PROYECTO 1 AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS NEUMÁTICOS DISCRETOS DISEÑO GRAFCET

AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS NEUMÁTICOS DISCRETOS MÁQUINA PERFILADORA DE MATERIALES PLANOS

DISEÑO CON MÉTODO GRAFCET

DANIEL ARTURO AGUILAR ERAZO

Implementación de lógica programada por medio del método GRAFCET en relé programable ZELIO de TÉLE MECANIQUE, para el control de un proceso

neumático.

INTRODUCCIÓN

Dentro del campo teórico, presente en la automatización de procesos neumáticos discretos, se han visto diferentes temáticas básicas las cuales brindan las herramientas necesarias para la implementación de procesos neumáticos entre las que podemos mencionar: los fundamentos básicos de neumática, desarrollo de instalaciones de tuberías para transmisión de aire de instrumentos para procesos neumáticos, tipos de tuberías, problemas comunes con instalaciones de tuberías como pérdidas, condensación de aire, oxidación de elementos, control de presiones; mandos lógicos neumáticos, compuertas neumáticas, formas de cableado, electro neumática, etc. Ahora, para el desarrollo del control neumático se contó, en primera instancia, con el manejo de las compuertas lógicas, que le brindaban inteligencia y capacidad al proceso, para el desarrollo de tareas simples que se podrían ver dentro de un proceso de manufactura industrial. Entre los problemas vistos a la hora de la implementación de ese tipo de soluciones, se encuentra: la cantidad de cableado desde el distribuidor de aire a todos los componentes del circuito neumático, las fugas de aire por la saturación de mangueras e implementos neumáticos en el desarrollo del proceso, el alto gasto de aire de instrumentos para el desarrollo de la lógica de control neumática y del manejo del proceso como tal y la comprensión de toda una lógica cableada que, dependiendo de la complejidad en los requerimientos del proceso y la necesidad de entradas y salidas en el sistema, puede llegar a ser inentendible y de difícil implementación. Ante procesos neumáticos en donde ya se necesita el control de muchas variables de entrada y de salida, y funcionamientos en donde el manejo de compuertas para su desarrollo e implementación presentaría una complejidad demasiado alta, surge la lógica programada y los dispositivos lógicos programables (PLC, Relés Inteligentes, Microcontroladores, etc.) Dentro de las ventajas que presentan este tipo de dispositivos es que son compactos y presentan distribución de entradas y salidas, las cuales pueden ser configurables según la necesidad del usuario ante el proceso en sí, pueden ser programados por medio de software específicos según el PLC o Relé por fabricante, bajo diferentes lenguajes de programación conocidos (LADDER, Lista de Instrucciones, Bloques de funciones, Lenguaje C, etc.) en donde brinda una mayor facilidad en la implementación de funciones complejas y lógicas en donde se pueden incluir temporizaciones, contadores, manejo de

señales analógicas, e inclusive controles a niveles complejos para tratamiento de variables en plantas industriales. Además presentan la posibilidad de supervisión y control de variables del proceso en sí, para su gestión por medio de alarmas, paros de emergencia, entre otras medidas de seguridad y mantenimiento. Ante ello, en este trabajo se pretende desarrollar el control de un proceso neumático, por medio de un RELÉ PROGRAMABLE ZELIO de la marca TÉLE MECANIQUE de SCHNEIDER ELECTRIC, programándolo bajo el método GRAFCET el cual es un método de etapas y transiciones, ideal para procesos discretos y el cual nos permite mirar etapa por etapa el funcionamiento total del proceso y nos brinda una base gráfica para la programación del dispositivo ya sea en GRAFCET o en los diferentes lenguajes de programación antes mencionados. Todo esto, además del desarrollo de la implementación del proceso con los elementos neumáticos y electro neumáticos necesarios. Con esto esperamos detallar las ventajas de trabajar con un dispositivo lógico programable y ver la aplicabilidad que pueden tener dentro del marco de los diferentes procesos industriales existentes en el mundo. Esperamos disfruten de nuestro trabajo.

1. MÁQUINA PERFILADORA DE MATERIALES PLANOS

En la siguiente ilustración, podemos apreciar un modelo general de una máquina perfiladora de materiales planos.

Ilustración 1. Modelo general de la Máquina Perfiladora de Materiales Planos.

1.1. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA A NIVEL GENERAL.

Dentro de los requerimientos de funcionamiento que presenta este proceso en

cuestión, encontramos los siguientes:

Este sistema cuenta con lo siguiente:

ENTRADAS DEL PROCESO NEUMÁTICO:

o BOTONES: START, STOP, PARO EMERGENCIA y REARME.

o SENSORES: SENSOR DE MANO y SENSOR DE PIEZA.

Total de Entradas del sistema: 6 Entradas.

SALIDAS DEL PROCESO NEUMÁTICO:

o CILINDROS: CILINDRO A, B y C. Los cuales son CILINDROS DE

DOBLE EFECTO, es decir que cada cilindro cuenta con 2

entradas (para salida y retroceso del pistón.)

o LUCES: LUZ INDICADORA DE POSICIONAMIENTO DE PIEZA.

o ALARMA: ALARMA INDICADORA DE TÉRMINO DE

PERFILACIÓN DE PIEZAS.

Total de Salidas del sistema: 8 Salidas.

El funcionamiento total del sistema es el siguiente:

Cuando se presiona el Botón START, el sistema queda listo para comenzar.

Hay que tomar en cuenta que si se encuentran presionados los botones STOP

ó PARO DE EMERGENCIA, se le dará prioridad al estado de reinicio total del

sistema que brinda el botón STOP, o al estado de emergencia que brinda el

botón PARO DE EMERGENCIA respectivamente.

La pieza del material a ser perfilado, se debe introducir manualmente y su

posición correcta es detectada por un sensor (SENSOR DE PIEZA) y

señalizada mediante una LUZ (LUZ INDICADORA DE POSICIONAMIENTO

DE PIEZA). Esta LUZ siempre se encenderá cuando el SENSOR DE PIEZA

detecte la pieza de material en la posición designada, es decir que la LUZ

siempre va DIRECTAMENTE RELACIONADA con el SENSOR DE PIEZA.

