Proyecto de Acuñación de Monedas (Secuencia FluidSIM - Calculo de Cilindros - Ladder)

 

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PROYECTO FINAL DE ELECTRONEUMATICA PROCESO DE ACUÑACION DE MONEDAS

JEISSON HARVEY MARTINEZ FLÓREZ 1’094.277.423  

MICHAEL STEVEN MOLINA DAZA 1’093.792.338  

MARIO ANDRÉS RODRÍGUEZ PINEDA 1’090.504.412  

PROFESOR: ADRIAN ALBERTO CARVAJAL FERRER ING. ELECTRÓNICO

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA INGENIERIA MECATRONICA CÚCUTA, COLOMBIA 2016

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INTRODUCCIÓN La Electro-neumática es una de las técnicas y sistemas de automatización que en la actualidad viene cobrando vital importancia en la optimización de los procesos a nivel industrial. Su evolución fue a partir de la neumática, disciplina bastante antigua que revolucionó la aplicación de los servomecanismos para el accionamiento de sistemas de producción industrial. industrial. Con el avance de las técnicas de electricidad y la electrónica se produjo la fusión de métodos y dando así el inicio de los sistemas electro-neumáticos electro-neumátic os en la industria, los cuales resultaban más compactos y óptimos a diferencia de los sistemas puramente neumáticos. Otro sistema es el Autómata o PLC el cual es un equipo electrónico programable en lenguaje no informático, utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial y diseñada para controlar, en tiempo real y en ambiente industrial, procesos electromecánicos secuenciales. Estas son áreas y sistemas de vital importancia y estudio en la ingeniería y aún más en Ingeniería de Automatización y Mecatrónica. Por tal razón el desarrollo de este  proyecto permite poner en práctica los fundamentos básicos de la electroneumática electroneumática y de los controladores lógicos programables a través del desarrollo de un sistema automático de acuñación de monedas. Este proceso de acuñación de monedas contiene las sub-etapas básicas de un proceso real, ya que es un modelo teórico en el cual se asumen y omiten procedimientos específicos y se concentra más en los fundamentos del proceso secuencial de los sensores y actuadores.

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OBJETIVOS General: Diseñar y simular sistema automático de acuñación de monedas.

Específicos:   Analizar

el funcionamiento básico de un sistema de acuñación de monedas, los componentes utilizados y las etapas que lo conforman. conforman.

  Utilizar

los fundamentos de la electroneumática para diseñar y simular el  proceso automatizado automatizado a través del ap aplicativo licativo FluidSIM. FluidSIM.

  Diseñar

y especificar las características de los elementos utilizados en el  proceso (cilindros). (cilindros).

  Diseñar

y simular el proceso en lenguaje lógico programable PLC, a través del lenguaje Ladder, para visualizar y aplicaciones los alcances de esta herramienta.

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MARCO TEÓRICO Automatización Industrial La Automatización Industrial es la aplicación de diferentes tecnologías para controlar y monitorear un proceso, maquina, aparato o dispositivo que por lo regular cumple funciones o tareas repetitivas, haciendo que opere automáticamente, reduciendo al mínimo la intervención humana.

Lo que se busca con la Automatización industrial es generar la mayor cantidad de  producto, en el menor tiempo posible, con el fin de reducir los costos y garantizar una uniformidad en la calidad. La Automatización Industrial es posible gracias a la unión de distintas tecnologías,  por ejemplo la instrumentación instrumentación nos permite medir las variables de la materia en sus diferentes estados, gases, sólidos y líquidos, (eso quiere decir que medimos cosas como el volumen, el peso, la presión etc.), la olehidraulica, la neumática, los servos y los motores son los encargados del movimiento, nos ayudan a realizar esfuerzos físicos (mover una bomba, prensar o desplazar un objeto), los sensores nos indican lo que está sucediendo con el proceso, donde se encuentra en un momento determinado y dar la señal para que siga el siguiente paso, los sistemas de comunicación enlazan todas las partes y los Controladores Lógicos Programables ó  por sus siglas PLC se encargan de controlar que todo tenga una secuencia, toma decisiones de acuerdo a una programación pre establecida, se encarga de que el  proceso cumpla cumpla con una una repetición, a esto debemos debemos añadir otras tecnologías tecnologías como como el vacío, la robótica, telemetría y otras más.

