DISEÑO Y CONTROL DEL SISTEMA DE MANIPULACIÓN DE UN ALMACÉN AUTOMÁTICO

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1 DISEÑO Y CONTROL DEL SISTEMA DE MANIPULACIÓN DE UN ALMACÉN AUTOMÁTICO F. J. Maldonado Vega, J.R. Llata García, E. González Sarabia, J. Pérez Oria Departamento Tecnología Electrónica e Ingeniería Sistemas y Automática E. T. S. Ingenieros Industriales y Telecomunicación, Universidad Cantabria Avda. Los Castros s/n, 39005, Santanr, Cantabria. javimaldonado@navegalia.com ;[llata,esther,oria]@teisa.unican.es Resumen Este artículo trata el estudio necesario para realizar el diseño y control un almacén automático productos embalados en forma palets. Dicho estudio abarca s la elección la geometría l almacén, hasta el diseño l sistema control encargado l manejo toda la instalación. Palabras Clave: Almacén, transelevador, transportador, red industrial, sensores y actuadores, sistema control y PLC s. Estas mejoras sarrolladas, permiten conseguir eficacia en las actividas almacenaje que otra forma no sería posibles. Sin embargo esto no be llevar a la confusión que a medida que mejoran las técnicas se pueda ir almacenando más cantidad por el mismo coste. 2. ESTUDIO PARA EL DISEÑO DE UN ALMACÉN AUTOMÁTICO El organigrama para llevar a cabo un proyecto estas características se muestra en la figura 1: 1. INTRODUCCIÓN CLIENTE A lo largo cada uno los procesos aprovisionamiento, producción y distribución que constituyen la logística integral se producen unas necesidas almacenamiento mercancías, ya sean materias primas, productos obra en curso o productos acabados, surgidas la imposibilidad coordinar una forma perfecta las necesidas cada uno ellos. Estas necesidas almacenamiento, son las que nos llevarán a la creación un almacén. Obra Civil Módulos Prefabricados Cimientos y Estructura Técnica Edificios Calefacción y aire Acondicionado Iluminación Dirección Proyecto Dirección Comercial Fijar Sistemas Mecánicos Estanterías Medios Almacenaje Control Calidad Sistemas Mecánicos Transporte Transportadores Paletas Transportadores Cajas Montaje Instalaciones Eléctricas Armarios Media y Baja Temsión Cableado Alimentación Software Gestión Las funciones que sarrolla este almacén puen englobarse en dos, el almacenaje propiamente dicho y el manejo cargas. Por lo tanto, los objetivos a cumplir por toda función almacenaje ben ser maximizar el espacio disponible para almacenar y minimizar las operaciones manejo materiales. Losas Cerramientos y Cubiertas Conducciones Agua Edificación Sistema contra Incendios Transelevadores Carros Filoguiados Preparadores Pedidos Carretillas Cableado Comunicación Comunicaciones Para conseguir este fin, se ha sarrollado un creciente apoyo tecnológico a las actividas almacenaje a partir l empleo equipos cada vez más sofisticados tanto almacenaje como manipulación materiales y unos sistemas control basados en computador que facilitan la gestión global l sistema. Figura 1: Diagrama general para el diseño un almacén automático. Este sarrollo hace referencia a un proyecto nueva implantación, en el cual se va a tener en cuenta s la elección l emplazamiento hasta el diseño l sistema que lo va a gestionar. El enfoque este trabajo es más bien la

