INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD CULHUACAN
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL Y SUS TECNOLOGIAS
“ANALIZADOR DE RODILLOS”
T E S I N A
QUE P A R A O B T E N E R E L T I T U L O D E:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y E L E C T R Ó N I C A
P R E S E N T A :
RICARDO AVENDAÑO TREJO
ASESORES:
Ing. Ezequiel A. Santillán Lechuga Ing. Enrique Martínez Ramírez
MEXICO D.F.; MARZO 2008
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD CULHUACAN
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL Y SUS TECNOLOGIAS
“ANALIZADOR DE RODILLOS”
T E S I N A
QUE P A R A O B T E N E R E L T I T U L O D E:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y E L E C T R Ó N I C A
P R E S E N T A :
RICARDO AVENDAÑO TREJO
ASESORES:
Ing. Ezequiel A. Santillán Lechuga Ing. Enrique Martínez Ramírez
MEXICO D.F.; MARZO 2008
QUE GENERA EL TITULO: INGENIERO EN
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
POR LA OPCION DE TITULACIÓN: SEMINARIO
DENOMINADO: AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL Y SUS TECNOLOGÍAS
VIGENCIA: FNS4762004/05/2007
DEBERA DE REALIZAR: RICARDO AVENDAÑO TREJO
“ANALIZADOR DE RODILLOS”
INTRODUCCION
CAPITULO I GENERALIDADES
CAPITULO II DESCRIPCION DEL PROYECTO
CAPITULO III DESARROLLO DEL PROYECTO
CAPITULO IV ANALISIS DE COSTOS
CAPITULO V ANEXO
CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA
ASESORES
_______________________ ________________________
Ing. Ezequiel A. Santillán Lechuga Ing. Enrique Martínez Ramírez
__________________________
M. en C. Héctor Becerril Mendoza
Jefe de la Carrera de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
INDICE
Introducción………..……… 2
1. Generalidades………... 3
1.1. Rodillo descripción………. 3 1.1.1. Un poco de historia
1.1.2. Utilidad
1.2. Características geométricas………. 5 1.3. Automatización industrial……….. 6
1.3.1. Clases de automatización industrial 1.3.2. Tipos de automatización industrial
1.4. Autómatas programables……….. 9 1.4.1. Definición de Autómatas programables
1.4.2. Campos de aplicación
1.4.3. Ventajas e inconvenientes de los PLC´s 1.4.4. Estructura externa
1.4.5. Estructura interna 1.4.6. Memoria
1.4.7. CPU
1.4.8. Unidades de E / S 1.4.9. Interfaces
1.4.10. Equipos o unidades de programación 1.4.11. Dispositivos periféricos
1.5. Automatización de procesos……….…… 14 1.6. Elementos de una instalación automatizada………. 15
1.7. Transductores………. 16
1.7.1. LVDT´s
1.7.2. Señales de corriente
1.8. La evolución de la técnica del aire comprimido……… 21 1.8.1. Ventajas de la neumática
1.8.2. Desventajas de la neumática 1.8.3. Propiedades del aire comprimido
1.8.4. Rentabilidad de los equipos neumáticos
1.9. Producción del aire comprimido………... 24 1.9.1. Generadores
1.9.2. Tipos de compresores
1.10. Unidad de Mantenimiento……… 25
1.11. Válvulas………. 27
1.11.1. Válvulas distribuidoras 1.11.2. Representación esquemática de las Válvulas 2. Descripción del proyecto……….. 31
2.1. Ventajas y Desventajas 3. Desarrollo del proyecto………. 36
3.1. Croquis de la situación……….. 37
3.2. Planteamiento de la secuencia de operación……… 37
3.3. Diagrama de tiempos y movimientos……….……….. 39
3.4. Programa de escalera……… 40
3.5. Programa en PLC……… 44
3.6. Diagrama de potencia neumático……….. 48
3.7. Diagrama de Control……… 49
3.8. Mantenimiento………. 50
3.9. Capacitación……… 50
3.10. Impacto Ambiental……… 50
4. Análisis de Costos……….. 50
4.1. Amortización 5. Conclusiones……… 52
6. Anexo General………. 53
7. Bibliografía……… 63
TAL VEZ UNA PALABRA SEA INSUFICIENTE PARA EXPRESAR TOTALMENTE EL SENTIMIENTO DE GRATITUD HACIA TODA LA GENTE QUE HA CONTRIBUIDO
A LA REALIZACION DE ESTE SUEÑO…
AMIS PADRES JOSE AVENDAÑO A. Y VICTORIA TREJO A.;
AMIS PADRES JOSE AVENDAÑO A. Y VICTORIA TREJO A.;
AMIS PADRES JOSE AVENDAÑO A. Y VICTORIA TREJO A.;
AMIS PADRES JOSE AVENDAÑO A. Y VICTORIA TREJO A.;
POR SU APOYO INCONDICIONAL, POR LOS VALORES QUE ME INCULCARON PARA LLEGAR A SER LO QUE HOY EN DIA.
A LOS SR. PORFIRIO LOMA T. Y SRA. AUDELIA AMEL C.
A LOS SR. PORFIRIO LOMA T. Y SRA. AUDELIA AMEL C.
A LOS SR. PORFIRIO LOMA T. Y SRA. AUDELIA AMEL C.
A LOS SR. PORFIRIO LOMA T. Y SRA. AUDELIA AMEL C.;
POR SU CONFIANZA Y RESPALDO QUE ME BRINDAN, PUES HAN SIDO UN GRAN APOYO SINCERO
A A A
A MI ESPOSA LETY MI ESPOSA LETY MI ESPOSA LETY, MI ESPOSA LETY
PUES SU SOLA COMPANIA Y CARIÑO ME HAN SERVIDO DE ALICIENTE PARA SEGUIR SUPERANDOME Y FIJARME NUEVAS METAS EN LA VIDA, A MIS PROFESORES
A MIS PROFESORES A MIS PROFESORES
A MIS PROFESORES DURANTE TODA LA CARRERA Y EN ESTE ULTIMO PROYECTO,
POR SUS ENSEÑANZAS PROFESIONALES PUES ME HAN DADO LOS CONOCIMIENTOS NECESARIOS PARA FORJAR MI FUTURO;
A MIS AMIGOS A MIS AMIGOS A MIS AMIGOS A MIS AMIGOS,,,,
PUES SU COMPAÑIA Y SU CAMARADERIA HA SIDO EL COMPLEMENTO PARA QUE CONTINUE CON MIS PROYECTOS…
A TODOS LOS QUE TALVEZ OLVIDE MENCIONAR PERO QUE DE ALGUNA U OTRA FORMA FUERON PARTE IMPORTANTE PARA CULMINAR MI CARRERA,
DE VERDAD Y DE LA MANERA MAS SINCERA…
GRA GRA GRA
GRACIAS! CIAS! CIAS! CIAS!