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Electroneumática Es la aplicación en donde combinamos dos importantes ramos de la automatización como son la neumática (Manejo de aire comprimido) comprimido) y electricidad e lectricidad y/o la electrónica. Sus ventajas: Mediana fuerza (porque se pueden lograr fuerzas mucho más altas con la hidráulica). Altas velocidades de operación. Menos riesgos de contaminación por fluidos (especialmente si se utiliza en la industria de alimentos o farmacéutica). Menores costos que la hidráulica o la electricidad neta.

Desventajas: alto nivel sonoro. No se pueden manejar grandes fuerzas. El uso del aire comprimido, si no es utilizado correctamente, puede generar ciertos riesgos para el ser humano. Altos costos de producción del aire comprimido. En electroneumática, la energía eléctrica substituye a la energía neumática como el elemento natural para la generación y transmisión de las señales de control que se ubicanestán en losconstituidos sistemas debásicamente mando. Los para elementos nuevos y/o ydiferentes que entran en  juego la manipulación acondicionamiento de las señales de voltaje y corriente que deberán de ser transmitidas a dispositivos de conversión de energía eléctrica a energía neumática para lograr la activación de los actuadores neumáticos.

Elementos Dentro de los elementos de un sistema electro-neumático es importante reconocer la cadena de mando para elaborar un correcto esquema de conexiones. Cada uno de los elementos de la cadena de mando cumple una tarea determinada en el procesamiento Universidad de Pamplona

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y la transmisión de señales. La eficacia de esta estructuración de un sistema en  bloques de funciones funciones se ha comprobado comprobado en las si siguientes guientes tareas: tareas:   Disposición

de los elementos en el esquema de conexionado   Especificaci Especificación ón del tamaño nominal, la corriente nominal y la tensión nominal de los componentes eléctricos (bobinas, etc)

  Estructura y puesta en marcha del mando.   Identificación de los componentes al efectuar trabajos

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de mantenimiento. 

 

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El lenguaje Ladder Diagrama de contactos, o diagrama en escalera, es un lenguaje de programación gráfico muy popular dentro de los autómatas programables programables debido a que está basado en los esquemas eléctricos de control clásicos. De este modo, con los conocimientos que todo técnico eléctrico posee, es muy fácil adaptarse a la programación en este tipo de lenguaje. Ladder es uno de los varios lenguajes de programación para los controladores lógico lógicoss  programables (PLCs) (PLCs) esta estandarizados ndarizados con IEC IEC 61131-3. 

Elementos de programación Para programar un autómata con Ladder, además de estar familiarizado familiarizado con las reglas de los circuitos de conmutación, (también denominada Lógica de Contactos), es necesario conocer cada uno de los elementos de que consta este lenguaje. A continuación se describen de modo general los más comunes:

Temporizador: El temporizador es un elemento que permite poner cuentas de tiempo con el fin de activar bobinas pasado un cierto tiempo desde la activación. El esquema básico de un temporizador varía de un autómata a otro, pero siempre podemos encontrar una serie de señales fundamentales, aunque, eso sí, con nomenclaturas totalmente distintas. Contador: El contador es un elemento capaz de llevar el cómputo de las activaciones de sus entradas, lo que resulta adecuado para memorizar sucesos que no tengan que ver con elpor tiempo pero que se necesiten realizar un determinado número de veces. Universidad de Pamplona

