DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA EMPACADORA Y SELLADORA DE BOLSAS DE JUGO DE NARANJA NATURAL

ESTEBAN SERRANO VIVAS

DIANA CATALINA BELTRÁN HUERTAS

PROFESOR

ALVARO PATIÑO

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN

BOGOTÁ

2014

Tabla de contenidoResumen.............................................................................................................................................2

1. Introducción...............................................................................................................................3

2. Antecedentes..............................................................................................................................4

3. Descripción del Proceso.............................................................................................................7

Diagramas de conexión al PLC..........................................................................................................7

4. Descripción de la estrategia de control.......................................................................................8

4.1 Tabla de Asignación de Variables..........................................................................................8

4.2 GRAFCET Funcional.............................................................................................................8

5. Descripción del sistema de supervisión....................................................................................10

6. Análisis de resultados...............................................................................................................11

7. Conclusiones............................................................................................................................11

Bibliografía.......................................................................................................................................12

Resumen

El uso de procesos automatizados y que requieran de poca mano de obra son cada día más comunes en el sector industrial y agrario. Muchas de las labores que hoy en día son desempeñadas por gran parte de los empleados en el país, implica un alto grado de inseguridad, por lo que su reemplazo por máquinas, conlleva a una mejora en la calidad de vida de los trabajadores. La producción del jugo de naranja natural haciendo uso de una máquina automática, pretende ayudar a mejorar su producción e incrementar la calidad del producto, en beneficio tanto de los trabajadores encargados del proceso productivo de la máquina y de los usuarios del producto.

El presente trabajo tiene como objetivo principal diseñar y construir una máquina empacadora y selladora de bolsas de jugo de naranja, con el fin de ser acoplada a una máquina productora de juego de naranja. La metodología que se utilizó para obtener el diseño de los elementos que componen la máquina, como de los diferentes planos de los mismos, se basó en un método de investigación de campo, teniendo en cuenta los conceptos adquiridos a los distintos espacios académicos.

Fueron elaborados los diferentes elementos de la máquina y posteriormente acoplados implementando métodos del ensamble, se hizo un análisis de los esfuerzos y otras características, que pueden presentar los elementos, el material y los elementos de uniones de los elementos que componen la máquina.

En este trabajo, se muestra las implicaciones que pueden conllevar, la mala implementación, construcción y diseño de los elementos que hacen parte de una máquina, al igual que la utilidad de ciertos métodos de ensamble teniendo en cuenta los esfuerzos a los que se puedan ver enfrentados estas uniones y los elementos que las componen.

Los resultados obtenidos, confirma la efectividad del diseño planteado, para el sellado y la clasificación de las bolsas de juego de naranja, al igual que se pudo concluir que algunos elementos y partes de las máquinas, están sometidos a un mayor esfuerzo que en otras partes de la misma. La seguridad industrial es un factor a tener en cuenta para el diseño de las máquinas, ya que esta puede variar dependiendo de las necesidades y las personas que están directamente involucradas en su uso, mantenimiento y operación. Para esta máquina es fundamental cuidar a los operarios de una posible quemadura con la resistencia que realiza el sellado, por lo cual, se protege la resistencia de un posible accidente al tener contacto con ella.

Se puede concluir, que los criterios y las metodologías de diseño de los diferentes elementos que componen la máquina y el correcto ensamblaje de los mismos, nos involucra como ingenieros en automatización y nos lleva a ser estrictos en momento de diseñar, construir e implementar, sin dejar de lado que se busca plantear la solución más útil y con el mayor beneficio de los que están involucrados directamente con su uso, y finalmente lograr la construcción de una máquina selladora y clasificadora de bolsas de jugo de naranja.

