Resumen - La empresa "El Cerealero" trabaja en la rama del procesamiento de diversos cereales y uno de sus procesos productivos es el embolsado; para bajar el costo de producción del embolsado y mejorar la calidad de presentación del producto en ésta empresa se introdujo una tecnología acorde con el avance tecnológico, tomando en cuenta, que el diseño sea factible para la economía de la empresa y los resultados que se logren obtener en la producción, puedan servir para que otras empresas se encaminen de la misma manera viendo como un ejemplo el desarrollo obtenido con la automatización. Con éste propósito inicialmente se diseñó un prototipo mecánico de un sistema de pesado de cereales, embolsado y soldado de bolsas plástica de polietileno, posteriormente se realizo un estudio de los sensores que se emplearían en el proceso del pesado electrónico y la automatización de todo el proceso, tomando en cuenta el costo de los mismos. El siguiente paso fue la elección de los dispositivos de control que se encargarían de automatizar todo el sistema, para ello se utilizó un microcontrolador por su costo reducido en comparación de otros controladores, por la variedad que tienen y la facilidad de adaptarse a cualquier sistema; finalmente como una alternativa para la empresa se realizó un programa computarizado que se encargará de monitorear el estado de todos los dispositivos del sistema, además de permitir visualizar y cambiar todas las variables de control del sistema, tales como Timers, contadores y cambiar el valor del pesado para el embolsado. El sistema se caracteriza porque es modular, la parte de pesado es independiente del soldado logrando de ésta manera mayor velocidad, el pesado tiene un rango de elección desde 200 gr hasta una cuartilla (6 lb.), mismo que cual puede ser elegido utilizando un panel de control o una PC, para el soldado de la bolsa el operario cuenta con un rango de soldadura de 1 a 10, el cual nos da la posibilidad de soldar bolsas plásticas de un grosor aproximado de 6 a 20 Micrones. El sistema nos ofrece una velocidad de producto acabado de 2 bolsas de 6 lb. por minuto y tiene una depósito de almacenamiento del producto a embolsar de capacidad de 200 Lb. Como el sistema es un prototipo, y es controlado por un programa que se encuentra en el controlador, nos ofrece una ventaja para poder aumentar o disminuir los rangos de pesado y de soldado, simplemente cambiando el programa con los nuevos rangos requeridos. La velocidad de la máquina está limitada a la máxima velocidad de los motores, la velocidad de la máquina se puede mejorar empleando motores más rápidos o empleando otro modulo de pesado o soldado.

INTRODUCCIÓN

Las principales dificultades con las cuales tropiezan las empresas nacionales para la venta de sus productos en los mercados nacionales e internacionales son: el nivel de calidad que ofrecen en la producción, el costo que envuelve dicha producción y, la más importante, la competitividad de precios de modo que pueda sobrevivir y salir adelante en los mercados cada vez más competitivos, por éstas razones es necesario que las empresas apliquen procesos de automatización en la parte técnica de sus procesos productivos, ya que ésto puede mejorar la calidad y minimizar los costos de producción.

La empresa "El Cerealero", dedicada a un sinfín de trabajos y actividades relacionadas con varios tipos de cereales, trabaja, como parte de sus rubros, en el embolsado de los cereales para la distribución en el mercado nacional, el método empleado antes de la elaboración del trabajo, para el pesado y el embolsado, era completamente manual.

Para bajar los costos de producción y mejorar la calidad del producto en ésta empresa, se introdujo una tecnología acorde con el avance de la automatización de procesos, además, se buscó que está sea factible para la economía de la empresa y, finalmente, que los resultados que se logren obtener en la empresa, puedan servir para que otras empresas se encaminen de la misma manera viendo como un ejemplo los logros alcanzados con automatización.

OBJETIVO

El objetivo del proyecto, fue diseñar un sistema de automatización y un prototipo mecánico automático que permitan pesar y embolsar cereales, además que faciliten el monitoreo del proceso utilizando una computadora personal.

INGENIERÍA DEL PROYECTO. DISEÑO DEL PROTOTIPO MECÁNICO

Antes de empezar con la parte electrónica del proyecto fue necesario realizar el diseño de un prototipo mecánico para ubicar los dispositivos electrónicos de modo que sea posible cumplir con los parámetros requeridos en el proyecto.

