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Automatización de una Línea de Extrusión para fabricación de ladrillos
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Automatización de una Línea de Extrusión para fabricación de ladrillos Automatización de una Línea de Extrusión para fabricación de ladrillos Document Transcript

  • UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA “AUTOMATIZACIÓN DE UNA LÍNEA DE EXTRUSIÓN PARA FABRICACIÓN DE LADRILLOS”AUTOR: ALLCCARIMA MARTÍNEZ WALTERASESOR: NOEL JULIEN GEORGES LIMA – PERÚ Marzo, 2012
  • ii
  • Dedicatoria: A mis hijos Zuli, Walter, Juan Diego y a mi esposa, por su comprensión y paciencia para lograr mis objetivos.iii
  • Agradecimientos:A mi profesor Julien por su apoyo brindado para hacerrealidad esta tesis iv
  • RESUMENLa electrónica es una de las ciencias con mayor presencia en la actualidad al ofrecerherramientas de trabajo para prácticamente todos los campos de aplicaciones. Lasactividades orientadas a la industria es un claro ejemplo de esta situación, pues auxilia enmuchos aspectos, desde la indicación de las variables de un proceso, hasta complejossistemas de automatización de procesos.La presente tesis ha sido elaborada con el propósito de dar solución a una problemática queexiste específicamente en la ladrillera Sagitario. Actualmente la línea de extrusión deladrillos trabaja con un sistema de control electromecánico, que fue instalado haceaproximadamente 30 años. Es por ello que se propone automatizar esta área de producciónhaciendo uso del PLC (Controlador Lógico Programable) que es un aparato electrónico quees usado en la mayoría de las industrias, por su flexibilidad para enlazar con otros equiposy por su robustez para trabajar en ambientes industriales.El control electromecánico de esta línea de extrusión se encuentra implementada para eltrabajo en forma manual, debiéndose controlar el apagado y encendido de los motoreseléctricos, esto genera un tiempo muerto al inicio del proceso, y requiere de dos operadoresde maquina para realizar el encendido de los motores, siendo uno de ellos el encargado decontrolar el sistema de humectación de la materia prima accionando válvulas de control enforma manual. Para ello se propone mejorar el sistema de control de esta área para elcontrol de los motores eléctricos, programados para controlar en forma MANUAL yAUTOMATICO, mediante un interruptor de selección MAN/AUT y además instalar unaelectro válvula de tipo ON/OFF para el control de humedad, y para ello solamente serequerirá de un solo operador de maquinas. v
  • INDICE GENERALCAPÍTULO PÁGINADEDICATORIA......................................................................................................... iiiAGRADECIMIENTOS ........................................................................................... ..ivRESUMEN .................................................................................................................. vINDICE GENERAL ................................................................................................... viÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................. ixÍNDICE DE ANEXOS .............................................................................................. xiINTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 11. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................... 2 1.1 DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA ................................................... 2 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ....................................................... 3 1.2.1 Fundamento Básico ........................................................................ 3 1.2.2. Motivación del proyecto del Investigación .................................... 3 1.2.3 Formulación en si del problema de investigación .......................... 3 1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN ........................................................ 4 1.3.1 Objetivos Generales ........................................................................ 4 1.3.2 Objetivos Específicos ...................................................................... 4 vi
  • 1.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .......................................... 4 1.4.1 Por su naturaleza ............................................................................. 4 1.4.2 Por su magnitud ............................................................................... 4 1.4.3 Por su vulnerabilidad ....................................................................... 5 1.4.4 Práctica organizacional ................................................................... 5 1.4.5 Por su trascendencia ........................................................................ 5 1.4.6 Por su economía .............................................................................. 5 1.5 LIMITACIONES Y FACILIDADES ........................................................ 6 1.5.1 Las limitaciones de este proyecto.................................................... 6 1.5.2 Las facilidades del proyecto de investigación. ................................ 62. FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................. 7 2.1 ANTECEDENTES DEL ESTUDIO .......................................................... 7 2.1.1 Procesos de ladrillos ........................................................................ 7 2.1.2 Control de procesos ....................................................................... 16 2.1.3 Controladores Lógicos Programables (PLC) ................................ 25 2.1.4 Sensores y Actuadores .................................................................. 26 2.1.5 Motores Eléctricos......................................................................... 28 2.2 ESTADO DEL ARTE .............................................................................. 323. DISEÑO SIMULACION E IMPLEMENTACION ........................................ 33 vii
  • 3.1 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA TESIS ................................................ 34 3.2 DISEÑO ................................................................................................... 35 3.3 SIMULACIONES .................................................................................... 42 3.4 IMPLEMENTACIÓN .............................................................................. 464. RESULTADOS Y CONCLUSIONES............................................................. 44 4.1 RESULTADOS ........................................................................................ 48 4.2 CONCLUSIONES ................................................................................... 49 4.3 TRABAJOS FUTUROS ....................................................................... 49.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 50.ANEXOS .................................................................................................................. 51 viii
  • INDICE DE FIGURASCAPÍTULO PÁGINAFigura 1: Diagrama de flujo de una ladrillera ........................................................................8Figura 2: Extracción de materia prima ...................................................................................9Figura 3: Molienda .................................................................................................................9Figura 4: Molienda y zarandeo.............................................................................................10Figura 5: Humectación de la tierra .......................................................................................11Figura 6: Agua absorbida en la superficie de las partículas arcillosas. ................................11Figura 7: Aumento del número de capas de agua alrededor de las partículas ....................12Figura 8: Método de conformado por extrusión...................................................................13Figura 9: extrusora de tornillo simple ..................................................................................14Figura 10. Secado del ladrillo ..............................................................................................15Figura 11. Cocción del ladrillo.............................................................................................16Figura 12. Control de lazo abierto ........................................................................................16Figura 13. Control de lazo cerrado .......................................................................................17Figura 14. Proceso continuo. ................................................................................................18Figura 15. Proceso discreto ..................................................................................................19Figura 16. Proceso discontinuo o por lotes. .........................................................................19Figura 17. Control en cascada ..............................................................................................20 ix
