ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA

DISEO E IMPLEMENTACIN DE UN NUEVO SISTEMA DE CONTROL PARA DOSIFICADORAS DE CHOCOLATE

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO EN ELECTRNICA Y CONTROL

EDGAR JAVIER RODRGUEZ NOLASCO javierrodri1122@hotmail.com

DIRECTOR: ING. ANA VERNICA RODAS BENALCZAR ana.rodas@epn.edu.ec

CO-DIRECTOR: ING. DIEGO IVN CAZARES GUALPA

diego.cazares@ferrero.com

Quito, FEBRERO 2013

DECLARACIN Yo Edgar Javier Rodrguez Nolasco, declaro bajo juramento que el trabajo aqu descrito es de mi autora; que no ha sido previamente presentada para ningn grado o calificacin profesional; y, que he consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen en este documento. A travs de la presente declaracin cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politcnica Nacional, segn lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

______________________ Edgar Javier Rodrguez Nolasco

CERTIFICACIN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Edgar Javier Rodrguez Nolasco, bajo mi supervisin. ________________________ ________________________ Ing. Ana Rodas Ing. Diego Cazares DIRECTORA DEL PROYECTO CO-DIRECTOR DEL PROYECTO

AGRADECIMIENTO

Agradezco a todas las personas que ayudaron con el desarrollo de este proyecto, como tambin a todos mis amigos que formaron parte de mi vida universitaria, de manera muy especial a Vctor y Freddy. Adems agradezco a la Ingeniera Ana Rodas y al Ingeniero Diego Cazares por el tiempo dedicado a la direccin de este trabajo.

DEDICATORIA

Dedico este proyecto a Dios, a toda mi familia, a mis Padres Luis y Sonia, mis hermanas Paola, Grace y Karen, quienes en todo momento me apoyaron en mis estudios, brindndome el valor y la fortaleza para seguir delante en los momentos ms difciles y as poder culminar mis estudios con xito. Y de manera especial dedico este proyecto a mi Abuelito Juan quin ahora nos estar cuidando desde y con la compaa de Dios.

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Contenido RESUMEN .............................................................................................................................................. 1 PRESENTACIN .................................................................................................................................. 3

CAPTULO 1 .......................................................................................................................................... 5 DESCRIPCIN DEL SISTEMA MECNICO DE DOSIFICACIN DE CHOCOLATE ........... 5 1.1 Tipos de Dosificadoras ....................................................................................................... 6 1.2 Tipo de Producto ................................................................................................................ 9 1.2.1 Constitucin del Producto ................................................................................................. 9 1.3 Proceso de preparacin .................................................................................................... 10 1.3.1 Cristalizacin .................................................................................................................... 10 1.3.2 Dosificacin ....................................................................................................................... 10 1.3.3 Sellado ............................................................................................................................... 11 1.3.4 Sellado Completo y Troquelado ...................................................................................... 11 1.4 Proyecto a desarrollar ...................................................................................................... 11 1.5 Sistema Mecnico ............................................................................................................. 12 1.5.1 Bloque de Duraluminio .................................................................................................... 12 1.5.2 Bujes .................................................................................................................................. 13 1.5.3 Ejes de Acero Inoxidable ................................................................................................. 14 1.5.4 Retenedores ....................................................................................................................... 16 1.5.5 Chumacera ........................................................................................................................ 17 1.5.6 mbolos ............................................................................................................................. 18 1.5.7 Tolva .................................................................................................................................. 19 1.6 Funcionamiento Mecnico ............................................................................................... 19

CAPTULO 2 ........................................................................................................................................ 22 DISEO E IMPLEMENTACIN DEL HARDWARE DEL SISTEMA ....................................... 22 2.1 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Blanco .................................................. 22 2.2 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Oscuro ................................................. 23 2.3 Elementos Elctricos ........................................................................................................ 23 2.3.1 Clculo del Breaker .......................................................................................................... 24 2.3.2 Clculo de la Fuente de alimentacin ............................................................................. 24 2.3.3 Clculo del Fusible ........................................................................................................... 26 2.3.4 Clculo de la resistencia ................................................................................................... 26 2.3.5 Rels ................................................................................................................................... 28 2.3.6 Rel de estado slido ........................................................................................................ 28 2.4 Elementos neumticos ...................................................................................................... 29 2.4.1 Cilindros Neumticos ....................................................................................................... 29 2.4.2 Tipos de Cilindros segn su construccin ...................................................................... 30 2.4.2.1 Cilindros de simple efecto ................................................................................................ 30 2.4.2.2 Cilindros de doble efecto .................................................................................................. 31 2.4.2.3 Cilindros con doble vstago ............................................................................................. 31 2.4.2.4 Cilindros de doble pistn o en tndem ........................................................................... 31 2.4.2.5 Cilindros acoplados de accin independiente ................................................................ 32 2.4.2.6 Cilindros sin vstago ........................................................................................................ 32 2.4.2.7 Amortiguacin de fin de carrera ..................................................................................... 32 2.4.2.8 Pistn con imn incorporado .......................................................................................... 33 2.4.2.9 Normalizacin ISO ........................................................................................................... 33 2.4.3 Calculo de los Cilindros para las dosificadoras ............................................................. 34 2.4.3.1 Clculo Cilindros Compactos- Movimiento Absorcin y Dosificacin ........................ 35 2.4.3.2 Clculo Cilindros - Movimiento Giratorio ..................................................................... 37 2.4.3.3 Actuador para Tubera .................................................................................................... 38 2.4.3.4 Vlvula de bola VAPB de accionamiento mecnico ...................................................... 39

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2.4.4 Componentes del circuito neumtico .............................................................................. 40 2.4.4.1 Vlvula reguladora de caudal ......................................................................................... 40 2.4.4.2 Vlvula distribuidora ....................................................................................................... 41 2.4.4.3 Unidad de mantenimiento ............................................................................................... 42 2.5 Elementos electrnicos ..................................................................................................... 42 2.5.1 Sensores ............................................................................................................................. 42 2.5.1.1 Sensor de Temperatura ................................................................................................... 43 2.5.1.2 Sensores Magnticos ........................................................................................................ 45 2.5.1.3 Sensor capacitivo .............................................................................................................. 46 2.5.2 Controlador de Temperatura .......................................................................................... 51 2.5.3 PLC .................................................................................................................................... 54 2.5.3.1 Descripcin de Entradas y Salidas del PLC LOGO ...................................................... 55 2.5.3.2 Diagrama de Conexiones de Entradas y Salidas del PLC LOGO ............................... 56 2.5.3.3 Descripcin de Entradas y Salidas del PLC S7-1200 .................................................... 57 2.5.3.4 Diagrama de Conexiones de Entradas y Salidas del PLC S7-1200 .............................. 58 2.5.3.5 Diagrama de Conexiones del Mdulo de Entradas y Salidas del PLC S7-1200 ......... 59 2.5.4 HMI ................................................................................................................................... 59

CAPTULO 3 ........................................................................................................................................ 62 DESARROLLO DEL SOFTWARE DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE DOSIFICACIN ................................................................................................................................................................ 62 3.1 Lgica del programa Dosificadoras Chocolate Blanco ................................................. 62 3.2 Lgica del programa Dosificadoras Chocolate Oscuro ................................................ 67 3.3 Siemens Logo Soft Comfort ............................................................................................. 73 3.4 PLC S7-1200 ..................................................................................................................... 74 3.4.1 El software ........................................................................................................................ 75 3.4.2 Totally Integrated Automation Portal V11 .................................................................... 76 3.4.3 Step Basic 7 V11 ............................................................................................................... 76 3.4.4 Win CC Basic V11 ............................................................................................................ 77 3.4.5 Desarrollo de la Programacin S7-1200 .................................................................. 79 3.4.6 Programacin del HMI Kp300 ..................................................................................... 85 3.5 Modo Operacin Dosificadora Chocolate Oscuro ......................................................... 93 3.6 Alarmas y Soluciones ....................................................................................................... 99

CAPTULO 4 ...................................................................................................................................... 102 PRUEBAS Y RESULTADOS ........................................................................................................... 102 4.1 Mquinas Dosificadoras ................................................................................................ 102 4.2 Mquinas Dosificadoras Chocolate Oscuro ................................................................. 104 4.3 Pruebas Elctricas .......................................................................................................... 106 4.4 Pruebas Mecnicas ......................................................................................................... 107 4.5 Pruebas Neumticas ....................................................................................................... 108 4.6 Pruebas Electrnicas ...................................................................................................... 109 4.7 Pruebas de Funcionamiento .......................................................................................... 110 4.7.1 Pruebas de Pesos de Chocolate Oscuro ........................................................................ 110 4.7.2 Pruebas de Pesos de Chocolate Blanco ......................................................................... 114 4.8 Pruebas Pantallas ........................................................................................................... 116 4.9 Pruebas Alarmas ............................................................................................................ 116