2 automatización un almacén ya existente, con unas dimensiones terminadas y unos condicionantes previos que van a influir expresamente en su concepción. Por este motivo, los puntos l organigrama anterior que se van a tratar principalmente son los referentes a los medios almacenaje, sistemas mecánicos transporte y su automatización (bloques en gris l diagrama la figura 1.). 3. DISTRIBUCIÓN EN PLANTA Y GEOMETRÍA Será preciso un estudio exhaustivo cómo va a ser la llegada los productos al almacén para así establecer una óptima distribución en planta las zonas dicadas al almacenaje los mismos TAMAÑO DEL ALMACÉN Se entien por tamaño l almacén a la capacidad l mismo que vendrá dada por su altura, longitud y anchura. El cálculo be comenzar por el conocimiento cuáles son las necesidas actuales y ver si las expectativas a corto y medio plazo se van a mantener constantes, o bien si se prevé alguna variación CONFIGURACIÓN DEL ALMACÉN Se entien por configurar un almacén la terminación las dimensiones y formas que ben encerrar el volumen que precisamos. Los ajustes anchura se realizarán calculando el espacio ocupado por cada una las cargas que seamos almacenar y el espacio que se requiere por tanto, para almacenar el número cargas solicitado. El primer valor y más importante que bemos calcular es la unidad carga. Éste se obtiene, para el caso carga sobre paleta, eligiendo el palet que se empleará en el almacenamiento y sumándole los valores la carga que vamos a tener. Una vez tengamos la unidad carga, finiremos el tamaño l módulo almacenamiento, eligiendo el número palets y productos a almacenar por hueco y las distancias seguridad que ben jarse entre los distintos elementos. Al final, será éste tamaño módulo el que fina la geometría l almacén. 4. SISTEMA DE MANIPULACIÓN El sistema manipulación está formado por todos aquellos elementos que van a transportar, ornar, acumular y almacenar los productos. Estos elementos van a ser, principalmente, transelevadores o carretillas automáticas, y transportadores rodillos, canas, cinta, etc TRANSELEVADORES El funcionamiento los transelevadores se basa en recoger las cargas las mesas entrada cuando el PLC correspondiente haya recibido la orn específica para ello, y almacenarla en la posición que se le haya indicado; o bien, recoger la carga la ubicación señalada y retirarla a las mesas salida. El transelevador tiene un movimiento traslación y otro elevación que se realizan un modo simultáneo hasta ubicarse enfrente la posición almacenamiento señalada o la mesa salida correspondiente. Para el posicionamiento se emplean células fotoeléctricas y para el movimiento células comunicación que permiten dialogar con el exterior Generalidas Los transelevadores seleccionados se caracterizan por una construcción mono-columna. Su movimiento se realiza a través un raíl situado en el suelo, el cual conduce todas las fuerzas y reacciones que se presentan directamente al firme. El guiado en la parte superior se efectúa por un perfil guía que se pue sujetar a la estructura la nave, o a los largueros que conforman las estanterías (muy útil en el caso estanterías autoportantes). Este tipo transelevadores se compone los siguientes conjuntos principales: Columna, testero inferior y superior. Cuna elevación. Mecanismo elevación. Mecanismo traslación Comunicación con los transelevadores El intercambio datos está previsto entre la instalación fija y el transelevador por medio fotocélulas rayos infrarrojos. La transmisión datos se efectúa en serie según código ASCII. Los aparatos se puen excitar en cada pasillo y en cada momento. Los datos reales se tratan forma digital y absoluta tanto en vertical como en horizontal. Horizontalmente se sitúan en la máquina lectores digitales y en la estantería fija la acuada codificación por hueco. Verticalmente lectores ópticos en el carro elevación leen las marcas codificadas a distintas alturas en las columnas l transelevador.