  • Figura 18. Control de razón..................................................................................................21Figura 19. Controladores Lógicos Programables (PLC) ......................................................26Figura 20. Sensores y actuadores .........................................................................................28Figura 21. Configuración cilíndrica de los conductores en una maquina ............................29Figura 22. Condiciones de arranque del motor con diferente resistencia en el rotor ...........30Figura 23. Diagrama de flujo ...............................................................................................34Figura 24. Simulación de arpiones y electroválvulas ...........................................................42Figura 25. Simulación faja de tolva y capacho ....................................................................43Figura 26. Simulación de fajas transportadoras ...................................................................44Figura 27. Simulación de alarmas ........................................................................................45Figura 28. Tablero eléctrico .................................................................................................47 x
  • INDICE DE ANEXOSCAPÍTULO PÁGINAANEXO 1: Alimentación general del tablero eléctrico ............................................ 51ANEXO 2: Iluminación de tablero eléctrico ............................................................. 52ANEXO 3: Alimentación del circuito de mando ...................................................... 53ANEXO 4: Circuito de alimentación para el PLC .................................................... 54ANEXO 5: Indicación de estado del circuito de mando ........................................... 55ANEXO 6: Circuito de mando .................................................................................. 56ANEXO 7: Circuito de mando y fuerza para el motor de extrusora ......................... 57ANEXO 8: Circuito de mando y fuerza para el motor de alim. extrusora ................ 58ANEXO 9: Circuito de mando y fuerza para bomba de aceite de extrusora ............ 59ANEXO 10: Circuito de mando y fuerza para bomba de aceite de alim. extrusora . 60ANEXO 11: Circuito de mando y fuerza para arpion 1 y 2 ..................................... 61ANEXO 12: Electroválvulas de extrusora y alimentador de extrusora .................... 62ANEXO 13: Sensor de cámara de vacio llena .......................................................... 63ANEXO 14: circuitos de térmicos activados ............................................................ 64ANEXO 15: Entrada byte 0 y byte 1 al PLC ............................................................ 65ANEXO 16: Entrada y salida del byte 2 del PLC ..................................................... 66ANEXO 17: Entrada y salida del byte 3 del PLC ..................................................... 67 xi
  • ANEXO 18: Entrada y salida del byte 4 del PLC ..................................................... 68ANEXO 19: Entrada del byte 5 del PLC .................................................................. 69ANEXO 20: Entrada del byte 7 del PLC .................................................................. 70ANEXO 21: Circuito de seguridad de laminadores y amasadora ............................. 71ANEXO 22: Circuito de mando para electroválvulas de amasadora y pistones ....... 72ANEXO 23: Circuito de fuerza y mando de laminador rápido ................................. 73ANEXO 24: Circuito de fuerza y mando para laminador lento ................................ 74ANEXO 25: Circuito de fuerza y mando para amasadora ........................................ 75ANEXO 26: Codigo de programa para el PLC ......................................................... 76ANEXO 27: Materiales y costo para el proyecto ...................................................... 89ANEXO 28: Partes de una extrusora......................................................................... 90 xii
  • INTRODUCCIÓNEl objetivo de este trabajo es permitir el control y automatización de la línea de extrusiónde la ladrillera Sagitario, haciendo uso de un Autómata Programable, que es muy utilizadoen la gran mayoría de las industrias a nivel mundial, por su confiabilidad y robustez paratrabajar en ambientes industriales. En un contexto industrial podemos definir laautomatización como una tecnología que esta relacionada con el empleo de sistemasmecánicos, electrónicos y basados en computadoras, en la operación y control de laproducción. Ejemplos de esta tecnología son: líneas de transferencias, maquinas demontaje mecanizado, sistemas de control de realimentación, maquinas-herramientas concontrol numérico y robots. En consecuencia, la robótica es una forma de automatizaciónindustrial.En la electrónica, un autómata PLC1 es un dispositivo usado para controlar. Este control serealiza sobre la base de una lógica, definida a través de un programa, diseñado paracontrolar en tiempo real y en un ambiente industrial procesos secuenciales controlables.Este proyecto se realizará dentro de los talleres de la empresa Ladrillera Sagitario y en losLaboratorios de control de la Universidad Tecnológica del Perú.El propósito de esta investigación, mejorar el sistema de control y la secuencia adecuadapara el arranque y funcionamiento de motores y actuadores que se encuentran en la líneade extrusión de ladrillos1 PLC: Controlador Lógico Programable 1
  • 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 DETERMINACIÓN DEL PROBLEMAEl control electromecánico de la línea de extrusión se encuentra implementado para eltrabajo en forma manual, debiéndose controlar el apagado y encendido de los motoreseléctricos uno por uno, y la ubicación de fallas es complicada ocasionando un mayortiempo de parada de la producción. Y para realizar cambios en la lógica de funcionamientodel sistema se requiere realizar modificaciones en el cableado y agregar componentesexternos adicionales, tales como memorias set-reset, temporizadores, contadores, etc.La frecuencia de parada de los motores de la línea de producción es aproximadamente de30 segundos cada 20 minutos, esto se debe a la rotura y/o desgaste de alambres de unacortadora de ladrillos, esto obliga a la parada de las maquinas de producción en serie. Lasfajas transportadoras se detienen con material encima de ellos (tierra), esto ocasiona unacorriente de arranque superior a 8 veces de la corriente nominal del motor, debiendo sermenor a 6 veces, esto ocasiona la reducción del tiempo de vida de los contactores para elarranque de los motores y la rotura de sistemas mecánicos donde se encuentran acopladosal motor, tales como: reductores, chumaceras, cojinetes, etc.La humectación del material se realiza en forma manual mediante un operador demaquinas, lo cual tiene que estar atento al momento de parada y arranque de una fajaalimentadora de material, para luego accionar en forma manual una electroválvula deacoplamiento mecánico de la maquina amasadora al motor, y además, accionar una válvulaalimentadora de agua, esto origina un retardo en la actuación del sistema. Originando untiempo transitorio que altera la humectación del material ¿Qué problema se va a investigar?Se va a realizar una investigación que corresponde al área profesional de IngenieríaElectrónica, programa de Automatización Industrial y las líneas de investigación deControladores lógicos programables (PLC), sensores, actuadores. 2
  • 1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA 1.2.1 Fundamento BásicoEsta investigación nos ayudara a entender la importancia de un control automáticomediante el PLC, en donde podemos conectar todos los dispositivos de la línea deextrusión tales como los sensores y actuadores, para que mediante un programa cargadodentro del PLC, realice un control total sobre el sistema. La extrusora ya cuenta conalgunos dispositivos de control que se muestra en el anexo 28, y su sistema de control esde tipo electromecánico, siendo este sistema inflexible a cambios futuros que requieranrealizar. 1.2 2 Motivación del proyecto del InvestigaciónEl sistema actual del funcionamiento de la línea de extrusión, limita la producción yocasiona paradas no programadas y con este cambio se espera mejorar la controlabilidaddel sistema, incluyendo el control de la humedad del material y solamente será necesarioutilizar un solo operador de maquinas. La inversión que se va a realizar se justifica, por queesto se va a recuperar en un corto plazo. 1.2.3 Formulación del problema de investigaciónLa presente investigación tiene por objetivo demostrar como la automatización y lasnuevas tecnologías son una de las soluciones con mayor requerimiento en los nuevossistemas de control, y además se puede realizar el monitoreo del proceso, y obviar la redcableada que por ende necesita mayor mantenimiento y en algunas circunstancias queretrasan la forma de encontrar una falla en el sistema que se controla y para ello se proponerealizar el siguiente trabajo. 1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACION 1.3.1 Objetivos Generales- Contribuir en el desarrollo tecnológico de la automatización de procesos para fabricación de ladrillos. 3
  • - Difusión del uso eficiente de los recursos y herramientas en el ámbito empresarial ladrillero 1.3.2 Objetivos EspecíficosLos objetivos que se han propuesto para este proyecto de investigación son:- Funcionamiento en forma automática la línea de producción- Reducir costos por mantenimiento preventivo o correctivo.- Reducir las pérdidas de producción- Reducir al mínimo las paradas por fallas eléctricas.- Acondicionar el sistema para ampliaciones futuras. 1.4 JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION 1.4.1 Por su naturalezaLa naturaleza de mi proyecto de investigación es la Automatización y se justifica porquehay un problema que solucionar. 1.4.2 Por su magnitudEste proyecto apunta a una mejora del sistema de producción en las empresas ladrillerasdel Perú, en donde la producción se realiza a gran escala. 1.4.3 Por su vulnerabilidadEl control de humedad mediante el PLC es vulnerable a la calidad de materia prima conque se trabaja, pudiendo ser arenosa u arcillosa, estos alteran el proceso de humectación ylas características del material, para ello se requiere una medición de las características dela materia prima antes y después de la humectación, y realizar un control de lazo cerradousando sensores y actuadores de tipo proporcional. Pese a la vulnerabilidad del proyecto 4
