capítulo 1 introducción a las máquinas de empacado industrial

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

AUTOMATIZACIÓN DE UNA MÁQUINA EMPACADORA DE CARAMELO EN POLVO

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL

BONILLA SALAZAR JULIO ROBERTO [email protected]

DIRECTOR: ING. GERMÁN CASTRO MACANCELA [email protected]

Quito, Octubre 2009

ii

DECLARACIÓN Yo Julio Roberto Bonilla Salazar declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente. ______________________ Julio Roberto Bonilla Salazar

iii

CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Julio Roberto Bonilla Salazar, bajo mi supervisión.

________________________

Ing. Germán Castro Macancela

iv

AGRADECIMIENTO A Dios

v

DEDICATORIA

A mi Esposa

vi

CONTENIDO

RESUMEN…………………………………………………………………..……………..xxi

PRESENTACIÓN……… ……………………………………….…………..……….......xxii

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DE EMPACADO INDUSTRIAL

1.1. GENERALIDADES DEL EMPACADO……………………….…………………… 1

1.1.1. INTRODUCCIÓN………………..………………………………………………… 1

1.1.2. PAPEL DE EMPAQUE……………………………………………………………. 2

1.1.3. TÉCNICAS DE SELLADO DEL PAPEL……………………………................... 4

1.1.3.1. Sellado por Ultrasonido.……………………………………………........... 4

1.1.3.2. Sellado por Calor……………………………………………..………….... 5

1.1.4. APLICACIONES DEL PAPEL DE EMPAQUE………………………………….. 5

1.1.4.1. Snaks………………………………………………………………………... 5

1.1.4.2. Galletas……………………………………………………………………… 6

1.1.4.3. Caramelos y Golosinas……………………………………………………. 6

1.2. MÉTODOS DE EMPACADO Y DOSIFICACIÓN...……………………………….. 7

1.2.1. EMPACADO VERTICAL………..…………………………………………………. 7

1.2.2. EMPACADO HORIZONTAL………………..…………………………………….. 8

1.2.3. DOSIFICACIÓN VOLUMÉTRICA…………………….………………………….. 9

vii

1.2.3.1. Empacado de Productos en Polvo……………………………………….. 9

1.2.4. DOSIFICACIÓN POR PESO……………………………………………………… 10

1.3. PREPARACION DEL CARAMELO EN POLVO…………………………..…....... 11

1.3.1. SELECCIÓN Y PREPARACIÓN DE LA MATERIA PRIMA………...…….….. 12

1.3.1.1. Molido del Azúcar………………………………………………………….. 12

1.3.1.2. Preparación de Jarabe…………………………………………………….. 12

1.3.1.3. Coloreado de Azúcar Cristal……………………………………………… 13

1.3.2. MEZCLA DE INGREDIENTES…………………………………………………… 14

1.3.3. EMPACADO……………………………………………………………………….. 14

1.3.4. ETIQUETADO Y DESPACHO………………………………………………….... 14

1.4. CONTROL PID……………………………………………………………………... 15

CAPÍTULO 2

DESCRIPCIÓN DE LA EMPACADORA DE CARAMELO EN POLVO

2.1. SISTEMA DE EMPACADO ...…………………………………………………….. 18

2.2. DOSIFICADO ………...…………………………………………………....………. 18

2.2.1. ELEMENTOS PARA LA DOSIFICACIÓN………………………………………. 19

2.2.1.1. Tolva de Dosificación………………………………………………………….. 20

2.2.1.2. Tornillo.......………………………….……….…………………………………. 20

2.2.1.3. Motor Dosificador…………..…………………………………………………... 21

viii

2.2.1.4. Variador de velocidad………………………………………………………….. 21

2.3. MEZCLADO………………………………..……………………………………….. 23

2.3.1. MEZCLADOR………….…………………………………………………………… 24

2.3.2. MOTO-REDUCTOR MEZCLADOR………………………………………….…... 24

2.4. FORMADO DE LA FUNDA DE EMPAQUE…………………………………….. 25

2.4.1. BOBINA…….…………………………………………………………………..…… 26

2.4.2. GUÍAS DEL PAPEL……………………………………………………………….. 26

2.4.3. CUELLO FORMADOR DE LA FUNDA……..………………………..........……. 27

2.5. SELLADO VERTICAL……………………………………………………………... 27

2.5.1. MORDAZA……..…………………………………………………………………... 29

2.5.2. NIQUELINA………………..……………………………………………………….. 29

2.5.3. TERMOCUPLA……….………………………………………………….………… 30

2.5.4. CONTROLADORES DE TEMPERATURA……………………………………… 31

2.5.5. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO……………………………………………………… 31

2.5.6. ELECTROVÁLVULA………………………………………………………………. 32

2.5.7. CILINDRO NEUMÁTICO…………………..……………………………………… 33

2.6. ARRASTRE DEL PAPEL DE EMPAQUE……………………………………….. 34

2.6.1. BANDAS DE ARRASTRE………………………………………………………… 35

2.6.2. MOTOR DE ARRASTRE…………………………….…………………………… 36

2.6.3. VARIADOR DE VELOCIDAD…………………………………………………….. 36

ix

2.6.4. LECTOR DE MARCA………..………………………………………………….… 37

2.6.5. SISTEMA DE PIÑONES……………………………………………………….….. 38

2.7. SELLADO HORIZONTAL Y PRE-CORTE……………………………………… 39

2.7.1. MORDAZAS…………………..……………………………………………………. 40

2.7.2. NIQUELINAS………………………..……………………………………………… 41

2.7.3. CILINDRO NEUMÁTICO……………………….…………………………………. 41

2.7.4. SENSOR INDUCTIVO……………….……………………………………………. 42

2.8. PANEL DE CONTROL…………………………………………………………….. 43

CAPÍTULO 3

DISEÑO DEL SISTEMA AUTOMÁTICO DE EMPACADO DE

CARAMELO EN POLVO

3.1. SISTEMA DE CONTROL DE LA EMPACADORA DE POLVO……………….. 45

3.2. OPERACIÓN DEL SISTEMA DE EMPACADO….…………………………...... 45

3.2.1. INICIALIZACIÓN DEL SISTEMA.……………………………………….……….. 46

3.2.1.1. Encendido del Compresor…………………………………..……...…………. 46

3.2.1.2. Alimentación de la Máquina Empacadora………………..…………………. 47

3.2.1.3. Calentamiento de las Mordazas…………………………….………………… 47

3.2.1.4. Colocación del Papel de Empaque…………………………………………… 47

3.2.2. PROCESO DE EMPACADO……………………………………………………… 48

3.2.2.1. Parametrización y Sellado Horizontal………………………………………… 50

3.2.2.2. Sellado Vertical y Dosificación……………………………………………...… 53

x

3.2.2.3. Arrastre……………………………………………………………………….…. 55

3.2.2.4. Apagado………………………………………………….………………….….. 57

3.2.2.5. Comunicación………………………………………………..……………….… 57

3.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL…………………………………….….. 58

3.3.1. MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL…………………………………………… 58

3.3.2. DISEÑO DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL……………………….… 59

3.3.2.1. Fuente de Alimentación……………………………………………………….. 59

3.3.2.2. Microcontrolador…….…………………………………………………………. 60

3.3.2.3. Detector de Cruce por cero…………………………………………………… 62

3.3.2.4. Entradas…………………………………………………………………………. 62

3.3.2.5. Salidas por opto acoplador……………………………………………………. 63

3.3.2.6. Salidas por Triac……………………………………………………………….. 65

3.3.2.7. Comunicación…………………………………………………………………… 66

3.3.3. IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL.................... 66

3.4. PROGRAMACIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL…...…………. 70

3.5. CONTROLADORES DE TEMPERATURA NX4………………………………… 71

3.5.1. NOMENCLATURA DE LOS TERMINALES ELÉCTRICOS...…………………. 71

3.5.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTROLADORES NX4……………………... 72

3.5.2.1. Entrada……………………….…………………………………………………. 72

3.5.2.2. Salidas…………………………………………………………………………… 72

3.5.2.3. Salidas de Control……………………………………………………………… 73

3.5.3. CIRCUITO DE CONEXIÓN DE LOS CONTROLADORES DE

TEMPERATURA NX4……………………………………………………………… 73

3.5.3.1. Controlador de Sellado Vertical……………………………………………….. 73

xi

3.5.3.2. Controlador de Sellado Horizontal…………………………………..……….. 75

3.5.4. CALIBRACION DEL CONTROLADOR PID……………………………………………... 76

3.6. VARIADORES DE VELOCIDAD………………………………………………….. 76

3.6.1. MONTAJE DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD………………………….. 76

3.6.2. INSTALACIÓN DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD….…………………. 77

3.6.3. CIRCUITO DE CONTROL DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD...…….. 78

3.6.4. CIRCUITO DE CONECCIÓN DE LOS VARIADORES………………………… 79

3.6.4.1. Variador de Arrastre………………………………………………..…………... 79

3.6.4.2. Variador Dosificador……………………………………………………………. 80

3.7. MONTAJE DEL TABLERO DE CONTROL……………………………………… 81

CAPÍTULO 4

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y MONITOREO

DE LA MÁQUINA

4.1. DESCRIPCIÓN DEL PANEL VISUALIZADOR.........…….….……………….. 83

4.2. FUNCIONAMIENTO DEL PANEL VISUALIZADOR….…………………...... 84

4.3. INICIALIZACIÓN………………………………………………………………… 85

4.3.1. CONFIGURACIÓN DE PUERTOS……….……………………………………. 86

4.3.1.1. Microcontrolador Dspic30f4011…………………………………………….. 86

4.3.2. LECTURA DE LA MEMORIA EEPROM………………………………………. 88

4.3.2.1. Tiempos del proceso de empacado………………………………………… 89

4.3.2.2. Valor de producción total…………………………………………………….. 89

xii

4.3.2.3. Valor de producción de fundas llenas……………………………………… 90

4.3.2.4. Horómetro……………………………………………………………………... 91

4.3.2.5. Producción diaria……………………………………………………………... 92

4.3.3. LECTURA DEL RELOJ CALENDARIO…………………………….………….. 94

4.3.3.1. RTC y Mapa de memoria RAM……………………………….……………. 96

4.3.3.2. Bus de datos de comunicación serial………………………….….……….. 98

4.3.3.3. Escritura de datos en el reloj calendario…………………………….…….. 99

4.3.3.4. Lectura de datos en el reloj calendario………………………….…………. 99

4.3.3.5. Circuito implementado…………………………………………..…………… 100

4.3.4. VISUALIZACIÓN DE PANTALLA PRINCIPAL…..……………………………. 101

4.3.4.1. Lcd Gráfico 240x128 con Controlador T6963c…………………………… 101

4.3.5. PANTALLA PRINCIPAL DEL PANEL DE VISUALIZACIÓN……………….. 103

4.4. BARRIDO DE TECLADO…………………………………….…….……………. 103

4.4.1. POTENCIÓMETROS DEL PANEL DE CONTROL..…………………………. 106

4.5. LECTURA DEL PUERTO DE COMUNICACIÓN………………..……………. 107

4.5.1. PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN………..…………………………………. 107

4.5.1.1. Protocolo de Recepción……………………………………..………………. 107

4.5.1.2. Protocolo de Transmisión…………………….……………………………… 109

4.6. LECTURA DEL PIN DE SINCRONIZACIÓN………………………………….. 110

4.7. LECTURA DEL RELOJ CALENDARIO…………………………….………….. 112

xiii

4.8. DISEÑO DEL PANEL VISUALIZADOR…………………………..……………. 113

4.9. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR………………..…….……. 113

4.9.1. ARQUITECTURA DEL PROGRAMA DEL dsPIC30F4011………..………… 116

4.9.2. FUNCIÓN MAIN………………………………………………………..…………. 116

4.9.2.1. Puerto de comunicación serial…………………………………..………….. 117

4.9.2.2. LCD grafico T6963C..……………………………………………..…………. 117

4.9.2.3. Reloj calendario ds1307…………………………………………..…………. 119

4.10. WINPIC 800…………………………………………………………..….……….. 120

CAPÍTULO 5

RESULTADOS DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

5.1. PRUEBA DE LOS COMPONENTES ........…….….…………..……..……….. 121

5.1.1. PRUEBAS DEL SITEMA MECÁNICO ………………………....…………….. 121

5.1.2. PRUEBAS DEL SISTEMA NEUMÁTICO……………………………………... 121

5.1.3. PRUEBAS DEL SISTEMA ELÉCTRICO ……………………………………... 121

5.2. PRUEBAS DE DOSIFICADO…………………………………………………... 122

5.3. PRUEBAS DE SELLADO……………………….………………………………. 123

5.3.1. CURVAS DE CALENTAMIENTO DE LAS MORDAZAS……………….……. 123

5.3.1.1. Mordaza Vertical...………………………….………………………………… 124

5.3.1.2. Mordazas Horizontales………………………………………………………. 125

xiv

5.4. PRUEBAS DEL SISTEMA DE CONTROL……………………………………. 126

5.5. DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS DE PESO…………………………….. 127

5.5.1. POWER ÁCIDO………………………………………………………………….. 127

5.5.1.1. Cálculo de Errores…………………………………………………………... 129

5.5.2. PALETA CON CARAMELO EN POLVO GALAXY……………………….….. 130

5.5.2.1. Cálculo de Errores.………………………………………..…………………. 133

5.6. DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS DE PRODUCCIÓN………………..…. 133

5.6.1. POWER ÁCIDO.…………………………………….......................................... 133

5.6.2. PALETA CON CARAMELO EN POLVO GALAXY….……………..…………. 134

CAPÍTULO 6

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES..........…….….…………..……………………………………………. 136

RECOMENDACIONES………………………………………………………….............. 138

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…..………………………………………………... 139

GLOSARIO DE TÉRMINOS……….…………………………………………………….. 141

ANEXO A. PLANO ELÉCTRICOS

ANEXO B. VARIADORES DE VELOCIDAD

ANEXO C. CONTROLADORES DE TEMPERATURA

ANEXO D. CALCULO DE CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO

xv

ANEXO E. MANUAL DE USUARIO

ANEXO F. HOJAS DE DATOS DE LOS MICRO-CONTROLADORES

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Capas de papel de empaque........…….….……………..………………..... 2

Figura 1.2. Métodos de sellado……………………...................................................... 5

Figura 1.3. Papel de empaque para Snacks…………………………………………..... 6

Figura 1.4. Papel de empaque para galletas………………………………………….... 6

Figura 1.5. Papel de empaque para caramelos……………………………………….... 6

Figura 1.6. Empacadora Automática Vertical DB388B……………….……………..… 7

Figura 1.7. Empacadora horizontal…………………………………………………..….. 8

Figura 1.8. Dosificadora volumétrica…………………………………………………..… 9

Figura 1.9. Dosificador por tornillo………………………………………………..……… 10

Figura 1.10. Empacadora Automática Multicabezal de 10 Balanzas……………..…. 11

Figura 1.11. Proceso de producción de caramelo en polvo……………………..……. 11

Figura 1.12. Marmita………………………………………………………………..…....... 13

Figura 1.13. Bombos de coloreado……………………….…………………………..…. 13

Figura 1.14. Máquinas empacadoras………………………………..……………..……. 14

Figura 1.15. Controlador PID de una planta…………………………………………….. 15

Figura 1.16. Curva de respuesta escalón unitario………………………………………

Figura 1.17. Curva de respuesta con forma de S……………………………………….

16

16

Figura 2.1. Empacadora de caramelo en polvo...….….……………..……………….... 18

Figura 2.2. Dosificador de polvo…………………………………………..……………… 19

Figura 2.3. Sistema del dosificador…………………………………………………….... 19

Figura 2.4. Tolva de dosificación……………………………………………………….... 20

Figura 2.5. Tornillo dosificador………………………………………………………….... 21

Figura 2.6. Motor dosificador……...…………………………………………………..…. 21

Figura 2.7. Variador dosificador………………………..……………….……………..… 22

Figura 2.8. Partes del variador de velocidad SV008iG5-2….……………………..….. 22

xvi

Figura 2.9. Dimensiones del variador………………………………………….…..…….. 23

Figura 2.10. Mezclador…………………………………………………..……………..…. 24

Figura 2.11. Moto-reductor del mezclador….……………………………………..…….. 25

Figura 2.12. Formado de la funda…………………………………………………..……. 25

Figura 2.13. Bobina y papel de empaque………………………………………..…....... 26

Figura 2.14. Guías para el papel de empaque.………….…………………………..…. 27

Figura 2.15. Cuello formador………..………………………………..……………..……. 27

Figura 2.16. Sistema de Sellado Vertical...….….…………….…................................. 28

Figura 2.17. Sellado Vertical……..………………………………………..……………… 28

Figura 2.18. Mordaza Vertical……………………………………………………............ 29

Figura 2.19. Niquelina de la Mordaza Vertical…………………….………………….... 30

Figura 2.20. Termocupla tipo K……………………….……………………………….... 30

Figura 2.21. Controlador de temperatura..…………………………………………..…. 31

Figura 2.22. Relé de estado sólido……………………..……………….………………. 32

Figura 2.23. Electrovalvula 5-2…………………..…………….……………………..….. 32

Figura 2.24. Bloque neumático……..………………………………………….…..…….. 33

Figura 2.25. Cilindro neumático de doble efecto….…………………..……………..…. 33

Figura 2.26. Arrastre y formado de la funda.……………………………………..…….. 34

Figura 2.27. Sistema de arrastre.…………………………………………………..……. 35

Figura 2.28. Bandas de arrastre…………………………………………………..…....... 35

Figura 2.29. Motor de arrastre………………….………….…………………………..…. 36

Figura 2.30. Variador de arrastre.…..………………………………..……………..……. 37

Figura 2.31. Sensor Óptico.……………………….………………………………........... 37

Figura 2.32. Diagrama de conecciones del sensor óptico…..……………………..…. 38

Figura 2.33. Sistema de piñones………………………..……………….………………. 38

Figura 2.34. Acople de piñones y bandas de arrastre……….……………………..….. 38

Figura 2.35. Cierre de mordazas horizontales….…………………………….…..…….. 39

Figura 2.36. Sellado horizontal………………….….…………………..……………..…. 39

Figura 2.37. Mordazas horizontales………..……………………………………..…….. 40

Figura 2.38. Niquelina de las mordazas horizontales………...…………………..……. 41

Figura 2.39. Cilindro de sellado horizontal…..…………………………………..…....... 42

Figura 2.40. Sensor inductivo………………….………….…………………………..…. 42

Figura 2.41. Diagrama de conecciones del sensor inductivo……..……………..……. 43

xvii

Figura 2.42. Panel de control...………………….….…………………..……………..…. 43

Figura 3.1. Proceso de empacado…………….....….….……………..……………….... 45

Figura 3.2. Inicialización del proceso de empacado …………………..……………… 46

Figura 3.3. Posición sensor óptico…………….……………………………………….... 48

Figura 3.4. Etapas del proceso de empacado……………………………………….... 49

Figura 3.5. Diagrama de flujo de inicialización y sellado horizontal….…………….... 52

Figura 3.6. Diagrama de flujo de sellado vertical y dosificación…………………..…. 54

Figura 3.7. Diagrama de flujo de la etapa de arrastre.……………….……………..… 56

Figura 3.8. Diagrama de flujo de la etapa de apagado ….……………………..…….. 57

Figura 3.9. Diagrama de bloque del Módulo de Control Principal………….…..…….. 58

Figura 3.10. Fuente del Módulo de Control Principal……..…………..…...………..…. 60

Figura 3.11. Filtro de línea...……………..….……………………………………..…….. 60

Figura 3.12. Distribución de pines del dsPIC30F3011............................................... 61

Figura 3.13. Detector de cruce por cero……………………………..…………..…....... 62

Figura 3.14. Circuito de aislamiento para las entradas……………………………..…. 62

Figura 3.15. Circuito de aislamiento para la entrada 7..…………..……………..……. 63

Figura 3.16. Circuito de conexión de los elementos de entrada................................ 63

Figura 3.17. Circuito salida para los variadores de velocidad………………………… 64

Figura 3.18. Circuito de salida por triac…………………………………..……………… 65

Figura 3.19. Circuito de conexión de los elementos de salida….……………............ 65

Figura 3.20. Bornera de comunicación…………………………….………………….... 66

Figura 3.21. Tarjeta de control principal…..………….……………………………….... 67

Figura 3.22. Circuito del módulo de control principal……………..………………..…. 69

Figura 3.23. Esquema eléctrico del controlador de temperatura…….………………. 71

Figura 3.24. Circuito eléctrico del controlador de sellado vertical……….………..….. 74

Figura 3.25. Circuito eléctrico del controlador de sellado horizontal……….…..…….. 75

Figura 3.26. Distancias mínimas de instalación del Variador de velocidad…..…..…. 77

Figura 3.27. Instalación de dos variadores de velocidad.……………………....…….. 77

Figura 3.28. Diagrama de control de los variadores de velocidad.……………..……. 79

Figura 3.29. Circuito eléctrico del sistema de arrastre…..……………………..…....... 80

Figura 3.30. Circuito eléctrico del sistema de dosificación.………………………..…. 81

Figura 3.31. Montaje del tablero de control….……………………..……………..……. 82

xviii

Figura 3.32. Montaje del panel frontal…..……….………………………………........... 82

Figura 4.1. Panel visualizador…...…………….....….….……………..…………….... 83

Figura 4.2. Funcionamiento del panel visualizador………………………………….. 85

Figura 4.3. Estructura del panel visualizador….………………………..………….... 86

Figura 4.4. Circuito de conexión del dsPIC30F4011…..……………………………... 88

Figura 4.5. Valor de producción total.……………..................................................... 89

Figura 4.6. Valor de producción de fundas llenas……………………………….……. 90

Figura 4.7. Horómetro………………………………....……………….……………..…. 91

Figura 4.8. Valor de historial diario……………………………………………..………. 92

Figura 4.9. Distribución de pines del ds1307……………………..…………..………. 94

Figura 4.10. Diagrama de bloque del reloj calendario ds1307……..…………….…. 96

Figura 4.11. Mapa de memoria del ds1307.............................................................. 96

Figura 4.12. Estructura de los bytes del reloj calendario…………………………….. 97

Figura 4.13. Byte de control del integrado ds1307…..……………..……..…..…....... 97

Figura 4.14. Bus de datos para comunicación I2C ……..……………….………..…. 98

Figura 4.15. Trama de datos de escritura al RTC…....…………..……………..……. 99

Figura 4.16. Trama de datos de lectura del RTC……………………………………... 100

Figura 4.17. Circuito de conexión del reloj calendario……………………………….. 100

Figura 4.18. Byte de control para frecuencia de 1Hz……………..………………….. 100

Figura 4.19. Estructura interna del LCD grafico con controlador T6963C…............ 101

