UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA FACULTAD DE INGENIERIAS CARRERA DE INGENIERIA ELECTRICA
AUTOMATIZACION DE UNA INYECTORA DE PLASTICO SANDRETTO TORINO 2GV /110 CON UN SISTEMA SUPERVISOR EN LA EMPRESA MECANOPLAST.
TESIS PREVIA A LA OBTENCION DEL TITULO DE INGENIERO ELECTRICO
AUTOR: DIEGO HERNANDO HIDALGO LLUMIQUINGA
DIRECTOR: ING. EDWIN IBARRA
QUITO, 2008
Certifico que el presente trabajo de Tesis ha sido realizado en forma total Por el Señor Diego Hidalgo
Ing. Edwin Ibarra DIRECTOR DE TESIS
DEDICATORIA A mi querida madre ROSITA, y a todos aquellos que con su amor y apoyo incondicional me motivaron a culminar esta carrera tan bien anhelada.
AGRADECIMIENTO Dejo constancia de mi agradecimiento a la empresa Mecanoplast Don Bosco por la confianza depositada a la ejecución del proyecto y cada una de las personas que colaboraron desinteresadamente en la realización de este trabajo.
CAPITULO I
PLASTICOS Y GENERALIDADES DEL PROCESO DE INYECCION
1.-Plásticos y Generalidades
1.1.-Origen
Hace cien años, al mencionar el término plástico, éste se podía entender como algo relativo a la producción de formas o artes plásticas. En la actualidad, esta palabra se utiliza con mayor frecuencia y tiene un significado que implica no sólo arte, sino también tecnología y ciencia.
“PLÁSTICOS es una palabra que se deriva del griego "Plásticos" que significa "Capaz de ser Moldeado", sin embargo, esta definición no es suficiente para describir de forma clara a la gran variedad de materiales que así se denominan.”1
Técnicamente los plásticos son sustancias de origen orgánico formadas por largas cadenas macromoleculares que contienen en su estructura carbono e hidrógeno principalmente. Se obtienen mediante reacciones químicas entre diferentes materias primas de origen sintético o natural. Es posible moldearlos mediante procesos de transformación aplicando calor y presión.
1
www.maquinaria-para-inyeccion-de-plasticos.com.mx/maquinas-de-inyeccion.htm
Los Plásticos son parte de la gran familia de los Polímeros, que significa Poli:” muchas” y meros: “partes”.
1.2.-Fabricación y Obtención 1.2.1.-Petróleo.-
70 % El diesel y el aceite calorífico
20 % Nafta
13 % Gasolina
7 % Productos Químicos crudos
4% Plásticos
3% Otros productos químicos
10 % Otros
1.2.2.-Fabricación de los Plásticos
Figura # 1.1.‐ Proceso de Fabricación de los Plásticos.
Existen diferentes tipos de materias primas para producir plásticos. Es en el comienzo del siglo XX que empezaron a desarrollarse productos químicos obtenidos, por síntesis, a partir de los hidrocarburos y que representan hoy en día el 90 % de la producción de total de los plásticos. Por refinado del petróleo crudo se obtiene diferentes fracciones gaseosas o líquidas. Entre ellas, la NAFTA que es la más importante para la síntesis de los plásticos.
Hay dos grandes principios para la síntesis de los plásticos que depende del tipo de producto a fabricar los cuales son uno para los termoplásticos y otro para los termoendurecibles.
1.3.-Tipos de Plástico Si bien existen más de cien tipos de plásticos, los más comunes son seis, y se los identifica con un número dentro de un triángulo para efectos de facilitar su clasificación para el reciclado, ya que las características diferentes de los plásticos exigen generalmente un reciclaje por separado.
TIPO / NOMBRE
PET Polietileno Tereftalato
PEAD Polietileno de Alta Densidad
CARACTERISTICAS
USOS / APLICACIONES
Envases para gaseosas, aceites, agua mineral, cosmética, frascos varios Se produce a partir del Ácido Tereftálico y (mayonesa, salsas, etc.). Películas Etilenglicol, por poli condensación; transparentes, fibras textiles, existiendo dos tipos: grado textil y grado laminados de barrera (productos botella. Para el grado botella se lo debe post alimenticios), envases al vacío, condensar, existiendo diversos colores para bolsas para horno, bandejas para estos usos. microondas, cintas de video y audio, (pavimentación /caminos); películas radiográficas.
El polietileno de alta densidad es un termoplástico fabricado a partir del etileno (elaborado a partir del etano, uno de los componentes del gas natural). Es muy versátil y se lo puede transformar de diversas formas: Inyección, Soplado, Extrusión.
Envases para: detergentes, aceites automotor, shampoo, lácteos, bolsas para supermercados, bazar y cajones para pescados, gaseosas y cervezas, baldes para pintura, helados, aceites, tambores, tubos para gas, telefonía, agua potable, minería, drenaje y uso sanitario, macetas, bolsas tejidas.
TIPO / NOMBRE
PVC Cloruro de Polivinilo
PEBD Polietileno de Baja Densidad
PP Polipropileno
PS Poliestireno
CARACTERISTICAS
Se produce a partir de dos materias primas naturales: gas 43% y sal común 57%. Para su procesado es necesario fabricar compuestos con aditivos especiales, que permiten obtener productos de variadas propiedades para un gran número de aplicaciones. Se obtienen productos rígidos o totalmente flexibles (Inyección Extrusión - Soplado).
USOS / APLICACIONES
Envases para agua mineral, aceites, jugos, mayonesa. Perfiles para marcos de ventanas, puertas, tubos para desagües domiciliarios y de redes, mangueras, blister para medicamentos, pilas, juguetes, envolturas para golosinas, películas flexibles para envasado (carnes, fiambres, verduras), film cobertura, cables, papel vinílico (decoración), bolsas para sangre.
Se produce a partir del gas natural. Al igual que el PEAD es de gran versatilidad y se procesa de diversas formas: Inyección, Soplado, Extrusión. Su transparencia, flexibilidad, tenacidad y economía hacen que esté presente en una diversidad de envases, sólo o en conjunto con otros materiales y en variadas aplicaciones.
Bolsas de todo tipo: supermercados, boutiques, panificación, congelados, industriales, etc. Películas para: Agro (recubrimiento de Acequias), envasamiento automático de alimentos y productos industriales (leche, agua, plásticos, etc.). Bolsas para suero, contenedores herméticos domésticos. Tubos y pomos (cosméticos, medicamentos y alimentos), tuberías para riego.
El PP es un termoplástico que se obtiene por polimerización del propileno. Los copolímeros se forman agregando etileno durante el proceso. El PP es un plástico rígido de alta cristalinidad y elevado punto de fusión, excelente resistencia química y de más baja densidad. Al adicionarle distintas cargas (talco, caucho, fibra de vidrio, etc.), se potencian sus propiedades hasta transformarlo en un polímero de ingeniería. (El PP es transformado en la industria por los procesos de inyección, soplado y extrusión/ termoformado)
Película/Film (para alimentos, snack, cigarrillos, chicles, golosinas, indumentaria). Bolsas tejidas (para papas, cereales). Envases industriales. Hilos cabos, cordelería. Tubos para agua caliente. Jeringas desechables. Tapas en general, envases. Bazar y menaje. Cajones para bebidas. Baldes para pintura, helados. Potes para margarina. Fibras para tapicería, cubrecamas, etc. Telas no tejidas (pañales desechables). Alfombras. Cajas de batería.
PS Cristal: Es un polímero de estireno monómero (derivado del petróleo), cristalino y de alto brillo. PS Alto Impacto: Es un polímero de estireno monómero con oclusiones de Polibutadieno que le confiere alta resistencia al impacto. Ambos PS son fácilmente moldeables a través de procesos de: Inyección, Extrusión/Termoformado, Soplado.
Potes para lácteos (yogurt, postres, etc.), helados, dulces, etc. Envases varios, vasos, bandejas de supermercados y rotiserías. Heladeras: Contrapuertas, anaqueles. Cosmética: envases, máquinas de afeitar descartables. Bazar: platos, cubiertos, bandejas, etc. Juguetes, casetes, blisteres, etc. Aislantes: planchas de PS espumado.
1.4..-Técnicas de Moldeo de los Plásticos El moldeo de los plásticos consiste en dar las formas y medidas deseadas a un plástico por medio de un molde. El molde es una pieza hueca en la que se vierte el plástico fundido para que adquiera su forma. Para ello los plásticos se introducen a presión en los moldes. En función del tipo de presión, tenemos estos dos tipos: 1.4.1.-Moldeo a Alta Presión Se realiza mediante máquinas hidráulicas que ejercen la presión suficiente para el moldeado de las piezas. Básicamente existen tres tipos: compresión, inyección y extrusión. 1.4.1.1.-Compresión En este proceso, el plástico en polvo es calentado y comprimido entre las dos partes de un molde mediante la acción de una prensa hidráulica, ya que la presión requerida en el proceso es muy grande. Este proceso se usa para obtener pequeñas piezas de baquelita, como los mangos aislantes del calor de los recipientes y utensilios de cocina. 1.4.1.2.-Inyección: En este proceso, el plástico granulado se ubica dentro de un cilindro, donde se calienta, en el interior del cilindro hay un tornillo sin fin que actúa de igual manera que el émbolo de una jeringuilla. Cuando el plástico se reblandece lo suficiente, el tornillo sin fin lo inyecta a alta presión en el interior de un molde de acero para darle forma. El molde y el plástico inyectado se enfrían mediante unos canales interiores por los
que circula agua. Por su economía y rapidez, el moldeo por inyección resulta muy indicado para la producción de piezas en serie. 1.4.1.3.-Extrusión Este proceso consiste en moldear productos de manera continua, ya que el material es empujado por un tornillo sin fin a través de un cilindro que acaba en una boquilla, lo que produce una tira de longitud indefinida. Cambiando la forma de la boquilla se pueden obtener barras de distintos perfiles. También se emplea este procedimiento para la fabricación de tuberías, inyectando aire a presión a través de un orificio en la punta del cabezal. Regulando la presión del aire se pueden conseguir tubos de distintos espesores. 1.4.2.-Moldeo a Baja Presión Se emplea para dar forma a láminas de plástico mediante la aplicación de calor y presión hasta adaptarlas a un molde. 1.4.2.1.-Colada El proceso denominado colada consiste en el vertido del material plástico en estado líquido dentro de un molde, donde fragua y se solidifica. La colada es útil para fabricar pocas piezas o cuando emplean moldes de materiales baratos de poca duración, como la madera. 1.4.2.2.-Espumado Este proceso consiste en introducir aire u otro gas en el interior de la masa de plástico de manera que se formen burbujas permanentes. Por este procedimiento se obtiene la
espuma de poliestireno, la espuma de poliuretano (PUR), etc. Con estos materiales se fabrican colchones, aislantes termo-acústicos, esponjas. 1.4.2.3.-Calandrado Consiste en hacer pasar el material plástico a través de unos rodillos, que están sometidos a una presión determinada generando láminas de plástico flexibles de diferente espesor. Estas láminas se utilizan para fabricar hules, impermeables o planchas de plástico de poco grosor. 1.5.-Proceso de Inyección
“El proceso de inyección de termoplásticos se fundamenta en fundir un material plástico y hacerlo fluir hacia un molde, a través de una boquilla en la máquina de inyección, en donde llena una cavidad que le da una forma determinada permitiendo obtener una amplia variedad de productos.”2
El moldeo por inyección es la técnica de procesamiento de mayor utilización para la transformación de plásticos. Su popularidad radica en la versatilidad para obtener productos de variadas geometrías y para diversos usos.
La inyección es un proceso secuencial que está conformado por un conjunto de etapas que se denomina ciclo de inyección. El parámetro más importante, desde el punto de
2
Torino Sandretto, Prensa para Inyección de Termoplásticos 2GV/50/70/110/165/270/B, Euromap.
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vista económico, es la duración o el tiempo del ciclo, pues finalmente de este dependen la productividad y el costo del proceso.
1.5.1.-La Máquina de Inyección
Una máquina inyectora es un equipo capaz de plastificar el material polimérico y bombearlo hacia un molde en donde llena una cavidad y adquiere la forma del producto deseado.