JUSTIFICACION
Los grandes avances tecnológicos de estos tiempos tienen gran influencia en el crecimiento de la producción y en la mejora de las empresas ya que hoy en día cada empresa opta por mejorar tanto su infraestructura como maquinaria para impulsar su nivel en cuanto a calidad y cantidad de producción se refiere.
La automatización es una herramienta que las empresas han sabido utilizar para conseguir el alza no solo en calidad y cantidad de producción sino también en el capital, influyendo en factores como:
1. Incremento en la productividad.
2. Reducción del coste de mano de obra.
3. Mitigar la escasez de mano de obra en sector.
4. Reducir o eliminar trabajos rutinarios (en planta u oficinas).
5. Mejorar la seguridad del trabajador. Pasa a supervisar en lugar de
“manipular”. Nuevas regulaciones.
6. Mejora de calidad en el producto
Uniformidad, Ajuste a especificaciones, Menos piezas defectuosas, aumentar la presicion y exactitud en las mediciones de parámetros; y adquisición de datos para la calidad, etc.
Debido a esto y atendiendo la necesidad de una maquina que realice el análisis de rodillos previamente rectificados propongo la automatización de dicho proceso, apoyándome en los principios y bases de la neumática, palpadores electrónicos o LVDT´s, controles eléctricos y plc´s para tal propósito.
INTRODUCCION
En el presente documento se realiza el estudio y análisis para automatizar un proceso de producción, denominado “analizador de rodillos”, aplicando para ello las tecnologías de automatización industrial y apoyándose básicamente en las técnicas del aire comprimido, la utilización de Sensores, transductores, control y programación de plcs, para este fin.
De manera amplia se define el producto y procesos que recorre para llegar finalmente hasta la aplicación, se tocan puntos como la definición y conceptos generales, una descripción del proceso en cuestión, el desarrollo del proyecto de automatización de dicho proceso, un análisis de costos de los elementos y en si de todo el proyecto, las ventajas y desventajas de adoptar este sistema, sus bondades y finalmente una conclusión de esta experiencia.
CAPITULO 1: GENERALIDADES 1.1 RODILLO DESCRIPCION
El rodillo es simplemente un cilindro (o un tubo) mucho más largo de grueso.
En la actualidad también se le da el nombre de rodillo a ruedas cuya longitud es muy grande respecto a su diámetro y que manteniéndose fijas en el espacio (gracias a que también disponen de un eje de giro) permiten el desplazamiento de objetos sobre ellas.
Figura.1.1 Descripción del rodillo
1.1.1 UN POCO DE HISTORIA
Se supone que rodillos fabricados en madera (troncos macizos de árbol) ya fueron empleados hace más de 5000 años por los egipcios para el desplazamiento de cargas pesadas. A partir de ese momento el rodillo no evolucionó como tal, excepto su transformación en rueda permitiendo el desplazamiento con la carga.
Desde el punto de vista técnico se supone que la rueda evolucionó a partir de un rodillo al que se le había colocado un eje a través de un agujero central.
1.1.2 UTILIDAD
Permite suprimir (más bien minimizar) la fricción que existe entre un objeto y la superficie sobre la que se mueve, al convertir el desplazamiento por deslizamiento en desplazamiento por rodadura.
La principal diferencia entre el rodillo y la rueda es que esta se desplaza con el objeto que se mueve (va unida a él gracias al eje y el soporte), mientras que el rodillo no (permanece fijo en el espacio o se traslada a diferente velocidad que el objeto)
Aunque hay muchos tipos de rodillos y con muchas aplicaciones (máquinas de escribir, apisonadoras, proyectores de cine...), se puede decir que las principales utilidades del rodillo se centran en:
Cojinetes. Sustituyendo a las bolas en caso de que la fuerza ejercida entre las pistas exterior e interior fuese muy elevada. Estos mecanismos son de gran utilidad para reducir la fricción que aparece entre la rueda y el eje (o entre el eje y
la armadura en el caso de que aquel gire solidario con la rueda), pues convierte un giro con deslizamiento en uno con rodadura. Prácticamente todos los mecanismos dotados de movimiento giratorio incluyen un cojinete.
Figura. 1.2 cojinetes
Movimiento de cargas. Aunque tiene la ventaja de facilitar el movimiento de grandes cargas al introducir un elemento que produce rodadura entre la carga y el suelo; tiene el inconveniente de que, a medida que la carga se desplaza, los rodillos se van quedando atrás, por lo que se hace necesario introducirlos de nuevo por el frente.
Figura. 1.3 Movimiento de cargas con rodillos
Pasillo rodante. Es una superficie formada por rodillos sobre los que se desliza la carga sin apenas fricción. Es empleado en grandes almacenes, centros de distribución de cargas, cajas de los centros comerciales, cintas transportadoras...
Figura 1.4 Pasillo rodante con rodillos
Conformado de materiales (laminación). Empleado tanto en repostería (rodillo de amasar) como en las grandes acerías (tren de laminación), permite reducir el espesor de un material dándole la forma adecuada con una combinación de presión y giro.
Figura 1.5 Rodillos para conformado
1.2 CARACTERISTICAS GEOMETRICAS
Dado que la fabricación de una máquina requiere tantos planos como elementos existan, la clara descripción de la geometría de la pieza se torna de gran importancia. Para ello existen normas (ISO-1101 y ANSY/ASME y 14.5M) dedicadas a explicar los símbolos mediante los cuáles se establecen las tolerancias de fabricación de las partes de cualquier máquina que deba ser manufacturada. Estos símbolos son el lenguaje común de los planos de fabricación.
Símbolos de características geométricas.
1. Rectitud: Es la condición en la que los puntos forman una línea recta, la zona de tolerancia está formada por dos líneas paralelas separadas el valor de la tolerancia de rectitud.
2. Planitud: Es la condición en la que todos los puntos de una superficie deben estar contenidos entre dos planos paralelos separados el valor de la tolerancia de planitud.
3. Redondez: Es la condición en la que todos los puntos de una superficie forman un círculo y la zona de tolerancia está formada por dos círculos con centro común y separados la zona de tolerancia de redondez.
