DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE AUTOMATCO EN EL PROCESO DE GALVANIZADO PARA CADENAS ESLABONADAS

JHON MARLON PERDOMO CORTES

DAMIAN FERNANDO JARAMILLO CASTILLO

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA

SANTIAGO DE CALI 2009

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DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSPORTE AUTOMATCO EN EL PROCESO DE GALVANIZADO PARA CADENAS ESLABONADAS

JHON MARLON PERDOMO CORTES

DAMIAN FERNANDO JARAMILLO CASTILLO

Pasantía para optar al título de Ingeniero Mecatronico

Director JORGE IVAN VELANDIA

Ingeniero Eléctrico

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA

SANTIAGO DE CALI 2009

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Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico.

JIMMY TOMBE Jurado JUAN CALOS MENA MORENO Jurado

Santiago de Cali, 16 de Febrero de 2009

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CONTENIDO

pág.

RESUMEN 15 INTRODUCCION 17 1. MOTIVACION DEL PROYECTO 19 2.0 OBJETIVOS 20 2.1 OBJETIVO GENERAL 20 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 20 3.0 MARCO TEORICO 21 3.1 GALVANIZADO EN CALIENTE 22 3.2 GALVANIZADO GENERAL 23 3.3 ZINCADO ELECTROLITICO (ELECTROCINCADO) 24 3.4 GALVANIZADO EN FRIO 25 3.5 APLICACIONES 26 3.5.1 Estructuras de acero 26 3.5.2 Reparación del galvanizado dañado 26 3.5.3 Regeneración de superficies galvanizadas 26 3.5.4 Protección de soldadura 26 4.0 DISTRIBUCION EN PLANTA 27 4.1 DIAGRAMA DE OPERACIÓN DEL PROCESO 28 4.2 TIPOS DE DISTRIBUCION 29

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4.2.2 Distribución por proceso 29 4.2.3 Distribución por producto 30 4.3 SECUENCIA OPERATIVA 30 4.3.1 Satisfacción y seguridad. 31 4.3.2 Integración de conjunto 31 4.3.3 Mínima distancia recorrida 31 4.3.4 Circulación o flujo de materiales 31 4.3.5 Espacio cúbico 31 4.3.6 Flexibilidad 31 5.0 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LOS TANQUES 37 5.1 CRITERIO DEL DISEÑO UNIVERSAL 37 5.1.1 Diversidad 37 5.1.2 Autonomía 37 5.1.3 Dignidad 37 5.1.4 Seguridad 37 5.1.5 Compatibilidad 37 5.1.6 Seguro 38 5.1.7 Saludable 38 5.1.8 Funcional 38 5.1.9 Estético 38 5.2 POLIPROPILENO 46 5.2.1 Características del polipropileno 47 6.0 DISEÑO DE LAS CANASTILLAS 49

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6.1 DISEÑO CANASTILLA 1 51 6.2 DISEÑO CANASTILLA 2 52 6.3 IMPLEMENTACIÒN FISICA 54 7.0 DISEÑO ESTRUCTURAL DEL SISTEMA DE TRANSPORTE 57 7.1 ESTUDIO DE SUELOS 57 7.2 CAPACIDAD PORTANTE 57 7.3 RECOMENDACIÓN 58 7.3.1 Fundación propuesta 58 7.4 METODOLOGIA DE DISEÑO 58 7.4.1 Identificación de la necesidad 59 7.4.2 Selección de la propuesta 59 7.4.3 Especificaciones de funcionamiento 59 7.4.4 Alcance 59 7.4.5 Ideación, invención y análisis 60 7.4.6 Diseño detallado 60 7.4.6.1 Viga luz. 60 7.4.6.2 Carros testeros 61 7.4.6.3 Columnas 61 7.4.6.4 Vigas de recorrido o carrileras 61 7.4.6.5 Polipasto fijo con gancho 62 7.4.6.6 Trolley 62 7.5 CONCEPTOS Y ESPECIFICACIONES 64 7.5.1 Carga 64

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7.5.2 Carga viva 64 7.5.3 Carga muerta 64 7.5.4 Carro “Trolley” 64 7.5.5 Ascenso y descenso (izaje) 64 7.5.6 Grúa 64 7.6 CALCULOS MATEMATICOS PARA EL ANÁLISIS Y DISEÑO DE ZAPATAS, COLUMNAS Y VIGAS PARA UN PUENTE GRÚA

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7.6.1 Carga muerta (D) 64 7.6.2 Carga viva (carga móvil) (L) 65 7.6.3 Diseño columna 67 7.6.4 Diseño de la platina 68 7.6.5 Predimencionamiento 68 7.6.6 Diseño de zapatas aisladas rectangulares 69 7.7 SIMULACIÓN DE LA ESTRUCTURA 72 7.8 ESCOGENCIA DEL TIPO DE MATERIAL PARA EL DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS DE SOPORTE PARA EL PUENTE GRÚA

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8.0 CONTROL Y RED DE COMUNICACIÓN 80 8.1 IMPLEMENTACIÓN SENSORIAL 80 8.2 DESARROLLO ARQUITECTURA 81 8.3 RED DE COMUNICACIÓN PROFIBUS 84 8.3.1 Maestros 85 8.3.2 Esclavos 85 8.5 SELECCION DE CONTROLADOR 86 8.6 CONTROLADOR DEL SISTEMATIC S7-300 87

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8.7 FUENTE DE ALIMENTACIÓN PS307-2A 88 8.8 MÓDULO DE COMUNICACIONES EM277 89 8.9 CONVERTIDORES DE FRECUENCIA 89 8.9.1 Modelo matemático para seleccionar los variadores 89 8.10. ESQUEMA ELECTRICO PARA LOS VARIADORES 90 8.11 PROBLEMAS ELÉCTRICOS 91 8.12 REFERENCIA DE LOS SENSORES 91 8.13 MODULO DE CONTEO FM 350-1 92 8.14 INTERFAZ DE USUARIO 92 8.15 IMPLEMENTACION DEL SISTEMA 94 8.16 ALGORITMO DE CONTROL. 95 8.17 PREOSUPUESTO PARA IMPLEMENTACIÒN DEL DISEÑO ECATRONICO

104

9. CONCLUSIONES 105 10. RECOMENDACIONES 106 BIBLIOGRAFIA 107 ANEXOS 108

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LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Generadores de residuos durante la galvanización. 24 Tabla 2. Voltaje del rectificador para los tanques de galvanizado. 34 Tabla 3. Frecuencias del variador para los tanques de galvanizado. 35 Tabla 4. Numero de vueltas de la cadena en los tanques de galvanizad. 35 Tabla 5. Numero de paso por cadena en los tanques de galvanizado. 35 Tabla 6. Ficha técnica de cadenas eslabonadas en la empresa Colcadenas Ltda.

38

Tabla 7. Densidad de los materiales. 50 Tabla 8. Especificaciones de las dimensiones de los tanques y Canastillas.

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Tabla 9. Capacidad portante del suelo. 58 Tabla 10. Perfil de acero a implementar. 79 Tabla 11. Características de las interfaces de usuario seleccionados. 93 Tabla 12. Presupuesto 104

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LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Esquema del proceso de galvanizado general. 23 Figura 2. Compuesto Galvanizado en frío. 25 Figura 3. Distribución actual de la planta de galvanizado en Colcadenas Ltda.

27

Figura 4. Diagrama de operación galvanizado cadena eslabonada. 29 Figura 5. Distribución funcional ó por procesos. 30 Figura 6. Distribuciones básicas en planta, para el proceso del galvanizado de cadenas eslabonadas

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Figura 7. Distribución en planta. 39 Figura 8. Caneca Cilíndrica modelada en Solid Edge. 40 Figura 9. Caneca cilíndrica circunscrita en un paralelepípedo. 41 Figura 10. Tanques 1, 2, 3, 4 y A modelados en Solid Edge. 42 Figura 11. Caneca cilíndrica ubicada después del galvanizado. 45 Figura 12. Tanque de almacenamiento modelado en Solid Edge. 46 Figura 13. Modelos de la canasta para el transporte de la materia

prima.

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Figura 14. Zona de pretratamiento y postratamiento para el galvanizado de la cadena eslabonada.

50

Figura 15. Canastilla 1 para el transporte de la cadena eslabonada en la zona 1 (pretratamiento).

54

Figura 16. Canastilla 2 para el transporte de la cadena eslabonada en la zona 2 (postratamiento).

55

Figura 17. Esquemático del puente grúa. 60

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Figura 18. Platina. 68 Figura 19. Diseño de Zapata. 69 Figura 20. Vista en planta de la zapata. 70 Figura 21. Componentes del sistema de conexión columna fundación. 72 Figura 22. Fuerza de la parte lateral de la estructura. 73 Figura 23. Momento de la parte lateral de la estructura. 73 Figura 24. Esfuerzos admisibles de la estructura. 74 Figura 25. Apreciación de la estructura real. 74 Figura 26. Fuerza en el centro de las Columna laterales. 75 Figura 27. Momentos en el centro de las columnas laterales. 75 Figura 28. Esfuerzos admisibles en el centro de las columnas laterales. 76 Figura 29. Fuerza actuando en el centro de las vigas carrileras. 76 Figura 30. Momento actuando en el centro de las vigas carrileras. 77 Figura 31. Índice de sobreesfuerzos. 77 Figura 32. Apreciación de la estructura real. 78 Figura 33. Ubicación sensores. 80 Figura 34. Caja Negra. 81 Figura 35. Arquitectura. 82 Figura 36. Diagrama de conexiones generales, en “paralelo”. 83 Figura 37. Diagrama jerárquico de la red de comunicación a usar. 83 Figura 38. Red de comunicación PROFIBUS en paralelo. 84 Figura 39. Flujo de señales a lo largo de todo el sistema, para el control del proceso.

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Figura 40. Conexión eléctrica de los variadores de velocidad, con la red trifásica y el motor.

90

Figura 41. Conexión de los elementos básicos para red de control. 94 Figura 42. Esquema general de las etapas de procesos secuenciales en general.

96

Figura 43. Diagrama de flujo para el control de procesos. 97 Figura 44 . Interfaz Principal del Puente Grúa. 102 Figura 45. Interfaz modo manual del Puente Grúa. 102 Figura 46. Interfaz Modo Automático del Puente Grúa. 103

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LISTA DE IMAGENES pág. Imagen 1. Foto de la planta de galvanizado de Colcadenas Ltda. 39 Imagen 2. Foto de los tanques de salida, planta de galvanizado de Colcadenas Ltda.

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Imagen 3. Foto de tanques continuos en polipropileno fabricados por TEPSA.

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Imagen 4. Fotos de tanques independientes fabricados por TEPSA 48 Imagen 5. Estructura del puente grua y elementos. 61 Imagen 6. Polipasto. 62 Imagen 7. Trolley. 63 Imagen 8. Polipasto y trolley. 63 Imagen 9. Platina real montada en columna y zapata. 69

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LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Dimensionamiento de los tanques en Solid Edge 108 Anexo B. Dimensionamiento de la Canastillas en Solid Edge. 111 Anexo C. Cotización de Tanques de almacenamiento en polipropileno. 112 Anexo D. Cotización de Canastillas en Acero Inoxidable. 117 Anexo E. Cotización del estudio de los suelos. 118 Anexo F. Estudio de suelos 121 Anexo G. Cotización de la estructura y puentes grúa en la empresa SPIM Ltda.

131

Anexo H. Cotización de puente grúa en la empresa IMOCOM. 135 Anexo I. Cotización de la estructura y puentes grúa en la empresa YALE Ltda.

142

Anexo J. Cronograma 144 Anexo K. Configuración y datos técnicos del MICROMASTER 420. 145 Anexo L. Conector PROFIBUS. 150 Anexo M. Datos técnicos del Modulo de comunicaciones EM277. 152 Anexo N. Datos técnicos de la CPU314C-2DP 153 Anexo Ñ. Carta empresa Colcadenas Ltda. 155

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RESUMEN

El presente proyecto responde a una necesidad solicitada por la empresa Colcadenas LTDA., para el mejoramiento del transporte de cadenas eslabonadas y seguridad de los operarios en las diferentes etapas del proceso de galvanizado. Una de las principales preocupaciones de la empresa en materia de producción, consiste en incrementar los niveles de productividad, aumentando la efectividad y eficiencia de sus procesos. En este documento, se propone el diseño y automatización de un puente grúa, una posible distribución en planta, dimensionamiento de tanques y canastillas que contendrán la materia prima permitiendo optimizar su transporte por cada una de las etapas del proceso ya que actualmente en la planta de galvanizado el traslado de la materia prima por cada una de las etapas se hace de forma artesanal aumentando el tiempo de producción y también implicándole al operario permanecer en contacto con los ácidos que resultan ser perjudiciales para su salud. El sistema diseñado, reducirá al máximo la intervención del operario durante el proceso aplicado, con el fin de dar seguridad y eliminar errores humanos. La inclusión de un sistema de carga automático e implementación de tecnologías de automatización tiene como objetivo eliminar el problema de transporte que existe de forma artesanal, obteniendo así, un transportador automático que convierte la operación de transporte dentro del proceso, en una más automatizada y segura. Con el nuevo sistema en conjunto que se desea implementar se alcanzará un mejor rendimiento en el transporte de la materia prima a los diferentes tanques del proceso hasta que esté lista para luego sacarla y llevarla hacia los lugares de empaque, despacho y/o almacenamiento, minimizando los tiempos de producción y brindando seguridad para el operario ya que no estará en contacto directo con el acido. En la realización del diseño del transportador automático, se persigue una secuencia lógica que involucra algunas etapas de diseño que conlleva al diseño de un sistema Mecatrónico. En primer lugar, se identifica el problema en concreto, para de esta forma abordarlo correctamente. Una vez identificado el problema, lo siguiente es analizarlo para entender su origen, y sus efectos o consecuencias. Como en el caso de este proyecto, donde es determinante el problema de transporte dentro los procesos del galvanizado para cadena eslabonada, que además de limitar la producción, mantiene a los operarios en contacto directo con los gases nocivos producidos durante el mismo. Tras la identificación y

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análisis del objeto del problema, lo siguiente es buscar una solución posible al caso de estudio, y finalmente el desarrollo de la misma a dicho problema. Como se trata de un diseño para lograr satisfacer las necesidades de la empresa, el objetivo y aporte de nosotros estará en cotizar una unidad cumpliendo con los requerimientos mínimos mecánicos y de seguridad industrial, sin olvidar la sencillez y funcionalidad de manera que no se encarezca el proyecto inútilmente.

