Automatización de Pruebas Hidráulicas con PLC: Diseño de Sistema

FACULTAD DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y
ELECTRÓNICA
Programa Especial de Titulación:
“Diseño de un sistema de automatización
para pruebas de bombas y actuadores
hidráulicos de alto caudal y presión
controlado y supervisado por PLC”
Autor: Tito Quispe Jhon Santiago
Para obtener el Título Profesional de
Ingeniero Mecatrónico
ASESOR: Lozano Miranda Jorge Eliseo
Lima, Perú
2018
RESUMEN
La presente tesis describe el diseño de un sistema automático para realizar
prueba de bombas y actuadores hidráulicos, mediante la automatización con
el uso de un PLC. Con la implementación de esta tecnología se busca mejorar
la exactitud en la adquisición las variables físicas involucradas en cada prueba
e integrar el sistema a una red de supervisión, así como reducir el contacto
del operador con las fuentes de energía peligrosas y visualizar en tiempo real
los parámetros de cada prueba a través de una interfaz gráfica para generar
reportes e históricos exportables en tablas Excel.
El desarrollo de la investigación está compuesto por cinco capítulos. El primer
capítulo describe las tecnologías que se están desarrollando en la actualidad,
se define el alcance y los objetivos que se deben cumplir.
En el segundo capítulo se establece la lista de exigencias para el correcto
diseño del sistema, la caja negra, la estructura de funciones, la matriz
morfológica y así obtener los conceptos de solución y finalmente, la
evaluación técnica-económica que determina el proyecto preliminar óptimo.
En el tercer capítulo se realiza los cálculos respectivos para obtener los
valores necesarios que permiten seleccionar los componentes adecuados del
sistema hidráulico, eléctrico y de automatización.
El cuarto capítulo aborda la información teórica necesaria de los componentes
seleccionados para el desarrollo y la implementación. Finalmente, el capítulo
cinco presenta el análisis financiero-económico del proyecto.
DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado a mis Padres, Santiago y
Estela por su amor y sacrificio en todos estos años
para que nuestros sueños se cumplan.
Es un privilegio ser su hijo.
Los amo mucho.
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer a todas las personas que me
ayudaron en este largo camino, con su apoyo,
colaboración y enseñanzas. A mi jefe del trabajo Ing.
Fredy Rodríguez por toda la confianza y el tiempo
dedicado hacia mi persona.
A mis amigos de la universidad, los compañeros del
trabajo, familiares y en general a todas las personas
que colaboraron a realizar esta tesis.
ÍNDICE DEL CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1
CAPÍTULO 1 .............................................................................................. 2
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Y ESTADO DEL ARTE…………….....
2
1.1
Definición del problema…….…………………………………….
1.2
Banco de pruebas hidráulicas ........................................................... 2
1.3
Estado de la tecnología ..................................................................... 2
1.4
Justificación…………………………………….……………………..
1.5
Objetivo general ................................................................................ 5
1.6
Objetivos específicos......................................................................... 5
1.7
Alcances… ........................................................................................ 5
1.8
Limitaciones… .................................................................................. 5
2
4
CAPÍTULO 2 .............................................................................................. 5
CONCEPCIÓN DEL DISEÑO… ................................................................. 6
2.1
Lista de exigencias… ....................................................................... 6
2.2
Caja negra….................................................................................... 8
2.3
Estructura de funciones…................................................................ 8
2.4
Representación de la estructura de funciones… ............................ 10
2.5
Matriz morfológica........................................................................... 11
2.6
Conceptos de solución.................................................................... 13
2.7
Evaluación de conceptos de solución ............................................. 17
2.8
Proyecto preliminar… ...................................................................... 17
2.9
Evaluación técnica -económica ..................................................... 19
CAPÍTULO 3……………………………………………..............………..
22
INGENIERÍA DE CÁLCULO Y DISEÑO………………….……………..
22
3.1
Determinación del sistema hidráulico .............................................. 22
3.2
Memoria de cálculo del subsistema hidráulico N°1.…………...
22
3.2.1 Requerimientos del subsistema hidráulico N°1………………...
23
3.2.2 Selección de válvulas….………………………………………….
23
3.2.3 Pérdidas de presión en las tuberías….………………………….
24
3.2.4 Total de pérdidas de presión en el sistema ..................................... 24
3.2.5 Determinación de la potencia requerida por la bomba hidráulica
24
3.2.6 Selección de filtros en succión y retorno ......................................... 25
3.2.7 Volumen de aceite en la tubería ...................................................... 27
3.3
Memoria de cálculo del subsistema hidráulico N°2 .......................... 27
3.3.1 Requerimientos del subsistema hidráulico N°2................................ 28
3.3.2 Determinación del caudal necesario para pruebas… ...................... 28
3.3.3 Selección del vástago...................................................................... 29
3.3.4 Selección del tubo ........................................................................... 29
3.3.5 Caudal requerido por el actuador…................................................. 30
3.3.6 Selección de bomba hidráulica........................................................ 30
3.3.7 Selección de válvulas… .................................................................. 31
3.3.8 Pérdidas de presión en tuberías….……………………………….
32
3.3.9 Total de pérdidas de presión en el sistema….…………………..
32
3.3.10 Determinación de la potencia requerida por la bomba hidráulica
32
3.3.11 Selección de filtros en succión y retorno ......................................... 33
3.3.12 Volumen de aceite en la tubería ...................................................... 34
3.4
Memoria de cálculo del subsistema hidráulico N°3 .......................... 35
3.4.1 Requerimientos del subsistema hidráulico....................................... 35
3.4.2 Selección de bomba hidráulica........................................................ 36
3.4.3 Determinación de la potencia requerida por la bomba hidráulica.
36
3.4.4 Selección de válvulas… .................................................................. 37
3.4.5 Selección de filtro de succión .......................................................... 37
3.4.6 Selección de filtro de retorno ........................................................... 37
3.5
Dimensionado del tanque de aceite ................................................. 38
3.5.1 Dimensionado para recirculación ..................................................... 38
3.5.2 Dimensionado como reservorio de aceite ........................................ 38
3.5.3 Dimensionado final… ....................................................................... 38
3.6
Determinación sistema eléctrico ...................................................... 39
3.6.1 Requerimientos del sistema eléctrico… ........................................... 39
3.6.2 Selección de interruptores trifásico de potencia… ........................... 39
3.6.3 Selección de guardamotores y contactores….................................. 40
3.7
Determinación sistema de automatización ...................................... 43
3.7.1 Determinación de las I/O del sistema ............................................. 43
3.7.2 Selección del controlador de automatización programable .............. 44
3.7.3 Selección de interfaz máquina -hombre… ....................................... 46
3.7.4 Selección del variador de frecuencia ............................................... 46
3.7.5 Selección del arrancador suave ....................................................... 47
3.7 .6 Dispositivos en red (DLR) ................................................................ 48
3.8
Diagrama de flujo del programa de control. ..................................... 49
CAPÍTULO 4……………………………………………..............………..
51
CONCEPTOS TEÓRICOS ......................................................................... 51
4.1.
PLC Controlador lógico programable…….…..........................
51
4.2
Variador de frecuencia…..………….………..............................
54
4.3
Contactor trifásico de potencia.…………..……………………….
55
CAPÍTULO 5 .............................................................................................. 56
ANÁLISIS DE COSTOS ............................................................................. 56
5.1
Costo de diseño ............................................................................... 56
5.2
Costo de adquisición de materiales ................................................. 57
5.2.1 Subsistema hidráulico N°1 ............................................................... 57
5.2.2 Subsistema hidráulico N°2 ............................................................... 58
5.2.3 Subsistema hidráulico N°3 ............................................................... 59
5.2.4 Componentes de control .................................................................. 60
5.2.5 Componentes de potencia ............................................................... 61
5.2.6 Costo total de adquisición de materiales ......................................... 62
5.3
Costo de fabricación y maquinado ................................................... 62
5.3.1 Subsistema hidráulico N°1… ........................................................... 63
5.3.2 Subsistema hidráulico N°2… ........................................................... 63
5.3.3 Subsistema hidráulico N°3… ........................................................... 64
5.3.4 Tanque de almacenamiento de aceite hidráulico ............................. 64
5.3.5 Costo total de fabricación y maquinado ........................................... 64
5.4
Costo de ensamblaje ....................................................................... 65
5.5
Costo de Programación de PLC y puesta en marcha ...................... 65
5.6
Análisis económico-financiero…………………...……………..
66
CONCLUSIONES ...................................................................................... 69
RECOMENDACIONES A FUTURAS INVESTIGACIONES....................... 70
BIBLIOGRAFIA ......................................................................................... 71
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Listas de exigencias…................................................................ 7
Tabla 2. Listas de exigencias… ................................................................ 13
Tabla 3. Evaluación de conceptos de solución ......................................... 17
Tabla 4. Evaluación de proyectos- valor técnico ...................................... 20
Tabla 5. Evaluación de proyectos- valor económico ................................ 20
Tabla 6. Caída de presión de las válvulas ................................................ 23
Tabla 7. Tuberías Schedule 40 ................................................................ 24
Tabla 8. Filtro de succión a utilizar…....................................................... 26
Tabla 9. Filtro de retorno a utilizar… ....................................................... 26
Tabla 10. Características mecánicas de materiales…............................... 28
Tabla 11. Esfuerzos de flexión del acero… ............................................... 29
Tabla 12. Caída de presión en las válvulas… ........................................... 31
Tabla 13. Valor de la corriente en el sistema ............................................. 39
Tabla 14. Características de selección- Guardamotor y contactor…......... 40
Tabla 15. Entradas y salidas del subsistema 1......................................... 43
Tabla 16. Entradas y salidas del subsistema 2......................................... 44
Tabla 17. Entradas y salidas del subsistema 3......................................... 44
Tabla 18. Total de entradas y salidas del sistema .................................... 44
Tabla 19. Características de selección-CPU del PLC .............................. 45
Tabla 20. Características de selección-IO del PLC…............................... 45
Tabla 21. PLC+ Módulos de expansión .................................................... 46
Tabla 22. Características de selección- interfaz gráfica… ........................ 46
Tabla 23. Características de selección- variador de frecuencia… ............ 46
Tabla 24. Características de selección- arrancador suave ....................... 47
Tabla 25. Costo total de diseño ................................................................ 56
Tabla 26. Subsistema N°1 Electrohidráulica e hidráulica ......................... 57
Tabla 27. Subsistema N°1 Instrumentación ............................................. 58
Tabla 28. Subsistema N°2 Electrohidráulica e hidráulica ......................... 58
Tabla 29. Subsistema N°2 Instrumentación ............................................. 59
Tabla 30. Subsistema N°3 Electrohidráulica e hidráulica ......................... 59
Tabla 31. Subsistema N°3 Instrumentación ............................................. 59
Tabla 32. Sistema de control… ................................................................ 61
Tabla 33. Sistema de Potencia… ............................................................. 62
Tabla 34. Costo total de adquisición de materiales… ............................... 62
Tabla 35. Subsistema N°1 Manifold y tuberías… ..................................... 63
Tabla 36. Subsistema N°2 Manifold y tuberías… ..................................... 63
Tabla 37. Subsistema N°3 Manifold y tuberías… ..................................... 64
Tabla 38. Tanque hidráulico y Accesorios… .............................................. 64
Tabla 39. Costo total de fabricación y maquinado ...................................... 64
Tabla 40. Costo total de ensamblaje .......................................................... 65
Tabla 41. Costo total de programación de PLC y puesta en marcha ......... 65
Tabla 42. Costo total del sistema ............................................................... 66
Tabla 43. Histórico de personal técnico… .................................................. 66
Tabla 44. Personal técnico en sistema automatizado ................................ 67
Tabla 45. Histórico de reducción de materiales.. …...........................
67
Tabla 46. Reducción de materiales… ........................................................ 67
Tabla 47. Pruebas realizadas por día laboral ............................................. 68
Tabla 48. Cantidad de pruebas por tipo de actuador en un día laboral…... 68
Tabla 49. Aumento de produccion.............................................................. 68
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1. Banco de pruebas MH Hydraulics............................................. 3
Gráfico 2. Banco de pruebas Schroeder ................................................... 4
Gráfico 3. Banco de pruebas HFP Hydraulics ........................................... 4
Gráfico 4. Caja negra ................................................................................ 8
Gráfico 5. Estructura de funciones parciales…...................................
10
Gráfico 6. Estructura de funciones parciales óptima. ................................ 10
Gráfico 7. Concepto de solución 1............................................................. 14
Gráfico 8. Concepto de solución 2............................................................. 15
Gráfico 9. Concepto de solución 3............................................................. 16
Gráfico 10. Proyecto preliminar 1…............................................................ 18
Gráfico 11. Proyecto preliminar 2… ........................................................... 18
Gráfico 12. Proyecto preliminar 2… ........................................................... 19
Gráfico 13. Evaluación técnica-económica… ............................................. 21
Gráfico 14. Esquema hidráulico subsistema N°1(Anexo C.4) .................... 22
Gráfico 15. Esquema hidráulico subsistema N°2(Anexo C.5) .................... 28
Gráfico 16. Caudal de ingreso y salida de actuador… ............................... 33
Gráfico 17. Esquema hidráulico subsistema N°3(Anexo C.6) .................... 35
Gráfico 18. Selección de Interruptor trifásico de potencia .......................... 40
Gráfico 19. Selección de guardamotor y contactor de 15 HP. .................... 41
Gráfico 20. Selección de guardamotor y contactor de 1 HP ....................... 42
Gráfico 21. Componentes recomendados por el software.......................... 45
Gráfico 22. Arquitectura integrada, Dispositivos en Red anillo ................... 48
Gráfico 23. Diagrama de flujo del programa de control…........…..........
