INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTROMECÁNICA

Ingeniería en Mantenimiento Industrial

Control Eléctrico

Implementación de un sistema de automatización al proceso de

pintado sobre las puntas de cautín

Profesora: Ing. Ana Lucía Morera B

Estudiantes:

ARIEL FONSECA RODRÍGUEZ 201037333

JEAN CARLO ARRIETA ARROYO 201013080

JULIO CESAR ARCE CALVO 200939628

PABLO ROJAS NIELSEN 201060688

RICHARD RODRÍGUEZ MURILLO 201046632

Grupo: 01

Miércoles 4 de Junio del 2014

Canadian Engineering Accreditation Board Bureau canadien d’accréditation des programmes

d’ingénierie

Carrera evaluada y acreditada por: CEA

Índice general1. Reseña de la empresa.....................................................................1

1.1. Actividad que realiza la empresa..............................................1

1.2. Ubicación..................................................................................1

1.3. Orígenes...................................................................................1

1.4. Organigrama.............................................................................2

1.5. Productos producidos...............................................................2

2. Implementación de un sistema de automatización al proceso de

pintado sobre las puntas de cautín......................................................................3

2.1. Descripción del proyecto...........................................................3

2.2. Beneficiarios..............................................................................3

2.3. Antecedentes............................................................................3

2.4. Situación que da origen al proyecto..........................................3

2.5. Problema/necesidad.................................................................4

3. Alternativas de proyecto..................................................................4

4. Alternativa Seleccionada.................................................................5

5. Objetivos..........................................................................................6

5.1. Objetivo general........................................................................6

5.2. Objetivos específicos................................................................6

6. Plan estratégico para la solución del problema...............................7

6.1. Definición del Problema............................................................7

6.2. Fortalezas y carencias..............................................................7

6.3. Asignación de actividades a los miembros...............................9

6.4. Diagrama de Gantt de las actividades....................................10

7. Justificación...................................................................................11

8. Desarrollo del proyecto..................................................................11

8.1. Marco teórico del proceso industrial.......................................11

i

8.2. Estados o etapas de eventos discretos..................................12

8.3. Entradas del sistema...............................................................13

8.3.1. Sensores.............................................................................13

8.3.1.1. Sensor de fuerza..........................................................14

8.3.1.2. Sensor de final de carrera.............................................17

8.4. Salidas del sistema.................................................................19

8.4.1. Motor a pasos......................................................................19

8.4.2. Electroválvula......................................................................22

8.5. Tipo de PLC utilizado..............................................................23

8.5.1. Características....................................................................23

8.5.2. Software con que se programa...........................................26

9. Propuesta de automatización.....................................................27

9.1.1. GRAFCET del proceso de automatización..........................27

9.1.2. Simulación...........................................................................28

9.1.3. Costo de sensores, actuadores y PLC................................29

10. Análisis económico y financiero.....................................................30

10.1. Costos de implementación......................................................30

10.2. Retorno de la inversión...........................................................31

11. Recomendaciones.........................................................................36

12. Conclusiones.................................................................................36

13. Bibliografía.....................................................................................38

ii

Índice de tablasTabla 1. Tabla de fortalezas y carencias..................................................8

Tabla 2. Asignación de los diferentes roles..............................................9

Tabla 3. Precio unitario de instrumentos a utilizar..................................29

Tabla 4. Cotización de los materiales, productos y equipos...................31

Tabla 5. Control de piezas pintadas y eficiencia del proceso.................32

Tabla 6. Cantidad de piezas por mes.....................................................33

Tabla 7. Cálculo del VAN y el TIR..........................................................35

iii

Índice de figuras Figura 1. Organigrama Prolex, S.A...........................................................2

Figura 2. Ejemplos de puntas de cautín que se realizan..........................7

Figura 3. Diagrama de Gantt..................................................................10

Figura 4. Etapas del proceso productivo................................................13

Figura 5. Puente Wheatstone.................................................................16

Figura 6. Sensor final de carrera............................................................18

Figura 7. Tipo de acción de sensor de final de carrera...........................18

Figura 8. Motor unipolar y bipolar...........................................................20

Figura 9. Motor unipolar secuencia normal.............................................20

Figura 10. Motor unipolar secuencia wave drive....................................21

Figura 11. Motor unipolar secuencia del tipo medio paso......................21

Figura 12. Engranaje de gusano tornillo elevador..................................22

Figura 13. Electroválvula normalmente cerrada.....................................23

Figura 14. Entradas y Salidas de un relé tipo LOGO!.............................26

Figura 15. Ejemplo del Software LOGO! Soft Comfort...........................26

Figura 16. GRAFCET del proceso de automatización............................27

Figura 17. Simulación del circuito...........................................................28

iv

1. Reseña de la empresa

1.1. Actividad que realiza la empresaProlex S.A. es una dependencia de TechSpray, y ambas pertenecientes a la

firma ITW (Illinois Tooling Works), su principal mercado se centra a la

exportación en compañías de Sur y Norte América, Brasil, Japón, España,

Alemania, entre otras. Es una empresa dedicada a la manufactura de artículos

para la industria electrónica desde productos de limpieza hasta su principal

producto las puntas de cautín.

1.2. UbicaciónProlex se ubica en el Parque Industrial de Cartago en Cartago, Costa Rica en

el edificio 34/35.

1.3. OrígenesLos orígenes de la empresa se remontan a la ciudad de Illinois donde la

compañía ITW se consolida en la creación de franquicias alrededor del mundo,

siendo TechSpray una de ellas, y por consiguiente Prolex S.A. una empresa

bajo sus estatutos.

1

1.4. Organigrama

Figura 1. Organigrama Prolex, S.A.Fuente: Prolex SA

1.5. Productos producidosProlex S.A. se dedica principalmente a la manufactura de puntas cambiables

para soldadura electrónica (puntas de cautín), también se dedican a

empaquetar “solder wick” (es una especie de malla para desoldar estaño) la

cual fue introducida recientemente a la línea de producción, tijeras para usos

en labores eléctricas y en el mes de Diciembre estrenaron su nueva línea de

producción en artículos de limpieza electrónicos. Cabe destacar que cuentan

con aproximadamente 1000 diseños diferentes de puntas de cautín.