4. Cilindricidad: Es la condición geométrica en la que todos los puntos de una superficie cilíndrica deben estar contenidos en una zona de tolerancia de dos cilindros con eje común y separados el valor de la tolerancia.
5. Perfil: Es la zona de tolerancia que controla superficies irregulares y se puede aplicar a contornos individuales ó superficies completas. La zona de tolerancia está definida por un par de perfiles regulares separados entre sí la zona de tolerancia del perfil.
6. Angularidad: Es la tolerancia que orienta a ejes ó planos a un ángulo específico diferente de 90°. La zona de tole rancia está definida por dos planos separados la zona de tolerancia especificada ó un cilindro con diámetro de tamaño de la zona de tolerancia especificada orientados a un ángulo básico respecto del plano ó eje de referencia.
7. Perpendicularidad: Es la condición mediante la cuál se controla planos ó ejes a 90°.
8. Paralelismo: Es la condición geométrica con la cuál se controlan ejes ó planos a 180°.
9. Concentricidad: Es la condición que indica que dos centros ó ejes de círculos ó cilindros respectivamente deben coincidir en una zona de tolerancia circular ó cilíndrica del tamaño de la zona de tolerancia indicada.
10. Posición: Una Tolerancia de posición define una zona dentro de la cual el centro, eje ó plano central de un elemento de tamaño se le permite variar de su posición verdadera (cota exacta).
11. Simetría: Es la condición donde una característica es igualmente dispuesta o equidistante del plano central ó el eje del elemento de referencia.
12. Perfil de una superficie: La tolerancia del perfil de una superficie se limita a dos superficies que envuelven ala superficie teórica (Separadas el valor de la tolerancia).
13. Cabeceo Simple: Es una tolerancia compuesta usada para
controlar la relación de una o más características del elemento respecto a un eje de referencia.
14. Cabeceo Total: Un cabeceo tota provee el control compuesto
de todas las superficies del elemento respecto de un eje de referencia.
1.3 AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
La historia de la automatización industrial está caracterizada por períodos de constantes innovaciones tecnológicas. Esto se debe a que las técnicas de automatización están muy ligadas a los sucesos económicos mundiales.
El uso de robots industriales junto con los sistemas de diseño asistidos por computadora (CAD), y los sistemas de fabricación asistidos por computadora (CAM), son la última tendencia y luego se cargaban en el robot inicia en automatización de los procesos de fabricación. Estas tecnologías conducen a la automatización industrial a otra transición, de alcances aún desconocidos.
Aunque el crecimiento del mercado de la industria Robótica ha sido lento en comparación con los primeros años de la década de los 80´s, de acuerdo a
éstas predicciones se realicen completamente, o no, es claro que la industria robótica, en una forma o en otra, permanecerá.
En la actualidad el uso de los robots industriales está concentrado en operaciones muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precisión. Se refleja el hecho de que en los 80´s las tareas relativamente simples como las máquinas de inspección, transferencia de materiales, pintado automotriz, y soldadura son económicamente viables para ser robotizadas. Los análisis de mercado en cuanto a fabricación predicen que en ésta década y en las posteriores los robots industriales incrementaran su campo de aplicación, esto debido a los avances tecnológicos en sensoria, los cuales permitirán tareas mas sofisticadas como el ensamble de materiales.
Como se ha observado la automatización y la robótica son dos tecnologías estrechamente relacionadas. En un contexto industrial se puede definir la automatización como una tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos − eléctricos basados en computadoras para la operación y control de la producción. En consecuencia la robótica es una forma de automatización industrial.
1.3.1 CLASES DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
Hay tres clases muy amplias de automatización industrial: automatización fija, automatización programable, y automatización flexible.
La automatización fija se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto se puede justificar económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producción elevadas. Además de esto, otro inconveniente de la automatización fija es su ciclo de vida que va de acuerdo a la vigencia del producto en el mercado.
La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener.
En este caso el equipo de producción es diseñado para adaptarse a la variaciones de configuración del producto; ésta adaptación se realiza por medio de un programa (Software).
Por su parte la automatización flexible es más adecuada para un rango de producción medio. Estos sistemas flexibles poseen características de la automatización fija y de la automatización programada.
Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre si por sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una computadora.
De los tres tipos de automatización, la robótica coincide más estrechamente con la automatización programable.
1.3.2 TIPOS DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL.
Existen cinco formas de automatizar en la industria moderna, de modo que se deberá analizar cada situación a fin de decidir correctamente el esquema más adecuado.
Los tipos de automatización son:
a) Control Automático de Procesos ·
b) El Procesamiento Electrónico de Datos · c) La Automatización Fija ·
d) El Control Numérico Computarizado · e) La Automatización Flexible. ·
a) El Control Automático de Procesos, se refiere usualmente al manejo de procesos caracterizados de diversos tipos de cambios (generalmente químicos y físicos); un ejemplo de esto lo podría ser el proceso de refinación de petróleo.
b) El Proceso Electrónico de Datos frecuentemente es relacionado con los sistemas de información, centros de cómputo, etc. Sin embargo en la actualidad también se considera dentro de esto la obtención, análisis y registros de datos a través de interfases y computadores.
c) La Automatización Fija, es aquella asociada al empleo de sistemas lógicos tales como: los sistemas de relevadores y compuertas lógicas; sin embargo estos sistemas se han ido flexibilizando al introducir algunos elementos de programación como en el caso de los (PLC'S) O Controladores Lógicos Programables.
d) Un mayor nivel de flexibilidad lo poseen las máquinas de control numérico computarizado. Este tipo de control se ha aplicado con éxito a Máquinas de Herramientas de Control Numérico (MHCN). Entre las MHCN podemos mencionar:
Fresadoras CNC. · Tornos CNC. ·
Máquinas de Electro erosionado · Máquinas de Corte por Hilo, etc. ·
e) El mayor grado de flexibilidad en cuanto a automatización se refiere es el de los Robots industriales que en forma más genérica se les denomina como
"Celdas de Manufactura Flexible".
1.4 AUTÓMATAS PROGRAMABLES
1.4.1 DEFINICIÓN DE AUTÓMATA PROGRAMABLE
Se entiende por controlador lógico programable (PLC), o autómata programable, a toda máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Esta definición se está quedando un poco desfasada, ya que han aparecido los micro − plc's, destinados a pequeñas necesidades y al alcance de cualquier persona.