Figura 4.20. Diagrama de conexión del LCD grafico...………….………………….... 102

Figura 4.21. Pantalla principal del panel de visualización…..………….……………. 103

Figura 4.22. Teclado del panel de visualizador...……………..………………..…….. 103

Figura 4.23. Diagrama de barrido de teclado …………………..…….………………. 104

Figura 4.24. Pantalla de diagramas de tiempos……….………..…………………….. 105

Figura 4.25. Pantalla de historiales………………………………………….…..……... 105

Figura 4.26. Potenciómetros de los variadores de velocidad...…………...…..…..… 106

Figura 4.27. Interfaz de comunicación.………………….……………………....…….. 107

Figura 4.28. Protocolo de comunicación ………………………….……………..……. 108

Figura 4.29. Byte de transmisión…………………………………………..…..…..…… 109

Figura 4.30. Señal de sincronización.……………………....………………………….. 111

Figura 4.31. Lectura del pin de sincronización.……………..………………………… 111

xix

Figura 4.32. Lectura del reloj calendario………………………………………………. 112

Figura 4.33. Circuito del panel visualizador……………….………………………..…. 113

Figura 4.34. Programa MikroC…………..….……………………..……………..…….. 114

Figura 4.35. Generador de mapa de bits…………………………………………….... 118

Figura 4.36. Configuración del WinPic 800….………………………………………... 120

Figura 5.1. Curva de calentamiento de la mordaza vertical.………..……………….. 125

Figura 5.2. Curva de calentamiento de las mordazas horizontales....……………… 126

Figura 5.3. Funda de Power Acido….……….……………………………………….... 127

Figura 5.4. Curva de pesos de fundas de 6 gramos….…………………………….... 129

Figura 5.5. Funda de paleta con polvo Galaxy………………………..…………….... 130

Figura 5.6. Curva de pesos en fundas de 15 gramos.……………...……………..…. 132

INDICE DE TABLAS

Tabla 1.1. Características técnicas del papel de empaque........…….……………….. 4

Tabla 1.2. Regla de sincronización de Ziegler-Nichols........…….……………………. 17

Tabla 2.1. Dimensiones de los variadores de velocidad........…….…………….…….. 23

Tabla 2.2. Condiciones ambientales de uso de los variadores……………………….. 23

Tabla 2.3. Partes del panel de control........…….…………….…………………………. 44

Tabla 3.1. Dispositivos de entradas y salidas........…….…………….………………… 50

Tabla 3.2. Tiempos utilizados en el proceso de empacado….……………………….. 51

Tabla 3.3. Características de los dsPIC30F........…..……….…………………………. 60

Tabla 3.4. Entradas del módulo de control principal…………….…………………….. 67

Tabla 3.5. Salidas por opto acoplador del módulo de control principal…..………….. 68

Tabla 3.6. Salidas por triac del módulo de control principal........…..……...…………. 68

Tabla 3.7. Comunicación con el Visualizador........…….…………….………………… 68

Tabla 3.8. Librerías utilizadas por el dsPIC30F3011….……………………………….. 70

Tabla 3.9. Nomenclatura de los terminales del controlador NX4.......…..…..………. 71

Tabla 3.10. Características de las entradas del controlador NX4………….…….….. 72

Tabla 3.11. Salidas de control del controlador NX4…………………………………… 73

Tabla 3.12. Nomenclatura del circuito de sellado vertical…………………………….. 75

Tabla 3.13. Nomenclatura del circuito de sellado horizontal…….………….…….….. 76

xx

Tabla 3.14. Diseño del circuito de fuerza del dosificador y arrastre………………….. 78

Tabla 4.1. Memoria de programa de los dsPIC30F.......…..…..……………………. 86

Tabla 4.2. Distribución de pines del dsPIC30F4011………….…….……………….. 87

Tabla 4.3. Localidades de memoria utilizadas para almacenar los tiempos.……… 89

Tabla 4.4. Localidades de memoria utilizadas para almacenar la producción…….. 90

Tabla 4.5. Localidades de memoria de la producción de fundas llenas…...……..... 91

Tabla 4.6. Localidades de memoria del contador de horas……………………….… 91

Tabla 4.7. Localidades de memoria de producción diaria…………………………… 94

Tabla 4.8. Tabla de nomenclatura del reloj calendario ds1307….…………………. 95

Tabla 4.9. Frecuencia de salida.......…..…..…………………………………………… 98

Tabla 4.10. Terminales del LCD gráfico y dsPIC………….…….……………………. 102

Tabla 4.11. Protocolo de recepción……………………………………………………. 109

Tabla 4.12. Protocolo de transmisión………………………………………………….. 110

Tabla 4.13. Variables matemáticas utilizadas por el compilador mikroC….…….…. 115

Tabla 4.14. Funciones utilizadas en el programa de visualización…………………. 116

Tabla 4.15. Rutinas de operación del puerto UART1………….…….………………. 117

Tabla 4.16. Rutinas del LCD gráfico T6963C…………………………………………. 118

Tabla 4.17. Rutinas de comunicación I2C…………………………………………….. 119

Tabla 4.18. Funciones utilizadas en el programa………………………..….…….…. 119

Tabla 5.1. Pruebas de dosificado........…….…………….…………………………..... 122

Tabla 5.2. Valores de temperatura de la mordaza vertical….……………………….. 124

Tabla 5.3. Valores de temperatura de la mordaza horizontal……………………….. 126

Tabla 5.4. Resultados de las pruebas iniciales………….……………………………. 127

Tabla 5.5. Resultados de peso en fundas de 6 gramos.…..………………………… 129

Tabla 5.6. Resultados de peso en fundas de 15 gramos……………………………. 132

Tabla 5.7. Producción de POWER ACIDO........…….…………….………………….. 133

Tabla 5.8. Valores de producción….…………………………………………………… 134

Tabla 5.9. Producción de PALETA CON POLVO GALAXY.......…..…..……………. 134

Tabla 5.10. Valores de producción………….…….……………………………………. 135

xxi

RESUMEN

El presente proyecto se inicia con el estudio del proceso de empacado de productos

alimenticios y de los materiales utilizados para realizar este empaque, como es el

polipropileno aplicado en este proyecto. Se realiza además un análisis de los

diferentes métodos de empacado, así como de las aplicaciones más comunes en las

que se utilizan cada uno de ellos. Por tratarse de un proyecto orientado al empaque

de productos en polvo, se realiza un breve resumen del proceso de producción del

caramelo en polvo así; como también de las condiciones ambientales requeridas

para cada etapa.

El proceso de empacado de caramelo en polvo posee varias etapas que son:

dosificado, formado de la funda, sellado vertical, sellado horizontal y arrastre. Cada

una de estas etapas cumple un papel muy importante dentro del proceso y debe

realizarse dentro de los tiempos establecidos por el operador de la misma.

Se ha realizado además un estudio detallado de cada uno de los componentes

mecánicos y eléctricos utilizados en la máquina empacadora automática de

caramelo en polvo. Para su automatización se utilizaron dos controladores de

temperatura NX4 con capacidad de realizar control PID. Estos sensan la

temperatura con la ayuda de una termocupla y realizan el calentamiento de las

mordazas de sellado utilizando niquelinas.

Se utilizan dos variadores de velocidad para realizar el accionamiento de los

motores utilizados en las etapas de dosificado y arrastre. Cada variador es

configurado para funcionar por periodos cortos. Sus tiempos de accionamiento y

parada son cercanos a cero; es decir, que necesitan un torque de arranque muy alto

para salir de la inercia, ya que deben pasar de cero a la velocidad de trabajo en un

tiempo muy pequeña.

El funcionamiento de la máquina empacadora es controlado por un microcontrolador,

el cual se comunica con el operador a través de un panel visualizador, con el objeto

de que este conozca el estado de la máquina y, además, pueda modificar su

funcionamiento.

xxii

PRESENTACIÓN

El presente proyecto es el resultado de dos años de investigación en procesos de

empacado industrial con diferentes productos, como caramelos y snaks. Estos

procesos son muy diversos por la cantidad de métodos disponibles en la industria,

así como también por sus variantes.

La automatización de sistemas de empacado deben realizarse tomando en cuenta

no solo aspectos técnicos de nuestra área de especialización, sino que también

factores muy importantes como: costos de producción, eficiencia del sistema,

rentabilidad, etc. Cada uno de los factores es determinante para los empresarios al

momento de tomar decisiones, en especial si son financieras. Por lo tanto, se debe

desarrollar una mentalidad más abierta con el objeto de encontrar soluciones

definitivas y lo más económicas posibles.

Los procesos de empacado son muy utilizados en el medio industrial y se les debe

dar importancia. En nuestro país hay pocas empresas que se dedican al desarrollo

de este tipo de tecnología, esto hace que las industrias importen esta maquinaria en

lugar de buscar una respuesta local.

Con este trabajo, se busca incentivar a futuras generaciones para mejorar

continuamente nuestra tecnología en materia de equipo de uso industrial. Los

aspectos mencionados en este documento son el resultado de mucho esfuerzo en la

búsqueda de soluciones a problemas muy comunes en la industria nacional.

Con el desarrollo de esta tecnología se pudo dar una solución real a las necesidades

de una fábrica local, de esta forma se demuestra que es posible crear sistemas

útiles para la industria.

1

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DE EMPACADO

INDUSTRIAL

1.1 GENERALIDADES DEL EMPACADO

1.1.1 INTRODUCCIÓN

El empacado es la actividad que permite crear una envoltura de protección y

transporte para un producto determinado. El producto puede tener: un recipiente

principal, un secundario y un empaque de envío. El principal es el que contiene el

producto para ser pesado o medido. El secundario es aquel que se desecha al

utilizar el producto, como por ejemplo una caja individual. Finalmente el empaque

de envió es la caja utilizada para almacenar y transportar varias unidades.

El etiquetado es una parte importante del empacado y consiste en la impresión de

datos informativos en el paquete. Las decisiones del tipo de empacado se basan

en los factores de costos y producción.

La creciente competencia y acumulación de productos en los anaqueles de las

tiendas demuestran que los envases ahora desempeñan muchas tareas para la

venta. Desde atraer la atención del producto y describirlo, hasta realizar la misma

venta. Las empresas están comprendiendo el poder de un buen envase para

crear, en el cliente, el reconocimiento instantáneo de la marca.

Un empacado innovador puede proporcionar a una compañía una ventaja sobre

sus competidores. El desarrollo de un buen envase para un producto nuevo

requiere tomar muchas decisiones acerca de los elementos específicos del

envase como: tamaño, forma, materiales, color, texto y anuncio de la marca.

Estos elementos deben trabajar juntos para respaldar la posición del producto y la

estrategia de mercadotecnia. El envase debe ser compatible con la publicidad del

producto, el precio y la distribución.

2

1.1.2. PAPEL DE EMPAQUE

La función principal del empaque es contener y proteger al producto; sin embargo,

en una época reciente, numerosos factores han convertido al envase en un

instrumento muy importante de la mercadotecnia, ya que de un buen diseño del

envase depende el éxito o fracaso del producto en el mercado.

El material utilizado para la fabricación de papel de empaque es el 1Polipropileno

Biorientado/Polietileno (OPP/LDPE). En la Figura 1.1 se ven las capas de las que

está formado del papel de empaque.

Figura 1.1. Capas de papel de empaque

El Polipropileno 2Biorientado son capas de polipropileno manufacturadas, de

manera que tienen una cara es brillante y otra opaca.

El polímero resultante de la Biorientación es el homopolímero de polipropileno y

fue descubierto en Italia por Ziegler y Natta a fines de los 50’s. Posteriormente,

junto con múltiples aplicaciones industriales, mostró tener buenas propiedades

ópticas y baja permeabilidad al vapor de agua. Con la biorientación se logró

mejorar notablemente las propiedades ópticas, mecánicas y de barrera al vapor

de agua de la película.

El BOPP comenzó entonces a convertirse en el film más versátil en la industria

del envase flexible, llegando inclusive a desplazar totalmente al film de celofán.

1 Polipropileno. Ver glosario de términos

2 Biorientación. Ver glosario de términos

3

Por su excelente barrera al vapor de agua se convirtió en materia prima base para

los envases de galletas, snacks y para todos los alimentos que no deben perder ni

ganar humedad.

Las principales propiedades del BOPP son:

Ø Alta trasparencia y brillo

Ø Buenas propiedades mecánicas

Ø Fácil de procesar (impresión, laminación)

Ø Buena maquineabilidad en las líneas de envasado

Ø Excelente permeabilidad al vapor de agua

Ø Amplio rango de espesores

Ø Diferentes temperaturas de sello

Ø Buena relación costo/performance

Ø Versatilidad,

§ Trasparente plano,

§ Trasparente coextruído,

§ Metalizado barrera estándar

§ Metalizado alta barrera

§ Perlado

§ Perlado blanco

§ Blanco cavitado

§ Blanco sólido

§ Blanco metalizado

Puede además ser recubierto con 3coatings especiales para modificar sus

características de sello y barrera (acrílico, saran, etc.). Las características

técnicas del BOPP se detallan en la Tabla 1.1.

3 Coatings. Ver glosario de términos

4

Tabla 1.1 Características técnicas del papel de empaque

1.1.3. TÉCNICAS DE SELLADO DEL PAPEL

Existen muchas técnicas para el sellado del papel de empaque, y ésta es

seleccionada según el tipo de producto a empacar. A continuación se pesentan

las más utilizadas.

1.1.3.1. Sellado por Ultrasonidos

El sellado por ultrasonido es un método muy complejo y se fundamenta en la

vibración que provoca el ultrasonido sobre las moléculas del material. Esta

5

vibración genera movimiento de las moléculas; lo cual produce calor que

finalmente fusiona al material.

1.1.3.2. Sellado por Calor

Es el método más común en el medio industrial por su facilidad de

implementación y manejo. Este sellado se consigue por la acción combinada de

presión, temperatura y tiempo.

El papel de empaque es sellado de acuerdo al tipo de producto a empacar. En la

Figura 1.2 se indican algunas alternativas de sellado y corte del papel de

empaque.

Figura 1.2 Metodos de sellado

1.1.4. APLICACIONES DEL PAPEL DE EMPAQUE

Los empaques juegan un papel muy importante en la comercialización y a lo

largo de los años han ido evolucionando y mejorando sus diseños con el objeto de

ser más competitivos.

1.1.4.1. Snacks

El empacado de snacks como son las papas fritas, chifles, etc. utilizan

laminaciones de “BOPP” y 4”BOPP metalizado”, dando una muy buena protección

a la humedad y a la luz. El la Figura 1.3 se ve algunos ejemplos de uso de este

material.

4 BOPP metalizado: Ver glosario de términos

6

Figura 1.3 Papel de empaque para Snacks

1.1.4.2. Galletas

Para empacar galletas como las de la Figura 1.4 se usan laminaciones de “BOPP”

y ”BOPP metalizado”; en distintos espesores y combinaciones.

Figura 1.4 Papel de empaque para galletas

1.1.4.3. Caramelos y Golosinas

Los caramelos utilizan laminaciones de “BOPP” por el contenido de azúcar y por

protección a la humedad. En la Figura 1.5 se muestra un ejemplo de empaque de

caramelos.

Figura 1.5 Papel de empaque para caramelos

7

1.2 MÉTODOS DE EMPACADO Y DOSIFICACIÓN

El proceso de empacado se lo puede realizar de múltiples formas dependiendo de

las características del producto, como pueden ser cantidad, viscosidad, volumen,

etc. Los métodos de empacado se las puede clasificar en:

· Empacado Vertical

· Empacado Horizontal

A continuación se detallan cada una de estas técnicas.

1.2.1 EMPACADO VERTICAL

El empacado vertical es una técnica donde el proceso se realiza de arriba hacia

abajo de modo que la materia prima entra por la parte superior de la máquina y,

por gravedad, el producto terminado es despachado por la parte inferior.

Un ejemplo de empacado vertical es la máquina DB388B que se la puede ver en

la Figura 1.6. Esta empacadora es completamente automática y el control es

realizado por un PLC.

INGRESO DELPRODUCTO

PANEL DECONTROL

SELLADOHORIZONTAL

SELLADOVERTICAL

PRODUCTOTERMINADO

Figura 1.6. Empacadora Automática Vertical DB388B

8

Los productos más comunes que utilizan las máquinas de empacado vertical son:

Ø Arroz

Ø Producto de frituras

Ø Confite

Ø Sal

Ø Palomitas

Ø Gelatinas

1.2.2 EMPACADO HORIZONTAL

El proceso de empacado inicia en un lado de la máquina y el producto terminado

es despachado por otro. Un ejemplo es la empacadora 5flow pack de la Figura

1.7. Este sistema es utilizado para empacar objetos de forma regular como

galletas, chocolates, pasteles, panes, objetos de uso diario, medicamentos,

componentes eléctricos, productos en cajas pequeñas u otros.

Las empacadoras horizontales utilizan bandas transportadoras que ayudan al flujo

del producto desde el ingreso hasta el despacho.

SELLADOINGRESO DELPRODUCTO

DESPACHO

PANEL DECONTROL

Figura 1.7. Empacadora horizontal

La dosificación se puede realizar de múltiples maneras las más comunes son:

· Volumétrica

· Por peso

5 Flow pack. Ver glosario de términos

9

1.2.3 DOSIFICACIÓN VOLUMÉTRICA

La dosificación volumétrica es un método que utiliza moldes para medir la

cantidad de producto por unidad de empaque. La dosificadora de la Figura 1.8

utiliza un disco giratorio con varios moldes que sueltan un volumen de producto

constante. Este tipo de dosificación es utilizado con productos granulares no

pegajosos como caramelos, harinas, etc.

TOLVA DE INGRESO

PANEL DECONTROL

DESPACHO DEPRODUCTO

DISCODOSIFICADOR

Figura 1.8. Dosificadora volumétrica

1.2.3.1. Empacado de Productos en Polvo

El método más común para dosificación de productos en polvo como harina,

azúcar, condimentos, leche en polvo, bebidas instantáneas, etc, es el dosificador

por tornillo. Este tipo de dosificador es volumétrico y consiste en una tolva de

forma cónica con un tornillo que al girar dosifica el producto en el empaque. Esta

dosificadora se ilustra en la Figura 1.9.

10

Para este control se utiliza generalmente variadores de velocidad que tienen un

buen comportamiento para trabajo intermitente por periodos cortos de tiempo.

La variación de peso que se obtiene con este sistema de dosificación esta en un

rango aceptable para la mayor parte de productos que la utilizan.

TOLVA DE INGRESO

TORNILLO DOSIFICADOR

DESPACHO DEPRODUCTO

PANEL DECONTROL

Figura 1.9. Dosificador por tornillo

1.2.4 DOSIFICACIÓN POR PESO

La dosificación por peso se realiza utilizando celdas de carga. Uno de los más

comunes es el sistema 6multicabezal como el de la Figura 1.10. Un algoritmo

computacional realiza el cálculo de los pesos y libera el producto de las 7celdas

cuyo peso combinado sea el más aproximado al requerido. Este sistema es

utilizado para empacar galletas, confites, nueces, maní, frutas secas, semillas,

chocolate, cereales, etc.

6 Muticabezal. Ver glosario de términos

7 Celdas.- Ver glosario de términos

11

PANEL DECONTROL

SELLADO VERTICAL

DESPACHO

TOLVA DE INGRESO

BALANZASDOSIFICADORAS

SELLADO HORIZONTAL

Figura 1.10. Empacadora Automática Multicabezal de 10 Balanzas

1.3. PREPARACIÓN DEL CARAMELO EN POLVO

La producción de alimentos está sujeta a regulaciones y registros sanitarios muy

estrictos por tratarse de productos destinados al consumo humano. Por esta

razón es necesario conocer todos los pasos que intervienen en la fabricación de

caramelos y los cuidados que requiere cada etapa.

En el proceso de producción de caramelo en polvo intervienen los sub procesos

mostrados en el diagrama de la Figura 1.11.

MEZCLA DEINGREDIENTES

REPOSOINGRESO DE

MATERIA PRIMAEMPACADO DESPACHO

Figura 1.11. Proceso de producción de caramelo en polvo

12

1.3.1 SELECCIÓN Y PREPARACIÓN DE LA MATERIA PRIMA

En esta parte del proceso se realiza la selección del azúcar, ácido, colorantes y

saborizantes artificiales, en las proporciones formuladas por el ingeniero químico

encargado del diseño del producto.

Dentro del proceso de preparación de la materia prima intervienen los siguientes

subprocesos:

· Molido del azúcar

· Preparación del jarabe

· Coloreado del azúcar cristal

1.3.1.1. Molido del Azúcar

Se muele el azúcar dosificado en el paso anterior con la ayuda de un molino de

alta velocidad. Este proceso se debe realizar en un ambiente sellado para evitar

que el azúcar molido se disperse por el ambiente o que agentes externos

contaminen el producto.

1.3.1.2. Preparación del Jarabe

Consiste en la preparación de los colorantes y saborizantes artificiales dentro en

la marmita. Una marmita es un recipiente fabricado en acero inoxidable que utiliza

un quemador a gas para calentar el líquido introducido en la misma. Además

posee un mezclador movido por un moto-reductor. Un ejemplo de marmita es

mostrada en la Figura 1.12.

Los ingredientes a mezclar son los siguientes:

· Ácido Cítrico

· Saborizantes artificiales

· Agua

13

MOTO-REDUCTOR

RECIPIENTE DEINOXIDABLE

QUEMADOR A GAS VALVULA DEDRENAJE

Figura 1.12. Marmita

Este proceso también debe ser realizado en un ambiente seco, con buena

ventilación, para evitar la acumulación de gases en el aire.

1.3.1.3. Coloreado del Azúcar Cristal

El proceso de coloreado consiste en mezclar azúcar cristal con colorantes

artificiales, de forma que todo el azúcar tome un color uniforme. Este proceso se

realiza utilizando bombos de coloreado como los de la Figura 1.13.

Figura 1.13. Bombos de coloreado

El coloreado debe realizarse en un ambiente seco, ya que la humedad podría

entrar en el azúcar y dañar el producto final.

14

1.3.2. MEZCLA DE INGREDIENTES

El sub proceso de mezclado se realiza utilizando bombos similares a los de

coloreado indicado en la Figura 1.13. Los bombos son cargados con el azúcar

cristal coloreado, para luego añadir progresivamente azúcar en polvo y los jarabes

preparados en el paso anterior; de forma que todo el producto se mezcle

uniformemente.

1.3.3. EMPACADO

En el subproceso de empacado se toma el polvo y se lo dosifica en fundas

pequeñas de 6 gramos a 15 gramos, dependiendo del tipo de producto.

Figura 1.14. Máquinas empacadoras

La dosificación y el sellado se pueden realizar en forma automática con la ayuda

de empacadoras como se muestran en la Figura 1.14, y su producción dependerá

del tamaño y peso de cada unidad.

1.3.4. ETIQUETADO Y DESPACHO

Este subproceso se realiza manualmente luego del empacado e involucra la

selección, agrupamiento y etiquetado del producto. Las fundas son agrupadas en

sartas, las mismas que posteriormente son almacenadas en cajas, las cuales son

apiladas en la bodega de producto terminado para su posterior despacho.

La bodega de producto terminado debe ser lo más seca posible, debido a que el

producto puede permanecer en ese sitio por periodos de tiempo muy largos.

15

1.4. CONTROL PID

Es interesante señalar que más de la mitad de los controladores industriales que

se usan hoy en día utilizan esquemas de control PID o PID modificado. 8Los

controladores PID analógicos son, principalmente, de tipo hidráulico, neumático,

electrónico, eléctrico o sus combinaciones. En la actualidad, muchos de éstos se

transforman en formas digitales mediante el uso de microprocesadores.

La Figura 1.15 muestra el control PID de una planta. Si se puede obtener un

modelo matemático de la planta, es posible aplicar diversas técnicas de diseño

con el fin de determinar los parámetros del controlador que cumpla las

especificaciones en estado transitorio y en estado estable del sistema en lazo

cerrado. Sin embargo, si la planta es tan complicada que no es fácil obtener su

modelo matemático, tampoco es posible un enfoque analítico para el diseño de un

controlador PID. En este caso, debemos recurrir a los enfoques experimentales

para la sintonización de los controladores PID.

Figura 1.15. Controlador PID de una planta

El proceso de seleccionar los parámetros del controlador que cumplan con las

especificaciones de desempeño se conoce como sintonización del controlador.