3 Ciclos trabajo un transelevador automático La norma UNE establece las reglas que son aplicables exclusivamente en transelevadores con mando automático y cuando se toma cada vez una sola unidad carga. La cancia trabajo se mi a través l número unidas que se almacenan o se salmacenan en la unidad tiempo. Este valor pen : Número transelevadores. Número ciclos por transelevador, que, a su vez, pen : - Secuencia movimientos. - Disposición los puntos referencia. - Rendimiento l transelevador. El funcionamiento l transelevador pue ser realizando ciclos simples (E/S P1 E/S), o con ciclos dobles (E/S P1 P2 E/S). Trabajando con ciclos dobles se aprovecha al máximo el funcionamiento l transelevador a la hora preparación pedidos. El tiempo un ciclo es la duración un movimiento completo. En la figura 2 aparece representado el cálculo un ciclo doble, don L es la longitud cada pasillo estanterías y H la altura l almacén. y E/S P 1 1/5 L Figura 2: Cálculo un ciclo doble TRANSPORTADORES L Las cisiones planificadas constituyen una forma lógica y disciplinada llevar a cabo una actuación a largo plazo sobre los equipos manipulación materiales. Si estas cisiones se ejecutan correctamente, permiten una aumento en la cantidad mercancía manipulada, en el número productos almacenados y en el volumen operaciones realizadas. P 2 2/3 L P 1 = (1/5 L, 2/3 H) P 2 = (2/3 L, 1/5 H) 2/3 H 1/5 H H x El proceso cisión gira en torno a los principios claves la manipulación materiales: El movimiento continuo es más económico. Las economías son directamente proporcionales al tamaño la carga. La estandarización reduce costes. La mecanización mejora la eficiencia. La gravedad es una fuerza motriz barata. Simplicidad. El sistema transporte los productos s los puntos entrada hasta el almacén, así como la distribución los mismos en las áreas picking, se realiza por medio diversos elementos, como son: transportadores canas (para los movimientos transversales), transportadores rodillos, mesas giratorias a 90º, mesas elevadoras, etc. Los materiales empleados son última tecnología (gran auge l aluminio), y están formados por piezas estandarizadas para reducir al mínimo la cantidad recambios necesarios en la explotación. 5. SISTEMA DE GESTIÓN Para por escoger el sistema gestión que un almacén necesita hay que tener en cuenta los siguientes puntos: Funcionalidad: Este es un punto fundamental. El sistema be estar adaptado a todos los requisitos funcionamiento l almacén. El sistema bería ser capaz soportar el método operativo seado por la empresa y nunca bería ser un impedimento para adoptar otros métodos más eficientes. Flexibilidad: Para evitar caducidad prematura l software es esencial escoger un sistema flexible que permita una ampliación funciones acuada a la expansión su empresa. Gestión problemas: La diferencia entre sistemas alta y baja calidad radica frecuentemente en la capacidad prevenir problemas cualquier ámbito o resolverlos en el preciso instante y lugar l acontecimiento. Facilidad uso: en cuanto a - Uso terminología clientes. - Tamaño correcto los campos. - Pantallas a medida sin campos superfluos etc. - Mínimo uso l teclado para operaciones cotidianas.

4 - Sin duplicidad entrada datos. - Tiempo rápido respuesta. - Cambio entre idiomas (en sistemas multilingües). Inventario, Información almacén, SISTEMA DE GESTIÓN (PC CENTRAL) Ornes entrada y salida, Aun cuando es necesario tiempo para familiarizarse con todos los sistemas, no hay duda que algunos son más fácil aprendizaje y rápido uso que otros DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA DE GESTIÓN La función este sistema será, como su propio nombre indica, la gestión automática la manutención las distintas mercancías s su entrada al almacén, hasta su ubicación y posterior retirada a zona preparación pedidos. Control Transelevadores Verificación Intificación TRANSELEVADORES (PLCS ESCLAVOS) CONTROL DEL ALMACÉN (PLC MAESTRO) CONTROL DE CAMPO (PLCS ESCLAVOS) Intificación Estado Código Barras Error LECTORES CÓDIGOS DE BARRAS Una vez que el producto ha sido intificado (código barras), será el sistema gestión el que, teniendo en cuenta las reglas fijadas por el programador, cida la ubicación más apropiada para el mismo. Recepción y envío Señales Ornes Comando Si se tecta algún problema con la mercancía, ésta se hará circular a una zona tratamiento manual para corregir el posible problema. Si no tiene solución, se enviará directamente a la zona rechazos. En caso no tectar ningún error, la mercancía se pasará a la zona intificación, don un lector código barras proporcionará la información necesaria para el reconocimiento l producto, y así cidir la ubicación más apropiada. Si se produjera algún problema en la intificación, se procerá a enviar al producto a la zona tratamiento manual, y se actuará la misma forma. A la hora preparar un pedido, el sistema lanzará las ornes oportunas a los distintos sistemas manipulación, para extraer las mercancías requeridas terminadas ubicaciones. Todas estas operaciones conllevan continuas variaciones en los niveles stocks, por lo que se necesita una precisa y fiable base datos que refleje el estado l almacén en cada momento. Esta sirve tanto al sistema manutención como al sistema gestión l propio almacén (stocks, periodos almacenaje, ) NIVELES EN LA AUTOMATIZACIÓN Para sarrollar un sistema completo almacenaje automático, habrá que terminar cuantas y cuales van a ser las capas nuestro sistema. En general, la jerarquía o niveles que se van a tener son los que aparecen en la figura 3: SENSORES Y ACTUADORES 6. SISTEMA DE CONTROL TRANSPORTADORES Figura 3: Niveles en la automatización El sistema control va a presentar una configuración distribuida, en la cual se van a tener los siguientes autómatas: PLC Maestro: se comunica directamente con el sistema gestión. Va a coordinar todos los PLCs esclavos la instalación, y controlar los movimientos todos los transportadores encargados la distribución los productos. PLCs esclavos control los transelevadores: están ubicados físicamente cada uno en un transelevador, por lo que habrá tantos como transelevadores existan en el almacén. El PLC maestro les va a enviar las órnes colocación y extracción las mercancías, existiendo al mismo tiempo una comunicación acuse trabajo realizado. Estos PLCs serán los que se encarguen gobernar todos los accionamientos y sensores necesarios para realizar los movimientos oportunos. PLCs control campo: se van a encargar l manejo las señales que envían y reciben los sensores y actuadores distribuidos por la planta, y que van a indicar la situación los productos en cada momento (sensores proximidad, finales carrera, control gálibo ).

