MAQUINA RECICLADORA DE PILAS

Bonilla López Noé, Higuera González Rogelio Manuel, Sánchez Guerrero Oscar Arturo.

Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca, Estudiantes de Noveno Semestre de Ingeniería Electrónica, Ixtapaluca, Estado de México.

Teléfono (55) 1749-6992 e-mail: noebl@yahoo.com.mx Teléfono (55) 1308-2482 e-mail: esmoce_emperor@hotmail.com Teléfono (55) 5477-3942 e-mail: ing.hgrm@gmail.com

Resumen -- Las pilas contaminan el medio ambiente y por ello requieren un tratamiento especial de reciclaje o confinarlos en lugares adecuados, México solo cuenta con lugares para confinar las pilas y mandarlas a otros países para su reciclaje. El propósito de este proyecto es reducir la contaminación del suelo y crear una cultura para el reciclaje de pilas.

El prototipo realiza la separación de metales y residuos químicos, para que más adelante se puedan procesar por separado. La maquina se divide en dos partes; la mecánica y la electrónica, la parte mecánica fue diseñada para desarmarse esto para su fácil mantenimiento, otra de las ventajas en el campo de electrónica y seguridad es poder controlar la maquina desde una PC, a una distancia considerable reduciendo así los accidentes. Para automatizar la maquina se utilizo un PLC por su fácil programación.

Abstract -- Batteries pollute the environment and therefore require special treatment or confine recycling in appropriate places, Mexico only has places for confining the batteries and send them to other countries for recycling. The purpose of this project is to reduce the contamination of soil and create a culture for the recycling of batteries. The prototype performs the separation of metals and chemical residues, so that later they can be processed separately. The machine is divided into two parts, mechanics and electronics, the mechanical part was designed to disarm it for easy maintenance, another advantage in the field of electronics and security is to control the machine from a PC at a distance significantly reducing accidents. To automate the machine will use a PLC for easy programming.

I. INTRODUCCIÓN

Las pilas son dispositivos energéticos electroquímicos que se emplean cada vez con mayor demanda para alimentar a los diversos equipos electrónicos, sin embargo cuando las pilas se desechan se convierten en residuos peligrosos.

En este proyecto trabajaremos en el reciclado de pilas” AA no recargables” mediante un dispositivo mecatrónico; lo que se pretende con este mecanismo es separar los componentes de pilas AA, posteriormente clasificar los

residuos tóxicos y los residuos reciclables para su distinto acopio, a plantas de residuos químicos y plantas de reciclaje de metales.

Pero ¿Cómo separar los materiales tóxicos de los materiales reciclables?

El proceso comienza por triturar las pilas, posteriormente el material triturado pasa a ser separado mediante un electroimán, que se encargará de captar el material ferromagnético.

Todo este proceso es automatizado mediante vía inalámbrica para evitar el contacto humano y la exposición a mezclas peligrosas que puedan presentar peligro al personal operativo.

II. MARCO TEORICO

En el mundo existen una gran variedad de empresas las cuales se encargan del reciclaje de pilas de carbono-zinc, la mayoría de estas empresas se encuentran en Europa, Asia y Estados Unidos de América. Entre las empresas más importantes se encuentran:

RECUPYL S.A.S: ha desarrollado y patentado un proceso de reciclado, durante la primera fase del proceso, las pilas se aplastan para recuperar el acero, papel y plástico, y luego el polvo de zinc y manganeso se somete a un proceso hidrometalúrgico para recuperar los metales de valor, en la fig. 1(a) se muestra la maquinaria que se utiliza para la primera fase del proceso. Con operaciones en Francia, Polonia, Italia, España, Singapur y los EE.UU., el proceso patentado Recupyl es particularmente eficaz para los productos químicos utilizados en las baterías de hoy en día.

Battery Solutions, Inc.: Las baterías se reciclan a una "temperatura ambiente", especializado proceso de separación mecánica, donde los componentes de la batería son separados en 3 productos finales.

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Estos artículos son zinc y concentrado de manganeso, acero, papel y plástico. Todos estos productos se ponen de nuevo en el mercado para su reutilización en productos nuevos, en la fig. 1(b) se muestra la maquinaria utilizada para la trituración de la pilas. Con operaciones en EE.UU.

Fig. 1. (a) maquinaria utilizada por RECUPYL, (b) maquinaria utilizada por Battery Solutions.

III. METODOLOGÍA

El diseño de este prototipo fue pensado para que ocupe la menor cantidad de espacio posible y sea totalmente desarmable para facilitar su mantenimiento, reparación y transportación, el prototipo fue diseñado en el software sketchup pro 8 y se utilizo el plugin para simulación llamado sketchiphysics, en la fig. (2) se puede observar el diseño de la maquina.

