Practicas de electroneumática y PLC

1. 14º Congreso Nacional de Mecatrónica
15, 16 y 17 de Octubre, 2015. Universidad Autónoma de Querétaro, Querétaro.
ISBN: XXX-XXXX-XXXX
Asociación Mexicana de Mecatrónica A.C.
Embotelladora Automatizada por medio de PLC
Méndez Guzmán Hugo Antonio, Alvizo García José de Jesús, Bonilla Anguiano Cristo Manuel,
Rangel Gamiño Juan, Roaro Moreno Josué Francisco.
Universidad Politécnica del Bicentenario
Carretera Silao-Romita km. 2, San Juan de los Duran, C.P. 36283. Tel. (472) 72 38 700
Resumen
En este artículo se describe el proceso de una
embotelladora seguido de una pequeña etapa de
empaquetamiento, este tipo de sistema se puede
implementar en cualquier industria alimenticia enfocada en
el trato de líquidos y procesos afines. Se ha aplicado la
automatización para controlar este proceso mediante la
implementación de un PLC SIEMENS SIMATIC S7-300.
Para la programación del PLC se hace uso del lenguaje
KOP.
Palabras clave: Embotelladora, PLC SIEMENS,
Automatización.
1. Introducción
La automatización es un sistema donde se
trasfieren tareas de producción, realizadas
habitualmente por operadores humanos a un conjunto
de elementos tecnológicos.
Un sistema automatizado consta de dos
partes principales:
• Parte de mando
• Parte Operativa
La Parte Operativa es la parte que actúa
directamente sobre la máquina. Son los elementos
que hacen que la máquina se mueva y realice la
operación deseada. Los elementos que forman la
parte operativa son los accionadores de las máquinas
como motores, cilindros, compresores y los
captadores como fotodiodos, finales de carrera entre
otros sensores.
La Parte de Mando suele ser un autómata
programable, aunque hasta hace poco se utilizaban
relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o
módulos lógicos neumáticos. En un sistema de
fabricación automatizado el autómata programable
esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de
comunicarse con todos los constituyentes de sistema
automatizado. En este caso la estructura de la
embotelladora junto con el PLC son la parte de
mando y en cuanto a la parte operativa se encuentran
los motores, cilindros y todos los sensores encargados
de detectar la posición de la botella durante todo el
proceso. Este proyecto como tal se dirige como un
subproceso para una celda de manufactura (figura 1)
enfocada en la industria de bebidas en general, del
cual se desprenden otros subprocesos que en
complemento con este sistema de embotellamiento se
logra una celda de manufactura que abarca todo el
tratamiento de líquidos para embotellarlos,
clasificarlos y empaquetarlos.
Fig. 1. Esquema de una celda de manufactura.
2. Descripción del sistema
El sistema de embotellamiento que se
desarrolló permite el llenado, roscado y empaquetado
en cuartetos de botellas con la capacidad de 400 ml.
El sistema consta de tres cilindros neumáticos de
doble efecto con una carrera de 100mm, un gripper
neumático, 7 sensores micro switch, 4 sensores
fotoeléctricos LM393, una banda transportadora y
cuatro motores de los cuales son tres motores de
corriente directa y un motor a pasaos bipolar. Para
fines de mayor entendimiento nombraremos a los
actuadores anteriormente mencionados como:
cilindro A, cilindro B y cilindro C.

