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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE LERDO
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
OPCIÓN X
RESIDENCIA PROFESIONAL
COOPER STANDARD AUTOMOTIVE
“IMPLEMENTACIÓN DE GRAFCET EN LA PROGRAMACIÓN DE LA SECUENCIA DE ALIMENTACIÓN DE TUBO Y DOBLADO DE UNA
DOBLADORA NEUMÁTICA DE TUBO”
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO ELECTROMECANICO
PRESENTA:
JOSÉ ROBERTO BARBOZA PERALES 05230611
ASESOR INTERNO: M.C. FRANCISCO HUERTA VALENZUELA
ASESOR EXTERNO:
ING. JUAN ENRIQUE MARTINEZ CRUZ
“LA EXCELENCIA ACADÉMICA AL SERVICIO DE LA SOCIEDAD”
CIUDAD LERDO, DURANGO DICIEMBRE DEL 2011
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Ingeniería Electromecánica ii
Dedicatoria y agradecimientos
Primero que nada quiero dedicar éste trabajo a mi padre que donde quiera que esté
sé que estará contento y orgulloso. Gracias papá, es misión cumplida.
También dedico este trabajo a mi madre, a mi esposa y a mis hijas que vivieron junto
conmigo las alegrías y las dificultades que enfrenté para llegar hasta aquí.
Quiero agradecer a mi asesor interno M.C. Francisco Huerta, a mi asesor externo
Ing. Enrique Martínez, por las lecciones que recibí de ellos dentro y fuera de las
aulas respectivamente. Agradecer también por último a la empresa Cooper Standard
Automotive Torreón por haberme abierto las puertas para realizar el presente trabajo.
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Ingeniería Electromecánica iii
Contenido
1. Introducción ............................................................................................................................ 1
2. Definición del problema ........................................................................................................ 2
3. Justificación ............................................................................................................................ 3
5. Alcances y limitaciones ........................................................................................................ 4
a. Alcances ................................................................................................................................ 4
b. Limitaciones .......................................................................................................................... 4
6. Objetivos .................................................................................................................................. 5
a. Generales .............................................................................................................................. 5
b. Específicos ............................................................................................................................ 5
7. Caracterización del área en que se participó .................................................................... 6
8. Fundamento teórico ............................................................................................................. 14
9. Procedimiento y descripción de las actividades realizadas ........................................ 52
10. Análisis de resultados, planos, gráficas, prototipos y programas ......................... 61
11. Conclusiones y recomendaciones ................................................................................ 63
a. Conclusiones ....................................................................................................................... 63
b. Recomendaciones .............................................................................................................. 63
12. Referencias bibliográficas .............................................................................................. 64
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Ingeniería Electromecánica iv
Índice de tablas
Tabla 1: Simbología neumática .................................................................................................... 31
Tabla 2: Simbología neumática continuación .............................................................................. 32
Tabla 3: Simbología neumática continuación .............................................................................. 33
Tabla 4: Simbología neumática continuación .............................................................................. 34
Tabla 5: Formato de transición de activación/desactivación de electroválvulas. Se muestra la
secuencia del alimentador y parte de la parte dobladora. En color azul se muestran las
electroválvulas de los cilindros involucrados en el doblez del tubo, y en rojo las
electroválvulas que accionan los cilindros del alimentador. ....................................................... 42
Tabla 6: Formato de transición de activación/desactivación de electroválvulas que intervienen
en el doblez del tubo. En azul, las electroválvulas del alimentador y en rojo las
electroválvulas de la parte dobladora........................................................................................... 49
Índice de figuras
Figura 1: Logotipo de Cooper Standard Automotive..................................................................... 6
Figura 2: Vista Exterior de la Entrada principal de Cooper Standard Torreón ........................... 6
Figura 3: Vista interior de la empresa ............................................................................................ 8
Figura 4: Organigrama de la empresa ......................................................................................... 12
Figura 5: Organigrama de la unidad de negocios II .................................................................... 13
Figura 6: Diagrama de bloques de un PLC. ................................................................................ 15
Figura 7: Diagrama de bloques de los componentes principales de la CPU............................ 16
Figura 8: Ciclo scan o barrido de un PLC. ................................................................................... 16
Figura 9: Módulos de entrada/salida de un PLC CJ1M del Fabricante OMRON. Entradas en
color rojo, salidas color azul. ......................................................................................................... 17
Figura 10: Circuitería interna básica de la interfaz de entrada .................................................. 18
Figura 11: Salida tipo transistor. ................................................................................................... 19
Figura 12: ejemplo de direccionamientos en un PLC Allen Bradley. ......................................... 19
Figura 13: diagrama de contactos de lógica cableada (Arriba) y representación del mismo
circuito en lenguaje de programación escalera (Abajo).............................................................. 21
Figura 14: simbología estándar del lenguaje escalera. .............................................................. 22
Figura 15: Circuito con lógica cableada para indicar las condiciones óptimas de una unidad
hidráulica. ........................................................................................................................................ 23
Figura 16: Conexión y direccionamiento de entradas/salidas.................................................... 23
Figura 17: Programa del ejemplo de la unidad hidráulica usando el software de programación
de Allen Bradley ............................................................................................................................. 24
Figura 18: Simbología GRAFCET ................................................................................................ 25
Figura 19: Ejemplo de GRAFCET. La etapa 1 es una etapa inicial, además se puede ver las
acciones en cada etapa. ................................................................................................................ 26
Figura 20: Divergencia OR ........................................................................................................... 27
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Ingeniería Electromecánica v
Figura 21: Convergencia OR ........................................................................................................ 27
Figura 22: Divergencia AND. ........................................................................................................ 28
Figura 23: Convergencia en AND. ................................................................................................ 29
Figura 24: Circuito neumático controlado por mando eléctrico .................................................. 35
Figura 25: Programa en PLC para el circuito neumático............................................................ 36
Figura 26: Apariencia externa de la dobladora Bendtech DN-477 de Cooper Standard
Torreón. ........................................................................................................................................... 37
Figura 27: Alimentador de tubo de la dobladora ......................................................................... 38
Figura 28: Válvulas usadas en la dobladora, todas son del tipo 5/2 biestables accionadas por
solenoide y retorno por resorte. .................................................................................................... 39
Figura 29: PLC´s CJ1M de OMRON que usa la dobladora BendTech ..................................... 40
Figura 30: Vista de la dobladora DN-477. Se puede observar encerrada en verde la parte por
la cual el operario introduce los tubos al alimentador. ................................................................ 41
Figura 31: Alimentador de tubo. Puede verse encerrado en amarillo los tubos en espera de
ser doblados, además se observan los cilindros que intervienen en la secuencia de
alimentación de tubo. ..................................................................................................................... 43
Figura 32: Detalle de la forma en la que uno de los cilindros separa el tubo a ser doblado
cuando se activa la electroválvula #9 y se extiende el vástago................................................. 44
Figura 33: Detalle del cilindro #10. Se puede observar cómo el vástago detiene a los tubos
en espera para que no caigan en la posición inicial. .................................................................. 45
Figura 34: La pinza neumática está sujetando el tubo en el paso #4. ...................................... 45
Figura 35: Detalle de los mecanismos accionados por los cilindros #11 y 12. ........................ 46
Figura 36: El cilindro #7 lleva el tubo sujetado por la pinza neumática al área de doblado. ... 47
Figura 37: Una de las acciones realizadas por la electroválvula #1, que es accionada en el
paso #1 de la dobladora, es retraer el cilindro que se muestra encerrado en la figura. Se
puede observar a la derecha el cilindro #4 que entrará en acción hasta el paso #8. .............. 50
Figura 38: Encerrado en color amarillo el “clamp” o elemento que prensa al tubo a ser
doblado mediante el accionamiento de uno de los cilindros controlados con la electroválvula;
también se observa encerrado en color rosa el “zapato” que provoca el primer doblez
mediante el movimiento del cilindro #2. ....................................................................................... 50
Figura 39: Paso inicial de la secuencia ........................................................................................ 52
Figura 40: Primera Transición del diagrama Grafcet .................................................................. 53
Figura 41: Transición, paso y acción ............................................................................................ 53
Figura 42: Divergencia para el paro de emergencia posible en cada paso .............................. 54
Figura 43: Divergencias en cada paso ......................................................................................... 55
Figura 44: Divergencia diferente del paro de emergencia. En la transición al paso 6 puede
ocurrir una falla. .............................................................................................................................. 56
Figura 45: Entorno de programación de CX Programmer. ......................................................... 57
Figura 46: Programación SFC en CX Programmer. ................................................................... 58
Figura 47: Programa Grafcet (SFC) ejecutándose. .................................................................... 59
Figura 48: Programa Grafcet. Se puede observar que está activo el paso 2. .......................... 60
Figura 49: Programación en escalera. También es posible traducir el lenguaje grafcet a
lenguaje escalera puro. ................................................................................................................. 60
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Figura 50: Extracto de los programas originales de las secuencias de alimentación y de
doblado de la dobladora BendTech.............................................................................................. 61
Figura 51: Extracto del Programa Grafcet final de la dobladora. .............................................. 62
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Ingeniería Electromecánica 1
1. Introducción
El presente trabajo trata sobre la mejora en cuanto a estructurar la forma de
programar una máquina secuencial desarrollada en la empresa Cooper Standard
Automotive Fluid Systems de México S. de R.L de C.V., localizada en Torreón, Coah.
