tesis diseÑo y simulacion del sistema de envasado para el explosivo sismigel plus
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Autores: HENRY ALEXANDER RODRIGUEZ GALVIS44042040WALTHER ALDANA IBAGUÉ44042600Ingenieria de Diseño & Automatizacion ElectronicaUnisalle 2012TRANSCRIPT
DISEÑO Y SIMULACION DEL SISTEMA DE ENVASADO PARA EL
EXPLOSIVO SISMIGEL PLUS
HENRY ALEXANDER RODRIGUEZ GALVIS
44042040
WALTHER ALDANA IBAGUÉ
44042600
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERIA EN AUTOMATIZACIÓN
BOGOTÁ D.C.
2012
2
DISEÑO Y SIMULACION PARA UN SISTEMA DE ENVASADO PARA EL
EXPLOSIVO SISMEGEL PLUS
HENRY ALEXANDER RODRIGUEZ GALVIS
WALTHER ALDANA IBAGUÉ
Trabajo de Grado
Para optar al título de Ingeniero de Diseño & Automatización Electrónica
Director
JOSÉ LUIS RUBIANO FERNANDEZ
M.Sc Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERIA EN AUTOMATIZACIÓN
BOGOTÁ D.C.
2012
3
Nota de aceptación:
__________________________
__________________________
__________________________
__________________________
__________________________
__________________________
___________________________
Firma del presidente del jurado
___________________________
Firma del jurado
___________________________
Firma del jurado
Bogotá D.C., 11 de Noviembre de 2011
4
Dedicatoria
La fe, el esfuerzo y optimismo dedicado a lo largo de años de estudio, son el fruto de la gente que creyó en mí, apoyándome en todo sentido dándome la mano a través de la educación. Es por ello que este trabajo va dedicado a todas las personas que a lo largo de mi vida me han dado la forma de ser persona. Con amor a ti mamá que pusiste la mano dura pero suave y siempre estuviste a mi lado cuando más te necesitaba, a ti papá por el apoyo que me brindaste para sacar mis estudios adelante, a ti hijo por ser la inspiración para progresar y construir un futuro mejor, y a mi familia que fueron el apoyo y mi inspiración.
5
Agradecimientos
Primeramente a Dios que puso todos los medios para hacer posible estudiar
esta carrera profesional y habernos llenado de sabiduría e inteligencia, las
cuales fueron herramientas claves para haber llegado hasta acá.
A nuestras familias por el apoyo incondicional brindado y voz de aliento en los
momentos más difíciles.
A nuestro asesor profesor José Luis Rubiano por la total y completa
colaboración en este trabajo de grado y por su dedicación y calidad humana.
6
RESUMEN
La industria militar “FEXAR”, requiere el diseño y simulación de un sistema
para el envasado del explosivo Sismigel Plus en los envases de capacidades
(Ver Tabla 1).
Tabla 1. Características de los envases dosificados en la actualidad
Peso (gr) Longitud del
Tubo (mm)
Tolerancia Diámetro de
envases (mm)
3000 1570 ±0.5 50
2700 1414 ±0.5 50
2000 1052 ±0.5 50
1800 949 ±0.5 50
1500 794 ±0.5 50
1350 716 ±0.5 50
1200 640 ±0.5 50
1000 535 ±0.5 50
900 484 ±0.5 50
600 329 ±0.5 50
450 251 ±0.5 50
300 174 ±0.5 50
150 96 ±0.5 50
Este explosivo se envasa en el taller de producción de hidrogeles, ubicado en
la fábrica de explosivos Antonio Ricaurte.
Actualmente, el llenado y el tapado lo realizan entre 12 a 14 personas, se hace
manualmente y se ocupan aproximadamente 7
en todo el proceso, en el
cual se han envasado 1080 unidades de explosivo de capacidad de 1800 gr en
un día, donde actualmente el tiempo utilizado para el llenado y el tapado del
envase es de aproximadamente 30 segundos.
Por medio de la automatización del proceso se busca mejorar producción,
calidad y salud ocupacional en el taller de producción.
7
CONTENIDO
Pág.
3. MARCO TEORICO 15
3.1 FLUIDOS NO NEWTONIANOS 15
3.2 PARÁMETROS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DEL DOSIFICADOR 15
3.3 Clasificación de actuadores, transductores y controladores 16
4. CRITERIOS DE DISEÑO 17
4.1 DOSIFICACCION DE ENVASES 17
4.2 SUBSISTEMA MECÁNICO 18
4.2.1 Estructuras básicas principales 18
4.2.2 Centro de masa 34
4.2.3 Sistema de transmisión. 37
4.3 SUBSISTEMA ELÉCTRICO, CONTROL E INSTRUMENTACIÓN. 42
4.3.1 Diseño de control del compresor 42
4.3.2 Selección y caracterización de actuadores. 44
4.3.3 Bombeo de líquido 44
4.3.4 Caracterización del motor pasó a paso 45
4.3.5 Cálculo del motorreductor para desplazamiento horizontal de mesa móvil. 49
4.3.6 Selección de electroválvula de control 51
4.3.7 Selección de Electroválvula Proporcional 58
4.3.8 Electroválvula de fluidos on/off 58
4.3.9 Electroválvula de dos vías con accionamiento neumático 59
4.3.10 Selección y caracterización de transductores 60
4.3.11 Controlador lógico programable PLC 61
4.3.12 Control de nivel 62
4.3.13 Control de tapado 70
4.3.14 Descripción del sistema de control y potencia 71
4.4 SUBSISTEMA DE SOFTWARE. 73
8
5. SIMULACIÓN 76
5.1 SIMULACIÓN DEL LLENADO DE LOS ENVASES 79
5.2 SIMULACIÓN DE AJUSTE DE TAPAS 78
6. EVALUACION ECONOMICA 82
6.1 ASPECTOS TECNICOS 82
6.1.1 El subsistema mecánico 83
6.1.2 El subsistema eléctrico, control e instrumentación 84
6.1.3 El subsistema software 85
6.1.4 Análisis de costo total 86
6.2 EVALUACIÓN DEL PROYECTO PRESUPUESTADO 87
7. CONCLUSIONES 90
8. RECOMENDACIONES 91
8.1 INDICADORES 91
9. BIBLIOGRAFIA 92
10. ANEXOS 93
ANEXO A Propiedades físico químicas del duraluminio 7075 93
ANEXO B Características tornillo de bolas recirculantes carro horizontal 94
ANEXO C Propiedades físico químicas del acero para maquinaría 4140 95
ANEXO D Propiedades del acero estructural 1020 96
ANEXO E CATALOGO BOMBA DE DOBLE DIAFRAGMA M15 97
ANEXO F ELECTROVÁLVULA PROPORCIONAL 98
ANEXO G TORNILLO DE BOLAS RECIRCULANTES 99
ANEXO H MOTOR CON ALIMENTACION EN DC 100
ANEXO J MOTOR PASO A PASO GENERADOR DE MOVIMIENTO VERTICAL 101
ANEXO K MOTORREDUCTOR GENERADOR DE TORQUE PARA EL TAPADO 103
ANEXO L CATALOGO SENSOR ULTRASONICO 104
ANEXO M CATALOGO PLC TWIDO 105
ANEXO N MANUAL 107
9
ANEXO Ñ PLANO DE INSTRUMENTACION 108
ANEXO O PLANO DEL TALLER DE PRODUCCIÓN HIDROGELES 109
ANEXO P SELECCIÓN CILINDRO NEUMATICO 110
ANEXO Q COEFICIENTE DE CAUDAL DE LA ELECTROVÁLVULA PARA LÍQUIDOS 112
ANEXO R PLANOS DE LA MÁQUINA 113
ANEXO S CATALOGO DE ELECTROVALVULA ON/OFF 131
ANEXO T PLANOS ELECTRICOS DE LA MÁQUINA 134
10
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Características de los envases dosificados en la actualidad 6
Tabla 2. Características del fluido y del envase 21
Tabla 3. Carga ejercida por la estructura de la prensa 23
Tabla 4. Carga ejercida por la estructura del carro móvil 25
Tabla 5. Carga ejercida por la estructura de la prensa. 28
Tabla 6. Carga ejercida por la estructura de la prensa 30
Tabla 7. Ecuaciones para cálculo de relación de transmisión 38
Tabla 8. Propiedades de los envases y del fluido 60
Tabla 9. Niveles de tensión generados cuando los envases esta llenos 63
Tabla 10. Nivel de datos binarios 64
Tabla 11. Constantes proporcionales del regulado 65
Tabla 12. Costo Subsistema mecánico 81
Tabla 13. Costo Subsistema eléctrico, control e instrumentación 82
Tabla 14. Costo Subsistema software 83
Tabla 15. Costo global del proyecto 84
11
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Subsistemas de la máquina 17
Figura 2. Máquina ensamblada y detallada 19
Figura 3. Prensa de sujeción 20
Figura 4. Diagrama de cuerpo libre prensa de sujeción 21
Figura 5. Von mises o Esfuerzo distribuido prensa de sujeción 22
Figura 6. Carro Móvil 24
Figura 7. Von mises o Esfuerzo distribuido carro móvil prensa de sujeción 25
Figura 8. Mesa Base 27
Figura 9. Von mises o Esfuerzo distribuido mesa base carro móvil. 28
Figura 10. Tornillo principal de bolas recirculares 29
Figura 11. Von mises o Esfuerzo distribuido mesa principal 30
Figura 12. Estructura Principal 31
Figura 13. Von mises o Esfuerzo distribuido Estructura 32
Figura 14. Estructura acople de tapas 33
Figura 15. Von mises o Esfuerzo distribuido Columna 34
Figura 16 Viga No 1 35
Figura 17. Base principal de la máquina. 36
Figura 18. Centro de masa 37
Figura 19. Motorreductor mesa horizontal 50
Figura 20. Diagrama de cuerpo libre carro móvil horizontal 50
Figura 21 diagrama de continuidad de tuberías del proceso 57
Figura 22. Electroválvula Proporcional 58
Figura 23. Electroválvula on/off 59
Figura 24. Electroválvula de la prensa 59
Figura 25. Sensor Capacitivo 60
Figura 26. Sensor ultrasónico 61
12
Figura 27. Controlador lógico programable 61
Figura 28. Tensión V.S. Longitud media 62
Figura 29 Ubicación sensor 65
Figura 30. Sistema de regulación de caudal 66
Figura 31. Comportamiento proporcional de la electroválvula 68
Figura 32. Respuesta del sistema en el dominio de la frecuencia 69
Figura 33. Diagrama de control del sistema de tapado 71
Figura 34. Pantalla inicial del SCADA 73
Figura 35. Pantalla principal 74
Figura 36. Moldeamiento del sistema 76
Figura 37. Modelo para el tapado 79
Figura 38. Distribución normal 81
Figura 39. Simulación del ajuste de tapas 81
13
1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION
Sismigel plus es un explosivo denso tipo sísmico, fácilmente sumergible en
agua. Su manejo es muy seguro debido a su baja sensibilidad al roce y al
impacto. No contiene nitroglicerina por lo cual no produce dolor de cabeza
durante su manipulación, almacenamiento y empleo.
Está diseñado para labores de prospección sísmica petrolera en exploración a
diferentes profundidades. Se puede utilizar en presencia de humedad y agua.
Tiene una alta velocidad de detonación, generando pulsación de una energía
sísmica fuerte, aguda y de buena definición. Requiere el uso de detonadores
sismográficos.
Actualmente en la industria militar se realiza el proceso de dosificado y
posterior tapado manualmente y se realiza de la siguiente manera:
Se hace la mezcla de los productos necesarios para la elaboración del
explosivo, donde este contiene aluminio PG, solución madre, pentrita,
goma GUAR para hacer más consistente la mezcla.
Una vez verificada la mezcla, de acuerdo con los parámetros y
tolerancias establecidas, se llena un recipiente que puede contener 200
Kg de explosivo que será distribuido por una bomba de doble diafragma-
neumática.
La bomba distribuye el fluido a través de una tubería de 2’’ de diámetro,
donde a partir de esta hay 4 divisiones, en las cuales 3 de las divisiones
son utilizadas por los operarios para el envasado del explosivo y una de
ellas es utilizada como válvula de alivio, para que haya flujo constante
en la tubería a la hora de envasar el producto.
Para que el flujo sea constante se utiliza una variación de área en las
válvulas manejadas por el operario (Tobera), donde esta tiene un área
mucho menor que la de la tubería anteriormente mencionada.
Después de envasar el producto, se pasa al tapado, donde para el
tapado se utiliza soldadura de PVC como sellante, y luego la tapa se
enrosca en el envase.
Enseguida de apilar los envases se utiliza una banda de rodillos para
transportar la caja que contiene el producto para que este sea sellado,
enzunchado y empacado en las cajas para su posterior distribución.
14
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y simular un sistema de envasado automático para el Sismigel Plus, en
envases de 150, 300, 450, 900,1800gr.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Diseñar el sistema de sujeción de envases.
Diseñar el sistema de dosificación.
Diseñar el sistema de tapado.
Diseñar el sistema de control y potencia.
Simular el llenado del envase.
Simular el ajuste de la tapa.
Realizar la evaluación económica para la construcción del sistema.
15
3. MARCO TEORICO
Para la elaboración del diseño de la máquina es importante aclarar la
composición del fluido cuyas características son de tipo poliméricas, donde las
propiedades de estos fluidos son no Newtonianas, debido a que la viscosidad
de ellos depende del tiempo y temperatura.
3.1 FUIDOS NO NEWTONIANOS.
Un fluido no newtoniano es aquél cuya viscosidad varía con el gradiente de
tensión que se le aplica. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un
valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.
Aunque el concepto de viscosidad se usa habitualmente para caracterizar un
material, puede resultar inadecuado para describir el comportamiento mecánico
de algunas sustancias, en concreto, los fluidos no newtonianos. Estos fluidos
se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades reológicas,
propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores
de tensiones bajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de
esfuerzo cortante oscilatorio.
3.2 VARIABLES REQUERIDAS PARA EL DISEÑO DEL DOSIFICADOR
Densidad del fluido.
Viscosidad del fluido.
Flujo de explosivo en la tubería al momento de este ser envasado.
Longitud y diámetro de los envases.
Tiempo de llenado de los diferentes tipos de envases.
Nivel mínimo y máximo permisible en el envasado del explosivo.
Espacio destinado para la elaboración del proceso.
Todas las variables mencionadas anteriormente se utilizan para la
sincronización del proceso de modo que el diseño de dosificado y transporte
de los envases vacíos y llenos, genere una producción continua y segura.
El proceso automatizado cuenta dos módulos para llevar a cabo el proceso de
dosificado de tres tubos a la vez
Módulo de envasado del explosivo: en este módulo se llena el envase
con el explosivo y por medio de un panel de control, permite que el
operario supervise el funcionamiento y producción de envases de
explosivo.
16
El módulo de tapado del envase está ubicado en la parte posterior de la
máquina siendo este semiautomático, dispone de tres actuadores para
el apriete de las tapas previamente ubicadas por el operario.
3.3 Clasificación de actuadores, transductores y controladores.
La máquina a diseñar debe contar con actuadores de fácil control y adaptación
a las diferentes condiciones del proceso.
El diseño de la máquina deberá garantizar el fácil mantenimiento preventivo y
correctivo a cada una de las partes que la componen.
