UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA
MECNICAMONOGRAFIA FINAL Nombre del Proyecto:ENVASADORA VERTICAL DE
HARINA
Curso: DISEO DE MAQUINAS AUTOMATICAS. Profesor:PEREZ AUPA
ROLANDO Integrantes: LOLI SALCEDO ENRIQUE 20100068I JULIAN DURAN
ERICK 20100063I IZQUIERDO CRISTBAL, JOB 20104014B CHAVEZ BRAES IVAN
20109001F
Lima- Per
INTRODUCCINTal y como se coment en el tema de introduccin el
control bsico se basa en el lazo o bucle de control realimentado.
ste, en el caso de una sola variable, est compuesto por i) un
sensor que mide el valor de una variable, la variable controlada o
relacionada con ella, ii) por un controlador, que recibe el valor
de dicha variable y en funcin de un valor de referencia y mediante
un algoritmo manda una seal, y por iii) un elemento final,
normalmente una vlvula, que recibe la seal del controlador y
realiza una accin sobre el proceso.El lazo de control realimentado
(o "feedback") es el sistema de control en lazo cerrado ms
sencillo, mediante el que el controlador recibe informacin sobre la
medida de la variable controlada, pudiendo comprobar si la actuacin
ordenada sobre la variable manipulada ha tenido o no el efecto
adecuado, permitiendo su correccin en caso necesario.El
funcionamiento de un lazo en realimentacin es independiente de la
causa del posible error, tanto se deba a un cambio de consigna como
al efecto de una perturbacin, el controlador puede maniobrar el
proceso adecuadamente.Dentro de este lazo bsico, y de cualquier
otra estructura de control, un componente fundamental es el
controlador, ya que el buen funcionamiento del sistema est
directamente relacionado con una buena definicin del controlador.En
el presente captulo se van a describir a continuacin los
controladores, los sistemas de control y sus componentes. Tras esta
exposicin se comentar el ltimo elemento del lazo de control que no
ha sido cubierto hasta ahora. Se trata de la transmisin de las
seales, la comunicacin entre los diferentes nodos que conforman el
sistema de control. Se har un repaso por la evolucin de los
sistemas de comunicacin, desde la comunicacin analgica hasta los
protocolos actuales de transmisin digital.
ControladoresLos controladores son procesadores, con sus
elementos hardware y software, que calculan la accin de control a
aplicar a un proceso mediante algn tipo de algoritmo y utilizando
informacin del proceso a controlar: la variable medida.Por tanto y
dentro de la definicin anterior los componentes principales de un
controlador son:Componentes Software:Algoritmos de controlProgramas
de aplicacinComponentes Hardware:Puertos analgicos y digitales de
entrada y salida. Interfaces a las redes (de datos) de control y
campo.Accin del controladorLa accin del controlador puede ser
directa o inversa y el funcionamiento del control depende de una
correcta seleccin de la misma. Se dice que el controlador debe
realizar una accin directa cuando ante un incremento de la seal del
transmisor la seal del controlador debe tambin incrementarse. Por
el contrario se dice que el controlador debe realizar una accin
inversa cuando ante un incremento de la seal del transmisor la seal
del controlador debe reducirse.La accin del controlador vendr
determinada por dos factores: el proceso y la accin de la vlvula de
control ante fallo de aire.
SISTEMAS DE CONTROL ACTUALES
Sistemas basados en PLCs: componentes
Estaciones de control y adquisicin de datos
En su concepto ms clsico el PLC est orientado a la automatizacin
de procesos con predominio de seales todo - nada. Se conciben como
elementos muy robustos, casi siempre para soportar ambiente
industrial, fiables, capaces de aplicarse en operaciones crticas
incluso de alto riesgo, y autnomos, mantienen el control de la
operacin con independencia de potenciales fallos en el resto de los
elementos del sistema como red de planta, visualizacin, etc.
Dentro de la enorme diversidad de modelos de PLC's pueden
abstraerse como caractersticas comunes la utilizacin de un bastidor
que aloja una fuente de alimentacin y una serie de tarjetas con
diversas funcionalidades, entre las que siempre ha de figurar, al
menos, una tarjeta bsica, dotada con la unidad central de proceso
(CPU) que proporciona la capacidad de programar el sistema. Los
modelos ms elementales pueden englobar los elementos citados en un
paquete compacto, es decir, fijo y no ampliable.