Además el funcionamiento total del proceso de perfilado de materiales planos

depende de que siempre el SENSOR DE PIEZA detecte que la PIEZA esté en

su lugar, hasta que todo el proceso de perfilado haya sido terminado.

Un SENSOR DE MANO, detectará si el OPERARIO ha retirado la mano del

lugar de posicionamiento de la pieza a ser perfilada, esto es importante para

brindar la seguridad del mismo en el proceso de perfilado de piezas. Así como

es necesario que la pieza se encuentre colocada en el lugar de trabajo para

que el proceso se desarrolle, es necesario en todo momento DÉSPUES del

posicionado de la pieza, que ese SENSOR DE MANO, no detecte la presencia

de alguna mano durante el transcurso del mismo, ya que se detendrá

automáticamente con el fin de evitar posibilidades de lesiones hacia el

OPERARIO.

Luego de que se asegure que el SENSOR DE PIEZA se encuentre activo y que

el SENSOR DE MANO no detecta ninguna mano en el lugar del proceso, el

proceso puede comenzar bajando el pistón del CILINDRO A (CILINDRO A EN

SALIDA), luego de ello se activa el primer temporizador por 5 segundos y

cuando se cumple ese tiempo, salen los pistones de los CILINDROS B y C

(CILINDROS B y C EN SALIDA) y se activa el segundo temporizador por 10

segundos y cuando se cumple ese tiempo, los pistones de los CILINDROS B y

C regresan (CILINDROS B y C EN ENTRADA) y se activa el temporizador 3

por 3 segundos, luego de ese tiempo el pistón del CILINDRO A regresa

(CILINDRO A EN ENTRADA) y con esto se da por terminado el proceso de

perfilado del material, el cual está listo para ser retirado y al ser retirada la

pieza terminada, se encontrará listo para repetir el proceso con una nueva

pieza a perfilar.

El sistema perfilado de piezas, contará con la programación del numero de

piezas a perfilar y cuando se termine con el conteo del número de piezas a ser

perfiladas, se activará una alarma y por ende se activará el temporizador 4 por

3 segundos, volviendo el sistema a la etapa inicial, esperando a que se

presione el botón START para que se vuelva a comenzar otro proceso de

perfilado de piezas.

Se cuenta con el botón de PARO DE EMERGENCIA, que se podrá activar en

cualquier etapa del proceso con el fin de atender EMERGENCIAS, que se

presenten en cualquier momento del desarrollo de las piezas perfiladas, y

también con el botón de REARME, el cual nos permitirá volver a la etapa la

cual fue interrumpida por el PARO DE EMERGENCIA, este botón es de alta

prioridad dentro del proceso, ya que siempre que se presione este botón, sin

importar si se encuentran presionados los botones de START, REARME o los

sensores respectivos, o si hubo término de tiempos por los temporizadores, o

de conteo por el contador, se le dará prioridad al PARO DE EMERGENCIA.

También se cuenta con el botón STOP, el cual detiene y reinicia todo el

proceso, este botón es de máxima prioridad dentro del proceso, ya que siempre

que se presione este botón, sin importar si se encuentran presionados los

botones de START, REARME, PARO DE EMERGENCIA o los sensores

respectivos, o si hubo término de tiempos por los temporizadores, o de conteo

por el contador, se le dará prioridad a detener y reiniciar todo el proceso.

Los temporizadores se reinician por ellos mismos al término de su tiempo, o al

inicio del proceso por medio del botón START. El contador programado con las

piezas a perfilar durante todo el proceso, se reinicia por medio del botón

START.

1.2. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS GENERALES DEL SISTEMA DE

PERFILADO DE MATERIALES PLANOS.

Basados en las anteriores especificaciones del funcionamiento general del

proceso de perfilado de materiales planos, desarrollaremos las siguientes

tablas que especifican:

Para las variables de Entrada del Sistema: Descripción de la entrada,

Función en el sistema, Dispositivo que la realiza, Características

técnicas de los dispositivos.

Para las variables de Salida del Sistema: Descripción de la salida,

Función en el sistema, Dispositivo que la realiza, Características

técnicas de los dispositivos.

Para las variables de entrada tenemos qué: Tabla 1. Especificaciones Generales de las Entradas al Sistema de Perfilado de Materiales Planos

ENTRADA TIPO DE

ENTRADA FUNCIÓN SÍMBOLO

CARACTERISTICAS TÉCNICAS

BOTÓN START

(S)

PUSH BUTTON

Es el botón de habilitación inicial de todo el proceso, reinicia los diferentes temporizadores y el contador de piezas a perfilar en el

sistema general, y coloca todas las salidas en estado inicial respectivo, este botón es de prioridad normal y se aplica solo al inicio del funcionamiento total del programa.

Pulsador, como conmutador.

Se conecta desde la fuente de alimentación a 24 (VDC), hacia Relé para enviar señal de 110 (VAC) a la entrada digital del controlador del sistema. (I1)

BOTÓN STOP

(X)

PUSH BUTTON

Es el botón de máxima prioridad con el cual cuenta el sistema en general, detiene y reinicia el proceso sin importar en que etapa, temporización ó conteo se encuentre, este botón se aplica en cualquier momento del funcionamiento total del programa.



BOTÓN PARO

EMERGENCIA (PE)

PUSH BUTTON

Es un botón de alta prioridad con el que cuenta el sistema en general, Detiene el proceso en cualquier etapa y los lleva a una etapa de emergencia temporal, mientras se resuelven los problemas externos que hayan generado emergencias en el proceso. Este botón se aplica en cualquier momento del funcionamiento total del sistema.



BOTÓN REARME

(R)

PUSH BUTTON

Es un botón de prioridad normal, Reanuda el proceso desde la etapa en la cual fuese interrumpido por el llamado del botón paro de emergencia hacia una etapa de emergencia temporal, este botón se activa, cumpliendo ciertas condiciones en el proceso y si la emergencia respectiva fue solucionada.



Tabla 2. Especificaciones Generales de las Entradas al Sistema de Perfilado de Materiales Planos (Continuación.)