La máquina a diseñar se compone de los siguientes sistemas:
3.3.1 Sistema Mecánico
Los componentes mecánicos que se seleccionarán se ratificarán
mediante estudios previos de análisis de esfuerzos y selección de
material ampliamente confiable.
Se seleccionará sistemas de transmisión acorde a la estructura y al
funcionamiento óptimo de la máquina.
3.3.2 Neumática
Se seleccionarán sistemas de actuación y control para actuadores
neumáticos y electro neumáticos capaces de satisfacer la necesidad
requerida para la automatización del proceso.
3.3.3 Controladores
Se debe seleccionar un PLC (Controlador Lógico programable) que
permita la fácil supervisión del estado de cada actuador de la máquina,
fácil programación y configuración.
17
4. CRITERIOS DE DISEÑO
Debido a las características del fluido que se desea dosificar y tapar (gel
explosivo), se seleccionan los cinco envases más utilizados en la industria
militar INDUMIL FEXAR.
4.1 DOSIFICACCION DE ENVASES
En la tabla anterior (Ver Tabla. 1) muestra las características de los envases
de mayor demanda, cuyas longitudes serán utilizadas para llevar a cabo el
diseño de la máquina.
SUBSISTEMAS BÁSICOS
La máquina cuenta con tres subsistemas básicos: a) Subsistema mecánico, b)
subsistema eléctrico, control e instrumentación c) Subsistema de software.
La figura 1, muestra el diagrama de flujo de la máquina, el cual muestra los
diferentes subsistemas y el funcionamiento de cada uno de ellos.
Figura 1. Subsistemas de la máquina
Sistema mecánico Sistema electrico
Sistema de
instrumentación y
control
Sistema de
transmisión para
el desplazamiento
de la prensa
Alimentación de
actuadores
Regulación de
variables
Sistema de
sujeción de tubos
Sistema de
dosificación de
envases
Alimentación de
sistemas de
control y
visualización
Acondicionamient
o de señales
Subsistema de
software
Sistema de
simulación visual
Fuente: Autores 2011
4.2 SUBSISTEMA MECÁNICO.
18
El criterio de diseño fundamental de este subsistema, se basa en las
condiciones de operación debido a las cargas aplicadas y la necesidad de
precisión en este proceso, para ello se deben analizar tres sub conjuntos
mecánicos descritos a continuación:
1. Estructuras básicas principales: estas deben soportar las cargas de
forma que estas no generen vibraciones y garantice una estructura
totalmente rígida debido al tipo de proceso que esta lleva a cabo.
2. Cálculo de centro de masa: se realiza este cálculo con el fin de
establecer en que coordenadas se encuentra toda la masa del cuerpo
concentrada y así poder determinar si el diseño geométrico de la
máquina es el correcto.
3. Selección y cálculo de sistemas de transmisión: Se debe seleccionar
que tipo de sistema de transmisión es el más conveniente para realizar
los movimientos tanto verticales como horizontales que tiene la máquina.
4.2.1 Estructuras básicas principales
El sistema mecánico está compuesto por seis estructuras básicas principales
descritas a continuación:
1. Una prensa de sujeción de envases, la cual tiene como función
presionar los envases para que estos estén fijos en el momento del
llenado y a su vez prevenir que estos se volteen.
2. Un carro móvil, el cual es la base de la prensa de sujeción y tiene como
función desplazar horizontalmente la prensa de sujeción con el fin de
hacer el cambio de dosificado a posterior tapado del envase.
3. Una mesa base, encargada de soportar la prensa de sujeción y el carro
móvil, los cuales se desplazan por medio de esta pieza verticalmente de
arriba hacia abajo por medio de cuatro tornillos de bolas recirculantes.
4. Tornillos de bolas recirculantes, encargados de desplazar verticalmente
toda la estructura de la máquina.
5. Estructura base principal, se diseña una estructura base que cuenta con
cuatro columnas en “H”, con el fin de dar una estabilidad muy alta a la
máquina, robustez y fiabilidad al proceso que se ejecutara en la misma.
6. Columna soporte de Cappers, esta columna es la encargada de soportar
los tres cappers que a su vez tienen como función principal sellar la tapa
en los envases ya llenos.
19
Para lograr este propósito es necesario seleccionar el material adecuado,
realizar un análisis de esfuerzos y garantizar un factor de seguridad de las
piezas de acuerdo con su tarea específica dentro de la máquina.
La configuración de este sistema se muestra en la figura 2.
Figura 2. Máquina ensamblada y detallada
Fuente: Autores 2011
4.2.1.1 Prensa de sujeción de envases
Esta prensa se diseña con el fin de sujetar los envases de tal forma que para
realizar el proceso de llenado y tapado no exista la posibilidad de que se
volteen y se desperdicie el material sin generar mayores deformaciones en el
envase.
La fuerza ejercida por el envase con mayor masa en su interior se determina de
la siguiente forma (Ver ecuación 1).
Reemplazando en la ecuación (1) la carga generada por el envase de 1800gr
que es el de mayor tamaño es de:
20
Debido a que se llenaran 3 envases al mismo tiempo la fuerza máxima ejercida
se determina por la multiplicación de la fuerza ejercida por la cantidad de
envases llenos genera el siguiente resultado (Ver resultado 1).
De acuerdo al dato obtenido el esfuerzo por envase generado en la lámina de
la prensa se determina de la siguiente forma (Ver ecuación 2)
Se utiliza el peso de este envase ya que es el de mayor tamaño y por tanto
genera la mayor carga en la estructura de la máquina.
Donde el área del envase se determina de la siguiente manera:
Reemplazando en la ecuación (3) el diámetro del envase que es de 5cm:
Luego reemplazando en la ecuación (2) se obtiene el esfuerzo normal
generado por cada envase lleno de fluido.
Donde el esfuerzo normal obtenido se utiliza para hacer el análisis en ALGOR,
donde la estructura a analizar es la mostrada (Ver figura 3).
Figura 3. Prensa de sujeción
Fuente: Autores 2011
__________________________
Analisis estatico tomado de Ferdinand P. Beer, E. Rusell Johnston, David F. Mazurek, Elliot R. Eisenberg. Mecánica vectorial para ingenieros 9 ed .México : McGraw-Hill . 2010
21
La tabla 2 muestra los datos conocidos del fluido utilizados para el análisis para
la selección del material de la lámina de soporte de la prensa.
Tabla 2. Características del fluido y del envase
⁄
Fuente: Autores 2011
En el siguiente gráfico (Ver figura 4) se muestra el diagrama de cuerpo libre de
la prensa de sujeción con sus respectivas restricciones y cargas.
Figura 4. Diagrama de cuerpo libre prensa de sujeción
Fuente: Autores 2011
En el gráfico anterior (Ver figura 4), se muestra un acercamiento a la sección
donde se aplicara la carga generada por los tres envases a dosificar.
4.2.1.1.1 Selección material
Se selecciona duraluminio 7075, ya que es un material utilizado para la
fabricación de piezas mecánicas, partes estructurales y otras aplicaciones
22
donde requiera muy alta resistencia mecánica y buena resistencia a la
corrosión y bajo peso.
Propiedades de duralumínio 7075 (Ver anexo A)
4.2.1.1.2 Análisis de resultados (ALGOR)
Por medio del análisis en (ALGOR) se determina si el esfuerzo al que está
sometida la estructura (Ver Ecuación 2) genera algún tipo de ruptura o
deformación plástica al material previamente seleccionado.
En el siguiente gráfico (Ver figura 5) se muestra un esfuerzo máximo de 71.85
Kpa, en la sección de soporte, debido a los envases llenos soportados por la
prensa.
Figura 5. Von mises o Esfuerzo distribuido prensa de sujeción
Fuente: Autores 2011
Al compara el esfuerzo distribuido de 71.815 KPa de la estructura con el
esfuerzo de fluencia del material de que alcanza hasta los 145 Mpa (Ver figura
4), se puede determinar que no existe ningún riesgo de ruptura del material.
Con base en el análisis y en la ecuación (4) se determina un factor de
seguridad de:
Debido a que el material de la prensa es un duraluminio de alta resistencia y
una gran elasticidad utilizado para la fabricación de maquinaria pesada, la
carga que ejercen los envases llenos es mínima y no generan ningún riesgo de
ruptura o deformación, es por esta razón que el factor de seguridad es alto. __________________________
analisis de elementos finitos tomado de: Gallegos Cázares, Sergio. Análisis de sólidos y estructura mediante el método de elementos finitos. 1 ed. México : Limusa , 2008.
23
4.2.1.1.3 Cargas generadas por la estructura de la prensa de sujeción de
envases.
Para determinar la carga ejercida por la prensa sobre la mesa base del carro
móvil (utilizada para el desplazamiento horizontal de los envases y la prensa de
sujeción), y por medio de los datos dados por el fabricante, (Ver anexo A), se
halla la fuerza ejercida por la prensa sobre la estructura del carro móvil, basado
en la forma geométrica de esta pieza, donde los resultados se muestran en la
siguiente tabla (Ver tabla 3).
Tabla 3. Carga ejercida por la estructura de la prensa.
Duraluminio 7075
Densidad del duraluminio 2.80 g/cm3
Volumen de la prensa 8750 cm3
Masa prensa 24.5 Kg
Fuerza normal de la prensa 240N
Fuente: Autores 2011
La fuerza normal que ejercerá la prensa de sujeción sobre el carro móvil
horizontal determinada, genera el siguiente resultado (Ver resultado 2)
Estos datos se obtienen con el fin de realizar el análisis de esfuerzos
generados en la estructura del carro móvil, dando como resultado:
∑ 292.74 N (3)
4.2.1.2 Carro móvil soporte de la prensa de sujeción de envases
El carro móvil es la estructura que se utiliza para desplazar la prensa de
sujeción de envases de la etapa de llenado a la fase de tapado, posee un
tornillo de bolas recirculantes en su interior, cuyas características son
detalladas en el siguiente anexo (Ver anexo B), generando un desplazamiento
horizontal sobre el eje x, en el plano paralelo a la mesa que lo soporta (Ver
figura 6 y numeral 4.3.5)
24
Figura 6. Carro Móvil
Fuente: Autores 2011
4.2.1.2.1 Selección del carro móvil
Esta pieza es fabricada por la multinacional Bosch Group Rexroth, se
selecciona debido a la utilidad que tiene en el diseño funcional de la máquina
cuyas características de funcionamiento se describen en párrafo anterior,
donde la composición de la pieza seleccionada se describe a continuación (Ver
anexo C)
El carro móvil cuenta con un tornillo de bolas recirculantes fabricado en Acero
AISI-SAE 4140 (Ver anexo C), es uno de los aceros de baja aleación más
populares por el espectro amplio de propiedades útiles en piezas que se
someten a esfuerzo, con relación a su bajo costo. Al templarlo se logra muy
buena dureza con una gran penetración de la misma, teniendo además un
comportamiento muy homogéneo. Tiene también una buena resistencia al
desgaste.
Su estructura externa está diseñada en duraluminio 7075, por sus propiedades
(Ver anexo A).
4.2.1.2.2 Análisis de resultados (Algor)
Con base en las cargas ejercidas por los envases y la estructura de la prensa
se procede a realizar el análisis de esfuerzos, con el fin de encontrar puntos
críticos y corroborar la rigidez de la estructura de forma que esta soporte las
cargas ejercidas sobre ella.
Cargas soportadas por el carro móvil (Ver resultado 3) que proporcionan la
fuerza máxima ejercida por los envases y carga de la prensa, cuyos datos se
utilizan para el análisis de esfuerzos de la pieza mencionada.
25
Materiales de las piezas soportadas por el carro móvil.
Tornillo de bolas Acero AISI-SAE 4140
Estructura carro móvil Duraluminio 7075
En el siguiente gráfico (Ver figura 7) se muestra un esfuerzo máximo de 14.60
Kpa, en la base móvil, debido a las estructuras anteriormente mencionadas.
Al comparar el esfuerzo distribuido de 14.60 KPa de la estructura con el
esfuerzo de fluencia del material que alcanza hasta los 145 Mpa (Ver figura 7),
se puede determinar que no existe ningún riesgo de ruptura del material.
Con base en el análisis y en la ecuación (4) se determina un factor de
seguridad de:
Debido a que el material que se seleccionado para la estructura del carro móvil
es duraluminio 7075 y el tornillo de bolas recirculantes que genera el movimiento y a su vez funciona como chasis interno es de acero 4140, la
estructura al someterse a análisis de esfuerzos no presenta de formaciones ni
rupturas, es por esta razón el factor de seguridad es alto.
Figura 7. Von mises o Esfuerzo distribuido carro móvil prensa de sujeción
Fuente: Autores 2011
26
4.2.1.2.3 Cargas generadas por la estructura del carro móvil.
Para determinar la carga ejercida por el carro móvil sobre la mesa base
(utilizada para el desplazamiento vertical de los envases para su posterior
llenado), y por medio de los datos dados por el fabricante, (Ver anexo C), se
halla la fuerza ejercida por el carro móvil, basado en la forma geométrica de
esta pieza, donde los resultados se muestran en la siguiente tabla (Ver tabla 4).
Tabla 4. Carga ejercida por la estructura del carro móvil.
Densidad del acero 7.85 g/cm3
Densidad del duraluminio 2.80 g/cm3
Volumen de carro móvil 18884 cm3
Masa carro móvil 53 Kg
Volumen del tornillo de bolas 1608 cm3
Masa Tornillo de bolas 12.6 Kg
Masa Total de carro móvil 65.6 Kg
Fuerza normal del carro móvil 642 N
Estos datos se obtienen con el fin de realizar el análisis de esfuerzos
generados en la mesa base de desplazamiento vertical, dando como resultado:
∑ 935.6 N (5)
4.2.1.3 Mesa base de desplazamiento vertical
La mesa base de carro móvil, es la pieza encargada de soportar todo el peso
de las estructuras anteriormente mencionadas y la encargada de fijarse a los
tornillos de bolas recirculantes, los cuales hacen el movimiento vertical de la
máquina para el proceso tanto de dosificado como de tapado (Ver figura 8).
4.2.1.3.1 Selección de material
Se selecciona duraluminio 7075, por las propiedades anteriormente
mencionadas (Ver anexo A)
27
Figura 8. Mesa Base
Fuente: Autores 2011
4.2.1.3.2 Análisis de resultados (ALGOR)
Con base en las cargas ejercidas por los envases, la estructura de la prensa y
el carro móvil se procede a realizar el análisis de esfuerzos, con el fin de
encontrar puntos críticos y corroborar la rigidez de la estructura de forma que
esta soporte las cargas ejercidas sobre ella.
Cargas soportadas por la mesa base de desplazamiento vertical (Ver resultado
5) que proporciona la carga máxima que generan las estructuras anteriormente
mencionadas.
Al realizar el análisis de esfuerzos se determina que hay un esfuerzo distribuido
de 200 MPa, este se da en los soportes que conectan la parte móvil del tornillo
de bolas recirculantes con la mesa que soporta le estructura de la prensa.
Al comparar el esfuerzo distribuido de 200 MPa de la estructura con el esfuerzo
de fluencia del material que es de 570 Mpa, se puede determinar que no existe
ningún riesgo de ruptura del material ni vibración de esta estructura (Ver figura
9)
28
Figura 9. Von mises o Esfuerzo distribuido mesa base carro móvil.
