Prototipo de Maqueta Embotelladora de Agua con FPGA

.
1
Prototipo de Maqueta Embotelladora de Agua con
FPGA
Duran, Aduar y Fajardo, Jaime.
[email protected], [email protected]
Universidad ECCI

Resumen—En el presente documento
se describe el
desarrollo e implementación de un prototipo de embotelladora
mediante un sistema digital realizado en lenguaje VHDL
utilizando una tarjeta Basys 2. El proyecto se lleva a cabo con
una banda transportadora la cual desplaza los recipientes,
sensores que detectan el recipiente y actuadores que se
encargan del llenado y tapado.
Índice
de
Términos—Embotelladora,
Precisión,
dispensador de líquido, tapado del recipiente.
I. INTRODUCCIÓN
La invención de los tarros de cristal trajo al mundo
grandes beneficios, los alimentos perduraban mucho
más tiempo, hay mucha más salubridad debido a
que los alimentos se conservan mejor y ahora se
pueden comercializar mejor los productos debido a
que se pueden transportar de un lado al
otro. Tiempo después, los tarros de cristal fueron
remplazados por latas o botes de fierro forjado, pues
eran mucho más rápidos y baratos de fabricar,
además de que el hierro es mucho más resistente.
Con el tiempo el proceso de envasado se fue
modernizando, su mayor mecanización hizo que el
proceso fuera mucho más rápido, eficiente e
higiénico. Conforme fueron creciendo las
poblaciones urbanas en Europa el proceso del
envasado fue creciendo pues era de gran utilidad y
se fue volviendo una necesidad. Las embotelladoras
tuvieron que expandirse y volverse cada vez
mejores.
Desde el momento en el que se inventaron las
botellas de vidrio hasta el momento, las fabricas
embotelladoras han tenido muchísimo trabajo;
Universidad ECCI
actualmente no podemos imaginar un producto
alimenticio, un maquillaje, un medicamento,
producto de limpieza o cualquier cosa, sin ser
embotellada, [1].
Normalmente una planta embotelladora recibe los
envases plásticos elaborados por una fábrica de
botellas. Aquí, las botellas son trasladadas
utilizando
camiones
a
las
diferentes empresas embotelladoras. Los envases
etiquetados y empaquetados son receptados por la
Planta y luego colocados en un área
de almacenamiento. En esta área, dependiendo de la
línea a embotellar, se seleccionan los envases (500
ml, 1000ml o 1800 ml); de allí, se los traslada hacia
la zona de embotellado donde los operadores con
sus manos ubican las botellas en la línea de
transportación para el enjuague, ya que debe
eliminarse el polvo que puede estar presente en el
envase, producto de los diferentes movimientos.
Una vez que los envases pasan por la Enjuagadora
(Rinseadora) se dirigen hacia la llenadora, donde el
producto se vierte a la velocidad y niveles
apropiados. A la salida de la llenadora se encuentra
la máquina que coloca la tapa rosca (Taponadora
Roscadora) sellando los envases con una tapa que se
coloca en la boca del envase para evitar que el
producto se derrame o ingresen elementos
contaminantes que afecten la pureza del agua. En
esta condición, el producto nuevamente pasa a la
cinta de transportadora, [2].
Antes de pasar al proceso de Embalaje, un operador
verifica que el envase esté bien sellado, que esté en
buenas condiciones y que el líquido esté en el nivel
apropiado, garantizando así la calidad del producto.
Después de esta última etapa, el producto es
codificado por medio de un inyector de tinta, el
mismo que registrará en los bordes de la tapa la
fecha de producción y caducidad del producto.
JECC-2014
.
2
Posteriormente, el producto se traslada a la
encajonadora, donde se agrupan varios lotes de
envases en forma rectangular para así enviarlos al
Paletizador. Este último es encargado de recubrir
los envases agrupados con una lámina
de plástico que se sella con el calor, [3].
En 1892, William Painter creó una tapa que llamó
“Corona” por su semejanza con la corona usada por
las reinas, en 1906 y 1909 Samuel C. Bond
desarrolló y planteó un sello que llamó tapa, [4].
En el siguiente trabajo se hace un análisis por medio
del GRAFCET y GEMMA a la etapa de carga,
llenado y taponado de las botellas.
La planta consta de un motor que desplaza una
banda transportadora de botellas, una dispensadora
de líquido y la tapadora.
El problema consiste en una banda que transporta
las botellas, inicialmente el motor está girando hacia
la derecha, cuando el sensor S0 detecta la botella
inmediatamente detiene el motor, se activa la
dispensadora de líquido durante un tiempo de 7
segundos, esto gracias a un temporizador de 0-7.