ENTRADA TIPO DE

ENTRADA FUNCIÓN SÍMBOLO


SENSOR DE MANO

(SM)

SENSOR INFRARROJO

Es un sensor que detecta si existe presencia de la mano, ó de las extremidades del operario en la zona de colocación y procesamiento de la pieza para su perfilado, es de alta prioridad ya que si detecta la presencia de la mano o de alguna extremidad del operario, no deja avanzar el proceso en sus etapas respectivas. Actúa desde el momento en que se tiene que colocar la pieza en el sitio para perfilado.

Sensor que actúa basado en el reflejo de la luz del Diodo LED Infrarrojo, hacia el Foto – Transistor, que genera un pulso en la detección del reflejo.

Al Pasar la mano o la extremidad del Operario cerca del Sensor, esta misma, refleja la luz generada por el Diodo LED la cual es detecta el Foto – Transistor, generando un pulso que especifica la detección de algo.

Es un sensor a Tres Hilos, conectado a la fuente de alimentación de 24 (VDC) y cuyo pulso de detección, se envía a Relé para que envíe señal de 110 (VAC) hacia las entrada digital del controlador del sistema (I5)

Especificación para FESTO DIDACTIC: SOE – RT M12 PS – LED

SENSOR DE PIEZA

(SP)

SENSOR CAPACITIVO

Sensor que detecta el posicionamiento correcto de la pieza, en el sitio de trabajo del proceso. Esta entrada del sistema es de alta prioridad, puesto que es necesario que siempre el sensor esté detectando la pieza en el lugar de trabajo durante TODO el proceso de perfilado de la pieza, ya que si no detecta pieza en cualquier punto del proceso, no tiene sentido que el mismo prosiga con las etapas respectivas, Ante la activación de este sensor, se activa una salida la cual es la LUZ INDICADORA DE POSICIONAMIENTO DE PIEZA. Funciona desde el momento en que la pieza se coloca en el lugar de trabajo para perfilado, hasta el momento en que haya que retirar la pieza y se realice el conteo respectivo de piezas perfiladas.

Los sensores capacitivos (KAS) reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica. Estos sensores se emplean para la identificación de objetos, para funciones contadoras y para toda clase de controles de nivel de carga de materiales sólidos o líquidos.

Al colocarse el material en el lugar de trabajo para perfilado de piezas, se varía la constante dieléctrica en el sensor capacitivo, generando el pulso que confirma la detección y posicionamiento correcto de la pieza.

Es un sensor a Tres Hilos, conectado a la fuente de alimentación de 24 (VDC) y cuyo pulso de detección, se envía a Relé para que envíe señal de 110 (VAC) hacia las entrada digital del controlador del sistema (I6)

Tabla 3. Entradas del sistema al Controlador, Especificación de Variables en Diseño GRAFCET.

ENTRADAS DEL SISTEMA AL CONTROLADOR ESPECIFICACION DE VARIABLES EN DISEÑO GRAFCET

BOTONES SENSORES

BOTÓN START (S). o Entrada Digital en el Controlador: I1. o Especificación en el Grafcet: Variable

B00. o Conexión OUT: L23.

BOTÓN STOP (X). o Entrada Digital en el Controlador: I2. o Especificación en el Grafcet: Variable


BOTÓN PARO DE EMERGENCIA (PE). o Entrada Digital en el Controlador: I3. o Especificación en el Grafcet: Variable


BOTÓN REARME (R). o Entrada Digital en el Controlador: I4. o Especificación en el Grafcet: Variable


SENSOR DE MANO (SM). o Entrada Digital en el Controlador: I5. o Especificación en el Grafcet: Variable B04. o Conexión OUT: L29.

SENSOR DE PIEZA (SP). o Entrada Digital en el Controlador: I6. o Especificación en el Grafcet: Variable B05. o Conexión OUT: L28.

NOTA: Las variables dentro del diseño GRAFCET y el Valor de Conexión de los mismos, se designaron automáticamente por el Software para el desarrollo de la configuración para el Controlador Lógico Programable ó Relé Inteligente. TOTAL # DE ENTRADAS: 6

Para las variables de Salida tenemos qué: Tabla 4. Especificaciones Generales de las Salidas del Sistema de Perfilado de Materiales Planos.

SALIDA TIPO DE SALIDA

FUNCIÓN SÍMBOLO CARACTERISTICAS

TÉCNICAS

LUZ INDICADORA

DE POSICIONADO

DE PIEZA (L)

LÁMPARA Ó DIODO LED

Es una LUZ INDICADORA, de que una pieza ha sido posicionada y se mantiene en el lugar de trabajo, para perfilado de materiales planos. Se encuentra directamente relacionada con el SENSOR DE PIEZA (SP) ya que se activa cuando el sensor lo hace y viceversa.

Suministra Señales ópticas.

Puede ser una lámpara ó un Diodo LED.

Se conecta desde la salida discreta Q1 a 24 (VDC) del controlador del sistema y a Tierra (GND), el Diodo LED debe ser conectado por medio de una Resistencia, la lámpara puede ser conectada directamente.

CILINDRO A (CAI, CAO)

CILINDRO – PISTÓN DE

DOBLE EFECTO

Es un cilindro pistón de Doble Efecto, el cual hace perfilado en la parte superior del material a ser tratado, presenta dos estados de salida, En modo de AVANCE (CAO), cuando el pistón sale y en modo de RETROCESO (CAI), cuando el Pistón Retrocede. Es controlado por medio de una unidad de mando (ELECTROVÁLVULA 5/2) y actúa en un tiempo de 18 segundos sobre la pieza.

Cilindro – Pistón de DOBLE EFECTO, que hace parte del modulo de pruebas de FESTO DIDACTIC.

Presenta un Recorrido de 0 a 100 (mm)

Funciona bajo una presión de 6 – 8 Bar.

El cilindro es accionado en ambos sentidos por aire a presión.

Presenta una mayor velocidad de retroceso (IN) que de avance (OUT).

Se maneja por medio de las salidas del controlador: Q2 para RETROCESO (CAI) y Q3 para AVANCE (CAO) por medio de una electroválvula 5/2 de FESTO.