Con este objeto se estudiaron los dispositivos mecánicos a usarse y se escogieron los más eficientes en función a su uso y control:

Soldadora de bolsa plástica
El método de la lámina delgada se eligió para el soldado de la bolsa plástica, porque este método utiliza un temporizador (TIMER) para controlar el soldado, se activa sólo cuando se necesita soldar ahorrando energía, por tanto el costo de la implementación del sistema es económico.

Para abrir y cerrar la prensa se utilizó el método de la leva (figura 1), porque su implementación es sencilla, ésta controla los estados de apertura y cierre; es más sencillo que otros métodos y el costo de su implementación también es económico.

La prensa utiliza un motor pequeño, trifásico de 35 Vatios (35 Vatios, 220/380 VAC 50Hz) conectado a un reductor de velocidad (la constante de reducción es de: 61 de 14000 RPM a 23 RPM), el reductor se encarga de aumentar la fuerza del troqué del motor generando la fuerza necesaria para abrir y cerrar la prensa sin sobrecargar el motor.

El transformador de la soldadora es de 220 a 12 Vac 3 A, se elige un voltaje de 12 Vac porque cuando se activa el transformador el tiempo que tarda en llegar a 3 A el transformador es de aproximadamente 11 segundos, pero para voltajes mayores el tiempo es menor.

Se utiliza un sensor inductivo (s1) para indicar al controlador la posición exacta donde el motor M1 tiene que parar y lograr la apertura máxima de la prensa (Figura 1).

Para llevar la bolsa plástica a la zona de soldado, es necesario utilizar una banda mecánica, esta banda (figura 2) utiliza un motor trifásico M2 de 35 Vatios (220/380 Vac 35 Vatios 50hz), un reductor mecánico (la constante de reducción es de: 61 de 14000 RPM a 23 RPM), el reductor y la potencia del motor satisfacen la capacidad de transporte de la banda 4 Kg, para aumentar la velocidad de la banda, es necesario cambiar el reductor o el motor.

Figura 1: Prensa Mecánica

Para ubicar la bolsa plástica en la posición exacta en la cual va a realizarse el soldado y poder sacar a la bolsa de esta zona, se utiliza un sensor retroreflectivo que se encarga de mandar una señal al controlador cuando la banda ubica a la bolsa en la zona donde se va a soldar, también el sensor se encarga de mandar una señal al controlador cuando la bolsa sale de la zona de soldado.

Balanza
Para el diseño del prototipo mecánico de la balanza se partió por el criterio de minimizar los costos de producción.

Los sensores de peso, como la galga, son sensores de muy alto costo, por ésta razón se buscó un sustituto adecuado, que sin perder calidad de sensado sea de un costo más accesible.

Figura 2: Banda Transportadora

Figura 3: Balanza

El sensor que se eligió no es de peso, pero se puede adaptar al diseño de la balanza mecánica (Figura 3), éste sensor varía su resistencia respecto a su flexión. Este método utiliza el método de la palanca: en el punto A se colocó un toldo que servirá para almacenar el producto para pesar, en el punto B se coloca el sensor y con ayuda de resortes y contrapesos éste punto estará por debajo del punto A, a medida que la fuente es llenada poco a poco con el producto el punto A tiende a bajar y el punto B subirá, generando que el sensor se flexione y logre cambiar su estado inicial, éste cambio de estado es leído por un circuito electrónico.

Para el llenado del toldo de la balanza se utiliza un toldo de mayor tamaño donde se almacenará el producto (Figura 4), con la ayuda de una banda mecánica controlada con un motor MDC (12 VDC) el producto es llevado hasta la fuente.

Figura 4: Embolsadora

Para el embolsado se utiliza un embudo ubicado debajo del toldo de la balanza, donde se coloca la bolsa plástica; en el toldo de la balanza se coloca una compuerta por donde el producto pueda caer al embudo. La apertura de la compuerta será controlada por un sistema mecánico y un solenoide (24 Vdc) mismos que se encargarán de abrir y cerrar la compuerta.