Cooper Standard Automotive (CSA) cuenta con máquinas de producción
automatizadas de distintos tipos para los diferentes procesos que se llevan a cabo en
la empresa, entre las que destacan punteadoras eléctricas, verificadoras de fuga,
dobladoras neumáticas y robots de soldado. En lo que se refiere a las dobladoras, es
necesario hacer revisiones en el programa del PLC (programado por un proveedor
canadiense de la empresa) por parte del personal de mantenimiento por cuestiones
de operaciones de mantenimiento correctivo o por adecuaciones de nuevos
dispositivos que se incorporaran a la máquina, como lo son sensores, dispositivos de
seguridad, HMI´s o simplemente para verificar el correcto funcionamiento de algún
elemento de la máquina.
Entender el programa que está en la memoria del PLC que lleva a cabo el
funcionamiento del equipo es un tanto tedioso si quien lo revisa no es el programador
original, más aún si quien realizó el programa no usó un sistema adecuado y
ordenado y hasta estandarizado para el tipo de rutinas, secuencias o aplicaciones
generales. Precisamente al hablar en un contexto de acciones secuenciales en la
máquina es donde nace la necesidad de estandarizar la forma de programar
máquinas que sigan secuencias, mediante técnicas o lenguajes de programación que
sean entendibles para cualquier persona que sepa programar un PLC, ya que de lo
contrario, dependiendo de la destreza de quien trata de entender el programa, puede
ser muy tardado comprender las secuencias programadas y puede afectar, por
ejemplo, el tiempo de paro del equipo si el interesado es un técnico de
mantenimiento que trata de encontrar una falla y está siguiendo el programa en el
PLC.
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Ingeniería Electromecánica 2
2. Definición del problema
En el departamento de mantenimiento en el área de automatización y control de
la unidad de negocios II es necesario atender fallas del tipo eléctricas o electrónicas
de cualquier tipo concernientes a sensores, HMI´s, PLC´s, equipo electroneumático,
por mencionar algunos.
Al presentarse una falla que no puede ser localizada a simple vista, se tiene
que “entrar” en la memoria del PLC de la máquina para poder monitorizar que
elemento no está haciendo su función; sin embargo al momento de pretender hacer
dicha actividad mencionada, se vuelve una odisea ya que primero que nada hay que
tratar de entender cómo está estructurado el orden del programa, sobre todo si se
trata de una máquina secuencial como una dobladora neumática.
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Ingeniería Electromecánica 3
3. Justificación
El presente proyecto se cimienta en la clara y muy notoria importancia para la
empresa de mejorar los procesos y maquinaria de producción y en la ayuda que
aportará al departamento de mantenimiento en el área de automatización control
para poder llevar a cabo una estandarización posterior a este proyecto en la manera
de programar cualquier máquina secuencial, y así lograr una más rápida y efectiva
localización y eliminación de la fallas o modificaciones eficientes a la misma
máquina.
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5. Alcances y limitaciones
a. Alcances
Se aplicará la mejora en una dobladora del área C con opción futura a
aplicarse a la mayoría o a la totalidad de las dobladoras de éste tipo
como parte de una posible estandarización.
b. Limitaciones
Entre las limitaciones que se presentan se encuentran las siguientes:
La falta de disposición del equipo para poder realizar las
modificaciones necesarias ya que se tiene que aprovechar
tiempos que no afecten la producción.
Posible falta de algún elemento extra para poder llevar a cabo la
reprogramación sin afectar la secuencia física original.
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6. Objetivos
a. Generales
Realizar un nuevo programa en el PLC de forma detallada y ordenada
de la secuencia de alimentación de tubo y de doblado del mismo,
usando una técnica o lenguaje que proporcione el orden y
entendimiento necesario para cualquier técnico o ingeniero que tenga la
necesidad en un futuro de monitorizar el mismo.
b. Específicos
Llevar a cabo la programación de la secuencia tanto de alimentación de
tubo de la máquina, como de la secuencia de doblado, en SFC o
GRAFCET, la cual es la más adecuada forma de programación de
secuencias controladas con controladores lógicos programables.
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7. Caracterización del área en que se participó
a. Información general de la empresa
Datos generales
Nombre: Cooper Standard Automotive Fluid Systems de México S. de R.L de C.V,
Planta II.
Domicilio: Praxedis de la Peña 268 Cd. Industrial Torreón, Coah. C.P. 27019
Teléfono: (871) 7-29-07-00
Año de inicio: 1994
Figura 2: Vista Exterior de la Entrada principal de Cooper Standard Torreón
Figura 1: Logotipo de Cooper Standard Automotive.
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Antecedentes de la empresa
La compañía inició sus operaciones en 1985 bajo el nombre de “Fabricación
de Autopartes y bienes de Exportación S.A. de C.V.” (FABEX) con una pequeña
fuerza laboral de seis personas, durante algunos años siguió con el mismo nombre.
FABEX S.A de C.V., fue comprado por el corporativo SIEBE AUTOMOTIVE en el año
de 1995.
Posteriormente SIEBE fue comprada por el corporativo COOPER STANDARD
AUTOMOTIVE en el año de 1999. La planta de Cooper Standard Torreón depende
de la división de sistemas de fluidos cuyas oficinas centrales se encuentran en
Auburn Hills, Michigan, USA.
