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Vol. 1 - Núm. 1 (Ene - Jun 2019) ISSN - e: 2661 - 6688
Diseño e Implementación de un Sistema Automático
Compactador PET Utilizando Elementos Hidraúlicos
Design and Implementation of an Automatic Compactor System for
PET using Hydraulic Elements
Rolando Tipán
1a
, Verónica Mora
2b
, Edwin Altamirano
2c
1
Roltronic Tecnology, 180150, Ambato, Ecuador
2
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, 060150, Riobamba, Ecuador
Emails:
a
rolo_762@hotmail.com,
b
veronica.mora@espoch.edu.ec,
c
edwin.altamirano@espoch.edu.ec
Resumen- El presente trabajo tuvo como objetivo general diseñar e
implementar un sistema automático compactador PET utilizando
sistema hidráulico. El sistema automático compactador se compo-
ne de la estructura del contenedor, el sistema electrónico y el siste-
ma de control por software. El contenedor se encuentra construido
de Tol galvanizado el cual muestra resistencia a agentes externos
como el agua y la humedad logrando así precautelar la integridad
de los sistemas electrónicos internos, El sistema electrónico está
conformado por dos controladores, el controlador principal Ardui-
no Uno se encarga de manejar la comunicación con las celdas de
carga para luego enviar dicha información al controlador secunda-
rio Logo Siemens el cual desempeña las funciones de control de las
electroválvulas hidráulicas debido que manejan señales de control
de 24 Voltios, generando las acciones para la activación del cilindro
hidráulico que compacta las botellas plásticas a una presión cali-
brada de 700 Newton, las botellas plásticas son compactadas pre-
vio un control de ingreso para evitar el ingreso de botellas de otro
material. El sistema de control desarrollado en LabView cuenta
con una interfaz amigable para el usuario, donde se desarrollar ta-
reas de monitoreo y control en tiempo real del sistema automático.
Con la compactación de botellas plásticas PET se logra reducir en
un 58% el volumen de cada botella, disminuyendo así el volumen
ocupado por residuos plásticos y facilitando el proceso de reciclaje
de botellas plásticas. Concluyendo que la utilización de tecnología
hidráulica en el sistema de compactación obtuvo un alto nivel de
presión hidráulica constante en el cilindro, teniendo así una res-
puesta adecuada del sistema automático, al no generar fugas ni
perdidas de presión al momento de la compactación.
Palabras Clave- Arduino, Botellas plásticas, Celdas de carga,
Compactador Automático, Hidráulica, LabView, Logo Siemens,
PET, Sistema Automático
Abstract- The main purpose of this degree work was to design
and implement an automatic system of polyethylene terephthala-
te compactor (PET) by using a hydraulic system. The automatic
compactor system is formed by the container structure, the elec-
tronic system, and a control system by software. The container
was constructed of galvanized steel showing resistance to external
agents such as water and humidity, which protects the integrity of
the internal electronic systems. The electronic system; was formed
by two controllers: the main controller Arduino One; was pro-
grammed to handle communication with the load cells, and then,
it sends this information to the Siemens Logo secondary controller.
This secondary controller is programmed to the control of hydrau-
lic solenoid valves since they handle control signals of 24 Volts,
by generating actions to the activation of the hydraulic cylinder
that compacts the plastic bottles at a calibrated pressure of 700
Newton. The plastic bottles were compacted previously to their
control to avoid the entrance of bottles of another material. The
control system was developed in LabView where monitoring and
control of the automatic system in real time were performed with
a friendly interface for the user. The compaction of plastic bottles
PET made possible to reduce the volume of each bottle by 58%,
reducing the volume occupied by plastic waste, and facilitating the
recycling process of plastic bottles. It is concluded that the use of
hydraulic technology in the compaction system, generated a high
level of constant hydraulic pressure in the cylinder, thus getting
an appropriate response of the automatic system, since leaks or
pressure losses at the time of compaction are not generated. It is
recommended to incorporate a human machine interface (HMI) to
the system enabling users to see the information generated by the
system in real time.
Keywords- Arduino, Plastic Bottle, Load Cells, Automatic Com-
pactor, Hydraulic, LabView, Logo Siemens, PET, Automatic Sys-
tem
I. INTRODUCCIÓN
En el Ecuador la producción y el consumo de envases plás-
ticos aumentado considerablemente convirtiéndose en un pro-
blema social de contaminación, ya que según el ministerio del
ambiente, 270 millones de botellas plásticas no reciben un tra-
tamiento adecuado después de ser utilizadas, Los centros de
reciclaje realizan procesos manuales de separación, empacado
y transporte hacia plantas de tratamiento lo que ocasiona una
reducción en los espacios de almacenaje y aumentando los cos-
tos de transporte al no ser procesos tecnicados. [1]
Los centros de reciclaje principalmente realizan sus proce-
sos en compactadoras mecánicas y manuales, requiriendo sis-
temas automáticos para el proceso de compactación desde el
sitio que se genera la utilización de botella reduciendo gastos
de trasporte y de almacenaje hacia dichos centros.