1. IntroducciónEn el campo se pueden aprovechar de diferentes maneras los residuos, en especial si se habla de los residuos orgánicos de las plantas o de los animales domésticos, para obtención de abono. De esa manera se puede trasladar solamente la materia prima esencial hacia las ciudades y dejar esos residuos en el campo para su buena utilización. En el transporte de las naranjas del campo hacia las ciudades, el peso extra que genera la cascara de la misma y los intersticios que producen las mismas al ser empacadas en bultos, espacio que puede ser totalmente ocupado por el líquido, y más se puede generar un empaquetamiento del mismo jugo para que se pueda conservar para trayectos más largos, en los cuales la fruta por sí sola no resistiría a los efectos del clima o la maduración que presenta la fruta. El proyecto tiene como objetivo diseñar y construir de una empacadora y selladora de bolsas de jugo de naranja natural para su cumplimiento se diseña y construye un sistema para el posicionamiento de la bolsa, un sistema de sellado, el control de calidad por peso de la bolsa, un sistema para la clasificación de las bolsas aprobadas y no aprobadas, la selección de los sensores digitales y análogos que harán parte de la máquina y el algoritmo de la máquina y desarrollarlo por medio de un PLC SIEMENS s7 1200. Se implementa una metodología basada en un método de investigación de campo, teniendo en cuenta los conceptos adquiridos, dicha metodología, se estableció a partir de los objetivos propuestos. Para el diseño y construcción de la fase de sellado de la máquina de jugo de naranja, se usó como metodología 6 pasos (reconocimiento de la necesidad, definición del problema, síntesis, análisis y optimización, evaluación y presentación), en los cuales se contemplan todos los parámetros y etapas que la máquina debe superar para cumplir con su labor (sellar bolsas de plástico con jugo de naranja). Entre los resultados obtenidos se observó que los esfuerzos requeridos para el sellado de la bolsa no eran elevados, al igual que se comprobó que el diseño implementado para el sellado y empacado de las bolsas fue efectivo, sin involucrar costos elevados para su elaboración.

2. Antecedentes

Para la elaboración de la máquina exprimidora de naranjas y dosificadora, se encontraron posibles soluciones, pero solo se tienen en cuenta las siguientes:

1. Planta de yogurt y queso Sion. (Jaramillo, 2010, pág. 2) Construida en el 2010 por Jacobo Díaz Montes y Juan Paulo Jaramillo. Ellos crearon una planta de yogurt y para envasar su producto y se centraron en el problema de la filtración que se podría presentar en el momento de sellar las bolsas, para ello, usaron una empacadora marca Flow-pack, que les permitía sellar y cortar la bolsa en zigzag, sin presentar ninguna clase de filtraciones, gracias a dos rodillos que arrastran el plástico tubular, que previamente ha sido sellado en la punta y que después de ser llenado de jugo, se sellará en el extremo superior, usando para esto una resistencia lo suficientemente caliente para derretir el plástico sin fundirlo. Debido a que en el presupuesto que se

tiene para la elaboración de la máquina, no es muy alto, no podemos comprar esta máquina, pero podemos usar el mismo principio para solucionar nuestro problema.

2. Diseño y construcción de una empaquetadora semiautomática para yogurt (GonzálezBarreto Sergio Fabián, 2012) en bolsas de 200 centímetro cúbicos, elaborada por Sergio Fabián Gonzales y Julián Felipe Ardila (ver figura 1), la cual usa una prensa accionada de forma neumática, para calentar y cortar las bolsas donde empaquetan el yogurt, las mordazas de dicha prensa están elaboradas en cobre, lo cual mejora la conducción térmica, y permite un mejor control sobre la temperatura, además de eso, tiene como característica, que brinda la posibilidad de cambiar las resistencias de las mordazas, por si en alguna ocasión es necesario sellar una bolsa de otro tamaño o con una con un material más grueso. De esta alternativa, podemos usar la prensa activada con el pistón neumático, que permita controlar mejor el tiempo que dura en contacto la resistencia con el material a sellar, evitando que se queme y el sellado no sea óptimo.

Figura 1. Máquina de sellado

3. Diseño de modelo de máquina empacadora de bolsas prefabricadas tipo doypack, (CASTELLANOS, 2011)elaborada por Rubén Eladio Alfaro Avilés y José Miguel Morán Castellanos (ver figura 2), el uso de este tipo de bolsa (doypack), les permite mantenerla en una posición fija, mientras esta puede ser dosificada por el líquido que haya sido escogido y después por medio de unas mordazas generar el calor suficiente para sellar las bolsas. Como las bolsas se pueden poner de pie solas la única dificultad es abrir el orifico donde se va a introducir el líquido, de esta manera se pues solo usar una parte de sellado en la máquina.

Figura 2. Modelo de máquina empacadora de bolsas prefabricadas tipo doypack.