CAPTULO 5 ...................................................................................................................................... 118 CAPTULO 5 ...................................................................................................................................... 119 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................... 119 5.1 Conclusiones .................................................................................................................... 119 5.2 Recomendaciones ............................................................................................................ 120

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REFERENCIAS BIBLIOFRFICAS124 ANEXOS ANEXO A DIAGRAMA CONEXIONES PLC LOGO OBA6 DOSIFICADORA CHOCOLATE BLANCO DIAGRAMA CONEXIONES SOLENOIDES DOSIFICADORA CHOCOLATE BLANCO DIAGRAMA CONEXIONES PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC - DOSIFICADORA CHOCOLATE

OSCURO

DIAGRAMA CONEXIONES PLC S7-1200 MODULOS DIGITAL Y ANALOGICO - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO

DIAGRAMA CONEXIONES RELS - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO DIAGRAMA SOLENOIDES - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO BLOQUE 1 DIAGRAMA SOLENOIDES - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO BLOQUE 2 DIAGRAMA CONEXIONES CONTROLADOR TEMPERATURA BTC-9100 REL ESTADO SOLIDO -

DOSIFICADORA CHOCOLATE BLANCO

DIAGRAMA CONEXIONES RELS - DOSIFICADORA CHOCOLATE OSCURO ANEXO B Documentacin Cilindros compactos ADVU/AEVU Documentacin Actuadores giratorios DFPB Documentacin Cilindros normalizados DSNU/DSNUP/DSN/ESNU/ESN, ISO 6432 Hoja de datos: Sensor Capacitivo CM30 Hoja de datos: Detector de proximidad SME-8-K-LED-24 150855 Hoja de datos: Cilindro compacto ADVU-32-25-A-P-A 156620 Hoja de datos: Cilindros normalizados DSNU-25-80-PPS-A 559285 Hoja de datos: Actuador giratorio DFPB-10-090-F03 557539 Hoja de datos: S71200 1214 DC/DC/DC

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Lista de Figuras

CAPTULO 1 .......................................................................................................................................... 5 DESCRIPCIN DEL SISTEMA MECNICO DE DOSIFICACIN DE CHOCOLATE ........... 5 Figura 1.1 Unidad Dosificadora para lquido1 ..................................................................................... 7 Figura 1.2 Dosificador de banda para productos frgiles2 ................................................................. 8 Figura 1.3 Dosificacin de Chocolate Oscuro .................................................................................... 11 Figura 1.4 Dosificacin de Chocolate Blanco ..................................................................................... 11 Figura. 1.5 Chocolate con Tartofino ................................................................................................... 11 Figura. 1.6 Cubierta del Producto ...................................................................................................... 11 Figura 1.7 Bloque de Duraluminio ya maquinado ........................................................................... 13 Figura 1.8 Buje Individual ................................................................................................................... 14 Figura 1.9 Diferentes Tipos de Bujes .................................................................................................. 14 Figura 1.10 Eje en la Mquina ............................................................................................................ 15 Figura 1.11 Posicin Inicial del Eje .................................................................................................... 15 Figura 1.12 Posicin para Dosificar del Eje ....................................................................................... 16 Figura 1.13 Bujes y Ejes en el Bloque ................................................................................................. 16 Figura 1.14 Retenedores ...................................................................................................................... 17 Figura 1.15 Chumacera ....................................................................................................................... 18 Figura 1.16 Embolo en la cmara del Bloque .................................................................................... 18 Figura 1.17 Tolva .................................................................................................................................. 19 Figura 1.18 Posicin Inicial de la Dosificadora.................................................................................. 19 Figura 1.19 Posicin de absorcin del chocolate................................................................................ 20 Figura 1.20 Posicin para dosificar el chocolate................................................................................ 20 Figura 1.21 Dosificacin del Chocolate .............................................................................................. 20

CAPTULO 2 ........................................................................................................................................ 22 DISEO E IMPLEMENTACIN DEL HARDWARE DEL SISTEMA ....................................... 22 Figura 2.1 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Blanco ................................................... 22 Figura 2.2 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Oscuro ................................................... 23 Figura 2.3 Fuente de Alimentacin 24 VDC ...................................................................................... 25 Figura 2.4 Diagrama de Conexin Fuente de Alimentacin 24 VDC .............................................. 26 Figura 2.5 Resistencia Recta Tubular ................................................................................................ 26 Figura 2.6 Resistencia Helicoidales ..................................................................................................... 27 Figura 2.7 Resistencia Serpentn ......................................................................................................... 27 Figura 2.8 Resistencia Tubular ........................................................................................................... 28 Figura 2.9 Rels de un Polo 24 VDC ................................................................................................... 28 Figura 2.10 Rel Estado Slido ........................................................................................................... 29 Figura 2.11 Cilindro Normalizado ...................................................................................................... 30 Figura 2.12 Partes Internas del Cilindro Simple Efecto ................................................................... 30 Figura 2.13 Partes Internas del Cilindro Doble Efecto ..................................................................... 31 Figura 2.14 Cilindro con doble Vstago ............................................................................................. 31 Figura 2.15 Cilindros de doble pistn o en tndem ........................................................................... 32 Figura 2.16 Cilindros acoplados de accin independiente ................................................................ 32 Figura 2.17 Cilindros sin vstago ........................................................................................................ 32 Figura 2.18 Pistn con imn incorporado .......................................................................................... 33 Figura 2.19 Cilindro Compacto .......................................................................................................... 36 Figura 2.20 Cilindro Normalizado ...................................................................................................... 37 Figura 2.21 Actuador Neumtico y Vlvula ................................................................................ 38 Figura 2.22 Smbolo e Imagen de un Actuador Giratorio ................................................................ 39 Figura 2.23 Vlvula de Bola de .................................................................................................... 40 Figura 2.24 Vlvula reguladora y Smbolo de la vlvula reguladora de caudal ............................. 40

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Figura 2.25 Electrovlvula .................................................................................................................. 41 Figura 2.26 Smbolo de la electrovlvula ........................................................................................... 41 Figura 2.27 Unidad de mantenimiento ............................................................................................... 42 Figura 2.28 Posicin de la Pt100 en la Dosificadora.......................................................................... 43 Figura 2.29 PT100 de 3 hilos ............................................................................................................... 44 Figura 2.30 PT100 ................................................................................................................................ 44 Figura 2.31 Ubicacin de los Sensores Magnticos en el Cilindro Neumtico ................................ 45 Figura 2.32 Diagrama Elctrico Sensor ............................................................................................. 46 Figura 2.33 Sensor Magntico ............................................................................................................. 46 Figura 2.34 Sensor Capacitivo en la Dosificador ............................................................................... 46 Figura 2.35 Actuador Giratorio + Vlvula .................................................................................. 46 Figura 2.36 Diagrama Elctrico Sensor ............................................................................................. 47 Figura 2.37 Sensor Capacitivo ............................................................................................................ 47 Figura 2.38 Esquema de sensores dosificadora Chocolate Blanco ................................................... 47 Figura 2.39 Esquema de sensores dosificadora Chocolate Oscuro .................................................. 48 Figura 2.40 Plano de Conjunto 3D Dosificadora Chocolate Blanco ................................................ 49 Figura 2.41 Plano de Conjunto 3D Dosificadora Chocolate Oscuro ............................................... 50 Figura 2.42 Controlador de temperatura BTC-9100 ........................................................................ 51 Figura 2.43 PLC LOGO ...................................................................................................................... 54 Figura 2.44 PLC S7-1200 ..................................................................................................................... 54 Figura 2.45 Diagrama de conexiones PLC LOGO ............................................................................ 56 Figura 2.46 Diagrama de conexiones PLC S7-1200 .......................................................................... 58 Figura 2.47 Diagrama de conexiones PLC S7-1200 Modulo expansin .......................................... 59 Figura 2.48 Pantalla Logo TD ............................................................................................................. 60 Figura 2.49 Pantalla KP300 ................................................................................................................. 60

CAPTULO 3 ........................................................................................................................................ 62 DESARROLLO DEL SOFTWARE DE CONTROL PARA EL SISTEMA DE DOSIFICACIN ................................................................................................................................................................ 62 Figura 3.1 Diagrama de Flujo Inicio ............................................................................................... 62 Figura 3.2 Diagrama de Flujo - Dosificacin ..................................................................................... 63 Figura 3.3 Diagrama de Flujo Alarmas ........................................................................................... 64 Figura 3.4 Visualizacin Pantalla Logo TD ....................................................................................... 66 Figura 3.5 Logo TD Botn F3.............................................................................................................. 66 Figura 3.6 Logo TD Botn F4.............................................................................................................. 66 Figura 3.7 Logo TD Botn F2.............................................................................................................. 66 Figura 3.8 Alarma de Sensor Logo TD ............................................................................................... 67 Figura 3.9 Diagrama de Flujo - Inicio ................................................................................................ 67 Figura 3.10 Diagrama de Flujo - Modo Automtico ......................................................................... 68 Figura 3.11 Diagrama de Flujo - Modo Manual ................................................................................ 69 Figura 3.12 Diagrama de Flujo Alarmas y otras Opciones del men ........................................... 70 Figura 3.13 Diagrama de Flujo Configuracin de la Mquina ..................................................... 71 Figura 3.14 Logo Soft ........................................................................................................................... 73 Figura 3.15 Logo TD ............................................................................................................................ 74 Figura 3.16 PLC s7-1200 ..................................................................................................................... 74 Figura 3.17 PLC s7-1200 Mdulos expansin ................................................................................. 75 Figura 3.18 S7-1200 Mdulos Comunicacin .................................................................................... 76 Figura 3.19 TIA PORTAL V11 ........................................................................................................... 76 Figura 3.20 Step Basic 7 ....................................................................................................................... 77 Figura 3.21 Vista Inicial TIA PORTAL V11 ..................................................................................... 79 Figura 3.22 Vista Inicial Proyecto Creado ......................................................................................... 79 Figura 3.23 Agregar Dispositivos ........................................................................................................ 80 Figura 3.24 Vista General del Proyecto .............................................................................................. 80 Figura 3.25 Programacin PLC Diagrama Ladder ....................................................................... 81