Descripción del giro de la empresa
Esta empresa se dedica a la producción de líneas de fluido, tuberías y
ensambles con mangueras, para su utilización en los modelos de las principales
marcas automotrices. A continuación se muestra una lista de los productos que se
fabrican:
o Tubería de Acero
o Líneas de Frenos
o Líneas de Refrigeración
o Líneas de Agua y calentador
o Líneas de conducción de gas
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Cooper Standard Automotive fabrica productos para todos los principales
fabricantes de autos del mundo, tiene su sede principal en Novi, Michigan y cuenta
con tres divisiones principales:
La División Mundial de Sistemas de Sellados
La División de Sistemas Hidráulicos o de Sistemas de Fluidos
La División de Control de Vibraciones (NVH)
Estos productos son elaborados para la Industria Norteamericana, australiana y
sudamericana.
La Planta II en Torreón pertenece a la División de Sistemas de Fluidos, la finalidad
de los productos es permitir la circulación de gases y líquidos en todo el vehículo.
Figura 3: Vista interior de la empresa
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Ingeniería Electromecánica 9
Misión
Utilizar métodos de una empresa esbelta que proveerán productos y
soluciones con calidad seis sigma con miembros entrenados y motivados para crear
el valor más alto para nuestros clientes y accionistas.
Visión
Cooper Standard Automotive de México pretende ser el mejor proveedor de
componentes que controlen sensibilidad, paso y nivel de fluidos y vapor necesarios
para la industria de la transportación global.
Política de calidad
Cooper Standard Automotive de México está absolutamente comprometido
para ser un líder y proporcionar productos de calidad para la total satisfacción de
nuestros clientes. La calidad es el resultado de la dedicación de cada miembro de
Cooper Standard Automotive de México.
Filosofía
Creemos en el poder de la gente y en que responde al reconocimiento y la
confianza, a la libertad de participar, a la oportunidad de aprender y desarrollarse
personal y profesionalmente.
Creemos que el aprendizaje es el resultado de la combinación entre los
programas de educación de Cooper, educación externa, entrenamiento y desarrollo
de multihabilidades.
El desempeño de toda la gente Cooper debe ser revisado anualmente por su
supervisor, creemos en el concepto de la compensación basada en el desempeño,
creemos en las promociones internas y en proporcionar oportunidades para aquellos
que las deseen, creemos que la gente que busca progresar, debe discutirlo con sus
supervisores, creemos que los individuos son responsables de sus propias
oportunidades, carreras y avances.
Creemos en las instalaciones seguras para la gente de Cooper, creemos que
la gente de Cooper debe actuar con los más altos estándares éticos y morales y
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aceptar solamente calidad total en todo lo que haga, rechazando siempre la
mediocridad.
Valores
Servicio
Honestidad
Calidad / productividad
Respeto innovación
Participación
Desarrollo
Objetivos
El objetivo de la compañía Cooper Standard Automotive es ganar dinero para
sus accionistas e incrementar el valor de sus inversiones. Haremos esto haciendo
crecer la compañía, controlando los recursos y estructurando apropiadamente la hoja
de balance, incrementando así la utilidad por acción (EPS), el flujo de dinero y el
retorno de la inversión.
Estructura laboral y organizacional de la planta
Planta II está dividida en 6 importantes áreas de producción, conocidas como
Unidades de Negocios. Cada una cuenta con una manufactura celular estructurada
por los siguientes departamentos dentro de ellas:
Manufactura
Mantenimiento
Calidad
Ingeniería
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Además existen departamentos de apoyo para estas 6 Unidades de Negocios
por parte de las áreas de:
Proyectos (Tool Room)
Mejora Continua (Lean Manufacturing)
Tráfico y Aduanas
Materiales
Compras
Sistemas
Finanzas
Capacitación
Recursos Humanos
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Director de operaciones
Gerente
Unidad de Negocios I
Gerente
Unidad de Negocios II
Gerente
Unidad de Negocios III
Gerente
Unidad de Negocios IV
Gerente
Unidad de Negocios V
Gerente
Unidad de Negocios VI
Organigrama
Director General
Asistente Ejecutivo
Contraloría Recursos
Humanos
Gerente de
Tool Room Logística
Gerente de
Calidad
Gerente de
Materiales APQP & C.I.
Figura 4: Organigrama de la empresa
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b. Departamento donde se realizó el presente trabajo
Figura 5: Organigrama de la unidad de negocios II
El lugar donde se desarrolló el presente trabajo fue en el departamento de
mantenimiento en la sub área de automatización y control de la unidad de negocios
II, que comprende las áreas B y C donde se fabrica tubería para fluídos para los
clientes Ford, Nissan, Chrysler y Fisker.
BU II
Manager
Áreas B y C
Quality Eng.
Quality
Auditor
Process Eng.
Áreas B y C
Maintenance
Supervisor
Maintenance
Technicians
Automation
& control
Engineer
Production
supervisors
Cell
leaders
Direct
Operators
Tech
operators
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Ingeniería Electromecánica 14
8. Fundamento teórico
8.1. Controladores Lógicos Programables
8.1.1 Definición
Los controladores lógicos programables, también llamados controladores
programables o PLC´s, son miembros de la familia de las computadoras que usan
circuitos integrados de estado sólido en lugar de dispositivos electromecánicos para
implementar funciones de control. Son capaces de almacenar instrucciones como lo
son instrucciones de secuencia, temporizadores, contadores, instrucciones
aritméticas, manipulación de datos y comunicación, para controlar máquinas y
procesos industriales.
Los controladores programables tienen varias definiciones, sin embargo; los
PLC pueden ser definidos en términos simples como computadoras industriales con
arquitectura especialmente diseñada tanto en sus unidades centrales (el mismo PLC)
y sus circuitos de interfaz con los dispositivos de campo (conexiones de
entrada/salida con el mundo real).
8.6.2 Principios de operación y elementos básicos de un PLC
Un controlador lógico programable consta de dos secciones principales:
La unidad de procesamiento central.
El sistema de interfaz de entradas/salidas
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Ingeniería Electromecánica 15
Figura 6: Diagrama de bloques de un PLC.
La unidad de procesamiento central (CPU) gobierna todas las actividades del
PLC y está formada por tres unidades: el procesador, la memoria del sistema y la
fuente de alimentación (Figura 7.). La fuente de alimentación es necesaria para
convertir el voltaje de C.A de la red eléctrica a bajo voltaje de C.D (5 V) necesario
para la alimentación del procesador y los circuitos de la interfaz de entrada y salida.
La operación de un PLC es relativamente simple. El sistema de entrada/salida
está físicamente conectado a los dispositivos de campo que se encuentran en la
máquina o que son usados en el control de un proceso. Estos dispositivos de campo
pueden ser dispositivos de entrada/salida analógicos o discretos como interruptores
de límite, transductores de presión, botones pulsadores, arrancadores de motores
eléctricos, solenoides, etc.
Las interfaces de entrada/salida (I/O por sus siglas en inglés) proveen la
conexión entre la CPU, la información suministrada (entradas) y los dispositivos
controlables (salidas).
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Ingeniería Electromecánica 16
Figura 7: Diagrama de bloques de los componentes principales de la CPU.
Durante esta operación, la CPU completa tres procesos: (1) lee o admite los
datos de entrada de los dispositivos de campo (entradas) vía interfaces de entrada,
(2) ejecuta, o desarrolla el programa de control almacenado en la memoria del
sistema, y (3) escribe, o actualiza, los dispositivos de salida vía interfaces de salida.
Éste proceso secuencial de lectura de las entradas, ejecución del programa en la
memoria, y actualización de las salidas es conocido como scan o barrido (Figura 8).
