DISEÑO Y SIMULACIÓN PARA EL CONTROL
DE PRODUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE
SELLADO DE BOLOS MEDIANTE UN
ENTORNO VIRTUAL
DESIGN AND SIMULATION FOR THE PRODUCTION
CONTROL OF A BAG SEALING MACHINE USING A
VIRTUAL ENVIRONMENT
Hernan Vinicio Morales Villegas
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Luis Angel Alban Moncada
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Daniel Alejandro Bonifaz Montenegro
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Elian Fernando Cuñez Olalla
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Willian Patricio Tigasi Guamanagte
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
pág. 4356
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i6.15165
Diseño y Simulación para el Control de Producción de una Máquina de
Sellado de Bolos Mediante un Entorno Virtual
Hernan Vinicio Morales Villegas
1
hvmorales@espe.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8211-12385
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga-Ecuador
Luis Angel Alban Moncada
laalban3@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0009-3347-2411
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga-Ecuador
Daniel Alejandro Bonifaz Montenegro
dabonifaz3@espe.edu.ec
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga-Ecuador
Elian Fernando Cuñez Olalla
efcunez@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0008-4927-9053
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga-Ecuador
Willian Patricio Tigasi Guamanagte
wptigasi@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0003-0205-2664
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga-Ecuador
RESUMEN
En el presente trabajo se detalla el proceso de producción de sellado y llenado de bolsas de agua para
una industria por medio del software TIA PORTAL haciendo uso del PLC S7-1500 AC/DC/RLY, así
como una interfaz virtual realizada en UNITY 3D que permita visualizar el desarrollo del proceso en
tiempo real, y conexión IOT para el registro de tiempos de producción y supervisión del sistema. El
trabajo se desarrolla mediante programación “Lad- der”, con pulsadores de “INICIO” y “PARE” como
los periféricos principales de entrada, sensores analógicos y digitales para la supervisión del proceso,
como también actuadores rotatorios y lineales que actúen en sus diferentes etapas. El proyecto cuenta
con una interfaz de usuario para su respectivo monitoreo, finalmente la virtualización del proceso es
realizada bajo la importación de la planta hecha en un software CAD. Este proceso está enfocado para
mayor eficiencia y control en la producción industrial, de esta manera asegurando un proceso continuo,
seguro y optimizado.
Palabras clave: sellado, visualización, control, industrial
1
Autor principal
Correspondencia: hvmorales@espe.edu.ec
pág. 4357
Design and Simulation for the Production Control of a Bag Sealing
Machine Using a Virtual Environment
ABSTRACT
In this work, the production process of sealing and filling water bags for an industry is detailed using
the TIA Portal software with the PLC S7-1500 AC/DC/RLY, as well as a virtual interface developed in
Unity 3D to visualize the process in real-time. The project includes IoT connectivity for recording
production times and system supervision. The process is implemented through "Ladder" programming,
with "START" and "STOP" push buttons as the main input peripherals, along with analog and digital
sensors for process monitoring, as well as rotary and linear actuators operating in various stages. The
project features a user interface for monitoring, and the process virtualization is carried out by importing
the plant design from CAD software. This approach focuses on improving efficiency and control in
industrial production, ensuring a continuous, safe, and optimized process.