1.5.2.-Unidades Principales de una Inyectora
La unidad de cierre
La unidad de inyección
La unidad de potencia
La unidad de control
Figura # 1.2.‐ Unidades Principales de una Inyectora
1.5.2.1.-Unidad de Cierre
Consiste de una prensa conformada por dos placas porta moldes, una móvil y otra fija. El sistema de accionamiento de la placa móvil puede ser un mecanismo de palancas acodadas accionados hidráulicamente, un cilindro hidráulico. El parámetro fundamental para dimensionar una unidad de cierre es su fuerza para mantener el molde cerrado. Usualmente se da este valor en toneladas (ton). Otros parámetros importantes en una unidad de cierre son: la distancia mínima entre placas, la distancia máxima de apertura, las dimensiones de las placas y la distancia entre columnas, la carrera del sistema de expulsión. Estos datos se utilizan para dimensionar los moldes.
Figura # 1.3.‐ a). Sistema de cierre hidráulico‐mecánico con placas acodadas. b). Sistema de cierre hidráulico.
1.5.2.2.-Unidad de Inyección
La unidad de inyección está conformada por el tornillo y el barril de inyección, la boquilla y las resistencias alrededor del barril.
Figura # 1.4.‐ Unidad de inyección.
“La conductividad térmica de los plásticos es muy inferior a la de los metales, por lo que su procesamiento debe hacerse en capas delgadas para que la transferencia de calor sea lo más rápida posible y razonablemente económica. Esto se logra aprovechando el fenómeno de plastificación, que consiste en la fusión de la capa de material directamente en contacto con la superficie del barril, la cual transmite el calor, por convección forzada, al material sólido en las capas inferiores hasta que se plastifica completamente la masa de material.”3
En las inyectoras comerciales aproximadamente un 50% del calor requerido para fundir el material lo aporta la fricción viscosa, generada por el giro del tornillo con respecto al barril, y el otro 50% lo aportan las resistencias eléctricas.
3
Torino Sandretto, Prensa para Inyección de Termoplásticos 2GV/50/70/110/165/270/B, Euromap.
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1.5.2.3.-La Unidad de Potencia
Es el sistema que suministra la potencia necesaria para el funcionamiento de la unidad de inyección y de la unidad de cierre.
1.5.2.3.1.-Tipos de Sistemas de Potencia
Sistema de motor eléctrico con unidad reductora de engranajes
Sistema de motor hidráulico con unidad reductora de engranajes
Sistema hidráulico directo
1.5.2.4.-La Unidad de Control
Este sistema básicamente contiene un controlador lógico programable (PLC) y controladores PID para las resistencias eléctricas del barril y de la boquilla. El PLC permite programar la secuencia del ciclo de inyección y recibe señales de alarma, por sobre presión o finales de carrera, para definir los
ciclos de inyección. Los
controladores PID son los más adecuados para el control de temperatura debido a su elevada velocidad de respuesta para mantener la temperatura a los niveles requeridos.
CAPITULOII
2.-SITUACION ACTUAL DE LA MAQUINA INYECTORA SANDRETTO TORINO 2GV/110
2.1.-Introducción La fabrica MECANOPLAST en la actualidad cuenta con aproximadamente 20 inyectoras de plástico, las cuales datan de hace unos 40 años. Las mencionadas inyectoras, cuentan aún con el sistema electromecánico de control original. El sistema electromecánico original se ha visto afectado por el número de maniobras realizadas durante su periodo de trabajo a lo largo de todos esos años. Este sistema de control es complejo, y se encuentra afectado por la discontinuidad de los equipos de control. El sistema de regulación de tiempos, es controlado mediante potenciómetros de baja precisión. El sistema de lubricación actúa con tiempos fijos, sin proporcionalidad del trabajo de la máquina. 2.2.-Características de la Máquina Inyectora de Termoplásticos Modelo 2GV/110 Las características más importantes de este tipo de máquinas vamos a describir a continuación:
Características Clasificación Euromap
Unidades
2GV/110
1000Kp/cm3
295/110
Diámetro de Husillo
mm
40
95
50
Volumen de Inyección Calculado
cm3
185
235
290
gr.
175
222
274
Presión sobre el Material
kp/cm3
1590
1260
1020
Velocidad de Inyección
cm3/seg
90
115
151
Longitud útil de husillo
L/D
17,5
15,6
13,6
kp/hora
68
75
80
Peso inyectado Aproximado
Plastificación horaria aproximado Potencia del Motor Eléctrico Husillo
HP
7.5
Velocidad de Rotación del Husillo
RPM
40-80-116-190
Par de torsión sobre el Husillo
kp.mt.
134-67-46-28
Zonas Termo reguladas
Nº
3
Potencia Total Calefacción
KW
6
Fuerza Blocaje Molde
Mp
110
Fuerza de Extracción Aproximada
KP
6300
Potencia Motor Eléctrico Bomba
HP
20
Nº/1min
29
KW
26,5
Capacidad de Aceite
Lt
190
Dimensiones Aproximadas
mt.
4,9x0.8x2
Peso Neto
Kp
3500
Ciclo en Vacío Potencia Total Instalada
Tabla # 2.1.- Características de la Máquina Inyectora de Termoplásticos.
2.3.-Descripciones de la Máquina. La Máquina Inyectora Sandretto Torino 2GV/110 esta compuesta por cuatro unidades, muy importantes para efectuar sus funciones de operación: La unidad de cierre La unidad de inyección La unidad de potencia La unidad de control 2.3.1.-Unidad de Cierre Consiste de una prensa formada por dos placas porta moldes, una móvil y otra fija. El sistema de accionamiento de la placa móvil es un mecanismo de palancas acodadas, acopladas al eje de un cilindro hidráulico de doble efecto, el que controla el desplazamiento de dicha placa.
Figura # 2.1.‐ Unidad de cierre.
El control de funcionamiento del cilindro hidráulico de doble efecto es mediante, 2 electroválvulas que permiten el paso de fluido de aceite para que la placa móvil se acerque o se aleje, de la placa fija. Las
electroválvulas están controladas por el
circuito de control del sistema
electromecánico de la máquina, que son realizados por el accionamiento de varios interruptores tipo final de carrera, reles auxiliares y contactores. 2.3.2.-Unidad de Inyección La unidad de inyección está formada por el tornillo, el barril de inyección, la boquilla y las resistencias alrededor del barril. El material sólido ingresa por la tolva a la zona de alimentación del tornillo, en esta zona es transportado, por efecto de la rotación del tornillo dentro del barril, hacia la zona de fusión donde se plastifica; finalmente el material es bombeado hacia la parte delantera del tornillo en la zona de dosificación. Durante el proceso de plastificación del material, el tornillo gira constantemente. Cuando se va a realizar la inyección hacia el molde, el tornillo deja de girar y actúa como pistón, haciendo fluir el plástico fundido hacia el molde y llenando las cavidades.
Figura # 2.2.‐ Unidad de inyección.
La etapa de inyección de material fundido hacia el molde, esta controlada por una electroválvula que acciona un cilindro hidráulico de simple efecto, que actúa como pistón empujando el material hacia las cavidades del molde. La etapa de plastificación utiliza un motor eléctrico que esta acoplado a una caja de transmisión, la misma que transmite movimiento constante al tornillo sin fin para acumular el material para la siguiente inyección. Para el movimiento de la unidad de inyección (Barril, Niquelinas, Tolva) utilizamos un cilindro de doble efecto (Figura # 2.2.) que es controlado de igual forma por 2 electroválvulas que accionan el avance y el retroceso de dicha unidad. 2.3.3.-La Unidad de Potencia Es el sistema que suministra la potencia necesaria para el funcionamiento de la unidad de inyección y de la unidad de cierre. 2.3.3.1.-Tipos de Sistemas de Potencia Sistema hidráulico directo Sistema eléctrico 2.3.3.1.1.-Sistema de Potencia Hidráulico Los motores hidráulicos son los más utilizados, su funcionamiento se basa en la transformación de la potencia hidráulica del fluido en potencia mecánica. El fluido que más se utiliza es el aceite, debido principalmente a sus propiedades lubricantes en aplicaciones que involucran grandes cargas. El sistema hidráulico proporciona potencia a la unidad de cierre y a la de inyección excepto la etapa de plastificación.
2.3.3.1.2.-Sistema de Potencia Eléctrica El motor eléctrico proporciona potencia a la etapa de plastificación del material, ya que se produce por el movimiento de un tornillo sin fin que se encuentra acoplado a una caja de transmisión, la misma que tiene la posibilidad de seleccionar cuatro velocidades para la plastificación del material. La selección de la velocidad de plastificación depende del material y el tiempo de duración de dicha etapa. 2.3.4.-La Unidad de Control Eléctrico Este sistema básicamente contiene elementos electromecánicos, los mismos que permite controlar la secuencia del ciclo de inyección recibiendo señales de alarma por sobre presión o finales de carrera, para las distintas etapas de trabajo.
Las Máquinas poseen un sistema electromecánico de control complejo debido a que existen interconexiones excesivas entre sus elementos, y que en la actualidad sus reemplazos en caso de deterioro o fallas ya no existen en el mercado.
El sistema de control se efectúa por medio de contactores “siemens” que tienen como limite 10 contactos, distribuidos entre abiertos y cerrados, dependiendo del tipo de equipo utilizado de acuerdo a la función que va a desempeñar.
En la figura # 2.3 se muestra un esquema del tablero de control de la máquina inyectora con la distribución de todos los elementos que lo conforman.
Figura # 2.3.‐ Tablero eléctrico inyectora Sandretto Torino 2GV/110.
Este sistema de control electromecánico actúa sobre seis electroválvulas que controlan los movimientos de la máquina como son:
La apertura y cierre del molde, la inyección del material, y el movimiento de la unidad de inyección.
Las electroválvulas tienen una cierta secuencia de trabajo que se producen en las diferentes etapas de inyección que a continuación vamos a describir.
Antes de comenzar a describir las distintas etapas de control de la máquina en el proceso de inyección, vamos a definir la codificación para las electroválvulas según su funcionamiento:
Electroválvula de Cierre de Molde = Electroválvula # 2 Electroválvula de Apertura de Molde = Electroválvula # 8 Electroválvula de avance de la unidad de Inyección = Electroválvula # 5 Electroválvula de retroceso de la unidad de Inyección = Electroválvula # 7 Electroválvula de Inyección = Electroválvula # 3 Electroválvula de apertura y cierre lento del molde (Freno) = Electroválvula # 6
En la figura # 2.4 se muestra el bloque de 6 electroválvulas que posee la máquina Sandretto Torino 2GV/110, que como se ha descrito anteriormente tienen la función de controlar los distintos movimientos de las diferentes etapas de inyección. Por ende para la descripción del funcionamiento de la máquina nos referiremos a las electroválvulas con simples números.
Figura # 2.4.‐ Electroválvulas
2.3.5.- Análisis Eléctrico del Ciclo de Inyección
Ciclo de Inyección Presión de Trabajo Cierre Mol.
Inyección
Av.Und.Iny.
Freno
Rt.Und.Iny.
Aper. Mol.
Fase de Trabajo A B C D Ciclo Impulsos (Operación Manual) Cierre del Molde Lento Apertura de Molde Lento Avance de la unidad de Inyección Retroceso de la unidad de Inyección 1º Presión de Inyección 2º Presión de Inyección Ciclo Continuo (Operación Automático) Cierre de Molde Velocidad Máxima Cierre de Molde Baja Presión Cierre de Molde Alta Presión Avance de la unidad de Inyección 1º Presión de Inyección 2º Presión de Inyección Plastificación Retroceso de la unidad de Inyección Apertura Lenta Apertura de Molde Velocidad Máxima Pausa Apertura de Molde Lento Pausa Preavanzamiento On de Electroválvulas.
Electro válvulas
2
3
5
6
7
8
Tabla # 2.2.- Etapas de control de la máquina en el proceso de inyección. En la tabla # 2.2 se describe las diferentes etapas del ciclo de inyección, en conjunto con la activación de las respectivas electroválvulas y tomando en cuenta el nivel de presión que debe ejecutar la máquina para cada movimiento. Por lo tanto en la máquina existe un equipo que controla la presión con la que se ejecuta cada movimiento. La unidad de control eléctrico actúa sobre esta tarjeta electrónica denominada SFE3 para el control de presión de la máquina.