Fuente: Autores 2011
Con base en el análisis y en la ecuación (4) se determina un factor de
seguridad de:
Debido a que la carga máxima que soporta la mesa base, se concentra en los
extremos de la misma, donde se sujetara a los tornillos de bolas recirculantes,
el área de contacto a los mismos es muy pequeña, es por esta razón que el
factor de seguridad en esta pieza disminuye notablemente.
4.2.1.3.3 Cargas generadas por la estructura mesa base de desplazamiento
vertical
Para determinar la carga ejercida por la prensa sobre la mesa base del carro
móvil (utilizada para el desplazamiento horizontal de los envases y la prensa de
sujeción), y por medio de los datos dados por el fabricante, (Ver anexo A), se
halla la fuerza ejercida por la prensa sobre la estructura del carro móvil, basado
en la forma geométrica de esta pieza, donde los resultados se muestran en la
siguiente tabla (Ver tabla 5).
29
Tabla 5. Carga ejercida por la estructura de la prensa.
Densidad del duraluminio 2.80 g/cm3
Volumen de la mesa 14151 cm3
Masa base 39.6 Kg
Fuerza normal de la prensa 388N
Fuente: Autores 2011
Estos datos se obtienen con el fin de realizar el análisis de esfuerzos
generados en la estructura de los tornillos de bolas recirculantes, dando como
resultado:
∑ 1323.68 N (7)
4.2.1.4 Tornillos de bolas recirculantes principales
Son cuatro tornillos de bolas recirculantes los encargados de soportar las
cargas de las estructuras anteriormente mencionadas y su función principal es
desplazar el sistema verticalmente para realizar la función de dosificado y
posteriormente la función de tapado.
Se selecciona este tornillo por su utilidad como sistema de transmisión vertical,
y su composición físico química los cuales hacen que se utilicen no solo como
sistema de transmisión sino como columnas, las cuales hacen que se genere
una mayor estabilidad en la máquina.
4.2.1.4.1 Selección de material
Los tornillos de bolas recirculantes son fabricados con Acero AISI-SAE 4140
por la industria Bosch Group (Ver Figura 10).
Propiedades y características del acero AISI-SAE 4140 (Ver anexo C)
Figura 10. Tornillo principal de bolas recirculares
Fuente: Autores 2011
30
4.2.1.4.2 Análisis de resultados (Algor)
Con base a las cargas ejercidas por las estructuras anteriormente mencionadas
se procede a realizar el análisis de esfuerzos, con el fin de encontrar puntos
críticos y corroborar la rigidez de la estructura de forma que esta soporte las
cargas ejercidas sobre ella.
Cargas soportadas por los tornillos de bolas recirculantes (Ver ecuación 11)
que proporciona la carga máxima que generan las estructuras anteriormente
mencionadas.
Al realizar el análisis de esfuerzos se determina que hay un esfuerzo distribuido
de 24,6 KPa, este se da en la base de la estructura móvil del tornillo de bolas
recirculantes.
Al comparar el esfuerzo distribuido de 24.6 KPa de la estructura con el esfuerzo
de fluencia del material que es de los 1050 Mpa, se puede determinar que no
existe ningún riesgo de ruptura del material o vibración alguna (Ver figura 11)
Figura 11. Von mises o Esfuerzo distribuido mesa principal
Fuente: Autores 2011
Con base en el análisis y en la ecuación (4) se determina un factor de
seguridad de:
Debido a que son cuatro tornillos de bolas recirculantes que están fabricados
en un acero de alta resistencia ideal para maquinaria pesada, la carga que
soportan es dividida por 4 y este esfuerzo no es el suficiente para lograr
deformar o generar ruptura en los mismos.
31
4.2.1.4.3 Cargas generadas por los tornillos de bolas recirculantes
Para determinar la carga ejercida por los tornillos de bolas recirculantes sobre
la estructura base, y por medio de los datos dados por el fabricante, (Ver anexo
C), se halla la fuerza ejercida por la los tornillos de bolas recirculantes, basado
en la forma geométrica de esta pieza, donde los resultados se muestran en la
siguiente tabla (Ver tabla 6).
Tabla 6. Carga ejercida por la estructura de la prensa.
Densidad del acero AISI-SAE 4140 7.85 g/cm3
Volumen del tornillo de bolas recirculantes 7569 cm3
Masa tornillo 59.4 Kg
Fuerza normal de un solo tornillo 582.3 KN
Fuerza normal de cuatro tornillos 2,32MN
Fuente: Autores 2011
Estos datos se obtienen con el fin de realizar el análisis de esfuerzos
generados en la estructura base principal, dando como resultado:
∑ 2330KN (9)
4.2.1.5 Estructura base principal
La estructura principal está compuesta por cuatro soportes en forma de H,
donde su función es la de soportar las cargas generadas por las demás piezas
del subsistema mecánico, teniendo como propósito fundamental dar
estabilidad y fiabilidad a la máquina (Ver Figura 12).
Figura 12. Estructura Principal
Fuente: Autores 2011
32
4.2.1.5.1 Selección de material
Se selecciona acero estructural AISI 1020, ya que es un acero de buena
resistencia y gran elasticidad que absorbe muy bien las deformaciones que se
pueden llegar a presentar en esta máquina.
Propiedades mecánicas AISI 1020 (Ver Anexo D)
Acero AISI 1020, Alta resistencia (laminado en caliente y Calibrado)
4.2.1.5.2 Análisis de resultados (Algor)
Con base en el análisis realizado en Algor debido a la carga generada por las
estructuras anteriormente mencionadas, se genera una carga de 582,5 KN,
por columna dando como resultado del análisis un esfuerzo máximo de 30
Mpa, en los soportes de tornillos de bolas recirculantes y la estructura, debido a
que las cargas máximas están soportadas es estos apoyos.
Al comparar el esfuerzo distribuido de 30 MPa de la estructura con el esfuerzo
de fluencia del material (380 Mpa), se puede determinar que no existe ningún
riesgo de ruptura del material (Ver figura 13 y Ecuación 4).
Factor de seguridad.
Debido a que en la estructura no puede haber vibraciones y que se debe
garantizar la rigidez de ella, se avala el resultado obtenido del análisis y su
factor de seguridad.
Figura 13. Von mises o Esfuerzo distribuido Estructura
Fuente: Autores 2011
33
4.2.1.6 Estructura acople de tapas
Es la aquella columna que se acopla a la estructura principal en la parte inferior
de la misma y tiene como función principal soportar tres actuadores que tienen
como función sellar la tapa en los envases ya llenos. (Ver figura 14).
Figura 14. Estructura acople de tapas
Fuente: Autores 2011
4.2.1.6.1 Selección de material
Se selecciona acero estructural AISI 1020, ya que es un acero de buena
resistencia y gran elasticidad que absorbe muy bien las deformaciones que se
pueden llegar a presentar en esta máquina.
Propiedades mecánicas AISI 1020 (Ver Anexo D)
Acero AISI 1020, Alta resistencia (laminado en caliente y Calibrado)
4.2.1.6.2 Análisis de resultados (Algor)
Al comparar el esfuerzo distribuido de 550 KPa de la estructura con el esfuerzo
de fluencia del material (380 Mpa), se puede determinar que no existe ningún
riesgo de ruptura del material (Ver figura 15).
34
Factor de seguridad. (Ver Ecuación 4).
Debido a que en la estructura esta únicamente unida en la parte inferior de la
máquina con la estructura principal, se genera un esfuerzo de reacción máximo
en esta parte de la estructura de la columna.
Figura 15. Von mises o Esfuerzo distribuido Columna
Fuente: Autores 2011
4.2.2 Centro de masa
El centro de masa de un objeto es el centroide, o posición media de su masa.
El peso de un objeto se puede representar mediante una sola fuerza
equivalente que actúa en su centro de masa.
En el siguiente análisis el centro de masa está definido por las coordenadas x,
y, z, siendo estas las coordenadas del elemento diferencial de masa dm (Ver
ecuación 5)
x ∫
∫
, y ∫
∫
, z ∫
∫
(5)
La estructura de la máquina está compuesta por cuatro columnas H y una base
inferior siendo esta de un acero inoxidable con una densidad de 7850
, se
procede a determinar la masa y las coordenadas para determinar el centro de
masa.
35
El volumen de la viga 1 (Ver figura 16) es:
( ) ( )
Figura 16. Viga 1
Fuente: Autores 2011
Por lo que su masa es:
(
⁄ )
El centro de masa coincide con el centroide del volumen de la columna por ser
un elemento simétrico.
Como las cuatro columnas son iguales se realiza el mismo cálculo para cada
una de ellas (Ver ecuación 6)
(6)
Se reemplaza en la ecuación (Ver ecuación 6), teniendo en cuenta las
coordenadas a calcular:
La base es del mismo material
El volumen de la base (Ver figura 17) es:
36
Figura 17. Base principal de la máquina
Fuente: Autores 2011
Por lo que su masa es:
(
⁄ )
El centro de masa coincide con el centroide del volumen de la base por ser un
elemento simétrico.
Teniendo en cuenta los valores hallados en el paso anterior se procede a
reemplazar en las siguientes ecuaciones (Ver ecuaciones 7, 8 y 9)
Se reemplaza en las ecuaciones anteriormente mencionadas:
( )
__________________________
Analisis de centroides tomado de Ferdinand P. Beer, E. Rusell Johnston, David F. Mazurek, Elliot R. Eisenberg. Mecánica vectorial para ingenieros 9 ed .México : McGraw-Hill . 2010
37
( )
( )
En la siguiente gráfica se muestra la ubicación exacta por medio de
coordenadas del centro de masa (Ver figura 18).
Figura 18 Centro de masa
Fuente: Autores 2011
4.2.3 Sistema de transmisión.
Este sistema está compuesto por dos sub sistemas de transmisión.
1. El primero es un sistema de transmisión piñón cadena, compuesto por
cinco piñones y una cadena.
2. El segundo es un sistema de transmisión compuesto por acople y por
dos piñones rectos.
4.2.3.1 Sistema de transmisión por piñón cadena.
Los cuatro tornillos para ascenso y descenso de la prensa, se debe mover
simultáneamente. Por lo tanto en el extremo superior de cada tornillo se ubica
un piñón y los cuatro piñones se enlazan con una cadena, la cual será movida
por un motor paso a paso (Ver Figura 17.), tal y como se calcula más adelante
(Ver numeral 4.3.4.1)
38
Figura 17. Sistema de transmisión por piñón cadena.
Fuente: Autores 2011
Condiciones iníciales
Motor eléctrico de 225w = 0,3hp
N1= 50 rpm revoluciones por minuto de piñón conductor
N2= 432 rpm revoluciones por minuto de piñón conducido
Z1= 114 Número de dientes de piñón conductor
Para determinar el número de dientes del piñón conducido se utiliza la
ecuación de relación de transmisión (Ver ecuación 10) y se despeja Z2.
=
(10)
Z2= 14 Número de dientes de piñón conducido
RT= 8,64 Relación de transmisión
Longitud en pasos de cadena (LP)
Se determina la longitud por pasos de cadena reemplazando en la siguiente
ecuación (Ver ecuación 11)
LP =
+ 2Cp + 0,025
(11)
Centro en pasos de cadena (Cp)
Para la ecuación anterior se asume un Cp de 40 (Ver ecuación 12)
39
LP =
+ 2(40) + 0,025
Lp= (2)= 302, en longitud en pasos de cadena.
Teniendo el Lp práctico (Ver ecuación 11) se reemplaza en el Cp práctico (Ver
ecuación 12)
Distancia entre centros por pasos de cadena
Cp =
[
√(
)] (12)
Cp= 45
Cadena No 80, lubricación tipo A
4.2.3.2 Sistema de transmisión por piñón cilíndrico
El carro móvil (Ver figura 6) realiza el desplazamiento de los envases del
proceso de dosificado al de tapado, donde el mecanismo de transmisión
utilizado para el desplazamiento horizontal de los envases, es por medio de un
tornillo de bolas recirculantes y un sistema de piñon recto movido con un
motorreductor, el cual se muestra en la figura 18.
Figura 18. Sistema de transmisión por piñón recto.
Fuente: Autores 2011
Condiciones iníciales para la selección de los piñones
40
Para realizar los cálculos del sistema de transmisión se tienen inicialmente las
siguientes ecuaciones (Ver tabla 7)
Tabla 7. Ecuaciones para cálculo de relación de transmisión
Z Número de dientes
Do Diámetro primitivo z . m
De Diámetro exterior Do + 2m
Di Diámetro interior De - 2.h
h Altura del diente 2,1677.m
h k Altura de la cabeza del diente M
h f Altura del pie del diente 1,167.m
t Paso m. 3,145
S Espacio entre dientes t / 2 = m.3,145/2
e Espesor del diente t / 2 = m.3,145/2
b Ancho del diente ( 10 a 15 ). m Fuente: Teoría de las máquinas y mecanismos / / Joseph Edward Shigley y John Joseph
Se selecciona el moto reductor con características de alimentación de 120V AC
potencia de 1/2 HP y 1800 rpm, basado en los cálculos de control para el
desplazamiento del carro móvil (Ver numeral 4.3.5)
Se determina que la relación de transmisión que generará el movimiento al
carro móvil es por piñón recto (engranaje cilíndrico), ya que se realiza la
transmisión de movimiento por medio de acople de dientes que se empujan sin
resbalar, lo cual es ideal para transmitir movimiento entre ejes paralelos.
Se desea reducir las RPM (Revoluciones por minuto) iníciales que genera el
motor seleccionado siendo estas de 1800RPM a 300 RPM ya que estas son las
revoluciones ideales para realizar el movimiento de este sistema. Para ello se
acoplara una rueda dentada como conducida y un piñón como conductor.
Relación de transmisión:
La relación de transmisión se define por la siguiente ecuación (Ver ecuación 13)
(13)
Donde:
D1 es el diámetro primitivo de la rueda conductora
D2 es el diámetro primitivo de la rueda conducida
N1 son las RPM de la rueda conductora
N2 son las RPM de la rueda conducida
m constante
41
1. Cálculo para rueda dentada (Conducida):
Para el cálculo de esta rueda dentada se tiene como condiciones iniciales
un diámetro exterior de 100 mm, Se selecciona el máximo de dientes para
esta rueda dentada (ver Ecuaciones 14 y 15)
Do = z . m (14)
Do = De - 2.m (15)
Se proceden a igualar las dos ecuaciones:
z . m = De -2.m
De = (z+ 2).m
Luego de haber igualado las dos ecuaciones, se genera la siguiente
ecuación (Ver ecuación 16)
z = De /m - 2 (16)
Se reemplazan los valores iníciales en esta ecuación:
z = (100 / 2) -2
z = 48 dientes
Luego de determinar la cantidad de dientes de la rueda dentada, se procede
a calcular la rueda con los cálculos completos.
Do = z.m = 48 . 2 = 96 mm
h = 2, 1677.m = 2.167 .2 = 4,
33 mm
hk= m = 2 mm
De = Do + 2.m = 100 mm
h f = 1,167.m = 2,334 mm
t = m. 3,1415 = 6,28
s = e = t / 2 = 3,14mm
2. Cálculo para piñón (Conductor):
Para el cálculo de este piñón se tiene como condiciones iniciales un
diámetro primitivo de la rueda dentada que es de 96mm, (Ver Ecuación 23)
=
(17)
Dando como resultado
Se selecciona el máximo de dientes para esta rueda dentada (ver
Ecuaciones 14 y 15)
42
Luego de haber igualado las dos ecuaciones, se genera una tercera ecuación
(Ver ecuación 16)
Se reemplazan los valores iníciales en esta ecuación:
z = 31 / 2 - 2 = 7.75 dientes z = 8 dientes Luego de determinar la cantidad de dientes del piñón, se procede a realizar los
cálculos completos.