Keywords: sealing, visualization, control, industrial
Artículo recibido 02 octubre 2024
Aceptado para publicación: 12 noviembre 2024
pág. 4358
INTRODUCCIÓN
La etapa de llenado es de suma importancia para cualquier proceso con un fin comercial, sin importar
el fluido que se esté produciendo, debido a que un buen diseño de una estación de llenado permite
aprovechar al máximo el producto elaborado por la planta y del mismo modo poder tener un mejor
volumen de producción, minimizando los desperdicios debido a la falta de precisión de los elementos
que componen la tecnología actualmente usada por las industrias y aumentando la velocidad de la línea
de producción, dando así como resultado mayor volumen por unidad de tiempo del producto
final.(Salcedo Castaño & Gómez Tangarife, 2012). A nivel mundial los procesos de envasado de agua
son automáticos esto debido a factores como: alta demanda de producción, costos de producción,
precios competitivos, cantidad exacta, libre de contaminantes, entre otros. En la empresa SUPER 33
4X4 este proceso se realiza de forma semi automática por medio de la máquina envasadora y selladora
de fundas de agua. Sin embargo, la máquina presenta una serie de defectos de diseño, que no permiten
un sellado adecuado, han sido varios los intentos por poner a punto la máquina sin ningún éxito. Por
esta razón de momento no se encuentra en funcionamiento, razón por la cual gran parte de sus
componentes mecánicos y eléctricos están averiados.(Holguín & David, 2022)
Las empresas en Ecuador,buscan la independencia y automatización de alguna tarea en específico con
el fin de aumentar su producción. Para garantizar la calidad del producto, generar un bajo impacto
ambiental y reducir costos en insumos y materia prima se hace necesario realizar un estudio de
mantenimiento avanzado aplicando la táctica RCM (mantenimiento centrado en confiabilidad).
Adicionalmente se busca garantizar el mejor 3 rendimiento de las máquinas, aumentar el conocimiento
sobre los equipos y mejorar la seguridad en la operación, todo esto con ayuda del análisis de los modos,
efectos, causas y criticidades de las fallas.(Martinez, 2017).
Un controlador lógico programable o también conocido en el mundo de la automatización por sus siglas
en inglés PLC (Programmable Logic Controller), conocido como una computadora, pero mucho más
compacta diseñada para ser utilizada en ambientes industriales donde es necesario equipos robustos que
permitan controlar procesos automáticos, tales como control de maquinaria en una línea de montaje o
líneas de producción de alimentos(Borbor Guerrero, 2023)
pág. 4359
La necesidad de responder con flexibilidad a la diversificación de productos y a las posibles
fluctuaciones en la demanda de estos, origina la necesidad de obtener una respuesta lo más rápida
posible, y por tanto lograr arranques en las líneas de producción acelerados. Por ello, uno de los aspectos
de la robótica que ha ido adquiriendo cada vez más importancia a lo largo de los años, se centra en el
proceso previo a la fabricación de la línea robotizada, la simulación de esta. Una simulación que trate
de mostrar lo más fiel posible el robot que se pretende diseñar y la tarea para la cual ha sido
enmendado.(Vallcanera, 2022)
METODOLOGÍA
Por medio de datos porcentuales, se conoce que Ecuador en 2023 el 55.8% de la población expresó su
deseo por emprender, superando el promedio de América Latina del 46.3% (CMS, s. f.) y con una tasa
del 36.9% en cuanto a emprendimientos creados o sostenibles, aunque muchos son repetitivos (Feijó-
Cuenca et al., 2023) esto puede resultar en una oportunidad para gestionar nuevos procesos o productos
capaces de dar competencia en el campo comercial.
La producción y venta de bolos (bebidas refrescantes en fundas) es un mercado popular que se ha
movido tanto de forma casera como industrial (por ejemplo: Bonice, Kings’cream, Charles, etc), no
obstante, algo común que se ha observado en la producción en masa de estos, es que, las máquinas no
cuentan con un registro de la producción en tiempo real capaz de identificar fallas como productos
aplastados, con fugas o sin contenido.
Para el desarrollo del proyecto se identificaron los requerimientos óptimos en cuanto a innovación y
facilidad de diseño por medio de revisión bibliográfica recopilada, para ello se consideró la tabla 1:
Tabla 1: Requerimientos
Número
Requerimientos
1
Sistema de control mediante PLC
2
Conteo de producción por IOT
3
Detector de errores en la producción
4
Interfaz HMI
6
Sistema de llenado y sellado de fundas
8
De bajo costo
pág. 4360
Por lo que se propone la siguiente propuesta de diseño:
- Sistema de control
El proceso de control requiere una etapa de llenado, sellado, conteo y control de calidad, esto permite
gestionar un diagrama capaz de resumir el funcionamiento de la máquina. Ver ilustración 1:
Ilustración 1: Diagrama Grafcet
Para llegar a esto, se hace uso de un PLC como elemento principal de control, dado a que el proceso es
simulado se precisó el PLC S7-1500 por su afinidad y robustes para conexión con IOT.
