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CONTROL AUTOMATICO DE LA ELABORACION DESANDWICHES
Juan Pablo Delgado M 1, Juan Diego Bedoya C2, Luis Esteban Giraldo Q3, Diego Andres Marquez S4
correos: [email protected] , [email protected] , [email protected], [email protected]
Abstract— Este documento, permitira entender de manerasimple, el desarrollo del proceso automatizado de la elaboracionde sanduches;partiendo desde fabricacion de ingredientes, en-samble hasta llegar a a fase final de empaquetado, profun-dizando en cada uno de los subprocesos que ocurren dentro deeste.
I. INTRODUCCION
Sanduchineitor es una empresa enfocada a la elaboracionde sanduches de alta calidad, siguiendo lineamientos deseguridad para el consumo humano, con la diferencia de unaautomatizacion completa en el desarrollo de su producto,de ahı sale su nombre; la revolucion de las maquinasllego a la industria del sandwich. Sanduchineitor se encargadesde la elaboracion del pan, la cual consta de diferentesprocesos como la mezcla de ingredientes con porcentajesapropiados para su proceso de mezclado, dosificado, mold-eado, horneado, desmolde y corte del pan; hasta llegar ala dosificacion e implementacion de los ingredientes extras,tales como lo son el queso, jamon salsas y tomate. Se puedetomar los sandwiches como un alimento de consumo diario,dirigido a un publico en general, que va desde los 5 anos enadelante, complementando la dieta necesaria con un consumocalorico optimo para la realizacion de diferentes tareas deldıa a dıa.
A. Problematica a solucionar
La problematica de la industria de los sanduches se basa enel gran porcentaje de dinero en mano de obra y en tiempo detrabajo empleado en ello, aparte de que por manejo humanopueden existir residuos indeseables en el producto final
B. Que. como y por que automatizar?
La innovacion que presenta sanduchineitor es la de unaautomatizacion en la produccion de sanduches, enfocada aresolver problemas nombrados con anterioridad, tales comoson los tiempos optimos en una gran produccion, sin dejarde lado costos por mano de obra y manejo de personal,evitando ası la invasion de agentes externos en el productofinal, ampliando su experiencia en procesos automatizadosy de alta calidad. Se tiene presente la automatizacion de lamaquinaria disponible para dosificacion, mezcla, moldeado,horneado, corte y la linea de transporte y empaquetado
del producto; haciendo uso de dos PLCs, el primero estadisponible para interaccion por medio de interfaz hombremaquina, para la seccion que va desde la dosificacion demateria prima hasta la linea de horneado del pan, incluyendola linea de transporte entre dichos procesos; el segundo PLCesta disponible desde la linea de corte de pan, hasta la deempaquetado, incluyendo la linea de transporte entre estos,obviamente con el facil manejo desde su interfaz simple.
En este informe se profundiza en este proceso tanvariado, adentrandose en cada uno de los subprocesos,haciendo enfasis en la automatizacion de cada una de lasmaquinas, actuadores, controladores, sensores y el flujo deenergıa para un buen proceso de automatizacion de la plantade produccion de sanduches.
II. DESCRIPCION DEL PROCESO
A. LAYOUT
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En el layout se encuentra el orden y la posicion delas maquinas de la empresa en la parte superior seencuentran los contenedores los cuales vierten la materiaprima en la batidora al finalizar el proceso la mezcla sedirige a la cortadora la cual tiene la funcion de porcionar yenviar a los moldes estos son ingresados al horno para elproceso de coccion despues de este el producto se dirigea la cortadora en esta el pan sale tajado y se dirige a laensambladora en esta maquina es donde se le agregan losingredientes con los cuales se arma el producto luego deestar ensamblado se dirige a la empaquetadora donde seguardan los sandwiches para su distribucion.
