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.