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Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE [Escribir texto] INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN PROPUESTA DE UN SISTEMA DE PALETIZADO CONTINUO DE ALTA VELOCIDAD T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE: INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN QUE PRESENTAN MARTÍNEZ URBIOLA GONZALO ANTONIO PICHARDO SAAVEDRA JUAN CARLOS RIVÓN SANTIAGO EDGAR MARTÍN ASESOR ING. HUMBERTO SOTO RAMIREZ M. en C.JOEL JUAREZ BETANCOURT MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE, 2012

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    [Escribir texto]

    INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

    ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

    ELÉCTRICA

    INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

    PROPUESTA DE UN SISTEMA DE PALETIZADO

    CONTINUO DE ALTA VELOCIDAD

    T E S I S

    PARA OBTENER EL GRADO DE: INGENIERO EN CONTROL Y

    AUTOMATIZACIÓN

    QUE PRESENTAN

    MARTÍNEZ URBIOLA GONZALO ANTONIO

    PICHARDO SAAVEDRA JUAN CARLOS

    RIVÓN SANTIAGO EDGAR MARTÍN

    ASESOR

    ING. HUMBERTO SOTO RAMIREZ

    M. en C.JOEL JUAREZ BETANCOURT

    MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE, 2012

  • Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE

  • Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE

    Índice

    PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................................................... VII

    OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................... VIIVIII

    OBJETIVOS PARTICULARES .............................................................................................. VIIVIII

    JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... VIIVIII

    INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ IIX

    CAPITULO I. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 1

    1.1 MANIPULACIÓN MANUAL DE CARGAS .......................................................................... 1

    1.1.1 Aspectos fisiológicos .......................................................................................................... 2

    1.1.2 Efectos dañinos si realizamos operaciones de manipulación de cargas de forma

    inadecuada .................................................................................................................................. 3

    1.1.3 Tipos de riesgo ................................................................................................................... 3

    1.1.4 Origen y causa del riesgo ................................................................................................... 4

    1.2 PALETIZADO .......................................................................................................................... 8

    1.2.1 Las fases del proceso de paletización ................................................................................ 9

    1.2.2 Transportadores ............................................................................................................... 14

    1.3 AUTOMATIZACIÓN ............................................................................................................ 18

    1.3.1 El autómata programable o Controlador Lógico Programable (PLC) ........................... 22

    1.3.2 Sistemas electro hidráulicos de control de movimiento ................................................... 27

    1.3.3 Neumática e hidráulica .................................................................................................... 28

    1.3.4 Sensores ............................................................................................................................ 49

    1.3.5 Motor eléctrico trifásico de inducción tipo Jaula de Ardilla ........................................... 54

    1.3.6 Variador de velocidad ...................................................................................................... 60

    CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ACTUAL Y PLANTEAMIENTO DE LA

    SOLUCIÓN ....................................................................................................................................... 65

    2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ACTUAL .......................................................................... 65

    2.1.1 Funciones de trabajadores en cada área. ........................................................................ 71

    2.2 PROPUESTA DE LA SOLUCIÓN ........................................................................................ 73

    2.2.1 Estudio de tiempos y movimientos .................................................................................... 76

    CAPITULO III. PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN DE INGENIERÍA .............................. 79

  • Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE

    3.1 ETAPA 1 – EXPULSIÓN DE CAJAS EN LA BANDA FINAL. .......................................... 82

    3.2 ETAPA 2 – ROTACIÓN DE CAJAS. .................................................................................... 84

    3.3 ETAPA 3 – BANDA TRANSPORTADORA ESPECIAL DE POSICIONAMIENTO. ........ 88

    3.4 ETAPA 4 – COLOCACIÓN DE ESTRATOS SOBRE EL PALLET. ................................... 95

    3.5 ETAPA 5 – SISTEMA HIDRÁULICO DE ELEVACIÓN. ................................................. 101

    3.6 REJA DE SEGURIDAD Y COLOCACION DEL PANEL DE CONTROL ....................... 104

    CAPITULO IV. CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS Y PROGRAMACIÓN DEL

    CONTROLADOR MICROLOGIX 1100 ....................................................................................... 109

    4.1 CONFIGURACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS ................................................................... 109

    4.1.1 Configuración del PLC .................................................................................................. 109

    4.1.2 Configuración de los circuitos de 24 VDC y 120 VAC .................................................. 110

    4.1.3 Configuración de las entradas y salidas ........................................................................ 111

    4.1.4 Configuración de los variadores de velocidad ............................................................... 114

    4.2 PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR....................................................................... 118

    4.2.1 Configuración del Controlador ...................................................................................... 118

    4.2.2 Archivos de programa .................................................................................................... 121

    4.2.3 Simulaciones en Automation Studio ................................................................................... 140

    CAPITULO V. COSTO DE LA PROPUESTA DEL PALETIZADO CONTINUO DE ALTA

    VELOCIDAD ................................................................................................................................. 155

    5.1 COSTOS POR ETAPAS ....................................................................................................... 155

    5.2 COSTOS DE INVESTIGACIÓN E INGENIERÍA .............................................................. 160

    RESULTADOS Y CONCLUSIONES ............................................................................................ 161

    BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................. 163

    GLOSARIO DE TÉRMINOS ......................................................................................................... 166

    ANEXO A ....................................................................................................................................... 170

    FIGURA A: ETAPA 2 – BANDA ROTACIÓN DE CAJAS .......................................................... 171

    FIGURA B: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................. 172

    FIGURA C: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................ 173

    FIGURA D: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................ 174

    FIGURA E: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................. 175

    FIGURA F: ETAPA 3 – BANDA POSICIONADORA ................................................................. 176

    FIGURA G: ETAPA 3 – ESLABON ............................................................................................ 177

  • Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE

    FIGURA H: ETAPA 3 – CORREDERA ...................................................................................... 178

    FIGURA I: ETAPA 4 – CAMA DE RODILLOS .......................................................................... 179

    FIGURA J: ETAPA 4 – CAMA DE RODILLOS ......................................................................... 180

    FIGURA K: ETAPA 4 – BARRERA NEUMÁTICA ..................................................................... 181

    FIGURA L: ETAPA 4 – ACOMODO DEL ESTRATO ................................................................ 182

    FIGURA M: ETAPA 4 – SOPORTE ........................................................................................... 183

    FIGURA N: ETAPA 4 – PLACA PARA EL ACOMODO DEL ESTRATO .................................. 184

    FIGURA O: ETAPA 4 – LÁMINA METÁLICA ........................................................................... 185

    FIGURA P: ETAPA 4 – MESA DE RETIRO DE PLACA ........................................................... 186

    Índice de figuras

    Figura 1. 1 Características de la carga ................................................................................................. 4

    Figura 1. 2 Esfuerzo físico requerido .................................................................................................. 5

    Figura 1. 3 Condiciones del medio de trabajo ..................................................................................... 5

    Figura 1. 4 Organización de la actividad ............................................................................................. 6

    Figura 1. 5 Factores individuales ........................................................................................................ 6

    Figura 1. 6 Los transportadores de rodillo ........................................................................................ 16

    Figura 1. 7 Relación de la automatización fija, automatización programable y automatización

    flexible como una función del volumen de producción y de la diversidad el producto. ................... 21

    Figura 1. 8 Estructura del PLC compacto ......................................................................................... 24

    Figura 1. 9 Estructura del PLC modular ........................................................................................... 25

    Figura 1. 10 Preparación del aire. ..................................................................................................... 29

    Figura 1. 11 Diagrama Espacio-Fase ................................................................................................ 30

    Figura 1. 12 Circuito típico de un pistón dentro del cilindro en un sistema hidráulico .................... 32

    Figura 1. 13 Cilindro de doble efecto ................................................................................................ 36

    Figura 1. 14 Cilindro con amortiguación delantera ........................................................................... 37

    Figura 1. 15 Cilindro de cuerpo básico ............................................................................................. 38

    Figura 1. 16 Fijación por placa trasera .............................................................................................. 39

    Figura 1. 17 Fijación por placa delantera .......................................................................................... 39

    Figura 1. 18 Fijación por escuadras ................................................................................................... 39

    Figura 1. 19 Fijación por articulación ............................................................................................... 40

    Figura 1. 20 Horquilla hembra .......................................................................................................... 40

    Figura 1. 21 Fijación por rótula ......................................................................................................... 40

    Figura 1. 22 Representación de las posiciones de una válvula.......................................................... 41

    Figura 1. 23 Vías y tipos de conexión ............................................................................................... 42

    Figura 1. 24 Representación de las líneas de flujo ............................................................................ 42

    Figura 1. 25 Localización de los distintos orificios........................................................................... 43

  • Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE

    Figura 1. 26 Gobierno de un cilindro ................................................................................................ 44