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DESARROLLO DEL PROYECTO Proceso de Acuñación de Monedas El proceso de trabajo de esta estación automatizada de acuñado de monedas es el siguiente: En la primera parte se dispone de una cinta transportadora por la que avanza la lámina de metal,  proveniente directamente de rollos de chapa laminada, esta cinta mantiene la lámina tensa por uno de sus extremos y del otro extremo es de donde se alimenta la cinta. La cinta transportadora se mantiene encendida hasta que el sensor S1 detecta la lámina de metal bajo el troquel. Estando tensa la lámina sobre la banda actúa el troquel de corte con el que se obtiene la forma circular de 30 monedas secuencialmente. Una vez que se ha producido el corte, y transcurridos 2 segundos, la cinta 1 empieza a avanzar para que las monedas ya cortadas caigan por la zona de desagüe hacia la tolva. En el extremo que tensa la cinta el resto de chapa sobrante se lleva a un depósito para almacenarlo y posteriormente ser reciclado. En la salida de la tolva, el sensor S2 que cuenta las monedas que van cayendo y cuando han caído 30 la cinta 1 se activa de nuevo y el troquel se acciona, empezando de nuevo el ciclo. Una vez que las monedas han caído en la tolva van pasando de una en una por la cinta transportadora 2 hasta que la primera moneda llega a la posición de acuñación, el sensor S3 detecta que hay una moneda y manda la señal de parar la cinta, tras 2 segundos, el cilindro C sujeta la moneda y el B sale para estampar el dibujo de la cara sobre la moneda durante 3 segundos, después entra y el cilindro C li libera bera la moneda para que llaa banda transportadora 2 se encienda de nuevo otra  posición hasta que S3 detecta la siguiente moneda y se repite el ciclo. El sensor S3 también sirve para contar cuantas monedas van pasando. Una vez que han pasado por el sensor 30 monedas se da la orden al cilindro D de barrer las monedas sobre la máquina de encapsular. Una vez terminado el ciclo se comienza uno nuevo.

Representación de cada elemento:    

             

M1 = B1= Motor de banda transportadora 1 M2= B2= Motor de banda transportadora 2 A= Cilindro de troquelado. B= Cilindro estampador C= Cilindro ajustador D= Cilindro Empacador S1= Sensor 1 (detector de platinas) S2= Sensor 2 (detector de monedas en tolva) S3= Sensor 3 (detector de moneda para estampado-contador) Universidad de Pamplona

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Secuencias del proceso: El proceso se puede dividir en 3 etapas:

1.  Etapa de Troquelado: Para la primera etapa se ha definido la siguiente secuencia y se ha desarrollado por método paso a  paso para el circuito neumático y electro neumático: M1+ M1- A+ GI GII

AGIII

Esta etapa se debe realizar 1 vez cada 30 monedas que se hallan estampado. El sensor 1 (S1) es quien detecta que ha llegado una nueva platina y ordena parar la banda transportadora 1 (M1-). Para que logre realizar esta etapa solo una vez se utiliza un contador el cual al activarse bloqueará la secuencia a espera de que se cuenten las 30 monedas, para seguir con el movimiento de A+ de troquelado. 2.  Etapa de Estampado:  Para la segunda etapa se ha definido la siguiente secuencia y se ha desarrollado igualmente por método paso a paso para el circuito neumático y electro neumático. M2+ M2GI

C+ GII

B+

B-

CGIII

Esta etapa se debe realizar 30 veces o el número de monedas especificado. Para activarse la banda transportadora 2 (M2+) e iniciarse esta secuencia el sensor 2 (S2) debe detectar que hallan monedas en la tolva, y que van ingresando de 1 en 1 en la banda transportadora transportador a 2. Para activarse C+ la banda b anda transportadora debe ser detenida (M2-) por la señal del sensor 1 (S1) que debe detectar que ha llegado una moneda por la banda transportadora 2 (M2). Además en C+ debe haber un tiempo de espera para que el estampado se haga correcta y uniformemente en toda la superficie de la moneda, este tiempo se ha definido de 5 seg. 3.  Etapa de recolección:  Para la tercera etapa solo se tienen dos movimientos en la secuencia, los cuales son los del cilindro D quien es el que arrastra las 30 monedas ya estampadas hacia el recipiente de almacenado. Esta acción solo se realiza cuando el sensor 3 (S3) ha detectado el paso de 30 monedas. D+

D-

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ESQUEMAS

Croquis del proceso

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ESQUEMA DEL PROCESO NETAMENTE NEUMÁTICO Los cilindros en el esquema a continuación representan los establecidos en el croquis anterior, además por simplicidad y facilidad se han representado los motores de las bandas (cintas transportadoras) como cilindros con sus respectivos finales de carrera.