Ziegler y Nichols sugirieron más reglas para sintonizar los controladores PID (lo

cual significa establecer valores Kp, Ti y Td) con base en las respuestas escalón

experimentales o basadas en el valor de Kp que se produce en la estabilidad

marginal cuando sólo se usa la acción de control proporcional.

Ziegler y Nichols propusieron unas reglas para determinar los valores de la

ganancia proporcional Kp, del tiempo integral Ti y del tiempo derivativo Td, con

base en las características de respuesta transitoria de una planta específica.

8 Tomado de Sistemas de Control Moderno de OGATA

16

Uno de los métodos utilizados por Ziegler y Nichols es la respuesta de la planta a

una entrada escalón unitario, esta se obtiene de manera experimental.

Figura 1.16. Curva de respuesta escalón unitario

Si la respuesta no exhibe una curva con forma de S, este método no es

pertinente.

La curva con forma de S se caracteriza por dos parámetros: el tiempo de retardo

L y la constante de tiempo T. El tiempo de retardo y la constante de tiempo se

determinan dibujando una recta tangente en el punto de inflexión de la curva con

forma de S y determinando las intersecciones de esta tangente con el eje del

tiempo, como se observa en la Figura 1.1.7.

Figura 1.17. Curva de respuesta con forma de S

Ziegler y Nichols sugirieron establecer los valores de Kp, Ti y Td de acuerdo con

la fórmula que aparece en la Tabla 1.2.

17

Tipo de controlador

Kp Ti Td

P ∞ 0

PI 0

PID 2L 0.5L

Tabla 1.2. Regla de sintonización de Ziegler-Nichols

El controlador PID tiene la siguiente formula expresada en función de s.:

Realizando los reemplazos pertinentes se obtienen las siguientes equivalencias:

De esta forma se puede obtener los valores de cada una de las constantes de

calibración del controlador PID utilizado. Este método es muy util en controladores

que no poseen la función de autosincronización o autotuning.

La autosincronizacion utiliza un método similar al descrito para obtener los valores

de las constantes de calibración del controlador PID. Esta función es muy útil ya

que ahorra mucho tiempo al diseñador en la calibración.

18

CAPÍTULO 2

DESCRIPCIÓN DE LA EMPACADORA DE CARAMELO

EN POLVO

2.1. SISTEMA DE EMPACADO

En este capítulo se especifica los elementos que intervienen en cada una de las

cinco secciones del proceso de empacado, descritas en la Figura 2.1. Este

sistema utiliza el método de empacado vertical con dosificación por tornillo.

Figura 2.1. Empacadora de caramelo en polvo.

2.2. DOSIFICADO

Es la actividad de llenar cada funda con la misma cantidad de caramelo en polvo.

El método utilizado es volumétrico por tornillo y las variables que aquí se

controlan son velocidad de giro y tiempos de dosificación.

A Dosificado

B Formado de la funda de

empaque

C Sellado vertical

D Arrastre del papel

E Sellado horizontal y pre-

corte

19

Este proceso inicia cuando el motor dosificador es encendido y por consiguiente

hace girar al tornillo en sentido anti-horario. Un esquema del dosificador se

muestra en la Figura 2.2. El tiempo de dosificación depende de la cantidad y tipo

de producto a empacar.

Figura 2.2. Dosificador de Polvo

2.2.1. ELEMENTOS PARA LA DOSIFICACIÓN

Para realizar la dosificación se utiliza un tornillo acoplado mecánicamente a un

motor mediante un sistema de piñones ubicados de acuerdo al esquema de la

Figura 2.3. Dicho motor es comandado por un variador de velocidad montado en

el panel de control.

Figura 2.3. Sistema del dosificador

20

Los elementos que intervienen en el sistema de dosificación son:

· Tolva de dosificación

· Tornillo

· Motor dosificador

· Variador de velocidad

2.2.1.1. Tolva de dosificación

Es una tolva de forma cónica como se indica en la Figura 2.4 y está fabricada en

acero inoxidable, ya que está en contacto con el producto. En la parte superior

posee tres tornillos que la sujetan a la estructura de la máquina y en su parte

inferior esta roscada, sirviendo como acople al tubo del tornillo dosificador. Su

diámetro mayor es de 50 cm, su diámetro inferior es de 15 cm y su altura es de 40

cm.

Figura 2.4. Tolva de dosificación

2.2.1.2. Tornillo

Está fabricado en acero inoxidable y tiene un longitud de 1 m y 20 mm de

diámetro exterior, con un paso entre espiras de 7 mm, se lo muestra en la Figura

2.5. El tornillo dosificador está acoplado al sistema de piñones mediante un

prisionero de forma que sea fácil su montaje y desmontaje para su limpieza, o

cambio de producto.

21

Figura 2.5. Tornillo dosificador

2.2.1.3. Motor Dosificador

Para mover el tornillo se utiliza un motor trifásico de 1 HP a 220 V, el cual es

comandado por un variador de velocidad para trabajar en forma intermitente, es

decir por periodos cortos de tiempo.

Figura 2.6. Motor dosificador

2.2.1.4. Variador de Velocidad

El variador utilizado para el subproceso de dosificación es un variador de

velocidad marca LG de 1 HP como el que se observa en la Figura 2.7. Este

variador es accionado por el módulo de control a través de su bornera de

contactos, y la velocidad es controlada por un potenciómetro ubicado en el panel

frontal de la máquina.

22

Figura 2.7. Variador dosificador

Los variadores de velocidad tienen una configuración como la de la Figura 2.8, en

la que se puede observar la distribución de los elementos que la constituyen.

Swich de selecciónNPN o PNP

Terminales detierra

Ventiladores deenfriamiento

Terminlaes depotencia

Terminales decontrol

Panel de control

Figura 2.8. Partes del variador de velocidad SV008iG5-2

Las dimensiones de los variadores de velocidad utilizados se indican en la Figura

2.9 y sus valores se detallan en la Tabla 2.1.

23

Figura 2.9. Dimensiones del Variador

W

[mm]

W1

[mm]

H

[mm]

H1

[mm]

D

[mm]

Φ

[mm]

A

[mm]

B

[mm]

PESO

[Kg]

70 65.5 128 119 130 4.0 4.5 4.0 0.77

Tabla 2.1. Dimensiones de los variadores de velocidad

Para la operación adecuada del variador se requiere instalarlo en un panel con las

condiciones ambientales adecuadas, las cuales se muestran en la Tabla 2.2.

Temperatura ambiente - 10 ~ 50

Humedad Relativa 90 % HR o menos (no condensar)

Temperatura de almacenamiento

- 20 ~ 65

Ubicación Protegido de gas corrosivo, gas combustible, ambiente aceitoso o polvo

Tabla 2.2. Condiciones ambientales de uso de los variadores

2.3. MEZCLADO

Es el proceso mediante el cual se mantiene al producto listo para la dosificación.

Posee dos funciones importantes: la primera es la de mezclar el producto de

24

forma que no se endurezca o forme grumos, la segunda es la de hacer que el

producto llene los espacios vacíos entre las espiras del tornillo dosificador de

forma que la cantidad de producto sea el mismo a lo largo de todo el tornillo. El

subproceso de mezclado se realiza utilizado los siguientes elementos:

Los elementos que intervienen en el sistema de mezclado son:

· Mezclador

· Moto-reductor Mezclador

2.3.1. MEZCLADOR

Es una paleta que gira continuamente dentro de la tolva, mientras dure el proceso

de empacado. Está fabricado en acero inoxidable y su longitud es de 50 cm de

largo. En la Figura 2.10 se puede observar su posición y forma.

Figura 2.10 Mezclador

2.3.2. MOTO-REDUCTOR MEZCLADOR

El mezclador funciona con la ayuda de un moto-reductor; el cual esta acoplado a

un motor trifásico de 0.37 KW, como se muestra en la Figura 2.11. Este es

accionado por un contactor y funciona en forma continua y a velocidad constante

durante todo el proceso.

25

Figura 2.11. Moto-reductor del mezclador

2.4. FORMADO DE LA FUNDA DE EMPAQUE

Consiste en doblar el papel de empaque en forma cilíndrica, de modo que al

sellarlo se forme una funda pequeña. Esto es realizado por un cuello formador, el

cual recibe el papel estirado y lo convierte en un cilindro hueco.

El rollo de papel se ubica en la parte posterior de la máquina sobre un eje llamado

bobina y llega a través de las guías hasta el cuello formado y ubicado en la parte

frontal, como se observa la Figura 2.12

Figura 2.12. Formado de la funda

26

Todos los elementos que intervienen en este proceso son elaborados en acero

inoxidable A continuación se presenta una breve descripción de los mismos.

· Bobina

· Guías del papel

· Cuello formado de la funda

2.4.1. BOBINA

Es un tubo roscado en un costado y cuadrado en el otro. Esta bobina descansa

en la parte posterior de la máquina y su función es mantener al papel de empaque

en una posición fija. El costado roscado sirve para mover el papel de empaque de

derecha a izquierda, y el otro lado sirve de guía. El papel de empaque se fija a la

bobina como se muestra en la Figura 2.13.

Figura 2.13. Bobina y papel de empaque

2.4.2. GUÍAS DEL PAPEL

Son tubos hechos de aluminio y sirven para realizar el templado del papel durante

todo el proceso de empacado. Estos tienen las siguientes características físicas.

§ Longitud: 500 mm

§ Diámetro: 25 mm

27

Figura 2.14. Guías para el papel de empaque

2.4.3. CUELLO FORMADOR DE LA FUNDA

El cuello formado es la parte más importante de este subproceso. Está hecho con

acero inoxidable y se encarga de doblar del papel de su posición estirada a una

forma cilíndrica dejándolo listo para el sellado vertical. El cuello formador se lo

puede observar en la Figura 2.15 y tiene las siguientes características físicas:

· Longitud: 40 cm

· Diámetro: 38 mm

Figura 2.15. Cuello formador

2.5. SELLADO VERTICAL

Es el subproceso que se encarga de unir los extremos del papel de empaque y

formar un cilindro hueco en el que se pueda dosificar el producto.

28

El sellado vertical lo realiza una mordaza caliente que es presionada por un

cilindro neumático de doble efecto, durante un determinado tiempo. El sistema

mecánico para realizar el sellado vertical se lo puede observar en la Figura 2.16.

Vista Frontal Vista Lateral

Figura 2.16. Sistema de Sellado Vertical

Sobre la mordaza de sellado vertical se ubica una termocupla que sensa la

temperatura, la misma que sirve para realizar el control. Todo el sistema de

sellado vertical está montado sobre un brazo móvil que está sujeto en la parte

frontal de la máquina.

El sellado vertical es el proceso de activación del cilindro neumático frontal que

pasa de la posición A a la posición B indicada en la Figura 2.17. Este paso sella el

papel de empaque verticalmente, dejándolo listo para la dosificación.

Figura 2.17. Sellado Vertical

Los elementos que intervienen en ésta etapa son:

29

· Mordaza

· Niquelina

· Termocupla

· Controladores de temperatura

· Relé de estado sólido

· Electroválvula

· Cilindro neumático

2.5.1. MORDAZA

La mordaza vertical es un bloque de hierro fundido de forma trapezoidal, como se

observa en la Figura 2.18, y es la encargada de unir los extremos del papel de

empaque dándole una forma cilíndrica. La mordaza vertical posee dos agujeros.

El primero es el más grande y sirve para colocar la niquelina que calienta la

mordaza. El segundo es roscado y tiene la finalidad de sujetar a la termocupla

que sensa la temperatura.

· Longitud: 195 mm

§ Ancho: 23 mm

Figura 2.18. Mordaza Vertical

2.5.2. NIQUELINA

Es el actuador térmico encargado de calentar la mordaza vertical. La niquelina es

de forma cilíndrica como se observa en la Figura 2.19 y tiene las siguientes

características:

§ Largo: 195 mm

§ Diámetro: 9 mm

30

§ Voltaje: 110 V

§ Potencia: 100 W

Figura 2.19. Niquelina de la Mordaza Vertical

2.5.3. TERMOCUPLA

La termocupla es el sensor utilizado por el controlador para sensar la temperatura

de la mordaza. La termocupla es tipo K y su cabeza es roscada para sujetarla a la

mordaza vertical. Tiene una longitud de 2 m y se la puede observar en la Figura

2.20.

Figura 2.20. Termocupla tipo K

31

2.5.4. CONTROLADORES DE TEMPERATURA

Los controladores de temperatura son NX 4 y están utilizados en cualquier

aplicación industrial. Presentan las siguientes características:

o Control Fuzzy.

o AutoTuning.

o Control PID por zonas y por grupos.

o 3 puntos de set.

o Entrada Salida Universal.

o Interfaz (RS485 / 422).

o Alarma sobrecalentamiento.

o Protección IP 65.

Utilizan una termocupla tipo K para sensar la temperatura y utiliza la salida para

accionar un relé de estado sólido que funciona como elemento de potencia para

encender y apagar la niquelina puesta en la mordaza. En la Figura 2.21 se puede

observar al controlador NX4

Figura 2.21. Controlador de Temperatura

2.5.5. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO (Figura 2.22)

Es el elemento de potencia utilizado en el subproceso de calentamiento en el

sellado vertical. Este relé tiene dos funciones importantes; la primera es la de

aislar la potencia y el control del sistema de calentamiento con el fin de proteger al

controlador frente a cualquier falla. La segunda es la de amplificar la corriente ya

que su entrada consume poca energía y la corriente de salida depende de la

32

carga instalada y puede llegar a ser de hasta 40 A. La hoja de datos técnicos

completa se muestra en el Anexo C.

La principal ventaja de los relés de estado sólido es que no tienen partes móviles

por tanto son mucho más rápidos en su accionamiento. Además no requieren

ningún mantenimiento y su tiempo de vida útil es mayor con respecto a los relés

convencionales.

Figura 2.22. Relé de estado sólido

2.5.6. ELECTROVÁLVULA

Las electroválvulas están ubicadas en un bloque neumático en la parte posterior

de la máquina. Son válvulas 5-2, es decir tienen cinco salidas y dos vías como se

muestra en la Figura 2.23. Las electroválvulas funcionan a 120 Vac y son

comandadas por la tarjeta de control principal mediante triacs.

BOBINA

ACCIONAMIENTOMANUAL

RESORTE DERETORNO

Entrada depresión

Salidas alcilindro

Figura 2.23. Electroválvula 5-2

Las electroválvulas utilizadas poseen accionamiento eléctrico y manual; es decir,

que se pueden activar mediante la excitación de la bobina o presionando un

pulsante que activa la válvula mecánicamente.

33

Las dos válvulas están montadas en el bloque neumático de la Figura 2.24, el

mismo que facilita el montaje y el ordenamiento de las válvulas.

Figura 2.24. Bloque neumático

2.5.7. CILINDRO NEUMÁTICO

Es un cilindro pequeño de doble efecto ubicado en la parte frontal de la máquina y

sirve para presionar por determinado tiempo la mordaza vertical al papel de

empaque, para unir sus extremos. Este cilindro es accionado por la primera

electroválvula del bloque neumático y utiliza un estrangulador de aire como se ve

en la Figura 2.25. Este estrangulador sirve para no golpear bruscamente al tubo

formador y así evitar que este se mueva durante el proceso de empacado.

Válvula reguladorade flujo

Entrada de aire

Piston

Entrada de aire

Figura 2.25. Cilindro neumático de doble efecto

El cilindro neumático se llama de doble efecto porque posee dos entradas de aire,

la primera es para que el pistón salga y la otra para que entre.

34

2.6. ARRASTRE DEL PAPEL DE EMPAQUE

Debido a que el sistema de sellado horizontal y vertical es fijo, se necesita un

sistema de arrastre que se encargue de la transición de una funda de producto a

otra; es decir, que hale el papel una distancia igual al tamaño del producto a

empacar.

El arrastre se inicia cuando el motor es encendido y por acción mecánica las

bandas halan el papel de empaque como se muestra en la Figura 2.26.

BANDAS DEARRASTRE

CUELLOFORMADOR

EJES DEROTACIÓN

Figura 2.26. Arrastre y formado de la funda

Este subproceso utiliza dos bandas ubicadas a los lados del tubo formador

llamadas bandas de arrastre; dichas bandas halan el papel de empaque a través

del cuello formador por determinado tiempo. Esto posiciona al papel para que se

realice el sellado y la dosificación. El tiempo de arrastre depende del tipo de

empaque utilizado ya que cada producto posee un tamaño distinto.

El papel de empaque tiene la característica de poseer una franja blanca con

puntos negros en las transiciones de una funda a otra, esto ayuda a determinar el

tiempo de arrastre y por consiguiente el tamaño de la funda. El sistema mecánico

de arrastre se lo puede ver en la Figura 2.27.

35

Vista Frontal Vista Posterior

Figura 2.27. Sistema de arrastre

Los elementos que intervienen en el subproceso de arrastre son:

· Bandas de arrastre

· Motor de arrastre

· Variador de velocidad

· Lector de marca

· Sistema de piñones

2.6.1. BANDAS DE ARRASTRE (Figura 2.28)

Son bandas fabricadas en caucho y montadas en dos ejes cada una, son

accionadas por un motor a través de un sistema de piñones. Dicho motor es

comandado por un variador de velocidad que realiza el trabajo de arranque y paro

por periodos cortos de tiempo.

Figura 2.28. Banda de arrastre

36

2.6.2. MOTOR DE ARRASTRE (Figura 2.29)

Es un motor de trifásico de inducción de 0.5 HP, y es comandado por un variador

de velocidad montado en el tablero de control. El variador de velocidad acciona al

motor por periodos cortos de tiempo, tratando siempre que el ángulo de giro sea

constante.

Datos de placa:

§ Potencia nominal: 0.5 HP

§ Corriente nominal: 1.91 A

§ Voltaje nominal: 230 V

§ Velocidad nominal: 1670 RPM

§ Frecuencia: 60 Hz

MOTOR DEARRASTRE

SISTEMADE PIÑONES

LECTOR DEMARCA

Figura 2.29. Motor de arrastre

2.6.3. VARIADOR DE VELOCIDAD (Figura 2.30)

Es un variador de velocidad marca LG de 1 HP y de características similares al

utilizado en el subproceso de dosificado. Este variador funciona de manera

intermitente, es decir por periodos cortos de tiempo. La habilitación del variador se

realiza a través de su bornera de control mediante opto acopladores. Su velocidad

es controlada por otro potenciómetro ubicado en el panel frontal de la

empacadora.

37

Figura 2.30. Variador de arrastre

2.6.4. LECTOR DE MARCA (Figura 2.31)

Es un sensor óptico utilizado en este caso como lector de marca. Funciona con

una alimentación de 10 V a 30 V y tiene una salida tipo relé a tierra, es decir es un

sensor tipo NPN.

Figura 2.31. Sensor Óptico

El sensor óptico está montado en una placa metálica sujetada con un prisionero

que le permite moverse de derecha a izquierda. Un tornillo ubicado desde la parte

frontal hasta la parte posterior permite que el sensor se desplace de adelante

hacia atrás con la manilla ubicada al frente de la máquina.

El sensor funciona de tal manera que al detectar un fondo claro activa el relé de

salida y al detectar un fondo oscuro como el punto negro desactiva dicho relé.

Esta transición es detectada por la tarjeta de control, la cual utiliza la señal para

activar y desactivar el variador de arrastre. El diagrama de conexión del sensor

óptico se puede observar en la Figura 2.32.

38

Sensor Opticocafe

negro

azul

10V - 30Vdc

señal

GND

carga

Figura 2.32. Diagrama de conexiones del sensor óptico

2.6.5. SISTEMA DE PIÑONES

El sistema de piñones utiliza una cadena para trasmitir el movimiento del motor a

las bandas de arrastre como se observa en la Figura 2.33.

Figura 2.33 Sistema de piñones

El movimiento del motor hace que los piñones giren en sentido contrario uno con

respecto al otro, esto produce que las bandas de arrastre halen el papel de

empaque hacia abajo al mismo tiempo y en la misma proporción. Los acoples de

la Figura 2.34 son los encargados de transmitir el movimiento rotatorio de los

piñones a las bandas de arrastre con cierta tolerancia al movimiento lateral. Este

movimiento lateral es importante para el ajuste de las bandas al tubo formador y

le da más versatilidad para el cambio de un producto a otro de diferente grosor.

Figura 2.34. Acople de piñones a las bandas de arrastre

39

2.7. SELLADO HORIZONTAL Y PRE-CORTE

Es el subproceso que realiza las uniones y el pre-corte de cada funda de

caramelo en polvo. El proceso inicia con el accionamiento del cilindro neumático

posterior y por acción mecánica se cierran las mordazas horizontales como se

aprecia en la Figura 2.35.

MORDAZAS CERRADASEJE DE

ROTACION

CILINDRONEUMATICO

EJE

EMBOLOCONTRAIDO

EMBOLOCONTRAIDO

LED INDICADORENCENDIDO

SENSOR MAGNETICO

EJE

CILINDRONEUMATICO

Figura 2.35. Cierre de mordazas horizontales

Cuando el sellado horizontal se cumple, el sensor inductivo mostrado en la parte

derecha de la Figura 2.35 cierra un contacto, el cual es leído por la tarjeta de

control.

Para el sellado horizontal se utilizan dos mordazas dentadas a temperatura

constante. La apertura y cierre se realiza con la ayuda de un cilindro neumático de

doble efecto. La posición de reposo o sin accionamiento se ilustra en Figura 2.36,

en la cual se ven las partes que la conforman.

Figura 2.36. Sellado horizontal

40

Los elementos que intervienen en éste subproceso son:

· Mordazas

· Niquelinas

· Termocupla

· Controlador de temperatura

· Relé de estado sólido

· Electroválvula

· Cilindro neumático

· Sensor inductivo

2.7.1. MORDAZAS

Son bloques fabricados en hierro fundido y sus lados son dentados y se pueden

ver en la Figura 2.37. Estas mordazas deben estar a una temperatura constante

de 110 ºC, y sus características físicas son las siguientes:

· Altura: 29 mm

· Ancho: 37 mm

· Profundidad: 174 mm

Figura 2.37. Mordazas horizontales

41

2.7.2. NIQUELINAS

Son dos resistencias eléctricas que calientan simultáneamente las dos mordazas

y son de las mismas características que la del sellado vertical, a excepción de su

longitud, como se aprecia en la Figura 2.38. La niquelina es de forma cilíndrica y

tiene las siguientes características:

§ Largo: 170 mm

§ Diámetro: 9 mm

§ Voltaje: 110 V

§ Potencia: 100 W

Figura 2.38. Niquelina de las mordazas horizontales

2.7.3. CILINDRO NEUMÁTICO

Es un cilindro de doble efecto y se encarga de accionar el sistema mecánico que

realiza el sellado horizontal; este cilindro está ubicado en la parte posterior de la

máquina como se ilustra en la Figura 2.39. Posee reguladores de flujo en sus dos

tomas de aire para el ajuste de la velocidad de apertura y cierre. Sus

características físicas son las siguientes:

§ Carrera: 100 mm

§ Longitud: 200 mm

42

CilindroNeumáticoReguladores de

flujo de aire

Eje derotación

Figura 2.39. Cilindro de sellado horizontal

El pre-corte se realiza simultáneamente con el sellado horizontal y su único

elemento es una sierra dentada, la cual está ubicada en la mitad de la mordaza

posterior y se fija con la ayuda de dos prisioneros roscados.

2.7.4. SENSOR INDUCTIVO

El cierre completo de las mordazas horizontales es sensado por un sensor

inductivo ubicado en la parte posterior de la empacadora. Este sensor es de

marca SASSIN y posee 9 mm de diámetro, se lo puede ver en la Figura 2.40.

