rehabilitación del tablero de control de la máquina

94
Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecatrónica Programa Especial de Titulación: Rehabilitación del tablero de control de la máquina tapadora en la empresa Corporación Industrial San Ignacio E.I.R.LAutor: Jefferson Daniel Ayllon Miranda para optar el Título Profesional de Ingeniero Mecatrónico Lima Perú 2019

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Page 1: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Mecatrónica

Programa Especial de Titulación:

“Rehabilitación del tablero de control de

la máquina tapadora en la empresa

Corporación Industrial San Ignacio

E.I.R.L”

Autor: Jefferson Daniel Ayllon Miranda

para optar el Título Profesional de

Ingeniero Mecatrónico

Lima – Perú

2019

Page 2: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

i

DEDICATORIA

Dedico el presente Informe de Suficiencia Profesional, a Dios por darme

la oportunidad de vivir hermosas etapas en mi vida y darme las fuerzas

necesarias para lograr mis objetivos; a mis padres Domingo Ayllon

Pachas y Victoria Miranda Aliaga por su apoyo constante e incondicional

para poder ser un hombre de bien; a mis hermanos Edgar Ayllon Miranda

y Lilian Ayllon Miranda por el apoyo que me brindan en todo momento; a

mi esposa Marlene Chujutalli Paucar por su comprensión, apoyo y

ánimos que me brinda en cada instante; a mi hijo Adrián Daniel Ayllon

Chujutalli quien con su reciente llegada me llenó de fuerzas para cumplir

mis metas y ser un buen ejemplo y padre para él.

Page 3: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

ii

AGRADECIMIENTO

A todos mis familiares, mis amistades y

mis profesores quienes me apoyaron en el

desarrollo del proyecto y fueron

fundamentales para que pueda

encaminarse y culminarlo.

Page 4: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

iii

RESUMEN

El presente informe de suficiencia profesional, con el título de “Rehabilitación del tablero

de control de la máquina tapadora en la empresa Corporación Industrial San Ignacio E. I.

R. L.” se realizó en las instalaciones de la misma empresa, donde se tuvo como objetivo

poner en operación el sistema automático de la máquina tapadora con la que contaban.

La empresa cuenta con una tapadora semiautomática, la cual requiere de un operador

constante, dicha tapadora genera una producción de 60 a 65 botellas por minuto,

logrando también la fatiga del operador luego de cierto tiempo transcurrido.

Con la mayor demanda del mercado de bebidas de agua de mesa en la zona, la empresa

adquirió una máquina tapadora automática, la cual abastecería la producción requerida

por los consumidores de la zona.

Dicha adquisición contaba con defectos en el tablero de control, la máquina sólo

trabajaba en modo manual y el modo automático no activaba ninguna función de la

máquina, defecto que el proveedor no reconocería y que adicionalmente no entregó

ningún plano de referencia del tablero.

El presente proyecto, ejecutará un levantamiento de información, la migración de un PLC

Modicon a un PLC nuevo, la realización de un plano de referencia del tablero de control,

que se le añadirá el plano del diseño estructural de la base rotativa, la cual define el tipo

de botella que ingresará a la máquina.

La implementación y ejecución del proyecto, logro poner en funcionamiento la máquina,

de tal manera que pueda utilizarse en su forma manual y automática, con una producción

variable de acuerdo al variador de velocidad, que en 20Hz produce el tapado de 90

botellas y 270 botellas como máximo en 60 Hz.

Page 5: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

iv

ÍNDICE

DEDICATORIA ....................................................................................................................... i

AGRADECIMIENTO ...............................................................................................................ii

RESUMEN ............................................................................................................................. iii

INDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... vi

ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................................. x

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. xi

CAPÍTULO I ......................................................................................................................... 12

ASPECTOS GENERALES .............................................................................................. 12

1.1. Definición del problema..................................................................................... 12

1.2. Definición de objetivos ...................................................................................... 15

1.3. Alcances y limitaciones. .................................................................................... 15

1.4. Justificación. ...................................................................................................... 16

1.5. Estado de arte. .................................................................................................. 17

CAPÍTULO II ........................................................................................................................ 23

MÁRCO TEÓRICO .......................................................................................................... 23

2.1. Fundamento teórico. ............................................................................................ 23

CAPÍTULO III ....................................................................................................................... 51

DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN ................................................................................ 51

3.1. Estudio del tablero de control, para el levantamiento de información. ............ 51

3.2. Programación en lenguaje ladder del PLC Siemens S7 – 1200 1212C .......... 64

3.3. Diseño de base rotativa para las botellas pet de 500 ml ................................. 67

Page 6: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

v

3.4. Realización del plano de referencia. ................................................................. 71

CAPÍTULO IV ...................................................................................................................... 73

RESULTADOS ................................................................................................................ 73

4.1. Resultados de la programación en lenguaje ladder en PLC SIEMENS S7-1200

1212C .......................................................................................................................... 73

4.2. Resultados del diseño estructural de la base rotativa para la tapadora

automática. .................................................................................................................. 73

4.3. Puesta en marcha del sistema completo de tapado automático en la empresa.

74

4.4. Resultados del diseño del plano de referencia en el software EPLAN............ 76

PRESUPUESTO ............................................................................................................. 83

CRONOGRAMA .............................................................................................................. 85

CONCLUSIONES ................................................................................................................ 86

RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 87

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 88

ANEXOS .............................................................................................................................. 89

Anexo A ........................................................................................................................... 89

Anexo B. .......................................................................................................................... 90

Anexo C. .......................................................................................................................... 90

Anexo D. .......................................................................................................................... 91

Anexo E. .......................................................................................................................... 92

Anexo F............................................................................................................................ 93

Page 7: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

vi

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Árbol de problemas .............................................................................................. 14

Figura 2. Planta embotelladora a escala. ........................................................................... 17

Figura 3. Simulación de embotelladora de refrescos. ........................................................ 18

Figura 4. Tapadora de cerveza artesanal ........................................................................... 19

Figura 5. Diseño de envasadora de cerveza Aveb Perú. .................................................. 20

Figura 6. Area de tapado de la empresa Wara S.A.C. ....................................................... 21

Figura 7. Planta embotelladora Lindley. ............................................................................. 22

Figura 8. Gaseosa Villa Kola. .............................................................................................. 22

Figura 9. Faja transportadora de botellas. .......................................................................... 23

Figura 10. Faja transportadora de aluminio, para carga menor a 120lb. ........................... 24

Figura 11. Faja transportadora para trabajo pesado. ......................................................... 24

Figura 12. Faja modular para trabajo pesado. .................................................................... 25

Figura 13. Faja transportadora de precisión. ...................................................................... 25

Figura 14. Faja anti deslizable Chevron. ............................................................................ 26

Figura 15. Tapadora de botellas. ........................................................................................ 27

Figura 16. Tapadora manual para tapas con rosca. ........................................................... 27

Figura 17. Tapadora manual para tapas viales. ................................................................. 28

Figura 18. Tapadora semi automática para tapas con rosca. ............................................ 29

Figura 19. Tapadora semi automática para tapas sin rosca. ............................................. 29

Figura 20. Tapadora automática. ........................................................................................ 30

Figura 21. PLC Siemens ..................................................................................................... 31

Figura 22. PLC Compacto. .................................................................................................. 31

Figura 23. PLC Modular ...................................................................................................... 32

Figura 24. PLC de tipo montaje en rack. ............................................................................ 33

Figura 25. PLC OPLC.......................................................................................................... 33

Figura 26. Pulsadores. ........................................................................................................ 34

Page 8: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

vii

Figura 27. Pulsadores de ambientes severos. ................................................................... 34

Figura 28. Pulsadores de plástico. ...................................................................................... 35

Figura 29. Pulsador con embellecedor metálico................................................................. 35

Figura 30. Pulsador con embellecedor plástico. ................................................................. 36

Figura 31.Pulsador inalámbrico. ......................................................................................... 36

Figura 32. Contactores. ....................................................................................................... 37

Figura 33. Contactor electromagnético. .............................................................................. 37

Figura 34. Contactor electromecánico. ............................................................................... 38

Figura 35. Contactor neumático. ......................................................................................... 38

Figura 36. Contactor hdráulico ............................................................................................ 39

Figura 37.Contctor estático. ................................................................................................ 39

Figura 38. Contactor para corriente alterna ........................................................................ 40

Figura 39. Contactor para corriente continua. .................................................................... 41

Figura 40. Sensores. ........................................................................................................... 42

Figura 41. Actuador. ............................................................................................................ 46

Figura 42. Actuadores electrónicos..................................................................................... 47

Figura 43. Cilindro de efecto simple.................................................................................... 48

Figura 44. Cilindro de doble efecto. .................................................................................... 48

Figura 45. Motor hidráulico. ................................................................................................. 49

Figura 46. Motor de corriente alterna. ................................................................................. 50

Figura 47. Relés .................................................................................................................. 50

Figura 48. Diagrama de bloques del proceso de la máquina tapadora ............................. 51

Figura 49. Tablero inicial inoperativo. ................................................................................. 52

Figura 50. Tablero inicial encendido con error de PLC. ..................................................... 52

Figura 51. Extracción del PLC y reubicación de componentes. ......................................... 56

Figura 52. PLC MODICON extraído.................................................................................... 56

Figura 53. PLC Siemens S7-1200 adquirido. ..................................................................... 61

Page 9: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

viii

Figura 54. Diagrama de Flujo del proceso del sensor de entrada de botellas. ................. 61

Figura 55. Diagrama de flujo del proceso de control de disposición de tapas en la tolva. 62

Figura 56. Instalación del PLC Siemens S7-1200. ............................................................. 63

Figura 57. Sensor de presencia de las botellas. ................................................................. 63

Figura 58. Sensor de presencia de tapas. .......................................................................... 64

Figura 59. Programación ladder del sensor de entrada de botellas del PLC - Tia Portal . 65

Figura 60. Programación del sensor de tapas faltantes del PLC - Tia Portal .................... 65

Figura 61. Programación básica del PLC en LogixPro – encendido de la máquina

tapadora. .............................................................................................................................. 66

Figura 62. Programación del sensor de entrada de botellas y sensor de tapasen LogixPro.

............................................................................................................................................. 66

Figura 63. Modelo de botella y vernier. ............................................................................... 67

Figura 64. Medición de diámetro de botella. ....................................................................... 68

Figura 65. Medida obtenida con el vernier.......................................................................... 68

Figura 66. Figura triangular para el cálculo del espacio de profundidad en la base rotativa.

