BENEMRITA UNIVERSIDAD AUTNOMA DE PUEBLA

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRNICA

DISEO, CONSTRUCCIN, AUTOMATIZACIN Y PUESTA

EN MARCHA DE UN DISPOSITIVOTIPO POKA-YOKE PARA LA

DETECCIN DE COLOR DE CARRETES DE HILO INTEGRADO

AL PROCESO DE COSTURA DE FUNDAS DE ASIENTOS DE

AUTOMOVIL

TESIS

QUE PRESENTAN:

GREGORIO LPEZ HERNNDEZ

JESS ROMERO ARREDONDO

PARA OBTENER EL TTULO DE:

LICENCIADO EN MECATRNICA

ASESOR:

M. EN C. CESAR ORTEGA M.

Pue. Puebla Abril de 2014

2013

DEDICATORIAS

AGRADECIMIENTOS

RESUMEN

En esta tesis se presenta una propuesta de solucin a un problema de calidad en

la industria de fabricacin de interiores del sector automotriz, especficamente en el

ensamble de cortes de piel para elaboracin de fundas de asientos, para ello se

plantea el problema con su respectivo anlisis en cada una de las pruebas que

requiere realizar, se disea un sistema mecnico, elctrico y de control que realice

pruebas de inspeccin que garanticen que se usa el correcto carrete de hilo de

acuerdo al color de la piel, se automatiza dicho proceso garantizando la seguridad

del operario junto con un sistema de deteccin de fallas y alarmas visuales para

informacin del operador.

Ilustracin 1 Partes del poka-yoke de color de hilo

El proceso de automatizacin industrial se basa en la planeacin, invirtiendo tiempo

en el diseo y simulacin, por lo que previamente a la presentacin del proyecto se

llevan a cabo los diseos mecnicos, elctricos, neumticos y de programacin de

PLC y HMI. En esta tesis se presentan nicamente los resultados, aunque el anlisis

completo se logra mediante la animacin en CAD y la simulacin elctrica y de las

rutinas de programacin.

Tabla de contenido

Lista de Ilustraciones .............................................................................................. 9

Lista de tablas ....................................................................................................... 11

Lista de smbolos .................................................................................................. 11

INTRODUCCIN ............................................................................................... 12

1.1 Estado del arte ......................................................................................... 13

1.2 Introduccin a los PLCS ......................................................................... 17

Definicin de los PLCs.................................................................................... 17

Arquitectura de un PLC .................................................................................. 20

Fuente de alimentacin .................................................................................. 22

Unidad Central de Proceso ............................................................................. 24

1.3 Conceptos Generales de programacin ................................................... 26

Introduccin .................................................................................................... 26

Programa, programacin y lenguajes de programacin ................................. 26

Clasificacin de los programas ....................................................................... 27

Lenguajes de programacin ........................................................................... 28

Timers y Temporizadores. .............................................................................. 34

Contadores ..................................................................................................... 35

1.4 Planteamiento del problema .................................................................... 37

1.5 Justificacin ............................................................................................. 39

1.6 Objetivos generales y particulares ........................................................... 39

1.4.1 Objetivos generales ............................................................................... 39

1.4.2 Objetivos particulares ............................................................................ 40

8.1 Alcance y limitacin del proyecto ............................................................. 40

8.1.1 Alcance ................................................................................................. 40

8.1.2 Limitaciones .......................................................................................... 41

CAPTULO II Diseo del sistema .......................................................................... 42

3.1 Propuesta de diseo del sistema ............................................................. 42

Diagrama de flujo ............................................................................................... 43

Descripcin de partes ........................................................................................ 45

Entradas del sistema ......................................................................................... 48

Salidas del sistema ............................................................................................ 48

Lista de Ilustraciones

Ilustracin 1 Partes del poka-yoke de color de hilo ................................................. 5

Ilustracin 2: Pruebas y ensayos automticos en el sector de cerraduras. ........... 12

Ilustracin 3: Faurecia calcula y visualiza previamente casi todas las partes con

simulaciones CAD. ................................................................................................ 14

Ilustracin 4 Faurecia expone su perspectiva de diseo automotriz en los principales

eventos Auto Show: .............................................................................................. 15

Ilustracin 5: Automatizacin industrial Unitronics, PLC- HMI, mdulos de

comunicacin, mdulos de expansin. ................................................................. 16

Ilustracin 6: PLC SLC500 de Allen Bradley ......................................................... 17

Ilustracin 7: Diagrama PLC ................................................................................. 18

Ilustracin 8: PLC Compacto................................................................................. 19

Ilustracin 9: Arquitectura de un PLC .................................................................... 21

Ilustracin 10: Estructura de Bus. ......................................................................... 21

Ilustracin 11: Fuentes de Voltaje Siemens. ......................................................... 23

Ilustracin 12: Unidad Central de Proceso. ........................................................... 24

Ilustracin 13: Diagrama a Bloques de Unidad Central de Proceso ...................... 24

Ilustracin 14: CPU (Unidad Central de Proceso). ................................................ 25

Ilustracin 15: Diagrama Entrada-Salidas. ............................................................ 25

Ilustracin 16: Rama en lista de instrucciones. ..................................................... 30

Ilustracin 17: Condiciones de Salida NOK y OK. ................................................. 30

Ilustracin 18: Diagrama de escalera con mala estructura. .................................. 30

Ilustracin 19: Cdigo con mltiples salidas en paralelo. ...................................... 31

Ilustracin 20: Representacin en siemens de una Rama. ................................... 32

Ilustracin 21: 27 Operaciones Lgicas. ............................................................... 32

Ilustracin 22: Concepto bsico de temporizador. ................................................ 34

Ilustracin 23: Representacin de Timer en TIA 10.5. .......................................... 34

Ilustracin 24: Diagrama de tiempos de funcionamiento de timer.. ....................... 35

Ilustracin 25: Contador Incremental en TIA 10.5. ................................................ 35

Ilustracin 26: Contador Decremental en TIA 10.5. .............................................. 36

Ilustracin 27: Planta en Parque Industrial Ciudad Textil, ubicado en el municipio de

Huejotzingo, Puebla .............................................................................................. 37

Lista de tablas

Tabla 1: Nomenclatura de entradas, salidas, etc, de diferentes fabricantes. ........ 28

Tabla 2: Ejemplo de nmeros de parte con informacin de color de piel, hilo y

nmero de ciclos ................................................................................................... 38

Tabla 4: Elementos de entrada al sistema de inspeccin de color de carrete de hilo.