B. DESCRIPCION DEL PROCESO PROCESO PRODUC-TIVO
Para la produccion de sanduches, se separa la producciondel pan, y el acople de los elementos de la siguiente manera;la linea comienza con la mezcla de ingredientes para el pan,posterior a esto se pasa al corte de masa y moldeado, paraası llegar al horno. Despues de su proceso de enfriamientopor transporte se procede con el corte en rebanadas; llegandoası a la segunda seccion de la planta, la cual es dosificaciony ensamble de materia prima del sanduche como tal, dondese apilan el queso, jamon, salsas y tomate en las rebanadasde pan que salieron desde el primer proceso automatizadode fabricacion del pan; para finalizar se tiene el proceso deempaquetado, el cual nos entrega el producto final listo paraenviar y consumir.
C. DIAGRAMA DE FLUJO DE MATERIA
D. DESCRIPCION DE LOS SUBPROCESOS
Teniendo la materia prima almacenada en contenedoresindustriales de aluminio inoxidable adecuados para usoalimenticio, se alimenta la dosificadora con el transportepor tuberıa individual para cada ingrediente, teniendo unsensor de nivel el cual nos brinda optimizacion en medidasde porcentaje de peso, como actuador tendremos valvulasque permiten la salida de materia prima; para el metodo detransporte, el almacen esta ubicado en la planta superior,para evitar tanto agentes contaminantes y aprovechar lafuerza de gravedad para la caıda en la siguiente estacion, lacual es la estacion de mezcla.
En la estacion de mezcla sanduchineitor presenta unamaquina batidora con capacidad industrial, la cual cuentacon una entrada en la parte superior, dejando la caıda librea los insumo que lleguen de la zona de almacenamientoubicada en el segundo piso; esta maquina cuenta con latecnologıa de un sensor de nivel, ubicado en la zona demezcla, el cual al llegar al nivel programado desde el PLCprincipal, se activa el actuador de esta maquina, el cual esun motor vertical ensamblado a unas paletas especiales para
mezcla, cuyo tiempo esta limitado desde un temporizadorprogramado desde el PLC entre el tercio medio y el inferiorde la maquina, se encuentra la compuerta de desahogo demateria, donde una vez la materia prima fue mezclada, seabre la compuerta de salida, que conecta con una cintatransportadora, la cual trabaja con un sensor de contacto ycuenta con un motor de potencia media como actuador.
Durante el trayecto de la cinta transportadora, se encuentrala seccion de corte de masa, donde se cuenta con laexistencia de una maquina de corte por aspas; en estamaquina encontramos un sensor de velocidad, ubicado enla cinta transportadora, este es empleado para cuantificarla velocidad de movimiento de la masa, y ası dependiendode esta velocidad, se envıa la senal para la activaciondel actuador, que en este caso es un motor horizontal,ensamblado al sistema de corte de aspas giratorias.
La caıda de la masa, gracias al movimiento y direccion dela fuerza de corte de las aspas, la masa se divide en doscarriles diferentes, los cales cuentan con una cubierta deamasado, la cual ayuda a un optimo desarrollo del producto;culminando la cubierta de amasado se encuentra el finalde la primera cinta transportadora, donde e encontraran losmoldes bajo esta, la cinta estara programada con un sensorde velocidad como ya se habıa mencionado, y la cintatransportadora inferior cuenta con un sensor de peso quecuentan con la tecnologıa flintec, optimizando la precisiony la calidad del proceso de pesaje. el cual inmediatamenteel sensor de peso llegue a su lımite, la cinta proveera unnuevo molde, desplazando el molde que esta completo.
El molde junto a las masas que estos contienen, sedesplazan por la segunda linea de transporte, conformadapor una cinta transportadora equipada con un sensor de peso(mencionado anteriormente) y un motor como actuador queimpulsa el sistema de transporte de la cinta; esta cinta tienecomo siguiente estacion, el arribo a la seccion de horneado.En la seccion de horneado la empresa cuenta con un sistemabasico, compuesto de un horno industrial programable,con un sensor de tiempo, sensor de temperatura ycomo actuadores tenemos tanto una resistencia como untemporizador. En esta seccion la masa y moldes, entranpor su lateral, se cierran sus compuertas, y al momentode culminar el proceso de horneado manejado desdeel PLC, se abre la compuerta de salida de la maquina,conectada directamente a la cinta transportadora, quedurante este trayecto de la seccion de horneado a la decorte, se implementa enfriamiento lento por la diferenciade temperatura con el ambiente, justo antes de llegar aldesmolde, donde se voltean los moldes, dejando caer el panen una cinta transportadora diferente, dejando listo el panpara la seccion de corte.