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Figura 3.26 Tipos de Bloque de programacin .................................................................................. 82 Figura 3.27 Bloque de Datos ................................................................................................................ 84 Figura 3.28 Tabla de Variables ........................................................................................................... 84 Figura 3.29 Variables del Proyecto ..................................................................................................... 85 Figura 3.30 Objeto Tecnolgico .......................................................................................................... 85 Figura 3.31 Agrega HMI ..................................................................................................................... 86 Figura 3.32 Conexiones HMI .............................................................................................................. 86 Figura 3.33 Conexin HMI - PLC ...................................................................................................... 87 Figura 3.34 Vista de Conexiones ......................................................................................................... 87 Figura 3.35 Presentacin de la Imagen HMI ..................................................................................... 88 Figura 3.36 Configuracin Avisos ....................................................................................................... 88 Figura 3.37 Configuracin Imgenes Sistema ................................................................................... 89 Figura 3.38 Configuracin de la RED ................................................................................................ 89 Figura 3.39 Configuracin Runtime HMI ......................................................................................... 90 Figura 3.40 Vista del Proyecto y Configuracin Imgenes ............................................................... 90 Figura 3.42 Configuracin Avisos ....................................................................................................... 91 Figura 3.43 Variable de Imgenes ...................................................................................................... 92 Figura 3.44 Tipos de Variables del sistema ........................................................................................ 92 Figura 3.45 Deteccin automtica de los Dispositivos ....................................................................... 93 Figura 3.46 Accesos Online ................................................................................................................. 93 Figura 3.47 Pantalla Inicial de la Dosificadora Choc. Oscuro ......................................................... 94 Figura 3.48 Men Fondo Blanco ......................................................................................................... 94 Figura 3.49 Men Fondo Verde .......................................................................................................... 94 Figura 3.50 Pantalla Inicio Sistema Fondo Verde ............................................................................. 94 Figura 3.51 Pantalla Inicio Sistema Fondo Blanco............................................................................ 95 Figura 3.52 Modo Automtico ............................................................................................................ 96 Figura 3.53 Modo Manual Dosificar ................................................................................................... 96 Figura 3.54 Modo Manual ................................................................................................................... 96 Figura 3.55 Temperatura .................................................................................................................... 97 Figura 3.56 Historial ............................................................................................................................ 97 Figura 3.57 Alarmas ............................................................................................................................. 98 Figura 3.58 Configuracin de la Mquina ......................................................................................... 98 Figura 3.59 Alarma Sensor .................................................................................................................. 99 Figura 3.60 Alarma Pistn ................................................................................................................... 99 Figura 3.61 Visualizacin despus de resetear la Mquina ............................................................ 100

CAPTULO 4 ...................................................................................................................................... 102 PRUEBAS Y RESULTADOS ........................................................................................................... 102 Figura 4.1 Dosificadora Chocolate Blanco Vista 1 .......................................................................... 102 Figura 4.2 Dosificadora Chocolate Blanco Vista 2 .......................................................................... 103 Figura 4.3 Dosificadora Chocolate Oscuro Vista 1 ........................................................................ 104 Figura 4.4 Dosificadora Chocolate Oscuro Vista 2 ......................................................................... 104 Figura 4.5 Dosificadora Chocolate Oscuro Vista 3 ......................................................................... 105 Figura 4.6 Fuente con S7-1200 .......................................................................................................... 106 Figura 4.7 Fuente con LOGO ............................................................................................................ 106 Figura 4.8 Fuente en el Tablero ........................................................................................................ 106 Figura 4.9 Bloque sin los ejes ............................................................................................................ 107 Figura 4.10 Cilindros Compactos Dosificadora Chocolate Oscuro ............................................... 108 Figura 4.11 Bobinas ............................................................................................................................ 108 Figura 4.12 Juego Actuador Giratorio y Vlvula .................................................................... 108 Figura 4.13 Posicin de Sensores Cilindro Estndar ...................................................................... 109 Figura 4.14 Posicin Sensores Cilindro Compacto ...................................................................... 109 Figura 4.15 Posicin de Sensor Capacitivo ...................................................................................... 109 Figura 4.16 Controlador temperatura .............................................................................................. 110

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Figura 4.17 PT100 .............................................................................................................................. 110 Figura 4.18 Balanza DW-3000E ........................................................................................................ 110 Figura 4.19 Peso de cada cavidad Chocolate Oscuro a 35,6 C ..................................................... 112 Figura 4.20 Peso de cada cavidad Chocolate Oscuro a 34,9 C ..................................................... 112 Figura 4.21 Peso de cada cavidad Chocolate Oscuro a 36,1 C ..................................................... 113 Figura 4.22 Peso de cada cavidad Chocolate Blanco a 35,1 C ...................................................... 114 Figura 4.23 Peso de cada cavidad Chocolate Blanco a 36,2 C ...................................................... 115 Figura 4.24 Peso de cada cavidad Chocolate Blanco a 36,1 C ...................................................... 115 Figura 4.25 Pantalla Dosificadora Chocolate oscuro ...................................................................... 116 Figura 4.26 Pantalla Dosificadora Chocolate Blanco ...................................................................... 116

CAPTULO 5 ...................................................................................................................................... 119 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................... 119 5.1 Conclusiones ........................................................................................................................... 119 5.2 Recomendaciones ................................................................................................................... 120

1

RESUMEN

El proyecto tiene por objetivo principal minorar las prdidas que se tiene con la

dosificacin de chocolate (Blanco y Oscuro), en la Fbrica de Ferrero del Ecuador

S. A., con la creacin de nuevas dosificadoras para el chocolate.

El nuevo sistema de dosificacin de Chocolate consiste principalmente en su

parte mecnica de una tolva, para el almacenamiento del chocolate, un bloque de

duraluminio donde se realizar los movimientos de absorcin y dosificacin del

producto, ejes pequeos y medianos para poder manipular la absorcin o la

dosificacin del chocolate, bujes para que los ejes puedan moverse sin problema

y retenedores para que el producto no se escape fuera de los bujes.

A la tolva se llega con tubera para que pueda llenarse las mismas y se controla el

nivel del producto con la por medio de un sensor magntico para la apertura o

cierre una vlvula de bola, la cual est acoplada a un actuador giratorio

neumtico.

Las dosificadoras realizan el siguiente proceso:

Se espera la seal de inicio para la dosificacin y con ayuda de cilindros

neumticos los ejes pequeos absorben el producto en 4 cmaras que estn

maquinadas en bloque, el peso es regulado con la carrera que se quiera dar al

cilindro pero se manipula el mismo hasta calibrar el peso que debe ir en el

producto terminado, ya que el peso es fijo para la dosificacin del chocolate.

El siguiente movimiento consiste en mover 90o a los ejes medianos para que los

mismos cambien a la posicin dosificacin, con la ayuda de los cilindros

neumticos.

Se utiliza sensores magnticos para sensar la posicin de los cilindros

neumticos y saber cundo hay que absorber o dosificar.

Adems se necesita mantener el chocolate a cierta temperatura por lo que se

utiliza resistencias para calentar el bloque a la temperatura deseada.

Cuando los ejes medianos se encuentren en la posicin de dosificar, se expulsa el

chocolate que se encuentra en las cmaras del bloque y se dosifica el producto.

Por ltimo se regresa a la posicin inicial los ejes medianos para poder realizar el

proceso nuevamente.

2

Para poder controlar los diferentes movimientos de cada cilindro neumtico se

utiliza un Controlador Lgico Programable, el cual ha sido programado para que

realice los movimientos deseados en el proceso.

3

PRESENTACIN

En el presente proyecto se describe la implementacin de las dosificadoras

Chocolate Blanco y Oscuro, tanto en su parte estructural que est formado por un

bloque maquinado, ejes, bujes y tolva. Adems de sistema de control de cada

dosificadora.