2

2. Implementación de un sistema de automatización al proceso de pintado sobre las puntas de cautín

2.1. Descripción del proyectoEl proyecto a implementar en la empresa Prolex, consiste en la automatización

del proceso de pintado en las puntas de los cautines que la empresa

manufactura, los mismos actualmente cuentan con un proceso de pintado

completamente artesanal, en el cual una operaria pinta cada pieza de cautín

sumergiendo la punta en la pintura, por lo tanto viendo esta actividad se vio la

oportunidad de implementar un dispositivo mecánico controlado de manera

automática, que vuelva más eficiente el proceso en cuanto a velocidad,

precisión y costo económico.

2.2. BeneficiariosEl proyecto busca beneficiar a la línea de producción y pintura de Prolex, ya

que se busca mejorar sus indicadores a través de la automatización industrial.

2.3. AntecedentesDesde inicios de la empresa se ha dispuesto de dos operarias las cuales se

encargan de realizar las labores de introducir las puntas de los cautines en

pintura roja, pero actualmente por órdenes de superiores han tenido que

incrementar la producción por lo que las empleadas no están abarcando con la

orden requerida por lo que la empresa estaba empezando a estudiar la

implementación de una automatización por lo que este trabajo les será de

bastante utilidad para esos fines.

2.4. Situación que da origen al proyectoLas puntas de los cautines como se dijo se pintan sumergiendo la pieza una a

una en un recipiente de pintura rojo, esta pintura protege a la pieza del

siguiente proceso. Sin embargo pintar la pieza una a una es un proceso lento,

3

desgastante para el operador, además es evidente que un proceso en serie

como el que se quiere automatizar produciría más piezas que una a una.

2.5. Problema/necesidadLos cautines que se producen en Prolex, llevan un proceso cuidadoso que

garantiza la calidad de los mismos, y parte de ese proceso está en proteger las

puntas de los cautines con una pintura especial para tal propósito, evitar su

contaminación en los procesos siguientes de producción, sin embargo el

proceso de pintado es actualmente poco eficiente para la demanda que

actualmente maneja la empresa, este proceso se realiza en forma manual, dos

operarias pintan cada una de las puntas de cautín, estas puntas deben pintarse

solo una pequeña fracción de su longitud ( 5mm) y en el proceso actual al ser

manual, esta longitud varía de una pieza a otra, además que se tiene la

limitación de que las operarias solo pueden pintar un punta de cautín a la vez.

Por lo que Prolex necesita que el proceso se estandarice desde el punto de

vista que todas las puntas se pinten solo 5 mm para el siguiente proceso,

además de agilizar el proceso de pintura y hacerlo más eficiente.

3. Alternativas de proyecto Alternativa 1

Se instala un sistema de transporte de racks que comprenda desde el proceso

de maquinado hasta el de baño de recubrimiento, el operario de mecanizado

conforme vaya realizando cada una de las piezas las coloca en un rack,

cuando la misma se llene el operario activa el sistema y el rack es transportado

hasta el área de pintado, ahí el mismo baja una altura previamente programada

de manera que las puntas de cautín se pinten solo la longitud adecuada (5mm),

permanecen por unos segundos y se eleva para seguir su camino hasta el área

de descarga donde el operario del baño de recubrimiento las toma y las lleva al

siguiente proceso, y el porta racks regresa al punto inicial.

4

Alternativa 2

Se colocan las puntas de cautín en un accesorio, donde un sistema automático

de pintura en spray pintará una a una las distintas puntas de cautín, luego otro

operario las retira y las lleva al proceso siguiente.

Alternativa 3

El operario luego de tornear las piezas las coloca en un rack a un costado de

su lugar de trabajo, luego la operaria de pintura toma el rack y lo coloca en el

porta racks, el operario activa el sistema, los puntas son trasladadas hacia la

zona de pintura, aquí un pincel especial programado hace dos recorridos por

cada una de las filas del rack, luego de esto el rack es retirado con las piezas y

el mismo es llevado al siguiente proceso de manufactura.

Alternativa 4

Se implementará un sistema mecánico estático el cual consiste en una base

diseñada para recibir un rack con puntas en él. El rack se coloca en la base, la

cual está conectada a un sistema neumático, el cual bajara la base en el

momento en que el empleado le dé la orden de hacerlo mediante el PLC o relé

inteligente. La base bajara hasta introducir las puntas en el tanque de pintura y

pintarlas, a continuación el sistema sube y se detiene para que el operario

retire el rack y continúe su proceso productivo la siguiente etapa.

4. Alternativa SeleccionadaInicialmente la alternativa seleccionada fue la numero 1, pero debido a que se

estudió de mejor manera la alternativa se optó mejor por escoger la alternativa

4. La misma presenta a nuestro criterio la idea más ventajosa, ya que no

necesita tanta intervención de operarios como las otras alternativas, y es la que

mejora notoriamente los índices de producción planteados en los objetivos del

proyecto. El cambio de alternativa se originó porque se observó que no hay

necesidad de poner una banda transportadora. La colocación de esta banda no

era factible además no era rentable para el proceso genera gastos innecesarios

y volvía más caro la propuesta de diseño.

5

Como se mencionó el sistema consistirá de un accesorio principal llamado

porta rack, como se dijo antes él debe poder descender una distancia h

programada de tal forma que las puntas de los cautines alcancen el depósito

de pintura y se introduzcan una longitud de 5 mm en la reservorio, permanecer

5 segundos y nuevamente elevarse y seguir su camino, el tiempo que dura en

subir el porta rack a la posición de donde inició es suficiente para que la pintura

seque por lo tanto no hay problema en este sentido.