    Figura 1. 27 Válvulas con distintas funciones ................................................................................... 45

    Figura 1. 28 Diferentes tipos de accionamiento manual ................................................................... 46

    Figura 1. 29 Diferentes formas de mando mecánico ......................................................................... 47

    Figura 1. 30 Electroválvula de accionamiento directo. ..................................................................... 49

    Figura 1. 31 Motor trifásico de jaula de ardilla de última generación .............................................. 55

    Figura 1. 32 Tipos de bobinados de rotor de jaula de ardilla. ........................................................... 57

    Figura 1. 33 La tensión rotórica UR es proporcional al deslizamiento s. Una tensión del rotor del

    10% corresponde a un deslizamiento del 10%. ................................................................................. 57

    Figura 1. 34 Potencia de salida y pérdidas en un motor de inducción trifásico ................................ 60

    Figura 1. 35 Comportamiento del motor a tensión y frecuencia de placa ......................................... 61

    Figura 1. 36 Diagrama electrónico típico .......................................................................................... 62

    Figura 1. 37 Gráfica de Velocidad-Par .............................................................................................. 63

    Figura 2. 1 Distribución de planta (Vista superior). .......................................................................... 65

    Figura 2. 2 Fabricación de pasta (Vista superior). ............................................................................ 66

    Figura 2. 3 Área de horneado (Vista superior). ................................................................................. 67

    Figura 2. 4 Área de empacado de galletas (Vista superior). ............................................................. 68

    Figura 2. 5 Área de encajado (Vista superior)................................................................................... 68

    Figura 2. 6 Área paletizado (Vista superior). .................................................................................... 69

    Figura 3. 1 Sistema de paletizado continuo de alta velocidad. .......................................................... 79

    Figura 3. 2 Modificaciones en banda final de proceso ...................................................................... 82

    Figura 3. 3 Etapa 1. ........................................................................................................................... 83

    Figura 3. 4 Dispositivos de la etapa 1. .............................................................................................. 84

    Figura 3. 5 Etapa 2. ........................................................................................................................... 85

    Figura 3. 6 Posición de las cajas en la cinta transportadora. ............................................................. 85

    Figura 3. 7 Cilindro neumático FESTO de doble efecto modelo DNC-50-100-PPV. ...................... 86

    Figura 3. 8 Montaje del cilindro neumático 2. .................................................................................. 86

    Figura 3. 9 Rotación de cajas. ........................................................................................................... 87

    Figura 3. 10 Etapa 3. ......................................................................................................................... 88

    Figura 3. 11 Actuador lineal neumático FESTO. .............................................................................. 89

    Figura 3. 12 Válvula FESTO biestable de 5 vías 3 posiciones. ........................................................ 89

    Figura 3. 13 Cilindro neumático sin vástago. .................................................................................... 90

    Figura 3. 14 Eslabón de banda posicionadora. .................................................................................. 90

    Figura 3. 15 Corredera. ..................................................................................................................... 91

    Figura 3. 16 Mecanismo de guías. ..................................................................................................... 91

    Figura 3. 17 Vista inferior del mecanismo de guías. ......................................................................... 92

    Figura 3. 18 Fin de banda de posicionamiento. ................................................................................. 92

    Figura 3. 19 Guías de retorno. ........................................................................................................... 93

  • Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE

    Figura 3. 20 Vista inferior, retorno de correderas. ............................................................................ 93

    Figura 3. 21 Bases para sensor fotoeléctrico de barrera. ................................................................... 94

    Figura 3. 22 Bases para sensor fotoeléctrico de barrera al final de la banda..................................... 94

    Figura 3. 23 Etapa 4 (formación del estrato) ..................................................................................... 95

    Figura 3. 24 Cama de rodillos ........................................................................................................... 96

    Figura 3. 25 Llegada de cajas ............................................................................................................ 96

    Figura 3. 26 Barrera neumática ......................................................................................................... 97

    Figura 3. 27 Sistema de barrera neumático. ...................................................................................... 97

    Figura 3. 28 Acomodo del estrato ..................................................................................................... 99

    Figura 3. 29 Vista superior ................................................................................................................ 99

    Figura 3. 30 Retiro de lámina metálica dirigida por cilindro neumático. ........................................ 100

    Figura 3. 31 Vista lateral ................................................................................................................. 101

    Figura 3. 32 Dispositivos de la etapa 5 ........................................................................................... 102

    Figura 3. 33 Esquema general de funcionamiento del sistema hidráulico de elevación ................. 102

    Figura 3. 34 Posición inicial del sistema hidráulico ........................................................................ 103

    Figura 3. 35 Retiro del pallet completo. .......................................................................................... 104

    Figura 3. 36 Enrejado de seguridad. ................................................................................................ 105

    Figura 3. 37 Ubicación de panel de control..................................................................................... 106

    Figura 3. 38 Distribución del panel de control. ............................................................................... 107

    Figura 4. 1 LAYOUT del PLC ........................................................................................................ 109

    Figura 4. 2 Módulos de expansión de E/S conectados al PLC sobre el riel .................................... 110

    Figura 4. 3 Diagrama de habilitación/inhabilitación del sistema .................................................... 111

    Figura 4. 4 Configuración de los módulos de entradas 1762-IQ16 ................................................. 113

    Figura 4. 5 Configuración del módulo de salidas 1762-OW16 ....................................................... 113

    Figura 4. 6 Disposición de los variadores (LAYOUT) ................................................................... 114

    Figura 4. 7 Configuración del Variador 1, que se encontrará en la ETAPA 2 del proceso. ............ 115

    Figura 4. 8 Configuración del Variador 2, que se encontrará en la ETAPA 3 del proceso. ............ 115

    Figura 4. 9 Configuración del Variador 3, que se encontrará en la ETAPA 4 del proceso. ............ 116

    Figura 4. 10 Configuración del controlador. ................................................................................... 119

    Figura 4. 11 Configuración de las tarjetas de entradas y salidas digitales. ..................................... 119

    Figura 4. 12 Creación de los archivos de programa. ....................................................................... 120

    Figura 4. 13 Líneas 0 y 1 del archivo de programa arranque y paro. .............................................. 121

    Figura 4. 14 Líneas 2, 3 y 4 del archivo de programa arranque y paro. .......................................... 122

    Figura 4. 15 Líneas 5-10 del archivo de programa arranque y paro. ............................................... 123

    Figura 4. 16 Líneas 11-14 del archivo de programa arranque y paro. ............................................. 124

    Figura 4. 17 Diagrama espacio-fase de la etapa 3. .......................................................................... 125

    Figura 4. 18 Líneas 0 - 3 del archivo de programa etapa 3. ............................................................ 127

    Figura 4. 19 Líneas 4 - 10 del archivo de programa etapa 3. .......................................................... 128

    Figura 4. 20 Diagrama espacio-fase de la etapa 4. .......................................................................... 129

    Figura 4. 21 Líneas 0 y 1 del archivo de programa etapa 4............................................................. 132

  • Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE

    Figura 4. 22 Líneas 2 - 6 del archivo de programa etapa 4 ............................................................. 133

    Figura 4. 23 Líneas 7 - 10 del archivo de programa etapa 4 ........................................................... 134

    Figura 4. 24 Diagrama espacio-fase de la etapa 5. .......................................................................... 135

    Figura 4. 25 Línea 0 del archivo de programa etapa 5 .................................................................... 137

    Figura 4. 26 Líneas 1 - 6 del archivo de programa etapa 5 ............................................................. 138

    Figura 4. 27 Líneas 7 - 11 del archivo de programa etapa 5 ........................................................... 139

    Figura 4. 28 Líneas 12 - 16 del archivo de programa etapa ............................................................ 140

    Figura 4. 29 Simulación Etapa 3 – estado inicial ............................................................................ 141

    Figura 4. 30 Simulación Etapa 3 – segundo estado ......................................................................... 142

    Figura 4. 31 Simulación Etapa 3 – tercer estado ............................................................................. 143

    Figura 4. 32 Simulación Etapa 3 – cuarto estado ............................................................................ 144

    Figura 4. 33 Simulación Etapa 3 – regreso a estado inicial ............................................................ 145

    Figura 4. 34 Simulación Etapa 4 – estado inicial ............................................................................ 145

    Figura 4. 35 Simulación Etapa 4 – primer estado ........................................................................... 146

    Figura 4. 36 Simulación Etapa 4 – segundo estado ......................................................................... 146

    Figura 4. 37 Simulación Etapa 4 – regreso a estado inicial ............................................................ 147

    Figura 4. 38 Simulación Etapa 5 – estado inicial ............................................................................ 148

    Figura 4. 39 Simulación Etapa 5 – primer estado ........................................................................... 149

    Figura 4. 40 Simulación Etapa 5 – segundo estado ......................................................................... 150

    Figura 4. 41 Simulación Etapa 5 – tercer estado ............................................................................. 151

    Figura 4. 42 Simulación Etapa 5 – cuarto estado ............................................................................ 152

    Figura 4. 43 Simulación Etapa 5 – quinto estado ............................................................................ 153

    Figura 4. 44 Simulación Etapa 5 – regreso a estado inicial ............................................................ 154

    Índice de tablas

    Tabla 1. 1 Características comparativas de los sistemas neumático e hidráulico.............................. 34

    Tabla 1. 2 Características comparativas de los sistemas neumático/hidráulico y eléctrico/electrónico.