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2.1 Etapa de llenado
La acción de llenado se compone del cilindro
A al cual se le posicionó una manguera que en uno de
sus extremos se conecta a una pequeña bomba
hidráulica en su otro extremo se coloca al vástago del
actuador y a un acople de mangueras metálico que
realiza la acción del inyector (figura 2), este inyector
suministrará líquido durante una cierta cantidad de
tiempo ya prestablecida por un timer.
Esta etapa se lleva acabo cuando el sensor de
la primera posición S1 detecta que la botella está en
el lugar correcto y el cilindro A está en reposo.
Fig. 2. Manguera de inyección del líquido con su
acople.
2.2 Etapa de cerrado
Para cerrar la botella se acopló al cilindro B un
motor a pasos MP y un gripper neumático unido al
motor por medio de un tren de engranes para
aumentar el torque y así de esta manera el motor
pueda girar el gripper sin mayor dificultad (figura 3).
El gripper se encarga de sujetar la taparrosca
para que al momento en que el motor produce el giro
la taparrosca comience a cerrar la botella. El motor a
pasos se programó con el número de vueltas
necesarias para cerrar completamente la botella y así
poder pasar la siguiente etapa.
Fig. 3. Mecanismo encargado de cerrar la botella.
Para que esta acción se ejecute la botella ya
debe de estar llena, el sensor de la segunda posición
S2 debe estar detectando a la botella y el cilindro B
debe estar en reposo.
Fig. 4. Gripper neumático.
2.3 Etapa de expulsión
En esta etapa la botella se expulsa hacia la
siguiente fase que es la transportación hacia la caja
donde será depositada. La botella se sostiene
mediante una sujeción que se implementa en el
extremo del vástago del cilindro C (figura 5), este
actuador se mantiene en reposo y sujetando la botella
durante todo el proceso hasta que es detectada por el
sensor de la tercera posición S3. Una vez detectada la
botella, el cilindro C se acciona y se retrae
rápidamente ocasionando que la botella salga de la
estación de llenado para caer en la banda
transportadora anteriormente mencionada y así seguir
con el proceso.
Fig. 5. Cilindro con sujeción.

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Así mismo se implementa una banda
transportadora impulsada por un motor eléctrico BT
después de la etapa de expulsión, y con el objetivo de
trasladar la botella una vez llena y cerrada hacia la
estación de empaquetamiento (figura 6). La banda
funciona con un motor de corriente directa con
alimentación de 12v y se acciona cada que el sensor
S4 detecta que la botella ya fue expulsada, esta
banda transportadora se programó mediante un timer
que una vez transcurrido cierto periodo de tiempo se
detendrá en el momento que la botella esté en el otro
extremo de la banda transportadora para así de esta
manera ser depositada en un contenedor.
Fig. 6. Banda transportadora.
2.4 Almacenamiento
En esta etapa se tiene una caja sobre una base
giratoria, denominada como CAJA en el diagrama
espacio-fase de la figura 13. El funcionamiento de
esta etapa de ir depositando las botellas dentro del
contenedor que está divido en cuatro para almacenar
grupos de botellas.
Como se mencionó anteriormente la banda
transportadora es la encargada de llevar las botellas
hasta el contenedor, para depositar la botella dentro
del contenedor se construyó una canaleta por la cual
viajará la botella para ser almacenada de una forma
precisa. Cada vez que cae una botella dentro del
contenedor la base giratoria se acciona y
rota 45° quedando en posición de recibir la siguiente
botella, esta rutina se realizará hasta llenar el
contenedor con cuatro botellas.
3. Control del sistema
Para controlar este proceso, además del PLC
se hizo uso de once sensores que indican la
posiciones que adopta cada parte del proceso, los
sensores utilizados fueron: siete sensores micro
switch y cuatro sensores fotoeléctricos LM393.
El uso de los sensores de micro switch permite
la detección de inicio y fin de carrera para cada
actuador neumático (figura 7), es decir, indican
cuando el actuador está en reposo o activo.
Fig. 7. Inicio y fin de carrera.
Estos sensores son de contacto directo, es
decir, se acopló una delgada placa de metal a los
vástagos de los cilindros para que accionen
directamente los sensores micro-switch (figura 8).
Fig. 8. Sensor micro-switch.
Por otra parte los sensores fotoeléctricos
LM393 (figura 9) son usados para detectar en que
parte del proceso se encuentra la botella y que acción
es la que se debe realizar, además de que resulta fácil
de acoplar dado a su tamaño reducido y su rango de
detección satisface las exigencias del proceso.
Los sensores LM393 se ubicaron en lugares
específicos del sistema para tener el control sobre la
posición de la botella a lo largo de todo el proceso
(figura 10). Para el funcionamiento correcto de estos
sensores fue necesario crear una cubierta para los
mismos, dado que la luz ambiente altera su
funcionamiento, tal que las cubiertas no dejen pasar
la luz y de esta manera los sensores trabajen de
acuerdo a lo esperado.