  • este aporte se justifica, porque a pesar de sus limitaciones hace un aporte a las empresasladrilleras 1.4.4 Práctica organizacionalLa investigación puede ser aplicada en el ámbito industrial para su beneficio en diversosprocesos. Se justifica por su práctica organizacional porque es útil en aplicaciones dondelos cableados para los sistemas de control se vuelven inaccesibles. 1.4.5 Por su trascendenciaEn el Perú, son pocas las empresas ladrilleras, que han automatizado su proceso deproducción, mientras en los países europeos, en la mayoría de las empresas cuentan con unsistema totalmente automatizado. 1.4.6 Por su economíaSi bien la implementación de este sistema, conlleva a una inversión considerable, pero amediano plazo los beneficios que se obtengan, se verán reflejados económicamente. 1.5 LIMITACIONES Y FACILIDADES 1.5.1 Las limitaciones de este proyecto son: Teórica: Listado de las teorías científicas necesarias que se aplicaran.- Proceso de ladrillos.- Control de procesos.- Controladores Lógicos Programables (PLC). 5
  • - Sensores y actuadores.- Motores eléctricos. TemporalEl estudio es de tipo transversal. Su ejecución se inicia el 1º de Junio del 2011 y sutérmino, el 1º de marzo del 2012. EspacialLas pruebas y los datos necesarios se obtendrán en la ladrillera Sagitario, así como suimplementación final. 1.5.2 Las facilidades del proyecto de investigación. Sector Privado- Se cuenta con un módulo de entrenamiento que tiene universidad sobre controladores lógicos programables y salas de cómputo.- Se cuenta con el apoyo de la empresa ladrillera Sagitario para el desarrollo de esta Tesis, y se nos proporciona las facilidades que el caso requiera para el desarrollo efectivo del presente trabajo de investigación.Se cuenta con el apoyo de nuestros asesores que nos facilita la UTP para el desarrollo deesta Tesis.2. FUNDAMENTO TEORICO 2.1 Antecedentes del estudioLa realización de este trabajo de investigación compete muchas conceptos básicos, queson aplicados en diversos tipos de proceso que encontramos en la industria; en este temade investigación tocaremos el sistema que comprende el sistema de automatización deprocesos industriales. 6
  • También, conocer acerca de los sensores, quienes son los que capturan y traducen lasvariables físicas en señales eléctricas, en donde dichas variables puedan ser escaladascomo monitoreadas por dispositivos de control, en este caso los PLC, que recibirán lasseñales del proceso.El control automático y la automatización de procesos industriales es una de lasdisciplinas de mayor relevancia y desarrollo dentro de la ingeniería en los paísesindustrializados, interrelacionando consideraciones y procedimientos de las IngenieríasQuímica, Mecánica, Electrónica e Informática. La tendencia actual en el campo del controlautomático de procesos es la sustitución de las comunicaciones analógicas por las digitales.En esta investigación se describen aspectos de los sistemas de control digital y controlanalógico. 2.1.1 Procesos de ladrillosHoy en día, en cualquier fábrica de ladrillos, se llevan a cabo una serie de procesosestándar que comprenden desde la elección del material arcilloso, al proceso de empacadofinal. La materia prima utilizada para la producción de ladrillos es, fundamentalmente, laarcilla.Una vez seleccionado el tipo de arcilla el proceso puede resumirse en la figura 1Donde podemos observar todo el proceso completo de una ladrillera industrial, y el áreamarcada de color amarillo es nuestro tema de investigación. 7
  • Almacenamiento de materias primas Molienda Vía seca Vía húmeda Mezcla Amasado Extrusado Secado Secado artificialSecado natural mediante el calor de un proceso de combustión Cocción Preparación y almacenamiento Figura 1: Diagrama de flujo de una ladrillera 8
  • Extracción de materia primaLa arcilla y la tierra de chacra son las principales materias primas usadas, estos se extraenmediante un cargador frontal, ver figura 2. Figura 2: Extracción de materia prima Molienda.En el proceso de molienda (figura 3) se realiza la trituración de la arcilla sin tratar y seobtiene la materia prima con la granulometría y textura necesarias para su posteriorconformado. Figura 3: molienda 9
  • Mezcla.La arcilla molida se mezcla (figura 4) con distintos aditivos según los requerimientos decalidad del producto final. Usualmente, los más utilizados son:- Arena- caolín- Chamota Figura 4: Molienda y zarandeo HumectaciónLa arcilla debe estar lo bastante húmeda (en general entre valores de 12 a 15% de humedad[1]), para que se pueda mantener unida cuando se trabaja y así obtener una pasta arcillosahomogénea. En el amasado se regula el contenido de agua de la mezcla de la arcillamediante la adición de agua (figura 5). Hasta que no se alcanzan porcentajes de humedadadecuada, no se alcanza un incremento apreciable de trabajabilidad. 10
  • Figura 5: Humectación de la tierraAl principio el agua es absorbida en la superficie de las partículas arcillosas formando unacapa rígida que se comporta como si fuese una película sólida (Figura 6). Figura 6: Agua absorbida en la superficie de las partículas arcillosas.A medida que aumenta el número de capas de agua alrededor de cada partícula, la masa vaperdiendo rigidez, hasta que al llegar a un 18 % comienzan a aparecer moléculas de agualibre entre partícula y partícula (Figura 7) 11
  • Figura 7: Aumento del número de capas de agua alrededor de las partículasLa atracción entre el agua libre y el agua ligada a la superficie de las partículas arcillosasdetermina un rápido incremento de la cohesión o fuerza de unión entre partículas hastaalcanzar el punto de máxima consistencia. ExtrusiónEsta técnica de conformado se emplea en la fabricación de productos cerámicos de secciónconstante. Básicamente el proceso de extrusión consiste en forzar el paso, mediante laaplicación de una presión, de la pasta con una consistencia plástica [2] (Elevadaviscosidad) a través de una matriz (Figura 8).Se obtiene un producto lineal con una sección transversal controlada, que luego se corta ala longitud requerida por el producto a obtener. Es un método de conformado continuomuy efectivo y eficiente, que usa un equipamiento simple. 12
  • Figura 8: Método de conformado por extrusión. Equipo para la extrusiónEn la figura 9 se puede ver una maquina extrusora de tornillo simple usada habitualmenteen la industria cerámica. Consiste de varias secciones y es capaz de trabajar de formacontinua. La primera sección es un molino amasador o mezclador, que contiene dos filasde palas montadas sobre dos ejes que giran en sentidos opuestos, lo que proporciona unaelevada acción cortante que mezcla de forma eficaz el material, que pasa estrujado entrelas palas.La alimentación al molino mezclador es la pre-mezcla formada por la tierra y arcilla. Elmolino mezclador amasa la pre-mezcla proporcionando homogeneidad, maximizando laplasticidad y eliminando aire por el efecto de apriete de la pasta.A continuación, mediante un tornillo de Arquímedes para el transporte del material, lamezcla es forzada a entrar, a través de una placa perforada, en la cámara de desaireado. Elmaterial en forma de tiras con una sección transversal menor es desaireado de una maneramás uniforme mediante la aplicación de vacío para eliminar tanto aire como sea posible. 13
  • Finalmente, la mezcla pasa a la cámara de compactación donde otro tornillo deArquímedes transporta el material y lo pre-compacta para eliminar tanta porosidad comosea posible, antes de que pase, debido a la alta presión, por la matriz o dado rígido.Los productos cerámicos compactos resultantes de sección transversal constante y de granlongitud son soportados por bandejas y mediante un sistema de corte se les da la longituddeseada. Figura 9: extrusora de tornillo simple 14
  • SecadoEl objetivo del secado es la reducción del contenido de humedad de las piezas antes de sucocción. El tipo de secado que se lleve a cabo influirá en la resistencia y calidad final de lapieza después de su cocción. En la figura 10 se observa una planta en donde se realiza unsecado artificial, en el que se emplea fuentes de calor como son los gases procedentes dequemadores que mediante el proceso de combustión calientan el aire del secadero queposteriormente es repartido por todo el recinto mediante ventiladores y así disminuir elcontenido de agua hasta un nivel aproximado del 2 %. Figura 10: Secado del ladrillo CocciónEn la figura 11 podemos observar un horno de tipo túnel para la cocción del material. Lacocción es la fase más importante y delicada del proceso de fabricación de ladrillos y tejas.En este proceso se confiere a la pieza las propiedades deseadas, al mismo tiempo que semuestra si las fases precedentes (amasado, moldeo y secado) se han llevado a cabocorrectamente o no. Las piezas se cuecen en el horno, a una temperatura que va desde875ºC hasta algo más de 1000ºC [3] por un tiempo aproximado de 24 horas. 15
  • Figura 11: Cocción del ladrillo 2.1.2 Control de procesosHay dos formas básicas de realizar el control de un proceso industrial. Control en lazo abiertoEl control de lazo abierto (figura 12), se caracteriza porque la información o variables quecontrolan el proceso circulan en una sola dirección, desde el sistema de control al proceso.El sistema de control no recibe la confirmación de que las acciones que a través de losactuadores ha de realizar sobre el proceso se han ejecutado correctamente. Operarios: Sistema de - consignas Actuadores control - ordenes Producto de Producto Proceso entrada terminado Figura 12: control de lazo abierto 16