En el terreno de la automatizacin de procesos discretos
("manufacturing") el PLC no tiene competencia y su utilizacin es
universal. En el mundo de la industria qumica y afn destaca su
aplicacin en aquellos procesos, tpicamente por cargas o mixtos, en
los que en el conjunto de acciones de control, el nmero y, sobre
todo, complejidad de tratamiento de las seales continuas
(analgicas) no resultan excesivos, si bien, como se ha indicado
anteriormente, las diferencias son cada vez ms ambiguas. Como
ejemplos de utilizacin tpica de sistemas de control basados en
PLC's pueden citarse las Fbricas de Pulpa y Papel, Aceras, Polmeros
(PE,PP,PS), Gases, Alimentacin y bebidas, Azucareras, Qumica fina y
Farmacia.
Las funciones encomendadas al PLC, recepcin y envo de seales a
campo, clculos, disparo de alarmas, etc., se programan, mediante
una maleta auxiliar de programacin, en realidad un ordenador, que
se conecta temporalmente al sistema.
Diagrama de flujo del sistema:
Clculos de las dimensiones de la bolsah=700 kg/m^3 h =0.7
g/cm^3M=0.5 g.a. Volumen de harina:Vh=500g/Vh=714.28 cm^3b. Dimetro
del tubo base de la bolsaDt=10 cm
c. rea de la bolsa:A=*D1^2/4 A=78.53 cm^2d. Longitud mnima para
contener la haraLmin=Vh/A=9 cm.e. Longitud final de la bolsa se
considera la parte vacia con aireLf=1.8*Lmin=17 cm.Por lo tanto la
bolsa tendra unas dimensiones de:Ancho: La= *Dt=31.49cm=32
cm.Largo: Ll=17cm.Harina 500 gramos
32cm17cm
Para los clculos se us Matlab para facilitar el ingreso de
valores y elegir la solucin que ms se ajusta al diseo
Eleccin del motor
Los motores paso a paso con engranajes son convenientes para los
sistemas con alta inercia.
Elegimos acero inoxidable AISI 316L ac= 8027 kg/m^3
Momento de Inercia del disco: J=0.0633 Kg*m^2Momento de Inercia
de la Harina:Jh=* h*Lw*Dw^4/32 =0.8 *10^-5 Kg*m^2mh=500gpor
Steiner: Jhf=Jh+mh*L^2Jhf=Jh*4+Jhf=1.1*0^-5 Kg*m^2La inercia
total:Jt=J+Jhf =0.0634 Kg*m^2
Datos del motor:
De esta figura seleccionamos el RK 566 AA E N-10:
Momento de inercia del motor: Jo= 280*10^-7 Relacin de
engranajes: i =10 Resolucin: s=0.072
Determinar el Patrn de operacin
=90Numero de pulsos de operacin: A=/ s=1250Tiempo de
posicionamiento: to=0.625 s , t1=0.25*to=0.1563 f2= 2667 Hzf1=0
Hz
Velocidad de operacin: Nm= s*f2*60/360 Nm=32 RPM
Torque totalTa=(Jo*i^2+Jl)**s*(f2-f1)/(180*t1)Ta=1.3508 +
21.44*i^2*Jo Multiplicando por el factor de
seguridadTm=Ta*Sf=Ta*2=2.715 + 42.89*i^2*Jo
Reemplazando los datos del motor:El torque final requerido
es:Tm=2.8355 N*m
Radio de Inercia = Jl/(Jo*i^2)= 22Tasa de aceleracin=
t1/(f2-f1)= 58.59 ms/KHz
ANLISIS DE CARGASTolva
Base superiorTubo embudoCuello0DiscoEstructura Base
Come se aprecia en la figura la Tolva estar anexada a la base
superior mediante el cuello en L, el disco giratorio ser accionado
