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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO AUTOMATIZACIÓN DE SISTEMA DE TRANSPORTE DE MATERIALES DE ESTANTERÍA EN UN ALMACÉN DE MATERIAL ELÉCTRICO TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN PRESENTAN: BERNAL BAUTISTA ALEJANDRO REYES AGUILAR RAÚL ZARZA PÉREZ GUSTAVO ASESORES: BETANZOS RAMÍREZ JOSÉ DARÍO HUERTA GONZÁLEZ PEDRO FRANCISCO CIUDAD DE MÉXICO, DICIEMBRE DE 2015 ÍNDICE PAG. CAPÍTULO I “FUNDAMENTACIÓN” 1 1.1 INTRODUCCIÓN 1 1.2 OBJETIVO 2 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2 1.4 JUSTIFICACIÓN 3 1.5 ANTECEDENTES Y GENERALIDADES 3 CAPÍTULO II “MARCO TEÓRICO” 6 2.1 AUTOMATIZACIÓN 6 2.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE 7 2.2.1 Definición y funcionamiento 7 2.2.2 Estructura básica de un PLC 7 2.2.3 Medios de comunicación de un PLC 10 2.3 INTERFAZ HUMANO-MÁQUINA 10 2.4 VARIADOR DE FRECUENCIA 12 2.4.1 Definición y funcionamiento 12 2.4.2 Programación 12 2.5 SENSOR 14 2.5.1 Definición y funcionamiento 14 2.5.2 Clasificación general 14 2.5.3 Sensor tipo Retro Reflectivo 15 2.5.4 Sensor Inductivo de Proximidad 16 2.6 ELEMENTOS ELÉCTRICOS 18 2.6.1 Contactor 18 2.6.2 Guardamotor 19 2.6.3 Fuente de alimentación 20 2.6.4 Interruptor termomagnético 20 2.6.5 Distribuidor de fuerza 20 2.6.6 Motor de inducción trifásico 21 2.6.7 Transformador eléctrico 23 2.6.8 Relevador de control 24 2.7 ALMACÉN 24 2.7.1 Definición 24 2.7.2 Clasificación general de los almacenes 25 2.7.3 Clasificación atendiendo al tipo de mercancía 25 2.7.4 Tipos de almacenamiento 27 2.7.5 Funciones de un almacén 27 2.7.6 Áreas de un almacén 28 2.7.7 Problemas comunes en un almacén 29 2.8 ALMACÉN DE MATERIAL ELÉCTRICO 30 2.8.1 Clasificación del almacén 30 2.8.2 Tipo del almacenamiento 31 2.8.3 Problemas a resolver en el almacén 31 CAPÍTULO III “DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA” 33 3.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO INSTALADO 33 3.1.1 Sistema de Recibo de Materiales 33 3.1.2 Sistema de Surtido de Pedidos 36 3.2 DESCRIPCIÓN INDIVIDUAL DE EQUIPOS 38 3.2.1 Transportador de rodillos de acumulación motorizado con transferencia 39 3.2.2 Transportador de rodillos de acumulación motorizado 40 3.2.3 Curva de 90° transportador de rodillos de acumulación motorizado 41 3.2.4 Curva de 45° transportador de rodillos de acumulación motorizado 42 3.2.5 Banda transportadora motorizada 43 3.2.6 Transportador de gravedad de rodillos 43 3.2.7 Transportador de rodillos motorizado – Merge 44 3.2.8 Transportador de rodillos motorizado – Desviador 45 3.2.9 Elevador (177”) 46 3.2.10 Elevador (322”) 47 3.3. OPERACIÓN DEL SISTEMA 49 3.3.1 Funcionamiento del sistema de recibo 49 3.3.2 Funcionamiento del sistema de surtido 50 CAPÍTULO IV “HARDWARE PARA LA AUTOMATIZACIÓN” 53 4.1 PROPUESTA OPERATIVA DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 53 4.2 REQUERIMIENTOS Y SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE RED 54 4.2.1 Características requeridas y selección del PLC 54 4.2.1.1 Entradas y salidas digitales del sistema de surtido 55 4.2.1.2 Entradas y salidas digitales del sistema de recibo 61 4.2.1.3 Selección del PLC 63 4.2.2 Características requeridas y selección del Flex I/O 64 4.2.2.1 Selección del Flex I/O 64 4.2.3 Características requeridas y selección del escáner 65 4.2.4 Características requeridas y selección de los switches 67 4.2.5 Características requeridas y selección de pantalla para HMI 69 4.3 ARQUITECTURA DE RED 70 4.4 INGENIERÍA Y DISEÑO DE TABLEROS DE CONTROL 72 4.4.1 Tablero principal 72 4.4.1.1 Selección de dispositivos de fuerza 74 4.4.1.2 Selección de dispositivos de control en 120 VCA 83 4.4.1.3 Selección de dispositivos de control en 24 VCD 94 4.4.1.4 Dispositivos de seguridad 95 4.4.1.5 Escáneres y switch 100 4.4.1.6 Circuito de protección para la Panel View 600 101 4.1.1.7 Entradas digitales del PLC 102 4.4.1.8 Salidas digitales del PLC 102 4.4.1.9 Contactores de seguridad 103 4.4.1.10 Slots de entradas digitales, PLC 104 4.4.1.11 Slots de salidas digitales, PLC 109 4.4.1.12 Distribución de dispositivos seleccionados y dimensionamiento de tablero 111 4.4.2 Tablero remoto 113 4.4.2.1 Selección de dispositivos de fuerza 115 4.4.2.2 Selección de dispositivos de control en 120 VCA 118 4.4.2.3 Selección de dispositivos de control en 24 VCD 123 4.4.2.4 Dispositivos de seguridad 124 4.4.2.5 Escáneres y switch 127 4.4.2.6 Entradas del Flex I/O 128 4.4.2.7 Salidas del Flex I/O 128 4.4.2.8 Contactor de seguridad 130 4.4.2.9 Módulos de entradas y salidas digitales Flex I/O 130 4.4.2.10 Distribución de dispositivos seleccionados y dimensionamiento de tablero 131 CAPÍTULO V “SOFTWARE” 133 5.1 CONFIGURACIÓN DE RED 133 5.2 CONFIGURACIÓN DE PLC 134 5.3 CONFIGURACIÓN DE RED Y PLC EN PRUEBAS DE LABORATORIO 134 5.3.1 Configuración de red en pruebas de laboratorio 136 5.3.2 Configuración de PLC en pruebas de laboratorio 138 5.4 SECUENCIA DE OPERACIÓN 140 5.4.1 Secuencia de operación sistema de recibo 140 5.4.2 Secuencia de operación sistema de surtido 143 5.5 DIAGRAMAS DE FLUJO 148 5.5.1 Diagrama de flujo sistema de recibo 148 5.5.2 Diagramas de flujo sistema de surtido 150 5.6 CÓDIGO Y HMI 156 5.6.1 Prueba de laboratorio 1 156 5.6.2 Prueba de laboratorio 2 162 5.6.3 Prueba de laboratorio 3 164 CAPÍTULO VI “RESULTADOS Y CONCLUSIONES” 169 6.1 RESULTADOS 169 6.2 CONCLUSIONES 173 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 175 ANEXOS 178 1. CONFIGURACIÓN DE ESCÁNER 179 2. DIAGRAMAS DE INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALLE 182 3. EVALUACIÓN ECONÓMICA 206 1 CAPÍTULO I FUNDAMENTACIÓN 1.1. INTRODUCCIÓN La transportación de materiales en la industria es uno de los principales retos a resolver por la automatización desde hace ya muchos años hasta la actualidad. A causa de la globalización las empresas buscan aumentar su producción, reducir tiempos y optimizar recursos, esas son las razones principales por la que las industrias requieren implementar sistemas automáticos de transportación en sus plantas haciendo que los procesos sean más efectivos. En este caso específico, es en un almacén de material eléctrico donde se busca automatizar la transportación de materiales en una sección de dicho almacén. Para esto se pretende diseñar, instalar, programar y poner en marcha un sistema de pedidos transportados a sorteo, así como de un sistema complementario de recibo de materiales. Este sistema se desea implementar en el almacén para de esta manera cambiar el mecanismo de abastecerse y de surtir a sus clientes, el cual anteriormente se hacía por medio de empleados que recibían la orden de compra y su labor era recorrer el almacén para recolectar los materiales requeridos y regresar con el pedido completo, si las dimensiones y pesos se los permitía, de no ser así recurrían a la utilización de montacargas para el transporte de los pedidos. Dicho sistema está enfocado tanto a transportación de materiales para el abastecimiento del almacén como para el surtido de pedidos, cabe mencionar que con este sistema no se pretende automatizar al cien por ciento el almacén ya que para su funcionamiento se requerirá de personal que realice ciertas operaciones de forma manual, lo cual será explicado con mayor detalle en la descripción de funcionamiento del sistema, a su vez que el sistema no estará implementado en la totalidad del almacén, ya que el sistemaestá diseñado exclusivamente para material de dimensiones y pesos entre medianos y bajos que serán especificados más adelante en la condiciones de operación del sistema. 2 Con lo cual a grandes rasgos se puede decir que el sistema esta únicamente diseñado para trabajar con el material de estantería de dicho almacén. El sistema está conformado principalmente por tres subsistemas, los cuales son, sistema eléctrico, sistema mecánico y sistema de control. En cada uno de los sistemas se implementará ingeniería conceptual, ingeniería básica e ingeniería de detalle para la correcta implementación y el óptimo funcionamiento del sistema, cumpliendo con los requerimientos del almacén. Dentro de la ingeniería conceptual se fundamenta la creación del sistema y se crean las bases para la realización del mismo. En la ingeniería básica se realizan los diseños de los diversos sistemas y se seleccionan los diversos equipos y materiales a emplear. Dentro de la ingeniería de detalle se conjuntan los subsistemas y se realizan las instalaciones y conexiones de equipos. Al contar con la ingeniería necesaria para la realización del proyecto se procede a su instalación, programación y puesta en marcha. 1.2. OBJETIVO Automatizar un sistema de transporte de materiales de estantería para el abastecimiento y el surtido de pedidos de un almacén de material eléctrico. 1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseñar el sistema eléctrico proporcionando la energía eléctrica requerida para el control del sistema y para el funcionamiento mecánico del mismo. Realizar la selección de dispositivos eléctricos y de control de acuerdo a las características del sistema. Realizar una arquitectura de red. Desarrollar una Interfaz Humano-Máquina (HMI) Establecer la comunicación entre la HMI previamente desarrollada y la red del sistema para crear una interacción gráfica con el usuario final de éste último. Realizar la programación en lenguaje escalera de la simulación de las partes más relevantes del sistema empleando un módulo PLC ubicado en el laboratorio B08 de la ESIME Zacatenco. 