Figura # 2.5.‐ Sistema de control de presión de la máquina. El sistema de control de presión, es producido por una tarjeta electrónica definida en la máquina como SEF3, la que genera un voltaje continuo de 0 a 24 Voltios, que es utilizado como fuente de alimentación para una electroválvula proporcional que regula la presión máxima de trabajo de la inyectora dependiendo el nivel de voltaje. Esto quiere decir que: 0Vcc = 0 PSI 24Vcc = Presión Máxima.
Figura # 2.6.‐ Electroválvula proporcional (Control de Presión).
Figura # 2.7.‐ Símbolo de electroválvula proporcional. Esta tarjeta SFE3 tiene distintas fases de trabajo dependiendo el ciclo de trabajo. Por ejemplo cuando se cierra el molde la presión de la máquina debe ser la máxima (Valor Fijo) y cuando empieza el ciclo de inyección la presión debe ser regulada desde un valor mínimo a máximo (Valor Regulable) dependiendo la calibración del proceso de inyección. En la tabla # 2.3 vamos a describir la denominación de las distintas fases de trabajo de la tarjeta electrónica SF3 que controla a la electroválvula proporcional. Válvula Proporcional "Control de Presión" Fase Presión Regulación Funciones A Máxima Fija Comandos a presión máxima B 0-25% Regulable Presión de Protección de Molde C 0-Máximo Regulable 1º Presión de Inyección D 0-Máximo Regulable 2º Presión de Inyección
Tabla # 2.3.- Fases de trabajo de la electro válvula proporcional. 2.4.-Alimentación del Sistema Electromecánico. Para la alimentación eléctrica de la Máquina Inyectora Sandretto Torino 2GV/110, se utiliza un sistema trifásico (R, S, T220 V), mas la línea de Tierra, para el funcionamiento de los motores, sistema de control y el sistema de calefacción.
La máquina posee un sistema de control electromecánico que esta formado por actuadores como son reles auxiliares, contactores y electroválvulas que funcionan a un nivel de tensión de 132 Voltios para una frecuencia de 60 Hz. El nivel de tensión para el funcionamiento de los equipos eléctricos de la máquina están proporcionados por un transformador de 5KVA que tiene como nivel de voltaje
en el primario de 220 Voltios (Fases R-S) y como niveles de salida 110V – 132V, 22V – 0 22V. El nivel de voltaje de 110V es para cuando se conecte a una red de 50 Hz (Sistema Europeo) y el nivel de 132 V para un sistema de 60 HZ. El nivel de tensión de 22V – 0 – 22V es para la alimentación de la tarjeta electrónica SFE3 (Control de Presión) 2.5.-Principales Parámetros de la Inyectora Sandretto Torino 2GV/110 Las principales características utilizadas son: 2.5.1.-Capacidad de plastificación “Es la cantidad máxima de material que es capaz de suministrar el tornillo por hora, cuando plastifica el material y tiene un valor de 68-75-80 Kp /h dependiendo del diámetro del husillo 40-45-50 mm respectivamente.”4 2.5.2.-Velocidad de inyección “Es la velocidad máxima que puede suministrar la unidad de inyección al material hacia el molde, y tiene una velocidad de 90 – 115 -151 cm3/s, dependiendo del diámetro del husillo 40-45-50 mm respectivamente.”5
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Torino Sandretto, Prensa para Inyección de Termoplásticos 2GV/50/70/110/165/270/B, Euromap. Pág.11 5
Torino Sandretto, Prensa para Inyección de Termoplásticos 2GV/50/70/110/165/270/B, Euromap. Pág.10
2.5.3.-El cierre y apertura del molde “La suma de estas etapas, es el tiempo del ciclo en vacío y es una constante de la máquina. El fabricante señala como 29 ciclos en vacío por minuto.”6
2.5.4.-Controles de Mando de la Máquina
Figura # 2.8.‐Panel de Controles de la Máquina
En la figura # 2.8 se muestra el panel de control de la máquina inyectora, que esta formado con selectores y pulsantes para efectuar todos los movimientos de la máquina en forma manual.
Elemento #1: Pulsante NO. Marcha del Motor de la Bomba Hidráulica. Elemento #2: Pulsante NC. Paro Motor de la Bomba Hidráulica. Elemento #3: Luz Piloto. Indicación de funcionamiento de la Bomba hidráulica. Elemento #4: Selector de tres posiciones con retorno al centro NO – O – NO. Controla la apertura y cierre del Molde. Elemento #5: Selector de tres posiciones con retorno al centro NO – O – NO. Controla el avance y retroceso de la unidad de inyección.
6
Torino Sandretto, Manual de Operación de Máquinas Sandretto Torino 2GV Pág.7
Elemento #6: Selector de 2 posiciones con retorno al centro NO – O. Controla la inyección del material. Elemento #7: Pulsante NO. Controla el funcionamiento del motor de carga. Elemento #8: Selector ON – OFF, con un grupo de seis contactos entre abiertos y cerrados. Seleccionan el modo de trabajo. (Manual – Automático)
2.5.5.-Elementos de Calibración
Figura # 2.9.‐ Panel frontal de la máquina cuadro de control. En la figura # 2.9 se muestra la distribución de los elementos eléctricos del panel frontal de la máquina que sirven para calibrar las funciones de la inyectora. Elemento #1: Selector NO – NC. Selección de 1 Ciclo o Ciclo Continuo de Trabajo, posee un grupo de 4 contactos entre abiertos y cerrados. Elemento #2: Selector NO – NC. Selección de Barril de Inyección Fijo o Móvil, posee un grupo de 4 contactos entre abiertos y cerrados. Elemento #3: Potenciómetro de 1K. Regula el tiempo de apertura Lenta del molde.
Elemento #4: Potenciómetro de 1K. Regula el tiempo de paro antes de continuar la carrera lenta de expulsión de las piezas. Elemento #5: Potenciómetro de 1K. Regula el Preavanzamiento del molde antes de iniciar el nuevo ciclo. Elemento #6: Potenciómetro de 1K. Regula el tiempo de pausa entre el término e inicio de un nuevo ciclo. Elemento #7: Potenciómetro de 1K. Regula el nivel de voltaje de salida de la tarjeta SFE3 (Etapa B 0-25 % de la Presión Máxima). Etapa de Protección de Molde. Elemento #8: Temporizador de Enfriamiento. Regula el tiempo para que se solidifique la pieza inyectada. Elemento #9: Potenciómetro de 1K. Regula el nivel de voltaje de salida de la tarjeta SFE3 (Etapa C 0 – 100% de la Presión Máxima) Etapa de la primera presión de Inyección. Elemento #10: Potenciómetro de 1K. Regula el nivel de voltaje de salida de la tarjeta SFE3 (Etapa D 0 – 100% de la Presión Máxima) Etapa de la segunda presión de Inyección. Elemento #11: Potenciómetro de 1K. Regula el tiempo que transcurre entre el final del tiempo de inyección y la separación de la boquilla del molde. (Tiempo de Retorno de la unidad de inyección) Elemento #12: Potenciómetro de 1K. Regula el tiempo que transcurre entre el final de la inyección y el inicio de la rotación del husillo en el momento de la plastificación. (Pausa en la plastificación) Elemento #13: Temporizador de Inyección. Regula el tiempo que tarda la etapa de inyección de material hacia el molde. Elemento #14: Contador de Ciclos de Inyección
Elemento #15: Regulador de Voltaje para la niquelina de la Punta del Barril de Inyección. Elemento #16: Selector ON – OFF. Activa el sistema de calefacción del barril de inyección. Existen tres zonas termo reguladas, cada zona esta formada de 2 resistencias de 900W cada una a 220 V. Elementos #17, 18, 19: Controladores de Temperatura ON- OFF de las tres zonas del barril. (Pirómetros). Elemento #20: Amperímetro del Motor de Carga. Elemento #21: Pulsante NO. Activa la bomba de lubricación de forma manual. Elemento #22: Luz Piloto. Alarma bajo nivel de aceite de la bomba de lubricación. Elemento #23: Luz Piloto. Alarma baja presión del sistema de lubricación. Elemento #24: Switch General de la Máquina Inyectora. Elemento #25: Switch General del sistema de Calefacción. 2.6.-Problemas detectados con el Sistema Actual La mencionada inyectora Sandretto Torino 2GV/110, cuentan aún con el sistema electromecánico de control original de hace unos 40 años atrás, por ende el problema de las paradas inesperadas localizadas en el sistema de control.
El sistema electromecánico original se ha visto afectado por el número de maniobras realizadas durante su periodo de trabajo a lo largo de todos esos años, por lo que se requiere cambiar dichos elementos del sistema de control.
El sistema es muy complejo debido a que se utiliza contactores auxiliares de por lo menos 10 contactos entre abiertos y cerrados dependiendo la aplicación. Por eso es
preciso hablar de la discontinuidad de estos equipos, que ocasionan largos tiempos de mantenimiento al efectuar el reemplazo de dichos elementos que conforman el sistema de control.
El sistema de regulación de tiempos, es controlado mediante potenciómetros de baja precisión que modifican los valores de tiempo en los temporizadores, del sistema de control. La mayoría de estos equipos deberían operar con precisión del orden de las milésimas, para efectuar de manera exacta las funciones de la máquina.
Por ende con el presente trabajo se pretende implementar un nuevo sistema eléctrico que cumpla con las necesidades de operación del proceso de inyección tomando en consideración
las exigencias de productividad, evitando paradas inesperadas,
calibración exacta de los productos plásticos, registros de producción e incrementando las seguridades de la máquina.
CAPITULO III
3.-AUTOMATIZACIÓN DE LA INYECTORA SANDRETTO TORINO 2GV/110
3.1.-Preliminares de la automatización 3.1.1.-Objetivos Perseguidos Optimizar el funcionamiento del sistema de control de la Inyectora de Plástico Sandretto Torino 2GV/110, para mejorar su productividad en relación a la cantidad y calidad del producto elaborado, reduciendo costos de Producción. Optimizar el sistema eléctrico actual por un sistema de control en base a la utilización de un PLC Siemens S7 200. Implementar un sistema de monitoreo del proceso de inyección que permita establecer sus parámetros de funcionamiento como temperatura, tiempos de los ciclos de trabajo, movimientos y la recolección de información técnica del proceso. 3.1.2.-Resultados Esperados Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de la producción y mejorando la calidad de la misma. Mejorar las condiciones de trabajo del personal incrementando la seguridad. Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el momento preciso. Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo.
3.2.-Descripción del Sistema Automatizado 3.2.1.-Establecimiento de Ciclos de Trabajo
Inicio Plastificación
Carga de Material Plastificicación
Avance de la Unidad de Inyección
Tiempo de Inyección
Tiempo de Enfriamiento
Inyección de Material hacia el molde
Fin de Inyección
Apertura de Molde y Extracción del Objeto Inyectado
Inicio de Ciclo
Cierre del Molde
Ciclo Continuo
1 Ciclo
Figura # 3.1.‐Ciclos de Trabajo 3.2.2.-Descripción del Ciclo de Inyección
El ciclo de inyección se puede dividir en las siguientes etapas:
3.2.2.1.-Inicio de Ciclo El inicio del proceso de inyección en la Máquina Sandretto Torino se produce por el cierre manual de la puerta de seguridad accionando el micro switch #5 y #6 de la figura # 3.7. Si la máquina esta programada para el funcionamiento de 1 solo ciclo, se debe realizar la acción de abrir y cerrar la puerta de seguridad cada inicio de un nuevo ciclo
de inyección, en cambio si la máquina se encuentra programada para el funcionamiento de ciclo continuo se debe realizar 1 sola vez el cierre de la puerta de seguridad. El inicio del ciclo de inyección se dada solo cuando la puerta esta cerrada y no existe algún peligro de contacto entre las partes móviles de la maquina y el operador. 3.2.2.2.-Cierre del molde e avance de la unidad de inyección Se cierra el molde vacío, mientras se tiene lista la cantidad de material fundido para inyectar dentro del molde. El molde se cierra en tres pasos: 1.-Con alta velocidad y alta presión, 2.-Luego se disminuye la velocidad y se mantiene la baja presión hasta que las dos partes del molde hacen contacto 3.-Finalmente se aplica la presión necesaria para alcanzar la fuerza de cierre requerida.