  • Control en lazo cerradoEl control de lazo cerrado (figura 13), se caracteriza porque existe una realimentación através de los sensores desde el proceso hacia el sistema de control [4], que permite a esteúltimo conocer si las acciones ordenadas a los actuadores se han realizado correctamentesobre el proceso. Operarios: - consignas - ordenes Sistema de Actuadores control Producto de Producto Proceso entrada terminado Sensores Figura 13: control de lazo cerrado Tipos de procesos industriales.Los procesos industriales, en función de su evolución con el tiempo, pueden clasificarse enalguno de los grupos siguientes:- Continuos.- Discretos.- Discontinuos o por lotes. 17
  • Procesos continuos.Un proceso continuo se caracteriza porque las materias primas están constantementeentrando por un extremo del sistema, mientras que en el otro extremo se obtiene de formacontinua un producto terminado (figura 14). Figura 14: proceso continuo. Procesos discretos.El producto de salida se obtiene a través de una serie de operaciones, muchas de ellas congran similitud entre sí. La materia prima sobre la que se trabaja es habitualmente unelemento discreto que se trabaja de forma individual (figura 15). 18
  • Figura 15: proceso discreto Procesos discontinuos o por lotes.Se reciben a la entrada del proceso las cantidades de las diferentes piezas discretas que senecesitan para realizar el proceso. Sobre este conjunto se realizan las operacionesnecesarias para producir un producto acabado o un producto intermedio listo para unprocesamiento posterior (figura 16). Figura 16: proceso discontinuo o por lotes. 19
  • Estrategias de controlUna característica de la estrategia de control es el de lazo simple o equivalentemente eltener una sola variable de control y una sola variable manipulada. Existen algunasaplicaciones sin embargo en las cuales la variable manipulada está en función a lacombinación de dos o más variables de control. Veremos aquí algunas estrategias decontrol relacionadas con este concepto. Control en cascadaEs una técnica que usa dos sistemas de medición y control para manipular un soloelemento final (figura 17). Su propósito es incrementar la estabilidad en procesosparticularmente complejos. Ésta ha sido usada durante años y es muy efectiva en muchasaplicaciones. Figura 17: control en cascada 20
  • Control de razónComo su nombre lo indica, este tipo de control debe mantener una razón o relación fijaentre dos variables. La aplicación más común es la de mantener una relación fija entre dosflujos. Si bien es cierto que existen algunas aplicaciones que no están basadas en flujo, lamayoría de las aplicaciones relacionan flujo con flujo. La definición general de flujo usadaaquí es cualquier forma de transferencia de masa o energía. Las siguientes son aplicacionestípicas para control de razón:- Mezclado de dos o más componentes. Un ingrediente puede ser seteado como la referencia principal y los demás ingredientes son relacionados al anterior (figura 18).- Control de aire-combustible para un proceso de combustión. En un sistema simple de control aire-combustible, el flujo de este último puede ser controlado por un controlador de temperatura o presión; la medida del flujo de combustible es luego usada para determinar el set point de un controlador de flujo de aire. Figura 18: control de razón 21
  • Modos de controlEl objetivo principal de un controlador o regulador es mantener la variable de proceso enun valor pre-establecido (set point). A excepción del control on - off que por naturalezahace que la variable oscile alrededor del set point, los controladores estudiadosposteriormente deben tratar de llevar la variable al set point (estabilizarla). Acciones de controlHaremos una breve revisión de las principales acciones de control:- De dos posiciones (on-off).En aplicaciones en donde no es aceptable la oscilación originada por el control on - off yque requieran mayor precisión en el control, se pueden aplicar las acciones o modos decontrol siguientes:- Control proporcional (P) o control de un modo.- Control proporcional-integrativo (PI) ó proporcional derivativo (PD).- Control proporcional-integrativo-derivativo (PID) o control de tres modos. Control de dos posiciones (ON-OFF)Es la forma más simple del control automático. En algunos casos se llama control todo-nada (on-off), pero en verdad este último es un tipo de control de dos posiciones. Elcontrol de dos posiciones es usado normalmente cuando la variable controlada no tiene porqué mantenerse en un valor preciso [5]. Un ejemplo sencillo lo constituye un termostato enun horno eléctrico. 22
  • Control proporcional.La respuesta proporcional es el modo con el cual los otros dos modos son combinados. Esnecesario entonces comprender, que el modo proporcional es la respuesta básica de controlde los controladores automáticos. El control proporcional tiene como objetivo mantenerestable un proceso ante la presencia de un disturbio o cambio de carga. Esto se logra o nodependiendo del valor asignado a su parámetro de ajuste o constante de proporcionalidad(Kc). Este parámetro determina la amplitud de la salida del controlador con respecto a laseñal de error. De estar este parámetro adecuadamente ajustado, la variable controladadeberá aproximarse adecuadamente al valor deseado (set point) y finalmente alcanzarlo.Es adecuado para sistemas que tienen pequeñas capacitancias y por lo tanto, necesitanrespuestas rápidas a cambios de carga. Este tipo de sistemas requiere bandasproporcionales angostas o equivalentemente ganancias relativamente grandes. La relaciónentre la entrada y la salida de un controlador proporcional se da en la siguiente fórmula: (2.1)Donde: es la salida del controlador, es la ganancia, es la señal de error y es lasalida del controlador para error cero Control proporcional-integrativoSu respuesta es expresada por la ecuación: (2.2)Donde: es la salida del controlador, es la constante integrativa, es el tiempo, y tienen el mismo significado del caso anteriorLa salida del controlador integral, está constantemente cambiando mientras existe unadesviación. La razón del cambio, depende no sólo de la señal de error sino también de suduración. 23
  • Control proporcional-derivativoEl propósito del modo derivativo es aumentar la velocidad de respuesta del lazo cerrado.En procesos difíciles de controlar (multi-capacidad), la adición de este modo es a vecespreferible a la acción integral. Mejora tanto la velocidad como la estabilidad de larespuesta de control, particularmente en sistemas lentos. Esta acción es inversa a la integralen el sentido que acelera en vez de retardar la acción de control.La respuesta de un controlador PD se expresa matemáticamente como sigue: (2.3)En donde es el tiempo de la acción derivada (a veces se le denota como ). El nivelalcanzado por depende del valor de la ganancia. La acción derivada añadida al modoproporcional no es deseable en algunos sistemas como los de flujo, en donde los problemasde ruido (causados por la turbulencia del flujo o acciones de bombeo) debido a la propiaacción derivada se ven amplificados y producen inestabilidad. Control de tres modos (PID)En muchos lazos de control, particularmente en aquellos difíciles de controlar, es deseableel uso del control proporcional – integral - derivado (PID) La acción derivada tiene elefecto de eliminar los sobre-picos (overshoot) que comúnmente aparecen cuando se añadela acción integral a la acción proporcional. La acción derivada además, atenúa lacaracterística de retardo introducida por la acción integral. Actúa inmediatamente ante lapresencia de algún cambio a la entrada del controlador, quedando de lado luego parapermitir a las acciones proporcional e integral eliminar el error remanente. Actualmente, enla mayoría de los controladores PID disponibles, el usuario puede seleccionar cualquierade los modos para tener un control P, PI, PD o PID, flexibilidad lograda gracias a latecnología digital. 24
  • 2.1.3 Controladores Lógicos Programables (PLC)Los PLCs (figura 19) sirven para realizar automatismos, se puede ingresar un programa ensu disco de almacenamiento, y con un microprocesador integrado, corre el programa, setiene que saber que hay infinidades de tipos de PLC [6]. Los cuales tienen diferentespropiedades, que ayudan a facilitar ciertas tareas para las cuales se los diseñan. Para que unPLC logre cumplir con su función de controlar, es necesario programarlo con ciertainformación acerca de los procesos que se quiere secuenciar. Esta información es recibidapor captadores, que gracias al programa lógico interno, logran implementarla a través delos accionadores de la instalación.Un PLC es un equipo comúnmente utilizado en maquinarias industriales de fabricación deplástico, en máquinas de embalajes, entre otras; en fin, son posibles de encontrar en todasaquellas maquinarias que necesitan controlar procesos secuenciales, así como también, enaquellas que realizan maniobras de instalación, señalización y control [7].Dentro de las funciones que un PLC puede cumplir se encuentran operaciones como las dedetección y de mando, en las que se elaboran y envían datos de acción a los accionadores.Además cumplen la importante función de programación, pudiendo introducir, crear ymodificar las aplicaciones del programa. Dentro de las ventajas que estos equipos poseense encuentra que, gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos,pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamañoreducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en mano de obray la posibilidad de controlar más de una máquina con el mismo equipo.Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los controladores lógicos programables, oPLC, presentan ciertas desventajas como es la necesidad de contar con técnicos calificadosy adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento. 25