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INTRODUCCIÓN

El autor Gustavo Díaz Rangel, plantea lo siguiente en el Diseño y automatización de un puente grúa para procesos secuenciales:

La mayor parte de empresas que trabajan con recubrimientos metálicos, utilizan en la actualidad procesos como el cromado, zincado, galvanizado o pinturas especiales, entre otros, con el fin de dar un mejor acabado a una gran variedad de productos. Estos procesos, actualmente funcionan en su mayoría de forma artesanal y poco productiva. Uno de los inconvenientes en estos procesos, es el transporte de piezas involucradas dentro de dicho proceso, debido a la pérdida de tiempo y poca exactitud durante el mismo. Por lo general, esta tarea es llevada a cabo por un operario, que transporta manualmente las piezas o productos a ser sometidos a dicho proceso de recubrimiento. Es un procedimiento, que además de ser ineficiente es sumamente nocivo para la salud del operario por su contacto permanente con sustancias tóxicas, las cuales pueden generar en un futuro problemas en su salud.1

El siguiente proyecto de automatización será llevado a cabo en la empresa Colcadenas Ltda., ubicada en la ciudad de Cali, capital del Departamento del Valle. Esta fábrica es una industria manufacturera especializada en el área Metalmecánica basada en la transformación de materias primas y en la elaboración de productos mediante la aplicación de procesos propios. Unos de los principales productos que ofrece la empresa y con mayor demanda, son las cadenas eslabonadas grado 30 para uso corriente. El tratamiento previo del producto a galvanizar es tan importante como el propio proceso de galvanizado, puesto que de dicho tratamiento depende la posterior adherencia y la uniformidad del recubrimiento. En la empresa el tratamiento previo de las piezas a galvanizar como el propio proceso de galvanizado se hace de forma artesanal y muy rudimentaria, en consecuencia, esto le implica al operario el transporte manual de la materia prima en la mayoría de etapas que hacen parte del proceso. El decapado es la primera etapa en el proceso, en esta etapa se sumerge la materia prima en acido sulfúrico ó clorhídrico y después de un tiempo determinado que dependerá de la calidad en la cual se encuentra el acido, el operario tiene que sacarla manualmente, lo cual implica un contacto directo con el ácido que resulta ser perjudicial para la salud a corto, mediano y largo plazo.

1 DÍAZ RANGEL, Gustavo Andrés. Diseño y automatización de un puente grúa para procesos secuenciales [en línea]. Bucaramanga: Universidad Autonoma de Bucaramanga, 2006. [consultado el 15 de octubre de 2008]. Disponible en intenet: http://fis.unab.edu.co/docentes/olengerke/cursos/paper/paper%20RCC%20puente%20grua%20version%20final.pdf

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Después de sacar la cadena del ácido el operario la transporta nuevamente a la etapa de lavado en agua, proceso que repite para la etapa de enjuague en agua, lavado en cloruro de zinc y cloruro de amoniaco para luego ser galvanizada. Otra dificultad para el operario es que la cadena eslabonada puede alcanzar una longitud máxima de 200 metros y un peso de 3.04 kilogramos por cada metro, siendo esta causa de desgaste físico y máxima fatiga del operario que finalmente se ve reflejada en la no homogeneidad de la calidad del producto, y disminución de su productividad. Este documento presenta un diseño elemental de los tanques y canastillas que permitirán el transporte de un volumen significativo para el pre tratamiento y pos tratamiento de la materia prima a la etapa de galvanizado, una distribución en planta que nos permitirá la integración de material, recurso humano y la maquinaria para optimizar el transporte de la materia dando como resultado una producción más eficiente y limpia, además de alcanzar el aumento en la productividad disminuyendo el esfuerzo físico del operario, la calidad de la producción y la disminución de los residuos sólidos, efluentes y emisores atmosféricos generados, en pos de entregar bienestar, comodidad y facilidades en todos los ámbitos del entorno humano. Teniendo en cuenta que las Certificaciones de Calidad en Colombia han venido creciendo de una manera acelerada y han sido, indudablemente, un factor de competitividad y de aumento de productividad de las empresas del país, Colcadenas Ltda., ha ido calando entre los ciudadanos que todos los días incrementan su percepción y necesidad de comprar bienes con calidad, buscando obtener la máxima satisfacción de los productos y servicios que ofrecen. El presente diseño será finalmente un aporte directo ó indirecto al cumplimiento de las normas que dan garantía a la calidad del producto ofrecido y una herramienta para la competitividad.

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1. MOTIVACION DEL PROYECTO

El presente proyecto responde a una necesidad solicitada por la empresa Colcadenas Ltda., para el diseño y automatización de un sistema de transporte de cadenas eslabonadas en el proceso de galvanizado.

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2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL Como se trata de satisfacer la necesidad del cliente y el mejoramiento de producción el objetivo del proyecto es diseñar un sistema automático y mecánico que permita transportar cadenas eslabonadas en la mayoría de etapas que hacen parte de su proceso de galvanizado. 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS � Conocer y comprender el funcionamiento de la planta donde se realiza el proceso de galvanizado para cadenas eslabonadas. � Analizar los dispositivos disponibles que permitan optimizar el transporte de cadenas en la mayoría de etapas, que hacen parte del proceso de galvanizado. � Buscar y proponer la tecnología apropiada para implementar el sistema automático del proceso de galvanizado para cadenas eslabonadas � Elaborar tanto la propuesta técnica como económica para desarrollar este proyecto. � Analizar las ventajas que trae automatizar la operación del proceso de galvanizado para cadenas eslabonadas. � Comprobar la efectividad y estabilidad de los diseños por medio de herramientas computacionales.

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3. MARCO TEORICO

El autor Henar Samaniego peña, plantea en la tesis Valorización de Efluentes de Decapado Ácido Metálico. Recuperación de Zin:

El acero es hasta el momento el metal más comúnmente utilizado hoy en día en el mundo. Satisface la mayor parte de las demandas de las principales industrias en términos de calidad técnica y económica. Sin embargo, existen una serie de limitaciones. Así, los aceros comunes no son resistentes a la corrosión. Las estructuras de acero no protegidas aparecerán cubiertas de óxido en varios días, e incluso horas después de su exposición a la humedad. Generalmente, la función de las estructuras de acero es la de soporte de la carga, por lo que una exposición prolongada puede dar lugar a daños en la integridad de la estructura generando costos de reparación y/o sustitución.2

Los fenómenos corrosivos son múltiples y variados y cada uno presenta unas características distintas. Es de gran importancia anticiparse a los efectos del medio ambiente sobre la calidad y durabilidad de los diseños a fabricarse en acero, que van desde la estructura que soporta las vallas de anuncios publicitarios hasta algún tipo de pórtico que finalmente será ubicado a la intemperie. El fenómeno de la corrosión interviene en la durabilidad de éstos conjuntos estructurales y es uno de los factores a tener en cuenta cuando se involucran materiales metálicos en la construcción. Una de las soluciones al problema de la protección de los metales frente a la corrosión del hierro y el acero a escala industrial, son los recubrimientos de metales menos nobles que el hierro, como son el magnesio, el aluminio, el cadmio y el zinc. De todos estos metales, ha sido el zinc el que se ha revelado como el más aplicable a esta función, por razones tanto técnicas como económicas. El proceso de galvanización consiste en generar en la superficie del acero unas capas de zinc protegiéndolo a través de un efecto de barrera y un efecto galvánico, los cuales permiten que el zinc actúe como un ánodo de sacrificio mientras que el acero actúa como un cátodo. El zinc en la mayoría de los ambientes se corroe más lentamente que el acero, incrementado la vida de éste en una proporción de 5 a 100 veces con respecto al acero desnudo. En el medio se realiza tanto galvanizado en frío como en caliente. El primero conforma una capa superficial de zinc la cual es fácil de retirar utilizando un elemento afilado sobre la superficie. Este proceso es muy 2 SAMANIEGO PEÑA, Henar. Valorización de Efluentes de Decapado Ácido Metálico. Recuperación de Zin [en línea]. Barcelona: Universidad de Cantabria, 2006. [consultado el 15 de octubre de 2008]. Disponible en intenet: http://www.tesisenred.net/TDX/TDR_UC/TESIS/AVAILABLE/TDR-1116106-131245//0de8.HSP_previo.pdf

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económico al compararlo con el método en caliente ya que en éste, se enlazan las últimas capas del acero íntimamente con las del zinc, proporcionando una capa dura y difícil de retirar, por lo que este proceso es el que más se utiliza cuando se deben construir piezas de acero que deberán permanecer al aire libre o en condiciones de humedad. Hasta el momento es el proceso de galvanizado el que le proporcionará al diseñador la herramienta para proteger sus piezas de acero del fenómeno de la corrosión, pero es indispensable tomar en cuenta lo siguiente: aunque esta capa de protección resistente a la corrosión, dura y delgada, raramente es atacada; cuando el acero recientemente galvanizado es expuesto a ambientes húmedos (agua lluvia, rocío, etc.) y además es ubicado en condiciones de deficiente aireación, el agua lluvia por ejemplo, que no contiene sales disueltas ni minerales, desencadena rápidamente una reacción formándose unos poros gelatinosos de hidróxido de zinc (óxido blanco concentrado y relativamente inestable) y que continua reaccionando con la capa consumiéndola progresivamente. Este tipo de fenómeno es llamado: Corrosión Blanca (White rust) la cual específicamente consiste en depósitos blancos grisáceos, básicamente de hidróxido de zinc, los cuales se presentan en los materiales recientemente galvanizados cuando la película de autoprotección del zinc se vuelve inestable bajo ciertas condiciones de almacenamiento y se corroe. Existen métodos básicos para obtener el acero galvanizado: galvanización por inmersión en caliente (hot dip), electrodeposición o galvanizado electrolítico y el galvanizado en frio. De allí se derivan toda una gama de productos que hacen del acero galvanizado un producto de múltiples posibilidades. 3.1 GALVANIZADO EN CALIENTE La Galvanización en Caliente es el proceso industrial por el cual se deposita y fija por aleación una capa de zinc sobre una superficie de acero mediante la inmersión en un baño de zinc en estado liquido. El galvanizado en caliente establece una protección electroquímica de tipo anódica-catódica donde el zinc se corroe “sacrificándose” lentamente en lugar del material más noble al cual recubre. Hoy por hoy el galvanizado en caliente es el recubrimiento de protección anticorrosivo mas difundido y económico. Para el galvanizado en caliente el proceso puede ser continuo o general , pero en ambos casos el principio es el mismo: En primer lugar se realiza un pre tratamiento de la superficie del acero para eliminar grasas y óxidos provenientes del proceso de fabricación, a fin de disponer de una superficie completamente limpia donde el Zn y el Fe puedan inter difundir y formar aleaciones.

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3.2 GALVANIZADO GENERAL En el galvanizado general o por bache, las piezas ya fabricadas, o semi terminadas, son pre tratadas y luego galvanizadas. En la Figura 1 se muestra un esquema general del proceso. La preparación superficial para galvanizar consta de estas etapas típicas: limpieza cáustica, lavado, decapado químico, lavado y baño de fundente. Figura 1. Esquema del proceso de galvanizado general.

En la limpieza cáustica se utiliza una solución de soda cáustica caliente para remover contaminantes orgánicos como sucio, grasas y aceites, de la superficie del acero”. En el decapado el óxido y mugre se eliminan de la superficie utilizando una solución diluida de ácido sulfúrico caliente o de acido clorhídrico a temperatura ambiente. El paso final es la aplicación del fundente, que consiste en una solución de sales de cloruros amoniacales de zinc. El fundente elimina el óxido y previene la oxidación posterior de la superficie para asegurar que el zinc fundido pueda mojar completamente al acero. En el recubrimiento o galvanizado la pieza es completamente sumergida en un baño de al menos 98% de zinc fundido, que se mantiene a 454 ºC durante el tiempo suficiente para que la pieza alcance la temperatura del baño. Luego la pieza es sacada lentamente del baño para escurrir completamente el exceso de cinc.

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Por lo general, el tipo de empresa que realiza este proceso suele ser de tamaño pequeño o medio, siendo normalmente talleres que trabajan por encargo. Para realizar este proceso de galvanizado la planta debe encontrarse en un sector catalogado para actividades industriales, además debe disponer de áreas adecuadas de almacenamiento tanto de materias primas como de productos terminados, también la planta debe tener un sistema adecuado de vertimientos de desechos ya que los procesos de galvanización producen fundamentalmente efluentes líquidos de dos tipos. Por un lado, aparecen cargas contaminantes altas, en volúmenes relativamente pequeños, (efluentes generados en los baños de proceso), y por otro lado, efluentes con cargas contaminantes diluidas en grandes volúmenes de agua (efluentes procedentes de los enjuagues o lavados). La generación de desechos sólidos o semisólidos es el siguiente problema en importancia después de los vertidos líquidos. Los principales residuos resultantes de la actividad son: disoluciones viciadas, lodos con contenido en metales pesados procedentes del tratamiento de las aguas residuales, aceites y grasas procedentes de la separación de aceites de los baños de desengrasado. A continuación se muestra en la tabla 1 los procesos generadores de residuos durante la galvanización. Tabla 1. Generadores de residuos durante la galvanización.

PROCESOS RESIDUOS Desengrase Partículas en suspensión de aceites emulsionados

Enjuague Aguas alcalinas, partículas en suspensión Decapado Lodos de cloruro de hierro, vapores ácidos Enjuague Aguas ácidas, cloruro de amonio

Inmersión en flux Vapores de amoniaco, goteo al piso Secado Vapores de amoniaco zinc

Inmersión en zinc Vapores de zinc, salpicaduras, cenizas

3.3 ZINCADO ELECTROLITICO (ELECTROCINCADO) En el zincado electrolítico, se depositan unos recubrimientos de zinc por electrólisis de sales de zinc en disolución acuosa con ayuda de una corriente continua. El espesor de los recubrimientos electrolíticos de zinc es sensiblemente inferior al de los correspondientes recubrimientos de galvanización en caliente, por lo que no suelen ser adecuados para exposición a la intemperie o en aplicaciones en las que se exija una cierta duración en servicio, a no ser que se protejan adicionalmente mediante pintura para prolongar su vida útil. Su adherencia al substrato de acero es buena y su aspecto superficial liso y brillante.