Figura # 3.2.‐ Cierre del molde e avance de la unidad de inyección. Una vez cerrado el molde los micro switch #1 y #2 que se muestran en la figura # 3.7., indican que el molde esta cerrado y que se produzca el avance de la unidad de inyección hasta unir la boquilla del barril con la boca de la parte fija del molde.
3.2.2.3.-Tiempo de Inyección del material
Una vez cumplida las condiciones anteriores se activa el micro switch #9 de la figura # 3.7., y hace que tornillo inyecte el material, actuando como pistón, sin girar, forzando el material a pasar a través de la boquilla hacia las cavidades del molde con una determinada presión de inyección. Este paso se ejecuta hasta que alcance el tiempo calibrado de inyección en la máquina.
Figura # 3.3.‐ Inyección del material 3.2.2.4.-Tiempo de Enfriamiento
Al terminar de inyectar el material (tiempo de inyección), se da inicio al tiempo de enfriamiento.
Durante el tiempo de enfriamiento se mantiene cerrado el molde (Parte Móvil unida a la parte fija), provocando que el material que se encuentra dentro del molde se enfríe es decir que el calor sea disipado por el fluido refrigerante de la matriz hasta que se solidifique la pieza inyectada.
Figura # 3.4.‐ Tiempo de Enfriamiento 3.2.2.5.-Plastificación
Una vez iniciado el tiempo de inyección también se ejecuta la etapa de plastificación y hace que el tornillo gire haciendo circular los gránulos de plástico desde la tolva y plastificándolos. El material fundido es suministrado hacia la parte delantera del tornillo, donde se desarrolla una presión contra la boquilla cerrada, obligando al tornillo a retroceder hasta que se acumula el material requerido para la inyección del nuevo ciclo. La etapa de plastificación finaliza cuando se activa el micro #11 de la figura # 3.7.
Figura # 3.5.‐ Plastificación del material.
3.2.2.6.-Apertura del Molde y Extracción de la Pieza
Una vez terminado el tiempo de enfriamiento, la parte móvil del molde se abre hasta que accione el micro switch #3 y #4 de la figura # 3.7., y la pieza es extraída, terminando así el ciclo de inyección.
Figura # 3.6.‐ Enfriamiento y extracción de la pieza
3.2.3.-Diagrama de Elementos Sensores y de Control de la Inyectora 3.2.3.1.-Diagrama de Ubicación de los Micro Switch de la Máquina Inyectora
Figura # 3.7.‐ Ubicación de Micro Switch en la Máquina Sandretto Torino 2GV/110
En la figura # 3.7., se muestra la disposición de los micros switch en la máquina Sandretto Torino 2GV/110. Micro switch #0: Interruptor NO. Símbolo “_500”, controla Nivel mínimo de aceite en el depósito de la bomba de Lubricación. Micro switch #1: Interruptor NO. Símbolo “_501”, permite que la unidad de inyección avance al plato fijo del molde, por lo tanto el micro indica que se ha cerrado completamente el molde. Micro switch #2: Interruptor NO. Símbolo “_502”, indica que el molde se encuentra cerrado y acciona la etapa A de la tarjeta SFE3. (Valor máximo de presión). Micro switch #3: Interruptor NO. Símbolo “_503”, indica la apertura máxima del molde y cuando trabaja en automático indica el fin de ciclo. Micro switch #4: Interruptor NO. Símbolo “_504”, indica el inicio de la apertura lenta del molde y también el fin del pre avanzamiento del molde. Micro switch #5 y # 6: Interruptor NO. Símbolos “_505 y _506”, permite que se realice los movimiento de la máquina en forma manual y que se ejecute el ciclo de inyección en automático cuando la puerta de seguridad de la máquina esta cerrada. Micro switch #7: Interruptor NO. Símbolo “_507”, este interruptor indica cuando se debe ejecutar la fase de protección de molde en la tarjeta SFE3. (Presión regulada de 0 – 25 % máximo).
Micro switch #8: Interruptor NO. Símbolo “_508”, indica que la protección de la boquilla del barril de inyección esta activada. Micro switch #9: Interruptor NO. Símbolo “_509”, permite que la inyección de material hacia el molde en ciclo automático se realice. Indica que la boquilla del barril de inyección esta unida a la boca del molde. Micro switch #10: Interruptor NO. Símbolo “_510”, inicia el ciclo de la segunda presión. Micro switch #11: Interruptor NO. Símbolo “_511”, indica el límite del retroceso de la unidad de inyección en el ciclo de trabajo automático. Funciona el micro switch siempre que se haya escogido la selección de trabajar con la unidad de inyección móvil. Micro switch #12: Interruptor NO. Símbolo “_512”, desconecta el motor de carga. Por ende es el que indica la cantidad de material que se requiere para la inyección de plástico. Micro switch #13: Interruptor NO. Símbolo “_513”, es el contacto de un medidor de presión hidráulico, del sistema de lubricación. Controla el valor mínimo de presión lubricación.
para activar el motor de la bomba de
3.2.3.2.-Diagrama de los Elementos de Control de la Máquina Inyectora
4
3
3
2
3
M AN
AU TO
8 9
9
9
1
0
0
1º S TOP
6 7
8
8
2
4 7
7
1
5
6
10
2
5
6
9
1
5 4
8
1
7
0
6
0
5
1
4
0
3
0
2
1
1
2 º
Figura # 3.8.‐Elementos de Control Manual de la Máquina En la figura # 3.8., se muestra la distribución de los elementos de control manual de la Máquina Sandretto Torino 2GV/110 que a continuación se va a describir: Elemento #1.- Pulsante NO. Símbolo “_540”, controla el Apagado del Motor Principal de la Bomba Hidráulica. Elemento #2.- Pulsante NO. Símbolo “_541”, controla el Encendido del Motor Principal de la Bomba Hidráulica. Elemento #3.- Selector de tres posiciones con retorno al centro. Símbolos “A_543 y C_543”, controla el movimiento de manera manual de la Apertura y Cierre del Molde respectivamente. Elemento #4.- Selector de tres posiciones con retorno al centro. Símbolos “A_544 y C_544”, controla el movimiento de manera manual de avance y retroceso de la Unidad de Inyección respectivamente. Elemento #5.- Selector de dos posiciones con retorno al centro.
Símbolo “I_545”, controla el movimiento de manera manual de la Inyección de Material hacia el Molde. Elemento #6.- Pulsante NO. Símbolo “_546”, controla el inicio de la Plastificación del Material de manera manual. Elemento #7.- Potenciómetro. Controla el nivel de voltaje de la tarjeta SFE3 de la etapa de la primera presión de inyección. (Etapa 0- máximo de Presión) Elemento #8.- Potenciómetro. Controla el nivel de voltaje de la tarjeta SFE3 de la etapa de la segunda presión de inyección. (Etapa 0- máximo de Presión) Elemento #9.- Potenciómetro. Controla el nivel de voltaje de la tarjeta SFE3 de la etapa de Protección del Molde. (Etapa 0- 25 % de Presión) Elemento #10.- Selector de dos posiciones. Controla el ciclo de trabajo “Manual – Automático”. 3.2.4.-Diagrama de Flujo de la programación del PLC y PC 3.2.4.1.-Diagrama de Flujo del Proceso El sistema implementado básicamente se le puede comprender de mejor manera por la ayuda de un flujo del proceso que vamos a explicar.
Figura # 3.9.‐Flujo del Proceso Simplificado Implementado
La parte de Supervisión HMI se realiza por medio de un computador en el cual se ejecuta las acciones de ingreso y monitoreo de parámetros hacia la parte de control, denominada Interfase S-C, ver en Anexo A.- Programación del Supervisor HMI en LabVIEW. La parte de control “PLC” efectúa las distintas funciones de la máquina y la que se enlaza con el proceso de inyección por medio de los accionadores y captadores en un lazo cerrado como se ve en la figura # 3.10., denominada Interfase S-P, ver en Anexo B.- Programa del Sistema de Control de Inyección de Plásticos por medio del
PLC s7 200.
Figura # 3.10.‐Flujo del Proceso de Automatizado 3.3.-Sistema Automatizado La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
Parte de Mando Parte Operativa
3.3.1.-La Parte de Mando.- suele ser un autómata programable (tecnología programada). En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.
3.3.2.-La Parte Operativa.- es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como motores, cilindros, compresores y los captadores como finales de carrera. 3.3.3.-PLC “Programable logic controller (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales.”7 Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el
programa lógico
interno, actuando sobre los accionadores de la instalación.
7
Ing. Silva Franklin, Manual de Automatización de Maquinarias Y Equipos Industriales Utilizando Simatic S7 200,Corfopym, 2007.Pág. 4
3.3.3.1.-Selección del Tipo de PLC Considerando el ambiente y las condiciones físicas del sistema que se va automatizar, realizamos la selección de una estructura de hardware para control distribuido inicialmente con un PLC y un modulo de 4 entradas análogas para termocupla marca siemens. El tipo de PLC seleccionado se detalla a continuación: 3.3.3.2.-CPU 226
Figura # 3.11.‐ Plc S7 200 CPU 226 3.3.3.2.1.-Características Es el más potente para ejecutar tareas técnicas de mayor envergadura. Posee puerto PPI adicional que proporciona más flexibilidad y posibilidades de comunicación. Contiene 24 entradas / 16 salidas a bordo. Expandible con máximo 7 módulos de ampliación. Fuente de alimentación integrada de 24 V para sensores (IN) y carga (OUT). 2 Interfaces de comunicación:
Como interfaz PPI con protocolo PPI para funciones de programación, funciones HMI (TD 200), comunicación interna CPU / CPU S7-200 (9,6/19,2/187,5 kbit/s) o como esclavo MPI para el intercambio de datos con maestros MPI (S7-300/-400). Interfaz libremente programable (FreePort) con posibilidad de interrupción del sistema para el intercambio de datos serie con aparatos externos, por ejemplo con protocolo ASCII con velocidades de transmisión de 0,3/0,6/1,2/2,4/4,8/9,6/19,2/38,4 kbits/s; Cable PC/PPI utilizable como convertidor RS 232/RS 485. Bus de ampliación: Conexión para módulos de ampliación (sólo se pueden utilizar módulos de ampliación de la serie 22x). 3.3.3.3.-Software de Programación. El software de programación STEP 7-Micro/WIN constituye un entorno de fácil manejo para desarrollar, editar y observar el programa necesario con objeto de controlar la aplicación. STEP 7-Micro/WIN comprende tres editores que permiten desarrollar de forma cómoda y eficiente el programa de control.
3.3.3.3.1.-Funciones del editor AWL El editor AWL visualiza el programa textualmente. Permite crear programas de control introduciendo la nemotécnica de las operaciones. El sistema AWL es el lenguaje nativo del S7-200, a diferencia de los editores gráficos, sujetos a ciertas restricciones para poder dibujar los diagramas correctamente.
3.3.3.3.2-Funciones del editor KOP El editor KOP visualiza el programa gráficamente, de forma similar a un esquema de circuitos. Los diagramas KOP hacen que el programa emule la circulación de corriente eléctrica desde una fuente de alimentación, a través de una serie de condiciones lógicas de entrada que, a su vez, habilitan condiciones lógicas de salida. Los contactos cerrados permiten que la corriente circule por ellos hasta el siguiente elemento, en tanto que los contactos abiertos bloquean el flujo de energía. 3.3.3.3.3.-Funciones del editor FUP El editor FUP visualiza el programa gráficamente, de forma similar a los circuitos de compuertas lógicas. En FUP no existen contactos ni bobinas como en el editor KOP. 3.3.3.4.-Comunicaciones y opciones de supervisión HMI 3.3.3.4.1.-Protocolo PPI PPI es un protocolo maestro-esclavo. Los maestros envían peticiones a los esclavos y éstos responden. Los esclavos no inician mensajes, sino que esperan a que un maestro les envíe una petición o solicite una respuesta. Los maestros se comunican con los esclavos vía un enlace compartido que es gestionado por el protocolo PPI. El protocolo PPI no limita el número de maestros que se pueden comunicar con un mismo esclavo. Sin embargo, la red no puede comprender más de 32 maestros.
