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UNIVERSIDAD, CIENCIA y TECNOLOGÍA Vol. 18, Nº 72, Septiembre 2014

DISEÑO MECATRÓNICO DE UNA MÁQUINA DE INUTILIZACIÓN DE ENVASES DE AGROQUÍMICOS

Buchelli Carpio, Luis1 Mora Valverde, Fernando2 Cárdenas Cobo, Jesennia1

1Facultad de Ciencias de la Ingeniería, UNEMI, Milagro, Ecuador.2BASF The Chemical Company, Guayaquil, Ecuador.

(Recibido 19/09/14 - Aceptado 04/11/14)

Resumen: El presente proyecto trata sobre los pasos a seguir en el diseño y automatización de una máquina electroneumática, para la inutilización de envases de agroquímicos mediante punzonado mecánico. El objetivo principal de este diseño es disminuir la cantidad de incidentes de riesgo laboral por intoxicación de agroquímicos en trabajadores, así como también reducir los tiempos de procesamiento de cada recipiente y la cantidad de agua de lavado. Para el análisis del proceso se utilizó la metodología de la Red de Petri lo cual permitió determinar los pasos lógicos del proceso. El software utilizado fue el SolidWorks para determinar esfuerzos mecánicos y el FluidSim para el diseño electro-neumático, la selección de los sensores y la programación lógica en un micro PLC LOGO-SIEMENS. La utilización de dichos software permitió reducir el tiempo de construcción e implementación del diseño. Con la implementación de la máquina, los riesgos por intoxicación se redujeron a una sola persona de las seis que estaban expuestas en forma directa e indirecta, se redujo el consumo de agua en 81% y se disminuyó el tiempo del proceso en un 56 %.

Palabras claves: Automatización, Mecatrónica, Red de Petri, FluidSim, LOGO-SIEMENS.

DESIGN MECHATRONIC OF A DEACTIVATION MACHINE OF AGROCHEMICAL CONTAINERS

Abstract: This project is about the next steps in the design and automation of an electro-pneumatic machine for the deactivation of agrochemical containers by mechanical punching. The main objective of this design is to reduce the number of incidents of occupational hazard agrochemical poisoning in workers, as well as to also reduce the time working and use of washing water. The Petri Net methodology was used for the analysis of the process which allowed to determine the logical steps of the process. The software used was the SolidWorks to determine mechanical stress and the FluidSim design pneumatic, the selection of sensors and logic programming in a micro SIEMENS- LOGO PLC. The use of such software made it possible to reduce the time of construction and implementation of the design. With the implementation of the machine, risks poisoning were reduced to one of the six that were exposed in a direct and indirect manner, fell the consumption of water in 81% and it decreased by 56% the time of the process.

Keywords: Automation, Mechatronics, Petri Net, FluidSim, SIEMENS- LOGO.

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Buchelli Carpio, L., Diseño mecatrónico de una máquina de inutilización de envases.

I. INTRODUCCIÓN

Actualmente la cantidad de envases de agroquímicos que se utilizan en la Región 5 en el Ecuador, sobrepasa los centenares de unidades en diferentes presentaciones [1], las cuales se deben recolectar (para que no sean vendidos, desechados a la basura o utilizados para alimentos), lavar tres veces (enjuagar 3 veces y agitarlo con un 25% de agua del volumen del tanque elimina en un 99.9% los rastros del agroquímico) [2], y después de estar limpios deben ser transportados para su reciclaje. El trabajo del lavado de recipientes de agroquímicos que realizan las personas en las aerofumigadoras para plantaciones de banano, los cuales a mano deben perforar y enjuagar tres veces el tanque es muy lento y riesgoso dada la toxicidad de este material, como también la gran cantidad de agua que se utiliza. Por todo lo descrito anteriormente surge la necesidad de diseñar una máquina que realice dichas actividades de manera automática [3], de tal manera que el objetivo principal es disminuir los riesgos de enfermedades ocupacionales en los operadores, reducir la cantidad de agua de lavado y disminuir los tiempos de procesamiento de cada recipiente.