Para este circuito neumático se utilizó la aplicación FluidSIM el cual permite diseñar, simular y estudiar circuitos electroneumáticos, electrohidráulicos y de circuitos digitales. Entre los componentes utilizados para el desarrollo del circuito neumático, se utilizaron 4 cilindros de doble efecto, 2 cilindros más y 2 motores neumáticos para representar el funcionamiento de las bandas transportadoras, 6 válvulas distribuidoras 4/2, 6 válvulas temporizadoras, 2 contadores, 6 válvulas 3/2, 3 válvulas and, 3 válvulas or, 3 pulsadores en representación de los 3 sensores, y 1 interruptor  para el Inicio del proceso. Para el control de todo el proceso se utilizaron los finales de carrera de cada cilindro:  

 

 

 

 

 

Banda 1 B1= B10 Y B11 Banda 2 B2 = B20 Y B21 Cilindro A = A0 Y A1 Cilindro B = B0 Y B1 Cilindro C = C0 Y C1 Cilindro D= D0 Y D1

Con sus respectivas válvulas monoestables con retorno por muelle.

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ETAPA 1: TROQUELADO

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ETAPA 2: ESTAMPADO y RECOLECCIÓN

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ESQUEMA DEL PROCESO ELECTRO-NEUMÁTICO Los cilindros en el esquema a continuación representan los establecidos en el croquis anterior, además por simplicidad y facilidad se han representado los motores de las bandas (cintas transportadoras) como cilindros con sus respectivos finales de carrera.

Entre los componentes utilizados para el desarrollo del circuito electroneumático, se utilizaron componentes neumáticos como 4 cilindros de doble efecto, 2 cilindros más y 2 motores neumáticos  para representar el funcionamiento de las bandas transportadoras y 6 válvulas distribuidoras 4/2 con accionamiento eléctrico por solenoides. Además los componentes eléctricos utilizados son:  

 

8 relés (k0,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k03) 12 solenoides (Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y8,Y9,Y10,Y11,Y12) 7 temporizadores (T1,T2,T3,T4,T11,T12,T13,T14) 2 Contadores (CN1, CN2) 3 interruptores que representan los sensores y 1 más para el INICIO.

 

Finales de carrera de cada cilindro.

 

   

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ETAPA 1: TROQUELADO

Esquema del Circuito de Control

Esquema del Circuito de Potencia

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ETAPA 2: ESTAMPADO Y RECOLECCIÓN

Esquema del Circuito de Control

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Esquema del Circuito de Potencia

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ESQUEMA DEL PROCESO EN LENGUAJE LADDER Circuito de Control Troqueladora

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Circuito de Potencia Troqueladora

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Circuito de Control Estampadora

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Circuito de Potencia Estampadora

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Elementos Diseñados  

Cilindro A

 

Cilindro B

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Cilindro C

 

Cilindro D

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Cálculos de los Cilindros  

Cilindro A (Troquelador)

Para determinar la fuerza de la troqueladora se tiene la siguiente formula;

 = 0,57

 

En donde t es el espesor de la lámina, l es la longitud total que se recorta (el perímetro del orificio), Sult es la resistencia última a la tensión del material, y k es un factor para p ara aumentar la fuerza teórica requerida debida al empaquetamiento de la lámina recortada, dentro de la matriz. El valor de k suele estar alrededor de 1.5. Las Características de la moneda a troquelar son: Espesor: 1.7 mm Peso: 7.08 g Diámetro: 25 mm Por lo tanto, obtenemos que los parámetros para calcular ca lcular la fuerza de troquelado son los siguientes:

 ==1.1.75  =  = 25 25 = 78.54  = 900   = 0.579000.00170.07851.5  = 93.72   

 

 

 

 

 

En cuanto a las especificaciones del cilindro, se diseñó un cilindro con diámetro de 30 cm y con un vástago de diámetro igual al diámetro de la moneda (25 mm). Para determinar la fuerza de avance y de retroceso del cilindro se obtiene las siguientes formulas.