Tabla 5. Especificaciones Generales de las Salidas del Sistema de Perfilado de Materiales Planos. (Continuación).

SALIDA TIPO DE SALIDA

FUNCIÓN SÍMBOLO CARACTERISTICAS

TÉCNICAS

CILINDRO B (CBI, CBO)


DOBLE EFECTO

Es un cilindro pistón de Doble Efecto, el cual hace perfilado en la parte lateral Izquierda del material a ser tratado, presenta dos estados de salida, En modo de AVANCE (CBO), cuando el pistón sale y en modo de RETROCESO (CBI), cuando el Pistón Retrocede. Es controlado por medio de una unidad de mando (ELECTROVÁLVULA 5/2) y actúa en un tiempo de 10 segundos sobre la pieza. Actúa de manera simultanea y a iguales tiempos con el Cilindro – Pistón C.






Se maneja por medio de las salidas del controlador: Q4 para RETROCESO (CBI) y Q5 para AVANCE (CBO) por medio de una electroválvula 5/2 de FESTO.

CILINDRO C (CCI, CCO)


DOBLE EFECTO

Es un cilindro pistón de Doble Efecto, el cual hace perfilado en la parte lateral Derecha del material a ser

tratado, presenta dos estados de salida, En modo de AVANCE (CCO), cuando el pistón sale y en modo de RETROCESO (CCI), cuando el Pistón Retrocede. Es controlado por medio de una unidad de mando (ELECTROVÁLVULA 5/2) y actúa en un tiempo de 10 segundos sobre la pieza. Actúa de manera simultanea y a iguales tiempos con el Cilindro – Pistón B.






Se maneja por medio de las salidas del controlador: Q6 para RETROCESO (CCI) y Q7 para AVANCE (CCO) por medio de una electroválvula 5/2 de FESTO.

ALARMA INDICADORA DE TÉRMINO DE PIEZAS

PERFILADAS (A)

ALARMA SONORA,

ZUMBADORA

Indica el término del procesamiento, de las piezas programadas en el contador de piezas a perfilar presente en el proceso en general, esta alarma suena por 3 segundos y solo actúa en el momento que se confirma el término de todo el proceso programado, y el reinicio y comienzo de un nuevo procesamiento de piezas

Emite señales acústicas.

Se conecta directamente a la salida del controlador: Q8 de 24 (VDC) para la emisión de sonidos.

Tabla 6. Salidas del Sistema al Controlador, Especificación de Variables en Diseño Grafcet.

SALIDAS DEL SISTEMA AL CONTROLADOR ESPECIFICACION DE VARIABLES EN DISEÑO GRAFCET

CILINDRO - PISTÓN LUZ

CILINDRO A IN (CAI). o Salida Digital del Controlador: Q2. o Especificación en el Grafcet: Variable

B64. o Conexión IN: L76.

CILINDRO A OUT (CAO). o Salida Digital del Controlador: Q3. o Especificación en el Grafcet: Variable


LUZ INDICADORA DE POSICIONADO DE PIEZA (L). o Salida Digital del Controlador: Q1. o Especificación en el Grafcet: Variable B06. o Conexión IN: L28.

Tabla 7. Salidas del Sistema al Controlador, Especificación de Variables en Diseño Grafcet. (Continuación)

SALIDAS DEL SISTEMA AL CONTROLADOR ESPECIFICACION DE VARIABLES EN DISEÑO GRAFCET

CILINDRO - PISTÓN ALARMA

CILINDRO B IN (CAI). o Salida Digital del Controlador: Q4. o Especificación en el Grafcet: Variable


CILINDRO B OUT (CAO). o Salida Digital del Controlador: Q5. o Especificación en el Grafcet: Variable


CILINDRO C IN (CCI). o Salida Digital del Controlador: Q6. o Especificación en el Grafcet: Variable


CILINDRO C OUT (CCO). o Salida Digital del Controlador: Q7. o Especificación en el Grafcet: Variable


ALARMA INDICADORA DE TÉRMINO DE PIEZAS PERFILADAS (A). o Salida Digital del Controlador: Q8. o Especificación en el Grafcet: Variable B13. o Conexión IN: L61.

NOTA: Las variables dentro del diseño GRAFCET y el Valor de Conexión de los mismos, se designaron automáticamente por el Software para el desarrollo de la configuración para el Controlador Lógico Programable ó Relé Inteligente. TOTAL # DE SALIDAS: 8

1.3. INTERFASES DE CONEXIÓN DE ENTRADA Y SALIDA PARA EL

CONTROLADOR CON EL PROCESO.

Como se pudo ver en las especificaciones técnicas de las variables de entrada

y salida del sistema de perfilado de materiales planos, vemos que:

Para las entradas (BOTONES: START, STOP, PARO DE EMERGENCIA,

REARME y SENSOR DE MANO y SENSOR DE PIEZA) tenemos qué:

o Los botones presentes como dispositivos de entrada, son alimentados

con Voltajes de entrada a 24 VDC, los cuales al activarse, envían la

señal de voltaje, al pin de habilitación del Relé Eléctrico que envía una

señal de 110 VAC como entrada digital, las cual se procesan dentro del

Controlador Lógico Programable ó Relé Inteligente específico.

o Los sensores se alimentan a un valor de voltaje de 24 VDC (el sensor

Infrarrojo y el Sensor Capacitivo), los cuales al detectar ya sea la

extremidad de un operario ó el posicionamiento de la pieza, envían

pulsos que activan a los Relés Eléctricos, que permiten enviar una señal

de 110 VAC como entradas digitales, las cuales se procesan dentro del

Controlador Lógico Programable ó Relé Inteligente especifico.

Todo esto se puede ver representado en la siguiente gráfica, la cual nos

muestra la forma de conexión, entre los dispositivos de entrada, los relés de

conexión entre los dispositivos de entrada y el controlador, y la conexión entre

los relés y el controlador respectivo.

Ilustración 2. Conexión de los dispositivos de entrada con el controlador Lógico Programable por medio de Relés Eléctricos.