Fig. 2. Diseño del prototipo en sketchup pro 8.

Diseño estructural: la estructura ha sido diseñada en forma rectangular con ángulo de aluminio, para las partes verticales se utiliza ángulo de 1” ½ pulgadas para asegurar la mayor resistencia al peso o vibraciones, y para las partes horizontales se utilizo ángulo de 1”, ya que las piezas horizontales no tienen demasiada tensión. Las medidas de la estructura en lo alto son de 75 cm por 64 cm a lo largo y 22

cm de ancho, dándonos un total de 105,600 푐푚 , en su interior desde la base a 36 cm de altura se encuentra ensamblada la banda transportadora de trazas y a 74 cm de altura desde la base se encuentra ensamblado, el embudo por el cual pasan los residuos triturados.

Las partes que consta la maquina son las siguientes:

-Trituradora: su propósito es destruir las pilas para poder sacar los compuestos químicos del molde de metal. Consta de dos partes, primero se cortan las pilas en 4 partes para quitarles resistencia y después pasa por una etapa de molido para separa los residuos químicos de los metálicos, en la fig. (3) se muestra el diseño realizado en sketchup pro 8.

Fig. 3. Diseño de la trituradora en sketchup pro 8.

-Banda transportadora: mueve los residuos triturados a la parte del imán, en la fig. (4) se muestra la banda trasportadora y los rieles con el imán ya ensamblados en aluminio.

-Rieles: desplaza los imanes para poder magnetizar los residuos de metal, cuentan con un mecanismo retráctil por medio de un motorreductor el cual al ser accionado mueve los rieles con los imanes.

Fig. 4. Prototipo elaborado con aluminio.

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A. Control electrónico

Sistema de lazo abierto: consiste en algunos subsistemas básicos.

Elemento de control: Este elemento determina que acción se va a tomar dada una entrada al sistema de control.

Elemento de corrección: Este elemento responde a la entrada que viene del elemento de control e inicia la acción para producir el cambio en la variable controlada al valor requerido.

Proceso: El proceso o planta es el sistema en el que se va a controlar la variable.

Nuestro sistema de lazo abierto utiliza un elemento de control que envía una señal para iniciar la acción después de algún periodo o una secuencia de señales para iniciar una secuencia de acciones en tiempos diferentes. El controlador es en esencia un dispositivo de conmutación operado por un reloj (PLC).

Con sistemas de control en lazo abierto los tipos de control más probables son el de dos posiciones (on-off) o secuencias o acciones conmutadas por el tiempo [1].

Control on-off: En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas, que, en muchos casos, son simplemente encendido y apagado [2].

Control (on-off) ventajas:

El control on-off es muy simple de controlar. Es comúnmente utilizado en la industria. Es más económico que los otros tipos de control.

Básicamente se eligió este control porque nuestro presupuesto era poco y para lo que requeríamos era el adecuado, puesto que los procesos realizados no requerían demasiada precisión y las oscilaciones afectan al proceso.

B. Interfaz USB

Se diseño la aplicación de PC en visual C# 2010, en la figura (5) se puede observar la aplicación realizada en C#. Para el control del dispositivo de USB se realizo una interfaz humana, con lo cual nuestro objetivo principal era manipular el prototipo a través de nuestra PC, además de monitorear el proceso realizado.

Fig. 5. Interfaz grafica realizada en visual studio.

La comunicación realizada fue entre la PC - PIC, para esto se utilizo un PIC 18f2550.

La gama alta (PIC18), tiene una arquitectura RISC avanzada Harvard con 16 bits de bus de programa y 8 bits de bus de datos. La memoria RAM puede llegar hasta 4Kbytes y hasta 1Kbytes de EEPROM. Incluye periféricos de comunicación avanzados (CAN y USB) [3].

Se programo el PIC en lenguaje C con el compilador CCS 4.114, se opto por este compilador puesto que CCS suministra librerías para comunicación PIC - PC utilizando el bus USB.

Después de realizar la aplicación para PC y el programa para el PIC, se simulo el circuito para observar su funcionamiento, para esto se utilizo el programa proteus 7.7, en la fig. (6) se puede observa la simulación del puerto USB. Se utilizo proteus porque cuenta con dos herramientas para la simulación de circuitos USB:

-El conector USB llamado usbconn, el cual permite conectar y desconectar el bus.

-El visualizador de USB llamado analizador de transiciones de USB.

Fig. 6. Simulación de la interfaz del PIC en proteus 7.7.

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C. Comunicación por radiofrecuencia

Se utilizaron dos módulos de radiofrecuencia con el propósito de controlar el prototipo a una distancia de 100m para que los obreros no tuvieran peligro de un accidente. Para ello se utilizaron los siguientes módulos de RF.