La empresa cuenta con una cortadora de pan, ensambladadirectamente a la cinta transportadora, la cual cuenta conuna sierra sin fin, que se activa con un sensor de proximidad,
y como actuador tenemos el motor de la sierra sin fin.
Una vez el pan es cortado en rebanadas, se culminala parte de fabricacion de la linea automatica de laproduccion de sanduches, pasando a la linea de ensamblaje;en la cual tenemos la materia prima entrando por doslugares, entra por el frente de la maquina el pan enrebanadas, y por la cara superior se ubica manualmentelos bloques de queso y jamon, y en los contenedores delıquidos se pone las salsas. Esta maquina de ensamblajecuenta con sensores de proximidad, de velocidad, y comoactuadores tendremos un motor, un servomotor ensambladosa las aspas de corte y valvulas de apertura de los depositos.
Teniendo culminado la seccion de ensamblaje, los sanduchessalen listos para la seccion de empaquetado, pasando por unacinta transportadora conectada directamente a la maquina deempaquetado, que cuenta con un sensor de proximidad y otrode velocidad; y como actuadores tenemos un servomotor yun motor para asegurar un optimo proceso de empaquetado.esta maquina maneja rollos de plastico para envolveralimentos de manera adecuada y segura, evitando entradade agentes externos que puedan contaminar el producto final.
Una vez empaquetado, el sistema automatizado de laproduccion de sanduches culmina, dando como resultado unsanduche empacado y listo para el consumo humano.
III. INSTRUMENTACION
Instrumentacion hace referencia al conjunto de instru-mento necesarios para llevar a cabo una actividad o llegar auna solucion. La instrumentacion a utilizar para este procesose muestra en las siguientes subsecciones.
A. Actuadores y sensores por bloque.
El proceso de elaboracion de sandwiches, se divide en 3bloques para optimizar cada parte de la secuencia que estesigue. para el primer bloque se tienen los subsistemas dedosificacion, batidora y transporte 1, donde en dosificacionse presenta un sensor y un actuador por cada contenedorde materia prima, usando un sensor de nivel y una valvulade apertura para dejar caer la materia prima necesaria;enel subsistema de mezcla, cuenta con un sensor de peso ycomo actuador tenemos el motor de la mezcladora; parael subsistema de transporte se cuenta con un sensor depeso y como actuador se maneja del motor de la cintatransportadora.
Para el segundo bloque se tienen presentes los subsistemasde dosificacion, moldeado, transporte, horneado y des-moldeado; el subsistema de corte/dosificador, cuenta conun sensor de velocidad y como actuador se tiene un motorde pulsos; en el sistema de moldeado se tiene un sensorde peso, y comparte como actuador el motor de la cintatransportadora de el subsistema de transporte de estebloque, el cual tambien tiene como entrada un sensor decontacto; el subsistema de horneado, cuenta con un sensor
de temperatura, un temporizador, y como salida se presentauna resistencia; en el des-moldeo, se presenta un sensor develocidad y comparte como actuador el mismo motor detransporte de este bloque.
En el tercer bloque se presentan los subsistemas decorte de pan, dosificadora 3 y empaquetado. En corte sepresenta un sensor de proximidad y uno de velocidad; comorespuesta se obtiene un motor de la sierra y el motor de lalinea de transporte, para el subsistema de dosificadora 3 secuenta con sensores de nivel, de proximidad y peso, y comoactuadores se tienen servo motores y motor de pulso. En elsubsistema de empaquetado tenemos sensor de velocidad yproximidad, y como actuadores se tiene un motor para todoel sistema.