.............................................................................................................................. 48

Tabla 5: Elementos de salida del sistema de inspeccin de cerradura. ................ 49

Lista de smbolos

CAPITULO I INTRODUCCIN

INTRODUCCIN

Automatizacin es el uso de sistemas de control y de tecnologa informtica para

reducir la necesidad de la intervencin humana en un proceso. En el enfoque de la

industria, automatizacin es el paso ms all de la mecanizacin en donde los

procesos industriales son asistidos por maquinas o sistemas mecnicos que

reemplazan las funciones que antes eran realizada por animales. Mientras en la

mecanizacin los operadores son asistidos con maquinaria a travs de su propia

fuerza y de su intervencin directa, en la automatizacin se reduce de gran manera

la necesidad mental y sensorial del operador. De esta forma presenta grandes

ventajas en cuanto a produccin ms eficiente y disminucin de riesgos al operador.

Ilustracin 2: Pruebas y ensayos automticos en el sector de cerraduras.

1.1 Estado del arte

Las principales ventajas de aplicar automatizacin a un proceso son:

Reemplazo de operadores humanos en tareas repetitivas o de alto riesgo.

Reemplazo de operador humano en tareas que estn fuera del alcance de sus

capacidades como levantar cargas pesadas, trabajos en ambientes extremos o

tareas que necesiten manejo de una alta precisin

Incremento de la produccin. Al mantener la lnea de produccin automatizada, las

demoras del proceso son mnimas, no hay agotamiento o desconcentracin en las

tareas repetitivas, el tiempo de ejecucin se disminuye considerablemente segn el

proceso.

La automatizacin de un nuevo producto requiere de una inversin inicial grande en

comparacin con el costo unitario del producto, sin embargo mientras la produccin

se mantenga constante esta inversin se recuperara, dndole a la empresa una

lnea de produccin con altos ndice de ingresos.

Impacto social

Es un pensamiento muy comn que la automatizacin es fuente directa de

desempleo. Sin embargo el desempleo es causa por polticas econmicas de las

empresas como despedir a un operador en lugar de cambiar sus tareas, que quizs

ya no sean de mxima concentracin en el proceso sino tareas de supervisin del

proceso. En lugar de ser despedidos los trabajadores son desplazados y por lo

general son contratados para otras tareas dentro de la misma empresa, o bien en

el mismo trabajo en otra empresa que todava no se ha automatizado. Esto se puede

establecer porque existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la

automatizacin. Ningn dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el

ojo humano para la precisin y certeza en muchas tareas; tampoco el odo humano.

El ms intil de los seres humanos puede identificar y distinguir mayor cantidad de

esencias que cualquier dispositivo automtico. Las habilidades para el patrn de

reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y produccin de lenguaje se

encuentran ms all de cualquier expectativa de los ingenieros de automatizacin.

De esta forma tambin Hay quienes sostienen que la automatizacin genera ms

puestos de trabajo de los que elimina. Sealan que aunque algunos trabajadores

pueden quedar en el paro, la industria que produce la maquinaria automatizada

genera ms trabajos que los eliminados. Para sostener este argumento suele citarse

como ejemplo la industria informtica. Los ejecutivos de las empresas suelen

coincidir en que aunque las computadoras han sustituido a muchos trabajadores, el

propio sector ha generado ms empleos en fabricacin, venta y mantenimiento de

ordenadores que los que ha eliminado el dispositivo.

Las ventajas de la automatizacin industrial se ven reflejado en equipos ms

seguros, confiables y ergonmicos, durante la etapa de desarrollo, los productos

son sometidos a numerosas pruebas de carga que reproducen el uso al que sern

sometidas en diferentes las regiones del mundo, se calcula previamente casi todas

las cargas con simulaciones CAD. Tambin se realiza un renderizado del diseo en

CAD para tener una vista previa de cada elemento diseado Ver Ilustracin 3.

Ilustracin 3: Faurecia calcula y visualiza previamente casi todas las partes con simulaciones CAD.

Nuevo enfoque

El enfoque pasado de la automatizacin simplemente planteaba el mximo

incremento de la produccin y la reduccin de costos. Este enfoque se qued corto

porque adems de todo esto se tiene que proveer una fuerza de trabajo calificada

que pueda reparar y administrar la maquinaria y que mantenga la produccin

constante. En estos casos los costos inciales de la automatizacin son difcilmente

recuperados. El nuevo enfoque de la automatizacin est siendo aplicado

principalmente en mejorar al mximo la calidad del proceso y luego mantener esta

calidad en el producto a travs de operadores calificados. Ya en segundo plano se

encuentra los tiempos de produccin.

Otro cambio importante en el nuevo enfoque de la automatizacin es la demanda

por la flexibilidad de la lnea de produccin. Las empresas tienen una produccin

flexible cuando tienen la habilidad de cambiar la manufactura de un producto A por

una manufactura diferente para un producto B sin tener que reconstruir

completamente la lnea de produccin. Tambin una lnea de produccin es flexible

cuando se pueden cambiar parmetros bases como la produccin por da o adicin

o remocin de procesos dentro de la lnea sin afectar la calidad del producto Esta

capacidad de cambios de clulas de produccin es fcilmente implementada con un

buen diseo previo en la automatizacin de la lnea de produccin.