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El zincado electrolítico se lleva a cabo a temperatura normal y alta velocidad, por lo que aún después de galvanizar, los productos retienen virtualmente todas las propiedades básicas del metal base, conservando así excelentes características mecánicas para trabajarla. Sin embargo, debido a su recubrimiento de zinc relativamente bajo, es menos resistente a la corrosión que la galvanizada por inmersión en caliente. Este proceso se utiliza para proteger piezas más pequeñas y cuando requieren un acabado más uniforme. Es importante notar que el acero galvanizado electrolíticamente tiene excelente confortabilidad y puede ser soldado mediante soldadura por punto y que sus limitaciones van de acuerdo a la solubilidad del baño de zinc. 3.4 GALVANIZADO EN FRIO “El galvanizado en frío es un recubrimiento de zinc que se aplica sobre acero mediante pistola, spray, brocha o rodillo como lo ilustra la figura 2. Para que este tipo de producto tenga una resistencia a la corrosión equivalente al galvanizado en caliente se requiere que la película seca contenga un mínimo de 95% de zinc. Además es necesario que la capa sea conductora eléctricamente, solamente con estas dos características es capaz de proteger al acero. Por lo anterior este tipo de productos deben cumplir con varias normas ASTM. Las pinturas ricas en zinc no cumplen con estas normas y no pueden ser consideradas para protección galvánica”. Figura 2. Compuesto galvanizado en frío

Fuente: Compuesto galvanizado en frio [en linea]. Ecuador: Anty-Seize technology, 2008. [Consultado 16 de octubre del 2008]. Disponible en Internet: http://www.dmc.com.ec/ast/revest.htm

El galvanizado en frío es una alternativa equivalente al galvanizado en caliente respecto a su resistencia a la corrosión. Se puede utilizar para estructuras nuevas o sobre galvanizado dañado, y puede ser aplicado fácilmente por el usuario.

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Es una alternativa válida para aquellas zonas que están alejadas de plantas galvanizadotas o para mantención de estructuras en terreno. El galvanizado en frío permite el uso de pinturas protectoras o decorativas sin necesidad de ningún pre tratamiento. La pintura puede aplicarse directamente sobre la superficie galvanizada. 3.5 APLICACIONES El Galvanizado en frío se utiliza ampliamente para lo siguiente: 3.5.1 Estructuras de acero. Aplicando el galvanizado en frío en un espesor mínimo de 75 micrones, se logra la misma protección que el galvanizado en caliente. 3.5.2 Reparación de galvanizado dañado. Se utiliza para reparar galvanizado en caliente dañado por soldadura, corte, quemadura, cizallamiento, etc. 3.5.3 Regeneración de superficies galvanizadas. Se utiliza para regenerar superficies galvanizadas en caliente erosionadas por el tiempo. 3.5.4 Protección de soldadura. Las soldaduras son susceptibles de corroerse dado que el área soldada tiene un potencial eléctrico distinto al del metal base. Al aplicar galvanizado en frío sobre las costuras de soldaduras y a sus alrededores, inhibe la corrosión de estas mediante protección galvánica.

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4. DISTRIBUCION EN PLANTA

La distribución de la planta actual en Colcadenas Ltda. para la galvanización de cadenas eslabonadas y que ilustra la figura 3 es el resultado de la evolución que ha tenido la empresa a lo largo de los años.

Figura3. Distribución actual de la planta de galvanizado en Colcadenas Ltda.

� a. Decapado (acido Clorhídrico ó Sulfúrico) � b. Lavado (agua) � c. Enjuague (Cloruro de zinc y Cloruro de Amoniaco) � Tanque de Galvanizado #1 y #2: Baño de zinc fundido � d. Lavado (agua) � e. Brillado (cromo) � f. Enjuague (agua)

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De esta actual distribución logramos identificar algunos problemas:

� Discontinuidad del flujo productivo: Algunas instalaciones alejadas del proceso, proveedor y cliente. � Flujo de la materia prima “cruzada” por lo planteado anteriormente y por la necesidad de repetir una tarea por parte del operario realizando más de una fase del proceso en el mismo equipo. � Manipulación inadecuada y riesgosa: La manipulación de los químicos y el transporte de la materia prima de forma manual por parte del operario.

El objetivo y aporte para este proyecto es encontrar una nueva distribución que permita el traslado de la planta de galvanizado para poder optimizar el proceso en cuanto a equipamiento, flujo de la materia prima y sistema de almacenaje entre otros, en aras de conseguir economía en el trabajo, mayor seguridad, comodidad y satisfacción de los trabajadores.

Debemos tener en cuenta que con una acertada distribución en planta se puede lograr: � Movimiento de material en distancias mínimas. � Circulación del trabajador de forma segura a través de la planta. � Utilización “efectiva” de todo el espacio. � Mínimo esfuerzo y seguridad en los trabajadores. � Flexibilidad en el orden para facilitar futuras ampliaciones.

Para comenzar a estructurar y recopilar datos de los procesos de galvanizado en planta, se utilizaron algunas técnicas básicas de la ingeniería industrial, para nuestro entender es muy importante poder conocer el ciclo productivo del galvanizado para cadena eslabonada, como son en resumen las siguientes: 4.1 DIAGRAMA DE OPERACIÓN DE PROCESO El diagrama de operación de procesos es una técnica que brindara todos los detalles de un proceso productivo como lo es el galvanizado de cadenas eslabonadas, además que se familiariza con el personal de planta, ya que es de mucha importancia interrelacionar con el operario de tal forma que se pueda aprender los detalles generales de cada una de las etapas del proceso.

Se logra encontrar un mayor grado de utilización en el diagrama de operación de procesos el cual se ilustra en la figura 4 para alcanzar los objetivos a corto plazo (Tener un control total de todos los procesos productivos, con un buen balance de línea y una calidad del producto), objetivos que se esperan ser alcanzados satisfactoriamente.

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Figura 4. Diagrama de operación galvanizado cadena eslabonada.

4.2 TIPOS DE DISTRIBUCION Estos tipos de distribución de planta hacen referencia a la práctica en sí de cómo ordenar una planta de trabajo. 4.2.1 Distribución por posición fija o por producto estático. En este caso lo más obvio es que el producto que se va a fabricar no puede ser movido, ya sea por su tamaño o porque simplemente debe ser hecho en ese sitio. Ejemplo de esto son los tanques de recolección de agua que construyen las ciudades. Este tipo de trabajos por lo general exigen que la materia prima también se transporte a ese lugar ó que si se trata de ensamblar el producto las partes viajen desde la fábrica hasta el punto final, con lo cual se deberá tomar en cuenta esos costos y la mejor estrategia para disminuirlos. Por ejemplo puede contratar una bodega cercana donde hacer los últimos procesos antes de llevarlos al ensamblaje. 4.2.2 Distribución por proceso. Es donde las máquinas y servicios son agrupados de acuerdo a las características de cada uno, es decir que si

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organiza su producción por proceso debe diferenciar claramente los pasos a los que somete su materia prima para dejar el producto terminado.

4.2.3 Distribución por producto. Esta distribución es la llamada línea de producción en cadena ó serie. En esta, los accesorios, maquinas, servicios auxiliares etc. Son ubicados continuamente de tal modo que los procesos sean consecuencia del inmediatamente anterior.

La línea de montaje de un automóvil es un claro ejemplo de esto, sin embargo en las empresas de confecciones o de víveres también es altamente aplicado y con frecuencia es el orden óptimo para la operación. 4.3 SECUENCIA OPERATIVA Para poder tener una idea muy cercana de la posible distribución en plata del proceso de Galvanizado para cadenas eslabonadas hacemos uso de la distribución por procesos ó función la cual se ilustra en la figura 5 y que además se aplica cuando la demanda es intermitente y cuando se produce en lotes pequeños ofreciendo como resultado algunas ventajas como: � Espacio suficiente para los distintos procesos del galvanizado. � Optimizar la mano de obra y capacidad productiva del operario. � Aprovechamiento del espacio. � Garantizar la salud y seguridad de los operarios. � Mejorar el aspecto de las instalaciones de trabajo de cara al público. � Facilitar la supervisión de las tareas y las actividades de mantenimiento.

Figura 5. Distribución funcional ó por procesos.

Es de considerar y evaluar para la futura implementación del diseño los principios básicos de la distribución en planta. Algunos principios se resumen a continuación: 4.3.1 Satisfacción y seguridad. Será siempre más efectiva la distribución que haga el trabajo más satisfactorio y seguro para los trabajadores.

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4.3.2 Integración de conjunto. Se tiene en cuenta que la mejor distribución es la que integra a los hombres, materiales, maquinaria, actividades auxiliares y cualquier otro factor, de modo que resulte el compromiso mejor entre todas estas partes. 4.3.3 Mínima distancia recorrida. Igualdad de condiciones, es siempre mejor la distribución que permite que la distancia a recorrer por el material sea la menor posible. 4.3.4 Circulación o flujo de materiales. Es mejor aquella distribución que ordene las áreas de trabajo de modo que cada operación o proceso esté en el mismo orden o secuencia en que se transformen, tratan o montan los materiales. 4.3.5 Espacio cúbico. La economía se obtiene utilizando de un modo efectivo todo el espacio disponible, tanto en horizontal como en vertical. 4.3.6 Flexibilidad. Igualdad de condiciones será siempre más efectiva la distribución que pueda ser ajustada o reordenada con menos costo o inconvenientes.

Finalmente después de haber determinando las necesidades generales de las áreas se hace una distribución general de conjunto y después se procederá al ordenamiento de cada área con la ayuda de planos, gráficos ó esquemas que son fundamentales para poder tener una visualización y que ayudaran a realizar una buena distribución en planta.

Con lo anteriormente dicho y relacionando el diagrama de operación de procesos, los distintos sistemas de flujo y la distribución funcional ó por proceso se elaboro en software (Auto CAD) cuatro distintas distribuciones básicas en planta que se ilustran en la figura 6, para el proceso de galvanizado de cadenas eslabonadas.

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Figura 6. Distribuciones básicas en planta para el proceso de galvanizado de cadenas eslabonadas.

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Continuación de la figura 6.

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El resultado de hacer una buena distribución siempre será un trabajo de cooperación en equipo y en consecuencia la distribución en planta (4) es la que se selecciono ya que se puede identificar visualmente un poco más claro el sentido de cómo se desplazara la materia prima entre puestos diferentes dentro de una misma sección ó desde una sección a la siguiente que es importante, si se tiene en cuenta los principios básicos de la distribución al igual que la distancia a recorrer por el material, y el espacio horizontal y vertical utilizando de un modo efectivo. Para explicar un poco la circulación ó el flujo de la materia prima (cadena eslabonada) en la distribución en planta seleccionada, iniciamos con el ingreso de la materia prima al tanque (1) de decapado para un primer baño de limpieza en acido Clorhídrico o Sulfúrico que deja la superficie libre de impurezas. Después de una tiempo máximo de 20 minutos sale del tanque uno para ingresar al tanque (2) de Lavado que contiene agua para limpiar y tratar de quitar los ácidos que arrastra la cadena. Después de 15 minutos sale del tanque dos para ingresar al tanque (3) de Enjuague que contiene agua para minimizar los residuos de acido que no fueron eliminados en el lavado. Después de 15 minutos sale del tanque tres para ingresar al tanque (4) de Lavado que contiene mezclas de cloruro de zinc y cloruro de amoniaco, se deja un tirmpo de 15 minutos para eliminar cualquier resto de impurezas restantes de la superficie, neutralización del oxígeno, evitar la oxidación microscópica, y a la vez lograr mejor adherencia metalúrgica del recubrimiento de zinc en los tanques de galvanizado. La materia prima que sale de una etapa que se define como pretratamiento previo al galvanizado ingresa al tanque de almacenamiento que contiene agua y una base que evita que la cadena eslabonada se deteriore, manche ó pierda las características mínimas para ser galvanizada. Ahora la materia prima que sale del tanque de almacenamiento se deposita en un tanque (A) que contiene agua y que alimentara los tanques de galvanizado electrolítico con la materia prima. Cuando se introducen los ánodos de zinc en los tanques de galvanizado paralelamente se enciende el rectificador, graduando el voltaje para los dos tanques como se muestra en la tabla 2, así:

Tabla 2. Voltaje del rectificador para los tanques de galvanizado.

DIAMETRO(mm) VOLTAJE 2,10 a 4,60 3 a 3,5 6,20 a 7,80 3,5 a 4,5

8,75 a 12,40 4,5 a 5 Después se ajusta la frecuencia del variador de los tanques de galvanizado como se muestra en la tabla 3, así:

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Tabla 3. Frecuencias del variador para los tanques de galvanizado

FRECUENCIA (Hz) TANQUE DE GALVANIZADO #1

FRECUENCIA (Hz) TANQUE DE GALVANIZADO #2

20 13 También se debe tener en cuenta el número de vueltas de la cadena en los tanques de galvanizado las cuales dependerán del diámetro y que se muestran en la tabla 4, así: Tabla 4. Numero de vueltas de la cadena en los tanques de galvanizado

DIAMETRO(mm) No DE VUELTAS Entre 2,10 y 6,20 10

7,80 8 8,75 9 9,50 8

12,40 6 Por último se sumerge la cadena en los tanques de galvanizado de acuerdo al diámetro como se muestra en la tabla 5, así: Tabla 5. Numero de paso por cadena en los tanques de galvanizado

DIAMETRO(mm) No DE PASOS POR CADENA

2,10 a 8,75 1 9,50 a 12,40 2

Cuando la cadena eslabonada se revisa para verificar que quedo bien galvanizada pasa a un tanque (B) que alimentara al tanque (5) de Lavado que contiene agua para pasar después de 15 minutos al tanque (6) Paso que contiene agua y acido nítrico para limpiar y eliminar nuevamente algunas impurezas. Después de 15 minutos sale del tanque seis para ingresar al tanque (7) de Brillado para sumergir la cadena en un baño de cromo y sacarla inmediatamente. Cuando la cadena pasa por el tanque siete ingresa al tanque (8) que contiene agua para un último enjuague con una duración de 5 minutos y estará lista para el secado, control de calidad y venta. Como cualquier problema de ingeniería se reunió datos e información real que en paralelo con los problemas que se plantearon inicialmente y que se debe tener en cuenta para una acertada distribución, nos permitió comparar y evaluar las alternativas para finalmente seleccionar una distribución en planta

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que en ejecución y funcionamiento podrá aumentar la seguridad, la integración de conjunto, minimización de distancias, aumento y mejor flujo de la materia prima y aprovechamiento del espacio. Fue de gran ayuda el diseñar primero el todo sin preocuparse de los detalles, es decir, el flujo principal de la distribución sin entrar a la ordenación física dentro de las áreas ya que se obtuvo un modelo un poco más claro y preciso de la distribución, sin restricciones que pudieran limitar la capacidad y aporte de diseño.