5 7. CONFIGURACIÓN DE LA RED En una red industrial coexisten equipos y dispositivos todo tipo, los cuales suelen agruparse jerárquicamente para establecer conexiones lo más acuadas a cada área. De esta forma se finen cuatro niveles ntro una red industrial (figura 4): Figura 4: Niveles en una Red Industrial. Nivel gestión: es el nivel más elevado y se encarga integrar los niveles siguientes en una estructura fábrica e incluso múltiples factorías. Las máquinas aquí conectadas suelen ser estaciones trabajo que hacen puente entre el proceso productivo y el área gestión, en el cual se supervisan las ventas, stocks, etc. Se emplea una red tipo LAN (Local Area Network) o WAN (Wi Area Network). Nivel control: se encarga enlazar y dirigir las distintas zonas trabajo. A este nivel se sitúan los autómatas gama alta y los computadores dicados al diseño, control calidad, programación, etc. Se suele emplear una red tipo LAN. Nivel campo y proceso: se encarga la integración pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores E/S, controladores PID, etc.) ntro sub-res o "islas". En el nivel más alto estas res se suelen encontrar uno o varios autómatas modulares, actuando como maestros la red o maestros flotantes. En este nivel se emplean los buses campo. Nivel E/S: es el nivel más próximo al proceso. Aquí están los sensores y actuadores, encargados manejar el proceso productivo y tomar las medidas necesarias para la correcta automatización y supervisión. La elección l bus o buses que van a conformar la red va a penr los elementos que se van a conectar, la capacidad comunicación requerida, el tamaño la red, etc. En la tabla 1 aparece una comparación los buses más comunes en una red industrial. Sistemas conectables Programación /puesta en Servicio Número esclavos: Típico Máximo Tiempo respuesta Tamaño la red AS- INTERFACE binarias analógicas DP binarias analógicas - Dispositivos campo inteligentes Completamente vía DP < 5 ms Típ. 1 ms a 12 Mbits/s Típ. 5 ms a 1,5 Mbits/s Eléctrica máx. 300 Electr. hasta 9,6 km m (con repetidores Óptica hasta 90 km /extensores) Topología Línea, árbol Línea, árbol, anillo redundante, estrella Soportes Cable bifilar transmisión apantallado Grados protección Disponibles Configuración IP 20 Ip Asignación simple las direcciones esclavo Red eléctrica, cable bifilar apantallado, red óptica: cable FO con fibra vidrio o plástico IP 20 IP Asignación simple las direcciones esclavo PA Dispositivos campo en zona Ex1 (prot. Contra explosiones: [Eex ia] grupo IIC) y área no Ex Vía DP y PA con la herramienta SIMATIC PDM (Process Device Manager) 8 disp. (área Ex) 31 disp. (no Ex) Típ. 65 ms Ex: máx. 790 m; No Ex: 560 m. Línea, estrella Cable bifilar apantallado IP 20 IP [Eex ia] Asignación simple las direcciones esclavo Norma EN EN IEC Tabla 1: Características los Buses INTRODUCCIÓN A PROFIBUS Profibus es un bus campo abierto inpendiente l fabricante. Su área aplicación abarca manufacturación, procesos y automatización edificios. La inpenncia l fabricante y el ser un sistema abierto está garantizado por el estándar Profibus EN Con Profibus los dispositivos diferentes fabricantes puen comunicarse sin necesidad adaptaciones mediante interfaces especiales. Profibus pue ser empleado tanto para transmisiones datos alta velocidad y tiempos críticos, como para tareas intensivas comunicación compleja. La familia Profibus consiste en tres versiones compatibles: DP, PA y FMS. La tabla 2 muestra el campo aplicación cada una las versiones Profibus.