    ........................................................................................................................................................... 35

    Tabla 1. 3 Código para válvulas neumáticas ..................................................................................... 43

    Tabla 1. 4 Velocidades sincrónicas típicas de un circuito de 50 Hz ................................................. 55

    Tabla 2. 1 Velocidad/Frecuencia de operación de cada uno de los motores. .................................... 78

    Tabla 3. 1 Equipo a utilizar en cada etapa de la propuesta de solución. ........................................... 81

    Tabla 4. 1 Asignación de entradas y salidas por etapa .................................................................... 111

    Tabla 4. 2 Selección de fuente de frecuencia preseleccionada ........................................................ 117

    Tabla 5. 1 Costos por etapas............................................................................................................ 156

    Tabla 5. 2 Análisis por Honorarios ................................................................................................. 160

  • Instituto Politécnico Nacional

    VII

    PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

    En la actualidad se buscan alternativas para el paletizado de alta velocidad, debido a que las

    líneas de producción son cada vez más automatizadas con lo que se produce un mayor

    número de bienes, exigiendo que los procesos que integran la línea total del producto

    desempeñen su tarea a la misma velocidad o mayor que el proceso de producción para

    acortar el tiempo en la línea total del producto, desde su producción, empacado, hasta el

    embalado, con la automatización de los procesos cómo medio para lograr lo anterior.

    En la mediana empresa de producción de galletas, el proceso de paletizado se lleva a cabo

    por medio de personas, por lo que es un proceso que puede mermar la calidad, así como

    dañar los productos empacados debido al cansancio y al estrés acumulados durante las

    largas jornadas de trabajo generando pérdidas para le empresa, además es un proceso lento,

    con lo que causa un efecto de cuello de botella en la línea total del producto, ya que las

    cajas se van acumulando en la línea del proceso de paletizado, teniendo que forzar la

    reducción de la velocidad en la línea de producción.

    La industria de automatización nacional no ofrece sistemas de paletizado de alta velocidad,

    por lo cual las industrias nacionales se ven en la necesidad de implementar sistemas de

    paletizado desarrollados por la industria de automatización extranjera, lo que conlleva a una

    serie de gastos adicionales, por ejemplo, la importación, contratación de operadores,

    capacitaciones o actualizaciones y mantenimientos de las empresas extranjeras que los

    desarrollan.

  • Instituto Politécnico Nacional

    VIII

    OBJETIVO GENERAL

    Desarrollar una propuesta de automatización que sea una alternativa para paletizado

    continuo de alta velocidad mediante el uso de cintas transportadoras, camas de rodillos y

    actuadores neumáticos, controladas a través de un Controlador Lógico Programable y

    Variadores de Velocidad.

    OBJETIVOS PARTICULARES

    Integrar de manera eficiente la línea de producción de una mediana empresa de

    producción de galletas con el proceso de paletizado automático.

    Reducir el tiempo en la línea total del producto, es decir, desde la producción hasta

    el embalado.

    Asegurar la calidad del producto.

    Reducir las pérdidas ocasionadas por el maltrato de productos en el proceso de

    paletizado.

    JUSTIFICACIÓN

    El proceso actual de paletizado en la mediana empresa de producción de galletas es

    realizado de forma manual, por lo cual es lento, disminuye la calidad de los productos así

    como su presentación, además dando la posibilidad de que se dañen siendo esto una pérdida

    para la empresa.

    Las soluciones existentes para la automatización de este proceso son costosas ya que son

    desarrolladas por firmas de ingeniería extranjera, por la importación, el mantenimiento,

    entre otros.

  • Instituto Politécnico Nacional

    IX

    En base a lo anterior surge la propuesta de desarrollo de la automatización del proceso de

    paletizado continuo de alta velocidad con ingeniería nacional, para hacer menos costosa su

    adquisición por las empresas, además, de hacer que este sea eficiente, asegurando la calidad

    de los productos, disminuyendo las pérdidas por daños, además de lograr la correcta

    integración de los mismos a la línea de paletizado, evitando los efectos de cuello de botella,

    con lo que se reduce el tiempo en la línea total del producto.

    Sin el desarrollo de este trabajo no se tendría una alternativa para solventar la problemática

    existente dentro del área de paletizado de la mediana empresa productora de galletas, para

    la cual se está desarrollando esta propuesta.

    INTRODUCCIÓN

    En el presente trabajo se plantea una propuesta de paletización de alta velocidad para

    solventar los problemas o requerimientos actuales, como lo es el tiempo en el que se

    desarrollan e integran los procesos de paletización al final de la línea de producción de una

    mediana empresa de producción de galletas.

    La propuesta se desarrolló por el interés que tiene la empresa por incrementar su

    productividad integrando de una manera adecuada la etapa de encajado a la etapa de

    paletizado, mediante un sistema de alta velocidad.

    Para hacer frente a los problemas mencionados, se desarrolla un análisis basado en; la

    comparación de tiempos del proceso actual con el proceso automatizado, la comparación de

    la calidad en el proceso de paletizado.

    A continuación se presentan y describen los capítulos que contiene el presente trabajo.

  • Instituto Politécnico Nacional

    X

    CAPITULO I. MARCO TEÓRICO, esté capítulo contiene la información general del

    proceso de paletizado, las distintas formas en que se puede presentar y las herramientas que

    se utilizan para ello. La definición de automatización, sus tipos y las características de cada

    uno de ellos, los bloques que la constituyen y la tecnología que se utiliza para desarrollarla

    e implementarla en distintos procesos.

    CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DE LA SITUACIÓN ACTUAL DEL PROCESO Y

    DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN, en éste capítulo se describe cómo se llevan a cabo

    actualmente todos los procesos de la empresa, haciendo énfasis en el proceso de paletizado.

    Se presenta un diagnóstico en el cual se califica la gravedad de los problemas que se

    generan por el proceso de paletizado actualmente presente en la empresa. Por último se

    describe la solución propuesta para el proceso de paletizado mediante un sistema de alta

    velocidad.

    CAPITULO III. PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN DE INGENIERÍA, a lo largo

    de éste capítulo se muestra el diseño de la máquina propuesta y los diversos componentes

    que formarán parte de la misma, en donde se indican sus características, formas de

    operación, el montaje y su orientación.

    CAPITULO IV. CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS Y PROGRAMACIÓN DEL

    CONTROLADOR, en este capítulo se presenta el controlador lógico programable a

    utilizar, la programación desarrollada para el control del sistema propuesto, así como la

    configuración de los variadores de velocidad y las conexiones eléctricas de todo el sistema.

    CAPITULO V. COSTO DE LA PROPUESTA, durante este capítulo se muestra una tabla

    general con el costo de todos los equipos y el costo de desarrollo de ingeniería.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    1

    CAPITULO I. MARCO TEÓRICO

    A medida que las pequeñas empresas de fabricación que recién inician sus operaciones

    crecen y aumentan la producción, inevitablemente buscarán formas de mejorar su

    funcionamiento. La mano de obra tiene ventajas de flexibilidad, perspectiva humana y un

    costo inicial relativamente bajo. La automatización mecánica también tiene ventajas:

    ergonomía, repetitividad y resistencia, por nombrar algunas. Cada empresa debe sopesar las

    ventajas y desventajas entre las operaciones manuales y las automáticas.

    Muchas industrias principales: minerales, alimentos, productos químicos, alimentos para

    mascotas, alimentación, semillas, agricultura y otras, usan cajas como un medio de

    almacenamiento y transporte de productos. La mayoría de las operaciones comienzan con

    el apilamiento manual de las cajas y, luego, eventualmente terminan con alguna forma de

    paletizado automático [1].

    En este capítulo se presenta toda la información pertinente a lo que es automatización,

    sensores, controladores y actuadores, manipulación de cargas manuales, el proceso de

    paletizado, neumática e hidráulica así como sus ventajas, desventajas y aplicaciones. Que

    nos servirá como punto de partida para efectuar la propuesta de automatización mencionada

    con anterioridad.