El sistema automático compactador PET, realiza el proceso
de compactación mediante tecnología hidráulica lo que mejo-
ra los niveles de compactación mediante cilindros al no tener
perdida de presión, además de contar con un sistema de control
mediante una interfaz desarrollada en LabView que nos permi-
tirá tener un monitoreo en tiempo real del proceso.
Fecha de Recepción: 05 - Nov - 2018 Fecha de Aceptación: 27 - Nov - 2018
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Fig. 1. Etapas de proceso de compactación.
II. METODOLOGÍA
Para el desarrollo de secuencia de Automatización del sis-
tema de compactación fue necesario el uso de un conjunto de
técnicas basadas en sistemas capaces de recibir información
del proceso sobre el cual actúan, realizar acciones de análisis,
organizarlas y controlarlas apropiadamente con el objetivo de
optimizar los recursos de producción, como los materiales, hu-
manos, económicos, nancieros [2].
A.
Etapas del Proceso
El proceso general del sistema automático se compone de
varias etapas mostradas en la Figura 1 y las cuales son descri-
tas a continuación.
En la primera etapa se procederá con la utilización de sen-
sores localizados en la parte inferior de la estructura del con-
tenedor en este caso una celda de carga con un módulo ampli-
cador, que nos permite conocer si existe el peso de una botella
el cual puede ser reprogramado si existiera la necesidad, las
botellas son ingresadas de forma manual al contenedor, en un
futuro se le puede integrar una banda transportadora para el
ingreso automático de las botellas a ser compactadas.
En la segunda etapa las celdas de cargas envían una aler-
ta al controlador, determinando y diferenciando si son botellas
plásticas, vidrio u otro material de acuerdo con el peso de estas
para su posterior compactación o no, dependiendo de las ca-
racterísticas antes mencionadas.
En la tercera etapa la información generada, permite que
el controlador mediante la programación establecida envíe se-
Fig. 2.Diagrama de bloques del sistema.
ñales de activación hacia las electroválvulas, las cuales en la
tercera etapa permiten gracias al movimiento generado por los
cilindros hidráulicos, la compactación de las botellas plásticas
se lo realiza
dentro del contenedor sobre una base liza de tol
instalada sobre las celdas de carga para tener facilidad para
empujar las botellas y posteriormente compactarse sobre la
misma base.
En la cuarta y quinta
etapa, después de realizar etapas
anteriores los cilindros hidráulicos y electroválvulas de activan
para realizar la compactación a
un fuerza especíca, reali-
zando una compactación uniforme, después de realizar estos
proceso las botellas compactadas ingresan a un espacio espe-
cíco en la parte inferior del contenedor
donde se alojan las
botellas compactadas, la capacidad de almacenamiento es de
33 botellas compactadas, llega a esa cantidad y le indica que el
contenedor está lleno mediante una galga extensiométrica que
pesa el total compactado.
Posteriormente en la sexta y última
etapa la información
registrada por todo el sistema será enviada a la interfaz desa-
rrollada en LabView 2014 SP1, nos permite tener un registro de
total de botellas compactadas desde un minuto hasta de meses
para realizar posteriores estudios para mejorar el reciclaje me-
diante las normas del ministerio del ambiente [1].
B.
Sistema Electrónico
En la Figura 2 podemos visualizar mediante un diagrama
base de bloques todas las etapas del sistema en donde se ob-
serva los sensores necesarios para cumplir con los objetivos a
desarrollar para luego el controlador encargarse de manejar
dichas señales eléctricas y convertirlas en datos e información
que será registrada y almacenada, a su vez generando las seña-
les de control necesarias para la activación de los actuadores
cilindros hidráulicos.
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Fig. 3. Diagrama Electrónico del sistema.
Fig. 4. Circuito Hidráulico.
C.
Circuito Electrónico
En la Figura 3 podemos observar el diseño del sistema
electrónico en cual se basa el sistema de control de compacta-
ción, mediante el circuito y el logo PLC SIEMMENS con sali-
da Ethernet se logró la calibración tanto del pistón hidráulico
como de los sensores de peso y la presión necesaria para el
proceso.
Tabla I.
ESTUDIOS PREVIOS DE COMPACTACIÓN MANUAL DE BOTELLAS
D.
Circuito Hidráulico
El circuito hidráulico mostrado en la Figura 4 del sistema
hidráulico fue desarrollado en el programa Fluidísim versión
2014 V4, Hidráulica V4 especializado en la simulación de siste-
mas hidráulicos previo a la implementación del sistema.
