Control automático de fabricación de estuches para celular

eco-amigables

Mauricio Abril Villadiegomabrilv@eafit.edu.co

Felipe Villegas Atehortúafvilleg9@eafit.edu.co

Alejandra Correa Calderónacorreac1@eafit.edu.co

Nicolás Tovar Almanzantovara@eafit.edu.co

Daniel Echeverri Orejueladecheverro@eafit.edu.co

Sara Restrepo Velásquezsrestrepov@eafit.edu.co

I. INTRODUCCIÓN

Linum Cases es una empresa Colombiana dedicada a laproducción de estuches para celulares 100% compostables,hechos a partir de una mezcla de Linaza y un biopolímeroa base de plantas. El producto ha sido diseñado para unpúblico objetivo compuesto por personas de clase media-alta, conscientes de la importancia del cuidado del medioambiente y, que, encuentran un valor agregado en los pro-ductos eco-amigables. La empresa realiza 8 subprocesos quepermiten transformar la materia prima en estuches para celu-lar, empacados y listos para su distribución. Actualmente, secuenta con una alta cantidad de intervención humana en losprocesos que agregan valor al producto. Esto se convierte enun problema con un panorama de demanda creciente y unmercado que encuentra una gran satisfacción en las materiasprimas ecológicas y en producciones verdes. La capacidadactual de la empresa no cuenta con la maquinaria necesariapara suplir una demanda creciente que se estima en 7000unidades diarias para el año 2025. Se ve entonces nece-saria y viable una solución de automatización. El objetivoserá una línea productiva con únicamente una intervenciónhumana que permita continuamente trabajar un alto ritmode producción, y con una tasa de error significativamentereducida. El éxito en la implementación de una producciónautomatizada verá reflejados unos resultados positivos, condatos de indicadores de producción mejorados, un productocon un estándar de calidad de talla mundial, y un índice deproductividad superior. En el informe se analizará la tareade automatización de los subprocesos que componen toda laproducción de los estuches, en la sección Descripcion del

proceso. En la sección de Instrumentacion, se presentaránlos sensores y actuadores necesarios para un flujo de infor-mación apropiado. También se especificarán los protocoloscorrespondientes a cada proceso y su implementación enMATLAB, en las secciones Protocolo e Implementacion,respectivamente. Por último, se presentarán conclusiones yreferencias, en las secciones con estos mismos nombres.Adicionalmente, las especificaciones técnicas de los equiposutilizados se presentarán en la sección Anexos.

II. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Para la producción de estuches biodegradables para celu-lares en la planta de producción de la empresa Linum Cases,son necesarios una serie de procesos de transformación que

serán descritos a continuación:El primer proceso es la cristalización, necesario para laproducción con materiales reciclados, en este proceso seorganizan las cadenas y se disminuye la humedad. Alsalir de este proceso, es transportado a través de tuberíashacia la zona de extrusión, allí por medio de un sistemade disificación se realiza una mezcla de los componentesnecesarios y se extruye, dando paso al proceso de Inyección,en este proceso, se realiza el moldeo del material para darlela forma requerida. Las piezas obtenidas deben pasar porun proceso de corte y para llegar a este espacio en laplanta, se cuenta con un brazo robótico, este sujeta la piezay accionando un motor, la transporta hasta dicho espacio.El proceso de corte funciona por medio de un troquel elcual corta el material sobrante, dejando los cases con lasdimensiones finales. Para asegurar estas dimensiones, secuenta con un proceso de inspección de calidad, donde seescanean todos los cases que llegan y se descartan los queno cumplen con las especificaciones, los que si cumplen,pasan por medio de una banda transportadora al procesode estampado, allí, por medio de una máquina tampográficase realiza la impresión del logo de la empresa, en paralelose realiza el mismo proceso para las cajas en las que vaa ir empacado el producto final. El último proceso es elempacado, los cases y las cajas llegan a este por medio debandas transportadoras, allí por medio de pistones y sensoresse realiza el proceso. El producto final pasa entonces a unalmacén donde posteriormente será transportado a los puntosde venta y clientes directos.

A continuación se mostrará el layout de la empresa LinumCases. Se presenta en figura 1.

Fig. 1. Layout de la planta

La planta tiene dimensiones de 25mx20m, cuenta con unaoficina, un espacio para baños, una cocina, dos almacenesy una zona delimitada de 20mx18m donde se ubicaron lasmáquinas. El espacio entre las máquinas, los corredores y laentrada y salida, son pensados para permitir el flujo cómodode una persona (de ser necesaria su intervención en cualquierpunto del proceso)

La cristalizadora se ubicó cerca al almacén de materiaprima pues es el primer proceso transformador a realizar,de ahí en adelante se busco ahorrar en desplazamientos yse ingenió una línea de producción donde cada proceso seubica secuencialmente siguiendo los pasos de fabricación delproducto final, en esta línea se minimizó la distancia entrela estación de inyección y la estación de corte, para que elalcance del brazo robótico fuese eficiente. Otro aspecto aresaltar es el emplazamiento del almacén de desperdicios ydel almacén cajas, estos se ubicaron estratégicamente cercaa las estaciones que los utilizan para evitar tiempos dedesplazamiento.

Fig. 2. Orden de Subprocesos

Se presenta el flujograma de la empresa Linum Cases paramejor comprensión del proceso productivo.