Ilustracin 4 Faurecia expone su perspectiva de diseo automotriz en los principales eventos Auto Show:

Herramientas de automatizacin

Con la implementacin de mtodos numricos en dispositivos de automatizacin el

resultado es una gama de aplicaciones de rpida expansin y de enfoque

especializado en la industria. La Tecnologa asistida por computadora (CAx) ahora

sirve de base para las herramientas matemticas y de organizacin utilizada para

crear sistemas complejos. Ejemplos notables de CAx incluyen el diseo asistido por

computadora (CAD) y fabricacin asistida por ordenador (CAM). La mejora en el

diseo, anlisis, y la fabricacin de productos basados en CAx ha sido beneficiosa

para la industria.

La tecnologa informtica, junto con los mecanismos y procesos industriales,

pueden ayudar en el diseo, implementacin y monitoreo de sistemas de control.

Un ejemplo de un sistema de control industrial es un controlador lgico programable

(PLC). Los PLC's estn especializados sincronizar el flujo de entradas de sensores

y eventos con el flujo de salidas a los actuadores y eventos. La Interfaz hombre-

mquina (HMI) o interfaces hombre computadora, se suelen utilizar para

comunicarse con los PLC's y otros equipos. (Ver Ilustracin 5)El personal de servicio

se encarga del seguimiento y control del proceso a travs de los HMI, en donde no

solo puede visualizar el estado actual proceso sino tambin hacer modificaciones a

variables crticas del proceso.

Ilustracin 5: Automatizacin industrial Unitronics, PLC- HMI, mdulos de comunicacin, mdulos de expansin.

Existen diferentes tipos de herramientas para la automatizacin como:

ANN - Artificial neural network

DCS - Distributed Control System

HMI - Human Machine Interface

SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition

PLC - Programmable Logic Controller

PAC - Programmable automation controller

Instrumentacin

Control de movimiento

Robtica

1.2 Introduccin a los PLCS

Definicin de los PLCs

El trmino PLC proviene de las siglas en ingls para Programmable Logic Controler,

que traducido al espaol se entiende como Controlador Lgico Programable. Se

trata de un dispositivo electrnico, que se ha diseado para programar y controlar

procesos secuenciales en tiempo real, en otras palabras se utiliza para realizar

automatizaciones sencillas y complejas para lograr controlar sistemas.

Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales

en procesos como: Lneas de manufactura, maquinas llenadora, maquinas

etiquetadoras, armadoras, sistemas de seguridad, sistemas de riego, entro otros

procesos.

Ilustracin 6: PLC SLC500 de Allen Bradley

Un PLC posee las herramientas necesarias, tanto de software como de hardware,

para controlar dispositivos externos, recibir seales de sensores y tomar decisiones

de acuerdo a un programa que el usuario elabore segn el esquema del proceso a

controlar. Lo anterior significa que, adems de los componentes fsicos requeridos

para la adaptacin de las seales, es necesario disponer de un programa para que

el PLC pueda saber qu es lo que tiene para hacer con cada una de ellas. Ver

Ilustracin 7.

Ilustracin 7: Diagrama PLC

De igual manera, despus que se ha hecho el procesamiento de las seales y se

han tomado decisiones, el PLC altera sus salidas, inicialmente con seales de

formato digital y posteriormente a otro formato de acuerdo a los actuadores que se

vayan a utilizar, ya sean digitales o analgicos.

Todo PLC est compuesto de tres componentes principales:

1. Una Unidad Central de Procesamiento (CPU)

2. Un grupo de entradas (I)

3. Un grupo de salidas (O)

Podemos hacer una analoga entre un PLC y una computadora. Toda computadora

posee una unidad central, la cual contiene un microprocesador, memoria RAM, etc.

Igual sucede con el PLC, que posee una CPU o unidad central de procesamiento,

con uno o varios microprocesadores que se encargan de analizar la informacin que

les llega y de ordenar acciones de acuerdo al programa que tengan instalado.

Las computadoras poseen perifricos de entrada como teclado, escner, mando

para juegos, etc., as como los PLCs capturan seales de sensores, interruptores,

pulsadores y otros. Por su parte, para ejecutar las acciones que resultan luego de

procesar la informacin, una computadora tiene el monitor donde se muestran los

resultados, as mismo, puede tener una impresora y un PLC, por una parte, para

entregar los resultados a travs de sus salidas, puede tener contactores, relevos,

electrovlvulas, motores, lmparas, etc.

Aunque todos los autmatas poseen los bloques principales mencionados, no todos

los tienen dentro de un mismo compartimiento. Es decir, algunos de ellos son

compactos, mientras otros son modulares. En los modulares, las entradas pueden

ser bloques independientes, incluso varios de ellos, al igual que las salidas, y todos

independientes de la Unidad Central de Procesamiento. Por su parte, los PLCs

compactos, tienen todos sus dispositivos electrnicos en un solo compartimiento y

no permiten configuraciones especiales, como s sucede en los modulares

Ilustracin 8: PLC Compacto

As como existen distintos tipos de PLC tambin existen distintas marcas que las

fabrican, y distintos software desde los que se programan. Las marcas ms

conocidas que crean hardware de PLCs son las siguientes

Siemens (S5, S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200)

Allen Bradley (SLC500, Micrologix, Control Logix, Compact Logix, etc.)