3 1.4. JUSTIFICACIÓN A lo largo de los últimos años se han registrado incrementos en las ventas y flujo de mercancía en el almacén de material eléctrico en cuestión, es por eso que en diversas ocasiones esta situación rebasa las capacidades actuales del almacén y esto repercute en altos tiempos de espera por parte de los clientes, errores en el surtido de las órdenes de compra, maltrato de equipos y materiales, incremento en la cantidad de accidentes y exceso de recursos necesarios para la transportación de los materiales. Lo cual si no es solucionado a corto plazo puede afectar a las ventas del almacén o provocar problemas como accidentes y exceso de gastos. Es por esa razón que una vez detectada esta situación y esperando que el incremento de ventas en dicho almacén siga en aumento se ha recurrido a la planeación e implementación de un sistema de transporte automático de materiales de estantería, el cual pretende optimizar el proceso de transportación de materiales, y con el cual se busca incrementar la capacidad del centro de distribución del almacén permitiendo a los vendedores tener mayor disponibilidad de materiales solicitados por los clientes, obtener indicadores de servicio y desempeño, mejorar la productividad, incrementar la exactitud de los inventarios y reducir el riesgo de accidentes. 1.5. ANTECEDENTES Y GENERALIDADES A partir del siglo XVIII aparecieron las bandas transportadoras para el transporte de materiales, sobre todo en lugares de difícil acceso o dificultosos para el transporte de materiales como las minas, pero fue hasta principios del siglo XX que el uso de las bandas transportadoras se comenzó a intensificar. Es por eso que a lo largo de los años los transportadores han ido evolucionando, apareciendo diversos transportadores cada uno con diversas características que proporcionan distintas ventajas y que son empleados según la necesidad que se tenga, un ejemplo del avance de estos transportadores es el transportador de rodillos, el cual proporciona ventajas comparándolo con las bandas transportadoras como el mejor control y menor desgaste del mismo; sin embargo las bandas transportadoras proporcionan igual otras ventajas como el poder desplazar objetos con pesos más elevados y la capacidad de desplazar otro tipo de materiales como polvos, granos u objetos minúsculos. 4 En los últimos años se han presentado proyectos basados en la utilización de transportadores que buscan controlar o automatizar el funcionamiento de los mismos, ya sea buscando resolver alguna problemática presentada en algún proceso o simplemente demostrando el funcionamiento de los mismos, estos transportadores pueden ser controlados a través de diversos elementos, el más común es por medio de PLC (Controlador Lógico Programable), pero es prudente dejar en claro que este no es el único medio de control para estos procesos. Algunos ejemplos de proyectos de control de transportadores se presentarán a continuación: En 1999 en la Universidad Autónoma de Nuevo León se realizó un proyecto de tesis de maestría por el Ing. Joel Puente Sánchez, el cual realizó el diseño de una banda transportadora a emplear en una mina para sacar carbón de la misma. La importancia del diseño de esta banda radicó en las condiciones que debía soportar dicha banda. Este transportador tenía aproximadamente 600 pies de longitud y fue capaz de transportar en forma continua 900 ton/h (1800 KLb/h) de carbón coke desde el interior de una mina situada a 500m (1640 pies) sobre el nivel del mar operando 16 horas de funcionamiento continuo. [I] En el año 2007 en ESIME Culhuacán se realizó el control de una banda transportadora con un PLC Siemens S7-200, buscando implementarla en un proceso de la industria textil, en este proyecto se hizo el diseño y construcción de la una banda transportadora a escala y se realizó el control de la misma por medio del PLC antes mencionado. La realización de este proyecto permitió tener las bases para implementar el sistema en una empresa textil, con el cual se logró hacer más eficiente el proceso de producción de telas, y se logró tener un mayor control del mismo debido al establecimiento de tiempos fijos de producción y la reducción de los costos de producción. [II] En 2011 se realizó en ESIME Zacatenco el Diseño de una banda transportadora semiautomática para la fabricación de tanques de combustible de vehículos de carga, este proyecto se realizó por la necesidad de transportar los tanques de combustible 5 en menor tiempo y sin ocasionarles daños, dicho proyecto concluyó de manera satisfactoria y fue aplicado en la empresa SAG-MECASA, además de que dio pie a la empresa para replantear sus demás procesos y automatizarlos de la misma manera. [III] En el año 2012 se realizó el Diseño de una Interfaz Gráfica para el control de una Banda Transportadora Didáctica, dicha banda existente en los laboratorios de ESIME Zacatenco fue reparada, ya que no se encontraba en condiciones óptimas, una vez que se encontró funcionando se prosiguió con la creación de la interfaz gráfica desarrollada bajo la plataforma Visual Basic, la cual proporcionó una manipulación más sencilla y eficiente de la banda. [IV] El motivo de mostrar el desarrollo de estos proyectos anteriores es porque nos demuestran la importancia de implementar este tipo de sistemas de transporte en la industria, ya que todos ellos proporcionan reducción de tiempos, costos y accidentes, por la cual se han vuelto muy valiosos y reconocidos. 6 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO Dentro de las últimas décadas los avances tecnológicos han ido incrementándose constantemente dando lugar a una progresiva elevación en la complejidad de los sistemas,siendo la automatización un campo que firmemente se encuentra involucrado en dicha evolución tecnológica. Al tratarse de un proyecto que se refiere a la automatización como tema principal, partiremos de este concepto para que de esta manera sea más sencillo comprender los alcances que se pretenden dentro del presente trabajo. 2.1 AUTOMATIZACIÓN Según Gupta “La automatización se puede entender como el proceso de seguir una determinada secuencia de operaciones con poca o sin labor humana, usando equipo especializado o dispositivos que realizan y controlan los procesos de fabricación”. [1] Esta definición puede resultar demasiado amplia, ya que en general lo que busca la automatización es realizar actividades que requerían la labor de una o varias personas o también realizar actividades de forma automática que el hombre es incapaz de realizar. Para poder implementar la automatización en un proceso es necesario hacer uso de los sistemas, los cuales son entendidos como “un grupo de partes y objetos que interactúan y que forman un todo o que se encuentran bajo la influencia de fuerzas en alguna relación definida”. [2] Todos los proyectos de automatización forman un sistema, ya que relacionan partes, objetos o dispositivos que, en conjunto buscan conseguir el objetivo del sistema en general. Dentro de los dispositivos pertenecientes a un sistema de automatización se encuentra el “cerebro” del mismo. Desde este equipo se vigila y monitorea todo el sistema, así como la creación del vínculo para que las demás partes del sistema se relacionen entre sí. 7 El dispositivo que nos permite realizar estas acciones es el Controlador Lógico Programable o PLC. 2.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE 2.2.1 Definición y funcionamiento Para implementar el sistema automático en el transporte de materiales se hará uso de un Controlador Lógico Programable, el cual se conoce también como autómata programable o PLC por sus siglas en inglés (Programmable Logic Controller). Surgen a finales de los 60’s cuando en la industria buscan reemplazar los sistemas de control basados en circuitos electromagnéticos (relés, interruptores, etc.) con una solución más eficiente. Juan Carlos Martín lo define de la siguiente manera “Un autómata programable, también denominado PLC (Controlador Lógico Programable), es un dispositivo electrónico capaz de gestionar los circuitos de automatismos industriales de forma programada”. [3] Con la definición anterior queda claro que para que el PLC cumpla con la labor encomendada es necesario que sea programado previamente de acuerdo a las necesidades que exige el proceso. Se opta por utilizar estos dispositivos en la industria por su flexibilidad en programación, capacidad de soportar diferentes entornos industriales y sobre todo la alta facilidad de comunicación con otros equipos, ya que estos dispositivos ya cuentan con su módulo de comunicación incluido. Existen varios lenguajes para la programación, el más utilizado es el diagrama escalera que cuenta con una lista de instrucciones basada en programación por estados. 2.2.2 Estructura básica de un PLC Los bloques básicos que componen la arquitectura interna de un PLC son los siguientes, los cuales se muestran en la figura 2.1. 1) “Unidad Central de Proceso o CPU es el núcleo de la arquitectura del PLC. 8 2) Banco de Memorias Internas, el cual está compuesto por tres tipos básicos de memoria: a) Memoria de programa b) Memorias internas (Contadores, temporizadores, relés, etc.) c) Memorias imagen de entrada y salida 3) Módulos o Interfaces de entrada y salida, los cuales pueden ser básicamente de tres tipos a) Módulos de entradas y salidas digitales. b) Módulos de entradas y salidas analógicas. c) Módulos de entradas y salidas especiales. 4) Fuente de alimentación la cual proporciona una serie de tensiones tanto para la arquitectura interna del PLC como en algunas ocasiones para elementos externos como sensores o actuadores”.