(CORRALES, 2013) Realizada por Gabriela del Rocío León Corrales, en este artículo muestran diferente alternativas que están presentes en la industria para empacar productos, en este caso es crear una máquina para tener dos tipos de presentación para la panela granulada. La alternativa escogida fue realizar un sellado vertical de a bolsa, después sigue una parte donde se dosifica seguido de un sellado y cortado. En este proceso se tiene una materia semisólida y que por sus características es más fácil de empacar.

4. Diseño y construcción de un prototipo de una máquina dosificadora y selladora para condimentos (5) tesis realizada por José Luis Rodríguez y Byron José Tipantacg, donde propone un método para reducir el tiempo de sellado de bolsas de condimentos, implementaron un sellado de forma vertical, para el dosificado y el sellado de las bolsas. En esta tesis, se plantea como se usará una resistencia para el sellado de la bolsa, como se ve en la figura 3.

Figura 3.sistema de sellado

5. Diseño y construcción de un dosificador y empacador de producto alimenticio molido y seco de 50 gr. Tesis elaborada por en las cual se implementó el sistema que se observa en la figura, no solo se implementó el sistema de sellado, sino que se tuvo en cuenta el sistema de dosificación. El sistema de sellado utilizado en este proyecto, se implementa un sellado sencillo y haciendo uso de un cilindro, el cual sujeto a una resistencia, realiza el sellado de las bolsas.

6. Servosistema de tiraje, corte y sellado para máquina para convertir bolsas Plásticas tesis realizada en el Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela de Ingeniería Electrónica, donde implemento un sistema de control automático prototipo, del proceso de sellado y corte de una máquina para el sellado de bolsas plásticas. El control se basa en un servosistema, utilizado para controlar el movimiento con alta precisión. El servosistema reduce el tiempo de puesta en marcha de la máquina, y le facilita al operador el cambio de la producción de un producto a otro. (Chaves, 2008)

7. Estudio de factibilidad técnico económico financiero para la instalación de una fábrica de bolsas plásticas (A., 2005) desarrollada por Domingo Valero de la universidad católica Andrés bello donde se realizó un análisis detallado de la factibilidad que implica que en un empresa se instalen máquinas automáticas para la realización de bolsas plásticas, donde se logró comprobar dicha factibilidad de su uso para mejorar la producción de la empresa.

8. Diseño y construcción de una selladora industrial semi-automática para el emplasticado de kits de celulares para la empresa servitelefon Este proyecto presentado para la obtención del título de tecnólogos en electrónica de la escuela politécnica nacional por Olmedo Chicaiza Jhoanna Jacqueline y Simbaña Quisphe René Eduardo, plantea el diseño y construcción de una máquina selladora de plástico semi-automática haciendo uso de elementos neumáticos, eléctricos y un micro_PLC donde se hace una descripción detallada del diseño estructural y control del sellado de bolsas para celulares. (jacqueline, 2008)

9. Automatización de una selladora de fundas plásticas de Celofán para el empaquetado de pantalones jeans en la Empresa mabel’s en la ciudad de pelileo (Quinga,2010 )tesis de la Universidad técnica de Ambato Facultad de ingeniería civil y mecánica Danilo Quinga, el cual surge de la necesidad de dar solución al sistema de sellado en el empaquetado de pantalones jeans en la microempresa Mabel’s, especial en el área de producción, ya que la dificultad que se tiene al no poder obtener un proceso de sellado continuo y adecuado, la automatización aplicada a la selladora de fundas plásticas permitirá que en el proceso mejore la presentación del producto tomando en cuenta una presión de 75 Psi y temperatura 75 ° C que se toman de referencia para obtener un sellado de calidad y además permitirá un óptimo funcionamiento de la máquina

10. Diseño y modelamiento de una maquina dosificadora y empacadora de frutas deshidratadas tesis elaborada por Edgar Ernesto Santacruz Figueroa y Jesús Hernando Suarez Rubio de la Universidad de la Salle de la Facultad de Ingeniería de Diseño y Automatización Electrónica. Hablan sobre el resultado de este proceso se obtiene un modelo de una maquina dosificadora y empacadora de uchuvas deshidratadas, que se realiza mediante herramientas de software de modelamiento grafico (CAD), en donde se incluye además un sencillo método semiautomático de control electrónico para el proceso ya descrito.