Do = z.m = 8 . 2 = 16 mm h = 2, 1677.m= 2.167 .2 = 4, 33 mm h k = m = 2 mm
De = Do + 2.m = 20 mm h f = 1,167.m = 2,334 mm t = m. 3,1415 = 6,28 s = e = t / 2 = 3,14mm
Z1= 8 Número de dientes de piñón conductor Z2= 48 Número de dientes de piñón conducido
=
RT= 0,16 Relación de transmisión
4.3 SUBSISTEMA ELÉCTRICO, CONTROL E INSTRUMENTACIÓN.
Este subsistema es utilizado para llevar electricidad a todos los actuadores,
cuadros de control y sistema de potencia de la máquina.
El subsistema eléctrico de la máquina se alimenta de una red de 220VAC
trifásicos, de lo cual de esa red se toma una fase y el neutro para alimentar una
fuente regulada de 24VDC, la cual proporcionará energía a los actuadores que
se utilizarán como elementos finales de control, también alimenta el sistema de
regulación (PLC) y dosificación del fluido.
El funcionamiento de este sistema se divide en diferentes circuitos que luego
son acoplados, de forma que estos circuitos sean controlados y supervisados
en forma automática, con el fin de dar facilidad al operario en el control y
mantenimiento preventivo y correctivo del sistema.
4.3.1 Diseño de control del compresor
La red de la subestación proporciona 220VAC 3~ (trifásicos), utilizados para el
encendido del compresor, que distribuye el aire a las válvulas que controlan la
bomba neumática utilizada para la distribución de fluido (M15 Metálica, Wilden)
desde el recipiente contenedor a la tubería de circulación del Sismigel Plus (la
Bomba M15 puede distribuir hasta 240GPM).
__________________________
Sistema de transmisión. Ecuaciones tomadas de: Teoría de las máquinas y mecanismos .Joseph Edward Shigley y John Joseph Uicker . 1 ed . México : McGraw-Hill, 1988
43
La fábrica de explosivos Antonio Ricaurte (INDUMIL) tiene en operación un
compresor con una potencia de 5Hp, factor de potencia de 0.85 (Cosφ) y un
rendimiento de 85% (η); debido a esto, la corriente nominal (I) del motor se
determina, para la selección de los elementos de control y potencia de este
circuito (Ver ecuación 18)
√
Despejando la ecuación (19) para determinar la corriente la corriente nominal
del motor, por tanto el resultado es:
Para evitar riesgo de explosión por alguna anomalía en el sistema de control
del arranque, el tablero de control se dispondrá fuera del taller de envase, se
encuentra a una distancia de 4 m del compresor, y como en el arranque del
motor este consume tres veces la corriente nominal, se selecciona un cable
calibre 10 AWG (Capacidad de carga de 30 A, Ver dirección electrónica
http://www.lcardaba.com/articles/awg.htm).
Descripción del sistema de control del arranque
El arranque seleccionado es arrancador directo, no se utiliza estrella triangulo
debido al bajo consumo de energía del compresor, ya que el caudal de aire
proporcionado por este es relativamente bajo. El arrancador se dispone para
que el control del compresor se pueda manejar desde una estación local o
remota.
Este tablero, proporciona una visualización del estado del motor: encendido,
apagado o falla; permite el encendido del motor en modo manual o en modo
automático, donde el arranque en modo manual permite encender el motor
desde los controles de encendido y apagado del tablero, los cuales son unos
pulsadores, el encendido en modo automático permite desde una estación de
supervisión remota encender y apagar el motor, cuyas señales provienen del
PLC que controla el proceso, donde la parada del motor se puede hacer desde
donde el cliente lo desee ya sea desde el tablero o la estación remota , las
señalización que verá el operador en el tablero serán:
__________________________
Ecuaciones de potencia tomadas de: Harper Enriquez (2005) El ABC del control electrónico
de las máquinas eléctricas, Primera edición, Limusa Noriega editore
44
El piloto verde (indicador que el compresor no ha sido energizado) , el piloto
rojo (indicador que el compresor está en servicio) y el piloto amarillo (indicador
de falla en el compresor).
4.3.2 Selección y caracterización de actuadores.
Para el accionamiento de la mesa de desplazamiento vertical se selecciona un
motor paso a paso, debido a que este es un motor de precisión y en conjunto
con los tornillos de bolas recirculantes (Ver figura 10) se garantiza el
desplazamiento fiable de la mesa base que es la encargada de soportar la
prensa de sujeción de envases (Ver figura 8), de forma que se minimicen los
errores de dosificación de fluido debido por el posicionamiento del envase en el
momento de ser llenado, posteriormente se seleccionan los elementos de
dosificación y corte del fluido.
4.3.3 Bombeo de líquido
El bombeo del líquido que se encuentra en el tanque contenedor (la capacidad
de la tolva es de 200kg de masa de fluido) de materia prima para el proceso, se
realiza por medio de una bomba de desplazamiento positivo neumática de
doble diafragma que transporta el líquido desde el depósito principal hasta la
tubería que será utilizada para el transporte de este, donde la bomba
mencionada se encuentra en funcionamiento con la instalación recomendada
por el fabricante (ver anexo E).
Del manual de la bomba se obtienen los datos de trabajo según el gasto de
materia requerido en el proceso de circulación del fluido, donde estos se
obtienen del análisis del nomograma de la bomba y de acuerdo a esto se
determina que la altura de descarga requerida es de 140 pies, por tanto se
observa que para el proceso se puede utilizar una presión a 4Bar y un flujo de
40GPM, que es la mitad del trabajo que puede generar este elemento y estos
datos se muestran a continuación.
⁄
45
4.3.4 Caracterización del motor pasó a paso
Para que el movimiento de la mesa base de desplazamiento vertical se haga
de forma rápida y precisa, se debe determinar, de acuerdo con las
características del motor, la frecuencia de los pulsos que se generan, los
cuales serán utilizados para energizar las bobinas de este, con el fin de
transmitir el movimiento de rotación de su eje, cuyo movimiento será utilizado
para mover los tornillos de bolas recirculantes.
Para la caracterización del motor paso a paso se utilizan las ecuaciones
mostradas a continuación, con el fin determinar los pulsos necesarios y la
frecuencia a la que estos deben ser generados, para que el movimiento vertical
en la máquina se realice de forma rápida y precisa (Ver ecuación 20)
[
⁄ ]
[
⁄ ]
[
⁄ ]
Para utilizar las ecuaciones anteriormente mencionadas, a estas se les debe
proporcionar los siguientes parámetros:
1. Datos de los tornillos de bolas recirculantes
2. Motor pasó a paso utilizado en la máquina.
46
4.3.4.1 Datos del tornillo de bolas recirculantes
De los datos anteriores, se pueden obtener los pulsos necesarios para generar una revolución del motor paso y este dato se obtiene de la siguiente manera:
Por tanto las distancias que debe desplazarse verticalmente la mesa móvil para
los diferentes envases, según las longitudes de estos vienen relacionadas por
la siguiente ecuación (Ecuación 21)
La distancia que debe recorrer la mesa en la dirección de la electroválvula
proporcional para que los envases de 1800g puedan ser llenados es de:
De acuerdo con la anterior ecuación (Ver ecuación 27), para los demás
envases las distancias que debe recorrer a mesa base se determina de la
siguiente manera:
Estos datos obtenidos permiten determinar los pulsos totales que se deben
programar, para que el motor haga girar el tornillo y logre este desplazar
linealmente la mesa en sentido vertical, y este a su vez se detenga con
precisión en la distancia requerida para, que el envase seleccionado sea
dosificado adecuadamente.
47
Los pulsos totales que se deben programar se calculan de la siguiente manera:
La siguiente ecuación es obtenida del catálogo de Surestep, fábrica encargada
de diseñar y distribuir controladores para motores paso a paso, esta ecuación
permite determinar los pulsos totales que se le deben aplicar a las bobinas del
motor para que logre hacer girar su eje y este a su vez logre desplazar
linealmente en sentido vertical la mesa móvil que contiene la prensa que sujeta
los envases para su dosificado (Ver ecuación 22).
[
]
Reemplazando los datos obtenidos anteriormente en la ecuación (22) se logra
determinar los pulsos totales que se deben programar en el controlador para
que el tornillo desplace la mesa móvil las distancias requeridas por cada
envase, donde los resultados se muestran a continuación.
[
]
[
]
[
]
[
]
[
]
Los datos obtenidos, son los pulsos que se deben aplicar a las bobinas del
motor, para que logre generar el movimiento deseado según el envase a llenar.
Ya con estos datos obtenidos, se puede determinar cuánto debe ser el tiempo
que el tornillo debe estar en movimiento, para que el llenado de los envases
cumpla con las expectativas de producción requeridas, que es de 1500
envases de 1800g/envase en un día; por tanto, como la distancia máxima que
debe desplazarse la mesa móvil, es cuando se hace el llenado del envase de
150g, cuya longitud es de 9.6cm, y sabiendo que la carrera del tornillo de bolas
es de 1m. La distancia que el tornillo debe desplazar el envase es de 90.4cm y
48
de acuerdo a la producción requerida, se determina que la producción de un
envase se debe hacer cada 55s, por lo tanto el tiempo de desplazamiento de la
mesa móvil debe ser menor o igual a 15s.
De acuerdo con la condición anterior, se debe determinar la velocidad del
movimiento y la frecuencia con la que deben ser generados los pulsos en el
controlador del motor paso a paso.
La frecuencia de los pulsos generados se determina para el envase de menor
longitud que es el de 150gr, donde el desplazamiento para este envase debe
durar máximo 15s y la ecuación para determinar la frecuencia a la que los
pulsos deben ser generados es la siguiente (Ver ecuación 23)
[
⁄ ]
De la ecuación (23) se determina la frecuencia a la que se deben generar los
pulsos para que el motor haga girar los tornillos de bolas recirculantes y estos
a su vez desplacen el conjunto para que el envase de menor tamaño sea
llenado, cuya condición es mencionada anteriormente, dando como resultado lo
siguiente:
[
⁄ ]
Una vez determinada la frecuencia de los pulsos, se determina la velocidad de
desplazamiento lineal generada por cada revolución del tornillo, que se utiliza
para determinar la velocidad angular a la que el motor debe girar, cuyo
resultado se obtiene de la siguiente manera.
Primero se debe conocer la velocidad de desplazamiento de la mesa móvil que
se determina de la siguiente relación.
[
]
Conociendo la anterior relación, se determina el tiempo que dura el tornillo en
desplazar la mesa móvil 1cm en forma lineal; para hallar este tiempo, se utiliza
una regla de tres.
[
] [
]
__________________________
Análisis y control del motor paso a paso tomado de: Catalogo de productos. Sure StepTM
Manual
49
Donde es el tiempo que dura el tornillo en desplazarse 1cm linealmente.
De acuerdo a lo anterior se determina la velocidad lineal de desplazamiento de
la mesa móvil por revolución del tornillo.
[ ⁄ ]
Por último, se determinan las revoluciones a las que debe girar el motor paso a
paso, cuya relación es la siguiente (Ver ecuación 24)
⁄
⁄
Reemplazando en la ecuación (24), se obtiene la velocidad angular a la que
debe girar el motor, cuyo resultado es el siguiente.
⁄
⁄
Una vez obtenido el resultado anterior, se utiliza un factor de seguridad de 20%
que garantiza que este actuador desplazara la mesa móvil a la velocidad
requerida, cuyo resultado es de .
4.3.5 Calculo del motorreductor para desplazamiento horizontal de mesa móvil.
Se selecciona un motor con alimentación de 125 VDC, con el fin de generar el
movimiento y el torque necesarios, para lograr desplazar horizontalmente la
estructura del carro móvil, junto con la prensa de sujeción de envases (Ver
figura 19)
__________________________
Análisis de desplazamiento tomado de: Cromer A (2006) Física en la ciencia y la industria,
Primera edición, Editorial Reverte S.A
50
Figura 19. Motorreductor mesa horizontal
Fuente. Autores 2011
Para seleccionar el motor adecuado, se debe tener en cuenta el peso que se
está generando por parte de los tres envases llenos, la estructura de la prensa
de sujeción, la superficie del carro móvil y el tornillo de bolas recirculantes del
carro móvil.
1. Fuerza que debe ejercer el motor para mover la mesa móvil
El motor debe ser capaz de mover la sumatoria de las masas de las
estructuras anteriormente mencionadas, para ello se debe calcular cual es el
peso total que debe mover como se muestra a continuación:
1.1 La masa total de los tres envases llenos es de 5.38 Kg,
1.2 La masa de la prensa de sujeción de envases es de 24.5Kg (Ver tabla 3)
1.3 La masa del tornillo de bolas recirculantes es de 12.6 Kg (Ver tabla 4)
1.4 La masa de la base del carro móvil es de 10 Kg.
∑
La masa total que debe mover el motor es de 52.48 Kg, es decir que debe
mover un peso de 558.6 N, (Ver figura 20)
Figura 20. Diagrama de cuerpo libre carro móvil horizontal
51
La distancia que debe desplazarse el carro móvil es de 1 metro.
Se procede a calcular la velocidad en que se debe desplazar la base del carro
móvil
V= Velocidad de desplazamiento
V=
= 0,33 ⁄
Con el cálculo de velocidad anterior se procede a calcular la potencia útil (Ver
ecuación 25)
(25)
Se reemplaza en la ecuación (25)
⁄
Luego de haber calculado la potencia útil, se procede a calcular la potencia del
motor (Ver ecuación 26).
P motor =
(26)
Se reemplaza en la ecuación (26)
P motor =
= 230 W = 0,23 Hp
El motorreductor seleccionado debe tener una potencia no menor a 0.23 Hp,
(Ver anexo H)
4.3.6 Selección de electroválvulas de control
En el proceso de llenado de envases, se utiliza una electroválvula proporcional
la cual tiene una regulación 100% a 2 % del caudal suministrado a la tubería, lo
que quiere decir que habrá goteo de fluido en el instante que el envase haya
alcanzado el nivel para el cual ha sido programado, para prevenir algún tipo de
error debido a este inconveniente, se selecciona una electroválvula on/off, la
cual recibe una señal discreta con el fin de realizar el cierre de esta en el
momento que el envase halla alcanzo el nivel máximo permitido según el tipo
de envase, colocada en serie con la electroválvula proporcional, para asegurar
52
que en el momento que los envases estén llenos el flujo de material sea
cortado de forma definitiva.
Para la selección de la electroválvula on/off, se hace el análisis de flujo en la
tubería, con el fin de determinar los coeficientes que se utilizarán para la
selección de la electroválvula.
Para la selección de este actuador, se tienen los siguientes datos que son
obtenidos de catálogos y otros proporcionados por la fábrica del explosivo, los
cuales se muestran a continuación.
é
Para determinar el tipo de flujo en la tubería se debe calcular el número de
Reynolds, cuya relación es la mostrada en la siguiente ecuación (Ver ecuación
27).