[4] Fig. 2.1. Diagrama de bloques simplificado de la estructura básica de un PLC estándar. [5] Como se observa en la figura 2.1, la estructura básica de un PLC está compuesta por los elementos anteriormente definidos, sin embargo hay que dividir las secciones internas y externas del PLC. La estructura interna compuesta principalmente por el CPU 9 y el banco de memorias internas está conectada a través de líneas eléctricas denominadas buses. “Bus de direcciones que es el medio por donde viajan las direcciones procedentes del CPU hacia la memoria interna o memoria de imagen de entrada y salida (I/O). Bus de datos traslada los datos o instrucciones procedentes del CPU hacia los bloques de memorias, en este caso es bidireccional (en ambas direcciones). Bus de control, proporciona al CPU el control de los bloques de memoria”. [6] Mediante los buses anteriormente detallados se conecta la estructura externa del PLC, las interfaces de entradas y salidas que no son más que módulos que unen al proceso con la CPU. Estos módulos pueden ser de entrada o salida, lo primeros tienen la función de activarse mediante una señal externa, amplificarla, filtrarla y codificarla para que el CPU la pueda procesas. Por otro lado los módulos de salida solo la decodifican y la amplifican para que la señal pueda ser interpretada correctamente. En la figura 2.2 está representado el hardware de un PLC de manera general. Fig. 2.2. Hardware de un PLC estándar (rack) El PLC se encuentra seccionado de la siguiente manera: F: Fuente de alimentación 0: Módulo de comunicación (actualmente domina la comunicación Ethernet) 1: Módulo de entradas digitales (en caso de haber varios, se conecta uno después de otro dejando todas las entradas digitales juntas). 2: Módulo de salidas digitales (en caso de haber varios, se conecta uno después de otro dejando todas las salidas digitales juntas). 3: Módulo de entradas/salidas analógicas. 10 Cada uno de estos módulos en un PLC se llama Slot, por lo tanto se dice que un PLC físicamente es un Rack (estante) que está compuesto por los diversos Slots (espacios) que dependen de los requisitos del programa o sistema. 2.2.3 Medios de comunicación de un PLC Los PLC tiene la capacidad de intercambiar datos con otros dispositivos a través del puerto de comunicaciones en su módulo de comunicación de acuerdo a los estándares del fabricante, entre estos puertos se encuentran: RS-232 RS-485 RS-422 ETHERNET De acuerdo a los puertos de hardware anteriores, para la comunicación se establece utilizando protocolos. Esta última define la forma en como los datos a compartir son codificados para su transmisión. Entre los protocolos los más destacados son: Modbus Bus CAN Profibus Devicenet Controlnet Ethernet I/P Dentro de los sistemas industriales, aunque los sistemas sean automáticos no quiere decir que el usuario no necesite interactuar con el sistema. Como un medio de relación entre el operador y el sistema se utiliza la Interfaz Humano-Máquina o HMI por sus siglas en inglés (Human Machine Interface) que facilita la visualización para el monitoreo y supervisión del sistema de manera gráfica. 2.3 INTERFAZ HUMANO-MÁQUINA Siendo parte de campo de la ingeniería en control y automatización, el estar en contacto con máquinas y sistemas de procesos es algo muy común todos los días y para facilitar la interacción con dichos sistemas y maquinaria se desarrollan las HMI. 11 Para conocer un poco más del tema, Genaro García en su libro “Los sistemas automatizados de acceso a la información bibliográfica“, resalta la definición de Marcos Mora de interfaz como “la presentación en pantalla que un sistema informático ofrece al usuario para que éste pueda interactuar con él”. [7] De igual manera podemos ver a otros autores manejar el significadocomo un filtro de los datos del sistema hacia el usuario o de forma más simple lo que el usuario ve en la pantalla (en caso de ser gráfica). Analizando las definiciones anteriores se puede entender a la interfaz como una herramienta que puede facilitar o dificultar la interacción con el sistema, donde es posible revisar datos o proporcionarlos, así como tener la capacidad de proporcionar instrucciones simples ya que una interfaz no se limita a las pantallas sino a todas aquellas partes del sistema que nos permiten intervenir, monitorear o supervisar como lo puede ser un botón de paro de emergencia o un botón de arranque. Una HMI forma parte de las redes industriales para una red de información con otros elementos del sistema como lo son el ordenador, controlador, drives, etc. Fig. 2.3. Diagrama de red de información [8] Como se puede observar en la figura anterior, la red de comunicación tiene interacción con señales de campo que el controlador tiene la función de interpretar y 12 enviarla al usuario, este último depende de la programación que se descargue en el PLC (Controlador Lógico Programable). Una HMI posee funciones básicas para con el usuario: Monitoreo: Ser capaz de adquirir y proporcionar datos (números, gráficas textos) en tiempo real del sistema. Supervisión: En conjunto con el monitoreo, permite ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente. Alarmas: Ser capaz de reconocer datos extraordinarios que el sistema proporcione, además de dar aviso reportándolo al operador. Control: Ser capaz de ejecutar instrucciones que ajusten las variables o datos del proceso para mantenerlos dentro de los limites ordinarios establecidos por el usuario. Históricos: Ser capaz de muestrear y generar archivos como base de datos. Estos datos se utilizan cuando se requiere optimiza o corregir el sistema. Todas las funciones anteriores son necesarias para una HMI con la intención de crear una guía detallada hacia el operador. 2.4 VARIADOR DE FRECUENCIA 2.4.1 Definición y funcionamiento Otro elemento de suma importancia dentro del proyecto a desarrollar son los variadores de frecuencia también conocidos como VFD o drives los cuales son útiles para controlar la velocidad a la que gira un motor de corriente alterna. Un variador de velocidad o de frecuencia es un dispositivo de electrónica de potencia, que como su propio nombre dice, es capaz de modificar la frecuencia en Hertz de la alimentación de un motor. Estos elementos proporcionan una solución sencilla y práctica para la mayoría de los motores de corriente alterna. 13 2.4.2 Programación La programación de un variador de frecuencia puede ser hecha desde hardware, realizada directamente con la botonera del variador de velocidad, o desde software, para lo cual se requiere un terminal externo de programación o un ordenador. Dependiendo del modelo, marca y características de cada variador de velocidad se pueden configurar diversos parámetros para su debido funcionamiento, pero en su gran mayoría estos cuentan con parámetros generales que en la mayoría de los casos se van a encontrar en la configuración del mismo, dichos parámetros son los siguientes: Ajustes de fábrica: pone todos los parámetros del variador a valores de fábrica. Rampa de aceleración: es el tiempo en segundos que se emplea para que el motor consiga la velocidad pre-programada. Rampa de deceleración: es el tiempo en segundos que se emplea para que un motor disminuya su velocidad hasta pararse o lograr otra velocidad pre- programada. Velocidad máxima: velocidad más rápida a la que se desea que gire el motor. Velocidad mínima: velocidad más lenta a la que se desea que gire el motor. Velocidades pre-seleccionadas: conjunto de velocidades que programa el operario y que se eligen a través de las entradas lógicas o por algún bus de comunicación. JOG: funcionamiento del motor a impulsos. Necesita una velocidad preseleccionada propia y tener asociada una entrada lógica para conectar en ella un pulsador o interruptor. Frenado: permite ajustar el tipo de frenado del motor, que puede ser por inyección de corriente continua o rueda libre. Es posible configurar a través de software mediante una red de comunicación hacia la PC. Es importante mencionar que ya sea que la configuración se realice de manera manual o mediante la red el comportamiento del equipo es el mismo siempre y 14 cuando se realice de forma correcta al cumplimiento de los requisitos del proceso se refiere. En todos los dispositivos anteriores se menciona que pueden o no estar conectados a través de una red para vincularse entre sí. Es posible crear una red de comunicación Ethernet para configurar todos los parámetros antes mencionados de los equipos anteriores, esto se realiza para facilitar al operador la manipulación de los dispositivos y adquirir un mejor monitoreo de su sistema a través de la HMI ya que no se involucra directamente con el equipo. Como un ejemplo, en el capítulo referente al software se encuentra la configuración de este tipo de equipos. Como se mencionó en la definición del PLC los slots de entradas digitales se activan a través de señales externas, estas pueden ser generadas por un sensor dentro de un sistema, a continuación indagaremos dentro de la definición de estos dispositivos y de igual manera en su principio de funcionamiento. 2.5 SENSOR 2.5.1 Definición y funcionamiento Un sensor se ocupa con la intención de reproducir la percepción de un humano (sentidos), es por ello que de acuerdo con la definición de automatización anteriormente planteada se utilizan sensores en sistemas automáticos. Según Antonio Serna en su “Guía Práctica de Sensores”, “los sensores son dispositivos electrónicos que nos permiten interactuar con el entorno, de forma que nos proporcionan información de ciertas variables que nos rodean para poder procesarlas y así generar órdenes o activar procesos”. [11] A lo que se refiere con generar órdenes es a las señales que los sensores crean a partir del entorno al que se encuentren como se ha expuesto con anterioridad. 