UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Nombre del proyecto: SISTEMA ANDON Y COMUNICACIÓN OPC PARA PROCESO DE PINTADO AUTOMATIZADO Empresa: SISTEMAS A TU MEDIDA RENTABLES SA. DE CV. Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de: TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRÓNICA ÁREA AUTOMATIZACIÓN Presenta: MEDELLIN CASTAÑON ANGEL EDUARDO Asesor de la UTEQ Ing. Tomas Gerardo Torres Luna Asesor de la Organización Ing. Luis Enrique Garduño Santos Santiago de Querétaro, Qro. Septiembre 2013 1

RESUMEN. Cuando una empresa cuenta con un sistema de control visual indicando fallas, falta de piezas u otras alertas, hace que los supervisores del proceso tengan una reacción más rápida y puedan corregir los problema evitando tiempos muertos y haciendo ahorros económicos importantes a la empresa. Los sistemas ANDON tienen esta funcionalidad. Para este proyecto se realizan a través de la programación de un PLC Allen Bradley 1100, que mediante el código de diagrama de escalera se realizan una serie de condiciones que debe de cumplir el proceso para que pueda ser catalogado como correcto, pero si una de las condiciones no está de acuerdo a lo establecido, será encendida una de las lámparas de la torreta ANDON dependiendo la falla que sea. Además integrando el protocolo de comunicación OPC no solo la alarma se ve en los indicadores de la torreta, también pueden ser monitoreados a través de una aplicación de Windows para PC ó de android para celulares, extrayendo el estado de las marcas dadas a las torretas ANDON en el programa de escalera del PLC. 2

DESCRIPTION. SITEMAS A TU MEDIDA RENTABLES SA. de CV. Is a company dedicated to providing solutions to various companies adapting to their needs. with offices in 405 British street, Bolaños neiborhood. The company provides options for young professionals students internships. The office is adapted in a house. Luis Enrique is an enginieer who is in charge of the company. He is tall and fat, He has brown eyes and short hair, he is sociable and funny, he is a good leader. 3

ÍNDICE. Página RESUMEN.. 2 DESCRIPTION...... 3 ÍNDICE..4 I. INTRODUCCIÓN.... 7 II. ANTECENDENTES.... 8 III. JUSTIFICACIÓN.. 9 IV. OBJETIVOS....10 V. ALCANCE...11 VI. ANÁLISIS DE RIESGOS. 12 VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA. 13 7.1 Sistema ANDON. 13 7.2 Servidor OPC 14 7.3 RS logix 500.14 7.4 PLC Allen Bradley 1100. 20 7.5 Modulo de salidas por relevador MicroLogix 1762-OW16 22 7.6 Fuente de poder 24 vdc..23 7.7 Motorreductores...23 7.8 Limit switch 25 4

7.9 Sensor de temperatura LM 35..25 7.10 Clemas 27 7.11 Relevador 27 7.12 Push Button (pulsador) 28 7.13 Botón de paro de emergencia.29 7.14 Interruptor selector 2 posiciones.29 7.15 Electroválvula neumática.30 7.16 Cilindro neumático de doble efecto 31 7.17 Compresor de aire.32 7.18 Celda solar..33 7.19 Conector DB25..34 VIII. PLAN DE ACTIVIDADES...36 IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS..37 9.1 Recursos materiales..37 9.2 Recursos Humanos...38 X. DESARROLLO DEL PROYECTO 39 10.1 Diseño de tablero de control...39 10.2 Diseño del algoritmo de secuencia del proceso..41 10.3 Diseño y elaboración de placas electrónicas 44 10.4 Cableado de tablero de control y sensores de la maqueta 50 10.5 conexiones neumáticas 54 10.6 Programación del PLC.. 55 5

XI. RESULTADOS OBTENIDOS.68 XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..69 XIII. ANEXOS...70 XIV. BIBLIOGRAFÍA.77 6

I. INTRODUCCIÓN. El creciente industrial en el estado de Querétaro está obligando a las empresas a mejorar sus productos y disminuir sus costos por la alta competitividad que se está generando en el estado, tal razón hace que las industrias implementen métodos para ahorrar tiempo y dinero evitando tiempos muertos por fallas ó eventos inesperados. A través de la creación del prototipo de este proyecto se pretende ofrecerles a las empresas queretanas una solución para evitar esos tiempos muertos con el sistema ANDON, haciendo que la gente encarga de la línea de producción se percate de alguna anomalía dentro del proceso y no hasta que la falla haya obligado a parar completamente. 7

II. ANTECEDENTES. Una planta de manufactura a la cual SISTEMAS A TU MEDIDA RENTABLES SA. de CV. le ofrece algunos servicios de software se instaló en Querétaro hace algunos años, para poder empezar su producción monto hornos de inducción, los cuales consumen bastante energía eléctrica y tiene que ser supervisada. Con el aumento de la producción, el número de hornos aumento y así mismo aumento proporcionalmente el consumo de electricidad, desde ese momento se empezó a monitorear el consumo dentro de las horas pico, ya que se si se excede de un cierto punto, Comisión Federal de Electricidad, multa de manera exorbitante a la empresa por sobrepasar el máximo permitido para el sector industrial. Para poder supervisar este consumo de energía a detalle, se instaló un sistema de monitoreo constante con la tecnología DDE (Dynamic Data Exchange) implementado por la empresa SISTEMAS A TU MEDIDA RENTABLES SA. DE CV. El sistema implementado es un poco antiguo y lento, lo que hace que el monitoreo sea tardío e ineficaz en algunos casos, causando toma de malas decisiones en la corrección de fallas. 8