- Producción con IOT
Para conocer y registrar la producción y detección de fallas de forma remota, se hace uso de un modulo
virtual IOT comunicada con Node-red, esto es ventajoso porque el operador podrá ser capaz de
visualizar la productividad de su empresa 24/7. La señal que registra el PLC es enviada gracias a un
routter y una pasarela a una interfaz visual conocida como Thingboard, el proceso también es capaz de
receptar alguna instrucción como parar la máquina o poner en funcionamiento.
pág. 4361
Ilustración 2: Entorno IOT producido en Thingboard
Como se puede observar en la ilustración 2, se presentan dos botones principales de inicio y paro, un
indicador de inicio de color verde y uno de emergencia para alertar fallos en la producción de color
rojo, en la esquina superior izquierda se precisa el contador de productos y abajo una interfaz de control
para saber cuanto querer producir al día, así como también un regulador de velocidad enfocado en la
visualización del entorno virtual
- Detección de errores:
La detección de errores dentro de la simulación se lo realiza de forma controlada, se presenta por medio
de una señal digital que, al entrar en el estado de 1, manda una señal de emergencia al sistema IOT para
que el operador decida si parar o no la producción, en caso de no dar una respuesta pronta la producción
parará por completo con el fin de evitar pérdidas o el deterioro de la máquina. Así mismo cuenta con
una interfaz HMI en caso de que se encuentre presente un operador cerca de la máquina y pueda evaluar
la situación.
- HMI:
En el proceso de producción se requiere que la planta tenga un límite de lotes producidos dado a que
cada cierto valor debe empaquetarse el producto para la distribución comercial, del mismo modo, hay
que considerar el hecho de que para vender un producto hay que verificar su calidad, así que, se espera
ubicar un proceso de gestión de calidad con el fin de revisar el estado del producto al salir de la empresa.
En fin, se tendrán entonces para el HMI:
pág. 4362
1. Protocolo de seguridad con acceso por contraseña, lo que permitirá que solo personal calificado
modifique y visualice cambios en la interfaz, además de proteger información confidencial de la
empresa, evitar posibles negligencias y actuar ante emergencias.
2. Conteo de la producción para el registro periódico y análisis de datos mensuales enviados a una
base remota por medio de IOT, lo que favorecerá conectar la comunicación entre el departamento
de gestión con el de producción y desarrollo para así predecir cambios con el fin de tomar decisiones
al instante.
3. Botones de inicio y fin de la producción para así iniciar procesos, registrar el inicio y fin de una
jornada laboral parar la producción ante fallas y reiniciar el sistema
4. Detector de fallas por lotes para la gestión de calidad, detener errores y minimizar pérdidas de la
producción.
5. En el HMI se podrá visualizar el proceso de sellado de la planta, la producción, el reinicio de esta,
detección de errores y seguridad para el operador, esto se logrará mediante la interfaz de usuario
que proporciona Tia Portal.
- Sistema de llenado y sellado de fundas
Por medio de información bibliográfica se conocieron diversos métodos de enfundado (empaquetado
de fluidos), unos más complejos que otros y en función de eso, su fabricación y complejidad de control
aumenta el costo de su implementación, no obstante, dentro de todos estos procesos se encontró uno
que simula el mecanismo simple de sellado tradicional manual que consiste en pasar por una tubería de
acero inoxidable una funda tipo tubular la cual por medio de rodillos permita el paso de las fundas a
una etapa de calentamiento que sella y divide cada bolo producido.
Las normas ISO 22000, enfocadas en el sector alimenticio establecen que las máquinas destinadas a
producir alimentos (en este caso bebidas) deben ser de materiales no tóxicos para el ser humano, para
este caso, se pretende realizar en acero inoxidable.
