Desarrollo de un banco de pruebas tipo embotelladora para el laboratorio de automatización del Programa de Ingeniería Mecatrónica en la Universidad Autónoma de Bucaramanga
En la actualidad la universidad Autónoma de Bucaramanga cuenta con un laboratorio de automatización para el programa de ingeniería Mecatrónica donde se realizan prácticas de implementación con PLC, sin embargo, la universidad no cuenta con plantas diferentes a dispositivos individuales, como son sen...
- Autores:
-
Castellanos Gómez, Gustavo Andrés
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
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- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/22973
- Palabra clave:
- Automation
Bottler
Mechatronic
Automatic control
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Programming languages
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En la actualidad la universidad Autónoma de Bucaramanga cuenta con un laboratorio de automatización para el programa de ingeniería Mecatrónica donde se realizan prácticas de implementación con PLC, sin embargo, la universidad no cuenta con plantas diferentes a dispositivos individuales, como son sensores y actuadores que finalmente resultan en una caracterización o pruebas para verificar su funcionamiento. Es por esto que se presenta una falencia en el uso e implementación de los mismos dentro de ambientes reales de fabricación y procesos industriales. Por lo cual, trabajar de forma conjunta entre mecanismos e instrumentación de dichos sensores y actuadores brindara una mejor visión de los ambientes laborales a los que se enfrenta un ingeniero en la actualidad. Este proyecto plantea una solución a esta necesidad dentro del área de automatización, donde el banco de pruebas a escala permite tanto la validación del funcionamiento de sensores y actuadores como la interacción en conjunto para la producción en un proceso puntal industrial. Permitiendo de otra manera validar las temáticas propuestas por el programa como son la construcción de diagramas P&ID, interpretación y ejecución de lenguajes de programación para PLC, pantallas de visualización, entre otras que comprenden la finalización del laboratorio para el banco de pruebas. Y que a su vez desarrollan habilidades en el estudiante que le permitan destacar en la industria. |
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Es por esto que se presenta una falencia en el uso e implementación de los mismos dentro de ambientes reales de fabricación y procesos industriales. Por lo cual, trabajar de forma conjunta entre mecanismos e instrumentación de dichos sensores y actuadores brindara una mejor visión de los ambientes laborales a los que se enfrenta un ingeniero en la actualidad. Este proyecto plantea una solución a esta necesidad dentro del área de automatización, donde el banco de pruebas a escala permite tanto la validación del funcionamiento de sensores y actuadores como la interacción en conjunto para la producción en un proceso puntal industrial. Permitiendo de otra manera validar las temáticas propuestas por el programa como son la construcción de diagramas P&ID, interpretación y ejecución de lenguajes de programación para PLC, pantallas de visualización, entre otras que comprenden la finalización del laboratorio para el banco de pruebas. Y que a su vez desarrollan habilidades en el estudiante que le permitan destacar en la industria.RESUMEN 16 ABSTRACT 17 INTRODUCCIÓN 18 OBJETIVOS 21 Objetivo General 21 Objetivos específicos 21 CAPITULO 1: ANTECEDENTES 22 1.1. ESTADO DEL ARTE 22 1.1.1. Plantas embotelladoras 22 1.1.2. Automatización e instrumentación de una planta embotelladora a escala 23 1.1.3. Etapas del proceso de embotellado 23 1.1.4. Tipos de envasadoras de