El sistema hidráulico de compresión de botellas consta de
los siguientes elementos:
• Grupo Motriz: Motor, Bomba hidráulica, Acumulador, tanque,
ltro.
• Válvula monoestable 5/2 activación por
• Relé 24 V.
• Cilindro hidráulico de 20 cm de recorrido.
E. Dimensionamiento de elementos hidráulicos
Para un correcto y óptimo funcionamiento del sistema hi-
dráulico es necesario determinar el nivel de caudal que se re-
quiere para mantener una presión constante en los actuadores
hidráulicos presentes en el sistema.
Para realizar los cálculos necesarios se tuvo como base la
información suministrada en la Tabla I, la misma que ha sido
generada en un estudio previo de una maquina compactadora
manual desarrollada en Perú [3]. Dicha máquina mostraba que
el mayor nivel de compactación de botellas pequeñas se genera
con máximo 700 N.
Entonces, la presión que debe ser generada por el sistema
hidráulico puede ser calculado de la siguiente manera: Enton-
ces, la presión que debe ser generada por el sistema hidráulico
puede ser calculado de la siguiente manera:
∆P = ∆Pt + ∆Pf + ∆Pv = 0.975 + 0.1 + 0.2 = 1.1 Bar
donde:
∆Pt = perdida de carga en la tubería
∆Pf
= pérdidas del ltro de retorno
∆Pv = pérdidas válvula distribuidora
Teniendo la presión de trabajo total sumando la presión de
trabajo sin pérdidas + presión de pérdidas:
Pt = ∆P + p1 = 1.1 + 50.93 = 52.03 Bar
Determinando que la bomba seleccionada de tamaño no-
minal 6.3 que produce 9.4 l/min satisface las necesidades de
caudal y de presión de trabajo requeridas para el sistema
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Fig. 5. Área donde se alojan las botellas después de su compactación
Fig. 6. Diseño estructural de contenedor.
Fig. 7. Circuito electrónico de detección de peso.
F.
Control de Peso
Para establecer el peso de las botellas dentro del contenedor
se utiliza dos celdas de carga capaz de convertir una fuerza en
una señal eléctrica, esto la hace a través una o más galgas in-
ternas que posee dentro de su estructura esta señal es recibida
por el controlador y el módulo Arduino UNO para su posterior
lectura de sus datos.
En la Figura 5 podemos visualizar el circuito electrónico de
sarrollado, el cual mediante el uso de un controlador como el
Arduino UNO podemos manejar las señales de la celda de car-
ga, sirviendo el módulo como una interface entre la celda y el
controlador, este se encarga de convertir las lecturas analógi-
cas a señales digitales con un conversor A/D interno de 24 bits
para poder trabajar de mejor manera.
Fig. 8. Componentes mecánicos del contenedor terminado.
Fig. 9. Contenedor terminado y en funcionamiento.
G.
Diseño e Implementación del Sistema Mecánico
El contenedor es un elemento indispensable para depósito
de las botellas plásticas PET, el diseño estructural se lo realiza
en software CAD como SolidWorks 2010 SP3, que nos permite
plantear el diseño adecuado y las características de construc-
ción del contenedor [3]. El software resultó muy útil dado que
por medio de la simulación permitió realizar cortes y piezas
exactas para el montaje del compactador. Algunas de las vistas
del contenedor obtenidas del software de diseño se muestran
en las Figuras 6 y 7. Además, el las Figuras 8 y 9 se muestran
las implementaciones nales del compactador de botellas PET.
Una vez realizado el diseño se obtienen así las característi-
cas mostradas en la Tabla II las cuales fueron las dimensiones
reales de construcción del sistema de compactación mostrado
en la Figura 9. Se realizaron varias pruebas de funcionamiento
en las que se realizó una recolección de datos para una evalua-
ción más objetiva de la compactación, vericando que no haya
errores en su operación.
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Tabla II.
CARACTERÍSTICAS DEL COMPACTADOR IMPLEMENTADO
Fig. 10. Etapas del sistema de control.
H. Sistema de Control
.
Mediante el estudio realizado de todos los elementos que
componen el sistema de compactación PET, el sistema de con-
trol utilizado sobre el trabajo de implementación reportado si-
gue un enfoque de control a lazo abierto, permitiendo que las
señales de salida de nuestro sistema no inuirán en las acciones
para el proceso de control, teniendo en cuenta que las señales
de los sensores integrados sirven para control directo de los
actuadores en el proceso [5]. Teniendo el esquema de sistema
de control en la Figura 10.
I.