Cuando han transcurrido los 7 segundos el motor
vuelve a girar hacia la derecha, cuando el sensor S1
detecta la botella activa la maquina encargada de
poner la tapa activando nuevamente un
temporizador mientras pone la tapa y luego el motor
sigue girando.
II. DESARROLLO
A. Implementación
La descripción de hardware se realiza en lenguaje
VHDL mediante el software Xilinx. El código se
desarrolla implementando máquinas de estado.
ESTACIÓN DE CARGA: Los envases se ubican y
desplazan por medio de una banda transportadora
impulsada por medio de rodillos engranados a un
motoreductor que gira en un solo sentido.
ESTACIÓN DE LLENADO: Un sensor detecta el
recipiente en el punto de llenado el cual envía un
“1” lógico que detiene el motor y activa una
motobomba a 110V encargada de dispensar el
líquido. El sensor a su vez activa un temporizador
que es el que determina el tiempo de llenado. Una
vez finaliza el temporizador se habilita nuevamente
el giro del motoreductor.
ESTACIÓN DE TAPONADO: Un segundo sensor
detecta el recipiente en la zona de tapado el cual
detiene el motor de la banda y activa el actuador
encargado de poner las tapas.
B. Hardware
IMAGEN 1. Planta embotelladora
Primer paso:
ESTADO
MOTOR DISPENSADOR TAPADO
(QB)
(QA)
E0
0
0
0
Sistema
apagado
E1
1
0
0
Motor
encendido
0
Actuador
Dispensa
líquido /
Activa
temporizador
E2
0
1
E3
0
0
1
E4
0
1
1
Descripción de la planta:
Esta planta se enfoca únicamente en los pasos para
conseguir llenar una botella de un líquido y poner
su respectiva tapa dentro del proceso de
embotellado.
Universidad ECCI
FUNCIÓN
(QC)
JECC-2014
Actuador
pone la tapa
/ Activa
temporizador
Se activan
los
actuadores de
dispensado y
tapado al
mismo
tiempo
.
3
QC*= B0*~S0*~S1 + B0*~T0 + B0*~T1 + B0~T0~T1
QB*= B0*S0*~S1*T0 + B0*~T0*~T1
QA*= B0*~S0*S1*T1 + B0*~T0*~T1
Sensores
S0= Detecta botella
~S0= No detecta botella
S0
S1
T0
T1
S1= Detecta botella
~S1= No detecta botella
Temporizador
J
GRB
Q
QC*
M
CLK
K
T0= Inicia contador de 0-7 segundos de llenado
~T0=Contador apagado (finaliza conteo)
Q
CLR
F_FC
T1= Inicia contador de 0-3 segundos de tapado
~T1=Contador apagado (finaliza conteo)
GRB
J
QC*
Q
K
Segundo Paso:
CLR
Q
F_FB
GRB
J
QA*
Q
CLK
K
CLR
F_FB
IMAGEN 3. Circuito Lógico.
PROTOTIPO MAQUETA
IMAGEN 4. Implementación 1
IMAGEN 2. Máquina de estados.
Tercer Paso:
ESTADO
ACTUAL
QC
QB
QA
ECUACIÓN
TRANSICIÓN
ESTADO
PRÓXIMO
QC
*
QB
*
QA
*
E0
0
0
0
B0*~S0*~S1
E1
1
0
0
E1
1
0
0
~B0
E0
0
0
0
E1
1
0
0
B0*S0*~S1*T0
E2
0
1
0
E1
1
0
0
B0*~S0*S1*T1
E3
0
0
1
E1
1
0
0
B0*~T0~T1
E4
0
1
1
E2
0
1
0
B0*~T0
E1
1
0
0
E3
0
0
1
B0*~T1
E1
1
0
0
E4
0
1
1
B0*~T0*~T1
E1
1
0
0
IMAGEN 5. Implementación 2
4to paso:
Universidad ECCI
DISPENSADOR
CLK
JECC-2014
Q
TAPADORA
.
IMAGEN 6. Implementación 3
IMAGEN 7. Implementación 4
III. CONCLUSIONES
La automatización de los procesos es la mejor
presentación de una empresa ante sus clientes y ante
la competencia, es la forma en que se evidencia el
desarrollo tecnológico y su aplicabilidad en la
industria, en general, se considera un proceso
automatizado la manera más efectiva y práctica para
la ejecución de tareas de producción donde el
mecanismo es el desarrollo de tareas repetitivas, sin
embargo estos procesos deben estar supervisados
por el factor humano, quien decide y controla la
consecución de la planta automatizada según
condiciones arbitrarias que no alcanza a tener en
cuenta una máquina.
La destinación del proyecto aplica en cualquier
industria dedicada al envase de líquido. No
necesariamente debe ser aplicado en grandes
industrias, se puede implementar también en
pequeñas productoras como por ejemplo
envasadoras de temperas y vinilos.