Led indicadorde activación

Figura 2.40. Sensor inductivo

El sensor inductivo es tipo NPN, es decir que al detectar un objeto metálico cierra

un contacto a tierra, la distancia máxima para la medición es de 4 mm. En la

Figura 2.41 se observa el diagrama de conexiones de este tipo de sensores.

43

Sensor Inductivocafe

negro

azul

10V - 30Vdc

señal

GND

cargaG

Figura 2.41. Diagrama de conexiones del sensor inductivo

La termocupla, controlador de temperatura, electroválvula, y relé de estado sólido

son de las mismas características a los utilizados en el sellado vertical, y se los

puede ver en la sección 2.5 del presente capítulo.

2.8. PANEL DE CONTROL

El panel de control está dividido en sectores los cuales se detallan en la Figura

2.42.

1

10 22 5 4

6 11

20 21

8 7

23

24

25 26

VISTA LATERALVISTA FRONTAL

2

3

18 19

9

12 13 14

15 16 17

27 28 29

30 31

Figura 2.42. Panel de control

En la Tabla 2.3 se detalla cada uno de los elementos instalados en el panel de

control mostrado anteriormente.

44

2

3

4

5

6

7

Modulo de Control

Display Grafico 240X128

Contactor Principal

Bornera Principal

Bornera sensores

/SR

/SR

/2.2

/9

8 Bornera Tierra

Nº DESCRIPCIÓN

9 Bornera Tierra

Teclado

Bornera

/10

Simbología Referencia

1 CPU

GLCD

TCL

/2.5

/11

/11

/SR

1K1

X0

X1

X2

X3

X4

12

13

14

15

16

17

Fusibles de los Motores

Fusible Mordaza Vertical

Fusible de Salidas

Fusible CPU

Fusible Controlador 1

/7.2

/7.6

/4.1

/2.5

18 Controlador de temperatura 1

10 Fusible Principal

19 Controlador de temperatura 2

Fusible Mordaza Horizontal

/7.2

11 X5

F2

F3

/9

/7.5

/7.2

/7.5

F1

F4

F5

F6

CT1

CT2

/2.3FA1

Fusible Controlador 2

22

23

24

25

26

27

Relé de controladores CT1 y CT2

Termico Mezclador

Variador de Arrastre

Variador de Dosificador

/4.5

/2.7 4.6

/2.7

/3.2

28 Switch de dosificado

20 Relé de estado solido CT1

29 Switch de vaciado de tolva

Contactor Mezclador

/3.5

21 /7.7

/5.2

/5.3

/5.4

1QM1

2DM1

3DM1

SW1

SW2

SW3

/7.3RS1

Switch de inicio de ciclo

Relé de estado solido CT2 RS2

1KM1

30 Pulsante de encendido y luz piloto

31 Pulsante de apagado y luz piloto

/2.2 /2.3

/2.2 /2.4

P1 L1

P2 L2

11R1

Tabla 2.3. Partes del panel de control

45

CAPÍTULO 3

DISEÑO DEL SISTEMA AUTOMÁTICO DE EMPACADO

DE CARAMELO EN POLVO

3.1 SISTEMA DE CONTROL DE LA EMPACADORA DE POLVO

El sistema de control se encarga de la coordinación de manera secuencial y

automática de los elementos mencionados en el capítulo anterior. El proceso de

empacado se inicia con el ingreso de la materia prima y finaliza con el despacho

de fundas de caramelo en polvo.

El proceso de empacado tiene como elementos de entrada al papel de empaque y

el caramelo en polvo, y como salida las fundas elaboradas y pesadas. Este

proceso se ilustra en la Figura 3.1.

PROCESO DEEMPACADO

Papel deempaque

Carameloen polvo

Fundas decaramelo en

polvo

Figura 3.1. Proceso de empacado

3.2. OPERACIÓN DEL SISTEMA DE EMPACADO

La empacadora de caramelo en polvo debe realizar una acción de inicialización

antes de empezar el proceso de empacado, estos seis subprocesos se los puede

observar en la Figura 3.2 que se detalla a continuación.

46

INICIO

Encendido decompresor

Alimentación a laempacadora

Calentamiento delas mordazas

Colocación delpapel de empaque

Ingreso deparametros

PROCESO DEEMPACADO

Fin de laproducción

INICIALIZACIÓNDEL SISTEMA

EMPACADO

Figura 3.2. Inicialización del proceso de empacado

3.2.1. INICIALIZACIÓN DEL SISTEMA

3.2.1.1. Encendido del Compresor El primer paso para iniciar con la producción de fundas de caramelo en polvo es

encender un compresor cuyas características cumplan con los siguientes

requerimientos:

Presión mínima = 1bar

47

Flujo mínimo = 36.8 litros/ minuto

La presión mínima se refiere a la presión de trabajo de la máquina empacadora.

El flujo de aire necesario depende del número de fundas producidas por minuto,

para este caso 40 fundas por minuto. El cálculo del consumo de aire se muestra

en el anexo D.

3.2.1.2 Alimentación de la Máquina Empacadora

La máquina empacadora debe ser alimentada con una fuente trifásica de 220 Vac

y consume una potencia de 572 W.

3.2.1.3. Calentamiento de las Mordazas

El calentamiento es realizado con la ayuda de controladores de temperatura NX4,

cuya función es elevar la temperatura de las mordazas al valor seteado y

mantenerlo constante. El calentamiento de las mordazas dura aproximadamente

15 minutos dependiendo de las condiciones ambientales.

El control de temperatura es un factor muy importante en el proceso de

empacado, ya que de este depende la calidad del sellado en el producto final. Las

variaciones grades de temperatura generan desperdicio, lo cual incrementa los

costos de producción y disminuye la productividad de la máquina.

Los controladores NX4 tienen la propiedad de realizar control PID, el mismo que

mantiene las mordazas a temperatura constante y garantizan un buen sellado. De

esta forma disminuye el desperdicio de material y número de paradas de la

máquina.

3.2.1.4. Colocación del Papel de Empaque

El rollo del papel de empaque se lo debe colocar en la parte posterior de la

máquina sobre un eje llamado bobina, de forma que quede centrado. La punta del

rollo debe ser estirada a través de las guías hasta el cuello formador, como se

muestra en la Figura 2.12 del capítulo anterior.

48

Una vez colocado el papel de empaque se debe ubicar el sensor óptico de forma

que quede bajo la franja blanca del papel de empaque, como se muestra en la

Figura 3.3.

Figura 3.3 Posición sensor óptico

Cuando se han cumplido con todos estos requerimientos la empacadora puede

iniciar con la producción de fundas de caramelo en polvo.

3.2.2. PROCESO DE EMPACADO

Todos los pasos previos al inicio de la producción deben ser controlados por el

usuario; es decir, es él quien determina las condiciones óptimas para el

funcionamiento de la empacadora.

El proceso de empacado inicia con la activación del switch 1 ubicado en el panel

frontal de control, dicho proceso es controlado por el módulo de control principal

ubicado en la parte superior izquierda del tablero de control. El proceso de

empacado se muestra en el diagrama de la Figura 3.4.

49

FORMADO DE LAFUNDA

SELLADOVERTICAL

DOSIFICADO

ARRASTRE DELPAPEL

SELLADOHORIZONTAL

CARAMELOEN POLVO

PAPEL DEEMPAQUE

FUNDA DEPOLVO

PARAMETRIZACIÓN

INICIALIZACIÓNDEL SISTEMA

SWITCHACTIVADO

FIN DE LAPRODUCCIÓN

SI

NO

APAGADO

COMUNICACIÓN

MÁQUINA

ENCENDIDA

SI

NO

Figura 3.4 Etapas de proceso de empacado

50

El proceso de empacado tiene dos elementos de entrada como son el papel de

empaque y el caramelo en polvo y como salida se tiene las fundas elaboradas. El

proceso de empacado se realiza siguiendo estos pasos:

· Parametrización y Sellado horizontal

· Sellado Vertical y Dosificado

· Arrastre

· Apagado

· Comunicación

3.2.2.1. Parametrización y Sellado Horizontal

El primer paso en la parametrización es la configuración de puertos de entradas y

salidas del Módulo de Control Principal, los cuales se detallan a continuación:

Tipo Descripción

Entradas

Switch 1

Switch 2

Switch 3

Sensor óptico

Sensor magnético

Salidas

Variador de arrastre

Variador dosificador

Válvula del cilindro horizontal

Válvula del cilindro vertical

Contactor del mezclador

Relé de encendido de los controladores de temperatura

Tabla 3.1. Dispositivos de entradas y salidas

51

El siguiente paso es la lectura de valores de tiempos del proceso almacenados en

la memoria EEPROM, estos tiempos se detallan en la Tabla 3.2.

Nombre Descripción

T1 Tiempo máximo desde el accionamiento del sellado horizontal

hasta la activación del sensor magnético.

T2 Tiempo desde la activación del sellado vertical hasta el inicio de

la dosificación.

T3 Tiempo de dosificación.

T4 Retardo entre la dosificación y el arrastre.

T5 Tiempo de espera para el inicio de la lectura del sensor óptico.

T6 Retado luego de la detección de la marca hasta el fin del

arrastre.

T7 Retardo para el inicio del nuevo ciclo

Tabla 3.2. Tiempos utilizados en el proceso de empacado

Cuando están listos los parámetros iníciales del proceso de empacado se procede

a la lectura del switch de inicio. Si este no está en posición de activado se revisa

el puerto de comunicación en busca de datos provenientes del panel visualizador,

en cuyo caso se realiza la rutina detallada en la sección 4.5.1 del capítulo 4.

Cuando el switch de inicio es conmutado, como primer paso se activa el cilindro

de sellado horizontal y el mezclador. Este último permanecerá encendido mientras

dure el proceso. Luego de operar el cilindro horizontal se inicia un tiempo de

cierre denominado T1, el mismo que se detalla en la Tabla 3.2. En este paso del

proceso se inicia un lazo en el que se van probando tres condiciones. La primera

chequea si se cumplió el tiempo de cierre, en caso de no cumplirse se envía un

mensaje de error y se apaga la máquina. La segunda testea el switch de inicio

para ver si el proceso continúa o si se interrumpe. La tercera prueba el estado del

sensor inductivo, en el caso de estar activado pasa a la siguiente etapa del

proceso. Por el contrario, si aun no se detecta, se produce un retraso de 100 ms

antes del inicio del siguiente barrido, como se aprecia, en la Figura 3.5.

52

PARAMETRIZACIÓN Y SELLADO HORIZONTAL

Configuración Deentradas y salidas

INICIALIZACIÓN DELSISTEMA

Switch1activadosw1=0

Enciendomezclador


SensorInductivoactivado

si

si

si

no

no

noTiempo < T1

Enviar mensaje deerror 1

si

no

Encender selladohorizontal

Iniciar tiempo decierre de

mordazas T1

Lectura EPROM yActualización de

tiempos

PROCESO

Valor en Puerto deComunicación

si

no

Retardo de tiempo100ms

1

4

3

PARAMETRIZACIÓN

SELLADOHORIZONTAL

Figura 3.5. Diagrama de flujo de inicialización y sellado horizontal

53

3.2.2.1. Sellado Vertical y Dosificación

El cilindro vertical es encendido cuando el sensor inductivo se activa, es decir

cuando el sellado horizontal se completa. Luego de esta operación, se inicia un

tiempo de retraso T2 detallado en la Tabla 3.2. Cuando este retardo ha finalizado

se realiza una prueba del switch de dosificado; el mismo que si esta activado

inicia la dosificación, caso contrario se salta este paso. En esta parte del proceso

se inicia el tiempo denominado de dosificación o T3, durante el cual se realiza la

prueba del switch de inicio cada 100 ms.

La dosificación también tiene dos variables a controlar, las cuales son el tiempo

de dosificación y la velocidad de giro del tornillo. Estas dos variables pueden ser

modificadas dependiendo el tipo de producto a empacar.

Cuando el tiempo de dosificado termina se procede a apagar el motor dosificador

y los cilindros de sellado horizontal y vertical.

Antes de pasar a la siguiente etapa del proceso se realiza un nuevo retardo de

tiempo denominado T4; el mismo que sirve para que el producto se asiente en el

fondo de la funda y no se atasque en el sellado horizontal del próximo ciclo.

En la etapa de sellado vertical se controla el tiempo de cierre y la temperatura de

las mordazas; de estas dos variables depende la calidad del sellado y por

consiguiente la calidad del producto final.

Los subprocesos de sellado vertical y dosificación se pueden ver en el diagrama

de la Figura 3.6.

54

LOGICA DE CONTROL PARA EL SELLADO VERTICAL Y DOSIFICACIÓN

Encender selladovertical

Retardo de tiempoT2

Swich 2activadosw2=0

si

no

Encender tornillodosificador

Inicia tiempo desellado

T3


Tiempo < T3si

no

si

no

Apago tornillodosificador

Apago selladohorizontal y

vertical

Retardo de tiempoT4

Apagarmaquina

2

1

Retardo de tiempo100ms

SELLADOVERTICAL

DOSIFICACION

Figura 3.6. Diagrama de flujo del sellado vertical y dosificación

55

3.2.2.3. Arrastre

El subproceso de arrastre inicia con el encendido del motor de arrastre a través

del variador de velocidad que lo comanda. Luego de esto se realiza un retardo de

tiempo muy pequeño denominado T5. Este tiempo tiene como objetivo hacer que

el papel de empaque se mueva un poco antes de iniciar con la lectura de la marca

por parte del sensor óptico.

Cuando finaliza el tiempo T5 se inicia un temporizador llamado 9Timer 1; el cual

es el que determina el máximo tiempo que debe demorarse el arrastre antes que

el sensor óptico detecte el punto negro. En caso de no detectarlo en este tiempo,

se genera una señal de error y se detiene la máquina.

Durante el lazo de espera (evaluación del la longitud de funda con respecto al

indicador de color negro impreso en el plástico) se realiza un barrido del switch de

inicio y el sensor óptico. Cuando el punto es leído por el sensor se rompe el ciclo

y se da paso a la siguiente etapa del subproceso de arrastre.

Existe un nuevo retardo de tiempo luego de ser detectado el punto negro y antes

que el motor de arrastre sea apagado, este tiempo se denomina T6. Su función es

evitar que el sensor óptico quede apuntando el punto negro luego que el motor de

arrastre sea apagado.

Finalizado el retardo de tiempo T6, se procede a detener el motor de arrastre,

luego de esto se inicia la cuenta del último retardo de tiempo antes del inicio del

nuevo ciclo. Este tiempo se llama T7 y su función es estabilizar al sistema para

que se decante el polvo en el fondo de la funda de empaque y no se genere

problemas en el sellado del siguiente ciclo.

La lógica de funcionamiento del subproceso de arrastre se detalla en la Figura

3.7.

9 Timer. Ver glosario de términos

56

LOGICA DE CONTROL PARA EL ARRASTRE

si

Encender motorde arrastre

Retardo de tiempoT5

Sensor ópticodasactivado

si

no

Retardo de tiempoT6

Apagar motor dearrastre

Retardo de tiempoT7

Switch1activado

PROCESO

2

Inicia timer1

Timer 1 =0xFFFF

no

no

Enviar mensaje deerror 2

si

3

3

ARRASTRE

Figura 3.7. Diagrama de flujo de la etapa de arrastre

57

3.2.2.4. Apagado

Cuando es desactivado el switch 1 la máquina se detendrá, apagando todos los

elementos móviles de la empacadora en la secuencia mostrada en el diagrama de

flujo de la Figura 3.8.

Apagar máquina

Apagar selladohorizontal y

vertical

Apagar mezclador

PROCESO

Apagar dosificador

Apagar arrastre

Apagar dosificador

Enviar mensaje deFin de proceso

3

RUTINA DEAPAGADO

Figura 3.8. Diagrama de flujo de la etapa de apagado

3.2.2.5. Comunicación

La rutina de comunicación solo funciona cuando la empacadora está detenida

para evitar que interfiera en el proceso de producción y genere desperdicio.

El protocolo de comunicación utilizado se detalla en la sección 4.5.1 del capítulo

4. Mientras la máquina empacadora permanezca encendida se realiza el lazo en

58

el que va probando el switch de inicio y el puerto de comunicación, hasta que

alguno de estos tenga algún cambio en su estado.

3.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

El proceso de empacado se lo realiza de forma automática y posee tres

controladores que funcionan paralelamente, los mismos que se describen a

continuación:

· Módulo de control principal

· Controlador de temperatura de sellado vertical

· Controlador de temperatura de sellado horizontal

3.3.1. MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL

Está compuesto de una tarjeta basada en un dsPIC30F3011 encargado del

accionamiento de las electroválvulas, contactores, relés, variadores de velocidad

y encendido de los controladores de temperatura. Este módulo se comunica vía

serial con un módulo visualizador, el cual permite monitorear el funcionamiento de

la máquina durante todo el proceso de empacado.

La tarjeta de control principal tiene acopladas las entradas y salidas a través de

opto acopladores, como se esquematiza en la Figura 3.9.

MICROCONTROLADOR

BORNERA DECOMINUCACION

BORNERA DESALIDAS

BORNERA DESALIDAS

BORNERA DEENTRADAS

OPTOACOPLADORES

4N35

OPTO TRIACSMOC3020

OPTOACOPLADORES

4N35

Sensoresswiches

Variadores dearrastre y

dosificación

ElectroválvulasRelé

Contactor

Panel Visualizador

RS232

MODULO DECONTROL PRINCIPAL

Figura 3.9. Diagrama de bloque del Módulo de Control Principal

59

3.3.2. DISEÑO DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL

Los diferentes sectores integrados en la tarjeta principal se detallan a

continuación:

· Fuente de alimentación

· Microcontrolador

· Detector de cruce por cero

· Entradas por opto acoplador

· Salidas por opto acoplador

· Salidas por 10Triac

· Comunicación Serial

Cada sector está diseñado para un funcionamiento continuo y sus características

se detallan a continuación:

3.3.2.1. Fuente de Alimentación

La fuente de alimentación del módulo principal posee tres elementos. El primero

es un filtro de línea, como el que se observa en la Figura 3.11, que sirve para

reducir la distorsión presente en la red eléctrica, el segundo es un transformador

reductor de 120 V a 12 V conectado a la salida del filtro.

La etapa de rectificación se encuentra integrada en la tarjeta principal y consta de

un puente de diodos, y el circuito rectificador 7805. Existen tres fusibles, dos de

ellos de 0.5A cada uno. El primero es utilizado para proteger a los sensores y

switches, y el segundo protege al microcontrolador y al panel visualizador.

Finalmente existe un tercer fusible de 1A, que está encargado de proteger a todo

el módulo de control, incluidos el transformador y el filtro de línea.

El circuito de la fuente de alimentación se muestra en la Figura 3.10.

10

Triac. Ver glosario de términos

60

120Vac

7805IN

GNDOUT

TRANSFORMADOR120 /12V

FILTRO DELINEA

12Vdc

Vcc

Fusible 0.5A

100uF 100uF

Fusible 0.5AFusible

1 A

Figura 3.10. Fuente del Módulo de Control Principal

LINEA

CARGA

L: 2 x 0.8mH C: 0.1 uF(X2)SH2x2200pF(Y)

Figura 3.11. Filtro de línea

3.3.2.2. Microcontrolador

El microcontrolador utilizado es el dsPIC30F3011, el que está encargado de leer

el estado de los sensores, switches y de accionar las electroválvulas, relés,

contactores y variadores de velocidad presentes en la empacadora.

Los microcontroladores de la familia 30F poseen la características mostradas en

la Tabla 3.3.

Tabla 3.3. Características de los dsPIC30F

61

La cantidad de pines necesarios para realizar el control del proceso hace

necesario utilizar un dsPIC con 40 pines, dejando al dsPIC 30F3011 y al dsPIC

30F4011 como únicas opciones. El dsPIC30F3011 y el 4011 son muy similares,

su única diferencia es la cantidad de memoria de programa disponible, ya que el

programa para el control de la máquina no es muy extenso el microcontrolador

elegido es el dsPIC30F3011.

La asignación de pines del microcontrolador se los puede ver en la Figura 3.12.

OSC1/CLKI

OSC2/CLK0/RC15

RB0/EMUD3/AN0/VREF+/CN2

RB1/EMUC3/AN1/VREF-/CN3

RB2/AN2/SS1/CN4

RB3/AN3/INDX/CN5

RB4/AN4/QEA/IC7/CN6

RB5/AN5/QEB/IC8/CN7

RB6/AN6/OCFA

RB7/AN7

RB8/AN8

MCLR

VD

D

RC13/EMUD1/SOSCI/T2CK/U1ATX/CN1

RD0/EMUC2/OC1/IC1/INT1

RC14/EMUC1/SOSCO/T1CK/U1ARX/CN0

RD1/EMUD2/OC2/IC2/INT2

RD2/OC3

RD3/OC4

PWM1L/RE0

PWM1H/RE1

PWM2L/RE2

PWM2H/RE3

PWM3L/RE4

PWM3H/RE5

RF0

RF1

PGC/EMUC/U1RX/SDI1/SDA/RF2

PGD/EMUD/U1TX/SDO1/SCL/RF3

U2RX/CN17/RF4

U2TX/CN18/RF5

SCK1/RF6

FLTA/INT0/RE8

1

13

14

2

3

4

5

6

7

8

9

10

15

16

23

18

22

19

38

37

36

35

34

33

17

30

29

26

25

28

27

24

AV

DD

VD

D

VD

DV

SS

AV

SS

VS

S

VS

S

Entrada analoga

Swich 3

Sensor optico

Sensor magnético

Válvula de Sellado horizontal

Contactor Mezclador

Salida de reserva

Swich 1

Swich 2

PIC_OUT14

FX variador de arrastre

Reversa del variador de arrastre

Reserva para el variador de arrastre

Detector de cruce por cero

Entrada de reserva

RX

TX

Sincronización con el panel de visualización

33nF

33nF20MHz

1KOHM

VCC

dsPIC 30F3011

Válvula de sellado vertical

Salida de reserva

Controladores de temperatura

FX variador dosificador

Reversa del variador dosificador

Reserva para el variador dosificador

VCC

Figura 3.12. Distribución de pines del dsPIC30F3011

El dsPIC es el encargado de controlar el proceso de empacado y además posee

la función de almacenar los tiempos calibrados por el usuario, de forma que

pueda funcionar incluso sin el módulo visualizador, haciéndolo más versátil y

autónomo.

62

3.3.2.3. Detector de Cruce por cero

El módulo de control posee un detector de cruce por cero diseñado con un opto

acoplador como se ve en la Figura 3.13, el cual sirve de reserva para futuras

aplicaciones como un control de fase por ejemplo, haciendo al módulo de control

más versátil.

TRANSFORMADOR

1.5 KOHM4N35 1.5 KOHM

RE8

LED

Figura 3.13. Detector de cruce por cero

3.3.2.4. Entradas

Las entradas que posee el módulo de control son digitales y aisladas mediante

opto acopladores, los mismos que protegen al dsPIC de fallas externas. El circuito

diseñado para las entradas se lo puede observar en la Figura 3.14. Los elementos

de entrada que utilizan este circuito son los switches 1, 2 y 3, además de los

sensores óptico y magnético; los mismos que se conectan al terminal INx.

1 KOHM4N35 330 OHM

PIC_INx

12Vdc

INx

Vcc

LED

Figura 3.14. Circuito de aislamiento para las entradas

Las entradas PIC_IN2 hasta la PIC_IN6 estas están conectadas a los pines RD0,

RD1, RB2, RB3 y RB4 del microcontrolador respectivamente.

