Articulo "Maquina Recicladora de Pilas"

7/28/2019 Articulo "Maquina Recicladora de Pilas"

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MAQUINA RECICLADORA DE PILAS

Bonilla Lpez No, Higuera Gonzlez Rogelio Manuel, Snchez Guerrero Oscar Arturo.

Tecnolgico de Estudios Superiores de Ixtapaluca, Estudiantes de Noveno Semestre de Ingeniera Electrnica, Ixtapaluca,Estado de Mxico.

Telfono (55) 1749-6992 e-mail: [email protected] (55) 1308-2482 e-mail: [email protected] (55) 5477-3942 e-mail: [email protected]

Resumen -- Las pilas contaminan el medio ambiente y por ello

requieren un tratamiento especial de reciclaje o confinarlos en

lugares adecuados, Mxico solo cuenta con lugares para

confinar las pilas y mandarlas a otros pases para su reciclaje.

El propsito de este proyecto es reducir la contaminacin del

suelo y crear una cultura para el reciclaje de pilas.

El prototipo realiza la separacin de metales y residuos

qumicos, para que ms adelante se puedan procesar porseparado. La maquina se divide en dos partes; la mecnica y la

electrnica, la parte mecnica fue diseada para desarmarse

esto para su fcil mantenimiento, otra de las ventajas en el

campo de electrnica y seguridad es poder controlar la

maquina desde una PC, a una distancia considerable

reduciendo as los accidentes. Para automatizar la maquina seutilizo un PLC por su fcil programacin.

Abstract -- Batteries pollute the environment and therefore

require special treatment or confine recycling in appropriate

places, Mexico only has places for confining the batteries and

send them to other countries for recycling. The purpose of this

project is to reduce the contamination of soil and create aculture for the recycling of batteries.

The prototype performs the separation of metals and chemical

residues, so that later they can be processed separately. The

machine is divided into two parts, mechanics and electronics,

the mechanical part was designed to disarm it for easy

maintenance, another advantage in the field of electronics and

security is to control the machine from a PC at a distance

significantly reducing accidents. To automate the machine will

use a PLC for easy programming.

I. INTRODUCCINLas pilas son dispositivos energticos electroqumicos quese emplean cada vez con mayor demanda para alimentar alos diversos equipos electrnicos, sin embargo cuando laspilas se desechan se convierten en residuos peligrosos.

En este proyecto trabajaremos en el reciclado de pilas AAno recargables mediante un dispositivo mecatrnico; loque se pretende con este mecanismo es separar loscomponentes de pilas AA, posteriormente clasificar los

residuos txicos y los residuos reciclables para su distintoacopio, a plantas de residuos qumicos y plantas de reciclajede metales.

Pero Cmo separar los materiales txicos de los materialesreciclables?

El proceso comienza por triturar las pilas, posteriormente el

material triturado pasa a ser separado mediante unelectroimn, que se encargar de captar el materialferromagntico.

Todo este proceso es automatizado mediante vainalmbrica para evitar el contacto humano y la exposicina mezclas peligrosas que puedan presentar peligro alpersonal operativo.

II. MARCO TEORICOEn el mundo existen una gran variedad de empresas las

cuales se encargan del reciclaje de pilas de carbono-zinc, lamayora de estas empresas se encuentran en Europa, Asia yEstados Unidos de Amrica. Entre las empresas msimportantes se encuentran:

RECUPYL S.A.S: ha desarrollado y patentado un proceso dereciclado, durante la primera fase del proceso, las pilas seaplastan para recuperar el acero, papel y plstico, y luego elpolvo de zinc y manganeso se somete a un procesohidrometalrgico para recuperar los metales de valor, en lafig. 1(a) se muestra la maquinaria que se utiliza para laprimera fase del proceso. Con operaciones en Francia,

Polonia, Italia, Espaa, Singapur y los EE.UU., el procesopatentado Recupyl es particularmente eficaz para losproductos qumicos utilizados en las bateras de hoy en da.

Battery Solutions, Inc.: Las bateras se reciclan a una"temperatura ambiente", especializado proceso deseparacin mecnica, donde los componentes de la baterason separados en 3 productos finales.

Reunin de Otoo de Potencia,

Electrnica y Computacin

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Artculo aceptado para ser presentado como ponencial oral 73 ISBN: 978-607-95476-6-0


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Estos artculos son zinc y concentrado de manganeso, acero,papel y plstico. Todos estos productos se ponen de nuevoen el mercado para su reutilizacin en productos nuevos, enla fig. 1(b) se muestra la maquinaria utilizada para latrituracin de la pilas. Con operaciones en EE.UU.

