control de cuchillas circulares para máquina de corte...
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Resumen— El Presente artículo muestra el diseño e
implementación del control eléctrico realizado con servo-
motores, PLC y HMI para la automatización de un innovador
mecanismo posicionador de cuchillas en una máquina de corte
longitudinal variable de lámina empleada en la manufactura de
muebles metálicos para oficina. Se presenta el diseño de
funciones y diagramas de control, diseño y elaboración de
gabinete de control, programación del Controlador Lógico
Programable, servo controladores, Interfaz Hombre Maquina
(HMI) y el cableado de señales de comunicación, potencia y de
control. La funcionalidad de la automatización es evaluada con
la medición de tiempo que conlleva el posicionamiento de las
cuchillas de corte.
Temas claves— Control, Servomotor, HMI, PLC, Cuchillas,
Automatización, Cortadora, Modbus, Pistón, Servo Drive.
I. INTRODUCCIÓN
a automatización de procesos en la industria acarrea
beneficios tales como la reducción de tiempos de
producción, mejora en la calidad de los productos,
reproducibilidad en los resultados esperados y evita que los
operadores realicen maniobras de riesgo.
La empresa Manufacturas Post-Form se dedica al diseño y
manufactura de muebles metálicos y de madera para oficinas,
actualmente se encuentra realizando mejoras en algunas de sus
líneas de producción con objeto de hacerlas más eficientes,
ofrecer productos de mejor calidad y lograr ser más
competitivos en el ramo de la manufactura de mobiliario
metálico para oficina. Por otro lado la Sub-dirección de
Investigación y Desarrollo Tecnológico del Instituto
Tecnológico Superior de Lerdo desde su creación, ha buscado
contar con líneas de investigación que impacten en las
necesidades de desarrollo de tecnologías, generar vínculos con
las empresas de la región para resolver problemáticas que a
estas ocupen.
Siendo así, estas dos instituciones han sumado esfuerzos para
realizar el desarrollo de maquinaria de manufactura mexicana
adecuada a los procesos de la empresa, teniendo como
productos, desarrollo profesional del recurso humano
(docentes y alumnos) del Instituto Tecnológico Superior de
Lerdo, desarrollo tecnología nacional adecuada a las
demandas especificas de la empresa,
Mejoras en las líneas de producción de la empresa, reducción
significativa de costos en adquisición de maquinaria para los
procesos, puesto que se deja de lado la compra de maquinaria
de procedencia extranjera.
La lámina se provee a la empresa en grandes rollos, lo cual,
para empezarla a procesar, es necesario cortarla de manera
longitudinal en base a las partes de mueble que se requiera
producir. La máquina cortadora longitudinal es pues quien
realiza la tarea anterior “rebanando” el rollo de lámina en
bandas más pequeñas acordes a los requerimientos de
producción.
La máquina a automatizar consta de:
Portarrollos o des-bobinador.
Dos rodillos o ejes de tracción (superior e inferior).
Doce Discos o cuchillas de corte, seis en la parte
inferior y seis en la parte superior
Bobinadores.
Des-bobinador
Ejes de
traccion
Cuchillas
Bobinadores
Figura 1. Partes de la maquina cortadora longitudinal de lamina.
El rollo de lámina se monta mediante una grúa en el
portarrollos de la cortadora. Enseguida la lámina se ingresa a
los rodillos de tracción para estirar la lámina desde el des-
bobinador. Dichos ejes de tracción tienen incorporadas las
cuchillas de corte, las cuales tienen que ser configuradas como
se ilustra en la figura 2 para lograr cortar la lámina. La lámina
cortada es bobinada en nuevos rollos para pasar a las
diferentes líneas posteriores de corte transversal.
Para una producción determinada en la planta, el
posicionamiento de las cuchillas de corte se realiza de forma
manual, por lo que el operador es quien arregla las seis
cuchillas de corte superior y las seis cuchillas de corte inferior
según los requerimientos de producción, haciendo la medición
de las distancias de separación entre ellas con un flexómetro,
tardando en dicha operación de acomodo alrededor de cinco
horas promedio.
L
Control de Cuchillas Circulares para Máquina
de Corte Longitudinal de Lámina.
A. Gámez1, J. Ortiz
1, V.H. Alvarado
1, J.A. Salinas
1, C.G. Favela
1, V.M. Nava
1, M.A. Ríos
1, V.E. Manqueros
1.
F. Valdés2, J.L. de la Cruz
2.