Si se piensa en el desarrollo de la embotelladora a
nivel macro, vale la pena tener en cuenta el
producto específico por cada proceso de llenado,
esto es de vital importancia ya que por ejemplo, el
Universidad ECCI
4
nivel de viscosidad, las cantidades o la temperatura
de los productos entre otros factores no es igual,
para estos casos se puede pensar en sensores de
llenado a cambio de tiempos de llenado, así se
puede asegurar una exactitud graduable según la
necesidad planteada. Por otra parte la
implementación no solo de la electrónica de
potencia sino también de la estructura física de la
planta, debe ir ligada tanto al tamaño y peso de los
envases como también a la velocidad que se
requiera, luego si se desea estos factores pueden
optimizarse como variables de fácil graduación por
un operario según la necesidad de la industria.
Ventajas e inconvenientes de la automatización:
Ventajas:
 Permite aumentar la producción y adaptarla
a la demanda
 Consigue mejorar la calidad del producto y
mantenerla constante
 Mejora la gestión de la empresa
 Disminuye de la mano de obra necesaria
 Hace más flexible el uso de la herramienta
Inconvenientes:
• Incremento del paro en la sociedad
• Incremento de la energía consumida por producto
• Repercusión de la inversión en el coste del
producto
• Exigencia de mayor nivel de conocimientos de los
operarios.
AUTORES
A. Aduar Esneider Durán
Giraldo nacido
en Bogotá D.C, Colombia, el
17 de Septiembre de 1987. Se
graduó como Tecnólogo en
Electrónica Industrial en
Octubre de 2013 y estudiante
actual
de
Ingeniería
Electrónica
semestre
8
(Noviembre de 2014) Universidad ECCI, a nivel
profesional se ha formado y desarrollado en el área
de producto (Electrodomésticos y telefonía celular)
en Samsung Electronics Colombia S.A.
He adquirido conocimientos en el funcionamiento y
tecnologías de los diferentes electrodomésticos en la
JECC-2014
.
5
experiencia laboral, ciclo de refrigeración en
neveras y aires acondicionados tecnología Plasma,
LCD y Led en televisores, hardware y software para
portátiles, etc. Desarrollé un proyecto (Simulación y
descripción de un aire acondicionado) el cual
facilita la detección de fallas. Tengo conocimientos
en programación C++ mediante el cual he
implementado programas para calcular un factorial,
coordenadas rectangulares a polares, hallar el valor
de una función, manejo de switch, for, do while y
arreglos. Implementación en físico y simulación en
Matlab para un buck reductor, montaje en físico de
dos motores acoplados y simulación de la función
de transferencia en Matlab, Simulación de un
péndulo invertido en Matlab. He realizado
descripción de hardware en VHDL para contadores,
visualizador dinámico y multiplexores.
J. Jaime Fajardo Jiménez;
nacido en Bogotá D.C,
Colombia, el 8 de julio de
1984, actualmente cursa
octavo
semestre
de
ingeniería
electrónica
(Noviembre de 2014). Cursó
seminario de visión artificial
(herramienta MATLAB) en
julio de 2014 en la
Universidad ECCI, para el proyecto del seminario
elaboró un selector de objetos por forma y color.
Conocimientos en sistemas electronicos de
seguridad, cerraduras randómicas, esclusas,
alarmas, CCTV, programación de módulos GPS
Virloc de Virtualtec, control en equipos de
temperatura y presión, válvulas y motores. Ha
realizado programas en lenguaje C para
microcontroldores pic de Microchip (cerradura de
combinación numérica variable, PWM, conversor
análogo - digital, control de acceso), programación
de microcontroladores de Atmel (Atmega 168) en
AVR studio e interfaz gráfico en labVIEW.
[2] J. Peñaloza,
S. Mora. (Bucaramanga 2008).
Automatización e Instrumentación de una planta
embotelladora a escala, [Online] Available:
http://repository.upb.edu.co:8080/jspui/bitstream/123456789/497/1/digit
al_16911.pdf
[3] J .Franco, E Martínez. Diseño de una enjuagadora rotatva
automática para botellas, utilizadas en planta
embotelladora, [Online] Available:
https://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/1938/1/3847.pdf
[4] Buitrago, Raul y Guerra, José. Revista Bavaria N°118,
publicada en Bogotá D.C Colombia, 1980, Pag.2.
REFERENCIAS
[1]
I. Betancur, (Manizales 2004). Diseño y montaje de un
control de nivel para una envasadora de lácteos, [Online]
Available:
http://www.bdigital.unal.edu.co/2017/1/Indiramarcelagiraldobetancur.20
04.pdf
Universidad ECCI
JECC-2014