      = 4              −   = 4        =     =     =   

Donde,

 

 

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Ya que conocemos la fuerza de avance de la troqueladora (Fa=FT) y las dimensiones del cilindro  podemos calcular tanto la presión requerida como la fuerza de retroceso obtenida.

      = 4      =  44

2   = 493.0.732    = .  ⇒ .          0.  1. 3 2 2  0. 3   − 0. 025 0 2 5       −    = 4   =   4  = 92.65   =    ∗∗      

 

 

La longitud básica del vástago se calcula mediante la expresión:

 

Para nuestro cilindro de la troqueladora tomamos una carrera de 600 mm (0.6m), en cuanto al factor de pandeo lo seleccionamos de acuerdo a la siguiente tabla; Tabla 1 Factor de Pandeo

Como nuestro cilindro no es guiado el único que coincide con los de la tabla es el número III, por lo tanto, nuestro factor de pandeo es 2.

  = 0.6 ∗2 = 1.2 Universidad de Pamplona

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 

Cilindro B (Estampador)

Para determinar la fuerza del cilindro necesaria para poder grabar sobre la moneda podemos aplicar la misma fórmula de la troqueladora solo que esta vez cambia la resistencia ultima, para este caso usamos una resistencia mucho menor.  

 = 0,57

Donde,

 = 1.7   = 1.5  = 78.54  = 620   

 

 

 

Recordando que Fa=FT, entonces.  

 = 0.577620 620  =0.70.0.07017 017 4  0.0.0785 7851.1.5  

En este punto podemos observar que la fuerza de la troqueladora es la mayor de todas por lo tanto la presión que fue calculada para el cilindro A será utilizada para todos los otros cilindros debido a que solo contamos con un comprensor y partiendo de esta presión ya conocida calcularemos las dimensiones desconocidas.

 = 1.32  74  = √ 44  = √ 1.470.32  = 0.26                 −   1. 3 2  0. 2 6   − 0. 0 025 2 5  = 4   =   4  = 69.43  

 

  El diámetro del vástago continúa siendo el mismo que el del cilindro A ya que debe cubrir solo la superficie de la moneda al igual que la troqueladora; d=25mm.

 

Para nuestro cilindro de la estampadora también tomaremos una carrera de 300 mm (0.3m), y el factor de pandeo lo seleccionamos según la tabla 1, como el cilindro no es guiado corresponde al número III, por lo tanto, el factor de pandeo es 2.

  = 0.3 ∗2 = 0.6 Universidad de Pamplona

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 

Cilindro C (Ajustador)

Continuamos aplicando la misma fórmula de la troqueladora. La fuerza del cilindro requerida para sujetar la moneda será mucho menor que la utilizada para el estampado, para esto redujimos la resistencia última a la mitad.  

 = 0,57

Donde,

 = 1.7   = 1.5  = 53.4  = 310   

 

 

 

Ya que el ajustador no toca la superficie de la moneda si no su lado entonces el perímetro que abarca (l) será distinto. Recordando que Fa=FT, entonces.     = 0.577310 310 017 5341.1.5  =0.24.0.00017 6  0.0.0534

 = 1.32  06  = √ 44  = √ 1.424.32  = 0.15      −    1.320.15 − 0.002525  = 22.674   = 4    

 

 

 

El ajustador tendrá una carrera de 600 mm (0.6m), y el factor de pandeo lo seleccionamos según la tabla 1, corresponde al número III, por lo tanto,

  = 0.6 ∗2 = 1.2 Universidad de Pamplona

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Cilindro D (Empacador)

Para el cilindro empacador se toma en cuenta el peso de todas las monedas (30 en este caso), para esto debemos conocer el peso de la moneda el cual es 7.08 g. Por lo tanto, tenemos que:

 =   == 2.((7.7.081000 1000  08∗30    ) 9.81[1[]]  

 

 

La fuerza de avance de este cilindro debe superar esta carga, entonces Si Fa ≥ 2.08 N, 

Suponiendo una fuerza de 3N y con una presión fija de 1.32MPa calculamos la fuerza de retroceso y los respectivos diámetros.