1.4.2 CAMPOS DE APLICACIÓN
Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las siguientes necesidades:
Espacio reducido.
Procesos de producción periódicamente cambiantes.
Procesos secuenciales.
Maquinaria de procesos variables.
Instalaciones de procesos complejos y amplios.
Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.
Aplicaciones generales:
Maniobra de máquinas.
Maniobra de instalaciones.
Señalización y control.
Tal y como dijimos anteriormente, esto se refiere a los autómatas programables industriales, dejando de lado los pequeños autómatas para uso más personal (que se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el hogar, como la puerta de un cochera o las luces de la casa).
1.4.3 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS PLC'S Entre las ventajas tenemos:
a) Menor tiempo de elaboración de proyectos.
b) Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros componentes.
c) Mínimo espacio de ocupación.
d) Menor costo de mano de obra.
e) Mantenimiento económico.
f) Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata.
g) Menor tiempo de puesta en funcionamiento.
h) Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.
Y entre los inconvenientes:
a) Adiestramiento de técnicos.
b) Costo.
A día de hoy los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas las carreras de ingeniería incluyen la automatización como una de sus asignaturas.
En cuanto al costo tampoco hay problema, ya que hay autómatas para todas las necesidades y a precios ajustados (tenemos desde pequeños autómatas por poco más de 10000 Pts. hasta PLC's que alcanzan cifras escandalosas).
1.4.4 ESTRUCTURA EXTERNA
Todos los autómatas programables, poseen una de las siguientes estructuras:
Compacta: en un solo bloque están todos lo elementos.
Modular:
Estructura americana: separa las E/S del resto del autómata.
Estructura europea: cada módulo es una función (fuente de alimentación, CPU, E/S, etc.).
Exteriormente nos encontraremos con cajas que contienen una de estas estructuras, las cuales poseen indicadores y conectores en función del modelo y fabricante.
Para el caso de una estructura modular se dispone de la posibilidad de fijar los distintos módulos en rieles normalizados, para que el conjunto sea compacto y resistente.
Los micro−autómatas suelen venir sin caja, en formato kit, ya que su empleo no es determinado y se suele incluir dentro de un conjunto más grande de control o dentro de la misma maquinaria que se debe controlar.
1.4.5 ESTRUCTURA INTERNA
Los elementos esenciales, que todo autómata programable posee como mínimo, son:
Sección de entradas: se trata de líneas de entrada, las cuales pueden ser de tipo digital o analógico. En ambos casos tenemos unos rangos de tensión característicos, los cuales se encuentran en las hojas de características del fabricante. A estas líneas conectaremos los sensores.
Sección de salidas: son una serie de líneas de salida, que también pueden ser de carácter digital o analógico. A estas líneas conectaremos los actuadores.
Unidad central de proceso (CPU): se encarga de procesar el programa
memoria, registros, e instrucciones de programa. Adicionalmente, en determinados modelos más avanzados, podemos disponer de funciones ya integradas en la CPU; como reguladores PID, control de posición, etc.
Tanto las entradas como las salidas están aisladas de la CPU según el tipo de autómata que utilicemos. Normalmente se suelen emplear opto acopladores en las entradas y relés /opto acopladores en las salidas. Aparte de estos elementos podemos disponer de los siguientes:
a) Unidad de alimentación (algunas CPU la llevan incluida).
b) Unidad o consola de programación: que nos permitirá introducir, modificar y supervisar el programa de usuario.
c) Dispositivos periféricos: como nuevas unidades de E/S, más memoria, unidades de comunicación en red, etc.
d) Interfaces: facilitan la comunicación del autómata mediante enlace serie con otros dispositivos (como un PC). En los siguientes apartados comentaremos la estructura de cada elemento.
1.4.6 MEMORIA
Dentro de la CPU vamos a disponer de un área de memoria, la cual emplearemos para diversas funciones:
Memoria del programa de usuario: aquí introduciremos el programa que el autómata va a ejecutar cíclicamente.
Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas según el tipo de datos (como marcas de memoria, temporizadores, contadores, etc.).
Memoria del sistema: aquí se encuentra el programa en código máquina que monitoriza el sistema (programa del sistema o firmware). Este programa es ejecutado directamente por el microprocesador/microcontrolador que posea el autómata.
Memoria de almacenamiento: se trata de memoria externa que empleamos para almacenar el programa de usuario, y en ciertos casos parte de la memoria de la tabla de datos. Suele ser de uno de los siguientes tipos:
EPROM, EEPROM, o FLASH.
Cada autómata divide su memoria de esta forma genérica, haciendo subdivisiones específicas según el modelo y fabricante.
1.4.7 CPU
La CPU es el corazón del autómata programable. Es la encargada de ejecutar el programa de usuario mediante el programa del sistema (es decir, el programa de usuario es interpretado por el programa del sistema). Sus funciones son: Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no excede un determinado tiempo máximo (tiempo
De ciclo máximo). A esta función se le suele denominar Watchdog (perro guardián).
Ejecutar el programa de usuario.
Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas. Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas obtenida al final del ciclo de ejecución del programa de usuario.
Chequeo del sistema.
Para ello el autómata va a poseer un ciclo de trabajo, que ejecutará de forma continua:
Imagen de las<−−− Entradas Entradas
\ Ejecución del Programa de Usuario
Imagen de las −−−> Salidas Salidas
\/
WATCHDOG
1.4.8 UNIDADES DE E/S
Generalmente vamos a disponer de dos tipos de E/S:
Digital.
Analógica.
Las E/S digitales se basan en el principio de todo o nada, es decir o no conducen señal alguna o poseen un nivel mínimo de tensión. Estas E/S se manejan a nivel de bit dentro del programa de usuario.
Las E/S analógicas pueden poseer cualquier valor dentro de un rango determinado especificado por el fabricante. Se basan en conversores A/D y D/A aislados de la CPU (ópticamente o por etapa de potencia). Estas señales se manejan a nivel de byte o palabra (8/16 bits) dentro del programa de usuario.
Las E/S son leídas y escritas dependiendo del modelo y del fabricante, es decir pueden estar incluidas sus imágenes dentro del área de memoria o ser manejadas a través de instrucciones específicas de E/S.
1.4.9 INTERFACES
Todo autómata, salvo casos excepcionales, posee la virtud de poder comunicarse con otros dispositivos (como un PC). Lo normal es que posea una E/S serie del tipo RS−232 / RS−422.
A través de esta línea se pueden manejar todas las características internas del autómata, incluido la programación del mismo, y suele emplearse para monitorización del proceso en otro lugar separado.