    1.1 MANIPULACIÓN MANUAL DE CARGAS

    Se considera que la manipulación manual de toda carga que pese más de 3 kg puede

    entrañar un potencial riesgo dorso-lumbar, si se manipula en condiciones ergonómicas

    desfavorables (alejada del cuerpo, con posturas inadecuadas, muy frecuentemente, en

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    2

    condiciones ambientales desfavorables, con suelos inestables, etc.). Por lo que es necesario

    definir algunos aspectos importantes sobre la realización de este trabajo manualmente.

    1.1.1 Aspectos fisiológicos

    Uno de los principales motivos de que exista un riesgo asociado a la manipulación manual

    de cargas es la limitación anatómica y fisiológica que presenta el cuerpo humano para

    realizar esta actividad.

    Interpretando de forma simplificada la capacidad del cuerpo humano para actuar como

    elemento de elevación y transporte se pueden considerar tres sistemas fundamentales:

    ✓ Estructura portante: huesos, articulaciones, ligamentos.

    ✓ Sistema motor: músculos, tendones.

    ✓ Sistemas de control: cerebro y sistema nervioso.

    El cuerpo humano es una máquina casi perfecta, pero con limitaciones:

    ✓ Limitaciones de la Estructura portante: limitaciones anatómicas de

    articulación de la columna vertebral por la propia estructura ósea de las vértebras

    que limita los movimientos de flexión hacia atrás, los laterales, y los de rotación.

    Además debemos tener en cuenta que la presión ejercida sobre la

    columna al levantar una carga aumenta considerablemente al separar el objeto

    del cuerpo.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    3

    ✓ Limitaciones del Sistema Motor: limitaciones de la resistencia de los músculos ante

    esfuerzos dinámicos bruscos, trabajos estáticos mantenidos o trabajos dinámicos

    continuados.

    ✓ Limitaciones del Sistema de Control: el cerebro humano como

    controlador de la actividad muscular durante el manejo manual de cargas no tiene

    restricciones para evitar que se superen las limitaciones de los sistemas

    anteriores, incluso el carácter de las personas tiende en ocasiones a superarlas.

    1.1.2 Efectos dañinos si realizamos operaciones de manipulación de cargas de forma

    inadecuada

    ✗ Lesiones dorso lumbares.

    ✗ Distensión o roturas musculares o de ligamentos.

    1.1.3 Tipos de riesgo

    ✓ Sobreesfuerzos: esfuerzos que sobrepasan la capacidad de funcionamiento normal de

    nuestro organismo al manipular cargas de peso/volumen excesivo o de forma incorrecta.

    ✓ Caída de objetos en manipulación: circunstancia imprevista y no deseada que se origina

    al perder la estabilidad de los objetos durante su manipulación.

    ✓ Fatiga física: situación de desgaste físico ocasionado por esfuerzos realizados durante la

    manipulación por reiteración de la operación o por prolongación del tiempo en que se

    sostiene la carga.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    4

    ✓ Caídas al mismo o distinto nivel: por dificultades de paso o impedimento de visión,

    irregularidades del piso, etc.

    ✓ Golpes / cortes por objetos o herramientas.

    1.1.4 Origen y causa del riesgo

    El riesgo de la manipulación manual de carga dependerá de las operaciones y de las

    circunstancias en que dichas operaciones se realizan. Estas constituyen los factores de

    riesgo.

    En la siguiente imagen (Figura 1.1) se muestran algunas características de la carga que

    pueden representar un riesgo.

    Figura 1. 1 Características de la carga

    En la siguiente imagen (Figura 1.2) se muestran algunos esfuerzos físicos necesarios que

    pueden representar un riesgo.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    5

    Figura 1. 2 Esfuerzo físico requerido

    En la siguiente figura 1.3 se muestran algunas condiciones del medio de trabajo que pueden

    representar un riesgo.

    Figura 1. 3 Condiciones del medio de trabajo

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    6

    En la siguiente figura 1.4 se muestran algunas formas de organización del trabajo que

    pueden representar un riesgo.

    Figura 1. 4 Organización de la actividad

    En la siguiente figura 1.5 se muestran algunos factores individuales del trabajador que

    pueden representar un riesgo.

    Figura 1. 5 Factores individuales

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    7

    Existen otros factores de carácter personal que condicionan las aptitudes para llevar a cabo

    trabajos que implican manejo manual de cargas, como puede ser: obesidad, falta de fuerza

    física, tabaquismo, factores psicológicos, entre otros.

    En resumen:

    - La manipulación manual de cargas origina diferentes situaciones de riesgo que debemos

    conocer. Muchas de las situaciones de riesgo suelen dar lugar a problemas

    generalmente de tipo dorso lumbar.

    - Los factores de riesgo van a depender de las operaciones que se realicen y en qué

    circunstancias se hacen, englobándolos en cinco grupos diferentes: características de la

    carga, esfuerzo físico, características del medio, exigencia de la actividad y factores

    individuales.

    - Para evitar los efectos debemos de aplicar medidas de control teniendo en cuenta: la

    forma en la que vamos a levantar la carga y cómo vamos a realizar el transporte y sujeción

    de la misma [2].

    En base a todo lo anterior se comprender, que la manipulación manual de cargas puede

    provocar consecuencias en la calidad de vida del operador, de tal modo que muchas de las

    medianas empresas en crecimiento deben considerar la carga manual como una desventaja

    alarmante para su desarrollo, de este modo es viable pensar en un proceso automatizado, el

    cual estará enfocado en un sistema de paletizado. Esto nos lleva a conocer el siguiente

    concepto para ir creando una visión más amplia de lo que significa esta palabra y su

    finalidad.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    8

    1.2 PALETIZADO

    Paletizar consiste en acomodar cajas de productos sobre un soporte de madera (sistema

    típico) conocido como pallet o tarima, para facilitar la manipulación y el transporte

    contemporáneo de una gran cantidad de artículos sin someterles a manejos excesivos.

    Con el transcurso del tiempo, los pallets han sufrido una importante evolución desde su rol

    original de simple unidad logística, adaptándose continuamente al mundo de la distribución

    moderna. Estética, funcionalidad y dimensiones reducidas de los embalajes son sólo

    algunos aspectos que inciden en el desarrollo de los nuevos paletizadores y de sus sistemas

    auxiliares.

    Al comparar un paletizador actual con uno de sólo 10 años atrás resultan evidentes las

    diferencias de relevancia que de un modo u otro reflejan el cambio que han sufrido también

    las costumbres de los consumidores al momento de realizar sus compras, lo que ha

    determinado a su vez una revolución en la organización de los puntos de venta de los

    diversos distribuidores.

    Asimismo, la macro tendencia del respeto del ambiente parece indicar cómo el peso y la

    cantidad de los materiales de embalaje estén destinados a reducirse en el futuro, a favor

    incluso de un interesante ahorro en términos económicos para los operadores del sector de

    embalajes. Es así que nos enfrentaremos al problema de la fragilidad y la inestabilidad de

    los contenedores primarios en primer lugar, y de ciertos tipos de embalajes múltiples, que

    resultarán siempre más difíciles de manipular.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

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    No olvidemos además que algunos protagonistas del mundo de la distribución como los

    supermercados y los mayoristas, entre otros, suelen exponer los productos directamente

    dispuestos sobre pallets en sus almacenes, lo que conlleva la necesidad de una estética

    determinada, en especial en lo que se refiere a la orientación de las presentaciones frontales

    de los productos en los laterales de cada pallet.

    Los paletizadores actuales contemplan todos estos aspectos, son capaces de tratar mejor los

    productos difíciles y garantizan una gran flexibilidad operativa en términos del formato de

    paletización y de cambio de formato. Hoy más que nunca, los puntos finales de las líneas y

    los paletizadores deben considerarse instrumentos estratégicos capaces de garantizar a las

    empresas la posibilidad de manipular los productos que el mercado exigirá en el futuro, y

    que en muchos casos demanda ya. Lo que nos lleva a conocer las diferentes tecnologías que

    se han desarrollado a lo largo de la historia y como ya se mencionó a la demanda del

    mercado.

    1.2.1 Las fases del proceso de paletización

    El proceso de paletización consta de varias fases, cada una de las cuales resulta

    indispensable para obtener un pallet en el que el producto se disponga de modo tal de

    responder a las exigencias relativas a:

    • Dosificación del producto.

    • Rotación del producto.

    • Formación del estrato.

    • Compactación.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    10

    • Recolección y el depósito.

    Dosificación de los paquetes

    El objetivo de la dosificación consiste en distanciar y contar los productos a paletizar

    (cajas, fardos, artículos sueltos, etc.). Los productos destinados a la paletización se

    trasladan desde una zona de acumulación hasta el paletizador a través de un sistema de

    cintas transportadoras que permite distanciar convenientemente un producto de otro y

    facilitar así su posterior recuento. Los productos pueden gestionarse individualmente (un

    producto por vez) o en lotes: esta última solución contribuye a un significativo incremento

    de la productividad y a una reducción de la velocidad de avance del producto. Su

    desventaja: trabajar con filas de productos no permite garantizar una disposición específica

    de cada artículo.