Figura # 3.12.‐ Configuración de una red con Protocolo PPI
3.3.3.4.2.-Protocolo MPI El protocolo MPI soporta la comunicación maestro-maestro y maestro-esclavo. Para comunicarse con una CPU S7-200, STEP 7-Micro/WIN establece un enlace maestro-esclavo. El protocolo MPI no sirve para comunicarse con una CPU S7-200 que actúe de maestra. Los aparatos de la red se comunican a través de enlaces separados (gestionados por el protocolo MPI) entre dos aparatos cualesquiera. La comunicación entre los aparatos se limita la cantidad de enlaces que soportan la CPU S7-200
Figura # 3.13.‐ Configuración de una red con Protocolo MPI
3.3.3.4.3.-Protocolo PROFIBUS El protocolo PROFIBUS se ha diseñado para la comunicación rápida con unidades periféricas descentralizadas (E/S remotas). Hay numerosos aparatos PROFIBUS ofrecidos por diversos fabricantes. Estos aparatos abarcan desde módulos sencillos de entradas o salidas hasta controladores
y sistemas de automatización. Por lo general, las redes
PROFIBUS incorporan un maestro y varios esclavos. La configuración del maestro permite detectar los tipos de esclavos conectados, así como sus respectivas direcciones. El maestro inicializa la red y verifica si los esclavos coinciden con la configuración. Continuamente, el maestro escribe los datos de salida en los esclavos y lee de S7-200 (EM 277): Esclavo S7300: Maestro ET 200: Esclavo allí los datos de entrada.
Figura # 3.14.‐ Configuración de una Red Profibus
3.3.4.-Equipos Adicionales 3.3.4.1.-EM 231 Termopar, 4 entradas analógicas
Figura # 3.15.‐ Modulo Analógico EM 231 Los módulos de Termopar ofrecen un máximo rendimiento al instalarse en entornos de temperatura estable. Por ejemplo, el módulo Termopar EM 231 tiene circuitos especiales de compensación de unión fría que miden la temperatura en los conectores del módulo, exigiendo que se modifiquen las mediciones para compensar las diferencias entre la temperatura de referencia y la temperatura del módulo. Si la temperatura ambiente cambia rápidamente en el lugar donde está instalado el módulo Termopar EM 231, se presentan errores adicionales. Para lograr una precisión y repetibilidad máximas, Siemens recomienda que los módulos Termopar S7-200 se monten en lugares que tengan una temperatura ambiente estable.
Datos Generales
Modulo Análogo para Termopares
Separación Galvánica
500 VAC
Campo a circuito lógico
500 VAC
Campo a 24 Vcc
500 VAC
Tipo de Entrada
Termopar Flotante
Rangos de entrada
Tipos de termopar(seleccionar por modulo)
S,T,R,E,N,K,J Rango de tensión +/-80 mV Resolución de entradas Temperatura
0,1ºC / 0,1ºF
Longitud del hilo
Máx.100 metros hasta el sensor
Tensión de entrada máxima
30 VCC
Error en la unión fría
± 1,5 ºC
Rango de tensión de alimentación 24 Vcc
20,4 a 28,8 VCC
Tabla # 3.1.- Características del Modulo Analógico EM 231 3.4.-Sistema de Monitoreo y Visualización El sistema de Monitoreo se realiza gracias a la utilización de 2 programas computacionales como son: LabVIEW DDE Server S7-200 PPI A continuación se detalla de forma más compleja la aplicación de cada software en el sistema de comunicación entre el PLC S7-200 y LabVIEW para generar el HMI. 3.4.1.-Software LabVIEW LabVIEW constituye un revolucionario sistema de programación gráfica para aplicaciones que involucren adquisición, control, análisis y presentación de datos. Las ventajas que proporciona el empleo de LabVIEW se resumen en las siguientes: Se reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones al menos de 4 a 10 veces, ya que es muy intuitivo y fácil de aprender.
Dota de gran flexibilidad al sistema, permitiendo cambios y actualizaciones tanto del hardware como del software. Da la posibilidad a los usuarios de crear soluciones completas y complejas. Con un único sistema de desarrollo se integran las funciones de adquisición, análisis y presentación de datos. El sistema está dotado de un compilador gráfico para lograr la máxima velocidad de ejecución posible. Tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes. LabVIEW es un entorno de programación destinado al desarrollo de aplicaciones, similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan el lenguaje C o BASIC. Sin embargo, LabVIEW se diferencia de dichos programas en un aspecto importante: los citados lenguajes de programación se basan en líneas de texto para crear el código fuente del programa, mientras que LabVIEW emplea la programación gráfica o lenguaje G para crear programas basados en diagramas de bloques. Para el empleo de LabVIEW no se requiere gran experiencia en programación, ya que se emplean iconos, términos e ideas familiares a científicos e ingenieros, y se apoya sobre símbolos gráficos en lugar de lenguaje escrito para construir las aplicaciones. Por ello resulta mucho más intuitivo que el resto de lenguajes de programación convencionales. 3.4.1.2.- Funciones del Software LabVIEW Los programas desarrollados mediante LabVIEW se denominan Instrumentos Virtuales (VIs), porque su apariencia y funcionamiento imitan los de un instrumento real. Sin embargo son análogos a las funciones creadas con los lenguajes de programación convencionales.
Los VIs tienen una parte interactiva con el usuario y otra parte de código fuente, y aceptan parámetros procedentes de otros VIs. Todos los VIs tienen un panel frontal y un diagrama de bloques. 3.4.1.2.1.- Panel Frontal Se trata de la interfaz gráfica del VI con el usuario. Esta interfaz recoge las entradas procedentes del usuario y representa las salidas proporcionadas por el programa. Un panel frontal está formado por una serie de botones, pulsadores, potenciómetros, gráficos, etc. Cada uno de ellos puede estar definido como un control o un indicador. Los primeros sirven para introducir parámetros al VI, mientras que los indicadores se emplean para mostrar los resultados producidos, ya sean datos adquiridos o resultados de alguna operación. 3.4.1.2.2.-Diagrama de bloques El diagrama de bloques constituye el código fuente del VI. En el diagrama de bloques es donde se realiza la implementación del programa del VI para controlar o realizar cualquier procesado de las entradas y salidas que se crearon en el panel frontal. Los controles e indicadores que se colocaron previamente en el Panel Frontal, se materializan en el diagrama de bloques mediante los terminales. El diagrama de bloques se construye conectando los distintos objetos entre sí, como si de un circuito se tratara. Los cables unen terminales de entrada y salida con los objetos correspondientes, y por ellos fluyen los datos. Los cables son las trayectorias que siguen los datos desde su origen hasta su destino, ya sea una función, una estructura, un terminal, etc. Cada cable tiene un color o un estilo diferente, lo que diferencia unos tipos de datos de otros.
3.4.1.3.-Protocolo DDE por medio de LabVIEW El protocolo de intercambio dinámico de datos DDE (Dynamic Data Exchange) es uno de los métodos de comunicación entre procesos que permite intercambiar datos entre aplicaciones de Windows. El protocolo DDE está basado en el sistema de mensajería construido por Windows. Así, dos programas de aplicación bajo Windows tal como se muestra en la figura # 3.16 realizan una “conversación DDE” enviándose mensajes entre ellos. Estos dos programas se conocen como el servidor y el cliente. Un servidor DDE es el programa que tiene acceso a los datos que pueden ser útiles a otros programas. El cliente DDE es el programa que obtiene estos datos desde el servidor.
APLICACION SERVIDOR MODULO DDE
APLICACION CLIENTE CONVERSACION
MODULO DDE
Figura # 3.16.‐ Diagrama de Conversación DDE Una conversación DDE se inicia con el programa que actúa como cliente, éste transfiere un mensaje a todos los programas que se están ejecutando en ese momento en Windows. Dicho mensaje indica una categoría general de datos que el cliente necesita. Un servidor DDE que posee dichos datos puede responder a este mensaje, en ese instante comienza la conversación. Un único programa puede ser cliente para un programa, y servidor para otro, pero esto requiere dos conversaciones DDE distintas. Un servidor puede entregar datos a múltiples clientes y un cliente puede obtener datos desde múltiples servidores, pero esto requiere múltiples conversaciones DDE.
En comunicaciones de TCP/IP, las aplicaciones abren una línea de comunicación y entonces transfieren datos crudos. DDE trabaja a un nivel más alto, donde las aplicaciones envían mensajes para intercambiar información. Un mensaje simple es enviar un comando a otra aplicación. La mayoría de los mensajes se transfieren como datos, donde los datos son referenciados por nombre. Ambas aplicaciones deben estar ejecutándose y las dos deben dar a Windows una dirección a sus funciones de llamada antes de que la comunicación de DDE pueda comenzar. La función de llamada acepta cualquier mensaje de DDE que Windows envía a la aplicación. Un cliente de DDE comienza una conversación con otra aplicación (un servidor de DDE) enviando un mensaje de conexión. Después de establecer una conexión, el cliente puede enviar órdenes o datos al servidor y a cambio puede pedir el valor de datos que el servidor maneja. Cuando la comunicación DDE es completada, el cliente envía un mensaje de cerrar la conversación al servidor. 3.4.2.- Software DDE Server S7-200 PPI El servidor DDE mantiene conectividad con la familia siemens SIMATIC S7-200. Los clientes DDE pueden conectarse a este S7-200 PPI DDE servidor que a su vez comunica al Siemens SIMATIC S7-200 que usan el puerto RS-232. La tabla # 3.2 perfila las áreas de memoria contenidas en el Siemens SIMATIC S7-200 de la familia de PLC`s. Área de Memoria Área
Descripción
Bit
Byte
Word
I Q
Entrada discreta Salida discreta
R/W R/W
R/W R/W
NO NO
Double Word NO NO
M
Marca Interna(memoria Interna)
R/W
R/W
NO
NO
SM
R/W
R/W
R/W
R/W
V T C AI
Memoria Especial bits; SM0-29 Solo Lectura Memoria Variable Contador de tiempo y bits Contador Entradas Analógicas
R/W R R NO
R/W NO NO NO
R/W R/W R/W R
R/W NO NO NO
AQ
Salidas Analógicas
NO
NO
W
NO
R: Lectura, W: Escritura, R/W: Lectura y Escritura, NO: No acceso Tabla # 3.2.- Áreas de memoria contenidas en el Siemens SIMATIC S7-200 de la familia de PLC`s.
Tipo de Datos
Tipo de Datos
Bit
Identificador del tipo de datos . (decimal point)
Descripción
Permite el acceso de 1 bit.
Byte
B
Permite el acceso de 1 byte de datos ( 8 dits)
Word
W
Permite el acceso de 1 palabra de datos ( 8 bytes)
Double
D
Permite el acceso a 1 palabra doble de datos ( 2 palabras) Permite el acceso a 1 palabra doble, desplegada
Tipo de Datos
Identificador del tipo de datos
Descripción
Real
R
en formato de punto flotante. Solo memorias V
String
S
Permite acceso a un string de byte de datos. Solo memorias V
Tabla # 3.3.- Tipos de datos del Siemens SIMATIC S7-200 de la familia de PLC`s.
Ejemplos de Direcciones Ejemplo Descripción I0.7
Representa entrada dirección 0 bit 7
Q1.2
Representa salida dirección 1 bit 2
VB10
Representa V memoria byte dirección 10
VW10
Representa V memoria word dirección 10
VD99
Representa V memoria double word dirección 99
VR99
Representa V memoria double word formato punto flotante dirección 99
AIW0
Representa entrada analógica dirección 0
AQW0
Representa salida analógica dirección 0
C5
Representa 1 palabra de la dirección del contador 5
T5
Representa 1 palabra de la dirección del temporizador 5 Tabla # 3.4.- Ejemplos de direcciones.
3.5.-Comunicación entre LabVIEW y DDE Server S7-200 PPI LabVIEW proporciona un conjunto de VIs para DDE, éstos facilitan la creación de VIs que actúen como clientes DDE de otras aplicaciones, estos VIs piden o envían datos a otras aplicaciones. También se pueden crear VIs que actúen como servidores de información, que puede ser utilizada a través de otras aplicaciones. Se utiliza DDE VIs para comunicar entre LabVIEW y otras aplicaciones (DDE Server S7200PPI). Use estos VIs para configurar LabVIEW como un cliente o un servidor. Un cliente estándar DDE soporta cinco operaciones básicas: Open: Abrir enlace al servidor. Execute: Enviar comandos para ser ejecutados por el servidor. Peek (Request): Leer un elemento de datos desde el servidor. Poke: Enviar un elemento de datos al servidor. Close: Cerrar el enlace al servidor.