III. JUSTIFICACIÓN. SISTEMAS A TU MEDIDA RENTABLES SA. CV. Es una empresa dedicada principalmente a soluciones en software. Con el desarrollo de una maqueta a escala de un proceso de pintado automatizado se pretende hacer la demostración de los protocolos de comunicación OPC y el sistema ANDON, ofrecer soluciones al sector industrial tanto en software, como en hardware en sistemas automatizados. Actualmente la mayoría de las empresas se ven en la necesidad de implementar nuevas estrategias para reducir los tiempos muertos y ahorro de energía dentro de su proceso de producción. El sistema ANDON se convertiría para el área de procesos de producción industriales en unos de los mayores soportes para evitar tiempos muertos y poder solicitar ayuda oportuna por parte del equipo de trabajo encargado de supervisar la línea producción, obteniendo mejores resultados en sus productos finales. Al tener una interfaz de comunicación del sistema ANDON con el protocolo de comunicación OPC, el tiempo de respuesta para las posibles fallas se hace más eficiente, la alerta de falla se hace presente en todos los dispositivos enlazados con el servidor OPC de la planta y no solo en la área de producción. 9

IV. OBJETIVOS. El desarrollo del proyecto pretende 2 puntos principalmente: Diseñar una maqueta que exhiba un proceso industrial a escala, la cual utilice los protocolos y tecnologías de comunicación OPC y sistema ANDON y a su vez evidencie la efectividad de la mescla de estos elementos, lo cual permite un buen control y monitoreo de un proceso en tiempo real para la correcta toma de decisiones, monitoreo de producción, consumo consiente de energía u otras necesidades que el proceso o situación requieran, aunado a esto poder tener un alto grado de seguridad en el control de privacidad de información y de control, creando un sistema flexible, robusto y seguro para la efectiva operatividad de un proceso industrial. Acelerar un 30% la respuesta del los equipos de trabajo del área de mantenimiento a las fallas presentadas durante el proceso de producción y mostrar la seguridad del uso de las nuevas tecnologías anteriormente mencionadas. 10

V. ALCANCE. Al finalizar el proyecto se obtendrá una demostración de un proceso industrial a escala, en este caso se obtendrá un pintador de piezas automatizado, controlado por un dispositivo PLC el cual sea fácil de programar, y de remplazar, semejando un control de proceso industrial tanto en elementos de manufactura como en elementos de control. Después de generar la simulación de un proceso industrial (ya mencionado) se generará un software que se pueda comunicar con el proceso que tengas las siguientes características: Monitoreo de información en tiempo real Control de proceso al instante Control de información a nivel dirección de memoria. Interfaces graficas de interacción sencillas de entender y configurar Seguridad en la identificación de usuarios. Privacidad de información. 11

VI. ANÁLAISIS DE RIESGOS Las limitaciones y barreras que pueden impedir alcanzar los objetivos del proyecto son: Falta de autorización de presupuesto para la compra de materiales y herramientas. El material pedido no llegue en tiempo y forma. Atrasos en la construcción mecánica de la maqueta. Lógica de programación en escalera para el PLC. Alto costo de licencias de software requeridos para el proyecto. Problemas de comunicación del PLC con el servidor y a su vez con las plataformas de control. 12

VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 7.1 Sistema ANDON. Los ANDON nacen en los años 70 s en Japón. ANDON significa LUZ en japonés, por lo que el término se fue adjudicando con el tiempo como un sinónimo de sistemas para disminución de Tiempos Muertos. La idea es simple: Alertar al personal correspondiente de los problemas que había en producción mediante sistemas de Focos y Tableros de luces y sonidos para que el problema quede expuesto a toda la planta productiva y se tomen acciones de inmediato: Problemas de Calidad, de Mantenimiento, de Producción, de Logística y hasta Problemas de Seguridad. Si un problema ocurre en el proceso de producción, la tabla ó indicador de ADON se iluminará para señalar al supervisor que la estación de trabajo está en problema. Los colores frecuentemente utilizados usados son: Rojo: Máquina descompuesta Azul: Pieza defectuosa Blanco: Fin de lote de producción Amarillo: Esperando por cambio de modelo Verde: Falta de Material No luz: Sistema operando normalmente. 13

7.2 Servidor OPC. Un servidor OPC es una aplicación de software (driver) que cumple con una o más especificaciones definidas por la OPC Foundation. El Servidor OPC hace de interfaz comunicando por un lado con una o más fuentes de datos utilizando sus protocolo nativos (típicamente PLCs, DCSs, básculas, módulos I/O, controladores, etc.) y por el otro lado con Clientes OPC (típicamente SCADAs, HMIs, generadores de informes, generadores de gráficos, aplicaciones de cálculos, etc.). En una arquitectura Cliente OPC/ Servidor OPC, el Servidor OPC es el esclavo mientras que el Cliente OPC es el maestro. Las comunicaciones entre el Cliente OPC y el Servidor OPC son bidireccionales, lo que significa que los Clientes pueden leer y escribir en los dispositivos a través del Servidor OPC. 7.3 RS logix 500. RS Logix 500 fue el primer software de programación de PLC s con una interfaz fácil de manejar en el ámbito industrial y también a nivel de estudiante. La familia de software de programación de lógica en escalera Rslogix fue actualizada para optimizar el desarrollo de proyectos de automatización industrial, ahorrando tiempo en el desarrollo del proyecto. Este software ha sido elaborado para trabajar con el sistema operativo Microsoft Windows. Proporciona el soporte para la programación de los PLC s de Allen Bradley tipo SLC500 y Micrologix. Aquí se puede cargar el programa residente en un PLC hacia la computadora, descargar un nuevo programa desde la PC hacia el PLC, ó leer los datos que se tienen actualmente en un PLC, conectándose en línea (ON LINE), entre otras funciones principales. Además: 14