A continuacin se describe los diferentes captulos que tiene el proyecto:

En el captulo uno se presenta algunos tipos de dosificadores comerciales, as

como tambin una descripcin del sistema mecnico y de cada uno de los

elementos mecnicos que se utilizan para el funcionamiento de las dosificadoras

de chocolate.

En el captulo dos se presenta el diseo e implementacin del Sistema de Control

para las dosificadoras, el diseo de los circuitos elctricos y electrnicos para la

automatizacin del sistema. Adems del diseo de los elementos neumticos

para el control.

En el captulo tres se detalla el desarrollo del software para la programacin; se

uso paquetes computacionales como: LOGO SOFT, TIA PORTAL V11; se

describe los programas de control para los sistemas desarrollados en los PLCs y

tambin el desarrollo del programa del sistema microprocesado.

En el captulo cuatro se presentan las pruebas y resultados que se obtienen al

hacer funcionar el sistema, calibracin del acondicionamiento, la tabulacin de

todos los datos registrados y clculos realizados.

En el captulo cinco se presentan las conclusiones que logradas luego de la

realizacin de este proyecto, tambin se dan algunas recomendaciones.

4

CAPTULO 1

5

CAPTULO 1

DESCRIPCIN DEL SISTEMA MECNICO DE

DOSIFICACIN DE CHOCOLATE

Hoy en da, brindar al consumidor un producto de calidad importante, ya no solo

es meta, sino tambin un objetivo de cada empresa, ya que las altas exigencias

de los consumidores, han hecho que las empresas busquen diferentes maneras

de incrementar sus mercados. La exactitud en la dosificacin se ha convertido en

un tema de importancia debido a la necesidad de cumplir con los altos estndares

de calidad que caracterizan a la produccin. En este sentido, los aditivos lquidos

y los slidos presentan particularidades diferentes a la hora de dosificarse en las

fbricas.

En el caso del chocolate, se busca brindar al consumidor la cantidad exacta del

mismo pero buscando otras maneras de dosificarlo, lo que nos lleva a la

realizacin de nuevos tipos de dosificacin del chocolate.

Una dosificadora es un mecanismo que proporciona la cantidad exacta de algn

material de manera automatizada con el fin de optimizar una operacin.

Adems de ser una mquina industrial diseada para extraer dosis de algn tipo

de producto para su posterior empaque, es decir que su uso evita desperdicio,

agiliza el proceso productivo y garantiza al consumidor la cantidad exacta que

est adquiriendo. Si bien la nocin de dosificacin se aplica tambin a bombas

que regulan el caudal de un lquido, la mquina dosificadora es aquella utilizada

en el campo de los alimentos. Sirven para empacar y conservar los alimentos de

la manera ms eficiente y limpia posible.

Las primeras mquinas dosificadoras eran accionadas de manera manual y

utilizaban una especie de embudo con divisiones de medidas que iban

proporcionando la cantidad de alimento requerido cada vez que se vaciaba el

producto en el empaque individual.

6

En la actualidad se puede encontrar infinidad de dosificadoras, ya que con la

evolucin de la tecnologa se ha tratado de mejorar los diferentes procesos, ya

sea buscando otra de manera de producirlo u optimizando el mismo.

La dosificacin exacta de los componentes y su correcto mezclado en la industria

son dos partes fundamentales a la hora de conseguir un alimento con las

especificaciones deseadas. Los componentes en forma lquida requieren una

mayor atencin para evitar que surjan problemas en los diferentes procesos.

Las mquinas dosificadoras que ms se conoce en el mercado son:

Dosificadoras de Slidos

Dosificadoras de Lquidos

Dosificadoras de Slidos

Como su nombre lo indica, estas mquinas trabajan con productos slidos.

Los dosificadores de slidos en la industria se utilizan para integrar diferentes

materiales, en proporciones previamente definidas de anteriores subprocesos,

para conseguir un producto final, un ejemplo claro es en la industria farmacutica,

dnde se necesita pesos exactos de sus componentes.

Dosificadoras de Lquidos

Estas mquinas funcionan con productos en forma lquida. Mientras la

dosificacin gravimtrica (bsculas) es el mtodo estndar para dosificar los

ingredientes slidos, los ingredientes lquidos habitualmente se dosifican con

sistemas volumtricos o con sistemas gravimtricos, en combinacin con

mecanismos de pulverizacin (spraying) que transportan los aditivos o materias

primas lquidos y los aplican dentro de la mezcladora. Los equipos de dosificacin

volumtrica son sensibles a la temperatura y a la viscosidad, factores que pueden

introducir indeseadas fluctuaciones en la exactitud de hasta un 5%. Incluso los

sistemas gravimtricos para lquidos pueden tener sus limitaciones en el difcil y

pulverulento ambiente de la fbrica.

1.1 Tipos de Dosificadoras

Existen los siguientes tipos de dosificadoras:

Dosificadoras Volumtricas

7

Dosificadoras Gravimtricas

Dosificacin Volumtrica

Las dosificadoras volumtricas son la solucin bsica, ms simple y econmica

para las diferentes aplicaciones de dosificacin. El material se retiene en una tolva

que alimenta un volumen constante en un tiempo preestablecido mediante la

regularizacin de la velocidad del dosificador. El volumen del material se

determina mediante calibracin. El proceso de la dosificacin depende de la

uniformidad del flujo y densidad del material.

Los productos que pueden ser dosificados por las dosificadoras volumtricas son:

Sulfato de aluminio, cal, carbonato de sodio o de calcio, etc.

En la Figura 1.1 se puede ver una dosificadora de lquidos volumtrica.

Figura 1.1 Unidad Dosificadora para lquido1

Dosificacin Gravimtrica

La dosificacin gravimtrica integra adems un sistema de pesaje y la regulacin

de la velocidad del dispositivo. El control del sistema corrige el flujo de los

materiales no uniformes y las variaciones de densidad, consiguiendo una

dosificacin muy precisa. En este proceso, la tolva y el dosificador se depositan

en un sistema de pesaje (bscula de plataforma o bscula suspendida).

[1] Unidad dosificadora para lquido (dosificador volumtrico)

http://www.directindustry.es/prod/tenco/unidades-dosificadoras-para-liquidos-dosificador-

volumetrico-60499-480591.html

8

Una vez tasado y calibrado el peso del depsito y de la tolva, se procede a la

descarga del material y se mide la prdida de peso en el tiempo preestablecido. El

valor real obtenido se compara con un valor de referencia deseado y la diferencia

permite al sistema corregir la velocidad de alimentacin. Cuando el material de la

tolva alcanza un mnimo, se interrumpe el control gravimtrico y la tolva se vuelve

a llenar. Durante este tiempo el control es volumtrico, a partir de la referencia

previa establecida.

Los productos que pueden ser dosificados por las dosificadoras gravimtricas

son:

Granulados, polvos, plsticos recuperados, lquidos, fibras, etc.

En la Figura 1.2 se puede observar una mquina dosificadora gravimtrica de

productos frgiles.

Figura 1.2 Dosificador de banda para productos frgiles2

A continuacin se hablar del tipo de producto que se va a dosificar, sus

caractersticas, y su proceso de preparacin. Posteriormente describir el sistema

mecnico que utiliza las mquinas.

[2] Dosificador de banda para productos frgiles (dosificador gravimtrico) MWSK

http://www.directindustry.es/prod/buhler-ag/dosificadores-de-banda-para-productos-fragiles-

dosificadores-gravimetricos-68538-598928.html

9

1.2 Tipo de Producto

El tipo de producto que se maneja en la dosificacin es el Chocolate, el mismo

que puede ser Chocolate Blanco o Chocolate Oscuro.

El chocolate es el alimento que se obtiene mezclando azcar con dos productos

derivados de la manipulacin de las semillas del cacao: una materia slida (la

pasta de cacao) y una materia grasa (la manteca de cacao).

A partir de esta combinacin bsica, y dependiendo de la proporcin de estos dos

elementos se elaboran los distintos tipos de chocolate.

El chocolate desde el punto de vista mecnico es un fluido no newtoniano,

plstico, lo que significa que no cumple la ley de Newton de la viscosidad, por lo

tanto, la relacin entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformacin deja de

ser lineal.

Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido

y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

Estos fluidos se caracterizan porque su viscosidad no permanece constante

cuando la temperatura y la composicin permanecen invariables, sino que

depende del esfuerzo cortante o gradiente de velocidad y, a veces, del tiempo de

aplicacin del esfuerzo y de la historia previa del producto o muestra. Ello es

debido a que la constitucin fsica vara al someter el producto a los efectos de

rozamiento a lo largo del tiempo.

Entre los alimentos tpicamente plsticos se encuentran el pur de patata, la nata

batida, el chocolate fundido y algunas grasas como margarinas, mantequillas.

Sus caractersticas principales son:

- Similares a los pseudoplsticos

- Necesitan una tensin mnima para que exista deformacin contina

- Al aumentar la temperatura disminuye la cohesin entre molculas.