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5. DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LOS TANQUES

El termino diseño es muy importante ya que se quiere recordar y aplicar algunos criterios del diseño Universal para el dimensionamiento de los tanques que van en relación al diagrama de operación de procesos, los distintos sistemas de flujo y distribución funcional ó por proceso que dieron como resultado final una distribución en planta. Se debe diseñar desde la perspectiva del usuario: entornos aptos y flexibles desde la variedad de capacidades, alturas y ámbitos de alcance, etc. La importancia del diseño universal es minimizar problemas de comunicación y desplazamiento. Problemas que van relacionados con las discapacidades (físicas, sensoriales, intelectuales), condiciones físicas (atlética, poca resistencia), enfermedades (obesidad, asma, neurosis) y accidentes (esguince, rotura). A continuación se darán algunas definiciones que involucran los criterios del diseño universal para tener una referencia de nuestro aporte. 5.1 CRITERIOS DEL DISEÑO UNIVERSAL 5.1.1 Diversidad. Existen múltiples realidades y situaciones que deberán ser solucionadas de manera flexible dando respuesta a las múltiples necesidades de los usuarios”. 5.1.2 Autonomía. Siempre se deberá favorecer la máxima autonomía de los usuarios, sobretodo de aquellos que presenten problemas en su movilidad o comunicación, tratando de evitar dependencia de terceras personas”. 5.1.3 Dignidad . El diseño no debe atentar contra la dignidad de la persona y su derecho a la privacidad, garantizando en todo momento el respeto hacia la persona con discapacidad. 5.1.4 Seguridad. El uso de las instalaciones ha de ser seguro para todas las personas, por lo que cualquier solución a la accesibilidad o ayuda técnica ha de velar por la integridad. 5.1.5 Compatibilidad . La accesibilidad ha de ser una cualidad integrada en el diseño, que garantice el uso y disfrute de todo tipo de usuario, sin perder la esencia propia o naturaleza de las mismas.

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5.1.6 Seguro . El diseño debe idearse libre de todo riesgo. Por lo tanto, todos aquellos elementos que forman parte de un entorno deben ser diseñados siguiendo las bases de la seguridad. 5.1.7 Saludable . El diseño no debe constituir un riesgo para la salud o causar problemas a aquellos que sufren ciertas enfermedades o alergias. Es más, deberá promover un uso saludable de espacios y productos. 5.1.8 Funcional . El diseño debe ser tal que permita su funcionamiento sin crear problemas o dificultades. 5.1.9 Estético . EL resultado debe ser agradable estéticamente, de manera que sea mayormente aceptado por todo el mundo. Para iniciar con el diseño y dimensionamiento de los tanques es importante tomar como referencia los diferentes diámetros de la materia prima (cadenas eslabonadas) con la que actualmente dispone la empresa Colcadenas Ltda. Para el galvanizado como se muestra la tabla 6 y también con la secuencia lógica que sigue la distribución en planta como lo ilustra la figura 7. Tabla 6. Ficha técnica de cadenas eslabonadas en la empresa Colcadenas Ltda.

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Figura 7. Distribución en planta

Antes de pasar al diseño y dimensionamiento de los tanques 1, 2, 3, 4 y A es importante referirse a la geometría de la caneca utilizada actualmente en la empresa para las cuatro primeras etapas del proceso y la cual describe una geometría cilíndrica como se muestra en la imagen 1 con dimensiones de 53 cm de diámetro y 83 cm de altura aproximadamente. Imagen 1. Foto de la planta de galvanizado de Colcadenas Ltda.

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Para determinar el volumen total disponible en la caneca cilíndrica y la cual fue modelada por software (Solid Edge ) como lo ilustra la figura 8 se aplica la formula general del volumen del cilindro que se relaciona con el radio y la altura.

"**" 2 hrVcilindro π=

Figura 8. Caneca Cilíndrica modelada en Solid Edge.

Reemplazando en la formula general del volumen del cilindro tenemos:

galoneslitroscmcmcm

Vcilindro 30.40113.18365.18311383*2

53* 3

2

≅≅=

= π

Matemáticamente se obtiene como resultado teórico de 183.113 litros (40.30 galones) aproximadamente de volumen disponible. Para realizar una prueba se tomaron siete tramos de cadena eslabonada de ¼” . Cada tramo tiene 100 metros y el peso para un metro es de 0.72 como se muestra en la tabla 6. Para determinar el peso aproximado de los siete tramos de cadena eslabona de ¼” hacemos lo siguiente:

kgkgtramos 50472.0*100*7 =

83 cm

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Para los siete tramos de la cadena eslabonada de ¼” y un total de 504 Kg. de peso aproximado se vertieron 130 litros de agua en la caneca cilíndrica que equivalen a 34.35 galones para cubrir uniformemente toda la cadena en la caneca cilíndrica. Se partió de los resultados obtenidos para el diseño de los tanques 1, 2, 3, 4 y A ya que se desea reemplazar el modelo geométrico de la caneca cilíndrica por un modelo geométrico de tipo paralelepípedo como lo ilustra la figura 9 para aumentar el volumen un 100% dando mayor capacidad de contenido de materia prima, seguridad para el operario, compatibilidad con la distribución en planta, funcionalidad y estética que son algunos criterios del diseño universal. Figura 9. Caneca cilíndrica circunscrita en un paralelepípedo.

En la distribución en planta se definen las dimensiones de lado (60 cm) y base (60 cm) que son los espacios disponibles para la ubicación de los tanques 1, 2, 3, 4 y A. Como variable se dejo la altura la cual determinara con el volumen total requerido que garantizara el sobredimensionamiento del volumen en un 100%. De esta manera y aplicando la fórmula general del volumen de un paralelepípedo tenemos:

"**" hbaseladoipedoVparalelep =

Recordamos que si deseamos aumentar en un 100% el volumen inicial total de la caneca cilíndrica en el nuevo tanque.

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El volumen de la caneca cilíndrica es 183.113 litros (40.30 galones) y el volumen que tomara el nuevo tanque paralelepípedo es de 366.226 litros (80.58 galones).

3cm 366226ros366.226Lit ≅=ipedoVparalelep

Ahora determinamos la altura:

hbaseladoipedoVparalelep **= Reemplazando tenemos:

hcmcmcm *60*60366226 3 = Despejando h tenemos:

cmcmcmcm

cmh 10072.101

60*60

366226 3

≅==

Como resultado final se obtuvieron las nuevas medidas y geometría de los tanques 1, 2, 3, 4 y A y que se ilustran en la figura 10 logrando el aumento del 100% del volumen inicial que evitaran algún tipo de fricción con la canastillas que van a contener la materia prima para ser transportada y la minimización del derrame de residuos contaminantes (líquidos y/o ácidos). Figura 10. Tanques 1, 2, 3, 4 y A modelados en Solid Edge.

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Continuación de la figura 10.

Para el diseño y dimensionamiento de los tanques 5, 6, 7, 8 y B y para lo cual es muy importante tener en cuenta que la cadena eslabonada cuando pasa por los tanques de galvanizado tiene una menor velocidad lo cual da como resultado un volumen de salida en cadena mucho menor como se muestra en la imagen 2, comparado con el que pasa por los tanques 1, 2, 3, 4 y A. Imagen 2. Foto de los tanques de salida, planta de galvanizado de Colcadenas Ltda.

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El operario que actualmente realiza el proceso de galvanizado en la empresa nos dio un valor numérico de 2 tramos que es la cantidad máxima de cadena eslabonada de ¼” que puede ingresar a los tanques 5, 6, 7, 8 y B . Cada tramo tiene 100 metros de longitud y peso aproximado de 0.72kg por metro. Entonces el valor numérico de la cantidad máxima de cadena eslabonada que puede ingresar a los tanques 5, 6, 7, 8 y B es de 144 Kg de peso total por los dos tramos de cadena. Recordamos que en la distribución en planta están definidas las dimensiones de lado (60 cm) y base (60 cm) que son los espacios disponibles para la ubicación de los tanques 5,6, 7, 8 y A. Como variable se dejo nuevamente la altura la cual dependerá del volumen que se obtuvo para los tanques 1, 2, 3, 4 y A. También se quiere pasar de 2 tramos de cadena a 5 pensando en un futuro aumento de materia prima a la salida de los tanques de galvanizado. Teniendo en cuenta lo anterior se planteo lo siguiente: Volumen de los tanques 1, 2, 3 y 4 y A = 3cm 366226 Ahora se hace la relación la cual es directamente proporcional: 7 tramos (1, 2, 3, 4 y A) = 3366226 cm 5 tramos (5, 6, 7, 8 y B) = Volumen tanques (5, 6, 7, 8 y B) Despejando tenemos:

33

2615907

366226*5)8,7,6,5( cm

cmyAV ==

Después de obtener el volumen teórico se calculo la altura definiendo nuevamente un modelo geométrico que describe una figura de tipo paralelepípedo para el diseño de los tanques 5, 6, 7, 8 y B. De esta manera y aplicando la fórmula general del volumen de un paralelepípedo se tiene:

hbaseladoipedoVparalelep **= Reemplazando tenemos:

hcmcmcm *60*60261590 3 = Despejando h tenemos:

cmcmcmcm

cmh 7066.72

60*60

261590 3

≅==

Después de hallar un valor teórico de la altura se comparo con el valor real del volumen del tanque que dependerá de las dimensiones y la geometría que lo

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describe. Se tomaron las dimensiones de una de las canecas que se encuentran ubicadas después del tanque de galvanizado. Las dimensiones de la caneca fueron 43 cm de diámetro y 50 cm de altura . Para determinar el volumen total disponible de la caneca cilíndrica que ilustra la figura 11 se aplico nuevamente la formula general del volumen del cilindro, la cual se relaciona con el radio y la altura.

hrVcilindro ** 2π=

Figura 11. Caneca cilíndrica ubicada después del galvanizado.

Reemplazando tenemos:

galoneslitroscmcmcm

Vcilindro 19.19072.07261050*2

43* 3

2

≅≅=

= π

Al comparar el resultado del volumen teórico para los cinco tramos de cadena eslabonada de ¼” y el resultado del volumen práctico para los dos tramos de la misma cadena se tuvo un aumento del 180% garantizando el cubrimiento uniforme de los dos ó cuatro tramos de cadena eslabonada depositados en la canastilla evitando algún tipo de fricción, contacto con las paredes de los tanques y algún tipo de derrame de los liquido. Finalmente para el diseño y dimensionamiento del tanque de almacenamiento que ilustra la figura 12 se tomo de lado (120 cm) y de base (300 cm) el espacio disponible en la distribución en planta con una altura máxima de 100 cm que va

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en relación a la altura de los tanques 1, 2, 3, 4 y A que son en conjunto la etapa de pretratamiento al galvanizado. Como resultado se puede almacenar un promedio total de 5 toneladas de materia prima aproximadamente en agua y neutralizante.

Figura 12. Tanque de almacenamiento modelado en Solid Edge

El material que se recomienda para el diseño de los tanques es el polipropileno por sus características y aplicación para entornos industriales que involucran procesos de galvanización, almacenamiento de acido sulfúrico concentrado y dilución. 5.2 POLIPROPILENO El polipropileno es un polímero con características muy especiales que lo hacen ser muy atractivo. La estructura del polipropileno permite formar diferentes tipos de polímeros, cada uno con características especiales”. El polipropileno es uno de esos polímeros versátiles que cumple con una doble tarea, como plástico y como fibra. Como plástico se utiliza para hacer envases rígidos, tuberías, moldes, recubrimientos entre otras muchas cosas. Como fibra, el polipropileno se utiliza para hacer alfombras de interior y exterior, sacos

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de recolección, muy importantes en la industria, y hasta se trata de realizar una mezcla de concreto con polipropileno para mejorar su resistencia. Lo que hace atractivo al polipropileno es su combinación de propiedades, la gran resistencia que tiene al calor, así como su dureza generada por las zonas cristalinas, sin contar su gran versatilidad para poder formar nuevos compuestos de diferentes formas. Además económicamente resulta en extremo favorable para las industrias, el monómero es de bajo costo, obtenible por varios métodos. El tipo de polimerización es en extremo efectiva, y muy investigada. 5.2.1 Características del polipropileno � Excelente comportamiento bajo tensiones y estiramiento. � Resistencia mecánica. � Elevada flexibilidad. � Excelente resistencia a la intemperie. � Livianos y fácilmente reparables y modificables. � Buenas propiedades químicas y de impermeabilidad. � No afecta al medio ambiente por su ausencia de productos químicos. � Alta resistencia a la corrosión. � Alta durabilidad de los equipos. � Bajo costo de mantenimiento.

La industria del polipropileno invierte en Investigación, Desarrollo y Producción de materiales que cumplen con los requerimientos de calidad y seguridad necesarios para satisfacer las exigencias del consumidor. Esto permite menor producción de residuos.

El polipropileno contiene energía comparable con los combustibles fósiles, de ahí que los residuos de polipropileno constituyen una excelente alternativa para ser usados como combustible para producir energía eléctrica y calor.

En termoplásticos “TEPSA” es una solución para la elaboración de tanques en polipropileno como se muestra en la imagen 3 y 4, ofreciendo un sistema confiable para el almacenamiento y transporte de productos químicos altamente corrosivos.

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Imagen 3. Foto de tanques continuos en polipropileno fabricados por TEPSA.

Imagen 4. Fotos de tanques independientes fabricados por TEPSA

Es importante el aporte del polipropileno a los criterios de diseño como la seguridad lo funcional y lo estético y lo más importante al medio ambiente ya que es 100% reciclable, en la forma de scrap industrial (desechos plásticos de las industrias) ó en la forma de residuo post-consumo como baterías de automóviles.

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6. DISEÑO DE LAS CANASTILLAS

Otro de los inconvenientes más grandes en el proceso de galvanizado es el transporte manual de la materia prima para ser sometida a dicho recubrimiento y el cual es llevado a cabo por una persona durante toda su jornada laboral. Es un proceso, que además de ser ineficiente es sumamente nocivo para la salud del operario por su contacto permanente con este tipo de sustancias ya que pueden generar con toda seguridad problemas de salud a futuro. A lo anteriormente dicho se quiere hacer un diseño básico de unas canastas que permita contener la materia prima para que sea enganchada como se ilustra en la figura 13 y finalmente transportada durante todas las etapas que hacen parte del proceso de galvanizado, logrando así proteger al operario y minimizar tiempos. Figura 13. Modelos de la canasta para el transporte de la materia prima

Se tomo en cuenta que la cantidad de materia prima que es transportada en las etapas de pretratamiento para su galvanización es mayor que la que circula por las etapas de postratamiento y al igual que para el diseño de los tanques se realizara los cálculos matemáticos para siete y cinco tramos de cadena eslabonada. Se diseñaran 2 canastillas para que la materia prima sea transportada independientemente. La distribución en planta que se ilustra en la figura 14 está dividida en dos zonas que involucran las etapas de pretratamiento (zona 1) y postratamiento (zona 2) para el recubrimiento de la cadena eslabonada.