Funciona como un editor de programación con un menú de ayuda para el usuario. Permite la configuración del modo de comunicación con el PLC. Tiene incluido todo el set de instrucciones para las familias SLC500 y micrologix 1100 facilitando así la programación. Posee un menú de ayuda que explica el funcionamiento de cada instrucción para las dos familias de PLC s. Puede descargar de la computadora hacia el PLC y desde el PLC hacia la computadora el programa de escalera cargado. El software RSlogix tiene una gran variedad de funciones especiales para la programación en lógica de escalera en los siguientes puntos se ejemplifican las más recurridas y una breve descripción: Se usa la instrucción XIC en el programa de escalera para determinar si un bit está activado. Cuando la instrucción se ejecuta, si la dirección de bit está activada (1), entonces la instrucción es evaluada como verdadera. Cuando la instrucción se ejecuta, si el bit direccionado está desactivado (0), entonces la instrucción evaluada como falsa. Figura 7.1 Símbolo Instrucción XIC. Se usa una instrucción XIO en el programa de escalera para determinar si un bit está desactivado. Cuando la instrucción se ejecuta, si el bit direccionado está desactivado (0), entonces la instrucción es evaluada como verdadera. Cuando la instrucción se 15

ejecuta, si el bit direccionado está activado (1), entonces la instrucción es evaluada como falsa. Figura 7.2 Símbolo Instrucción XIO. Se usa una instrucción OTE en el programa de escalera para activar/desactivar un bit cuando las condiciones de renglón son evaluada como verdaderas/falsas respectivamente. Figura 7.3 Símbolo instrucción OTE. Se usa la instrucción TON para activar o desactivar una salida después de que el temporizador haya estado activado durante un intervalo de tiempo preseleccionado. La instrucción TON comienza a contar los intervalos de la base de tiempo cuando las condiciones de renglón se hacen verdaderas. Con tal que las condiciones de renglón permanezcan verdaderas, el temporizador ajusta su valor acumulado (ACC) durante cada evaluación hasta alcanzar el valor predeterminado (PRE). Cuando las condiciones de renglón se hacen falsas, el valor acumulado se reinicializa sin importar si el temporizador ha sobrepasado el límite de tiempo. 16

Figura 7.4 símbolo instrucción TON. La instrucción TOF se usa para activar o desactivar una salida después de que su renglón ha estado desactivado durante un intervalo de tiempo preseleccionado. La instrucción TOF comienza a contar los intervalos de la base de tiempo cuando el renglón efectúa una transición de verdadero a falso. Con tal que las condiciones permanezcan falsas, el temporizador incrementa su valor acumulado (ACC) durante cada escán hasta alcanzar el valor preseleccionado (PRE). El valor acumulado se restablecerá cuando las condiciones de renglón se hagan verdaderas, sin importar si el tiempo en el temporizador se ha agotado. Figura 7.5 Símbolo instrucción TOF. El CTU es una instrucción que cuenta las transiciones de renglón de falso a verdadero. Las transiciones de renglón pueden ser provocadas por eventos ocurriendo en el programa (de la lógica interna o dispositivos de campo externos) tales como piezas que pasan por un detector o que activan un interruptor de límite. Cuando las condiciones de renglón para una instrucción CTU 17

efectúan una transición de falso a verdadero, el valor acumulado se incrementa en uno, siempre que el renglón que contiene la instrucción CTU se evalúe entre estas transiciones. La capacidad del contador para detectar transiciones de falso a verdadero depende de la velocidad (frecuencia) de la señal de entrada. La duración activada y desactivada de una señal de entrada no debe ser más rápida que el tiempo de escán 2x (se entiende un ciclo de trabajo de 50%). El valor acumulado se retiene cuando las condiciones de renglón vuelven a hacerse falsas. El conteo acumulado se retiene hasta que sea puesto a cero por una instrucción de restablecimiento (RES) que tenga la misma dirección que el contador. Figura 7.6 Símbolo instrucción CTU. Se usa la instrucción EQU para probar si dos valores son iguales. Si la fuente A y la fuente B son iguales, la instrucción es lógicamente verdadera. Si estos valores no son iguales, la instrucción es lógicamente falsa. La fuente A debe ser una dirección. La fuente B puede ser una constante de programa o una dirección. Los enteros negativos se almacenan de forma complementaria de dos. 18

Figura 7.7 Símbolo instrucción EQU. Se usa la instrucción LES para probar si un valor (fuente A) es menor que otro (fuente B). Si la fuente A es menor que el valor en la fuente B, la instrucción es lógicamente verdadera. Si el valor en la fuente A es mayor o igual que el valor en la fuente B, la instrucción es lógicamente falsa. La fuente A debe ser una dirección. La fuente B puede ser una constante de programa o una dirección. Figura 7.8 Símbolo instrucción LES. La instrucción GRT sirve para probar si un valor (fuente A) es mayor que otro (fuente B). Si la fuente A es mayor que el valor en la fuente B, la instrucción es lógicamente verdadera. Si el valor en la fuente A es menor o igual que el valor en la fuente B, la instrucción es lógicamente falsa. Figura 7.9 Símbolo Instrucción GRT. 19

Escala de datos (SCL). Cuando esta instrucción es verdadera, el valor en la dirección de fuente se multiplica por el valor del régimen. El resultado redondeado se añade al valor de offset y se coloca en el destino. Figura 7.10 Símbolo instrucción SCL. 7.4 PLC Allen Bradley 1100. Un controlador lógico programable, más conocido por sus siglas en inglés PLC (Programmable Logic Controller), es una computadora utilizada en la ingeniería automática ó automatización industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas. Los PLCs son utilizados en muchas industrias y máquinas. A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, rangos de temperatura ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto. Los programas para el control de funcionamiento de la máquina se suelen almacenar en baterías copia de seguridad o en memorias no volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo real duro donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de un tiempo limitado, que de lo contrario no producirá el resultado deseado. 20