B. ¿Cuantos PLCs se usaran y porque?
Para la automatizacion de la produccion de sandwiches,se toma en cuenta 4 PLCs Fx-35 de la empresa mistubishi,los cuales cuentan con 8 entradas y 6 salidas.
El primer PLC (PLC 1), esta enfocado en un controlespecıfico de los subsistemas de Dosificacion, mezcla, ytransporte en la cinta transportadora 1;con un total de, 7entradas y 6 salidas, permitiendo una entrada extra para elstart-stop general desde un PLC de control general.
El segundo PLC (PLC 2) esta enfocado en los subsistemade dosificacion de masa (cortadora de masa), moldeado,transporte 2, horneado y la seccion de desmolde; las cualescuentan con un total de 7 entradas y 4 salidas, dejando laentrada extra para el start-stop del sistema.
El tercer PLC (PLC 3) esta disponible para los subsistemasde corte de pan, dosificacion, empaquetado y transporte 3.Este PLC cuenta con un total de 6 entradas y 6 salidas,dejando espacio para el start-stop de control general.
El 4 PLC esta disenado para un control general, conun sistema de start-stop, perfecto para cualquier emergencia,simplificando el sistema y ası optimizar cada proceso yaque en este modulo se encuentra el monitoreo del procesogeneral, con un total de 8 entradas y 6 salidas.
C. Tablas sensores
Las siguientes tablas muestran los sensores, el nombrecon el que seran denotados, el PLC al que estara conectadoy su direccion de entrada.
los sensores que presentan senales continuas y necesitande sistemas de adquisicion como DAC y ADC se muestranen la siguiente tabla:
La cantidad y tipo de sensores y PLCs que usamosse muestran en la siguiente tabla y grafico.
D. Tabla de actuadores
La siguiente tabla muestra los actuadores, el nombre conel que seran denotados, el PLC al que estara conectado y sudireccion de salida.
los actuadores que presentan senales continuas y necesitande sistemas de adquisicion como DAC y ADC se muestranen la siguiente tabla.
La cantidad y tipo de sensores y PLCs que usamos semuestran en la siguiente tabla y grafico.
IV. PROTOCOLO
A. Protocolo dosificadora de agua
El funcionamiento de la maquina dosificadora del aguaincluye un sensor de nivel que al encontrarse a un 70por-ciento activa un servo motor el cual abre una compuertaque deja salir los ingredientes y verterlos a la mezcladora.
1. El sensor de nivel debe llegar a un 70 por-ciento.2. EL servo motor se activa al recibir la senal de 13. El servo motor se apaga al recibir la senal de 0.
MEF 1 y caja negra para la dosificadora de agua:
B. Protocolo dosificadora de harina
El funcionamiento de la maquina dosificadora de harinaincluye un sensor de nivel que al encontrarse a un 70por-ciento activa un servo motor el cual abre una compuertaque deja salir los ingredientes y verterlos a la mezcladora.
1. El sensor de nivel debe llegar a un 70 por-ciento.2. EL servo motor se activa al recibir la senal de 13. El servo motor se apaga al recibir la senal de 0.
MEF 2 y caja negra para la dosificadora de harina:
C. Protocolo dosificadora de sal
El funcionamiento de la maquina dosificadora de salincluye un sensor de nivel que al encontrarse a un 70por-ciento activa un servo motor el cual abre una compuertaque deja salir los ingredientes y verterlos a la mezcladora.
1. El sensor de nivel debe llegar a un 70 por-ciento.2. EL servo motor se activa al recibir la senal de 13. El servo motor se apaga al recibir la senal de 0.
MEF 3 y caja negra para la dosificadora de sal:
D. Protocolo dosificadora de aditivos
El funcionamiento de la maquina dosificadora de losaditivos incluye un sensor de nivel que al encontrarse aun 70 por-ciento activa un servo motor el cual abre una
compuerta que deja salir los ingredientes y verterlos a lamezcladora.