líquidos 24 1.2. MARCO TEÓRICO 26 1.2.1. Guía GEMMA 26 1.2.2. GRAFCET 27 1.2.3. Lenguaje KOP 28 CAPITULO 2: REQUERIMIENTOS 28 2.1. METODOLOGÍA DEL PROYECTO 28 2.1.1. Etapa de requisitos 29 2.2.2. Etapa de diseño 30 2.2.3. Etapa de implementación 30 2.2.4. Etapa de pruebas 31 2.2.5. Etapa de desarrollo 31 2.2.6. Etapa de mantenimiento 31 CAPITULO 3: SELECCIÓN 32 3.1. Materiales de soportes 32 3.2. Materiales de mecanismos 32 3.3. Selección de actuadores 33 3.4. Selección de sensores 33 3.5. Selección de envases 34 CAPITULO 4: DISEÑO 34 4.1. DISEÑO DE ENVASES DE PRUEBA Y CARACTERIZACION 34 4.2. DISEÑO DE MECANISMOS 35 4.2.1. ETAPA 1: Diseño mecanismo - SUPERIOR 35 4.2.2. ETAPA 1: Diseño de separador de envases para dispensado – INFERIOR 37 4.2.3. ETAPA 1: Diseño mecanismo de separación – Compuerta secundaria 38 4.2.4. CONEXIÓN E1 Y E2: Diseño de mecanismo elevador de posicionamiento 40 4.2.5. CONEXIÓN E1 Y E2: Diseño de mecanismo de desplazamiento 40 4.2.6. ETAPA 2: Diseño de mecanismo tipo carril de deslizamiento - CARRIL 41 4.2.7. ETAPA 2: Diseño de tanque de agua - TANQUE 42 4.3. DISEÑO DE SOPORTES PARA LA EMBOTELLADORA 44 4.3.1. ETAPA 1: Soportes verticales dispensador 44 4.3.2. CONEXIÓN E1 Y E2: Soportes elevador de envase 46 4.3.3. ETAPA 2: Soporte de desplazamiento tipo carril 47 4.4. ETAPA 2: Contenedor de derrames por posible falla en llenado 48 CAPITULO 5: ENSAMBLE 49 5.1. ENSAMBLAJE DE ETAPAS PARA LA EMBOTELLADORA 49 5.1.1. Etapa de dispensado de envase 49 5.1.2. Transición de etapa 1 a 2 51 5.1.3. Etapa de llenado de envase 52 5.2. DISEÑO FINAL DE EMBOTELLADORA DE DOS ETAPAS 53 CAPITULO 6: ELECTRONICA 54 6.1. Circuito regulador 24v a 5v 54 6.2. Circuito de potencia – Tarjeta opto acoplada de 5v a 24v 55 6.3. Circuito y conexiones driver paso a paso 56 6.4. Circuitos finales de carrera y flotadores 56 6.5. Circuito de conexión servos MG99 57 6.6. Arduino MEGA 2568 57 CAPITULO 7: CONSTRUCCIÓN 59 7.1. CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO 59 7.1.1. Dispensador de envases 59 7.1.2. Plataforma elevadora 60 7.1.3. Tanque contenedor de liquido 61 7.1.4. Sensor de flujo y soporte 61 7.1.5. Carril desplazador 62 7.1.6. Instalación circuitos 63 7.1.6.1. Ubicación de placas en prototipo 63 7.1.6.2. Instalación de borneras en prototipo 65 7.1.6.3. Conexiones y cableado 66 7.1.6.4 Instalación de borneras y baliza de señalización 68 CAPITULO 8: PROGRAMACIÓN 69 8.1. CONEXIONES A PLC CON EMBOTELLADORA Y ARDUINO MEGA 2560 69 8.2. CONFIGURACION DE LOGICA PROGRAMABLE ARDUINO 69 8.3. CONFIGURACION DE LOGICA PROGRAMABLE PLC-TIA PORTAL 70 8.3.1. Pulsador START = ESTADO 0 73 8.3.2. Pulsador START = ESTADO CALIBRAR 74 8.3.3. Pulsador START = ESTADO AUTO 76 CAPITULO 9: VISUALIZACIÓN 78 9.1 DISEÑO HMI SIEMENS 78 CAPITULO 10: SIMULACIÓN 80 10.1. SIMULACION DE LA EMBOTELLADORA 80 10.1.1. Dispensado de envase 80 10.1.3. Llenado de envase 86 CAPITULO 11: IMPLEMENTACIÓN 91 11.1. PROCESO DE VALIDACION DE LA EMBOTELLADORA 91 11.1.1. Calibración se sensores y actuadores 91 11.1.2. Código implementado en planta - Pruebas con envases – Validación HMI 93 11.1.3. Implementación de guía de laboratorio para embotelladora 94 CONCLUSIONES 96 BIBLIOGRAFIA 98 ANEXOS 100 ANEXO #1 SELECCIÓN QFD DE ACTUADORES Y SENSORES 101 CAPITULO 3: SELECCIÓN 101 3.2. Materiales de mecanismos 101 3.3. Selección de actuadores 101 3.3.1. Motor paso a paso 101 3.3.2. Servomotor 102 3.3.3. Bomba sumergible 103 3.3.4. Pulsadores 103 3.3.5. Muletilla selectora de dos posiciones 104 3.4. Selección de sensores 105 3.4.1. Sensores infrarrojos 105 3.4.2. Sensores capacitivos 105 3.4.3. Driver motor paso a paso 106 3.4.4. Reguladores de voltaje 107 3.4.5. Finales de carrera 107 3.4.6. Sensor de nivel de liquido 108 3.4.7. Sensor de