Figura # 3.17.‐ Librería de Labview DDE Para desarrollar una comunicación DDE, hay que ser capaz de identificar el tipo de dato con el que se va a efectuar la conversación. Esta operación se realiza con tres cadenas de caracteres con información acerca de la aplicación SERVIDORA:
Application name /service: Justamente el nombre de la aplicación: servicio Data Topic: Define el elemento de interés en la aplicación: tema Data item: El actual elemento de intercambio: elemento Por tanto, se necesita el nombre de la aplicación o servicio (generalmente es el nombre del archivo ejecutable de la aplicación) que especifica el nombre del servidor de aplicación al cual, el cliente esta enlazando. El tópico de datos a menudo es el nombre de un archivo, pero esta definición puede variar para abrir el enlace a la aplicación servidora y por último se necesitará el elemento de dato que es frecuentemente el nombre de una variable. Los Datos y comandos son transferidos en formato texto por convención. El tópico de datos es el segundo nivel en las tres cadenas de caracteres y define el objeto de una conversación DDE, y es usualmente significativo tanto para la aplicación servidor y cliente.
Figura # 3.18.‐ Configuración de los Objetos DDE Antes de comunicar al S7-200 el servidor PPI DDE debe definirse. El S7-200 servidor de PPI proporciona una pantalla de la configuración para modificar estos parámetros. La definición empieza con empezar el S7-200 servidor de PPI y acceder la opción de menú de Archivo Configure.
Figura # 3.19.‐ Diálogo del DDE Server para definir Topic
Luego al seleccionar la opción “nuevo o modificar” aparece el siguiente cuadro de dialogo y procedemos a cambiar el Topic Name. (Debe ser el mismo nombre que se utilizo en la configuración DDE Labiew)
Figura # 3.20.‐ Diálogo del DDE Server con un Topic Nuevo Configuración del Puerto de comunicación
Este paso nos permite modificar el puerto de comunicación. Actualmente, Siemens el SIMATIC S7-200 PLC tiene un protocolo fijo. Estos valores fijos se pueden modificar dependiendo de la computadora a trabajar. Un ejemplo es el cambio de 19200 a 9600 baudios.
Figura # 3.21.‐ Diálogo del DDE Server para Configurar el Puerto de Comunicación Una vez realizado la configuración correcta del DDE Server S7 200 PPI y las librerías DDE de Labview, quedan configurados los dos programas para comunicarse por medio del Protocolo DDE ya que también queda definido el Puerto de Comunicación. Los planos de distribución y conexiones eléctricas elaborados se muestran en los siguientes anexos: Anexo C.- Planos Eléctricos Generales. Anexo D.- Conexiones de Actuadores. Anexo E.- Conexiones Tarjeta SFE3. Anexo F.- Conexiones del Módulo Análogo.
CAPITULO IV 4.-ANÁLISIS DEL SISTEMA IMPLEMENTADO DE LA INYECTORA SANDRETTO TORINO 2GV/110
Figura # 4.1.‐ Inyectora Sandretto Torino 2GV/110 4.1.- Análisis Técnico La Máquina Inyectora Sandretto Torino 2GV/110 tiene un nuevo sistema de control, que básicamente contiene un PLC Siemens CPU 226 que controla los distintos movimientos del ciclo de inyección como son: el cierre y apertura del molde, avance y retroceso de la unidad de inyección, inyección del material hacia el molde, la plastificación del material (Carga del Material) Ver en Anexo B., y un supervisor PC que sirve de HMI (Interfase HombreMáquina), para que el operador pueda ingresar valores de calibración que necesita la Máquina para un proceso de inyección en particular. El sistema supervisor tiene varias pantallas que están creadas por medio del programa computacional Labview, en la que se ingresan valores de tiempos, valores de temperatura,
funciones del ciclo de trabajo y además nos permite visualizar parámetros de producción, ver en Anexo A.
El ingreso de los parámetros de calibración como se explico en el capitulo 2 se efectuaba modificando los valores de distintos potenciómetros dependiendo la función que se quería realizar, esta calibración en el proceso de inyección era imprecisa debido a muchos factores como por ejemplo, los potenciómetros controlaban el valor de tiempo de varios temporizadores (Calibración Manual).
El sistema de calibración implementado, se realiza en base a un ingreso numérico de tiempo, haciendo que este proceso sea mucho más fácil para el operador, debido a que se utiliza un lenguaje conocido como es la unidad de tiempo (segundos) por ende el operador ya no va a estar sujeto a modificar una perilla de un potenciómetro sin tener un medio visual que indique lo que varía en el proceso de inyección.
El sistema de calefacción del barril de inyección utiliza un modulo análogo EM 231 Termopar, 4 entradas analógicas siemens que realiza el control ON-OFF de las tres zonas termo reguladas del barril de inyección. El ingreso de los valores del set ponit de las tres zonas se las realiza introduciendo un valor numérico de temperatura en cada zona a regular, también podemos visualizar el valor real de temperatura en dichas zonas, esto se realiza a través de una pantalla generada en el HMI.
El sistema implementado también nos proporciona la posibilidad de generar reportes del tiempo de operación de la máquina, números de piezas realizadas, nombre del operador y algunos parámetros más que va a utilizar el jefe de producción.
El nuevo sistema implementado con un PLC como equipo de control, y un Sistema Supervisor HMI nos ofrece varias ventajas en el proceso productivo de inyección de plástico como son: Mejorar la calidad de trabajo, modificando el desarrollo del proceso. Reducir los costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero utilizado en el mantenimiento. Conocer de una manera más detallada el proceso, mediante la recopilación de información y datos estadísticos del proceso. Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo. 4.1.1.-Parámetros PLC En el análisis técnico del sistema implementado, cabe destacar los parámetros que han sido utilizados en el PLC y las direcciones de Memoria Variable que se va a modificar desde LabVIEW.
4.1.1.1.-- Descripción de las Entradas y Salidas del PLC En proceso de automatización se utilizan 24 entradas digitales, dispuestas entre los micro switch y elementos de control manual de la máquina inyectora Sandretto Torino 2GV/110 como se ve en la tabla # 4.1. Ver en Anexo G.-Conexiones de Entradas al PLC.
Entradas del PLC Símbolo Dirección Descripción _500 I0.0 Nivel Mínimo de Aceite de Lubricación _501 I0.1 Permite del Avance de la Unidad de Inyección _502 I0.2 Indica que el Molde esta Cerrado Máxima Presión _503 I0.3 Máximo de la Apertura del Molde _504 I0.4 Indica el Comienzo de la Apertura Lenta del Molde _505 I0.5 Seguridad 1 de la Puerta _506 I0.6 Seguridad 2 de la Puerta _507 I0.7 Indica la Etapa de Protección Molde en SFE3 _508 I1.0 Seguridad de Boca de Inyección _509 I1.1 Permite que se ejecute la inyección de Material _510 I1.2 Indica la Etapa de Segunda Presión en SFE3 _511 I1.3 Limite del Retroceso de la Unidad de Inyección _512 I1.4 Fin de la Plastificación de Material _513 I1.5 Presión Mínima del Sistema de Lubricación C_543 I1.6 Cierre del Molde (Operación Manual) A_543 I1.7 Apertura del Molde (Operación Manual) C_544 I2.0 Avance de la Unidad de Inyección (Operación Manual) A_544 I2.1 Retroceso de la Unidad de Inyección (Operación Manual) I_545 I2.2 Inyección de Material (Operación Manual) _546 I2.3 Plastificación de Material (Operación Manual) _540 I2.4 Paro Bomba Principal _547 I2.5 Selección Manual ó Automático _541 I2.6 ON Bomba Principal
Tabla # 4.1.- Entradas del PLC Las 16 salidas utilizadas en el PLC están dispuestas de la siguiente forma de acuerdo como se ve en la tabla # 4.2. Ver en Anexo H.- Conexiones de Salidas del PLC. Salidas del PLC
Símbolo Dirección Descripción EV2 Q0.0 Electroválvula de Cierre del Molde EV3 Q0.1 Electroválvula de Inyección de Material EV5 Q0.2 Electroválvula de Avance del Grupo de Inyección EV6 Q0.3 Electroválvula de Apertura del Molde Lento EV7 Q0.4 Electroválvula de Retroceso de la Unidad de Inyección EV8 Q0.5 Electroválvula de Apertura del Molde V Q0.6 Contactor para Motor de Carga J Q0.7 Contactor Bomba de Lubricación BOMBA Q1.0 Arranque del Motor Principal _B Q1.1 Tarjeta SFE3 Etapa de Máxima Presión _C Q1.2 Tarjeta SFE3 Etapa Protección Molde _D Q1.3 Tarjeta SFE3 Etapa de la Primera Presión de Inyección _E Q1.4 Tarjeta SFE3 Etapa de la Segunda Presión de Inyección Zona1 Q1.5 Contactor para la Zona 1del barril de Inyección Zona2 Q1.6 Contactor para la Zona 2 del barril de Inyección Zona3 Q1.7 Contactor para la Zona 3 del barril de Inyección
Tabla # 4.2.- Salidas del PLC 4.1.1.2.- Descripción de Temporizadores y Contadores del PLC. El sistema de calibración de funciones de operación de la máquina básicamente se realiza por la variación del tiempo de estos temporizadores que se ve en la tabla # 4.3.
Símbolo TS TV TAD TFC TPRE TASF TAL TIN TST LM2
Dirección T37 T38 T39 T40 T41 T42 T43 T44 T45 T46
Temporizadores Descripción Tiempo de Máximo Ciclo de Inyección 0-180s Tiempo de Pausa para la Plastificación 0-20s Tiempo Retroceso de la Unidad de Inyección 0-60s Tiempo de Fin de Ciclo 0-3s Tiempo del Preavanzamiento 0-3s Tiempo de Apertura del Molde Frenado 0-3s Tiempo de Apertura Lenta 0-3s Tiempo de Inyección Tiempo de Enfriamiento Tiempo en On de Bomba Lubricación
Tabla # 4.3.- Temporizadores del PLC El sistema de Lubricación consta de un contador de ciclos de inyección, es decir toma en cuenta la frecuencia del ciclo de trabajo para que se active el sistema de manera automática. Para la cuenta de piezas realizadas tenemos un contador de golpes de 4 dígitos.
Contadores Símbolo LM1 Contador
Dirección C1 C48
Descripción Contador de Pulsos para On Bomba de Lubricación Contador de Piezas de Producción (9999)
Tabla # 4.4.- Contadores del PLC 4.1.1.3.- Parámetros Controlados desde PC “Labview”. Los parámetros que se modifican desde labview son registros de Memoria variable del tipo “W palabra” en la que ingresan valores numéricos de tiempo, logrando una mejor adaptación entre el operador y el sistema de calibración. Para el control de las funciones de la máquina en ciclo continuo o un ciclo, se utiliza la modificación del estado de marcas simples, evitando la utilización de más entradas físicas del PLC. Marcas y Registros Manipulados desde Labview Dirección Descripción Registro que modifica el Tiempo para el inicio Apertura Lenta VW0 de la apertura lenta del molde (0-3s) Registro que modifica el Tiempo para el inicio Apertura Molde Frenado VW8 de la apertura del molde frenado (0-3s) Registro que modifica el Tiempo para el inicio Preavanzamiento VW16 del preavanzamiento del molde (0-3s) Registro que modifica el Tiempo de Pausa para Pausa Inicio Ciclo VW24 el Inicio de un nuevo ciclo (0-3s) Registro que modifica el Tiempo de Pausa de Pausa Retro Unid. Inyec. VW32 Retroceso de la Unidad de Inyección. (0-60s) Registro que modifica el Tiempo de Pausa de Pausa Plastificación VW40 Plastificación (0-20s) Registro que modifica el Tiempo para el inicio Tiempo de Enfriamiento VW48 de la Apertura del Molde Registro que modifica el Tiempo de duración de Tiempo de Inyección VW56 la Inyección de Material setpoint1 VW72 Set point zona 1 setpoint2 VW80 Set point zona 2 setpoint3 VW88 Set point zona 3 Marca que selecciona el trabajo en ciclo _522 M2.2 continuo ó 1 ciclo Marca que selecciona Retroceso de la Unidad _521 M2.3 de Inyección (Automático) _538 M2.5 Marca Inicio Lubricación (Operación Manual) _539 M2.6 Alarma de Nivel Bajo de aceite de Lubricación Símbolo
_536 ON Motor Principal Paro Motor Principal Reset Contador On Calefacción
M2.7 M3.0 M3.1 M7.0 M7.6
Alarma de Baja Presión de Lubricación Encendido del Motor de la Bomba Principal Paro del Motor de la Bomba Principal Reset Manual del Contador de Producción Selecciona Inicio del Sistema de Calefacción
Tabla # 4.5.- Registro y Marcas Manipulados desde Labview
4.2.-Análisis Económico En la tabla # 4.6., se muestra los valores del costo de los equipos utilizados en el proyecto de automatización de la inyectora.