Fig. 3. Flujograma Linum Cases

Subprocesos:

A. Cristalización

La cristalización es el primer proceso que se debe re-alizar, debido a que la principal materia prima que seutiliza proviene de un material reciclable. Esto causa quela humedad del material sea muy elevada y además que lascadenas moleculares estén desorganizadas para su reproce-sado, para ello se tiene una maquina con tecnología IRD(Infrared rotary drum) la cual elaborara el siguiente proceso:Al comenzar el proceso se tiene una tolva donde se mezclaratodo el material y este será vertido dentro de un tambor conhélice el cual desplazara todo el material hasta el final del

proceso; mientras el material esta viajando los paneles infrar-rojos penetraran en el material aumentando la temperatura,con esto disminuirán la humedad y reorganizaran las cadenasmoleculares, los paneles tendrán un escudo de aire el cualpermite que el material no se adhiera a los paneles, y tambiénse cuenta con un extractor de aire el cual liberara la humedaddel interior hacia el exterior.

B. Dosificación y Peletizado

El segundo proceso para producir los estuches es ladosificación y posterior peletizado, de lo que será la materiaprima final usada en el estuche. En este paso se cuentacon un conjunto de tolvas, equipado con un sistema deactuadores y sensores que permiten suministrar la cantidadexacta de aditivos, color y materia prima cristalizada a unaextrusora, en esta se busca mezclar homogéneamente losfactores anteriormente mencionados. Al salir de la extrusoraen forma de espagueti, se corta en forma de pellet, para asípasar al proceso de inyección.

C. Inyección

Después del proceso de peletizado, los pellets viajan através de tubería hasta ingresar a la tolva de la máquinae inyección, por la cual entran a la cámara del tornillo.En esta cámara, los pellets son derretidos, y con la ayudadel tornillo, la mezcla es homogenizada. Una vez el tornilloestá completamente cargado, la mezcla es inyectada en unmolde que contiene la forma del estuche. Al realizar elenfriamiento del molde, la mezcla se compacta, y el estuchequeda formado y listo para continuar en el siguiente proceso.

D. Brazo robótico

Para la extracción de las piezas de la inyectora, se usa unbrazo cartesiano que cuenta con la capacidad de sujetar laspiezas y transportarlas eficazmente. El brazo espera a quese complete el proceso de conformado en inyección y logradetectar la presencia de la pieza en el molde para sujetarlacon un sistema de succión de vacío. Cuando se confirmeuna presión óptima, el brazo desplazará la pieza a la zonade corte donde la depositará. El brazo finalmente completaráel ciclo y se dirigirá al espacio de reposo donde esperará unanueva señal de la inyectora.

E. Corte

Se cuenta con una estación de corte que recibe las piezasdel brazo robótico y las deja caer en una banda que lascomunica con el control de calidad. La inyección entrega elproducto conformado, pero unido a él están aún los canalesde fundición y el bebedero. El trabajo de la estación decorte es quitar estos excesos para definir la forma final delproducto. El sistema cuenta con una matriz guía donde seubican las piezas, y con cuchillas accionadas por pistones queejecutan el corte cuando reciben confirmación del sensor depresencia.

F. Control de calidad

En este proceso es necesario que se tengan los estuchesque provienen de la estación de corte ya que es un procesode verificación y aprobación del producto , por el cual seempieza en una banda transportadora que va moviendo losestuches a analizar por la maquina hasta que se empiezaa verificar el peso y a escanear el producto, al terminarel escaneo, la banda transportadora se vuelve a moverpara sacar los estuches analizados, mostrando informaciónsobre estos en una pantalla para saber si cumplen con losparámetros requeridos para ser transportados al proceso deestampado o sino ser echados en los desperdicios.

G. Estampado de estuches

Cuando tenemos certeza del cumplimiento de requerim-ientos dimensionales de los cases, pasamos a un procesode estampado. En este proceso, por medio de una máquinatampográfica, se le realiza la impresión del logo de laempresa Linum Cases a cada uno de los estuches, lograndodarle al producto una identidad. El proceso es igual para elestampado de cajas y se realiza en paralelo.

H. Empaquetado

Una vez los estuches y las cajas han sido estampados,estos llegan, a través de bandas transportadoras, a una bandatransportadora final, en la cual con la ayuda de pistones,los estuches son introducidos en las cajas, y las pestañasde las cajas son dobladas, para así sellar las cajas. De estamanera, los cases quedan listos para ser distribuidos a losconsumidores del producto. Es aquí dónde termina el procesoproductivo de Linum Cases.

III. INSTRUMENTACIÓN

A continuación, en la figura 4, se presenta el diagramaSCADA, el cual muestra los sensores y actuadores presentesen el proceso. Esta imágen se puede apreciar de maneramás clara en la sección Anexos. Adicionalmente, en el dia-grama se le asigna la siguiente nomenclatura a los procesos:Cristalización corresponde a la letra A, peletización, tambiéndenominado como extrusión, a B, inyección a C, brazorobótico a D, corte a E, control de calidad a F , estampadode estuches a G, estampado de cajas a H y por último,empaquetado a I . Esta nomenclatura se mantendrá por elresto del documento para referirse a los procesos.

Fig. 4. Diagrama SCADA

En las tablas I y II se presentan los sensores y actuadorespresentes en el proceso, los nombres con los que se identi-ficarán en los protocolos y las MEFs, las cantidades y sussistemas de adquisición. La última columna corresponde alanexo en el cual se podrá encontrar la información técnicade cada uno de los equipos.De acuerdo a estas tablas, y al flujograma del proceso,presentado en la figura 3, en el proceso A, se cuenta con 5sensores y 8 actuadores, en B, con 8 sensores y 7 actuadores,en C, con 6 sensores y 6 actuadores, en D, con 8 sensoresy 7 actuadores, E, con 2 sensores y 4 actuadores, en F , con6 sensores y 5 actuadores, en G y H , con 10 sensores y 9actuadores, en cada uno, y, finalmente, en I , con 9 sensoresy 9 actuadores.

A continuación, en las figuras 5, 6 y 7 se muestran lascantidades y tipos de sensores, actuadores y sistemas deadquisición utilizados en el proceso.