6 SUB- FAMILIA PRINCIPAL APLICACIÓN PRINCIPAL VENTAJA CARACTERÍSTICAS MÁS RELEVANTES rotación, era más conveniente la versión manual, y que para almacenes grans con alta rotación era más rentable utilizar una versión automática. FMS DP PA para propósitos generales factorías procesos Universal Rápido Orientado a aplicación Tabla 2: Versiones l Profibus. Gran variedad aplicaciones Comunicaciones multi-maestro Plug and Play Eficiente y efectivo en costo Suministro energía a través l propio bus Seguridad intrínseca 7.2. INTRODUCCIÓN A AS-INTERFACE AS-I (Actuator Sensor Interface), es una red simple para la conexión directa sensores binarios y actuadores al nivel más bajo automatización (nivel E/S) hacia res más alto nivel y dispositivos control. Reemplazando complejos cableados y paneles, AS-I reduce el tiempo diseño, costo instalación y complejidad mantenimiento. Todo esto semboca en la reducción los costos totales. AS-I fine un sistema conexión directa por cable que provee datos y alimentación a dispositivos sensores y actuadores no inteligentes. Opera según el principio maestro/esclavo. El controlador central, tanto un PC, PLC, o la entrada a res más altas, contiene un módulo maestro. Los sensores/actuadores se conectan a esclavos AS-I que están enlazados en red por medio l cable AS-I polarizado. El cable es conducido por el módulo maestro y la fuente alimentación AS-I. Cada AS-I esclavo pue dirigir ocho elementos binarios, cuatro entrada y cuatro salida. Con una configuración completa 31 esclavos, hasta 248 elementos binarios puen ser direccionados. El cableado red pue efectuarse empleando conexiones en bus o en árbol hasta 200 metros cable AS-I (empleando repetidores). Sin embargo, cada vez influyen más otros factores en la cisión sobre el sistema almacenamiento a adoptar. Estos nuevos factores se centran en mejoras tipo cualitativo, que se puen traducir en necesidas exigidas por la dirección la empresa, como pue ser realizar una gestión on line l movimiento materiales y los stocks, o incluso, temas calidad servicio al cliente: entrega pedidos sin errores, disponibilidad permanente todos los productos, cumplimiento los plazos entrega, etc. La disponibilidad permanente no significa sólo que un artículo esté en stock, sino que se pueda accer a él forma rápida y eficaz. La cisión sobre el mejor sistema almacenamiento no be limitarse exclusivamente al área almacén reserva, sino que be extenrse a otras áreas como el área preparación pedidos, ya que pue y va a influir en la optimización los procedimientos y costes operativos. Referencias [1] Manual logística para la gestión almacenes. Roux, Michel. Gestión 2000, [2] la fabricación : autómatas, actuadores, transductores. Antonio Barrientos, Luis Felipe Peñín. Universidad Politécnica Madrid, [3] La automatización : economía y trabajo. Gómez Uranga, Mikel. Servicio Editorial Universidad l Pais Vasco, D.L (Bilbao) [4] Ingeniería la automatización industrial. Piedrafita Moreno, Ramón. Ra-ma, Madrid CONCLUSIONES La elección l sistema almacenamiento más acuado ha sido siempre un problema. En los años 70 se empezaron a instalar almacenes automáticos tanto para paletas como para cargas pequeño tamaño (AKL). La conclusión a la que se llegó consiraba únicamente aspectos económicos, indicando que para almacenes pequeños y poca