5. Objetivos

5.1. Objetivo general Diseñar un sistema de automatización para el proceso de pintado de

puntas de cautín, el cual contemple los requerimientos establecidos por

la empresa

5.2. Objetivos específicos Implementar un sistema de control eléctrico automatizado, en un

proceso de producción industrial a fin de mejorar la eficiencia del

mismo.

Diseñar un sistema de automatización mediante componentes

electrónicos digitales.

Implementar un sistema de automatización que se adecue en

términos económicos al presupuesto de la empresa, mediante el

análisis económico de la propuesta.

Estudiar las posibles ventajas y limitaciones relacionadas con el

ambiente de trabajo, con el fin de seleccionar e implementar el

mejor diseño de automatización.

6

6. Plan estratégico para la solución del problema

6.1. Definición del ProblemaMejorar el proceso de protección de cabezales de cautines el cual es llevado a

cabo a través de un proceso de pintado de las mismas, mediante la

implementación de un sistema de control automático que permita agilizar el

proceso y optimizarlo; para lo cual se pretende aumentar la velocidad de la línea

de pintado así como la capacidad de unidades tratadas por turno, lo anterior en

aras de mejorar indicadores de productividad.

Figura 2. Ejemplos de puntas de cautín que se realizan.Fuente: Propia

6.2. Fortalezas y carenciasA continuación se presenta una tabla en donde se recopila a groso modo las

principales actividades a llevar a cabo para la solución del problema, se expone de

igual manera una lista de carencias y fortalezas de los miembros del grupo, y de

los aspectos que se deben investigar.

7

Tabla 1. Tabla de fortalezas y carencias.

Pasos para conseguir la solución

del problema

¿Qué sabemos? ¿Qué nos hace falta saber?

¿Qué necesitamos aprender?

Establecer los pasos a

seguir para resolver el

problema.

Crear un cronograma

de trabajo para las

actividades.

Investigar sobre el

proceso productivo de

la empresa donde se

presenta el problema.

Investigar sobre

elementos de control

eléctrico y su

aplicación en procesos

industriales.

Establecer unidades

temáticas, es decir

dividir el problema en

módulos.

Se tiene noción del

comportamiento

básico de algunos

componentes

electrónicos.

El grupo de trabajo

distribuye tareas y

asume roles.

Los integrantes del

equipo de trabajo al

poseer conocimientos

en ciencias de

ingeniería tenemos

capacidad de

abstracción que

resulta beneficiosa

para el proyecto.

Se cuenta con el

apoyo del personal de

la empresa para

plantear interrogantes

y acceder a la línea de

producción.

Es difícil

establecer las

reuniones por la

disponibilidad de

cada uno de los

miembros.

Aún se

desconocen

muchos

componentes de

control eléctricos

que son de

utilidad para el

proyecto.

Falta de

experiencia de

los miembros del

equipo en la

realización de

proyectos

similares.

Asegurar que todos los

miembros del grupo de

trabajo cumplan con

sus tareas en las

fechas establecidas.

Investigar más a fondo

en libros, páginas

electrónicas y revistas

especializadas sobre

los componentes

electrónicos.

Plantear soluciones

diversas para resolver

el problema planteado

y seleccionar la más

adecuada.

Utilizar tanto criterios

técnicos, como

económicos para la

solución al proyecto.

Fuente: Propia

8

6.3. Asignación de actividades a los miembros

Tabla 2. Asignación de los diferentes roles.

Miembro del equipo de trabajo.

Papel Responsabilidad

Richard Rodríguez Murillo Líder

Programación de

actividades, reuniones y

asignación de tareas.

Jean Carlo Arrieta Arroyo Tracker

Mantener un control de

manera que se cumplan los

objetivos planteados, y que

los miembros cumplan con

sus obligaciones.

Ariel Fonseca Rodríguez Reportero

Tomar nota de los acuerdos

y de las principales

actividades en las reuniones.

Julio César Arce Calvo Secretario

Presentar los informes y

avances ante la profesora,

así como darles formato.

Pablo Rojas Nielsen Inquisidor

Realizar cuestionamientos

constructivos a las ideas

planteadas y ver las

deficiencias de las mismas.

Fuente: Propia

9

6.4. Diagrama de Gantt de las actividades

Figura 3. Diagrama de Gantt. Fuente:Propia

10

7. JustificaciónLa meta principal del presente proyecto es automatizar un proceso de pintado

de puntas de cautín para evitar que en los siguientes procesos las mismas se

impregnen de los componentes utilizados en esos procesos. Dicha

automatización se pretende lograr con la utilización de sensores de distancia y

movimientos, además se necesitan actuadores neumáticos. Se pretende

incrementar la producción, ya que se podrían procesar lote de piezas por turno,

en vez de solo una pieza a la vez como se hace ahora, esto agiliza el proceso,

entre el proceso previo y posterior al de pintura.

8. Desarrollo del proyecto

8.1. Marco teórico del proceso industrialExplicación en detalle de cada subproceso productivo:

Recepción y almacenamiento de materia prima: La materia prima en

este caso las barras de cobre son recibidas y luego algunas se van

directamente al siguiente proceso y las que no se utilizaran por el momento se

guardaran en bodega para su posterior mecanizado.

Proceso de mecanizado: las piezas de cobre en forma de barra son

llevadas a los tornos, ahí los operarios se encargan de maquinarlas, y así de

esta forma darle, los diferentes perfiles a los cautines según sea el caso, y se

pasan al proceso de pintura.

Proceso de pintura: las puntas de cautín son llevadas al área de pintura,

donde uno por uno se pintan (las puntas) con el fin de al recubrirlas de pintura

así evitar la adhesión de los materiales del baño a dicha área, además una vez

pintadas se corroboran la medidas una a una utilizando un pie de rey.

Protección de las puntas cautines: las puntas de cautín son colocados

en un rack y son rodeados de alambre de cobre para evitar la

11

sobreacumulación de los elementos de los baños como lo son el hierro, níquel

y estaño.