............................................................................................................................................. 69

Figura 67. Cálculo del diámetro de circunferencia de referencia para el diseño. .............. 69

Figura 68. Diseño de base rotativa en Solidworks. ............................................................ 70

Figura 69. Diseño de la base rotativa con las medidas calculadas. .................................. 70

Figura 70. Elaboración del plano de referencia con el tablero de la tapadora. ................. 71

Figura 71. Elementos utilizados en la elaboración del plano eléctrico............................... 71

Figura 72. Elementos del plano utilizados para el PLC. ..................................................... 72

Figura 73. Elementos para el arranque de motores principal y motor de la tolva. ............ 72

Figura 74. Prueba en vacío de la colocación de tapas....................................................... 73

Figura 75. Base rotativa instalada en la tapadora automática. .......................................... 74

Figura 76. Funcionamiento de la tapadora con tapas de prueba. ...................................... 74

Figura 77. Muestra del funcionamiento de la tapadora en vacío. ...................................... 75

Page 10: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

ix

Figura 78. Muestra de la entrada de la tapadora, con el sensor de botellas activado. ..... 75

Figura 79. Apreciación del variador de frecuencia en 20Hz aproximadamente. ............... 76

Figura 80. Distribución de energía desde la Acometida hacia el PLC. .............................. 77

Figura 81. Esquema interno del PLC. ................................................................................. 78

Figura 82. Entradas digitales del PLC ................................................................................ 79

Figura 83. Salidas digitales del PLC. .................................................................................. 80

Figura 84. Entradas analógicas del PLC ............................................................................ 80

Figura 85. Arranque del motor principal de la tapadora. .................................................... 81

Figura 86. Arranque del motor de la tolva........................................................................... 82

Page 11: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

x

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Datos estadísticos . .............................................................................................. 12

Tabla 2 Tipos de sensores. ................................................................................................. 42

Tabla 3. Cuadro comparativo de los PLC's ........................................................................ 54

Tabla 4. Requisitos para las pruebas y cumplimiento de normas. ..................................... 57

Tabla 5. Importancia de las normas. ................................................................................... 59

Tabla 6. Material comprado................................................................................................. 83

Tabla 7. Mano de obra ........................................................................................................ 83

Tabla 8. Cronograma........................................................................................................... 85

Tabla 9. Datos Técnicos del PLC Modicon. ........................................................................ 90

Tabla 10. Características Ambientaes del PLC Modicon ................................................... 90

Tabla 11. Datos técnicos de PLC Shneider SR3B101FU .................................................. 91

Tabla 12. Datos técnicos de los PLC Siemens S7 – 1200 CPU 1212C y CPU 1214C. .... 92

Tabla 13. Tiempo de vida de los componentes que se utilizarán. ..................................... 93

Page 12: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

xi

INTRODUCCIÓN

En el presente informe de suficiencia profesional del proyecto de “Automatización del

proceso de tapado de botellas en la elaboración de bebidas de la empresa Corporación

Industrial San Ignacio E.I.R.L.” de detallará en cuatro capítulos el desarrollo del presente

proyecto.

En el capítulo 1, se realiza la descripción del problema, utilizando la técnica de árbol de

problemas. Se formula el problema y los objetivos a alcanzar, también se presentan los

alcances, limitaciones y justificación, y en estado de arte, mostramos diferentes proyectos

similares realizados con anterioridad.

En el capítulo 2, se describe de manera teórica los diferentes componentes y dispositivos

que fueron usados para la elaboración del proyecto, desde el transporte de las botellas,

descripción de los diferentes tipos de tapadoras que hay en la industria, los tipos de

controladores lógicos programables (PLC), los componentes a utilizar en un tablero de

control y los diferentes componentes que ponen en marcha un sistema automático.

En el capítulo 3. Se realiza el levantamiento de información para recopilar datos y continuar

con la elaboración del plano de referencia, seguido de la programación en ladder del PLC

seleccionado para el dominio de la máquina, luego de definir el proceso se continúa con el

diseño de la estructura de la base rotativa, con medidas necesarias para botellas de 500ml.

En el capítulo 4, se muestran los resultados para cada uno de los objetivos propuestos y

desarrollados en el capítulo 3, mostrando evidencias de lo desarrollado y los resultados

alcanzados de la ejecución del sistema de la tapadora automática.

Para finalizar, se presenta el presupuesto obtenido en el desarrollo del proyecto, las

conclusiones, donde comprobamos el alcance de los objetivos desarrollados en todo el

proyecto y la muestra de los anexos

Page 13: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

12

CAPÍTULO I

ASPECTOS GENERALES

1.1. Definición del problema

Descripción del problema

La Corporación industrial San Ignacio E. I. R. L. Es una empresa que se ocupa en la

fabricación y elaboración de bebidas gaseosas, bebidas alcohólicas y agua de mesa,

cumpliendo con todos los requerimientos necesarios para su comercialización en el

mercado.

Para la identificación del problema se tuvo información sobre la máquina tapadora que la

empresa había adquirido, donde se observó que el tablero de control contenía un PLC

Modicon, y con muestra de errores al momento de encender la máquina tapadora de

botellas, sin poder ser reparada.

A continuación, se muestran los valores analizados durante la inoperatividad de la máquina

tapadora, para tener una visión de las pérdidas que genera para la empresa.

Tabla 1. Datos estadísticos.

Máquina Semi

automática

Máquina

Automática Observaciones

Producción

65 botellas

tapadas por

minuto (Aprox.)

360 botellas por

hora (Aprox.)

90 botellas por

minuto

540 botellas por

hora

La cantidad de

botellas tapadas

con la semi

automática se

disminuyen debido

al agotamiento de

la mano de obra

Page 14: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

13

Tiempo de trabajo 2 horas – 3 horas 4 horas

El tiempo menor

que se tiene en la

máquina

semiautomática,

se debe al

agotamiento de la

mano de obra.

Costos

1000 botellas

aprox. Generan

S/. 1000.00 de

ingresos

2160 botellas.

Generan S/.

2160.00 de

ingresos.

Diferencia de los

ingresos que se

tienen por cada

uno de las

máquinas,

Datos estadísticos de producción (Elaboración propia)

En la tabla 1 podemos visualizar que se pierden S/. 1160.00 soles de ingresos adicionales

mientras la máquina automática se encuentra inoperativa.

Para visualizar el problema del proceso de tapado, observamos el gráfico 1 donde tenemos

el árbol de problemas de dicho proceso. Con causas y efectos, para poder solucionar el

problema del presente proyecto.

Page 15: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

14

Fuente: Elaboración Propia

LA FALTA DE OPERATIVIDAD DE LA MÁQUINA TAPADORA DE BOTELLAS DE LA EMPRESA “CORPORACIÓN INDUSTRIAL SAN IGNACIO E. I. R. L.”

DEFICIENTE SISTEMA DE CONTROL EN LA

TAPADORA AUTOMÁTICA.

FALTA DE UN PLANO DE REFERENCIA DEL

TABLERO DE CONTROL

LA COMPETENCIA SE VE FORTALECIDA

PÉRDIDA DE IMAGEN DE LA EMPRESA

PÉRDIDA DE UTILIDAD

MENOR GANANCIA POR LA CANTIDAD DESFAVORABLE DE

BOTELLAS DEFECTUOSAS

FALTA DE ABASTECIMIENTO DE PEDIDOS

MAL FUNCIONAMIENTO DEL TABLERO DE

CONTROL

IMPOSIBILIDAD DE REPARACIÓN DEL PLC INICIAL DEL TABLERO

POCA PARTICIPACION EN EL MERCADO

PÉRDIDA DE MOTIVACIÓN DE LA MANO DE OBRA

Figura 1. Árbol de problemas

Page 16: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

15

Formulación del problema

La falta de operatividad de la máquina tapadora de botellas de la empresa “Corporación

Industrial San Ignacio E. I. R. L.”

1.2. Definición de objetivos

Objetivo general

Rehabilitar el tablero de control y realizar el levantamiento de información de la máquina

tapadora de la empresa “Corporación Industrial San Ignacio E. I. R. L.”.

Objetivos específicos

Programar en lenguaje ladder el PLC para el tablero de control de la tapadora

automática.

Diseñar la base rotativa, para botellas PET de 500 ml.

Realizar el plano de referencia del tablero de control de la tapadora automática.

Realizar la puesta en marcha del sistema automatizado utilizado en tapadora de

botellas de la empresa.

1.3. Alcances y limitaciones.

A continuación, se describirá los alcances y las limitaciones del proyecto.

Alcances.

Se realizará un estudio del sistema completo de la tapadora automática, para poder llevar

a cabo la elaboración de un plano de referencia del tablero de control.

Una vez obtenido la información, se programará en lenguaje ladder el PLC seleccionado,

para el control del sistema de la tapadora automática.

El producto a tapar, son botellas PET con una medida estándar para bebidas de 500 ml.

Con este dato se realizará el diseño de la base rotativa, que colocará las botellas en

posición para ser selladas.

Una vez culminado el proceso de levantamiento de información, se implementará el tablero

de control y se realizará la puesta en marcha del sistema de la tapadora automática.

Page 17: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

16

Limitaciones

Limitación de viabilidad de las fuentes. El presente proyecto tiene una limitada información

con respecto al sustento documental, ya que tiene una elaboración del desarrollo en el

campo técnico, mediante la utilización y selección de las herramientas se logrará rescatar

la información necesaria.

Limitación de Tiempo. Con respecto al tiempo para la realización del proyecto y la ejecución

de la puesta en marcha de la tapadora, se dispone de un límite de tiempo corto, debido a

que hay presión por parte de la empresa, para tener un buen inicio para el nuevo periodo.

Limitación de Recursos. Para la ejecución de un sistema automático completo se tiene

como limitación el recurso de nuevas herramientas y materiales que por falta de

presupuesto no son posibles adquirir.

Limitación de Espacio. Debido a que la máquina tapadora se encuentra conectada e

instalada en serie con las máquinas automáticas también adquiridas y en un ambiente

amplio, pero con poca iluminación se dificulta la revisión e implementación de su tablero y

componentes propios de la máquina.

1.4. Justificación.

Ante las necesidades que se tienen de parte de la empresa y de los clientes para el

abastecimiento de productos se vio por conveniente ver la mejor manera de poder

satisfacer dicha demanda, es muy importante tener una visión de crecimiento en el campo

industrial, para poder ampliarse en el mercado con los recursos necesarios para competir

y surgir como empresa.

El presente proyecto, surge del interés por parte de la empresa de introducirse en el

mercado con una mayor aceptación y abastecimiento de productos para sus clientes, con

máquinas que tengan la capacidad de satisfacer dichas necesidades, a su vez tener menor

gasto en la inversión para las máquinas automáticas.

Page 18: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

17

El proyecto, pretende solucionar la falta de operatividad de la máquina tapadora en su

estado automático, para así poder tener la ejecución posterior de la fábrica, con sus

máquinas automáticas.

El proyecto contribuye a la participación de la empresa en el campo automatizado y a

aplicar conocimientos teóricos y técnicos para la solución de problemas relacionados a la

rehabilitación de tableros de control.

1.5. Estado de arte.

El análisis del estado del arte que se realiza en el presente proyecto, se agrupan en dos

tipos: primero sobre proyectos de automatización en fábricas de bebidas y segundo en

máquinas que dan este beneficio de automatizar una fábrica de bebidas.