Costos de los Elementos y Equipos Utilizados Descripción PLC CPU 226 110V/220V 24 Entradas Digitales 24 VDC / 16 Salidas 24 VDC Modulo de 4 Entradas Análogas EM 231 Fuente de Poder 115/230V, Salida 24 VDC, 2.5ª
Valores 612 263,5 68
Cable Interfase PLC S7-200 / PC
131,75
Reles Auxiliares 24VDC con Base
171,36
PC Pentium 4 Personal
950
Licencia Software S7-200 PPI DDE Server
250
Cable, Terminales, Marquillas Numéricas, Riel Dim
64,52
Cable de Termocupla
55
Contactores , Reles Térmicos y Breakers
200
Pulsantes, Selectores, Luces , otros
100
Total (USD)
2866,13
12% IVA (USD)
343,94
Costo Total Inversión
3210,07
Tabla # 4.6.Costos de Equipos
4.2.1.-Métodos utilizados para analizar la rentabilidad de una inversión El costo de un sistema automatizado en razón a la reducción de elementos de recambio, tiempos de paradas inesperadas, perdidas de tiempo en búsqueda de repuestos es pequeño, ya que se reduce el costo de mano de obra de la instalación y del mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, debido a que los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.
4.2.1.1.-Valor Actual Neto (VAN) “Consiste en actualizar a valor presente los flujos de caja futuros que va a generar el proyecto, descontados a un cierto tipo de interés ("la tasa de descuento"), y compararlos con el importe inicial de la inversión. Como tasa de descuento se utiliza normalmente el costo promedio ponderado
del
capital
de
la
empresa
que
hace
la
VAN = - A + [FC1 / (1+r) ^1] + [FC2 / (1+r) ^2]+...+ [FCn / (1+r) ^n] Siendo: A: desembolso inicial FC: flujos de caja n: número de años (1,2,...,n) r: tipo de interés ("la tasa de descuento") 1/(1+r) ^n: factor de descuento para ese tipo de interés y ese número de años
8
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inversión”8
FCd.: flujos de caja descontados Si VAN> 0: El proyecto es rentable. Si VAN< 0: El proyecto no es rentable. A la hora de elegir entre dos proyectos, elegiremos aquel que tenga el mayor VAN. Este método se considera el más apropiado a la hora de analizar la rentabilidad de un proyecto.
4.2.1.2.-Tasa Interna de Retorno (TIR) “Se define como la tasa de descuento o tipo de interés que iguala el VAN a cero”9. VAN = - A + [FC1 / (1+r) ^1] + [FC2 / (1+r) ^2] +...+ [FCn / (1+r) ^n] = 0 Si TIR> tasa de descuento (r): El proyecto es aceptable. Si TIR< tasa de descuento (r): El proyecto no es aceptable. Este método presenta más dificultades y es menos fiable que el anterior, por eso suele usarse como complementario al VAN.
Si suponemos que la tasa de descuento (r) que tiene la empresa es del 10%, y el TIR es mayor que (r), esto quiere decir que el proyecto sería considerado rentable para la empresa.
9
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4.2.2.-Cálculo de la Utilidad de una Máquina 2GV /110 Para deducir el valor de la utilidad de un Proceso de Producción en particular como es la Elaboración de Tarrinas de 1000gr, durante los seis primeros meses del 2007 se realiza en base a valores tomados por el Jefe de Producción, como son el número de piezas efectuadas a lo largo del tiempo medido, peso de cada pieza, cantidad de materia prima, entre los más principales. También nos ayudamos de valores contables como es el valor de cada pieza inyectada, costo de materia prima, costo de mano de obra, servicios básicos, depreciación de la máquina.
A continuación se muestra las tablas del cálculo de la utilidad de un Proceso de Producción:
Cálculo de la Utilidad Generada por la Producción de Tarrinas Datos de Producción 2007 Enero 17 - Julio 01
Producto Piezas Piezas Piezas Peso Máquina Inyectado Inyectadas Malas Buenas
Tarrinas De 1000gr.
[Kg]
#
#
#
0,036
110
1022297
Tiempo de Tiempo Trabajo Total Total x cada promedio Horas Material Pieza 24h-30 dias Continuos
#
[h]
13486 1008811 3150,7
Tabla # 4.7.- Datos de Producción
Costos de Producción
[s]
[Kg]
Meses
11,24
36.393,8
4,4
Costo Material $/Kg 1,8
Costo Total de Material $ 65508,8
Costo de Mano de Obra/Servicios Basicos/Depreciación $/h 2,5
CostoTotal de Mano de Obra/Servicios Basicos/Depreciación $ 7876,7
Valor Total de los Costos para la Producción $ 73385,5
Tabla # 4.8.- Costos de Producción
Utilidad del Proceso de Producción Valor de Cada Tarrina
Valor de la Producción
Valor Total de los Costos para la Producción
Valor de la Utilidad Generada
$/Tarrina
$
$
$
0,08
80704,9
73385,5
7319,4
Tabla # 4.9.- Utilidad del Proceso de Producción
Valor de la Utilidad Mensual y Anual Tiempo de Toma de Utilidad $/5mesesUtilidad $/mes Datos de 15dias Producción 5 meses-15dias 7319,4 1330,8
Utilidad $/año 15969,5
Tabla # 4.10.-Utilidad Mensual y Anual
La tabla # 4.11 muestra la inversión inicial que se realiza para la producción de piezas de plásticos.
Inversión Inicial Inversión del Costo de la Máquina Nuevo Sistema $ $ 15000 3210
Inversión Inicial Total $ 18210
Tabla # 4.11.- Inversión Inicial La tabla # 4.12 muestra el cálculo del valor Neto Actual “VAN” y la Tasa Interna de Rentabilidad “TIR”. Tasa de Descuento Inversión Inicial Flujo de Caja 1 año Flujo de Caja 2 año Flujo de Caja 3 año Flujo de Caja 4 año Flujo de Caja 5 año Flujo de Caja 6 año Flujo de Caja 7 año Flujo de Caja 8 año Flujo de Caja 9 año Flujo de Caja 10 año
14,4% -18210
VAN Valor Neto Actual
15969,5
$63.963
15969,5 15969,5
TIR Tasa Interna de Rentabilidad
15969,5
88%
15969,5 15969,5 15969,5 15969,5 15969,5 15969,5
Tabla # 4.12.-Cálculo del VAN y TIR Por lo tanto tenemos: Si VAN> 0: El proyecto es rentable. $63.963 > 0 Si TIR> tasa de descuento: El proyecto es aceptable. 88 % > 14.4 % Observaciones.
Se considera un período de 10 años de vida útil para este tipo de máquina porque entra en la clasificación de equipo electrónico y en la empresa se aplica este período para su depreciación.
Como vemos el TIR es positivo, lo cual representa una inversión totalmente aplicada porque a más que paga la inversión se obtiene rentabilidad.
El período de retorno de la inversión inicial en este caso es de 14 meses.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones Al término de este trabajo podemos citar algunas conclusiones como el resultado de los objetivos planteados inicialmente.
Se consiguió una modernización y automatización de una Maquina de Inyección de Plástico Sandretto Torino 2GV/110 cumpliendo las necesidades de monitoreo, control y operación a través de un computador mediante el programa LabVIEW.
El sistema implementado presenta varias ventajas con relación al sistema electromecánico original: o La fiabilidad del sistema automatizado es superior ya que el sistema permite utilizar menor número de equipos de control. o Existe flexibilidad en el sistema eléctrico, ya que permite modificar con facilidad y realizar cambios en el menor tiempo. o Las averías son detectadas con facilidad y corregidas rápidamente gracias a la visualización en las pantallas del HMI. o La calidad del proceso es mejorada por la rapidez y exactitud del seteo de datos y control. o Utiliza un mando centralizado, por lo que el sistema esta en la capacidad de gobernar completamente la máquina inyectora Sandretto Torino 2GV/110. o El sistema suministra mayor información técnica del proceso de inyección al operador.
El desarrollo de una aplicación programada en LabVIEW, se facilita comparado con otros lenguajes, por el sencillo entorno de programación gráfica que contiene algoritmos complejos desarrollados de una manera simple, que facilita la estructuración del programa, permitiendo optimizar el tiempo de diseño.
Recomendaciones
Para la utilización del software S7200PPI DDE Server tomar en cuenta que el nombre del TOPIC debe ser el mismo que se utiliza en el TOPIC de las librerías de comunicación DDE que nos provee LabVIEW.
Cuando se tiene problemas de comunicación de datos es conveniente observar la ejecución del programa S7200PPI DDE Server, ya que este software es la interfase entre LabVIEW y el PLC S7200.
Es conveniente saber que al encontrarse con un sistema supervisor y parámetros de control en un computador convencional, al cerrarse la aplicación de LabVIEW o apagarse el PC, e incluso presentarse un daño en este, no hay de que preocuparse ya que el control como tal se encuentra guardado en la memoria del PLC el mismo que queda con los últimos valores y parámetros de control ingresados de tal manera que el daño es solo de visualización, el funcionamiento del proceso de inyección no se ve alterado de ninguna forma.
Las variables y los parámetros utilizados en LabVIEW que corresponden al PLC S7200 como marcas ,memorias variables, salidas, entradas análogas, temporizadores y contadores no necesitan de ninguna dirección especial sino utilizan el mismo
formato que se realiza en el software MicroWin SP1 como por ejemplo M0.0, VW0, Q0.0, AIW0, T37, C1.
En consideración a la importancia de la lubricación en este tipo de máquinas y de la delicadeza de las piezas mecánicas que la componen recomendamos de manera continua la vigilancia y el uso adecuado del aceite.
El máximo ahorro de energía eléctrica se obtiene gracias a la correcta calibración de presión que necesita la máquina en sus diferentes etapas del proceso de inyección, es decir evitar el exceso de presión y de caudal no aprovechado, que se convierte en energía desperdiciada.
En la mayoría de procesos de inyección tratar que los ciclos sean repetitivos.
No debe existir ruidos extraños de la Máquina.
Los movimientos deben ser optimizados en recorrido, velocidad y presión.
Las temperaturas y presiones deben ser vigiladas y reportadas de una manera continua.
Las partes mecánicas móviles de la Máquina deben mantenerse lubricadas.
Fijar las velocidades y presiones en un 80% del valor máximo.
Fijar la temperatura en el rango medio de fusión de cada material.
Ajustar la presión de inyección hasta llenar la cavidad al 100%.
Ajustar el tiempo de enfriamiento hasta obtener el acabado adecuado.