Figura 7.11 Descripción general del PLC Allen Bradley 1100. 21

7.5 Modulo de salidas por relevador MicroLogix 1762-OW16. Figura 7.12 Descripción general del modulo de salidas por relevador MicroLogix 1762-OW16. 22

7.6 Fuente de poder 24 vdc. La fuente de poder, puede describirse como una fuente de tipo eléctrico que logra transmitir corriente eléctrica por la generación de una diferencia de potencial entre sus bornes. Se desarrolla en base a una fuente ideal, un concepto contemplado por la teoría de circuitos que permite describir y entender el comportamiento de las piezas electrónicas y los circuitos reales. La fuente de alimentación tiene el propósito de transformar la tensión alterna de la red industrial en una tensión casi continua. Para lograrlo, aprovecha las utilidades de un rectificador, de fusibles y de otros elementos que hacen posible la recepción de la electricidad y permiten regularla, filtrarla y adaptarla a los requerimientos específicos del equipo. Figura 7.13 Fuente de alimentación 24vdc 5A. 7.7 Motorreductores. Toda máquina cuyo movimiento sea generado por un motor (ya sea eléctrico, de explosión u otro) necesita que la velocidad de dicho motor se adapte a la velocidad necesaria para el buen funcionamiento de la máquina. Además de esta adaptación de velocidad, se deben contemplar otros factores 23

como la potencia mecánica a transmitir, la potencia térmica, rendimientos mecánicos (estáticos y dinámicos). Esta adaptación se realiza generalmente con uno o varios pares de engranajes que adaptan la velocidad y potencia mecánica montados en un cuerpo compacto denominado reductor de velocidad aunque en algunos países hispanos parlantes también se le denomina caja reductora. Los Reductores y los Motorreductores son elementos mecánicos muy adecuados para el accionamiento de todo tipo de máquinas y aparatos de uso industrial, que se necesiten reducir su velocidad de una forma eficiente, constante y segura. Las ventajas de usar Reductores y/o Motorreductores son: Alta eficiencia de la transmisión de potencia del motor. Alta regularidad en cuanto a potencia y par transmitidos. Poco espacio para el mecanismo. Poco tiempo de instalación y mantenimiento. Elemento seguro en todos los aspectos, muy protegido Figura 7.14 Motorreductor de VDC 24

7.8 Limit Switch. Dentro de los componentes electrónicos, se encuentra el final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o limit switch, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA o NO en inglés), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados, de ahí la gran variedad de finales de carrera que existen en mercado. Los finales de carrera están fabricados en diferentes materiales tales como metal, plástico o fibra de vidrio. Figura 7.15 Limit Switch 7.9 Sensor de temperatura LM 35. El LM35 es un sensor de temperatura con una de precisión calibrada de 1ºC. Su intervalo de medición abarca desde -55 C hasta 150 C. La salida es lineal y cada grado centígrado equivale a 10mV. 25

El LM35 no requiere de circuitos adicionales para calibrarlo externamente. La baja impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración hace posible que este integrado sea instalado fácilmente en un circuito de control. Debido a su baja corriente de alimentación se produce un efecto de auto calentamiento muy reducido. Se encuentra en diferentes tipos de encapsulado, el más común es el TO- 92, utilizada por transistores de baja potencia. Sus características más relevantes son: Esta calibrado directamente en grados Celsius. La tensión de salida es proporcional a la temperatura. Tiene una precisión garantizada de 0.5 C a 25 C. Opera entre 4 y 30 voltios de alimentación. Baja impedancia de salida. Baja corriente de alimentación (60uA). Bajo costo Figura 7.16 Sensor de temperatura lm35. 26

7.10 Clemas. Una clema es un tipo de conector eléctrico en el que un cable se aprisiona contra una pieza metálica mediante el uso de un tornillo. Al cable a veces simplemente se le retira el aislamiento exterior en su extremo, y en otras ocasiones se dobla en forma de U o J para ajustarse mejor al eje del tornillo. Alternativamente, al cable se le puede agregar una terminal para protegerlo. También se usan prisioneros, pero no son adecuados para su uso con los terminales, ya que no encajan. En cualquier caso, se ha de apretar un tornillo para asegurar la conexión. Figura 7.17 Clemas. 7.11 Relevador. El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. El electroimán hace bascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.A ó N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado). Si se le aplica un voltaje a la bobina se genera un campo magnético, 27

que provoca que los contactos hagan una conexión. Estos contactos pueden ser considerados como el interruptor, que permite que la corriente fluya entre los dos puntos que cerraron el circuito. Figura 7.18 Relevador de control de VAC. 7.12 Push Button (pulsador). Un botón o pulsador es un dispositivo utilizado para activar alguna función. Los botones son de diversa forma y tamaño y se encuentran en todo tipo de dispositivos, aunque principalmente en aparatos eléctricos o electrónicos. Los botones son por lo general activados al ser pulsados, normalmente con un dedo. Transmite corriente mientras es accionado, cuando ya no se actúa sobre él vuelve a su posición de reposo. Puede ser el contacto normalmente cerrado en reposo NC, o con el contacto normalmente abierto en reposo NA. Figura 7.19 Push button. 28

7.13 Botón de paro de emergencia. Los botones de paro de emergencia (E-Stop) son un componente importante de seguridad de muchos circuitos eléctricos, especialmente que controlan equipos peligrosos, como bombas de combustible, maquinaria en movimiento, sierras, molinos, y herramientas de corte, cintas transportadoras, y muchos otros tipos de equipo. Están diseñados para permitir que un operador o espectador pueda parar el equipo en un apuro si algo va mal. Los botones de paro de emergencia están conectados en serie con el circuito de control en una pieza de un equipo. Al pulsar el botón de paro de emergencia se interrumpe el circuito y elimina el flujo de corriente desde el relé que mantiene el circuito energizado. Figura 7. 20 Botón de paro de emergencia. 7.14 Interruptor selector 2 posiciones. El interruptor conmutador está dotado con dos posiciones estables que son independientes de la alimentación externa, en servicio no hay riesgo de aperturas intempestivas del conmutador debidas al fallo de la alimentación y no es necesaria alimentación alguna para mantener el conmutador en la posición cerrado. El aislamiento de los circuitos está asegurado por la característica de apertura positiva de los contactos y la indicación fiable de la posición de los mismos. 29