Para obtener los datos necesarios y suficientes de la ecuación anterior, que
permitirá saber el tipo de flujo en la tubería, se hace un análisis dimensional de
la viscosidad dinámica, donde este dato es proporcionado por el taller de
fabricación del fluido, cuyas equivalencias se muestran a continuación.
⁄
53
De acuerdo con la anterior equivalencia, se determina la viscosidad
cinemática, cuyo resultado se muestra a continuación.
A continuación se hallan los términos necesarios para calcular el número de
Reynolds y saber qué tipo de flujo se produce en la tubería, de forma que se
pueda saber qué modelo dinámico utilizar en la simulación del proceso y
también cuales son los coeficientes de caudal para la selección de la
electroválvula, por tanto, de la siguiente ecuación con los datos de caudal de la
bomba y el área de la tubería, se determina la velocidad con la que se desplaza
el fluido dentro de dicha tubería (Ver ecuación 28).
Para obtener el flujo en unidades del sistema internacional se sigue la siguiente
conversión.
De la equivalencia anterior se obtiene el flujo máximo entregado por la bomba
neumática en unidades del sistema internacional.
⁄
La descarga del fluido a la tubería se genera por el orificio de descarga de la
bomba neumática cuyo diámetro es de 3” y luego a medida que la tubería se
aproxima a las válvulas que se utilizan para llenar los envases esta disminuye
generando una presión mayor debido a la reducción de esta tubería.
Debido a que la masa que circula por la tubería es la misma y no cambia, lo
que cambia es el flujo debido a la reducción en la sección de la tubería, donde
esta reducción se realiza en varias etapas para que el flujo no tenga mayores
fluctuaciones en su velocidad y este no genere una fricción alta en el interior de
la tubería, por ello la reducción se hace de manera moderada disminuyendo la
tubería en tramos de 1 pulgada cada metro desde su descarga, donde esta se
realiza en 4 tramos diferentes, por tanto los cambios en la tubería a medida que
esta cambia el flujo también lo hace ya que este depende del área del conducto
por el cual fluye, por tanto en la siguiente ecuación (Ver ecuación 29) se
pueden determinar las diferentes velocidades a las que se desplaza el fluido
dependiendo del área de la tubería, donde los datos obtenidos servirán para
54
determinar el flujo máximo que debe soportar la electroválvula y también hallar
su coeficiente de caudal.
En la ecuación anterior (Ver ecuación 29) se observa que V1 es la velocidad del
flujo en la sección de descarga de la tubería cuyo diámetro es de 3” de
diámetro y A1 es el área de la sección transversal de la tubería en la sección de
descarga de la bomba, por tanto, si se desea averiguar el flujo en los demás
tramos de la tubería, solo se debe determinar el área de la sección transversal
del interior del tubo, y este se determina tomando como referencia el área de
un circulo, ya que la tubería en su interior tiene este tipo de sección, y los
resultados se muestran a continuación.
Para las demás secciones de la tubería, el área es la siguiente:
Ya obtenida el área de cada sección de tubería, se determina la velocidad a la
que se transporta el fluido en el interior de ella, dato que se utilizará para
determinar el tipo de flujo en el interior de la tubería y la fricción que se hay
debido a esta velocidad, donde el resultado se muestra a continuación.
⁄
⁄
Se sabe que la tubería en el último tramo se reduce a ½”, por tanto, aplicando
la ecuación de continuidad, se obtiene la velocidad (V4) que será la que se
utilizará para determinar el tipo de flujo utilizando la ecuación de Reynolds:
⁄
⁄
Donde V4 es la velocidad máxima del fluido que debe soportar la electroválvula
on/off y la electroválvula proporcional, donde luego se determina el número de
Reynolds (Ver ecuación 30)
55
Entonces el número de Reynolds es:
⁄
Por tanto, el flujo en la tubería es laminar y la fuerza de fricción generada en el
interior de la tubería se puede calcular de la siguiente manera (Ver ecuación
31)
Debido a que el Sismigel Plus puede iniciarse por el roce entre metales, cuyo
factor de fricción oscila entre los valores de 0.15-0.60, y comparado con el
resultado dado (Ver ecuación 31) se determina que la bomba de distribución
del fluido no debe superar una presión de trabajo de 8 Bar, ya que con una
presión mayor el explosivo podrá iniciarse.
Luego se proceden a hallar los caudales necesarios para llenar los 1500
envases de 1800gr, con el fin hallar los coeficientes de caudal de la
electroválvula, cuyos datos se obtienen de hacer el análisis de trabajo y tiempo
requerido para llenar esta cantidad de envases y por tanto el flujo másico y
volumétrico se muestran a continuación.
⁄
⁄
Debido a que la bomba neumática de doble diafragma puede trabajar con una
presión de 8 Bar y generar 232 GPM, se debe seleccionar una electroválvula
on/off y una electroválvula proporcional que soporten estas condiciones de
flujo, para ello se utilizan los datos de condiciones extremas, debido a que en
algún caso estos actuadores pueden ser sometidos a condiciones extremas y
sufrir algún tipo de fractura, por ello el diseño se lleva a cabo con estos datos y
se garantizará que estos actuadores no van a sufrir ningún tipo de sobrecarga.
⁄
⁄
Luego se determina el flujo en cada una de las ramificaciones de la tubería, ya
que la tubería principal se divide en tres ramas, debido a la cantidad objetivo de
envases a llenar, donde el flujo en cada rama es la relación entre el flujo de
ramificación que sería equivalente al flujo circundante en la tubería de ½” y el
56
número de ramificaciones en la tubería(n) utilizada para dosificar el fluido, cuyo
resultado se muestra a continuación (Ver ecuación 32).
⁄
⁄
Luego se determinan los coeficientes de caudal, necesarios para seleccionar el
elemento final de control (ver anexo O), cuyas ecuaciones se muestran a
continuación (Ver ecuación 33 y 34)
√
⁄
Para determinar la presión a la que estará sometida la válvula debido al cambio
de alturas y secciones de la tubería, se utiliza la ecuación de BERNOULLI, que
relaciona la energía cinética y energía potencial del fluido en los cambios de la
sección de la tubería, la cual se determina de la siguiente ecuación (Ver
ecuación 35)
En la figura 20, se muestra la disposición de tuberías y el cambio de sección
que se lleva a cabo en el proceso, donde este permite observar las variables a
tener en cuenta en la ecuación de BERNOULLI (Ver ecuación 35 y Figura 21).
57
Figura 21 diagrama de continuidad de tuberías del proceso
Bomba M15
Pared
divisora
Electrobomba
P-2
Valvula de retencion
Envase de fluido
Tubo de diámetro 3"
Tubo de diámetro 1/2"
Y2
Y1
Fuente. Autores 2011
Resolviendo la ecuación (35) para P2 se obtiene lo siguiente:
Para obtener la presión en unidades del sistema internacional se sigue la
siguiente relación:
Luego se determina la presión a la que será sometida la electroválvula
proporcional debida al cambio de sección en la tubería (Ver ecuación 36).
⁄ ⁄
Luego se determina la presión máxima admisible que para una válvula y
sistema de tubería es de máximo 30%, dato utilizado para determinar la caída
de presión a la que se somete la electroválvula, cuyo resultado se muestra a
continuación.
Cambiando el dato de presión obtenido a unidades del sistema internacional,
cuyo resultado se muestra a continuación.
Por tanto los coeficientes de caudal son (Ver ecuación 33 y 34)
⁄ √
58
Los coeficientes de caudal se utilizaran para seleccionar la electroválvula de
control, y del análisis anterior se determina que se puede seleccionar una
electroválvula con un coeficiente de caudal de .
4.3.7 Selección de Electroválvula Proporcional
Para la regulación del flujo de llenado de los envases se utiliza una
electroválvula proporcional utilizada en dosificación de líquidos que permitirá
controlar la velocidad de alimentación en función del nivel de llenado de los
envases.
Se selecciona este tipo de elemento final de control ya que este permite
transportar líquidos con viscosidad de hasta a un caudal máximo de
15L/min o 4GPM y se controla con una señal regulable de 0 a 10Vdc que será
la señal enviada por el PLC para el control de caudal de la electroválvula
proporcional, de forma que dicho caudal disminuya a medida que el nivel en el
envase aumenta para que al momento de estar terminando de llenar los
envases la electroválvula proporcional no genere salpicaduras debido a la
presión de trabajo que esta maneja (Ver figura 22).
Para datos técnicos de la Electroválvula Proporcional (Ver anexo F)
Figura 22. Electroválvula Proporcional
Fuente. Catálogo de Electroválvula Danfoss
4.3.8 Electroválvula de fluidos on/off
Esta electroválvula (Ver figura 23) se utiliza para el bloqueo del fluido una vez
en envase está lleno y en el nivel que le corresponde de acuerdo a la selección
del operario, cuya señal de control es proporcionada por el PLC, donde su
funcionamiento es normalmente abierto, donde la señal necesaria para su
cambio de estado es de 24VDC.
59
Figura 23. Electroválvula on/off
Fuente. Catálogo de productos NORGREN FLUID CONTROLS (Ver anexo Q)
4.3.9 Electroválvula de dos vías con accionamiento neumático
La válvula se abre y cierra mediante un sistema de accionamiento neumático
(Ver figura 24).
El sistema está compuesto por una válvula de bola de latón (2) un actuador
giratorio (4), una NAMUR a bridada (1) con bobina eléctrica (3) y caja de
detector (5), la cual se usa para la emisión de señales electromecánicas hacia
la unidad de control y regulación y, además, para la indicación de activación
que podrá ser visualizada por el operario.
Esta electroválvula será utilizada para gobernar la apertura y el cierre de la
prensa ya que este de forma electro neumático con señales provenientes del
PLC de 24 VDC.
Figura 24. Electroválvula de la prensa
Fuente. Catalogo de productos Festo
__________________________
Analisis de fluidos tomado de Serway Raymond and Jewet John (2003) Fisica 1, Tercera
edicion, Thomson y Creuss A (2006) Instrumentación Industrial, séptima edición, Alfa omega
Marcombo
60
4.3.10 Selección y caracterización de transductores.
A continuación, se realiza la selección de los transductores adecuados
(sensores), que llevarán una señal eléctrica al sistema de control, con el fin de
enviar una segunda señal a los actuadores de la máquina.
4.3.10.1 Sensores capacitivos
Se utilizan 3 sensores capacitivos (Ver figura 25) para la detección de los
envases (donde la alimentación de estos sensores es de 24Vdc) cuya función
es la de enviar una señal discreta al PLC permitiendo que el motor utilizado
para mover los tornillos de bolas recirculantes se desenergice y genere una
parada para el posterior llenado de los envases.
Hay otros 2 sensores capacitivos que detectan la posición de la prensa, ya que
con estas señales se determina la posición de la misma y permite que se
tomen decisiones de control remotas, como abrir o cerrar la prensa de forma
manual o automática.
Se selecciona este tipo de sensores, debido a que estos son los más utilizados
en atmosferas explosivas, y debido a que su grado de seguridad es IP68 con
una señal de alimentación y de salida por detección de 24VDC.
Figura 25. Sensor Capacitivo
Fuente. Catalogo de productos Festo
4.3.10.2 Sensor Ultrasónico
Para la detección del nivel de los envases, se utilizan 3 sensores ultrasónicos
(Ver figura 25) que envían una señal de ultrasonido para la detección del nivel
de los envases, de modo que este se alimenta con una señal de tensión
externa de 24Vdc y genera una señal de salida análoga de 0 a 10Vdc, que será
la señal de retroalimentación enviada al controlador (PLC).
61
Se selecciona este sensor debido a que permite su funcionamiento bajo
condiciones de riesgo de explosión, por su grado de protección contra sólidos y
líquidos (grado IP68), también por su facilidad de control, ya que este solo se le
debe alimentar con 24Vdc y genera una señal de tensión de 0 a 10V que será
enviada al PLC y por su rango de detección, ya que este permite un rango de
medida de 4” a 40” con una señal de salida de 0.25V por pulgada, lo cual es
adecuado para este proceso (Ver anexo K)
Figura 26. Sensor ultrasónico
Fuente. Catálogo de productos de Migatron Corp
4.3.11 Controlador lógico programable PLC
Se selecciona el PLC Twido modular de Schneider Electric (Ver figura 27),
debido a su facilidad de programación y comunicación con las diferentes
plataformas de realizacion de interfaces gráficas, y los módulos de ampliacion
que se pueden obtener y acoplar en este, como lo son los módulos de entradas
y salidas analogicas que se utilizarán para la regulacion de los actuadores
encargados del llenado de los envases.
Este PLC será utilizado para la programacion de los diferentes módulos, cuya
función es la de toma de decisiones automáticas con respecto al proceso, de
acuerdo a los parametros porporcionados por la máquina, y también se
encargará de comunicarse con el panel de usuario, para que este logre ver de
forma dinamica el progreso en el tiempo del proceso, también se utilizará para
observar el estado de cada sistema de control de la máquina (Ver anexo M).
Figura 27. Controlador lógico programable
Fuente.Catalogo de productos Schneider Electric
62
0 5 10 15 20 25 30 35 400
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10Respuesta del Sensor Ultrasonico ante la variacion de la longitud de deteccion
Tensio
n d
e s
alid
a
Longitud medida en pulgadas
4.3.12 Control de nivel
El control de nivel del explosivo Sismigel plus en sus envases
correspondientes, se realiza por medio de un sensor ultrasónico, el cual envía
una señal eléctrica al controlador lógico programable (PLC), y este a su vez
envía una señal a la electroválvula, para que se realice su apertura o cierre
dependiendo en el estado en el que se encuentre, para ello se debe calcular la
distancia de ubicación y la variación de tensión.
4.3.12.1 Cálculo y selección del sensor del nivel
Para medir el nivel de fluido en el interior del envase se selecciona un sensor
ultrasónico, que es de uso común en los diferentes procesos donde se requiere
este tipo de medida. También se hace debido a que soporta condiciones en
áreas clasificadas y por sus características que facilitan el control del proceso
que se lleva a cabo.
La gráfica a continuación muestra la respuesta del sensor ante una entrada de
10VDC y un fondo de escala de 250mv/pulgada.
La ecuación que describe la variación de la tensión con respecto a la distancia
detectada se determina por medio de los siguientes puntos que pasan por la
recta (4,0) y (40,10) y la ecuación se obtiene utilizando la ecuación del punto
pendiente (Ver ecuación 37), donde esta es igual a:
(37)
Reemplazando en la anterior ecuación, se obtiene la función que determina la
variación de la tensión con respecto a la distancia detectada, y esta se muestra
a continuación:
{
Donde la gráfica de esta función se muestra a continuación (Ver figura 28).