  • SIEMENS SF I0.0 Q0.0 CPU 212 RUN I0.1 Q0.1 STOP I0.2 Q0.2 I0.3 Q0.3 I0.4 Q0.4 I0.5 Q0.5 I0.6 I0.7 SIMATIC S7-200 Figura 19: Controladores Lógicos Programables (PLC) 2.1.4 Sensores y ActuadoresSe denominan actuadores a aquellos elementos que pueden provocar un efecto sobre unproceso automatizado.Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, deenergía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y dauna salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas.Existen varios tipos de actuadores como son:- Electrónicos- Hidráulicos- Neumáticos- EléctricosLos actuadores hidráulicos, neumáticos y eléctricos son usados para manejar aparatosmecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se 26
  • necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos [9]. Sin embargo, loshidráulicos requieren mucho equipo para suministro de energía, así como demantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticostambién son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimientoUn sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadasvariables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables deinstrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia,aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Unamagnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidadeléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar),una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc. (figura 20).Un sensor se diferencia de un transductor, en que el sensor, está siempre en contacto con lavariable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo queaprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la puedainterpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovechala propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de latemperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte unaforma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz,Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etc.Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc. 27
  • Figura 20: sensores y actuadores 2.1.4 Motores eléctricosLos motores eléctricos se han desarrollado en un frenético proceso evolutivo que comienzaa mediados del siglo XIX y que aun continúa en la actualidad. Innumerables patentes deconocidos inventores tales como Edison y Tesla entre muchos otros, realizaroncontribuciones significativas que lograron eficacia y eficiencia en la conversiónelectromecánica de energía. Características comunesLas máquinas eléctricas rotativas convencionales, presentan generalmente las siguientescaracterísticas comunes:1. Poseen un eje mecánico a través del cual se realiza el intercambio de energía.2. Tienen una pieza estática o inmóvil denominada estator.3. Disponen de una pieza móvil denominada rotor en el caso particular de las máquinas cilíndricas. 28
  • 4. Generalmente son cilíndricas.5. El flujo en el entrehierro de la máquina es periódico (figura 21). Figura 21: Configuración cilíndrica de los conductores en una máquina Arranque de motores de inducciónCuando se utiliza una máquina de inducción para arrancar y accionar una carga mecánica auna velocidad determinada, es posible que sucedan tres situaciones diferentes:1. El par eléctrico de arranque que suministra la máquina puede ser inferior al par mecánico que requiere la carga en reposo para comenzar a moverse [10]. En esta situación la máquina no puede acelerar, el rotor está detenido o bloqueado. La corriente es varias veces la corriente nominal y si no se pone remedio a esta situación, la máquina corre un serio riesgo de dañarse por calentamiento excesivo.2. El par eléctrico es exactamente igual al par de la carga. Esta situación tiene los mismos problemas que el primer caso. Si los pares eléctrico y mecánico están equilibrados, no es posible acelerar la máquina. 29
  • 3. El par eléctrico de arranque es mayor que el par mecánico de la carga. En estas condiciones, existe un par acelerante que permite incrementar la velocidad del rotor, hasta un punto de la característica par eléctrico - deslizamiento donde se equilibran los pares de la máquina y de la carga. Si la velocidad alcanzada en este punto es cercana a la velocidad sincrónica, la corriente disminuye a un nivel que permite la operación en régimen permanente. Cuando la máquina opera en este punto, un pequeño incremento de la carga mecánica, reduce la velocidad e incrementa el par eléctrico de accionamiento, obteniéndose un nuevo punto de operación. En la figura 22 se observa que una máquina de inducción produce más par de arranque en la medida que la resistencia del rotor aumenta. Una máquina con alta resistencia en el rotor tiene deslizamientos de operación más grandes. Las pérdidas en el rotor se incrementan durante la operación en régimen permanente cuando se utilizan resistencias grandes en estas bobinas, y esto repercute desfavorablemente en el rendimiento de la máquina. Figura 22: Condiciones de arranque del motor con diferente resistencia en el rotor 30
  • Corriente de arranqueUn problema importante en la operación de la máquina de inducción es la elevada corrienteque esta absorbe durante el proceso de arranque. La corriente de arranque de una máquinade inducción se encuentra entre tres y seis veces la corriente nominal de la máquina, y enalgunas ocasiones aún más. La caída de tensión en los conductores de alimentación y en elsistema puede sobrepasar el máximo permitido. La tensión de alimentación de la máquinano debe estar nunca por debajo del 5% de su valor nominal.Existen cargas mecánicas que a baja velocidad no ofrecen par resistente importante y estecrece paulatinamente con la velocidad. En este caso es posible utilizar sistemas de arranquede la máquina de inducción a tensión reducida que contribuyen a disminuir la magnitud dela corriente en la máquina durante el proceso de aceleración. Un arranque a tensiónreducida, incrementa el tiempo de aceleración de la máquina y su carga mecánica, pero lascorrientes disminuyen en la misma proporción que la tensión aplicada [11].Algunas máquinas de inducción que se utilizan en sistemas relativamente débiles, comopuede ser el caso de los ascensores y elevadores residenciales, se diseñan con reactanciasde dispersión muy grandes, para reducir la corriente durante el proceso de arranque a dos otres veces la corriente nominal, disminuyendo de esta forma el impacto de los frecuentesarranques en el perfil de tensión de la red eléctrica.Para reducir la corriente durante el proceso de aceleración de la carga mecánica se hanutilizado varios sistemas. Estos arrancadores difieren unos de otros en el método dereducción de tensión. Algunos utilizan el cambio de conexiones de las bobinas de lamáquina, otros utilizan transformadores o auto transformadores y los más modernos sediseñan mediante convertidores electrónicos de potencia. Los arrancadores son costosospara ser aplicados a máquinas pequeñas, y el impacto de la corriente de arranque en estasmáquinas no es importante ni para la máquina, ni para la red. Es necesario recordar queuna máquina pequeña tiene una relación superficie-volumen muy grande y esto le permitedisipar bien sus pérdidas.- 31
  • 2.2 ESTADO DEL ARTELa fabricación de ladrillos surge en países en los que escasea la piedra y abunda la Arcilla.Las construcciones de ladrillo más primitivas ofrecían alguna vez innovaciones respecto delas construcciones de piedra, pero muchas veces eran similares a éstas. Las unidades debarro formadas a mano y secadas al sol, así como el mortero de barro constituyen el estadodel arte de la construcción.El avance de la tecnología de la mampostería en Europa se detiene por varios siglos ya quese dejan de fabricar ladrillos; los morteros de cemento y el concreto, desaparecen,perdiéndose su tecnología, siendo rescatada 13 siglos después por Smeaton, el fundador dela ingeniería civil moderna, quien en 1756 reconoció la necesidad de usar en Inglaterra unamezcla de cal y puzolana italiana para la reconstrucción de partes de estructurassumergidas o expuestas a la acción del mar.Con la revolución industrial (siglo XVIII), se extendió la aplicación de la mampostería deladrillos de arcilla en Inglaterra. Desde un inicio las grandes plantas para fabricar ladrillosse ubicaron en la vecindad de las minas de carbón, combustible abundante y barato. Unpaso importante en el mejoramiento de la producción de las piezas lo constituyó el cambiode combustible, usualmente a gas y el salto más importante fue el rediseño de los hornos,emprendido en países como Dinamarca, donde era muy grande la necesidad de economizarcombustible. El perfeccionamiento del horno fue acompañado de maquinaria auxiliar:molinos, trituradoras y mezcladoras para las materias primas; extrusoras y extrusorasmecánicas para el formado de unidades. El cambio más significativo durante la revoluciónindustrial fue la gradual sustitución de la vía empírica por métodos científicos. Se realizóun análisis racional de las materias primas, una medición exacta de temperaturas del hornoy una formulación de las normas para impedir el agrietamiento en ladrillos. 32