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Fig. 9. Sensor fotoeléctrico LM393.
Fig. 10. Disposición de sensores de proximidad.
Estos sensores se activan al detectar cualquier
objeto en un rango de 0cm a 30cm dejando pasar una
señal de 5V la cual usamos para controlar el proceso
de la embotelladora.
4. Movimiento eléctrico del sistema
Como se mencionó este sistema funciona con
cuatro motores, tres motores de corriente directa y un
motor a pasos, los motores de corriente directa se
desempeñan de la siguiente manera: uno es para hacer
girar la base donde se encuentra la botella y así de
este modo llegar a cada estación del proceso, otro
motor se localiza en un eje de la banda transportadora
y es el encargado de hacer girar a la banda para
transportar la botella hacia la etapa de empaquetado y
por último el motor restante se encarga de hacer girar
otra base en la cual se encuentra la caja donde se
depositarán las botellas una vez finalizado el proceso
(figura 11).
Por último, con respecto al motor a pasos MP
que se mencionó con anterioridad se acopló a un
mecanismo diseñado para hacer girar al gripper
neumático y de esta manera cerrar la botella dejando
a la misma lista para la etapa de expulsión.
Fig. 11. Sistema de empaquetamiento.
5. Descripción del proceso
Para realizar el control del proceso bajo la
programación del PLC es necesario la
implementación de un diagrama de estados de
sensores y actuadores del sistema en cada etapa
(diagrama espacio-fase) tal como lo muestra la figura
12, tal que se puedan deducir las ecuaciones lógicas
que rigen la activación de cada uno de los actuadores.
La tabla 1 muestra las condiciones lógicas
necesarias para la activación de avances (A+, B+, C+,
D+) y retrocesos (A-, B-, C-, D-) de los cilindros
neumáticos, condiciones de activación de los
actuadores eléctricos bajo motor M y MP, así como
las condiciones de operación para la electroválvula de
llenado BOM.
Condición lógica de operación Actuador
1 0 4S A m A+
1 1t A A−
2 B0S B +
CONT B −
3 C0S C +
1C C −
3m D +
3m D −
1A BOM
1 0 or 2 0 or 3m A m B t M
1B MP
Tabla 1. Ecuaciones lógicas que rigen la operación
de actuadores del proceso.
Por otra parte para enclavar o memorizar
algunos estados del proceso es necesario implementar
un sistema de memorias que permita la toma de
decisiones a través de las etapas del proceso.

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La tabla 2 muestra las condiciones de
activación y desactivación de este sistema de
memorias.
Memoria del Proceso SET RESET
1m 1A 2S
2m 1B 3S
3m 1S COMP
4m 1A 1C
5m S 2t
Tabla 2. Condiciones de activación y desactivación
del sistema de memorias del proceso.
Donde COMP, CONT, t1, t2 y t3 son
componentes de un sistema de control para
servomotor basado en timers retroalimentados, un
contador y un comparador que reinicia el conteo para
la generación de pasos para el motor a pasos MP.
Fig. 12. Diagrama espacio-fase del proceso.
En el diagrama espacio fase de la figura 12 se
muestran la representación gráfica del movimiento de
los actuadores y estados del sistema descrito en
secciones anteriores, donde A, B y C son cilindros
neumáticos; D representa el gripper de la etapa de
cerrado, M es el motor de la base donde se situará la
botella para las primeras tres etapas, BOM representa
la bomba hidráulica, S1 hasta S5 son los sensores de
proximidad fotoeléctricos, MP representa el motor a
pasos bipolar y A0, A1, B0, B1, CO y C1 son los
sensores fin de carrera de los cilindros A, B y C a
través de micro-switch; el conjunto formado por m1,
m2, m3, m4 y m5 son memorias que se
implementaron para el control de las etapas del
proceso; BT es el motor eléctrico que impulsa la
banda transportadora y por último CAJA es la base
giratoria donde se depositarán las botellas al finalizar
el proceso.
Una vez elaborado el diagrama espacio-fase y
deducido el sistema de ecuaciones lógicos para
activación de actuadores, la elaboración del programa
en lenguaje KOP se simplifica, ya que aquellas
condiciones que dependan de operaciones AND se
trasladan a combinación de contactos normalmente
abiertos y cerrados en conexión serie, mientras las
condiciones que dependen de operaciones OR son
combinación de contactos en conexión paralelo,
facilitando la programación de secuencias bajo PLC.
Posteriormente y antes de cargar el programa
al PLC se realizó una simulación con la ayuda del
software Automation Studio con la finalidad de
corregir cualquier error que pudiera existir en el
diagrama KOP y generar los esquemas eléctricos,
electroneumáticos y de control. En la figura 13 se
muestras el plano de entradas y salidas digitales del
proceso.
Fig. 13. Plano de entradas y salidas digitales.