Figura 8: Ciclo scan o barrido de un PLC.
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El sistema de entradas/salidas (I/O) forma la interface por la cual los
dispositivos de campo son conectados al controlador. El principal propósito de ésta
interface es acondicionar las distintas señales recibidas o enviadas a los dispositivos
de campo. Las señales de entrada de sensores y botones o interruptores son
cableados a las terminales de las interfaces de entrada. Los dispositivos que serán
controlados, como arrancadores de motores, solenoides, luces piloto, etc., son
conectados a las terminales de las interfaces de salida (Figura 9).
Figura 9: Módulos de entrada/salida de un PLC CJ1M del Fabricante OMRON. Entradas en color rojo, salidas color azul.
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Ingeniería Electromecánica 18
Mediante circuitería electrónica se logra la comunicación entre los dispositivos
de campo y la CPU para procesar la información proveniente de éstos dispositivos.
En la figura 10 se muestra la circuitería básica de la interfaz de entrada.
Los voltajes comunes para las señales de entrada son 5V y 24V. Los voltajes
comunes para las señales de salida son 24V y 127 V. Las especificaciones o
configuración electrónica de la interfaz de salida son de tipo relevador, de tipo
transistor o de tipo triac. En el tipo relevador, la señal de salida del PLC se utiliza
para operar un relevador; así éste es capaz de conmutar corrientes del orden de
unos pocos amperes en un circuito eterno. El relevador aísla al PLC del circuito
externo, y se emplea tanto para la conmutación de C.D., como la de C.A. La salida
de tipo relevador es la más usada en la práctica; sin embargo, la de tipo transistor
(Figura 11) realiza la conmutación con mayor rapidez. La utilización de
optoacopladores en las interfaces de entrada/salida se emplea con el objetivo de
aislar al PLC de los circuitos externos.
Figura 10: Circuitería interna básica de la interfaz de entrada
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Ingeniería Electromecánica 19
Aunque generalmente no se considera una parte del controlador, un
dispositivo de programación, generalmente una computadora personal o un
miniprogramador del fabricante del PLC, se requiere para introducir el programa en la
memoria de la CPU. El programa es desarrollado en el dispositivo de programación y
después transferido a la memoria del procesador.
8.1.3 Identificación de entradas/salidas y direccionamiento de bit
Los dispositivos de entrada y salida necesitan ser identificados al momento de
desarrollar el programa de control, lo que se conoce como “direccionamiento del
PLC”. En general un dispositivo de campo conectado a un módulo de entrada/salida
Figura 11: Salida tipo transistor.
Figura 12: ejemplo de direccionamientos en un PLC Allen
Bradley.
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Ingeniería Electromecánica 20
es identificado por su ubicación física de alguna forma de montaje en el chasis o
armazón del PLC, por la posición de la tarjeta (módulo) en éste chasis o rack y por el
borne de la tarjeta en la que esté conectado. Por ejemplo en un PLC del fabricante
Allen Bradley una lámpara está conectada a la salida 5 (borne) en la tarjeta 6
(módulo), en el chasis 2 (rack), la señal sería O: 26/05 (Figura 12).
Los PLC’s del fabricante OMRON identifican los dispositivos de entrada/salida
mediante “canales de 16 bits” localizados en los módulos de I/O que van de izquierda
a derecha, además de reservar también canales de 16 bits para tratar
entradas/salidas internas que se usan para propósitos solamente de programación y
no para el conexionado de elementos físicos de campo. Dos ejemplos: un botón
pulsador conectado a un módulo cuyo direccionamiento es 000.00 significa que está
cableado en el canal 000 (módulo de entradas) y es el bit 00 (borne 0); la dirección
120.00 corresponde a un bit interno que puede ser usado como salida o entrada
interna del PLC.
8.1.4 Programación
Los cuatro tipos de lenguajes de programación usados en PLC’s son:
Lenguaje escalera
Booleano o funciones lógicas
Lista de instrucciones o mnemónicos
GRAFCET
Los lenguajes de escalera y booleano, esencialmente implementan las
operaciones en la misma forma, pero difieren en la forma en que sus instrucciones
son representadas y en cómo son introducidas al PLC. El lenguaje de lista de
instrucciones son conjuntos de códigos que se traducen a lenguaje de máquina que
entienda el procesador; los mnemónicos varían de fabricante a fabricante de PLC´s.
El lenguaje GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Étape Transition) es un
lenguaje gráfico simbólico originado en Francia que representa el programa de
control como pasos o etapas de la máquina o proceso.
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Ingeniería Electromecánica 21
De los tipos de programación mencionados líneas antes, el más usado en la
práctica es el lenguaje de escalera, por su simplicidad y la fácil familiarización para
técnicos e ingenieros.
La programación de un PLC en lenguaje escalera consiste en la elaboración de
un programa de manera similar a como se dibuja un circuito de contactos eléctricos.
El diagrama de escalera consta de dos líneas verticales que representan las
líneas de alimentación. Los circuitos se disponen como líneas horizontales, es decir,
como si fueran los peldaños de una escalera, sujetos entre las dos líneas verticales.
Los símbolos usados en los diagramas de contactos eléctricos (en el ámbito de los
automatismos se les conoce como diagramas de lógica cableada) son las bases del
lenguaje escalera. En la figura 13 se muestra un diagrama de contactos y una
representación en lenguaje escalera del mismo circuito.
Igual que en diagramas de lógica cableada, en un peldaño, las entradas siempre
preceden a las salidas y siempre debe haber por lo menos una salida por cada línea.
Los peldaños deben empezar con una o varias salidas y finalizar con una salida.
Figura 13: diagrama de contactos de lógica cableada (Arriba) y
representación del mismo circuito en lenguaje de programación escalera (Abajo).
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La figura 14 muestra los símbolos estándar básicos que se utilizan en el
lenguaje escalera.
Para ilustrar de mejor manera los principios del lenguaje escalera,
supongamos que tenemos una unidad hidráulica y queremos dar una indicación
mediante una lámpara cuando:
1. la bomba esté trabajando (mediante un contacto auxiliar del arrancador
del motor).
2. hay aceite en el tanque (detectado por un interruptor de nivel que lo
hace cuando el interruptor está en el nivel adecuado).
3. Hay presión de aceite (detectada por un interruptor de presión que lo
hace para un adecuado nivel de presión).
Con relés convencionales (lógica cableada) se cablearía un circuito como el
mostrado en la figura 15.
Figura 14: simbología estándar del lenguaje escalera.
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Si se usa un PLC, conectamos los dispositivos de entrada (los interruptores) a
un módulo de entrada, y el dispositivo de salida (lámpara) a un módulo de salida
como en la figura 16. El direccionamiento de I/O (E/S) usado es de un PLC Allen
Bradley.
El programa para proporcionar el control se muestra en la figura 17. La línea a
la izquierda puede ser considerada como “fase”, y la línea a la derecha como neutro.
La salida está representada por una bobina -( )- y se energizará cuando haya una
ruta disponible (en lógica cableada, cuando haya circulación de corriente) entre la
línea de la izquierda y la línea de la derecha. La salida O:22/01 se activará cuando
las señales I:21/00 (el contacto auxiliar del arrancador del motor de la bomba),
I:21/01 (el interruptor de nivel) y I:21/02 (interruptor de presión) estén todos
presentes.
Figura 15: Circuito con lógica cableada para indicar las condiciones óptimas de una unidad hidráulica.