Electrólisis de níquel y baños: Las puntas de cautín son colocadas en un

porta racks, los mismos se introducen en un tanque que contiene una

disolución ya sea de hierro, de estaño o de níquel. La temperatura de la

disolución es de 142˚C, las puntas se dejan dentro del tanque alrededor 5

minutos, luego se retiran y se dejan secar, para pasar a la siguiente etapa del

proceso.

Inspección minuciosa y empacado: se revisan las puntas de cautín una

por una con el fin de detectar errores, en caso de no existir anomalías se pasan

al área de empacado.

12

8.2. Estados o etapas de eventos discretos

Figura 4. Etapas del proceso productivo.Fuente: Propia

8.3. Entradas del sistema

8.3.1. Sensores

Un sensor es un dispositivo que detecta variaciones en magnitudes físicas y las

convierte en variables eléctricas; dicha señal eléctrica depende del valor de la

variable física.

13

Las magnitudes que es capaz de medir un sensor son: temperatura, luz,

magnetismo, presión, fuerza, desplazamiento, ángulo, aceleración, vibración,

par, inclinación, etc.

8.3.1.1. Sensor de fuerza

Características de un sensorEs de dicha importancia conocer las características de los sensores ya que a

partir de estos valores, permitirá la correcta elección y funcionamiento de este.

A continuación se mencionan las características a tomar en consideración.

Rango: Dominio para las variables de entrada y salida.

Exactitud: Error de medida máximo esperado entre las señales medidas.

Repetitividad: Capacidad de repetir varias veces la misma medida con

un error esperado.

Resolución: Magnitud más pequeña que el sensor es capaz de detectar.

No-linealidad: Zonas de saturación, zona muerta, histéresis, etc.

Sensibilidad: Razón de cambio de la salida frente a cambios en la

entrada.

Excitación: Fuente eléctrica necesaria para el funcionamiento.

Ruido: Fuente externa capaz de alterar la lectura del sensor.

Tiempo de Respuesta: Cuanto tarde en responder el sensor a cambios.

Esto está ligado a: Tiempo de retardo, tiempo de subida, tiempo de pico,

pico de sobreoscilación y tiempo de establecimiento.

Una de las entradas primordiales de nuestro sistema va a ser el nivel de pintura

en donde se sumergen las puntas de cautín. El proceso propuesto requiere que

las puntas se sumerjan una determinada profundidad (se toma como distancia

base de 5 mm; puede variar dependiendo del tipo de punta que se desee

tratar). Como podemos ver es necesario de una gran precisión para que poder

realizar el pintado. Debido a que los sensores de nivel disponibles en el

mercado tienen una precisión insuficiente para esta aplicación se propone la

siguiente alternativa.

La medición del nivel de la pintura en el recipiente se puede realizar

indirectamente mediante la medición de la masa de la pintura que contiene si el

sistema se encuentra bajo los siguientes supuestos:

14

La densidad de la pintura es prácticamente constante durante el

funcionamiento del sistema. Esto incluye el proceso de rellenado con la

nueva pintura. En caso de que se utilice una pintura con una densidad

diferente se necesitará de una nueva calibración del sistema.

El rellenado de la pintura se realice de manera suave en

intervalos cortos de tiempo. Esto con el fin de que el nivel de la pintura

se mantenga uniforme.

La masa y el volumen del recipiente no cambian durante el

proceso. Además el recipiente tiene un área transversal constante.

La pintura es un fluido incompresible.

La temperatura del proceso sea prácticamente constante.

La aceleración debido a la gravedad sea constante durante el

proceso.

El recipiente que contiene la pintura se encuentre nivelado de tal

forma que del fondo del mismo al nivel de la pintura exista la misma

distancia en todos los puntos del mismo.

Para realizar la medición se siguen los siguientes cálculos:

Primero se mide la masa de la pintura (la medición de la masa de la pintura se

explicará más adelante). Como sabemos la densidad, la masa y el volumen

están relacionados linealmente mediante la siguiente ecuación:

ρ=mV

Donde ρ=densidad, m=masa, V=volumen

Tomando en cuenta que el recipiente no sufrirá ningún cambio de masa ni de

volumen, ni su densidad variará con el tiempo durante el proceso, además la

densidad de la pintura es constate; entonces podremos deducir una ecuación

que relacione el volumen de la pintura en función de la masa:

ρR¿V R+¿mR+m P

ρP=V P¿

15

Ahora suponiendo que el recipiente es un prisma rectangular con las medidas

internas de ancho a largo l y altura del nivel h, podremos saber cuanto es la

altura del nivel de la pintura con respecto al fondo del recipiente.

ρR¿V R+¿mR+m P

ρP∗a∗l=h¿

Determinación de la masa: La masa del sistema se puede determinar mediante

varios métodos: balanza, o indirectamente mediante una galga

extensiométricas o un sensor piezoeléctrico. Debido a la alta precisión

requerida y al tipo aplicación que se requiere se opta por uno del tipo galga

extensiométricas. Estos tienen una alta precisión además de comportasen

linealmente cuando son sometidos a cargas estáticas a largo plazo. Según el

fabricante de las galgas extensiométricas HBM, las galgas están construidas

con materiales que cambian su resistividad eléctrica en función de la

deformación elástica del material al aplicarle una fuerza. Este cambio en la

resistividad eléctrica puede ser medido y convertido a una señal de voltaje

mediante un puente Whitestone.

Figura 5. Puente Wheatstone.Fuente: www.elimperioelectricista.com

En nuestro caso podemos medir la fuerza que ejerce el recipiente y la pintura

sobre un sensor de este tipo y calcular la masa de la pintura en un instante de

tiempo.

F=(mR+mP )∗g

16

En donde

F=fuerzamedida conel sensor, g=aceleracióndebido a la gravedad.