49
Gráfico 24. Partes de un PLC………………….……..........……..........
51
Gráfico 25. Entradas digitales…..…….........…...................................
52
Gráfico 26. Salidas digitales………………………...............................
53
Gráfico 27. Entradas analógicas……………….………........................
53
Gráfico 28. Salidas analógicas………….............................................
54
Gráfico 29. Determinar la velocidad de un motor síncrono ......................... 54
Gráfico 30. Circuito de un variador de velocidad……………..............
55
Gráfico 31 Contactor trifásico… ................................................................ 55
LISTA DE ANEXOS
Anexo A: Planos eléctricos: Diseño de tableros eléctricos de potencia y
Control.
Anexo B: Planos de Automatización: Diseño de topología de red anillo
Anexo C: Planos Hidráulicos: Diseño de sistema hidráulico.
Anexo D: Planos Hidráulicos: Diseño de tanque de almacenamiento de aceite.
Anexo E: Planos Hidráulicos: Diseño de campanas, brida y acople para
motores eléctricos.
INTRODUCCIÓN
El mantenimiento preventivo o correctivo de actuadores y/o bombas
hidráulicas requiere una prueba de verificación (pruebas de calidad) para
garantizar que el proceso por el que ha pasado el componente mecánico ha
sido el correcto y no surjan problemas e inconvenientes cuando el equipo esté
instalado y trabajando en el sistema final, estas pruebas se realizan en el
banco de pruebas hidráulicas.
Los bancos de pruebas existentes en el mercado requieren que los
operadores estén en contacto con las válvulas mecánicas, variando las
presiones y caudales de prueba de forma manual y apuntando datos en
muchos casos de forma no acertada; estos inconvenientes generan que las
pruebas no sean de calidad y garantía, dado que la mayoría de los bancos de
pruebas hidráulicas están diseñados con arquitecturas de control no
compatibles para ser integradas a un sistema de control existente en una
planta.
Ante esta problemática, se propone el diseño de un sistema automático para
realizar pruebas de bombas y actuadores hidráulicos de alto caudal y presión
que es controlado y supervisado mediante un controlador lógico programable
de la familia Compact Logix de Allen Bradley, el cual se programa para
recolectar la información de los sensores instalados en los manifolds,
actuadores y tanque hidráulico, para luego procesarla, controlar el sistema, y
registrar los datos en tablas y curvas de rendimiento de las bombas
hidráulicas.
El diseño propuesto permite al operador evitar el contacto de las fuentes de
energías peligrosas, así, se monitorean las variables y el estado del proceso
en todo momento desde una interfaz hombre-máquina o desde una sala de
control mediante un protocolo de comunicación Ethernet. El sistema
automático permite al operador registrar todas las variables sensadas, armar
históricos y recetas que le permitan comprobar y garantizar las buenas
prácticas adecuadas al realizar el mantenimiento respectivo.
1
CAPÍTULO 1
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Y ESTADO DEL ARTE
1.1 Definición del problema
Actualmente en el Perú, las empresas mineras, centrales hidroeléctricas,
maquinarias pesadas y plantas industriales solicitan equipos de sistemas
oleohidráulicos para operar chancadoras, compuertas hidráulicas planas o
radiales, troqueladoras, perforadoras, equipos móviles de potencia, etc. Estos
equipos son ensamblados con manifolds, actuadores, bombas hidráulicas,
motores hidráulicos que son probados independientemente antes de ser
instalados, con el fin de garantizar el correcto estado de fabricación o
mantenimiento, para formar parte del sistema oleohidráulico final.
Estas pruebas son realizadas en bancos de pruebas hidráulicas de manera
mecánica, donde los operadores realizan maniobras en forma manual, estando
en constante contacto con fuentes de energías peligrosas (presión hidráulica
mayor a 100 bar y corriente alterna con cargas mayores de 20 A) para poder
registrar de forma manual los valores de manómetros, rotámetros y
termómetros analógicos.
La arquitectura de control de estas máquinas está compuesta por lógica de
relés que dificulta el mantenimiento y la búsqueda de averías o controladores
de pequeña capacidad de procesamiento que impiden el monitoreo, acceso y
exportación de los parámetros obtenidos en la prueba e integrar el sistema a
un nivel de supervisión.
1.2. Banco de pruebas hidráulicas
Un banco de prueba es una plataforma donde se experimenta, verifica,
comprueba y certifica de manera rigurosa y transparente el funcionamiento de
cualquier elemento o máquina que emplee oleohidráulica mediante la medición
de parámetros como presión, caudal, temperatura, velocidad, etc., para
determinar los valores de potencia, rendimiento, etc., las cuales son
comparadas a valores nominales y permite indicar el estado en el que se
encuentra el elemento evaluado.
1.3. Estado de la tecnología
Los bancos de prueba para bombas y actuadores hidráulicos actualmente se
encuentran bastante desarrollados en el extranjero, pero así mismo existe una
2
variedad de estos hechos en talleres de reparación hidráulica de nuestro
medio. A continuación se mostrarán algunos ejemplos de ambos casos [11].
Bancos de prueba MH Hydraulics
Esta empresa ubicada en Holanda se encarga de proveer bancos de prueba
hidráulica para bombas de circuito abierto y cerrado, equipos con un motor
eléctrico de potencia de 140 kW – 400 V y un tanque de 800 L, es capaz de
probar bombas hidráulicas en condiciones de hasta 2900 rpm y 350 bar. Este
banco incluye diferentes tipos de instrumentos de medición para el sensado de
presión, flujo, velocidad y temperatura, además posee elementos de lectura
digital de datos que permiten tener conexión a una PC. Las versiones que
maneja esta empresa varían en el orden de 37, 90 y 140 kW.
Gráfico 1: Banco de pruebas MH Hydraulics (Fuente: MH Hydraulics)
Bancos de prueba Schroeder
Están diseñados para realizar pruebas generales de taller de bombas
hidráulicas, válvulas, motores y cilindros como componentes individuales. La
utilización de un banco de pruebas Schroeder permite al operador simular
cómodamente la función de un componente en su circuito y realizar una
prueba realista, proporcionando así el control de calidad necesario antes de
que cualquier componente reparado sea reemplazado en una máquina. El
rendimiento del componente se determina comparando los resultados de la
prueba del componente cargado con las especificaciones del fabricante con
una condición descargada.
3
Gráfico 2: Banco de pruebas Schroeder (Fuente: Schroeder industries)
HFP Hydraulics
Es una empresa peruana dedicada a la reparación, venta y prueba de
componentes hidráulicos, así, para garantizar la reparación de los actuadores,
bombas hidráulicas y otros componentes, los evalúan en su banco de
pruebas. Este tiene un sistema stand alone que consiste en un motor trifásico
de 25 HP alimentado y controlado por una lógica de relés, el cual transmite la
potencia al sistema generando presiones de trabajo que pueden llegar hasta
200 bar; la toma de datos se hace de manera manual, apuntando valores en
los manómetros, rotámetros y termómetros analógicos.
Gráfico 3: Banco de pruebas HFP Hydraulics (Fuente: HFP Hydraulic)
1.4 Justificación
El diseño del sistema automático para pruebas hidráulicas se justifica porque
permite mejorar la adquisición de los parámetros en las pruebas y evita el
contacto directo del personal con las fuentes de energía hidráulica.
Así mismo, el desarrollo de esta tecnología en el país es un proyecto viable y
rentable debido a que existe en el mercado nacional los componentes que
permiten implementar el sistema a un precio accesible.
4
1.5 Objetivo general
Diseñar un sistema automático que sirva de plataforma para evaluar y
controlar el alto caudal y presión en las pruebas de componentes hidráulicos.
1.6 Objetivos específicos




Definir la capacidad adecuada de los componentes mecánicos,
eléctricos y de automatización.
Registrar la presión, temperatura y caudal de forma automatica en cada
prueba.
Implementar una interfaz gráfica que permita al operador visualizar las
variables físicas del sistema.
Determinar el análisis financiero-económico del proyecto.
1.7 Alcance
Esta tesis se centra en el diseño del esquema hidráulico, sistema de control y
potencia, selección de componentes hidráulicos, componentes eléctricos y de
automatización, y la estimación del costo para la implementación del sistema
para realizar las pruebas de bombas y actuadores hidráulicos.
1.8 Limitaciones




5
El diseño del sistema automático permite la prueba de bombas
hidráulicas de la serie PLP10 hasta la serie PLP 20.
La presión de trabajo está regulada a 200 bar, pero la presión máxima
es de 250 bar.
El sistema permite realizar las pruebas hidráulicas a los actuadores de
dimensiones entre 40 mm hasta 250mm de diámetro, a presiones de
20 hasta 200 bar.
El sistema trabaja con aceite hidráulico ISO 68, y la temperatura de
trabajo no será mayor de 50°C para así garantizar la viscosidad
adecuada para las pruebas.
CAPÍTULO 2
CONCEPCIÓN DEL DISEÑO
2.1
Lista de exigencias
Se establece las exigencias o requerimientos que se debe cumplir para el
correcto diseño del sistema, y permita satisfacer las necesidades establecidas
como objetivos de la tesis.
DISEÑO DE UN SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN PARA PRUEBAS DE
BOMBAS Y ACTUADORES HIDRÁULICOS DE ALTO CAUDAL Y PRESIÓN
CONTROLADO Y SUPERVISADO POR PLC
E: EXIGENCIA
DENOMINACIÓN
RESPONSABLE
D: DESEO
FUNCIÓN PRINCIPAL: Probar el
funcionamiento de bombas de la serie PLP 10
hasta PLP 20, a la presión de trabajo de 200
E
T.Q.J.S
bar y un caudal de 10 l/min, y actuadores
hidráulicos a la presión de trabajo de 200 bar
y un caudal de 15 l/min.
ENERGÍA: La alimentación eléctrica para el
sistema de potencia es de 440 Vac - 3 Fases
(motores eléctricos, drivers y arrancadores), y
E
T.Q.J.S
en la parte de control de 220 Vac 1 Fase +
neutro para energizar las fuentes de AC-DC
que alimentan a los sensores, actuadores y
controlador
SEGURIDAD: El sistema se diseñará
priorizando la protección del operario y el
medio ambiente, consta de interruptores
termomagnéticos, guardamotores, válvulas
E
T.Q.J.S
limitadoras de presión las cuales son
necesarias para asegurar el funcionamiento
correcto de la máquina y la integridad del
operario .
RED : El controlador seleccionado permite la
comunicación del equipo mediante un
E
protocolo de comunicación Ethernet, y la
T.Q.J.S
integración y visualización de los registros de
datos en un sistema SCADA
6
E
FABRICACIÓN: La máquina será fabricada
en talleres de mecanizado y servicios
hidráulicos, y los materiales, instrumentos y
componentes son adquiribles en el medio
local.
T.Q.J.S
E
MONTAJE: La máquina será diseñada con
componentes de fácil montaje y para facilitar
el mantenimiento respectivo y/o su cambio.
T.Q.J.S
D
MANTENIMIENTO: La máquina tendrá fácil
acceso para su mantenimiento y limpieza.
T.Q.J.S
D
E
D
USO: El sistema es operado mediante una
interfaz gráfica que facilita al operador la
puesta en marcha, lectura de datos, y registro
de parámetros de manera sencilla.
SEÑALES: El sistema adquiere las señales
mediante lógica cableada, por medio de un
protocolo de comunicación Hart que permite
un mayor aprovechamiento de la data en el
sistema
ERGONOMIA: La disposición de los
dispositivos de operación (botoneras, interfaz
gráfica) y la máquina en general permiten una
fácil maniobrabilidad de acorde a las
exigencias ergonómicas.
Tabla 1: Lista de exigencias (Fuente: Elaboración propia)
7
T.Q.J.S
T.Q.J.S
T.Q.J.S
2.2
Caja negra:
La Caja Negra en el proyecto nos permite representar la función de la
máquina en un proceso técnico desconocido el cual modifica las tres
magnitudes básicas de entrada y salida en los procesos: Información, Materia
y Energía.
Bombas y Actuadores
Hidráulicos sin probar
Información preliminar
Energía eléctrica
Sistema de
Automatización
para pruebas
hidráulicas
Bombas y Actuadores
Hidráulicos probados
Información y comparación de
parámetros
Calor, movimiento, presión
hidráulica
Gráfico 4: Caja negra (Fuente: Elaboración propia)
2.3
Estructura de funciones
Se especifica las funciones que el sistema a diseñar debe cumplir para llegar
a cumplir la función principal.
Función Principal: Probar el funcionamiento de bombas de la serie PLP 10
hasta PLP 20, a la presión de trabajo de 200 bar y un caudal de 10 l/min, y
actuadores hidráulicos a la presión de trabajo de 200 bar y un caudal de 15
l/min.