11. Diseño de una selladora semi-automática de Bolsas de 30 a 200 µm de espesor. El objetivo de este proyecto consiste en rediseñar una máquina selladora manual para una empresa de plásticos en la ciudad de Talca, donde se fabrican bolsas especiales manualmente, abarcando un pequeño mercado dentro de la región. Utilizando técnicas de diseño se busca obtener una guía para el mejoramiento de una máquina de sellado manual. Para este fin, se llevó a cabo una investigación acerca de los sistemas utilizados por máquinas de similares características, observando su funcionamiento y diferenciando los factores que influyen en este tipo de equipos. Esta observación se complementó con una acuciosa revisión bibliográfica de la literatura existente, enmarcándose en lo que se desea conseguir. Se logró el diseño de la selladora semi-automática, la cual será capaz de fabricar 30 bolsas por minuto de dimensiones máximas de 700x900 mm. con sello de fondo, recibiéndolas en una bandeja de donde pueden ser retiradas para empacar y su posterior distribución.

3. Descripción del Proceso

Diagramas de conexión al PLC.

A continuación, se describen las conexiones realizadas de cada uno de los elementos de la máquina al PLC.

1

PLC

00 12M 20 31 42 53 64 724v GR

Figura . Representación del PLC

En la siguiente tabla, se describen las entadas y salidas del PLC, las cuales se conectaran al mismo, para su control.

Entradas Salidas Entrada análoga: sensor de peso

Entrada análoga: Termo-resistor

Salidas digitales: 4 salidas hacia el motor paso a paso.

Entrada Digital: pulsador de entrada Salida digital: resistencia térmica Entrada Digital: pulsador de parada Salidas digitales: 3 cilindros simple

efecto Entrada Digital: pulsador de detección de bolsa

TABLA . Entradas y salidas del PLC

Como se observa en la figura 27, un esquema del PLC, cuyas entradas estarán conectadas de la siguiente manera para el control de la selladora:En módulo de entradas análogas (sección amarilla) se conectó el sensor de peso, se conecta la salida de la señal análoga a uno de los puertos 1 o 0, entre la fuente y el puerto 2M se conecta la fuente de 5 volts.En las entradas digitales (sección verde) se conectan los pulsadores de inicio, parada y detección de la bolsa, estas entradas van conectando la fuente externa de 24 volts a los números de la entradas de ese puerto.Las salidas digitales (sección roja), está separadas por módulos, uno de los módulos estará energizada con 24 volts (módulo 1L) de una fuente externa diferente a la del PLC y el segundo estará energizado con 5 volts (módulo 2L), para el motor paso a paso las salidas estarán en los pines 0 al 3 del módulo 2L, la conexión se efectuara como se muestra en la imagen 7. Para conexión de la resistencia térmica estará en el módulo 1º en el pin 0 se conecta un relé activado a 24 volts. Las electroválvulas se conectaran directamente de las salidas 1 a la 3 del módulo 1L.

4. Descripción de la estrategia de control 4.1 Tabla de Asignación de Variables.

Variable Descripción Dirección Dato Variable tipo real que indica el valor del peso de la

bolsa registrado por el sensor de peso %M40.0

FinClasf1 Variable tipo bool que indica que un producto bueno ya fue clasificado con el fin activar el cilindro correspondiente

%M10.4

FinClasf2 Variable tipo bool que indica que un producto malo ya fue clasificado con el fin activar el cilindro correspondiente

%M11.0

Fin conteo Variable tipo bool que indica que se ya conto el tiempo necesario de activación del cilindro de sellado

%M2.6

Bit confir Bit que indica que ya se puede realizar el llenado de la bolsa

%M2.3

Malo Variable tipo bool que indica que el producto es clasificado como malo

%M2.2

Bueno Variable tipo bool que indica que el producto es clasificado como bueno

%M2.1

Fin de llenado Variable tipo bool que indica que ya se realizó la dosificación del producto

%M1.7

Fin Motor Variable tipo bool que indica que el motor ya termino de girar y que por lo tanto la bolsa ya esta ubicada

%M1.6

Bit bolsa Variable tipo bool que es accionada por el operario indicando que existe la presencia de bolsa

I0.5

Inicio Variable tipo bool que da inicio al programa I0.1

4.2 GRAFCET Funcional. Para la programación del PLC –S7 1200 se tendrá en cuenta el siguiente algoritmo de control GRAFCET, el cual describe la secuencia de control que ser realizara con el PLC S7-1200

Figura . Grafset de la solución

Cada uno de los estados representados en el algoritmo de control cumple con las siguientes:

E1: en este estado la máquina está en reposoE2: el ciclo del motor comienza a mover la bosa hasta determinar cierta distancia.E3: la maquina está en espera, mientras la otra sección de la máquina envía un bit de activación para cambiar al otro estado.E4: en este estado la válvula del cilindro de sellado se activa por un determinado tiempo, después se desactiva.E5: en este estado se tiene la lectura del sensor de peso y activa uno de los dos estados siguientes activando dos marcas M1 o M2.

