INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Instituto Politécnico Nacional ÍNDICE

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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


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


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


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


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


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


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




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


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


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.


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.


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.


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


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.


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.


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



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


6

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


Figura 1. 4 Organización de la actividad

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


Figura 1. 5 Factores individuales


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.


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.


9

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.


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


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.


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.


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.


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.


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.


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


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.


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


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


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.


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


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


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:


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


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).


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].


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.


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.


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.


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


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.


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.


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].


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


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.


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.


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

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