Fig. 1. (a) maquinaria utilizada por RECUPY L, (b) maquinaria utilizada porBattery Solutions.

III. METODOLOGAEl diseo de este prototipo fue pensado para que ocupe lamenor cantidad de espacio posible y sea totalmentedesarmable para facilitar su mantenimiento, reparacin ytransportacin, el prototipo fue diseado en el softwaresketchup pro 8 y se utilizo el plugin para simulacinllamado sketchiphysics, en la fig. (2) se puede observar eldiseo de la maquina.

Fig. 2. Diseo del prototipo en sketchup pro 8.

Diseo estructural: la estructura ha sido diseada en formarectangular con ngulo de aluminio, para las partesverticales se utiliza ngulo de 1 pulgadas para asegurarla mayor resistencia al peso o vibraciones, y para las parteshorizontales se utilizo ngulo de 1, ya que las piezashorizontales no tienen demasiada tensin. Las medidas de laestructura en lo alto son de 75 cm por 64 cm a lo largo y 22

cm de ancho, dndonos un total de 105,600 , en suinterior desde la base a 36 cm de altura se encuentraensamblada la banda transportadora de trazas y a 74 cm dealtura desde la base se encuentra ensamblado, el embudo porel cual pasan los residuos triturados.

Las partes que consta la maquina son las siguientes:

-Trituradora: su propsito es destruir las pilas para podersacar los compuestos qumicos del molde de metal. Constade dos partes, primero se cortan las pilas en 4 partes paraquitarles resistencia y despus pasa por una etapa de molidopara separa los residuos qumicos de los metlicos, en lafig. (3) se muestra el diseo realizado en sketchup pro 8.

Fig. 3. Diseo de la trituradora en sketchup pro 8.

-Banda transportadora: mueve los residuos triturados a laparte del imn, en la fig. (4) se muestra la banda

trasportadora y los rieles con el imn ya ensamblados enaluminio.

-Rieles: desplaza los imanes para poder magnetizar losresiduos de metal, cuentan con un mecanismo retrctil pormedio de un motorreductor el cual al ser accionado muevelos rieles con los imanes.

Fig. 4. Prototipo elaborado con aluminio.



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A. Control electrnicoSistema de lazo abierto: consiste en algunos subsistemasbsicos.

Elemento de control: Este elemento determina queaccin se va a tomar dada una entrada al sistemade control.

Elemento de correccin: Este elemento responde ala entrada que viene del elemento de control einicia la accin para producir el cambio en lavariable controlada al valor requerido.

Proceso: El proceso o planta es el sistema en elque se va a controlar la variable.

Nuestro sistema de lazo abierto utiliza un elemento decontrol que enva una seal para iniciar la accin despus dealgn periodo o una secuencia de seales para iniciar una

secuencia de acciones en tiempos diferentes. El controladores en esencia un dispositivo de conmutacin operado por unreloj (PLC).

Con sistemas de control en lazo abierto los tipos de controlms probables son el de dos posiciones (on-off) o secuenciaso acciones conmutadas por el tiempo [1].

Control on-off: En un sistema de control de dos posiciones,el elemento de actuacin solo tiene dos posiciones fijas, que,en muchos casos, son simplemente encendido y apagado[2].

Control (on-off) ventajas:

El control on-off es muy simple de controlar. Es comnmente utilizado en la industria. Es ms econmico que los otros tipos de control.

Bsicamente se eligi este control porque nuestropresupuesto era poco y para lo que requeramos era eladecuado, puesto que los procesos realizados no requerandemasiada precisin y las oscilaciones afectan al proceso.

B.

Interfaz USB

Se diseo la aplicacin de PC en visual C#2010, en lafigura (5) se puede observar la aplicacin realizada en C#.Para el control del dispositivo de USB se realizo unainterfaz humana, con lo cual nuestro objetivo principal eramanipular el prototipo a travs de nuestra PC, adems demonitorear el proceso realizado.

Fig. 5. Interfaz grafica realizada en visual studio.

La comunicacin realizada fue entre la PC - PIC, para estose utilizo un PIC 18f2550.

La gama alta (PIC18), tiene una arquitectura RISC avanzadaHarvard con 16 bits de bus de programa y 8 bits de bus de

datos. La memoria RAM puede llegar hasta 4Kbytes y hasta1Kbytes de EEPROM. Incluye perifricos de comunicacinavanzados (CAN y USB) [3].

Se programo el PIC en lenguaje C con el compilador CCS4.114, se opto por este compilador puesto que CCSsuministra libreras para comunicacin PIC - PC utilizandoel bus USB.