2.5.2 Clasificación general Estos dispositivos se pueden clasificar de manera general como activos o pasivos de acuerdo a su funcionamiento como se muestra en la figura 2.4, los sensores 15 activos requieren de una fuente de alimentación externa para funcionar mientras que los pasivos funcionan a partir de las condiciones del ambiente. Fig. 2.4. Clasificación atendiendo a su funcionamiento [12] Por otro lado también se clasifican de acuerdo a las señales que proporcionan: Analógicos: proporcionan información mediante una señal analógica (tensión, corriente), de esta se pueden tomar infinidad de valores entre un mínimo y un máximo. Digitales: proporcionan información mediante una señal digital, esta puede ser un “0” o un “1” lógicos, sin embargo también puede ser un código de bits (combinación de unos y ceros lógicos). Nos enfocaremos a los sensores tipo retro Reflectivo y el sensor inductivo de proximidad que son los utilizados en este sistema. 2.5.3 Sensor tipo Retro Reflectivo Este tipo de sensor activo funciona mediante “la interrupción de un haz de luz, causado por el objetivo a detectar emitido desde el transmisor y normalmente dirigido hacia el receptor por un sistema óptico”. [13] Poseen la característica de que el receptor y emisor se encuentren en un solo dispositivo además de no verse afectados por las características del objetivo, esto se ilustra en la figura 2.5. Fig. 2.5. Funcionamiento del sensor tipo Retro Reflectivo. 16 Los sensores retro reflectivos se ayudan de reflector-espejos para enviar de vuelta el haz de luz, en caso de interrumpirse esta transmisión por el objeto se enviará una señal por el sensor. 2.5.4 Sensor inductivode proximidad “Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos. El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida. Al aproximarse un objeto metálico o no metálico, se inducen corrientes de histéresis en el objeto. Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación” [14], como se muestra en la figura 2.6. De esta manera el circuito del sensor reconoce que existe un cambio específico de amplitud y genera una señal ON/OFF. Es decir, la bobina detecta al objeto cuando se produce un cambio en el campo electromagnético enviando una señal al oscilador para después activa al disparador del circuito que hace la transición entre un cerrado o un abierto. Fig. 2.6. Funcionamiento del sensor inductivo de proximidad. 17 Los sensores de proximidad son los más comunes para la solución de detección de objetos que no se pueden tocar, como es en el caso del elevador donde no puedes interrumpir el movimiento de la cuna, sólo se requiere detectarla. Existe otra clasificación de los sensores de acuerdo al pulso requerido, el sensor PNP, y el NPN por ser elementos transistorizados como se puede observar en el diagrama de la figura 2.7. Fig. 2.7. Diagrama de conexión de sensor inductivo a) PNP y b) NPN Los sensores PNP de tres terminales conmutan el polo positivo de la carga (ver diagrama a de la figura 2.7) y los sensores tipo NPN conectan el potencial positivo a la carga (ver diagrama b de la figura 2.7). A su vez nos podemos encontrar que la salida sea un contacto normalmente abierto de tal forma que no tendremos señal de salida hasta que no detecte el sensor de proximidad (ver diagrama a de la figura 2.8). La otra posibilidad es que el sensor de proximidad tenga una salida con un contacto normalmente cerrado, teniendo señal de salida cuando el sensor está en reposo y dejando de emitir la salida cuando el sensor está detectando (ver diagrama b de la figura 2.8). 18 Fig. 2.8. Símbolo de sensor inductivo a) normalmente abierto y b) normalmente cerrado. Los códigos en sus entradas y salidas corresponden al color del aislante: BN = BROWN = CAFÉ BK = BLACK = NEGRO BU = BLUE = AZUL 2.6 ELEMENTOS ELÉCTRICOS El sistema cuenta con un tablero de control eléctrico principal y uno remoto el cual es el encargado de controlar la activación de los diversos dispositivos electrónicos y eléctricos que se encuentran en el sistema; a continuación se definen los elementos del tablero eléctrico así como sus principios de funcionamiento. 2.6.1 Contactor Dispositivo eléctrico con la posibilidad de ser accionado a distancia, posee dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando y otra inestable cuando actúa dicha acción. El contactor es un dispositivo compuesto por pares metálicos montados sobre un mecanismo el cual puede mantenerlos en estado de unión o separación. En el estado de unión se presentará conducción ya que habrá una resistencia ideal de cero entre los contactos y en el estado de separación se presentará no conducción por la presencia de resistencia infinita entre los pares metálicos. 19 Constitución de un contactor: “Contactos principales: Destinados a abrir y cerrar el circuito de potencia. Están abiertos en reposo. Contactos auxiliares: Se encargan de abrir y cerrar el circuito de mando, acoplados a los principales con la posibilidad de ser abiertos o cerrados. Bobina. Produce la fuerza de atracción (FA) al ser atravesado por una corriente eléctrica. La tensión que lo alimenta puede ser de 24, 110 y 220 VCA y 24 en VCD. Armadura: Parte móvil del contactor. Desplaza los contactos principales y auxiliares por la acción FA de la bobina. Núcleo: Parte fija por la que se cierra el flujo magnético producido por la bobina. Resorte: Muelle encargado de devolver los contactor a su posición de reposo una vez cesada la fuerza FA.”[15] Estos dispositivos se seleccionan en base al motor o carga que va a estar controlando. 2.6.2 Guardamotor “Son interruptores automáticos para motor, utilizan el mismo principio de protección que los interruptores termomagnéticos” [16], pero diseñados para desempeñar las siguientes cuatro funciones: 1) Protección contra sobrecargas (proteger el devanado del motor) 2) Protección contra cortocircuitos (protección de mecanismo de disparo electromagnético) 3) Maniobras normales manuales de cierre y apertura 4) Señalización Cuando se trabaja estos dispositivos en combinación con los contactores, se crean una solución excelente para la manipulación de motores eléctricos sin hacer uso de fusibles de protección. Por lo tanto al igual que los contactores estos elementos se seleccionan a partir de la potencia del motor y el voltaje de conexión. 20 2.6.3 Fuente de alimentación Los circuitos, equipos y sistemas electrónicos requieren de una suministración de energía eléctrica de tensión, o corriente, y frecuencias específicas, y potencia suficiente para que funcionen correctamente. Haciendo énfasis a los circuitos que procesan señales o generan señales (como el caso de los sensores por ejemplo) deben alimentarse a una tensión continua estable. Para lograr lo anterior se ocupan las fuentes de alimentación que son dispositivos que convierten la tensión de corriente alterna de la acometida también conocida como red de suministro en una o varias tensiones prácticamente continuas o sin demasiadas fluctuaciones. La entrada de estos equipos varia, puede ser una tensión alterna trifásica o monofásica con voltajes de 440, o 220, o 110 volts de corriente alterna. La salida más común es de 24 volts de corriente directa. 2.6.4 Interruptor termomagnético El interruptor termomagnético también conocidos como “pastillas” o “breakers” es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos (depende del modelo y marca del equipo). Su funcionamiento se basa en el efecto magnético y el térmico, compuesto por un electroimán y una lámina bimetálica conectados en serie, esta última se calienta por la acción de sobrepasar el límite de corriente nominal ocasionando su deformación y por lo tanto la apertura del contacto. Por otro lado cuenta con un interruptor físico que opera de manera manual en el interruptor, además de que es posible encontrarlos en forma monopolar o en su caso de varios polos dependiendo la aplicación requerida. 2.6.5 Distribuidor de fuerza Elaborado con materiales conductores y aislante que soportan intensidades de corriente y tensiones de magnitudes similares al interruptor principal con la función de poder distribuir en diferentes terminales la conexión de su entrada, por ejemplo, 21 puede alimentarse de una sola fase y en su salida tendrá seis terminales con las mismas características eléctricas que la fase. Su objetivo principal es no saturar las conexiones en una sola localidad, sino distribuirlas en diversos puntos. 2.6.6 Motor de inducción trifásico En varios dispositivos anteriores se utilizan para proteger o accionar el motor de inducción trifásico (ver figura 2.9), este equipo aparece en la industria como un elemento primario de movimiento en varias aplicaciones debido a su simplicidad y confiabilidad además de trabajar con una buena eficiencia, buena capacidad de sobrecarga, un servicio de mantenimientos mínimos y un costo menor también. Este equipo es una máquina eléctrica rotativa, capaz de convertir la energía eléctrica trifásica suministrada en energía mecánica.Este tipo de motor está esquemáticamente compuesto por “una parte fija (denominada estator) formada por tres devanados, los cuales están dispuestos entre sí 120°, como parte interna en el centro de los devanados se encuentra situado el rotor, constituido por un circuito eléctrico cerrado por sí mismo.” [17] Cada fase de un sistema trifásico alimenta un devanado del motor, si se alimentan simultáneamente con la “misma corriente” se forman tres campos magnéticos desfasados entres si 120° con la dirección indicada en el diagrama izquierdo de la siguiente imagen. Si se considera una conexión estrella en su devanado y se alimenta con una corriente trifásica, se obtiene un solo campo magnético que se coloca en forma angular a cada instante y gira en un sentido de terminado con velocidad uniforme. 