II. DESARROLLO

1. Diseño mecatrónico de la máquina

El diseño de una máquina comienza cuando se diseñan los mecanismos empleando herramientas de Dibujo Asistido por Computador (CAD) por parte de los ingenieros mecánicos. Una vez que se ha completado el modelo CAD y construido la máquina físicamente, los ingenieros eléctricos implementan el sistema eléctrico, seleccionan la instrumentación del proceso, seleccionan el controlador lógico secuencial y lo programan.

Cuando se realizan las primeras pruebas de funcionamiento, accionan todos los mecanismos y sistemas integrados en la máquina. En esta etapa, cualquier problema de malfuncionamiento que requiera del rediseño en partes de la máquina,

puede conducir a grandes gastos, demora en la entrega y además puede significar la diferencia entre ganancia o pérdida para el constructor de la máquina.

La participación de los ingenieros eléctricos de forma más temprana, es crítica en el proceso de diseño ya que reduce significativamente el riesgo de fallos de la máquina.

La conceptualización mecatrónica del diseño, mostrada en la Figura 1, facilita la solución a este reto, conectando herramientas de diseño de máquinas y creando una representación virtual de la misma antes que los ingenieros diseñen el prototipo físico de máquina.

Figura 1. Diseño desde el punto de vista mecatrónico.

Mediante programas de ingeniería asistida por computador (CAE), se puede realizar un modelo matemático virtual de la máquina y probar movimientos, realizar análisis de materiales, interactuar con el sistema de control y ver las operaciones lógicas de la misma. Con el modelo virtual, se puede probar y mejorar el diseño antes de crear cualquier componente físico. La clave para un buen modelo virtual es la integración de las herramientas de Diseño Mecánico, Eléctrico y de Sistema de Control, lo cual permite demostrar a los clientes como funcionará la máquina antes de ser construida [4].

El diseño mecatrónico del prototipo de ésta máquina consta de las fases listadas en la Figura 2 mostrada a continuación.

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Figura 2. Fases del diseño mecatrónico de la máquina.

1.1 Diseño Mecánico

A. Cálculo de la fuerza de perforación del reci-piente.

El recipiente plástico de polietileno de alta densidad debe ser perforado con un agujero no menor a 30mm para garantizar su inutilización; un punzón rectangular debe perforar al recipiente en cada una de sus caras. Para determinar la fuerza de corte de punzonado, cuando se tiene un proceso isotérmico se utiliza la ecuación [5]:

V=∫ τdA (1)

Dondeτ: es el esfuerzo cortante a la rotura del material [Mpa]

dA: es el diferencial de área de incidencia del corte.

Según la normativa de estándar Británico BS-2782, método 340B3, el esfuerzo de corte en materiales plásticos está dado por [6]:

(2)

DondeV: es la fuerza cortante [N].B: es el ancho de la punta rectangular [mm]T: es el espesor del recipiente [mm]

f = 1.2-1.5: factor de empaquetamiento y fricción entre el material y el punzón

Según la Figura 3, el esfuerzo cortante a la rotura es 25 MPa [7]:

Figura 3. Diagrama esfuerzo-deformación para el Polietileno de alta densidad.

Entonces, para el punzón rectangular de 32mm de lado que atraviesa el recipiente plástico de 3mm de espesor, la fuerza cortante es V=7546 N (1698 lbf). Esta fuerza no es más que la fuerza de salida proporcionada por el vástago del cilindro

B. Cálculo del diámetro de los cilindros neumáticos.

La presión está definida por [8]:

F=∫ PdA (3)

DondeF: es la fuerza de salida proporcionada por el vástago del cilindro [N].P: es la presión del aire comprimido [Pa]dA: es el diferencial de área circular de incidencia de la presión en el émbolo.

Integrando, para un área circular constante y despejando el diámetro de dicha sección, se tiene que:

Φ=√(4F/(πP(1-f))) (4)

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DondeΦ: Diámetro del cilindro neumático [plg]F: fuerza de salida del vástago del cilindro [lbf].P: es la presión del compresor [105 psig]f: es el factor de fricción que reduce la fuerza de salida (10%).

El cálculo proporciona un diámetro de:Φ=5.2 pulgadas (132mm). Por lo tanto, a partir de este dato se selecciona un cilindro neumático comercial de 6 pulgadas de diámetro.