Funciones parciales: Son las funciones que cumplen una tarea específica y
son necesarias para lograr la función principal.
Acoplar: Se procede a conectar, fijar y asegurar la bomba y/o actuador en la
máquina, el elemento debe estar bien fijo para evitar lecturas falsas al
momento de la prueba.
Energizar: Esta función permite energizar los tableros de potencia y control
que energizan a los sensores, actuadores y controlador.
Registro: Esta función permite ingresar las características de la bomba y/o
actuador hidráulico, y el tipo de prueba que se va realizar.
Regular: Se realizan los ajustes en la válvula proporcional de presión, para
limitar la máxima presión de trabajo y el caudal necesario para realizar las
pruebas.
Activar: Se procede a accionar la unidad motriz, la cual pone en marcha el
sistema hidráulico.
Direccionar el flujo: Se energiza la etapa de distribución de caudal.
8
Variar el flujo: se exige a la bomba hidráulica variar la salida de caudal
incrementalmente.
Adquisición de parámetros: Se encarga de realizar la lectura y toma de
datos, midiendo los valores de presión, temperatura y flujo de la bomba y/o
actuadores.
Generar carga: Se acciona la válvula proporcional de presión, incrementado
la presión en el sistema hidráulico, esto genera que la bomba hidráulica sea
sometida a una carga, y la unidad motriz aumente el valor de la corriente
eléctrica.
Adquisición de parámetros: Se encarga de realizar la lectura y toma de
datos, midiendo los valores de presión, temperatura y flujo en la salida de la
bomba y/o en las cámaras de los actuadores hidráulicos.
Generar sobrecarga: Se acciona la válvula proporcional de presión, hasta la
presión máxima de trabajo, en la prueba de bombas hidráulicas se debe llegar
al valor de presión máximo que figura la ficha técnica del elemento, y en los
actuadores hidráulicos hasta la máxima presión de diseño.
Adquisición de parámetros: Se encarga de realizar la lectura y toma de
datos, midiendo los valores de presión máxima, temperatura máxima y flujo
mínimo de la bomba y/o en la cámara de los actuadores, el valor de presión
máxima.
Detectar fugas: Consiste en medir las pérdidas en volumen debidas a fugas
internas en bomba hidráulica, permite obtener la eficiencia volumétrica de la
bomba y en los actuadores hidráulicos permite diagnosticar si el elemento
presenta fugas externas e internas.
Visualizar Datos: La visualización de los parámetros sensados en la prueba
es en tiempo real, quiere decir que se monitorea las variables en toda la
duración de la prueba y al finalizar se genera un registro de datos donde se
aprecia los valores de los parámetros más importantes durante la prueba.
Registro de datos: El sistema de control genera un Backup (copia de
seguridad) y permite extraer esta información para generar el reporte
correspondiente y generar históricos de las pruebas.
Desactivar: Al concluir las pruebas, se procede con apagar el motor eléctrico
de la máquina.
Desacoplar: Con la unidad motriz desconectada, se procede a retirar el
elemento mecánico probado. Con esto se finaliza el proceso.
Las tareas específicas por separado cumplen funciones parciales y la elección
de estos procesos se justificará en la estructura de funciones.
9
Gráfico 5: Estructura de funciones parciales (Fuente: Elaboración propia)
2.4
Representación de estructura de funciones óptimas
Se define la estructura de funciones, con la distribución más completa de las
funciones parciales, teniendo en cuenta la forma de resolución del problema y las
etapas de la solución, ya se tiene estructurada las etapas de funcionamiento de la
máquina.
Gráfico 6: Estructura de funciones parciales óptima (Fuente: Elaboración propia)
10
2.5
Matriz Morfológica
MATRIZ MORFOLÓGICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN PARA PRUEBAS DE BOMBAS Y ACTUADORES
HIDRÁULICOS DE ALTO CAUDAL Y PRESIÓN CONTROLADO Y SUPERVISADO POR PLC
FUNCIÓN
PRINCIPAL
FUNCIÓN
PARCIAL
PORTADOR DE FUNCIÓN
A
B
C
ALIMENTAR
MANUALMENTE
ALIMENTAR Y
ACOPLAR
ACOPLAR
MANUALMENTE
ENERGIZAR
REGISTRO
SETEAR
ACTIVAR
ENERGIZAR
TENSIÓN DE LINEA
GRUPO ELECTROG.
INTERFAZ GRÁFICA
APUNTES
INTERFAZ GRÁFICA +
PULSADORES
PULSADORES
REGISTRO
SETEAR
ACTIVAR
MOTOR ELÉCTRICO
DIRECCIONAR
EL FLUJO
DIRECCIONAR
EL FLUJO
VARIAR EL
FLUJO
VARIAR EL
FLUJO
VALVULA CON
ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO
VÁLVULA CON
ACCIONAMIENTO MANUAL
VARIADOR DE VELOCIDAD
REGULADORA DE FLUJO
MANUAL
TRANSMISORES DIGITALES
TRANSDUCTORES
ELÉCTRICOS
INSTRUMENTOS ANALOGICO
COMPUTADOR
INSTRUMENTOS ANALOGICO
TOMA DE
DATOS
ADQUISICIÓN
DE
PARAMETROS
11
MOSTRAR
DATOS
INTERFAZ GRÁFICA +
TRANSMISOR
ADQUISICIÓN
PLR
GENERAR
CARGA
GENERAR
CARGA
PESO EN ACTUADOR
HIDRÁULICO
PLC
VALVULA PROPORCIONAL DE
PRESIÓN
DAQ
VALVULA LIMITADORA DE
PRESIÓN
PRESIÓN
ADQUISICIÓN
DE
PARAMETROS
MANÓMETRO
TRANSMISOR DIGITAL DE
PRESIÓN
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN
ROTÁMETRO
TRANSMISOR DIGITAL DE
PRESIÓN
TRANSDUCTORDE FLUJO
FLUJO
TEMPERATURA
GENERAR
SOBRECARGA
GENERAR
SOBRECARGA
TERMÓMETRO
TRANSMISOR DIGITALDE
TEMPERATURA
TRANSDUCTOR DE
TEMPERATURA
PESO EN ACTUADOR
HIDRÁULICO
VALVULA PROPORCIONAL DE
PRESIÓN
VALVULA LIMITADORA DE
PRESIÓN
PRESIÓN
ADQUISICIÓN
DE
PARAMETROS
MANÓMETRO
TRANSMISOR DIGITAL DE
PRESIÓN
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN
ROTÁMETRO
TRANSMISOR DIGITAL DE
FLUJO
TRANSDUCTORDE FLUJO
FLUJO
TEMPERATURA
TERMÓMETRO
DETECTAR
FUGAS
12
DETECTAR
FUGAS
TRANSMISOR DIGITALES:
PRESIÓN Y FLUJO
TRANSMISOR DIGITALDE
TEMPERATURA
MANÓMETRO
TRANSDUCTOR DE
TEMPERATURA
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN
VISUALIZAR
DATOS
REGISTRO DE
DATOS
DESACTIVAR
VISUALIZAR
DATOS
INTERFAZ GRÁFICA
APUNTES
COMPUTADOR
COMPUTADOR
APUNTES
PLC Y COMPUTADOR
REGISTRO DE
DATOS
DESACTIVAR
MOTOR ELÉCTRICO AC
DESACOPLAR
ACOPLAR
MANUALMENTE
Tabla 2: Estructura de funciones parciales (Fuente: Elaboración propia)
2.6. Conceptos de solución
Se evalúan los conceptos de solución obtenidos al realizar la matriz morfológica,
de tal forma que se obtenga un concepto de solución óptimo.
2.6.1. Concepto de solución 1
Este concepto de solución pertenece a las flechas de color naranja, La red de
distribución eléctrica suministra tensión trifásica que permite el accionamiento del
motor eléctrico acoplado a la bomba hidráulica, el motor esta comandado por un
variador de frecuencia que permite variar el caudal de salida de la bomba
mediante la regulación de la velocidad del motor eléctrico.
A través de la interfaz gráfica se podrá registrar los datos técnicos de los
elementos a probar, regular los valores de presión y caudal para la prueba,
direccionar el flujo al energizar las electroválvulas de distribución, regular la
salida de presión energizando la válvula proporcional de presión, regular la
frecuencia del variador, esto evita que el operario este en contacto con las
fuentes de energía hidráulica.
La adquisición de los parámetros es a través de los transmisores digitales de
presión, flujo y temperatura que poseen display local para visualizar los
parámetros del proceso de forma local y a su vez envían la señal analógica de
4…20 mA, el protocolo de comunicación de Hart esta superpuesta sobre la señal
13
analógica, y permite monitorear en tiempo real el estado de la electrónica del
transmisor, los valores de calibración del zero(límite inferior) y span(diferencia
entre límite superior e inferior), el acumulado de caudal por unidad de tiempo, etc.
, esta señal está conectada al módulo de entradas analógicas Hart del PLC, y los
valores e información obtenida será mostrada en tiempo real mediante la interfaz
gráfica. El PLC registra y almacena los datos de cada prueba realizada con el
objetivo de generar históricos y comparar los valores preliminares con los
resultados obtenidos en la prueba y generar la curva de rendimiento de las
bombas hidráulicas, estos resultados serán exportados a un computador en
formato Excel para generar el Backup (copia de seguridad) y evitar que se sature
la memoria del PLC.
El PLC, la interfaz gráfica, los variadores de velocidad y los dispositivos de
control tienen doble puerto de conexión para comunicación Ethernet y así permitir
una conexión en red anillo, que es tolerante a fallas y garantiza la comunicación
entre los dispositivos.
Gráfico 7: Concepto de solución 1 (Fuente: Elaboración propia)
14
2.6.2. Concepto de solución 2
Es el Concepto al cual le pertenecen las flechas de color rojo, El suministro de
energía eléctrica es mediante un grupo electrógeno, que permite el
accionamiento a través de una lógica de contactores del motor eléctrico, que esta
acoplado a la bomba hidráulica. Se varía el caudal de salida de la bomba
mediante la válvula reguladora de flujo.
Se registra los datos técnicos de los elementos a probar mediante apuntes, se
regula manualmente los valores de presión manualmente a través de la válvula
limitadora, para direccionar el flujo se acciona de forma manual las válvulas de
distribución, y mediante un peso en el actuador se genera la carga y sobrecarga,
la adquisición de los parámetros importantes es mediante los transductores de
presión, flujo y temperatura que envían la señal analógica de 4…20 mA a las
entradas de la DAQ (tarjeta de adquisición de datos) y los valores del proceso
son visualizan y registran en el computador.
La DAQ no consta de procesador para desarrollar una lógica de control por eso
debe estar conectado a un computador, si falla la comunicación entre DAQ y el
computador se pierden los parámetros del proceso.
Gráfico 8: Concepto de solución 2 (Fuente: Elaboración propia)
15
2.6.3. Concepto de solución 3
Es el Concepto al cual le pertenecen las flechas de color azul, El suministro de
energía eléctrica de línea, Consiste en una lógica de control a través de un PLR
(Relé de lógica programable) que activa a los contactores y permiten el
accionamiento del motor eléctrico acoplado a la bomba hidráulica, se varía el
caudal de salida de la bomba mediante la válvula reguladora de flujo.
Se registra los datos técnicos de los elementos a probar mediante apuntes, se
regula manualmente los valores de presión a través de la válvula limitadora, para
direccionar el flujo se energiza las electroválvulas de distribución, y a través la
válvula limitadora de presión se genera la carga y sobrecarga, se puede
visualizar los valores del proceso en los manómetros, rotámetros, y termómetro
conectados al proceso.
La adquisición de los parámetros importantes es de forma manual debido a la
resolución, cantidad de entradas y salidas analógicas y digitales, se evita
conectar estas señales al PLR para no saturar la capacidad el procesador.
Gráfico 9: Concepto de solución 3 (Fuente: Elaboración propia)
16
2.7. Evaluación de conceptos de solución
Se procede a evaluar los conceptos de solución, teniendo en cuenta diferentes
parámetros de comparación. Las principales diferencias que se encuentran en
cada uno de los conceptos tienen que ver con la adquisición de los parámetros
del proceso, el sistema de generación de carga, la variación del flujo, la
visualización y el registro de los valores obtenidos en la prueba.
EVALUACIÓN PRELIMINAR DE LOS CONCEPTOS DE SOLUCIÓN
IDEAL SOLUCIÓN 1 SOLUCIÓN 2 SOLUCIÓN 3
CRITERIO
Función
Seguridad
Ergonomía
Fácil montaje
Confiabilidad
Complejidad
Fácil mantenimiento
Eficiencia del diseño
Productividad
Calidad de pruebas
Costo de la tecnología
Total
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
44
3
3
3
2
3
3
3
3
3
3
2
31
2
1
2
3
1
2
2
2
2
2
2
21
1
1
1
3
1
2
1
1
2
2
2
17
0=No satisface, 1=poco aceptable, 2=suficiente, 3= bien, 4 = optimo (ideal)
Tabla 3: Evaluación de conceptos de solución (Fuente: Elaboración propia)
El concepto de solución óptimo es el número 1, tiene que ver con el PLC,
interfaz gráfica, transmisores y variadores.
