Estación de Clasificación de Piezas Perforadas Daniel Flórez-Orrego CA, Luis Bernardo Varela Jiménez, Daniel Mauricio Usuga Moreno Ricardo Correa Colorado, Julián David Escobar Atheortua Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín, Facultad de Minas CA Carrera 80 #65-223 Medellín – Colombia,
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CONTENIDO
Objetivos
Descripción del problema
Análisis de Boole.
Diseño del automatismo eléctrico
Funcionamiento de la lógica cableada
Simulación en LGOSOFT Comfort V5.0 para la programación en PLC
1. Objetivos Mediante el análisis de Boole, el uso de automatismos eléctricos y la programación en PLC se quiere resolver una problemática que involucra variables de control ON – OFF. Con efectos de aplicación a la vida real se describe el funcionamiento, construcción y materiales del dispositivo diseñado.
2. Descripción del Problema Se fabrican piezas para una referencia de mueble determinado con hasta tres perforaciones en su diagonal. En la fábrica se elaboran otras referencias que difieren en cuanto a la configuración de las perforaciones para otras referencias de muebles. El proceso de clasificación comienza por clasificar los dos tipos de tablas según su espesor, se descartan las más gruesas, luego llega a otra estación de clasificación según la configuración de las perforaciones, las de nuestra referencia deben ser expulsadas de esta banda transportadora y enviadas a otra banda de empaque. Las configuraciones que pertenecen a las referencia de muebles deseada son tres: la primera, con las tres perforaciones; la segunda, con la perforación en el centro únicamente y la tercera, con las dos perforaciones en los extremos.
a)
b)
c)
Figura 1. Arreglos deseados de las perforaciones.
3. Análisis de Álgebra de Boole
Figura 2. Nomenclatura de agujeros. Según la figura 2, denominamos a cada uno de los agujeros como A, B y C en la diagonal para realizar el análisis del algebra de Boole mediante el diagrama de Karnaugh. Considerando la función “Tablilla Apta” como “Y”, escribimos:
Y ABC ABC ABC
(1)
La cual puede ser simplificada mediante el diagrama de Karnaugh como sigue: Tabla 1. Diagrama de Karnaugh.
BC A
10 0 1
1 0
00 0 0
01 1 0
11 1 0
Según se observa, mediante las reglas de simplificación que se tienen al usar el diagrama de Karnaugh (Agrupar unos (1’s) en la menor cantidad de grupos posibles que contengan el máximo posible de unos, solo aceptándose grupos que posean cantidades de unos iguales a potencias de 2, es decir,
2 N
i 0,1,2...
0,2,4,8,16 ) tenemos que, la función se simplifica
como:
Y ABC AC
(2)
Y de esta forma, podemos ver que para que la tablilla sea “apta” se debe cumplir que “estén presentes los agujeros en las posiciones A y C, o B”, aclarando que esta disyunción es inclusiva, es decir, representa una unión en los diagramas de Venn y no una diferencia simétrica.
4. Diseño del automatismo eléctrico Para el diseño del automatismo eléctrico, se considerará inicialmente una estación de selección por espesor y dos estaciones de sensado para la configuración de agujeros. Dichas estaciones de sensado consisten en finales de carrera que detectan la presencia y/o ausencia de los agujeros en la diagonal. Cuando inicia el movimiento de la tablilla por la banda transportadora, se llega a una estación en que las piezas más gruesas son descartadas hacia otra banda transportadora; esta acción la realiza un brazo fijo inclinado en un ángulo determinado que permite la extracción de la tablilla no apta por deslizamiento. Este punto corresponde a la estación 1 de la figura 3.
Figura 3. Ubicación de las estaciones de sensado. En la estación 2, se pretende preseleccionar las tablillas que poseen todos los tres agujeros en la diagonal y en la tercera estación, los que poseen el agujero en el centro o los dos agujeros en los extremos, según las disposiciones mostradas en la figura 1 a), b), c) y la lógica arrojada por el algebra de Boole. La cuarta estación consiste en un brazo de palanca móvil (diferente al que se hallaba fijo en la estación 1) que expulsa las tablillas aptas hacia otra banda transportadora. El circuito eléctrico de mando, embebido en las estaciones 2 y 3 se muestra a continuación y se explica brevemente su funcionamiento:
Los finales de carrera D, E y F que se presentan en el subcircuito 2 del circuito de la figura 4 corresponden al arreglo que se muestra en la figura de la izquierda. Este arreglo es sensado en la estación 2 y corresponde a la detección de los tres agujeros cuando todos tres están presentes.