Antecedentes internacionales.

1. Automatización e implementación de una planta embotelladora a escala.

Jhon Alexander Peñaloza Calderón, Sergio Mora Gómez: Automatización E

Implementación De Una Planta Embotelladora A Escala. Bucaramanga, Colombia, 2008

Planteamiento del Problema. Elaboración del proceso de una planta embotelladora, a

pequeña escala.

Objetivos. Monitorear y controlar las etapas del proceso de embotellamiento de una manera

didáctica mediante un PLC.

Conclusiones. Construcción del modelo a escala de una embotelladora real. Se controló

dos PLC, de forma maestro esclavo. Se pudo aplicar pantalla táctil al proyecto.

Fuente: Automatización E Implementación De Una Planta Embotelladora A Escala. Bucaramanga,

(Peñaloza & Mora, 2008, pág. 51)

Figura 2. Planta embotelladora a escala.

Page 19: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

18

2. Proyecto de automatización básica: embotelladora de refrescos.

Portal de contenido sobre Ingeniería de Fabricación:

http://wikifab.dimf.etsii.upm.es/wikifab/index.php/Proyecto_de_automatización _básica:

_Embotelladora_de_Refrescos. Abril 2013

Planteamiento del Problema. Lograr tener como base el desarrollo a realizar de un proceso

aproximado de embotellamiento de bebidas del mercado.

Objetivos. Desarrollo de una manera aproximada el proceso de embotellamiento de la

mayoría de refrescos del mercado.

Conclusiones. Se logró simular de manera eléctrica, electro neumática, neumática y

mecánica un proceso aproximado de embotellamiento de bebidas gaseosas.

Fuente:http://wikifab.dimf.etsii.upm.es/wikifab/index.php/Proyecto_de_automatización _básica:_Embotelladora_de_Refrescos. ( Wikifab, 2013)

3. Diseño y fabricación de una embotelladora / tapadora para la producción de cerveza

artesanal

Fabián Barrera Prieto, Luis Felipe Barrera Salamanca. Diseño Y Fabricación De Una

Embotelladora / Tapadora Para La Producción De Cerveza Artesanal. Colombia 2015

Figura 3. Simulación de embotelladora de refrescos.

Page 20: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

19

Planteamiento del Problema. Falta de un proceso más sofisticado para la elaboración de

envasado de cerveza artesanal.

Objetivos. Desarrollo de una máquina embotelladora y tapadora de cerveza artesanal.

Conclusiones. Se realizó estudio de alternativas de diseño para la válvula de llenado, la

matriz de tapado y la embotelladora/tapadora. El proceso de embotellado y tapado de

cerveza artesanal de 4 botellas a 330 cm3 cada una, se tarda aproximadamente un minuto

con un volumen total de 1320 cm3 (1.32 litros), por lo cual en una hora se llenan y se sellan

240 botellas con un volumen de 79 litros.

Fuente: Diseño Y Fabricación De Una Embotelladora / Tapadora Para La Producción De Cerveza Artesanal.

(Barrera & Barrera, 2015, pág. 8)

Antecedentes nacionales

1. Aplicación de mantenimiento proactivo durante arranque de línea de envasado de

cerveza Abev Perú, usando herramientas de calidad total.

German Páez Avendaño, http://repositorio.uni.pe/handle/uni/14645, Aplicación De

Mantenimiento Proactivo Durante Arranque De Línea De Envasado De Cerveza Abev Perú,

Usando Herramientas De Calidad Total. UNI. Lima PERÚ. 2007

Figura 4. Tapadora de cerveza artesanal

Page 21: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

20

Planteamiento del Problema. Adolecer de personal capacitado, tiempo de trabajo

disminuido y las máquinas no están con un estado de operación impecable.

Objetivos. Optimizar los medios (Personal, tiempo y capacitación), para asegurar la ayuda

de la fase de construcción y ensayos del proyecto

Conclusiones. Aparte de tener en cuenta la iniciación de un proyecto, también se considera

la organización que se ejecutará constantemente en el proyecto. El manejo estadístico del

desempeño de los instrumentos y equipos, ayuda a obtener un análisis minucioso del

problema.

Fuente: German Páez Avendaño, Aplicación de mantenimiento proactivo durante arranque de línea de envasado de cerveza Abev Perú, Usando herramientas de calidad total. UNI. Lima PERÚ. 2007 (Páez, 2007, pág. 17)

2. Diseño de un plan de mejora basado en la teoría de restricciones para aumentar la

productividad en el área de producción de la embotelladora wara s. a. c. Chiclayo – 2016

Carlos Jhordan Díaz Cubas, Cesar Manuel Santa Cruz Pérez,

http://repositorio.uss.edu.pe/bitstream/handle/uss/4071/TESIS-USS-

%20Diaz%20Cubas%2c%20Santa%20Cruz%20P%C3%A9rez.pdf?sequence=1&isAllowe

d=y, Diseño De Un Plan De Mejora Basado En La Teoría De Restricciones Para Aumentar

La Productividad En El Área De Producción De La Embotelladora Wara S. A. C. Chiclayo,

Perú, 2017

Planteamiento del Problema. No cuenta con calibración óptima en los sensores de las

válvulas de llenado, lo cual genera un llenado de botellas defectuoso.

Figura 5. Diseño de envasadora de cerveza Abev Perú.

Page 22: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

21

Objetivos. Diseñar un proyecto de mejoramiento, teniendo en cuenta la teoría de

restricciones, incrementando la productividad en la zona de producción de la embotelladora

Wara S. A. C.

Conclusiones. Se logró diagnosticar los procesos actuales que se realizan en el área de

producción. También se incrementó la productividad del factor materia prima.

Fuente: Carlos Diseño De Un Plan De Mejora Basado En La Teoría De Restricciones Para Aumentar La Productividad En El Área De Producción De La Embotelladora Wara S. A. C. Chiclayo, Perú, 2017 (Díaz & Santa Cruz, 2017, pág. 68)

3. Aplicación de un plan de mantenimiento preventivo para mejorar la productividad

de la línea – 63 en el proceso de embotellado de la empresa corporación lindley s. a. sjl,

2016

Américo Quispe Mamani,

http://repositorio.ucv.edu.pe/bitstream/handle/UCV/29355/Quispe%20_MA.pdf?sequence

=1&isAllowed=y, Aplicación De Un Plan De Mantenimiento Preventivo Para Mejorar La

Productividad De La Línea – 63 En El Proceso De Embotellado De La Empresa

Corporación Lindley S. A. SJL, Perú, 2017

Planteamiento del Problema. Productividad insuficiente de la Línea – 63 durante el

embotellamiento.

Objetivos. Calcular en que rango, la ejecución de un proyecto de mantenimiento preventivo,

optimiza la productividad de la Línea – 63 durante el proceso de embotellado de la empresa

LINDLEY S.A de San Juan de Lurigancho – 2016.

Figura 6. Área de tapado de la empresa Wara S.A.C.

Page 23: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

22

Conclusiones. La utilización del proyecto de mantenimiento mejoró la productividad en

la Línea – 63. Así también mejoró la eficiencia y eficacia.

Fuente: Américo Quispe Mamani, Aplicación De Un Plan De Mantenimiento Preventivo Para Mejorar La Productividad De La Línea – 63 En El Proceso De Embotellado De La Empresa Corporación Lindley S. A. SJL, 2016 ( Quispe, 2016, pág. 36)

Antecedentes locales

1. Automatización de la fábrica Villa Kola ubicada en Villa Rica, perteneciente a

Oxapampa.

Empresa dedicada a la elaboración de bebidas gasificadas, con gran alcance en la selva

central, gracias a la gran demanda que esta gaseosa generó en los últimos años, se vio

con la disposición de mejorar productivamente el proceso de sus bebidas gaseosas, para

poder abastecer la demanda de la población.

Fuente: (Villa Kola, 2015)

Figura 7. Planta embotelladora Lindley.

Figura 8. Gaseosa Villa Kola.

Page 24: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

23

CAPÍTULO II

MÁRCO TEÓRICO

2.1. Fundamento teórico.

Veremos los fundamentos teóricos que debemos tener en cuenta para poder llevar a cabo

un diseño del proyecto a tratar en el presente Informe de Suficiencia Profesional.

Para el transporte de las botellas.

Es necesario utilizar una faja transportadora, que se comunica correctamente con la

tapadora automática.

Banda o Faja Transportadora.

Tienen dos tipos de usos, para uso ligero y uso pesado. Es un medio de conducción, donde

se utiliza una banda accionada por dos tambores mediante la fricción que ocurre entre

ambos, accionado a su vez por su motor.

Las bandas transportadoras se utilizan en la distribución automatizada dentro de las

industrias, que permiten el movimiento y transporte de grandes cantidades de volúmenes

de productos u objetos que se requieren, haciendo más eficiente la distribución necesaria

en la industria. (Wikpedia, 2018)

Fuente: ( Worksmech, 2014)

Tipos de fajas transportadoras.

Fajas transportadoras de aluminio.

Figura 9. Faja transportadora de botellas.

Page 25: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

24

En las industrias podemos encontrar para pequeñas cargas. Donde no superan las 120 lb

(54 kg). Son lineales, es decir no mantiene curvas en el transporte. (Siscode, 2017)

Fuente: (Siscode, 2017)

Para trabajo pesado. Son fajas de bajo mantenimiento lineales, que soportan las 1000 lb

(455 Kg). (Siscode, 2017)

Fuente: (Siscode, 2017)

Figura 10. Faja transportadora de aluminio, para carga menor a 120lb.

Figura 11. Faja transportadora para trabajo pesado.

Page 26: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

25

Fajas modulares para trabajo pesado. Son fajas transportadoras de carga pesada y

capacidades para alta velocidad, con la posibilidad de añadir 4 curvas en una sola faja

transportadora. Con mayor funcionabilidad y flexibilidad, soportando cargas de 1000 lbs.

(455Kg). (Siscode, 2017)

Fuente: (Siscode, 2017)

Fajas de precisión para pequeñas cargas. Contiene controles integrados, velocidad

variable y reversión disponible, para múltiples funciones y aplicaciones. Debido a los

mecanismos sofisticados que maneja, para una mejor funcionabilidad, solo se usa para

cargas no mayores a 750 lbs. (340 Kg). (Siscode, 2017)

Fuente: (Siscode, 2017)

Figura 12. Faja modular para trabajo pesado.

Figura 13. Faja transportadora de precisión.

Page 27: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

26

Fajas transportadoras de tipo Chevron.Se tiene en su variante las Anti deslizables de tipo

Chevron. Recomendables para trabajos de minería, piedras, movimiento de tierras y uso

en la industria de construcción. Adaptables a cargas muy pesadas. (Siscode, 2017)

Fuente: http://belteccs.com/categoria-producto/bandas-transportadoras/bandas-transportadoras-caucho/

Para el tapado de botellas

Puede ser de manera manual, pero para una industria, se necesita una máquina tapadora

que tiene variaciones desde manuales, hasta automáticas de gran producción.