Bibliografía
1. Lajara Vizcaíno José Rafael ,Pelegrí Sebastiá José, LabVIEW Entorno Gráfico de Programación, Marcombo S.A. 2007 2. Ing. Silva Franklin, Manual de Automatización de Maquinarias Y Equipos Industriales Utilizando Simatic S7 200,Corfopym, 2007. 3. Simatic, Sistema de Automatización S7 200, Siemens AG 2000. 4. Simatic, Sistema de Automatización S7 200, Siemens AG 2003. 5. Integrated SoftwareSolutions,LLC d.b.a. IntSoftSol,LLC, S7 200 PPI Sever, Version 1.85 JR 6. Torino
Sandretto,
Prensa
para
Inyección
de
Termoplásticos
2GV/50/70/110/165/270/B, Euromap. 7. www.zonaeconomica.com/diccionariodeeconomia 8. www.mofinet.com 9. www.maquinaria-para-inyección-de-plasticos.co.mx/maquinas-deinyeccion.htm
INDICE DE CAPITULOS CAPITULO I .............................................................................................................. 1 PLASTICOS Y GENERALIDADES DEL PROCESO DE INYECCION ........... 6 1.-PLÁSTICOS Y GENERALIDADES ................................................................... 6 1.1.-Origen .................................................................................................................... 6 1.2.-Fabricación y Obtención ....................................................................................... 7 1.2.1.-Petróleo.- ............................................................................................................ 7 1.2.2.-Fabricación de los Plásticos ............................................................................... 8 1.3.-Tipos de Plástico ................................................................................................... 9 1.4..-Técnicas de Moldeo de los Plásticos .................................................................. 11 1.4.1.-Moldeo a Alta Presión ...................................................................................... 11 1.4.1.1.-Compresión ................................................................................................... 11 1.4.1.2.-Inyección: ...................................................................................................... 11 1.4.1.3.-Extrusión ....................................................................................................... 12 1.4.2.-Moldeo a Baja Presión ..................................................................................... 12 1.4.2.1.-Colada ........................................................................................................... 12 1.4.2.2.-Espumado ...................................................................................................... 12 1.4.2.3.-Calandrado .................................................................................................... 13 1.5.-Proceso de Inyección........................................................................................... 13 1.5.1.-La Máquina de Inyección ................................................................................. 14 1.5.2.-Unidades Principales de una Inyectora ............................................................ 14 1.5.2.1.-Unidad de Cierre ........................................................................................... 15 1.5.2.2.-Unidad de Inyección ..................................................................................... 15
1.5.2.3.-La Unidad de Potencia .................................................................................. 17 1.5.2.3.1.-Tipos de Sistemas de Potencia ................................................................... 17 1.5.2.4.-La Unidad de Control .................................................................................... 17 CAPITULOII ............................................................................................................ 18 2.-SITUACION ACTUAL DE LA MAQUINA INYECTORA SANDRETTO TORINO 2GV/110 ................................................................................................... 18 2.1.-Introducción ........................................................................................................ 18 2.2.-Características de la Máquina Inyectora de Termoplásticos ............................... 18 2.3.-Descripciones de la Máquina. ............................................................................ 20 2.3.1.-Unidad de Cierre .............................................................................................. 20 2.3.2.-Unidad de Inyección......................................................................................... 21 2.3.3.-La Unidad de Potencia ..................................................................................... 22 2.3.3.1.-Tipos de Sistemas de Potencia ...................................................................... 22 2.3.3.1.1.-Sistema de Potencia Hidráulico.................................................................. 22 2.3.3.1.2.-Sistema de Potencia Eléctrica .................................................................... 23 2.3.4.-La Unidad de Control Eléctrico ....................................................................... 23 2.3.5.- Análisis Eléctrico del Ciclo de Inyección ....................................................... 26 2.4.-Alimentación del Sistema Electromecánico. ....................................................... 28 2.5.-Principales Parámetros de la Inyectora Sandretto Torino 2GV/110 ................... 29 2.5.1.-Capacidad de plastificación.............................................................................. 29 2.5.2.-Velocidad de inyección .................................................................................... 29 2.5.3.-El cierre y apertura del molde .......................................................................... 30 2.5.4.-Controles de Mando de la Máquina ................................................................. 30
2.5.5.-Elementos de Calibración ................................................................................ 31 2.6.-Problemas detectados con el Sistema Actual ...................................................... 33 CAPITULO III ......................................................................................................... 35 3.-AUTOMATIZACIÓN DE LA INYECTORA SANDRETTO TORINO 2GV/110 35 3.1.-Preliminares de la automatización....................................................................... 35 3.1.1.-Objetivos Perseguidos ...................................................................................... 35 3.1.2.-Resultados Esperados ....................................................................................... 35 3.2.-Descripción del Sistema Automatizado .............................................................. 36 3.2.1.-Establecimiento de Ciclos de Trabajo ............................................................. 36 3.2.2.-Descripción del Ciclo de Inyección ................................................................. 36 3.2.2.1.-Inicio de Ciclo ............................................................................................... 36 3.2.2.2.-Cierre del molde e avance de la unidad de inyección .................................. 37 3.2.2.3.-Tiempo de Inyección del material ................................................................. 38 3.2.2.4.-Tiempo de Enfriamiento ............................................................................... 38 3.2.2.5.-Plastificación ................................................................................................. 39 3.2.2.6.-Apertura del Molde y Extracción de la Pieza................................................ 40 3.2.3.-Diagrama de Elementos Sensores y de Control de la Inyectora ..................... 40 3.2.3.1.-Diagrama de Ubicación de los Micro Switch de la Máquina Inyectora....... 40 3.2.3.2.-Diagrama de los Elementos de Control de la Máquina Inyectora ................ 44 3.2.4.-Diagrama de Flujo de la programación del PLC y PC ..................................... 45 3.2.4.1.-Diagrama de Flujo del Proceso ..................................................................... 45 3.3.-Sistema Automatizado ........................................................................................ 46 3.3.1.-La Parte de Mando ........................................................................................... 47
3.3.2.-La Parte Operativa............................................................................................ 47 3.3.3.-PLC .................................................................................................................. 47 3.3.3.1.-Selección del Tipo de PLC ............................................................................ 48 3.3.3.2.-CPU 226 ........................................................................................................ 48 3.3.3.2.1.-Características ............................................................................................ 48 3.3.3.3.-Software de Programación. ........................................................................... 49 3.3.3.3.1.-Funciones del editor AWL ......................................................................... 49 3.3.3.3.2-Funciones del editor KOP ........................................................................... 50 3.3.3.3.3.-Funciones del editor FUP ........................................................................... 50 3.3.3.4.-Comunicaciones y opciones de supervisión HMI ......................................... 50 3.3.3.4.1.-Protocolo PPI ............................................................................................. 50 3.3.3.4.2.-Protocolo MPI ............................................................................................ 51 3.3.3.4.3.-Protocolo PROFIBUS ................................................................................ 52 3.3.4.-Equipos Adicionales ......................................................................................... 53 3.3.4.1.-EM 231 Termopar, 4 entradas analógicas ..................................................... 53 3.4.-Sistema de Monitoreo y Visualización................................................................ 54 3.4.1.-Software LabVIEW .......................................................................................... 54 3.4.1.2.- Funciones del Software LabVIEW ............................................................ 55 3.4.1.2.1.- Panel Frontal ............................................................................................ 56 3.4.1.2.2.-Diagrama de bloques .................................................................................. 56 3.4.1.3.-Protocolo DDE por medio de LabVIEW ...................................................... 57 3.4.2.- Software DDE Server S7-200 PPI .................................................................. 58 3.5.-Comunicación entre LabVIEW y DDE Server S7-200 PPI ................................ 61
CAPITULO IV.......................................................................................................... 65 4.-ANÁLISIS DEL SISTEMA IMPLEMENTADO DE LA INYECTORA SANDRETTO TORINO 2GV/110 .......................................................................... 65 4.1.- Análisis Técnico ................................................................................................. 65 4.1.1.-Parámetros PLC ............................................................................................... 67 4.1.1.1.-- Descripción de las Entradas y Salidas del PLC .......................................... 68 4.1.1.2.- Descripción de Temporizadores y Contadores del PLC. ............................. 69 4.1.1.3.- Parámetros Controlados desde PC “Labview”. ............................................ 70 4.2.-Análisis Económico ........................................................................................... 71 4.2.1.-Métodos utilizados para analizar la rentabilidad de una inversión ................. 72 4.2.1.1.-Valor Actual Neto (VAN) ............................................................................. 72 4.2.1.2.-Tasa Interna de Retorno (TIR) ...................................................................... 73 4.2.2.-Cálculo de la Utilidad de una Máquina 2GV /110 ........................................... 74 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 78 Conclusiones............................................................................................................... 78 Recomendaciones ....................................................................................................... 79 Bibliografía ................................................................................................................. 81
INDICE DE GRAFICOS Figura # 1.1.- Proceso de Fabricación de los Plásticos. ............................................... 8 Figura # 1.2.- Unidades Principales de una Inyectora ................................................ 14 Figura # 1.3.- a). Sistema de cierre hidráulico-mecánico con placas acodadas.
b).
Sistema de cierre hidráulico. ...................................................................................... 15 Figura # 1.4.- Unidad de inyección. ........................................................................... 16 Figura # 2.1.- Unidad de cierre. .................................................................................. 20 Figura # 2.2.- Unidad de inyección. ........................................................................... 21 Figura # 2.3.- Tablero eléctrico inyectora Sandretto Torino 2GV/110. ..................... 24 Figura # 2.4.- Electroválvulas..................................................................................... 25 Figura # 2.5.- Sistema de control de presión de la máquina....................................... 27 Figura # 2.6.- Electroválvula proporcional (Control de Presión). .............................. 27 Figura # 2.7.- Símbolo de electroválvula proporcional. ............................................. 28 Figura # 2.8.-Panel de Controles de la Máquina ........................................................ 30 Figura # 2.9.- Panel frontal de la máquina cuadro de control. ................................... 31 Figura # 3.1.-Ciclos de Trabajo .................................................................................. 36 Figura # 3.2.- Cierre del molde e avance de la unidad de inyección. ......................... 37 Figura # 3.3.- Inyección del material.......................................................................... 38 Figura # 3.4.- Tiempo de Enfriamiento ...................................................................... 39 Figura # 3.5.- Plastificación del material.................................................................... 39 Figura # 3.6.- Enfriamiento y extracción de la pieza.................................................. 40 Figura # 3.7.- Ubicación de Micro Switch en la Máquina Sandretto Torino 2GV/11041 Figura # 3.8.-Elementos de Control Manual de la Máquina ...................................... 44 Figura # 3.9.-Flujo del Proceso Simplificado Implementado ..................................... 45
Figura # 3.10.-Flujo del Proceso de Automatizado .................................................... 46 Figura # 3.11.- Plc S7 200 CPU 226 ......................................................................... 48 Figura # 3.12.- Configuración de una red con Protocolo PPI .................................... 51 Figura # 3.13.- Configuración de una red con Protocolo MPI ................................... 51 Figura # 3.14.- Configuración de una Red Profibus ................................................... 52 Figura # 3.15.- Modulo Analógico EM 231 ............................................................... 53 Figura # 3.16.- Diagrama de Conversación DDE ....................................................... 57 Figura # 3.17.- Librería de Labview DDE.................................................................. 61 Figura # 3.18.- Configuración de los Objetos DDE .................................................. 62 Figura # 3.19.- Diálogo del DDE Server para definir Topic ...................................... 63 Figura # 3.20.- Diálogo del DDE Server con un Topic Nuevo .................................. 63 Figura # 3.21.- Diálogo del DDE Server para Configurar el Puerto de Comunicación64 Figura # 4.1.- Inyectora Sandretto Torino 2GV/110 .................................................. 65
INDICE DE TABLAS Tabla # 2.1.- Características de la Máquina Inyectora de Termoplásticos. ................ 19 Tabla # 2.2.- Etapas de control de la máquina en el proceso de inyección. ............... 26 Tabla # 2.3.- Fases de trabajo de la electro válvula proporcional. ............................. 28 Tabla # 3.1.- Características del Modulo Analógico EM 231 .................................... 54 Tabla # 3.2.- Áreas de memoria contenidas en el Siemens SIMATIC S7-200 de la familia de PLC`s. .................................................................................................................... 59 Tabla # 3.3.- Tipos de datos del Siemens SIMATIC S7-200 de la familia de PLC`s.60 Tabla # 3.4.- Ejemplos de direcciones........................................................................ 61 Tabla # 4.1.- Entradas del PLC................................................................................... 68 Tabla # 4.2.- Salidas del PLC ..................................................................................... 69 Tabla # 4.3.- Temporizadores del PLC....................................................................... 69 Tabla # 4.4.- Contadores del PLC .............................................................................. 70 Tabla # 4.5.- Registro y Marcas Manipulados desde Labview .................................. 71 Tabla # 4.6.Costos de Equipos ................................................................................... 71 Tabla # 4.7.- Datos de Producción ............................................................................. 74 Tabla # 4.8.- Costos de Producción ............................................................................ 75 Tabla # 4.9.- Utilidad del Proceso de Producción ...................................................... 75 Tabla # 4.10.-Utilidad Mensual y Anual .................................................................... 75 Tabla # 4.11.- Inversión Inicial .................................................................................. 76 Tabla # 4.12.-Cálculo del VAN y TIR ....................................................................... 76