Las partes principales para la máquina se dividen en:
- Depósito
- Llenado
- Sellado y corte
pág. 4363
- Control de calidad y conteo
Entonces, la ilustración 4, guarda el siguiente sistema:
Ilustración 3: Sistema de empaquetado de líquidos (parte mecánica)
Para la parte del diseño mecánico se hice uso del software Solidworks, junto con su biblioteca
normalizada de piezas para tratar de mantener el criterio de modularidad.
- Costo
Al ser un entorno simulado, la inversión del proceso no resulta un problema, sin embargo, su
implementación si puede llegar a presentar un valor relativamente alto debido a que se debe realizar en
acero inoxidable por normativa de alimentos, y por la adquisición de su autómata programable
- Simulación
Para poner en funcionamiento el proyecto se hace uso de la virtualización por Unity el cual permite
importar el modelo mecánico y generar la comunicación con un PLC virtual gracias a una dirección IP
junto con PLCsim, es decir, conectando cada parte del proyecto (control, electrónica y mecánica) en un
solo proceso, como se puede ver en la ilustración 5.
pág. 4364
Ilustración 4: Conexión de los sistemas de control, mecánico y electrónico para su virtualización en
Unity
En la ilustración, se entiende que en el computador, se podrá ver tanto la simulación de unity como los
resultados obtenidos en thingsboard, así mismo, como Unity y thingsboard se comunican con el PLC
virtual, se podrá acceder a la interfaz de usuario programadas.
Desarrollo
Como primer paso, se crea un nuevo proyecto donde se define el PLC a trabajar, en este caso, el S7-
1500 con sus módulos de entrada y salida digitales, al terminar de hacer eso, se configura l dirección IP
del computador y del PLC con el fin de que no colisionen y existan problemas en la comunicación. Una
vez configurado todo lo pertinente a la comunicación se procede a realizar la programación, la cual se
la establece de la siguiente forma: Se genera el Ladder que dé el funcionamiento de los actuadores, el
inicio, el paro, el detector de errores y las entradas, se lo hace mediante el “Main” del “program blocks”
y a cada variable se le asigna un nombre específico como se puede observar en la ilustración 5.
Ilustración 5: Inicio de secuencia en Ladder
pág. 4365
Así mismo, para seguir con la secuencia del proceso se programa el funcionamiento alternante entre el
sellado y la circulación del fluido, con el fin de que no existan traslapes y se desperdicie el contenido.
Ver ilustración 6
Ilustración 6: Alternancia entre proceso de llenado y sellado
Como se puede configurar la cantidad de producto que se procesa para entrar a una etapa de
empaquetado y distribución, entonces se genera una condición de reinicio del conteo, así se asegura
uniformidad en las porciones de productividad preestablecidas. Ver ilustración 7.
Ilustración 7: Reinicio del contador de producción
pág. 4366
A continuación, con el objetivo de continuar con la secuencia de trabajo, se pretende realizar una
condición de alarma cuando se detecta anomalías como control de calidad. Ver ilustración 8
Ilustración 8: Alerta de control de calidad
Por otra parte, el HMI presenta 3 pantallas, una principal de acceso con el nombre de la máquina y un
acceso de usuario tanto para operador como para un gerente o administrador, esto, con el fin de que uno
pueda dedicarse a conocer el estado del proceso, y sus posibles fallos y el otro, tener control total de
toda la producción de la máquina y evitar posibles sesgos en la cantidad de productos que se generan al
día, la ilustración 9 muestra cómo se encuentra distribuida:
Ilustración 9: Pantallas del HMI
Definición de la programación en el PLC
Para empezar a generar la comunicación con IOT se debe ingresar desde la pasarela y activar el
programa Node-Red en caso de no tener al módulo IOT conectado se considera ingresar a la interfaz
por medio del comand Windows con la instrucción “node-red” la cual a continuación enviará una
dirección IP, al ingresar se abre el siguiente entorno.
Dentro de la programación se procede a desactivar el acceso optimizado para la reducción de recursos
ocupados en el ordenador, también se debe permitir el acceso Put/Get sin embargo, esto se lo realizó
con anterioridad por lo que no hace falta. Se realiza la inserción de dos datos, un led y un contador,
donde se podrá observar la producción de la planta, las variables se convirtieron al formato permisible
pág. 4367
del entorno gracias a una tabla de conversión que node -red dispone, las conexiones del sistema se
presentan en la ilustración 10.