GE Fanuc

LG

Mitsubishi

Yaskawa

Omron

Panasonic

Unitronics

Arquitectura de un PLC

Los autmatas programables estn compuestos de muchos bloques internos,

dependiendo especialmente de la configuracin del mismo. Sin embargo, todos se

ajustan a ciertos elementos bsicos, (Ilustracin 9) como son:

Fuente de alimentacin

Unidad central de proceso (CPU)

Memoria ROM

Memoria de datos RAM

Memoria de programa (ROM, EEPROM o FLASH)

Interfaces de Entrada y Salida

Ilustracin 9: Arquitectura de un PLC

Si el PLC es de tipo modular, los mdulos se comunican internamente a travs de

buses ubicados en el fondo del dispositivo o rack, donde se ensambla la

arquitectura deseada, Ahora, si el PLC es compacto, los buses tambin estn

presentes internamente, pero no admiten conexin de otros dispositivos externos.

Observe en la Ilustracin 10 la estructura utilizada para la comunicacin mediante

buses.

Ilustracin 10: Estructura de Bus.

Bsicamente existen tres tipos de buses, datos, direcciones y control, que son

simplemente lneas paralelas de cobre sobre un circuito impreso, con conectores

donde se instalan los mdulos que van a formar parte del sistema. A continuacin

conoceremos la funcin de estos buses:

1. Bus de datos. Es el bus encargado de transportar la informacin que hace

referencia a los datos propiamente dichos, tales como entradas y salidas.

2. Bus de direcciones. Contiene la informacin del dispositivo que es afectado

por los datos que actualmente viajen por el bus de datos. Esto es necesario ya que

el bus de datos es el mismo para todos los dispositivos, pero no todos ellos deben

tener en cuenta a la vez la misma informacin.

3. Bus de control. Es el bus por donde viaja la informacin que indica al

dispositivo seleccionado con el bus de direcciones, lo que debe hacer con los datos

que viajan actualmente por el bus de datos. Por ejemplo, mediante el bus de control

se indica si los datos son de entrada o son de salida.

Fuente de alimentacin

Es la encargada de suministrar el voltaje a todos los mdulos que se conecten al

PLC, as como a la unidad de procesamiento. Su funcin es reducir y adaptar el

voltaje de entrada, que es de valores elevados y de corriente alterna, a voltajes de

valores ms bajos y de corriente directa. Ver Ilustracin 11.

Ilustracin 11: Fuentes de Voltaje Siemens.

En la mayora de los PLCs, la fuente de alimentacin est incluida dentro del mismo

compartimiento donde se encuentra la CPU. En otros casos, la fuente es

configurable, permitiendo adaptar los voltajes y las capacidades de corriente, de

acuerdo a la necesidad de la aplicacin.

Entre las distintas marcas y tipos de PLCs se pueden encontrar con distintos tipos

de alimentacin, estas pueden ser:

440 V AC Trifasica

220 V AC Trifasica

220 V AC Bifasica

220 V AC Unifasica

110 V AC Unifasica

24 V DC

12 V DC

Esto se puede ver en la hoja de especificaciones o manual de cada PLC, asi como

tambin tienen un rango admisible sobre el cual pueden trabajar, por ejemplo un

PLC Simatic 1214 trabaja con un voltaje nominal de 24 V DC y tiene una tolerancia

de 20.4 V DC a 28.8 V DC. Este PLC trabajara correctamente mientras su voltaje

de alimentacin se encuentre dentro de este rango de voltaje de alimentacin, si el

voltaje superara esta valor o disminuyera, el PLC podra seguir prendido e incluso

funcionando, pero de manera incorrecta, o podra no hacer ninguna funcin.

Unidad Central de Proceso

Esta es la parte principal de un PLC y es el dispositivo encargado de tomar las

decisiones de acuerdo al estado lgico de las entradas, de las salidas y del

programa que se est ejecutando, es decir, lee las seales de entrada, las procesa

y dependiendo de ello, cambia el estado de las salidas. Tales decisiones dependen

del programa (software) que se haya diseado para el control del proceso. Est

compuesta principalmente de un microprocesador, Ilustracin 12, al que le

colaboran una serie de dispositivos electrnicos tales como memoria RAM, memoria

ROM, circuitos de control de flujo de datos, etc. As mismo, la CPU puede tener

integrada alguna unidad especial para comunicaciones con dispositivos externos

tales como impresoras, computadoras personales, programadores manuales, etc.,

aunque dichos sistemas de comunicacin tambin pueden estar en mdulos

independientes. Observe en la Ilustracin 13 el diagrama de bloques de una unidad

central de proceso de un PLC, y en la Ilustracin 14 el aspecto fsico de una de

ellas.

Ilustracin 12: Unidad Central de Proceso.

Ilustracin 13: Diagrama a Bloques de Unidad Central de Proceso

Ilustracin 14: CPU (Unidad Central de Proceso).

Los mdulos de entrada / salida se dividen bsicamente en dos grupos:

Mdulos de entrada / salida discretos.

Mdulos de entrada / salida analgicos.

Se cuenta con una gran variedad de mdulos discretos y analgicos para adaptarlos

ptimamente al tamao del proceso o mquina. Estos pueden ser usados en

cualquier combinacin de tipo y numero de ellos insertados en las ranuras del

chasis.

Ilustracin 15: Diagrama Entrada-Salidas.

1.3 Conceptos Generales de programacin

Introduccin

Antes de iniciar con el proceso de programacin, es conveniente tener claro algunos

conceptos preliminares respecto a la organizacin de los programas en la memoria

del procesador.

Por otro lado, tambin es importante reconocer las diferentes representaciones de

los lenguajes de programacin, as como, su denominacin en marcas de

reconocido prestigio.

Programa, programacin y lenguajes de programacin

Desde el punto de vista del Procesador, un programa es un conjunto de

instrucciones o proposiciones bien definidas que le dicen lo que tiene que hacer.

Cada instruccin le indica:

- Qu operacin realizar a continuacin

- De dnde obtendr los datos que necesita para realizarla

- Dnde guardar los resultados de la operacin.

Desde el punto de vista del usuario, un programa, son las especificaciones de un

conjunto de operaciones que debe llevar a cabo el computador para lograr resolver

una determinada tarea.