Figura 7.21 interruptores selectores de 2 posiciones. 7.15 Electroválvula neumática Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería. La válvula está controlada por una corriente eléctrica a través de una bobina solenoidal. No se debe confundir la electroválvula con válvulas motorizadas, que son aquellas en las que un motor acciona el cuerpo de la válvula. Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para actuar la válvula. 30

Figura 7.22 Electroválvula neumática. 7.16 Cilindro neumático de doble efecto. Los cilindros de doble efecto son capaces de producir trabajo útil en dos sentidos, ya que disponen de una fuerza activa tanto en avance como en retroceso. Se construyen siempre en formas de cilindros de embolo y poseen dos tomas para aire comprimido, cada una de ellas situada en una de las tapas del cilindro. Se emplea, en los casos en los que el émbolo tiene que realizar también una función en su retorno a la posición inicial. La carrera de estos cilindros suele ser más larga (hasta 200 mm) que en los cilindros de simple efecto, hay que tener en cuenta el pandeo o curvamente que puede sufrir el vástago en su posición externa. Cuando el aire comprimido entra por la toma situada en la parte posterior (1), desplaza el émbolo y hace salir el vástago (avance). Para que el émbolo retorne a su posición inicial (retroceso), se introduce aire por la toma situada en la tapa delantera (2). De esta manera, la presión actúa en la cara del émbolo en la que está sujeto el vástago, lo que hace que la presión de trabajo sea algo menor debido a que la superficie de aplicación es más pequeña. Hay que tener en 31

cuenta que en este caso el volumen de aire es menor, puesto que el vástago también ocupa volumen. Figura 7.23 Cilindro neumático de doble efecto. 7.17 Compresor de aire. Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir. Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable. 32

Figura 7.24 Compresor de aire. 7.18 Celda solar. Las Celdas Fotovoltaicas, son sistemas fotovoltaicos que convierten directamente parte de la luz solar en electricidad. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico en su forma más simple, estos materiales se compone de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiación, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente de silicio. 33

Figura 7.25 Celda solar. 7.19 conector DB25. El conector DB25 (originalmente DE-25) es un conector analógico de 25 clavijas de la familia de conectores D-Subminiature (D-Sub o Sub-D). Al igual que el conector DB9, el conector DB25 se utiliza principalmente para conexiones en serie, ya que permite una transmisión asíncrona de datos según lo establecido en la norma RS-232 (RS-232C). 34

También se utiliza para conexiones por el puerto paralelo. En un principio se utilizó para conectar impresoras y por este motivo, se le conoce como el "puerto de impresora" (abreviado LTP). Figura 7.26 conector hembra db25. 35

VIII. PLAN DE ACTIVIDADES. En el plan de actividades se realizó el siguiente diagrama de Gantt en el cual se pueden observar las actividades que se realizaran de acuerdo al tiempo que se tiene estimado para concluir el proyecto Sistema ANDON y comunicación OPC para proceso de pintado automatizado. Figura 8.1 Diagrama de plan de actividades. 36

IX.RECUSOS MATERIALES Y HUMANOS. 9.1 Recursos materiales. RECURSOS MATERIALES DESCRIPCION CANTIDAD PLC allen bradley 1100 1 Módulo de salidas por relevador 1 micrologix 1762-ow16 Motorreductor 1,5 kg 3 Motorreductor 15 kg 1 Relevador de control 1 Botones pulsadores 3 Base de relevador 1 Lámpara ANDON 1 Botón paro de emergencia 1 Botón selector de 2 estados 2 Clemas con fusible 15 Clemas sin fusible 20 Riel para montar plc 3m Cable AWG 22 100 Cable AWG18 3 Limit switch 6 Válvula neumática master 1 midihdemi 37

cilindro neumático doble efecto 3 Estranguladora neumática 6 Manguera neumática 4mm 8m Manguera neumática 8mm 2m Compresor de aire 1 Celda fotovoltaica 1 Tira de led s 1m Componentes electrónicos varios Conectores db 25 4 PTR aluminio 3 4.22 kg Alum. lamina h14c14 8 Tabla 9.1 Costo de materiales usados. 9.2 Recursos humanos. PERSONAS HORAS A LA SEMANA APOYO ECONOMICO REQUERIDAS ESTADIA($) 1 40 150 Tabla 9.2 Recursos humanos requeridos. 38

X. DESARROLLO DEL PROYECTO. 10.1 Diseño de tablero de control. Se realiza una primera propuesta de la ubicación de los componentes de acuerdo a las dimensiones de cada elemento que contendrá el tablero de control como se muestra en la figura 10.1. Figura 10.1 Distribución de componentes de tablero de control. Las dimensiones al tablero de control se dan de acuerdo a las medidas de cada uno de los componentes y su distribución, permitiéndoles un correcto funcionamiento y evitando que interfieran sus funciones entre ellos. En la figura 10.2 se muestra el plano del tablero de control con las medidas en cm que deberán de llevar todos sus elementos. 39

Figura 10.2 Plano de tablero de control. Se realiza el marco para la base con material de PTR de aluminio para tener un buen soporte y con un peso ligero. Sobre el marco se coloca una lámina de 3mm del mismo material para sostener todos los elementos del panel del control. Los materiales se fijan a la lámina de aluminio. En la figura 10.3 se puede observar el tablero de control ya montado e instalado sus componentes. Figura 10.3 Tablero de control. 40