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Cabe destacar que la automatización se realizó
sólo con el PLC inclusive la programación del motor
a pasos. La programación del motor a pasos se hizo
con a partir de los timers retroalimentados que se
utilizó como un generador de pulsos, los cuales
recibía un contador ascendente hasta 4 y de ahí se
implementaron 5 comparadores para mandar las
señales correspondientes al motor dependiendo de
que número de señal recibían los comparadores.
Una vez simulado el proceso en el software
antes mencionado se corrigieron algunos errores que
surgieron con las activaciones de la bomba hidráulica
y de la base giratoria de la estación de llenado.
Posteriormente se procedió a pasar el esquema KOP
ahora a la plataforma SIMATIC STEP-7 compatible
con el PLC S7-300, ya hecho el esquema KOP en
esta plataforma se cargó al PLC para hacer funcionar
el sistema y de una manera real. En la figura 14 se
muestra un fragmento del programa transferido al
PLC.
Fig. 14. Fragmento del programa en lenguaje KOP.
6. Resultados
A través de este proyecto se implementó una
estación de un proceso de producción alimentario, en
forma de un sistema de embotelladora y un sistema
de empaquetado. El proceso fue abordado desde la
elección de componentes tanto mecánicos, eléctricos
y electroneumáticos que estuvieron al alcance de
nuestra economía, resolviendo paso a paso las
necesidades del proceso para llevar cabo su
automatización.
A través del cableado correspondiente entre el
PLC y el sistema físico se presentaron inconvenientes
con los sensores LM393 ya que la luz ambiente
modificaba su comportamiento. La iluminación sobre
estos sensores debe de ser muy poca y distribuida de
una manera uniforme para su correcto
funcionamiento. Sin embargo, al resolver estos
problemas menores se ejecutó la rutina programada
mostrando buenos resultados en su ejecución (figura
15).
Fig. 15. Sistema de embotellado y empaquetado.
El prototipo ya se encuentra en
funcionamiento actualmente en el laboratorio de
Robótica de la Universidad Politécnica del
Bicentenario, cuyo beneficio inmediato es el uso de
toda la estructura para nuestro aprendizaje en futuras
asignaturas que conlleven tecnologías de control para
la automatización de procesos industriales.
7. Conclusiones
Tras la realización de este proyecto queda
señalada la importancia de la automatización en los
procesos industriales, más específicamente en las
celdas de manufactura ya que de esta manera se
ahorran muchos recursos de todo tipo a largo plazo,
es decir, si minimizan las pérdidas y se maximiza la
productividad. Otro punto importante es la
distribución de las máquinas que forman la celda de

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manufactura, estas deben de estar colocadas de forma
estratégica para que exista un buen flujo entre todos
los procesos involucrados y así aprovechar al máximo
la automatización del proceso.
Como trabajo futuro se implementaran
tecnologías sobre el prototipo como sensores
inductivos y ópticos industriales, además de la
inclusión de software para la elaboración de un HMI
que nos permita el monitoreo del proceso en tiempo
real.
Referencias
[1] Roldan, V. “Automatismos Industriales”,
Editorial Paraninfo, 2008.
[2] Ebel, F., Idler, S., Prede, G., Scholz, D.
“Fundamentos de la técnica de
automatización”, Festo Didactic, Alemania,
2007.
[3] Pitarch, P. “STEP 7: Una Manera Fácil de
Programar PLC de Siemens”, Marcombo, 2009.
[4] Millán, S. “Automatización neumática y
electroneumática”, Marcombo, 1995.
[5] http://senseilean.blogspot.mx/2013/06/lean-
manufacturing-celdas-de-manufactura.html.