RVP-AI/2013 –
CAPITULO DE POTENCIA
IEEE
REUNION INTERNACIONAL DE VERANO, ,
Lámina
Cuchilla
superior
Cuchilla
inferior
Figura 2. Arreglo de cuchillas superior e inferior para corte.
Mediante la automatización de la línea, se pretende que el
operador realice el posicionamiento de las cuchillas de corte
automático de una HMI, con la finalidad de reducir
drásticamente el tiempo de acomodo de las cuchillas de corte.
En este trabajo se presenta la realización del control eléctrico
y programación requerida para la automatización de la
maquinaria involucrada en una línea de producción de la
empresa, actividad desarrollada por personal del Instituto
Tecnológico Superior de Lerdo en la que participaron
docentes y alumnos de las carreras de ingeniería electrónica y
electromecánica. Se parte desde el diseño y elaboración de
diagramas y esquemas de control, ensamble y cableado de
tablero de control, cálculo y selección de protecciones,
programación de Controlador Lógico Programable, Interfaz
Hombre-Máquina y servo controladores.
El diseño del sistema mecánico a automatizar se realizó por
parte de ingenieros del Instituto Tecnológico Superior de
Lerdo. La fabricación de cada una de las piezas del diseño y
ensamble de dicho sistema se realizó en la empresa con
maquinaria y personal de la misma.
II. METODOLOGÍA
A. SISTEMA MECÁNICO A AUTOMATIZAR.
En la figura 3 se muestra la cortadora longitudinal de lámina
sobre la cual se realizo la innovación en el posicionamiento de
cuchillas. La figura 4 muestra el diseño del sistema mecánico
propuesto para posicionamiento automático de las cuchillas.
Se propone una nueva estructura en la cual se integran carros
deslizables.
Figura 3. Cortadora longitudinal de Lamina anterior.
Figura 4. Diseño del sistema mecánico para posicionamiento automático de cuchillas.
El movimiento de los mecanismos deslizables, se proyecta con
dos servomotores (uno para los carros superiores y otro para
los inferiores), los cuales por medio de bandas transmiten la
potencia mecánica hacia un tornillo sinfín sobre el cual se
pueden desplazar los “carros” con las cuchillas. La selección
del carro a desplazar, se contempla con la actuación de
pistones neumáticos de doble efecto.
B. DISEÑO DE LA TOPOLOGÍA DE CONTROL.
Para la automatización del sistema mecánico diseñado, se
parte desde el diseño la topología de control a implementar
(figura 5).
En dicha topología se plantea mediante una interfaz hombre-
máquina (HMI), que el operador ingrese las dimensiones de
corte para la lámina, velocidad de movimiento de los
servomotores así como menús para operaciones de
mantenimiento.
Dichos datos son enviados hacia el controlador lógico
programable (PLC) quien realiza, cómputos necesarios para
desplazamiento de los “carros”, monitoreo de sensores y
botones del panel, activación de actuadores. El PLC envía los
comandos necesarios a los servo-controladores para traducir
en movimiento a los servomotores, las órdenes dadas por el
operador. Se emplean dos servomotores, uno para los carros
superiores y el otro para los carros inferiores.
En base a los parámetros de diseño de la máquina y la
topología de control establecida, se selecciona el equipo
específico para la automatización. En la tabla 1 se enlista el
equipo seleccionado y adquirido.
Tabla 1. Equipo seleccionado para la automatización
PLC
Servo-Drive Servo-Drive
HMI
SensoresActuadores
Servo
Motor
Servo
Motor
Figura 5. Topología de control propuesta para el posicionamiento automático
de cuchillas.
La comunicación de datos entre el PLC y la HMI se realiza
mediante protocolo RS-232. La comunicación de datos entre
el PLC y los servo-controladores se establece a través del
protocolo MODBUS/485. Los encoders (sensores de posición)
de los sevomotores se retroalimentan hacia el PLC. La figura
siguiente muestra el esquema de control con el equipo
seleccionado, cumpliendo con la topología propuesta.
Figura 6. Esquema de conexión de equipo de automatización
Para el acomodo de las cuchillas a la distancia requerida de
corte, se contempla el movimiento de un cortador a la vez,
seleccionándolo mediante la activación de un pistón
neumático. Para la selección y movimiento de la cuchilla, el
pistón abre o cierra mecánicamente una mordaza o “clamp”
con rosca para embonar en un tornillo sin fin que es movido
por el servomotor. La figura 7 muestra lo anterior.