1.2.1 Constitucin del Producto

El chocolate que se utiliza para la fabricacin del producto a ser utilizado con las

dosificadoras construidas, tiene los siguientes ingredientes:

Azcar, leche desnatada en polvo y leche entera en polvo, aceites vegetales,

avellanas, grasas vegetales, harina de trigo, cacao desgrasado, pasta de cacao,

emulgentes: lecitinas (soja), almidn de trigo, manteca de cacao, protenas de la

10

leche, aroma, gasificantes (carbonato cido de sodio, carbonato amnico), sal,

productos de la leche, cacao.

Se usa chocolate blanco y chocolate negro que varan en el tipo de preparacin,

densidad, y constitucin.

Chocolate Oscuro: es el derivado del cacao ms popular. Se trata, bsicamente,

de un dulce, por lo que la proporcin de pasta de cacao suele estar por debajo del

40%. No obstante, buena parte de las ms importantes marcas de chocolate

producen tabletas de chocolate con leche con proporciones de cacao inusuales,

por encima incluso del 50%, dirigidas tanto al mercado de los gourmets como al

negocio de la pastelera. El chocolate con leche, como su nombre indica, lleva

leche aadida, en polvo o condensada.

Chocolate Blanco: estrictamente, no se trata de chocolate, pues carece en su

composicin de la pasta de cacao, que es la materia que aporta las propiedades

del cacao. Se elabora con manteca de cacao (por lo menos, el 20%), leche (en

polvo o condensada) y azcar. Es un producto extremadamente energtico y

dulce. Visualmente muy atractivo, es un elemento decorativo muy usado en la

repostera.

1.3 Proceso de preparacin

1.3.1 Cristalizacin

Para la elaboracin del producto final, se empieza con la cristalizacin del

chocolate, que consiste en calentar el mismo hasta cierta temperatura, luego se lo

enfra hasta que se cristalice y obtenga ciertas caractersticas que diferencian a

este chocolate de otros.

1.3.2 Dosificacin

El chocolate es llevado por tubera hacia cada una de las dosificadoras

(construidas en este proyecto de titulacin), las cuales se encuentran en un

carrusel rectangular de valvas, donde primero se dosifica el chocolate negro,

luego se procede a dosificar el chocolate blanco y continuar con el proceso.

Adems de la dosificacin se procede a colocar dos Bolitas de Galleta, en cada

cavidad dosificada.

11

1.3.3 Sellado

En el proceso de sellado, el producto ya dosificado es cubierto por una lmina de

aluminio con la ayuda de una mquina selladora, la cual en base a altas

temperaturas, sella el producto para su conservacin y que permanezca con las

caractersticas para que pueda ser consumido por usuario.

1.3.4 Sellado Completo y Troquelado

Para finalizar el proceso, el producto ya sellado es llevado para ser nuevamente

sellado por medio de ultrasonido aumentando un juguete sorpresa. Finalmente el

producto es cortado de tal manera que da forma a un huevo, para ser enviado al

mercado y posteriormente al consumidor.

Figura 1.3 Dosificacin de Chocolate Oscuro Figura 1.4 Dosificacin de Chocolate Blanco

Figura. 1.5 Chocolate con Tartofino Figura. 1.6 Cubierta del Producto

1.4 Proyecto a desarrollar

El proyecto tiene los siguientes objetivos a cumplir:

Disear e implementar un sistema de control automtico para dosificadoras

de chocolate.

Acondicionar e instalar instrumentos adecuados para la dosificacin del

chocolate.

Desarrollar el software para el control de la dosificadora.

12

Realizar pruebas para verificar el correcto funcionamiento del sistema.

Con este fin, se realizarn las siguientes actividades:

Disear y programar el algoritmo de control por medio de la utilizacin de

un Controlador Lgico Programable.

Acondicionar e instalar sensores de temperatura y magnticos para que la

mquina pueda trabajar automticamente.

Controlar el movimiento de los pistones neumticos por medio de los

sensores y el programa en el PLC.

Construir un tablero donde se tenga visualizacin y control para cada una

de las dosificadoras por medio de un visualizador de texto HMI para

facilitar el proceso al operario.

El nmero de mquinas que se construirn son 3:

2 Dosificadoras para el Chocolate Blanco.

1 Dosificadora para el Chocolate Oscuro.

La construccin mecnica de las mquinas las realiz el personal de la empresa.

Sin embargo, el autor de este proyecto estuvo presente en cada paso del mismo

por lo que se procede a describirlo.

1.5 Sistema Mecnico

El sistema mecnico consiste principalmente en los siguientes elementos:

Bloque de Duraluminio

Bujes

Ejes Acero Inoxidable

Retenedores

Chumacera

Tolva

1.5.1 Bloque de Duraluminio

Es el nombre de la aleacin de aluminio y cobre, que proviene de la ciudad

alemana Duren (Renania). La composicin qumica fundamental del duraluminio

13

es: cobre, 2,5-4,5%; silicio, 0,3-0,9%; magnesio, 0,3-1,0%; manganeso, 0,5-0,8 %,

y el resto es aluminio.

El duraluminio resulta idneo principalmente para ser trabajado por deformacin

plstica, puesto que es dctil y maleable. Adems, puede ser trabajado con

mquinas herramientas y se presta medianamente a ser soldado. En las

construcciones automovilsticas se usa para piezas estampadas, como brazos,

palancas y detalles formados por embuticin. Adems de tener:

Buena mecanizacin.

Buena resistencia a la abrasin.

Buena resistencia a la corrosin.

La funcin que tiene el bloque de Duraluminio en la mquina dosificadora es de

almacenar y mantener al chocolate a cierta temperatura para que pueda ser

dosificado. Adems de tener orificios donde se detendr el chocolate, tiene 8

orificios por los cuales se enviar el chocolate a las diferentes cmaras, para que

pueda ser dosificado en las valvas. Este elemento se puede apreciar en la Figura

1.7

Figura 1.7 Bloque de Duraluminio ya maquinado

1.5.2 Bujes

Es el elemento de una mquina donde se apoya y gira un eje. Puede ser una

simple pieza que sujeta un cilindro de metal o un conjunto muy elaborado de

componentes que forman un punto de unin3, como se puede ver en la Figura 1.8

y en la Figura 1.9. Un buje es una pieza de unin mecnica entre dos partes,

posiblemente en movimiento o un punto de unin reforzado dnde un ensamble

mecnico es acoplado a otro.

[3] Sistema de Suspensin - Bujes http://sistemadesuspension.blogspot.com/

14

Se caracterizan por su construccin y sistema de giro. Es un cuerpo cilndrico

hecho con un material especial (acero, acero inoxidable, duraluminio, etc.), para

soportar los ejes de mquina rotatorias. Se puede comparar al rodamiento.

Adems para ciertas temperaturas tiende a dilatarse y perder su forma inicial.

En la mquina este elemento est hecho de acero inoxidable. La funcin que

tiene este elemento mecnico es de ayudar a que el eje de acero inoxidable

pueda girar, para que el mismo pueda colocarse en posicin de absorber y

dosificar el chocolate, en las valvas.

Figura 1.8 Buje Individual Figura 1.9 Diferentes Tipos de Bujes

1.5.3 Ejes de Acero Inoxidable

Es un elemento constructivo destinado a guiar el movimiento de rotacin a una

pieza o un conjunto de piezas, como una rueda o un engranaje. Un eje se aloja

por un dimetro exterior al dimetro interior de un agujero, con el cual tiene un

determinado tipo de ajuste. En algunos casos el eje es fijo, no gira, y un sistema

de rodamientos o de bujes insertas en el centro de la pieza permite que sta gire

alrededor del eje. En otros casos, la rueda gira solidariamente al eje y el sistema

de guiado se encuentra en la superficie que soporta el eje. 4

El acero inoxidable es un acero de elevada pureza y resistente a la corrosin,

dado que el cromo, u otros metales que contiene, poseen gran afinidad por el

oxgeno y reacciona con l formando una capa pasivadora, evitando as la

corrosin del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con

oxgeno son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosin,

como los que contienen fsforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por

algunos cidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por

mecanismos granulares o picaduras generalizadas.

[4] TEORA DE MAQUINAS CONCEPTOS BSICOS - EJES http://www.buenastareas.com/ensayos/Conceptos-Generales-Teoria-De-Maquinas/3445684.html

15

Algunos tipos de acero inoxidable contienen adems otros elementos aleantes;

los principales son el nquel y el molibdeno.

El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se descubri

que una pequea cantidad de cromo (el mnimo para conseguir propiedades

inoxidables es del 12%) aadido al acero comn, le daba un aspecto brillante y lo

haca altamente resistente a la suciedad y a la oxidacin. Esta resistencia a la

oxidacin, denominada resistencia a la corrosin, es lo que hace al acero inoxidable diferente de otros tipos de acero. 5

En el caso de la dosificadora, el eje acero de inoxidable est acoplado a una

biela. La biela es una platina que se puede acoplar a diferentes elementos

mecnicos, que en el caso de la mquina est acoplado a un pistn neumtico.