22 Fig. 2.9. Motor de inducción trifásico. El rotor o parte giratoria de los motores de inducción está constituido por un circuito eléctrico cerrado. El campo magnético giratorio induce en los conductores del rotor por una fuerza electromotriz inducida, de acuerdo las leyes de inducción electromagnética. En el caso del motor asíncrono, “cuando la corriente atraviesa los arrollamientos de las tres fases del motor, en el estator se origina un campo magnético que induce corriente en las barras del rotor. Dicha corriente da origen a un flujo que al reaccionar con el flujo del campo magnético del estator, originará un par motor que pondrá en movimiento al rotor. Dicho movimiento es continuo, debido a las variaciones también continuas, de la corriente alterna trifásica. Solo debe hacerse notar que el rotor no puede ir a la misma velocidad que la del campo magnético giratorio. Esto se debe a que a cada momento recibe impulsos del campo, pero al cesar el empuje, el rotor se retrasa. A este fenómeno se le llama deslizamiento. Después de ese momento vendrá un nuevo empuje y un nuevo deslizamiento, y así sucesivamente. De esta manera se comprende que el rotor nunca logre alcanzar la misma velocidad del campo magnético giratorio. El deslizamiento puede ser mayor conforme aumenta la carga del motor y lógicamente, la velocidad se reduce en una proporción mayor.” [18] Entonces como conclusión, si el rotor tiene la misma velocidad de giro que la del campo magnético rotativo, se dice que el motor es síncrono. Si por el contrario, el 23 rotor tiene una velocidad de giro mayor o menor que dicho campo magnético rotativo, el motor es asíncrono de inducción. 2.6.7 Transformador eléctrico El transformador es un dispositivo eléctrico con la capacidad de aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo su frecuencia. Esto lo hace a través de dos o más bobinas (según sea el caso) de material conductor, asiladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferro magnético como se muestra en la siguiente figura. Fig. 2.10. Esquema físico de transformador eléctrico Como se puede observar en el esquema del transformador eléctrico las bobinas trabajan por separado, la única conexión entre estas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. En un transformador ideal la potencia en la entrada (bobina A) es la misma que en la salida (bobina B), sin embargo esto realmente no ocurre, existe un porcentaje pequeño de pérdidas, este porcentaje depende de su diseño, tamaño, etc. Comúnmente en los tableros eléctricos se utilizan tensiones de entrada de 440 o 220 volts de corriente alterna y de salida 110 o 120 volts de corriente alterna. 24 2.6.9 Relevador de control El relé es un interruptor cuya conexión se realiza (y se mantiene) por medio de corriente eléctrica y un electroimán. Por tanto un relé es un interruptor automático; con él podemos realizar diversas combinaciones y sus aplicaciones son múltiples. Las clases y características de los relés varían según la función a realizar y fabricante. Las características generales de cualquier relé son: El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida. Adaptación sencilla a la fuente de control. Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el de salida. Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se caracterizan por: o En estado abierto, alta impedancia. o En estado cerrado, baja impedancia. Habiendo explicado todo lo anterior, al ser un proyecto implementado en un almacén, queda por definir este aspecto más detalladamente que a continuación se presenta. 2.7 ALMACÉN Como fue explicado en el capítulo anterior este proyecto está enfocado a la automatización del transporte de materiales dentro de un almacén de material eléctrico, por lo tanto es importante partir del concepto de almacén para poder entender los alcances que se buscan del proyecto. 2.7.1 Definición Se puede entender un almacén como “el sitio que tiene como misión el albergar y distribuir materiales y/o productos objeto de fabricación o comercialización de acuerdo con los conceptos de logística de distribución” [19]. Los almacenes, su logística y su operación hoy en día son de gran importancia para la industria, la mayoría de las fábricas cuentan con un almacén en el cual dependiendo de su 25 organización van distribuyendo productos y alojando los que se requieren para la empresa. A su vez existen comercializadoras que no están involucradas de ninguna manera en proceso de fabricación y solamente hacen uso de los almacenes para organizar el producto que se va comercializar y poder entregarlo al cliente rápidamente. 2.7.2 Clasificación general de los almacenes Es gracias a estos aspectos que se puede llegar a una primera clasificación de los almacenes. Los almacenes podrían ser clasificados de muchas formas, las cuales podrían ser por la capacidad del almacén, el sector al que pertenece o el tipo de artículos que alberga, sin embargo existe una clasificación general que permite comprenderlos de mejor manera. Dicha clasificación es la siguiente: “Almacenes Industriales: son los que albergan materias primas, componentes, herramientas o productos semi-terminados que requieren otro proceso para su venta. Almacenes comerciales: estos tipos de almacenes cuentan con productos terminados que han pasado los estándares de calidad y que están en espera de ser comercializados.” [20] 2.7.3 Clasificación atendiendo al tipo de mercancía Al mismo tiempo, como ya se dijo anteriormente se puede tener una clasificación de los almacenes dependiente del tipo de mercancía que resguarda, la cual es importante mencionar debido a que los procedimientos de transporte, de almacenamiento y las medidas de seguridad serán dependientes de ello. La clasificación es la siguiente: “Almacén de materias primas y partes componentes: Este tipo de almacén tiene como función principal el abastecimiento oportuno de materias primas o partes componentes a los departamentos de producción. 26 Almacén de materiales auxiliares: Resguarda materiales auxiliares, también llamados indirectos, los cuales no son componentes de un producto pero que se requieren para fabricarlo, envasarlo o empacarlo. Almacén de materiales en proceso: Está compuesto por materiales que ya han sufrido un procesamiento y que son guardados intencionalmente previstos por la programación, en espera de pasar a un proceso posterior. Almacén de productos terminados: Presta servicio al departamento de ventas guardando y controlando las existencias hasta el momento de despachar los pedidos al cliente. Almacén de herramientas y equipo: En él se pueden encontrar diferentes herramientas y equipo útiles en cualquier momento para los departamentos de producción y mantenimiento de la empresa. Almacén de refacciones: En dicho tipo de almacénse encuentran resguardadas las piezas que pueden ser requeridas por el departamento de mantenimiento de la empresa para realizar cualquier tipo de mantenimiento a los equipos. Almacén de material de desperdicio: Los productos, partes o materiales rechazados por el departamento de control de calidad que no tienen salvamento o reparación se encuentran en este tipo de almacén y deben contar con un control por separado. Almacén de materiales obsoletos: Los materiales obsoletos son aquellos que fueron descontinuados de la programación de la producción por falta de ventas, por deterioro, descomposición o por haber vencido el plazo de caducidad. Almacén de devoluciones: Aquí llegan las devoluciones de los clientes. En él se separan y clasifican los productos para reproceso, desperdicio y entrada al almacén.” [21] Cabe resaltar que todos los almacenes tendrán una clasificación general y a su vez una o varias clasificaciones por el tipo de productos que albergan. Ya que en la mayoría de las ocasiones un almacén requiere ser seccionado para dentro del mismo 27 tener la capacidad de albergar diferentes tipos de materiales, cada uno con su control y logística propia. 2.7.4 Tipos de almacenamiento De la mano con el tipo de almacén del que se hace referencia y del tipo de materiales que se manejan en el mismo se tiene el tipo de almacenamiento del cual se hará uso, los tipos de almacenamiento pueden ser los siguientes: “En anaqueles o estanterías En jaulas En patios A campo abierto En silos En cámaras refrigeradoras En estibas En cajones abiertos En sacos u otro tipo de recipientes En cajas de seguridad o en bóvedas En contenedores Otros” [22] Como ya se dijo con anterioridad el tipo de almacenamiento va de la mano con el tipo de material que se resguarda en el almacén, ya que no se trabaja de la misma manera con todos los materiales. Por decir un ejemplo, la manera de trabajar con alimentos puede requerir de silos o cámaras refrigeradoras, mientras que para resguardar material de construcción se puede hacer uso de sacos, estibas o inclusive a campo abierto. 