Despus de realizar la aplicacin para PC y el programapara el PIC, se simulo el circuito para observar sufuncionamiento, para esto se utilizo el programa proteus

7.7, en la fig. (6) se puede observa la simulacin del puertoUSB. Se utilizo proteus porque cuenta con dos herramientaspara la simulacin de circuitos USB:

-El conector USB llamado usbconn, el cual permite conectary desconectar el bus.

-El visualizador de USB llamado analizador de transicionesde USB.

Fig. 6. Simulacin de la interfaz del PIC en proteus 7.7.



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C. Comunicacin por radiofrecuenciaSe utilizaron dos mdulos de radiofrecuencia con elpropsito de controlar el prototipo a una distancia de 100mpara que los obreros no tuvieran peligro de un accidente.Para ello se utilizaron los siguientes mdulos de RF.

-Transmisor TWS-434, trabaja en la frecuencia de los433.92 MHZ y con modulacin ASK, CON un alcance de120m en exterior y 60m en interior aproximadamente.Acepta entradas lineales y digitales, opera con una tensinque va desde 1.5v hasta los 12v DC, en la fig. (7) se puedeobservar la conexin del trasmisor TWS-434 con elcodificador y el PIC.

-Receptor RWS-434, funciona en una frecuencia de 433.92MHz y con modulacin ASK se alimenta de una tensinentre 4.5v y 5.5v- DC, cuenta con salidas lineales y

digitales. Para enviar la seal del trasmisor al receptor seutiliza la modulacin ASK, se puede ver en la fig. (8) laconexin del receptor RWS-434 con el decodificador.

-Modulacin ASK (modulacin digital en amplitud) consisteen variar el parmetro de amplitud de la portadora (seal amodular) en funcin de la seal original (moduladora). Losotros dos parmetros frecuencia y fase, permanecenconstantes. Si es una modulacin ASK binaria (B-ASK),recibe tambin el nombre ook (on-off keying), la portadorasolo tiene dos entradas posibles, est o no est presente [4].

-Para codificar y decodificar la seal se utilizaron loscircuitos integrados HT12E y HT12D.

-HT12E, es un codificador el cual permite enviar hasta 4 bitsde datos y 8 de direcciones por lo que sera posibletransmitir hasta 256 dispositivos en la misma frecuencia.

-HT12D, es un decodificador el cual te permite tener 4salidas y cuenta con 8 direcciones distintas

Para calcular la resistencia de los osciladores del codificadory el decodificador se utilizo la grfica que proporciona el

fabricante.La direccin del transmisor y receptor debe ser la mismapara que haya una comunicacin, por eso el pin 8 delcodificador y decodificador se conecto a tierra.

Fig. 7. Diagrama de la interfaz USB y transmisin por radiofrecuencia.

Fig. 8. Diagrama del receptor de radiofrecuencia.

D. Amplificacin de salidasComo las salidas del receptor de radiofrecuenciaproporcionan un voltaje de 5v y para activar las entradas deun PLC necesita un voltaje de 24 volts se realizo una etapade amplificacin para elevar de 5v a 24v. Para esoutilizamos un optoacoplador para separar la etapa delreceptor y la del voltaje de las entradas del PLC.

- CNY -74-4 es un popular optoacoplador, en cuya capsulase encierra 4 fotodiodos y 4 fototransistores.

La tensin directa en extremos del fotodiodo en conduccines de 1.2v y para que se ilumine hay que hacer circular unacorriente de unos 5mA [5].

La resistencia en serie con el fotodiodo debe de permitir quecircule esta intensidad as, para una tensin de Vin de 5v.Para ello utilizamos la ecuacin (1).

1= 1.2

5 (1)

1=5 1.2

5=760 820



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E. AutomatizacinPara automatizar todo el proceso utilizamos un PLC por sufcil programacin y ahorro de tamao.

Un controlador lgico programable es un dispositivo

electrnico digital que usa una memoria programable paraguardar instrucciones y llevar acabo funciones lgicas, desecuencia, de sincronizacin, de conteo y aritmticas, paracontrolar maquinas Y procesos, diseado especficamentepara programarse con facilidad.

Se utilizo el PLC SR3 B261BD el cual cuenta con 10entradas digitales y con 6 entradas analgicas, para activarlas entradas se debe de aplicar una tensin de 24VDC.Cuenta con 10 salidas tipo relevador.

Lenguaje escalera

La forma ms comn de programacin que se usa con losPLC es la programacin en escalera o ladder, en la que cadatarea de programacin se especifica como un escaln estepuede especificar los estados de los resolver las operacioneslgicas abarcando esas entradas.