Máquina tapadora de botellas.

Las tapadoras de botella cumplen la función de cerrar las botellas, con diferentes tipos de

tapas como roscadas, engargoladas, a presión, de vidrio, de plástico y PVC.

Son instrumentos que ayudan a la industria a agilizar el proceso de tapado, ahorrando

tiempo en dicha área. (Industrial, 2018)

Figura 14. Faja anti deslizable Chevron.

Page 28: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

27

Fuente: (Industrial, 2018)

En los tipos de tapadoras, tenemos:

1. Tapadora manual.

Con cabezal para tapas con rosca. Es recomendable para envases y botellas que requieren

de tapas de plástico pre roscados, tiene incluido un control regulable de torque para mejor

apretado.

Modo de uso. Posicionar la tapa en la boca de la botella, luego se acciona el interruptor de

encendido para que la presión vertical necesaria realice un buen proceso de tapado. Una

vez logrado un apriete adecuado hacia la botella, la máquina se desactiva automáticamente

protegiéndolo de deterioros en la tapa y en el cabezal tapador. (Industrial, 2018)

Fuente: (Industrial, 2018)

Tapadora manual con cabezal para tapas viales. Son útiles para para tapas medicinales

de aluminio como los envases de penicilina. Para los envases de penicilina son necesarios

las tapas viales de 13 mm, 15 mm y 20 mm de diámetro.

Figura 15. Tapadora de botellas.

Figura 16. Tapadora manual para tapas con rosca.

Page 29: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

28

Modo de Uso. Posicionar la tapa sobre la boca del envase, luego penetrarlo dentro de la

boca de la tapadora, finalmente se presiona las pinzas manualmente logrando así un sello

hermético. (Industrial, 2018)

Fuente: (Industrial, 2018)

2. Tapadora Semi automática.

Con cabezal para tapas con rosca. Son muy útiles para envases y botellas que usan tapas

de plástico o metálico pre roscado. Por ejemplo, las de rosca plana, las tapas de atomizador

y las de spray.

Modo de uso. Posicionar la botella puesta con la tapa en el soporte de la máquina, luego

según sea el modelo de la máquina, el cabezal tapador bajará o el soporte subirá hasta

hacer contacto con la tapa y lograr el tapado hermético adecuado, gracias a la presión

ejercida y al torque giratorio. (Industrial, 2018)

Figura 17. Tapadora manual para tapas viales.

Page 30: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

29

Fuente: (Industrial, 2018)

Con cabezal para tapas sin rosca. Útiles para tapar y envasar herméticamente tapas de

aluminio necesariamente en botellas de vidrio. Para tapas Pilfer Prof largos y cortos de

15mm hasta 46mm de diámetro.

Modo de Uso. Posicionar la botella puesta con la tapa en el soporte de la máquina, luego

este subirá hasta que la tapa de aluminio haga contacto con el cabezal tapador.

Gracias a la presión que ejerce el bloque vertical y los ganchos laterales, podemos obtener

una rosca perfecta, con ciere hermético en botellas de vidrio, plástico y garrafas. (Industrial,

2018)

Fuente: (Industrial, 2018)

3. Tapadoras automáticas.

Máquinas utilizadas en diferentes industrias, como la de alimentos, lubricantes, cosméticos,

farmacéuticos y aceites, agroquímicos y productos de limpieza. Son diseñados para

Figura 18. Tapadora semi automática para tapas con rosca.

Figura 19. Tapadora semi automática para tapas sin rosca.

Page 31: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

30

procesar recipientes y botellas que llevan tapa de plástico o metálica con rosca, pueden

ser de manera redonda o irregular, se puede elegir el modelo de acuerdo a las dimensiones

del envase que se va a tapar y la forma de la tapa.

La máquina cuenta con una faja transportadora con variador de velocidad, que transporta

los envases hasta la distribución de tapas, donde las coloca sobre la boca del envase,

seguidamente las lleva hacia un cabezal que realiza el cierre hermético del envase.

(Industrial, 2018)

Fuente: (Industrial, 2018) Para el control del sistema automático de tapado de botellas.

Se utilizan Controladores lógicos programables (PLC). Para controlar el sistema completo

de tapado de botellas.

Controladores lógicos programables (PLC).

Controlador Lógico Programable, cuyas iniciales en el inglés son PLC que provienen de

Programmable Logic Controller, que es una dispositivo que se utiliza para automatizar

procesos industriales. Son diseñados con la capacidad de tener múltiples entradas y

salidas de corriente, cuyo sistema es robusto, es decir inmune a la interferencia eléctrica y

ante la vibración y el choque. La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA)

nos brinda la definición más acertada para los PLC’s, definiéndolos como: “Dispositivo o

instrumento electrónico, capaz de guardar instrucciones que realice determinadas

funciones mediante el uso de una memoria programable, como por ejemplo una serie de

Figura 20. Tapadora automática.

Page 32: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

31

acciones, actividades de tiempo, contadores, operaciones lógicas, evaluación para el

manejo por módulos de entradas y salidas analógicos o digitales en los distintos tipos de

máquinas y procesos”. (CTIN, 2018)

Fuente: (Explora técnica, 2016)

En los tipos de PLC tenemos:

1. PLC compactos, son los PLC en cuya estructura llevan CPU, PS, módulos de

entradas y módulos de salida de un mismo equipo. Normalmente hay un número

determinado de entradas y salidas digitales sin sobrepasar los 30, pueden tener uno o dos

canales de comunicación y un interfaz HMI. También para su contador de alta velocidad

puede tener una entrada y una o dos entradas y salidas analógicas. Para obtener una

mayor cantidad de entradas y salidas de un PLC compacto individual, se puede aumentar

la cantidad de módulos, que pueden ser conectados. Los módulos son colocados en un

paquete, similar al del mismo PLC. Estos PLCs son utilizados en reemplazo de los relés,

para automatización.

Fuente: Controladores Industriales inteligente (Diecc, 2011, pág 12)

Figura 21. PLC Siemens

Figura 22. PLC Compacto.

Page 33: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

32

2. PLC modular, es un PLC cuyas funciones son mayores al de los PLC compactos a

su vez son más potentes y de mayor capacidad. Los módulos de un PLC modular se

localizan comúnmente en un canal por paquetes separados de forma especial o en un

canal DIN que puede comunicarse con la CPU mediante un sistema bus. Para las

dificultades debido a su número limitado de módulos, es posible añadir en la mayoría de

casos, mayor cantidad de módulos para los PLCs. Una de las ventajas de los PLCs

modulares es que tienen la capacidad de utilizar una cantidad elevada de entradas y

salidas, también pueden guardar mayor cantidad de datos, soportar programas más

grandes y trabajar en la opción de multitarea. (Diecc, 2011, pág 12)

Fuente: Controladores Industriales inteligentes (Diecc, 2011, pág 13)

3. PLC con montaje en rack, son los PLC cuyas características, capacidades y

aplicaciones, comparadas con un PLC modular son semejantes. No obstante, en la

ubicación donde se imponen los módulos del PLC, podemos encontrar algunas diferencias.

En el rack podemos encontrar unos canales para poder insertar los módulos y también

internamente contiene un sistema de bus integrado que ayuda a mantener comunicación y

permutar entre los módulos la información. En gran parte los módulos PLC solo disponen

de un panel que contiene una interfaz HMI en la parte frontal, debido a que no cuentan con

sus propias cajas. Tienen como ventaja principal, lograr un intercambio de datos entre los

Figura 23. PLC Modular

Page 34: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

33

módulos mucho más rápido, permitiendo a los módulos un tiempo de reacción menor.

(Diecc, 2011, pág 13)

Fuente: Controladores Industriales inteligentes (Diecc, 2011, pág 14)

4. OPLC, también conocido como PLC con panel Operador, para poder tener una

monitorización directa de las máquinas y los procesos, las OPLC contienen una interfaz

HMI. La interfaz HMI consta primordialmente de una pantalla, puede ser táctil, o en forma

de monitor y teclado para su manipulación. El monitor que nos presenta puede ser de tipo

texto o tipo gráfico. Estos PLC con panel operador, presentan como ventaja principal ante

un PLC la facilidad de no tener que programar de manera separada el panel. (Diecc, 2011,

pág 14)

Fuente: Controladores Industriales inteligentes (Diecc, 2011, pág 14)

Figura 24. PLC de tipo montaje en rack.

Figura 25. PLC OPLC

Page 35: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

34

Para la implementación del tablero de control.

Se utilizan diferentes componentes, que son necesarios para la implementación del tablero.

Pulsadores

Es un elemento eléctrico que otorga el paso de la corriente mientras es manipulado y

cuando ya no se actúa sobre él, regresa a su estado natural.

Está diseñada de una lámina que conduce corriente eléctrica mediante el contacto con los

dos terminales al ser oprimido, y también consta de un resorte que realiza el retorno del

pulsador a su posición de inicio. (Wikipedia, 2018)

Fuente: (Schneider Electric, 2018)

Para los tipos de pulsadores tenemos:

1. Pulsadores para ambientes severos. Perfectamente adaptados para poder ser

aplicados en trabajos y/o proyectos al aire libre. (Prezi, 2014)

Fuente: (Schneider Electric, 2018)

Figura 26. Pulsadores.

Figura 27. Pulsadores de ambientes severos.

Page 36: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

35

2. Pulsadores de plástico, interruptores, luces piloto. Utilizados comúnmente para el

encendido de motores de minería, metalurgia, petroquímica, petróleo y gas. (Prezi, 2014)

Fuente: (Schneider Electric, 2018)

3. Pulsadores de embellecedor metálico. Son utilizados para aplicaciones en la

industria de petroquímica, automotriz, textil, minas y aeropuertos. (Prezi, 2014)

Fuente: (Schneider Electric, 2018)

Figura 28. Pulsadores de plástico.

Figura 29. Pulsador con embellecedor metálico.

Page 37: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

36

4. Pulsadores de embellecedor plástico. Son utilizadas en máquinas con pequeños

acabados y paneles de control. (Prezi, 2014)

Fuente: (Schneider Electric, 2018) 5. Pulsador inalámbrico con batería. Son utilizadas mayormente en fábricas de

cementos, embalajes, alimentos y bebidas, automoción. (Prezi, 2014)

Fuente: (Schneider Electric, 2018)

Figura 30. Pulsador con embellecedor plástico.

Figura 31.Pulsador inalámbrico.

Page 38: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

37

Contactores:

Son dispositivos electromecánicos cuya función es permitir el paso de corriente eléctrica,

capaz de tener diferentes aplicaciones en el campo industrial y doméstico. (Wikipedia,

Contactor, 2018)

Fuente: (Formación para la industria 4.0, 2018)

En la clasificación de los contactores tenemos:

Por su construcción

Los contactores electromagnéticos. Inician su funcionamiento a mediante un electroimán.

(Wikipedia, Contactor, 2018)

Fuente: (Coparoman, 2015)

Figura 32. Contactores.