E6 y E7: estos estados controlan las válvulas de los cilindros de selección, estos también se activan por un determinado tiempo y después des energizan y la placa queda otra vez lista para ocuparse.E8: este estado permite mantener un tiempo prudente que deja mientras otra vez se empieza el proceso. Se realiza una interfaz HMI (ver figura 29) , con el fin de contar un control del proceso, de manera visual para los operarios de la máquina. En el siguiente sistema de supervisión, se tendrá en cuenta la activación del motor paso a paso el cual mueve los rodillos que permiten el desplazamiento de la bolsa a ser sellada, se tienen 3 cilindros simple efecto, los cuales como se en la imagen, se activaran de acuerdo a los criterios de selección de calidad (cilindros inferiores) y el sensor que realiza el sellado. Para la resistencia que es la encargada de realizar el sellado de la bolsa, se contara con la ayuda de un termo-resistor, que en el momento en el que se detecte una temperatura adecuada para el sellado, se encenderá dicha resistencia para realizar el sellado de la bolsa.

5. Descripción del sistema de supervisión.

Figura. Sistema HMI implementado para la solución

En el sistema de supervisión se implementaron las variables de entrada y salida más importantes, una de ellas fue el sensor de peso, donde se registra el peso que toma el sensor. Se muestra la activación de los cilindros de acuerdo a si es el de sellado, o los cilindros de clasificación. Otro de los elementos implementados en el HMI, fue el motor paso a paso el cual mostraba la activación de cada uno de las salidas del motor. No se implementaron líneas de tendencia de la variable análoga del programa.

6. Análisis de resultados Se observa que el uso de materiales como el teflón y el corcho como aislantes térmicos, permiten un manejo más adecuado de las bolsas de plástico y demás elementos que se puedan ver comprometidos por la temperatura generada en el área de sellado. Además de proteger al operario contra quemaduras de cualquier tipo en el momento de la interacción con la máquina.

Los cálculos realizados para la elección del motor, muestra que existe un sobre dimensionamiento del 99.98%, lo que indica que el motor puede imprimir una potencia mucho mayor que la necesaria, para hacer mover el sistema de transmisión a 240RPM.

7. Conclusiones

Se logró diseñar y construir un Sistema para el sellado, clasificación y alimentación de las bolsas de manera integrada, dando como resultado un empaque y sellado efectivo.

El uso de un proceso automatizado como el sellado de las bolsas, es de gran utilidad en el área industrial para mejorar la producción de las empresas.

Se logró integrar los diferentes conocimientos adquiridos a lo largo del semestre para el diseño, construcción y control de la máquina.

BibliografíaA., D. A. (2005). 7. Estudio de factibilidad técnico económico financiero para la instalación de una

fábrica de bolsas plásticas .

CASTELLANOS, R. E. (2011). DISEÑO DE MODELO DE MÁQUINA EMPACADORA DE BOLSAS PREFABRICADAS TIPO DOYPACK.

Chaves, A. C. (2008). Servosistema de tiraje, corte y sellado para máquina convertidora de bolsas .

CORRALES, G. D. (2013). MÁQUINA DE EMPACADO Y CONTROL DE PESO PARA PANELA .

González Barreto Sergio Fabián, R. A. (2012). Diseño y Construcción de una Empaquetadora Semiautomática para Yogurt en Bolsa de 200 cc.

jacqueline, o. c. (2008). 8. Diseño y construcción de una selladora industrial semi-automática para el emplasticado de kits de celulares para la empresa servitelefon .

Jaramillo, J. D. (2010). Planta de yogurt y Queso Sion. UNIVERSIDAD DE CALDAS: PROGRAMA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS.

Quinga, D. (2010 ). 9. Automatización de una selladora de fundas plásticas de Celofán para el empaquetado de pantalones jeans en la Empresa mabel’s en la ciudad de pelileo .