    Rotación de paquetes

    La fase de rotación de los paquetes permite disponer los productos según la configuración

    necesaria. Las exigencias básicas que determinan la necesidad de rotar los productos son:

    • Optimización de la estabilidad.

    • Optimización del número de productos por estrato.

    • Optimización de la visualización de los embalajes (visibilidad del nombre del producto en

    el pallet), particularmente importante cuando el mismo pallet es el medio expositor del

    producto (supermercados “descuentos altos”). El mecanismo más simple que permite rotar

    un producto funciona por impacto contra una referencia fija. Se trata de un sistema

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    11

    altamente funcional cuando las velocidades no son excesivamente elevadas y los productos

    no son frágiles.

    En las aplicaciones con altas velocidades y productos frágiles, la fase de rotación requerirá

    soluciones tecnológicas superiores. La elección de uno u otro sistema, o incluso de una

    solución combinada, dependerá de las variables en juego durante el proyecto y/o de las

    solicitudes particulares de cada cliente. Los sistemas de rotación más empleados son:

    Rotación inferior para entrada de rodillos

    o Contra-placa con revestimiento de goma y sistema amortiguador neumático para

    absorción de impactos.

    o Acelerador rotativo estándar (útil para paquetes de grandes dimensiones).

    Rotación inferior para entrada de cinta

    o "Dedo" con revestimiento de goma y sistema amortiguador neumático para absorción

    de impactos.

    o Guía de alineación para completar la rotación y mantener el paquete en su posición

    correcta.

    Formación del estrato

    Tras orientar los paquetes o los lotes en función de la configuración de paletización

    adoptada, deben alinearse y predisponerse para formar el estrato.

    La formación del estrato puede realizarse:

    • En línea.

    • A 90º respecto del sentido de avance de los productos.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    12

    En virtud de sus características técnico-constructivas, los sistemas en línea se adoptan

    mayormente cuando se requieren altas velocidades de proceso, mientras que los sistemas a

    90º resultan adecuados en los casos de velocidades medio-bajas.

    Formación del estrato con sistema de rodillos

    El sistema más tradicional consiste en utilizar separadores (o divisores) contra los que el

    producto se detiene posicionándose en función de la configuración seleccionada.

    Accionados por cilindros neumáticos, estos divisores suben desde la parte inferior del

    mecanismo de rodillos sobre los que deslizan los productos. A menor diámetro de los

    rodillos, mayor es el número de separadores que podrán instalarse, y mayor será la

    posibilidad de posicionar el producto correctamente.

    Al incrementarse las configuraciones de paletización y/o ante configuraciones de gran

    complejidad, el aumento del número de separadores necesarios (y por consiguiente de los

    espacios necesarios para su subida) redunda en una mayor dimensión total del estrato no

    compactado aún.

    Este estrato no compactado puede descomponerse durante la transferencia, requiriéndose

    entonces una corrección manual externa.

    La adopción de configuraciones de paletización no previstas durante la fase de proyecto

    frecuentemente requiere nuevos componentes mecánicos y la presencia de un técnico

    especializado para su instalación.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    13

    Cualquiera sea el caso, este tipo de paletizadores con separadores sigue cumpliendo un rol

    importante cuando no se requieren altas velocidades ni un gran número de configuraciones,

    resultando una solución económica y eficaz.

    Formación del estrato sobre cinta paso

    El uso de una cinta paso-paso sin separadores es una solución reciente, altamente eficaz

    cuando aumentan las exigencias de prestación debido al número de las configuraciones de

    paletización y a la velocidad del proceso. Un sistema de cintas accionadas por motores sin

    escobillas permite alinear los productos para formar un estrato sin necesidad de utilizar

    separadores (basta el simple movimiento de las cintas para obtener el resultado buscado).

    Esta solución permite eliminar los impactos entre los productos y entre éstos y los

    separadores.

    Además, basta adaptar una serie de parámetros para poder definir una nueva configuración

    de paletización sin necesidad de instalar componentes mecánicos y/o eléctricos adicionales.

    Ventajas adicionales de este sistema:

    • Fácil y mínimo mantenimiento.

    • Consumo neumático reducido (los separadores implican un consumo mayor debido a los

    cilindros).

    • Creación de nuevas configuraciones de paletización sin necesidad de instalar

    componentes adicionales.

    • El cliente puede crear sus propias configuraciones tras un breve período de capacitación.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    14

    Compactación, recogida y/o depósito de estratos

    El estrato apenas formado debe compactarse antes de ser recogido y depositado sobre el

    pallet. Las características de esta operación varían en función del paletizador utilizado.

    Paletizadores tradicionales

    En el caso de los paletizadores tradicionales, el sistema de compactación está constituido

    por 3 perfiles con accionamiento individual a motor que garantizan una gran flexibilidad

    del proceso cuando se emplean pallets de dimensiones diferentes, sin que se requieran así

    regulaciones manuales [3].

    Los transportadores son indispensables en los procesos de paletizado razón por la cual a

    continuación se presenta lo que es un transportador y los tipos de transportadores que

    existen.

    1.2.2 Transportadores

    Los transportadores son máquinas de diseño en horizontal, en vertical o en pendiente

    que se usan para el transporte continuado de materiales en una trayectoria determinada,

    hasta el punto final o de descarga. Se componen de una cinta de superficie que circula

    en unos rodillos y poleas, por un motor de propulsión, y todo ello dispuesto en una

    estructura o soporte.

    Hay transportadoras que son accionadas por gravedad, y otras por fuerza motriz como

    los transportadores de banda, tablillas, arrastre, neumáticos, vibratorios, rodillos,

    tornillos y elevadores de cubos.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    15

    Los transportadores de arrastre y los elevadores de cubos se emplean para transportar

    materiales en dirección vertical o para transportar formando un ángulo grande con

    respecto a la horizontal, este tipo de transportadores realizan una transportación

    continua en las cuales el desplazamiento se lo realiza para cargas en polvo, en granos y

    en pedazos pequeños. Este tipo de transportadores no es apto por la razón de que el

    ángulo que necesitamos con respecto a la horizontal es pequeño y la carga a transportar

    son pedazos grandes.

    En el caso del transportador de tornillo se emplea para el transporte de materiales

    movedizos, así como materiales húmedos en dirección horizontal y la vía de

    transportación es cerrada. Por este motivo este tipo de transportador no reúne los requisitos

    ya que este no transporta pedazos grandes y se necesita una vía de transporte abierta en

    caso de cualquier eventualidad.

    Los transportadores vibratorios pertenecen a la clase de transportadores movedizos, la

    carga se desplaza mediante las oscilaciones del elemento portador de carga este

    desplazamiento inclinado únicamente se lo realiza bajo un ángulo en dirección de las

    oscilaciones, las cargas que se transportan son de polvo, tóxicos, químicamente

    agresivas, calientes. En razón esta transportadora no cuenta con la capacidad de

    transportar pedazos grandes porque el dimensionamiento de estos transportadores son muy

    pequeños para el transporte de las pacas de papel, este tipo de transportador no realiza la

    elevación de cargas por tramos inclinados por lo que solo realiza el transporte por

    desplazamiento por las oscilaciones y gravedad.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    16

    El transportador neumático se utiliza para el transporte de materiales movedizos, el

    traslado de las partículas de material se efectúa mediante una corriente de aire, este tipo

    de transportador se lo utiliza en las empresas de construcción como para el transporte de

    cemento.

    Transportadores de rodillo

    Los transportadores de rodillo Figura 1.6 (caminos de rodillos), se emplean para

    transportar diversas cargas envasadas y por piezas, es decir, conjuntos y piezas de las

    máquinas y mecanismos, moldes de fundición, cajas, vigas laminadas, maderas, tubos,

    planchas metálicas, cargas a granel en envases de saco, etc. Los transportadores de este

    tipo se emplean ampliamente en los talleres de preparación y mecánicos de las fábricas

    de construcción de maquinaria, en los talleres de laminado de las fábricas metalúrgicas,

    en las empresas de industria ligera, alimentaría, en los almacenes de transporte y de

    mercancía.

    Figura 1. 6 Los transportadores de rodillo

    Los transportadores de rodillo por sus particularidades constructivas se dividen en dos

    tipos principales independientes: a) transportadores sin transmisión, gravitacionales, en

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    17

    los cuales el movimiento de la carga se produce bajo la acción del propio peso, como

    consecuencia de una pequeña inclinación de la superficie del transportador hacia el lado

    del movimiento; b) transportadores de transmisión, en los cuales los rodillos rotan

    directamente desde un motor eléctrico o a través de transmisiones dentadas, por cadena, por

    bandas y por cables desde una transmisión general.