  • 3. DISEÑO, SIMULACION E IMPLEMENTACIONPara realizar este proyecto se toma en cuenta los elementos de control que existen en laempresa que se encuentran alojados dentro de tableros eléctricos, lo que denominaremos;tablero fuerza y tablero de control (mando), y además un tablero adicional donde se alojarael PLC con sus componentes asociados, en la cual se realiza el enlace con los dos tablerosanteriores.En el tablero de fuerza se encuentran los dispositivos de control para el arranque yprotección de motores eléctricos, siendo estos los contactores e interruptorestermomagneticos. Estos contactores son accionados por una de las salidas del PLCdependiendo a una lógica de programación.En el tablero de control se encuentran los pulsadores para el accionamiento de diferentesactuadores, y cada actuador consta de dos pulsadores para la puesta en marcha y parada delos motores eléctricos, estos pulsadores se encuentran conectados a la entrada del PLC.En el tablero del PLC están todos los dispositivos para la conexión del tablero de fuerza ymando, y estos se realizan mediante borneras de conexión, y además cuenta con un lcd endonde se visualiza las alarmas de seguridad que han sido accionados. 3.1 Diagrama de flujo de la de tesisCon el fin de cumplir los requisitos planteados y lograr dar solución al problema existente,se seguirá la siguiente secuencia de la figura 23 para desarrollar el programa, hasta obtenerun resultado satisfactorio. 33
  • Análisis del problema y planteamiento de la posible solución Realizar cableado de entradas y salidas del PLC, realizar pruebas Correcciones y ¿Funciona? modificaciones pertinentes Codificación de la solución usando MICROWIN V4 Correcciones y ¿Funciona? modificaciones pertinentes FIN Figura 23: diagrama de flujo 3.2 DiseñoA continuación se describe el funcionamiento de la maniobra en función de los esquemaseléctricos que se han diseñado y que se pueden comprobar con el anexo respectivo. 34
  • Nota. Por seguridad, se implementa en la fase de montaje que todas las partes metálicas dela maniobra estén conectadas a tierra.Esquemas eléctricos – ANEXO 1El interruptor 2GQF es el interruptor general que abastece de energía al tablero principal ymando, el accionamiento del interruptor ante un corte de energía o sobrecarga de corrientees en forma inmediata, además cuenta con un circuito auxiliar para una parada deemergencia siendo accionados por los interruptores 2SB1 Y 2SB2.Esquemas eléctricos – ANEXO 2Los dispositivos 3LL1, 3LL2 y 3LL3 son lámparas que indican si las tres fases de la líneade alimentación están presentes, estos se pueden visualizar solamente si se abre la puertade los tableros, en donde se encuentra instalados un interruptor para cada lámpara. El V1es un voltímetro que se encuentra instalado en la parte frontal del tablero, este instrumentoindica el nivel de tensión de la línea de alimentación.Esquema eléctrico – ANEXO 3El transformador 4T1 es la encargada de reducir el voltaje de 440v a 220v, es con estatensión que trabaja todo el sistema de control, la línea de 230L0 alimenta al circuito para elinterruptor principal (ver ANEXO 1), 230L1 Y 230L2 alimenta al circuito de mandoEsquema eléctrico – ANEXO 4El interruptor QF0 es un dispositivo de protección para la fuente de alimentación, estafuente tiene como entrada un nivel de tensión de 220vac y entrega 24vdc al PLC y a susmódulos de ampliación incluyendo los reles encapsulados.Esquema eléctrico – ANEXO 5Las lámparas de señalización 5HL3 Y 5HL4 son para indicar que la tensión de mando hasido habilitada, y 5HL5 es para indicar que se encuentra apagado. Con estas lámparas se 35
  • pueden observar si el sistema cumple con las condiciones eléctricas para poner enfuncionamiento la maquina.Esquema eléctrico – ANEXO 6Los contactores 8K1-8K5 son para poner en funcionamiento el circuito de mandohabilitando con la línea 230L1 a los circuitos auxiliares. Estos pueden ser apagados desdediferentes lugares en caso suceda una emergencia o una variación instantánea del nivel detensión de la alimentación principal.Esquema eléctrico – ANEXO 7Este circuito se encarga de encender al motor de la extrusora, el tipo de arranque es deestrella triangulo y lleva un dispositivo controlador de corriente denominado ZEV parapoder apagar al motor en forma automática si la corriente sobrepasa por encima de lanominal, y en la línea de fuerza lleva un indicador de corriente de trabajo que sirve comoreferencia al operador de maquina para la humectación del material, ya que la corriente delmotor es proporcional a la cantidad de humedad con que trabaja.Esquema eléctrico – ANEXO 8Este circuito se encarga de encender al motor del alimentador de la extrusora, el tipo dearranque es de estrella triangulo, este motor es la encargada de abastecer de material a laextrusoraEsquema eléctrico – ANEXO 9La extrusora tiene un sistema de lubricación para el sistema de engranajes interna, y esto lorealiza mediante una bomba de presión para que pueda abastecer mediante tuberías en laparte interna de la extrusora, este motor es el 13M1 que tiene un arranque directo, sea enforma manual o con el encendido del motor de la extrusora. El recipiente donde se aloja elaceite se tiene que mantener a una determinada temperatura para mantener la viscosidaddel aceite, esto lo realiza mediante una resistencia 13R1, que es controlado mediante untermostato que esta en contacto con el aceite, el tipo de control es ON-OFF. 36
  • El mismo proceso se realiza para el ANEXO 10, que es la encargada del alimentador deextrusora.Esquema eléctrico – ANEXO 11El Arpión 1 y Arpión 2 son puestos en movimiento por los motores 17M1 y 17M2respectivamente, y estos a la vez son accionados mediante un contactor trifásico. Elcontactor es accionado por el PLC mediante un rele encapsulado. También cuenta con ininterruptor termo magnético que sirve como protección al motor en caso de sobrecarga, ysobre el va acoplado un contacto auxiliar donde se a conectado una línea de 24vdc para quepueda entregar esa señal al PLC indicándole que el interruptor ha sido accionado.Esquema eléctrico – ANEXO 12Mediante el contactor 20K1 y 22K1 se acciona las electroválvulas 20YV1 y 22YV2respectivamente, estas electroválvulas dejan pasar aire a una determinada presión parapoder accionar un sistema neumático para acoplar el motor con la maquina extrusora y asíponer en movimiento el sistema mecánico de la extrusora para la salida del material. Unacondición importante es que el motor encienda sin que este acoplado a la extrusora, en casocontrario se podía ocasionar daños al motor o a la maquina, es por ello que el motor de laextrusora tiene que arrancar en vacío.Esquema eléctrico – ANEXO 13En este circuito los reles K6 a K10 son encapsulados, se a utilizado como interfase con elPLC. El rele K6 indica que ha sido accionado uno de los interruptores de emergencia EM1o EM2 que esta ubicado en la planta para que los operarios lo puedan accionar antecualquier emergencia o cuando se esta realizando alguna reparación en la maquina. El releK7 indica que la cámara de vació que se encuentra dentro de la maquina extrusora estalleno de material, esto sucede cuando la entrada de material es mayor que la salida, en estecaso el PLC se encarga de apagar el sistema neumático del alimentador de la extrusorapara poder desalojar el material residual de la cámara de vacío, una vez desocupada seacciona en forma inmediata y continua el proceso. Los reles K8, K9 y K10 indican que los 37
  • motores de la extrusora, alimentador de extrusora y bomba de vacío están encendidos, yaque con uno de estos motores apagados no se debería de abastecer de material a la maquinaextrusora.Esquema eléctrico – ANEXO 14Todo los motores de la línea de producción cuentan con interruptores termomagneticos, alser accionados uno de ellos por alguna sobrecarga o un problema eléctrico, accionan a unrele encapsulado (K11) que hace de interfase con el PLC, este se encarga de detener elproceso y a la vez accionar una sirena de alerta.Esquema eléctrico – ANEXO 15, 16,17, 18, 19, 20, 21, 22En estos anexos se muestra la conexión de las entradas y salida del PLC, en el caso de lasentradas, se reparte una línea común de 24vdc a cada interruptor, cuando estosinterruptores cambian de estado, hacen cambiar también el estado de cada entrada del PLC,enviándoles 0 o 24 voltios dc. Y las salidas se activan de acuerdo al código de programa, ymediante un rele de protección se acciona el contactor de cada motor respectivo.Esquema eléctrico – ANEXO 23, 24, 25Aquí se muestran los arranques de los motores principales que son mayores a 50 HP. Estosmotores tienen un arranque electromecánico, cuando el contactor de triangulo se acciona,quiere decir que el motor esta totalmente encendido, estos motores permanecen encendidoslas 24 horas del día, solamente se apagan ante una sobrecarga y para ello se usa uncontacto de este contactor para llevar una línea de 24 voltios para entregar esa señal alPLC, indicándole que el motor se encuentra encendido, en caso contrario la línea deextrusión se debe detener en forma instantánea antes que afecte al resto del proceso.Programa PLC – ANEXO 26 38
  • El programa del PLC esta realizado en lenguaje Ladder y se encuentra dividido en 62segmentos (NETWORK), del 0 al 43 se muestra el código del programa en lenguajeLADDER, donde se encuentra todas las condiciones para que la línea de extrusión puedatrabajar en MANUAL o AUTOMÁTICO, y desde el segmento 44 al 62 se muestra elcódigo de programa escrito en lenguaje de instrucciones para poder visualizar las alarmasque han sido accionadas, estos códigos de alarma se visualizara en código binario por elBYTE 0 del PLC, lo cual se deja preparado para conectar un visualizador mediante undisplay de tipo LCD. A continuación se describe el funcionamiento de cada instrucción delprograma: BIT DESCRIPCION I 0.0 Presión de aceite de la extrusora I 0.1 Presión de aceite del alimentador de la extrusora I 0.2 Presión de aire de la extrusora I 0.3 Presión de aire del alimentador de la extrusora I 0.4 Interruptor de habilitación de las máquinas para la línea de extrusión I 0.5 Interruptor para la parada de la línea en caso de emergencia I 0.6 Sensor que indica que la cámara de vacío esta funcionando I 0.7 Controlador de corriente del motor de la extrusora I 1.0 Contacto del contactor triangulo del motor extrusor (encendido) I 1.1 Contacto del contactor triangulo del motor alimentador extrusora (encendido) I 1.3 Contacto que me indica que uno de los interruptores térmicos esta accionado I 2.0 Contacto del selector en posición de MANUAL I 2.1 Contacto del selector en posición de AUTOMATICO I 2.2 Pulsador de parada del ARPION 1 I 2.3 Pulsador de marcha del ARPION 1 I 2.4 Pulsador de parada del ARPION 2 I 2.5 Pulsador de marcha del ARPION 2 I 2.6 Pulsador de parada de electroválvula de la extrusora I 2.7 Pulsador de marcha de electroválvula de la extrusora I 3.0 Pulsador de parada de electroválvula del alimentador extrusora I 3.1 Pulsador de marcha de electroválvula del alimentador extrusora I 3.2 Selector de exclusión de la electroválvula alimentador extrusora I 3.3 Selector de exclusión para fajas en caso se llene la cámara de vacío I 3.4 Interruptor térmico para protección del motor de ARPION 1 39