La funcin que tiene este elemento mecnico en la mquina dosificadora es de

posicionarse de tal manera que el chocolate sea absorbido de la tolva o dosificado

desde las cmaras del Bloque. Esto se puede llegar a realizar ya que los ejes

tienen agujeros con forma de L a 90o, 4 para la Mquina Dosificadora de

Chocolate Blanco y 8 para la Mquina Dosificadora de Chocolate Oscuro, como

se puede apreciar en la Figura 1.10.

Figura 1.10 Eje en la Mquina

Cuando se necesite absorber el chocolate el eje estar hacia arriba, posicionado

para absorber el chocolate, como se puede observar en la Figura 1.11

Figura 1.11 Posicin Inicial del Eje

[5] DOCUMENTACIN TODO EN ACERO INOXIDABLE http://www.todoenaceroinoxidable.com/documentacion

16

Y cuando se necesite dosificar el chocolate el eje estar hacia abajo, posicionado

para expulsar el chocolate.

Figura 1.12 Posicin para Dosificar del Eje

La vista de los bujes y ejes en el bloque se lo puede ver en la Figura 1.13

Figura 1.13 Bujes y Ejes en el Bloque

1.5.4 Retenedores

Los retenes de aceite o sellos, son elementos vitales para el funcionamiento de

los diferentes sistemas que componen los vehculos automotores y todo tipo de

maquinaria ya que al cumplir sus funciones de mantener el lubricante dentro de

los sistemas y evitar el ingreso de los contaminantes, permiten obtener una vida

prolongada de los elementos internos que forman parte de estos sistemas.6

En la industria alimenticia, para garantizar procesos seguros que favorezcan la

reduccin de costos operacionales en el rea de mantenimientos de mquinas y

equipos, y muy especficamente en el sellado de fluidos, deber hacer una

adecuada seleccin de los retenedores de aceite, en donde un buen

acompaamiento del equipo tcnico con el fabricante de los respectivos sellos es

la herramienta ms acertada para alcanzar el objetivo propuesto7, como se puede

observar en la Figura 1.14. Los retenedores funcionan mejor sobre ejes de acero

al carbn medio o acero inoxidable.

[6] RETENEDORES http://www.itacr.com/boletin27.html

[7] SECTOR ALIMENTICIO http://www.retenedorescri.com/index.php?option=com_content&view=article&id=79&Itemid=104

Eje Buje

Bloque Duraluminio

17

Las superficies cromadas o niqueladas, correctamente acabadas, son aceptables.

El alojamiento donde se va a instalar el retenedor a presin debe estar libre de

irregularidades y bordes agudos. Se debe asegurar que el alojamiento est limpio

y seco antes de instalar el retenedor.

La funcin que tiene este elemento mecnico en la maquina dosificadora es de

impedir que el chocolate se escape por el espacio que existe entre el eje y el buje,

as no existan fugas del mismo, ya que el juego o espacio que hay entre el eje y el

buje no es cero.

Adems los retenedores deben ser de un material de grado alimenticio.

Figura 1.14 Retenedores

1.5.5 Chumacera

Es una pieza de metal o madera con una muesca en que descansa y gira

cualquier eje de maquinaria.8

Casi toda mquina industrial pesada utiliza algn tipo de chumaceras de pelcula

fluida para soportar el peso del eje y controlar el movimiento causado por las

fuerzas desbalanceadas, fuerzas aerodinmicas y excitaciones externas de los

sellos y acoples. Las dos principales ventajas de las chumaceras sobre los

cojinetes de elementos rodantes son su superior capacidad para absorber

energa, para amortiguar vibraciones y su duracin debido a la ausencia de

esfuerzos de contacto rodante.9

La amortiguacin es muy importante en muchos tipos de mquinas rotativas

donde las chumaceras son a menudo la principal fuente de absorcin de energa

necesaria para controlar las vibraciones.

[8] CHUMACERA http://es.wikipedia.org/wiki/Chumacera

[9] CHUMACERAS - PRINCIPIOS DE OPERACION http://turboepsilon.com/chumaceras.htm

18

La funcin que tiene este elemento mecnico en la mquina Dosificadora de

Chocolate Oscuro es de ayudar al eje a que no se desbalancee al momento de

girar y as evitar que el eje llegue trabarse, lo que representara tiempo de paro de

la mquina.

Este elemento mecnico aparece en la Dosificadora de Chocolate Oscuro porque

la longitud del Bloque se duplica con respecto a las 2 primeras, lo que hace que el

buje se duplique tambin. La chumacera se la puede apreciar en la Figura 1.15.

Figura 1.15 Chumacera

1.5.6 mbolos

Un mbolo es una superficie deslizante dentro de un tubo: un pistn.

Adems de ser una pieza mvil que se encuentra dentro de un cuerpo cilndrico y

que al moverse alternativamente cambia la presin de un fluido, generalmente

con el objetivo de desplazarlo.

En la mquina Dosificadora de Chocolate este elemento mecnico es el

encargado de absorber el chocolate (Blanco u Oscuro) en las cmaras del bloque

de Duraluminio cuando el eje est en posicin de absorcin del chocolate, o

expulsar de las cmaras del bloque de Duraluminio cuando el eje est en posicin

de dosificar el chocolate hacia las valvas, como se puede observar en la Figura

1.16.

Figura 1.16 Embolo en la cmara del Bloque

19

1.5.7 Tolva

Se denomina tolva a un dispositivo similar a un embudo de gran talla destinado al

depsito y canalizacin de materiales granulares o pulverizados. En muchos

casos, se monta sobre un chasis que permite el transporte.

Generalmente es de forma cnica y siempre es de paredes inclinadas, de tal

forma que la carga se efecta por la parte superior y la descarga se realiza por

una compuerta inferior.

Es fundamental para diversos procesos industriales de muchas ndoles en la

actualidad.

La funcin que tiene este elemento mecnico en la dosificadora de chocolate es

de almacenar el chocolate, para que pueda ser dosificado en las valvas. Su forma

se puede observar en la Figura 1.17.

Figura 1.17 Tolva

1.6 Funcionamiento Mecnico

La mquina dosificadora de Chocolate, ya sea del Blanco o del Oscuro tiene el

siguiente funcionamiento mecnico:

Para condiciones iniciales la mquina debe que tener los mbolos hacia adelante,

para que puedan absorber el chocolate; y los ejes deben estar hacia arriba para

que el chocolate pueda alojarse en las cavidades del bloque, con la absorcin que

realicen los mbolos, este movimiento se puede apreciar en la Figura 1.18

Figura 1.18 Posicin Inicial de la Dosificadora

20

El siguiente movimiento que debe realizar la mquina es absorber el chocolate

por medio de los mbolos que sern acoplados a un pistn neumtico, y as hacer

el vaco para poder llenar la cmara con el peso necesario del producto, como se

puede ver en la Figura 1.19.

Figura 1.19 Posicin de absorcin del chocolate

El movimiento que se realiza despus de la absorcin es el de girar los ejes 90o

para que los ejes queden en posicin de dosificacin del chocolate, como se

puede observar en la Figura 1.20.

Figura 1.20 Posicin para dosificar el chocolate

Por ltimo se expulsa el chocolate de las cavidades del bloque con ayuda de los

mbolos, los cules empujan al chocolate para que sea dosificado en las valvas,

este movimiento se lo puede ver en la Figura 1.21.

Figura 1.21 Dosificacin del Chocolate

En la lnea el primer chocolate que es dosificado es el chocolate negro, ya que por

fabricacin es el que debe ir en la parte inferior del producto, y posteriormente se

dosifica el chocolate blanco.

21

CAPTULO 2

22

CAPTULO 2

DISEO E IMPLEMENTACIN DEL HARDWARE DEL

SISTEMA

En este captulo se describir el hardware elctrico y electrnico que se utilizar

para realizar el control de las Mquinas de Dosificacin de Chocolate y los

diferentes tipos de instrumentos que se utilizan para realizar el control de la

dosificadora de chocolate.

Para el diseo del control se debe especificar los diferentes niveles de voltajes

que se van a manejar en la mquina, los cuales se describen a continuacin:

220 VAC para alimentacin general y las resistencias que se utilicen para

calentar al bloque de duraluminio.

24 VDC para alimentacin de sensores, PLC (Entradas, Salidas, Digitales

y Analgicas), Pantalla de Control, Rels, Bobinas de Electrovlvulas, etc.

2.1 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Blanco

Figura 2.1 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Blanco

PLC Logo OBA6

ENTRADAS DIGITALES

SALIDAS TIPO RELAY

Rels Estado Slido

Pistones Neumticos

Resistencias

Sensores Magnticos Sensor Capacitivo

Sensor Temperatura

Pantalla HMI

Alimentacin General

220 VAC

Fuente AC/DC 24 VDC

Controlador Temperatura

23

2.2 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Oscuro

Figura 2.2 Diagrama de Bloques Dosificadora Chocolate Oscuro

Dispositivos de Control

Para el control del sistema mecnico se utiliza elementos de control entre los que

se tiene: dispositivos elctricos, dispositivos neumticos y dispositivos

electrnicos.