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Figura 14. Zona de pretratamiento y postratamiento para el galvanizado de la cadena eslabonada

La tabla 7 indica la densidad del acero, propiedad con la cual se va a determinar un volumen aproximado que sería ocupado por los siete y cinco tramos de cadena eslabonada de ¼” y el cual permitirá determinar el volumen de la canastilla disponible con las medidas que se definan por defecto más adelante. Tabla 7. Densidad de los materiales

Materiales 3/ mKg 3/ pullbm Aceros 7800 0.28 Aluminio y sus aleaciones 2700 0.097 metal blanco con base estaño 7400 0.26 metal blanco con base plomo 10100 0.37 Bronce fosforoso 8700 0.31 Bronce poroso 6400 0.23 Hierro fundido 7400 0.27 Cobre 8900 0.32 Latones 8600 0.31

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6.1 DISEÑO CANASTILLA 1 Para el diseño de la canastilla 1, necesitamos determinar el volumen ocupado idealmente por los siete tramos de cadena eslabonada de de ¼”. Datos: Densidad del acero = 7800 3/ mKg Peso total de los siete tramos de la cadena eslabona de ¼” kg504≅

Para determinar nuestra variable se utilizara la relación V

MD = ; donde D es la

densidad, M la masa y V es el volumen. Despejando el volumen tenemos:

D

MV =

Reemplazando los datos de densidad y volumen:

333

646000646.0/7800

504cmm

mkg

kgVcadena ≅==

El volumen aproximado que ocupa los siete tramos de la cadena eslabonada de ¼” en acero es de 364600 cm Para establecer las medidas que se requieren para el diseño de la canastilla 1, se toma como referencia las dimensiones de los tanques 1, 2, 3, 4 y A, con una diferencia de 20cm de base, 20cm de lado y 10cm de altura para crear una holgura suficiente entre la paredes que permitirá evitar la fricción ó contacto cuando esta ingrese a los tanques 1, 2, 3, 4 y A. Dimensiones de los tanques 1, 2, 3, 4 y A � Lado = 60cm � Base = 60cm � Altura = 100 cm Teniendo en cuenta lo anterior la medida de la canastilla 1 serian: � Lado = 60cm - 40 = 20cm � Base = 60cm – 40 = 20 � Altura = 100cm – 10cm = 90cm

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Como resultado se tiene que las medidas de la canastilla 1 son:

� Lado = 40cm � Base = 40cm � Altura = 90 Ahora se halla el volumen de la canastilla 1 con las medidas ya definidas. Como la geometría que describe la canastilla es un paralelepípedo entonces se aplicara las formulas de volumen.

hblipedoVparalelep **= Reemplazando los datos de base, lado y altura tenemos:

314400090*40*40 cmcmcmcmipedoVparalelep == Ahora se compara haciendo una diferencia del volumen ideal que ocupa los siete tramos de la cadena eslabonada de ¼” con el volumen de la canastilla 1, esto para comprobar si la canastilla 1, tendrá el espacio suficiente para cubrir el volumen ( 33.64615 cm ) ocupado por la cadena.

ipedoVparalelep - Vcadena Reemplazando tenemos:

3144000 m - 33 7940064600 cmcm = El resultado de la diferencia de volúmenes nos demuestra que la cadena eslabonada puede ser depositada en la canastilla dejando como volumen teórico disponible un total de 379400cm aproximadamente para un eventual aumento de materia prima. Para establecer las medidas que se requieren para el diseño de la segunda canastilla se deja nuevamente una diferencia de 20cm de base, 20cm de lado y 10cm de altura con el objeto de dejar un espacio suficiente que evite causar algún tipo de fricción ó contacto cuando la canastilla ingrese a los tanques 1, 2, 3, 4 y A. 6.2 DISEÑO CANASTILLA 2 Para el diseño de la canastilla 2, necesitamos determinar ahora el volumen ocupado idealmente por los cinco tramos de cadena eslabonada de de ¼”. Datos: Densidad del acero = 7800 3/ mKg

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Peso total de los cinco tramos de la cadena eslabona de ¼” kg360≅

Para determinar nuestra variable se utilizara la relación V

MD = ; donde D es la

densidad, M la masa y V es el volumen. Despejando el volumen tenemos:

D

MV =

Reemplazando los datos de densidad y volumen:

333

461000461.0/7800

360cmm

mkg

kgVcadena ≅==

El volumen aproximado que ocupa los cinco tramos de la cadena eslabonada de ¼” en acero es de 346100cm . Para establecer ahora las medidas de la segunda canastilla 2, se tomo como referencia las dimensiones de los tanques 5, 6, 7, 8 y B, dejando nuevamente una diferencia de 20cm de base, 20cm de lado y 10cm de altura para crear una holgura suficiente entre la paredes que permitirá evitar la fricción ó contacto cuando esta ingrese a los tanques. Dimensiones de los tanques 5, 6, 7, 8 y A Lado = 60cm Base = 60cm Altura = 70 cm Teniendo en cuenta lo anterior la medida de la canastilla 2 serian: Lado = 60cm - 40 = 20cm Base = 60cm – 40 = 20 Altura = 70cm – 10cm = 60cm

Como resultado se tiene que las medidas de la canastilla 1 son:

Lado = 40cm Base = 40cm Altura = 60 Ahora con las medidas ya definidas se calculara el volumen de la canastilla 2. Como la geometría que describe la canastilla es un paralelepípedo entonces aplicaremos la formula de volumen.

hblipedoVparalelep **=

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Reemplazando los datos de base, lado y altura tenemos:

39600060*40*40 cmcmcmcmipedoVparalelep == Ahora comparamos haciendo una diferencia del volumen ideal que ocupa los cinco tramos de la cadena eslabonada de ¼” con el volumen de la canastilla 2, esto para comprobar si la canastilla 2, tendrá el espacio suficiente para cubrir el volumen ( 33.64615 cm ) ocupado por la cadena.

ipedoVparalelep - Vcadena Reemplazando tenemos:

396000m - 33 4990046100 cmcm = El resultado de la diferencia de volúmenes nos demuestra que la cadena eslabonada puede ser depositada en la canastilla dejando como volumen teórico disponible un total de 349900cm aproximadamente para un eventual aumento de materia prima. 6.3 IMPLEMENTACIÓN FISICA Para la futura implementación física de las canastillas 1 y 2 que se ilustra en la figura 15 y 16, será solicitado al proveedor que las paredes y bases de las mismas, se perforen unos orificios de mínimos 2mm y hasta 3mm de diámetro con fin de evacuar al máximo cualquier liquido que sea arrastrado durante y hasta las etapas de pretratamiento y postratamiento del galvanización de la cadena eslabonada. Figura 15. Canastilla 1 para el transporte de la cadena eslabonada en la zona 1 (pretratamiento)

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Figura 16. Canastilla 2 para el transporte de la cadena eslabonada en la zona 2 (postratamiento)

El material de diseño que se recomienda es el acero inoxidable por su Alta resistencia a la corrosión, resistencia mecánica, apariencia y propiedades higiénicas y resistencia a altas y bajas temperaturas. Requiere un mantenimiento mínimo ya que después de tener contacto continuo y directo con algún ácido o disolvente por prolongados tiempos, se enjuaga con agua neutra para una limpieza correcta permitiendo conservar el aspecto estético.

Para poder solicitar a cualquier proveedor el diseño de los tanques y canastillas es necesario entregar unas especificaciones de las dimensiones con requerimientos mínimos, como se muestra en la tabla 8.

Recordamos que la densidad absoluta o densidad normal, también llamada densidad real, expresa la masa por unidad de volumen.

Para determinar el peso total de la cantidad de agua que se puede verter en los tanques 1, 2, 3, 4, A y 5, 6, 7, 8 y B tomamos el volumen teórico hallado para cada unos de los tanques y lo relacionamos con la densidad del agua. Datos: Volumen en los tanques 1, 2, 3, 4 y A = 3366226 cm Volumen en los tanques 5, 6, 7, 8 y B = 3261590 cm Densidad del agua = 3/1000 mkg

Reemplazando en la ecuación deVolumen

MasaAguaDensidad = ; tenemos:

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33

366226.0/1000

m

MasaAguamkg =

Para los tanques 1, 2, 3, 4 y A despejando la masa tenemos:

kgmmkgMasaAgua 367366226.0*/1000 33 ≅= Para los tanques 1, 2, 3, 4 y A el peso máximo de liquido (agua) es de

kg367 . Ahora para los tanques 5, 6, 7, 8 y B tenemos:

kgmmkgMasaAgua 2620.261590 */1000 33 ≅= Para los tanques 5, 6, 7, 8 y A el peso máximo de liquido (agua) es de

kg262 Tabla 8. Especificaciones de las dimensiones de los tanques y canastillas

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7. DISEÑO ESTRUCTURAL DEL SISTEMA DE TRANSPORTE

En cuanto al análisis estructural y montaje del sistema de transporte lo primero que se debe hacer es un estudio de suelos del lugar donde va hacer implementado ya que implica la seguridad de este y de los operarios. 7.1 ESTUDIO DE SUELO La importancia del estudio de suelos depende del tipo de proyecto que se va realizar y de la magnitud de este. Con los resultados que arroje el estudio de suelos se pueden tomar decisiones del tipo de cimentación a utilizar, esto implica si el terreno es apto o no para la respectiva construcción, determina la profundidad a la cual se debe cimentar dependiendo del tipo de suelo y la capacidad de soporte del suelo (resistencia del suelo). El estudio de suelos permite determinar las correctas dimensiones de la cimentación del proyecto, sin redundar en costos innecesarios o caer en deficiencias que puedan causar un desastre con el proyecto. Para este proyecto en donde se planea el montaje de un Puente Grúa, y la parte estructural de soporte como columnas, vigas y zapatas, se realizo el estudio de suelos del terreno para evaluar las características geotécnicas y cimentación del subsuelo, así como el establecer el tipo de fundación más indicado para dicha estructura de soporte y los parámetros para su respectivo diseño y construcción. Para del diseño de las zapatas se debe tener en cuenta la capacidad portante del suelo la cual se obtuvo del análisis del estudio de suelos del terreno donde se va montar todo el sistema. 7.2 CAPACIDAD PORTANTE Se denomina capacidad portante a la capacidad del terreno para soportar las cargas o fuerzas aplicadas sobre él. La capacidad portante del suelo se evaluó mediante el método de Schmertmann (*) en función de su resistencia a la penetración estándar (N), del tipo de suelo y de la profundidad. La tabla 9 resume el estimativo efectuado:

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Tabla 9. Capacidad portante del suelo

� (1). Profundidad medida a partir del nivel actual del terreno. � (2). Resistencia a la penetración estándar. Valor promedio. � (3). Capacidad Portante admisible para el valor promedio de N. De acuerdo con el estimativo anterior la capacidad portante del suelo varía, en términos generales, en aumento con la profundidad, siendo en el estrato de limo del orden de 1.8 a 2.0 Kg/cm2, y en las gravas del orden de los 4.0 Kg/cm2. 7.3 RECOMENDACIONES 7.3.1 Fundación propuesta Para efectos de la fundación de la estructura que soporta el Puente Grúa, teniendo en cuenta las características del subsuelo mencionadas, se tiene la siguiente alternativa:

Fundación mediante zapatas colocadas a una profundidad de 1.50 mts , por debajo del nivel de piso actual, diseñadas para una capacidad portante del suelo de 1.8 2/ cmkg . 7.4 METODOLOGÍA DE DISEÑO De acuerdo a la metodología de diseño Mecatrónico, para el diseño del sistema de transporte se plantearon las siguientes etapas

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7.4.1 Identificación de la necesidad. En esta primera etapa se plantea lo que necesita el cliente de una manera muy general. De acuerdo a la necesidad de la empresa Colcadenas Ltda., que es mejorar el transporte de cadenas eslabonadas del proceso de galvanizado que actualmente se realiza manualmente. Por tal motivo, lo que se busca es diseñar, automatizar e implementar un sistema de transporte, en este caso un puente grúa, que permita un optimo mejoramiento de transporte, seguridad operaria y rendimiento en el proceso de galvanizado para cadenas eslabonadas la cual van a estar sometidas a diferentes etapas, y que cumpla con las expectativas del cliente. 7.4.2 Selección de la propuesta. De acuerdo a la complejidad del proyecto se opto por un sistema de transporte puente grúa por las siguientes características � Es un sistema aéreo � Su desplazamiento se realiza en xyz � Facilidad de montaje y desmontaje � Fácil mantenimiento � Durabilidad � Seguridad � Económico comparado con otros sistemas � Su manipulación puede ser manual y automático � Buena capacidad de carga � Resistente a la corrosión � Campo de trabajo optimo � Resistente a cambios de temperatura 7.4.3 Especificaciones de funcionamiento. El puente grúa debe estar en la capacidad de:

� Desplazar una carga dentro de un cubo de dimensiones especificadas. � Debe ser de un costo moderado por las características del proyecto. � Fácil mantenimiento � Debe ser flexible en el sentido de que permita ser automatizado. � Capacidad a soportar es de 3000 KG � Su desplazamiento debe ser xyz � Fácil de montar y seguro 7.4.4 Alcance. La automatización e implementación del sistema permite mejorar y minimizar el tiempo de trabajo tanto como en el operario como en el transporte de la materia prima en cada etapa del proceso de galvanizado, se pretende también brindarle más seguridad y bienestar al operario ya que está

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expuesto a soluciones químicas dañinas para su salud por motivo que todo este proceso actualmente se está realizando manual. Con lo anteriormente y con el propósito alcanzado se quiere lograr satisfacer las expectativas requeridas por el cliente. 7.4.5 Ideación, invención y análisis. Luego de considerar los criterios anteriores se llegó al siguiente diseño, que para su simulación y diseño fue realizado con el software Solid Edge. A continuación en la figura 17, se muestra el esquemático del sistema. Figura 17. Esquemático del puente grúa

7.4.6 Diseño detallado. Para el diseño del puente grúa se tuvo en cuenta todo lo relacionado con las propiedades mecánicas de los materiales. Haciendo cálculos para así detallar con exactitud que materiales se van utilizar. Las dimensiones y parte estructural de soporte del puente son las siguientes: 7.4.6.1 Viga luz. Es aquella estructura que forma el puente, conjuntamente con los carros testeros los cuales se desplazaran por el camino de rodadura, está fabricada de acero ASTM A36 es un material muy bueno con excelentes propiedades mecánicas este se utiliza para fabricar todo tipo de estructuras, las dimensiones de la viga es de 6 metros de longitud y tiene una capacidad de carga viva de 3000 Kg.