Figura 28. Tensión V.S. Longitud media
63
Para determinar la altura del nivel del fluido en el recipiente lleno de acuerdo a
su tamaño, se tiene la siguiente información; que es la altura de los envases
contenedores del explosivo y propiedades de este fluido, cuyos datos se
muestran a continuación (Ver tabla 8)
Tabla 8. Propiedades de los envases y del fluido
)
⁄
Luego, con la siguiente ecuación se determina el nivel del fluido dosificado (Ver
ecuación 44)
Para determinar el nivel de llenado de cada envase, se despeja L de la
ecuación (38), dando como resultado para el envase de 1800gr, lo siguiente:
⁄
Por tanto, el nivel de llenado del envase de 1800gr debe ser de 83cm, y para
los demás envases, los niveles son:
Luego haciendo la resta entre la longitud del tubo y el nivel de llenado del
envase, se obtienen las distancias de detección del sensor ultrasónico, cuyos
datos servirán para determinar cuál será la tensión de la señal de
retroalimentación del sensor (Ver ecuación 39)
64
Reemplazando en la ecuación anterior (Ver ecuación 39), se obtiene los
siguientes resultados:
Utilizando esta misma ecuación, para los datos de los demás envases, los
resultados son:
Con base en estos resultados, la máxima distancia que debe detectar el sensor
ultrasónico es de 12 cm. Por lo tanto, se selecciona un sensor con un rango de
medida de 4 a 40”, ya que este transmisor es el de menor alcance de los
sensores utilizados en áreas clasificadas, debido al rango de detección este se
deberá colocar a una distancia de 11 cm sobre la boquilla del envase del
explosivo.
Este sensor genera una señal de 0.250 voltios por pulgada, de forma que hay
que hacer una conversión de tensión a datos binarios (Nivel de bits), debido a
que el PLC recibe una señal análoga proporcionada por este sensor, que varía
de 0 a 10V, pero en el PLC se trabaja con niveles de bit proporcionales a la
señal análoga recibida, donde el nivel de datos del PLC varia 0 a 4095 Bits, por
lo cual la resolución del controlador viene dada por la siguiente ecuación (Ver
ecuación 40)
⁄ (40)
Luego, sabiendo que el sensor hace una detección de 98.42mV/cm (fondo de
escala), y para que el PLC cierre las electroválvulas al momento que los
envases han alcanzado el nivel permitido según su tipo, se calcula la tensión
que entregará el sensor para los diferentes niveles de fluido en los envases,
cuya ecuación para determinar este parámetro se muestra a continuación (Ver
ecuación 41)
65
De acuerdo a la anterior ecuación (Ver ecuación 41) se determina el nivel de
tensión que el sensor generará en el momento que los envases se están
llenando, cuyos datos servirán para establecer la resolución de variable
análoga en el bloque de función de programación del PLC, para luego generar
la condición que se utilizará para detener el flujo en la electroválvula
proporcional, donde la disposición del sensor en el proceso de llenado se
muestra en la figura 29
Figura 29 Ubicación sensor
LT
Envase de fluido
Distancia
fija=11cm
espacio
sin Fluido
Electroválvula
Proporcional
LC
Reemplazando en la ecuación (Ver ecuación 41), se obtiene como resultado el
nivel de tensión eléctrica que será generado cuando cada tipo de envase esté
lleno (Ver tabla 9), que más adelante servirá para prefijar el nivel deseado en
cada envase o punto de consigna para el sistema de control.
Tabla 9. Niveles de tensión generados cuando los envases esta llenos
66
Para saber cuáles son los datos binarios que se generan, debido a la tensión
entregada por el sensor, se reemplazan los datos anteriormente obtenidos, en
la siguiente ecuación (Ver ecuación 41), con el fin de saber cual es dato a
colocar en el bloque de función que se utilizará para programar la condición de
apertura o cierre de la electroválvula on /off en el PLC.
Reemplazando en la ecuación (41) los datos mostrados anteriormente (Ver
tabla 9), se obtienen como resultado, los siguientes datos (Ver tabla 10).
Tabla 10. Nivel de datos binarios
Estos parámetros serán los que se colocan en los bloque de función del PLC,
para generar las condiciones de regulación, de cierre y de apertura de los
actuadores encargados de llenar los envases de explosivo.
4.3.13 Estrategia de llenado de los envases
En la siguiente figura (Ver figura 30) se muestra la estrategia de llenado que se
implementara en el sistema de regulación de la máquina diseñada donde el
operador podrá seleccionar el tipo de envase que quiere llenar mediante un
panel de operador, y esta selección a su vez genera un enclavamiento eléctrico
el cual no permite que el operador seleccione otro tipo de envase.
Figura 30. Sistema de regulación de caudal
Electroválvula
proporcional, elemento
regulador
Envase Elemento
regulado (Nivel)
PLC
Elemento controlador y
regulador
eletrovalvula
Set_point 1800gr
Set_point 900gr
Set_point 450gr
Set_point 300gr
Set_point 150gr
Sensor de nivel
Punto
de
suma
regulador
Selección del operador
Electroválvula
proporcional
Fuente. Autores 2011
67
Luego la parte de regulación corresponde al control del actuador de acuerdo
con la selección del operador, donde el punto de suma (suma del valor
deseado y el valor transmitido por el sensor de nivel) y el regulador son
implementados en un PLC TWIDO de Schneider Electric modular en el cual se
pueden utilizar módulos de entradas y salidas (análogas o digitales).
Para determinar la función de transferencia del sistema de control
retroalimentado y saber cuál es el comportamiento de este en el tiempo, se
sigue el siguiente método:
Primero se obtiene la función de transferencia de cada elemento del sistema de
control.
Función de transferencia del regulador:
La función de transferencia del regulador es una señal constante que sirve
como factor de corrección de la señal obtenida del sensor el cual permitirá que
la variación en el caudal de la electroválvula sea proporcional a la señal
proporcionada por el sensor ultrasónico, cuya relación se muestra a
continuación (Ver ecuación 42).
Resolviendo la ecuación (42) para K se obtiene la ecuación (43).
Luego reemplazando en la ecuación (49) se obtiene las siguients constantes
de proporción generadas por el regulador (PLC) (Ver tabla 11).
Tabla 11. Constantes proporcionales del regulador
Función de transferencia de la electroválvula proporcional.
68
En la siguiente figura (Ver figura 31) se muestra el comportamiento
proporcional de la electroválvula utilizada para la regulación del caudal, cuyo
rango de variación de caudal es de 0 a
⁄ y esto corresponde a una
señal eléctrica que varía de 0 a 10V.
Figura 31. Comportamiento proporcional de la electroválvula
La función de transferencia de la electroválvula proporcional es la relación entre
la salida de esta con respecto a la entrada ofrecida.
Función de transferencia del envase contenedor de fluido.
La función de transferencia de este viene dada por el cambio de nivel y la
capacidad de almacenamiento que este tiene, donde la ecuación diferencial
que describe esto se muestra a continuación (Ver figura 35).
Luego resolviendo y teniendo en cuenta que el envase solo se está llenando,
se obtiene lo siguiente.
Aplicando la transformada de Laplace a la ecuación anterior y luego
relacionando la salida (Nivel) y la entrada (Caudal) se obtiene lo siguiente (Ver
ecuación 44).
__________________________
Analisis del sistema de control: Smith Carlos. Corripio Armando (1997) Control automático
de procesos teoría y practica, primera edición, Limusa Noriega editores
69
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.0160
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Step Response
Tiempo (sec)
Niv
el d
e ll
enado
Donde es el área del envase y a su vez es la capacidad de
contener fluido del envase dosificado.
Por último se obtiene la función de transferencia del sensor, que en este caso
como ofrece una salida lineal con respecto a la distancia leída. Se determina
que la función del sensor es la proporción de salida con respecto a la entrada
llamada fondo de escala la cual se muestra a continuación (Ver anexo K).
Debido a que este sistema tiene retroalimentación negativa para regular la
salida del caudal con respecto al nivel de llenado de los envases, se obtiene la
siguiente función de transferencia de todo el sistema:
Luego reemplazando los valores correspondientes de cada función se obtiene
como resultado lo siguiente:
Donde (Ver tabla 11) depende de la selección del tipo de envase que se va a ser llenado, por tanto para el envase de 1800gr la función de transferencia es (Ver ecuación 45):
Donde la respuesta al escalón de la función de transferencia es la que se muestra a continuación (Ver figura 32)
Figura 32. Respuesta del sistema en el dominio de la frecuencia.
__________________________
Analisis del sistema de control: Smith Carlos. Corripio Armando (1997) Control automático
de procesos teoría y practica, primera edición, Limusa Noriega editores
En el gráfico (Ver figura 31) de comportamiento del sistema se puede observar
que tan solo con un controlador proporcional y una retroalimentación negativa
70
este responde de forma rápida (cambios de nivel con respecto a la tensión de
entrada) pasando del régimen transitorio al permanente de forma rapida y
debido a que este sistema no tiene polos en el semiplano derecho se
determina que el sistema tiene un comportamiento estable.
4.3.13 Control de tapado
Para el sistema de tapado se selecciona un motor eléctrico (ver anexo K), que
genera un torque mayor a 35Nm, que es el valor practico proporcionado por la
fábrica de explosivo para el sellado total de la tapa del envase, cuyo valor fue
obtenido por el método de ensayo y error con un torquimetro digital existente
en dicha fábrica.
Se selecciona el motor con base en la velocidad angular de este ya que de
acuerdo con las condiciones dadas en apartados anteriores se debe llenar y
tapar un envase de fluido cada 55 segundos, por lo tanto el tapado de los
envase debe durar como máximo 4 segundos, teniendo en cuenta que la tapa
del envase tiene 5 hilos helicoidales y un roscado de 3 centímetros, se
selecciona un motor que también gire a 100 rpm, que es aproximadamente 1.5
revoluciones por segundo, lo cual permitirá que el roscado y tapado del envase
se logre completar en aproximadamente 4 segundos, y a continuación se
determina la potencia del motor que se debe seleccionar (Ver ecuación 46)
Reemplazando en la ecuación (46), se determina la potencia del motor que
tapara los envases, cuyo resultado se muestra a continuación:
(
)
Por tanto se selecciona un motor con factor de seguridad del 20% y de acuerdo
con esto la potencia es de aproximadamente 450W (Ver anexo K).
Para el sistema de detección de tapas en la copa de roscado del motor se
utiliza un sensor de posición microswicht el cual enviara una señal de listo para
operar.
Después de seleccionar el motor donde el tapado se selecciona un transductor
de torque el cual envía una señal análoga al PLC, con el fin de que este genere
una señal de apagado del motor en el momento que este haya superado el
71
torque de 35Nm en la tapa del envase, donde el cuadro de control del motor se
muestra a continuación (Ver figura 33)
Figura 33. Diagrama de control del sistema de tapado
Fuente. Autores 2011
4.3.14 Descripción del sistema de control y potencia
El sistema de control y potencia lo componen los siguientes elementos:
PLC TWIDO de Schneider Electric
1 módulo de expansión de entradas digitales
1 módulo de expansión de salidas digitales
1 módulo de expansión de entradas análogas
2 módulo de expansión de salidas análogas
3 sensores capacitivos
3 sensores Ultrasónicos
Interruptor de 32 A como totalizador
3 interruptores automáticos (2 de 6A y 1 de 6A en DC)
1 fuente SITOP Siemens de 120VAC- 24VDC a 10A
3 Electroválvulas para líquidos 2/2
3 Electrobombas Proporcionales
Contactor de 22A categoría AC3
Relé térmico de sobre carga de 12 A
Pulsadores con piloto incorporado
Relés de 24 VDC para las salidas discretas del PLC
1 motor paso a paso
El sistema de control está situado en el tablero que se encuentra en el cuarto
eléctrico del taller y el acceso de control del operario está situado en los
paneles que están al lado de la estructura de la máquina de forma que se
72
reduce el cableado eléctrico en la máquina. Estas señales de la máquina son
enviadas al tablero de control por ductos que permitirá que el operario de la
máquina observe la menor cantidad de cables en el panel de operador y se
reduzcan las posibilidades de alguna anomalía eléctrica cerca del proceso de
producción.
Los planos eléctricos y de control (Ver anexo R), permiten darse una idea del
funcionamiento lógico del proceso, cuya descripción parte de la red de la
alimentación de 220VAC, de la cual se tomará para el control la fase L1 y el
Neutro que se utilizara para alimentar la fuente que distribuirá una tensión de
24VDC, la cual se usara para alimentar los actuadores como electroválvulas,
fuente de alimentación del PLC y módulos de expansión del PLC.
En el módulo de entradas discretas se obtienen las señales provenientes de los
estados de la máquina y de el compresor de la bomba que descarga el fluido
en la tubería, donde las entradas en especifico son de selección del tipo del
envase proveniente del panel del operador la cual energiza relés de 24VDC de
un solo contacto que permiten que esta señal sea vista por el PLC, también
recibe las señales del estado del arranque del compresor como lo son activo,
inactivo y en falla o listo para operar y la posición del selector de arranque
manual o automático.
Este módulo también recibe la señal proveniente del estado de la prensa, si
está abierta o cerrada y la señal de los sensores capacitivos de detección de
envases para que el tornillo de bolas recirculantes deje de avanzar y pare en
ese tope.
El módulo de salidas discretas es utilizado para enviar señales automáticas a la
alimentación de las electroválvulas para que estas se activen o se desactiven
cuando sea necesario, también envía señales automáticas de apagado y
encendido al compresor y de apertura o cierre a la prensa de sujeción de
envases.
Hay también dos módulos de salidas digitales uno de ellos es utilizado para
enviar la señal generada por un pulso con mando manual hacia el PLC, para
que este por medio de un módulo de salidas análogas genere el punto de
consigna para el nivel deseado de acuerdo al envase seleccionado.
Hay otro módulo de entradas digitales que se deja para una futura ampliación
y un módulo de salidas por transistor discretas, que se utiliza para generar los
pulsos que energizaran las bobinas del motor paso a paso, donde este motor
se compone de cuatro bobinas y por pulso este genera 1.8º de desplazamiento
73
por lo cual se debe hacer una función de PWM en cuatro salidas desfasadas
100ms, de tal modo que el giro sea constante y progresivo, donde estos pulsos
se deben generar a una frecuencia de calculada anteriormente.
4.3 SUBSISTEMA DE SOFTWARE.
En este subsistema se muestra el desarrollo del sistema de supervisión y de
las ventanas que lo componen, donde para el desarrollo de la interfaz gráfica
de usuario se utiliza el programa Intouch Wonderware, el cual ofrece muchas
facilidades de comunicación con el PLC selecciondado, ya que por medio de un
OPC (Kepserver) este programa tiene acceso a todas las señales involucradas
con el PLC,donde la ventana de inicio del sistema de supervisión se muestra a
continuacion (Ver figura 34).
Figura 34. Pantalla inicial del SCADA
Fuente. Autores 2011
En la figura anterior (ver figura 35) se muestra la primera pantalla que vera el
operario al momento de encender el panel touch, donde esta pantalla consta de
un pequeño menú el cual sirve para tener acceso a la ventana principal, que es
la que muestra la animación del proceso, que permite visualizar el estado de
los actuadores.
Figura 35. Pantalla principal
74
En la pantalla principal (ver figura 35) se muestra un panel gráfico el cual
proporciona al usuario una idea de lo que sucede en el proceso, de forma que
esta pantalla se divide en diferentes súbpaneles los cuales se encuentran
enmarcados, cuyas funciones se explican a continuación:
1. arranque y parada remota del compresor
Este subpanel otorga al operario el manejo remoto del compresor el cual
por medio del botón verde sirve para poner en marcha el compresor y el
botón rojo sirve para apagarlo.
2. Estado del compresor
Son unos pilotos que sirven como indicación gráfica del estado del
compresor, donde el piloto rojo señaliza que este está energizado, el verde
señaliza inactividad y el amarillo señaliza una falla eléctrica del compresor.