2.7.5 Funciones de un almacén En general en todos los almacenes se requieren de actividades o funciones primordiales para el funcionamiento del mismo. La manera de organizar y administrar un almacén depende de varios factores como el tipo de almacén, los materiales a 28 manejar, las dimensiones del mismo o las formas de transportar los materiales; sin embargo, las siguientes funciones son comunes en todos los tipos de almacenes para un funcionamiento adecuado: “Recepción de materiales en el almacén. Registro de entradas y salidas en el almacén. Almacenamiento de materiales. Mantenimiento de materiales y del almacén. Despacho de materiales. Coordinación del almacén con los departamentos de control de inventarios y de contabilidad.” [23] 2.7.6 Áreas de un almacén La buena administración y logística de un almacén se encuentran relacionadas directamente con el éxito que pueda tener un almacén, es por eso que directamente relacionado con las actividades que se realizan también es importante la distribución del mismo, para de este modo poder explotar de la mejor manera, los espacios y los recursos a emplear. En general se pueden considerar las siguientes áreas en un almacén. “Área para la recepción: La recepción de la mercancía debe acelerarse lo más posible, con mayor razón si se trata de aquella que urge para satisfacer pedidos. Área de almacenamiento: Se trata del área en donde se alojan los materiales, la mercancía debe ser ubicada preferentemente considerando la frecuencia con que es requerida. Área de entrega: De igual manera que en el caso de recepción, la entrega de la mercancía reviste especial importancia porque su funcionamiento está íntimamente relacionado con los clientes y la producción. Área de maniobras: Es el espacio destinado al movimiento de vehículos automotores y ferrocarril, si es el caso. 29 Área para los rechazos: Es el lugar destinado a la mercancía que no reúne los requisitos fijados por el departamento de control de calidad, o que ha sido enviado de más por los proveedores. Área para la mercancía ajena: Sitio para recibir mercancía en consignación o a vista, pudiéndola mantener en custodia a solicitud de un tercero. Área de pasillos: Se ocupa para la maniobra del equipo de uso interno en el almacén. Área para la mercancía devuelta por los clientes: Es común que se dé el caso de devolución de producto por los clientes, habiendo diversos motivos para que se dé este caso, es por eso que se requiere en los almacenes un espacio para depositarlos en tanto se toma una decisión al respecto. Área para el equipo de seguridad: Espacio destinado a los equipos de seguridad con el fin de facilitar acceso a ellos. Área para los símbolos y señales: Son los sitios que se destinan para el conjunto de marcas, dibujos y demás señales que se ponen en los almacenes por motivos de seguridad. Área de control de inventarios: Es este departamento o sección se lleva a cabo el control de entradas y salidas en unidades y en valores.” [24] La buena distribución de un almacén será reflejada en diversos aspectos, pero en su mayoría podrá notarse en el transporte de materiales y de equipos dentro del mismo, lo cual haciendo una acción en cadena puede reflejarse a su vez en consumos mínimos de combustibles o energías y en una baja tasa de accidentes. A su vez si no se tienen en cuenta diversos detalles dentro de un almacén se pueden tener una serie de problemas, los cuales son comunes, por lo general, debido a que no se suele comprender su importancia. 2.7.7 Problemas comunes en un almacén Puede decirse en general, que los problemas comunes en los almacenes son los siguientes: El espacio es insuficiente. 30 El personal es insuficiente. El personal es incapaz por falta de adiestramiento. Está mal localizado el almacén. Existe una mala distribución de las facilidades y almacenamiento. Deficiente colocación de la mercancía que dificulta la localización rápida para acomodar o surtir. Equipo de almacenamiento inadecuado, obsoleto o en mal estado. Equipo de manejo de materiales insuficiente o inadecuado. Mentes cerradas a la innovación que se oponen al cambio o son conformistas. [25] 2. 8 ALMACÉN DE MATERIAL ELÉCTRICO Existen varios puntos a resaltar con toda la información mencionada con anterioridad en este capítulo. 2.8.1 Clasificación del almacén Empezando con la clasificación del mismo se puede decir que el almacén de material eléctrico que se pretende automatizar está clasificado de forma general como un almacén comercial, ya que forma parte de una empresa que comercializa este tipo de productos. En cuanto a los tipos de producto que aloja se tiene que dicho almacén cuenta con varias clasificaciones, la primera y más importante es la de almacén de productos terminados, la cual es considerada así por que resguarda todos los equipos que se van a comercializar en la empresa, a su vez cuenta con almacén de herramientas y equipo y almacén de refacciones, estos para el mantenimiento que se le da a los equipos empleados dentro del almacén, y por ultimo cuenta con almacén de devoluciones el cual es indispensable en un almacén comercial para retener todo el material o equipo devuelto por diversas circunstancias por los clientes hasta definir el destino de los mismos. 31 2.8.2 Tipo de almacenamiento Debido a que el material eléctrico es muy diverso tanto en características como en dimensiones, se cuenta con varias formas de almacenar los productos en este almacén, se cuenta con almacenamiento en estibas, en cajones abiertos, en patios, en contenedores y en estantería. Específicamentepara este proyecto resulta el almacenamiento en estantería el más importante debido a que el material que se busca transportar con este sistema es el que se encuentra almacenado de esta forma. 2.8.3 Problemas a resolver en un almacén Se cuentan principalmente con problemáticas en el transporte de materiales dentro del almacén, ocasionadas principalmente por la falta de equipo y de personal, es por eso que con la realización del proyecto se busca agilizar el ingreso de mercancías para trasladarlas al área de almacenamiento y a también agilizar la entrega de mercancías desde el almacenamiento en estanterías. En la figura 2.11 se puede observar la sección del almacén en donde se encuentran las zonas de recibo, de entrega y de almacenamiento. 32 Fig. 2.11. Plano de distribución de áreas involucradas en el proyecto. 33 CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 3.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO INSTALADO Para corregir la problemática del transporte de materiales dentro del almacén se instaló un sistema mecánico compuesto por transportadores de rodillos, bandas transportadoras, desviadores, acumuladores de gravedad, transferencias y elevadores. Dicho sistema, ya instalado, se pretende automatizar con la realización de este proyecto, ya que el sistema actualmente no es capaz de decidir las rutas que debe de tomar cada caja para llegar a su destino. A continuación se explica cómo está compuesto dicho sistema mecánico. Como se mencionó en capítulos anteriores se instalaron dos sistemas, el primero sirve para el recibo de materiales al almacén, y el segundo sirve para el surtido de pedidos. 3.1.1. Sistema de recibo de materiales. Este sistema busca transportar los materiales desde la planta baja del almacén hasta el primero y segundo nivel del mismo, esto se puede observar en la vista isométrica SO de la figura 3.1. 34 Dentro del sistema mecánico instalado se encuentran diversos equipos, los cuales acoplados y con el control necesario servirán para el transporte de los materiales. Los equipos instalados en el sistema de recibo de materiales se pueden observar en la figura 3.2, así como el código o clave con la que se pueden encontrar de aquí en adelante en la descripción del equipo. Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Fig. 3.1. Vista Isométrica SO del dibujo en 3D del sistema de recibo. 35 Fig. 3.2 Distribución de elementos mecánicos en el sistema de recibo. Todo el equipo instalado en el sistema cuenta con un nombre el cual es de utilidad para la identificación y el control del mismo, dichos nombres se pueden observar en la figura 3.3. Fig. 3.3. Vista Superior del Sistema de Recibo con los equipos con nombres asignado. 36 3.1.2. Sistema de surtido de pedidos. El sistema de surtido de pedidos esta de igual forma instalado y requiere del control para su debido funcionamiento. El sistema como se puede ver en la figura 3.4 consta de cuatro niveles por los cuales deben de circular los productos. Fig. 3.4. Vista Isométrica SE del dibujo en 3D del sistema de surtido de pedidos. NIVEL 1 Nivel 1 Nivel 3 Nivel 2 Nivel 3 Nivel Intermedio 37 Este sistema de igual forma ya cuenta con una serie de equipos instalados para el transporte de materiales y así mismo ya se cuentan con claves para reconocer a cada equipo, los diversos elementos con que cuenta dicho sistema se pueden observar en la figura 3.5. Fig. 3.5. Distribución de elementos mecánicos en el sistema de surtido. De igual forma que en el sistema de recibo en este sistema todos los equipos instalados cuentan con un nombre asignado para su identificación y control. Dichos nombres se pueden consultar en la figura 3.6. 1. Transportador de rodillos de acumulación (IV) 2. Transportador de rodillos con transferencia (TR) 3. Transportador de gravedad (GC) 4. Banda Transportadora (BC) 5. Curva de rodillos de 45° (RC) 6. Curva de rodillos de 90° (RC) 7. Merge (MG) 8. Desviador (DIV) 9. Elevador 38 3.2. DESCRIPCIÓN INDIVIDUAL DE EQUIPOS Dentro de los dos sistemas se encuentran instalados diversos equipos, como se puede observar en las imágenes anteriores, dichos equipos trabajan de diferentes maneras y requieren de diversas señales de control para determinar su comportamiento. A continuación se presenta una explicación individual de los diferentes equipos instalados para poder comprender su funcionamiento y sus requerimientos de trabajo. Fig. 3.6. Vista Superior de los cuatro niveles del sistema de recibo con nombres asignados. 