2.8. Proyecto preliminar
Se define el proyecto preliminar basado en el concepto de solución número 1
y a desarrollar algunas mejoras, para luego realizar una evaluación detallada
donde se tomaran en cuenta los criterios técnicos y económicos. Los
proyectos preliminares presentados se diferencian en la posición, disposición
de los equipos y materiales en la estructura del sistema.
2.8.1 Proyecto preliminar N°1
La estructura se basa en el concepto de solución 1 y tiene el tablero de control
y potencia adosado al lado derecho, los motores eléctricos para prueba de
actuadores están ubicados en la parte inferior, y el motor para prueba de
bombas hidráulicas fijado a una campana con acople flexible de disco,
17
ubicado en el centro de la estructura, el tanque de aceite se encuentra en la
parte superior de la estructura.
Gráfico 10: Proyecto preliminar 1 (Fuente: Elaboración propia)
2.8.2 Proyecto preliminar N°2
La segunda alternativa es parecida a la anterior, a diferencia de la cantidad y
posición de los tableros de control y potencia. El tablero de potencia esta
adosado al lado izquierdo de la estructura, cerca de los motores eléctricos y el
tablero de control adosado a un pedestal y está ubicado a lado derecho de la
estructura alejado a 5 metros, permite una operación segura , alejada de las
fuentes de energía peligrosas.
Gráfico 11: Proyecto preliminar 2 (Fuente: Elaboración propia)
18
2.8.3 Proyecto preliminar N°3
La última alternativa es parecida a la anterior, a diferencia de la posición de
los motores eléctricos para prueba de actuadores hidráulicos que están
ubicados en la parte superior de la estructura, aprovechando el espacio y
reduciendo la tubería de succión hacia el tanque y ubicando la salida de
presión cerca de los bloques de distribución.
Gráfico 12: Proyecto preliminar 3 (Fuente: Elaboración propia)
2.9 Evaluación Técnico – Económica
Se procede a determinar el proyecto preliminar óptimo, se elabora una
evaluación cualitativa de las diferentes alternativas.
EVALUACIÓN DE PROYECTOS - VALOR TÉCNICO
p: puntaje de 0 a 4 (Escala de valores según VDI 2225)
g: peso ponderado, está en función de los criterios de evaluación (1:4)
CRITERIO DE EVALUACIÒN
19
PP1
g
PP2
SOLUCION
IDEAL
PP3
p
gp
p
gp
p
gp
p
gp
Cumplimiento de la Función
3
2
6
3
9
3
9
4
12
Ergonomía
4
3
12
3
12
3
12
4
16
Productividad
3
3
9
3
9
3
9
4
12
Fácil montaje
3
2
6
3
9
3
9
4
12
Calidad de trabajo
4
3
12
4
16
3
12
4
16
Complejidad
3
2
6
3
9
3
9
4
12
Fácilidad de mantenimiento
2
1
2
1
2
4
8
4
8
Seguridad de operación
3
2
6
2
6
3
9
4
12
Facilidad de operación
4
2
8
2
8
4
16
4
16
Control y regulación de flujo
3
2
6
3
9
3
9
4
12
Control y regulación de Presión
3
2
6
3
9
3
9
4
12
Adquisición y muestro de datos
4
3
12
3
12
3
12
4
16
27
91
33
110
38
123
48
156
Suma de puntaje Ʃp y Ʃgp
0,58
Xi
0,71
0,79
1
0=No satisface, 1=poco aceptable, 2=suficiente, 3= bien, 4 = optimo (ideal)
Tabla 4: Evaluación de proyectos – Valor técnico (Fuente: Norma VDI 2221)
EVALUACIÓN DE PROYECTOS - VALOR ECONOMICO
p: puntaje de 0 a 4 (Escala de valores según VDI 2225)
g: peso ponderado, está en función de los criterios de evaluación (1:4)
CRITERIO DE EVALUACIÒN
PP1
g
PP2
PP3
SOLUCION
IDEAL
p
gp
p
gp
p
gp
p
gp
Costo de diseño
4
2
8
3
12
3
12
4
16
Costo de fabricación
3
2
6
2
6
3
9
4
12
Costo de mantenimiento
3
1
3
1
3
3
9
4
12
Costo de montaje
3
2
6
2
6
3
9
4
12
Costo de programación de PLC
4
2
8
3
12
3
12
4
16
Costo de puesta de marcha
3
2
6
2
6
3
9
4
12
Costo de operación
4
2
8
3
12
3
12
4
16
13
45
16
57
23
72
28
96
Suma de puntaje Ʃp y Ʃgp
Xi
0,47
0,59
0,75
0=No satisface, 1=poco aceptable, 2=suficiente, 3= bien, 4 = optimo (ideal)
Tabla 5: Evaluación de proyectos – Valor económico (Fuente: Norma VDI 2221)
20
1
Gráfico 13: Evaluación técnica-económica (Fuente: Norma VDI 2221)
Finalmente con la ayuda de la gráfica de evaluación técnica-económica se
concluye que el proyecto preliminar definitivo y optimo es el número 3, esta
solución se halla más próxima a línea con pendiente 1(representación de la
solución ideal) , dicha alternativa consiste en dos motores eléctricos ubicados
en la parte superior de la estructura para pruebas de actuadores, un motor
eléctrico ubicado en la parte central acoplado a una campana de aluminio
para prueba de bombas hidráulicas, un tablero de potencia adosado a la
estructura y cerca de los motores para la fácil instalación de los conductores
eléctricos a las borneras del tablero. El PLC y la interfaz gráfica están
ubicados en el tablero de control, alejado de las pruebas y de las fuentes
peligrosas de energía, a través de la interfaz el operador visualiza y controla
los parámetros y secuencias de la prueba.
21
CAPÍTULO 3
INGENIERÍA DE CÁLCULO Y DISEÑO
En este capítulo se detallan los cálculos utilizados para la selección de los
componentes hidráulicos, eléctricos y de automatización.
3.1
Determinación del sistema hidráulico
El diseño del sistema hidráulico está separado en tres subsistemas, el primero
para prueba de bombas hidráulicas, el segundo dedicado a prueba de
actuadores hidráulicos y el último para diálisis de aceite hidráulico. Los tres
subsistemas comparten un mismo tanque de almacenamiento de aceite.
3.2
Memoria de cálculo del sistema Hidráulico N°1.
Gráfico 14: Esquema hidráulico subsistema N°1 (Fuente: Elaboración propia)
22
3.2.1 Requerimientos del subsistema Hidráulico
El adecuado funcionamiento del subsistema requiere que las pruebas de
bombas hidráulicas de la serie PLP operen con las siguientes características:
Presión de diseño del sistema
:
200
bar
Caudal del sistema:
10
l/min
Tamaño máximo de bomba:
PLP 20.9
Desplazamiento de bomba:
9.17
cm3/Rev.
Presión máxima de bomba:
250
bar
Se considera la presión máxima y el caudal máximo para realizar nuestros
cálculos.
03.2.2 Selección de válvulas
El circuito hidráulico del sistema contempla las siguientes válvulas hidráulicas
a un caudal de 10 l/min @ 200 bar.
Válvula check de cartucho, para protección de la bomba:
CXAA
Válvula proporcional de presión:
RBAP LDN
Válvula limitadora de presión:
RDBA LAN
Válvula direccional:
DTDA XCN
De los catálogos del fabricante, se obtiene los valores de pérdida de presión
para las distintas válvulas:
Válvula
Modelo
Pérdida de
Presión (bar)
V. Check
CXAA
1.5
V. Proporcional
RBAP
1.5
V. Limitadora
RDBA
1.5
V. Direccionales
DTDA
1
Tabla 6: Caída de presión de las válvulas (Fuente: Sun Hydraulics)
Caída de presión (bar)
23
=
5.5 bar
3.2.3 Pérdidas de presión en las tuberías
Para evaluar la caída de presión en la tubería se utiliza la siguiente expresión:
Para diferentes valores de diámetro interno de tubería de Schedule 40, una
longitud de tubería de 20 m y una longitud equivalente de 2 m para accesorios
de conexión se tienen:
Tubería
Caudal
D. Int.
Velocidad
Reynolds
Δp/l
Δp
L/min
mm
m/s
(bar/m)
bar
1/4" – Sch40
32.09
9.22
8010
1129.32
1.78
39.31
3/8" – Sch40
32.09
12.48
4372
834.33
0.53
11.71
1/2" – Sch40
32.09
15.76
2742
660.69
0.21
4.60
3/4" – Sch40
32.09
20.96
1550
496.77
0.06
1.47
1" – Sch40
32.09
26.64
0.960
390.85
0.03
0.56
1 1/4" – Sch40
32.09
35.08
0.553
296.82
0.01
0.19
Tabla 7: Tubería Schedule 40 (Fuente: DN Brida)
Para la línea de presión se selecciona la tubería que tenga diámetro interno
de al menos 12.48 mm.
Caída lineal de presión (bar/m)
0.0573
Caída de presión (bar)
1.26 en 20+2 metros.
3.2.4 Total de pérdidas de presión en el sistema
La caída de presión en el sistema se halla mediante la expresión:
Caída de presión (bar)
=
5.5 + 1.26 = 6.76 bar.
3.2.5 Determinación de la potencia requerida por la bomba hidráulica
La potencia impulsora requerida por la bomba se evalúa con la siguiente
expresión:
24
En el diseño:
Presión de diseño del pistón (bar):
200
Pérdida de presión en el sistema (bar):
5.76
Caudal de la bomba (l/min):
16.18
Eficiencia mecánica:
0.88
Eficiencia volumétrica:
0.93
Potencia impulsora (kW):
9.81
Potencia impulsora equivalente (HP)
13.15
Se selecciona el motor que satisface las siguientes características:
Potencia:
15 hp
Velocidad nominal:
1765 rpm
Temperatura amb:
20 ºC
Este motor eléctrico es controlado por un variador de velocidad.
3.2.6 Selección de filtros en succión y retorno
Debido a la presencia de válvulas proporcionales y direccionales controladas
eléctricamente, el aceite debe presentar un nivel de contaminación que
cumpla con las características de:


Grado 9, según NAS 1638
Grado 20/18/15, según ISO 4406:1999.
El nivel de contaminación del aceite es asegurado principalmente por el filtro
de retorno; por ello, este filtro debe retener partículas de 10 micras con una
eficiencia de al menos 95%. Del catálogo de la marca IKRON hemos
seleccionado la familia de filtros FG010.
El filtro de succión es un filtro de apoyo y seguridad, que no debe presentar
mucha resistencia al flujo para evitar fallas de cavitación en las bombas. Por
ello, este filtro debe retener partículas de 25 micras con una eficiencia de al
menos 50%. Del catálogo de la marca IKRON hemos seleccionado la familia
de filtros MI025. La selección específica del cilindro se realiza buscando un
filtro cuyo caudal nominal sea mayor al caudal que se espera que pase por él
[13].
25
Filtro de succión
Este filtro debe soportar el caudal de la bomba de 16.18 l/min.
Se selecciona el filtro de succión IKRON HF410-20.122 MS090 G 3/4”, que
soporta 20 l/min [14].
Tabla 8: Filtro de succión a utilizar (Fuente: Ikron Filter)
Filtro de retorno
Este filtro debe soportar el caudal de la bomba de 16.18 l/min. Se toma como
referencia para la elección del filtro de retorno; por lo que el filtro debe
soportar como mínimo 18 l/min.
Se selecciona el filtro de retorno IKRON HF550-10.129– FG003 – G1/2”, que
soporta 20 l/min [14].
Tabla 9: Filtro de retorno a utilizar (Fuente: Ikron Filter)
26
3.2.7 Volumen de aceite en la tubería
El volumen de aceite en la tubería lo aproximamos con la siguiente expresión:
∑(
)
Considerando una longitud de tuberías de 20m:
3.3
Memoria de cálculo del subsistema Hidráulico N°2.
Gráfico 15: Esquema hidráulico subsistema N°2 (Fuente: Elaboración propia)
27
3.3.1 Requerimientos del subsistema Hidráulico
El adecuado funcionamiento del sistema requiere que las pruebas de cilindros
hidráulicos operen con las siguientes características:
Fuerza requerida en tracción:
8000
kg-f
Carrera:
2500
mm
Tiempo de subida:
60
s
Tiempo de bajada:
60
s
3.3.2 Determinación del caudal necesario para pruebas
Las medidas técnicas de los actuadores hidráulicos para realizar pruebas son
las siguientes:
Ø
Ø
Émbolo Vástago
(mm)
(mm)
A
Émbolo
A
Vástago
Área
Anular
40
20
12.566
3.142
9.425
50
25
19.635
4.909
14.726
63
32
31.173
8.042
23.13
80
40
50.266
12.566
37.699
100
50
78.54
19.635
58.905
125
63
122.719
31.173
103.084
160
80
201.062
50.266
150.797
200
100
314.16
78.54
235.62
250
125
490.875
122.719
368.156
360
150
1018
176.715
895.16
400
160
1257
201.062
1056
Tabla 10: Características mecánicas de materiales (Fuente: Elaboración propia)
La carga axial del pistón es soportada por la fuerza ejercida por el aceite
hidráulico sobre el área anular del pistón.