Figura 16: Conexión y direccionamiento de
entradas/salidas.
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Como se ha mencionado anteriormente, el lenguaje escalera es el método de
programación más usado en la actualidad; sin embargo, existen métodos como el
caso del GRAFCET, en el que puede usarse una combinación de lenguajes, en éste
caso de tipo gráfico y escalera.
(Bossy, 1995) El GRAFCET (Gráfica de control de etapas de transición) es un
diagrama funcional, el cual describe gráficamente los diferentes comportamientos de
un automatismo secuencial.
El GRAFCET se compone de:
- las etapas o pasos que están asociadas a las acciones.
- las transiciones o condiciones que están asociadas a las receptividades.
- las líneas orientadas que enlazan las etapas con las transiciones y las transiciones
con etapas.
Figura 17: Programa del ejemplo de la unidad hidráulica usando el software de
programación de Allen Bradley
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Para representar el GRAFCET, usaremos los siguientes símbolos gráficos:
Como etapa se conoce a un paso dentro de la evolución del proceso
secuencial, en las que en cada una de estas se realiza una o varias acciones. Se
representan con un cuadro y un número o símbolo dentro de éste de manera que
identifique el orden dentro del proceso.
Las etapas iniciales se representan con un cuadro doble. Las acciones a
realizar en cada etapa del proceso, se representan con rectángulos laterales
conectados por una línea al cuadrado de cada etapa (Figura 19).
Figura 18: Simbología GRAFCET
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A cada transición le corresponde una receptividad, es decir, la condición a
cumplir para pasar la transición. La transición es válida si la etapa anterior inmediata
está activa.
Las acciones están asociadas a las etapas y pueden ser continuas o puntuales:
Continuas:
Básica – se ejecuta mientras la etapa está activa.
Condicional – acción continua sometida a una condición lógica.
Temporizada – acción condicionada a una condición temporal (retardo en la
activación, en la desactivación, en las dos, temporización respecto a otra
etapa).
Puntuales:
A la activación – la acción se realiza una única vez cuando la etapa se activa.
A la desactivación – lo mismo cuando la etapa se desactiva.
Al franqueo – acción asociada al franqueo de una transición.
Al evento – acciones asociadas a cualquier evento puntual (activación o
desactivación de etapas, franqueo de transiciones, flancos de subida o bajada
de alguna variable interna, etc.)
Figura 19: Ejemplo de GRAFCET. La etapa 1 es una
etapa inicial, además se puede ver las acciones en cada etapa.
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Estructuras lógicas en GRAFCET
Cuando exista la posibilidad de pasar a una etapa a partir de una etapa
común, se dice que existe una divergencia OR.
En la figura 20 se muestra un caso simple de divergencia OR. Cuando se
cumpla la condición de la transición “a” estando activa la etapa n-1 el proceso
evolucionará a la etapa n. de igual forma cuando se cumplan las condiciones de la
transición “b” estando activa la etapa n-1 el proceso avanzará de la etapa n-1 a la
etapa n+1.
Por otro lado, cuando exista la posibilidad de que dos etapas tengan una
etapa que les suceda en forma común a las dos, se duce que existe una
convergencia OR.
Figura 20: Divergencia OR
Figura 21: Convergencia OR
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En la figura 21, las etapas n-1 y n-2 tienen en común a la etapa n que les
sigue en la secuencia, es decir la etapa n estará activa si las condiciones de
transición “c” se cumplen estando activa la etapa n-1 o si se cumplen las condiciones
de transición “d” estando activa la etapa n-2.
Cuando exista la necesidad de activar dos etapas simultáneas, existirá una
divergencia AND. En la figura 22, cuando las condiciones de transición se cumplan
estando activa la etapa 0 de inicialización (reposo), se activarán las etapas 1 y 2.
De forma similar, existe la convergencia AND. En la figura 23, cuando se
cumplan las condiciones de transición estando activas las etapas 1 y 2, pasará al
estado activo la etapa 3.
Figura 22: Divergencia AND.
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Hay que hacer notar que para la función lógica OR en GRAFCET las líneas
de concurrencia son sencillas, mientras que para la función lógica AND las líneas de
concurrencia son líneas dobles.
Figura 23: Convergencia en AND.
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8.2 Circuitos electroneumáticos
Los sistemas neumáticos se complementan con los eléctricos y electrónicos lo que
les permite obtener un alto grado de sofisticación y flexibilidad. Utilizan válvulas
solenoide, señales de realimentación de interruptores magnéticos, sensores e
interruptores eléctricos de final de carrera. El PLC les permite programar la lógica de
funcionamiento de un cilindro o de un conjunto de cilindros realizando una tarea
específica.
(Creus, 2007)Un circuito electroneumático consta de un circuito neumático
más un circuito eléctrico. La parte de fuerza del circuito es neumática y la única
diferencia con los circuitos neumáticos es que el pilotaje o control o mando de las
electroválvulas (suelen ser del tipo 5/2 biestables) es eléctrico.
El esquema electroneumático es el plano de representación de todos los
elementos, con los conductos y líneas de conexión del mando. Los esquemas
eléctricos pueden representarse según las normas ISO y ANSI de la forma siguiente:
1. Los elementos de trabajo se dibujarán siempre en posición horizontal
2. Los circuitos se dibujan en la posición de partida, es decir, los elementos no
están excitados inicialmente.
3. Para evitar errores se numeran los distintos elementos.
La representación de un circuito electroneumático consta pues del diagrama
neumático y del diagrama eléctrico de control. La simbología eléctrica usada en
circuitos electroneumáticos es la misma que la que usa en circuitos de lógica
cableada o de escalera. En las páginas siguientes se muestran alguno símbolos
neumáticos.
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Tabla 1: Simbología neumática
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Tabla 2: Simbología neumática continuación
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Tabla 3: Simbología neumática continuación
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Tabla 4: Simbología neumática continuación
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8.3. Ejemplo básico de circuito electroneumático
En la figura 24 la excitación del solenoide A1 hace avanzar al cilindro a una
velocidad grande controlada por el regulador de flujo R1. Cuando su movimiento toca
al final de carrera FC1, se excita la bobina A3 que obliga al aire de escape a pasar
por el regulador de flujo R2 que se ajusta a la velocidad lenta. El cilindro avanza
lentamente hasta el final de carrera FC2, que excita las bobinas A2 y A4,
originándose el retorno rápido y la preparación de distribuidor de cambio de
velocidad para el siguiente ciclo. Debe hacerse notar que el final de carrera FC1 solo
debe accionarse en el sentido de salida del cilindro. En la figura 25 se muestra parte
del programa en PLC para estas acciones.
R2 R1
Figura 24: Circuito neumático controlado por mando eléctrico
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Figura 25: Programa en PLC para el circuito neumático.
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Ingeniería Electromecánica 37
8.3 Dobladora Neumática de tubo BENDTECH
Las máquinas dobladoras de tubo con las que cuenta Cooper Standard Automotive
Torreón, son máquinas automáticas electroneumáticas que fueron construidas cada
una de acuerdo a las necesidades de cada número de parte requeridos por los
diferentes clientes de la empresa. El fabricante de dichas máquinas es la empresa
“Bend Tech Inc”, empresa radicada en Canadá.
La máquina tratada en éste trabajo es una máquina (Figura 26) diseñada y
construída de acuerdo a los requerimientos del cliente “Fisker Automotive” para un
número de parte del modelo de lujo “Karma” de ésta firma automotriz.