Fig. 5. Cantidad y tipos de sensores en el proceso

Fig. 6. Cantidad y tipos de actuadores en el proceso

Fig. 7. Cantidad y tipos de sistemas de adquisición en el proceso

TABLE I

LISTA DE SENSORES

Proceso Sensor Variable ADC/DAC Anexo

A Temperatura Tmin ADC A.S1A Temperatura Tmax ADC A.S1A Óptico So ADC A.S2A Óptico Sop ADC A.S2A Humedad H ADC A.S3B Nivel Ns1 ADC A.S4B Nivel Ns2 ADC A.S4B Nivel N1max ADC A.S4B Nivel N1min ADC A.S4B Nivel N2max ADC A.S4B Nivel N2min ADC A.S4B Celda de carga P1 ADC A.S5B Celda de carga P2 ADC A.S5C Temperatura Tmin ADC A.S1C Temperatura Tmax ADC A.S1C Nivel Nmin ADC A.S4C Nivel Nmax ADC A.S4C Presión Xp ADC A.S6C Temperatura Tr ADC A.S1D Temperatura Tmax ADC A.S1D Presión Vmin ADC A.S6D Óptico Sp ADC A.S2D Posición P1 ADC A.S7D Posición P2 ADC A.S7D Posición P3 ADC A.S7D Posición Ia ADC A.S7D Presencia Sc - A.S8E Presencia Sp - A.S8E Presión Pc ADC A.S6F Presencia Spe ADC A.S8F Temperatura Tmax ADC A.S1F Temperatura Tmin ADC A.S1F Óptico Co ADC A.S2F Celda de carga Cc ADC A.S5F Presencia Sps - A.S8G Posición Pb ADC A.S7G Posición Pl ADC A.S7G Posición Pt ADC A.S7G Posición Sp ADC A.S7G Posición Sb ADC A.S7G Nivel Sn ADC A.S4G Presencia Se - A.S8G Presencia Sc - A.S8G Presión Sr ADC A.S6G Presión Sr2 ADC A.S6H Posición Pb ADC A.S7H Posición Pl ADC A.S7H Posición Pt ADC A.S7H Posición Sp ADC A.S7H Posición Sb ADC A.S7H Nivel Sn ADC A.S4H Presencia Se - A.S8H Presencia Sc - A.S8H Presión Sr ADC A.S6H Presión Sr2 ADC A.S6I Nivel Nmax1 ADC A.S4I Nivel Nmax2 ADC A.S4I Nivel Nmin1 ADC A.S4I Nivel Nmin2 ADC A.S4I Posición Pb ADC A.S7I Presencia P1 - A.S8I Presencia P2 - A.S8I Presencia P3 - A.S8I Presencia P4 - A.S8

TABLE II

LISTA DE ACTUADORES

Proceso Actuador Variable ADC/DAC Anexo

A Motor Mto DAC A.A1A Motor Mta DAC A.A1A Luz infrarroja Pi DAC A.A2A Luz infrarroja Pia DAC A.A2A Luz infrarroja Pid DAC A.A2A Escudo de aire Ea DAC A.A3A Estractor de aire Ve DAC A.A4A Luz LED Le DAC A.A5B Luz LED Le DAC A.A5B Válvula de dosificación Vs1 - A.A6B Válvula de dosificación Vs2 - A.A6B Válvula de dosificación V1 - A.A6B Válvula de dosificación V2 - A.A6B Válvula de dosificación Vp - A.A6B Motor Me DAC A.A1C Luz LED K DAC A.A5C Resistencia R DAC A.A7C Motor Mt DAC A.A1C Pistón Pm - A.A8C Pistón Pi - A.A8C Válvula de dosificación V - A.A6D Luz LED Le DAC A.A5D Pistón Va - A.A8D Pistón Vb - A.A8D Motor M1 DAC A.A1D Motor M2 DAC A.A1D Motor M3 DAC A.A1D Motor M4 DAC A.A1E Luz LED Le DAC A.A5E Pistón Va - A.A8E Pistón Vb - A.A8E Luz LED Sc DAC A.A5F Motor Mb DAC A.A1F Luz LED Le DAC A.A5F Luz LED La DAC A.A5F Luz LED Lc DAC A.A5F Monitor Pv - A.A9G Motor L1 DAC A.A1G Motor L2 DAC A.A1G Motor B1 DAC A.A1G Motor B2 DAC A.A1G Motor T1 DAC A.A1G Motor T2 DAC A.A1G Motor B DAC A.A1G Sistema de enfriamiento E DAC A.A10G Luz LED K DAC A.A5H Motor L1 DAC A.A1H Motor L2 DAC A.A1H Motor B1 DAC A.A1H Motor B2 DAC A.A1H Motor T1 DAC A.A1H Motor T2 DAC A.A1H Motor B DAC A.A1H Sistema de enfriamiento E DAC A.A10H Luz LED K DAC A.A5I Luz LED Le DAC A.A5I Motor M1 DAC A.A1I Motor M2 DAC A.A1I Motor M3 DAC A.A1I Compuerta C1 - A.A11I Compuerta C2 - A.A11I Pistón Pe - A.A8I Pistón Pci - A.A8I Pistón Pcs - A.A8

IV. PROTOCOLOS

En esta sección se presentan los protocolos para cadauno de los procesos para la fabricación de los estuches.En las MEF se tiene como convención que la expresión== 0 equivale a la negación del sensor, es decir, que estádesactivado y == 1, corresponde a un sensor activado. Deigual manera, un actuador igualado a cero estará apagado, eigualado a uno estará encendido. También se presenta unatabla con algunas variables presentes en las MEF, que no sedefinen como actuadores o sensores, en la tabla III:

TABLE III

VARIABLES EN MEFS

Proceso Variable Tipo Cantidad

A Start Señal 1A Stop Señal 1A After Temporizador 2B Start Señal 1B Stop Señal 1C Start Señal 1C Stop Señal 1C After Temporizador 1D Start Señal 1D Stop Señal 1D After Temporizador 3E Start Señal 1E Stop Señal 1F Start Señal 1F Stop Señal 1F After Temporizador 1G Start Señal 1G Stop Señal 1H Start Señal 1H Stop Señal 1I Start Señal 1I Stop Señal 1

A. Protocolo Cristalización

Para poder automatizar el proceso de cristalización se debeconocer la máquina a utilizar, por ello se mencionara comoestá compuesta. Esta cuenta con 8 actuadores los cuales son:dos motores que permiten que viaje el material, motor tolvaMto y motor del tambor con hélice Mta, un panel de luzinfrarroja Pi, el cual permite encender y apagar, junto condos controladores, Pia permite que los paneles aumenten latemperatura y Pid hace que disminuya. Un escudo de aireEa el cual protege los paneles, un extractor de aire V e el cualpermite que la humedad del interior salga hacia el exteriory una luz de encendido Le. Para controlar dichos actuadoresse disponen de 7 sensores: un pirómetro que permite conocerla temperatura del material a distancia, este está relacionadocon el rango de temperaturas establecidos por el proceso,los cuales son la temperatura mínima Tmin, y la temperaturamáxima Tmax; dos sensores ópticos que detectan la presenciadel material, el primero en la tolva So y otro al finalizarel proceso Sop, un sensor de humedad H el cual indicacuando la humedad ha sobrepasado el límite establecido, y 2botones de Start y Stop para encender y apagar el proceso.-Supervisión:Es el único subproceso en donde el hombre tiene interaccióncon la máquina.

1) Si presiona Start entonces el proceso de cristalizacióncomienza y Le se enciende.

2) Si presiona Stop entonces Le se apaga.3) En todos los subprocesos se encuentra Le, este debe

permanecer encendido para realizar cualquier acciónde lo contrario deberán permanecer en reposo.

-Humedad:Es el único subproceso en donde el hombre tiene interaccióncon la máquina.

4) Si el sensor H está activo se deberá activar el extractorde aire V e.

5) Si el sensor H está desactivado, el extractor de aireV e debe estar en reposo.

-Movimiento:El subproceso de movimiento en los motores se describe acontinuación.

6) Si So está activo se deberán accionar los motores Mto

y Mta en cualquier momento del subproceso.7) Una vez iniciado el movimiento si se apaga So, este

pasara a un estado de movimiento temporal de 30 segmientras la tolva se desocupa.

8) Una vez la tolva este desocupado y So este apagado,el motor Mto se apagará.

9) Una vez Mto este apagada y So este apagado, el motorMta se apagará al pasar 5 min que es lo que tarda endesocupar todo el material.

-Temperatura:El material debe encontrarse en un rango Tmin y Tmax,El panel al estar encendido ya tienen una temperatura pre-determinada.

10) Para activar Pia o Pid, solo uno puede estar activo,también Pi y Ea deben estar activos.

11) Partiendo del reposo, si Le está activo se deberánaccionar Pi y Ea.

12) Cuando hayan transcurrido 10 seg el tiempo neceariopara llegar a la temperatura predeterminada y Sop estéactivo, se activará Pia.

13) Si se desactiva Sop en los siguientes ítems solamentedeberá estar encendido Pi y Ea.

14) Si Sop y Tmax están activos se activará Pid.15) Si Sop esta activo, Tmax y Tmin estan desactivados,

se activara Pia.

Fig. 8. Caja negra de Cristalización

A continuación se mostraran todas las MEF (Maquinas deestados finitos)

Fig. 9. MEF1A

Fig. 10. MEF2A

Fig. 11. MEF3A

Fig. 12. MEF4A

B. Protocolo Dosificación

Este sistema cuenta con 7 actuadores en total,una luz deencendido LE una válvula en el silo 1 V S1, una válvula enel silo 2 V S2, una válvula en la tolva 1 V 1, una válvula enla tolva 2 V 2, una válvula Principal propia de la extrusoraV P y el motor de la extrusora ME. Para controlar dichosactuadores tenemos los siguientes sensores: sensor de nivelmínimo en el silo 1 NS1, sensor de nivel mínimo en elsilo 2 NS2, sensores de nivel máximo y mínimo en la tolvaauxiliar 1 N1MAX y N1MIN , sensores de nivel máximo

y mínimo en la tolva auxiliar 2 N2MAX y N2MIN y dossensores de peso P1 y P2 ubicados en la tolva principal.

El proceso de control se subdivide en tres partes definidascomo se muestra en la Fig. 13

Fig. 13. Caja negra Dosificación

1) Supervisión: Este subproceso inicializa con el inter-ruptor I y supervisa de acuerdo a los sensores NS1 Y NS2

que se pueda realizar el abastecimiento. Si se presiona elinterruptor I , y NS1 Y NS2 estan apagados, se prende laluz de encendido LE. Si NS1 ó NS2 estan encendidos elproceso no continua.