Ilustración 10: Programación en Node-red
Una vez realizado la comunicación entre el PLC y el Node-red se pretende enviar su información a una
interfaz de usuario remota por medio del sitio web Thingboard, obteniendo como resultado la
ilustración2.
En el caso de la virtualización y simulación de la planta de producción de bolos, se hace uso de Unity
el cual toma como referencia de la máquina al modelo generado en Solidworks presentado en la
ilustración 3, importado a un entorno base predeterminado gracias a la herramienta unity asset store
seleccionando a un ambiente predefinido similar a una empresa, como se observa en la ilustración 11.
Ilustración 11: Entorno virtual predeterminado
Para crear la perspectiva de primera persona, primero hay que crear una cápsula en la parte de escenas
y modificar sus parámetros, de la misma forma crear un script el cual tendrá la programación y los
pág. 4368
movimientos que se efectuará. Con esto se obtiene un entorno acorde y muy semejante a un proceso
industrial el cual contiene una máquina selladora de bolis. Ver ilustración 12.
Ilustración 12: Selladora de bolos en el entorno virtual
Finalmente se colocaron señalizaciones generales para la distribución y seguridad que se estandariza en
el entorno. Ver ilustración 13.
Ilustración 13: Señalización de normas y seguridades
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El trabajo genera de manera óptima la simulación en tiempo real de la producción de sellado de bolos
tanto en primera como en tercera persona (ver ilustración 14), en conjunto con su envío y recepción de
datos en su HMI y la interfaz IOT aunque por el uso de varios programas los recursos de procesamiento
del computador son bastante considerables
pág. 4369
Ilustración 14: Simulación en primera y tercera persona
El desarrollo del proceso industrial de llenado y sellado de líquido permite la visualización precisa y la
optimización en tiempo real, facilitando así la mejor continua del proceso. Además, ofrece una fácil
manipulación y comunicación con los controladores lógicos programables alcanzando una perspectiva
más clara acerca de la industria 4.0 y el internet de las cosas (IoT).
La interfaz de usuario sigue las instrucciones de arranque y paro correctamente, esto se debe dado al
uso de memorias que permiten compatibilizar la información que envía el HMI al PLC, la información
de igual forma se envía en tiempo real por medio del módulo IOT a un servidor web, el cual logra
gracias al Node-red, interpretar la información e integrarla a una interfaz remota, aquí se mostraría la
producción generada cada vez que el ciclo termina correctamente, en caso de no concluir bien, el
sistema no lo cuenta y se genera una pérdida.
La implementación del IoT para el control de procesos industriales representa aprovechar al máximo la
conectividad de dispositivos y sensores, debido a que estos permiten la recopilación de datos en tiempo
real y su análisis para tomas decisiones informadas y rápidas. Esta capacidad de monitoreo y control
remoto no solo mejora la eficiencia de la productividad, sino que también abre nuevas oportunidades
para la optimización de procesos y la innovación en la producción industrial.
CONCLUSIONES
El uso de simulaciones virtuales y entornos inmersivos fortalece la adopción de los principios de la
Industria 4.0. Estas herramientas no solo enriquecen la experiencia del operador al permitir una mejor
comprensión del proceso, sino que también contribuyen a innovar en la forma de diseñar, controlar y
supervisar plantas industriales de manera más sostenible y avanzada.
pág. 4370
La integración del PLC, el IoT y la interfaz HMI ofrece un monitoreo continuo y preciso. La
comunicación en tiempo real entre estos componentes asegura que las fallas sean detectadas
oportunamente, facilitando decisiones rápidas y minimizando pérdidas en la producción.
La implementación del IoT en el sistema proporciona una ventaja crucial al permitir la recopilación de
datos en tiempo real y su envío a una interfaz remota. Este enfoque facilita la supervisión constante y
la toma de decisiones rápidas, minimizando las pérdidas y potenciando la productividad mediante
análisis más detallados y proactivos.
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