    Datos económicos

    Los transportadores de rodillos sin transmisión son las máquinas de transporte continuo

    más baratas. Los gastos de trabajo en la fabricación del conjunto masivo del

    transportador de rodillo en la producción en cadena no son muy grandes, y los trabajos en

    el ensamblaje del transportador no son complejos y son poco considerables

    atendiendo al volumen.

    Los transportadores de rodillos con transmisión, por sus índices de costo, se aproximan

    a los transportadores de banda en cuanto a su construcción y, a veces, son superiores a

    éstos; sin embargo, en cuanto a los consumos de explotación tienen una ventaja

    evidente, ya que cualquier órgano de tracción del transportador de rodillo, incluyendo el

    órgano en forma de la banda encauchada, sirve más tiempo que en el transportador de

    banda [4].

    Con anterioridad se hizo mención de automatización, tema que en este punto es importante

    retomar y definir después de haber comprendido lo que es un sistema de paletizado, para

    ahora saber cómo automatizar un sistema de paletizado.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    18

    1.3 AUTOMATIZACIÓN

    En la concepción del progreso dominante en nuestra sociedad, la automatización se

    presenta como uno de sus principios fundamentales. De este modo, automatizar no es

    solamente un medio de aumentar la productividad y el control sobre la fuerza de trabajo,

    sino también una manera de extender la ideología del progreso tecnológico como si se trata

    de una ineludible necesidad histórica. Con ello, la automatización se ha asumido como

    algo natural e inevitable, como si fuera hecho natural e incluso racional, en consonancia

    con la idea de la evolución darwinista [5].

    La automatización de los procesos industriales constituye uno de los objetivos más

    importantes de las empresas en la siempre incesante tarea de la búsqueda de la

    competitividad en un entorno cambiante y agresivo. La automatización de un proceso

    industrial, (máquina, conjunto o equipo industrial) consiste en la incorporación al mismo,

    de un conjunto de elementos y dispositivos tecnológicos que aseguren su control y buen

    comportamiento. Dicho automatismo, en general ha de ser capaz de reaccionar frente a las

    situaciones previstas de antemano y además frente a imponderables, tener como objetivo

    situar al proceso y a los recursos humanos que lo asisten en la situación más favorable.

    Históricamente, los objetivos de la automatización han sido el procurar la reducción de

    costes de fabricación, una calidad constante en los medios de producción, y liberar al ser

    humano de las tareas tediosas, peligrosas e insalubres.

    Desde los años 60 debido a la alta competitividad empresarial y a la internacionalización

    creciente de los mercados, estos objetivos han sido ampliamente incrementados. Téngase

    en cuenta que como resultado del entorno competitivo, cualquier empresa se ve sometida a

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    19

    grandes y rápidos procesos de cambio en búsqueda de su adecuación a las demandas de

    mercado, neutralización de los avances de su competencia, o simplemente como maniobra

    de cambio de estrategia al verse acortado el ciclo de vida de alguno de sus productos. Ello

    obliga a mantener, medios de producción adecuados que posean una gran flexibilidad y

    puedan modificar oportunamente la estrategia de producción.

    La aparición de la microelectrónica y el computador, ha tenido como consecuencia el que

    sea posible un mayor nivel de integración entre el sistema productivo y los centros de

    decisión de política empresarial.

    La tecnología de la automatización se centra en el conocimiento de los dispositivos

    tecnológicos utilizados en la implementación de los automatismos, tales como

    transductores, pre-accionadores, dispositivos funcionales de aplicación específica

    (temporizadores, contadores, módulos secuenciadores etc.) y los dispositivos lógicos de

    control (autómatas programables industriales).

    Por otra parte el diseñador y el equipo de mantenimiento de los procesos automatizados,

    deben contar con una serie de procedimientos metodológicos que le permitan abordar de

    una manera sistematizada y potente el estudio preliminar, diseño análisis y mantenimiento

    de estos sistemas automatizados [5].

    Hay tres clases amplias de automatización industrial: automatización fija, automatización

    programable y automatización flexible. La automatización fija se utiliza cuando el volumen

    de producción es muy alto, y por tanto es adecuada para diseñar equipos especializados

    para procesar el producto (o un componente de producto) con alto rendimiento y con

    elevadas tasas de producción, un buen ejemplo de la automatización fija puede

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    20

    concentrarse en la industria del automóvil, en donde las líneas de transferencia muy

    integradas constituidas por varias decenas de estaciones de trabajo se utilizan para

    operaciones de mecanizado en componentes de motores y transmisiones.

    La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es

    relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En éste caso el equipo de

    producción está diseñado para ser adaptable a variaciones en la configuración del producto.

    Ésta característica de adaptabilidad se realiza haciendo funcionar el equipo bajo el control

    de un programa de instrucciones que se preparó especialmente para el producto dado. El

    programa se introduce por lectura en el equipo de producción y éste último realiza la

    secuencia particular de operaciones de procesamiento (o montaje) para obtener el producto.

    Gracias a la característica de programación y a la adaptabilidad resultante del equipo,

    muchos productos diferentes y únicos en su género pueden obtenerse económicamente en

    pequeños lotes.

    Existe una tercera categoría entre automatización fija y automatización programable que se

    denomina automatización flexible. La experiencia adquirida hasta ahora con éste tipo de

    automatización indica que es más adecuada para el rango de producción de volumen medio.

    La Figura 1.7 muestra en una gráfica los 3 tipos de automatización.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    21

    Figura 1. 7 Relación de la automatización fija, automatización programable y

    automatización flexible como una función del volumen de producción y de la

    diversidad el producto.

    Los sistemas automatizados flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones

    de trabajo que están interconectadas por un sistema de almacenamiento y manipulación de

    materiales.

    Una de las características que distingue a la automatización programable de la

    automatización flexible es que con la automatización programable los productos se

    obtienen en lotes. Con la automatización flexible, diferentes productos pueden obtenerse al

    mismo tiempo en el mismo sistema de fabricación. Esto significa que pueden obtenerse

    productos en un sistema flexible en lotes si ello fuera deseable, o varios estilos de productos

    diferentes pueden mezclarse en el sistema [6].

    Dentro de un sistema automatizado se requiere la intervención de instrumentos (sensores,

    actuadores neumáticos, válvulas, PLC, etc.), que son herramientas necesarias para llevar a

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    22

    cabo todo un proceso automático, así como la necesidad de comprender conceptos básicos

    de neumática, hidráulica, etc. para poder comprender con mayor facilidad el proceso de

    automatización.

    1.3.1 El autómata programable o Controlador Lógico Programable (PLC)

    Desde el punto de vista de su papel dentro del sistema de control, se ha dicho que el

    autómata programable es la unidad de control, incluyendo total o parcialmente las

    interfaces con las señales de proceso. Por otro lado, se trata de un sistema con un hardware

    estándar, con capacidad de conexión directa a las señales de campo (niveles de tensión y

    corriente industriales, transductores y periféricos electrónicos) y programable por el

    usuario.

    Al conjunto de señales de consigna y de retroalimentación que entran en el autómata se les

    denomina genéricamente entradas y al conjunto de señales de control obtenidas salidas,

    pudiendo ser ambas analógicas o digitales.

    El concepto de hardware estándar que venimos indicando para el autómata se complementa

    con el de modularidad, entendiendo como tal el hecho de que este hardware está

    fragmentado en partes interconectables que permiten configurar un sistema a la medida de

    las necesidades.

    Así pues, encontramos autómatas compactos que incluyen una unidad de control y un

    mínimo de entradas y salidas y luego tienen previstas una serie de unidades de expansión

    que les permiten llegar hasta 128 o 256 entradas/salidas. Para aplicaciones más complejas

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    23

    se dispone de autómatas montados en rack con posibilidad hasta unas 2000 entradas/salidas

    controladas por una única unidad central (CPU).

    Existe también la posibilidad, en autómatas grandes, de elección entre varios tipos de CPU,

    adaptados a la tarea que deba realizarse o incluso de múltiples CPU trabajando en paralelo

    en tareas distintas.

    Así, las posibilidades de elección, tanto en capacidad de proceso como en número de

    entradas/salidas, son muy amplias y esto permite afirmar que se dispone siempre de un

    hardware estándar adaptado a cualquier necesidad.

    Esta adaptabilidad ha progresado últimamente hacia el concepto de inteligencia distribuida,

    gracias a las comunicaciones entre autómatas y a las redes autómata-ordenador. Esta

    técnica sustituye al gran autómata, con muchas entradas/salidas controladas por una única

    CPU, por varios autómatas, con un número menor de E/S, conectados en red y controlando

    cada punto o sección de una planta bajo el control de una CPU central [7].