Carros
deslizablesTornillo sin fin
Transmision
Motor
Servomotor
Superior
Servomotor
Inferior
Pistón
Neumático
Figura 7. Esquema de Montaje de Servo-controladores y pistones neumáticos para posicionamiento de carros.
A. DESARROLLO DEL CONTROL.
a. Diseño de “lay-out” de gabinete.
El tablero de control desde el cual se pretende realizar el
posicionamiento automático de las cuchillas es diseñado en
software CAD con el fin de dimensionar el tamaño del
gabinete sobre el cual residirán los elementos de
automatización así como de realizar una adecuada distribución
de los mismos. La figura 8 muestra las dimensiones del tablero
y la distribución de los elementos.
Figura 8. Panel de componentes del tablero de control.
De igual manera se realiza un diseño sobre el panel de botones
del tablero de control, mediante el cual, el operador controla el
movimiento de las cuchillas móviles.
Figura 9. Botonera del tablero de control.
b. Diagramas de Potencia y Control.
Se diseñan en software CAD los diagramas de control para el
automatismo propuesto. La figura 10 muestra el diagrama de
fuerza en donde se energiza a los servo-controladores,
transformador de control y fuente de voltaje a 24 volts de C.D.
Para el control electrónico.
Figura 10. Diagrama de Fuerza.
Parte del diagrama de control a 24 VCD se muestra en la
figura 11, la figura 12 muestra parte del detalle de cableado en
las entradas y salidas del PLC con sus respectivos módulos.
Figura 11. Diagrama de control a 24 VCD.
En las entradas del PLC se conectan señales de la botonera,
contactos de relevadores y los sensores de proximidad
magnéticos. Las salidas envían señales hacia electroválvulas,
bobinas de relevador y lámparas indicadoras.
Figura 12 Diagrama de entradas y salidas del PLC.
c. PLC.
El controlador seleccionado para el proyecto es un PLC
modular “DL205” de “Automation Direct”, el cual se
conforma de módulos, los cuales se seleccionan en base a los
requerimientos proyectados para el automatismo. Dichos
módulos se enlistan en la tabla 2.
Tabla 2. Módulos del PLC.
d. Construcción del gabinete de control.
Para poder llevar a cabo la construcción del gabinete de
control previamente se instalan los componentes necesarios
para la automatización siguiendo el diseño elaborado para la
distribución de componentes. En primera instancia se fijan riel
“DIN” y canaleta ranurada, en la cual se alojara el cableado
de control.
Así mismo, se perfora el panel de botones del gabinete, bajo
previo diseño.
Figura 13. Montaje de riel “DIN”, canaleta ranurada, pastillas
termomagnéticas y contactores.
Figura 14. Perforaciones para botonera.
e. Cableado de potencia y control.
El cableado se realiza con cable calibre 12 AWG para la etapa
de fuerza, que comprende desde el interruptor termo-
magnético principal, pasando por interruptores termo-
magnéticos de derivación, transformador de control,
contactores, hasta llegar a la entrada de potencia de los servo-
drives. El cableado para la botonera se realiza con cable
calibre 16 AWG.
Figura 15. Cableado del gabinete de control.
f. Cableado de comunicación entre dispositivos.
Dado que el PLC es el controlador del sistema en general, este
tiene que recibir y enviar datos hacia la HMI y los servo-
controladores. La comunicación de datos entre el PLC y la
HMI se realiza por protocolo RS-232 y protocolo
MODBUS/RS-485 la comunicación entre PLC y los dos
servo-controladores. En la figura 16 se muestra el cableado
para comunicación de datos entre los dispositivos.
Figura 16. Red de comunicación entre dispositivos de control.
g. Cableado de actuadores.
Se emplean doce pistones de doble efecto a los cuales se les
distribuye aire comprimido a través de válvulas 5/2 vías con
solenoide y retorno por muelle. Dichos solenoides se activan
mediante relevadores conectados al módulo de salidas del
PLC (figura 17).
Figura 17. Pistones para selección de carros deslizables.
El cableado de los servo-controladores consistió en conectar
hacia el PLC las entradas y salidas digitales, conexión del
cable de los encoders y cableado de potencia hacia los
servomotores. La figura 18 muestra el cableado en los servo-
controladores y la operación de los mismos.
Figura 18. Servo-controladores cableados y en operación.
En la figura 19 se observa finalmente el gabinete de control
con todos los elementos de automatización montados y
cableados para el correcto funcionamiento del automatismo.