Figura 33. Contactor electromagnético.

Page 39: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

38

Los contactores electromecánicos. Se activan mediante un servomotor que contiene un

alambre espiral de material de cobre envuelto sobre un núcleo metálico, que generalmente

es cuadrado con un interruptor alojado en el centro. (Wikipedia, Contactor, 2018)

Fuete: (Benz, 2011)

Los contactores neumáticos, que son activados por la presión de aire.

Fuente: (Sapiensman, 2018)

Los contactores hidráulicos. Son los que se activan por la presión de aceite. (Mariscal,

2009)

Figura 34. Contactor electromecánico.

Figura 35. Contactor neumático.

Page 40: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

39

Fuente: (Alibaba, 2018)

Los contactores estáticos. Son construidos por tiristores. Podemos encontrar algunos

defectos e inconvenientes: tiene una estructura con un dimensionamiento superior a otros

y poco ergonómico, disipa una potencia muy elevada, son muy perceptibles a los parásitos

internos y tiene una corriente de fuga considerable. También tienen un costo muy elevado

en comparación con los contactores electromecánicos y similares. (Mariscal, 2009)

Fuente: https://www.automation24.es/contactor-estatico-siemens-sirius-3rf3403-1bd04

Por el tipo de corriente que alimenta a la bobina.

Contactores para corriente alterna (C.A.). Actualmente son los de un uso más frecuente.

Existen una amplia variedad de tamaños en el mercado, dependiendo de la potencia que

se necesite controlar. Los contactores de corriente alterna están compuestos por una

Figura 36. Contactor hdráulico

Figura 37.Contctor estático.

Page 41: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

40

espiral de cobre cortocircuitado en la cara polar principal donde, si existe un correcto

rectificado entre las caras polares, se puede eliminar las vibraciones del contactor. Pese a

la gran variación de la impedancia en las bobinas de contactores según su circuito

magnético si se encuentra abierto o cerrado, la corriente inicial de tracción resulta

considerablemente superior que la de mantenimiento que se establece posteriormente al

cierre.

Es así que, de forma automática, se tiene una corriente inicial considerablemente grande

que pueda producir el cierre neto y rápido del contactor, y posteriormente una corriente

posterior con un valor reducido pero suficiente para mantenerlo completamente cerrado.

Los tiempos necesarios para el cierre de contactores oscilan entre 150 y 300 milisegundos,

según el tamaño de cada contactor en relación con la potencia a controlar. (Mariscal, 2009)

Fuente: (Reletec, 2018)

Contactores para corriente continua (C.C.) A comparación de los de corriente alterna,

tienen un costo mayor y una estructura considerablemente más voluminosa y pesada,

acogen una disposición con menos limitaciones. El gran tamaño y la disposición requieren

de un diseño especial para sus contactos y cámaras de extinción, logrando así la capacidad

de controlar y soportar los arcos producidos en la interrupción de circuitos de corriente

continua, los contactores de corriente continua también tienen la necesidad de disponer de

un mayor alcance a los contactos en tareas de cuidado y monitoreo.

Figura 38. Contactor para corriente alterna

Page 42: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

41

Los contactores de corriente continua tienen un valor constante en la resistencia de la

bobina, para poder contar con una corriente inicial necesaria para el cierre, y para

posteriormente contar con una corriente de mantenimiento con menor valor utiliza unos

resistores que son llamados también “economizadores”. Debido a ello al incluirse en un

circuito es controlado por un contacto auxiliar del mismo contactor o también por contactos

auxiliares de otro contactor.

Fuente: http://www.guiadelaindustria.com/producto/contactores-linea-corriente-continua-mc1d-montero-mc1d/24435 (Guía de la Industria. 2018)

Para la activación controlada del sistema.

Se utilizan diversos sensores y actuadores para poder activar y enviar señales para

controlar un sistema automático.

Figura 39. Contactor para corriente continua.

Page 43: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

42

Sensores

También llamados captadores, son dispositivos que reciben datos de una medida del

exterior, para convertirla en otra medida que se pueda maniobrar y cuantificar, es decir,

transformarla a una magnitud eléctrica. (Wikipedia, 2018)

Fuente: http://skillten.com/producto/curso-sensores-industriales-para-la-deteccion-de-objetos/

(Skillten, 2018)

Tabla 2 Tipos de sensores.

Magnitud Transductor Característica

Posición lineal y angular

Potenciómetro Analógica

Encoder Digital

Sensor Hall Digital

Desplazamiento y deformación

Galga extensiométrica Analógica

Magnetoestrictivos A/D

Figura 40. Sensores.

Page 44: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

43

Magnetorresistivos Analógica

LVDT Analógica

Velocidad lineal y angular

Dinamo tacométrica Analógica

Encoder Digital

Detector inductivo Digital

Servo-inclinómetros A/D

RVDT Analógica

Giróscopo

Aceleración

Acelerómetro Analógico

Servo-accelerómetros

Fuerza y par (deformación)

Galga extensiométrica Analógico

Sensor de fuerza Analógico

Sensor de par Analógico

Page 45: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

44

Multicomponente Analógico

Presión

Membranas Analógica

Piezoeléctricos Analógica

Manómetros Digitales Digital

Caudal

Turbina Analógica

Magnético Analógica

Temperatura

Termopar Analógica

RTD Analógica

Termistor NTC Analógica

Termistor PTC Analógica

Bimetal - Termostato I/0

Sensores de presencia

Inductivos I/0

Capacitivos I/0

Page 46: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

45

Ópticos I/0 y Analógica

Sensores táctiles

Matriz de contactos I/0

Piel artificial Analógica

Visión artificial

Cámaras de video Procesamiento digital

Cámaras CCD o CMOS Procesamiento digital

Sensor de proximidad

Sensor final de carrera

Sensor capacitivo Analógica

Sensor inductivo Analógica

Sensor fotoeléctrico Analógica

Sensor acústico (presión sonora) micrófono Analógica

Sensores de acidez ISFET

Sensor de luz

fotodiodo Analógica

Fotorresistencia Analógica

Page 47: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

46

Fototransistor Analógica

Célula fotoeléctrica Analógica

Sensores captura de movimiento Sensores inerciales

Tipos de sensores por la magnitud de medida (Wikipedia, Sensor, 2018)

Actuadores

Son componentes que tienen la capacidad de convertir energía hidráulica, neumática o

eléctrica con la intención de activar un proceso que tiene como objetivo efectuar una acción

en un proceso de automatización. Los actuadores reciben la señal de un controlador o

regulador que debido a la señal genera la orden para activar una acción de control.

(Wikipedia, Actuador, 2018)

Fuente: (Festo, 2018)

En los tipos de actuadores tenemos:

1. Electrónicos

2. Neumáticos

3. Hidráulicos

4. Eléctricos

1. Actuadores electrónicos.

Figura 41. Actuador.

Page 48: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

47

Los actuadores electrónicos son dispositivos que utilizan mecanismos electrónicos,

comúnmente requieren de mucha energía, es por ello que utilizan mucho consumo

eléctrico. Estos actuadores utilizan drivers, para poder controlar y desarrollar su trabajo

correctamente, como por ejemplo la tarjeta electrónica programable Arduino. (Wikipedia,

Actuador, 2018)

Algunos ejemplos de actuadores electrónicos son:

Leds

DC Motor.

Electroválvula

Nitinol.

Relé

Servomotor.

Solenoide.

Motor paso a paso.

Fuente: (Hangar, 2018).

2. Actuadores neumáticos.

Son dispositivos que transforman la energía del aire comprimido en trabajo mecánico.

Trabajan de forma similar a los actuadores hidráulicos, con la variación del límite de

compresión que en este caso es menor al de los actuadores hidráulicos, también en el uso

Figura 42. Actuadores electrónicos.

Page 49: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

48

que se requiere y el suministro de energía que usa, en este caso es aire. (Wikipedia,

Actuador, 2018)

3. Actuadores hidráulicos.

Son los de mayor antigüedad, que trabajan en base a la compresión de fluidos y que se

dividen en tres considerables grupos, como son: cilindro hidráulico, motor hidráulico y motor

hidráulico de oscilación. (Wikipedia, Actuador, 2018)

Cilindro Hidráulico. Los cilindros hidráulicos se clasifican en dos tipos de acuerdo a su

función, de Efecto simple y también el de doble acción.

Efecto Simple. Se refiere a la utilización de una fuerza hidráulica para extraer el vástago y

una fuerza externa para contraer en sentido contrario.

Fuente: (Briones, 2014)

Doble Acción. Se utiliza la fuerza hidráulica en diferentes posiciones para ejecutar las dos

acciones, de extracción del vástago y contracción.

Fuente: (Emaze, 2018)

Entrada y salida de fluido

Figura 43. Cilindro de efecto simple.

Figura 44. Cilindro de doble efecto.

Page 50: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

49

Motor Hidráulico. Los motores hidráulicos son actuadores que utilizan el fluido para

convertir su energía cinética en energía mecánica rotativa, que comúnmente aplican una

carga mediante un centro. (Wikipedia, Motor hidráulico, 2018)

Fuente: (Guía de la industria, 2018)

4. Actuadores eléctricos.

Son dispositivos que necesitan energía eléctrica como origen de energía, utilizando cables

de electricidad para transportar electricidad y señales. Encontramos una gran variedad de

modelos, los cuales podemos emplearlos con motores eléctricos estandarizados depende

de la aplicación. Comúnmente es necesario utilizar reductores eléctricos, ya que los

motores son de operación continua. Tenemos por ejemplo los motores de corriente alterna

y los relés.

Motores de corriente alterna. Son aquellas máquinas eléctricas que utilizan como

alimentación la corriente alterna, que transforma dicha potencia en energía mecánica de

rotación o par. (Wikipedia, Motor de corriente alterna, 2018)

Figura 45. Motor hidráulico.

Page 51: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

50

Fuente: (Wikipedia, Motor de corriente alterna, 2018)

Relé. También llamado relevador, fabricado por Joseph Henry en el año 1835, consta de

un dispositivo electromagnético. Tiene la función de un interruptor que es maniobrado por

un circuito eléctrico en el que, se acciona uno o varios contactos, que, por medio de

una bobina y un electroimán, posibilita la apertura o cierre otros circuitos eléctricos

autónomos (Wikiepdia, 2018).

Fuente: (Wikipedia, 2018)

Figura 46. Motor de corriente alterna.

Figura 47. Relés

Page 52: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

51

CAPÍTULO III

DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN

Para conocer el proceso de la máquina tapadora, visualizaremos el siguiente cuadro de

bloques.

Fuente: Elaboración propia

3.1. Estudio del tablero de control, para el levantamiento de información.

Levantamiento de información

Para iniciar con el proyecto, se tuvo que visualizar de manera general, el tablero de control.

Donde el PLC inicial, es un MODICON TELEMECANIQUE TSX NANO, un micro PLC, para

pequeñas tareas de control. Podemos observar el tablero de control inicial, en la Figura 49.