Ahora, para las salidas (CILINDROS A, B y C, LUZ INDICADORA DE

POSICIONAMIENTO DE PIEZA y ALARMA INDICADORA DE TÉRMINO DE

PIEZAS PERFILADAS), contamos con lo siguiente:

o Las salidas de LUZ y ALARMA las cuales van conectadas en las salidas

del controlador Q1 y Q8, se pueden conectar directamente ya que el

voltaje de referencia que presentan estas salidas es de +24 VDC.

o Ahora para el control de salidas de cada uno de los cilindros en su modo

de AVANCE o RETROCESO, y tomando en cuenta que los cilindros

actúan bajo la acción de presión de aire suministrado en las entradas

para AVANCE ó RETROCESO de los pistones DOBLE EFECTO, es

necesario encontrar dispositivos que permitan la transformación de

señales eléctricas (como la que suministra el controlador en la salida) en

señales neumáticas, y para eso contamos con ELECTROVÁLVULAS de

5 entradas de Aire y 2 Posiciones, las cuales, conectadas con la unidad

de mantenimiento y el compresor de aire del sistema neumático general

que brinda Aire de Instrumentos al proceso, nos permiten brindar presión

de aire hacia los dispositivos de salida neumáticos, las cuales son

controladas o piloteadas por medio de las señales eléctricas

provenientes del controlador.

Todo lo anterior, se puede ver en la siguiente gráfica que muestra la conexión

del controlador del proceso, con los dispositivos de salida, ya sea de manera

directa o por medio de la electroválvula para los cilindros A, B y C.

Ilustración 3. Conexión del Controlador con los dispositivos de Salida, de forma directa o por medio de las Electroválvulas 5/2.

Basados en el desarrollo anterior, obtenemos las especificaciones Técnicas

Generales de los elementos que permiten las interacciones de las entradas y

las salidas con el Controlador.

Tabla 8. Especificaciones Técnicas de Elementos de Interfaz de Entrada y Salida y de componentes varios para funcionamiento total del sistema.

ELEMENTO TIPO DE

ELEMENTO FUNCIÓN SÍMBOLO


RELÉ RELÉ

ELÉCTRICO

Este componente, es la interfaz Hardware de entrada, para la conexión entre Los diferentes dispositivos de Entrada, con el controlador lógico programable ó el Relé Inteligente que maneja las diferentes etapas del proceso.

o Se puede polarizar a un voltaje de 110 VAC, y ser activado por medio de un voltaje DC, para el cambio de Estado de NA (Normalmente Abierto) a NC (Normalmente Cerrado)

o Son útiles para interconectar dispositivos que generan salidas DC, con componentes que reciben señales AC como entrada.

ELECTRO VÁLVULA

5 ENTRADAS 2 POSICIONES CON PILOTAJE

ELÉCTRICO

ELECTRO VÁLVULA

5/2

Este componente, es la interfaz Hardware de Salida, para la conexión entre las salidas del controlador lógico programable y los diferentes cilindros neumáticos de doble efecto, realiza la conversión de señales eléctricas en señales neumáticas para el movimiento de los pistones en el proceso.

o Su Accionamiento es solamente Eléctrico.

o Funciona con dos embobinados magnéticos para el control de las 2 posiciones (Y1 y Y2).

o Se acciona cada pilotaje eléctrico por medio de una señal DC de 24 v.

FUENTES DE ALIMENTACIÓN DE

VOLTAJE Y CORRIENTE

FUENTES DE ALIMENTACIÓN

DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Estos componentes, son los que alimentan los diferentes dispositivos eléctricos y electrónicos, presentes para el diseño e implementación del sistema en general, y dependiendo del tipo de señal que necesiten: si es DC, se obtiene alimentación a 24 VDC, y si es AC, se obtiene alimentación a 110VAC

o La fuente de alimentación de corriente alterna, alimenta al Controlador lógico programable, y a los Relés Eléctricos.

o La fuente de alimentación de Corriente directa, alimenta los diferentes dispositivos eléctricos y electrónicos de entrada y salida.

COMPRESOR DE AIRE CON UNIDAD

DE MANTIENIMIENTO

ALIMENTADOR DE AIRE A

PRESIÓN, CON UNIDAD

REGULADORA Y FILTRADORA DE HUMEDAD

Alimentador de aire a presión para los diferentes componentes neumáticos presentes en el sistema de producción de materiales perfilados, se conecta hacia los diferentes elementos neumáticos por medio de una unidad de mantenimiento

o Es un compresor de doble émbolo.

o Entrega una presión regulada de 5 bar, para el manejo seguro de los dispositivos finales de salida en el proceso.

o La unidad de mantenimiento permite filtrar humedad en el aire y regular la presión de salida del compresor.

Finalmente hay que mencionar, el dispositivo controlador del sistema a nivel

general: contamos con un RELÉ INTELIGENTE, de la empresa SCHNEIDER

ELECTRÍC, el cual es el módulo RELÉ ZELIO, cuya referencia en el mercado

es: SR3B261FU y presenta las siguientes características a nivel HARDWARE y

SOFTWARE:

o ALIMENTACIÓN: 110 – 240 VAC.

o ENTRADAS DIGITALES: 16 Entradas Digitales (I1, I2,..., IF, IG) a Voltaje

de Referencia AC (110 – 240 VAC.)

o ENTRADAS ANALÓGICAS: NO.

o SALIDAS DIGITALES: Presenta 10 Salidas Digitales (Q1, Q2,…, Q9, QA) a

Relé a Voltaje de Referencia DC (Para el desarrollo de este proyecto, se

trabaja con un Voltaje de Referencia DC de 24 V)

o PANTALLA y TECLADO: Si.

o RELOJ: Si.

o LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN: BDF/LD (Bloques de Funciones y

Ladder)

Ilustración 4. Relé Inteligente ZELIO, Referencia: SR3B261FU

Para la programación del Relé Inteligente, de la Familia ZELIO LOGIC de

SCHNEIDER ELECTRIC contamos con el software ZELIO SOFT 2, cuya

versión 4.3 nos permite realizar lo siguiente:

o Programación real con FBD (diagrama de bloques de función) o lenguaje

de contactos (LADDER).

o Detección de cualquier error de programación gracias a su función de

test de coherencia.

o Modos de simulación y supervisión: test del programa en tiempo real,

con o sin relé programable conectado al PC.

o Ventanas de supervisión: permite ver los estados de las E/S del relé

programable en su entorno de aplicación.

o Carga y descarga de programas.

o Edición de archivos personalizados.

o Compilación automática de programas.

o Ayuda en línea.