    Clasificación del PLC

    Compactos

    Es decir, en un solo bloque se encuentran la CPU, la fuente de alimentación, la

    sección de entradas y salidas, y el puerto de comunicación, este tipo de PLC se

    utiliza cuando nuestro proceso a controlar no es demasiado complejo y no

    requerimos de un gran número de entradas y/o salidas ó de algún módulo especial.

    Modular

    Se divide en:

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    24

    Estructura Americana.- En la cual se separan los módulos de entrada/salida

    del resto del PLC.

    Estructura Europea.- Cada módulo realiza una función específica; es decir,

    un módulo es el CPU, otro la fuente de alimentación, etc.

    En ambos casos, tenemos la posibilidad de fijar los distintos módulos

    (Estructura Modular) o el PLC (Estructura Compacta) en rieles

    normalizados.

    En las figuras 1.8 y 1.9 se muestra la estructura del PLC Compacto y Modular

    respectivamente.

    Figura 1. 8 Estructura del PLC compacto

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    25

    1. Rack.

    2. Barra de compensación de

    potencial.

    3. Tarjetas de entradas y salidas.

    4. Tarjetas de comunicación.

    5. C.P.U.

    6. Tarjeta de memoria.

    7. Tarjeta de fuente de

    alimentación.

    Figura 1. 9 Estructura del PLC modular

    Aplicaciones

    Donde instalar un PLC:

    Actuadores distintos en un mismo proceso industrial.

    Verificación de las distintas partes del proceso de forma centralizada.

    Cuando el lugar donde se tiene que instalar el sistema de control dentro de la

    planta es reducido.

    Procesos secuenciales.

    Criterios para la selección del PLC

    Capacidad de entradas y salidas.

    Módulos funcionales (análogos, digitales, comunicación).

    Cantidad de programas que puede ejecutar al mismo tiempo (multitarea).

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    26

    Cantidad de contadores, temporizadores, banderas y registros.

    Lenguajes de programación.

    Capacidad de realizar conexión en red de varios PLC.

    Respaldo de la compañía fabricante del PLC, servicio y repuestos.

    Compatibilidad con equipos de otras gamas.

    Ventajas y desventajas del PLC

    Ventajas:

    Control más preciso.

    Mayor rapidez de respuesta.

    Flexibilidad Control de procesos.

    Seguridad en el proceso.

    Mejor monitoreo del funcionamiento.

    Menor mantenimiento.

    Detección rápida de averías.

    Posibilidad de modificaciones sin elevar costos.

    Menor costo de instalación, operación y mantenimiento.

    Posibilidad de gobernar varios actuadores con el mismo autómata.

    Desventajas:

    Mano de obra especializada.

    Centraliza el proceso.

    Condiciones ambientales apropiadas.

    Mayor costo para controlar tareas muy pequeñas o sencillas [8].

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    27

    1.3.2 Sistemas electro hidráulicos de control de movimiento

    En sistemas hidráulicos, el medio de transmisión de potencia es un fluido hidráulico

    presurizado. Si el control del flujo del fluido presurizado se hace por medios eléctricos,

    entonces de denomina sistemas electrohidráulicos (EH). Si el control del fluido se hace por

    una combinación de mecanismos mecánicos e hidráulicos, entonces se denominan sistemas

    hidromecánicos.

    Las aplicaciones de sistemas de control de movimiento hidráulico incluyen:

    1. Equipo móvil como equipo de construcción que genera su potencia de un motor de

    combustión interna y suministra potencia a herramientas de trabajo, por medio de

    fluido hidráulico presurizado empleando una bomba, válvula y componentes del

    cilindro/motor.

    2. Aplicaciones de automatización en fábricas industriales:

    a) Prensas (prensas punzonadoras, prensas de transferencia)

    b) Máquinas de moldeo por inyección.

    c) Accionamiento de control del espesor de láminas metálicas en fábricas

    siderúrgicas [8].

    Gracias a los sistemas electro hidráulicos, podemos mover cargas muy pesadas sin la

    necesidad de la intervención humana, también encontramos otro tipo de transportes de

    carga que nos permiten el traslado de cargas hacia otra zona y/o área donde se requiera

    mover dicho objeto, como el que se menciona a continuación.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    28

    1.3.3 Neumática e hidráulica

    Los sistemas de movimiento y control basados en fluidos pueden ser neumáticos,

    hidráulicos, eléctricos y mecánicos.

    Neumática

    La palabra neumática se refiere al estudio del movimiento del aire y así en sus

    comienzos el hombre utilizó el viento en la navegación y en el uso de los molinos

    para moler grano y bombear agua. En 1868 George Westinghouse fabricó un freno de

    aire que revolucionó la seguridad en el transporte ferroviario. Es a partir de 1950 que

    la neumática se desarrolla ampliamente en la industria con el desarrollo paralelo de

    los sensores.

    Los sistemas de aire comprimido proporcionan un movimiento controlado con el empleo de

    cilindros y motores neumáticos y se aplican en herramientas, válvulas de control y

    posicionadores, martillos neumáticos, pistolas para pintar, motores neumáticos, sistemas de

    empaquetado, elevadores, herramientas de impacto, prensas neumáticas, robots industriales,

    vibradores, frenos neumáticos, etc.

    Las ventajas que presenta el uso de la neumática son el bajo coste de sus componentes, su

    facilidad de diseño e implementación y el bajo par o la fuerza escasa que puede desarrollar

    a las bajas presiones con que trabaja (típico 6 bar) lo que constituye un factor de seguridad.

    Otras características favorables son el riesgo nulo de explosión, su conversión fácil al

    movimiento giratorio así como al lineal, la posibilidad de transmitir energía a grandes

    distancias, una construcción y mantenimiento fáciles y la economía en las aplicaciones.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    29

    Entre las desventajas figura la imposibilidad de obtener velocidades estables debido a la

    compresibilidad del aire, los altos costes de la energía neumática y las posibles fugas que

    reducen el rendimiento.

    La neumática precisa de una estación de generación y preparación del aire comprimido

    formada por un compresor de aire, un depósito, un sistema de preparación del aire (filtro,

    lubricador y regulador de presión), una red de tuberías para llegar al utilizador y un

    conjunto de preparación del aire para cada dispositivo neumático individual (Figura 1.10).

    Los sistemas neumáticos se complementan con los eléctricos y electrónicos lo que les

    permite obtener un alto grado de sofisticación y flexibilidad. Utilizan válvulas solenoide,

    señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos

    de final de carrera. El PLC (controlador lógico programable) les permite programar la

    lógica de funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea

    específica.

    Figura 1. 10 Preparación del aire.

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    30

    Una herramienta eficaz para programar circuitos electro-neumáticos es el método “paso a

    paso”, para el cual es preciso desarrollar diagramas de espacio-fase con los que se obtienen

    los permisivos de cada paso para realizar determinada secuencia. A continuación se

    presenta dicho método, así como los diagramas de espacio-fase o diagramas de

    movimientos.

    Diagramas de movimientos

    Es un diagrama donde se muestra cada una de las fases de trabajo para los circuitos

    secuenciales para ciclos programados, estas y otras particularidades del esquema deben

    quedar claras en el diagrama para analizar los movimientos, las posiciones de cada cilindro

    en un determinado momento y los tiempos empleados en los distintos recorridos. En la

    siguiente imagen (Figura1.11), se muestra un ejemplo de un diagrama espacio fase. [9]

    Figura 1. 11 Diagrama Espacio-Fase

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    31

    Método paso a paso

    El método paso a paso, recibe este nombre porque una etapa es activada por la anterior y

    desactivada por la siguiente. Se establece la secuencia o sucesión de movimientos a

    realizar. Por ejemplo:

    En la primera etapa un cilindro “A” se expulsa, en la segunda etapa un cilindro “B”

    se expulsa y se contrae el cilindro “A”, en la tercera etapa el cilindro “B” es

    retraído, en la cuarta etapa un cilindro “C” se expande, en la quinta etapa el cilindro

    “A” y “B” vuelven a ser expulsados, en la sexta etapa el cilindro “A” es contraído y

    en la última etapa el cilindro “B” y “C” son retraídos, como se observa a

    continuación:

    (A+, B+ A-, B- , C+, A+ B+, A-, B- C-)

    Se divide la secuencia de movimientos en etapas, de tal modo, que en las etapas no haya

    ninguna letra repetida y que el número de etapas sea el menor posible; cada etapa es

    activada por la etapa anterior (último final de carrera de la etapa anterior) [10].

    En determinadas aplicaciones, tales como en movimientos de aproximación rápido y

    avance lento, típicos de las fresadoras y rectificadoras, en la sujeción de piezas utilizada en

    los cortes a alta velocidad sobre materiales duros y en la automatización de procesos de

    producción, se combinan la neumática y la hidráulica en un circuito oleo neumático,

    utilizando parte neumática para accionamiento y control y parte hidráulica para el actuador.