10.2 Diseño del algoritmo de secuencia del proceso. Para crear el código de diagrama de escalera que se cargara y ejecutara en el PLC es necesario primero contemplar las acciones que requiere el proceso para su funcionamiento. Las acciones que debe realizar el proceso se enlistan a continuación: Se coloca la pieza en el gancho de la cadena. La pieza debe ser bañada en un contenedor para quitar impurezas. La pieza de ser bañada en un contenedor con pintura. La pieza debe ser horneada para su correcta fijación y secado de la pintura. Se retira la pieza del gancho de la cadena. A continuación se puede apreciar el diagrama de flujo realizado para este proceso de acuerdo a las condiciones requeridas para su correcto funcionamiento. 41

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10.3 Diseño y elaboración de placas electrónicas. El sensor LM35 empleado para monitorear la temperatura del horno del proceso, entrega una salida de 10mv por grado centígrado, por esta razón se debe realizar un acondicionamiento de esa señal para poder introducirla al PLC. 44

El intervalo de trabajo del sensor para este prototipo es de 0 a 150 centígrados, apoyados con la ecuación de la recta y=mx+b y los valores de la tabla 10.1 podemos calcular los valores de las resistencias para el acondicionamiento de 0 a 10vdc que requiere el PLC. Para el acondicionamiento se usara un amplificador operacional lm324 con una combinación no inversora. TEMPERATURA C SEÑAL DE SALIDA (x) SEÑAL DESEADA(y) 0 0v 0v 150 1,5v 10v Tabla 10.1 Valores de tensión de sensor LM35. Se calcula la ganancia que deberá tener el amplificador operacional usando la ecuación de la recta, donde m será la ganancia. ecuación1 ecuación 2 Se resuelve para b la ecuación 1 Sustituimos el valor de b en la ecuación 2 y resolvemos para m que será la ganancia que deberá tener el amplificador operacional. 45

Teniendo la ganancia y dando un valor arbitrario a la resistencia 1 de 1k se calcula el valor de la resistencia 2 sustituyendo los valores ya obtenidos en la fórmula de una amplificación no inversora. Se obtiene que el valor de la resistencia de ganancia será de 5,6 k Figura 10.4 Configuración no inversora para amplificado operacional. Se prueba y diseña el circuito obtenido en el software Proteus para realizar la placa físicamente. 46

Figura 10.5 Prueba de función de acondicionamiento de sensor LM35 en ISIS Profesional. Figura 10.6 vista en 3D de placa para acondicionamiento de LM35 47

Figura 10. 7 Placa realizada para acondicionamiento de LM35. Debido al uso de motorreductores que operan a una tensión máxima de 9 vdc y que el acondicionamiento del sensor LM35 requiere una tensión de trabajo a 12 vdc se realiza una placa electrónica con fuentes de poder de 5v a 2A y de 12v a 1A. El circuito se alimentará con la fuente de 24vdc. El circuito se diseña y se hacen pruebas de funcionamiento en el software Proteus 7. 48

Figura 10.8 Prueba de funcionamiento de fuentes de alimentación en ISIS. Figura 10.9 Vista 3D fuentes de alimentación. 49

Figura 10.10 Placa realizada para fuentes de alimentación. 10.4 Cableado de tablero de control y sensores de la maqueta. Ya con todos los componentes montados en la base del tablero de control se realiza el cableado de la etapa de control de encendido y habilitación de energía para salidas y entradas del PLC. Se hace el diseño del plano eléctrico en ATOCAD 2010 como se puede observar en la figura 10.11. 50

Figura 10.11 plano eléctrico de panel de control. 51

De acuerdo al diagrama anterior se realizan las conexiones físicas para el relevador, PLC, y fuente de poder. Figura 10.12 Panel de control. Teniendo la parte del tablero control cableado y probado su funcionamiento se procede a diseñar las conexiones para el resto del tablero de control. Debido a que el tablero de control está separado de la maqueta del proceso de pintado, las salidas y entradas del PLC se direccionan a un conector tipo DB 25. En la maqueta se encontrara un igual del DB 25 donde se conectara los elementos de la maqueta de acuerdo a lo establecido del proceso. 52

En la figura 10.13 se presenta el plano de las conexiones para entradas y salidas del PLC. Figura 10.13 Plano de conexiones eléctricas de entradas y salidas de PLC. Con el plano de conexiones realizado se prosigue a colocar los cables de acuerdo al diagrama realizado. 53

Figura 10.14 Cableado de tablero de control. 10.5 conexiones neumáticas. Para accionar el colocador de pieza y los baños de pintura y limpiador se emplean cilindros neumáticos de doble efecto accionados por válvulas neumáticas 5/2 por accionamiento por solenoide. El diagrama de conexiones neumáticas se realiza en el simulador de fluidsim de FESTO para comprobar su funcionamiento y poder hacer su implementación física. 54

Figura 10.15 Diagrama neumático de conexiones para tablero de control. En la figura 10.15 se aprecia la simulación de la parte neumática del proceso de pintado teniendo un estado de reposo. 10.6 Programación del PLC. Para tener descripción más clara del uso de las entradas y salidas que se emplean para el proceso de pintado, se elaboro una tabla indicativa de cada una ellas. Destacando en la tabla las casillas de color verde pino, las cuales serán monitoreadas por el Protocolo de comunicación OPC, las marcas con la palabra forcé que funcionaran como los botones y sensores físicos, pero en la plataforma virtual. 55