Ahora podemos saber la altura del nivel de la pintura respecto al fondo del

recipiente en función de la fuerza ejercida por la pintura y el recipiente sobre el

sensor.

ρR ¿V R+Fg

ρP∗a∗l=h

Para la implementación de este problema vamos a utilizar SM2 de la marca

HBM el cual es medidor de fuerza de alta precisión para propósito tales como

máquinas de medición de fuerzas, bancos de ensayos, líneas de producción y

pruebas de desarrollo. Este sensor estará ubicado entre la base principal y el

recipiente que contiene la pintura. Se utilizará para medir la fuerza ejercida por

la masa del recipiente y la masa de la pintura. Si esa medición no está dentro

de ciertos valores aceptables, se abrirá la electroválvula para dejar ingresar

más pintura al recipiente.

El costo de 3 sensores SM2 de la marca HBM es de 420000 colones.

8.3.1.2. Sensor de final de carreraLos sensores de final de carrera también conocidos como interruptores de

posición, son interruptores que detectan la posición de un elemento móvil

mediante un accionamiento mecánico, son se suma importancia en los

sistemas en los cuales se desea detectar la llegada de un elemento a una

determinada posición, existen diferentes tipos de sensores que cambian en el

elemento móvil que genera la señal eléctrica de salida, existen los de bisagra,

palanca con rodillo, de pulsador, entre otros., al existir contacto con este

elemento móvil se envía una señal eléctrica al PLC para reiniciar el sistema.

Este tipo de sensor consiste en 2 partes: un cuerpo donde existen los contactos

y una cabeza que detecta el movimiento, en la figura 5 se muestra la

configuración de un sensor de final de carrera, con un sistema que lo activa de

manera lateral.

El accionador es la parte del interruptor donde entra en contacto con el objeto

que se está detectando, mientras que la cabeza es donde se encuentra el

17

mecanismo que transforma el movimiento del accionador en movimiento de

contacto, entonces si el accionador se mueve correctamente se accionan los

contactos del interruptor.

Figura 6. Sensor final de carrera.Fuente: www.empresadetrabajo.com

Se requiere de un sensor que detecte cuando el rack regresa al punto inicial y

con esto se reinicie el número de pasos que se registraban en ese motor y

poder facilitar el manejo de la distancia que se debe mover el motor para lograr

que las puntas se sumerjan la distancia requerida, además se debe considerar

que tanto el botón de inicio como el sensor de final de carrera deben estar

presentes para que se inicie el proceso. Para la selección del sensor se buscó

uno que se active con una acción como la que se muestra en la figura 6.

Figura 7. Tipo de acción de sensor de final de carrera.Fuente: www.empresadetrabajo.html

El sensor utilizado es uno ABB de la serie LS-M11, con tipo de actuador de

pistón plano y trabaja con 12 V y a un precio de 26000 colones.

18

8.4. Salidas del sistema

8.4.1. Motor a pasos

Un motor paso a paso es aquel que gira un determinado ángulo cuando se

aplica la tensión requerida en las terminales, la dirección de giro va a depender

de la secuencia de activación de las bobinas que forman el estator del motor.

Los motores a pasos tienen una alta precisión, una frecuencia de trabajo

variable, insensibilidad a las vibraciones, son utilizados en impresoras, discos

duros, unidades de discos flexibles, CNC.

El principio de funcionamiento de un motor a pasos se basa en el hecho de que

dos imanes enfrentados tienden a orientarse de forma que el polo norte de uno

de ellos esté alineado con el polo sur del otro. En un motor paso a paso el

estator está compuesto por varias bobinas de forma que al aplicar tensión a

alguna de ellas se crea un campo magnético en su interior, apareciendo en los

extremos de la bobina un polo norte y un polo sur (la polaridad de la bobina

depende del sentido de circulación de la corriente y del sentido de los

devanados). El eje (rotor) del motor, que está unido a un imán, se alinea con

esa bobina de forma que el polo sur del imán se orienta hacia el polo norte de

la bobina a la que se está aplicando tensión. La aplicación de tensión a la

siguiente bobina producirá el giro del rotor un paso. Existen motores a pasos

unipolar y bipolar, el unipolar tiene 5 o 6 cables donde 2 de estos corresponden

a comunes y los otros 4 a las bobinas, mientras que en uno bipolar existen 4

cables, la configuración se muestra en la figura 7.

Figura 8. Motor unipolar y bipolarFuente: www.empresadetrabajo.html

19

Para los motores unipolares existen 3 tipos de secuencia para controlar el

motor la secuencia normal, la tipo wave drive y tipo medio paso, en la figura 8,

9 y 10 se muestra la secuencia.

Figura 9. Motor unipolar secuencia normal.Fuente: www.empresadetrabajo.html

Figura 10. Motor unipolar secuencia wave drive.Fuente: www.empresadetrabajo.html

20

Figura 11. Motor unipolar secuencia del tipo medio paso.Fuente: www.empresadetrabajo.html

En este caso se va a emplear un motor a pasos unipolar de 1,8° por paso con

un tipo de secuencia wave drive, que tendrá el eje acoplado a un sistema

conocido como engranaje de gusano tornillo elevador que convierte el

movimiento circular del eje del motor en rectilíneo del tornillo sin fin que al final

tiene un acople que se va a unir al rack y permite el movimiento de las puntas

hasta la pintura y su posterior regreso, el sistema se muestra en la figura 11.

21

Figura 12. Engranaje de gusano tornillo elevador.Fuente: www.empresadetrabajo.html

Para la selección del motor se consideró que se necesitan de un alto torque es

por esa razón que se eligió el motor unipolar Lin Engineering Modelo 5718M-04

con un torque de 0,92 Nm y con una inercia de 1,5 oz-in2 y con avance de 1,8°

por paso y una corriente de 1 A por fase con un precio de 38000 colones.

8.4.2. ElectroválvulaUna electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el

flujo de un fluido a través de una tubería. Dicha válvula se activa cuando una

corriente eléctrica pasa por una bobina solenoidal. A continuación se muestra

una corte transversal de una electroválvula normalmente cerrada para conocer

los componentes que la conforman.