39 3.2.1. Transportador de rodillos de acumulación motorizado con transferencia El transportador de rodillos de acumulación motorizado con transferencia (ver figura 3.7) consta de una tarjeta de programación (z-Card) donde se pueden activar los rodillos y bandas que incluye el equipo mediante sensores embebidos en el mecanismo y/o señales externas como un PLC, así como la alimentación directa desde la fuente de alimentación (24VCD). La serie de rodillos son impulsados mediante un motor de 24 VCD con un flujo desde downstream a upstream (extremos del equipo de acuerdo al flujo de los rodillos). Por otro lado, es capaz de transferir (cambiar dirección) el material que esté transportando mediante unas bandas activadas por sensores infrarrojos que cuando detectan algo levantan las bandas, transfieren, después de transferir bajan las bandas y automáticamente los rodillos se accionan. Este tipo de transferencias en el sistema trabajan en pares, en donde se reciben las cajas desde downstream y los equipos tienen la capacidad de permitir que la caja siga en la misma dirección o desviar 90° en la primera transferencia y otros 90° en la segunda transferencia. El control de cada uno de estos dispositivos es dependiente de la posición en la que se encuentren ya que si se habla de la primera de las transferencias de cada par esta necesitará la orden de desviar o no desviar las cajas, la segunda transferencia Fig. 3.7 Transportador de rodillos de acumulación motorizado con transferencia, Marca Interroll 40 al estar conectada por medio de sus propias tarjetas de control con la primera y trabajar en conjunto no necesita que se le proporcione ninguna señal de control adicional. 3.2.2. Transportador de rodillos de acumulación motorizado El transportador de rodillos de acumulación motorizado (ver figura 3.8) consta de una tarjeta de programación (z-Card) donde se pueden activar los rodillos que incluye el equipo mediante sensores fotoeléctricos embebidos en el mecanismo y/o señales externas como un PLC así como la alimentación directa desde la fuente de alimentación (24 VCD). La serie de rodillos son impulsados mediante un motor de 24 VCD con un flujo desde downstream a upstream (extremos del equipo de acuerdo al flujo de los rodillos). Es capaz de transportar material por los rodillos en base a señales recibidas en la tarjeta de programación enviadas por los sensores fotoeléctricos que dividen al transportador en zonas, es decir si el sensor es interrumpido, los rodillos son activados en su zona correspondiente para que el material siga en movimiento, también puede darse el caso de que la zona siguiente esté ocupada por material (el sensor también está interrumpido), entonces los rodillos se apagan automáticamente para que el material no choque con el de la siguiente zona. La función general de estos equipos dentro del sistema es transportar las cajas desde downstream a upstream. Cada una de las zonas que dividen a estos equipos Fig. 3.8. Transportador de rodillos de acumulación motorizado, Marca Interroll 41 está conformada por 4 rodillos, un motor con un sistema de transmisión de movimiento que desplaza simultáneamente loscuatros rodillos y una fotocelda que detecta si la zona está ocupada o no. Para el control de estos dispositivos no se requiere de ninguna señal de control adicional, el sistema con su propio control es adecuado para el funcionamiento del sistema. Para poder controlar otros dispositivos se toman señales de las fotoceldas de la primera o última zona de diversos equipos. 3.2.3. Curva de 90° transportador de rodillos de acumulación motorizado La curva de 90° transportador de rodillos de acumulación motorizada (ver figura 3.9) consta de dos zonas de acumulación compuesta de rodillos que juntas hacen una curva de 90°. La serie de rodillos son impulsados mediante un motor de 24 VCD con un flujo desde downstream a upstream (extremos del equipo de acuerdo al flujo de los rodillos). Es capaz de transportar material por los rodillos de acuerdo a las señales recibidas de los sensores fotoeléctricos que dividen al transportador en dos zonas, es decir si el sensor es interrumpido, los rodillos son activados en su zona correspondiente para que el material siga en movimiento, también puede darse el caso de que la zona siguiente esté ocupada por material (el sensor también está interrumpido), entonces los rodillos se apagan automáticamente para que el material no choque con el de la siguiente zona. Fig. 3.9. Curva de 90° de transportador de rodillos de acumulación motorizado, Marca Interroll 42 Su función es desviar la trayectoria de las cajas 90°, a diferencia de las transferencias en las cuales se cuentan con una entrada y dos salidas, estos equipos solo cuentan con una entrada y una salida. No se necesitan señales de control adicionales para el funcionamiento de este equipo. 3.2.4. Curva de 45° transportador de rodillos de acumulación motorizado La curva de 45° transportador de rodillos de acumulación motorizada (ver figura 3.10) consta de una zona de acumulación compuesta de rodillos que hacen una curva de 45°. La serie de rodillos son impulsados mediante un motor de 24 VCD con un flujo desde downstream a upstream (extremos del equipo de acuerdo al flujo de los rodillos). Es capaz de transportar material por los rodillos de acuerdo a las señales recibidas del sensor fotoeléctrico, es decir si el sensor es interrumpido, los rodillos son activados en su zona correspondiente para que el material siga en movimiento, también puede darse el caso de que la zona siguiente esté ocupada por material (el sensor también está interrumpido), entonces los rodillos se apagan automáticamente para que el material no choque con el de la siguiente zona. De la misma forma que el equipo anterior estas curvas desvían las cajas 45° y solo cuentan con una entrada y una salida. Para el control no se requieren señales adicionales. Fig. 3.10 Curva de 45° de transportador de rodillos de acumulación motorizado, Marca Interroll 43 3.2.5. Banda transportadora motorizada La banda transportadora motorizada (ver figura 3.11) cuenta con una unidad motriz capaz de transportar material a una velocidad de 120 ppm (pies por minuto) a través de ella siempre y cuando esté alimentada. La alimentación trifásica eléctrica de ésta es de 230 VCA a 60 Hz. Cuenta con una protección lateral de 100 mm que asegura el material a transportar. La unidad motriz es montada de acuerdo al sentido que se requiera. La banda está elaborada por dos capaz de poliéster Este equipo es utilizado dentro del sistema para el ascenso o el descenso de material de un nivel a otro. Para el control del funcionamiento de este equipo se requiere intervenir con el encendido y el apagado del motor de corriente alterna con que cuenta dicha banda. 3.2.6. Transportador de gravedad de rodillos Los rodillos del transportador de gravedad de rodillos (ver figura 3.12) pueden girar libremente, como su nombre lo indica trabaja en base a la gravedad ya que el material de acuerdo a su peso puedo avanzar libremente a través de ella dejando una leve inclinación entre sus extremos. Es decir no requiere alimentación eléctrica. Son utilizados para colocar las cajas sobre de ellos y los operadores tengan acceso a ellas y sean retiradas del equipo. Fig. 3.11 Banda transportadora motorizada, Marca Interroll 44 No se requiere de ninguna señal de control para el funcionamiento del equipo, como medida de seguridad se instaló un sensor fotoeléctrico en cada transportador de gravedad para determinar cuando el equipo está lleno y no se debe colocar ninguna caja adicional sobre de él. 3.2.7. Transportador de rodillos motorizado – Merge El transportador de rodillos motorizado – Merge (ver figura 3.13) consta de una tarjeta de programación (z-Card) donde se pueden activar los rodillos que incluye el equipo mediante sensores fotoeléctricos embebidos en el mecanismo y/o señales externas como un PLC así como la alimentación directa desde la fuente de alimentación (24 VCD). La serie de rodillos son impulsados mediante un motor de 24 VCD con un flujo desde downstream a upstream (extremos del equipo de acuerdo al flujo de los rodillos). Es capaz de transportar material por los rodillos en base a señales recibidas en la tarjeta de programación enviadas por el sensor fotoeléctrico, es decir si el sensor es interrumpido, los rodillos son activados en su zona correspondiente para que el Fig. 3.12. Transportador de gravedad de rodillos, Marca Interroll Fig. 3.13. Transportador de rodillos motorizado – Merge, Marca Interroll 45 material siga en movimiento, también puede darse el caso de que la zona siguiente esté ocupada por material (el sensor también está interrumpido), entonces el accionamiento de los rodillos se apaga automáticamente para que el material no choque con el de la siguiente zona (en este caso la zona a unir), además cuenta con otra función: unir un transportador de acumulación con otro y transportar material entre ellos dando prioridad al que está ingresando en diagonal. Este equipo une dos líneas de transportadores y permite la mezcla del material transportador, es empleado para recircular las cajas en el primer nivel si es que dichas cajas no fueron desviadas de manera correcta. Al igual que la mayoría de equipos este sistema cuenta con su propio control el cual mezcla las cajas dejando pasar una de cada lado, se determinó que el funcionamiento tal cual está es correcto para el sistema, por lo tanto no requiere señales de control adicional para que trabaje. 