C. Caudal del cilindro y selección del compresor.

La ecuación simplificada [9] que determina el caudal de aire libre para el cilindro neumático es:

(5)

Donde V ̇: es el caudal requerido para el cilindro neumático [cm3/min]Lc: es la carrera realizada por el vástago del cilindro [cm].Φ: es el diámetro interno del cilindro neumático [cm]θ: es el diámetro del vástago del cilindro neumático [cm]n: es el número de ciclos por minutoP’: presión de funcionamiento del cilindro neumático [Kpa].

El caudal de aire libre es de 331800 cm3/min (11.7 cfm) tanto para el cilindro neumático superior de carrera 1m como el cilindro inferior de 0.25m, cuando funcionan a una presión de diseño de P’=620 KPag (90psig) y una cantidad de 2.4 ciclos/min. En la Figura 4 se proporciona el diagrama de avance y retroceso del pistón durante el punzonado.

Figura 4. Diagrama de avance y retroceso del pistón al punzonar el envase.

El consumo de aire libre para presurizar el recipiente de 55 galones y que expulse a presión el líquido por debajo, está dado por la ley de los gases ideales para procesos isotérmicos [10]:

(6)

V ̇pr: es el caudal para presurizar el recipiente [litros/min]Vr: es el volumen del recipiente de agroquímico [litros].P': Presión en el recipiente para expulsar el agroquímico mediante el lavado [(4 psig)]∆t: es el tiempo para presurizar el recipiente [20seg]

V ̇pr=780 lt/min (27.5 cfm)

El consumo total de aire libre de la máquina es 1111.8 lt/min (39.3 cfm), dado por el consumo de los cilindros más la presurización del recipiente:

Una aproximación empírica de la potencia requerida por el compresor es:

(7)

W ̇: es la potencia necesaria del compresor [Hp]V ̇total: es el caudal total de aire libre requerido por la maquina [pies cúbicos/min, cfm].

Por lo que se debe seleccionar un compresor comercial con potencia 10Hp [7.5KW]

D. Diseño de la estructura de la máquina

Conociendo los elementos principales que componen la máquina y sus necesidades de funcionamiento, se seleccionan las partes utilizando

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las especificaciones comerciales de venta en el Ecuador; luego de esto, se procede a realizar el diseño estructural empleando el software AutoCad, mostrado en la Figura 5.

Figura 5. Diseño en AutoCad 3D de los elementos comerciales seleccionados.

E. Análisis de los esfuerzos estructurales de la máquina.

Al seleccionarse el cilindro neumático de 6 pulgadas de diámetro, el compresor puede entregar presiones de hasta 115psig (792KPa) que provocarían fuerzas de 2925 lbf (13005 N). La estructura de la máquina soportará estas tensiones en sus columnas, por lo que se realiza un análisis estructural para determinar las máximas deformaciones y esfuerzos que puedan provocar daños en la misma.

Existen dos tipos de análisis estructural: el estático y el de fatiga, notándose que el más crítico es el análisis estático. Este análisis se efectuó con el software de SolidWorks 2014.

El resultado del análisis con este software se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Análisis estructural en un software de ingeniería asistida por computador SolidWorks.

Luego del análisis realizado, la máxima deformación en la estructura es de 0.94mm y se ubica en la doble viga “C” de longitud 900mm,que soporta el cilindro neumático superior y es menor al criterio de la relación L/360 para cargas vivas, según el Código Internacional de Construcción (IBC 2012 tabla 1604.3), lo cual asegura un buen diseño estructural.

1.2 Diseño Eléctrico

Para el diseño eléctrico se tomó en cuenta la parte más crítica: la selección de los sensores y actuadores para el movimiento de punzonado.

F. Selección de sensores y actuadores.

En la Figura 7 se muestra el diagrama de flujo del proceso de funcionamiento de la máquina, de acuerdo a las necesidades del problema de perforar y lavar el envase. Se infiere de dicha figura la necesidad de los sensores y actuadores mostrados en la Tabla I.

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Figura 7. Diagrama de flujo del proceso del funcionamiento de la máquina.

Tabla I. Selección de sensores y actuadores.