MARCA MARCA ALLEN DESCRIPCION CONECTOR DB25-1 CONECTOR DB25-2 NUMERO PIN MARCA FORCE MARCA ARRANQUE I:0/0 BOTON DE INICIO DE PROCESO 3 B3:1/7 FORCE_ARRANQUE PARO I:0/1 BOTON DE PARO DE PROCESO 4 B3:1/8 FORCE_PARO SGB I:0/2 SENSOR QUE DETECTA EL GANCHO DE LA BANDA EN POSICION PARA RECOGER PIEZA 5 B3:1/1 FORCE_COLOCACION ENTRADAS SB1 I:0/3 SENSOR QUE DETECTA PIEZA EN LA BANDA DE ENTRADA 6 SEBZ I:0/4 SENSOR BAÑO DE ZINC 7 B3:1/2 FORCE_BAÑO_ZINC SEBP I:0/5 SENSOR BAÑO DE PINTURA 8 B3:1/3 FORCE_BAÑO_PINTURA SH I:0/6 SENSOR HORNO 9 B3:1/4 FORCE HORNO SB2 I:0/7 SENSOR QUE DETECTA CADENA EN POSICION PARA RETIRAR PIEZA 10 B3:1/5 FORCE_RETIRADO ST I:0.4 SENSOR DE TEMPERATURA DE HORNO 8,9 BI I:0/8 BOTON INALAMBRICO PARA MONITOREO VISUAL 11 B3:1/6 FORCE_INALAMBRICO CADENA O:1/8 MOTOR CADENA 3 B3:0/0 CADENA_FORCE B1 O:1/9 BANDA 1 ACTIVADA 4 B2 O:1/10 BANDA 2 ACTIVADA 5 RP O:1/11 RETIRADOR DE PIEZA 6 SALIDAS AFP O:0/1 ALERTA FALTA DE PIEZA LAFC O:0/2 LAMPARA ALERTA FALLA CALIDAD DE TEMPERATURA DE HORNO LPC O:1/6 PROCESO OFF 1 LPP O:1/7 PROCESO ON 2 BAP O:1/0 BAJA ACOMODADOR DE PIEZA SAP O:1/1 SUBE ACOMODADOR DE PIEZA BBZ O:1/3 BAJA BAÑO DE ZINC SBZ 0:1/2 SUBE BAÑO DE ZINC BBP O:1/5 BAJA BAÑO DE ZINC SBP O:1/4 SUBE BAÑO DE PINTURA RH O:0/0 RESISTENCIA DE HORNO 1 AFBP O:0/3 ALERTA FALTA DE PINTURA O ZINC CBZ C5:0 CONTADOR BAÑO DE ZINC CONTADORES CBP C5:1 CONTADOR BAÑO DE PINTURA CH C5:2 CONTADOR HORNO MARCAS N7:0 TEMPERATURA REAL DE HORNO Tabla 10.1 Tabla de descripción de marcas en el PLC Allen Bradley 1100. El programa de escalera realizado para programar el PLC Allen Bradley 1100 está dividido en 7 etapas para que sea más fácil su interpretación. Etapa 1. Arranque y paro. En esta parte de programa solo se realiza el arranque del proceso a través de un botón físico normalmente abierto, direccionado en el PLC como I:0/0 y usando el símbolo de arranque. 56

Al accionar el botón de arranque se hace un enclave de la marca B3:0/0(M1) y es lo que da inicio al proceso, indicando con una con una lámpara verde direccionada en la salida O: 1/7 (PROCESO_ON) del PLC. El proceso es suprimido al accionar un botón físico direccionado I:0/1 y accionando una lámpara indicativa de color rojo con marca O:1/6(PROCESO_OFF). Figura 10.16 Arranque y para del Proceso de pintado. Etapa 2. Colgado de pieza. Una vez que se da inicio al proceso la cadena (CADENA) que contiene ganchos para que sean colgadas las piezas comienza avanzar, se detiene cuando es activado el interruptor de limite que está colocado a la altura de la banda 1, indicado que le gancho está en posición para recibir una pieza y enciende un timer (T2 ) que comenzara un conteo. 57

Si el timer T2 termina su conteo y no se ha detectado pieza en la banda 1 (SENSOR_BANDA_1) emite una alarma de emergencia (ALERTA_FALTA_PIEZA). Si se detecto pieza antes de que el timer T2 termine su conteo se enciende la banda 1 para hacer llegar la pieza a su posición correcta para ser colgada en el gancho. Figura 10. 17 Proceso de colocación de pieza en la cadena. 58

Con un timer (T1) se mide el tiempo en que tarda la pieza en llegar a su posición para ser colgada. Cuando este timer (T1) ya termino su cuenta se excita la bobina de la válvula máster (A2) que se encarga de que el cilindro que contiene el colocador de pieza baje y deje colgada la pieza en el gancho de la cadena. Desactiva la bobina A2 el timer T3 y da inicio para que el cilindro suba a través de excitar la bobina A1. La bobina A1 es vuelta a su estado de reposo cuando el timer T4 termina su conteo y a su vez vuelve a avanzar la cadena. Figura 10.18 Proceso de colocación de pieza en el gancho de la cadena. Etapa 3. Baño de zinc para las piezas en los ganchos. Una vez que las piezas han sido colgadas en los ganchos se les da un baño de zinc para retirar impurezas. El baño se le podrá dar a 2 piezas al mismo tiempo. 59

Para realizar esta etapa el contador (CONTADOR_ZINC) lleva el registro de los ganchos que accionan al sensor (SENSOR_BAÑO_ZINC) y cuando se tiene un acumulado de 2 en el contador detiene la cadena (CADENA) y activa la bobina B1(SUBE_BAÑO_ZINC), haciendo que el baño de zinc suba y cubra por completo las piezas. Cuando el timer T7 termina su conteo desactiva la bobina B1 y habilita la bobina B2 (BAJA_BAÑO_ZINC) para hacer bajar el baño de zinc. El timer T8 desactiva la bobina B2, hace que la cadena vuelva a avanzar y resetea el contador (CONTADOR_ZINC). Figura 10.19 Proceso de baño de Zinc para piezas. 60