La expresión para evaluar el área de carga mínima es:
Para el diseño:
Fuerza en tracción
28
=8000 kg-f
Asumiendo una Presión
=200 bar
3.3.3 Selección de Vástago
Características Mecánicas
del Material
Esfuerzo de
Acero
flexión mínimo
20MNv6
390
Ck35
410
Ck45
440
Tabla 11: Esfuerzos de flexión del acero (Fuente: Elaboración propia)
Los actuadores hidráulicos trabajan con el Acero Ck 45, por diseño se
considera un esfuerzo de flexión al 50%.
Diseño: factor de Seguridad: 3
√
3.3.4 Selección de Tubo
29
3.3.5 Caudal requerido por el actuador
3.3.6
Selección de bomba hidráulica
Para determinar la bomba se utiliza el caudal requerido. El factor de selección
de la bomba es su desplazamiento volumétrico, para obtener el valor mínimo
con la siguiente expresión:
Para el diseño:
Caudal de la bomba
19.64 l/min
Velocidad del motor de 4 polos
1765
Eficiencia volumétrica
0.97
Desplazamiento v. de la bomba
11.12
Este valor de Desplazamiento volumétrico mínimo se compara con los valores
de desplazamiento; además el sistema debe soportar presiones extremas de
hasta 200 bar.
La bomba seleccionada es:
Modelo:
30
PLP 20.14
Desplazamiento Vol.:
14.53 cm3/Rev.
Presión máx. por bomba.:
250 bar
Caudal máximo por bomba:
25.64 l/min.
Presión de trabajo.:
200 bar
3.3.7 Selección de válvulas
El circuito hidráulico del sistema contempla las siguientes válvulas hidráulicas
a un caudal de 10 l/min @ 200 bar.
Válvula check de cartucho, para protección de la bomba:
CXAA
Válvula proporcional de presión:
RBAP LDN
Válvula limitadora de presión:
RDBA LAN
Válvula direccional:
DTDA XCN
De los catálogos del fabricante, se obtiene los valores de perdida de presión
para las distintas válvulas:
Tenemos:
Válvula
Modelo
Pérdida de
Presión (bar)
V. Check
CXAA
1.5
V. Proporcional
RBAP
1.5
V. Limitadora
RDBA
1.5
V. Direccionales
DTDA
3
Tabla 12: Caída de presión de las válvulas (Fuente: Elaboración propia)
Caída de presión (bar)
=
7.5 bar
3.3.8 Pérdidas de presión en las tuberías
Para evaluar la caída de presión en la tubería se utiliza la siguiente expresión:
31
Para diferentes valores de diámetro interno de tubería de Schedule 40, una
longitud de tubería de 10 m y una longitud equivalente de 2 m para accesorios
de conexión, revisamos la tabla N°12.
Para la línea de presión se selecciona una tubería que tenga diámetro interno
de al menos 12.48 mm.
Caída lineal de presión (bar/m)
0.0573
Caída de presión (bar)
0.688 en 10+2 metros.
3.3.9 Total de pérdidas de presión en el sistema
La caída de presión en el sistema se halla mediante la expresión:
Caída de presión (bar)
=
7.5 + 0.688 = 8.188 bar.
3.3.10 Determinación de la potencia requerida por la bomba hidráulica
La potencia impulsora requerida por la bomba se evalúa con la siguiente
expresión:
En el diseño:
Presión de diseño del pistón (bar):
200
Pérdida de presión en el sistema (bar):
8.188
Caudal de la bomba (l/min):
25.64
Eficiencia mecánica:
0.88
Eficiencia volumétrica:
0.93
Potencia impulsora (kW):
10.35
Potencia impulsora equivalente (HP)
13.89
Se selecciona el motor que satisface las siguientes características:
32
Potencia:
15 hp
Velocidad nominal:
1765 rpm
Temperatura amb:
20 ºC
Este motor eléctrico es controlado por un variador de velocidad.
3.3.11 Selección de filtros en succión y retorno
La selección del filtro se realiza buscando cuyo caudal nominal sea mayor al
caudal que se espera que pase por él.
Filtro de succión
Este filtro debe soportar el caudal de la bomba de 25.64 l/min.
Se selecciona dos filtros de retorno IKRON HF410-20.122 MS090 G 3/4”,
que soportan 40 l/min, revisamos la tabla N°8.
Filtro de retorno
Este filtro debe soportar el caudal de retorno:
Gráfico 16: Caudal de ingreso y salida del actuador (Fuente: Elaboración propia)
Como las velocidades son las mismas para ambas cámaras cuando el pistón
sube o baja se deduce la siguiente ecuación:
Para la extracción:
Para la inserción:
33
Como el caudal de retorno en el cierre es mayor, es este el que se toma como
referencia para la selección del filtro de retorno; por lo que el filtro debe
soportar como mínimo 24.54 l/min.
Se selecciona el filtro de retorno IKRON HF550-20.077– FG003 – G 1”, que
soporta 28 l/min, revisamos la tabla N°9.
3.3.12 Volumen de aceite en la tubería
El volumen de aceite en la tubería se determina con la siguiente expresión:
∑(
Se considera la longitud de tuberías de 10m:
34
)
3.4
Memoria de cálculo del subsistema Hidráulico 3.
Gráfico 17: Esquema hidráulico subsistema N°3 (Fuente: Elaboración propia)
3.4.1 Requerimientos del subsistema Hidráulico
El adecuado funcionamiento del sistema de diálisis, para limpieza del aceite
hidráulico, estará constituido de una bomba de caudal 14l/min, este sistema
estará recirculando el aceite através del filtro de retorno que atrapa las
impurezas en el aceite hidráulico. :
Datos técnicos:
Presión de diseño del sistema
Caudal requerido:
35
:
<10
bar
14
l/min
3.4.2
Selección de bomba hidráulica
Para determinar la bomba se utiliza el caudal requerido. El factor de selección
de la bomba es su desplazamiento volumétrico, para obtener el valor mínimo
con la siguiente expresión:
Para el diseño:
Caudal de la bomba
14
Velocidad del motor de 4 polos
1765
Eficiencia volumétrica
0.97
Desplazamiento v. de la bomba
7.93
l/min
Este valor de desplazamiento volumétrico mínimo se compara con los valores
de desplazamiento; además el sistema debe soportar presiones extremas de
hasta 200 bar.
La bomba seleccionada es:
Modelo:
PLP 10.8
Desplazamiento Vol.:
8.51 cm3/Rev.
Presión máx. por bomba.:
180 bar
Caudal máximo por bomba:
15.02 l/min
3.4.3 Determinación de la potencia requerida por la bomba hidráulica
La potencia impulsora requerida por la bomba se evalúa con la siguiente
expresión:
En el diseño:
36
Presión de diseño del pistón (bar):
<10
Pérdida de presión en el sistema (bar):
0
Caudal de la bomba (l/min):
15.02
Eficiencia mecánica:
0.88
Eficiencia volumétrica:
0.93
Potencia impulsora (kW):
0.31
Potencia impulsora equivalente (HP)
0.42
Se selecciona el motor que satisface las siguientes características:
Potencia:
1 hp
Velocidad nominal:
1765 rpm
Temperatura amb:
20 ºC
3.4.4 Selección de válvulas
El circuito hidráulico de limpieza de aceite del sistema contempla la siguiente
válvula hidráulica a un caudal de 14 l/min @ Presión <10 bar.
Válvula check de cartucho, para protección de la bomba:
Válvula limitadora de presión:
CXAA
RDBA LAN
Nota: Se desprecia las pérdidas de presión por válvulas, dado que el sistema
está en recirculación constante
3.4.5 Selección de filtro de succión
Este filtro debe soportar el caudal de la bomba de 15.02 l/min.
Se selecciona dos filtros de succión IKRON HF410-10.060 MS090 G 1/2”,
que soportan 20 l/min, revisamos la tabla N°8.
3.4.6 Selección de filtro de retorno
Este filtro debe soportar el caudal de retorno, dado que es igual al caudal
enviado por la bomba hidráulica:
Caudal de retorno:
15.02 l/min
Se selecciona el Filtro de Retorno IKRON HF550-10.129– FG003 – G 1/2”,
que soporta 20 l/min, revisamos la tabla N°9.
37
3.5 Dimensionado del tanque de aceite
3.5.1 Dimensionado para recirculación
El tanque se dimensiona para que el aceite circule en él al menos 3 minutos.
En el sistema:
Bomba Hidráulica Sistema 1:
16.18
l/min
Bomba Hidráulica Sistema 2:
25.64
l/min
Bomba Hidráulica Sistema 3:
15.02
l/min
3.5.2 Dimensionado como reservorio de aceite
El tanque se dimensiona para que aloje el aceite. Para esto se calcula el
volumen de aceite que circula por los actuadores hidráulicos y las tuberías. El
mayor volumen de aceite está el actuador hidráulico de prueba y es calculado
con la expresión:
En el sistema:
Área tubular (cm2) =
78.537
Carrera (mm)=
2500
Volumen de aceite en un pistón (l)=
19.63
El volumen de la variación es:
3.5.3 Dimensionamiento final
Para determinar el volumen del tanque, se adiciona el volumen mínimo a la
variación de volumen:
38
Se selecciona un tanque que permite alojar 250 l; además el volumen de
aceite en el tanque no debe ser menor a 23.303 l (volumen de variación).
3.6
Determinación del sistema de Eléctrico
El sistema eléctrico suministra tensión eléctrica a dos tableros eléctricos, un
tablero de control y un tablero de potencia donde está el interruptor
magnotérmico trifásico principal, los guardamotores, interruptor magnotérmico
monofásico.
3.6.1 Requerimientos del sistema eléctrico

Suministro de Tensión eléctrica: 440 Vac
3 Fase estabilizada + Neutro + Tierra

Suministro de Tensión eléctrica: 220 Vac
1 Fase estabilizada + Neutro + Tierra

Tensión de Control:
24 Vdc
3.6.2 Selección de interruptor trifásico de Potencia
El interruptor trifásico de potencia interrumpe el curso de la corriente eléctrica
que energiza el tablero de control, variadores de frecuencia y arrancador
suave que comandan a los motores eléctricos., la corriente máxima de cada
subsistema es igual a la corriente nominal de su motor eléctrico y la suma de
todas, es la corriente máxima que requiere el sistema para operar al 100% de
su capacidad. Para la selección adecuada del interruptor, se multiplica este
valor por un factor de seguridad mayor a 1, que es propuesto por el diseñador.
(Fs.): 1.5.
Descripción
Subsistema 1
Subsistema 2
Subsistema 3
Corriente
(A)
30
30
5
Tabla 13: Valor de la corriente en subsistema (Fuente: Elaboración propia)
39
Se procede a ingresar este valor de corriente calculado en la sección de
interruptores de potencia trifásica del software de selección MCS Star, que
servirá de guía para encontrar el código del producto que cumpla con las
características y especificaciones necesarias.
Gráfico 18: Selección de Interruptor trifásico de potencia
(Fuente: Elaboración propia- MCS Star)
Código Seleccionado: 140G-G3C3-D10
Número de Polos: 3
Clasificación de interrupción: 35 kA
Corriente máx. = 100 A
3.6.3 Selección de guardamotores y contactores
Los guardamotores y contactores permiten e interrumpen el paso de la
corriente eléctrica, aguas arriba del variador, protegiendo a los componentes
de control. Los componentes seleccionados se rigen en la norma IEC 6003430y la categoría de empleo es AC3 y el tipo de coordinación 2.
Descripción
Subsistema 1
Subsistema 2
Subsistema 3
Motor
Potencia
(HP)
Cantidad
(uni)
Voltaje de
motor (Vac)
Voltaje de
control (Vdc)
15
15
1
1
2
1
440
440
440
24
24
24
Tabla 14: Características de selección -Guardamotor y contactor (Fuente: Elaboración propia)
40
El factor de potencia es 0.8, el factor de servicio de 1.15, numero de polos =
4, clase de eficiencia Premium y aislamiento clase F, estos valores son
obtenidos de la placa de características del motor. Se procede a calcular el
valor de consumo de corriente de los motores:
Para un Motor de 15 HP
Para un Motor de 1 HP
Se procede a ingresar este valor de corriente calculado en la sección de
guardamotores y contactores del software de selección MCS Star:
Gráfico 19: Selección de Guardamotor y contactor de 15HP
(Fuente: Elaboración propia- MCS Star)
41
Gráfico 20: Selección de Guardamotor y contactor de 1HP
(Fuente: Elaboración propia- MCS Star)
42
Guardamotor trifásico
Cantidad:
Código Seleccionado:
Número de Polos:
Corriente máx. :
3 unidades
140M-D8N-C32
3
32 A
Contactor trifásico
Cantidad:
Código Seleccionado:
Número de Polos:
Corriente:
Bobina:
3 unidades
100-C23E-J10
3
23 A
24 Vdc
Guardamotor trifásico
Cantidad:
Código Seleccionado:
Número de Polos:
Corriente máx. :
1 unidad
140M-D8N-B63
3
6.3 A
Contactor trifásico
Cantidad:
Código Seleccionado:
Número de Polos:
Corriente:
Bobina:
1 unidad
100-C09E-J10
3
9A
24 Vdc
3.7
Determinación del sistema de Automatización
El diseño de automatización está compuesto por un PLC que consta de
entradas analógicas de 4...20 mA Hart, salidas analógicas de 4...20 mA,
entradas salidas digitales de 24 Vdc, una interfaz gráfica que permite al
operador: activar, controlar, visualizar el comportamiento de la máquina, los
variadores de velocidad y arrancador suave que permiten acceder de manera
transparente a todos los parámetros a través de la comunicación Ethernet.