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7.4.6.2 Carros testeros. Son dos carros los cuales soportan la viga luz y por consiguiente proporcionan el movimiento horizontal a través de un camino de rodadura que esta soldado a unas vigas. Estos están fabricados de acero ASTM A36, tienen una longitud de 1 mt, está equipado por dos ruedas de acero ASCE20 las cuales se traslada por la viga carrilera, su capacidad de carga es de 1800 Kg. 7.4.6.3 Columnas. Estas son 6 columnas metálicas en viga estructural normalizada ASTM A36 de 4.5 mts de altura con platinas base de 35 x25 cm. en lámina HR (perfil de la lamina) de ½” de espesor, ancladas con pernos a unas zapatas de 1 mt de ancho por 1.50 mts de profundidad, las zapatas son hechas en concreto. 7.4.6.4 Vigas de recorrido o carrileras. Tiene 22 metros de viga recorrido o carrilera (11 metros por cada lado, paralelas entre sí) fabricada en viga estructural normalizada tipo A36 con palanquilla de acero SAE 1020 en la zona superior para el sistema de rodadura de los carros testeros. En la viga carrilera está sujeta la viga luz del puente con sus equipos como el trolley, polipasto y el izaje con su gancho de agarre de cadena de acero inoxidable. En la Imagen 5, se muestra la estructura de un sistema de transporte, en conjunto con sus equipos (carros testeros, trolley, viga carrilera, columnas, polipasto y viga luz). Imagen 5. Estructura del puente grúa y elementos

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7.4.6.5 Polipasto fijo con gancho. Es el sistema de elevación de la carga o material, y está conformado por los siguientes componentes que se muestra en la imagen. � Componentes del polipasto. � Gancho de carga. � izaje de 4.5 mts de altura con su gancho de agarre de acero inoxidable. � Contenedor de cadena. � Motor de elevación. � Botonera de control. � Potencia del motor es de 1.5 Kw Imagen 6. Polipasto

7.4.6.6 Trolley. Es el sistema donde va suspendido el polipasto y el que hace el movimiento de traslación sobre la viga luz tanto a la izquierda como a la derecha, está conformado por los siguientes componentes que se muestra en la imagen 7. � Componentes del trolley.

� Motor AC � Ruedas para el movimiento � Gancho de agarre para el polipasto

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Imagen 7. Trolley

En la imagen 8, se muestra en conjunto el sistema de elevación. Imagen 8. Polipasto y Trolley

La selección de los anteriores equipos mencionados se llevo a cabo de acuerdo a las investigaciones realizadas por internet, asesorías de personal calificado y cotizaciones hechas a diferentes empresas suministradoras e importadoras de equipos para puentes grúa como Spim Ltda. Tecni Yale Ltda. IMOCOM S.A. En los anexos están mencionados cada uno de los equipos del sistema de transporte con sus características y valor respectivo.

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7.5 CONCEPTOS Y ESPECIFICACIONES 7.5.1 Carga. Peso total impuesto en el gancho de carga incluyendo el peso de los dispositivos de elevación. 7.5.2 Carga viva. Carga variable y adicional sobre la estructura de la grúa. 7.5.3 Carga muerta. Carga permanente y fija sobre la estructura de la grúa. 7.5.4 Carro “trolley”. Mecanismo de suspensión de un polipasto, con ruedas para proporcionar movimiento de traslación horizontal de la carga. 7.5.5 Ascenso y descenso (izaje). Desplazamiento de la carga en dirección vertical. 7.5.6 Grúa. Máquina de acción cíclica que está destinada a levantar y mover cargas suspendidas por medio del gancho o de otro dispositivo de manejo de carga 7.6 CALCULOS MATEMATICOS PARA EL ANÁLISIS Y DISEÑO DE ZAPATAS, COLUMNAS Y VIGAS PARA UN PUENTE GRÚA Para el diseño de las estructuras donde va a ir montado el puente, se tuvo en cuenta las especificaciones reales de carga que va a soportar y los pesos propios de cada dispositivo ó material. A continuación se encuentran las especificaciones de cada dispositivo con su peso propio y de carga. 7.6.1 Carga muerta (D): *PP canastilla =100Kg *PP trolley y polipasto = 160Kg * PP viga luz y viga carrilera D ⇒Peso total = 260Kg

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7.6.2 Carga viva (carga móvil) (L)= 3000 kg. Utilizaremos acero A-36

� Desarrollo

Norma de diseño

2125.0

6.12.1

WulMu

LDWu

=+=

inKMu

mTwulMu

mTWu

tonKgWuLDWu

−=−===

==

==+=⇒+=

51.378

614.86*37.4)87.6)(74.0(125.0125.0

/74.087.6

112.5

112.55112)3000(6.1)260(2.16.12.1

22

Criterio: FyZxMnMu 9.0=Φ≤ modulo resistente de la sección

Modulo Resistente: 368.11

36*9.0

51.378in

Fy

MuZx ==

Φ≥

Ensayar W10*26 donde W es la marca, 10 es el peralte y 26 es el peso del perfil (lb/pie) de la estructura.

� Compatibilidad:

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Como Lb>Lr y Lp se encuentra en la zona correspondiente: Zona III

78.344*1.14*48.270

29000*38.0*11200*1.14*29000

48.270

2

+= ππMn

mTmKgmKgmKgftLbWg /78.0/77.778/740/76.38491.1*/26 ==+==

Para el diseño de cualquier estructura debemos tener siempre en cuenta que

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0.18.044.500

58.398.. <==

Φ=

Mn

MuESI

Decimos que esta OK, ya que al calcular el I.S.E nos da un valor menor que a 1.0, por tanto se obtuvo una efectividad de capacidad del 80%.

= índice sobre esfuerzo * Para el diseño de la viga luz utilizamos la siguiente referencia W10*26 y para la viga carrilera W10*22 7.6.3 Diseño columna Datos:

KipsTPu 028.62.2*74.2 == Peso ultimo de diseño

Ahora tomamos el valor de relación de esbeltez = 50

50min

=R

KL Relación de esbeltez, es la capacidad de la columna a soportar

esfuerzos de compresión, para que esta no falle o se pandee, por tal razón se toma un valor específico de 40 o 50 para su diseño

5.156.029000

3650 <==π

λ c Pandeo inelástico

Entonces ksiFcr 56.3136*658.0256.0 ==

ksiFcr 83.2656.31*85.0 ==Φ Fuerza critica de diseño

222.083.26

028.6in

Fcr

PuAreq ==

Φ= Área requerida

83.26028.6 =Φ<<= FcrPu

Como las cargas que va a soportar la columna son mínimas entonces se usara un perfil considerable para su diseño, utilizaremos la referencia W10*15

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7.6.4 Diseño de la platina En la figura 18, se muestra el dimensionamiento de la platina. Figura 18. Platina

Al igual que la platina se utilizara el perfil W10*15

cmT

cmKgFc

cmKgksiFy

54,2

/210

/2537362

2

==

==

7.6.5 Predimencionamiento

FcBN

Pufpu Φ≤= 85.0

Fc

PuBN

Φ≥

85.0

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210*60.0*85.0

2740≥BN

2584.25 cmBNA ≥=

TNBPL **= = Medidas de la platina a usar

A continuación en la imagen 9, se muestra el montaje de una columna, zapata, pernos y platina. Imagen 9. Platina real montada en columna y zapata 7.6.6 Diseño de zapatas aisladas rectangulares En la figura 19 se pude observar con detalle el dimensionamiento de la zapata y sus especificaciones. Figura 19. Diseño de Zapata

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Especificaciones

∑ = KgP 3260 ⇒ Peso de servicio

∑ ⇒= KgPU 90,2534 Peso de diseño

22 20.022.19928.1

)3260(1.03260* mcm

qa

PLBAreq ==+=≥= ∑

Figura 20. Vista en planta de la zapata

Relación

→== 4.125

35

B

L BL 4.1=

22 20.04.1 mB ≥

cmmB 3838.04.1

20.0 21

==

≥

cmL 2.53)38(4.1 ==

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Ensayar: cmB 100=

215000150*100* cmLBA === A = área de la zapata

cmL

T 305

150

5=== (Usar 40cm)

cmdTd 33740! =−=−=

Espesor de la losa de la zapata

= distancia al centro del refuerzo con respecto al borde inferior de la losa

Distancia al centro del refuerzo con respecto al borde superior de la losa

1 Corte lineal

2269,1

5,1

54,2m

Tm

T

A

Puqu === ∑

Corte a una distancia de d con respecto al borde de la zapata medido en el sentido de B

mTdaBquVUd 08,033,0)25,01(

2

169,1)(

2

11 =

−−=

−−=

Corte a una distancia de d con respecto al borde de la zapata medido en el sentido de L

mTdbLquVUd 41,033,0)35,01(

2

169,1)(

2

12 =

−−=

−−= Controla

dbfcdVcBVc **45,0* == φφ Cortante de diseño

mTVc 52.21

1000

33*100*21045,0 ==φ

=fc Resistencia del concreto

Como mTVcm

TVud 52,2141,0 =<= φ OK

2 Punzonamiento

cmda 583325 =+=+ cmdb 683335 =+=+

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Perímetro )(2)(2 dbdab +++=o

cmb 252)68(2)58(2 =+=o

)))((( dbdaAquVup ++−= Corte de punzonamiento

TVup 87.1)68.0*58.05.1(69.1 =−=

TdbcFVcp 28.11333*252*21094.0*94.0 ==′= oφ ⇒Corte de diseño de punzonamiento.

Nota: como TVcpTvup 28.11386.1 =<= φ esta OK ósea esto significa que cumple con el criterio

Figura 21. Componentes del sistema de conexión columna fundición

7.7 SIMULACIÓN DE LA ESTRUCTURA Para la modelación y diseño de las estructuras aporticada se uso el software RAM advanse versión 5.1 Copyright@2003 RAM International. A continuación en las figuras 30 hasta la 40 se muestra la modelación y comportamiento de las estructuras con sus respectivos esfuerzos, momentos y fuerzas que actúan en cada punto de los pórticos

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En la figura 22 podemos observar la fuerza actuando en el borde del pórtico ó en la parte lateral de la estructura. Figura 22. Fuerza de la parte lateral de la estructura

Figura 23. Momento de la parte lateral de la estructura. Resultados de los momentos (kg-m)

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Se aprecia que la resistencia de los elementos que conforman la estructura esta dentro de los esfuerzos admisibles con I.S.E menores que 1.0 Figura 24. Esfuerzos admisibles de la estructura

Figura 25. Apreciación de la estructura real

En la figura 26 se aprecia la fuerza actuando en el centro de las columnas laterales del pórtico

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Figura 26. Fuerza en el centro de las Columna laterales

Figura 27. Momentos en el centro de las columnas laterales

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En la figura 28 se aprecia que la resistencia de los elementos que conforman la estructura está dentro de los esfuerzos admisibles con I.S.E menores que 1.0 Figura 28. Esfuerzos admisibles en el centro de las columnas laterales

En la figura 29 se observa la fuerza actuando en el centro de las vigas carrileras laterales del pórtico o sea el puente grúa en la parte central de la viga carrilera (fuerza kg.) Figura 29. Fuerza actuando en el centro de las vigas carrileras

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Figura 30. Momento actuando en el centro de las vigas carrileras

En la figura 31 podemos observar la Relación de ISE (índice de sobreesfuerzo)

Figura 31. Índice de sobreesfuerzos.

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Figura 32. Apreciación de la estructura real

El comportamiento estructural del puente grúa con respecto a su rigidez y resistencia son: � Viga luz y viga carrilera se encuentran en un estado de deflexión. � Las columnas se encuentran en un estado de compresión. 7.8 ESCOGENCIA DEL TIPO DE MATERIAL PARA EL DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS DE SOPORTE PARA EL PUENTE GRÚA � Se opto por diseñar la estructura en acero y no de hormigón ya que se ha comprobado su gran durabilidad y resistencia al soporte de carga muerta, viva, de sismo y de impacto o vibración. � La estructura en caso de traslado de la planta o fábrica puede ser desmontada del lugar y posteriormente trasladada de lugar ya que está anclada a pernos o tornillos. � El montaje y desmontaje de la estructura en acero es más fácil y rápido que en hormigón. � Para mayor durabilidad de la estructura esta tiene una base anticorrosivo epoxico PINTUCO la cual permite que este protegida ante factores oxidantes de corrosión. De acuerdo a los cálculos matemáticos realizados, los aceros a emplear en la construcción de las estructuras resistentes del puente grúa, vigas y columnas

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se pueden observar en la tabla 10 donde muestra el tipo de perfil de acero que se debe implementar para su respectiva fabricación. Tabla 10. Perfil de acero a implementar

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8. CONTROL Y RED DE COMUNICACIÓN Una vez terminado el diseño de la estructura, se continúa con el análisis del tipo de señales a controlar y la estabilidad de todo el sistema en general, observándolo como un todo. La pregunta que debe surgir a continuación es: ¿Qué señales se deben manejar y cómo se controlan? Debido a que el proceso de galvanizado no es del todo secuencial, es indispensable controlar la posición de las piezas a transportar sobre cada una de las etapas del proceso y las velocidades tanto elevación como de traslación durante el mismo, ejecutadas por los motores de inducción del trole, elevador y los testeros. El control de velocidad de los motores de inducción, se lleva a cabo por lo general en la industria mediante la implementación de variadores de velocidad. Ésta solución, además de ser muy usada en la industria, es la solución ideal para el caso del transportador tridimensional, puesto que es una alternativa que brinda estabilidad, robustez y precisión al sistema. 8.1 IMPLEMENTACIÓN SENSORIAL Con el fin de dar ubicación al Puente Grúa, el problema del control de la posición se resuelve mediante la incorporación de sensores como se ilustra en la figura 33 (encoder por cada eje coordenado y tres distanciometros, dos en el eje “x” y uno en el eje “y”), los cuales tienen la función de emitir señales, indicando así las etapas del proceso. Figura 33. Ubicación sensores

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� A. Encoder y � B. Encoder x � C. Encoder z � D. Distanciometro x1 � E. Distanciometro x2 � F. Distanciometro y

8.2 DESARROLLO ARQUITECTURA Después de tener construido el puente grúa con su implementación sensorial el siguiente paso es plantear una arquitectura base para el sistema. La figura 34 muestra la caja negra de nuestro sistema en donde existe una interfaz con el usuario final, la cual será principalmente el PC. Las señales de entrada son los 3 distanciometros y las tres señales de los encoder. Las señales de salida son las señales de control principalmente a los dos motores (x, y, z). Figura 34. Caja Negra

Dentro de la caja negra se puede diferenciar tres bloques claros como se ilustran en la figura 35. Un bloque de conversión análoga digital para sensores de respuesta análoga, un bloque de adecuación de señal para los motores y finalmente un bloque de control.