La entrada IN7 debe ser conectada a un switch a 12V dc o un sensor tipo PNP, y

su circuito interno está diseñado como se observa en la Figura 3.15. Esta entrada

se conecta al pin RF0 del dsPIC30F3011.

63

1 KOHM4N35 330 OHM

PIC_IN7IN7

Vcc

LED

Figura 3.15. Circuito de aislamiento para la entrada 7

El circuito completo de conexión de las entradas al módulo de control principal se

observa en la Figura 3.16.

12Vdc

IN2 IN3 IN4 IN5 IN6

SW1 SW2 SW3

SENSORMAGNÉTICO GSENSOR

ÓPTICO

cafe

azu

l

cafe

azu

l

neg

ro

neg

ro

Figura 3.16. Circuito de conexión de los elementos de entrada

3.3.2.5. Salidas por opto acoplador

Las salidas por opto acoplador son utilizadas para el encendido y apagado de los

variadores de velocidad. Estas salidas son contactos conectados en la bornera de

control de los variadores previamente configurados.

64

En la Figura 3.17 se observa el circuito implementado, donde VAR1 representa la

bornera de contactos del variador de velocidad de arrastre y VAR2 es el

correspondiente al motor dosificador.

4N35330 OHM

PIC_OUT1

RX VAR1

FX VAR1

COM VAR1

4N35330 OHM

PIC_OUT2

4N35330 OHM

PIC_OUT3

LED

LED

LED

4N35330 OHM

PIC_OUT4

RX VAR2

FX VAR2

COM VAR2

4N35330 OHM

PIC_OUT5

4N35330 OHM

PIC_OUT6

LED

LED

LED

Figura 3.17. Circuito salida para los variadores de velocidad

65

3.3.2.6. Salidas por Triac

Las salidas por triac son utilizadas para activar las electroválvulas, al relé de los

controladores y al contactor del motor mezclador. Estos dispositivos funcionan

con 120 Vac, consumen una corriente menor a 1 A y están protegidos por el

primer fusible ubicado en el panel frontal. El circuito de salida por triac

implementado se lo puede ver en la Figura 3.18.

MOC3020330 OHM

PIC_OUTx

OUTx

100 OHM

NEUTRO

LED

Figura 3.18. Circuito salida por triac

Las salidas PIC_OUT8 hasta la PIC_OUT13 están conectados a los pines RB5,

RB6, RB7, RB8, RC13 y RC14 del microcontrolador respectivamente. El circuito

de conexión de las salidas por triac se muestra en la Figura 3.19.

OUT10 OUT11 OUT12OUT8 OUT9

SelladoHorizontal

SelladoVertical Reserva

Controladde temp

Termico

Mezclador

FusibleF1 1A

FASE R

CAP

Figura 3.19. Circuito de conexión de elementos de salida

66

La bobina del contactor del motor de mezclado necesita un capacitor conectado

en paralelo con el objeto de disminuir su carga inductiva para que el triac se

pueda apagar cuando se quita la señal de control proveniente del

microcontrolador

3.3.2.7. Comunicación

La bornera de comunicación sirve para que el módulo visualizador permita realizar

un monitoreo de la máquina empacadora durante el proceso de empacado. En la

Figura 3.20 se observa los terminales utilizados para la comunicación.

RX

TX

SINC

Vcc

GND

Figura 3.20. Bornera de comunicación

El terminal SINC es utilizado por la tarjeta principal para enviar al visualizador un

trén de pulsos cuyo período es el tiempo de cada ciclo de empacado. Este trén de

pulsos es utilizado por el visualizador para calcular el número de fundas por

minuto producidas por la máquina empacadora.

3.3.3. IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL

Todos los circuitos diseñados están integrados en la placa de la Figura 3.21, Las

borneras de entradas y salidas son de acople fácil de forma que sea sencillo el

montaje o reemplazo de la tarjeta. El circuito impreso se alimenta con 12 Vac y

posee dos porta fusibles de protección para los sensores y para los

microcontroladores, cuya descripción en mayor detalle está en la Figura 3.22.

67

Figura 3.21. Tarjeta de control principal

La nomenclatura de la bornera de entradas se detalla en la Tabla 3.4. El circuito

interno de las entradas se lo puede ver en el circuito de la Figura 3.14 y 3.15.

ENTRADAS

NOMBRE DESCRIPCIÓN PIN MICRO

IN1 Detector de cruce por

cero

RB0

IN2 Switch 1 RD0

IN3 Switch 2 RD1

IN4 Switch 3 RB2

IN5 Sensor óptico RB3

IN6 Sensor magnético RB4

IN7 Reserva RF0

Tabla 3.4. Entradas del módulo de control principal

Las salidas por opto acopladores se encuentran en la parte inferior de la tarjeta y

son utilizadas únicamente para el accionamiento de los variadores de velocidad

como se especifica en la Tabla 3.5.

68

SALIDAS POR OPTO-ACOPLADOR


OUT1 FX variador de arrastre RE0

OUT2 Reversa variador de arrastre RE1

OUT3 Reserva variador de arrastre RE2

OUT4 FX variador dosificador RE3

OUT5 Reversa variador dosificador RE4

OUT6 Reserva variador dosificador RE5

Tabla 3.5. Salidas por opto acoplador del módulo de control principal

Las salidas a triac manejan dispositivos que funcionan con 120 Vac y están

totalmente aislados del circuito del microcontrolador. Las salidas están

conectadas a los diferentes elementos como se indica en la Tabla 3.6.

SALIDAS POR TRIAC


OTU8 Sellado horizontal RB5

OTU9 Sellado vertical RB6

OTU10 Reserva RB7

OTU11 Controladores de temperatura RB8

OTU12 Mezclador RC13

OTU13 Reserva RC14

Tabla 3.6. Salidas por triac del módulo de control principal

La bornera de comunicación sirve de interfaz para la conexión con el panel

visualizador, el cual está encargado del monitoreo y supervisión de la máquina.

Los terminales de la bornera de comunicación se detallan en la Tabla 3.7.

COMUNICACION CON EL VISUALIZADOR NOMBRE DESCRIPCIÓN PIN MICRO Vcc 5V VCC GND Tierra GND RX Recepción RF2 TX Transmisión RF3 SINC Sincronización RF5

Tabla 3.7. Comunicación con el Visualizador

69

6 5 4

1 2

U9

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

R21

10

0R

D9

LE

D

OU

T2

6 5 4

1 2

U8

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

R20

1k5

D8

LE

D

OU

T1

6 5 4

1 2

U10

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

R22

10

0R

D10

LE

D

OU

T3

6 5 4

1 2

U11

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

R23

10

0R

D11

LE

D

OU

T4

ZeroCrossing

1

2

6

4

U14

MO

C30

31M

R32

10

0R

R26

10

0R D14

LE

D

OUT8

N

U20

L2

00

4L6

OU

T8

PIN

ZeroCrossing

1

2

6

4

U15

MO

C30

31M

R33

10

0R

R27

10

0R D15

LE

D

OUT9

N

U21

L2

00

4L6

OU

T9

PIN

ZeroCrossing

1

2

6

4

U16

MO

C30

31M

R34

10

0R

R28

10

0R D16

LE

D

OUT10

N

U22

L2

00

4L6

OU

T10

PIN

ZeroCrossing

1

2

6

4

U17

MO

C30

31M

R35

10

0R

R29

10

0R D17

LE

D

OUT11

N

U23

L2

00

4L6

OU

T11

PIN

ZeroCrossing

1

2

6

4

U18

MO

C30

31M

R36

10

0R

R30

10

0R D18

LE

D

OUT12

N

U24

L2

00

4L6

OU

T12

PIN

6 5 4

1 2

U12

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

R24

10

0R

D12

LE

D

OU

T5

6 5 4

1 2

U13

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

R25

10

0R

D13

LE

D

OU

T6

ZeroCrossing

1

2

6

4

U19

MO

C30

31M

R37

10

0R

R31

10

0R D19

LE

D

OUT13

N

U25

L2

00

4L6

0U

T13

PIN

NE

UT

RO

PIN

OU

T1

OU

T2

OU

T3

OU

T5

OU

T4

OU

T6

OU

T8

OU

T9

OU

T1

0O

UT

11 O

UT

12

OU

T1

3

OU

T1

4

6 5 4

1 2

U1

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

D1

LE

D

R1

1k5

PIC

_IN

1

12 V

6 5 4

1 2

U2

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

D2

LE

D

R2

1k5

PIC

_IN

2

12 V

6 5 4

1 2

U3

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

D3

LE

D

R3

1k5

PIC

_IN

3

12 V

6 5 4

1 2

U4

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

D4

LE

D

R4

1k5

PIC

_IN

4

12 V

6 5 4

1 2

U5

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

D5

LE

D

R5

1k5

PIC

_IN

5

12 V

6 5 4

1 2

U6

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

D6

LE

D

R6

1k5

PIC

_IN

6

PIC

_IN

1P

IC_I

N2

PIC

_IN

3

PIC

_IN

4P

IC_I

N5

PIC

_IN

6

R10

47

0R

R11

47

0R R12

47

0R

R13

47

0R

R14

47

0R

R15

47

0R

12V

PIN IN2

PIN IN3

PIN IN4

PIN IN5

PIN IN6

PIN IN7

PIN GN

D

PIN

1 2 3 4

40 39 38 375

366

357

348

339

3210

3111

3012

2913

2814

2715

2616

2517

2418

2319

2220

21

J33

CO

NN

-DIL

40

CO

M1

CO

M1

OU

T1

PIN

OU

T2

PIN OU

T3

PIN CO

M1

PIN OU

T4

PIN OU

T5

PIN OU

T6

PIN

CO

M2

CO

M2

6 5 4

1 2

U7

OP

TO

CO

UP

LE

R-N

PN

D7

LE

D

R7

1k5

PIC

_IN

7

R16

47

0R

TX

RX

VC

C

VC

C

VC

CR8

1k5

C1

22p

X1

CR

YS

TA

L

C2

22p

CO

M2

PIN

PIC

_IN

7

VC

CP

INP

OT

1P

ING

ND

PIN

VC

C

POT1

PO

T1

J34

PIN J3

5

PIN

BR

1

B2

50

C10

00

C3

10

0uC

41

00u

VC

C

BR

2

B1

25

C10

00

VCCVCC VCC VCC VCC VCC

VCC

J36

PIN

J37

PIN

J38

PIN

J39

PIN

12

V

CO

M1

CO

M2

VC

C

VC

CP

ING

ND

PIN

RX

PIN

TX

PIN

SIN

CP

IN

VC

C

RX

TX

sinc

SINC

VI

1V

O3

GND2

U26

78

05

rojo

neg

rov

erd

eaz

ul

bla

nco

ver

de

azu

l

FU

SIB

LE

1

FU

SIB

LE

2

SA

LID

AS

PO

R O

PT

OA

CO

PL

AD

OR

SA

LID

AS

PO

R T

RIA

C

EN

TR

AD

AS

PO

R O

PT

OA

CO

PL

AD

OR

dsP

IC30

F30

11

FU

EN

TE

DE

AL

IME

NT

AC

ION

BO

RN

ER

A D

E C

OM

UN

ICA

CIO

N

EN

TR

AD

A A

NA

LO

GA

El circuito completo de la tarjeta de control principal se muestra en la Figura 3.22.

Figura 3.22. Circuito del módulo de control principal

70

Los otros dos controladores son los NX4 cuyo trabajo es calentar las mordazas de

sellado y mantenerlas a temperatura constante durante todo el proceso de

empacado.

3.4. PROGRAMACIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL PRINCIPAL

El dsPIC30F3011 está programado en lenguaje C utilizando el programa MikroC

4.0, mismo que posee librerías que facilitan el uso de los dispositivos que posee

el dsPIC. Las librerías utilizadas en el programa de control son las que se indican

en la Tabla 3.8.

TIPO COMANDO DESCRIPCIÓN

COMUNICACIÓN

UART1_INIT(*Valor)

Inicializa el puerto de comunicación serial

1 (UART1). Donde

Valor= Velocidad de transmisión = 19200

Uart_Write_char(*valor) Envía *valor por el puerto de

comunicación UART1

*Valor = Uart_Read_Char()

Lee el valor recibido por el puerto de

comunicación y lo almacena en el registro

llamado *valor

MEMORIA

EEPROM

Eeprom_Write(*DIR, *valor) Guarda el registro valor en la dirección de

memoria almacenado en el registro DIR

Valor= Eeprom_Read(*DIR)

Lee el número almacenado en la dirección

DIR y lo transfiere al registro llamado

Valor

RETARDOS Delay_ms(*Valor) Genera un retardo de tiempo en

milisegundos igual *valor

Tabla 3.8. Librerías utilizadas por el dsPIC30F3011

71

3.5. CONTROLADORES DE TEMPERATURA NX4

Los controladores NX4 funcionan con voltaje de alimentación de 100 a 240 Vac y

consumen una potencia de 6 W o 10 VA. Posee una fuente de poder de 24 V para

los sensores y una interfaz de comunicación RS485.

3.5.1. NOMENCLATURA DE LOS TERMINALES ELÉCTRICOS

Los terminales eléctricos de los controladores tienen la nomenclatura mostrada en

la Figura 3.23 y descrita en la Tabla 3.9.

Figura 3.23. Esquema eléctrico del controlador NX4

Terminal Descripción

4 y 5 Alimentación la energía en un rango de 100~240 VAC 50/60 Hz.

1 , 2 y 3 Salida de relé.

6 y 7 Salida SSR y SCR, se entregan pulsos de 24 Vdc o señales

moduladas de 4~20 mA.

8, 9 y 10 Los terminales para conectar el sensor

Tabla 3.9. Nomenclatura de los terminales del controlador NX4

72

3.5.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTROLADORES NX4

3.5.2.1. Entrada Los controladores NX4 pueden ser configurados para utilizar sensores como

termocuplas, RTD y señales análogas de voltaje o corriente. La máquina

empacadora de caramelo en polvo utilizan termocuplas tipo K, y debe ser

conectada en los terminales 9 y 10 como se indica en la Figura 3.24. Las

características de entradas están enumeradas en la Tabla 3.10.

Entrada Termocuplas: K, J, E, T, R, S, B, L, N, U, WRe 5-26, PL-II

RTD:Pt-100Ω, KPt-100Ω

DC: 1-5 V,-10~20mV,0~100mV

Tiempo de muestreo 250ms

Impedancia de Entrada T/C y Entrada en mV: 1MΩ min., VDC: 1MΩ

Voltaje de Entrada tolerable

± 10V (T/C, RTD, Voltaje: mV DC)

± 20V (Voltaje: V DC)

Nivel de ruido admitido NMRR (modo normal): 40 dB min

CMRR (modo común): 120 dB min. (50/60 Hz ± 1%)

Estándar T/C, RTD: KS, IEC, DIN

Tolerancia de compensación de temperatura de juntura estándar

± 1.5ºC (15~35ºC), ± 2.0ºC (0~50ºC)

Exactitud ± 0.5 % (escala completa)

Rango de entrada El voltaje mínimo y máximo están dentro del rango de medida permitido

Tabla 3.10. Características de las entradas del controlador NX4

3.5.2.2. Salidas

Los controladores NX4 tienen varios tipos de salidas para realizar control, las

salidas son para alarma, control y retransmisión.

La salida de alarma es a relé y tiene una capacidad de 240 V y 1 A, la salida de

retransmisión es de corriente y tiene un rango de salida de 4 a 20 mA.

73

Finalmente, la salida de control puede ser a relé, relé de estado sólido o salida de

corriente de 4 a 20 mA; todas estas son descritas en la Tabla 3.11.

La máquina empacadora utiliza la salida de control a relé para el encendido y

apagado de las niquelinas a través de relés de estado sólido.

3.5.2.3. Salidas de Control

Salida de Relé

Capacidad de contacto 240 VAC 3 A, 30 VDC 3 A(carga

resistiva)

Operación de Salida : Control PID,ON/OFF

Ciclo proporcional: 1 ~ 1000 seg

Tiempo de resolución: 0.1% o 10 ms

SSR Voltaje de Salida

ON voltaje: 24 VDC min.(carga resistiva 600 Ω min., 30mA)

OFF voltaje: 0.1 VDC max.

Ciclo proporcional: 1 ~ 1000 seg

Operación de Salida: Control PID

Tiempo de resolución: 0.1% o 10 ms

Corriente de Salida

Rango de la Corriente de Salida: 4~20 mA DC

Carga resistiva: 600 Ω max

Tiempo de muestreo: 250 ms

Operación de salida: control PID

Tabla 3.11. Salidas de control del controlador NX4 3.5.3. CIRCUITO DE CONEXIÓN DE LOS CONTROLADORES DE TEMPERATURA NX4 3.5.3.1. Controlador de Sellado Vertical El controlador de sellado vertical posee un fusible diferente al utilizado por la

niquelina, esto es con el objeto de tener una mejor protección para el controlador.

Por motivos de balanceo de carga, la niquelina está conectada a una fase

diferente a la del controlador y a la de las otras niquelinas, como se observa en el

circuito de la Figura 3.24.

74

Figura 3.24. Circuito eléctrico del controlador de sellado vertical

En la Tabla 3.12 se puede ver la nomenclatura de los elementos que intervienen

en el circuito eléctrico para el sellado vertical

Nombre Descripción

CT1 Controlador NX4 de sellado vertical

11R1 Relé de activación de los controladores, este es

F51A

4 5

Controlador detemperatura

NX-4

CT1

POWER1

2

3

9

10

OUT1

TC

HSR-2A402Z

90 - 264 VACLOAD

INPUT90 - 264 VAC

1 2

4 3

F25A

R1MORDAZAVERTICAL

11R1

Termocuplatipo K

RS1

FA

SE

R

NE

UT

RO

FA

SE

T

NE

UT

RO

75

F61A

4 5

Controlador detemperatura

NX-4

CT2

POWER1

2

3

9

10

OUT1

TC

HSR-2A402Z

90 - 264 VACLOAD

INPUT90 - 264 VAC

1 2

4 3

F35A

R2

11R1

Termocuplatipo K

RS2

R3

FA

SE

R

NE

UT

RO

FA

SE

S

NE

UT

RO

MORDAZASDE SELLADOHORIZONTAL

activado por el Módulo de Control Principal

RS1 Relé de estado sólido

R1 Niquelina de sellado vertical

Tabla 3.12. Nomenclatura del circuito de sellado vertical

3.5.3.2. Controlador de Sellado Horizontal

El sellado horizontal se diferencia del anterior en que conecta dos niquelinas en

paralelo, es decir consume más potencia que el sellado vertical. El controlador

NX4 posee un fusible exclusivo para su protección y otro para el circuito de

potencia como se observa en la Figura 3.25.

Figura 3.25. Circuito eléctrico del controlador de sellado Horizontal

76

La nomenclatura en el circuito de sellado horizontal es parecido al de sellado

vertical, salvo pequeñas excepciones que se pueden ver en la Tabla 3.13.

Nombre Descripción

CT2 Controlador NX4 de sellado horizontal

11R1 Relé de activación de los controladores, este es

activado por el Módulo de Control Principal

RS2 Relé de estado sólido

R2 y R3 Niquelinas de sellado horizontal

Tabla 3.13. Nomenclatura del circuito de sellado horizontal

5.3.4. CALIBRACIÓN DEL CONTROLADOR PID

Pero los controladores NX4 tienen la función de autotuning o autosincronización,

la misma que realiza la calibración automática del PID, es decir, encuentra los

valores más óptimos de las constantes Kp, Ti y Td. Esta es una herramienta muy

importante, ya que ahorra tiempo y brinda mayor confiabilidad al propietario..

Para realizar la autosincronización se deben seguir algunos pasos descritos en el

Anexo C.

3.6. VARIADORES DE VELOCIDAD

3.6.1. MONTAJE DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD

El montaje de los variadores de velocidad debe cumplir con las siguientes

normas. Las distancias mínimas de instalación deben ser indicadas en la Figura

3.26.

77

Figura 3.26. Distancias mínimas de instalación del variador de velocidad

Por tratarse des dos variadores de velocidad es importante notar la distribución en

la que deben ser instalados para un mejor funcionamiento. La posición más

apropiada es la que se indica en la Figura 3.27, con el objeto de mantener la

temperatura ambiente en el rango permisible.

Figura 3.27. Instalación de dos variadores de velocidad

3.7.2. INSTALACIÓN DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD

Los elementos que componen el circuito de fuerza de los variadores de velocidad

se indica en la Tabla 3.14. Los elementos fueron dimensionados tomando en

cuenta las características de los motores y las recomendaciones del fabricante.

78

Fuente

AC 3 x 220Vac

Breaker 3 x 10A

Contactor

magnético Contactor trifásico de 9A

Reactores

AC y DC

No utilizado por tratarse de motores menores a 1HP y

un distancias menores a 1m

Fusibles Dosificador Arrastre

3 x 6A 3 x 6A

Tipo SV008iG5-2 SV008iG5-2

Cableado 3x 14AWG (14) 3x 14AWG (14)

Motor

P nominal: 1 HP

I nominal: 3.8 A

V nominal: 220-230 V

RPM: 1695

Frecuencia: 60 Hz

P nominal: 0.5 HP

I nominal: 1.91 A

V nominal: 220-230 V

RPM: 1670

Frecuencia: 60 Hz

Tabla 3.14. Diseño del circuito de fuerza del dosificador y arrastre

3.7.3. CIRCUITO DE CONTROL DE LOS VARIADORES DE VELOCIDAD

Los variadores de velocidad son configurados para funcionar con el circuito de la

Figura 3.28. Para el caso del motor de arrastre la salida OUT1 arranca el motor,

OUT2 lo hace girar en reversa y el potenciómetro POT1 controla la velocidad

dependiendo de su posición, es decir, cuando en la entrada análoga hay 0V

funciona a su frecuencia mínima y en 10V a su frecuencia máxima.

Para el caso del motor dosificador se utilizan las salidas OUT4 y OUT5, de la

tarjeta de control, para el accionamiento del inversor y la variación de velocidad se

la realiza mediante el potenciómetro POT2 ubicado en el panel frontal.

79

Salida multifunción a colector abierto

Común de la salida M

Salida de 24V

Terminales deentrada



FX: encender

RX: encender reversa

Común de los terminales de entrada

BX: freno de emergencia

RST: reset

JOG: terminal operación

Común de los terminales de entrada

Paso de frecuencia-bajo

Paso de frecuencia-medio

Paso de frecuencia-alto

Fuente de 10V para potenciómetro

Señal de voltaje de entrada: 0 -10V

Señal de corriente de entrada: 0 -20mA

Señal de voltaje de salida: 0 -10V

Terminales desalida tipo relé

multifunción

Contacto de salida A

Contacto de salida B

Contacto comun A/B

Terminales de comunicación RS485

OUT1

OUT2

POT1

Figura 3.28. Diagrama de control de los variadores de velocidad

3.7.4. CIRCUITO DE CONECCIÓN DE LOS VARIADORES

3.7.4.1. Variador de Arrastre

El variador de velocidad encargado de realizar el arrastre está conectado de

acuerdo al circuito de la Figura 3.29.

80

FUSIBLESDE 6A

U V W PE

4x14 AWG

M3Ø

2M1

MO

MG

24

P1

P2

CM

P3

P4

P5

CM

P6

P7

P8

VR

V1

I

AM

L1 L2 L3

U V W PE

Variador deVelocidadSV008IG5A-2

0 - 24Vcc

DOUT

OPTO

A2OUT1 Com1OUT2

POT1

0.5HP230Vac YY1.91A1670RPM60Hz

R S TGND

Figura 3.29. Circuito eléctrico del sistema de arrastre

3.7.4.2. Variador dosificador

El variador de velocidad encargado de realizar la dosificación está conectado de

acuerdo al circuito de la Figura 3.30.