flujo 109 ANEXO #2 DISEÑO 109 CAPITULO 4: DISEÑO 109 4.1. DISEÑO DE ENVASES DE PRUEBA Y CARACTERIZACION 110 4.2. DISEÑO DE MECANISMOS 112 4.2.1. ETAPA 1: Diseño mecanismo - SUPERIOR 112 4.2.1.1. Diseño de engranes 115 4.2.1.2. Diseño de anillo de giro 127 4.2.1.3. Ensamble mecanismo variador de diámetro 130 4.2.2. ETAPA 1: Diseño de mecanismo para servomotor - SUPERIOR 131 4.2.3. ETAPA 1: Paredes de contacto superiores y con sensor - SUPERIOR 133 4.2.4. ETAPA 1: Diseño de separador de envases para dispensado – INFERIOR 134 4.2.4.1. Mecanismo de variación en separador de envases 134 4.2.3.2. Mecanismo de separación – Compuerta principal 135 4.2.3.3 Mecanismo de separación – Compuerta secundaria 136 4.2.3.4. Mecanismo de elevador variador de altura 138 4.2.3.5. Paredes de contacto inferiores 139 4.2.3.6. Diseño de mecanismo servomotor en separador 140 4.2.5. CONEXIÓN E1 Y E2: Diseño de mecanismo elevador de posicionamiento 141 4.2.6. CONEXIÓN E1 Y E2: Diseño de mecanismo de desplazamiento 142 4.2.7. ETAPA 2: Diseño de mecanismo tipo carril de deslizamiento - CARRIL 144 4.2.8. ETAPA 2: Diseño de soportes para carril desplazador - CARRIL 146 4.2.9. ETAPA 2: Diseño de mecanismo tipo garra - CARRIL 147 4.2.10. ETAPA 2: Diseño de tanque de agua - TANQUE 149 4.3. DISEÑO DE SOPORTES PARA LA EMBOTELLADORA 151 4.3.1 PROTOTIPO: Soporte principal 151 4.3.2. ETAPA 1: Soportes verticales dispensador 151 4.3.5 CONEXIÓN E1 Y E2: Soportes elevador de envase 160 4.3.5. ETAPA 2: Soporte de desplazamiento tipo carril 163 4.3.6. ETAPA 2: Contenedor de derrames por posible falla en llenado 168 ANEXO #3 ELECTRONICA 169 CAPITULO 6: ELECTRONICA 169 6.1. DISEÑO ELECTRONICO 169 6.1.1. Circuito baliza de señalización y activación de bomba 170 6.1.2. Circuito regulador 24v a 5v 171 6.1.3. Circuito de potencia – Tarjeta opto acoplada de 5v a 24v 172 6.1.4 Circuito y conexiones driver paso a paso 173 6.1.5. Circuitos finales de carrera y flotadores 174 6.1.6 Circuito botonera operario 175 6.1.7. Circuito de conexión servos MG99 176 6.1.8 Arduino MEGA 2568 176 ANEXO #4 CONFIGURACIÓN DE SIMULACIÓN 177 Configuración de simulación 177 ANEXO #5 CODIGO ARDUINO 182 ANEXO#6 Notas de Mantenimiento 189 ANEXO #7 Código TIA portal – documentos anexos 191 ANEXO#8 Carpeta modelo CAD – nombre: Embotelladora CAD 191 ANEXO#9 Simulación NX – nombre: Simulación Embotelladora 191 ANEXO#10 Planos de diseño de embotelladora SOLIDWORKS 191 ANEXO#11 Plantilla de laboratorio 191PregradoCurrently the Universidad Autónoma de Bucaramanga has an automation laboratory for the Mechatronics engineering program where PLC implementation practices are performed, however, the university does not have plants other than individual devices, such as sensors and actuators that finally result in a characterization or tests to verify their operation. This is why there is a lack in the use and implementation of these devices in real manufacturing environments and industrial processes. Therefore, working together between mechanisms and instrumentation of these sensors and actuators will provide a better view of the work environments that an engineer faces today. This project proposes a solution to this need within the automation area, where the scale test bench allows both the validation of the operation of sensors and actuators as well as the interaction as a whole for the production in an industrial process. Allowing in another way to validate the topics proposed by the program such as the construction of P&ID diagrams, interpretation and execution of programming languages for PLC, display screens, among others that comprise the completion of the laboratory for the test bench. And that in turn develop skills in the student that allow him to stand out in the