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Figura 35. Arquitectura

La Automatización de este Proceso de galvanizado retoma lo básico en la Guía Gemma, guía Europea que se aplica a los equipos que realicen una Automatización y que necesiten varios tipos de control. Las diferentes formas de control para este sistema poden ser manual, automático y paso a paso. � Modo Manual: Este modo permite que el operario maneje el puente grúa desde el PC o directamente desde la botonera. � Modo Automático: El modo Automático permite que se realice el proceso de pretratamiento y postratamiento del galvanizado de forma continua, teniendo en cuenta los parámetros de programación que requiera el proceso. � Modo Paso a Paso: Permite realizar todo el proceso, paso por paso, para así tener una visualización y poder hacer un análisis al comportamiento del sistema. La coordinación de las señales de entrada y salida producidas por los sensores, generadas por los variadores para controlar la velocidad de los motores, se realizaran mediante el uso de un autómata programable (PLC). El autómata programable además de manejar señales digitales, nos va a brindar para una futura implementación la rapidez, robustez, exactitud, flexibilidad, confiabilidad y seguridad al sistema. La pregunta que surge a continuación es: ¿Qué tipo de conexiones son necesarias para establecer una comunicación entre el controlador lógico

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programable, los sensores y los actuadores de todo el sistema, para así permitir un flujo coherente y simultáneo de las señales? Para que exista simultaneidad y rapidez, tanto los actuadores como los sensores deben estar conectados en “paralelo” como se muestra en la figura 36 ó formando una conexión de tipo “bus”, figura 37, como se conoce en la topología de las redes de comunicación. Debido a la necesidad de la velocidad de respuesta (transmisión de datos), la accesibilidad tanto para el PLC como para los variadores, y el manejo imprescindible de variables discretas, la comunicación se puede llevar a cabo por medio del llamado PROFIBUS. Figura 36. Diagrama de conexiones generales, en “paralelo”

Figura 37. Diagrama jerárquico de la red de comunicación a usar

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8.3 RED DE COMUNICACIÓN PROFIBUS El PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) es el bus líder en Europa. Se trata de un bus de campo abierto , que puede implementarse para la automatización de un proceso industrial y una de sus ventajas importantes para querer implementarlo es que se encuentra estandarizado en la norma DIN 19245 (a principios de 1991) para más tarde, en 1996, ser incluido por el CENELEC en la norma europea EN 50170, lo que nos proporciona un gran nivel de confianza y la posibilidad de comunicación entre equipos de diferentes fabricantes sin necesidad de ajustes especiales de interfase. En la figura 38 se ilustra el diagrama de conexiones para la comunicación de los sensores y los variadores encargados de controlar los motores. Figura 38. Red de comunicación PROFIBUS en paralelo

� A. Encoder y � B. Encoder x � C. Encoder z � D. Distanciometro x1 � E. Distanciometro x2 � F. Distanciometro y � V1. Variador Testero � V2. Variador Polipasto � V3. Variador Trolley La familia PROFIBUS está formada por tres versiones o protocolos de comunicación, a saber:

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� Profibus-DP (Periferia Descentralizada, DIN E 19245). Perfil de protocolo para el acoplamiento de la periferia descentralizada, con rápidos tiempos de reacción. � Profibus-PA (process automation) . es la ampliación de PROFIBUS-DP Compatible en comunicación con una tecnología que permite aplicaciones en áreas con riesgo de explosión. � Profibus-FMS (Field Message Specification, DIN 19245). Es aplicable para la comunicación de autómatas en pequeñas células y para la comunicación con dispositivos de campo con interfase FMS. En esta versión, la funcionalidad es más importante que conseguir un tiempo de reacción pequeño.

8.3.1 Maestros: Determinan la comunicación de datos en el bus. Un maestro puede enviar mensajes, sin necesidad de una petición o solicitud externa, cuando posee los derechos del bus. En el protocolo PROFIBUS también se les da el nombre de estaciones activas. 8.3.2 Esclavos: Son elementos de periferia. Los esclavos típicos incluyen dispositivos de entrada/salida, válvulas, transmisores de medida y accionamientos. Un esclavo no tiene derecho de acceso al bus y sólo pueden acusar los mensajes recibidos o enviar mensajes al maestro cuando éste así lo requiere. A los esclavos también se les denomina estaciones pasivas. La velocidad de transmisión del bus PROFIBUS puede oscilar desde los 9.6 Kbit/s hasta alcanzar un máximo de 12 Mbit/s. La longitud máxima de la red también es variable, dependiendo del medio físico utilizado (eléctrico o fibra óptica). El número máximo de estaciones es de 127 (direcciones de la 0 a 126). Puesto que las señales son de tipo digital a lo largo de todo el “bus”, todos los dispositivos a usar, tanto el PLC, como los sensores y los variadores, deben manejar señales de éste tipo, buscando uniformidad y coordinación entre cada uno de los componentes. La figura 39 ilustra el flujo de las señales a los largo de todo el sistema, estas señales de entrada son señales de tipo digital que indican presencia o “no” y la orientación en el espacio, las señales de salida de igual forma controlarán los actuadores con funciones de tipo: SET y RESET.

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Figura 39. Flujo de señales a lo largo de todo el sistema, para el control del proceso

8.5 SELECCION DE CONTROLADOR El tipo de dispositivo controlador depende del alcance de la automatización, las características de funcionamiento, cantidad de entradas y salidas requeridas, red información, red de dispositivos y la red de control; para proporcionar una inter operatividad dentro del propósito general del proyecto. Es importante tener en cuenta que la relación coste/beneficio debe ser buena y consecuente con la utilidad y tiempo de vida de nuestros dispositivos, respecto a sus características técnicas y estándares de calidad. Para la automatización del puente grúa se estableció que el desarrollo de programación se haría con herramientas y equipos que ofrecieran una arquitectura con alto porcentaje de integración. Además es muy importante enfatizar en estándares que permitan una integración sin crear conflictos para una futura implementación con equipos y/o productos de fabricantes como siemens, danfoss y allenbradley. De acuerdo con los criterios de diseño, había la necesidad de encontrar una integración que ofreciera flexibilidad y velocidad de respuesta para mantener el funcionamiento del puente grúa mejorando el desempeño del transporte de la materia prima. Las características con mayor importancia para la selección del controlador son: las opciones de comunicación, puertos de comunicación incorporados, tareas del controlador y memorias de usuario. De manera correspondiente son tenidas en cuenta para la implementación de nuestro proyecto en desarrollo como selección del controlador.

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Posteriormente teniendo un criterio de selección y ajustando al presupuesto de la empresa, se decidió que el controlador correspondiente debía ser el SIMATIC S7-300 de SIEMENS. Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones, en su capacidad, en su aspecto físico y otros, es posible clasificar los distintos tipos en varias categorías. 8.6 CONTROLADOR DEL SISTEMATIC S7-300 Para una implementación física a futuro del proyecto se decidió recomendar el autómata serie S7-300 de Siemens, que se ilustra en la figura 48, por ser un controlador de gama media, rápido, de alto rendimiento, versátil (CPU 31xC con funcionalidad integrada), potencia de procesamiento en el espacio más reducido, robustez contra los más duros efectos mecánicos y climáticos, alta velocidad y facilidad de ampliación. Su construcción modular resulta una solución óptima para su aplicación tanto en configuración centralizada como descentralizada o distribuida. El PLC se compone de: � Un módulo central CPU con diferentes gamas de potencia, con entradas y salidas integradas o sin ellas y con puerto PROFIBUS-DP integrado o no. � Módulos de señales SM para entradas/salidas digitales y analógicas. � Módulos de comunicación CP para la conectividad a bus y conexiones punto a punto. � Módulos de funciones FM para contaje, posicionamiento (en lazo abierto/cerrado) y regulación. � Una fuente de alimentación de carga PS para conectar el SIMATIC S7-300 a una tensión de 120/230Vac (opcional). Como se ha comentado anteriormente, el S7-300 es un autómata modular, por tanto se configura mediante la conexión de módulos de diferentes funciones en un bastidor. Entonces se necesita un módulo CPU 314C-2DP que se ilustra en la figura 49, con puerto MPI integrado, un módulo SM de 16 entradas digitales, un módulo SM de 16 salidas digitales, un módulo CP de comunicación para bus Profibus DP. La CPU 314C-2DP se alimenta a tensión alterna de 100 a 230 V desde una fuente de alimentación externa. Los elementos que constituyen la CPU son: � Unidad central de procesamiento o CPU. � Indicadores de estado y de error.

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Selector de modo de operación. Son posibles tres posiciones:

� RUN: la CPU procesa el programa de usuario.

� STOP: la CPU no procesa ningún programa de usuario.

� MRES: borrado total. Posición no enclávale del selector para el borrado total de la CPU.

Ranura para cartucho de memoria. El tipo de memoria es Micro Memory Card SIMATIC (MMC). Es necesaria para el funcionamiento de la CPU, pues este modelo no dispone de memoria de carga integrada. � Puertos de comunicaciones. La CPU 314C-2DP posee dos interfaces de comunicación integrados que son: � Interface MPI (Multi Point Interface). � Interface PROFIBUS DP (Periferia Descentralizada). � 24 entradas digitales integradas a 24VDC. � 16 salidas digitales integradas a 24VDC � entradas analógicas integradas. � salidas analógicas integradas. En cuanto a características técnicas de esta CPU hay que destacar los siguientes puntos importantes para la implementación física de este proyecto: � Comunicación integrada. La CPU 314C-2DP dispone de dos puertos de comunicación integrados: un interface MPI y un interface PROFIBUS DP para periferia descentralizada. En este proyecto se hace uso de ambos interfaces. � Mapa de memoria. Número de entradas, salidas, contadores, temporizadores, marcas, bloques de datos, funciones integradas. son datos relevantes a la hora de programar una CPU de la serie S7-300.

8.7 FUENTE DE ALIMENTACIÓN PS307-2A Esta fuente de alimentación es necesaria para alimentar la CPU 314C-2DP y los sensores/actuadores. Se dispone dentro del sistema S7-300 como un módulo de alimentación.

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La fuente de alimentación PS307-2A se alimenta a 120/230 VAC y proporciona una salida a 24 VDC, de intensidad 2A. 8.8 MÓDULO DE COMUNICACIONES EM277 El módulo EM 277 PROFIBUS-DP es un módulo de comunicación para conectar la CPU 314C-2DP a una red PROFIBUS DP y a una red MPI. El puerto multipunto MPI (Interfaz Multipunto) es un puerto de comunicación integrado en todas las CPUs del SIMATIC S7-300. Puede utilizarse para interconexiones en redes simples y el puerto de comunicaciones se adapta al estándar RS 485 y/ RS 232. Es un conector del tipo 9-Pin Sub D I/O, hembra. Posibilidades de montaje flexibles para materializar la comunicación MPI se utilizan componentes acreditados como cable de bus, conector de bus y repetidor RS 485 y/o RS 232 de la gama Profibus y de la periferia descentralizada. Estos permiten adaptar óptimamente la configuración de los requerimientos. 8.9 CONVERTIDORES DE FRECUENCIA Para el convertidor de frecuencia es necesario tener en cuenta que los motores que soportara el drive son manejados con corriente alterna y conexión trifásica, además con 1HP o 2 HP. 8.9.1 Modelo matemático para seleccionar los variadores

Trolley

kWwatthp

watthpPw 5.14.1491

1

67.745*2 ≅==

Elevador

kWwatthp

watthpPw 2.042.186

1

67.745*25.0 ≅==

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Testero

kWwatthp

watthpPw 2.042.186

1

67.745*25.0 ≅==

Con los resultandos obtenidos, podemos ver las especificaciones técnicas significativas como la eficiencia, rango de potencia, grado de protección, intensidad de entrada nominal, entre otros, que serán los requerimientos mínimos para selección y pedidos por catalogo y su respectiva esquema de conexiones de un variador MICROMASTER 420 seleccionado para la implementación a futuro del proyecto.

8.10. ESQUEMA ELECTRICO PARA LOS VARIADORES Una vez decidida el tipo de comunicación a llevar a cabo y el tipo de señales a trabajar, lo siguiente, es la realización de los esquemas eléctricos de los variadores con las líneas trifásicas y los motores como se ilustra en la figura 40. Figura 40. Conexión eléctrica de los variadores de velocidad, con la red trifásica y el motor

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8.11 PROBLEMAS ELÉCTRICOS Los controles eléctricos, dispositivos electrónicos y motores se desgastan más rápidamente al ser expuestos a vapores cáusticos o ácidos. Es posible prevenir el contacto entre los componentes eléctricos de la grúa y los químicos cáusticos. Las bobinas de los motores pueden volverse más frágiles (menos capaces de funcionar cuando se calientan o ante altos ciclos de trabajo), tras exposiciones prolongadas a agentes cáusticos. Motores totalmente sellados previenen la entrada de la mayoría de los vapores, pero aun así, los vapores se filtrarán. Un proceso conocido como “Tratamiento de Resistencia a la Corrosión” (CRT) agrega un barniz protector directamente a las bobinas del motor, e incluye sellos resistentes a los químicos en todos los posibles puntos de filtración. Los motores pueden tener protección adicional con ejes y elementos metálicos de acero inoxidable. Esto, combinado con el “Tratamiento de Resistencia a la Corrosión” (CRT), otorga una protección tal, que los motores pueden ser salpicados con agentes cáusticos o ser lavados periódicamente con agua usando una manguera. Los controles pueden ser protegidos en gabinetes de fibra de vidrio o acero inoxidable. Las cajas son luego selladas y empacadas a presión. Al ser cerradas de esta manera, estos controles pueden ser sumergidos en los químicos y los controles permanecerán secos y protegidos. El cable eléctrico que atraviesa el puente y baja a la botonera puede ser envuelto en una capa resistente a los químicos, para prevenir fisuras en el aislamiento del cable. 8.12 REFERENCIA DE LOS SENSORES Como se menciono anteriormente en la implementación sensorial para el eje “y” se colocara un encoder y un distanciometro. En el eje “x” dos distanciometros y un encoder, finalmente en el eje z se colocara un encoder.