81

FUSIBLESDE 6A

U V W PE

4x14 AWG

M3Ø

3M1

MO

MG

24

P1

P2

CM

P3

P4

P5

CM

P6

P7

P8

VR

V1

I

AM

L1 L2 L3

U V W PE

Variador deVelocidadSV008IG5A-2 POT2

R S TGND

0 - 24Vcc

DOUT

OPTO

A2OUT4 Com2OUT5

1HP230Vac YY3.8A1695RPM60Hz

Figura 3.30. Circuito eléctrico del sistema de dosificación

3.8. MONTAJE DEL TABLERO DE CONTROL

El tablero de control está constituido por varios sectores los cuales se detallan en

las Figuras 3.31 y 3.32.

82

MODULO DECONTROLPRINCIPAL

CONTACTORPRINCIPAL DEALIMENTACION

Bornera dealimentación

Relé paraencendido de loscontroladores de

temperaturaFusibleprincipal

Fusibles deprotección para

los motores

Bornera de conexión delos elementos de entrada

Variador dedosificación

Variador dearrastre

Contactor delmezclador

Bornera de tierray control

Relés de estadosolido

Figura 3.31. Montaje del tablero de control

PANELVISUALIZADOR

Controladores detemperatura

Pulsantes ON/OFF

Swiches de inicio

Fusibles sobrepuestos

Figura 3.32. Montaje del panel frontal

83

CAPÍTULO 4

IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y

MONITOREO DE LA MÁQUINA

4.1. DESCRIPCIÓN DEL PANEL VISUALIZADOR

El panel visualizador es un sistema microprocesado basado en el

microcontrolador dsPIC30F4011. Este se encarga del monitoreo y calibración de

la máquina empacadora de caramelo en polvo. El módulo visualizador se

comunica con el Módulo de Control Principal serialmente. El panel visualizador se

lo puede observar en la Figura 4.1.

Teclado Potenciómetros

Display grafico240x128

Figura 4.1. Panel visualizador

Las funciones que realiza el panel visualizador son:

· Se comunica vía serial con el módulo de control principal.

· Permite realizar ajuste de los tiempos de cada etapa del proceso

· Permite monitorear el accionamiento de los elementos de la máquina

84

· Permite el accionamiento manual de todas las salidas conectadas al

Módulo de Control Principal.

· Lleva un registro de la producción total de fundas conformadas.

· Lleva un registro de la producción de fundas llenas con polvo.

· Lleva un registro de la producción semanal.

· Permite visualizar el número de fundas elaboradas por minuto.

· Lleva un registro de horas de trabajo.

· Lleva un registro de número de paradas diarias de la máquina.

4.2. FUNCIONAMIENTO DEL PANEL VISUALIZADOR

El panel de visualización consta de tres sectores los cuales son: un display

gráfico, un teclado y dos potenciómetros. Los mismos que tienen varias funciones

que las realizan en forma secuencial y contínua como se muestra en la Figura 4.2.

Las etapas que cumple el panel visualizador son las siguientes:

· Inicialización

· Programa principal

INICIO

Configuración depuertos

Lectura dememoriaEEPROM

Lectura del relojcalendario

Visualización de lapantalla inicial

Visualización dePantalla principal

INIC

IAL

IZA

CIO

N

1

85

Barrido de teclado

Lectura del puertode comunicacion

Lectura del pin desincronización

PROGRAMA

Lectura del relojcalendario

PR

OG

RA

MA

PR

INC

IPA

L

1

Figura 4.2. Funcionamiento del panel visualizador

4.3. INICIALIZACIÓN

El proceso de inicialización consta de varias etapas que se describen a

continuación:

· Configuración de puertos

· Lectura de la memoria EEPROM

· Lectura del reloj calendario

· Visualización de la pantalla principal

86

4.3.1. CONFIGURACIÓN DE PUERTOS

El panel visualizador posee un control central realizado por el microcontrolador

dsPIC30F4011, el mismo que maneja los diferentes dispositivos conectados,

como se observa en la Figura 4.3. Los elementos conectados son un LCD gráfico,

un teclado y el integrado ds1307. Además posee un interfaz de comunicación con

el Módulo de Control Principal.

dsPIC30F4011Módulo de control

principal

LCD GRAFICO240x128

Reloj calendariods1307

Teclado

RS232 I2C

Figura 4.3. Estructura del Panel Visualizador

4.3.1.1. Microcontrolador DSPIC30f4011

El dsPIC30F4011 posee casi las mismas características que el dsPIC30F3011

utilizado en el Módulo de Control Principal, la única diferencia es la memoria de

programa disponible en el micro, como se puede observar en la Tabla 4.1.

Controlador Memoria de programa

dsPIC30F3011 24K/8K

dsPIC30F4011 48K/16K

Tabla 4.1. Memoria de programa de los dsPIC30F

87

Al trabajar con un LCD gráfico es necesario contar con suficiente espacio en la

memoria de programa al momento de realizar animaciones como la desarrollada,

razón por la cual se utiliza el microcontrolador dsPIC30F4011

La asignación de pines del microcontrolador se muestra en la Tabla 4.2, así como

también la descripción de cada pin utilizado.

PINES dsPIC USOS DESCRIPCIÓN

RB0 – RB7 DB0 – DB7 Bus de datos del LCD grafico

RB8 NC No utilizado

RC13 RX Recepción de comunicación con el MCP

RC14 TX Transmisión de comunicación con el MCP

RD0 RTC-OUT Onda cuadrada del RTC a 1Hz de frec.

RD1 DOWN Tecla hacia abajo

RD2 SAVE/SEND Tecla de guardar y enviar

RD3 NC No utilizado

RE0 P1 Tecla de P1

RE1 P2 Tecla de P2

RE3 P3 Tecla de P3

RE4 UP Tecla hacia arriba

RE5 LEFT Tecla hacia la izquierda

RE6 RIGTH Tecla hacia la derecha

RF0 CD Bus de control del LCD

RF1 RD Bus de control del LCD

RF2 SDA Línea de datos del ds1307

RF3 SCL Línea reloj del ds1307

RF4 RST Bus de control del LCD

RF5 WR Bus de control del LCD

RF6 CE Bus de control del LCD

Tabla 4.2. Distribución de pines del dsPIC30F4011

El dsPIC30F4011 trabaja con un cristal de 20 MHz y una resistencia de 1 KOhm

en el pin de MCLR. El circuito implementado se puede observar en la Figura 4.4.

88

OSC1/CLKI

OSC2/CLK0/RC15

RB0/EMUD3/AN0/VREF+/CN2

RB1/EMUC3/AN1/VREF-/CN3

RB2/AN2/SS1/CN4

RB3/AN3/INDX/CN5

RB4/AN4/QEA/IC7/CN6

RB5/AN5/QEB/IC8/CN7

RB6/AN6/OCFA

RB7/AN7

RB8/AN8

MCLR

VD

D

RC13/EMUD1/SOSCI/T2CK/U1ATX/CN1

RD0/EMUC2/OC1/IC1/INT1

RC14/EMUC1/SOSCO/T1CK/U1ARX/CN0

RD1/EMUD2/OC2/IC2/INT2

RD2/OC3

RD3/OC4

PWM1L/RE0

PWM1H/RE1

PWM2L/RE2

PWM2H/RE3

PWM3L/RE4

PWM3H/RE5

RF0

RF1

PGC/EMUC/U1RX/SDI1/SDA/RF2

PGD/EMUD/U1TX/SDO1/SCL/RF3

U2RX/CN17/RF4

U2TX/CN18/RF5

SCK1/RF6

FLTA/INT0/RE8

1

13

14

2

3

4

5

6

7

8

9

10

15

16

23

18

22

19

38

37

36

35

34

33

17

30

29

26

25

28

27

24

AV

DD

VD

D

VD

DV

SS

AV

SS

VS

S

VS

S

DB5

RX

TX

RTC-OUT

P7

CE

SINC

SDA

SCL

WR

33nF

33nF

20MHz

1KOHM

VCC

dsPIC 30F4011

DB6

DB7

DB1

DB2

DB3

DB4

DB0

P8 RST

RD

CD

P1

P2

P3

P4

P5

P6

VCC

Figura 4.4. Circuito de conexión del dsPIC30F4011

4.3.2. LECTURA DE LA MEMORIA EEPROM

Para continuar con el proceso de inicialización se deben leer los datos

almacenados en la memoria del microcontrolador para actualizar los datos hasta

el momento obtenidos. Los valores que son almacenados son los siguientes:

· Tiempos asignados a cada etapa del proceso de empacado

· Valor de producción total

· Valor de producción de fundas llenas

· Horómetro

· Producción diaria

89

4.3.2.1. Tiempos del proceso de empacado

Estos valores de tiempos son transmitidos al Módulo de Control Principal y sirven

para realizar el proceso de empacado. Los valores de tiempos son almacenados

en las localidades de memoria mostrados en la Tabla 4.3.

Nombre Dirección Descripción

T1 0x7FFC10

Tiempo máximo desde el accionamiento del

sellado horizontal hasta la activación del sensor

magnético.

T2 0x7FFC12 Tiempo desde la activación del sellado vertical

hasta el inicio de la dosificación.

T3 0x7FFC14 Tiempo de dosificación.

T4 0x7FFC16 Retardo entre la dosificación y el arrastre.

T5 0x7FFC18 Tiempo de espera para el inicio de la lectura del

sensor óptico.

T6 0x7FFC1A Retado luego de la detección de la marca hasta el

fin del arrastre.

T7 0x7FFC1C Retardo para el inicio del nuevo ciclo

Tabla 4.3. Localidades de memoria utilizadas para almacenar los tiempos

4.3.2.2. Valor de producción total

El panel visualizador almacena el número de fundas elaboradas, incluidas las

vacías. Por tratarse de un valor extremadamente alto se almacenan en cuatro

localidades, dispuestas como se muestra en la Figura 4.5.

alto Medio_alto Medio_bajo bajo

0 - 99

Producción total

100 - 999910000 - 9999991000000 - 255999999

Figura 4.5. Valor de producción total

90

Las localidades de memorias utilizadas para almacenar el valor de producción

total se detallan en la Tabla 4.4.


bajo 0x7FFC20 Dígitos menos significativos de producción total,

su valor va desde 0 a 99

Medio_bajo 0x7FFC22 Dígitos de producción total cuyo valor va desde

100 a 9999

Medio_alto 0x7FFC24 Dígitos de producción total cuyo valor va desde

10000 a 999999

alto 0x7FFC26 Dígitos más significativos de producción total, su

valor va desde 1000000 a 255999999

Tabla 4.4. Localidades de memoria utilizadas para almacenar la producción

4.3.2.3. Valor de producción de fundas llenas

El panel visualizador almacena el número de fundas llenas. Este valor también se

almacena en cuatro localidades diferentes como se muestra en la Figura 4.6.

altoL Medio_altoL Medio_bajoL bajoL

0 - 99

Producción de fundas llenas

100 - 999910000 - 9999991000000 - 255999999

Figura 4.6. Valor de producción de fundas llenas

Las localidades de memorias utilizadas para almacenar el valor de producción de

fundas llenas se detalla en la tabla 4.5.


bajoL 0x7FFC30 Dígitos menos significativos, su valor va desde 0 a

99

91

Medio_bajoL 0x7FFC32 Dígitos desde 100 a 9999

Medio_altoL 0x7FFC34 Dígitos desde 10000 a 999999

altoL 0x7FFC36 Dígitos más significativos y su valor va desde

1000000 a 255999999

Tabla 4.5. Localidades de memoria de la producción de fundas llenas

4.3.2.4. Horómetro

El panel visualizador almacena el número de horas que permanece encendida la

máquina con el fín de conocer su comportamiento y poder establecer un

calendario de mantenimiento.

Este valor es también alto y se almacena en tres registros como se muestra en la

Figura 4.7.

Hora_a Hora_m Hora_b

0 - 99

Horometro

100 - 999910000 - 2559999

Figura 4.7. Horómetro

Las fracciones de horas también son almacenadas en un cuarto registro llamado

horómetro. Todos estos registros son almacenados en las localidades detalladas

en la Tabla 4.6.


horometro 0x7FFC28 Registro de almacenamiento del número de

minutos para el contador de horas

Hora_b 0x7FFC38 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0

a 99.

Hora_m 0x7FFC3A Dígitos desde 100 a 9999

Hora_a 0x7FFC3C Dígitos desde 10000 a 2559999

Tabla 4.6. Localidades de memoria del contador de horas

92

4.3.2.5. Producción diaria

El panel visualizador almacena valores de producción total de cada día de la

semana, y este valor es almacenado en tres registros por su tamaño. Su

distribución se ilustra en la Figura 4.8.

Lunes_a Lunes_m Lunes_b

0 - 99

Historial diario

100 - 999910000 - 2559999

Figura 4.8. Valor de historial diario

El registro Lunes_g almacena la fecha en la que se registró el valor de

producción, esto se realiza con el objeto de encerar el contador cada semana.

Finalmente el registro Lunes_c es un contador del número de paradas diarias de

la máquina.

Los registros de cada día se configuran de igual manera que el mencionado

anteriormente y las localidades usadas se detallan en la Tabla 4.7.


Lunes_b 0x7FFC40 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0

a 99.

Lunes_m 0x7FFC42 Dígitos desde 100 a 9999

Lunes_a 0x7FFC44 Dígitos desde 10000 a 2559999

Lunes_g 0x7FFC46 Fecha de almacenamiento de producción del día

lunes

Lunes_c 0x7FFC48 Número de paradas del día lunes

Martes_b 0x7FFC50 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0

a 99.

Martes_m 0x7FFC52 Dígitos desde 100 a 9999

Martes_a 0x7FFC54 Dígitos desde 10000 a 2559999

93

Martes_g 0x7FFC56 Fecha de almacenamiento de producción del día

martes

Martes_c 0x7FFC58 Número de paradas del día martes

Miércoles_b 0x7FFC60 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0

a 99.

Miércoles_m 0x7FFC62 Dígitos desde 100 a 9999

Miércoles_a 0x7FFC64 Dígitos desde 10000 a 2559999

Miércoles_g 0x7FFC66 Fecha de almacenamiento de producción del día

miercoles

Miércoles_c 0x7FFC68 Número de paradas del día miercoles

Jueves_b 0x7FFC70 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0

a 99.

Jueves_m 0x7FFC72 Dígitos desde 100 a 9999

Jueves_a 0x7FFC74 Dígitos desde 10000 a 2559999

Jueves_g 0x7FFC76 Fecha de almacenamiento de producción del día

jueves

Jueves_c 0x7FFC78 Número de paradas del día jueves

Viernes_b 0x7FFC80 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0

a 99.

Viernes_m 0x7FFC82 Dígitos desde 100 a 9999

Viernes_a 0x7FFC84 Dígitos desde 10000 a 2559999

Viernes_g 0x7FFC86 Fecha de almacenamiento de producción del día

viernes

94

Viernes_c 0x7FFC88 Número de paradas del día viernes

Sábado_b 0x7FFC90 Dígitos menos significativos y su valor va desde 0

a 99.

Sabado_m 0x7FFC92 Dígitos desde 100 a 9999

Sabado_a 0x7FFC94 Dígitos desde 10000 a 2559999

Sábado_g 0x7FFC96 Fecha de almacenamiento de producción del día

sábado

Sábado_c 0x7FFC98 Número de paradas del día sábado

Tabla 4.7. Localidades de memoria de producción diaria

4.3.3. LECTURA DEL RELOJ CALENDARIO

El integrado ds1307 es un reloj calendario BCD de baja potencia con 56 bytes de

memoria no volátil SRAM. Las direcciones y datos son transferidos vía

comunicación serial bidireccional en un bus de dos cables. El reloj calendario

posee información de segundos, minutos, horas, día, fecha, mes y año. Cada fín

de mes la fecha es actualizada automáticamente incluyendo los meses de 31

días. El ds1307 tiene la opción de trabajar 24 horas o 12 horas con formato AM y

PM.

El reloj calendario ds1307 tiene la distribución de pines mostrada en la Figura 4.9.

Figura 4.9. Distribución de pines del ds1307

La nomenclatura de los terminales del integrado ds1307 se muestra en la Tabla

4.8.

95

Terminal Descripción

VCC Terminal de la fuete de alimentación

Vcc = 5Vdc

X1, X2 Cristal de 32.768 KHz

VBAT Batería de +3 V

GND Tierra

SDA Terminal de datos

Es un terminal bi-direccional a colector abierto, y

necesita resistencia de pull up

SCL Terminal de reloj

Es usado para sincronizar los datos en la comunicación

serial

SQW/OUT Salida de onda cuadrada

Es una salida que genera un tren de pulsos a la

frecuencia seleccionada.

Tabla 4.8. Tabla de nomenclatura del reloj calendario ds1307

El ds1307 trabaja como esclavo en el bus de comunicación serial. El acceso al

reloj calendario es obtenido por una señal de inicio seguida por el registro de

dirección, entonces se tiene acceso a los datos hasta que la secuencia de parada

sea ejecutada.

Cuando el voltaje de alimentación es menor a 1.25xVbat el dispositivo termina la

comunicación y resetea el contador de direcciones del integrado, en este tiempo

no se reconoce las señales de entrada para evitar errores.

En la Figura 4.10 se muestra el diagrama de los principales elementos del reloj

calendario en tiempo real.

96

Figura 4.10. Diagrama de bloque del reloj calendario ds1307

4.3.3.1. RTC y Mapa de memoria RAM

El mapa de memoria del reloj calendario se muestra en la Figura 4.11. Los

registros del reloj calendario utilizan las direcciones 00h hasta 07h. Los registros

de la memoria RAM están localizados desde la dirección 08h hasta la 3Fh.

SEGUNDOS

MINUTOS

HORAS

DIA

FECHA

MES

AÑO

CONTROL

RAM56x8

00H

07H08H

3FH

Figura 4.11. Mapa de memoria del ds1307

97

La información del reloj calendario se obtiene leyendo los registros de los bytes

apropiado ilustrados en la Figura 4.12. La hora y fecha es inicializada escribiendo

en los bytes apropiados, estos son contenidos en formato BCD (Binary-Code

Decimal). El bit 7 del registro 0 es el bit (CH), cuando es cero el oscilador es

habilitado, por el contrario cuando es uno el oscilador es deshabilitado.

El ds1307 puede funcionar en modo de 12 o 24 horas, este modo es seleccionado

con el bit 6 del registro de horas, es decir el bit 12/24. Cuando este bit es uno

funciona en modo de 12 horas y el bit 5 indica si es AM o PM. Si el bit 12/24 es

cero funciona en modo de 24 horas.

CH 10 SEGUNDOS00H

07H

SEGUNDOS

X 10 MINUTOS MINUTOS

X HORAS10 HR24

12 10 HR

A/P

X DAYXX X X

X 10 FECHA FECHAX

X 10 MES MESX

AÑO10 AÑO

BIT7 BIT0

00-59

00-59

01-1200-23

0-7

01-28/2901-3001-31

01-12

00-99

X OUT X SQWE X X RS1 RS0

Figura 4.12. Estructura de los bytes del reloj calendario

El registro de control del reloj calendario ds1307 es utilizado para la configuración

del pin de salida. La señal cuadrada de salida es habilitada por el bit SQWE. Si el

bit SQWE es cero la salida es la misma que la del bit OUT del registro de control,

mostrado en la Figura 4.13.

Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

OUT X X SQWE X X RS1 RS0

Figura 4.13. Byte de control del integrado ds1307

98

Cuando SQWE está en nivel alto el pin de salida genera una señal cuadrada cuya

frecuencia depende del valor de los bits RS0 y RS1. La Tabla 4.9 muestra las

frecuencias que pueden ser seleccionadas con los bits RS0 y RS1.

RS1 RS0 Frecuencia de la

salida SQW

0 0 1 Hz

0 1 4 KHz

1 0 8 KHz

1 1 32 KHz

Tabla 4.9. Frecuencia de salida

4.3.3.2. Bus de datos de comunicación serial

El interfaz de comunicación utilizado para la lectura y escritura del reloj calendario

es el protocolo de comunicación I2C, cuya conexión entre dispositivos se muestra

en la Figura 4.14.

SDA

SCL

dsPIC30F4011

DS1307Reloj

calendario

VCC

RPRP

BUS DEDATOS I2C

Figura 4.14. Bus de datos para comunicación I2C

Donde

Este valor de resistencia es recomendado por el fabricante del circuito integrado

ds1307.

99

4.3.3.3. Escritura de datos en el reloj calendario

El reloj calendario siempre está en modo esclavo del protocolo I2C, cuya dirección

se muestra en la trama de la Figura 4.15. Los siete primeros bits trasmitidos son

la dirección del dispositivo esclavo, en este caso el reloj calendario. El octavo bit

determina si el maestro desea leer o escribir datos en el RTC. Si el bit es cero el

maestro va a escribir datos en el RTC, en cambio sí, el bit es uno el maestro leerá

los registros del reloj calendario.

En el caso de escritura el segundo byte es la dirección del registro que el maestro

desea escribir. Los bytes que siguen en la trama son los valores que van a ser

escritos en el RTC. Cuando se termina de enviar los datos el maestro se genera

una señal de parada que finaliza la comunicación.

S 1101000 0 XXXXXXXXA XXXXXXXXA XXXXXXXXA XXXXXXXXA A PDirección del esclavo R

/W

Dirección del registro [n] Dato [n] Dato [n+1] Dato [n+2]

Datos transmitidos

S = Señal de inicioA = Acknowledge

A = Sin AcknowledgeP = Señal de parada

Figura 4.15. Trama de datos de escritura al RTC

4.3.3.4. Lectura de Datos en el Reloj Calendario

La trama de lectura es similar a la de escritura, de igual forma los primeros siete

bits son la dirección pero en este caso el octavo bit es 1, es decir, el comando de

lectura. Los siguientes bits son transmitidos desde el RTC hacia el

microcontrolador. La dirección del registro del primer byte leído es al que se

apuntó; por última vez en la trama de escritura. En la Figura 4.16 se observa la

trama de lectura del reloj calendario.

100

S 1101000 1 XXXXXXXXA XXXXXXXXA XXXXXXXXA XXXXXXXXA A PDirección del esclavo R

/W

Dato [n] Dato [n+1] Dato [n+2]

Datos transmitidos

S = Señal de inicioA = Acknowledge

A = Sin AcknowledgeP = Señal de parada

Dato [n+x]

Figura 4.16. Trama de datos de lectura del RTC

4.3.3.5. Circuito Implementado

El circuito electrónico del reloj calendario DS1307 se muestra en la Figura 4.17.

Los dos cables de comunicación serial tienen una resistencia de pull up cada una

de 10 Kohm recomendadas por el fabricante. La batería conectada al terminal 3

del reloj calendario sirve para evitar que este se detenga cuando la máquina se

apague.

RF2

RF3

dsPIC30F4011

DS1307

VCC

10K10K

SDA

SCL

32.768KHz

Bateria de3V

1

2

3

5

6

7 OUT

X1

X2

BAT

VCC

VCC

GNDRD0 +

4

8

330OHM

Figura 4.17. Circuito de conexión del reloj calendario

El tercer cable es la salida de frecuencia del reloj calendario, la cual debe

configurarse para generar pulsos de 1Hz. Esta señal es utilizada para la

actualización de la hora y fecha en el panel visualizador. Para generar una

frecuencia de 1Hz el byte de control debe configurarse como se muestra en la

Figura 4.18.

Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0

0 0 0 1 0 0 0 0

Figura 4.18. Byte de control para frecuencia de 1Hz

101

4.3.4. VISUALIZACION DE PANTALLA PRINCIPAL

El monitoreo de la empacadora se realiza utilizando un LCD gráfico detallado a

continuación.

4.3.4.1. LCD Gráfico 240x128 con Controlador T6963c

Es un LCD gráfico monocromático de 240x128 pixeles de resolución, y es

manejado por el controlador T6963C de marca TOSHIBA. El LCD es utilizado

para la presentación de la animación en tiempo real, de la máquina empacadora y

además presenta los valores de producción.

Este LCD es una matriz de 240x128 pixeles monocromáticos montados sobre una

luz proveniente de un led que ayuda a la lectura del los gráficos mostrados en el

mismo.

El display gráfico tiene 22 puntos de conexión, de los cuales 8 son el bus de datos

y 4 el bus de control. Para esta aplicación se utilizan únicamente los terminales

del bus de datos y control mencionados anteriormente; los demás quedaran sin

conexión. La mayor parte de los terminales utilizados son conectados

directamente al dsPIC para su control. La estructura interna del LCD gráfico se la

observan en la Figura 4.19.

Figura 4.19. Estructura interna del LCD gráfico con controlador T6963C

102

Los terminales del LCD gráfico son conectados al dsPIC como se muestra en la

Tabla 4.10.

GLCD Descripción dsPIC30F4011

WR Control de escritura RF5

RD Control de lectura RF1

CE Terminal de habilitación RF6

C/D Control de texto o gráfico RF0

RST Reiniciar el controlador RF4

DB0-DB7 Bus de datos RB0 – RB7

V0 Control de contraste. Potenciómetro

Tabla 4.10. Terminales del LCD gráfico y dsPIC

El control de contraste se realiza con un voltaje variable de entrada de 0 a 10V,

este voltaje es variado con la ayuda de un potenciómetro conectado a VDD en un

extremo y a tierra en el otro, como se muestra en el diagrama de conexión de la

Figura 4.20. El LCD gráfico posee además de un 11backlight o luz de fondo

proveniente de un led cuyos terminales son LEDK Y LEDA.

Vcc

V0

GN

D

GN

D

WR

RD

CE

CD

RS

T

DB

0D

B1

DB

2D

B3

DB

4

DB

5

DB

6

DB

7

GN

D

VO

UT

DB

0D

B1

DB

2D

B3

DB

4

DB

5

DB

6

DB

7

RS

TC

D

CE

RD

WR

Vcc

Figura 4.20. Diagrama de conexión del LCD gráfico

11

Backlight. Ver glosario de términos

103

4.3.5. PANTALLA PRINCIPAL DEL PANEL DE VISUALIZACIÓN

La pantalla principal se divide en los sectores mostrados en la Figura 4.21 y son:

· Estado de la máquina

· Simulación de la empacadora

· Tiempos del proceso

· Producción

· Horas de trabajo

· Fecha y hora

SIMULACIONDE LAEMPACADORA TIEMPOS DEL PROCESO

PRODUCCIÓNTOTAL

PRODUCCIÓN DEFUNDAS LLENAS

HODOMETRO

RELOJ

ESTADO DE LA EMPACADORA FUNDAS POR MINUTOPRODUCIDASFECHA

Figura 4.21. Pantalla principal del panel de visualización

4.4. BARRIDO DE TECLADO

El panel visualizador posee un teclado que le sirve de interfaz de ingreso de datos

por parte del usuario, este teclado se lo puede observar en la Figura 4.22.

Figura 4.22. Teclado del panel de visualizador

104

El barrido de teclado se realiza siguiendo el diagrama mostrado en la Figura 4.23.

BARRIDO DE TECLADO

BARRIDO DETECLADO

P 1 = 1

P 2 = 1

SI

NO

SI

NO

P1 = 1

Visualizar pantallaprincipal

Visualizaciónpantalla de

tiempos

Visualizar pantallade historiales

SI

NO

RIGHT = 1Mover el cursor a

la derecha

Mover el cursor ala izquierda

LEFT = 1

UP = 1Incremento valorseleccionado por

el cursor

Pantallaprincipal

SI

NO

SI

NO

SI

NO

SI

NO

DOWN = 1Decrementa el

valor apuntado porel cursor

Save/send=1Guardar y enviar

valor seleccionadopor el cursor

PROGRAMA

SI

NO

SI

NO

Figura 4.23. Diagrama de barrido de teclado

105

Las tres teclas superiores sirven para el cambio entre pantallas.

La tecla muestra la pantalla principal del módulo visualizador, mostrada en

la Figura 4.21.

La tecla muestra la pantalla con el esquema de tiempos de la Figura 4.24.

Figura 4.24. Pantalla de diagramas de tiempos

La tecla muestra la pantalla de historial semanal de la Figura 4.25.

DIAS DE LA SEMANAFUNDAS LLENAS

PRODUCIDAS CADADÍA

NÚMERO DE VECESQUE LA MÁQUINA SEDETUVO CADA DÍA

Figura 4.25. Pantalla de historiales

106

Las teclas restantes solo funcionan si la máquina está detenida y si en el display

se muestra la pantalla principal.

La tecla mueve el cursor a la derecha

La tecla mueve el cursor a la izquierda

La tecla solo funciona cuando el cursor apunta los valores de tiempos de

la pantalla. En ese caso incrementa el valor apuntado.

La tecla solo funciona cuando el cursor apunta los valores de tiempos de

la pantalla. En ese caso decrementa el valor apuntado.

La tecla posee dos funciones, dependiendo de donde se encuentre el

cursor. Si el cursor apunta hacia algún valor de tiempo, este valor es enviado al

Módulo de Control Principal y guardado en la memoria EEPROM del dsPIC. En el

caso que el cursor apunte hacia algún elemento de la máquina, la acción a

realizar es enviar un comando al Módulo de Control Principal para que el

elemento apuntado sea activado o desactivado. El manual de usuario completo se

puede ver en el Anexo E.

4.4.1. POTENCIÓMETROS DEL PANEL DE CONTROL

En el panel de control existen dos potenciómetros lineales, los mismos que son

utilizados para la variación de la velocidad del los motores de dosificación y

arrastre. Las conexiones de estos potenciómetros se detallan en la sección 3.7.4

del capítulo 3.

Figura 4.26. Potenciómetros de los variadores de velocidad

107

4.5. LECTURA DEL PUERTO DE COMUNICACIÓN

El panel visualizador está comunicado con el Módulo de Control Principal a través

de comunicación RS232 y una línea de sincronización como se observa en la

Figura 4.27.

Figura 4.27. Interfaz de comunicación

El panel visualizador es alimentado desde el Módulo de Control Principal, es

decir, que ambos módulos trabajan con una sola fuente.

4.5.1. PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN

La comunicación entre los módulos se realiza vía serial RS232 full dúple. Para

esta aplicación el protocolo es muy simple y solo necesita un byte para enviar la

información necesaria por cada instrucción. Existe un protocolo de recepción y

otro para la transmisión, por el tipo de información que requiere cada módulo.

4.5.1.1. Protocolo de Recepción

El protocolo de recepción son los datos que recibe el panel visualizador desde el

Módulo de Control Principal. Los únicos datos que requiere el panel visualizador

son los que indiquen el estado de la empacadora. Para lo cual es necesario un

número diferente para cada acción como se muestra en la Tabla 4.11.

El diagrama de la Figura 4.28 esquematiza el protocolo de comunicación utilizado

en la recepción de valores a través del puerto.

108

LECTURA DELPUERTO DE

COMUNCACION

Valor en el puertode comunicación

SI

NO

SI

VALOR = 1Se visualiza el

cilindro horizontalaccionado

Se visualiza elcilindro vertical

accionadoVALOR = 2


dosificadoraccionado

SI

NO

SI

NO

SI

NO

VALOR = 4Se visualiza al cilindrohorizontal, vertical y el

dosificador desactivados


motor de arrastreencencdido

PROGRAMA

SI

NO

SI

NO

Incrementa laproducción deproducto lleno

VALOR = 6Se visualiza alsensor óptico

accionado

VALOR = 7Se visualiza alsensor óptico

apagado

SI

NO

SI

NO

VALOR = 8Se visualiza motor

de arrastreapagado

VALOR = 9Se inicia laproducción

SI

NO

SI

NO

Bloqueo delteclado

VALOR = 10Fin de la

producción

SI

NO

Desbloqueo delteclado

VALOR = 11,12 o 13

Mensaje de errorSI

NO

Detiene lasimulación

Incrementaproducción total

Figura 4.28. Protocolo de comunicación

109

Byte recibido

Descripción Acción

0x01 Indica la activación del cilindro horizontal

Grafica al cilindro horizontal activado

0x02 Indica la activación del cilindro vertical

Grafica al cilindro vertical activado

0x03 Indica el inicio de la dosificación Grafica al motor dosificador activado e incrementa la cuenta de fundas llenas.

0x04 Indica la desactivación de los cilindros y el dosificado

Grafica a los cilindros y dosificador desactivados

0x05 Indica el inicio del arrastre Grafica el motor de arrastre activado

0x06 Indica la activación del sensor óptico

Grafica al sensor óptico activado

0x07 Indica la desactivación del sensor óptico

Grafica al sensor óptico desactivado

0x08 Indica el fin del ciclo Grafica la máquina en su estado inicial e incrementa la cuenta de producción total.

0x09 Indica el inicio de la producción Escribe la palabra “PRODUCIENDO” y deshabilita el teclado.

0x10 Indica el fin de la producción Escribe la palabra “DETENIDO” y habilita el teclado.

0x11 Señal de error 1 Escribe la falla y detienen la animación




Tabla 4.11. Protocolo de recepción

4.5.1.2. Protocolo de Transmisión

El protocolo de transmisión es más complejo que el anterior debido a que no solo

se envían instrucciones sino también datos. Para la codificación de los datos se

utiliza el protocolo de comunicación mostrado en la Figura 4.29.

BIT7 BIT0

COMANDO DATOS

BYTERECIBIDO

Figura 4.29. Byte de transmisión

110

Los cuatro bits más significativos representan al comando que se debe ejecutar y

los cuatro bits menos significativos son los datos necesarios para cumplir con este

comando. Existen doce comandos los cuales se pueden observar en la Tabla

4.12.

Byte enviado

Comando Datos

0x1x Indica el cambio en el valor del tiempo T1

X es el valor del tiempo T1













0x8x Orden de activación o desactivación del cilindro horizontal

X = 1 activación

X = 0 desactivación

0x9x Orden de activación o desactivación del cilindro vertical

X = 1 activación


0xAx Orden de activación o desactivación del motor dosificador

X = 1 activación


0xBx Orden de activación o desactivación del moto reductor mezclador

X = 1 activación

X = 0 desactivación 0xCx Orden de activación o desactivación

del arrastre X = 1 activación X = 0 desactivación

Tabla 4.12. Protocolo de transmisión

4.6. LECTURA DEL PIN DE SINCRONIZACIÓN

El terminal SINC es un tren de pulsos generada por el Módulo de Control Principal

y enviado al panel visualizador, para que este último realice el cálculo de la

producción midiendo el tiempo entre cada pulso, como se observa en la Figura

4.30.

111

Tiempo P

Inicio deciclo 1

Fin de ciclo 1 einicio del ciclo 2

Figura 4.30. Señal de sincronización

El tiempo P es medido por un temporizador interno del dsPIC30F4011, el cual

realiza la siguiente operación para encontrar el número de fundas producidas por

minuto.

El procedimiento utilizado para el cálculo de la cantidad de fundas por minuto

producidas esta detallado en el diagrama de la Figura 4.31.

LECTURA DEL PINDE

SINCRONIZACIÓN

Lectura del timer1

Reinicio del timer1

Calculo de valorde fundas por

minuto

Visualización delvalor de

producción

PROGRAMA

SINC=1SI

NO

Figura 4.31. Lectura del pin de sincronización

112

4.7. LECTURA DEL RELOJ CALENDARIO

El integrado ds1307 está configurado para generar una señal cuadrada de 1Hz de

frecuencia, esta señal sirve al controlador para actualizar el valor de la hora cada

segundo. Para realizar la actualización de tiempo se sigue el diagrama de la

Figura 4.32. Cuando se detecta la transición de estado bajo a alto se lee el

integrado ds307 mediante el protocolo de comunicación descrito en la sección

4.3.3.3 del presente capítulo. Posteriormente se decodifican los valores obtenidos

de BCD a binario y finalmente se procede a mostrarlos en el display.

LECTURA DEL PINRELOJ

CALENDARIO

Lectura delintegrado reloj

calendario

Actualización deregistros que

almacenan la hora

Visualizar la horay fecha

Incrementa elcontador de horas

PROGRAMA

Out(ds1307)=1SI

NO

Figura 4.32. Lectura del reloj calendario

113

4.8. DISEÑO DEL PANEL VISUALIZADOR

El panel visualizador está diseñado como se muestra en la Figura 4.33 y está

basado en el microcontrolador dsPIC30F4011. Sus periféricos se conectan

mediante un bus de datos a excepción del reloj calendario ubicado en la misma

placa de control.

El microcontrolador funciona con un cristal de 20 MHz y tiene una resistencia de 1

Kohm a Vcc en el master clear.

Figura 4.33. Circuito del panel visualizador

4.9. PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR

El compilador utilizado para desarrollar el programa de control es el

MikroC_dsPIC, el cual utiliza el lenguaje C, facilitando la programación de los

controladores por ser un lenguaje de nivel medio. Este compilador pertenece a la

compañía mikroElectrónica.

Este software posee varias características que lo hacen muy amigable y que

facilitan la programación de sistemas embebidos basados en los

microcontroladores dsPIC30/33 y PIC24. Además tiene un eficiente algoritmo de

compilación que lo hace más rápido. Utiliza muchas librerías que facilitan el uso

DB5DB6DB7

TXRX

SINCSOUT

1234

40393837

5 366 357 348 339 32

10 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21

J33

CONN-DIL40

SCL

VCC

VCC

VCC

R81k5

C1

22pX1CRYSTAL

C2

22p

VCC

VCCPIN

GND1PIN

RXPIN

TXPIN

SINCPIN

VCC TX

RX

SIN

C

DB4DB3DB2DB1DB0

VBAT3

X11

X22

SCL6

SDA5

SOUT7

U1

DS1307

SCLSDA

R11k

R21k

X2CRYSTALSOUT

SDA

RDRSTWR

CD

CE

DB0RSTCDCERDWRVO

DB1

VOUT

DB7DB6DB5DB4DB3DB2

12345678910

J312345678910

J4

VO

123456789

10

J5

CONN-H10

RD1RD2

RD1RD2

R3

330R

D1

LED

R4330R

12

J9

CONN-H2

R5330R

BU

S D

E D

AT

OS

DE

L L

CD

GR

AF

ICO

dsPIC30F4011

RELOJ CALENDARIO DS1307

BORNERAQ DE COMUNICACION SERIAL

POTENCIOMETRO DE CONTRASTE

BAT11.5V

BORNERA DEL TECLADO

BO

RN

ER

A P

AR

A E

L B

AC

KL

IGH

T

RV1

POT

114

de periféricos sin que incremente la cantidad de código, como ocurre en el

lenguaje assembler.

El compilador posee las siguientes características:

· Utiliza el lenguaje de programación C

· Permite el uso de librerías incluidas en el compilador

· Posee un explorador de código

La pantalla principal del programa mikroC se muestra en la Figura 4.34, y se

pueden distinguir las siguientes aéreas:

· Explorador de funciones: En esta área se visualizan las variables y

funciones utilizadas en el programa.

· Selección de microcontrolador: Es el área en la que se elige la numeración

del micro y el cristal utilizados.

· Editor de programa: Es el área donde se escribe el código del programa.

Seleccion deldsPIC y cristal

Funciones yvariablesutilizadas

Programa deldsPIC

Figura 4.34. Programa MikroC

El mikroC organiza las aplicaciones en proyectos cuyos archivos tienen extensión

.dpc, el mismo que puede tener varios archivos fuentes con extención .c. Los

archivos de proyecto contienen información del nombre del proyecto, tipo y

modelo de micro utilizado; además de la frecuencia del cristal y lista de archivos

fuente.

115

El mikroC optimiza el uso del motor DSP del microcontrolador a través de los

distintos tipos de variables matemáticas definidas en el programa, las mismas que

están enumeradas en la Tabla 4.13.

Tipo Tamaño en bytes Rango

(unsigned) char 1 0…255

signed char 1 -128…128

(signed) short (int) 1 -128…128

unsigned short(int) 1 0…255

(signed) int 2 -32768…32767

unsigned (int) 2 0…65535

(signed) ling (int) 4 -2147483648…2147483647

unsigned ling (int) 4 0…4294967295

float 4 -1.5*10e45…+3.4*10e38

double 4 -1.5*10e45…+3.4*10e38

Long double 4 -1.5*10e45…+3.4*10e38

Tabla 4.13. Variables matemáticas utilizadas por el compilador mikroC

Cada programa debe tener solo una función “main”, la cual se ejecuta primero y

es quien llama al resto de funciones. El resto de funciones tienen vínculos

externos con la función main y pueden ser llamadas en cualquier momento.

La sintaxis usada para la declarar funciones es la siguiente.

Tipo nombre_funcion(parámetros-declarador-lista);

Tipo.- se define de acuerdo a la salida que se generará al llamar a la función, es

decir si es entero o flotante. Cuando no se requiere respuesta se utiliza la función

tipo “void”.

Nombre_función.- es un nombre asignado por el programador para la función

creada.

Parámetros-declarador-lista.- son los argumentos que necesita la función para

poder ejecutar su programa interno. De igual forma, si no existen parámetros de

entrada se utiliza la palabra “void”.

116

4.9.1. ARQUITECTURA DEL PROGRAMA DEL dsPIC30F4011

El programa desarrollado se encarga de la visualización y monitoreo del

funcionamiento de la máquina empacadora a través de su puerto de

comunicación serial. Se encarga además de realizar el barrido del teclado y la

lectura del reloj calendario; este último se realiza utilizando el protocolo de

comunicación I2C.

La visualización de todos los datos supervisados es mostrada a través de un LCD

gráfico de 240x128 pixeles de resolución.

El programa implementado consta de una función principal (main) y varias

funciones adicionales utilizadas para realizar la animación de la máquina

empacadora, las mismas que se muestran en la Tabla 4.14.

Función Descripción

main Programa principal

tiempos Mapa de bits del diagrama de tiempos

Empacadora Mapa de bits del diagrama de la empacadora

Arrastre_off Mapa de bits del motor de arrastre en posición de apagado

Arrastre_on Mapa de bits del motor de arrastre en posición de encendido

Cilabierto1 Mapa de bits del cilindro horizontal abierto

Cilabierto2 Mapa de bits del cilindro vertical abierto

Cilindro1 Mapa de bits del cilindro horizontal accionado

Cilindro2 Mapa de bits del cilindro vertical accionado

Dosif_on Mapa de bits del motor dosificador accionado

Dosif_off Mapa de bits del motor dosificador apagado

Sensor_on Mapa de bits del sensor óptico accionado

Sensor_off Mapa de bits del sensor óptico apagado

Tabla 4.14. Funciones utilizadas en el programa de visualización

4.9.2. FUNCIÓN MAIN

Es la rutina de arranque del programa de visualización, en donde se deben incluir

las configuraciones de todos los dispositivos utilizados:

117

· Puerto de comunicación serial

· LCD gráfico T6963C

· Reloj calendario ds1307

4.9.2.1. Puerto de Comunicación Serial

El puerto de comunicación utilizado es el UART1 alterno, debido a que los pines

principales de esta función fueron utilizados para la comunicación con el reloj

calendario. Los terminales utilizados son RC13 y RC14 para las líneas de

comunicación TX y RX respectivamente. La velocidad de transmisión es de

19200baud y las rutinas utilizadas para la inicialización y operación del puerto de

comunicación serial se detallan en la Tabla 4.15.


COMUNICACION

UART1_INIT(*Valor)

Inicializa el puerto de comunicación serial 1 (UART1). Donde

Valor= Velocidad de transmisión = 19200

Uart_Write_char(*valor) Envía *valor por el puerto de comunicación UART1

*Valor = Uart_Read_Char() Lee el valor recibido por el puerto de comunicación y lo almacena en el registro llamado Valor

Tabla 4.15. Rutinas de operación del puerto UART1

4.9.2.2. LCD Gráfico T6963C

El controlador T6963C del display gráfico se maneja desde el microcontrolador

utilizando las funciones detalladas en la Tabla 4.16. Este controlador es capaz de

desplegar gráficos y texto en cualquier parte del display.


LCD GRAFICO T6963C_init(240, 128, 8, &PORTB, &PORTF, 5, 1, 0, 4) ;

Inicializa el display gráfico, de 240 x 128

Caracteres, de 8 bits de ancho

Bus de datos es el PORTICO B y el

Bus de control es el PORTICO F

· Bit 5 = !WR · Bit 1 = !RD · Bit 0 = C!D · Bit 4 = RST

118

T6963C_write_text("texto", 0, 0,

T6963C_ROM_MODE_XOR);

Escribe “texto” en la posición 0,0.

T6963C_image(empacadora) ; Grafica la imagen del mapa de bits de la función

empacadora

T6963C_sprite(0, 68, cilindro,

21, 20) ;

Grafica la imagen cilindro en la posición 0, 68 y su

tamaño es de 21x20

T6963C_panelFill(0); Limpia el display

T6963C_cursor(0) ; Oculta el cursor

T6963C_line(29, 27, 39, 27,

T6963C_BLACK);

Dibuja en la línea que inicia en el punto 27,27 y

finaliza en el punto 39, 27 de color negro

Tabla 4.16. Rutinas del LCD gráfico T6963C

Las rutinas de image y sprite requieren de funciones con mapas de bits

correspondientes a los gráficos que se desean desplegar. Para la creación de los

mapas de bits se utiliza el programa “Graphic LCD Bitmap Generator”, el mismo

que es una aplicación del programa MikroC.

En la figura 4.35 se muestra la pantalla principal del generador de mapa de bits.

Imagen con resoluciónde 240 x 128

Selección del

display grafico

Mapa de bits dela imagen

Figura 4.35. Generador de mapa de bits

119

Las imágenes cargadas en el generador deben tener una resolución de 240x128

pixeles y deben ser guardas en archivos .bmp. Todos los mapas de bytes deben

ser copiados en las funciones detalladas en la Tabla 4.14.

4.9.2.3. Reloj Calendario ds1307

Las funciones utilizadas para el manejo del reloj calendario se detallan en la Tabla

4.17.


Comunicación I2C

I2C_Init(10000); Inicializar el puerto ce comunicación I2C con una

frecuencia de reloj de 10000Hz

I2C_Start(); Envía una señal de inicio por el puerto I2C

I2C_write(*valor); Envía el registro *valor por el puerto de comunicación

*Valor =I2c_Read(0); Lee el valor recibido por el puerto I2C y lo almacena en

el registro *valor

I2C_Stop(); Envía una señal de fin de transmisión por el puerto I2C

Tabla 4.17. Rutinas de comunicación I2C

Las demás funciones utilizadas son para el manejo de la memoria EEPROM del

microcontrolador, el manejo de retardos y la conversión de byte a string. Todas

estas las funciones se detallan en la Tabla 4.18.