3.2.8. Transportador de rodillos motorizado - Desviador El transportador de rodillos motorizado – Desviador (ver figura 3.14) consta de una tarjeta de programación (z-Card) donde se pueden activar los rodillos que incluye el equipo mediante sensores fotoeléctricos embebidos en el mecanismo y/o señales externas como un PLC así como la alimentación directa desde la fuente de alimentación (24 VCD). Fig. 3.14. Transportador de rodillos motorizado – Desviador Marca. Interroll 46 La serie de rodillos son impulsados mediante un motor de 24 VCD con un flujo desde downstream a upstream (extremos del equipo de acuerdo al flujo de los rodillos). Por otro lado las ruedas son activadas mediante una señal externa al equipo, esta puede venir desde un PLC, al activarse giran para avanzar y giran para cambiar el sentido de flujo y poder desviar el material a transportar. Es capaz de transportar material por los rodillos en base a señales recibidas en la tarjeta de programación enviadas por el sensor fotoeléctrico, es decir si el sensor es interrumpido, los rodillos son activados en su zona correspondiente para que el material siga en movimiento, también puede darse el caso de que la zona siguiente esté ocupada por material (el sensor también está interrumpido), entonces los rodillos se apagan automáticamente para que el material no choque con el de la siguiente zona. Estos equipos cumplenla función de desviar 45° o no desviar las cajas, son utilizados en el primer nivel del sistema de surtido para distribuir las cajas en las cinco líneas disponibles para surtido. Para controlar este equipo se requieren dos señales de control adicionales, una para indicarle al sistema que debe desviar el material y otra para indicarle que no debe desviarlo. De la misma forma el equipo por medio de sus sensores y su tarjeta de control entrega una señal para confirmar el desvió y otra para confirmar el no desvío. 3.2.9. Elevador (177”) El elevador de 177” (ver figura 3.15) está constituido por un motoreductor, y una estructura de aluminio para levantar material de 46 Kg. como máximo a una altura de 177”. La alimentación eléctrica requerida por este equipo es de 230 VCA con tres fases a 60 Hz. 47 El método de elevación se realiza mediante una polea montada en la parte superior del elevador y dos correas dentadas y una plataforma compuesta de dos correas dentadas y las especificaciones necesarias para ensamblar un transportador de rodillos de acumulación motorizado. Incluye finales de carrera, sensores de proximidad y sensores ópticos, con los cuales con una señal externa puedes reducir velocidad o detener el elevador a la distancia requerida. No se garantiza la seguridad ni el control del equipo, esto se debe realizar desde señales externas a éste. 3.2.10. Elevador (322”) El elevador de 322”” (ver figura 3.16) está constituido por un motoreductor, y una estructura de aluminio para levantar material de 46 Kg. como máximo a una altura de 322”. La alimentación eléctrica requerida por este equipo es de 230 VCA con tres fases a 60 Hz. El método de elevación se realiza mediante una polea montada en la parte superior del elevador y dos correas dentadas y una plataforma compuesta de dos correas dentadas y las especificaciones necesarias para ensamblar un Transportador de rodillos de acumulación motorizado. Fig. 3.15 Elevador 177”, Marca. Interroll 48 Incluye finales de carrera, sensores de proximidad y sensores ópticos, con los cuales con una señal externa puedes reducir velocidad o detener el elevador a la distancia requerida. No se garantiza la seguridad ni el control del equipo, esto se debe realizar desde señales externas a éste. Tanto el elevador de 177” (figura 3.15) como el de 322” (figura 3.16) son empleados en el sistema de surtido para el descenso de material de un nivel a otro, a diferencia de las bandas transportadoras donde el descenso o ascenso es gradual, en este equipo el descenso es de forma vertical. Ambos sistemas cuenta con sensor de alto-alto y bajo-bajo que indican que la cuna del elevador ha salido de su rango máximo de operación, con un sensor de proximidad por cada nivel del sistema que servirá para indicarle al elevador que está por llegar a su posición y un sensor de posición por cada nivel al que llega el elevador que indicará que la cuna del elevador se encuentra en determinado nivel. En elevador se deben de efectuar dos controles distintos, uno para controlar el ascenso y descenso de la cuna del elevador y otro control para la cuna del elevador, para que las cajas ingresen o abandonen la cuna del elevador. Para controlar el nivel del elevador se necesita controlar el motor de corriente alterna con que cuenta el mismo, para dicha función se hará uso de un variador de velocidad Fig. 3.16. Elevador 322”, Marca Interroll 49 por cada elevador. Para controlar la cuna del elevador se requiere mandar señal a la tarjeta de control de la misma para que reciba o retire material. 3.3. OPERACIÓN DEL SISTEMA. Según los requerimientos del almacén el principio de funcionamiento del sistema estará regido por una base de datos y por códigos de barras asignados a cada caja que se desee transportar. A continuación se presenta una descripción detallada tanto del sistema de recibo como del sistema de surtido. 3.3.1. Funcionamiento del sistema de recibo. En la figura 3.17 se indican las rutas posibles a seguir por las cajas en el sistema de recibo de materiales, este proceso se explica a continuación. El inicio de proceso para el manejo de materiales en el área de recibo es a nivel de piso, donde se colocan las cajas sobre el transportador de acumulación una a una y dándole la separación propia requerida por el sistema. Antes de cada desviación se encontrará un escáner el cual al pasar una caja lee el código de barras, esta lectura es tomada por el PLC y enviada a la base de datos quien responderá diciendo si la caja es desviada o no. Si la caja se debe desviar o avanzar, el sistema valorara si existe el espacio necesario para avanzar o transferir, de caso contrario, esperara a que se desocupe la zona. Hacia adelante el avance será de modo automático y en la zona de gravedad (acumulación) la caja deberá ser retirada de manera manual por el operador. 50 Fig. 3.17. Posibles rutas a seguir por las cajas 3.3.2. Funcionamiento del sistema de surtido. Se denomina estación de picking (PK), a las transferencias donde las cajas serán desviadas para el surtido de los pedidos y su funcionamiento es el siguiente. El inicio de proceso para surtido de pedidos en el área de Sorter & Picking se encuentra en el nivel 3, es aquí donde se colocan las cajas vacías con una etiqueta de códigos de barras estas cajas viajarán a lo largo del sistema y serán surtidas a todo lo largo de su recorrido. Antes de cada desviación se encuentra un escáner el cual al pasar una caja lee el código de barras, esta lectura es tomada por el PLC y enviada a la base de datos quien responderá diciendo si la caja es desviada o avanzada. 51 Si la caja se debe desviar o avanzar, el sistema valorara si existe el espacio necesario para avanzar o transferir, de caso contrario, esperara a que se desocupe la zona. Hacia adelante el avance será de modo automático y en la zona de gravedad (acumulación) la caja deberá ser retirada de manera manual por el operador. Las estaciones de trabajo (Picking) son: PK1 ubicado en el Nivel 3 Transferencia 1 PK2 ubicado en el Nivel 3 Transferencia 2 PK3 ubicado en el Nivel 2 Transferencia 1 PK4 ubicado en el Nivel 2 Transferencia 2 PK5 ubicado en el Nivel 2 Transferencia 3 En la zona antes del sorter se encuentra una báscula de pesaje y un lector de códigos de barras, los cuales le indican a la base de datos que caja pasó y el peso que lleva, de esta manera la base de datos le indicará al sistema con un número del 1 al 5, donde debe ser desviada esa caja o 99 si debe ser recirculada. Si el peso no corresponde, la caja será enviada a la línea número 5, si no se lee el código de barras la caja será recirculada. En la figura 3.18 se indican las zonas de picking en el sistema de surtido de materiales. 52 Fig. 3.18. Vista Isométrica SE del dibujo 3D del sistema de recibo con áreas de picking. 53 CAPÍTULO IV HARDWARE PARA LA AUTOMATIZACIÓN A lo largo de este capítulo se presentarán todos los equipos y elementos seleccionados para poder implementar la automatización del sistema, se mostrarán entre otras cosas una arquitectura de red y así mismo todos los diagramas de conexión de los elementos constitutivos del sistema. Para poder entender lo que se pretende realizar con el diseño de la automatización se mostrará a continuación una propuesta operativa para el funcionamiento del sistema. 4.1 PROPUESTA OPERATIVA DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA Cada caja será etiquetada para identificación del producto para el área de surtido y recibo. Tendrán un tiempo de vida limitado a la duración de la existencia de los productos en el almacén. El material de las etiquetas será de papel, y el medio de impresión será mediante transferencia por un ribbon. El código propuesto es Code 128.
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