Los distanciometros recomendados para la implementación a futuro del proyecto en ambientes industriales metalúrgicos son Leuze electronic modelo AMS 200. El sistema absoluto de medición de distancias por láser AMS 200 se puede emplear en todos los lugares donde se tienen que averiguar datos de posición de partes móviles de instalaciones.

El sistema de medición absoluta AMS 200, que estaría expuesto, mide distancias para los sistemas de posicionamiento de las grúas transportadoras como es nuestra aplicación para este proyecto. El sistema de tecnología láser incorporado en el equipo permitirá al operario recibir valores reales que

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pueden ser guardados como registros para utilizarse en el posicionamiento del puente grúa de forma automatizada. Después de especificar el sensor que nos dará la posición x, y (distanciometros), ahora se recomendara un encoder incremental (6FX2001-4NA10 SIEMENS). Este encoder permite una fácil configuración del S7300-CPU314C-2DP vía Profibus para el Trolley (x), polipasto (z) y testero (y). La idea es el posicionamiento del motor trifásico del Trolley, polipasto y testero dentro de una red PROFIBUS ya definida, manejados por un variador de frecuencia MICROMASTER 420, efectuando un control de posición con dinámica sencilla en lazo cerrado a través del un módulo de conteo FM 350 y un encoder el encoder incremental 6FX2001-4NA10 . 8.13 MODULO DE CONTEO FM 350-1 El modulo FM 350-1, lee la posición del encoder y manda este dato al software para realizar la función de control. Este módulo de contaje rápido se puede utilizar para controlador el S7-300. Este módulo se puede utilizar para realizar las siguientes tareas: � Conteo continúo. � Conteo simple. � Conteo periódico. � Medición de frecuencia. � Medición de velocidad de rotación. � Medición de periodo.

8.14 INTERFAZ DE USUARIO Interfaz entre el hombre y la máquina (“Human Machine Interface” o HMI) enlaza el mundo de la automatización con las exigencias individuales del operario. Las interfaces de usuario permitirán el manejo y la visualización del proceso. De este modo será posible dominar el proceso, manteniendo un mejor funcionamiento que aumentara la productividad. Como se ha querido fijar con los ingenieros de la empresa una marca comercial SIEMENS para el interfaz de usuario como una alternativa confiable para la futura implementación del proyecto. Se realizo entonces un estudio entre los modelos de su gama de equipos HMI. Como resultado de éste, se han seleccionado dos modelos que permiten la

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comunicación de datos con el controlador a través del puerto multipunto MPI. Las dos posibilidades de interfaces de usuario son las siguientes: � una pantalla táctil (con puerto MPI integrado) � un sistema basado en PC formado por un módulo de comunicación CP con formato PCI y un software. El módulo CP lleva implementada la función de comunicación en el “firmware” y de esta manera libera el PC de las tareas de comunicación. En la tabla 11, se muestra todos los datos técnicos de las dos interfaces de usuario seleccionados. Como se ha mencionado anteriormente, las dos opciones permiten realizar una comunicación de datos a través del interfaz multipunto MPI entre ellos y el autómata de la serie S7-300 elegido para la automatización. Tabla 11 . Características de las interfaces de usuario seleccionados

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El software ProTool/Pro Runtime ofrece y dispone de las mismas prestaciones y características que la pantalla táctil. La única diferencia es que éste requiere un PC. No obstante, en cuanto a precio la opción del módulo de comunicación EM 277 y el software ProTool/Pro Runtime resulta más económica que la pantalla táctil TP270-10 y es el que se recomienda para la implementación del proyecto. 8.15 IMPLEMENTACION DEL SISTEMA En la figura 41, se ilustra la conexión de los elementos más básicos que nos permitirá tener una red de control para el puente grúa. Figura 41. Conexión de los elementos básicos para red de control

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Los motores del Trolley, polipasto y testero controlados cada uno por el MICROMASTER 420, estará configurado para una conexión PROFIBUS. Es de recordar que a cada motor se le conecta un encoder incremental por medio en un acoplador, este encoder detectara la posición y la enviará al S7-300 por el modulo FM350-1. Para la implementación del sistema se necesitaría tener en cuenta ciertas consideraciones para la configuración: � Configuración del Micromaster para comunicación Profibus DP. � Configuración de la comunicación entre S7-300 y Micromaster por Profibus DP. � Configuración de la comunicación entre S7-300 y EM 277. � Conexión del encoder al modulo de contaje FM 350-1. � Configuración del modulo de contaje FM 350-1 dentro del S7-300 para la adquisición de datos del encoder. � Adquisición de datos Profibus-DP de los medidores de distancia AMS200. � Fuente de alimentación de la CPU 314C-2DP. � Configuración de la CPU 314C-2DP con el S7-300. � Implementación de la interfase HMI mediante el módulo de comunicación EM 277 y el software ProTool/Pro Runtime. 8.16 ALGORITMO DE CONTROL. Como una de las últimas etapas dentro del diseño metodológico, después del cálculo y selección de cada una de las piezas y dispositivos involucrados en el transportador automático tridimensional, según las características y condiciones específicas del trabajo, es la programación e integración del sistema mecatrónico de una forma lógica, eficiente, y segura. La programación, es uno de los pasos más importantes del diseño del transportador tridimensional automático, pues es en ésta etapa donde se genera toda la lógica del proceso. Un proceso no es más que un programa en ejecución. La diferencia entre un programa y un proceso es que el primero no es más que el código y el segundo es su ejecución.

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Al iniciar un programa por lo general se crean varios procesos algunos de primer plano, son procesos encargados de interactuar con el usuario, otros de segundo plano, estos no interactúan con el usuario, normalmente tienen una función específica por ejemplo el protector de pantalla que es ejecutado después de un tiempo de espera de respuesta del usuario en un PC. El transportador automático es diseñado de tal forma que el sistema resulte flexible para adaptarse a “cualquier” tipo de proceso, y a su vez que sea robusto ante los cambios y perturbaciones. En general, el proceso a ser aplicado está compuesto por “n” etapas como se ilustra en la figura 42, la mayoría de las veces las etapas críticas son la primera y la última. La primera, por ser la de reconocimiento y arranque del sistema, y la última donde espera para reiniciar una nueva tarea. La forma de alimentación y la descarga, dependen tanto del tipo de producto a transportar, como del tipo de tratamiento que se quiera realizar. Figura 42. Esquema general de las etapas de procesos secuenciales en general.

En la figura anterior se observa el transporte secuencial y para el cual se plantea un algoritmo de control que se ilustra en la figura, que inicia en la etapa (1) y va avanzando consecutivamente, deteniéndose un tiempo específico en cada una de las etapas. Finalmente, al llegar a la etapa (n), culmina el proceso y queda disponible para iniciar nuevamente ó iniciar otra tarea programada. Para asegurar la posición y el avance del trole a lo largo de la viga, se fijaron sensores que indicaran la presencia o ausencia del mismo. La figura 43 ilustra el diagrama de flujo para el desplazamiento del puente grúa y la asignación de tareas en la zona secuencial de las etapas de pretratamiento y postratamiento para el galvanizado de las cadenas eslabonadas.

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Figura 43. Diagrama de flujo para el control de procesos

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Continuación figura 43.

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Continuación figura 43.

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Continuación figura 43.

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Continuación figura 43.

Después de plantear un diagrama de flujo básico que servirá de guía para realizar un código en cualquier lenguaje y su implementación a futuro junto con todo el diseño de la estructura, se pasara entonces a dar un ejemplo de una posible interfaz sencilla como se ilustra en la figura 44. Las opciones de la interfaz permitirán activar el puente grúa de forma manual ó automática para ser ubicado en cualquier posición resolviendo de manera simple el traslado de la materia prima que en la actualidad es realizada por el operario en las etapas de pretratamiento y postratamiento.

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Figura 44. Interfaz Principal del Puente Grúa

En el menú principal la opción de modo manual desplegara una nueva ventana como se ilustra en la figura 45.

Figura 45. Interfaz modo manual del Puente Grúa

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En la figura 45, aparecerá un cuadro donde se le solicitara al operario que ingrese las coordenadas donde desea ubicar el puente grúa. Las coordenadas son digitadas por el operario de manera independiente para cada uno de los motores que hacen parte del puente grúa (Trolley, Testeros y Polipasto) en valores enteros y unidades en metros. En la figura 46 se ilustra la interfaz que se despliega cuando el operario selecciona en el menú principal modo automático. Figura 46. Interfaz Modo Automático del Puente Grúa

El la interfaz de modo automático el operario tendrá 2 opciones. La prima es para que después de tener enganchada la canastilla1 con la materia prima inicie el recorrido de manera automatizada desde el tanque 1 de decapado pasando por el tanque 2, tanque 3 y terminando en el tanque 4 la etapa de pretratamiento sin la intervención del operario durante todo el recorrido. De igual manera cuando la canastilla 2 esta enganchada con la materia prima, el usuario podrá seleccionar la segunda opción para iniciar el recorrido desde el tanque 5 pasando por el tanque 6, tanque 7 y terminando en el tanque 8 la etapa de postratamiento de la materia prima donde estará lista para ser transportada y ubicada por el operario. Para la futura implementación llegara el momento de ensamblar e integrar mecatrónicamente todas las partes involucradas dentro del transportador automático tridimensional como los son: la estructura del puente grúa, zapatas, columnas, vigas, trolley, elevador y testero, variadores de velocidad, sensores y el autómata programable; todo dentro de una red de comunicación que

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permitirá la transmisión de las señales de manera simultánea y coherente entre cada unos de los dispositivos mediante una interfaz final para el operario. 8.17 PREOSUPUESTO PARA IMPLEMENTACIÒN DEL DISEÑO MECATRONICO La eficiencia de la nueva distribución en planta se puede también evaluar en torno a factores como; la inversión de capital requerida para la nueva disposición, su flexibilidad y el costo de manejo de materiales. Estos criterios son importantes cuando del diseño se quiere pasar a la implementación. A continuación realizamos un presupuesto aproximado que se ilustra en la tabla 12 sobre el diseño realizado para su futura implementación en la empresa Colcadenas Ltda. El presupuesto para la estructura que es muy importante para pasar a la implementación de cualquier método de control, esta en la tabla siguiente teniendo en cuenta los materiales y dispositivos comerciales con su montaje y puesta a punto. Los beneficios sociales o lo avanzado de la tecnología planteada en el proyecto; aunque se consideren cuestiones importantes, son normalmente aspectos secundarios, pues el primer objetivo de cualquier empresa que acomete un proyecto de estas características es obtener un rendimiento económico, ya sea a corto o largo plazo. Tabla 12. Presupuesto para implementaciòn del diseño en conjunto

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CONCLUSIONES

� Con la inclusión del puente grúa, se logra eliminar el problema de transporte de carga dentro del mismo, puesto que la capacidad de carga se incrementa aproximadamente en veinte veces, aumentando la productividad. � El operario se convierte en un supervisor al reducir el contacto directo con el proceso, ya que las tareas tediosas y repetitivas, las realiza el transportador automático, eliminando posibles errores humanos y por ende las impurezas en las superficies de los recubrimientos finales, aumentando así, la calidad del producto terminado y reduciendo defectos en los mismos. � Con la programación del autómata (PLC), el sistema se hace flexible a cambios del proceso de forma segura, con el fin de mejorar o incrementar el tipo de recubrimiento si se desea realizar por medio de los tiempos de permanencia en cada una de las etapas, sin necesidad de reprogramar y cambiar la lógica completa del programa de control del sistema. � En procesos, donde la seguridad es vital, la respuesta tanto de los sensores, como de las variables dentro de la programación de un autómata programable, juega un papel importante con el fin de brindar confiabilidad en el código y por consiguiente al proceso en general. � En proyectos que impliquen altos costos de adquisición y montaje, el uso de herramientas computacionales para simulaciones es válido. � La Mecatrónica, dentro de su concepción, se encamina mediante su conocimiento, la eliminación de tareas repetitivas (realizadas por humanos) en proceso industriales y plantea soluciones a problemas que atenten contra la integridad y/o salud de quienes estén involucrados dentro del mismo. � La ventaja principal en el uso de un sistema operativo es la abstracción del hardware que realiza este, permitiendo al diseñador implementar algoritmos de control en lenguaje de alto nivel y a su vez proporcionándole primitivas del sistema las cuales facilitan el desarrollo de algoritmos. � Aunque el sistema es robusto el grado de exactitud de posicionamiento está sujeto al tipo de sensores utilizados. � Recuperación de la inversión de la inversión en un periodo no mayor a seis meses. � Con la Automatización más que el incremento de la productividad es minimizar riegos de accidentes al operario.

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RECOMENDACIONES

� Implementación de un algoritmo de evasión de obstáculos. � Generar un ambiente grafico en tiempo real de posicionamiento del puente grúa. � Planear los tiempos de cotización y compra de equipos, para evitar futuros retrasos en la entrega del proyecto. � Documentar los dispositivos y componentes de automatización que a futuro tengan relación con la implementación del proyecto en la Empresa. � Definir estrategias de cableado en los cuartos de control para separar los sistemas de comunicación y potencia.

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BIBLIOGRAFIA

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ANEXOS

Anexo A. Dimensionamiento de los tanques en Solid Edge

Tanques (1, 2, 3 y 4) Tanque A

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Tanques (1, 2, 3 y 4) Tanque A

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Tanques Almacenamiento

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Anexo B. Dimensionamiento de la Canastillas en Solid Edge

Canastilla 1

Canastilla 2

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Anexo C. Cotización de Tanques de almacenamiento en polipropileno

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Anexo D. Cotización de Canastillas en Acero Inoxidable

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Anexo E. Cotización del estudio de los suelos

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Anexo F. Estudio de suelos

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Anexo G. Cotización de la estructura y puentes grúa en la empresa SPIM Ltda

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Anexo H. Cotización de puente grúa en la empresa IMOCOM

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Anexo I. Cotización de la estructura y puentes grúa en la empresa YALE Ltda

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Anexo J. Cronograma

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Anexo K. Configuración y datos técnicos del MICROMASTER 420

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Anexo L. Conector PROFIBUS

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Anexo M. Datos técnicos del Modulo de comunicaciones EM277

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Anexo N. Datos técnicos de la CPU314C-2DP

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Anexo Ñ. Carta empresa Colcadenas Ltda.