Dado que nos permite programar, diseñando el GRAFCET directamente y

asignando las etapas y las transiciones respectivas, con respecto a la

respuesta ante entradas y salidas, procederemos a programar con el lenguaje

BDF, por medio del diseño de automatismos discretos GRAFCET, en la

siguiente imagen, se puede ver el entorno gráfico software, con el cual se

cuenta para la programación y simulación con ZELIO SOFT 2.

Ilustración 5. Entorno de Programación y Simulación ZELIO SOFT 2.

Gracias a la herramienta de simulación que presenta ZELIO SOFT 2, es

posible revisar si la lógica desarrollada quedó bien implementada. Además de

que permite ver el funcionamiento en tiempo real del proceso a nivel general,

conectando la PC que contiene el software ZELIO SOFT 2 con el Relé

Inteligente Zelio, para desarrollar supervisión del proceso.

1.4. DIAGRAMA ELÉCTRICO NEUMÁTICO DEL PROCESO DE

PERFILADO DE MATERIALES PLANOS.

El Diagrama ELÉCTRICO NEUMÁTICO, propuesto para este proyecto, es el

que se presenta en la ilustración y el cual se puede observar con más detalle

en el archivo: PROYECTO.ct del programa de simulación de circuitos

Neumáticos y Electro – Neumáticos FESTO FLUID SIM.

Ilustración 6. Diagrama Eléctrico - Neumático de Sistema de Perfilado de Materiales Planos.

La ilustración 6, muestra el diseño total del sistema Eléctrico – Neumático para

el sistema de perfilado de materiales planos. El cual se basa en las tablas de

especificaciones técnicas de los dispositivos de entrada, salida, de los

elementos necesarios para desarrollo de la interfaz de entrada y salida y los

componentes para el funcionamiento general.

1.5. GRAFCET DEL PROCESO DE PERFILADO DE MATERIALES

PLANOS.

Basados en las especificaciones de funcionamiento, establecidas en la sección

1.1. Del presente documento, desarrollamos los siguientes GRAFCET, el

GRAFCET DE NIVEL 1 (GRAFCET FUNCIONAL) y el GRAFCET DE NIVEL 2

(GRAFCET TECNOLÓGICO), de los cuales se obtiene también, el GRAFCET

de programación del Relé Inteligente ZELIO, desarrollado desde el Software

ZELIO SOFT 2.

Por ente obtenemos lo siguiente:

GRAFCET FUNCIONAL:

Del GRAFCET FUNCIONAL el cual se puede observar en la ilustración

siguiente, el cual se puede detallar de mejor forma en el archivo GRAFCET

FUNCIONAL SISTEMA PARA PERFILAR MATERIALES PLANOS.vsd,

desarrollado con el software MICROSOFT OFFICE VISIO, podemos destacar

lo siguiente:

o El sistema cuenta con 14 Etapas y 21 Transiciones, para el desarrollo

total del proceso de perfilado de materiales planos, con contador Pre –

Programado con el número de piezas a producir.

o De las 13 Etapas, 6 son paros de emergencias, a los cuales se llega

siempre y cuando se presione el botón de PARO DE EMERGENCIA

(PE) y de las cuales se sale de ellas, presionando el botón REARME y

volviendo a la etapa en donde fue llamado el PARO DE EMERGENCIA

respectivo.

o El Botón Stop (X), es un botón que al presionarse en cualquier momento,

detiene y Reinicia absolutamente todo el proceso de producción de

materiales perfilados, por tanto su acción repercute directamente en la

etapa inicial del sistema.

o Este Grafcet muestra una explicación muy general acerca del

funcionamiento total del sistema, ya que no toma en cuenta muchas de

las restricciones establecidas en la sección 1.1 del presente documento.

E0

E1

E3

E5

E7

E9

E11

E12

Etapa Inicial - RESET

Enciende Luz Indicadora de

Posicionado de Pieza (L),

Salida del Piston Cilindro A

(CAO), Inicia Temporizador 1:

5 (s)

Término del Temporizador 1:5(s)

Salida de los Pistones Cilindro B

(CBO) y C (CCO), Inicia

Temporizador 2: 10 (s)

Retroceso del Pistón Cilindro A (CAI), Espera

de Retiro de Pieza Plana Perfilada.

Retroceso de los Pistones Cilindros B

(CBI) y C (CCI), Inicia Temporizador 3: 3

(s)

Pieza Ubicada, No se Detecta Mano de Operario

Término de conteo de Piezas Perfiladas,

Término de Proceso de Piezas a Perfilar

Pieza Retirada, No se Detecta la Mano del Operario

Activación de Alarma Indicadora de

Término de Piezas Perfiladas (A),

Inicio de Temporización 4: 3(s)

E2

Botón Rearme Presionado

Botón Paro de Emergencia Presionado

E4



E6


E8

E10

E13

Botón Stop Presionado

Reinicio General del

Sistema

SISTEMA PARA PERFILAR MATERIALES PLANOSGRAFCET FUNCIONAL

Paro de Emergencia 1

Botón Start Presionado, Reset

Temporizadores y Contadores







Término del Temporizador 2: 10(s)

Término del Temporizador 3: 3(s)

Espera de Ubicación

de Pieza Plana a

Perfilar.







Se apaga Luz Indicadora de

Posicionado de Pieza (L)

Realiza Conteo de Pieza Perfilada

No

Término

de

Conteo

de

Piezas

Término del

Temporizador 4: 3 (s)

Ilustración 7. GRAFCET FUNCIONAL del proceso de PERFILADO DE MATERIALES PLANOS.

GRAFCET TECNOLÓGICO.