1. El sensor de nivel debe llegar a un 70 por-ciento.2. EL servo motor se activa al recibir la senal de 13. El servo motor se apaga al recibir la senal de 0.
MEF 4 y caja negra para la dosificadora de aditivos:
E. Protocolo de la batidora
La batidora presenta un sensor de peso el cual se activaal sentir 200 gr de ingredientes lo cuales caen desde losdosificadoras este al activarse da la senal al motor deencenderse la maquina presenta un temporizador con el cualdesactiva el motor al pasar 5s.
1. El sensor de peso se activa al recibir 200 gr.2. El motor se activa al recibir la senal del peso.3. El motor se apaga al no recibir la senal del peso.
MEF 5 y caja negra para la batidora.
F. Protocolo cortadora de masa
La cortadora presenta dos sensores el primer sensor deproximidad con este se da la senal para que el sensor develocidad empiece a controlar la velocidad de los servomotores que hacen los cortes.
1. Se activan los sensores de proximidad con la masa.2. se activa el sensor de velocidad que da lecturas.3. los servo motores reciben las senales de velocidad.4. Los servo motores se encienden.5. Los servo motores se apagan al no recibir la senal delsensor de proximidad.
MEF 6 y caja negra para la cortadora de masa.
G. Protocolo banda y molde
Estas presentan una combinacion de tres sensores peso,tiempo y velocidad al activarse el sensor del peso se activael motor el cual da avance en la banda y este es controladopor velocidad para el llenado de los moldes.
1. se activa el sensor de peso.2. se activa el motor.3. se activa el sensor de velocidad.
MEF 7 y caja negra para el sistema de banda y molde.
H. Protocolo del horno
Para el horno se usa un sensor de temperatura que seactiva cuando la resistencia llega a su temperatura idealpara el horneado del pan y este es controlado por untemporizador que lo apaga a los 10 min.
1. se activa la resistencia.2. el sensor de temperatura mide la temperatura.3. el tiempo se activa con la temperatura ideal.
MEF 8 y caja negra para el horno.
I. Protocolo cortadora de pan
La cortadora presenta sensor de proximidad al cual alactivarse enciende un motor el cual mueve las sierras sinfin.
1. el sensor de proximidad se activa y da senal.2. el motor de la sierra se activa.
MEF 9 y caja negra para la cortadora de pan.
J. Protocolo ensambladora de sandwiches
La ensambladora de sandwiches presenta dos sensoresuno de proximidad el cual activa el motor que este esregulado por un sensor de velocidad ya con los parametrosestablecidos el servo motor se activa o desactiva para dejarcaer los ingredientes.
1. el sensor de proximidad detecta.2. se activa el motor de movimiento.3. se activa el sensor de velocidad.
4. servo motores reciben senal de velocidad.
MEF 9 y caja negra para la ensambladora de sandwiches.
K. Protocolo empaquetadora
Presenta sensores de velocidad y proximidad esta maquinase activa cuando el sensor de proximidad detecta que lossandwiches se acercan este activa el motor y el sensor develocidad lo va controlando.
1. el sensor de proximidad detecta.2. sensor de velocidad se activa.3. se activa el motor de empaquetado.
MEF 9 y caja negra para la empaquetadora.
V. IMPLEMENTACION
El primer PLC se programaron las maquinas encargadasde elaborar el pan estas maquinas presentan sensoresde nivel y de peso, ademas de actuadores tales comoservomotores y motores.
En el programa GX WORKS 2 se definen la clase delas variables como globales en ellas se define cada uno delas entradas de los sensores de nivel como (NV1-NV4),el sensor de peso se define como (W1) luego de esto sedefinen las salidas de los actuadores, el servomotor se definecomo (SR1-SR4) y el motor de la batidora (MB1).
Dicha variables se muestran en la siguiente figura.