1.4.10 EQUIPOS O UNIDADES DE PROGRAMACIÓN
El autómata debe disponer de alguna forma de programación, la cual se suele realizar empleando alguno de los siguientes elementos:
Unidad de programación: suele ser en forma de calculadora. Es la forma más simple de programar el autómata, y se suele reservar para pequeñas modificaciones del programa o la lectura de datos en el lugar de colocación del autómata.
Consola de programación: es un terminal a modo de ordenador que proporciona una forma más cómoda de realizar el programa de usuario y observar parámetros internos del autómata. Desfasado actualmente.
PC: es el modo más potente y empleado en la actualidad. Permite programar desde un ordenador personal estándar, con todo lo que ello supone:
herramientas más potentes, posibilidad de almacenamiento en soporte magnético, impresión, transferencia de datos, monitorización mediante software SCADA, etc.
Para cada caso el fabricante proporciona lo necesario, bien el equipo o el software/cables adecuados. Cada equipo, dependiendo del modelo y fabricante, puede poseer una conexión a uno o varios de los elementos anteriores. En el caso de los micros − plc se escoge la programación por PC o por unidad de programación integrada en la propia CPU.
1.4.11 DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS
El autómata programable, en la mayoría de los casos, puede ser ampliable.
Las ampliaciones abarcan un gran abanico de posibilidades, que van desde las redes internas (LAN, etc.), módulos auxiliares de E/S, memoria adicional... hasta la conexión con otros autómatas del mismo modelo. Cada fabricante facilita las posibilidades de ampliación de sus modelos, los cuales pueden variar incluso entre modelos de la misma serie.
1.5 AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
En un proceso productivo no siempre se justifica la implementación de sistemas de automatización, pero existen ciertas señales indicadoras que justifican y hacen necesario la implementación de estos sistemas, los indicadores principales son los siguientes:
Requerimientos de un aumento en la producción
Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos
Necesidad de bajar los costos de producción
Escasez de energía
Encarecimiento de la materia prima
Necesidad de protección ambiental
Necesidad de brindar seguridad al personal
Desarrollo de nuevas tecnologías
La automatización solo es viable si al evaluar los beneficios económicos y sociales de las mejoras que se podrían obtener al automatizar, estas son mayores a los costos de operación y mantenimiento del sistema.
La automatización de un proceso frente al control manual del mismo proceso, brinda ciertas ventajas y beneficios de orden económico, social, y tecnológico, pudiéndose resaltar las siguientes:
1. Se asegura una mejora en la calidad del trabajo del operador y en el desarrollo del proceso, esta dependerá de la eficiencia del sistema implementado.
2. Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.
3. Existe una reducción en los tiempos de procesamiento de información.
4. Flexibilidad para adaptarse a nuevos productos (fabricación flexible y multifabricación).
5. Se obtiene un conocimiento más detallado del proceso, mediante la recopilación de información y datos estadísticos del proceso.
6. Se obtiene un mejor conocimiento del funcionamiento y performance de los equipos y máquinas que intervienen en el proceso.
7. Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.
8. Factibilidad para la implementación de funciones de análisis, optimización y autodiagnóstico.
9. Aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad para incorporar nuevos equipos y sistemas de información.
10. Disminución de la contaminación y daño ambiental.
11. Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.
12. Aumento en la seguridad de las instalaciones y la protección a los trabajadores.
Existen ciertos requisitos de suma importancia que debe cumplirse al automatizar, de no cumplirse con estos se estaría afectando las ventajas de la automatización, y por tanto no se podría obtener todos los beneficios que esta brinda, estos requisitos son los siguientes:
Compatibilidad electromagnética: Debe existir la capacidad para operar en un ambiente con ruido electromagnético producido por motores y máquina de revolución. Para solucionar este problema generalmente se hace uso de pozos a tierra para los instrumentos (menor a 5_), estabilizadores ferro−resonantes para las líneas de energía, en algunos equipos ubicados a distancias grandes del tablero de alimentación (>40m) se hace uso de celdas apantalladas.
Expansibilidad y escalabilidad: Es una característica del sistema que le permite crecer para atender las ampliaciones futuras de la planta, o para atender las operaciones no tomadas en cuenta al inicio de la automatización. Se analiza bajo el criterio de análisis costo−beneficio, típicamente suele dejarse una reserva en capacidad instalada ociosa alrededor de 10% a 25%.
Manutención: Se refiere a tener disponible por parte del proveedor, un grupo de personal técnico capacitado dentro del país, que brinde el soporte técnico adecuado cuando se necesite de manera rápida y confiable. Además implica que el proveedor cuente con repuestos en caso sean necesarios.
Sistema abierto: Los sistemas deben cumplir los estándares y especificaciones internacionales. Esto garantiza la interconectibilidad y compatibilidad de los equipos a través de interfaces y protocolos, también facilita la interoperabilidad de las aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.
1.6 ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN AUTOMATIZADA
Maquinas: Son los equipos mecánicos que realizan los procesos, traslados, transformaciones, etc. de los productos o materia prima.
Accionadores: Son equipos acoplados a las máquinas, y que permiten realizar movimientos, calentamiento, ensamblaje, embalaje. Pueden ser:
Accionadores eléctricos: Usan la energía eléctrica, son por ejemplo, electro válvulas, motores, resistencias, cabezas de soldadura, etc.
Accionadores neumáticos: Usan la energía del aire comprimido, son por ejemplo, cilindros, válvulas,
etc.
Accionadores hidráulicos: Usan la energía de la presión del agua, se usan para controlar velocidades lentas pero precisas.
Pre accionadores: Se usan para comandar y activar los accionadores. Por ejemplo,
Contactores, switchs, variadores de velocidad, distribuidores neumáticos, etc.
Captadores: Son los sensores y transmisores, encargados de captar las señales necesarias para conocer el estados del proceso, y luego enviarlas a la unidad de control.
Interfaz Hombre / Maquina: Permite la comunicación entre el operario y el proceso, puede ser una interfaz gráfica de computadora, pulsadores, teclados, visualizadores, etc.
Elementos de mando: Son los elementos de cálculo y control que gobiernan el proceso, se denominan autómata, y conforman la unidad de control.
Los sistemas automatizados se conforman de dos partes: parte de mando y parte operativa
Parte de mando: Es la estación central de control o autómata. Es el elemento principal del sistema, encargado de la supervisión, manejo, corrección de errores, comunicación, etc.