Un programa se escribe en un lenguaje de programacin, estos lenguajes permiten

simplificar la creacin de programas debido a su fcil descripcin de las

instrucciones que ha de ejecutar el procesador; en algunos casos, agrupando varias

instrucciones y dando un solo nombre al conjunto, de tal forma que la lista de

operaciones se reduce considerablemente, resultando fcil la comprensin y

resolucin de programas. Tambin varios cientos de instrucciones simples se

pueden expresar con una lista de unas cuantas lneas.

Finalmente, a la accin de realizar un programa se le conoce como programacin.

En conclusin, reuniendo estos tres conceptos podemos decir: Un programa se

escribe en un lenguaje de programacin y a la actividad de expresar un algoritmo

en forma de programa se le denomina programacin.

A menudo, el lenguaje de programacin se denomina software de programacin

cuando se emplea un trmino genrico, a fin de distinguirlo del hardware.

Clasificacin de los programas

Parte del programa lo escriben los usuarios para ejecutar tareas que deseemos

automatizar, pero adems existen otros programas ya escritos que permiten

procesar los programas del usuario. A continuacin, se definirn estos dos tipos de

programas.

Programas del sistema

Existen cierto nmero de otros programas que proporcionan servicios vitales a los

programas del usuario, esto es, realizan funciones operativas internas del

controlador; estos programas, incluyendo los traductores de lenguaje reciben la

denominacin colectiva de programas del sistema o software del sistema. Un

elemento notable de ste es el sistema operativo, cuyos servicios incluyen el manejo

de los dispositivos de entrada y salida del PLC, el almacenamiento de la informacin

durante largos perodos, organizar el procesamiento de los programas del usuario

o aplicacin, etc.

Estos programas estn almacenados en memoria EPROM dentro de la CPU, por lo

tanto no se pierden ni alteran en caso de prdida de alimentacin al equipo. El

usuario No tiene acceso a ellos.

Programas de aplicacin de usuario

Es el conjunto de instrucciones o proposiciones que programa el usuario, con el fin

de resolver tareas de automatizacin especfica. Para ello, el usuario escribe el

programa de acuerdo a la representacin del lenguaje de programacin que mejor

se adapte a su trabajo, en todo caso, tenga un mejor dominio. Es importante sealar,

que algunos fabricantes no emplean todos los tipos de representaciones de los

lenguajes de programacin, no obstante, el usuario tendr que adaptarse a la

representacin que se disponga.

Lenguajes de programacin

Podemos escribir un programa par aun PLC en distintas formas, estas dependiendo

de qu herramientas nos del lenguaje de programacin del fabricante, y de cual se

nos acomode ms para la accin a realizar. Entre los lenguajes ms comunes son

los siguientes:

- Mneumnico o Listas de Instrucciones.

- Esquema de contactos o diagrama de escalera.

- Esquema Funcional

Entre los distintos fabricantes, suelen llamar de una manera distinta a las entradas,

salidas, espacios de memoria voltiles y espacios de memoria no voltiles, esto

tambin puede depender del idioma en el que se tenga. A continuacin en la Tabla

1 se muestran las principales marcas y sus nomenclaturas

Entradas Salidas Memorias

Volatiles

Memorias no

Volatiles

Siemens I, E

(X.0..X.7)

A, O (X.0.

X.7)

M (X0.0..X0.7) DB

(DBW,DBB,DBX)

Allen Bradley I:Slot/Bit O:Slot/Bit B(binarios)

N(Enteros)

Fanuc %I # %O # %M # %R #

Unitronics I # O # MB # (Binarios)

MI # (Enteros)

Tabla 1: Nomenclatura de entradas, salidas, etc, de diferentes fabricantes.

Conceptos generales de los diagramas de escalera

Un programa en Diagrama de escalera o esquema de contactos, la constituye una

serie de ramas de contactos.

Los smbolos bsicos son:

Una rama est compuesta por una serie de contactos, conectados en serie o en

paralelo que dan origen a una salida que bien puede ser una bobina o una funcin

especial

Imagen 1.21 Rama a una Salida o Bobina

Imagen 1.22 Rama a un Timer

**La representacin del timer y de las funciones en estas imgenes son basadas en

un programa hecho en TIA 10.5 para los PLCs 1200

En este tipo de instrucciones o ramas se leen e interpretan de izquierda a derecha

y de arriba hacia abajo, este tipo de expresin tambin se puede expresar en listas

de instrucciones.

Contacto

NA

Contacto

NC

Salida o Bobina

Por ejemplo

Para cualquier rama, es totalmente necesario contar con un contacto para poder dar

una salida, de lo contrario es un error de programacin y el lenguaje no nos dejara

compilar ni cargar a nuestro PLC. (Hay algunos plcs que no marcan error al

compilar, sin embargo cuando est en funcionamiento se comporta de manera

extraa, por lo cual es recomendable no hacerlo)

**Compilar: Traducir un lenguaje de alto nivel a cdigo absoluto o lenguaje binario.

Ilustracin 17: Condiciones de Salida NOK y OK.

Otra de las restricciones con las que se cuenta en los programas de escalera es

que a la derecha de la bobina no se puede poner otra instruccin, sin embargo si se

pueden poner varias salidas en paralelo.

El nmero de Contactos en paralelo o en serie es prcticamente ilimitado,

dependiendo del fabricante del software.

Ilustracin 18: Diagrama de escalera con mala estructura.

U M12.0 U M12.1 = M203.7

Ilustracin 16: Rama en lista de instrucciones.

Ilustracin 19: Cdigo con mltiples salidas en paralelo.

Lenguaje en Mnemnico o listas de instrucciones

Este consiste en un conjunto de cdigos simblicos, cada uno de los cuales

corresponde a una instruccin, cada fabricante utiliza sus propios cdigos y

nomenclatura distinta para nombrar variables de sistema.