Para observar el funcionamiento del programa se simulo enautomation studio 5.0 (fig. 9) que cuenta con programacinde escalera y con actuadores e indicadores.

Fig. 9. Simulacin de la programacin en ladder en automation studio.

Despus de simular y observar cada una de las secuencias,

se realizo el programa en escalera en el compilador ZelioSoft 2 y se transfiri de la PC al PLC.

El proceso empieza cuando se activa el botn de inicio de lainterfaz de la PC, el trasmisor enva la seal y al recibirla elreceptor la amplifica para que eleve el voltaje a 24v y conesto active la entrada 1 del PLC, el PLC tiene programadaslas secuencias que se deben de seguir a partir de que esactivada la entrada 1. Tambin cuenta con un paro

automtico que se pude activar desde la computadora omanualmente con el botn de paro, esto fue adecuado por laseguridad del operador. El la fig. (10) se pude observar laconexin del receptor, amplificacin y sensores alcontrolador.

Las salidas activaran 3 motores DC as como un motor pasa paso y dos luces indicadoras.

Fig. 10. Diagrama del receptor, amplificacin y la conexin al PLC.

En las salidas del PLC se conectan los motores de latrituradora as como el motor de la banda transportadora,tambin dos de las salidas son utilizadas para el control delmotor paso a paso y el electroimn.

F. MecnicaPara mover el rodillo de la banda transportadora y el mototool, se utilizo un motorreductor con el cual podemos

mantener una velocidad constante y precisa.

Motorreductor

Son elementos mecnicos muy adecuados para elaccionamiento de todo tipo de maquinas y aparatos de usoindustrial, que se necesite reducir su velocidad de formaeficiente, constante y segura.

Las ventajas de usar motorreductores son:

-alta eficiencia de transmisin de potencia del motor.

-alta regularidad en cuanto a potencia y par transmitido.

El motorreductor utilizado fue un Toshiba Gear Head motorDC GC-2200-MBE, 24v, 2A, 25kg/cm a 20RPM.

Se utilizo otro tipo de motorreductor para deslizar el imn,porque se requera mover una cierta cantidad de peso. Elmotorreductor utilizado fue de 5v a 1A.



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Para el cambio de giro de los motores se utilizo el driverL293D el cual puede manipular el cambio de giro de dosmotores de 24v a 3A.

G. Motor C.A.Los motores de corriente alterna se pueden clasificar en dosgrupos: monofsicos y polifsicos. Existe la tendencia a usarmotores monofsicos si la potencia requerida es baja.El motor bsico consta de un rotor y un estator con variosdevanados. Al pasar una corriente alterna por los devanadosdel estator se produce un campo magntico alterno. Comoresultado de la induccin electromagntica, se induce fem enlos conductores del rotor y por este fluyen corrientes. Estegira a una velocidad determinada por la frecuencia de lacorriente alterna que se aplica al estator [6].

El motor de corriente alterna es utilizado para moler las

pilas, se utilizo uno de 127v a 60Hz.

Para la parte del cortado de la pilas se utilizo un moto toolde 16000 a 32000 RPM.

H. Pruebas, diseo y ensamblajeDespus de simular cada uno de los circuitos querequeramos para el proceso se contino con la etapa depruebas en protoboard (fig. 11) en la cual observamos laeficiencia de cada circuito tomando mediciones de cada uno,para ver si se encontraban dentro de la tolerancia requerida,

antes de dedicarnos a disear cada uno de los PCB de cadacircuito.

Fig. 11. Pruebas del cambio de giro del motorreductor con el integradoL293D.

Despus de realizar cada una de las pruebas de los circuitosen protoboard se contino con el diseo de los PCB con el

programa PCB Wizard el cual cuenta con una gran variedadde componentes y es muy sencillo de utilizar. En la fig. (12)se muestra el diseo de la interfaz USB y trasmisin deradiofrecuencia realizado en PCB Wizard.

Cuenta entre sus herramientas con varias vistas posibles as

como de crear una gran variedad de componente.

Fig. 12. Diseo de la interfaz de USB y trasmisin en una vista real.

Concluyendo el diseo se realizo, como tambin el procesode la realizacin de la placa, probndose cada una de ellaspor separado, para observar su funcionamiento antes deensamblar todo el control electrnico.

Despus de probar cada una de las placas para checar sufuncionamiento se contino con el ensamblaje de las placas.En la fig. (13) se muestra el ensamblaje del receptor deradiofrecuencia y la etapa de amplificacin con el PLC.

Fig. 13. Ensamblaje del control electrnico para manipular cada una de lasacciones de la maquina.