Figura 4. Circuito eléctrico.
5. Funcionamiento de la lógica cableada. A continuación, se describen cada uno de los elementos del circuito eléctrico de la figura 4: S0: Final de carrera NO que permite el paso de la corriente con el fin de que se produzca la detección de la presencia/ausencia de los agujeros para las configuraciones b) y c) de la figura 1. Es necesario que el arreglo de agujeros en la tablilla este exactamente bajo los sensores de carrera para cuando este sensor vaya a ser oprimido y que se encuentre deshabilitado para cuando los finales de carrera para los agujeros estén abandonando los mismos, o de lo contrario podrían sensarse ausencias o presencias de “agujeros” en lugares donde estos no están posicionados según la figura 1. S1: Final de carrera NO que permite el paso de la corriente con el fin de que se produzca la detección de la presencia/ausencia de los agujeros para la configuración a) de la figura 1. Es necesario que el arreglo de agujeros en la tablilla también este exactamente bajo los sensores de carrera para cuando este sensor vaya a ser oprimido y que se encuentre deshabilitado para cuando los finales de carrera para los agujeros estén abandonando los mismos, o de lo contrario
podrían sensarse ausencias o presencias de “agujeros” en lugares donde estos no están posicionados según la figura 1. S2: Final de carrera NC que permite la desenergización del subcircuito eléctrico 3 de la figura 4, el cual se autosostiene por el contacto auxiliar NO de C30. A: Final de carrera que detecta la ausencia/presencia del agujero A, para las configuraciones b) y c) de la figura 1. B: Final de carrera que detecta la ausencia/presencia del agujero B, para las configuraciones b) y c) de la figura 1. C: Final de carrera que detecta la ausencia/presencia del agujero C, para las configuración b) y c) de la figura 1. D: Final de carrera que detecta la ausencia/presencia del agujero A, para las configuración a) de la figura 1. E: Final de carrera que detecta la ausencia/presencia del agujero B, para las configuración a) de la figura 1. F: Final de carrera que detecta la ausencia/presencia del agujero C, para las configuración a) de la figura 1. C10: Bobina de salida para la lógica de detección de las configuraciones b) y c) de la figura 1. Su contacto NO auxiliar C10 energiza la bobina C30 que activa el solenoide. C20: Bobina de salida para la lógica de detección de la configuración a) de la figura 1. Su contacto NO auxiliar C20 también energiza la bobina C30 que activa el solenoide. C30: Bobina de salida que energiza mediante su contacto NO C30 el solenoide que acciona el brazo de palanca de la estación 4. Solenoide: Es un embobinado que posee un hierro móvil en dirección axial que se ve forzado a avanzar cuando se aplica un voltaje de 12V en corriente directa. El movimiento axial del vástago del solenoide se convierte en un movimiento angular de un brazo de palanca mediante un pivote colocado en el extremo de dicho brazo como se muestra en la figura 5.
Figura 5. Brazo de palanca para la expulsión de las tablillas aptas en la estación 4. Los detectores o finales de carrera que dan garantía de la ausencia o presencia de los agujeros en la tablilla (Ver finales de carrera A-F de la figura 4) están supeditados a la acción de un
sensor adicional que permite determinar el momento adecuado para que dichos sensores ejerzan su función, evitando la activación de los mismos en tiempos prematuros o no pertinentes (entrada inicial de la tablilla y recorrido) garantizando el momento de sensado correcto (cuando los finales de carrera estén justo sobre los lugares donde se ubicarían los agujeros). Cuando la lógica diseñada para la selección de las tablillas aptas en las estaciones 2 y 3 así lo permitan (ver subcircuitos 1 y 2 del circuito eléctrico de la figura 4), el brazo de la estación 4 será activado como consecuencia de la energización del solenoide de dicha estación (ver subcircuitos 3 y 4 del circuito de la figura 4), que funciona como un brazo de palanca móvil retráctil accionado por solenoide y que expulsa la tablilla apta con el principio de deslizamiento planteado en la estación 1. Por otro lado, cuando este no es accionado por el solenoide se permite el transito ininterrumpido de las tablillas que no pertenecen a la referencia buscada, dado que un resorte devuelve el brazo a la condición inicial. Cuando el brazo de palanca de la estación 4 ha quedado activado por el autosostenimiento de la bobina C30 mediante sus contactos auxiliares que a su vez energizan el solenoide que lo acciona, éste debe ser retraído a su posición inicial mediante un resorte y un final de carrera NC que hace las veces de OFF (ver final de carrera S3 de la figura 4) que se encuentra al inicio de la banda transportadora cuando un nuevo ciclo de una tablilla comienza.