El lenguaje de listas de instrucciones es similar al lenguaje de ensamblador de los

microprocesadores, esto depende del fabricante.

Ejemplo de lista de instrucciones en PLC CQM1H

Instruccin: especifica la operacin a realizar.

Parametros: Son los datos asociados a la operacin (instruccin).

Direccin: Indica la posicin de la instruccin en la memoria del programa de usuario

Las funciones de control vienen representadas en expresiones abreviadas.

La programacin con experiencia es ms rpida que en diagramas de escalera

En siemens las listas de instrucciones utilizan principalmente los siguientes

comandos

U = contacto normalmente abierto

UN = contacto normalmente cerrado

O = Contacto en paralelo

= Asignacin de resultado a salida

En este lenguaje tambin se pueden representar expresiones ms complejas como

timers, desplazamientos, llamadas a sub-rutinas, etc.

Funciones Lgicas

Las funciones lgicas son aquellas operaciones que son realizadas por medio de

decisiones AND (y), OR (o) y NOT (Negacin) estas son las funciones principales

de un PLC.

En las expresiones lgicas, la instruccin AND es representada por un . Y el OR

por +, esto tiene su equivalente en diagramas de escalera por ejemplo una OR

sera igual a poner un contacto en paralelo, la negacin a un contacto NC, y la AND

a contactos en serie.

Por ejemplo si queremos realizar la lgica para las siguientes operaciones lgicas,

como quedara:

Ilustracin 21: 27 Operaciones Lgicas.

U M12.0 U M12.1 = M203.7

Ilustracin 20: Representacin en siemens de una Rama.

Para esto PBA es una entrada del PLC, un pulsador, al igual que PBB, y PL1, PL2,

y PL3 son lmparas que encender la salida del plc.

La lgica para este ejemplo quedara de la siguiente manera:

Imagen 1.28 Resultado de ejemplo.

Ejercicio, implementa la siguiente funcin Booleana:

Solucin:

Timers y Temporizadores.

Timers y Temporizadores.

Conceptualmente un remporizador (TIMER) es un dispositivo electrnico usado

para proveer seales de tiempo o para generar seales de accin retardada.

Un temporizador o timer digital consiste generalmente de un contador decreciente

en decrementos de uno del preset del contador, y al llegar a cero se activara un

relevador interno o una salida.

Ilustracin 22: Concepto bsico de temporizador.

Ilustracin 23: Representacin de Timer en TIA 10.5.

Ilustracin 24: Diagrama de tiempos de funcionamiento de timer..

Contadores

Para la realizacin de tareas de conteo de eventos externos los PLC tienen

contadores, Estos los hay de diferentes tipos, incrementales, decrementales, entre

otros, el fabricante del PLC nos delimitara los tipos de timers que podremos usar

con su PLC.

Ilustracin 25: Contador Incremental en TIA 10.5.

En la Ilustracin 26 se muestra un contador incremental hecho en TIA 10.5, este

aumentara en uno cada vez que la lgica antes del contador se cumpla e

incrementara en 1 indefinidamente, hasta que le llegue un valor booleano TRUE

en la entrada R, en este caso nunca se dar.

Tambin nos dar una salida al momento en que llegue a 10 conteos, esto se

configura en la entrada PV en la cual se coloca el preset de este contador y as

posteriormente podemos usar esta salida para ms condiciones posteriores

As mismo existe en la versin de TIA 10.5 un contador decremental llamado CTD

que har la misma funcin, solo que en este caso en PV tendremos que ponerle el

valor que tomara cada vez que la entrada LOAD sea TRUE y posteriormente cada

vez que la lgica sea cumplida decrementar 1 y dar el resultado de la resta en

CV, al momento de que el contador llegue a 0 dar su salida Q.

Ilustracin 26: Contador Decremental en TIA 10.5.

1.4 Planteamiento del problema

Situacin actual

Faurecia es un proveedor principal de auto partes, empleando talento de 80,000

trabajadores. Faurecia es el segundo ms grande proveedor de los fabricantes

automotrices en Europa y el sexto a nivel mundial, con presencia en 33 pases y

ventas anuales que ascienden a los 12 mil millones de euros.

Faurecia disea, desarrolla y fabrica interiores, asientos, mdulos frontales y

sistemas de escape para muchos de los vehculos ms populares del mundo.

La firma cuenta con cuatro unidades de negocio: asientos de automvil, tecnologas

de control de emisiones, sistemas de interiores y exteriores. La empresa distribuye

sus autopartes a 10 estados del pas, entre ellos, Puebla, Hermosillo, Quertaro,

San Luis Potos, Silao y Ramos Arizpe. La compaa tiene ms de 20 aos en

Mxico y cinco plantas en Puebla- de las nueve con que cuenta en el pas- y un

centro de diseo, genera 3,500 plazas

Ilustracin 27: Planta en Parque Industrial Ciudad Textil, ubicado en el municipio de Huejotzingo, Puebla

En la lnea de costura de la planta 29, ubicada en parque industrial FINSA, en

Puebla, se tiene un proyecto innovador de deteccin de color de carrete de hilo, a

cargo del ingeniero Othon Hernndez, se pretende determinar el color de los

carretes de hilo utilizados en mquinas de costura de fundas, para descartar errores

de hilo utilizado ya que a cada color y/o modelo de funda corresponde un color de

hilo determinado.