Parte operativa: Es la parte que actúa directamente sobre la máquina, son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice las acciones. Son por ejemplo, los motores, cilindros, compresoras, bombas, relés, etc.
ACCIONADORES PROCESO
PRE ACCIONADOR CAPTADOR
UNIDAD DE CONTROL INTERFAZ
Hombre − Máquina
COMUNICACIÓN con unid. Control
1.7 TRANSDUCTORES
Los transductores son dispositivos que convierten un fenómeno físico, como temperatura, carga, presión o luz a otro. Los transductores más comunes convierten estas características físicas en señales eléctricas como voltaje y resistencia. Las características de los transductores definen muchos de los requerimientos del acondicionamiento de señales necesario en un sistema DAQ.
1.7.1 LVDTs
El transformador lineal de voltaje diferencial (LVDT) es un dispositivo comúnmente usado para medir desplazamiento lineal. Todos los LVDTs consisten de una bobina estacionaria y un centro libre (vea Figura 1.6 y Fig. 1.7). La bobina cuenta con una bobina primaria y dos bobinas secundarias. El centro es un rodillo altamente magnético y es más pequeño en diámetro que el rodillo que lo detiene para asegurar de que no habrá contacto con las bobinas. Así el rodillo interno se puede mover de un lado a otro libremente sin fricción o desgaste.
Cuando un voltaje AC se aplica a la bobina principal un voltaje es inducido en cada una de las bobinas secundarias a través del centro magnético. La posición del centro determina qué tanto la señal de excitación se acopla a cada bobina secundaria. Cuando el centro está en el medio, los voltajes de las bobinas secundarias son iguales y están 180 grados fuera de fase, resultado que no haya señal. A medida que el centro se mueve hacia la izquierda, la bobina del centro se acopla más a la bobina de la izquierda. De esta manera se crea una señal de salida en fase con la señal de excitación. Igualmente a medida que el centro viaja hacia la derecha, la bobina principal se acopla más a la derecha creando una señal de salida 180 grados fuera de fase con el voltaje de excitación.
Figura 1.6 Sección interna de un LVDT
Aplicaciones.- Se pueden utilizar en mediciones que requieran convertir cambios de posiciones físicas a salidas eléctricas.
Ventajas.- la ausencia de fricción entre la flecha y el núcleo prolonga la vida del LVDT y proporciona una muy buena resolución, además de que el tamaño reducido del núcleo permite una buena sensibilidad en pruebas dinámicas.
Desventajas.- son generalmente más costosas.
1. El (LVDT) es comúnmente usado para medir desplazamiento lineal.
1. A medida que el centro se mueve hacia la izquierda, la bobina del centro se acopla más a la bobina de la izquierda. De esta manera se crea una señal de salida en fase con la señal de excitación.
1. Igualmente a medida que el centro viaja hacia la derecha, la bobina principal se acopla más a la derecha creando una señal de salida 180 grados fuera de fase con el voltaje de excitación.
Figura 1.7LVDT seccionado y ejemplos físicos.
Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).
Una corriente (i) que circula a través de un hilo conductor, genera un campo magnético que está asociado a ella.
Los sensores de proximidad inductivos contienen un devanado interno. Cuando una corriente circula por el mismo, un campo magnético es generado, que tiene la dirección de las flechas naranjas. Cuando un metal es acercado al campo magnético generado por el sensor de proximidad, éste es detectado.
Figura 1.8 sensor inductivo
La bobina del sensor inductivo induce corrientes de Foucault en el material a detectar. Éstas, a su vez, generan un campo magnético que se opone al de la bobina del sensor, causando una reducción en la inductancia de la misma. Esta reducción en la inductancia de la bobina interna del sensor, trae aparejado una disminución en la impedancia de ésta.
La inductancia, es un valor intrínseco de las bobinas, que depende del diámetro de las espiras y el número de ellas. En sistemas de corriente alterna, la reactancia inductiva se opone al cambio del sentido de la corriente y se calcula de la siguiente manera:
Donde:
XL = Reactancia Inductiva medida en Ohms ( ) π = Constante Pi.
f= Frecuencia del sistema medida en Hertz (Hz) L = Inductancia medida en Henrios (H)
Figura. 1.9 zona de detección
En resumen, el circuito detector reconocerá el cambio en la impedancia de la bobina del sensor (Debido a las corrientes de Foucault inducidas en el objeto a detectar) y enviará una señal al amplificador de salida, el cual cambiará el estado de la misma. Cuando el metal a detectar es removido de la zona de detección, el oscilador podrá generar nuevamente el campo magnético con su amplitud normal.
Es en este momento en que el circuito detector nuevamente detecta este cambio de impedancia y envía una señal al amplificador de salida para que sea éste quién, nuevamente, restituya el estado de la salida del sensor.
Si el sensor tiene una configuración “Normal Abierta”, éste activará la salida cuando el metal a detectar ingrese a la zona de detección. Lo opuesto ocurre cuando el sensor tiene una configuración "Normal Cerrada" Estos cambios de estado son evaluados por unidades externas tales como: PLC, Relés, PC, etc.
1.7.2 SEÑALES DE CORRIENTE
Muchos de los dispositivos y transmisores que se usan en aplicaciones de control y monitoreo de procesos generan una señal de corriente, normalmente de 0 a 20 mA o de 4 a 20 mA. Las señales de corriente se usan porque son menos propensas a los errores causados por ruido o caídas de voltaje en cables que son muy largos. Los acondicionadores de señal convierten las señales de corriente a señales de voltaje al pasar la corriente a través de una resistencia de precisión (Vea Figura 1.10). El voltaje que resulta (VMEAS = IS R) después puede ser digitalizado.
Figura 1.10. Las señales de corriente de 0 a 20 mA o 4 a 20mA se convierten en señales de voltaje pasando por un resistor de alta precisión.
Sistemas de Acondicionamiento de Señales
1.8 LA EVOLUCIÓN EN LA TÉCNICA DEL AIRE COMPRIMIDO
El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos.
El descubrimiento consciente del aire como medio - materia terrestre - se remonta a muchos siglos, lo mismo que un trabajo más o menos consciente con dicho medio.
El primero del que sabemos con seguridad es que se ocupó de la neumática, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, en filosofía, también el alma.
Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto Neumática que trata los movimientos y procesos del aire.
Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Sólo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación.
Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido).
La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo.
A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación.
En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos.
1.8.1 VENTAJAS DE LA NEUMÁTICA
• El aire es de fácil captación y abunda en la tierra
• El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas.
• Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables
• El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete.
• Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente.
• Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa.
• Energía limpia
• Cambios instantáneos de sentido
1.8.2 DESVENTAJAS DE LA NEUMÁTICA
• En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables
• Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado
• Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas
Altos niveles de ruido generado por la descarga del aire hacia la atmósfera
1.8.3 PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO
Causará asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea más simple y más económico.
¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad?
· Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.
· Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.
· Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas).
· Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de
· Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras.
· Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero.
· Constitución de los elementos: La concepción de los elementos de trabajo es simple si, por tanto, precio económico.
· Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos puede regularse sin escalones.)
· A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.
Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las propiedades adversas.
· Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).
· Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.
· Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza.
Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar.), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp).
· Escape: El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales insonorizantes.
· Costos: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara;
este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).
1.8.4 RENTABILIDAD DE LOS EQUIPOS NEUMÁTICOS
Como consecuencia de la automatización y racionalización, la fuerza de trabajo manual ha sido reemplazada por otras formas de energía; una de éstas es muchas veces el aire comprimido
Por ejemplo: Traslado de paquetes, accionamiento de palancas, transporte de piezas etc.
El aire comprimido es una fuente cara de energía, pero, sin duda, ofrece indudables ventajas. La producción y acumulación del aire comprimido, así como su distribución a las máquinas y dispositivos suponen gastos elevados. Pudiera pensarse que el uso de aparatos neumáticos está relacionado con costos especialmente elevados. Esto no es exacto, pues en el cálculo de la rentabilidad es necesario tener en cuenta, no sólo el costo de energía, sino también los costos que se producen en total. En un análisis detallado, resulta que el costo energético es despreciable junto a los salarios, costos de adquisición y costos de mantenimiento.
1.9 PRODUCCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO
1.9.1 GENERADORES
Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de la energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías.
Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente.
En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, al objeto de que el compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables.
Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta de los diversos tipos de compresores.
1.9.2 TIPOS DE COMPRESORES
Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción.
Se distinguen dos tipos básicos de compresores:
El primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo (oscilante o rotativo).
El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa (turbina).
Figura. 1.11 Compresores de desplazamiento
Figura. 1.12 Tipos de Compresores
1.10 UNIDAD DE MANTENIMIENTO
La unidad de mantenimiento (ver figura 1.13 y 1.14) representa una combinación de los siguientes elementos:
- Filtro de aire comprimido - Regulador de presión
- Lubricador de aire comprimido
Deben tenerse en cuenta los siguientes puntos:
1. El caudal total de aire en m3/h es decisivo para la elección del tamaño de unidad. Si el caudal es demasiado grande, se produce en las unidades una caída de presión demasiado grande. Por eso, es imprescindible respetar los valores indicados por el fabricante.
2. La presión de trabajo no debe sobrepasar el valor estipulado en la unidad, y la temperatura no deberá ser tampoco superior a 50 C (valores máximos para recipiente de plástico).
Figura 1.13: Símbolo de la unidad de mantenimiento
Figura 1.14: Unidad de mantenimiento
1.11 VÁLVULAS
Los mandos neumáticos están constituidos por elementos de señalización, elementos de mando y un porte de trabajo, Los elementos de señalización y mando modulan las fases de trabajo de los elementos de trabajo y se denominan válvulas. Los sistemas neumáticos e hidráulicos lo constituyen:
• Elementos de información
• Órganos de mando
• Elementos de trabajo
Para el tratamiento de la información y órganos de mando es preciso emplear aparatos que controlen y dirijan el flujo de forma preestablecida, lo que obliga a disponer de una serie de elementos que efectúen las funciones deseadas relativas al control y dirección del flujo del aire comprimido o aceite.
En los principios del automatismo, los elementos reseñados se mandan manual o mecánicamente. Cuando por necesidades de trabajo se precisaba efectuar el mando a distancia, se utilizaban elementos de comando por émbolo neumático (servo).
Actualmente, además de los mandos manuales para la actuación de estos elementos, se emplean para el comando procedimientos servo-neumáticos y electro-neumáticos que efectúan en casi su totalidad el tratamiento de la información y de la amplificación de señales.
La gran evolución de la neumática y la hidráulica han hecho, a su vez, evolucionar los procesos para el tratamiento y amplificación de señales, y por tanto, hoy en día se dispone de una gama muy extensa de válvulas y distribuidores que nos permiten elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades.
Hay veces que el comando se realiza neumáticamente o hidráulicamente y otras nos obliga a recurrir a la electricidad por razones diversas, sobre todo cuando las distancias son importantes y no existen circunstancias adversas.
Las válvulas en términos generales, tienen las siguientes misiones:
• Distribuir el fluido
• Regular caudal
• Regular presión
Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica o almacenada en un depósito. En lenguaje internacional, el término "válvula" o "distribuidor" es el término general de todos los tipos tales como válvulas de corredera, de bola, de asiento, grifos, etc.
Esta es la definición de la norma DIN/ISO 1219 conforme a una recomendación del CETOP (Comité Européen des Transmissions Oiéohydrauliques et Pneumatiques).
Según su función las válvulas se subdividen en 5 grupos:
1. Válvulas de vías o distribuidoras 4. Válvulas de caudal 2. Válvulas de bloqueo 5. Válvulas de cierre
3. Válvulas de presión
Tabla 1.15 Subdivisión de Válvulas 1.11.1 VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS
Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de tomar la corriente de aire, a saber, principalmente puesta en marcha y paro (Start- Stop).Son válvulas de varios orificios (vías) los cuales determinan el camino el camino que debe seguir el fluido bajo presión para efectuar operaciones tales como puesta en marcha, paro, dirección, etc.
Pueden ser de dos, tres, cuatro y cinco vías correspondiente a las zonas de trabajo y, a la aplicación de cada una de ellas, estará en función de las operaciones a realizar.
1.11.2 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LAS VÁLVULAS
Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan símbolos; éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvula; solamente indican su función. Hay que distinguir, principalmente:
1. Las vías, número de orificios correspondientes a la parte de trabajo.
2. Las posiciones, las que puede adoptar el distribuidor para dirigir el flujo por una u otra vía, según necesidades de trabajo.
Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados (figura 1. 16).
Figura 1.16 Representación de posición de las válvulas
La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de. Posiciones de la válvula distribuidora (figura 1.17).
Figura 1.17 Cantidad de posiciones de válvulas
El funcionamiento (figura 1.18) se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (cuadros).