 = 1.32 

 

    = √ 44    = √ 1.  43 32

 = 0.0017

 

Como obtuvimos un diámetro tan pequeño procedemos a tomar el que esté más cerca de un cilindro normalizado de la Tabla 2. Vemos que el diámetro más cercano es de 0.06 m y para el vástago el más pequeño es de 0.04 m. La verdadera fuerza de avance y retroceso seria la siguiente,

     1. 3 20. 0 6      = 4   = 4   

  = 3.73           0.  1. 3 2 2  0. 0 6   − 0. 0 04 4       −    = 4   =   4  = 2.07 

El empacador tendrá una carrera de 300 mm (0.3m), y el factor de pandeo lo seleccionamos según la tabla 1, corresponde al número III, por lo tanto,

  = 0.3 ∗2 = 0.6 Universidad de Pamplona

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Tabla 2 Cilindros Normalizados

Cálculos del Compresor Para determinar la capacidad que debe tener el compresor debemos conocer primero el consumo de aire de cada cilindro. La fórmula es la siguiente:

 = 4   +  −4 

Donde,

 

 =     =     =     

 

 

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Los ciclos (n) de cada cilindro y sus respectivos consumos son los siguientes:  

Cilindro A n=1

    0. 3  0. 3   − 0. 0 025 2 5  =  4   + 4   0.61  = 0.08 /     0. 2 6  0. 2 6   − 0. 0 025 2 5  =  4   + 4   0.35  = 0.15 /  

 

 

Cilindro B n=5

 

 

 

Cilindro C n=5

 

Cilindro D n=1

      = 0.0.052415  /+ 0.  15  −40.025025  0.65     0. 0 6  0. 0 6   − 0. 04 0 4  =  4   + 4   0.31  = 0.0013 /

 

 

Por lo tanto, el consumo total será:

 =  +  +  +   = 0.08+0.15+0.052+0.0013   = . . / ⇒  /

 

 

 

Por lo tanto, se estima que el volumen del compresor se aproxime a los 300 litros.

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CONCLUSIONES En la actualidad la automatización brinda muchos beneficios, pero habrá actividades de procesos, las cuales se dificultara automatizarlas por medio de neumática o talvez sea más costoso, debido a que será necesario utilizar un gran número de el elementos ementos neumáticos, para la automatización de estas actividades, es por eso que se elevara el costo de la automatización, entonces es conveniente analizar otras opciones, como automatizar este tipo de actividades por medio de PLC, y hacer una combinación electro-neumática, es decir combinar PLC con los elementos neumáticos. Es posible realizar el control de un sistema secuencial, en este caso un circuito electro neumático a través de un PLC, ya que la programación se realiza r ealiza en forma sencilla a través del uso de lenguajes estándar como Ladder, Bloques Funcionales (FBD), Texto estructurado (STL), entre otros. Para el diseño de los cilindros neumáticos se tuvo en cuenta la carga que cada uno debía ejercer, así como otros datos que se asumieron y de los cuales partimos, ya que se trataba de un modelo teórico que estuviera en un rango de valores aceptables. Se puede decir que para las carreras seleccionadas de los cilindros se tuvo en cuenta el consumo de aire de acuerdo a la capacidad de los compresores industriales comerciales. En la realización del proyecto se pudo comprobar la utilización de la neumática y el electro neumático para automatizar procesos como el de la acuñación de monedas, realizando las secuencias y movimientos necesarios para ello. Cabe resaltar que los cálculos y diseños hechos estuvieron limitados a los fundamentos teóricos adquiridos; y que no se tiene acceso a equipos o laboratorio para implementar el montaje que nos permita observar el comportamiento real del  proceso diseñado.

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BIBLIOGRAFÍA http://www.uan.edu.co/ingenieria-en-control-y-automatizacion-industrial http://repositorio.utp.edu.co/dspace/bitstream/handle/11059/5144/6298D542.pdf?sequence=1 https://fundamentacionneumatica.wikispaces.com/Electroneumatica https://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_programable https://es.wikipedia.org/wiki/Lenguaje_Ladder Libro: Neumática e Hidráulica –  Antonio  Antonio Creus Solé

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