Figura 26: Apariencia externa de la dobladora Bendtech DN-477 de Cooper
Standard Torreón.
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8.3.1 Elementos principales de la dobladora neumática BENDTECH
usada para el doblado de piezas para Fisker.
La dobladora se divide en dos partes principales: el alimentador de tubo (Figura 27),
y la parte encargada de doblar el mismo.
El alimentador está constituido por 12 cilindros de doble efecto y una pinza
neumática como puede observarse en la figura 27. Todos éstos elementos son
controlados por electroválvulas 5/2 de una sola solenoide y retorno por muelle.
Sin embargo para controlar los cilindros del alimentador solo hay 7
electroválvulas contra los trece elementos neumáticos a controlar, esto es porque la
electroválvula #9 controla cuatro cilindros identificados con el número nueve; la
electroválvula #10 controla dos cilindros identificados con el número diez; la
Figura 27: Alimentador de tubo de la dobladora
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electroválvula #11 controla un par de cilindros identificados con el número once; la
electroválvula #12 controla otra par de cilindros identificados con el número doce
correspondiente a éstos; las electroválvulas #7 y #13 controlan un solo cilindro
respectivamente, y la electroválvula #8 controla la pinza neumática.
La parte dobladora de la máquina consta de 7 cilindros de doble efecto, y de igual
forma que en el alimentador, están controlados por electroválvulas 5/2 accionadas
por solenoide y retorno por muelle (Figura 28).
Controlador lógico Programable usado en la dobladora BendTech
La dobladora cuenta con un controlador lógico modular marca OMRON modelo
CJ1M (Figura 29) con una CPU 21, dos módulos de entradas discretas de 16
entradas modelo CJ1W-ID211, y un módulo de salidas discretas modelo CJ1W-
OD231 de 32 salidas discretas y una fuente de voltaje modelo CJ1W-PA202.
Figura 28: Válvulas usadas en la dobladora, todas son del tipo 5/2 biestables accionadas por solenoide y retorno por resorte.
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Este PLC es el modelo más avanzado de la serie CJ1 de OMRON, muy potente a
pesar de su tamaño ultra compacto (Sólo 90 mm de alto y 65 mm de fondo, con
unidades de E/S a partir de 20 mm de ancho). El CJ1M-CPU 21 no es expansible y
solo puede contener 160 bits de E/S con un máximo de 10 módulos conectables.
Figura 29: PLC´s CJ1M de OMRON que usa la dobladora BendTech
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8.3.2 Secuencias de alimentación y doblado
En este apartado se conocerá la secuencia paso por paso de la alimentación y
doblado de tubo de la máquina identificada internamente con clave DN-477 (Figura
30) y se conocerá la forma de registrar la secuencia de los cilindros neumáticos. Para
esto se utiliza un formato de registro basado en las transiciones de
activación/desactivación en cada paso de cada una de las electroválvulas como se
muestra en la tabla 5.
Figura 30: Vista de la dobladora DN-477. Se puede observar encerrada en verde la
parte por la cual el operario introduce los tubos al alimentador.
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# Paso Electroválvulas
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1 x
2 x x
3 x x
4 x x x
5 x x
6 x x x
7 x x x x
8 x x x
9 x x
10 x
11 x x
12 x x x
13 x x
14 x
15 x x
Tabla 5: Formato de transición de activación/desactivación de electroválvulas. Se muestra la secuencia del
alimentador y parte de la parte dobladora. En color azul se muestran las electroválvulas de los cilindros involucrados en el doblez del tubo, y en rojo las electroválvulas que accionan los cilindros del alimentador.
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8.3.2.1 Secuencia de alimentación
En el paso #1 tiene que estar activada la electroválvula 9, dicha electroválvula del
tipo 5/2 (como todas las que usa la dobladora) activa dos cilindros de doble efecto
numerados igual que la válvula, es decir identificados los dos con el número 9 del
alimentador (Figura 31). En la tabla 5 se observa que hay una cruz debajo de la
válvula #9 en dirección al paso #1 del alimentador.
Este par de cilindros (#9) que están retraídos en su posición inicial se encargan
de dos cosas principalmente cuando se activa la electroválvula y se extienden:
1. Uno de ellos separa un tubo de la formación de los tubos de espera.
2. El otro (que está más cercano al área de doblado) cumple la función de no
dejar que el tubo caiga cuando se retraigan los cilindros #10 y quede en el
lugar exacto para que una pinza neumática pueda sujetarlo en uno de los
pasos posteriores.
Figura 31: Alimentador de tubo. Puede verse encerrado en amarillo los tubos en espera de
ser doblados, además se observan los cilindros que intervienen en la secuencia de alimentación de tubo.
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En la figura 32 puede apreciarse la forma en que uno de los cilindros del par #9
separa el tubo a ser doblado.
En el paso #2 la electroválvula #9 sigue activada y se activa la electroválvula
#10 como se muestra en la tabla 5. El par de cilindros #10 que inicialmente están
extendidos (Figura 33) cumplen con la función de no dejar caer todos los tubos en
espera, y al momento de activar la electroválvula se retraen y dejan caer solamente
el tubo separado por uno de los cilindros activados por la electroválvula #9. El tubo a
ser doblado es detenido por el otro cilindro #9 que está localizado antes del área de
doblado y en el punto para poder ser sujetado unos pasos más adelante por la pinza
neumática.
En el paso #3 sigue la electroválvula #9 activada pero se desactiva la
electroválvula #10, por lo que el par de cilindros #10 vuelven a extenderse para
cuando la electroválvula #9 se desactive no caigan los tubos en espera. En el mismo
paso se activa la electroválvula #13 que hace que se extienda el cilindro único #13
Figura 32: Detalle de la forma en la que uno de los cilindros separa el tubo a ser doblado
cuando se activa la electroválvula #9 y se extiende el vástago.
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que alinea horizontalmente el tubo a ser doblado a la posición adecuada para cuando
vaya a ser sujetado por la pinza neumática.
En el paso #4 permanecen activadas las electroválvulas #9 y #13 y se activa
la electroválvula #8 que causa que la pinza neumática sujete el tubo a ser doblado
como se puede observar en la figura 34.
Figura 33: Detalle del cilindro #10. Se puede observar cómo el vástago detiene a los tubos
en espera para que no caigan en la posición inicial.
Figura 34: La pinza neumática está sujetando el tubo en el paso #4.
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En el paso # 5 permanecen activadas #9 y #8; sin embargo se desactiva la
electroválvula #13 ya que la pinza neumática ya está sujetando el tubo.
En el paso #6 permanecen las electroválvulas #8 (pinza neumática) y la
electroválvula #9 (cilindros #9 extendidos) y se activa la electroválvula #11 que causa
que el par de cilindros identificados con el número 11 (Figura 35) situados en cada
extremo del alimentador, se extiendan (bajen) para asegurarse que el tubo está
posicionado en la posición correcta antes de ser doblado.
En el paso #7 permanecen las mismas electroválvulas accionadas del paso
anterior y se activa la electroválvula #12 que origina la extensión del par de cilindros
#12, que igual que los cilindros #11 también sirven para el aseguramiento de la
correcta posición del tubo mediante unas horquillas conectadas a sus vástagos
En el paso #8 solamente ocurre un acontecimiento de relevancia: se desactiva
la electroválvula #11 y por ende el par de cilindros identificados con el número once
regresan a su posición inicial (se retraen).
Figura 35: Detalle de los mecanismos accionados por los cilindros #11 y 12.