por un motor paso a paso mediante un eje vertical en su centroide,
El sistema embolsado junto con el Tubo embudo esta soldado sobre la
parte superior de la Estructura Base. Debido a estas caractersticas
es conveniente analizar los esfuerzos y deformaciones sobre la
parte de la base superior, el cuello, y la parte superior de la
estructura que sujetan al disco, al cuello y el Tubo Embudo
respectivamente. Procedemos a hallar las cargasFuerza (1):
TOLVAProcedemos a dibujar el modelo a escala con la ayuda del
software SOLIDWORKS. Posteriormente se calculara su volumen y masa,
para el caso de la tolva consideramos material AISI 316L acero
inoxidable debido a que va estar en contacto con el alimento segn
las normas internacionales. Se obtienen los siguientes datos del
software:
Ejes principales de inercia y momentos principales de inercia: (
gramos * milmetros cuadrados )Medido desde el centro de masa. Ix =
(1.00, 0.00, 0.00) Px = 747125562.46 Iy = (0.00, 1.00, 0.00) Py =
747125682.39 Iz = (0.00, 0.00, 1.00) Pz = 790914550.1Densidad =
0.01 gramos por milmetro cbicoMasa = 15589.64 gramosVolumen =
1942149.94 milmetros cbicosrea de superficie = 1957501.72 milmetros
cuadrados
Centro de masa: ( milmetros )X = 0.00Y = 0.00Z = 129.52
La tolva estara llena del producto, harina cuya densidad es
contenida en un volumen interior de
Fuerza (2): DISCO
Par el disco consideramos material AISI 316L acero inoxidable
debido a que va estar en contacto con el alimento segn las normas
internacionales. SE obtienen los siguientes datos del
software:Densidad = 0.01 gramos por milmetro cbicoMasa = 2783.97
gramosVolumen = 346825.55 milmetros cbicosrea de superficie =
351475.10 milmetros cuadradosCentro de masa: ( milmetros )X = 0.00Y
= 0.00Z = -8.20
El disco girara sobre su eje por un pequeo motor de 5kg
Fuerza (3): Tubo embudo ms Sistema Embolsado
Masa = 57566.29 gramos
Volumen = 7174689.25 milmetros cbicos
rea de superficie = 1029207.03 milmetros cuadrados
Centro de masa: ( milmetros )X =-180mmY = 0Z = 0
Aislamos La parte que vamos a analizar como se muestra en el
siguiente grafico donde la fuerzas actuantes son F1. F2 y F3
calculadas anteriormente
F3= F2= F1=
En el software hacemos el anlisis de cargas introduciendo la
conexiones fijas como se aprecia en la parte inferior (flechas
verdes) las fuerzas actuantes sobre la estructura aislada, para
este caso son fuerzas remotas que actan sobre el centro de
gravedad(flechas moradas). Obtenemos los siguientes resultados
Esfuerzos
Deformaciones
El esfuerzo mximo es de 10.231 < 150 MPa(Limite Elastico)La
deformacin mxima es 0.0175mm; ambos casos ocurren en la parte
superior del cuello como se aprecia en la figura. Estos clculos se
hicieron con un factor de seguridad de 2 , bajo el criterio de Von
mises.