22

Figura 13. Electroválvula normalmente cerrada.Fuente: www.empresadetrabajo.html

La electroválvula será la encargada del rellenado del recipiente que contiene la

pintura. Después de que el detector de fuerza envíe la señal debido a la falta

de pintura, la electroválvula recibirá la señal del PLC con el objetivo de agregar

más pintura. El sistema trabajará en conjunto con el sensor de fuerza para

cuando se alcance el nivel requerido, la válvula deje de suministrar pintura.

8.5. Tipo de PLC utilizado

8.5.1. CaracterísticasSe utilizará un relé inteligente LOGO! de marca Siemens, el mismo está

conformado por la fuente de alimentación, unidad central de procesamiento

(CPU), una memoria, y las unidades de entrada y salida. A continuación se

explica cada una de ellas.

La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el

funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. La alimentación del CPU

puede ser corriente continua a 24 Vcc, tensión muy frecuente en cuadros de

distribución, o en alterna a 110 / 220 VAC. En el apartado de Entradas/Salidas

sean analógicas o digitales, se menciona su respectivo voltaje.

La función principal del CPU es controlar y gobernar las tareas. Este, por medio

de sensores de proceso y el programa de control almacenado en la memoria,

analiza los datos recibidos y a partir de dichos datos, ejecuta las instrucciones

23

del programa a los dispositivos de salida. Este proceso se realiza de una

manera continua y cíclica. El CPU está conformado por un microprocesador, un

reloj (generador de onda cuadrada) y algún chip auxiliar. Donde el

microprocesador es el encargado de realizar una gran cantidad de

operaciones, como lo son:

Operaciones de tipo lógico

Operaciones de tipo aritmético.

Operación de lectura y modificación de datos.

Operaciones de entrada - salida

Operaciones de control de la transferencia de la información

dentro del autómata.

La memoria del PLC es donde se almacena y ejecuta la secuencia de

operación. La secuencia almacenada es de forma binaria (0 y 1) y es utilizada

por la Unidad Central de Procesamiento (CPU). Dentro de la unidad de

almacenamiento se encontrará:

Datos del proceso

Señales de planta, entradas y salidas

Variables internas, de bit y de palabra

Datos alfanuméricos y constantes

Datos de control

Instrucciones de usuario (programa)

La memoria del relé está constituida por dispositivos semiconductores tipo

RAM (Random Access Memory), ROM (Read-Only Memory), y tipos de

memoria de acuerdo a su volatilidad y forma de borrado. A continuación se

mencionan:

RAM: Memoria de lectura y escritura.

ROM: Memoria de solo lectura, no reprogramable.

EPROM: Memoria de solo lectura, reprogramables con

borrado por ultravioletas.

24

EEPROM: Memoria de solo lectura, alterables por medios

eléctricos

Los circuitos de entrada/salida (E/S) o I/O (Input/Output; por sus siglas en

inglés) están físicamente conectados a los sensores y actuadores que se usan

en el control de una máquina o proceso. Proporcionan una interfaz entre el

CPU y los sensores y actuadores.

Las entradas digitales transmiten un estado binario (0 ó 1) del proceso. Las

salidas digitales se activan o desactivan como producto de la ejecución del

programa por parte del CPU. Por lo general, se utilizan tarjetas de entradas de

24 VDC y salidas de 24VDC pero es posible encontrar en la industria PLC de 110

VAC y 220 VAC. Existen entradas y salidas de 8, 16 y 32; puede haber una

mezcla de ambas.

Estas tarjetas son normalmente de 2, 4, 8 o 16 entradas/salidas analógicas. El

rango más frecuente, a los que opera un PLC con E/S analógicas, es de 4 a 20

mA (miliamperios) y 0 a 10 VDC. También se puede encontrar con rangos de 0 a

20 mA, 1 a 5 V, 0 a 5 V. Las tarjetas analógicas tienen la capacidad de

interpretar el valor analógico y lo convierte, internamente, en un valor digital

para su debido procesamiento en el CPU.

El aspecto físico externo de un PLC es muy variado y está vinculado al lugar de

confección (americano o europeo). A continuación se muestra los dos tipos de

estructura:

Estructura Compacta: Todos los elementos están contenidos en

una sola unidad pero con la posibilidad de ser expansibles

mediante módulos o unidades compactas adicionales. Potencia

baja para máquinas pequeñas.

Estructura semimodular: Separa las E/S del resto del PLC, de tal

forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU,

memoria de usuario o de programa y fuente de alimentación y

separadamente las unidades de E/S. Los controladores lógico

programables de gama media son los que suelen tener una

estructura semimodular (Americana).

25

Figura 14. Entradas y Salidas de un relé tipo LOGO!Fuente: Manual del LOGO!

Los lenguajes de programación para el relé son los siguientes:

Diagrama Escalera (Ladder)

Diagrama de Bloques

8.5.2. Software con que se programaEl software que se va a utilizar es el LOGO! Soft Comfort de la marca Siemens.

Figura 15. Ejemplo del Software LOGO! Soft Comfort. Fuente: Propia

9. Propuesta de automatización

9.1.1. GRAFCET del proceso de automatización

26

Figura 16. GRAFCET del proceso de automatización. Fuente: Propia

27

9.1.2. Simulación

Figura 17. Simulación del circuito.Fuente: Propia

28

9.1.3. Costo de sensores, actuadores y PLC

Tabla 3. Precio unitario de instrumentos a utilizar.