Ya que este GRAFCET es muy especifico, y detalla de buena forma, la relación

de los estados de las entradas y las salidas con respecto a las etapas y las

transiciones, vamos a desarrollar las siguientes tablas de estados de las

variables de entrada y salida, con respecto a las transiciones y las etapas del

GRAFCET respectivamente, para comprender de mejor forma el

funcionamiento general del proceso.

Este GRAFCET TECNOLÓGICO, se basa en el desarrollo realizado en el

software ZELIO SOFT 2, con el lenguaje de programación BDF (BLOQUE DE

FUNCIONES) por medio de GRAFCET.

TABLA DE ETAPAS: La tabla de Etapas nos podrá decir, por cada etapa, que

Salidas deben ir activadas y desactivadas, con respecto al funcionamiento

establecido en la sección 1.1 del presente documento.

Hay que tomar en cuenta las siguientes convenciones por Salida, establecidas

en las Tablas 6 y 7: LUZ INDICADORA DE POSICIONAMIENTO DE PIEZA

(L), CILINDRO A (IN) (CAI), CILINDRO A (OUT) (CAO), CILINDRO B (IN)

(CBI), CILINDRO B (OUT) (CBO), CILINDRO C (IN) (CCI), CILINDRO C (OUT)

(CCO), ALARMA INDICADORA DE TÉRMINO DE PIEZAS PERFILADAS (A)

También tomar en cuenta que: 1 = ON, 0 = OFF y X = Indiferente

Tabla 9. Relación de las Etapas del Grafcet con las Salidas del sistema en general.

ETAPAS GRAFCET

SALIDAS DEL SISTEMA DE PERFILADO DE MATERIALES PLANOS

CAI CAO CBI CBO CCI CCO A

0 1 0 1 0 1 0 0

1 1 0 1 0 1 0 0

2 1 0 1 0 1 0 0

3 0 1 1 0 1 0 0

4 0 1 1 0 1 0 0

5 0 1 0 1 0 1 0

6 0 1 0 1 0 1 0

7 0 1 1 0 1 0 0

8 0 1 1 0 1 0 0

9 1 0 1 0 1 0 0

10 1 0 1 0 1 0 0

11 1 0 1 0 1 0 0

12 1 0 1 0 1 0 1

13 1 0 1 0 1 0 0

Hay que recordar, que la salida de LUZ INDICADORA DE POSICIONAMIENTO

DE PIEZA (L), se relaciona DIRECTAMENTE con el SENSOR DE PIEZA (SP).

El Temporizador 1 se activa en la Etapa 3, El Temporizador 2 se activa en la

Etapa 5, El Temporizador 3 se activa en la Etapa 7, El Contador Pre –

Programado de Piezas Realizadas se activa y hace conteo en la Etapa 11 y

finalmente El Temporizador 4 se activa en la Etapa 12, En los respectivos

paros de emergencias que corresponden a las Etapas: 4, 6, 8 y 13, Los

Temporizadores no actúan, solo se mantiene las salidas respectivas a las

Etapas 3, 5, 7 y 11.

Si tomamos esto como una tabla de Verdad para cada una de las salidas

vemos que:

CAI: E0 + E1 + E2 + E9 + E10 + E11 + E12 + E13.

CAO: E3 + E4 + E5 + E6 + E7+ E8

CBI y CCI: E0 + E1 + E2 + E3 + E4 + E7 + E8 + E9 + E10 + E11 + E12 + E13

CBO y CCO: E5 + E6

A: E12

Las cuales se ven reflejadas, por compuertas OR dentro del desarrollo del

programa en ZELIO SOFT 2, de la siguiente manera:

CAI: COMPUERTAS OR: B42 y B43 con Conectividad OUT: L76

CAO: COMPUERTAS OR: B44 y B45 con Conectividad OUT: L77

CBI y CCI: COMPUERTAS OR: B46, B47 y B48 con Conectividad OUT: L49

CBO y CCO: COMPUERTA OR: B49 con Conectividad OUT: L50

A: Conexión Directa con la ETAPA 12, Conectividad OUT: L61

Las compuertas y Los códigos de las conectividades IN/OUT dentro del

sistema, se pueden observar en el Archivo de Programación del Relé

Inteligente ZELIO: MÁQUINA PERFILADORA DE MATERIALES PLANOS.zm2.

Ilustración 8. Relación de Etapas de Grafcet con las Salidas del Sistema, Por medio de Compuertas OR

TABLA DE TRANSICIONES: En esta tabla se establece la relación que tienen

las señales de entrada del sistema, con respecto a las transiciones del sistema,

esta tabla es importante ya que nos permite ver, bajo que condiciones es que

puede ponerse en funcionamiento el sistema, y puede darse el avance de las

etapas del proceso en el GRAFCET.

Para este caso también es necesario tomar en cuenta las convenciones

establecidas en las Tabla 3: S: Botón START, X: Botón STOP, PE: Botón

PARO DE EMERGENCIA, R: Botón REARME, SM: Sensor Mano, SP: Sensor

Pieza. Ahora las transiciones no solo dependen de las señales de entrada,

también dependen de: DN Temporizador 1 (Cuando el Temporizador 1, haya

terminado de hacer su conteo de Tiempo), DN Temporizador 2, DN

Temporizador 3, DN Temporizador 4, y DN Contador de Piezas Perfiladas.

Además que: 1: ON, 0: OFF, X: Indiferente, con esto tenemos qué:

Tabla 10. Relación de Entradas del Sistema, con las Transiciones de Etapa a Etapa en el Grafcet.