3. Estado de la máquina
Estos pilotos en este subpanel muestran el estado de la mesa base, donde
el piloto amarillo señaliza que esta mesa se encuentra en la posición 0
(mesa base en la parte baja de la máquina), el piloto rojo señaliza que la
mesa se encuentra en movimiento ya sea bajando o subiendo y por ultimo
el piloto azul señaliza que la mesa se encuentra en la posición 1(mesa móvil
en la parte alta de la máquina).
4. Estado de la prensa
En este apartado se muestra el estado del cilindro neumático de la prensa,
cuya señal proviene del sensor capacitivo colocado en la prensa el cual
envía una señal al PLC y este a su vez se muestra en este panel, donde el
piloto rojo señaliza que la prensa está abierta y el piloto verde señaliza que
la prensa está cerrada.
5. Selección del tipo de envase a llenar
Aquí se muestra un menú de selección el cual le permite al operador elegir
el tipo de envase a llenar según el peso de este y a su vez también permite
digitar la cantidad de envases que se desea llenar, de modo que si el
espacio para digitar la cantidad de envases queda en blanco el PLC asume
que debe llenar la cantidad de envases dispuestos en la prensa, generando
solo un ciclo de máquina para el proceso.
6. Zona de tapado de envases
En este panel se muestran tres medidores análogos, los cuales se utilizan
para ver de forma animada el torque aplicado a los envases, donde la señal
proviene de tres torquímetros acoplados a los motores los cuales envían
75
una señal análoga al PLC y también se muestran tres indicadores digitales
donde la señal de estos proviene de los microswicht utilizados para la
detección de la tapa en la copa utilizada para el ajuste de esta, donde el
indicador cambia de color rojo (hay presencia de tapas) a verde (no hay
presencia de tapas).
7. Animación gráfica
Por último se muestra una animación donde las señales de las
electroválvulas proporcionales indican el caudal de trabajo de estas, los
indicadores verdes cambian de color para indicar la presencia de envases y
por último se encuentra el envase el cual cambiara de color a medida que
este se está llenando, donde la señal de este proviene del PLC.
76
5. SIMULACION
La simulación del llenado y tapado se realiza, con el fin de determinar el
comportamiento de los sistemas de llenado y tapado ante cambios en sus
variables de entradas, las cuales pueden no entregar la señal de entrada
deseada generando un error, el cual se pude prevenir realizando esta
simulación.
5.1 SIMULACIÓN DEL LLENADO DE LOS ENVASES
Para la simulación del llenado del envase se tiene el siguiente modelo (Ver
figura 36) que es la descripción gráfica del sistema de llenado de los envases
de explosivo.
Figura 36. Moldeamiento del sistema
Envase
Electroválvula
proporcional
QiQ
Entrada
constanteSalida regulada
Del gráfico mostrado (Ver figura 36) se obtiene la ecuación que describe la
dinámica de cambio de nivel en el envase con respecto al caudal de fluido
entregado por la electroválvula proporcional (Ver ecuación 47)
Ecuación del modelo dinámico
(47)
Donde los términos son:
⁄ Que es el valor obtenido para la
ramificación de cada electroválvula.
77
Para este caso es 0, debido a que el envase solo se está
llenando.
Que es la capacidad que tiene
el envase para almacenar fluido.
Luego se determina el caudal de salida de la electroválvula proporcional, para
aplicar esta salida de caudal al sistema dinámico de llenado, donde la variación
de caudal de esta electroválvula depende de una señal eléctrica de tipo
análogo que se determina de la siguiente forma (Ver ecuación 48)
(
) (48)
Donde los términos de la ecuación son:
ñ
ñ ñ
ñ ñ
ñ
ñ
ñ
Luego para obtener una solución numérica se utiliza el método de Runge Kutta
de cuarto orden cuyo método es uno de los más precisos para la aproximación
de ecuaciones diferenciales, donde este método tiene los siguientes
parámetros (Ver ecuación 55):
Para la simulación de este llenado, el intervalo de aproximación de tiempo h=0.01 de 10ms y se debe aproximar esta ecuación al valor de nivel máximo que es de 83 cm, que es el nivel que debe tener el envase de 1800gr que es el envase de mayor tamaño, donde el resumen de las condiciones iniciales se muestra a continuación.
Donde los resultados de la simulación son:
78
Figura 36. Simulación del llenado de los envases
En estas figuras se muestra el resultado de la simulación de la apertura y cierre de la
electroválvula proporcional con respecto al nivel de llenado de los envases, donde se
observan las diferentes respuestas de apertura y cierre de la electroválvula a
diferentes porcentajes de nivel de llenado y se puede concluir que el actuador
disminuye el caudal de forma rápida después que se supera un 90% del nivel de
llenado de los envases y que el tiempo de llenado aumenta a medida que la
electroválvula cierra su obturador.
__________________________
Simulacion análisis tomado de: Zill Dennis G (1993) Ecuaciones diferenciales con aplicaciones,
tercera edición, grupo editorial Iberoamér
79
5.2 SIMULACIÓN DE AJUSTE DE TAPAS
Simulación del tapado
Para la simulación del tapado se tiene en cuenta el modelo dinámico de motor
DC el cual es mostrado a continuación (Ver figura 37).
Figura 37. Modelo para el tapado
Fuente autores 2011
Para el desarrollo del sistema dinámico se obtiene el momento de inercia del
sistema completo, el cual se muestra a continuación (Ver ecuación 50)
Debido a que la carga del motor es la copa utilizada para el roscado y ajuste de
la tapa se calcula el momento de inercia de este elemento con la siguiente
ecuación:
Donde las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento del
circuito eléctrico y el sistema mecánico del motor se muestra a continuación
(Ver ecuación 51):
80
Donde
Resolviendo la ecuación diferencial se determina la respuesta en el tiempo de
la corriente de la armadura del motor, cuyo resultado se muestra a continuación
(Ver ecuación 52)
(
⁄ )
Una vez obtenido el dato anterior se analiza el sistema mecánico obteniendo la
siguiente ecuación (Ver ecuación 53)
Donde
Donde la aceleración angular es una constante (
⁄ )
Resolviendo la ecuación anterior para y reemplazando , se obtiene lo
siguiente (Ver ecuación 54)
Relacionando la ecuación anterior con la variación de la corriente del sistema
eléctrico, se obtiene lo siguiente (Ver ecuación 55)
[
(
⁄ )]
Luego se genera una variable aleatoria con distribución normal para simular el
cambio en la tensión de entrada con error del ±5% (±1,2V), esto con el fin
de saber si ante una elevación o caída de tensión el envase queda bien tapado,
donde dicha distribución se muestra a continuación (ver figura 38).
81
Figura 38. Distribución normal
Fuente. Autores 2011
Se generaron 5 intervalos donde las frecuencias relativas se muestran en el
anterior gráfico, luego se reemplaza el cambio de tensión en la ecuación (55),
para obtener la variación del torque ante una variación de la tensión y del
tiempo, cuyo resultado se muestra a continuación (Ver Figura 39).
Figura 39. Simulación del ajuste de tapas
Fuente. Autores 2011
La gráfica muestra cambios abruptos en el torque debido a los cambios de nivel
en la señal de alimentación de entrada, donde se observa que en ningún caso
se sobrepasa el torque deseado, por tanto si se selecciona un motor con un
torque y velocidad menor al indicado no se garantiza que el envase quede
totalmente tapado
82
6. EVALUACION ECONOMICA
RESUMEN
Este proyecto surge de la necesidad de maximizar la producción de envasado
del explosivo Sismigel plus para la industria militar INDUMIL FEXAR (Antonio
Ricaurte).
Actualmente, el llenado y el tapado lo realizan entre 12 a 14 personas, se hace
manualmente y se ocupan aproximadamente 7
en todo el proceso, en el
cual se envasan 1080 unidades/día de explosivo, en envases con capacidad
de 1800 gr, donde actualmente el tiempo utilizado para el llenado y el tapado
del envase son de aproximadamente 30 segundos.
Por medio de la automatización del proceso se busca mejorar la producción,
calidad y salud ocupacional en el taller de producción.
OBJETIVO
Reducir costos de envasado y aumentar utilidades a la empresa.
6.1 ASPECTOS TECNICOS
Se realiza un estudio detallado, del presupuesto que se debe invertir en el
diseño y posterior construcción de la máquina automatizada para el llenado y
tapado de los envases del explosivo Sismigel plus.
Para ello se tiene en cuenta el costo que generan los diferentes subsistemas
que componen la máquina automatizada tales como:
Costo subsistema mecánico
Costo subsistema eléctrico control e instrumentación
Costo subsistema de software
6.1.1 El subsistema mecánico
83
Este subsistema está compuesto por las diferentes estructuras mecánicas, las
cuales cumplen funciones específicas para lograr el proceso y accionamiento
de la máquina. En la siguiente tabla (Ver tabla 12), se muestra el costo de
materiales para la producción mecánica de esta máquina.
Tabla 12. Costo Subsistema mecánico
Fuente. Autores 2011
COSTO TOTAL SUB SITEMA MECÁNICO EN PESOS COLOMBIANOS
$43’349.927
El costo generado por los materiales del subsistema mecánico es de
CUARENTA Y TRES MILLONES TRESCIENTOS CUARENTA Y NUEVE MIL
NOVECIENTOS VEINTISIETE ($43’349.927) PESOS.
84
6.1.2 El subsistema eléctrico, control e instrumentación
Este subsistema está compuesto por los diferentes actuadores y transductores,
los cuales cumplen funciones específicas para lograr el proceso de control
eléctrico como electrónico de la máquina. En la siguiente tabla (Ver tabla 13),
se muestra el costo de los diferentes accesorios para la elaboración del control
de esta máquina.
Tabla 13. Costo Subsistema eléctrico, control e instrumentación
Fuente Autores 2011
COSTO TOTAL SUB SISTEMA ELECTRICO, CONTROL E
INSTRUMENTACION EN PESOS COLOMBIANOS
$3450000
El costo generado por los materiales del subsistema mecánico es de TRES
MILLONES CUATROCIENTOS CINCUENTA MIL ($3’450.000) PESOS
85
6.1.3 El subsistema software
Este subsistema está compuesto por diferentes software, utilizados para el
diseño de la máquina, en la siguiente tabla (Ver tabla 14), se muestra el costo
de los diferentes accesorios para la elaboración del control de esta máquina.
Tabla 14. Costo Subsistema software
.
Fuente Autores 2011
COSTO TOTAL SUB SISTEMA DE SOFTWARE EN PESOS COLOMBIANOS
$ 35080000
El costo generado por los materiales del subsistema de software es de
TREINTA Y CINCO MILLONES OCHENTA MIL ($35’080.000) PESOS
86
6.1.4 Análisis de costo total
Se procede a realizar la sumatoria de los costos de los diferentes subsistemas
con el fin de dar a conocer el costo total del diseño y su posterior construcción,
para ello se genera la siguiente tabla, la cual los especifica (Ver tabla 15)
Tabla 15. Costo global del proyecto
7. CONCLUSIONES
COSTO GLOBAL $ 122879927
IVA $ 19660800
COSTO TOTAL $ 142540727
Fuente Autores 2011
El costo total de la máquina es de CIENTO CUARENTA Y DOS MILLONES
QUINIENTOS CUARENTA MIL SETECISENTOS VEINTISIETE ($142’540727)
PESOS.
87
6.2 EVALUACIÓN DEL PROYECTO PRESUPUESTADO, VALORACION DE
LA UTILIDAD CON COSTO DE OPORTUNIDAD.
Valor presente neto (VPN):
Este es el valor de los flujos del proyecto, medidos como utilidades o perdidas
en pesos de hoy, si este (VPN) es mayor que cero (VPN>0) el proyecto es
viable, si (VPN<0) el proyecto es no viable.
Actualmente, el llenado y el tapado lo realizan entre 12 a 14 personas, se hace
manualmente y se ocupan aproximadamente 7
en todo el proceso, en el
cual se han envasado 1080 unidades de explosivo de capacidad de 1800g,
diariamente, es decir que anualmente se envasan 394200 unidades.
Teniendo en cuenta que el costo de la producción total para el llenado y tapado
de los envases es de $ 115.200.000 (Cien millones ochocientos mil pesos)
anual, basado en un salario mínimo a cada uno de los operarios, con sus
respectivas prestaciones de ley.
Al incorporar a este proceso la máquina automatizada para el llenado y
posterior tapado, ya no se limitará el proceso a 7 horas, pues se logrará una
producción de 16 horas continuas, con la supervisión de dos operarios uno
cada ocho horas. En el proceso se envasarán 3456 unidades de explosivo de
capacidad de 1800g día, es decir que se envasaran 1261440 envases anuales.
Teniendo en cuenta que el costo de la producción para el llenado y tapado
automatizado de los envases es de $ 16’800.000 (Diez y seis millones
ochocientos mil pesos), basado en un salario mínimo a cada uno de los
operarios, con sus respectivas prestaciones de ley y $ 10,000.000 (Diez
millones de pesos) en mantenimiento preventivo y correctivo de la máquina, el
total del costo anual para el llenado y tapado de los envases es de $
26,800.000 (Veintiséis millones ochocientos mil pesos).
En el análisis comparativo entre el sistema manual y el sistema automatizado
se observa que se triplica la producción de envasado y tapado con tan solo dos
operarios.
Costo de producción actual $ 115.200.000
Costo de producción futura $ 26,800.000
88
Se procede a calcular la utilidad que se generará al implementar el sistema
automatizado, para ello se resta el costo de producción actual con el costo de
producción futura (Ver ecuación62)
$ 115.200.000 - $ 26,800.000 = 88,400.000
Fundamentados en el siguiente calculo, se observa que la inversión de la
máquina se recuperará a mas tardar en dos años (Ver figura 39)
Figura 39. Valor presente de ingresos
Fuente Autores 2011
El cálculo (VPN) se realiza con la siguiente ecuación (Ver ecuación 63)
∑
TIO, Tasa de interés de oportunidad =10% a Noviembre de 2011.
Se reemplaza en la ecuación (63)
∑
EL PROYECTO ES TOTALMENTE VIABLE
89
7. CONCLUSIONES
Se diseñaron y seleccionaron los diferentes componentes que conforman los
sistemas mecánicos de sujeción, dosificación y tapado de los envases,
basados en el análisis de elementos finitos de cada una de las estructuras que
componen la máquina, donde la tendencia del análisis hecho en ALGOR
evidencia un comportamiento rígido en cada una de las piezas, debido a los
materiales seleccionados, cuyo factor de seguridad en la mayoría de las piezas
es muy alto, teniendo en cuenta que las cargas que la estructura debe soportar
son relativamente bajas.
Debido al alto riesgo del proceso que se desea automatizar, se optó por
diseñar un sistema de control proporcional con retroalimentación negativa, cuyo
objeto principal es el de supervisar el nivel de llenado de los diferentes tipos de
envases, disminuyendo el caudal proporcionalmente al aumento de nivel de
llenado del explosivo, para ello se realizó un análisis de selección de
componentes transductores con un grado de protección IP67, debido a la
interacción cercana con el fluido y elementos electromecánicos, con el fin de
dar fiabilidad a los procesos que se llevaran a cabo en la máquina.
Para el sistema de tapado, se seleccionó un conjunto de motor DC, copa para
roscado y transductor de torque, con el fin de tener completo control en el
torque aplicado a la tapa del envase, de forma tal que en el momento de llegar
al límite del torque necesario para sellar completamente la tapa y por medio de
una señal del transductor de torque enviada al PLC, se hace la parada
automática del motor, con el fin de no generar deformaciones tanto en la tapa
como en el envase.
