.
El modo de supervisión que posee el software ZelioSoft facilitó la tarea de programación, ya que este nos permite visualizar en la computadora si la lavadora está funcionando de acuerdo a lo programado.
5.2. RECOMENDACIONES
Implementar una pantalla en la que el usuario pueda ver qué proceso se está realizando.
Remplazar detergente líquido por detergente en polvo para poder habilitar el dispensador automático de detergente.
Implementar conexión a tierra para evitar daños en los equipos en caso de que se produzca una falla eléctrica.
Desarrollar un sistema de supervisión remoto que le permita conocer el estado de la lavadora.
BIBLIOGRAFÍA
1. ABC de la Mecatrónica, Steren.
2. Beucher, O, (2008). Introduction to MATLAB & Simulink: A Project Approach (3a, Ed.). Alemania: Pearson Education.
3. Bishop R. H. (2008). The Mechatronics Handbook: Mechatronic Systems, Sensors, and Actuators (2a. Ed.). Estados Unidos: CRC Press.
4. Boltón, W. (2006). Mecatrónica SISTEMAS DE CONTROL ELECTRÓNICO EN INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA (3ª. Ed.). México: Alfaomega.
5. Bolton, W. (2006). Programmable Logic Controllers (4ª. Ed.). Reino Unido: Newnes.
6. Bryan L. A. & Bryan E. A. (1997). Programmable Controllers: Theory and Implementation (2a. Ed.). Estados Unidos: Industrial Text Company.
7. Calculo de fusibles y protecciones, http://www.ramonmar.mex.tl
/850627_CALCULO-DE-FUSIBLES-Y-PROTECION.html, Recuperado el 10 del 08 del 2011.
8. Chapman S, Máquinas Eléctricas (3ª. Ed.), McGraw Hill.
9. Conceptos de Electrotecnia para aplicaciones industriales http://www .sapiensman.com/electrotecnia/problemas36.htm Recuperado el 8 del 10 del 2011.
10. Control de velocidad de motores de inducción http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/salvatori_a_m/capitu lo3.pdf, Recuperado el 15 del 08 del 2011
11.CREUS, A, (1997), INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL (6ª. Ed.), España: Marcombo.