  • I 3.5 Interruptor térmico para protección del motor de ARPION 2I 3.6 Interruptor térmico para protección de la electroválvula extrusoraI 3.7 Interruptor térmico para protección de la electroválvula alimentador extrusoraI 4.0 Pulsador para marcha del cajón alimentadorI 4.1 Pulsador de parada del cajón alimentadorI 4.2 Pulsador para marcha de la faja 1I 4.3 Pulsador de parada de la faja 1I 4.4 Pulsador para marcha de la faja 2I 4.5 Pulsador de parada de la faja 2I 4.6 Pulsador para marcha de la faja 3I 4.7 Pulsador de parada de la faja 3I 5.0 Pulsador de marcha para la faja de tolvaI 5.1 Pulsador de parada para la faja de tolvaI 5.2 Pulsador de marcha para el capachoI 5.3 Pulsador de parada para el capachoI 5.4 Selector para la exclusión de la faja de tolvaI 5.5 Selector para la habilitación de la electroválvula de humectación del materialI 7.0 Interruptor térmico para la protección del motor de la faja tolvaI 7.1 Interruptor térmico para la protección del motor del cajón alimentadorI 7.2 Interruptor térmico para la protección del motor del capachoI 7.3 Interruptor térmico para la protección del motor de la faja 1I 7.4 Interruptor térmico para la protección del motor de la faja 2I 7.5 Interruptor térmico para la protección del motor de la faja 3I 7.6 Interruptores de los térmicos de motores laminadores y amasadoraI 7.7 Contacto de contactor triangulo de motores laminadores y amasadoraQ 0.0 Dato D0 para codificación de tipo de alarma accionadoQ 0.1 Dato D1 para codificación de tipo de alarma accionadoQ 0.2 Dato D2 para codificación de tipo de alarma accionadoQ 0.3 Dato D3 para codificación de tipo de alarma accionadoQ 0.4 Dato D4 para codificación de tipo de alarma accionadoQ 2.0 Acciona el motor de arpión 1Q 2.1 Acciona el motor de arpión 2Q 2.2 Acciona la electroválvula de la extrusoraQ 2.3 Acciona la electroválvula del alimentador de la extrusoraQ 2.5 Acciona una sirena cuando la cámara de vacío se encuentra llenaQ 2.6 Acciona una sirena cuando se presiona el interruptor de emergenciaQ 2.7 Acciona una lámpara intermitente cuando se activa un interruptor térmico 40
  • Q 3.0 Acciona el motor de la faja tolvaQ 3.1 Acciona el motor del cajón alimentadorQ 3.2 Acciona el motor del capachoQ 3.3 Acciona el motor de la faja 1Q 3.4 Acciona el motor de la faja 2Q 3.5 Acciona el motor de la faja 3Q 3.6 Acciona la electroválvula para la humectación del materialQ 3.7 Acciona el pistón para limpieza de laminadoresM 0.0 Indica que la presión de aceite de la extrusora con presión normalM 0.1 Indica que la presión de aceite del alimentador extrusora con presión normalM 0.4 Indica que las presiones de aire y aceite con presión normalM 0.5 Indica que todos los motores se encuentran encendidosM 0.6 Todos los interruptores térmicos se encuentran desactivadosM 1.0 Habilita el funcionamiento en manualM 1.1 Habilita el funcionamiento en automáticoM 1.3 Los motores principales de encuentran encendidosM 1.5 Habilita la exclusión de las fajas transportadorasT 37 Retardo a la desconexión por 5 seg. para la presión de aceite de la extrusoraT 38 Retardo a la desconexión por 5 seg. para la presión de aceite del alim. extrusoraT 39 Retardo a la conexión cuando todas las condiciones de automáticos están okT 40 Tiempo de encendido de la sirena por 10 seg. De la cámara de vacíoT 41 Tiempo de retardo a la desconexión por 40 seg. De la faja 1 en automáticoT 42 Tiempo de retardo a la desconexión por 1 seg. De la faja 1 en manualT 43 Tiempo de encendido por 5 seg. del tablero de fuerzaT 44 Retardo a la desconexión por 5 seg. de los pistones de laminadoresT 45 Tiempo de retardo a la desconexión por 40 seg. de los arpiones 1 y 2T 50 Retardo a la conexión para inicio en manualT 51 Retardo a la conexión para el inicio en automático 41
  • 3.3 SimulacionesPara la simulación del proyecto se utiliza el simulador del programa MicroWIN sp6 v4.0de siemens, este simulador nos permite visualizar a las entradas y salidas del PLC entiempo real.En la figura 24, se muestra la simulación de las salidas del Arpión 1 y 2, electro válvulasde la extrusora y alimentador extrusora, en la grafica podemos observar que las líneas 1, 2y 3 son las entradas del PLC para el funcionamiento en manual, automático y marca dehabilitación en automático respectivamente, y en las líneas 4, 5, 6 y 7 son las salidas delPLC, se puede observar que cuando el selector se encuentra en posición de MANUAL losmotores del Arpion 1 y 2 se encienden y apagan con sus respectivos pulsadores, y lomismo sucede con las electroválvulas. Cuando el selector está en la posición apagado,ninguno de los actuadores se accionan, en cambio cuando están en AUTOMATICO estosactuadores dependen de un interruptor de habilitación, cuando se coloca en OFF esteinterruptor las electroválvulas se apagan, en cambio los arpiones permanecen encendidospor 40 segundos, se pone este retardo a la desconexión por que la parada de la maquina esmenor a 30 segundos. Figura 24: simulación de arpiones y electro válvulas 42
  • En la figura 25 se observa la simulación de los motores que accionan a las maquinasvaivén, cajón alimentador y capacho. Cuando el selector MAN/AUT se encuentra enMANUAL, los motores del vaivén y cajón alimentador se pueden encender en formaindependiente, en cambio el motor del Capacho enciende en forma indiferente si elinterruptor MAN/AUT este habilitado. Cuando se realiza el cambio del selector deMANUAL a AUTOMATICO se apagan los motores excepto el motor del Capacho, ycuando está en AUTOMATICO el encendido de estos motores dependen solamente delinterruptor de habilitación. Figura 25: simulación fajas de tolva y capacho 43
  • En la figura 26 observamos la simulación de las fajas transportadoras 1, 2 y 3, y laelectroválvula de la amasadora para la humectación del material. Cuando el selectorMAN/AUT está en la posición de MANUAL se encienden los motores y la electroválvulaen forma independiente, al realizar el cambio de MANUAL a AUTOMATICO elencendido de los motores dependerán del accionamiento del interruptor de habilitación, alponer en OFF el interruptor de habilitación, los motores se apagan excepto el motor de lafaja 1, este motor tiene un retardo a la desconexión por 40 segundos, porque no esnecesario que se apague en el lapso de este tiempo, con este evitamos los arranqueinnecesarios del motor. Figura 26: simulación de fajas transportadoras 44
  • En la figura 27 se observa la simulación de las alarmas, en la fila n° 1 podemosobservar la marca del PLC M_PRESIONES donde están conectados los sensores depresión de aceite y aire de la extrusora y alimentador extrusora, cuando se genera unafalla de presiones se acciona la sirena de aviso SIR_TAB_PRINC por un tiempo de10 segundos, lo mismo sucede cuando algunos de los motores principales se apagan,en cambio cuando se accionan alguno de los guardamotores se acciona la marca delPLC M_TERM_OK, en este caso se enciende la sirena SIR_TAB_PRINC y unalámpara intermitente color rojo. Figura 27: simulación de alarmas 45
  • 3.4 ImplementaciónLa implementación se realiza en un tablero eléctrico de 60x50x30 cm. dentro de ellos sealojan el PLC con sus módulos de ampliación (ver figura 28). El tablero se encuentraanclado en la parte lateral del tablero de fuerza, y en la parte inferior derecha se realiza unagujero para poder pasar los cables de conexión tanto para las entradas y salidas.Para el armado y ubicación de componentes del tablero se realiza de la siguiente manera:En la plancha anaranjada (ver figura 28), se fijan con pernos las canaletas de tipo riel DINen tres niveles de forma paralela, y en cada nivel se coloca las canaletas porta cables. En laparte superior se instala el PLC con 4 módulos de ampliación, en la parte central 2 basesporta reles encapsulado, cada base consta de 8 reles, en total son 16 reles encapsulados, enla parte inferior se instala borneras para la conexión de las entradas y salidas para el PLC,además de una fuente de alimentación de 24 vdc. Para la alimentación de los sensores y losmódulos de ampliación del PLC, también se instala un interruptor termo magnético comoun sistema de protección de los dispositivos que están instalados en este tablero.El cableado eléctrico se realiza con cables de diferentes colores para diferenciar el nivel detensión con la que se encuentra trabajando, el color rojo es para la línea de 220 voltios quealimenta a los contactores, el color azul es para la línea de 24 vdc. que se utiliza paraalimentar a los sensores y pulsadores del tablero de mando, y el color amarillo-verde espara conectar a la línea de tierra, esto es para proteger de ruido eléctrico a los componentese inclusive protege al personal que trabaja en este tablero. Es importante diferenciar loscables de esta manera para no cometer errores al momento de realizar el cableado, yademás cuando se requiera realizar mediciones, esto ayuda de antemano saber que tensióndebe tener esta línea.El cableado eléctrico se realiza de punto a punto entre los sensores y actuador con lasentradas y salidas del PLC, cada cable lleva en sus extremos una numeración diferentemediante unos marcadores numéricos, a cada cable se le asigna la numeración de acuerdo aque puerto del PLC se encuentra conectada. 46