2.3 Elementos Elctricos

Los Elementos Elctricos o de Potencia que se maneja en la mquina son los que

se mencionan a continuacin:

- Breaker de maniobra

- Fusible

El Breaker ser para proteccin de la alimentacin general y las resistencias, las

cules se alimentan con 220 VAC.

El fusible se usar para proteger la fuente de 24 VDC.

Para el clculo de los elementos de proteccin se debe considerar que este

aparato de maniobra protege todo el sistema:

PLC S7-1200

1214 DC/DC/DC

ENTRADAS DIGITALES ENTRADAS ANALGICAS

SALIDAS DIGITALES

Rels 24 VDC Rels Estado

Slido

Pistones Neumticos

Resistencias

Sensores Magnticos Sensor Capacitivo

Sensor Temperatura

Pantalla HMI

Alimentacin General

220 VAC

Fuente AC/DC 24 VDC

24

2.3.1 Clculo del Breaker

Se tienen 3 fuentes (AC/DC):

2 fuentes de 24 VDC a 2.5 A y 1 de 24 VDC a 4 A, por lo que el total de consumo

de las fuentes ser:

P1 = 24 * 2.5 * 2 = 120W

P2 = 24 * 4 = 96W

Existen 4 resistencias elctricas de calentamiento de 1000W, 3 que estn en

funcionamiento ahora y 1 que comenzar a funcionar cuando se coloque el

segundo bloque del chocolate oscuro, por lo que el consumo de las resistencias

ser:

P3 = 1000W * 4 = 4000W

Se disponen de 2 controladores de temperatura ubicados en la dosificadora de

chocolate blanco que tienen una potencia de 10 W.

P4 = 10W * 2 = 20W

P = P1 + P2 + P3 + P4

V = 208 V

Cos = fp = 0.9

ISistema = =

IBreaker = 1.5 * ISistema = 1.5 * 13.09 = 19.63 (A)

Se escogi un Breaker de 30 A, porque se tiene pensado aumentar otros

elementos en los prximos meses para la nueva lnea.

2.3.2 Clculo de la Fuente de alimentacin

Es un dispositivo que convierte la tensin alterna de la red de suministro, en una o

varias tensiones, prcticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del

aparato electrnico, que para este caso alimenta a los siguientes elementos:

PLC

Pantallas

Sensores

Bobinas

Rels de un Polo

Rels de estado slido

25

Figura 2.3 Fuente de Alimentacin 24 VDC

La fuente de alimentacin para la dosificadora de chocolate blanco debe proveer

el voltaje y la corriente necesaria para los dispositivos indicados a continuacin:

1 PLC Logo: 100 mA Sensores: 9 Magnticos: 70 mA / sensor 1 Capacitivo: 150 mA 1 Pantalla: 40 mA 5 Bobinas: 80 mA / bobina 1 Rel estado Slido: 30 mA 1 Mdulo Expansin: 60 mA

Se dimensiona con un 25% de la corriente que consumen los elementos. 1,76 A Se escoge una fuente de 24 VDC, 2.5 A, como se puede ver en la Figura 2.3.

Para la Dosificadora de Chocolate Oscuro se tienen los consumos de los

siguientes elementos:

1 PLC: 500 mA Sensores: 13 Magnticos: 70 mA 1 Capacitivo: 150 mA 1 Pantalla: 100 mA 7 Bobinas: 80 mA 1 Rel estado Slido: 30 mA 7 Rel 1 polo: 20 mA Mdulo Expansin 1: 180 mA Mdulo Expansin 2: 40 mA

3.2625 A

26

Se escoge una fuente de 24 VDC, 4 A

Figura 2.4 Diagrama de Conexin Fuente de Alimentacin 24 VDC

2.3.3 Clculo del Fusible

Fusible de cada Dosificadora Chocolate Blanco

IFUSIBLE = 1.2 * IFUENTE = 1.2*2.5 = 3 A

Se escoge un Fusible de 3 A.

Fusible Dosificadora Chocolate Blanco

IFUSIBLE = 1.2 * IFUENTE = 1.2*4 = 1.2 * 4 = 4.8 A

Se escoge un Fusible de 5 A.

2.3.4 Clculo de la resistencia

Resistencias Tubulares

Figura 2.5 Resistencia Recta Tubular

0 VDC 24VDC

+ -

SIEMENS

LOGO! Power

24VDC 24VDCOUTPUT

AC 100-240 AC 100 240 INPUT

L1 N

110 / 220

27

Se escoge una resistencia tubular recta porque se necesita que este elemento no

ocupe demasiado espacio en el bloque y adems de que sea fcil de insertar y

sacar, por lo que la resistencia tubular quedar bien para nuestra aplicacin.

En la actualidad existen dimetros disponibles desde 1/4", 5/16", 3/8" 7/16", 1/2",

con una alimentacin de 120V, 240V, 440V.

La potencia de calentamiento es proporcional a la longitud aproximadamente 10

watts x cm. lineal, en acero inoxidable, 18 watts x cm. lineal en incoloy.

Adems se puede encontrar en diferentes formas, dependiendo de la necesidad

que se tenga para el proceso, como se muestra en las Figuras 2.5, 2.6 y 2.7.

Figura 2.6 Resistencia Helicoidales Figura 2.7 Resistencia Serpentn Dnde:

q = Calor o transferencia de calor [J/s = W].

k = Conductividad trmica [W/moK].

A = rea de transferencia [m2]. = Variacin de Temperatura [oK]. L = Longitud por donde debe transferirse el calor [m].

Datos:

k = 164 [W/mK]. (Duraluminio)

A = 250 mm x 200 mm

Como se necesita tener el chocolate entre 25 oC y 45 oC para la dosificacin, se

utilizar estos valores de temperatura para el clculo de la resistencia:

T0=25 oC

T1=45 oC

L = 200 mm = 820 W

28

La resistencia ser tubular de 1000 W, se la puede ver mejor en la Figura 2.8.

Figura 2.8 Resistencia Tubular

2.3.5 Rels

Como se sabe un rel es un dispositivo electromecnico. El mismo funciona como

un interruptor controlado por un circuito elctrico en el que por medio de una

bobina y un electroimn, se acciona un juego de uno o varios contactos que

permiten abrir o cerrar otros circuitos elctricos independientes. Dado que el rel

es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada,

puede considerarse como un amplificador elctrico.

Este elemento se utilizar para activar las bobinas de las electrovlvulas de los

actuadores neumticos en la dosificadora de chocolate oscuro, porque se

necesita proteger las salidas del PLC (S7-1200), los mismos se los pueden

observar en la Figura 2.9.

Figura 2.9 Rels de un Polo 24 VDC

2.3.6 Rel de estado slido

Se llama rel de estado slido a un circuito hbrido, normalmente compuesto por

un opto acoplador que asla la entrada, un circuito de disparo, que detecta el paso

por cero de la corriente de lnea y un triac o dispositivo similar que acta de

interruptor de potencia10, como se puede apreciar en la Figura 2.10.

[10] REL DE ESTADO SLIDO http://www.soloelectronica.net/rele_solido.htm

29

Este dispositivo es usado generalmente para aplicaciones donde se presenta un

uso continuo de los contactos del rel que en comparacin con un rel

convencional generara un serio desgaste mecnico, adems de poder conmutar

altos amperajes que en el caso del rel electromecnico destruiran en poco

tiempo los contactos. Estos rels permiten una velocidad de conmutacin muy

superior a la de los rels electromecnicos.

Este elemento es usado para activar las resistencias elctricas ubicadas de los

bloques, y as calentar los mismos hasta obtener la temperatura deseada.

Figura 2.10 Rel Estado Slido

Con los datos de la resistencia se escogi un rel de estado slido de 220 VAC,

con una corriente 10 A y una bobina de 24 VDC.

2.4 Elementos neumticos

Para el diseo de los elementos neumticos se debe tener muy en cuenta el

sistema mecnico. En base a los pesos de los ejes, mbolos y dems elementos

mecnicos se proceder a calcular los pistones y dems accesorios que se

necesite para realizar el control de los mismos.