Interfaz del sistema de compactación
La interfaz de control se lo realizó en LabView 2014 SP1 y
puede ser observada en la Figura 11. Una vez que el sistema
automático de compactación esta encendido, la interfaz en el
computador muestra un indicador verde encendido cuando se
ingresa una botella plástica PET. Además de mostrar gráca-
mente en el momento en que el cilindro hidráulico está siendo
activado, se presenta información detallada acerca del proceso
de compactación que se está llevando a cabo.
Fig. 11. Interfaz del sistema
Tabla III.
RESULTADOS DE PRUEBAS DE COMPACTACIÓN
Fig. 12. Porcentaje de compactación de botellas PET con el sistema imple-
mentado.
III. RESULTADOS
Para establecer los tiempos de calibración del sistema para
una correcta compactación se realizaron pruebas de funcio-
namiento, en donde al ingresar un tipo de botella aleatoria
plástica PET el sistema procedía a compactarla y mediante
observación se determinó el momento en que la botella se com-
pacto, tomando el tiempo en que se activaba la electroválvula
hasta su desactivación, mientras se lleva el proceso de compac-
tación nos muestra en la interface la cantidad de botellas que
se compacto estos datos son almacenados en una base de datos
para su posterior análisis.
Como resultado de la compactación del sistema, se logró
reducir la cantidad de espacio ocupado por las botellas plásti-
cas PET. Para determinar la cantidad volumen que el sistema
logra reducir al compactar las botellas plástica PET, se reali-
zar pruebas de ello con diferentes cantidades como se muestra
en la Tabla III.
Como se puede observar en la Figura 12, la compactación de
la botella plástica PET es casi en un 60% de su volumen inicial.
IV. CONCLUSIONES
Las normas que se utilizó para el análisis fueron normas del
ministerio del ambiente para el manejo y uso de material PET
[1]. La implementación del sistema automático PET en base
a los requerimientos hidráulicos de presión, es capaz de com-
pactar una botella plástica PET de 500 ml con la utilización
de actuadores hidráulicos controlados por Arduino, además de
contar con sensores de peso cuya información y la del sistema
automático tiene una comunicación con LabView encargado
del registro de los procesos realizados.
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La estimación de volumen de residuos plásticos determinó
que en el caso de la Escuela Superior Politécnica del Chim-
borazo el nivel de residuos generados semanalmente es de
1,06 m3, teniendo que el sistema automático de compactación
PET tiene la capacidad compactar dicho volumen de botellas
plásticas PET.
El diseño y el dimensionamiento del compactador de bote-
llas plásticas PET en base al volumen por unidad de botella de
500 ml, redujo el nivel de presión requerido en la compactación
ya que al tener un nivel bajo de volumen de botellas el compac-
tador reduce el esfuerzo realizado en todo el sistema hidráulico
y reduciendo el tiempo requerido de compactación.
En base a las pruebas experimentales realizadas de com-
pactación, se asegura una presión de compactación adecuada y
calibrada para botellas plásticas PET de 500 ml, logrando así
un volumen mínimo de compactado por cada botella. Reducien-
do en nivel de volumen por cada botella del 60%.
Se comprobó que el sistema de medición de peso no pre-
senta variaciones con respecto al valor real de cada una de las
botellas, teniendo un sistema de selección efectiva al momento
del ingreso de cada una, previo al proceso de compactación,
evitando así el ingreso de botellas de otro tipo de dimensiones
y de material.
Con la utilización de la tecnología hidráulica en el sistema
de compactación de botellas plásticas, se obtuvo un alto nivel
de presión hidráulica constante en cilindro, teniendo así una
respuesta adecuada del sistema automático, al no generar fu-
gas ni perdidas de presión al momento de la compactación de
la botella.
REFERENCIAS
[1] MINISTERIO DE AMBIENTE.
Ecuador incrementó la
recolección de Botellas PET. (En línea).2012. (Consulta: 10
de agosto 2017). Disponible en: http://www.ambiente.gob.ec/
ecuador-incremento-la-recoleccion-de-botellas-pet-en-2012/
[2] GARCÍA, E. Automatización de Procesos Industriales (1a
edición). México: Alfaomega. (2002).
[3] LOMBARD, M. SolidWorks 2010 Bible. (1a edición). India-
napolis: Wiley Publishing. (2010).
[4] PATIÑO, A. Diseño y construcción de una máquina Com-
pactadora manual de botellas de Plástico Pet. [Tesis Pregra-
do]. Pontica Universidad Católica del Perú, Lima, Perú.
(2013). Disponible en: http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/
handle/123456789/4501.
[5] OGATA, K. Ingeniería de Control Moderna. (5a edición).
Madrid-España: PEARSON. (2010).
[6] http://www.ambiente.gob.ec/ecuador-incremento-la-reco-
leccion-de-botellas-pet-en-2012/.(1)