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En el paso #9, el único suceso de relevancia es la desactivación de la
electroválvula # 12 y los cilindros controlados por dicho dispositivo regresan a su
posición original y con esto se garantiza que el tubo ya está alineado correctamente
para ser llevado al área de doblado.
En el paso #10 se desactiva la electroválvula #9 y los cilindros del mismo
número regresan a su posición original (se retraen) para que en el paso #11 se active
la electroválvula #7 y pueda extenderse el cilindro #7 y llevar el tubo sujetado aún por
la pinza neumática al área de doblado (Figura 36).
El paso #12 también es el paso #1 de la parte dobladora y en el cual
permanece activada la electroválvula #8 y #7 las cuales mantienen al tubo sujetado
por la pinza y en el área de doblado respectivamente.
Figura 36: El cilindro #7 lleva el tubo sujetado por la pinza neumática al área de doblado.
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En el paso #13 y paso #2 de la dobladora se desactiva la electroválvula #8, es
decir la pinza deja de sujetar el tubo; sin embargo la dobladora ya tiene sujetado al
tubo con otro mecanismo en el paso #2 de su secuencia.
En el paso #14 se desactiva la electroválvula #7, es decir el cilindro #7 se
retrae y vuelve a su posición original y termina la secuencia del alimentador para
volver a iniciarse siempre y cuando estén listas otra vez las condiciones requeridas
para dicho cometido.
9.1.2 Secuencia de doblado
Como pudo verse en la explicación de la secuencia de alimentación, hay un paso en
el que los cilindros que conforman el alimentador de tubo y los cilindros involucrados
en el doblez, comienzan a compartir secuencia aunque por parte del alimentador solo
sea por unos pocos pasos. En la tabla 6 se muestra el diagrama de transición de
activación/desactivación de las electroválvulas que controlan los cilindros de la parte
dobladora de la máquina.
Como puede observarse en la Tabla 6, en el paso #12 (que sería el paso #1
para la parte encargada del doblez del tubo) se “fusionan” las secuencias del
alimentador y de la parte dobladora. Lo que sucede en ese momento se detalla a
continuación:
En el paso #12, el cual llamaremos de ahora en adelante como paso #1 de la
dobladora, se activa la electroválvula #1 estando activadas las electroválvulas #7 y
#8, es decir con el tubo ya llevado por el cilindro #7 del alimentador al área de
doblado, alineado paralelamente al escantillón estacionario y sujetado por la pinza
neumática. La electroválvula #1 ejerce la acción de control sobre el par de cilindros
#1 , y uno de ellos, el cilindro marcado en la figura 37 se retrae ya que éste cilindro
se mantiene extendido en su posición inicial solo para detener el mecanismo
conectado al vástago del cilindro #4 en caso de la falta de aire comprimido.
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Tabla 6: Formato de transición de activación/desactivación de electroválvulas que intervienen en el doblez del tubo. En azul, las electroválvulas del alimentador y en rojo las electroválvulas de la parte dobladora.
El otro cilindro controlado también por la electroválvula #1 se extiende y prensa con
su mecanismo conectado al vástago (Figura 38), al tubo con el escantillón inmóvil
# Paso Electroválvulas
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
12 x x x
13 x x
14 x
15 x x
16 x x x
17 x x
18 x
19 x x
20 x x x
21 x x x x
22 x x x
23 x x
24 x
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localizado en el área de doblado y de esta forma el tubo ya esta sujetado por la parte
dobladora mediante el escantillón estacionario y el escantillón conectado al vástago
del cilindro #1 que se encarga de esto.
Figura 37: Una de las acciones realizadas por la electroválvula #1, que es accionada en el
paso #1 de la dobladora, es retraer el cilindro que se muestra encerrado en la figura. Se puede observar a la derecha el cilindro #4 que entrará en acción hasta el paso #8.
Figura 38: Encerrado en color amarillo el “clamp” o elemento que prensa al tubo a ser doblado mediante el accionamiento de uno de los cilindros controlados con la electroválvula; también se observa encerrado en color rosa el “zapato” que provoca el primer doblez mediante el movimiento del cilindro #2.
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En los pasos #2 y #3 no sucede nada en relación a la dobladora; sin embargo
en esos tiempos se desactivan primero la pinza neumática, y después el cilindro #7
se retrae a su posición inicial en el alimentador de tubo.
En el paso #4 se activa la electroválvula #2 lo que origina que se extienda el
único cilindro controlado por ésta electroválvula para activar el mecanismo conectado
a su vástago, que cumplirá la función de servir de apoyo (por eso es llamado zapato
y el cual se puede observar también en la figura 38) como una especie de escantillón
móvil que cuando salga el vástago del cilindro #3 en el paso #5 con el mecanismo
conectado a su respectivo vástago, provoque el primer doblez del tubo. Ya en el
paso #6 se desactiva la electroválvula #3; en el paso #7 se desactiva la
electroválvula #2 y con esto termina el primer doblez de los dos que requiere el
número de parte. Los siguientes pasos a realizar para el último doblez se desarrollan
de forma similar que los descritos anteriormente: en el paso #8 el cilindro # 4 se
acciona y éste lleva el escantillón en forma de radio que tiene conectado en su
vástago, para cuando en el paso #9 el cilindro #5 se accione y quede apoyado o
calzado el tubo para que en el paso #10 el cilindro #6 accione el escantillón móvil
conectado a su vástago y provoque el segundo y último doblez. En la tabla 6 puede
verse la sucesión del paso #10 al paso final (13).
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9. Procedimiento y descripción de las actividades realizadas
9.1 Realización de la gráfica de control de etapas de transición de las
secuencias de alimentación y doblado.
Como primera actividad realizada se procedió a hacer el diagrama grafcet en base a
los datos registrados en los formatos de activación/desactivación de electroválvulas
de las secuencias de alimentación y doblado del tubo tomando en cuenta el ciclo de
trabajo de la máquina y corroborándolo con la marcha del mismo paso por paso.
9.1.1 Diagrama Grafcet de la secuencia de alimentación de tubo
En un primer tiempo la máquina parte del reposo, por lo que comienza dibujándose el
bloque de la etapa inicial:
A esta etapa se optó por nombrarla “inicio”, ya que en esta etapa de la
secuencia no se produce ninguna acción hasta que ocurran las condiciones de
transición iniciales.
Necesitan estar presentes las siguientes condiciones para que el alimentador
proceda a iniciar su trabajo correspondiente dentro de la dobladora: que la máquina
esté energizada, que haya material (tubo) en la parte donde el operario lo deposita
para la futura alimentación a la zona de doblado, que el operario presione el botón de
inicio de ciclo automático o que lo haga en modo avance paso por paso
Figura 39: Paso inicial de la secuencia
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manualmente; por lo que el diagrama hasta este momento se ve como se muestra a
continuación:
Cuando las condiciones de arranque se cumplan, entonces el alimentador
estará listo para proseguir con el primer paso que hará que los cilindros neumáticos
hagan su trabajo y propicien nuevas condiciones para seguir avanzando en la
secuencia.