Ya con las variables definidas se procede a trabajar sobrela interfaz en la cual se separa por tres estados (ESTADO0,ESTADO1, ESTADO2) en el primer estado se controlanlas entradas de las dosificadoras, en el estado siguiente secontrolan los actuadores y con ellos, la materia con la cualse va a realizar el pan en este mismo estado se encuentra laentrada de la batidora que es la que recibe los ingredientesde la dosificadora en el ultimo estado se controlan lassalidas y los temporizadores del area de mezcla por tiemposdeterminados.
En el segundo programa realizado en el software GXWORKS 2 se controlan los PLCS 2 y 3 los cuales controlanla parte de transporte, horneado, ensamble y empaquetadoen esta se definieron las entradas y salidas de cada maquinacomo variables globales estas maquinas presentan entradasde proximidad (PX1-PX4), las entradas de los sensores develocidad (V1-V4) estos con sus debidos temporizadores.
Dicha variables se muestran en la siguiente figura.
Ya con las variables definidas se procede a trabajar sobrela interfaz en los cuales se definen 3 estados en ellos seprocede a setear las entradas de los sensores con estosseteados en el los estados anteriores a donde se encuentranlas salidas de los actuadores.
en el PLC 1 se define la posicion de cada maquinadosificadora, batidora y la ubicacion de cada start, stop.
Para el PLC 2 se tendra la parte esencial para el procesoproductivo ya que comprendera las maquina fundamentalespara llevar la materia prima al proceso de detallado delproducto y posteriormente final, con la ayuda de 4 motores,4 entradas y 8 salidas.
Para el PLC 3 se tiene las maquinas corte, dosificadora yempaquetadora con su respectiva ubicacion estrategica yboton start,stop, y respectivo motor para cada maquina.
En el PLC 4 esta definido el orden secuencia en el queestara dividido cada PLC anteriormente descrito.
VI. CONCLUSIONES
• Se puede concluir que al tener las MEF de un procesose vuelve mas efectivo la programacion ya que setiene identificadas las entradas y las salidas, con estasidentificadas se declaran las variables y su dependenciaa los bits.
• Las maquinas de estados finitos se pueden crear devarios estados dependiendo de la cantidad de sensoresy actuadores a los cuales la maquina que se necesiteprogramar este sometido.
• Basados en las MEF hechas anteriormente se logroencontrar resultados satisfactorios, tanto para las ca-jas negras y MEF de cada maquina del proceso desandwiches, esto gracias a los sensores y actuadores, an-teriormente descritos, lo cual permitio tener claro cualeseran nuestras entradas y salidas en cada subproceso.
• Todo el proceso descrito nos permitio tener una mejorvision en la automatizacion de procesos, dejando claroque el seguir una serie de pasos, lleva a tener mejoresresultados y una mayor facilidad para obtener los ob-jetivos deseados en el transcurso de cada subproceso.
REFERENCES
[1] FUNDAMENTOS DEL SENSORcaracterıstica de los sensores deproximidad inductivahttps://www.keyence.com.mx/ss/products/sensor/sensorbasics/proximity/feature/index.jsp
[2] W.-K. Chen, Linear Networks and Systems (Book style). Belmont,CA: Wadsworth, 1993, pp. 123135.
[3] EQUIPOS DE LA LINEA DE ELABORACION DE SANDWICHESElaboracion comercial de sandwicheshttps://www.grotecompany.com/es-es/L%C3%ADnea-de-Elaboraci%C3%B3n-de-S%C3%A1ndwiches-es-ES
[4] 18-Fabricando Made in Spain - Pan de moldeTUVISITAGUIADA.COMhttps://www.youtube.com/watch?v=0fIB0DX45JQfeature=youtu.be
[5] Ası se hace - Pan de molde - DiscoveryMax ENGINEERING EXPRESShttps://www.youtube.com/watch?v=SsGptlsMauo
[6] Mexico - Automatizacion de fabricaMELSEC-F SERIES FX3G/FX3GE MAIN UNITS AND CONFIGU-RATION
[7] sensores de velocidadSENSOR DE VELOCIDAD SITRANS WS300SIEMENS
[8] Sensores De PesoFLINTEC https://www.flintec.com/co/sensores-de-peso