Figura 1.18 Representación del funcionamiento
Las líneas representan tuberías o conductos (figura 1.19). Las flechas, el sentido de circulación del fluido.
Figura 1.19 Representación de tuberías o conductos y su dirección Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales. La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto (figura 1.20).
Figura 1.20 Representación de la posición de cierre y uniones de tuberías
Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial (figura 1.21).
Figura 1.21 conexiones de entradas y salidas y posición de reposo La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan (figura 1.22).
Figura 1.22 Posiciones
Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c...
y 0 (figura 1.23).
Figura 1.23 Distinción de posiciones de las válvulas
Válvula de 3 posiciones. Posición intermedia = Posición de reposo (figura 1.24).
Figura 1.24 Válvula de tres posiciones
Por posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo de reposición, p. ej., un muelle, aquella posición que las piezas móviles ocupan cuando la válvula no está conectada.
La posición inicial es la que tienen las piezas móviles de la válvula después del montaje de ésta, establecimiento de la presión y, en caso dado conexión de la tensión eléctrica. Es la posición por medio de la cual comienza el programa preestablecido.
Conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera).
Triángulo directamente junto al símbolo (figura 1.25).
Figura 1.25 Escape sin empalme de tubo
Conductos de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de reunión). Triángulo ligeramente separado del símbolo (figura 1.26).
Figura 1.26 Escape con Empalme de tubo
Para evitar errores durante el montaje, los empalmes se identifican por medio de letras mayúsculas:
Rige lo siguiente:
• Tuberías o conductos de trabajo A, B, C...
• Empalme de energía P...
• Salida de escape R, S, T...
CAPITULO 2: DESCRIPCION DEL PROYECTO
El siguiente método de producción esta conformado por un conjunto de procesos a los que es sometido el rodillo para el abastecimiento de material del área de producción de maquinas de escribir, los cuales se pueden visualizar en el siguiente diagrama de flujo.
ENSAMBLE DE RODILLO MATERIA PRIMA
LIBERADA
RECTIFICADO Y CORTE DE RODILLO
CONTROL DE CALIDAD: ANALISIS
DE RODILLO
CUMPLE REQUERIMIENTO
?
LIBERACION PARA ALMACEN DE PRODUCCION Y
ENSAMBLE
CUARENTENA DE DESECHO
RETRABAJO RETRABAR
PRODUCTO?
INICIO
Yes
No Yes
No
FIN DE PROCESOS
Figura 2.0 diagrama de flujo de los procesos a los que es sometido el rodillo.
El proyecto consiste en la automatización del proceso de análisis de rodillos, el cual se realiza en forma manual por medio de calibradores o palpadores mecánicos, en dicho proceso se verifican medidas características como paralelismo, rugosidad, y concentricidad principalmente. Este rodillo previamente rectificado y analizado se utiliza en la elaboración de maquinas de escribir y es el encargado de transportar el papel y al mismo tiempo servir como base de soporte para la impresión de ahí que sea de suma importancia que cumpla con ciertos parámetros previamente definidos para dichas características.
El proceso de análisis de rodillo básicamente consiste en lo siguiente:
rectificar rodillo
retrabajar el rodillo Se toman datos,
de todo el rodillo
Se realiza una comparacion de los datos obtenidos con los preestablecidos
cumple los requerimientos
el operador coloca el rodillo en los
soportes de los ejes
Se toman las medidas de concentricidad
paralelismo
se envia a cuarentena de desecho se envia a almacen
producto terminado
exceso de material?
fin de proceso
no Yes
No Yes
inicia proceso
Figura 2.1 proceso de análisis de rodillo
Eje metálico
Caucho rectificado Figura 2.2 Rodillo
Las medidas tomadas del rodillo previamente rectificado son comparadas con parámetros establecidos por las normas de calidad de el producto, por ello también tiene cierto margen de tolerancia ya que de esta forma se asegura tanto la calidad del producto como su optimo funcionamiento en la maquina de escribir.
Para analizar el rodillo se pone sobre una base apoyada en su eje y se toman medidas a lo largo del mismo.
Palpador
Diámetro
Longitud
Figura 2.3 Descripción del proceso
Se debe tener especial atención en que el diámetro no tenga variaciones que rebasen la tolerancia a lo largo del rodillo (paralelismo), además tomando como referencia el eje (concentricidad) y la textura del rodillo (rugosidad) para lo cual se debe de girar el rodillo y realizar estas medidas.
Estos parámetros principalmente son medidos y comparados con patrones definidos para determinar la calidad del rodillo, proceso que es lento y laborioso manualmente, debido a que el tiempo de análisis de cada rodillo es muy grande además de que se limita a poder medir únicamente el paralelismo y conicidad.
Por ello se propone la utilización de tres transductores eléctricos LVDT (Linear Variable Differential Transformer), los cuales serán encargados de tomar los datos o medidas de las características como rugosidad, conicidad, paralelismo, concentricidad. Esto debido a las características de estos elementos ya que poseen gran exactitud y precisión, y pueden tener acoplamiento neumático para realizar su función.
Además de un micro motor que será el encargado de transmitir el movimiento de giro al rodillo, sistema neumático, control eléctrico y un plc con la capacidad suficiente para este proceso.
La distribución de los transductores será la siguiente para obtener las medidas representativas de todo el rodillo:
Micro motor LVDT 1 LVDT 2 LVDT 3
Figura 2.4 Distribución de los LVDTs y micro motor
Los palpadores lvdts, tendrán accionamiento neumático similar a un actuador, cilindro simple efecto retorno por resorte, ya que al iniciar el proceso se activara una válvula que provocara la salida del vástago del palpador y así el cabezal del LVDT entre en contacto con la circunferencia del rodillo.
Cabe recordar que se esta tomando en cuenta las siguientes características del LVDT ya que es comúnmente usado para medir desplazamiento lineal:
1. A medida que el centro se mueve hacia la izquierda, la bobina del centro se acopla más a la bobina de la izquierda. De esta manera se crea una señal de salida en fase con la señal de excitación.
2. Igualmente a medida que el centro viaja hacia la derecha, la bobina principal se acopla más a la derecha creando una señal de salida 180 grados fuera de fase con el voltaje de excitación.
La señal del LVDT debido a que es una señal análoga debe de ir a una entrada análoga con convertidor Analógico - digital del PLC en donde se procesara para convertir esta señal en una señal digital la cual dependiendo cantidad de bits que esta maneje será la resolución y la precisión de las medidas que este recabe.