No. De parte Color de piel Calibre 20 Calibre 20 Calibre 40 # (CICLOS)

1141322X02VB BLACK ALPACAGREY ALPACAGREY ALPACAGREY 4

1141322X02VM MANDELBEIGE COMOBEIGE COMOBEIGE COMOBEIGE 4

1141322X02VG ALPACAGREY SIGNALWHITE SIGNALWHITE SIGNALWHITE 4

1141322X02VR MARRONTOBACCO NEGRO NEGRO NEGRO 4

Tabla 2: Ejemplo de nmeros de parte con informacin de color de piel, hilo y nmero de ciclos

Situacin propuesta

El poka-yoke de color de hilo utiliza un sensor de color RGB para distinguir entre

varios carretes de hilo. Un sistema de movimiento neumtico realiza el

posicionamiento de dicho sensor para verificar que el color de hilo en los tres

carretes sean los correspondientes de acuerdo a la informacin de etiqueta de

ayuda visual que se escanea por medio de un lector de cdigo de barras. Una vez

validado el color, se permite la operacin de costura habitual; de lo contrario o en

caso de realizar otra lectura de etiqueta y/o abrir la guarda de seguridad, se bloquea

el equipo, imposibilitando la costura hasta realizar la inspeccin de hilos.

1.5 Justificacin

La empresa faurecia establece, desde hace dcadas, estndares para la tecnologa

automotriz. Actualmente se coloc en el sexto lugar de los proveedores de sistemas

de interiores.

Es necesario un exitoso crecimiento y un espritu innovador que garanticen su

crecimiento, por lo tanto, la reduccin de fallas en el ensamble, la reduccin de

costos de produccin, el aumento de la productividad y el seguimiento de los

defectos para atacar la causa raz del problema encaminan a la lnea de costura a

alcanzar los requisitos de xito e innovacin.

La estacin de trabajo, tipo poka-yoke para deteccin de color de hilo, garantiza por

medio de pruebas utilizando un poderoso sensor de color, que el color de hilo de

cada funda cosida ser el adecuado evitando errores de operacin y acelerando el

proceso de costura.

1.6 Objetivos generales y particulares

1.4.1 Objetivos generales

Este trabajo, de una manera general, pretende desarrollar los siguientes puntos:

1. Presentar los pasos fundamentales para la realizacin de un proyecto real

para la industria.

2. Presentar tcnicas de automatizacin en procesos industriales.

3. Poner en marcha una estacin de trabajo tipo poka-yoke y validar su

funcionamiento, seguridad y productividad.

1.4.2 Objetivos particulares

2 Presentar los pasos necesarios para la elaboracin de un programa para un

sistema de automatizacin industrial, desde su concepcin, interpretacin,

programacin y puesta en marcha.

3 Diseo e implementacin mecnica.

4 Diseo e implementacin elctrica.

5 Diseo e implementacin de sistema de automatizacin.

6 Desarrollar un sistema de seguridad para las operaciones.

7 Desarrollar un sistema prctico de monitoreo de seales, diagnstico de

dispositivos y mantenimiento de los mismos, haciendo uso de un panel de

operador.

8 Realizacin de manual de operacin y mantenimiento.

8.1 Alcance y limitacin del proyecto

8.1.1 Alcance

El proyecto debe satisfacer las necesidades del cliente, es decir, de debe garantizar

el 100% de deteccin de fallas. Se realizarn pruebas de validacin con carretes de

hilo de diferentes tamaos, dimetros y tonalidades. La corrida de validacin se har

con un mnimo de 50 piezas, una vez superadas las pruebas, se realizar la

instalacin en planta de la estacin de trabajo, y se monitorear el funcionamiento,

en caso de ser necesario algunos ajustes se realizarn en lnea de produccin. Se

estima una produccin de una semana con chapas de la lnea para liberacin del

proyecto.

Se tiene considerado el diseo e implementacin mecnica, elctrica, sistemas de

automatizacin, adicionalmente y a consideracin del cliente, se instalar un

sistema de seguridad para el operador, por medio de una cortina fotoelctrica y/o

domo de acrlico. Tambin se puede realizar la integracin con trazabilidad, es decir,

un reporte con estadsticas de piezas defectuosas y la causa de dicha falla, esto a

consideracin del cliente o para futuras intervenciones.

8.1.2 Limitaciones

El tiempo designado para el desarrollo de este proyecto es limitado, ya que se tienen

que realizar las pruebas de validacin en la segunda semana de octubre (a solo dos

meses de inicio del proyecto).

La utilizacin PLC y HMI, debido a los estndares que se utilizan en esta planta, se

requiere la utilizacin de PLCs de la marca unitronics con una versin de hardware

muy reciente, se debe trabajar con un software actualizado y su interface de

programacin ya que an no se domina por completo.

La base de datos de los nmero de parte no se tiene definido por completo, por lo

que se debe hacer un estudio de espacio de memoria requerido ya que el PLC tiene

un espacio de memoria reducido.

El nmero de carretes de hilo asignadas para las pruebas durante el desarrollo del

prototipo solo es de dos piezas por color.

CAPTULO II Diseo del sistema

3.1 Propuesta de diseo del sistema

A continuacin se resumen los pasos a seguir para la operacin de costura

de fundas. El proceso inicia con el remate inicial de costura, contina con

la inspeccin de color de hilos y finalmente si son los correctos permite el

inicio de costuras, de lo contrario la mquina se bloquea, para continuar es

necesario colocar los hilos adecuados y realizar un reset. Los pasos a seguir son los siguientes:

1. Energizar gabinete.

a. Se inicia secuencia posicionamiento de sensor de color de hilo en

home.

2. Leer etiqueta correspondiente.

3. Realizar lectura de huella dactilar para quitar seguro.

4. Abrir manualmente la guarda de acrlico.

5. Colocar hilos.

6. Cerrar guarda de acrlico

7. Cerrar sesin de huella dactilar.

8. Iniciar ciclo, dando remate con pedal.

9. Se realiza secuencia de inspeccin de color de hilo. Como resultado del

escaneo se pueden dar las siguientes situaciones:

a. Si es congruente con lectura de etiqueta, el indicador luminoso se

enciende en color verde.

b. Error de color de hilo, el indicador luminoso se enciende en color

rojo.

i. Iniciar sesin para quitar seguro neumtico.

ii. Abrir guarda de acrlico y cambiar los hilos.

iii. Cerrar guarda

iv. Cerrar sesin para poner seguro neumtico

v. Leer etiqueta de RESET.

vi. Leer nuevamente etiqueta de ayuda visual.

vii. Realizar remate (Paso 8).