G. Diseño del Sistema electro neumático.

Conociendo los sensores y actuadores y el funcionamiento general del sistema, se diseñó el sistema electro neumático mostrado en la Figura 8.

Figura 8. Diseño del sistema electro neumático.

1.3 Diseño del Sistema de Control

H. Selección del controlador lógico programable (PLC).

Para la selección del controlador lógico programable, se tomaron en cuenta la cantidad de entradas y salidas, y si son digitales o analógicas. En este caso todas las señales son digitales. El controlador lógico seleccionado es Logo Siemens OBA7 con dos módulos de entradas y salidas digitales.

SenSoreS nombre ActuAdoreS nombre

Start, Normalmente cerrado (NC) I1

Salida del Pistòn “A”, Electroválvula 5/3 biestable

Q1

Stop, Normalmente abierto (NO) I2

Salida del Pistòn “A”, Electroválvula 5/3 biestable

Q2

Sensor pistón “A” subida, NO I3

Salida del Pistòn “B”, Electroválvula 5/2 biestable

Q3

Sensor pistón “A” bajada, NO I8 Inyección de Agua,

Electroválvula 2/2 Q4

Sensor de puerta abierta, NO I4 Inyección de Aire,

Electroválvula 2/3 Q5

Sensor pistón “B” subida, NO I6

Contactor de moto-rreductor, punta de lavado

Q6

Sensor pistón “B” bajada, NO I5

Contactor de motorreductor de plataforma, giro de recipiente

Q8

Nivel Alto de Cisterna de residuos, NO I7 Aviso Luminoso

(opcional) Q7

Sensor de presión del agua, NO I9

Sensor de presión del aire, NO I10

Selector Manual, NO I16

Manual Motor de Giro del recipiente, NO I11

Manual de salida del pistón “A”, NO I12

Manual de retroceso del pistón “A”, NO I13

Manual de inyección del agua I14

Manual de inyección del aire, NO I15

Total Entradas 15 Total Salidas 8

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El diseño del sistema de control secuencial se realiza siguiendo los pasos mostrados en la Figura 9. En la Figura 10 se muestra su conexión eléctrica.

Figura 9. Diagrama de flujo para el diseño de control por medio del PLC.

Figura 10. Conexión eléctrica del PLC.

I. Programación del dispositivo programable (PLC).

Tomando como base al diagrama de flujo de procesos se construyó el diagrama, mostrado en la Figura 11, para la programación del dispositivo programable (PLC) en una representación matemática gráfica como es la Red de Petri [11].

Figura 11. Red de Petri para la secuencia del PLC

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La programación del PLC se realiza en base a los tiempos y movimientos de la Red de Petri. La misma se muestra en la Figura 12 realizada en el software Logo Soft Confort de Siemens.

Figura 12. Programación grafica del PLC en el software Logo Soft Comfort.

2. Construcción e implementación de la máquina diseñada

A continuación en las Figuras 13 y 14 se muestran respectivamente: la vista interna de la construcción de la máquina y su instalación.

Figura 13. Vista interna de la construcción de la máquina.

Figura 14. Instalación de la máquina.

J. Indicadores de resultado y de monitoreo

Para evaluar el proceso de inutilización de enva-ses de agroquímicos entre el triple lavado manual realizado por los trabajadores y el realizado por la máquina, se emplean los indicadores de gestión, listados y calculados en la Tabla II mostrada a con-tinuación. A saber:

Índice de Tiempo Total (ITT)

Índice de Utilización de Agua (IUA)

Tabla II. Índices de resultado y monitoreo

Para determinar si el proceso industrial de nuestra máquina logró el objetivo general que es la inuti-lización de envases, se utilizan los indicadores Ín-dice de envases inutilizados e Índice de expuestos a intoxicación, los cuales se determinan de la ma-nera siguiente:

Índice Detalle Valor Observación Lugar

ITT 4min/9min 0,44 Reducción del 56% Pista

Estrella-San Juan-

Provincia de Los Ríos-Ecuador

IUA 30litros/156litros 0,19 Reducción del 81%

IEI 122/301 0.40 Reducción del 60%

IEX 1 persona/6 personas 0,17 Reducción

del 83%

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Índice de envases inutilizados (IEI)

Índice de expuestos a intoxicación (IEX)

Finalmente, se realizaron las pruebas a los envases agroquímicos de 55 galones, con el objeto de eva-luar el proceso de inutilización. Ver Figura 15.