Detección de tapas suficientes

Detección de botellas

Apertura del soporte de tapas

Ingreso de la botella al área de tapado

Salida de botellas tapadas

Figura 48. Diagrama de bloques del proceso de la máquina tapadora

Page 53: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

52

Fuente: Elaboración propia.

Para conocer los datos técnicos del PLC y poder tener mayor conocimiento sobre el mismo

para desarrollos posteriores, se sustrajo información de la web y se visualiza en el Anexo

B y Anexo C, Tabla 9 y Tabla 10.

Para poder probar y conocer la falla de la máquina tapadora, se tuvo que encender la

alimentación y así verificar el tablero de control. Una vez encendida el tablero, se visualiza

en la Figura 49 que el PLC MODICON enciende un led rojo de error, el cual deja inoperativo

la función de “Automático” en panel de control del tablero.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 49. Tablero inicial inoperativo.

Figura 50. Tablero inicial encendido con error de PLC.

Page 54: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

53

En este punto, se observa que solo en el estado de “Manual”, en el panel de control, es

posible activar la tapadora, lo cual indica que su activación será directa, sin utilización de

los sensores que posee la tapadora.

Se realizó la revisión y consulta técnica sobre su reparación, sin tener resultados

favorables.

Es por ello, que se decide aplicar por la migración a un PLC nuevo, que pueda cubrir con

el trabajo necesario, y además considerar que servirá para aplicaciones futuras con todas

las máquinas adquiridas en la fábrica.

Selección de PLC

Para poder implementar un nuevo PLC al tablero de control, fue necesario revisar las

características técnicas de PLC’s en el mercado.

Se obtuvo con similitudes en entradas y salidas al PLC Schneider Electric SR3B101FU. En

el Anexo D. Tabla 11 podemos visualizar sus datos técnicos del PLC Schneider Electric

SR3B101FU.

Visualizando la marca Siemens, se obtuvo dos módulos con características necesarias

para el trabajo que se realizará y con entradas óptimas para una implementación futura en

sincronía con las demás máquinas de la fábrica.

Tenemos en el Anexo E. Tabla 12 Los Daos técnicos del CPU 1212C y del CPU 1214C.

Una vez obtenido los datos técnicos de los PLC´s disponibles en el mercado, se procede

con el análisis mediante la comparación de los tres modelos. En la Tabla 3 visualizaremos

el cuadro comparativo de los modelos mencionados, de los cuales se elegirá al más

conveniente para la empresa.

Page 55: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

54

Tabla 3. Cuadro comparativo de los PLC's

Schneider

Electric

SR3B101FU

Simatic S7

1200

CPU 1212C

AC/DC/relé

Simatic S7

1200

CPU 1214C

AC/DC/relé

Número de entradas y

salidas útiles para el

proceso.

Si Si Si

Tensión de alimentación

utilizada = 24V Si Si Si

Resistencia de

temperatura ambiente

de 14 °C a 32°C

Si Si Si

Resistencia de

Humedad de la zona =

79°

Si Si Si

Aplicable para panel

HMI en aplicaciones

futuras.

Si Si Si

Suficiente capacidad,

para ser implementada

con las demás

máquinas de la fábrica.

No Si Si

Page 56: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

55

Disposición inmediata

del PLC. No Si Si

Precio accesible para la

empresa. Si Si No

Conocimientos y

garantía técnica

accesible en la zona.

No Si Si

Fuente: Elaboración propia.

Con la consideración de las características del cuadro comparativo, se llegó a un acuerdo

con la empresa en utilizar el PLC Siemens S7-1200 1212C.

Para los componentes del tablero de control, se hace una revisión técnica y consideración

del tiempo de trabajo previo antes de ser adquirida por la empresa Corporación Industrial

San Ignacio E. I. R. L.

Para optar por la reutilización de los componentes tendremos en cuenta el tiempo de vida

o durabilidad de cada uno de ellos. En el Anexo F. Tabla 13 se visualiza la durabilidad de

cada componente instalado en el tablero y que serán necesarios para la elaboración del

proceso.

Sobre el cableado del tablero. Se instaló el tablero con nuevos cables, calibre 14 AWG.

Que cumple con las normas UL508A y las NTP, para instalación de tableros de control.

Page 57: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

56

Una vez obtenido todo lo necesario para la rehabilitación del tablero de control, se procede

con la migración del PLC y la aplicación de los componentes que se requerirán para el

tablero de control. Se observa en la Figura 51, el proceso de extracción del PLC y

reubicación de los componentes.

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 51. Podemos apreciar, que se reordena los componentes, a su vez se extrae el PLC

obsoleto, para ser migrado al nuevo PLC, en este caso al PLC Siemens S7 – 1200 1212C

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 52, podemos observar el PLC antiguo ya extraído del tablero, el cual está

inhabilitado para operar.

Para tener información necesaria sobre las normas a las que se rigen la elaboración de

tableros de control, visualizamos detalles sobre normas que se consideran en los

componentes y la utilización del presente tablero de control.

Figura 51. Extracción del PLC y reubicación de componentes.

Figura 52. PLC MODICON extraído.

Page 58: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

57

Tabla 4. Requisitos para las pruebas y cumplimiento de normas.

Norma

Puntos

principales

de los que

se ocupa

Requisitos de las

pruebas

Inspección de

laboratorio

requerida

para la

certificación

del producto

Inspección

requerida del

sitio de

fabricación

IEC 60529

• Nivel de

protección

contra el

ingreso

Se permite la

autocomprobación

No: IEC

permite la

evaluación

interna del

cumplimiento.

Algunos

fabricantes

eligen que

una

instalación de

pruebas

independiente

certifique sus

productos

No

NEMA 250 • Nivel de

protección

Se permite la

autocomprobación

No: NEMA

permite la

evaluación

No

Page 59: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

58

contra el

ingreso

• Requisitos

mínimos

para el

diseño de

gabinetes

interna del

cumplimiento

UL 50, 50E

• Nivel de

protección

contra el

ingreso

• Requisitos

mínimos

para el

diseño de

gabinetes

Se exige la

prueba de un

laboratorio de UL

o un laboratorio

certificado por UL

Sí: UL exige

la verificación

de las

pruebas y

auditorías

anuales de los

laboratorios

certificados

por UL para

validar el

cumplimiento

con las

normas

Sí: UL

inspecciona

cada sitio de

fabricación

mensualmente

para asegurar

el

cumplimiento

con la

certificación

del diseño de

productos de

UL.

Comparación de la supervisión requerida, para mostrar la marca de certificación para cada una de las normas - Normas Globales para Gabinetes en la Industria Eléctrica. (Hoffman, 2009, pág. 7)

Page 60: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

59

Tabla 5. Importancia de las normas.

Supervisión Porqué es importante UL50,

50E

NEMA

250

IEC

60529

Laboratorio de

pruebas

certificado

Asegura la calibración

del equipo, el

cumplimiento con ISO

9001 e ISO 17025 y el

cumplimiento con las

normas de la agencia.

X

Revisión de las

pruebas

Proporciona la seguridad

de que se han efectuado

correctamente las

pruebas

X

Se inspecciona

la fabricación

Asegura que los

gabinetes se fabriquen y

certifiquen correctamente

y de manera consistente

X

Inspeccionada

en el campo

Asegura que se hayan

construido y certificado

correctamente los

gabinetes para la

aplicación final

X

Page 61: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

60

Multas

Proporcionan la

disuasión para evitar la

fabricación y certificación

de gabinetes que no

cumplen con los

requisitos.

X

Autodeclaración

No proporciona la

supervisión necesaria

para asegurar que se

han probado, construido

o certificado

correctamente los

gabinetes

X X

Descripción de la importancia de la supervisión y si se incluye o no en cada norma. (Hoffman,

2009, pág. 8)

Implementación del nuevo controlador lógico programable.

Una vez adquirido el PLC (Figura 53), se realiza el proceso que debe seguir la

programación, mediante diagramas de flujo, que podemos observar en la Figura 54. y

Figura 55.

Page 62: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

61

Fuente: Elaboración propia.

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 54, apreciamos el diagrama de flujo del sensor de entrada de botellas, donde

conectándose con el tablero de control, activará el soporte de las tapas, dándoles el paso

Figura 54. Diagrama de Flujo del proceso del sensor de entrada de botellas.

Figura 53. PLC Siemens S7-1200 adquirido.

Page 63: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

62

para continuar con el proceso, caso contrario, la máquina tapadora continuará su trabajo,

esperando la señal del sensor infrarrojo de entrada de botellas.

En la siguiente imagen, se visualiza el diagrama de flujo del sensor de tapas en la Figura

55. La cual cumple el rol de avisar si la tolva cuenta o no con tapas para continuar con el

proceso.

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 55, podemos apreciar el diagrama de flujo del proceso de disposición de tapas,

el cual controlará el motor de la tolva y dará aviso mediante una luz piloto, la falta de tapas

en la máquina tapadora, y a su vez el motor principal, por motivos de seguridad, al momento

de abastecer con las tapas.

Figura 55. Diagrama de flujo del proceso de control de disposición de tapas en la tolva.

Page 64: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

63

A continuación, se procede con la instalación del PLC Siemens S7 – 1200, conjuntamente

con los demás componentes del tablero para la rehabilitación del mismo.

Fuente: Elaboración propia.

Una vez instalado el PLC SIEMENS, Se procedió a verificar con el programa TIA Portal,

Los sensores que actúan en la tapadora, y se verificó 3 sensores que son:

- Sensor de entrada de botellas. Se visualiza en la Figura 56 el sensor con el que se

inicia el proceso de la tapadora en modo automático, que activará la distribución de

tapas.

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 56 se observa el sensor que detectará el ingreso de cada una de las botellas

para dar aviso a la distribución de tapas para cada una de las botellas que ingresan.

Figura 56. Instalación del PLC Siemens S7-1200.

Figura 57. Sensor de presencia de las botellas.

Page 65: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

64

- Sensor de tapas. Se visualiza en la Figura 58 el sensor que activa el indicador de

falta de tapas, deteniendo el motor principal de la máquina.

Fuente: Elaboración propia.

Con los datos obtenidos, es posible proceder a la programación del PLC Siemens S7-1200.

3.2. Programación en lenguaje ladder del PLC Siemens S7 – 1200 1212C

Para la programación del PLC implementado, es necesario utilizar el TIA PORTAL para su

programación y exportación del programa Ladder, que ejecutara de manera automática la

tapadora.

Se están utilizando 2 sensores, que son de presencia de botellas y detección de tapas

llenas.

El sensor detector de botellas, acciona una válvula neumática que ayuda a la distribución

de las tapas.

Figura 58. Sensor de presencia de tapas.

Page 66: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

65

Fuente: Elaboración propia.

El sensor de detección de tapas faltantes, detiene el motor de la tolva distribuidora de tapas.

Fuente: Elaboración propia.