C. PROGRMAS DE PLC Y HMI.
El programa para el PLC, es desarrollado en el software
“DirectSoft5”. En él se contempla el monitoreo de sensores,
botones de panel, entradas digitales de los servo-drives y
actuación de los elementos finales de control mediante una
lógica establecida para la correcta operación de la máquina.
Así mismo el PLC se configura como maestro para
intercambiar datos con la HMI, y los dos Servo-drives.
M1 M2
4 2
5
1
3
Y1
M3 M4
4 2
5
1
3
Y2
M5 M6
4 2
5
1
3
Y3
M7 M8
4 2
5
1
3
Y4
M9 M10
4 2
5
1
3
Y5
M11 M12
4 2
5
1
3
Y6
M13 M14
4 2
5
1
3
Y7
M15 M16
4 2
5
1
3
Y8
M17 M18
4 2
5
1
3
Y9
M19 M20
4 2
5
1
3
Y10
M21 M22
4 2
5
1
3
Y11
M23 M24
4 2
5
1
3
Y12
Pistones Superiores
Pistones Inferiores
Figura 19. Gabinete de control en funcionamiento.
La HMI es programada en el software “PM designer” y en él
se desarrollan las pantallas que visualiza el operador para
realizar el posicionamiento de los carros adecuadamente.
Las siguientes figuras muestran un extracto de la
programación en escalera para el PLC y las pantallas para
interfaz de usuario.
Por medio de las pantallas desarrolladas en la HMI el operador
puede establecer el ancho de las bandas de corte de lámina y
ejecutar de manera automática el acomodo de los carros. Así
mismo se cuenta con pantallas para seleccionar y realizar
movimientos de los carros deslizables uno a uno en caso de
mantenimiento de la maquina o alguna eventualidad surgida.
La velocidad de los servo-motores también puede ser
modificada desde una de las pantallas diseñadas para tal tarea.
Figura 20. Pantallas de HMI.
Figura 21. Parte del programa desarrollado para el PLC.
III. CONCLUSIONES
Los resultados del proyecto son tangibles, ya que se obtiene
una maquina diseñada y construida en el país con intelecto y
mano de obra mexicana. Actualmente la maquina se encuentra
en pruebas experimentales en donde se revela el alcance del
objetivo primordial, la reducción del tiempo en el acomodo de
discos para una producción dada. Los tiempos registrados
muestran un tiempo de 10 minutos para el acomodo de los
doce carros con la mínima distancia entre ellos y un máximo
de 25 minutos para la distancia máxima permisible de
separación entre los carros, a una velocidad de 85 RPM en los
servomotores.
Con dichos tiempos y velocidades logrados en las pruebas, se
estima un incremento en la producción de lámina cortada en
tiras de 7 toneladas a 28 toneladas por día.
IV. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al CONACYT por el apoyo brindado a
la solicitud 157624, al Instituto Tecnológico Superior de
Lerdo y a Manufacturas Post-Form, por brindar las facilidades
para llevar a cabo dicho proyecto.
V. REFERENCIAS
[1] Sure Servo AC servo systems user Manual, Automation Direct. Manual
Number: SV-USER-M-W0, Issue: Second Edition, Issue Date:02/2008.
[2] DL205 PLC user Manual Volume 1of 2, Automation Direct. Manual
Number: D2-USER-M, Issue: 4th Edition Rev A, Issue date: 4/10.
[3] DL205 PLC user Manual Volume 2 of 2, Automation Direct. Manual
Number: D2-USER-M, Issue: 4th Edition Rev A, Issue date: 4/10.
[4] Application Note Number: AN-SERV-001, Issue Date: April- 13-2006,
Revision: First revision, rev A.
[5] Application Note Number: AN-SERV-003, Issue Date: Oct- 16-2006,
Revision: First Edition
VI. BIOGRAFÍA
M. C. Aron Gámez Vargas. Nació en Torreón
Coahuila en 1981. Ingeniero Electrónico egresado del Instituto Tecnológico de la Laguna en el 2004.
Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica en la División de Estudios de
Posgrado del Instituto Tecnológico de la Laguna en
el 2006. Actualmente es profesor del Instituto Tecnológico Superior de Lerdo, sus áreas de interés es el desarrollo de proyectos a la industria privada,
electrónica de potencia, control aplicado, redes eléctricas industriales y
procesamiento digital de señales. E-mail: [email protected]