a)
b) Figura 6. Ubicación de los finales de carrera para a) estación 1 y b) estación 2.
Los finales de carrera tienen la siguiente configuración:
Figura 7. Configuración de los finales de carrera utilizados. Los sensores utilizados corresponden a finales de carrera de brazo y rodillo que funcionan a un voltaje de 12V D.C. Para los relés C10, C20 y C30 se utilizan relés de estado sólido 8 bornes para 12V D.C. con una configuración que similar a la que se muestra a continuación:
Figura 8. Configuración de los relés utilizados. Cabe anotar que el circuito de mando solo comprende la lógica que arrojan los finales de carrera de las estaciones 2 y 3, y controla las acciones del brazo de palanca seleccionador de la estación 4. En ningún momento detiene o arranca el motor de la banda transportadora, el cual trabaja a una corriente de 120V C.A. de forma continua y mediante una reducción de sin fincorona y una trasmisión por cadena-sprocket. La banda transportadora debe ir a una velocidad moderada que permita un tiempo de reacción adecuado de los finales de carrera.
6. Simulación en LOGOSOFT para la programación en PLC. Para la programación en PLC se utilizó el software LOGOSOFT Comfort V5.0. Los diagramas LADDER que arroja el software se muestran en la siguiente figura:
Figura 10. Simulación en LOGOSOFT Comfort v5.0. Diagrama LADDER. Los diferentes contactos NO y NC (denotados como I) y bobinas (denotadas como Q) cumplen la misma nomenclatura que se hizo en el diagrama de circuito eléctrico de mando de la figura 4. A continuación se presenta el diagrama en formato FUP. Este formato es tal que:
Las conexiones en serie de contactos se transforman en bloques AND.
Las conexiones en paralelo de contactos se transforman en bloques OR.
Los comentarios libres no se transfieren, ya que su posición en el esquema no se puede determinar en función de los bloques.
Las conexiones en cruz, es decir, las conexiones en las que una salida de bloque está conectada a varias entradas de bloque y, al mismo tiempo, al menos una de dichas entradas de bloque está conectada a varias salidas de bloque, se transforman en un bloque OR. Como entradas del bloque OR se utilizan todas las salidas de bloque que forman parte de la conexión en cruz. La salida del bloque OR se conecta a todas las entradas de bloque que forman parte de la conexión en cruz.
Las marcas internas se deshacen y los circuitos se juntan.
Figura 11. Diagrama FUP para programación en PLC.
7. Conclusiones
El uso del PLC evita el uso de la lógica cableada que en ocasiones más complicadas resultaría muy dispendiosa. En nuestro caso, el circuito correspondía una lógica cableada sencilla que permitió el uso de una PROTOBOARD y varios metros de cable rígido, así como el uso de soldadura de estaño y pomada y los suficientes finales de carrera y relés como para construirlo.
La detención del motor que mueve la banda transportadora requería el uso de un temporizador que permitiera la acción de detenerse, sensar y reanudar la marcha cuando una cantidad de tiempo apreciable permitiera la reacción de los finales de carrera. Además, se requería que el motor fuera controlado por el circuito de mando mientras usaba un voltaje mayor al que dicho circuito de mando requería. Esta complicación se salvó colocando un motor de marcha continua que fuera tan lento como fuera posible para permitir el sensado de la ausencia / presencia de los agujeros.
Se iban a utilizar celdas fotoinductivas para el sensado de la ausencia/presencia de los agujeros, pero debido a los cuidados y aislamiento de la luz que dichos elementos presentan, se optó finalmente por los finales de carrera de rodillo.
El uso de brazos inclinados para la expulsión de las tablillas se convirtió en una estrategia que disminuye la cantidad de automatismos eléctricos presentes y manipulados por el circuito de mando.