Fig. 14. MEF1B

2) Abastecimiento: Este subproceso se encarga de con-trolar el abastecimiento constante de parte de los silos a lastolvas auxiliares 1 y 2, se usarán los sensores LE, N1MI ,N1MAX , N2MIN Y N2MAX . También se usarán losactuadores V S1 y V S2.Si LE está encendido y N1MIN

está encendido, entonces se acciona la válvula V S1.CuandoN1MAX se encienda, la válvula V S1 se apaga.Si LE estáencendido y N2MIN esta encendido, entonces se accionala válvula V S2. Cuando N2MAX se encienda, la válvulaV S2 se apaga

Fig. 15. MEF2B

3) Dosificación: Este subproceso controlara la dosifi-cación de los materiales y el accionar de la extrusora paralograr la mezcla deseada. Se usarán los sensores N1MIN ,N2MIN , P1 Y P2. Se controlarán los actuadores V 1,V 2, V PY ME.Si N1MIN esta apagado, se acciona laválvula V 1. Si P1 está encendido, la válvula V 1 se cierra.Si N2MIN está apagado y P1 está encendido, se accionala válvula V 2. Si P2 está encendido, la válvula V 2 se cierra,se abre la válvula V P y el motor de la extrusora ME seenciende.

Fig. 16. MEF3B

Notas

• El material en los silos dura los ciclos de extrusiónnecesarios y es realimentado periódicamente, el sistemade supervisión se hace para casos donde haya fugas dematerial inesperadas o errores humanos.

C. Protocolo Inyección

El proceso de inyección cuenta con 6 sensores: 3 sensoresde temperatura: 2 en el tornillo, Tmin y Tmax y uno para larefrigeración del molde, Tr, 2 de nivel, Nmin para la tolva, yNmax, para el tornillo, y un sensor de presión en el molde,Xp. Adicionalmente, cuenta con 6 actuadores: una luz deencendido, K, una resistencia, R, para el calentamiento deltornillo, un motor, Mt, un pistón para cerrar el molde, Pm yotro para la inyección del plástico, Pi. Finalmente, se tieneuna IHM con botones de start, y stop, para la entrada deinformación. El proceso de inyección se realiza siguiendolos siguientes pasos:

1) El proceso comienza al presionar start y se detiene alpresionar stop. La luz, K, se activa mientras se estérealizando el proceso.

2) Al iniciar el proceso, el tornillo se calienta por mediode la resistencia R. La temperatura se deberá mantenerentre Tmin y Tmax.

3) El motor del tornillo, Mt, se activa mientras esté activoel nivel mínimo en la tolva ,Nmin, hasta encender laseñal Nmax en el tornillo.

4) El molde se cierra cuando se detecta Nmax en eltornillo, activando el sistema de cierre, con el pistónPm.

5) Con el molde cerrado, todo el material en el tornillo,Nmax, y con la temperatura entre Tmin y Tmax, serealiza el proceso de inyección. Para ello se acciona

el pistón de inyección, Pi, hasta que se detecte enel molde un nivel de presión Xp y hayan pasado 3segundos. En este momento, el pistón de inyección Pi

retorna a la posición de carga para estar listo para unanueva operación.

6) Después se abre la válvula, V , para que circule aguapor el molde hasta que la temperatura de este baje yse detecte la temperatura de refrigeración con el sensorTr.

7) Después de haber alcanzado Tr, Pm se abre y retornaa su posición inicial.

A continuación se presenta la caja negra del proceso en lafigura 17:

Fig. 17. Caja negra inyección

A continuación se presentan las MEF y los circuitos com-binatorios del proceso. Para evitar desgaste en los actuadoresen la implementación de los circuitos combinatorios, seutilizan filtros de rebote en aquellas señales que provengandel exterior.

Fig. 18. MEF1C

Fig. 19. MEF2C

Fig. 20. CC3C

Fig. 21. MEF4C

Fig. 22. MEF5C

Fig. 23. CC6C

D. Protocolo Brazo robótico

Este brazo robótico tiene 7 actuadores. Una luz de en-cendido LE , un pistón de vacío con dos señales: agarrarVA y soltar VB ; y un motor eléctrico con cuatro señales detrayectoria de movimiento: reposo-inyectora M1, inyectora-corte M2, corte-reposo M3, e inyectora-reposo M4 . Para elcontrol de las señales se tienen a disposición 8 sensores.Temperatura máxima de pieza Tmax, presión mínima devacío Vmin, sensor óptico de presencia de pieza SP , tressensores de posición P1, P2, P3, sensor de apertura deinyectora al final del ciclo IA y sensor de estación de cortelista para recibir pieza SC . Se tienen adicionalmente dosbotones de start y stop para encender y apagar el proceso.

El proceso de control se divide en 4 partes presentadas acontinuación.

-Supervisión:

1) La supervisión regula la interacción con el operador dela máquina. Este a través de los botones start y stop

puede controlarla.2) Si presiona start entonces el proceso de movimiento

comienza y el LE se prende.3) Si presiona stop con una pieza sujetada, el brazo la

deposita en la estación de corte y luego regresa areposo por trayectoria M3. Posteriormente el LE seapaga.

-Agarrar:

4) El proceso de Agarrar VA se ejecutará únicamentecuando el brazo está en la posición P1 y: LE estáencendido, Tmax está apagado, y SP detecta presenciade pieza.

5) VA generará vacío hasta que se alcance presión mínimaVmin. Si Tmax está encendido, el brazo espera enposición P1 hasta que baje la temperatura.

6) Si SP no detecta una pieza entonces el brazo vuelvea posición reposo en trayectoria M4.

-Soltar:

7) El proceso de Soltar se ejecutará durante dos segundosúnicamente cuando el brazo está en la posición P2 y:LE está encendido, y SC detecta disponibilidad paradepositar pieza.

8) Si SC está apagado, el brazo espera confirmación delsensor para proceder a soltar.

9) Si LE se apaga entonces el proceso de soltar secompleta y el brazo vuelve a reposo por trayectoriaM3.

-Movimiento:

10) El brazo empieza en reposo y ejecuta la trayectoria M1

hacia P1 cuando LE y IA se encienden.11) Una vez en P1, el brazo espera activación de VA, y

Vmin, y después de 2 segundos de seguridad activa latrayectoria M2.