Se utilizaron dos entradas digitales en la programación y se añadió uno de reserva para

las salidas de tapas, como se visualiza en la Figura 82 de entradas digitales.

Se tienen dos salidas digitales, uno para el indicador de falta de tapas y la otra que es para

la activación de la válvula neumática, añadiendo una salida de reserva como visualizamos

en la Figura 83. De salidas digitales.

Figura 59. Programación ladder del sensor de entrada de botellas del PLC - Tia Portal

Figura 60. Programación del sensor de tapas faltantes del PLC - Tia Portal

Page 67: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

66

A continuación, se muestra una representación básica de la programación en LogixPro,

para entender el funcionamiento completo del tablero, que debido a sus conexiones

externas al PLC, se obviaron las entradas digitales de Paro de emergencia, luz piloto y

motor principal. Y que para programar el PLC en el Tia Portal solo se tomaron dos entradas

y dos salidas digitales.

Fuente: Elaboración propia.

Fuente: Elaboración propia.

Podemos observar, que una vez activado el botón de encendido, se activa el motor

principal y el motor de la tolva, manteniéndose activos, gracias al enclavamiento realizado.

Para la línea dos, tenemos el sensor de entrada de botellas, que activa el soporte de las

tapas, dando pase para el tapado de las botellas, dependiendo del encendido del motor

principal, para que no detecte ninguna botella si el motor principal no está activado.

En la línea tres, observamos que el sensor de falta de tapas, enciende una luz piloto, que

a su vez determina si continua o no activado el motor principal y el motor de la tolva.

Figura 61. Programación básica del PLC en LogixPro – encendido de la máquina tapadora.

Figura 62. Programación del sensor de entrada de botellas y sensor de tapasen LogixPro.

Page 68: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

67

3.3. Diseño de base rotativa para las botellas pet de 500 ml

Base rotativa de las botellas.

Es la estructura que va a permitir la buena ubicación de las botellas, para el momento del

tapado de las mismas. Para su diseño es necesario tener medidas establecidas de acuerdo

a la forma y tamaño.

La empresa, vio la gran demanda de agua de mesa en la zona, es por ello que la máquina

automática iniciará la producción con botellas PET de agua de mesa de 500 ml.

Para las medidas correspondientes, se debe tener el diámetro de una de las botellas de

500 ml.

En la Figura 65, se observa que lo obtenido en una botella estándar es de 62.4 ml, para el

margen de error se toma la medida de 63 ml, para el encaje de las botellas en la base.

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 63. Se observa la botella que se utilizará de modelo para la medición, debido

al volumen de 500 ml que esta ofrece, conjuntamente con un vernier, para mayor precisión

de la medida.

Figura 63. Modelo de botella y vernier.

Page 69: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

68

En la Figura 64. Se visualiza el momento de la medición de la botella con el vernier.

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 65. Se observa con mayor claridad, la medida de 62.4 ml como diámetro de la

botella de muestra.

Fuente: Elaboración propia.

Para la profundidad en el espacio de encaje, se tiene en cuenta un espacio superior al radio

de la botella, para reducir la posibilidad de desprendimiento de las botellas.

𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑡𝑒𝑙𝑙𝑎 = 31.2 𝑚𝑚

Para el diseño con los datos de la estructura, es necesario obtener el radio de la

circunferencia que hará el corte para el espacio en la estructura.

Figura 64. Medición de diámetro de botella.

Figura 65. Medida obtenida con el vernier.

Page 70: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

69

Mediante el teorema de Pitágoras obtenemos el espacio restante al formar un triángulo

equilátero. (Datos en milímetros).

Fuente: Elaboración propia.

1602 = (120 + 𝑋)2 + 31.52

𝑋 = 36.868 𝑚𝑚

Ahora utilizando la fórmula de cuerdas que se cortan en una circunferencia. (Datos en

milímetros).

Fuente: Elaboración propia.

31.5 × 31.5 = (𝐷 − 𝑋) × 𝑋

31.5 × 31.5 = (𝐷 − 36.868) × 36.868

𝐷 = 63.78 𝑚𝑚 ≈ 64 𝑚𝑚

64 ml es el diámetro de la circunferencia que sirve como referencia para el corte de la

estructura cuyo radio resulta 32 mm.

63

160 120

X

160

X

D - X

31.5 31.5

Figura 66. Figura triangular para el cálculo del espacio de profundidad en la base rotativa.

Figura 67. Cálculo del diámetro de circunferencia de referencia para el diseño.

Page 71: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

70

Diseñando la estructura en Solidworks, obtenemos la Figura 68. Donde se añadió a los

datos, el espesor de la estructura y la medida para la ubicación de pernos en el diseño.

Fuente: Elaboración propia.

Podemos visualizar en la Figura 69. Las medidas que se utilizaron para la realización del

diseño y las cuales pertenecerán al manual de información para la empresa.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 68. Diseño de base rotativa en Solidworks.

Figura 69. Diseño de la base rotativa con las medidas calculadas.

Page 72: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

71

3.4. Realización del plano de referencia.

Para la realización del plano de referencia, se utilizará el programa EPLAN ELECTRIC.

Que nos ayudará a elaborar el detalle de las conexiones y los componentes involucrados

para la automatización de la tapadora.

Componentes de la tapadora que se utilizarán en la elaboración del plano de

referencia.

Se utilizará como componente principal el PLC a utilizar, en este caso es Siemens S7 1200,

Los magneto térmicos trifásicos, relé térmico, variador de frecuencia, motor principal de la

tapadora, motor de la tolva, las entradas y las salidas del PLC. Una vez determinado, se

procede con la elaboración en EPLAN ELECTRIC como se ve en la Figura 67.

Fuente: Elaboración propia

Fuente: Elaboración propia

Figura 70. Elaboración del plano de referencia con el tablero de la tapadora.

Figura 71. Elementos utilizados en la elaboración del plano eléctrico.

Page 73: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

72

Fuente: Elaboración propia.

Fuente: Elaboración propia.

Se utilizarán dos motores trifásicos, uno perteneciente a la tolva distribuidora de tapas tipo

rosca, y otro motor principal que accionará el árbol de la máquina tapadora, con las bases

rotativas que movilizan a las botellas, teniendo el variador de frecuencia conexión directa

con el motor principal, para poder controlar la cantidad de botellas a taparse.

Figura 72. Elementos del plano utilizados para el PLC.

Figura 73. Elementos para el arranque de motores principal y motor de la tolva.

Page 74: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

73

CAPÍTULO IV

RESULTADOS

4.1. Resultados de la programación en lenguaje ladder en PLC SIEMENS S7-1200

1212C

Para la comprobación del programa del PLC, se observa en la Figura 71 parte del

funcionamiento en vació de la tapadora. Donde se ve el funcionamiento del distribuidor de

tapas cada vez que el sensor que detecta las botellas es accionado.

Fuente: Elaboración propia.

4.2. Resultados del diseño estructural de la base rotativa para la tapadora

automática.

Plano de la estructura de la base rotativa de botellas.

La estructura de la base rotativa, fue preparada con hierro fundido, que fueron entregadas

conjuntamente con la máquina tapadora.

Figura 74. Prueba en vacío de la colocación de tapas.

Page 75: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

74

A continuación, se visualiza la estructura metálica en la Figura 72.

Fuente: Elaboración propia.

Podemos visualizar en el Anexo A. El plano completo de la estructura sólida, que se ve en

la figura.

4.3. Puesta en marcha del sistema completo de tapado automático en la empresa.

Se realizó las pruebas respectivas, con las tapas y los motores principal y de la tolva

encendidos, probando así con botellas recicladas y tapas de prueba para el funcionamiento

óptimo.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 75. Base rotativa instalada en la tapadora automática.

Figura 76. Funcionamiento de la tapadora con tapas de prueba.

Page 76: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

75

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 75, podemos apreciar el ingreso a la tapadora automática, el cual inicia con el

sensor detector de botellas.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 77. Muestra del funcionamiento de la tapadora en vacío.

Figura 78. Muestra de la entrada de la tapadora, con el sensor de botellas activado.

Page 77: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

76

Para el control de velocidad de producción de la máquina tapadora, se utiliza un variador

de velocidad, el cual, con las pruebas respectivas, se calculó que, en 20 Hz, es capaz de

tapar 90 botellas en un minuto, y teniendo como punto final 60Hz, es decir puede tapar

hasta 270 botellas por minuto.

Fuente: Elaboración propia.

4.4. Resultados del diseño del plano de referencia en el software EPLAN.

Visualizaremos los detalles del plano de referencia realizado, con los datos obtenidos del

tablero y la máquina tapadora automática que ya fue puesta en marcha de manera

eficiente.

Figura 79. Apreciación del variador de frecuencia en 20Hz aproximadamente.

Page 78: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

77

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 77. Podemos visualizar la distribución de energía desde la Acometida, hacia

el PLC. Pasando por una llave térmica para seguridad del cable. Seguidamente se

distribuye a dos guardamotores, uno que protege al PLC y otro que se tiene como reserva.

En la Figura 78. Visualizamos las partes internas del PLC y las conexiones con los dos

sensores utilizados en la tapadora para poder realizar su eficiente control, con las dos

salidas correspondiente a cada uno.

Figura 80. Distribución de energía desde la Acometida hacia el PLC.

Page 79: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

78

Fuente: Elaboración propia.

Para las entradas digitales del PLC, podemos ver en la Figura 79. los sensores utilizados

en este caso por la tapadora automática, que son: el sensor de entrada de las botellas, el

sensor de tapas y un sensor de salida de las botellas utilizado como reserva.

Figura 81. Esquema interno del PLC.

Page 80: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

79

Fuente: Elaboración propia.

Para las salidas digitales del PLC, en la Figura 80, visualizamos dos salidas, que son: el

indicador de falta de tapas y el ingreso de chapas. Donde al activarse la falta de tapas, se

detiene el motor principal, a su vez encendiendo una luz piloto como indicador y el ingreso

de chapas es el que va a distribuir las tapas una vez activado el sensor detector de botellas.

Figura 82. Entradas digitales del PLC

Page 81: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

80

Fuente: Elaboración propia.

En la Figura 81 podemos visualizar que no se utilizaron entradas analógicas.

Fuente: Elaboración propia.

En el arranque del motor principal de la tapadora, se utiliza un variador de frecuencia, el

cual controlará la cantidad de botellas que serán tapadas, de acuerdo a la velocidad que

se requiera y sea necesaria. En la Figura 82. Podemos visualizar que el variador de

Figura 83. Salidas digitales del PLC.

Figura 84. Entradas analógicas del PLC

Page 82: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

81

frecuencia está conectado a un relé térmico como protección, y al motor principal, quien es

el que ejecutará la producción.

Fuente: Elaboración propia.

En el arranque del motor de la tolva, podemos ver que es de manera directa, ya que en

todo momento debe de rotar para las tapas entren correctamente a la distribución de tapas.