Instrumento Costo Unitario Cantidad

Relé inteligente

LOGO! Marca:

Siemens

91000 colones 1

Sensor de final de

carrera marca: ABB,

serie LS-M11

26000 colones 1

Sensor SM2 de la

marca HBM140000 colones 3

Motor Paso a Paso

unipolar marca Lin

Engineering

38000 colones 1

Fuente: Elaboración Propia

29

10. Análisis económico y financieroUn aspecto importante a considerar en el tema económico, es la selección del

distribuidor de los productos. Se requiere que el distribuidor o vendedor

adquiera un carácter formal en cuanto al soporte técnico de los equipos

utilizados. Se tiene como primera opción los distribuidores del país. En caso de

que se requiera importar alguno de los productos o equipos se deben tomar las

previsiones correspondientes en cuanto a la importación y el soporte técnico.

Así mismo se debe garantizar que los productos y equipos adquiridos tengan

disponibilidad de repuestos, es decir que ante un eventual daño de alguno de

estos, no se tenga el inconveniente de no contar con la manera de cómo

cambiarlo y se deba que rediseñar el sistema.

10.1. Costos de implementaciónEl costo de implementación del sistema está relacionado directamente

con el costo de los productos y equipos, además de los posibles costos de no

producción relacionados con la implementación. A continuación se desarrollan

con mayor detalle los mencionados anteriormente.

La realización de la cotización depende de una selección adecuada de

los equipos los cuales deben satisfacer con las condiciones de precisión del

proceso. Además es importante mencionar que el alcance de este trabajo está

relacionado con la parte de control eléctrico del sistema, haciendo solamente

mención sobre la parte de la construcción mecánica del sistema. Se le da un

costo simbólico y aproximado con el fin de sintetizar el análisis. En la tabla 4 se

muestran los costos de los diferentes productos y equipos utilizados. La mano

de obra necesaria para el montaje del sistema se excluye del costo y se

supone que se utilizarán los técnicos de la empresa. Esta cotización es

preliminar y supone una primera aproximación al costo del proyecto.

El costo inicial de este proyecto nos lleva a la suma de 875 mil colones

para la construcción y puesta en marcha. A este monto se deben agregar los

costos operativos inherentes del proceso.

30

Tabla 4. Cotización de los materiales, productos y equipos.

Cantidad Producto Marca/modelo Precio

1 Relé inteligente Siemens/LOGO!, ₡91 000

1 Sensor de final de carrera ABB, serie LS-M11 ₡26 000

3 Sensor SM2 HBM ₡420 000

1 Motor Paso a Paso unipolar Lin Engineering ₡38 000

1 Estructura mecánica Mecanizado externo ₡ 250 000

1 Cableado eléctrico Calibres varios ₡ 50 000

Total ₡1 715 000

Fuente: elaboración propia.

Al momento de instalar el mecanismo de automatización en la

empresa no se tendrá impacto directo en la productividad, debido a que la

empleada actual se reubicaría de lugar a un espacio libre en la empresa, y ella

seguiría ejerciendo sus labores de pintado sin ningún tipo de inconveniente.

10.2. Retorno de la inversiónPara el proceso de pintado se tiene fijada una meta que consiste en

lograr pintar un total de 2000 piezas por día de cada tipo de punta previamente

definida, pero se tiene el problema de que en la mayoría de los casos no se

logra la meta aun teniendo 2 empleadas trabajando en el proceso. En la figura

18 se muestra una parte del control de proceso para el mes de febrero de este

año, donde se aprecia que la meta no siempre se alcanza, a pesar que existen

días donde se sobrepasa la meta, la eficiencia parcial así lo muestra donde

solo en un caso se logra superar el 100%.

31

Tabla 5. Control de piezas pintadas y eficiencia del proceso

FechaColaborad

or Pieza Meta diaria

Tiempo en

horas

Cantidad producida

Meta parcial

Piezas por

hora

Eficiencia parcial Turno

2/17/2014Ana

RamirezC245-955 2000 0.5 57 137.9 114.0 41.33% 1

2/5/2014Marianela

Alvarez HS-5875 2000 0.8 211 206.9 281.3 101.98% 2

2/10/2014Marianela

AlvarezMTA

021-20 2000 1.5 90 413.8 60.0 21.75% 2

2/11/2014Marianela

Alvarez HS-0925 2000 1.5 96 413.8 64.0 23.20% 2

2/25/2014Ana

RamirezC245-754 2000 2.7 175 736.6 65.5 23.76% 1

2/3/2014Marianela

Alvarez1128-

1008-KB 2000 0.5 35 137.9 70.0 25.38% 2

2/3/2014Marianela

Alvarez1124-

1010-KB 2000 0.5 36 137.9 72.0 26.10% 2

2/24/2014Marianela

AlvarezMTA

035-20 2000 7.5 572 2069.0 76.3 27.65% 2

2/11/2014Ana

Ramirez7016-0050 2000 1.3 96 344.8 76.8 27.84% 1

2/24/2014Marianela

Alvarez 00-0315 2000 0.5 47 137.9 94.0 34.08% 2

2/7/2014Manuel Aguilar

C245-754 2000 2.2 210 598.6 96.8 35.08% 1

2/3/2014Marianela

Alvarez1128-

1009-KB 2000 0.3 32 91.0 97.0 35.15% 2

2/6/2014Ana

Ramirez HK-0881 2000 0.7 72 184.8 107.5 38.96% 1

2/14/2014Ana

RamirezMS-

0201LF 2000 1.0 110 275.9 110.0 39.88% 1

2/12/2014Ana

Ramirez HS-0925 2000 3.6 425 1001.4 117.1 42.44% 1

2/11/2014Marianela

Alvarez7017-5480 2000 1.0 125 275.9 125.0 45.31% 2

2/25/2014Marianela

Alvarez7070-0980 2000 1.0 125 275.9 125.0 45.31% 2

2/12/2014Ana

RamirezMS-4120 2000 2.0 250 551.7 125.0 45.31% 1

2/8/2014Ana

Ramirez7017-1012 2000 1.3 170 366.9 127.8 46.33% 1

2/28/2014Ana

Ramirez

TIP-2.4 MM

HALF V 2000 0.8 102 206.9 136.0 49.30% 1

2/3/2014Ana

RamirezC245-732 2000 0.3 45 91.0 136.4 49.43% 1

2/4/2014 Ana C245- 2000 0.3 45 91.0 136.4 49.43% 1

32

Ramirez 732

2/6/2014Marianela

AlvarezC245-754 2000 1.5 210 413.8 140.0 50.75% 2

2/12/2014Marianela

AlvarezMTA

021-20 2000 5.0 700 1379.3 140.0 50.75% 2Fuente: Elaboración propia.