DISEÑO ELECTRÓNICO

Controlador del sistema
Para el sistema de control de todos los dispositivos se utilizó dos microcontroladores PIC (Microchip), esto debido a que estos dispositivos son económicos y adecuados para controlar el sistema utilizando un simple programa.

El PIC16F877 se encarga de controlar el modulo de pesado, y también se encarga de la transmisión de los datos de forma serial a la computadora.

EL PIC16F84 se encarga de controlar todo el módulo de soldado y contado.

El sistema se dividió en dos módulos para que la velocidad aumente, mientras se esta pesando, el sistema podrá, al mismo tiempo soldar y de esta manera lograr la independencia de cada módulo.

Balanza
Para la balanza se utilizó un sensor de tipo resistivo, la característica de este sensor es que su flexibilidad es proporcional a su resistencia.

Para la lectura del sensor se tuvo que conectar este a un puente de resistencias, para de esta manera poder medir la variación de la resistencia, la cual genera un voltaje en milivoltios, como esta señal es muy baja, este voltaje se amplifica utilizando un amplificador instrumental; para poder eliminar cualquier tipo de ruido eléctrico de la línea y éste no afecte a la lectura del sensor se utilizó un filtró pasa bajo; finalmente esta lectura de voltaje se conecta a un ADC (Convertidor analógico digital) para la transformación del voltaje a un número digital, el cual podrá ser utilizado en la parte de control.

Soldadora de bolsa plástica
Para el soldado de la bolsa se utilizó una prensa, una banda y un soldador de bolsas plásticas mismos que se explicaron anteriormente, estos dispositivos utilizan voltajes elevados los cuales no se pueden controlar directamente con el dispositivo de control, para ello se diseño un sistema de conmutación utilizando TRIAC, dispositivos electrónicos que permites el manejo digital de señales de alta potencia, porque son silenciosos, económicos y lo más importante, porque separan la parte de potencia con la parte de control por medio del acoplador óptico (optotriac).

Los sensores retroreflectivo e inductivo tienen una salida de voltaje de 12 VDC; para que el controlador pueda leer esta señal se debe reducir a 5Vdc, con este propósito se utilizó un adaptador de nivel de 12 a 5 VDC.

Monitoreo
Para el monitoreo se utilizaron dos métodos; un primer método donde se utiliza un panel de control donde se visualiza un diagrama de todo el sistema, utilizando luces se puede ver el estado de cada dispositivo del sistema. El segundo método de control utiliza una computadora personal, el software para el monitoreo fue desarrollado en DELPHI, el cual nos mostrará visualmente los estados de todos los dispositivos de la embolsadora, además es capaz de cambiar las variables de control del sistema como el contador, los Timers y el peso

CONCLUSIONES

Una vez implementado el proyecto, se puede probar que la soldadura de las bolsas plásticas es homogénea (de 100 soldaduras las 100 salieron buenas).

La balanza tiene un error del 0.12% y lo más importante es que el producto es higiénicamente embolsado, ya que no es manipulado en ningún momento por manos humanas en todo el proceso del embolsado.

Se tiene un incremento de la producción de un 250% en relación al proceso tradicional que empleaba la empresa.

Una de las característica de la máquina es que el sistema se dividió en dos módulos independientes para aumentar la velocidad, un modulo para el pesado y otro para el soldado dando la opción de aumentar más módulos aun y así incrementar aun más la velocidad de producción.

BIBLIOGRAFÍA

Stanley Wolf. Guía para mediciones eléctricas y practicas de laboratorio. Dpto. de ingeniería electrónica universidad of California. 1980.
James T. Humphries . Industrial electronics. Santa fe community collage. 1989.
Muhammad h. Rashid. ELECTRONICA DE POTENCIA. University at foro Wayne. 1993.
Motorota. Optoelectronics device. 1993.
Motoriola. Thyristors. 1993.
Robert F. Coughlem, Frederick F. Driscoll. Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. 1993
C.J. Savant Jr. Diseño electrónico circuitos y sistemas. California state University, los Anglés.
Microchip. Pic 16/17 Microcontroller data book.