3.7.1 Determinación de las I/O del sistema
Se define la cantidad de entradas y salidas analógicas y digitales, que
enviaran la señal medida al módulo de expansión del PLC.
SUBSISTEMA 1
Descripción
Instrumento
DI DO AI AO
Parada de emergencia
Pulsador
1
Modo Local
Selector
1
Modo Remoto
Selector
1
Modo Automático
Selector
1
presostato
1
Presión alta
Motor encendido
Contactor
1
Guardamotor
1
Variador encendido
Variador
1
Presión del sistema
Transmisor
1
Caudal del sistema
Transmisor
1
Temperatura del sistema
Transmisor
1
Sobrecorriente de motor
Recirculación
Válvula
Regular presión
Válvula
1
1
Total
8
1
3
1
Tabla 15: Entradas y salidas del subsistema 1 (Fuente: Elaboración propia)
SUBSISTEMA 2
Descripción
DI DO AI AO
Parada de emergencia
Pulsador
1
Modo Local
Selector
1
Modo Remoto
Selector
1
Modo Automático
Selector
1
Presión alta
Presostato
1
Motor encendido Principal
Contactor
1
Guardamotor
1
Variador
1
Contactor
1
Guardamotor
1
Sobrecorriente de motor Principal
Variador Principal encendido
Motor encendido Stand by
Sobrecorriente de motor Stand by
43
Instrumento
Variador Stand by encendido
Variador
1
Extender actuador/ Principal
Relé/Electroválvula
1
Retraer actuador/ Principal
Relé/Electroválvula
1
Extender actuador/ Stand by
Relé/Electroválvula
1
Retraer actuador/ Stand by
Relé/Electroválvula
1
Presión Principal
Transmisor
1
Presión en Extender
Transmisor
1
Presión en Retraer
Transmisor
1
Temperatura
Transmisor
1
Extender actuador/ Principal
Relé/Electroválvula
1
Retraer actuador/ Principal
Relé/Electroválvula
1
Extender actuador/ Stand by
Relé/Electroválvula
1
Retraer actuador/ Stand by
Relé/Electroválvula
1
Recirculación
Válvula
1
Regular presión
Válvula
1
15 5 4 1
Tabla 16: Entradas y salidas del subsistema 2 (Fuente: Elaboración propia)
SUBSISTEMA 3
Descripción
Instrumento
DI DO AI AO
Parada de emergencia
Pulsador
1
Modo Local
Selector
1
Modo Remoto
Selector
1
Modo Automático
Selector
1
Presión alta
Presostato
1
Motor encendido Principal
Contactor
1
Guardamotor
1
Sobrecorriente de motor Principal
Motor eléctrico
Contactor
1
7 1 0 0
Tabla 17: Entradas y salidas del subsistema 3 (Fuente: Elaboración propia)
Total
DI
DO
AI
AO
30
7
7
2
Tabla 18: Total de entradas y salidas del sistema (Fuente: Elaboración propia)
3.7.2 Selección del Controlador de Automatización Programable
En la selección del controlador se tiene en cuenta los siguientes criterios: el
tipo de protocolo de comunicación embebido, escalabilidad (compacto o
modular), software de programación, servicio técnico, capacidad de memoria
RAM, EPROM/EEPROM, tiempo de ejecución (scan time), cantidad de
memoria internas, lenguaje de comunicación, el voltaje de alimentación, la
cantidad y voltaje de las entradas y salidas digitales, la cantidad y la
clasificación de las entradas analógicas y salidas analógicas.
44
CPU:
Protocolo de Comunicación
Ethernet Ip / Device net / USB client
Puertos embebidos
2 Ethernet Ip / 1 USB
Memoria
1MB - 2MB
Escalabilidad
Modular
Alimentación
24 Vdc
Lenguaje de programación
Ladder ( escalera)
Software de programación
Requerido
Tabla 19: Características de selección- CPU del PLC
(Fuente: Elaboración propia)
ENTRADAS Y SALIDAS:
Módulos de expansion
Requerido ( entradas y salidas)
Cantidad de entradas digitales
30 +2 reserva
Clasificación de entradas digitales
Cantidad de salidas digitales
24 Vdc Sink
7 + 2 reserva
Clasificación de entradas digitales
Relé
Cantidad de entradas analógicas
7 +1 reserva
Clasificación de entradas analógicas
4….20 mA / Hart
Resolución (bits)
Cantidad de salidas analógicas
16
2 + 1 reserva
Clasificación de entradas analógicas
4….20 mA
Tabla 20: Características de selección- I/O del PLC
(Fuente: Elaboración propia)
Se procede a buscar la hoja técnica de cada componente, el funcionamiento,
la conectividad de los dispositivos, las condiciones de operación
recomendada, las normas de seguridad, la memoria del controlador, la
cantidad de módulos de expansión en entradas y salidas, la resolución de las
entradas y salidas, las dimensiones físicas, el software de programación, el
lenguaje de programación, se optó por el controlador 1769-L33ER al cumplir
con las características de selección y los siguientes módulos de expansión.
Ranura ( slot)
N/A
0
1
2
3
45
Catalogo
1769-ECR
1769-L33ER
1769sc-IF4IH
1769sc-IF4IH
1769-OF4CI
N/A
4
5
1769-PA4
1769-IQ32
1769-OB16P
Tabla 21: Plc + Módulos de Expansión (Fuente: Elaboración propia)
Al revisar la información relacionada a los componentes propuestos, se
verifica que si cumplen los requerimientos necesarios para formar parte del
sistema. El software para la programación del PLC es STUDIO 5000- Lógica
de diseño de Rockwell Automation, el entorno de programación es intuitivo y
permite al programador realizar el entorno de programación en lenguaje
ladder (escalera).
3.7.3 Selección de la interfaz gráfica
La interfaz gráfica es el componente central de la plataforma. Permite
controlar y monitorear los dispositivos conectados al controlador mediante el
protocolo de comunicación Ethernet, se establece las características de
selección:
Características
Descripción
Alimentación:
24 Vdc
Tamaño:
Resolución:
10”
HD
Capacidad de memoria:
512 MB de RAM
Puerto de Comunicación:
Ethernet (DLR)
Sistema operativo:
Controlador :
sistema operativo (OS) Windows CE 6.0
CompactLogix
Tabla 22: Características de selección- Interfaz gráfica
(Fuente: Elaboración propia)
Se optó por la interfaz PV Plus 6 2711-T110C4D8 porque cumple con las
características de selección.
3.7.4 Selección del variador de frecuencia
El variador de frecuencia permite regular la velocidad del motor y proteger
aguas abajo (conexión entre variador y motor eléctrico) mediante un filtro de
armónicos embebido, a su vez permite extraer información en tiempo real a
través del protocolo de comunicación. A continuación las características de
selección:
46
Potencia de Motor
15 HP
Voltaje de entrada
380…..480 Vac ( 3 Fases )
Tolerancia de Voltaje:
.-15% / 10%
Amperaje
24 A
Tolerancia de frecuencia:
47...63 Hz
Filtro de armonicos embebido :
Grado de protección
Requerido
IP 20
Puerto de Comunicación:
Ethernet (DLR)
Entradas digitales
2 (24 vdc)
Salidas digitales
2 relé
Entradas analógicas
2 aisladas ( 0…10 V - 4…..20 mA)
Salidas analógicas
1 no aisladas ( 0…10 V - 4…..20 mA)
Tabla 23: Características de selección- variador de frecuencia
(Fuente: Elaboración propia)
Se optó por el variador 25B8P0N104 porque cumple con las características
de selección.
3.7.5 Selección del Arrancador suave
El arrancador suave permite controlar el arranque y parada del motor eléctrico
del subsistema de diálisis, este componente consta de comunicación
Ethernet, y permite integrarse a la red de supervisión, estará conectado al
controlador CompactLogix. A continuación las características de selección:
Potencia de Motor
Voltaje de entrada
1 HP
380…..480 Vac ( 3 Fases )
Tolerancia de Voltaje:
Amperaje
.-15% / 10%
1…3 A
Tolerancia de frecuencia:
47...63 Hz
Sensor de temperatura
Con termistor
Grado de protección
IP 20
Puerto de Comunicación:
Ethernet (DLR)
Rampa de aceleración
0….20s
Rampa de parada
0….20s
Protección contra sobrecarga del motor
Requerido
Protección contra sobretensiones
Requerido
Tabla 24: Características de selección- Arrancador suave
(Fuente: Elaboración propia)
Se optó por el variador 150F5NBR cuyas características son similares a las de
selección.
47
3.7.6 Dispositivos en red ( DLR)
La red de anillo a nivel de los dispositivos (DLR) es una red tolerante a un solo
fallo, diseñada para la interconexión de dispositivos de automatización. Esta
topología también se implementa a nivel de dispositivos. No se requieren
interruptores adicionales [8].
Gráfico 22: Arquitectura integrada, Dispositivos en Red anillo
(Fuente: Elaboración propia IAB)
48
3.8 Diagrama de flujo del programa de control
Gráfico 23: Diagrama de flujo del programa de control
(Fuente: Elaboración propia)
49
El gráfico 23 , muestra el diagrama de flujo del programa de control, donde el
PLC inicia la lógica de programación reconociendo los dispositivos
conectados por la red anillo Ethernet y los transmisores digitales al módulo de
entradas analógicas Hart , al confirmar estas señales, se inicia el registro de
los datos técnicos del elemento mecánico a probar, se digitan los valores
iniciales : tiempo de prueba, presión máxima, flujo máximo, se selecciona el
tipo de prueba a realizar, a través de la interfaz gráfica.
En la prueba de bombas hidráulicas, inicia al activar el motor eléctrico y al
confirmar su accionamiento se direcciona el flujo de aceite, al activar la
válvula direccional, se utiliza un bloque de control PID, para la variación de
flujo y presión hidráulica. La adquisición y registro de parámetros se realiza de
forma automática y al terminar la prueba se detiene el motor eléctrico. Se usa
el mismo procedimiento para la prueba de actuadores, con el único cambio en
la selección del motor, porque el subsistema 2 consta de dos motores.
La diálisis del aceite hidráulico se realiza al accionar el motor eléctrico, y el
aceite empieza a recircular en el tanque.
50
CAPÍTULO 4
CONCEPTOS TEÓRICOS
4.1
PLC Controlador lógico programable
Es un sistema de control electrónico que monitorea el estado de los equipos
que están conectados como entrados y basados en un programa almacenado
en su memoria (escrito por el usuario), y controla el estado de los equipos que
están conectados como salidas.
Partes de un PLC
Memoria interna de un PLC: Es el lugar donde la información utilizada por el
programa es almacenada. Es dinámica y se realizan cambios en tiempo real,
es donde el programa se almacena y se lee durante la operación. No cambia
(excepto en edición en línea si es soportado).
Procesador central: Es el corazón del controlador y responsable de la
ejecución de todas las tareas. Ejecuta el sistema operativo (firmware) y define
como opera el controlador.
Puerto de comunicaciones: Permite intercambiar datos con dispositivos
externos: programación, supervisión, buses de campo.
Gráfico 24: Partes de un PLC
(Fuente: Practicas de automatización UTP.).
Entradas y salidas digitales: Estos módulos se utilizan como interfaces
entre los dispositivos externos y el CPU del PLC, El módulo de entradas
51
digitales se usa para recibir señales de confirmación de activado o
desactivado (1 o 0) de botoneras, selectores, interruptores y sensores etc. que
trabajan con señales de tensión que solo pueden tomar dos estados, se
interpreta como 1 cuando hay tensión en la entrada y 0 cuando la tensión
llega a cero.
Clasificación:
- Corriente continua: 5/12/24/48/125 VDC.
- Corriente alterna: 24/48/110/220 VAC
- Con/sin asilamiento galvánico
Gráfico 25: Entradas digitales
(Fuente: Practicas de automatización UTP.).
Salidas digitales: Se utilizan para activar o desactivar actuadores conectados
a estas interfaces.
Clasificación:
- Estáticas (conmutación a semiconductor)
- Corriente continua: PNP, NPN.
- Corriente alterna: TRIAC
- Por relé: CC y CA, es de uso difundido
- Con/sin asilamiento galvánico
52
Gráfico 26: Salidas digitales
(Fuente: Practicas de automatización UTP.).
Entradas analógicas
Estos módulos permiten recibir al PLC señales de tipo analógicas de tensión o
intensidad que pueden ser la medición de temperatura, presión o el caudal. La
interfaz convierte la magnitud analógica en una variable interna del PLC, y
luego realiza una conversión A/D, dado que el CPU solo trabaja con señales
digitales, esta conversión se realiza con una precisión y resolución
determinada (número de bit) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo de
muestreo).