Diagrama de flujo

Descripcin de partes

Controlador

Lgico

Programable

(UNITRONICS)

Unitronics Vision 130 con tarjeta de

entradas y salidas (V130-33-T2). 12

entradas digitales, 12 salidas

digitales. Este dispositivo electrnico

controla en tiempo real la secuencia

de operacin mediante el

procesamiento de las entradas

digitales y/o analgicas para activar a

los distintos actuadores del poka-

yoke.

SENSOR

KEYENCE

Cabeza de sensor de color Keyence,

modelo CZ-H32. Es un elemento opto-

electrnico que determina el color del

elemento que se encuentra en el rea

de inspeccin, de acuerdo a la

comparacin de un valor predefinido

mediante el amplificador.

AMPLIFICADOR

KEYENCE

Amplificador CZ-V21AP. Mediante

una conexin de fibra ptica, recibe la

seal del sensor de color y la amplifica

para poder enviar una seal elctrica

al controlador PLC. El amplificador

cuenta con los controles (botones y

LEDs) para su configuracin e

indicadores de lecturas en tiempo real

y LEDs de resultados.

GUARDA DE

ACRLICO

Utilizada para garantizar que los

carretes de hilo no sean alterados,

mientras la inspeccin de color sea

satisfactoria, no se podr acceder al

interior de esta guarda. Cuando se

requiera cambiar de carretes, se

deber quitar el seguro neumtico

para posteriormente abrir

manualmente esta guarda.

SENSOR

MAGNTICO

DE GUARDA

DE SEGURIDAD

Este sensor detecta si la guarda de

acrlico se encuentra cerrada, en caso

contrario la mquina de coser se

bloquea.

SEGURO

NEUMTICO

Se trata de un pequeo pistn

neumtico que al extenderse bloquea

el movimiento de la guarda de acrlico,

funcionando as como un dispositivo

de seguridad para impedir la apertura

de dicha guarda.

BALIZA

LUMINOSA

Se encuentra en la parte izquierda de

la guarda de seguridad. Su funcin es

de un indicador de proceso, en donde

visualmente se puede determinar la

operacin realizada y los resultados

de la inspeccin de color: APAGADO:

No se ha activado poka-yoke,

NARANJA: En ciclo (se est

realizando la inspeccin), VERDE:

Inspeccin correcta, ROJO: Color de

hilo incorrecto, inspeccin no vlida.

CARRETE CON

HILO

Existen varios tamaos de carretes

que contienen hilos de calibre 20 y de

calibre 40. Se debe tener cuidado para

la colocacin de estos carretes en el

tubo de aluminio del poka-yoke y

tambin verificar que haya asentado

correctamente. NOTA: Solo se

pueden usar carretes con suficiente

hilo, de tal forma que el plstico azul

no quede expuesto, pudiendo resultar

en errores de inspeccin de color.

PANTALLA DE

MQUINA DE

COSER

Contiene informacin del estado de la

mquina de coser, es til para saber si

la mquina est bloqueada, en caso

de error de poka-yoke o que las

guardas de seguridad de la mquina

estn abiertas.

LECTOR DE

HUELLA

DACTILAR

Para poder cambiar los carretes de

hilo es necesario quitar el seguro

neumtico, para ello se tiene que leer

la huella dactilar de un usuario que

est dado de alta en la memoria del

dispositivo.

PEDAL PARA

INICIO DE

CICLO

(REMATE)

Como parte de la operacin se utiliza

este pedal para realizar costura y

remates inicial y final, en el caso de

que el poka-yoke est activado, se

bloquea el equipo en el momento de

realizar remate por medio del

accionamiento de este pedal.

LECTOR DE

CDIGO DE

BARRAS

Se utiliza para escanear las etiquetas

de ayuda visual y la etiqueta de reset.

Utiliza un cable de comunicacin

serial para enviar la informacin leda

al PLC.

Entradas del sistema

En la Tabla 3 se describen los componentes que intervienen en el sistema de forma

de entrada, los cuales son respectivamente entradas al PLC.

Operador Direccin Descripcin

I 0 KeyenceOUT1

I 1 KeyenceOUT2

I 2 KeyenceOUT3

I 3 KeyenceOUT4

I 4 Sensor Posicin Derecha

I 5 Sensor Posicin Izquierda

I 6 Sensor Posicin Media

I 7 Remate

I 8 Sensor Magntico

I 9 Lector de Huella

Tabla 3: Elementos de entrada al sistema de inspeccin de color de carrete de hilo.

Salidas del sistema

Las salidas de sistema, tal como se describen en el diagrama de flujo, son

controladas por el PLC, y tienen las funciones descritas en la

Operador Direccin Descripcin

O 1 Keyence (Nmero de Banco)

O 2 Baliza En ciclo (Amarillo)

O 3 Baliza Error (Rojo)

O 4 Baliza Color OK (verde)

O 5 Avanzar Pistn Izquierda a Derecha

O 6 Avanzar Pistn Derecha a Izquierda

O 7 Error/LSP

O 8 Clamp neumtico

Tabla 4.

Operador Direccin Descripcin

O 1 Keyence (Nmero de Banco)

O 2 Baliza En ciclo (Amarillo)

O 3 Baliza Error (Rojo)

O 4 Baliza Color OK (verde)

O 5 Avanzar Pistn Izquierda a Derecha

O 6 Avanzar Pistn Derecha a Izquierda

O 7 Error/LSP

O 8 Clamp neumtico

Tabla 4: Elementos de salida del sistema de inspeccin de cerradura.