En la tabla se muestran la cantidad de piezas que se pintan por mes así como

la cantidad de horas empleadas.

Tabla 6. Cantidad de piezas por mes

Meses Enero Febrero Marzo Abril PromedioHoras 142.9 228 328.1 164.2 215

Cantidad piezas 42730 66416 102948 57821 67478Tipos de pieza 95 141 192 106 NA

Fuente: Elaboración propia.

En el proceso propuesto se tiene un sistema que es capaz de pintar 80

piezas tardando un tiempo de 2 minutos, considerando el montaje y

desmontaje del molde donde se colocan las piezas, con esta consideración y

asumiendo un tiempo de trabajo de 8 horas y necesitando de un solo operario,

se calculó la cantidad de piezas que se pueden pintar en un mes como se

muestra a continuación.

P=80 piezas∗60min∗24h∗30dias2min∗1hora∗1d ía∗1mes

=1728000 piezas /mes

P=cantidad de piezas por mes

Se puede notar la ganancia que se puede tener en cantidad de piezas además

de la mejora en la precisión ya que se reduce la intervención humana, desde

luego se debe aumentar la producción de piezas en el proceso de torneado

esto para aprovechar el aumento en el proceso de pintura.

Se puede verificar que si deseáramos la misma cantidad de piezas que en el

proceso manual, se necesitaría un molde con capacidad de solo 4 piezas, se

puede notar la mejora del proceso ya que el molde que se propone es de

capacidad de 80 piezas por lo tanto se estarían generando 76 piezas más, en

menos tiempo y con menor intervención humana.

33

67478 pie zasmes

=M piezas∗60min∗24h∗30dias2min∗1hora∗1d ía∗1mes

M=cantidad de piezas en molde asumiendo misma producción

Además se puede verificar que el tiempo para cubrir las 67478 piezas al mes

considerando el molde de 80 piezas equivale a 29 horas en contraste a las 215

horas que se tarda en la actualidad.

Asumiendo que el sistema se implementa y que la cantidad de piezas a

producir se desea que se mantenga constante y sabiendo que la ganancia

por pieza es de 243 colones, se puede verificar que el costo del proyecto que

es de 875000 colones se puede cubrir con las ganancias de las primeras

3600 piezas por lo tanto en una semana ya se cubre la inversión inicial ( se

debe considerar que algunas semanas se produce menos de 3000 piezas y

otras sobre pasa las 4000), desde luego que si se aumenta la producción de

puntas de cautín desde el área de torneado se pueden tener ganancia

mayores.

Si se aumenta la producción se puntas de cautín de forma tal que el sistema de

pintura este trabajando por 8 horas al día se obtiene una ganancia que se

muestra a continuación:

Ganancia por mes=cantidad de piezasalmes∗ganancia por piezas

Ganancia por mes=1728000∗243=420millones

En la actualidad la ganancia es la siguiente:

Ganancia por mes=cantidad de piezasalmes∗ganancia por piezas

Ganancia por mes=67478∗243=16,5millones

Con el sistema propuesto se puede cumplir la meta de 2000 piezas

diarias y basándose en esto se tiene la siguiente ganancia:

Ganancia por mes=2000∗243∗20=9720000colones

Con esto se obtiene un VAN de 26 millones y un TIR de 491%, proyectado a 4

años desde luego se tiene una ganancia considerable ya que el VAN es mucho

mayor a cero y el TIR es mayor a la tasa de oportunidad, criterios

fundamentales para la selección de una alternativa.

34

Tabla 7. Cálculo del VAN y el TIR

tasa de oportunidad 12%Año

0 1 2 3 4Inversión -1875000Ganancia 9720000 9720000 9720000 9720000Costo mensual -500000 -500000 -500000 -500000FNE -1875000 9220000 9220000 9220000 9220000

VAN 26129360,98TIR 491%

Fuente:Propia

35

11. Recomendaciones Evaluar la posibilidad de automatizar otros procesos para

complementar con el proyecto planteado en este informe.

Contar con una disposición al cambio, perder el miedo a la

automatización, para así agilizar los procesos dentro de la empresa.

Formar y capacitar al personal dentro del ámbito de la automatización

para que estos realicen futuros proyectos y efectúen el correcto

mantenimiento a estos equipos.

12. Conclusiones Se diseñó un sistema de automatización que cumple con los

requerimientos de la empresa

Al utilizar un sistema de automatizado, para pintar puntas de cautín,

agiliza los tiempos de proceso y permitirá a la empresa ser más

competitiva en el mercado internacional.

Se comprobó la importancia de realizar análisis económicos para

realizar proyectos compatibles con la capacidad económica de la

empresa.

Se logró realizar un diseño de un sistema automatizado el cual emplea

componentes electrónicos comunes en el mercado.

Se logró diseñar una solución de automatización que cumple con los

requisitos de producción de la empresa (precisión de pintado)

Mediante el uso del software Soft Comfort para el relés inteligentes tipo

LOGO! de la marca Siemens, se logró aprender el uso del sistema de

bloques y sus funciones.

Se aprendió a trabajar en equipo y ser puntual ya que cada uno realizó

su tarea asignada en el tiempo dado, pero también se efectuó reuniones

de trabajo para completar las tareas más pesadas; programación, visitas

a la empresa e investigaciones.

36

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http://www.docentes.unal.edu.co/hfvelascop/docs/CLASES/DIGITALES2/

LABORATORIO/Motor%20Paso%20a%20Paso.pdf

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