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    32

    Hidráulica

    La hidráulica utiliza básicamente los fluidos hidráulicos como medios de presión para

    mover los pistones de los cilindros. En la Figura 1.12 se representa el movimiento típico de

    un pistón dentro del cilindro gracias a la energía proporcionada por un sistema hidráulico

    formado por una bomba, un depósito y un conjunto de tuberías que llevan el fluido a

    presión hasta los puntos de utilización. Dentro de estos sistemas se encuentran los motores

    hidráulicos con velocidades que abarcan desde 0,5 rpm hasta 10.000 rpm y el par que

    proporcionan va desde 1 Nm (baja velocidad) hasta 20.000 Nm (alta velocidad).

    Figura 1. 12 Circuito típico de un pistón dentro del cilindro en un sistema hidráulico

    Los sistemas hidráulicos se aplican típicamente en dispositivos móviles tales como

    maquinaria de construcción, excavadoras, plataformas elevadoras, aparatos de elevación y

    transporte, maquinaria para agricultura y simuladores de vuelo.

    Sus aplicaciones en dispositivos fijos abarcan la fabricación y montaje de máquinas de todo

    tipo, líneas transfer, aparatos de elevación y transporte, prensas, máquinas de inyección y

    moldeo, máquinas de laminación, ascensores y montacargas.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    33

    Tienen las siguientes ventajas:

    Gran potencia transmitida con pequeños componentes, posicionamiento preciso, arranque

    con cargas pesadas, movimientos lineales independientes de la carga ya

    que los líquidos son casi incompresibles y pueden emplearse válvulas de control,

    operación suave e inversa, buen control y regulación y disipación favorable de calor.

    Y entre sus desventajas figuran:

    Polución del ambiente con riesgo de incendio y accidentes en el caso de fuga de aceite,

    sensibilidad a la suciedad, peligro presente debido a las excesivas presiones, dependencia

    de la temperatura por cambios en la viscosidad.

    Análogamente a los sistemas neumáticos, los sistemas hidráulicos se complementan con los

    eléctricos y electrónicos mediante dispositivos tales como válvulas solenoide, señales de

    realimentación de interruptores magnéticos, sensores e interruptores eléctricos de final de

    carrera. Es fácil, en particular en sistemas complejos, acoplarles un PLC (controlador

    lógico programable) que les permite programar la lógica de funcionamiento de varios

    cilindros.

    Comparación entre neumática, hidráulica, eléctrica y electrónica

    En la tabla 1.1 se muestran las características comparativas entre los sistemas neumático e

    hidráulico y en la tabla 1.2 entre la neumática/hidráulica y la electricidad/electrónica [11].

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    34

    Tabla 1. 1 Características comparativas de los sistemas neumático e hidráulico.

    Neumática Hidráulica

    Efecto de las

    fugas

    Solo pérdida de energía Contaminación

    Influencia del

    ambiente

    A prueba de explosión. Insensible

    a la temperatura

    Riesgo de incendio en caso de fuga.

    Sensible a cambios de la temperatura

    Almacenaje de

    energía

    Fácil Limitada

    Transmisión

    de energía

    Hasta 1.000 m. Caudal v = 20 - 40

    m/s. Velocidad de la señal 20 - 40

    m/s

    Hasta 1.000 m. Caudal v = 2 - 6 m/s.

    Velocidad de la señal hasta 1.000

    m/s

    Velocidad de

    operación

    V = 1,5 m/s V = 0,5 m/s

    Coste de la

    alimentación

    Muy alto Alto

    Movimiento

    lineal

    Simple con cilindros. Fuerzas

    limitadas. Velocidad dependiente

    de la carga

    Simple con cilindros. Buen control

    de velocidad. Fuerzas muy grandes

    Movimiento

    giratorio

    Simple, ineficiente, alta velocidad Simple, par alto, baja velocidad

    Exactitud de

    posición

    1/10 mm posible sin carga Puede conseguirse 1 mm

    Estabilidad Baja, el aire es compresible Alta, ya que el aceite es casi

    incompresible, además el nivel de

    presión es más alto que en el

    neumático.

    Fuerzas Protegido contra sobrecargas.

    Fuerzas limitadas por la presión

    neumática y el diámetro del

    cilindro (F = 30 kN a 6 bar)

    Protegido contra sobrecargas, con

    presiones que alcanzan los 600 bar y

    pueden generarse grandes fuerzas

    hasta 3.000 kN

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    35

    Tabla 1. 2 Características comparativas de los sistemas neumático/hidráulico y

    eléctrico/electrónico.

    Neumático/Hidráulico Eléctrico/Electrónico

    Elementos de trabajo Cilindros, Motores,

    Componentes

    Motores eléctricos, Válvulas

    de solenoide, Motores

    lineales

    Elementos de control Válvulas distribuidoras

    direccionales

    Contactores de potencia,

    Transistores, Tiristores

    Elementos de proceso Válvulas distribuidoras

    direccionales, Válvulas de

    aislamiento, Válvulas de

    presión

    Contactores, Relés, Módulos

    electrónicos

    Elementos de entrada Interruptores, Pulsadores,

    Interruptores final de

    carrera, Módulos

    programadores, Sensores

    Interruptores, Pulsadores,

    Interruptores final de

    carrera, Módulos

    programadores, Sensores,

    Indicadores/generadores

    Al tener conocimiento de los conceptos de neumática e hidráulica, es de mucha importancia

    comprender dichos conceptos ya que son una herramienta base para comprender lo

    siguiente.

    Cilindros neumáticos

    Los cilindros son componentes neumáticos que mediante el uso del aire comprimido,

    generan un movimiento rectilíneo de avance y retroceso de un mecanismo. Son los

    elementos de trabajo de más frecuente uso en neumática, muy por encima de los

    accionadores rotativos, motores, pinzas y otros. Aunque existe en el mercado una gran

    variedad de tipos, algunas veces fuman parte de un bloque mecánico y es preciso

    fabricarlos como parte integrante del mismo.

    Con la utilización del aire comprimido se consiguen en cilindros velocidades de hasta 1,5

    m/s en los convencionales, y hasta 10 m/s, en los cilindros de impacto.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    36

    Cilindros de doble y simple efecto

    En la Figura 1.13 se muestra un cilindro de doble efecto con las partes más esenciales.

    Figura 1. 13 Cilindro de doble efecto

    El funcionamiento del cilindro es el siguiente: para hacer avanzar el vástago, el aire a

    presión penetra por el orificio de la cámara trasera, llenándola y haciendo avanzar el

    vástago. Para que esto sea posible, el aire de la cámara delantera ha de ser desalojado al

    exterior a través del orificio correspondiente. En el retroceso del vástago, se invierte el

    proceso haciendo que el aire penetre por el orificio de la tapa delantera, y sea evacuado al

    exterior a través del conducto unido a la tapa trasera.

    Esencialmente un cilindro neumático se compone de tapa trasera (1), tubo o camisa (3),

    pistón (6), vástago (7) y tapa delantera (9). Para conseguir la estanqueidad es preciso que

    tanto las tapas, como el pistón y el vástago, posean las correspondientes juntas de cierre.

    Así, en las tapas se montan juntas estáticas (2), en el pistón juntas estáticas (4) y dinámica

    (5), y en el vástago la dinámica (8). La junta (10) es lo que se denomina anillo rascador, y

    tiene por misión limpiar el vástago de impurezas de polvo y suciedad que pueden adherirse

    a la superficie, cada vez que este avanza y se pone en contacto con el aire ambiente.

  • Instituto Politécnico Nacional CAPÍTULO I

    37

    Cuando las velocidades de traslación de las masas que accionan los cilindros son elevadas,

    conviene amortiguar la velocidad al final de la carrera para evitar choques bruscos, ruido

    excesivo, y posible deterioro de algunas partes. La amortiguación se realiza en el mismo

    cilindro, cuando se monta uno de ellos especialmente concebido para este efecto, y consiste

    fundamentalmente en crear un colchón de aire con escape regulable al final de la carrera.

    En la Figura 1.14 se presenta la parte delantera de un cilindro con amortiguación regulable.

    Como puede observase, al penetrar el pequeño pistón de frenado (3) en la cámara

    correspondiente, queda el aire retenido formando un cojín y es evacuando a la cámara

    principal (1) que comunica con el aire exterior a través del tornillo (2) como puede verse.

    Esta cámara de frenado existe también en la tapa trasera, con lo cual se amortigua también

    el retroceso del vástago hasta su posición final trasera.

    La amortiguación al término del recorrido, permite acelerar al máximo los tiempos de

    aproximación y frenar gradualmente la carrera final, con lo que se aumenta la frecuencia de

    trabajo en el cilindro.

    Figura 1. 14 Cilindro con amortiguación d