2.4.1 Cilindros Neumticos

Los cilindros neumticos son unidades que transforman la energa potencial del

aire comprimido en energa cintica o en fuerzas prensoras. Bsicamente

consisten en un recipiente cilndrico provisto de un mbolo o pistn, y se puede

apreciar en la Figura 2.11. Al introducir un determinado caudal de aire

comprimido, ste se expande dentro de la cmara y provoca un desplazamiento

lineal. 11

[11] CILINDROS NEUMTICOS http://www.automatica.mex.tl/imagesnew/5/0/1/4/2/GUIA%20NEUMATICA%205.pdf

30

Figura 2.11 Cilindro Normalizado

Si se acopla al embolo un vstago rgido, este mecanismo es capaz de empujar

algn elemento, o simplemente sujetarlo. La fuerza de empuje es proporcional a

la presin del aire y a la superficie del pistn: Dnde: F = Fuerza

p = Presin A = rea del mbolo o pistn

2.4.2 Tipos de Cilindros segn su construccin

2.4.2.1 Cilindros de simple efecto

Su movimiento principal est dado por medio de aire comprimido, mientras que el

otro se da por una accin contraria, generalmente un resorte colocado en el

interior del cilindro. Este resorte podr situarse opcionalmente entre el pistn y

tapa delantera (con resorte delantero) o entre el pistn y su tapa trasera (con

resorte trasero). Realiza trabajo aprovechable slo en uno de los dos sentidos, y

la fuerza obtenible es algo menor a la que da la expresin F = P x A, pues hay

que descontar la fuerza de oposicin que ejerce el resorte. Las partes internas del

pistn se muestran en la Figura 2.12.

Figura 2.12 Partes Internas del Cilindro Simple Efecto

31

2.4.2.2 Cilindros de doble efecto

Este cilindro es accionado por el aire comprimido en ambas carreras. Realiza

trabajo aprovechable en los dos sentidos de marcha. Las partes internas del

cilindro se muestran en la Figura 2.13

Figura 2.13 Partes Internas del Cilindro Doble Efecto

2.4.2.3 Cilindros con doble vstago

Estos cilindros poseen salida de vstago en ambos extremos, como se puede

observar en la Figura 2.14, lo que ofrece un mejor guiado del conjunto, facilitan el

colocado de levas o fines de carrera cuando hay problemas de espacio en la zona

de trabajo, y adems presentan iguales reas de pistn a ambos lados.

Figura 2.14 Cilindro con doble Vstago

2.4.2.4 Cilindros de doble pistn o en tndem

Consisten en dos cilindros de doble efecto acoplados en serie con un vstago en

comn, formando una unidad compacta (ver la Figura 2.15). Aplicando

simultneamente presin sobre los dos mbolos se obtiene una fuerza de casi el

doble de la de un cilindro convencional del mismo dimetro.

32

Figura 2.15 Cilindros de doble pistn o en tndem

2.4.2.5 Cilindros acoplados de accin independiente

Estn constituidos por dos cilindros unidos por sus tapas traseras. stos pueden

operarse dependientemente de modo tal de obtener sobre uno de los extremos

del vstago, tres o cuatro posiciones de trabajo segn sean iguales o distintas las

carreras de ambos cilindros, como se indica en la Figura 2.16. Es un dispositivo

multiposicionador sencillo y econmico.

Figura 2.16 Cilindros acoplados de accin independiente

2.4.2.6 Cilindros sin vstago

El pistn transmite el movimiento a la carga a travs de un carro acoplado

mecnicamente al pistn, como se puede ver en la Figura 2.17.

Un sistema de cintas garantiza un doble sellado y evita el ingreso de impurezas al

interior del cilindro. Variantes constructivas de ste incluyen guas externas de

diversos tipos.

Figura 2.17 Cilindros sin vstago

2.4.2.7 Amortiguacin de fin de carrera

Son dispositivos, fijos o regulables, colocados generalmente en las tapas de los

cilindros, y cuya finalidad es la de absorber la energa cintica de las masas en

33

movimiento. Segn los modelos de cilindros, se puede tener amortiguacin

delantera, trasera o doble.

2.4.2.8 Pistn con imn incorporado

Ciertos cilindros incorporan un imn en el pistn a efectos de actuar un interruptor

magntico del tipo Reed-Switch o similar, montado en el exterior del cilindro,

durante el final de su carrera, como se indica en la Figura 2.18. Esta seal

elctrica es utilizada para gobernar a otros rganos componentes del sistema,

actuadores, contadores, emitir seales luminosas, actuar contactares, rels, PLC,

o bien para controlar su propio movimiento, y es lo que se utilizar para el control

de los pistones.

Figura 2.18 Pistn con imn incorporado

2.4.2.9 Normalizacin ISO

La ISO (International Standard Organization) ha establecido una serie de normas

de carcter internacional que regulan el aspecto dimensional de los cilindros

neumticos. En ella bsicamente se establecen las dimensiones tendientes a

garantizar al usuario la intercambiabilidad de cilindros de diversas procedencias.

Segn esta entidad quedan fijados los dimetros constructivos de los cilindros, los

extremos de vstagos, roscas de conexin, materiales a emplear, sus tolerancias

y los diferentes accesorios de montaje.

Para los dimetros establece la siguiente serie:

8- 10- 12- 16- 20- 25- 32- 40- 50- 63- 80- 100- 125- 160- 200- 250- 320 mm - etc.

Las primeras seis dimensiones (8 a 25 mm) corresponden a los comercialmente

denominados micro cilindros, que responden a un tipo particular de construccin

(sin tensores y en general no desarmables), en tanto las restantes (a partir de 32

mm) son los genricamente conocidos como cilindros.

34

Velocidad mxima y mnima de cilindros neumticos

Los cilindros neumticos pueden alcanzar una velocidad mxima comprendida

entre 0,6 y 2,6 m/s segn el dimetro, como se indica en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1 Tabla Normalizacin Cilindros Neumticos

Estos valores mximos a su vez se ven afectados por la carga desplazada,

tamao de la vlvula y conducciones, condiciones de descarga (libre, regulada o

con escape rpido), carrera del cilindro, etc.

En realidad se prefiere hablar de velocidades medias alcanzables, ya que el

cilindro desarrolla su carrera en un tiempo en el cual se produce una aceleracin

inicial y una desaceleracin final de modo que su velocidad no es constante a lo

largo del recorrido. Como velocidades medias puede considerarse un 70 % del

valor indicado en la tabla anterior.

2.4.3 Calculo de los Cilindros para las dosificadoras

Para el clculo se tienen las siguientes frmulas: Dnde:

F = Fuerza (N) M = Masa (Kg) P = Presin (6 bares) A = Superficie (mm2) a = Aceleracin (9,8

) Para realizar el movimiento de los diferentes elementos mecnicos, se decidi

utilizar cilindros de doble efecto, porque se necesita realizar fuerza.

Dimetro (mm) Velocidad mx. (m/s) 10 - 12 - 16 2,6 20 - 25 - 32 2,6

40 2,5 50 2 63 1,5 80 1,1

100 0,9 125 0,7 160 0,6

35

Para el movimiento recto de los 4 mbolos (absorcin y dosificacin del

chocolate), se escogi pistones compactos, para tener fuerza en poca carrera.

A continuacin estn los clculos para poder escoger el dimetro y la carrera del

pistn. Para el clculo se utiliza la fuerza en newton, la presin en bar, el dimetro en mm

y la superficie en mm2. De este modo, la frmula anterior pasa a ser: Frmula 2.1 Frmula para el clculo de la Fuerza del Pistn

2.4.3.1 Clculo Cilindros Compactos- Movimiento Absorcin y Dosificacin

Para los pistones que van a realizar el movimiento de absorber el chocolate se

tiene el siguiente peso:

Masa del Chocolate / Cmara = 10 g

Masa de mbolos + Placa = 1,6 kg

Masa Total = 2 Kg

Los cilindros deben realizar 10 ciclos por segundo, porque es a la velocidad que

se tendra cuando se agrande la lnea del chocolate.

Fuerza necesaria = Fuerza del peso + Fuerza de aceleracin

Fuerza de peso = m * g = 2kg * 9.81 = 19.62 N

Fuerza de aceleracin = m * a = 2kg * 10 (ciclos x segundo) = 20 N

Fuerza necesaria = 40 N

Por el producto con el que se va a trabajar, se duplica la fuerza, ya que cuando se

pare la mquina el fin de semana, puede que el chocolate se endurezca y se

necesite ms fuerza para la dosificacin el momento en el que se encienda la

mquina. Por lo que la FT = 80 N

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El cilindro escogido es el siguiente:

Cilindro Compacto ADVU-32-25-A-P-A

El cul tiene las siguientes caractersticas: Carrera: 25 mm Dimetro del mbolo: 32 mm Amortiguacin P: Amortiguacin por tope elstico/placa a ambos

lados

Figura 2.19 Cilindro Compacto

Existen una gran cantidad de cilindros neumticos. De entre ellos se ha utilizado

cilindros de doble efecto, de vstago simple, con un dimetro de mbolo de 32

mm, carrera de 25 mm, amortiguacin de final de carrera, deteccin magntica de

final de carrera y soporta una presin mxima de 10 bares. En un cilindro de

doble efecto el vstago se invierte por medio de la alimentacin alternativa de aire

comprimido. La amortiguacin en ambos extremos evita choques bruscos del

mbolo en las culatas. La amortiguacin de los finales de recorrido puede

ajustarse por tornillos de regulacin. El campo magntico de un imn permanente,

unido al mbolo, permite accionar interruptores de proximidad magnticos. Este

pistn se lo utiliza para realizar el movimiento recto, y sus caractersticas son las

siguientes:

Caractersticas Propied