También podemos observar que están en serie con un contactor y un relé térmico, que

serán de protección para el motor. Podemos visualizar el arranque del motor de la tolva en

la Figura 83.

Figura 85. Arranque del motor principal de la tapadora.

Page 83: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

82

Fuente: Elaboración propia.

Figura 86. Arranque del motor de la tolva.

Page 84: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

83

PRESUPUESTO

Para la elaboración del proyecto, tenemos los siguientes presupuestos.

En la Tabla 6 se muestra el material comprado, para la nueva implementación del tablero

de control de la tapadora.

Tabla 6. Material comprado.

PRESUPUESTO DEL MATERIAL COMPRADO PARA LA EJECUCIÓN DEL PROYECTO

CANT

IDAD MARCA

MODE

LO

DESCRIPCI

ÓN P. U.

P. U. inc

IGV P. TOTAL

1 SIEMENS S7 – 1200

CPU 1212C AC/DC/RLY, 8 DI/6 DO/2

AI, 0-10 VDC.

Alimentación: AC 85 - 264

VAC BEI 47 -63 HZ,

conexión Ethernet Industrial

RJ45.

S/. 1000.00 S/. 1180.00 S/. 1180.00

S/. 1,180.00

Dato obtenido en la compra del PLC (Elaboración propia).

Para la mano de obra tenemos el presupuesto de la Tabla 12.

Tabla 7. Mano de obra

PRESUPUESTO DE LA MANO DE OBRA QUE TRABAJÓ EN EL PROYECTO

ITEM CANT.

PERSONAS CARGO

Nombres y

Apellidos

DIAS

TRABAJADOS SALARIO

Page 85: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

84

1 1 Encargado

del proyecto

Jefferson Daniel

Ayllon Miranda 45 DIAS

S/.

3,000.00

2 1 Técnico de

apoyo

Alejandro Ruiz

Salazar 20 DIAS

S/.

1,800.00

S/.

4,800.00

Datos obtenidos del área de presupuestos de la empresa. (Elaboración propia)

Page 86: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

85

CRONOGRAMA

Tabla 8. Cronograma

Nombre de tarea Duración Comienzo Fin

PROYECTO DE AUTOMATIZACION DEL PROCESO DE TAPADO DE BOTELLAS EN ELABORACIÓN DE BEBIDAS

1- INICIO 6 días vie 17/08/18 vie 24/08/18

1.1 Revisión y aprobación del proyecto.

6 días vie 17/08/18 jue 23/08/18

2- PLANIFICACION 22 días sáb 01/09/18 sáb 29/09/18

2.1 Determinación del problema y objetivos.

8 días sáb 01/09/18 sáb 08/09/18

2.2 Estado de Arte del Proyecto. 7 días dom 09/09/18 sáb 15/09/18

2.3 Desarrollo del marco teórico. 7 días dom 16/09/18 sáb 22/09/18

3- EJECUCION 15 días lun 24/09/18 dom 21/10/18

3.1 Desarrollo del Proyecto. 15 días lun 24/09/18 dom 21/10/18

Cálculos de base rotativa. 2 días lun 24/09/18 mar 25/09/18

Levantamiento de información del tablero.

2 días lun 01/10/18 mar 02/10/18

Implementación de PLC Siemens S7 1200.

2 días jue 04/10/18 vie 05/10/18

Puesta en marcha de la tapadora automática.

2 días lun 08/10/18 mar 09/10/18

Diseño del tablero de control. 7 días lun 15/10/18 dom 21/10/18

4- SEGUIMIENTO Y CONTROL 3 días sáb 08/12/18 mar 11/12/18

Resultados obtenidos 3 días sáb 08/12/18 mar 11/12/18

5- CIERRE 3 días mar 18/12/18 sab 22/12/18

Conclusiones del proyecto 1 día mar 18/12/18 mar 18/12/18

Presentación de proyecto 1 día mié 19/12/18 mié 19/12/18

Exposición del proyecto 1 día sab 22/12/18 sab 22/12/18

Fuente: Elaboración propia.

Page 87: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

86

CONCLUSIONES

Se realizó la programación en PLC, cumpliendo con lo requerido, utilizando solo

dos sensores, ejecutando el proceso correctamente, utilizando un 70% de los

componentes pertenecientes a la máquina tapadora de botellas.

Se realizó el diseño de la base rotativa de 500 ml, con la que ya contaba la

máquina tapadora, para tener de referencia en diseños futuros de diferentes

medidas de botellas.

Se realizó el plano de referencia, cumpliendo con el objetivo, para tener

información relevante del tablero de control.

Se logró poner en marcha la tapadora automática, con las pruebas en vacío y

con carga, cumpliendo previamente con los objetivos en su totalidad, que fueron

necesarios para la rehabilitación del tablero de control.

Se realizó un análisis de los componentes y sus parámetros requeridos, para su

reutilización dentro de la instalación del tablero de control.

Se implementó el tablero de control, en su totalidad con componentes

identificados, para cumplir con la puesta en marcha, utilizando como base las

normas globales NEMA 250 y UL 50, 50 E.

Page 88: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

87

RECOMENDACIONES

Para que la tapadora no se detenga y el trabajo sea continuo pero

inspeccionado, será necesario colocar un objeto frente al sensor de tapas, ya

que se quiere que la maquina no deje de trabajar y no exista mayor pérdida de

energía.

Para la cantidad de botellas que se taparán en la máquina, se trabajó en el

variador de frecuencia con 20 Hz. Dando como resultado 90 botellas tapadas por

minuto y se concluye que como llega a 60 Hz como máximo, es posible tapar

270 botellas tapadas por minuto.

Con la actual implementación del tablero, con el PLC Siemens S7 – 1200, es

posible realizar modificaciones futuras al sistema completo de tapado de

botellas. Como por ejemplo la implementación de un panel HMI.

Considerar que la vibración de la máquina tapadora, a medida que aumenta la

frecuencia es de mayor fuerza y puede afectar a la estructura mecánica de la

máquina tapadora.

Es posible reutilizar los componentes que no fueron utilizados en la máquina

tapadora, para que sean considerados en aplicaciones futuras de

implementación en la fábrica.

Page 89: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

88

BIBLIOGRAFÍA

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Barrera, F., & Salamanca, F. (2015). Diseño y fabricacion de una embotelladora /

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Page 90: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

89

ANEXOS

Anexo A.

Page 91: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

90

Anexo B.

Tabla 9. Datos Técnicos del PLC Modicon.

PLC MODICON TSX NANO

Fuente de Alimentación 100V – 240V

Frecuencia 50 / 60 Hz

Voltaje de entrada digital 24 V

Corriente de entrada digital 7mA

Tipo de salida digital Relay

Descripción de salida digital 1 contacto normalmente abierto

Carga de Voltaje 24V

Modicon TSX Nano PLC´s - Datasheets (Leocom, 2010, pág. 4)

Anexo C.

Tabla 10. Características Ambientaes del PLC Modicon

PLC MODICON TSX NANO CARACTERÍSTICAS AMBIENTALES

Conforme a las Normas

IEC 1131-2, IEC 664, UL 508, UL 746 C,

UL 94, CSA 22-2 no. 142, EN 50081/class

B

Temperatura de operación 0 – 60 °C

Humedad 5 – 95%

Altitud 0 – 2000 msnm

Resistencia de vibración Conforming to IEC 68-2-6 FC tests

Resistencia a los choques mecánicos Conforming to IEC 68-2-27 EA tests

Modicon TSX Nano PLC´s - Datasheets (Leocom, 2010, pág. 8)

Page 92: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

91

Anexo D.

Tabla 11. Datos técnicos de PLC Schneider SR3B101FU

Schneider Electric SR3B101FU

Gama de producto. Zelio Logic

Tipo de producto Reles inteligente modular

Tiempo de ciclo 6 … 90 ms

Tiempo de backup 10 años en 25°C

Tensión de alimentación nominal 100 – 240 V

Frecuencia de Alimentación 50/60 Hz.

Consumo de potencia 12 VA con extensiones

7VA sin extensiones.

Corriente de entrada digital. 0.6 mA

Número de salidas 4 relé salidas

Tiempo de respuesta. 10 ms del estado 0 a estado 1

5 ms del estado 1 al estado 0

Normas

EN/IEC 60068-2-27 Ea

EN/IEC 60068-2-6 Fc

EN/IEC 61000-4-11

EN/IEC 61000-4-12

EN/IEC 61000-4-2 nivel 3

EN/IEC 61000-4-3

EN/IEC 61000-4-4 nivel 3

EN/IEC 61000-4-5

EN/IEC 61000-4-6 nivel 3

Page 93: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

92

Grado de protección IP

IP20 (bloque de terminales) acorde a IEC

60529

IP40 (panel frontal) acorde a IEC 60529

Temperatura ambiente de funcionamiento.

-20...40 °C en ambiente interno no

ventilado acorde a IEC 60068-2-1 y IEC

60068-2-2

-20...55 °C acorde a IEC 60068-2-1 y IEC

60068-2-2

Altitud máxima de funcionamiento 2000 msnm

Humedad 95%

Schneider Electric SR3B101FU (Schneider Electric, 2018)

Anexo E.

Tabla 12. Datos técnicos de los PLC Siemens S7 – 1200 CPU 1212C y CPU 1214C.

6ES7 212-1HE31-0XB0

CPU 1212C AC/DC/relé

6ES7 214-1HG31-0XB0

CPU 1214C AC/DC/relé

Información general

Ingeniería con

• Paquete de programación

STEP 7 V11.0 SP2 o

superior

STEP 7 V11.0 SP2 o

superior

Tensión de alimentación 24 V DC 24 V DC

Alimentación de sensores Rango permitido: 20,4 a

28,8 V

Rango permitido: 20,4 a

28,8 V

Pérdidas 9W 12W

Memoria 50 kbyte 75 kbyte

Tiempos de ejecución de la

CPU 0,085 µs; /instrucción 0,085 µs; /instrucción

Page 94: Rehabilitación del tablero de control de la máquina

93

Hora Reloj • Reloj por hardware (reloj

tiempo real)

• Reloj por hardware (reloj

tiempo real)

Entradas digitales 8; integrada 14; integrada

Salidas digitales 6; Relé 10; Relé

Entradas analógicas 2; 0 a 10 V 2; 0 a 10 V

Condiciones ambientales -20 °C a 60°C -20 °C a 60°C

Dimensiones 90mm x 100mm x 75mm 110mm x 100mm x 75mm

Peso 385 g 435 g

Siemens. Simatic S7 – 1200 (Siemens Simatic, 2018)

Anexo F.

Tabla 13. Tiempo de vida de los componentes que se utilizarán.

COMPOENTE TIEMPO DE VIDA

Llave termo magnética Schneider

A9F79316 20 000 ciclos

Guardamotor Schneider GZ1E10 100 000 ciclos

Contactor Schneider LC1D09E7 2 M ciclos

Relé térmico Schneider LRD10 20 000 ciclos

Schneider Electric (Schneider Electric, 2018)