industry.Actuellement, l'Université Autonome de Bucaramanga dispose d'un laboratoire d'automatisation pour le programme d'ingénierie mécatronique où sont réalisées les pratiques de mise en œuvre avec PLC, cependant, l'université ne dispose pas d'installations autres que des dispositifs individuels, tels que des capteurs et des actionneurs qui aboutissent finalement à une caractérisation ou à des tests. pour vérifier son fonctionnement. C’est pourquoi leur utilisation et leur mise en œuvre dans des environnements de fabrication et des processus industriels réels sont insuffisants. Par conséquent, la collaboration entre les mécanismes et l’instrumentation desdits capteurs et actionneurs offrira une meilleure vision des environnements de travail auxquels un ingénieur est confronté aujourd’hui. Ce projet propose une solution à ce besoin dans le domaine de l'automatisation, où le banc d'essai à l'échelle permet à la fois la validation du fonctionnement des capteurs et des actionneurs et l'interaction conjointe pour la production dans un processus industriel principal. Permettant d'une autre manière de valider les thèmes proposés par le programme tels que la construction de diagrammes P&ID, l'interprétation et l'exécution de langages de programmation pour automates, les écrans d'affichage, entre autres qui incluent la réalisation du laboratoire pour le banc d'essai. Et cela développe à son tour chez l’étudiant des compétences qui lui permettent de se démarquer dans l’industrie.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Desarrollo de un banco de pruebas tipo embotelladora para el laboratorio de automatización del Programa de Ingeniería Mecatrónica en la Universidad Autónoma de BucaramangaDevelopment of a bottling type test bench for the automation laboratory of the mechatronic engineering program at the UNAB.Ingeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPAutomationBottlerMechatronicAutomatic controlProcess developmentProgramming languagesTechnological innovationsAssembling machinesMecatrónicaControl automáticoDesarrollo de procesosLenguajes de programaciónInnovaciones tecnológicasMáquinas ensambladorasEmbotelladoraAutomatizaciónOrtega, A. S. (2018-2019). Proyecto de automatizacion de una embotelladora con automata schneider M241. Valencia, España: Universidad Politecnica de Valencia.https://apolo.unab.edu.co/en/persons/nayibe-ch%C3%ADo-choORIGINALTesis_Gustavo_Castellanos.pdfTesis_Gustavo_Castellanos.pdfTesisapplication/pdf101190081https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/22973/1/Tesis_Gustavo_Castellanos.pdf18d5fafadf6d59e6bc785110c3f1108fMD51open accessLicencia.pdfLicencia.pdfLicenciaapplication/pdf831948https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/22973/5/Licencia.pdf626f0b3f933412f7ea25ab121ad27bc5MD55metadata only accessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-8829https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/22973/4/license.txt3755c0cfdb77e29f2b9125d7a45dd316MD54open accessTHUMBNAILTesis_Gustavo_Castellanos.pdf.jpgTesis_Gustavo_Castellanos.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg5858https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/22973/6/Tesis_Gustavo_Castellanos.pdf.jpg6167fc2540a49d6efae10ceed3b640d8MD56open accessLicencia.pdf.jpgLicencia.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg12767https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/22973/7/Licencia.pdf.jpg7e30e747ebce534425029ff3fed8874cMD57metadata only access20.500.12749/22973oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/229732024-01-26 09:32:35.297open accessRepositorio Institucional | Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABrepositorio@unab.edu.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 |