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Se prob todo el control antes de conectar todos losactuadores en el PLC y observar todo el mecanismocompleto.

IV. RESULTADOSGracias al software de simulacin, compilacin y diseo ascomo de los materiales utilizados se logro realizar unprototipo con calidad, eficacia y seguridad.

En la parte de seguridad se pudo manipular el prototipo auna distancia de 100m con esto se reduce la probabilidadque el personal sufra algn accidente.

El prototipo se realizo a bajo costo cumpliendo con losrequerimientos especificados, su fcil diseo nos ayudo auna deteccin de fallas rpidamente, el mantenimiento es debajo costo tanto en la parte electrnica, como mecnica.

Se logr que cada uno de los proceso fuera independiente,la parte electrnica se dividi en: interfaz, amplificacin yautomatizacin; y en la mecnica: cortado, trituracin yseparacin, esto nos beneficia en el caso de que una partefallara solo se dara mantenimiento a una seccin delproceso, facilitando el detectar el problema, adems conesto se reduce el costo del mantenimiento.

V. CONCLUSIONESLos residuos al ser reciclados contribuyen al aislamiento delas mezclas qumicas que contienen las pilas en su interior,as como tambin a la reutilizacin de los metales quetienen por cubierta las pilas, con toda esta accin preventivase reducen los residuos dainos para la naturaleza y elhombre. Se logro concientizar a los estudiantes de nuestrotecnolgico al reciclaje de pilas por medio de una campaaecolgica, gracias a la fabricacin de la maquina.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Tecnolgico de EstudiosSuperiores de Ixtapaluca por su disponibilidad de loslaboratorios y aulas.

Al Ingeniero Carlos Juan de Dios Garca Padrn porapoyarnos y animarnos a realizar trabajos de investigacin,igualmente al Ingeniero Enrique Prez Razo por susasesoras, comprensin y consejos para la elaboracin delprototipo.

No Bonilla Lpez

Presentacin del proyecto PET BELT SORTERen expociencias estado de Mxico 2011 en el reade mecatrnica, logrando una acreditacin enexpociencias nacional. Presentacin de proyectoPET BELT SORTER en expociencias nacional

2012 realizado en el WORD TRADE CENTER.

Pasante de ingeniera en electrnica del noveno semestre en elTecnolgico de Estudios Superiores de Ixtapaluca.

Oscar Arturo Snchez Guerrero

Pasante de ingeniera en electrnica del novenosemestre en el Tecnolgico de EstudiosSuperiores de Ixtapaluca.

Rogelio Manuel Higuera Gonzlez

Presentacin del proyecto PET BELT SORTERen expociencias estado de Mxico 2011 en el reade mecatrnica, logrando una acreditacin enexpociencias nacional. Presentacin de proyectoPET BELT SORTER en expociencias nacional2012 realizado en el WORD TRADE CENTER.

Egresado del Colegio de Bachillerato Tecnolgico L eopoldo Rio de laLoza como tcnico en electrnica.Pasante de ingeniera en electrnica del noveno semestre en el

Tecnolgico de Estudios Superiores de Ixtapaluca.

Asesor

Ing. Enrique Prez Razo

Egresado de la Facultad de Estudios SuperioresCuautitln UNAM FESC como ingenieromecnico elctrico con especialidad encomunicaciones y electrnica 1994.

REFERENCIAS[1]W. Bolton, Ingeniera de control, Alfaomega, 2001, cap. 1,pp. 6, 7,15.

[2] Katsuhiko Ogata, Ingeniera de control moderna, 2003,pp. 63, 64.

[3] Garca Breijo Eduardo, Compilado C CCS y simulador proteus paramicrocontroladores PIC, AlfaOmega, 2008, cap. 8, pp. 213.

[4] Lzaro Laporta Jorge, Miralles Aguiiga Marcel, fundamentos detelemtica, 2005, pp. 78.

[5]Palacios Municio Enrique, Remiro Domnguez, Lpez Prez J . Lucas,Microcontrolador PIC 16f84a Desarrollo de proyectos, Alfaomega,2004, cap. 2, pp. 11, 12.



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[6]W. Bolton, Mecatrnica sistemas de control electrnico en la ingenieramecnica y elctrica, Alfaomega, 2010, cap. 9, pp. 208, 209.

[7]Arturo Gaviln Garca, L eonora Rojas Bracho, Juan Barrera Cordero,las pilas en Mxico: un diagnostico ambiental (SEMARNAT, marzo2009).

[8]Jos Castro Daz, Mara Luz Daz Arias, gaceta ecolgica INE-SEMARNAT Mxico cap. 3, pp. 53-74.



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