Clasificación:
- 0…..20 mA / 4…..20 mA
- 0…..5V / +-5 V / 0……10V / +-10 V
- mV / Resistencia
Gráfico 27: Entradas analógicas
(Fuente: Practicas de automatización UTP.).
53
Salidas analógicas
Estos módulos permiten que el valor numérico interno del PLC se convierta en
intensidad o tensión. La interfaz realiza una conversión D/A, dado que el CPU
solo trabaja con señales digitales, esta conversión se realiza con una
precisión y resolución determinada (número de bit) y cada cierto intervalo de
tiempo (periodo de muestreo).
Clasificación:
- 0…..20 mA / 4…..20 mA
- 0…..5V / +-5 V / 0……10V / +-10 V
Gráfico 28: Salidas analógicas
(Fuente: Practicas de automatización UTP.).
4.2
Variadores de frecuencia
Un dispositivo utilizado para controlar la velocidad de rotación de un motor de
inducción o C.A. también se conoce como motores asíncronos o en jaula de
ardilla.
La velocidad de rotación del motor se rige por la frecuencia de la corriente de
alimentación aplicada. Por lo tanto, la mejor manera de controlar la velocidad
del motor consiste en controlar la frecuencia de corriente aplicada.
Gráfico 29: Determinar la velocidad de un motor síncrono
(Fuente: Practicas de automatización UTP.).
54
Además de cambiar la frecuencia, el variador también varía el voltaje aplicado
al motor para asegurar que existe el par necesario en el eje del motor sin que
surjan problemas de sobrecalentamiento.
Gráfico 30: Circuito de un variador de velocidad
(Fuente: Practicas de automatización UTP.).
4.3
Contactor trifásico de potencia
Es un componente eléctrico de mando y es la pieza clave del automatismo
para permitir o interrumpir el paso de corriente. Su principal aplicación es la de
efectuar maniobras en circuitos con instalaciones de motores.
Está formado por una bobina y unos contactos abiertos o cerrados similares a
un relé.
Al energizar la bobina acciona los contactos y permite el paso de la corriente,
al desenergizar todo vuelve a su estado inicial [7].
Gráfico 31: Contactor trifásico (Fuente: Rockwell Automation).
55
CAPÍTULO 5
ANÁLISIS DE COSTOS:
Este capítulo describe un aproximado de los costos de los componentes
hidráulicos, electrohidráulicos, electrónicos, eléctricos y de automatización
necesarios para la implementación del sistema.
Todos los componentes serán cotizados de manera local, hidráulica y
electrohidráulica por la empresa Fluidtek Srl ( Norgren, Sun Hydraulics, Ikron,
Argo Hytos, etc), electrónicos, eléctricos y de automatización por Precisión
Perú, distribuidora de Rockwell Automation, Panduit, Ceyesa ( Rittal,
Schneider electric, Phoenix Contact y Legrand)
Los motores eléctricos por Hydrostal (Weq) y la instrumentación por Kobold
Perú Sac distribuidora de Kobold.
Todos los precios están en dólares americanos ($).





Costo de diseño
Costo de Adquisición de materiales
Costo de fabricación y maquinado
Costo de ensamble (mecánico, eléctrico y automatización)
Costo de Programación de PLC y puesta en marcha
5.1
Costo de diseño
Se tiene en cuenta las horas-hombre empleadas en la realización del
proyecto, lo que implica el desarrollo de la memoria de cálculo, el diseño de
los planos de ensamble, despiece y fabricación. Se considera un asesor
principal y de un ingeniero encargado de la elaboración de la memoria de
cálculo y planos [9].
Ítem
Descripción
Precio $
#
Tiempo
Precio Total
$
1
Asesor
60/hora
50
horas
3000
2
Ingeniero
300/mes
6
meses
1800
Precio Total $
Tabla 25: Costo total de diseño (Fuente: Elaboración propia)
4 800
El Costo total de diseño es: $ 4 800 (cuatro mil ochocientos dólares)
56
5.2
Costo de Adquisición de materiales
Describe costo de la materiales utilizados en el proyecto, implica los
componentes hidráulicos, instrumentación y eléctricos, los cuales son parte
elemental para el sistema.
5.2.1 Subsistema Hidráulico N°1
Componentes Hidráulicos
Ítem
1
2
3
4
5
6
Marca
Can.
Precio
$
Precio
Total $
WEQ
1
600
600
IKRON
1
80
80
Válvula de check 40
l (apertura 2 bar)
SUN
HYDRAULICS
1
100
100
Válvula proporcional
de presión 350 bar
Válvula limitadora
RDBAde presión 20…250
LAN
bar
HI12-NGB- Manómetro 63 mm
300
0….300 bar
SUN
HYDRAULICS
1
485
485
SUN
HYDRAULICS
1
250
250
UCC
1
50
50
SUN
HYDRAULICS
1
120
120
TOGNELLA
4
80
320
IKRON
1
85
85
IKRON
1
70
70
IKRON
1
110
110
Código
Motor eléctrico
W22-15HP trifásico 15 HP/440
Vac - 1740 RPM
HF410Filtro de succión G
20.122
3/4
CXAAXCN
PRM2-06
7
DTDAMCN
8
221/1-12
9
HF55010.129
10
11
Descripción
Válvula distribuidora
2/2
Válvula de bola NPT
3/8"
Filtro de retorno G
1/2
HB70-A05- Filtro de llenado con
G2
respirador
HL9130T1-TB
Indicador de nivel y
temperatura
Precio Total $
Tabla 26: Subsistema N° 1: Electrohidráulica e hidráulica
(Fuente: Elaboración propia)
2 270
Instrumentación
Ítem
1
57
Código
Descripción
MAN-ZF2-6- Transmisor de
C4-A4
presión 0….250 bar
Marca
Can.
Precio
$
Precio
Total $
KOBOLD
1
450
450
2
3
4
TDA-15H2R4-0-L-3M
Transmisor de
temperatura 0..100°C
Transmisor de caudal
DPE-1120
0….30l/min
8824000000 Presostato 40…..420
0.
bar
KOBOLD
1
980
980
KOBOLD
1
1850
1850
NORGREN
1
80
80
Precio Total $
Tabla 27: Subsistema 1: Instrumentación
(Fuente: Elaboración propia)
3 360
5.2.2 Subsistema Hidráulico 2
Componentes Hidráulicos
Ítem
Código
1
W2215HP
2
PLP20.1
4
3
Descripción
Marca
Can.
Precio
$
Precio
Total $
WEQ
2
600
1200
CASSAPA
2
300
600
HF41020.122
Motor eléctrico
trifásico 15 HP/440
Vac - 1740 RPM
Bomba de engranajes
14,53cm3/rev - 250
bar
Filtro de succión G
3/4
IKRON
2
80
160
4
CXAAXCN
Válvula de check 40 l
(apertura 2 bar)
SUN
HYDRAULICS
2
100
200
5
RDBALAN
Válvula limitadora de
presión 20…250 bar
SUN
HYDRAULICS
2
250
500
UCC
7
50
350
1
485
485
1
120
120
TOGNELLA
7
80
560
ARGO HYTOS
2
250
500
SUN
HYDRAULICS
4
180
720
IKRON
1
85
85
IKRON
1
70
70
6
HI12Manómetro 63 mm
NGB-300 0….300 bar
7
PRM2-06
8
9
10
11
12
13
Válvula proporcional
de presión 350 bar
DTDA- Válvula distribuidora
MCN
2/2
Válvula de bola NPT
221/1-12
3/8"
Válvula de
RPER3distribución 4/3 06
Solenoides 24 Vdc
CKBB- Válvula doble check
XCN
pilotada 20 l
HF550Filtro de retorno G 1"
20.077
HB70- Filtro de llenado con
A05-G2 respirador
SUN
HYDRAULICS
SUN
HYDRAULICS
Precio Total $
Tabla 28: Subsistema 2: Electrohidráulica e hidráulica
(Fuente: Elaboración propia)
58
5 550
Instrumentación
Ítem
Código
1
MAN-ZF2-6C4-A4
2
3
Descripción
Transmisor de
presión 0….250 bar
Transmisor de
TDA-15H2temperatura
R4-0-L-3M
0…100°C
Presostato 40…..420
88240000000
bar
Precio Precio
$
Total $
Marca
Can.
KOBOLD
5
450
2250
KOBOLD
1
980
980
NORGREN
1
80
80
Precio Total $
Tabla 29: Subsistema 2: Electrohidráulica e hidráulica
(Fuente: Elaboración propia)
3 310
5.2.3 Subsistema Hidráulico 3
Componentes Hidráulicos
Ítem
Código
1
W22-1HP
2
PLP10.8
3
4
Descripción
HF41010.060
HI12-NGB20
5
RDBA-LAN
6
HF55010.129
Motor eléctrico
trifásico 1 HP/440 Vac
- 1740 RPM
Bomba de engranajes
8,51cm3/rev - 180 bar
Filtro de succión G
1/2"
Manómetro 63 mm
0….20 bar
Válvula limitadora de
presión 20…250 bar
Filtro de retorno G
1/2"
Marca
Can.
Precio
$
Precio
Total $
WEQ
1
200
200
CASSAPA
1
150
150
IKRON
1
80
80
UCC
1
50
50
SUN
HYDRAULICS
1
250
250
IKRON
1
85
85
Precio Total $
Tabla 30: Subsistema 3: Instrumentación
(Fuente: Elaboración propia)
815
Instrumentación
Ítem
1
Código
Descripción
8824000000 Presostato 40…..420
0
bar
Marca
Can.
Precio
$
Precio
Total $
NORGREN
1
80
80
Precio Total $
Tabla 31: Subsistema 3: Electrohidráulica e hidráulica
(Fuente: Elaboración propia)
59
80
5.2.4 Componentes de Control
60
Ítem
Código
Descripción
Marca
Can.
Precio
$
Precio
Total $
1
1769-L33ER
Rockwell
Automation
1
2180
2180
2
1769scIF4IH
Compact Logix 5370
L3 Controller
4 Channel Analog
Input Modules with
HART Protocol
Rockwell
Automation
2
800
1600
3
1769-OF4CI
4 salidas analógicas
Rockwell
Automation
1
600
600
4
1769-PA4
Fuente alterna AC DC
Rockwell
Automation
1
400
400
5
1769-IQ32
32 Entradas digitales
Rockwell
Automation
1
257
257
6
1769-OB16P
16 Salidas digitales
Rockwell
Automation
1
228
228
7
1769-ECR
Right End Cap
Terminator
Rockwell
Automation
1
38
38
8
2711PT10C4D8
HMI 10” Ethernet
Rockwell
Automation
1
3490
3490
9
1783-ETAP
Rockwell
Automation
6
262
1572
10
1606XLS240EC
Rockwell
Automation
2
220
440
11
1585JM8UBJM-2
Rockwell
Automation
13
12
156
12
1492SPM2C
060
EtherNet/IP Tap w/ 3
copper ports
XLS Fuente de
alimentación
alimentación
Patchcord: RJ45
Male / RJ45 Male, 8,
Shielded, 2 meters
(6.56 feet)
Circuit breaker 2
Polos 6A
Rockwell
Automation
1
22
22
13
1492SPM2C
020
Circuit breaker 2
Polos 2A
Rockwell
Automation
3
20
60
14
CBM E4
24DC/0.510A NO-R
Interruptores de
protección de
aparatos electrónicos
Phoenix
Contact
1
200
200
15
PLC-RSC24DC/21-21
Relé 24 Vdc / 2
contactos 6A SPDT
Phoenix
Contact
16
21
336
16
UT 16
Borne universal 16
mm
Phoenix
Contact
2
3,5
7
17
UT 16-PE
Borne universal de
tierra 16 mm
Phoenix
Contact
1
5,5
5,5
18
UTTB 4
Borne de doble piso
4mm
Phoenix
Contact
50
1,2
60
19
UTTB 4-PE
Borne de tierra doble
piso 4 mm
Phoenix
Contact
5
2,3
11,5
20
UT 4
Borne universal 4 mm
Phoenix
Contact
8
0,8
6,4
21
UT 4-PE
Borne universal de
tierra 4 mm
Phoenix
Contact
8
1,2
9,6
22
UT 4HESI(5x20)
Borne portafusible UT
4
Phoenix
Contact
8
4,25
34
23
E/UK
Tope de Fijación
Phoenix
Contact
30
1,5
45
24
800TCFX6A5S
Pulsador de
Emergencia N.C
Rockwell
Automation
3
80
240
25
800T-J2A
Selector de 3
Posiciones fijas
Rockwell
Automation
3
60
180
Riel Din ranurado 2 m
Phoenix
Contact
2
15
30
Phoenix
Contact
2
20
40
Rittal
1
220
220
26
27
28
AE 1058.500
Canaleta ranurada
40mm*60mm
Tablero
800mm*600mm*250
mm (alt*anch*prof)
Precio Total $
12 468
Tabla 32: Sistema de control (Fuente: Elaboración propia)
5.2.5 Componentes de Potencia
61
Ítem
Código
Descripción
Marca
Can.