MEMORIA EEPROM

Eeprom_Write(*DIR, *valor) Guarda el registro valor en la dirección de memoria almacenado en el registro DIR

Valor= Eeprom_Read(*DIR) Lee el número almacenado en la dirección DIR y lo transfiere al registro llamado Valor

RETARDOS Delay_ms(*Valor) Genera un retardo de tiempo en milisegundos igual Valor

CONVERSIÓN ByteToStr(valor, string); Convierte el byte almacenado en valor y lo convierte en un

string.

Tabla 4.18. Funciones utilizadas en el programa

El programa completo se encuentra en el CD anexo.

120

4.10. WINPIC 800

Cuando el programa está terminado es compilado y se genera el archivo .hex, el

cual es descargado al microcontrolador con la ayuda del programa WinPic800. El

mismo que debe configurarse como se muestra en la Figura 4.36 antes de iniciar

la descarga.

Figura 4.36. Configuración del WinPic 800

121

CAPÍTULO 5

RESULTADOS DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

5.1. PRUEBA DE LOS COMPONENTES

Los componentes eléctricos y el sistema mecánico deben ser probados

individualmente antes de iniciar con las pruebas de funcionamiento. Los primeros

elementos en probarse son los que intervienen en el sistema mecánico, luego del

sistema neumático y finalmente el sistema eléctrico y de control. A continuación

se detallan cada uno de ellos.

5.1.1. PRUEBAS EN EL SISTEMA MECÁNICO

El primer paso es la prueba del sistema mecánico del sellado horizontal, el cual es

el más complejo ya que sus componentes deben estar bien alineados y

sincronizados para que su accionamiento se realice sin dificultad.

El siguiente paso es la prueba del sistema de arrastre, el cual necesita de un gran

torque de arranque, ya que su tiempo de aceleración es cercano a cero.

El último sistema mecánico probado es el sistema de dosificación, el mismo que

debe estar bien centrado para que no se genere atascamientos cuando se

agregue el producto.

5.1.2. PRUEBAS EN EL SISTEMA NEUMÁTICO

El sistema neumático es probado cuando el sistema mecánico está en óptimas

condiciones. Para realizar estas las pruebas es necesario aire comprimido a

presión y flujo contante. Los elementos probados fueron válvulas y cilindros

neumáticos, los cuales tras varios ajustes funcionan correctamente.

5.1.3. PRUEBAS EN EL SISTEMA ELÉCTRICO

Las pruebas realizadas en el sistema eléctrico fueron pruebas de aislamiento de

motores, entre borneras y cableado en general, desde el tablero de breakers

122

hasta los elementos eléctricos. Las pruebas realizadas a los variadores de

velocidad se realizaron utilizando el keypad de cada variador.

Todo el sistema eléctrico fue comprobado de acuerdo a los planos del Anexo A,

en los cuales se detallan claramente toda la conexión del tablero de control.

5.2. PRUEBAS DE DOSIFICADO

El tiempo de dosificado fue obtenido de acuerdo a pruebas realizadas, tratando

siempre que sea lo más pequeño posible y así incrementar la producción. Sin

embargo el dosificado depende también en la velocidad de giro dosificador, estas

calibraciones se detallan en la Tabla 5.1.

Tiempo de dosificado

Frecuencia del variador dosificador [Hz]

peso por funda [gramos]

600ms

15 3.7 20 4.9 25 5.6 30 6.7 35 8 40 9 45 10 50 11.1

700ms

15 4 20 5.1 25 6.1 30 7 35 8.1 40 9.1 45 10.2 50 11.3

800ms

15 4.1 20 5.2 25 6.2 30 7 35 8.1 40 9.1 45 10.3 50 11.3

Tabla 5.1. Pruebas de dosificado

123

La variación de peso con respecto al tiempo no varía en mayor proporción como

se puede apreciar en la tabla 5.1. Para realizar el empacado se utiliza el tiempo

de 700ms con el objeto de no disminuir en mayor medida el tiempo de sellado.

5.3. PRUEBAS DE SELLADO

El calentamiento es realizado con la ayuda de controladores NX4, cuya función es

elevar la temperatura de las mordazas al valor seteado y mantenerlo constante.

El calentamiento de las mordazas dura aproximadamente 16 minutos,

dependiendo de las condiciones ambientales.

La temperatura más apropiada para las mordazas de sellado vertical es de

106.9ºC y 100ºC para las mordazas de sellado horizontal.

Los controladores NX4 tienen la propiedad de realizar control PID, el mismo

mantiene las mordazas a temperatura constante y garantizan un buen sellado.

De esta forma disminuye el desperdicio de material y número de paradas de la

máquina.

Para la calibración de parámetros PID se utiliza la función Autotuning, una función

automática que sirve para buscar los valores óptimos de las constantes del control

PID, y se realiza con la temperatura de trabajo seteada. Este proceso puede durar

varios minutos. Su duración y las perturbaciones dependen directamente de las

cargas e inercias térmicas del proceso.

Una vez que el control PID se encuentre configurado la temperatura del proceso

se mantendrá estable, respondiendo en forma óptima a cualquier perturbación

que se produzca.

5.3.1. CURVAS DE CALENTAMIENTO DE LAS MORDAZAS

El calentamiento de las mordazas es realizado por las niquelinas y su temperatura

varía con respecto al tiempo como se muestra en las Figuras 5.1 y 5.2.

124

5.3.1.1. Mordaza Vertical

En la Tabla 5.2 se ve la variación de la temperatura de la mordaza vertical con

respecto al tiempo. La temperatura de inicio es la temperatura ambiente es este

caso 20ºC y el valor del set point es de 106.9ºC. En la Figura 5.1 se observa la

curva de calentamiento de la mordaza vertical, en el punto de cruce entre las dos

curvas ya se podría iniciar con la producción, es decir que su tiempo de

calentamiento es de 10 minutos.

Tiempo Temperatura

0 20

1 31,7

2 42,5

3 56,9

4 70,5

5 82

6 91,1

7 98,1

8 103

9 106,3

10 108,6

11 109,5

12 109,5

13 109,2

14 108,9

15 108.3

16 107.7

17 107

18 105.5

Tabla 5.2. Valores de temperatura de la mordaza vertical

125

Figura 5.1.Curva de calentamiento de la mordaza vertical

5.3.1.2. Mordazas Horizontales

La tabla 5.3 muestra la variación de la temperatura con respecto al tiempo, en

minutos, de las mordazas horizontales. El set point en este caso es de 100ºC y su

tiempo de estabilización es de 16 minutos. La temperatura en las mordazas

horizontales es un factor más crítico que el de la vertical ya que una pequeña

variación de temperatura causa fallas en el sellado, causando desperdicio. La

curva de calentamiento de las mordazas horizontales se puede observar en la

Figura 5.2.

Tiempo Temperatura

0 20

1 27

2 33

3 39

4 46

5 53

6 60

7 67

8 73

9 79

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Te

mp

era

tura

Tiempo en min

Curva de calentamiento de la mordaza vertical

Temperatura set point

126

10 85

11 91

12 97

13 102

14 104

15 103

16 100

Tabla 5.3. Valores de temperatura de la mordaza horizontal

Figura 5.2.Curva de calentamiento de las mordazas horizontales

5.4. PRUEBAS EN EL SISTEMA DE CONTROL

Cuando los sistemas mecánico, neumático y eléctrico están totalmente probados

y en óptimas condiciones, se procede a las pruebas del sistema de control.

Los primeros ciclos de la empacadora se realizaron a baja velocidad para corregir

posibles defectos de funcionamiento.

Las pruebas iníciales generaron los resultados detallados en la Tabla 5.4.

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Te

mp

era

tura

Temperatura en minutos

Curva de calentamiento de las mordazas horizontales

Temperatura Set point

127

Hora # de fundas Fundas por minutos Peso promedio

0 123 2,0 9.5

1 254 4,2 9.1

2 451 7,5 9.7

3 387 6,4 10.9

4 651 10,8 11.2

5 763 12,7 10.4

6 1101 18,3 10.2

Tabla 5.4. Resultados de las pruebas iniciales

En esta tabla se muestra que las primeras seis horas de funcionamiento

generaron muy pocas fundas por minuto. Estos valores se incrementaron

conforme se realizaron ajustes al mecanismo y tiempos del proceso.

5.5. DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS DE PESO

Los productos elaborados son los siguientes:

· Power Acido en fundas de 6 gramos

· Paleta con caramelo en polvo Galaxy en fundas de 15 gramos

5.5.1. POWER ACIDO

Son fundas de caramelo en polvo con un peso neto de 6 gramos por unidad. Este

producto tiene tres sabores que son: piña, chicle y manzana verde, las cuales se

muestran en la Figura 5.3

Figura 5.3. Funda de Power Acido

128

Se ha realizado un muestreo para conocer la variación de peso del producto. En

la Tabla 5.5 se muestran los valores de pesos obtenidos en el muestreo realizado

desde el inicio de producción.

Muestra Peso Error % 1 6,2 3,3 2 6,3 5,0 3 6 0,0 4 6,1 1,7 5 6 0,0 6 6 0,0 7 5,8 3,3 8 6 0,0 9 6,2 3,3

10 5,7 5,0 11 5,9 1,7 12 6 0,0 13 6,2 3,3 14 6,1 1,7 15 5,7 5,0 16 6,2 3,3 17 6 0,0 18 6,1 1,7 19 6,2 3,3 20 6 0,0 21 6,1 1,7 22 5,7 5,0 23 5,8 3,3 24 6,2 3,3 25 6 0,0 26 6,2 3,3 27 6,1 1,7 28 6,1 1,7 29 6 0,0 30 6 0,0 31 6 0,0 32 6,1 1,7 33 5,8 3,3 34 5,9 1,7 35 6 0,0 36 6,1 1,7 37 6 0,0 38 6,1 1,7 39 6,2 3,3

129

40 6 0,0 41 6 0,0 42 6,1 1,7 43 6,2 3,3 44 6,2 3,3 45 6,2 3,3 46 5,9 1,7 47 6 0,0 48 6,1 1,7 49 6,2 3,3 50 6 0,0

Tabla 5.5. Resultados de peso en fundas de 6 gramos

Los valores obtenidos en este tiempo muestran que la variación en peso es baja

al punto que no supera el medio gramo. Las variaciones se producen cuando baja

el nivel de producto en la tolva, pero como se puede ver en la Figura 5.4 esta

variación no es crítica.

Figura 5.4. Curva de pesos de fundas de 6 gramos

5.5.1.1. Cálculo de errores

Con los datos obtenidos se realiza el cálculo de la media aritmética, es decir el

peso promedio de las fundas elaboradas, y es determinado con los datos de la

Tabla 5.5.

5,4

5,5

5,6

5,7

5,8

5,9

6

6,1

6,2

6,3

6,4

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

valor minimo 5,7 gramos peso maximo 6,3 gramos Peso en gramos

130

El peso promedio es de 6.04 gramos, y por lo tanto esta en el rango aceptable. La

desviación estándar es un valor matemático calculado para conocer que tanto

están alejados los valores de peso al valor real. El cálculo de la desviación

estándar se la realiza a continuación:

El valor de la desviación es muy pequeña y por este motivo se puede decir que

esta en el rango aceptable.

5.5.2. PALETA CON CARAMELO EN POLVO GALAXY

Son fundas de caramelo en polvo y una paleta, la misma que es colocada

manualmente por el operador. Estas están juntas y da un peso neto de 15 gramos

por unidad. El volumen producción de paleta es menor que el power acido por las

siguientes razones:

· El empaque es más largo que el de power acido y por consiguiente el

tiempo de arrastre es mayor.

· Este producto necesita que el operador suministre la paleta manualmente

por el cuello formador, por lo tanto se necesita un tiempo de retraso más

grande entre cada ciclo para evitar que la paleta quede atrapada por la

mordaza de sellado horizontal

El la Figura 5.5 se puede apreciar el producto denominado Paleta con caramelo

en polvo Galaxy.

Figura 5.5. Funda de paleta con polvo Galaxy

131

La variación de peso en este producto es más variable ya que el peso de las

paletas no es constante y causa que el producto final tenga una variación de peso

mayor que la de power acido. En la Tabla 5.6 se muestran los valores de pesos

de las fundas muestreadas.

Muestra Peso Error 1 15,5 3,3 2 16 6,7 3 15,2 1,3 4 15,2 1,3 5 16,1 7,3 6 14,9 0,7 7 15,7 4,7 8 15,5 3,3 9 15,3 2,0

10 14,8 1,3 11 14,9 0,7 12 15,1 0,7 13 15 0,0 14 15,1 0,7 15 15,2 1,3 16 15,1 0,7 17 15 0,0 18 15 0,0 19 15,1 0,7 20 15,2 1,3 21 14,9 0,7 22 15,4 2,7 23 15,7 4,7 24 15,5 3,3 25 15 0,0 26 15 0,0 27 15,2 1,3 28 15,2 1,3 29 15,1 0,7 30 14,9 0,7 31 15 0,0 32 15 0,0 33 15,7 4,7 34 15,1 0,7 35 15,2 1,3 36 15,1 0,7 37 14,8 1,3 38 14,9 0,7

132

39 15 0,0 40 15 0,0 41 15 0,0 42 15,6 4,0 43 15,5 3,3 44 15,7 4,7 45 15,4 2,7 46 14,5 3,3 47 14,6 2,7 48 15 0,0 49 15,4 2,7 50 15,4 2,7

Tabla 5.6. Resultados de peso en fundas de 15 gramos

Los errores obtenidos en este muestreo son mayores al otro producto; sin

embargo, siguen en un rango aceptable por el peso y tamaño del mismo. En la

Figura 5.5 se ve el gráfico estadístico correspondiente al muestreo de este

producto.

Figura 5.5. Curva de pesos en fundas de 15 gramos.

13,5

14

14,5

15

15,5

16

16,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Te

mp

era

tura

Temperatura en minutos

Curva de calentamiento de las mordazas horizontales

peso minimo Peso en gramos peso maximo

133

5.5.2.1. Cálculo de errores

Con los datos obtenidos se realiza el cálculo de la media aritmética, el error y la

desviación estándar. Estos cálculos se presentan a continuación:

Cálculo de la media aritmética

Cálculo de la desviación estándar se muestra a continuación

5.6. DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS DE PRODUCCIÓN

5.6.1. POWER ACIDO

Las pruebas de producción se realizaron contando las fundas elaboradas en una

hora. Los valores obtenidos se detallan en la Tabla 5.7, y la producción es

calculada a continuación:

hora fundas con producto 1 2350 2 2425 3 2458 4 2518 5 2540 6 2470 7 2570 8 2472 9 2527

10 2392

Tabla 5.7. Producción de POWER ACIDO

La cantidad de fundas promedio elaboradas en 1 hora es:

Numero de fundas = 2472 fundas

Producción = Número de fundas / 60 min

134

Producción = 2472 fundas/ 60 min

Producción = 41.2 fundas por minuto

Haciendo una proyección se tendrían los valores detallados en la Tabla 5.8 en la

producción diaria y mensual.

hora diaria mensual

Producción 2472 19776 435072

Tabla 5.8. Valores de producción

Teniendo como resultado en funcionamiento continuo de 8 horas diarias una

producción total de 19776 fundas y 435072 fundas mensuales, considerando 22

días de trabajo.

5.6.2. PALETA CON CARAMELO EN POLVO GALAXY

Los valores obtenidos se detallan en la Tabla 5.9, y la producción es calculada a

continuación:

hora fundas con producto

1 1982 2 1975 3 1990 4 1962 5 1979 6 1986 7 1976 8 1950 9 1990

10 1942

Tabla 5.9. Producción de PALETA CON POLVO GALAXY

La cantidad de fundas promedio elaboradas en 1 hora es:

Numero de fundas = 1973 fundas

Producción = Número de fundas / 60 min

Producción = 1973 fundas/ 60 min

Producción = 32.8 fundas por minuto

135

La producción de POWER ACIDO es mucho mayor que la de PALETA CON

POLVO GALAXY por motivos del tamaño de la funda y el hecho de tener que

poner la paleta manualmente. Los valores de producción se muestran en la Tabla

5.10.

hora diaria mensual

Producción 1973 15784 347248

Tabla 5.10. Valores de producción

Teniendo como resultado en funcionamiento continuo de 8 horas diarias una

producción total de 15784 fundas diarias y 347548 fundas mensuales,

considerando 22 días de trabajo.

136

CAPÍTULO 6

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

El diseño y construcción de máquinas de uso industrial es mucho más complejo y

que las de uso didáctico, por las condiciones ambientales y los largos periodos de

trabajo que realizan.

El proceso de empacado está sujeto a muchos factores que lo afectan

directamente como son: la calidad de la energía eléctrica, del aire comprimido, la

temperatura ambiente, la experiencia del operador, entre otros. De cada uno de

estos factores depende la productividad y producción de la máquina.

Los componentes eléctricos y el sistema mecánico deben ser probados

individualmente antes de trabajar o en caso de falla, de modo que no presenten

problemas al trabajar como parte del proceso.

El uso de variadores de velocidad incrementa la distorsión presente en la red y

puede generar problemas en los microcontroladores utilizados, por este motivo es

muy importante el uso de un filtro de línea que ayude a disminuir esta distorsión, y

evite problemas con los sensores y micros.

Los motores que trabajan por periodos cortos de tiempo tienen que soportar altos

picos de corriente al momento del arranque, ya que deben pasar de estar

totalmente detenidos hasta su velocidad de trabajo en fracciones de segundo. Por

este motivo los motores y variadores de velocidad utilizados deben ser

dimensionados para trabajar en estas condiciones de funcionamiento.

El control de temperatura es un factor muy importante en el proceso de empacado

ya que de este depende la calidad del empaque y por consiguiente del producto

final. El uso de controladores de temperatura es muy común en las industrias por

su facilidad de uso y buenas características de control. Con el uso del control PID

realizado se obtuvo una variación máxima de 2ºC en las mordazas de sellado

horizontal y vertical.

137

Para realizar el control de la máquina empacadora se diseño una tarjeta

electrónica, en la cual se integran las entradas, salidas e interfaz de

comunicación. Se diseñó solo una tarjeta en lugar de tres con el objeto de hacerla

más compacta y menos compleja. De esta manera se identifica que si es posible

el desarrollo de un controlador de fabricación nacional, evitando así la importación

de tecnología extranjera.

Para cumplir con el objetivo de producción de 40 fundas por minuto se realizaron

varios ajustes al sistema mecánico y de control para mejorar las características de

la empacadora. El problema más grave fue el sistema de sellado horizontal, el

mismo que luego de algunas horas de trabajo llegaba a remorderse en su eje.

Este problema fue solucionado rectificando todas las piezas mecánicas

involucradas en el proceso. Por este motivo se requiere un buen ajuste del

sistema mecánico.

La tarjeta de control realiza el encendido de las electroválvulas y contactores

mediante triacs, pero el contactor resulto ser una carga demasiado inductiva y

luego de encenderse ya no se apagaba, a pesar de ya no existir la señal de

control. Para disminuir el efecto inductivo de la bobina del contactor se puso un

capacitor en paralelo con la bobina, de este modo el encendido y apagado

funciona correctamente.

Se diseñó además un sistema de monitoreo, el mismo que sirve para ver algunos

parámetros importantes de la máquina como son: producción total, producción

útil, horas de trabajo, número de paradas diarias y valores de tiempo en cada

etapa del proceso. Adicionalmente se puede visualizar el estado de cada

elemento eléctrico de la empacadora.

138

RECOMENDACIONES

El desarrollo de maquinaria industrial en el país es muy limitado por la falta de

confianza de las empresas en la capacidad de los profesionales ecuatorianos.

Esto se debe en gran medida por la falta de iniciativa y por esta razón se

recomienda el desarrollo de tecnología útil en la industria nacional, buscando

siempre solucionar sus problemas más graves. Evitando así que se dependa de

tecnología extranjera, que es lo que pasa actualmente en muchas industrias.

Un profesional debe tener una formación integral y no solo estar centrado en su

campo de especialización. Esto ocurre actualmente debido a que no se esta

relacionando con otras carreras que complementen nuestra educación como es la

ingeniería mecánica, por ejemplo. Estos conocimientos son necesarios al

momento de trabajar en empresas que dependen requieren resolver cualquier tipo

de problemas, y en muchas ocasiones, estos no son eléctricos. Se recomienda

realizar un acercamiento a carreras con el objeto de complementar nuestra

formación.

Se recomienda el acercamiento del estudiante a las industrias locales por medio

de pasantías, visitas técnicas o proyectos de tesis. Esto hace que sea más

sencillo el contacto con industrias nacionales e incluso internacionales, para de

esta forma completar la formación personal y profesional.

139

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

LIBROS Y MANUALES

· KATSUHIKO Ogata, Ingeniería de Control Moderno, tercera edición, mexico, 1998

· ALMEIDA-CHUQUI, Automatizar e implementar el sistema de enfundado y dosificación de líquidos para una maquina de características semi industriales, 2008

· DIBUJES-TORRES, Diseño e implementación de un osciloscopio con dsPIC, 2008.

· INDUMAK, Manual de Máquinas Empacadoras Automáticas, Brasil.

· HANDYOUNG NUX, Process Temperature Controller.

· LS Industrial System, SV-iG5A User Manual.

· MICROCHIP, dsPIC30F3010/3011 Datasheet

· MICROCHIP, dsPIC30F4011/4012 Datasheet

· MICROCHIP, ds1307 Datasheet

· MIKROELECTRONICA, Users Manual for mikroC.

PAGINAS WEB

· http://www.quiminet.com/ar6/ar_ez%25B1%2522%25CFn%251D%257F.htm

· http://en.wikipedia.org/wiki/Coating

· http://www.lc-design.de/Sanyo_LC7981.pdf

· http://www.bue.de/support/archiv/pdf/mtgrman.pdf

· http://www.pacificdisplay.com/gdm/GDM-16080-00.pdf

· http://forum.lcdinfo.com/viewtopic.php?t=548

· http://www.skippari.net/lcd/forumstuff/hitachi_lmg6401plge_data.png

· http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tl497a.pdf

· http://www.gaw.ru/pdf/lcd/Chips/Hitachi/hd61830.pdf

· http://www.instructables.com/files/orig/FQQ/TMZI/FAKWQ6WF/FQQTMZIFAKWQ6WF.pdf

140

· http://www.instructables.com/id/Build-a-dsPIC-Oscilloscope-and-Spectrum-Analyzer-/Build-a-dsPIC-Oscilloscope-and-Spectrum-Analyzer-.pdf

· http://www.mikroe.com/pdf/mikroc_dspic/mikroc_dspic_manual.pdf

· http://www.forosdeelectronica.com/map.htm

141

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Polipropileno(2).- Es un material obtenido del propileno, un gas obtenido de los

procesos de craking del petróleo. Este gas sometido a ciertas condiciones de

temperatura, presión y presencia de un catalizador produce como resultado un

polímero compuesto por miles de unidades “propileno” unidas entre sí en forma

lineal.

Biorientación(2).- es un proceso en el cual se mejora las características de

polipropileno para tener un mejor material de empaque.

Coatings(4).- Son cubiertas que se ponen a los materiales para mejorar su

apariencia , adhesión, versatilidad, resistencia a la corrosión, etc. Esta puede ser

agregada como liquido, gas o sólido.

Flow pack.- Método de empacado horizontal

Sistema multicabezal(10).- Sistema de empacado por peso que utiliza varias

balanzas para realizar la dosificación de algún producto de forma irregular como

son los chifles por ejemplo. Celdas.- Sensores de peso de galgas

extenciometricas

Timer.- Temporizador interno de un micro controlador

Triac.- Elemento semiconductor utilizado para accionamiento de elementos con

120V de corriente alterna.

Backlight.- Luz de fondo del LCD

capítulo 1 introducción a las máquinas de empacado industrial

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