12) En P2 el motor espera que la tarea VB haya sidocompletada, y después de 2 segundos de seguridadejecuta la trayectoria M3 para volver a reposo.

13) Si LE se apaga en alguno de los movimientos, seevalúa el estado de sujeción y se siguen las trayectoriasespecificadas en los anteriores subprocesos.

A continuación se mostrará la caja negra del proceso,además de todas las máquinas de estados finitos (MEF) parala programación del proceso del brazo robótico.

Fig. 24. Caja Negra del Brazo robótico

Fig. 25. MEF1D

Fig. 26. MEF2D

Fig. 27. MEF3D

Fig. 28. MEF4D

E. Protocolo Corte

Esta estación de corte tiene 4 actuadores. Una luz deencendido Le, un pistón de presión con dos señales: Va =activar presión de corte y Vb = soltar presión de corte, y unaluz Sc que comunica al brazo robótico que la estación estálista para recibir otra pieza. Para el control de los actuadoresse tienen 2 sensores: Un sensor de presencia Sp ubicado enla estación, para asegurar que la pieza esté correctamenteubicada, y un sensor de presión de corte Pc. Se tienenadicionalmente dos botones start y stop para encender yapagar el proceso. El proceso de control se divide en 2 partes

presentadas a continuación.Supervisión:

La supervisión regula la interacción del operador y lamáquina. Este a través de los botones start y stop puedecontrolarla.

1) Si presiona start entonces Le se enciende y Sc seenciende indicando que la estación está lista pararecibir pieza.

2) Si presiona stop entonces Le se apaga y Sc se apagacomunicando al brazo que la estación no está lista pararecibir pieza.

Corte:

3) El proceso de corte Va se ejecutará 2 segundos despuésde el sensor de presencia Sp se active.

4) Cuando el sensor de presencia Sp se activa, la luz Sc

se apaga, indicando que la estación no está disponiblepara recibir nueva pieza.

5) El proceso de corte Va se detendrá cuando se alcancepresión de corte Pc.

6) El proceso de soltar Vb se iniciará cuando se alcancepresión de corte Pc y se ejecutará durante dos segun-dos. Al terminar esos dos segundos, la estación vuelvea espera y la luz Sc se enciende para indicar posibilidadde recibir nueva pieza para corte.

A continuación se mostrará la caja negra del proceso,además de todas las máquinas de estados finitos (MEF) parala programación del proceso de corte.

Fig. 29. Caja Negra del corte

Fig. 30. MEF1E

Fig. 31. MEF2E

F. Protocolo Control de calidad

Para automatizar el proceso de control de calidad esnecesario saber que sensores y actuadores tiene la maquina autilizar, por esto se hará referencia a los componentes antesmencionados. Esta maquina tiene 5 actuadores: Un motor debanda transportadora MB , una luz de encendido LE , una luzde ejecución de escaneo LA, una luz de proceso completadoLC y una pantalla de visualización de los productos PV . Paracontrolar dichos actuadores tenemos 6 sensores: Un sensor depresencia de entrada SP e , un sensor de temperatura máximaTmax el cual indica el tope de temperatura que puede tenerel estuche, un sensor de temperatura mínima Tmin el cualindica la temperatura que tiene que tener el estuche parapoder ser escaneado, un sensor óptico CO que escanea elproducto para ser visualizado en la pantalla, una celda decarga CC el cual indica el peso total de los productos que seestán evaluando y finalmente se tiene un sensor de presenciade salida SP s. Adicionalmente se tienen 2 botones de start

y stop para encender y apagar el proceso.

Este proceso se subdivide en 5 partes, las cuales son lassiguientes:

-Supervisión:La supervisión regula la interacción con el operador de lamáquina. Esto a través de los botones start y stop.

1) Si se presiona start entonces el proceso de inspeccióncomienza y el LE se prende.

2) Si se presiona stop entonces la inspección se detienede esta manera: La luz LA y LC se apaga, la bandatransportadora MB se detiene, luego la pantalla PV seapaga, y adicionalmente el LE se apaga.

3) Si hay estuches en la máquina estos deberán ser ingre-sados nuevamente por el operador para la inspecciónde calidad.

4) En todos los subprocesos se encuentra LE , este debepermanecer encendido para realizar cualquier acciónde lo contrario cada actuador estará apagado.

-Pantalla de Control:5) Si el sensor SP e o el sensor CC o el sensor CO están

encendidos entonces se deberá prender la pantalla devisualización PV .

6) Si los sensores SP e, CC y CO están apagados entoncesla pantalla de visualización PV entrará en modo de

conservación de energía, siempre y cuando no sea queel estado anterior fuera apagado.

-Ejecución de escaneo:

7) Si los sensores Tmin, CC y el CO están encendidosademás de que el sensor Tmax este apagado entoncesla luz que indica la ejecución del escaneo LA seencenderá.

8) Si Tmax este encendido, la luz que indica la ejecuciónLA se apaga.

-Movimiento de banda:

9) El motor MB entra en reposo cuando el sensor LA

esta encendido.10) Después de que pase 100 segundos y la señal LA se

apague y el sensor SP e este encendido, se vuelve aprender el motor MB para ingresar nuevos estuches,este proceso se vuelve a repetir hasta que se oprimastop.

-Indicación del proceso completado:La luz de indicación de que el proceso se realizo completa-mente LC se describe a continuación:

11) Cuando el sensor SP s esta encendido, se encenderáLC .

12) Si el sensor SP s esta apagado , la luz LC se deberáde apagar.

A continuación se mostrará la caja negra del proceso,además de todas las máquinas de estados finitos (MEF) parala programación del proceso de control de calidad.