ELECCION DE PISTONES
Graficas SMC
Aluminio (Densidad: 2700 kg/m3) Mordaza 1:Masa: 6.067 kg Mordaza
2:Masa=6.412 kg Soporte Sellador hor:Masa=13.136 kgASTM A36 Acero
(Densidad: 7850 kg/m3) Barras:Masa= 2*1.392 kg= 2.784 kg
Acero inoxidable (Densidad: 8027 kg/m3)Piston hor: 21.6 g =
0.0216 kgTotal:28.42 kg
Con factor de carga n=0.5 (Mvto vertical de carga en gua) Se
escoge pistn con vstago de 40 mm de dimetro Vstago 6 cm
Aluminio (Densidad: 2700 kg/m3) Mordaza 2:Masa=6.412 kgTotal:6.4
kg
Con factor de carga n=0.7 (Mvto vertical de carga en gua) Se
escoge pistn con vstago de 16 mm de dimetro Vstago 3 cm
CONTROL DEL SISTEMA
PROGRAMACION DEL PLCDIAGRAMA DE FLUJO
TABLA DE DIRECCIONES
TABLA DE DIRECCIONES
INICIO
BOTON ONENTRADADIGITALI124.0
Boton OFFENTRADADIGITALI124.1
LED ON/OFFSALIDADIGITALQ124.0
HDMI ESTADO DE LOS SENSORESVISUALIZADOR
PARTE II DOSIFICADOR
SENSOR TOLVAENTRADAANALGICOIW752
LED FALTA INSUMOSALIDADIGITALQ124.1
MOTOR DOSIFICADOR PASO A PASOSALIDADIGITALQ124.2
SENSOR DE POSICIONENTRADAANALGICOIW753
PARTE III ALIMENTACION DE LA BOLSA
SENSOR DETECCION BOLSAENTRADADIGITALI124.2
MOTOR ALIMENTACION DE LA BOLSASALIDADIGIALQ124.3
PARTE IV SELLADO
SENSOR 200 GR LISTOENTRADAANALOGICOIW754
CONTACTOR VERTICALSALIDADIGITALQ125.0
CONTACTOR HORIZONTAL 1SALIDADIGITALQ125.1
CONTACOR HORIZONTAL 2SALIDADIGITALQ125.2
SENSOR PISTON S1ENTRADADIGITALI125.1
SENSOR PISTON S2ENTRADADIGITALI125.2
SENSOR PISTON S3ENTRADADIGITALI125.3
SENSOR PISTON S4ENTRADADIGITALI125.4
ELECCION DEL PLC
ELECCIN EL TIA PORTAL
CPU ELEGIDO
PROPIEDADES
Material usado para la fabricacin de las bolsasSegn la Norma
tcnica Peruana de envases de productos alimenticios, se recomienda
usar polietileno de baja densidad X-0405 cuyas propiedades se ven
en la figura siguiente.Figura 1
Soldadura de las bolsas plsticasPara nuestra envasadora estamos
usando una selladora vertical y horizontal, en la cual calentaremos
el plstico hasta su punto de fusin (300C) y le aplicaremos presin
para que quede sellado. Calcularemos el rea de sellado para el
sellador vertical
Donde D: dimetro de la bolsaL: Ancho total que se genera cuando
muerde el sellador a la bolsa
Para el Ancho del rea de sellados tomares 1 cm 1 cm
L=15.7 cm
rea total=15.7cm^2Normalmente para nuestra aplicacin que tiene
un espesor de 0.3mm, la potencia recomendada es
0.5W/mm^2Realizaremos los siguientes clculosPotencia para el
sellado=15.7 *(10mm) ^2*0.5W=785WLa Resistencia calculada referente
a la potencia que se necesita esR=V/785 -> el voltaje que nos
dar el PLC ser de 50v DC -> R=50^2/785=3.06 ohmResistencia
Trmica para el sellado y corteLas Resistencias recomendadas para
realizar sellados y corte de plsticos son de material de Nicrom tal
como indica la siguiente imagen.
Elegiremos la cinta plana que es la usada normalmente para
sellado de plsticos
Elegiremos de la Tabla las dimensiones disponibles
Para nuestra aplicacin usaremos 2cintas de 2 x 0.1 y 2 cintas de
3x0.1 para cada lnea de sellado las cuales son 3 en total, 2 en el
sellador horizontal y 1 para el sellado vertical, elegiremos estos
debido a su baja resistenciaCalculamos la resistencia para una
cinta de nuestro sellador dndole 2 mm ms de tolerancia a los
ladosLt=L+tolerancia -> Lt=157mm+2*2mm=161mmRtotal =
0.161*5.458*2+0.161*3.626*2=3.167 Corte para separar las bolsas
plsticas entre siUtilizaremos un hilo de nicrom de 1 mm
Para realizar el corte alimentaremos el hilo hasta elevar su
temperatura a ms de 350CSensor de TemperaturaPara la realizacin del
control utilizaremos un sensor de temperatura un Termocupla Tipo T
que posee un rango de 0 a 400C, con el cual podremos medir a la
temperatura que debe estar las resistencias para que no se derrita
por completo las bolsas.