Precio
$
Precio
Total $
1
140G-G3C3D10
Caja moldeada de
Disyuntor 140G / 100 A
Rockwell
Automation
1
403
403
2
140M-D8NC32
Guardamotor trifásico
32A
Rockwell
Automation
3
220
660
3
100-C23EJ10
Contactor trifásico 24
Vdc / 23 A
Rockwell
Automation
3
142
426
4
140M-D8NB63
Guardamotor trifásico
6,3 A
Rockwell
Automation
1
180
180
5
100-C09EJ10
Contactor trifásico 24
Vdc / 09 A
Rockwell
Automation
1
110
110
6
25BD030N114
PowerFlex525 Drive
15HP / 440 Vac
Rockwell
Automation
3
1660
4980
7
150-F5NBR
150 SMC-FLEX Smart
Motor Controller
Rockwell
Automation
1
1040
1040
8
20-COMM-E
Communication
Modules - Ethernet/IP
Rockwell
Automation
1
250
250
9
UT 16
Borne universal 16
Phoenix
Contact
16
3,5
56
10
UT 16-PE
Borne universal 16 mm
Phoenix
Contact
5
5,5
27,5
11
UTTB 4
Borne universal de
tierra 16 mm
Phoenix
Contact
15
1,2
18
12
UTTB 4-PE
Borne de doble piso 4
tierra
Phoenix
Contact
2
2,3
4,6
13
E/UK
Tope de Fijación
Phoenix
Contact
20
1,5
30
14
Riel Din ranurado 2 m
Phoenix
Contact
1
15
15
15
Canaleta ranurada
40mm*60mm
Phoenix
Contact
1
20
20
Legrand
1
40
40
Rittal
1
220
220
16
17
Repartidor tetrapolar
125 A
Tablero
AE 1058.500 800mm*600mm*250mm
(alt*anch*prof)
RB,0048
Precio Total $
8 480
Tabla 33: Sistema de Potencia (Fuente: Elaboración propia)
5.2.6 Costo total de Adquisición de materiales
Ítem
Descripción
Precio $
1
Componentes Hidráulicos
Sub sistema 1
2270
2
Componentes Hidráulicos
Sub sistema 2
5550
3
Componentes Hidráulicos
Sub sistema 3
815
4
Instrumentación
Sub sistema 1
3360
5
Instrumentación
Sub sistema 2
3310
6
Instrumentación
Sub sistema 3
80
7
Sistema de Control
General
12468
8
Sistema de Potencia
General
8480
Precio Total $
27 698
Tabla 34: Costo total de adquisición de materiales (Fuente: Elaboración propia)
El Costo total de Adquisición de materiales es: $ 27 698 (veintisiete mil
seiscientos noventa y ocho dólares)
5.3
Costo de Fabricación y maquinado
Se consideran los costos de los maninfold diseñados por el tesista y enviados
a maquinar a un distribuidor de bloques para Hidráulica, también los
accesorios de instalación del ensamblaje posterior.
62
5.3.1 Subsistema Hidráulico N°1
Maninfold y tuberías
Ítem
Código
Descripción
Marca
Can.
Precio
$
Precio
Total $
1
FT-MANFP- Maninfold para
00125
regulación de presión
FLUIDTEK
1
200
200
2
FT-MANQR- Maninfold para
00400
medición de caudal
FLUIDTEK
1
100
100
SISCO
8
70
560
3
SIS-T121
Tubería hidráulica de
3/8" Sch40 / 3 m
4
Conectores Hidráulicos
SWAGELOK
rectos G1/2"-OD 3/8"
6
15
90
5
Conectores Hidráulicos
SWAGELOK
curvos G1/2"-OD 3/8"
4
18
72
Precio Total $ 3 557
Tabla 35: Subsistema N°1: Maninfold y tuberías (Fuente: Elaboración propia)
5.3.2 Subsistema Hidráulico N°2
Maninfold y tuberías
Ítem
1
Código
Descripción
FT-MANFP- Maninfold para
00155
regulación de presión
2
FTMANPR00500
Maninfold para
reducción de presión
3
FTMANDV00606
Maninfold para
Válvulas direccionales
4
SIS-T121
5
6
Tubería hidráulica de
3/8" Sch40 / 3 m
Conectores
Hidráulicos rectos
G1/2"-OD 3/8"
Conectores
Hidráulicos curvos
G1/2"-OD 3/8"
Marca
Can.
Precio $
Precio
Total $
FLUIDTEK
1
220
220
FLUIDTEK
1
180
180
1
250
250
SISCO
4
70
280
SWAGELOK
8
15
120
SWAGELOK
5
18
90
1 140
Precio Total $
Tabla 36: Subsistema N°2: Maninfold y tuberías (Fuente: Elaboración propia)
63
5.3.3 Subsistema Hidráulico N°3
Maninfold y tuberías
Ítem
Código
1
FTMANFP00120
2
SIS-T121
3
4
Descripción
Maninfold para
limitadora de presión
Tubería hidráulica de
3/8" Sch40 / 3 m
Conectores
Hidráulicos rectos
G1/2"-OD 3/8"
Conectores
Hidráulicos curvos
G1/2"-OD 3/8"
Marca
Can.
Precio $
Precio
Total $
FLUIDTEK
1
80
80
SISCO
1
70
70
SWAGELOK
3
15
45
SWAGELOK
2
18
36
Precio Total $
Tabla 37: Subsistema 2: Maninfold y tuberías (Fuente: Elaboración propia)
231
5.3.4 Tanque de almacenamiento de Aceite hidráulico
Marca
Can.
Precio $
Precio
Total $
Tanque 250l para
almacenamiento de
Aceite Hidráulico
FLUIDTEK
1
825
825
2
Campanas de
Aluminio para
motores a bombas
hidráulicas PLP10
FLUIDTEK
1
160
160
3
Campanas de
Aluminio para
motores a bombas
hidráulicas PLP20
FLUIDTEK
3
170
510
4
Acople de motor 1 HP
a bomba hidráulica
PLP10
FLUIDTEK
1
45
45
5
Acople de motor 15
HP a bomba
hidráulica PLP20
FLUIDTEK
3
45
135
Ítem
Código
1
TANQ250l
Descripción
Precio Total $
Tabla 38: Tanque hidráulico y Accesorios (Fuente: Elaboración propia)
5.3.5 Costo total de fabricación y maquinado
64
1 675
Ítem
Descripción
Precio $
1
Maninfold y tuberías
Sub sistema 1
3557
2
Maninfold y tuberías
Sub sistema 2
1140
3
Maninfold y tuberías
Sub sistema 3
231
4
Tanque hidráulico y Accesorios
General
1675
Precio Total $
6 603
Tabla 39: Costo total de fabricación y maquinado (Fuente: Elaboración propia)
El Costo total de fabricación y maquinado es: $ 6 603 (seis mil seiscientos y
tres dólares).
5.4
Costo de Ensamblaje
Se consideran el costo de las horas-hombre del Ingeniero Mecatrónico
supervisor, técnico mecánico encargado en ensamblar el sistema hidráulico y
el de Automatización el ensamblaje del tablero de control y potencia, y se
incluyen los consumibles utilizados: disco de corte y desbaste, varillas de
electrodos, pulidor, conductores eléctricos etc. [9].
Ítem
Descripción
Precio $
#
Tiempo
Precio
Total $
1
Ingeniero Mecatrónico Supervisor
250/sem.
4
semanas
1000
2
Técnico Mecánico Hidráulico
180/sem.
4
semanas
720
3
Ayudante Mecánico Hidráulico
60/sem.
3
semanas
180
4
Técnico de Automatización
150/sem.
4
semanas
600
5
Ayudante de Automatización
60/sem.
3
semanas
180
Precio Total $
2 680
Tabla 40: Costo total de ensamblaje (Fuente: Elaboración propia)
El Costo total de ensamblaje es: $ 2680 (dos mil seiscientos ochenta dólares).
5.5
Costo de Programación de PLC y puesta en marcha
Se consideran el costo de las horas-hombre que invierten en la realización de
la lógica de programación del PLC, la interfaz gráfica (HMI) y la supervisión
desde la PC Remota.
65
Ítem
Descripción
Precio $
#
Tiempo
Precio
Total $
1
Ingeniero Mecatrónico Supervisor
250/sem.
1
semanas
250
2
Programador de PLC AB
180/sem.
1
semanas
180
3
Técnico Mecánico Hidráulico
60/sem.
1
semanas
60
4
Técnico de Automatización
150/sem.
1
semanas
150
Precio Total $
Tabla 41: Costo total de programación de PLC y puesta en marcha
(Fuente: Elaboración propia)
640
Al efectuar la suma de todos los costos (diseño, adquisición de materiales,
fabricación y maquinado, ensamblaje, programación y puesta en marcha)
obtenemos el precio total de costo del sistema [10].
Ítem
Descripción
Precio $
1
Costo de diseño
4 800
2
Costo de Adquisición de materiales
27 698
3
Costo de Fabricación y maquinado
6 603
4
Costo de ensamblaje
2 680
5
Costo de Programación y puesta en marcha
640
Precio Total $
Tabla 42: Costo total del sistema (Fuente: Elaboración propia)
42 421
El Costo total del sistema de automatización para pruebas de actuadores y
bombas hidráulicas de alto caudal es: $ 42 421 (cuarenta y dos mil
cuatrocientos veintiuno dólares).
5.6
Análisis económico-financiero
La implementación de del sistema de automatización para pruebas de
actuadores y bombas hidráulicas de alto caudal, trae como beneficio la
reducción del personal técnico, reducción de materiales y el aumento de
producción.
Reducción de personal técnico:
Con el sistema automatizado se necesitara 2 trabajadores (1 técnico
mecánico y de automatización), el personal sobrante será reubicado a otras
áreas, asignándole tareas necesarias dentro de la empresa, esta reducción
genera un ahorro anual del 60% en el costo de mano de obra por prueba.
Tabla 43: Histórico de personal técnico (Fuente: Gerencia de Fluidtek)
66
Tabla 44: Personal técnico en sistema automatizado
(Fuente: Gerencia de Fluidtek)
Reducción de materiales:
En los registros del 2017 en gastos anuales de los materiales para realizar las
pruebas hidráulicas en la empresa Fluidtek, fue alrededor de $ 5 510 (cinco
mil quinientos diez dólares), esto incluye los siguientes materiales:
Tabla 45: Histórico de reducción de materiales (Fuente: Gerencia de Fluidtek)
Con el sistema automatizado se reduce este importe en un 63.72%, lo cual
genera un ahorro a la empresa.
Tabla 46: Reducción de materiales
(Fuente: Gerencia de Fluidtek)
Aumento de producción:
El sistema actual realiza pruebas de actuadores de 500 mm de largo o
menores en un tiempo de 120 min, lo cual genera un total de cuatro
elementos por día.
67
Entre actuadores de 500 a 1500 mm de largo en un tiempo de 150 min, lo cual
genera un total de 3,2 elementos por día.
Entre actuadores de 1500 a 2000 mm de largo en un tiempo de 180 min, lo
cual genera un total de 2,6 elementos por día.
Entre actuadores de 2000 a 2500 mm de largo en un tiempo de 240 min, lo
cual genera un total de 2 elementos por día.
Tabla 47: Pruebas realizas por día laboral
(Fuente: Gerencia de Fluidtek)
El sistema automatizado aumenta la producción de pruebas en un 200% en
actuadores menores o igual a 500mm de largo.
En un 188% en actuadores de 500 a 1500 mm, y un 180% de 1500 a 2000mm
y un 200% de 2000 a 2500mm.
Tabla 48: Cantidad de pruebas por tipo de actuador en un día laboral
(Fuente: Gerencia de Fluidtek)
Tabla 49: Aumento de producción
(Fuente: Gerencia de Fluidtek)
68
CONCLUSIONES
1. Se ha utilizado transmisores digitales para adquirir de forma automática los
valores de presión, temperatura y flujo en las pruebas hidráulicas, lo cual
garantiza que los resultados obtenidos sean enviados y almacenados en el
computador, y así llevar un control de registro de cada elemento probado.
2. La operación del tablero de control es a través de la interfaz gráfica que
permite al operador una comunicación interactiva con la máquina y
disminuye el contacto con las fuentes de energía peligrosas.
3. El análisis financiero-económico indica que el proyecto es beneficioso y
rentable, generando un aumento de producción del 200% en la prueba
hidráulica de actuadores.
4. Desde el punto de vista técnico y económico, se concluye que el uso del
PLC es la mejor solución en comparación con el PLR, que tiene menor
memoria de procesamiento, limitación de entradas (24) y salidas (20) para
futuras expansiones del sistema, y la DAQ, que carece de procesador y no
se le puede confiar la gestión de un equipo debido a que depende la
comunicación con un computador.
5. La implementación del sistema automático requiere una inversión inicial de
$ 42 421, lo cual resulta un precio rentable para desarrollar esta tecnología
en el país, teniendo en cuenta que el costo de adquisición de un banco de
prueba del exterior es mayor.
69
RECOMENDACIONES A FUTURAS INVESTIGACIONES
En este estudio se ha priorizado el diseño e implementación del sistema
hidráulico y de automatización, esto ha dejado abierto los siguientes
puntos y líneas de investigación:
70
-
Desarrollar los cálculos para el diseño de estructuras metálicas de la
plataforma de pruebas.
-
Integración del PLC a un sistema de supervisión y adquisición de
datos.
-
Analizar los valores del VAN, TIR, COK, para poder determinar el valor
viable económico del proyecto.
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