De acuerdo al diseño de la máquina se procedió a realizar el presupuesto
correspondiente al valor de los componentes, materiales, e insumos
consumibles en la realización del proyecto y con base al análisis económico
realizado, se determina que la inversión para la construcción y puesta en
marcha es de ($142’540.727 pesos), este estudio se realizó por medio del
teorema del valor presente neto (VPN), el cual arroja como resultado que la
inversión realizada es recuperable en dos años, generando además una
utilidad en el segundo año de ($10’000.000).
90
8. RECOMENDACIONES
Antes de operar la máquina tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
8.1 INDICADORES
8.1.1 Se les informa a los operarios de la máquina que es indispensable
conocer las normas de seguridad básicas antes de empezar a operar la
máquina.
8.1.2 Tener en cuenta los siguientes indicadores antes de operar:
8.1.2.1 Electricidad
Las conexiones eléctricas solo se deben hacer mientras la
máquina esta desconectada de la corriente eléctrica.
Para controlar la máquina solo usar baja tensión de máximo
24 V DC.
Existen conexiones a 220 Vac potencialmente peligrosas si no
se manipulan adecuadamente.
8.1.2.2 Neumática
Presión máxima admisible de 800 kPa (8 bar).
No realizar desconexiones bajo presión.
8.1.2.3 Mecánica
Acoplar los componentes mecánicos de modo seguro.
No Sujetar de ningún modo los mecanismos cuando estos se
encuentren en movimiento.
91
9. BIBLIOGRAFIA
Aliciatore David G y Histand Michael B (2008) Introducción a la Mecátronica,
Tercera edición, MC Graw Hill
Cromer A (2006) Física en la ciencia y la industria, Primera edición, Editorial
Reverte S.A
Creuss A (2006) Instrumentación Industrial, séptima edición, Alfa omega
Marcombo
Giles Ranald V (2004) Mecánica de los fluidos e hidráulica, primera edición, MC
Graw Hill
Harper Enriquez (2005) El ABC del control electrónico de las máquinas
eléctricas, Primera edición, Limusa Noriega editores
Hibbeler R.C (2004) Mecánica vectorial para ingenieros dinámica, decima
edición, PERSON Prentice Hall
Hibbeler R.C (2006) Mecánica de materiales, Sexta edición, Pearson Prentice
Hall
Ogata Katsuhiko (1998) Ingeniería de control moderna, tercera edición,Pearson
Prentice Hall
P. Beer Ferdinand y Johnston E.Ruseell (1997) Mecánica vectorial para
ingenieros estática, sexta edición, MC Graw Hill
Rodríguez Penin Aquilino (2007) Sistemas Scada, segunda edición, Marcombo
ediciones Técnicas
Serway Raymond and Jewet John (2003) Fisica 1, Tercera edicion, Thomson
Smith Carlos. Corripio Armando (1997) Control automático de procesos teoría y
practica, primera edición, Limusa Noriega editores
Zill Dennis G (1993) Ecuaciones diferenciales con aplicaciones, tercera edición,
grupo editorial Iberoamérica
92
10. ANEXOS
En el siguiente capítulo se muestran los anexos mencionados en capítulos
anteriores
ANEXO A
Propiedades físico químicas del duraluminio 7075.
93
ANEXO B
Características tornillo de bolas recirculantes carro horizontal
94
ANEXO C
Propiedades físico químicas del acero para maquinaría 4140.
95
ANEXO D
Propiedades del acero estructural 1020.
96
ANEXO E
CATALOGO BOMBA DE DOBLE DIAFRAGMA M15
97
ANEXO F
ELECTROVÁLVULA PROPORCIONAL
98
ANEXO G
TORNILLO DE BOLAS RECIRCULANTES
99
ANEXO H
MOTOR CON ALIMENTACION EN DC PARA GENERAR MOVIMIENTO AL
CARRO MÓVIL
100
ANEXO J
MOTOR PASO A PASO QUENERADOR DE MOVIMIENTO VERTICAL
102
ANEXO K
MOTORREDUCTOR GENERADOR DE TORQUE PARA EL TAPADO
103
ANEXO L
CATALOGO SENSOR ULTRASONICO
104
ANEXO M
Catalogo PLC Twido
105
ANEXO N
MANUAL
DESCRIPCION DEL PROCESO FINAL DE DOSIFICADO Y TAPADO
El proceso se inicia al encender el compresor para que este lleve aire a la
unidad de mantenimiento de la bomba de doble diafragma neumática y esta a
su vez haga circular fluido por la tubería con una presión de 3 bar, los detalles
del control eléctrico del compresor se muestran en el plano 1 de la lista de
planos.
Diagramas de flujo del proceso
inicio
Boton
arranque
compresor
Compresor
funcionando
Bomba
funcionando
verdadero
Funcionamiento
de control
compresor
Valvula de
bomba y
manometro
en 3 bar
Flujo de fluido por
tuberia con
presion de 3 bar
Recirculacion de
fluido por tuberia
Señales de listo
para operar
Interruptor
totalizador on
fin
Selector de
control en
manual
verdadero
Control desde HMIfalso
106
DESCRIPCIÓN MODELO MANUAL Y AUTOMÁTICO
Existirá un control manual y uno automático, donde la selección manual
permitirá controlar el proceso desde un panel de operador con una botonera
que servirá para seleccionar el tipo de envase.
El PLC generara los pulsos necesarios para que el motor haga girar el tornillo
de bolas recirculantes y este a su vez haga mover linealmente la mesa
dosificadora hasta llegar al set point (altura deseada) seleccionado para ubicar
el envase a una distancia 11 cm debajo del sensor ultrasónico y la boquilla de
la electroválvula se introduzca dentro del envase 2 cm como máximo, una vez
dosificado el envase este se moverá en el plano de la mesa de tal forma que el
operario pueda disponer del envase y colocarlo en el mecanismo de tapado el
cual generara un torque mayor o igual a 35NM.
En modo automático la diferencia se da por medio de un dispositivo contador el
cual al momento de alcanzar la preselección seleccionada enviara al PLC una
señal de preselección alcanzada y el proceso dejara de repetirse, para ver el
funcionamiento del contador debe consultar el índice de catálogos al final del
documento.
Diagrama de flujo de selección del tipo de proceso (manual o automático)
inicio
Selector de
proceso
(manual o
automatico)
manual automatico
Seleccionar
el tipo del
envase en
el panel
verdadero
falso
Digite la
cantidad de
envases a
dosificar
falso
Llenado máximo
de 3 envases por
pulso
Repetición del
ciclo hasta llegar a
preselección de
contador
107
DESCRIPCIÓN FUNCIONAMIENTO SISTEMA DE LLENADO
En el siguiente diagrama (Ver Figura 31) se muestra el funcionamiento lógico
del proceso y las condiciones que debe cumplir cada fase del envasado para
que este se lleve a cabo de manera efectiva.
En los primeros bloques indican las condiciones iníciales del proceso, donde se
tiene cinco condiciones iniciales que son:
1. La mesa móvil este abajo (posición inicial).
2. Los sensores capacitivos de detección de envases estén en una
condición negada (inactivos).
3. La bomba neumática de doble diafragma (bomba de impulsión del
líquido por la tubería) esté funcionando.
4. La prensa de sujeción de los tubos debe estar abierta y esta se podrá
cerrar automática o manualmente a voluntad del operario.
5. La electrobomba (elemento final de control utilizado para dosificar el
fluido en los tubos contenedores del producto) debe estar inactiva.
Después de que todas estas condiciones se cumplan se dará una indicación de
listo para operar, si está funcionando se dará la señal de funcionando en el
panel de operador y una vez que se termine la tarea ya sea en manual o
automático este dará la señal de tarea finalizada.
Para el funcionamiento de la máquina, existe un selector en el panel del
operador el cual nos permite elegir el funcionamiento del proceso, ya si el
operario desea una producción automática o manual (selector de tres
posiciones manual, cero, automático), si la selección es de tipo manual el
operario debe estar obligado a seleccionar en el panel del operador un botón
cuyo propósito es el de elegir el tipo de envase según el peso que se desee
dosificar, por tanto habrán cinco opciones en el panel del operador, una vez
oprimido uno de estos pulsadores, si la selección manual el procesos solo se
hará una vez y este tiene la siguiente secuencia lógica los motores paso a paso
estarán funcionando, donde el PLC generara los pulsos necesarios para que
los envases que están en la prensa se desplacen en sentido positivo (la
referencia de la mesa es la tierra).
108
Al finalizar la cantidad de pulsos programada de acuerdo al cálculo anterior,
luego los sensores capacitivos detectaran los envases de forma que cada
envase tiene un sensor de detección de presencia y en caso de que se cumpla
dicha condición, la electrobomba empezara a funcionar de manera
proporcional al control y supervisión que genere el transmisor de nivel que en
este caso es un sensor ultrasónico que genera una señal análogo de 0 a 10V,
donde esta señal es una entrada de realimentación negativa de forma que a
medida que se vaya llenando el recipiente contenedor del fluido este disminuya
su tensión debido a que esta señal del sensor se le restara al punto de
consigna o set point y la velocidad de los alavés de bomba disminuya hasta
llegar a cero.
Luego de esto los relés de enclavamiento de la bomba generara una señal
negada de forma que el sensor al detectar una señal de nivel baja por la no
presencia del envase no dosifique por falta de tensión de alimentación, luego el
operario podrá sacar el envase y llevar a un dispositivo mecánico con copa y
motor que tendrá una función de torquimetro digital de modo que al alcanzar el
torque de 35 NM este dejar de funcionar y se obtendrá el producto terminado y
lista para su debida marcación.
El funcionamiento en modo automático discrepa un poco del manual de modo
que si se selecciona modo automático deberemos seleccionar en un contador
la cantidad de envases que se deben llenar y el tipo de envase, que se podrá
seleccionar en el panel del operador o en el panel del tablero, una vez hecho lo
anterior el programa del PLC generara un ciclo repetitivo de forma que el
contador cuando finalice su preselección generara una señal de proceso
finalizado, pero en los puntos intermedios al finalizar de llenar los envases en la
prensa este dará una apertura a la prensa y permitirá que se retiren los
envases y el operario pueda generar su tapado de forma independiente con un
roscador semiautomático de tapas.
La filosofía de control anteriormente descrita se muestra gráficamente en el
diagrama de flujo a continuación
109
Figura 35. Diagrama de funcionamiento del sistema de llenado
inicio
Mesa movil abajo
Sensores de
detección de
envase off
Electrobomba
apagada
Prensa de envase
en posición 1
Bomba de fluido
funcionando
Si
condiciones
iníciales
verdaderas
Selección
manual
Señales de listo
para operar ok
Selección
automatica
Preseleccion
del contador de
repeticiones
falso
falsoSelección
de pulsador
tipo de
envase
Motor funcionandoDesplazamiento
de la mesa
Detección de
envase
Llenado de
envase
verdadero
Valvula parada
falso
Desarrollo de ciclo
de repeticionesEnvase +1
Nivel
alcanzado
falso
verdadero
Si envase lleno
Tapado semi
automatico
verdadero
falso
110
ANEXO Ñ
PLANO INSTRUMENTACION.
Compresor de Bomba
Bomba neumática
Válvula
anti retorno 1
Válvula check
Electrobomba
Proporcional 1
Electrobomba
Proporcional 3
Electrobomba
Proporcional 2
Válvula
anti retorno 2
Válvula
anti retorno 3
Válvula de seguridad
Tanque Acumulador de fluido
FT
LI
LT
LT
LT
FTC
FTC
FTC
Solenoide bomba 3
Solenoide bomba1
Solenoide bomba 2
Válvula de pasoVálvula de asiento
Electrovalvula
Electrovalvula
Electrovalvula
Sistema de
almacenamiento actual
Sistema de llenado a
diseñar
111
ANEXO O
PLANO DEL TALLER DE PRODUCCIÓN HIDROGELES
Este grafico muestra como se distribuiría el espacio de la planta, con la
máquina envasadora puesta en servicio.
Co
mp
reso
r d
e A
ire
Arriba
Descargador
de corriente
estática
Bomba M15
Tanque de almacenamiento de Sismigel
Área de control
eléctricoCuarto de envases
vacios
Zona de elaboración
de Hidrogel
Maquina envasadora
Cuarto de control vacio
Zona de producto
terminadoOficina de produccion
En
tra
da
prin
cip
al
Etiquetado y
Zunchado de
producto
ventilador
Tanque de solución madre
Sa
lida
Ruta de evacuación
de personal
112
ANEXO P SELECCIÓN CILINDRO NEUMATICO
Debido a que para esta sujeción de envases tipo prensa no se requiere una
fuerza considerable y la presión de trabajo es de 4 bar, por tanto se selecciona
un cilindro de simple efecto con muelle delantero ya que este ayudara a que la
fuerza ejercida sobre el envase no genere deformaciones considerables y este
se fracture, por ello la selección se basa en la carrera del vástago del cilindro y
la presión a la que este puede trabajar.
Para evitar choques se utiliza una válvula reguladora de presión que permitirá
que el desplazamiento del vástago sea suave.
Para el cálculo del consumo de aire del cilindro se utiliza la siguiente ecuación:
(
)
Esta ecuación es proporcionada de catalogo de productos MICRO automación.
De acuerdo con las medidas de la placa de la mesa móvil que es de (89x53x3)
cm se escoge un cilindro con una carrera de 20cmy diámetro 15mm, por tanto
el consumo de aire de este es de:
(
)
.
Cilindro neumático de simple efecto Pulsador piloto NA
Válvula reguladora de presión Pulsador Piloto NC
Electroválvula 3 Relé 24Vdc
Distribuidor neumático Placas de identificación de componentes
113
El sistema mostrado en el plano eléctrico, tiene un sensor capacitivo para
detectar la posición del vástago del cilindro en la posición de la prensa abierta
(Vástago contraído) y otro sensor para detectar la posición cerrada (Vástago
retraído). En este sistema como elemento de control se utiliza una
electroválvula de 3 vías y dos estados la cual nos permite por medio de señales
eléctricas controlar el cilindro neumático y por ultimo para que al momento de
cierre de la electroválvula el vástago no ejerza una fuerza de choque contra los
envases debido al cambio abrupto de de posición y a la presión que transmite
el fluido, se utiliza una válvula reguladora de caudal la cual permite que el
desplazamiento del vástago sea más lento y genere una sujeción más suave
114
ANEXO Q COEFICIENTE DE CAUDAL DE LA ELECTROVÁLVULA PARA LÍQUIDOS
Fuente Mechanics Fluids and Properties of Fluids - Dr. Andrew Sleigh
115
ANEXO R
EN ESTE ANEXO SE MUESTRA LOS DIFERENTES PLANOS DE LA
MÁQUINA ENSAMBLADA Y DE SUS RESPECTIVAS ESTRUCTURAS
MECANICAS.
116
DESPIECE DE LA MÁQUINA.
117
ESTRUCTURA
118
119
PRENSA DE SUJECIÓN DE ANVASES
120
121
ESTRCTURA MOVIL HORIZONTAL
122
123
DOSIFICADOR
124
125
TORQUIETRO
126
127
MESA BASE
128
129
TORNILLO DE BOLAS RECIRCULANTES
130
131
132
ANEXO S
CATALOGO ELECTROVALVULA ON/OFF