Etapa 4. Baño de pintura para las piezas en los ganchos. Después de que las piezas han pasado por el baño de zinc, deben ser bañadas en pintura. El baño se le podrá dar a 2 piezas al mismo tiempo. Para realizar esta etapa el contador (CONTADOR_PINTURA) lleva el registro de los ganchos que accionan al sensor (SENSOR_BAÑO_PINTURA) y cuando se tiene un acumulado de 2 en el contador detiene la cadena (CADENA) y activa la bobina C1(SUBE_BAÑO_PINTURA), haciendo que el baño de pintura suba y cubra por completo las piezas. Cuando el timer T10 termina su conteo desactiva la bobina C1 y habilita la bobina C2 (BAJA_BAÑO_PINTURA) para hacer bajar el baño de pintura. El timer T9 desactiva la bobina C2, hace que la cadena vuelva a avanzar y resetea el contador (CONTADOR_PINTURA). 61

Figura 10.20 Proceso para baño de pintura de piezas. Etapa 5. Horneado de piezas. Cuando las piezas ya han sido pintadas deben pasar a la etapa de horneado para que la pintura se seque más rápido y tenga una mejor fijación a la pieza. El contador (CONTADOR_HORNO) es activado por el sensor (SENSOR_HORNO), cada que se activa registra un evento y al acumular 2 62

activa un timer T13 que cuando termina su conteo detiene la cadena en el centro del horno y enciende las resistencias eléctricas para que comiencen a hornearse. Se hornean durante 1 minuto, se restea el contador del horno y la cadena vuelve a avanzar. Figura 10.21 Proceso de horneado de las piezas. El monitoreo de la temperatura se realiza con el sensor LM35. Para poder visualizar la temperatura real del horno se usa la función de escalamiento en RSLOGIX. El tener el control de la temperatura permite introducir una condición dentro de la programación de escalera del PLC, si la temperatura del horno es menor de 50 C al estar encendido 50 segundos emite una alerta de falla (LAFC). Los valores del rate y el offset para la función de escalamiento son calculados. 63

Grafica 10.1 Valores para calculo entrada analógica. En la grafica los valores del eje y son los datos que se pretende que tenga como salida el PLC, en este caso el intervalo de temperatura que se manejara que es de 0 a 150 grados Celsius. El eje x representa los valores que recibe el PLC al introducir una tensión, para este caso a 0vvd toma un valor de 0 y a 10vdc un valor de 1058. Teniendo los valores que regirán la ecuación de la recta, se utilizan las ecuaciones dadas en el manual de usuario de RS-logix 500 para calcular el rate y el offset. 64

Teniendo los valores se introducen en la función de escalamiento, dándole una direcciona a la entra analógica I:0.4 y almacenando el valor de la temperatura en N7:0. Figura 10.22 Monitoreo de temperatura de horno. 65

Etapa 6. Retirado de piezas. El retirado de la pieza de los ganchos se realiza con una garra actuada por un motorreductor. La garra (RETIRADOR_PIEZA) es accionada cuando el sensor (SENSOR_BANDA_2) detecta la presencia de el gancho en posición para que se retire la pieza, al mismo tiempo acciona la banda 2 (BANDA_2), que se encargara de retira la pieza del proceso. Cuando el tiempo de la banda 2 activada termina (Timer T 18) la banda se detiene y cadena vuelve a activarse. Figura 10.23 Proceso de retirado de pieza. 66

Etapa 7. Alerta visual de fallo de proceso. El proceso cuenta con un botón inalámbrico (BOTON_INALAMBRICO), que el encargado del proceso podrá accionar si se encuentra con alguna falla, encendiendo una lámpara indicativa (FALTA_PINTURA_O_ZINC) durante un minuto. Figura 10.24 proceso botón inalámbrico. 67

XI. RESULTADOS OBTENIDOS. Se cumplieron los objetivos planteados al inicio de este documento. Obteniendo un prototipo funcional de un proceso de pintado automatizado de piezas controlado por PLC, exhibiendo los de sistemas de alertas ANDON y teniendo el control y visualización del proceso a través de una aplicación para Windows por medio de los protocolos de comunicación OPC. Evidenciado su efectividad y rapidez para la exhibición de fallas dentro del proceso. Figura 11.1 Maqueta de de proceso de pintado automatizado terminada. 68

XII. CONCLUSIONES Y RECOMEDACIONES. El realizar un prototipo para hacer una demostración de un proceso industrial es algo complejo debido a que se deben integrar varias tecnologías, tratando de cubrir todo lo esperado para las industrias. Por tal motivo se debe de tener una distribución de las actividades necesarias para realizarlo de acurdo a las fortalezas de cada participante. En el caso de la programación del PLC es necesario llevar un registro de cada salida y entrada que se emplean para tener a la mano cada marca que se le dio y saber que acción realizara dentro del código cuando sea requerido y dentro del programa de escalera usar la simbología de el software utilizado para nombrar cada marca interna que empleemos y sea más fácil ubicarlas en las líneas de programación, evitando tener que recordar que función realiza cada salida o entrada. Para realizar las conexiones eléctricas es necesario tener presente el código de colores usados en las industrias, el cual ayuda a llevar un mejor control y saber con solo mirar los cables si son de corriente alterna ó directa, ó tienen alguna otra función. 69

XIII. ANEXOS. Diagrama de escalera de proceso de pintado automatizado. 70

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XIV. BIBLIOGRAFÍA. Internet. Página oficial de Allen Bradley. Disponible en: http://ab.rockwellautomation.com/es Tutorial Principios de programación de PLC Allen Bradley. Disponible en: http://controlesplc.blogspot.mx/2010/10/el-micrologix-1100-tiene-un-servidor.html Principio de funcionamiento de celdas fotovoltaicas. Disponible en: http://celdasfotovoltaicas.blogspot.mx/ Sistema ANDON. Disponible en: http://www.andon.com.mx/ 77