Figura 15. Pruebas de inutilización realizadas a los envases de agroquímicos de 55 galones.

III. CONCLUSIONES

El diseño de una máquina es un proceso en el que se debe tener en cuenta los tres principales sistemas: el mecánico, el eléctrico y el de control. Ninguno de ellos puede trabajar sólo, todos dependen entre sí. Con la ayuda de diferentes software presentados, se reduce el tiempo de construcción e implementación y facilitan la relación con el cliente buscando satisfacer sus necesidades sin incurrir en costos innecesarios y reclamos.

Con la implementación de esta máquina, los riesgos por intoxicación se redujeron a una sola persona de las seis que estaban expuestas en forma directa y en forma indirecta, los familiares de los trabajadores y personas relacionadas con la aerofumigadora, al no haber fuga de recipientes a los poblados vecinos.

Se redujo el consumo de agua en 81%, al utilizar sólo 30 litros por cada tanque de 55 galones comparado al triple lavado manual que utiliza 156 litros.

El tiempo del proceso disminuyó en 56%, al reducirse a 4 minutos por lavado de tanques de 55 galones, con respecto al corte con machetes o sierras de arco utilizados en el procedimiento de lavado manual. Las Figuras 13, 14 y 15 muestran fotografías de la instalación diseñada y construida.

Como futura línea de investigación, se recomienda realizar un estudio de los desechos de todos los agroquímicos que se aglomeran en la cisterna de residuos, para un reproceso final de reciclaje, ya que normalmente sirven como líquido de enjuague en la inyección de agroquímicos a las aeronaves de fumigación. Además, se recomienda añadir otro proceso que permita triturar los envases, reducir su volumen y bajar los costos de transporte.

IV. REFERENCIAS

[1] CropLife Ecuador, Reporte anual 2012, página 23, 24/07/2014. Documento en línea disponible en: http://www.croplifeecuador.org/reporte2012.pdf

[2] nstituto Ecuatoriano de Normalización, NTE INEN 2078: Plaguicidas, Eliminación de residuo sobrante y de envases, primera edición, paginas 4-8, año 1998, revisión 2012.

[3] Castelli T. Gabriela Fernanda, Ensayo comparativo entre el triple lavado de envases de productos fitosanitarios y el enjuague con boquillas hidrolavadoras, ISBN: 978-987-05-0920-2, Edición del Autor, año 2003.

[4] National Instruments, Mecatrónica, Cinco Retos y Soluciones de Diseño para Constructores de Máquinas, pagina 1-2, 2008, 24/07/2014, http://www.ni.com/white-paper/145/es/pdf.

[5] Resistencia de Materiales. Cuarta edición, Pytel Singer, La Harla, pagina 152 y Año de edición: 1994

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[6] British Estándar, BS 2782-3: Methods 340ª and 340B: 1978 update 2008, página 5, 24/07/2014, www.dlqyw.net

[7] Springer Handbook of Condensed Matter and Materials Data, Martienssen, Werner, Warlimont, Hans (Eds.), 2005, XVIII, part 3.3 polymers, página 7. 24/07/2014. Documento en línea disponible en: http://j.gs/1081524/www.springer.com/cda/content/document/cda_downloaddocument/9783540443766-c3.pdf?SGWID=0-0-45-140869-p29397945

[8] Mecánica de Fluidos, D. A. Dámano Ecología y Energía Cuernavaca, Mexico, MihirSen, Universidad de Notre Dame, EEUU, 2009, página 49, http://www3.nd.edu/~msen/MecFl.pdf

[9] Neumática e Hidráulica, CreusSole Antonio, Alfaomega, pagina 36, primera edición, año 2007.

[10] Termodinámica, Y. Cengel, M. Boles, sexta edición, McGraw Hill página 138, año 2009.

[11] Las redes de Petri: teoría y práctica. Teoría y análisis, G. W. Brams, Masson, 1986, ISBN: 8431103930.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a los representantes de las compañías BASF y AIFA en Ecuador, por todo el apoyo brindado en la construcción de esta máquina.