ENTRADAS AL SISTEMA

TRANSICIONES DE ETAPA A ETAPA EN GRAFCET DE SISTEMA DE PERFILADO DE PIEZAS PLANAS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

START (S) 1 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

STOP (X) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

PARO E. (PE) 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0

REARME (R) X X 1 X X 1 X X 1 X X 1 X X 1 X X X X 1 X

S. MANO (SM) X X 0 0 X 0 0 X 0 0 X 0 0 X 0 0 0 0 X 0 0

S. PIEZA (SP) X X X 1 X 1 1 X 1 1 X 1 1 X 1 0 0 0 X 0 0

DN T1 X X X X X X 1 X X X X X X X X X X X X X X

DN T2 X X X X X X X X X 1 X X X X X X X X X X X

DN T3 X X X X X X X X X X X X 1 X X X X X X X X

DN T4 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 1

DN CONTADOR X 0 X 0 0 X X 0 X X 0 X X 0 X X 0 1 1 X X

Si Consideramos la tabla anterior, como una tabla de verdad para cada una de

las transiciones, y consideramos que (’) es el Negado de una señal de entrada

entonces tenemos lo siguiente:

TRANSICIÓN 01: S*X’*PE’ (Start * NOT - Stop* NOT - Paro de Emergencia)

TRANSICIÓN 02: X’*PE*DN CONTADOR’

TRANSICIÓN 03: X’*PE’*R*SM’

TRANSICIÓN 04: X’*PE’*SM’*SP


TRANSICIÓN 06: X’*PE’*R*SM’*SP

TRANSICIÓN 07: X’*PE’*SM’*SP*DNT1









TRANSICIÓN 16: X’*PE’*SM’*SP’

TRANSICIÓN 17: X’*PE’*SM’*SP’*DN CONTADOR’

TRANSICIÓN 18: X’*PE*SM’*SP’*DN CONTADOR

TRANSICIÓN 19: X’*PE*DN CONTADOR

TRANSICIÓN 20: X’*PE’*R*SM’*SP’

TRANSICIÓN 21: X’*PE’*SM’*SP’*DNT4

De todo este comportamiento de las entradas con respecto a las transiciones

podemos ver que:

o El botón STOP siempre se mantiene en 0, y es lógico ya que si se llega

a presentar X = 1, se presenta la detención y el reinicio total de todo el

sistema dado por la máxima prioridad que presenta este botón.

o El botón PARO DE EMERGENCIA, en su mayoría se mantiene en 0,

dado que si por accidente se llega a presionar este botón y se han

presionado otros más (como Rearme, ó se presentó Detección por el

Sensor de Pieza o de Mano) se le dará más prioridad al Paro de

Emergencia.

o Los Bits de Hecho o de Término, de los temporizadores actúan solo una

vez y es cuando terminan su conteo de tiempo, que comienza desde la

etapa precedente.

o La particularidad que se presente que el Bit de Hecho del Contador de

piezas perfiladas, aparezca en las transiciones hacia las etapas de paro

de emergencia es dado por un error en la configuración del programa,

dado que: cuando el Contador termina de hacer conteo y se pasa a la

Etapa de alarma, y la alarma se activa y pasan los 3 segundos contados

por el Temporizador 4, en ese tiempo se alcanza a asumir que el

Contador no ha llegado a su valor final, por lo tanto se alcanza a

mantener como etapa activa, la Etapa 1, la etapa de ubicar pieza, y a la

vez la etapa inicial de comienzo de todo el proceso como se ve en la

figura siguiente:

Ilustración 9. Error en Configuración de Programa para Control de Proceso de Perfilado de Piezas Planas.

Ante ello, la única posibilidad de que de la Etapa 1 de ubicar pieza pase

ya sea al primer paro de emergencia ó a la Etapa 3 vista en el

GRAFCET FUNCIONAL, es si el contador de piezas perfiladas no ha

llegado a su valor máximo, pero como para este caso si es así, y la única

forma de Reiniciarlo es con el Botón START (Que de hecho solo se usa

en esa transición durante todo el proceso de producción), entonces solo

hay la posibilidad de que se presione START y da validez a la etapa

inicial del sistema, reiniciando los temporizadores y el contador e

iniciando de nuevo todo el proceso.

o Para que inicie el proceso por primera VEZ, es necesario presionar el

Botón STOP, para que de un primer reinicio y habilite todo el sistema

para su funcionamiento.

Ahora, como en el caso de las Etapas y su relación con las Salidas del sistema,

para relacionar las entradas con las transiciones del sistema, se aplican lógicas

booleanas (que pueden ser una ó más lógicas booleanas) por cada transición y

así es como se ve y se describe en el programa desarrollado en ZELIO SOFT

para el funcionamiento y control del proceso desde el relé inteligente ZELIO.

TRANSICIÓN 01: BOOL: B29, Conectividad OUT: L26.

TRANSICIÓN 02, 05, 08, 11, 14, 19: BOOL: B30, Conectividad OUT: L27.


TRANSICIÓN 04: BOOL: B31 y B59, Conectividad OUT: L72.

TRANSICIÓN 06, 09, 12, 15: BOOL: B31 y B34, Conectividad OUT: L34.









Las compuertas y Los códigos de las conectividades IN/OUT dentro del

sistema, se pueden observar en el Archivo de Programación del Relé

Inteligente ZELIO: MÁQUINA PERFILADORA DE MATERIALES PLANOS.zm2.

Ilustración 10. Relación de Entradas del sistema y las transiciones del programa, por medio de Lógica Booleana.

Basado en todo el análisis anterior, que explica el funcionamiento a nivel de

Etapas, Transiciones, Entradas y Salidas del Sistema, de todo el proceso de

perfilado de materiales planos, El GRAFCET TECNOLÓGICO, es el GRAFCET

DESARROLLADO en el software para la programación del Relé Inteligente

ZELIO de Schneider Electric, como se ve en la figura siguiente:

Ilustración 11. GRAFCET TECNOLÓGICO.

1.6. DESARROLLO DE IMPLEMENTACIÓN Y PUESTA EN

FUNCIONAMIENTO DEL PROCESO DE PERFILADO DE PIEZAS

PLANAS.

En las siguientes imágenes, se puede apreciar el desarrollo de toda la

implementación y puesta en funcionamiento del proceso de Perfilado de Piezas

Planas. Entre los problemas que se presentaron, fue por el gran cableado

eléctrico que se presentó y las fugas de aire en los componentes neumáticos,

pero la descarga del programa desde la PC al Relé Inteligente, las pruebas

virtuales y reales del proceso, fueron exitosas, logrando la consecución del

proyecto.

Ilustración 12. Implementación y Puesta en Funcionamiento del Sistema de Perfilado de Materiales Planos.

PROYECTO 1 AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS NEUMÁTICOS DISCRETOS DISEÑO GRAFCET

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