Fig. 32. Caja Negra del Control de Calidad

Fig. 33. MEF1F Supervisíon

Fig. 34. MEF2F Pantalla de control

Fig. 35. MEF3F Ejecución de escaneo

Fig. 36. MEF4F Movimiento de banda

Fig. 37. MEF5F Indicación de proceso completado

G. Protocolo Estampado

El proceso inicia en la posición de reposo, allí por mediode motores, controlados por sensores, se realiza un abastec-imiento de tinta para el tampón y se realiza la impresiónal case. Después de realizarse la impresión, por medio deuna banda transportadora, la tinta es secada en una estaciónpropuesta para esto. Aquí describimos las partes utilizadaspara el fin: Esta máquina cuenta con los motores Mt1, Mt2

(movimiento del tampón en Y) , ML1, ML2 (movimientodel tampón en X), Mb1 y Mb2 (encargado del movimiento dedado en X). También se cuenta con los sensores Sc presencia(para el case), sensor de posición Sp, sensor de presión Sr,sensor de nivel Sn y sensores de posición Sb, Pt, Pb y PL.Al terminar la impresión, se activa una banda transportadoraB que lleva el case a la estación de secado. Allí se asegurala presencia por medio de un sensor Se y se acciona unacorriente de aire E que realiza el secado.

-Supervisión:

1) El proceso comienza al presionar Start y se detieneal presionar Stop, en cualquier momento. La luz K seactiva mientras se realiza el proceso.

-Impresión:1) Partiendo de la posición de reposo, se activan los

motores ML1 y Mb1 siempre que el sensor Sc seencuentre activo.

2) Los motores ML1 y Mb1 se detienen cuando se activanlos sensores de posición Sp y Sb. Allí se activa el motorMt2 siempre que el sensor de nivel Sn este activado.

3) Mt2 se detiene cuando se alcanza la presión requeriday se activa el sensor Sr.

4) Al culminar esta parte del proceso, el motor Mt1 seactiva y llega nuevamente a la posición inicial, paraasegurarlo, se tiene el sensor de posición Pt y seactiva el motor ML2, que realizan un movimiento enX hacia la izquierda hasta llegar a la posición inicial,comprobado por el sensor PL.

5) Para realizar la impresión, deben activarse Mt2 y Mb2,Mt2 realiza un movimiento en Y hacia abajo y Mb2

en X hacia la izquierda. Mt2 baja hasta que se activeen sensor de presión Sr2, realizando así la impresión.Cuando Sr2 se activa, activa tambien el motorMt1 pararegresar a su posición inicial. Al activarse el sensor deposición Pt y Pb, se da por terminada la impresión.

-Secado:1) Una vez terminada esta impresion, con todos los el-

ementos en la posición inicial, sensores Pb, PL y Pt

activados, se acciona una banda transportadora B quelleva el case a la estación de secado. Un sensor depresencia Se se activa y así acciona una corriente deaire E que realiza el proceso de secado.

A continuación se muestran las cajas negras del proceso.

Fig. 38. Caja Negra Estampado

Se presentan las MEF del proceso.

Fig. 39. MEF1G

Fig. 40. MEF2G

Fig. 41. MEF3G

Este proceso funciona de la misma manera para el estam-pado de cajas.

H. Protocolo Empaque

Los estuches deben ser empacados en cajas individuales,antes de ser distribuidos a los consumidores. El procesoautomatizado cuenta con 9 actuadores: Luz de encendido,LE , 3 motores de banda, M1, M2 y M3, 2 compuertas, C1

y C2 y 3 pistones: uno de empuje, PE , y 2 para el cerrado delas pestañas inferiores y superiores de las caja, PCI Y PCS .Adicionalmente, cuenta con 9 sensores: 2 de nivel máximo,NMax1 y NMax2, 2 de nivel mínimo, NMin1 y NMin2, unode posición de banda, PB , y 4 de presencia de los estuches,P1, P2, P3 y P4. Finalmente, se tiene una IHM con botonesde start, y stop, para la entrada de información.

El proceso de control se subdivide en 9 partes, quese presentan en la Fig.42, y se describen en los pasoscontinuación:

Fig. 42. Caja negra proceso empaque

1. Supervisión

Esta etapa es controlada por el operador del proceso, através de los botones start y stop.Si se presiona start

entonces el proceso de empacado comienza y el LE seprende.Si se presiona stop, LE se apaga y el proceso deempacado se detiene, como se explicará en las próximassecciones.Este paso se controla con la MEF MEF1I .

2. Movimiento banda principal

Si LE está encendido, entonces M3 se prende, para activarel motor 3, que mantiene en constante movimiento la bandaprincipal, a la que llegan los estuches y cajas estampadas.SiLE se apaga, entonces M3 se apaga. Este paso se controlacon el circuito combinatorio CC2I .

3. Alimentación de estuches y cajas

Para el caso de los estuches, si LE está encendido, yNMin1 y NMax1 están apagados,es decir que no hay nivelmínimo o máximo, entonces M1 se prende, para activarel motor 1, que alimenta el contenedor con estuches.SiLE se apaga o se activa el sensor NMax1 entonces M1 seapaga.Este paso se controla con la MEF MEF3I .

La alimentación de cajas se da de manera simultánea ala alimentación de estuches, y funciona exactamente igual,pero se remplazan los sensores: NMin1 por NMin2, NMax1

por NMax2, y el actuador M1 por M2. Este paso se controlacon la MEF MEF4I .

4.Dosificación de estuches y cajas

Para el caso de los estuches, si LE , NMin1 y PB estánencendidos, entonces C1 se prende, para abrir la compuerta1, la cual libera 1 estuche a la banda principal, cada vez quese abre.Si LE se apaga o no está activado el sensor PB ono hay un nivel mínimo, es decir, NMin1 está desactivado,entonces C1 se cierra, y por ende, se apaga. Este paso secontrola con el circuito combinatorio CC5I .