  • Figura 28: tablero eléctrico 47
  • 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 4.1 ResultadosDesde que se implemento el sistema se han reducido las fallas por problemas eléctricos enun 100% y las fallas mecánicas que originaban los arpiones 1 y 2, y la faja transportadoranº 1, no han vuelto a ocurrir alargando de esta manera el tiempo de vida de los sistemasmecánicos.La capacidad de producción de ladrillos en la línea de extrusión es de 390 millares por día,pero por diversos factores (entre ellos se encuentra el motivo de estudio de este proyecto),la producción era de 345 millares por día, esto quiere decir que la producción se realiza enun 88.4% de la capacidad total. Ahora la producción se a incrementado a 351.4 millares, osea tenemos un incremento de la producción en un 1.7%, que es 6.4 millares.Se ha reducido la frecuencia de mantenimiento preventivo que se realizaba a los motoresdel arpion 1, arpion 2 y la faja transportadora n° 1, de un mes a 6 meses, reduciendo deesta manera el costo por el mantenimiento.El origen de las fallas que generaban paradas inesperadas, requerían de un determinadotiempo para su ubicación, estas paradas usualmente se producían por sobrecarga de losmotores eléctricos, para ello el motor cuenta con un dispositivo de protección, alaccionarse este dispositivo se cambia el estado de la entrada del PLC al cual estáconectado, esta falla se visualiza en codificación binaria. Cada falla se puede visualizar encódigo binario y así se puede ubicar el origen de la falla con mayor rapidez.Se ha realizado pruebas en la salida del PLC para la humectación del material, y además seobservó en el simulador del PLC en línea con el proceso, el accionamiento en formainstantánea de las electroválvulas, reduciendo el tiempo muerto que generaba el operadorde máquina, por realizar el control manualmente 48
  • 4.2 ConclusionesEste proyecto si bien da solución a una problemática de la empresa, instalando equiposelectrónicos para el control del proceso, se ha visto en la necesidad de capacitar al personaltécnico para la programación y mantenimiento al PLCDado que el proceso es en línea la automatización del mismo resulta una excelente opciónpara facilitar el proceso y lograr los mejores resultados posibles sin supervisión constante.Hay varias técnicas de control que se pueden utilizar (por ejemplo PID que es la mas usadaa nivel industrial) para el control de humedad, pero dada la velocidad de las dinámicas delsistema y la naturaleza de los actuadores (digitales) se opta por un control ON OFF, queresulta suficiente para las exigencias del proceso.La naturaleza de los actuadores es parte integral del diseño y programación delcontrolador, por lo que se debe tener en cuenta o, como en este caso, hacer diseño conjuntodel controlador y los actuadores para determinar el tipo de controlador y de salidasnecesarias para el control del proceso. 4.3 Trabajos FuturosEl sistema que se encuentra instalado, es flexible para realizar ampliaciones para poderrealizar otros procesos que optimicen aun mas al proceso, tal es el caso del control dehumedad del barro que es un proceso necesario para las empresas ladrilleras, ya que conesto se puede mejorar la calidad del producto, y reducir las mermas de producción, yademás seria un sistema autónomo, no dependería de un operario para realizar esteproceso, en este proyecto se esta realizando mediante una válvula de control de tipo ON-OFF, ya que realizar otro tipo de control como por ejemplo el control PID se mejoraría elproceso de humectación, pero para ello se requiere una mayor inversión, y diseñar unsistema de medición de la humedad del material que no este en contacto con el material, yaque esto se desgastan con el rozamiento. 49
  • REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] Luis Jiménez López. “Técnica de la Construcción con ladrillo”, CEAC Técnico, Editorial CEAC S.A, 2005[2] José Luis Barbado. “HORNOS DE BARRO y de ladrillo”. Buenos Aires. Editorial ALBATROS SACI. 2005[3] Julián Rodríguez Montes, Lucas Castro Martínez, Juan Carlos del Real Romero. “PROCESOS INDUSTRIALES para materiales no metálicos”. Madrid. Editorial visión net. 2001[4] Creus Sole, Antonio, “Instrumentación Industrial”. 6ta edición. Editorial AlfaOmega, Barcelona. 1997[5] W. Bolton. “Sistemas de control electronico en ingeniería mecánica y eléctrica”. 2da edición. Editorial AlfaOmega S.A. Barcelona. 2001[6] E. A. PARR. “Programmable controllers. An ingeneer’s”. third edition. Burlington. Editorial Newnes. 2003[7] R. W., LEWIS. “Programing Industrial control Systems using IEC 1131-3”. Published by: the institution of electrical engineers. London. 1998[8] ED., DROPKA. “TOSHIBA Médium PLC”. Washington. 1996[9] Ramón Pallas Areni. “SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL”. Barcelona. Editorial Marcombo. 2003[10] CH. L., DAWES. “Electricidad Industrial”. New York. Editorial Mc Graw-HILL. 1981[11] ALLER, José Manuel. “MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS: INTRODUCCIÓN A LA TEORIA GENERAL”. Caracas. Editorial EQUINOCCIO. 2007. 50
  • ANEXO 1: Alimentación general del tablero eléctrico 51
  • ANEXO 2: Iluminación de tablero eléctrico 52
  • ANEXO 3: Alimentación del circuito de mando 53
  • ANEXO 4: Circuito de alimentación para el PLC 54
  • ANEXO 5: Indicación de estado del circuito de mando 55
  • ANEXO 6: Circuito de mando 56
  • ANEXO 7: Circuito de mando y fuerza para el motor de extrusora 57
  • ANEXO 8: Circuito de mando y fuerza para el motor de alim. extrusora 58
  • ANEXO 9: Circuito de mando y fuerza para al bomba de aceite de la extrusora 59
  • ANEXO 10: Circuito de mando y fuerza para la bomba de aceite del alim. extrusora 60
  • ANEXO 11: circuito de mando y fuerza para arpion 1 y 2 61
  • ANEXO 12: Electroválvulas de extrusora y alim. extrusora 62
  • ANEXO 13: Sensor de cámara de vacío llena 63
  • ANEXO 14: Circuito de térmicos activados 64
  • ANEXO 15: Entrada del BYTE 0 y BYTE 1 del PLC 65
  • ANEXO 16: Entrada y salida del BYTE 2 del PLC 66
  • ANEXO 17: Entrada y salida del BYTE 3 del PLC 67
  • ANEXO 18: Entrada y salida del BYTE 4 del PLC 68
  • ANEXO 19: Entrada del BYTE 5 del PLC 69
  • ANEXO 20: Entrada del BYTE 7 del PLC 70
  • ANEXO 21: Circuito de seguridad de laminadores y amasadora 71
  • ANEXO 22: Circuito de mando para electroválvula de amasadora y pistones 72
  • ANEXO 23: Circuito de mando y fuerza para motor de laminador rápido 73
  • ANEXO 24: Circuito de mando y fuerza para motor de laminador lento 74
  • ANEXO 25: Circuito de fuerza y mando para motor de amasadora 75
  • ANEXO 26: Código de programa para el PLC 76
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  • Network 43 // alarma presión de aceite extrusora LDN I0.0 MOVB 1, QB0Network 44 // alarma presión de aceite alim. extrusora LDN I0.1 MOVB 2, QB0Network 45 // alarma presión de aire extrusora LDN I0.2 MOVB 3, QB0Network 46 // alarma presión de aire alim. extrusora LDN I0.3 MOVB 4, QB0Network 47 // alarma hongo de emergencia presionado LDN I0.5 MOVB 5, QB0Network 48 // alarma cámara de vacío llena LD I0.6 MOVB 6, QB0 86
  • Network 49 // zev 1 activado LDN I0.7 MOVB 7, QB0Network 50 // termico arpion 1 activado LDN I3.4 MOVB 8, QB0Network 51 // termico arpion 2 activado LDN I3.5 MOVB 9, QB0Network 52 // termico ev. extrusora activado LDN I3.6 MOVB 10, QB0Network 53 // termico ev. alimentador extrusora activado LDN I3.7 MOVB 11, QB0Network 54 // termico del tablero nuevo LDN I1.3 MOVB 12, QB0Network 55 // termico de vaiven activado LDN I7.0 MOVB 13, QB0Network 56 // termico de cajon alimentador activado LDN I7.1 MOVB 14, QB0Network 57 // termico de capacho activado LDN I7.2 MOVB 15, QB0Network 58 // termico de faja 1 activado LDN I7.3 MOVB 16, QB0Network 59 // termico de faja 2 activado LDN I7.4 MOVB 17, QB0Network 60 // termico de faja 3 activado LDN I7.5 87
  • MOVB 18, QB0Network 61 // térmico de laminador y amasadora activado LDN I7.6 MOVB 19, QB0Network 62 // funcionamiento ok LDN M0.6 A M1.3 A I7.2 A M0.4 A I0.5 A I0.7 AN I0.6 MOVB 0, QB0 88
  • ANEXO 27: Materiales y costo para el proyecto Costo unitario Costo total Materiales Cantidad (soles) (soles)Plc s7-200 Cpu 224xp dc/dc/dc 01 1918.94 1918.94Fuente de alimentación 24vdc 10 Amp. 01 450 450Módulo de ampliación 16 E/ 24VDC 03 453.57 1360.71Modulo de ampliación 16 E/S 24VDC 01 1073.83 1073.83Relé encapsulado 24vdc 5amp 16 72 1 152Interruptor termo magnético 4 Amp. 400v 02 80 160Borneras Legrand 2.5 mm. 150 9.2 1380Riel DIN simétrico ranurada 04 2.5 15Canaletas Legrand ranurada 04 14.5 58Gabinete metálico 50x60 cm. 01 250 250PC ADAPTER USB SIEMENS 01 1243.61 1243.61Electrovalvula para agua 11/2” DANFOSS 01 5460 5460Selector 3 posiciones sin retorno 01 72 72Otros 1 000 1 000 COSTO TOTAL 15 594.09 89
  • ANEXO 28: Partes de una extrusora UBICACIÓN DE COMPONENTES MOTOR ARPÓN 1 MOTOR ARPÓN 2 3-440V 60HZ 7.5KW 3-440V 60HZ 7.5KW MOTOR EXTRUSORA 3-440V 60HZ 160KW ELECTROVALVULA DE FRICCIÓN EXTRUSORA ELECTROVALVULA DE FRICCION ALIM. EXTR. PRESOSTATO DE AIRE EXTRUSORA PRESOSTATO DE AIRE ALIM. EXTRUSORA LAMPARA PARA ILUMINACIÓN MOTOR ALIM. EXTRUSORA CAMARA DE VACÍO 3-440V 60HZ 55KW RESISTENCIA Y TERMOSTATO ACEITE EXTRUSORA SONDA DE NIVEL DE LA ARCILLA RESISTENCIA Y TERMOSTATO BOMBA DE ACEITE Y PRESOSTATO DE ACEITE ALIM. EXTRUSORA DE EXTRUSORA BOMBA DE ACEITE Y PRESOSTATO DE ALIM. EXTRUSORA 90
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