En el paso 1, que estará activo sólo cuando las condiciones precedentes al
paso de inicio sean verdaderas, sucederá una acción que se puede ver en el
formato de transición de activación/desactivación de electroválvulas (Tabla 5), la cual
es: activar la solenoide de la electroválvula #9 y causará los movimientos de los
cilindros controlados por éste elemento de control. Hasta este paso el diagrama
quedó de la siguiente forma:
Figura 40: Primera Transición del diagrama Grafcet
Figura 41: Transición, paso y acción
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Al momento de diseñar el grafcet se consideró la posibilidad de que en
cualquier paso de la secuencia pudiera ser activado un paro de emergencia y
provoque que los cilindros regresen a la posición inicial hasta un restablecimiento,
por lo que al diagrama se le agregaron divergencias en OR en cada paso:
Así, continuando con la secuencia, en el paso #2 se activará el solenoide de la
electroválvula #10 según la Tabla 5. De igual forma se consideraron las condiciones
de transición al paso 2 y una divergencia en OR para una posible existencia de
activación del paro emergencia
Figura 42: Divergencia para el paro de emergencia posible en cada paso
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El diagrama grafcet de la secuencia se realizó de ésta forma sin cambios
relevantes hasta en los pasos #6, #7, #8 y #9 en los que se activan los mecanismos
que sirven de aseguramiento de la posición correcta del tubo (Figura 35) y en los que
se ven involucrados dos pares de sensores de proximidad que detectan la presencia
del mecanismo conectado al vástago de los cilindros que realizan la tarea del
aseguramiento correcto. En esta parte los sensores sirvieron para que en la parte de
la programación del PLC, se pudiera aprovechar estas condiciones y anticipar una
situación de falla que consiste en que si no se activan (por una posible falla de la
electroválvula, cilindro o mecanismo) dichos sensores dentro del tiempo estimado del
final de carrera de los cilindros, el PLC mande una señal de falla y por lo tanto no
avance en la secuencia. En el diagrama grafcet, esto se realizó mediante
divergencias en OR extras a la divergencia (figura 43) de paro de emergencia en los
pasos en los que intervienen los cilindros en cuestión (cilindros 11, y 12). En la figura
44 se muestra el diagrama grafcet ilustrando la forma en que se trató la situación
antes mencionada.
Figura 43: Divergencias en cada paso
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Las condiciones que se usaron para la transición a cada paso fueron
básicamente tiempos, ya que los cilindros del alimentador no cuentan con sensores
de final de carrera a excepción de los cilindros #7, los pares #11 y #12. Aunque en
éstos cilindros se contara con sensores que se tradujeran en condiciones para poder
trascender de un paso a otro, se contó siempre en cada paso del alimentador con un
tiempo entre pasos, un tiempo estimado en el que los cilindros realicen su final de
carrera, es decir un tiempo de 2 segundos.
Aprovechando la reestructuración de la programación de la secuencia, se
pudo hacer una mejora en la alimentación del tubo la cual consistió en la agilización
de la alimentación, ideando que una vez que el tubo haya sido llevado al área de
Figura 44: Divergencia diferente del paro de emergencia. En la
transición al paso 6 puede ocurrir una falla.
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doblado, mientras se dobla el alimentador, prepare otro e inmediatamente después
de que termine de doblar el anterior, el alimentador lo lleve a la parte dobladora y
prosiga con uno nuevo. Esto anteriormente no era así ya que empezaba la
secuencia de alimentación una vez que se terminaba el ciclo de doblado.
9.1.2 Programación de la secuencia en grafcet mediante el software del
PLC.
Como ya se ha mencionado, el PLC usado en la dobladora es un CJ1M del
fabricante OMRON y el software que se usa para programar dichos controladores (de
hecho OMRON usa el mismo para todos sus modelos) es el CX Programmer.
Una vez realizado el diagrama grafcet de la secuencia del alimentador, se
procedió a “vaciar” el contenido del mismo en un proyecto de Cx Programmer (Figura
45).
Figura 45: Entorno de programación de CX Programmer.
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Una de las ventajas encontradas en la utilización del CJ1M, y lo que ayudó en
gran medida a la realización de la implementación del grafcet en la secuencia de la
máquina, fué que se puede programar secuencias cien por ciento en grafcet, es
decir, el Cx Programmer permite programar algunos modelos, entre ellos el CJ1M
mediante una herramienta incorporada llamada SFC (Sequential Function Chart).
Se procedió entonces a programar la secuencia del alimentador de la misma
forma en la que se elabora un diagrama grafcet. Además también se tuvo que hacer
modificaciones al programa de la parte dobladora; sin embargo por cuestiones de
recursos de memoria del PLC, la secuencia de la parte dobladora no se realizó
mediante las herramientas para la programación SFC, sino que se usó una
traducción del lenguaje grafcet al lenguaje escalera puro; no obstante, se puede decir
Figura 46: Programación SFC en CX Programmer.
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que es el mismo lenguaje implementado ya que se sigue el mismo orden de etapas o
pasos y transiciones. A continuación se muestran algunas imágenes del programa
final.
Figura 47: Programa Grafcet (SFC) ejecutándose.
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Figura 48: Programa Grafcet. Se puede observar que está activo el paso 2.
Figura 49: Programación en escalera. También es posible traducir el lenguaje grafcet a
lenguaje escalera puro.
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10. Análisis de resultados, planos, gráficas, prototipos y
programas
Cuando los ingenieros de control y automatización del departamento de
mantenimiento de Cooper Standard Torreón tienen la necesidad de localizar una falla
o hacer modificaciones en el programa del PLC de una máquina, se topan con esto:
Figura 50: Extracto de los programas originales de las secuencias de
alimentación y de doblado de la dobladora BendTech.
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La programación en Grafcet de una máquina secuencial, como lo son las máquinas
dobladoras de Cooper Standard, se ve así:
No es estética en programación. La diferencia más importante que se puede notar es
el orden, que es esencial para la interpretación de programas de máquinas
totalmente automatizadas. Tener que entender primero el programa, para después
comprender cómo funciona la máquina y hacer modificaciones o habilitaciones de
nuevos dispositivos, puede ser tardado; sin embargo el grafcet resultó una manera
muy sencilla de entender la forma en que está programada una máquina secuencial
(una forma ordenada como el mismo orden que lleva la secuencia misma).
Figura 51: Extracto del Programa Grafcet final de la dobladora.
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11. Conclusiones y recomendaciones
a. Conclusiones
El grafcet es la forma idónea para programar máquinas que sigan una
secuencia u orden en un proceso. Ya sea en una máquina secuencial o
un proceso en cadena, esta herramienta aporta el orden que debe
llevar cualquier proceso automatizado. Si se usa la imaginación, es fácil
visualizar cualquier programa de un controlador lógico programable
mediante ésta técnica, que por su naturaleza gráfica y ordenada, resta
posibilidades de fallar en la elaboración de un programa aunque éste
sea muy extenso. Las cadenas siempre llevan eslabones que se unen
entre sí. En síntesis, todo proceso automatizado puede representarse
mediante grafcet y es ahí donde pudiera nacer un estándar de
programación para procesos automatizados.
b. Recomendaciones
La recomendación que se hace para los ingenieros de automatización y
control de Cooper Standard Torreón es que implementen el grafcet
como un estándar interno de programación de controladores lógicos en
las máquinas de la empresa, ya que en su mayoría, por su naturaleza
son máquinas aptas para este tipo de lenguaje de etapas y
transiciones. Además de que facilitaría en gran medida las acciones de
mantenimiento correctivo y/o modificaciones que incumben al área de
automatización. Una manera sería empezar por requerir a los
proveedores, que las máquinas se programen en grafcet, para también
aprovechar la herramienta que incorpora el controlador CJ1M que tanto
se usa en la empresa.
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12. Referencias bibliográficas
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