La dosificación de cajas se da de manera simultánea a ladosificación de estuches, y funciona exactamente igual, perose remplazan los sensores: NMin1 por NMin2, PB por P1, yel actuador C1 por C2. Este paso se controla con el circuitocombinatorio CC6I .

5. Empuje de estuches

Si LE se encuentra encendido y P2 también está encen-dido, es decir, que hay presencia de estuche, el pistón PE

se activa y se extiende para empujar el estuche dentro de lacaja. Si LE o P2 se encuentran apagados, el pistón PE semantiene retraído, es decir, apagado. Este paso se controlacon el circuito combinatorio CC7I .

6. Cerrado de pestaña inferior

Si LE se encuentra encendido y P3 detecta presencia deestuche, el pistón PCI se activa y se extiende para empujar ydoblar la pestaña inferior de la caja.Si LE o P3 se encuentranapagados, el pistón PCI se mantiene retraído, es decir,apagado. Este paso se controla con el circuito combinatorioCC8I .

7. Cerrado de pestaña superior

El cerrado de la pestaña superior funciona exactamenteigual al paso anterior, pero se remplazan los sensores: P3 porP4, y el actuador PCI por PCS .La pestaña superior cuentacon un adhesivo sellante, de manera que al ser empujado, lascajas quedan completamente cerradas.Este paso se controlacon el circuito combinatorio CC9I .

Notas

La banda principal cuenta con marcaciones para mantenerla distancia entre estuches. PB se enciende al detectar estasmarcaciones. Para evitar desgaste en los actuadores en laimplementación de los circuitos combinatorios, se utilizanfiltros de rebote en aquellas señales que provengan delexterior.

A continuación se presentan las MEF y los circuitoscombinatorios mencionados anteriormente:

Fig. 43. MEF1I

Fig. 44. CC2I

Fig. 45. MEF3I

Fig. 46. MEF4I

Fig. 47. CC5I

Fig. 48. CC6I

Fig. 49. CC7I

Fig. 50. CC8I

Fig. 51. CC9I

V. IMPLEMENTACIÓN

Para la implementación en Simulink de todas las MEF,se toma la diagramación hecha en el mismo programa,presentada en la sección Protocolo y se establece comoun flujo de estados. De esta manera se logran separar

las variables de entrada y salida resultando en un sistemaMEF que ahora se podrá simular en el programa. Teniendoesto, se agregan interruptores y pulsadores a las constantesde entrada, y se agregan monitores con escala de colora las variables de salida. Este mismo proceso se utilizópara la implementación de los circuitos combinatorios. Conesta disposición de elementos, MATLAB responde a unasimulación con los parámetros ingresados y permite observarel funcionamiento general del sistema. En las figuras 52, ??

y 53 se puede observar la implementación de algunos de losprocesos.

Fig. 52. Implementación MEF4F

Fig. 53. Implementación CC6C

La implementación de todas las MEF y circuitos combi-natorios de los subprocesos están disponibles en el formatode archivo de Simulink (.slx), en la carpeta Estuches para

celular.zip , dentro de la cual se encuentra la carpetaimplementacion, que contiene todos estos archivos. Tantolas MEFs como los circuitos combinatorios están guardadoscon el mismo nombre con el que se referenciaron en eldocumento: MEF o CC, número distintivo y letra delproceso al que pertenecen. En la figura 54 se presenta laInterfaz Hombre Máquina (IHM) implementada en el pro-ceso automatizado de Linum Cases.A través de esta interfazel operario podrá interactuar y supervisar los diferentesprocesos. Esta imágen se podrá observar con mayor claridaden la sección Anexos.

Fig. 54. Interfaz Hombre Máquina

VI. CONCLUSIONES

• Con la incorporación de un proceso productivo autom-atizado, se concluye un gran aumento en la productivi-dad, unos subprocesos con un flujo más efectivo, y una

reducción en la tasa de error debido a la adquisiciónde maquinaria automática. Se presenta y hace clara lacantidad de sensores, actuadores, y PLCs necesarios,además de sus características, para cada proceso dela manufactura de los estuches eco-amigables. Se hadiagramado, además, la interfaz hombre-máquina quevisibiliza el alcance de intervención potencial de unoperario en cada máquina, y enseña con precisión elprocedimiento que siguen los equipos para completarsus tareas, complementando este diagrama, se presentóun SCADA que enseña el flujo de producto y deinformación, y recopila la ubicación de cada sensory actuador. Para cada subproceso se ha especificadosu protocolo y la incorporación de este en las MEFcorrespondientes, se utiliza una codificación única paracada MEF.

• El informe aborda los conceptos vinculados a la au-tomatización de manera práctica, dando solución aun problema de la industria, y concluyendo con unresultado positivo, además de un gran aprendizaje enel proceso de control.

• En cuanto a resultados del informe, se puede concluirque gracias a la implementación y verificación de lasMEF y los circuitos combinatorios en Simulink, sepodría decir que, teóricamente, la propuesta presentadaen este informe para el control automático de una plantade fabricación de estuches para celular, podría funcionarsi se implementa en la realidad.

VII. REFERENCIAS

• https://pelacase.com/pages/our-story• https://www.surfrider.org/coastal-blog/entry/earth-day-

pela-case• Video del proceso productivo general:

https://www.youtube.com/watch?v=7LF8aOPlxYM• Video de presentación Linum Cases:

https://www.youtube.com/watch?v=T-CyFqKYaHo

VIII. ANEXOS

En esta sección se presentan las imágnes del diagramaSCADA y la IHM, con mayor resolución. También sepresentan los datos técnicos de los sensores y actuadoresque se mencionaron previamente en el informe. Toda estainformación está disponible en la carpeta Estuches para

celular.zip , en el archivo anexos.pdf .