-Transmisor TWS-434, trabaja en la frecuencia de los 433.92 MHZ y con modulación ASK, CON un alcance de 120m en exterior y 60m en interior aproximadamente. Acepta entradas lineales y digitales, opera con una tensión que va desde 1.5v hasta los 12v –DC, en la fig. (7) se puede observar la conexión del trasmisor TWS-434 con el codificador y el PIC.

-Receptor RWS-434, funciona en una frecuencia de 433.92 MHz y con modulación ASK se alimenta de una tensión entre 4.5v y 5.5v- DC, cuenta con salidas lineales y digitales. Para enviar la señal del trasmisor al receptor se utiliza la modulación ASK, se puede ver en la fig. (8) la conexión del receptor RWS-434 con el decodificador.

-Modulación ASK (modulación digital en amplitud) consiste en variar el parámetro de amplitud de la portadora (señal a modular) en función de la señal original (moduladora). Los otros dos parámetros frecuencia y fase, permanecen constantes. Si es una modulación ASK binaria (B-ASK), recibe también el nombre ook (on-off keying), la portadora solo tiene dos entradas posibles, está o no está presente [4].

-Para codificar y decodificar la señal se utilizaron los circuitos integrados HT12E y HT12D.

-HT12E, es un codificador el cual permite enviar hasta 4 bits de datos y 8 de direcciones por lo que sería posible transmitir hasta 256 dispositivos en la misma frecuencia.

-HT12D, es un decodificador el cual te permite tener 4 salidas y cuenta con 8 direcciones distintas

Para calcular la resistencia de los osciladores del codificador y el decodificador se utilizo la gráfica que proporciona el fabricante.

La dirección del transmisor y receptor debe ser la misma para que haya una comunicación, por eso el pin 8 del codificador y decodificador se conecto a tierra.

Fig. 7. Diagrama de la interfaz USB y transmisión por radiofrecuencia.

Fig. 8. Diagrama del receptor de radiofrecuencia.

D. Amplificación de salidas

Como las salidas del receptor de radiofrecuencia proporcionan un voltaje de 5v y para activar las entradas de un PLC necesita un voltaje de 24 volts se realizo una etapa de amplificación para elevar de 5v a 24v. Para eso utilizamos un optoacoplador para separar la etapa del receptor y la del voltaje de las entradas del PLC.

- CNY-74-4 es un popular optoacoplador, en cuya capsula se encierra 4 fotodiodos y 4 fototransistores.

La tensión directa en extremos del fotodiodo en conducción es de 1.2v y para que se ilumine hay que hacer circular una corriente de unos 5mA [5].

La resistencia en serie con el fotodiodo debe de permitir que circule esta intensidad así, para una tensión de Vin de 5v. Para ello utilizamos la ecuación (1).

푅1 =푉푖푛 − 1.2푣

5푚퐴 (1)

푅1 =5푣 − 1.2푣

5푚퐴 = 760Ω ≈ 820Ω

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E. Automatización

Para automatizar todo el proceso utilizamos un PLC por su fácil programación y ahorro de tamaño.

Un controlador lógico programable es un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar acabo funciones lógicas, de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas, para controlar maquinas Y procesos, diseñado específicamente para programarse con facilidad.

Se utilizo el PLC SR3 B261BD el cual cuenta con 10 entradas digitales y con 6 entradas analógicas, para activar las entradas se debe de aplicar una tensión de 24VDC. Cuenta con 10 salidas tipo relevador.

Lenguaje escalera

La forma más común de programación que se usa con los PLC es la programación en escalera o ladder, en la que cada tarea de programación se especifica como un escalón este puede especificar los estados de los resolver las operaciones lógicas abarcando esas entradas.

Para observar el funcionamiento del programa se simulo en automation studio 5.0 (fig. 9) que cuenta con programación de escalera y con actuadores e indicadores.

Fig. 9. Simulación de la programación en ladder en automation studio.

Después de simular y observar cada una de las secuencias, se realizo el programa en escalera en el compilador Zelio Soft 2 y se transfirió de la PC al PLC.

El proceso empieza cuando se activa el botón de inicio de la interfaz de la PC, el trasmisor envía la señal y al recibirla el receptor la amplifica para que eleve el voltaje a 24v y con esto active la entrada 1 del PLC, el PLC tiene programadas las secuencias que se deben de seguir a partir de que es activada la entrada 1. También cuenta con un paro

automático que se pude activar desde la computadora o manualmente con el botón de paro, esto fue adecuado por la seguridad del operador. El la fig. (10) se pude observar la conexión del receptor, amplificación y sensores al controlador.

Las salidas activaran 3 motores DC así como un motor pasó a paso y dos luces indicadoras.

Fig. 10. Diagrama del receptor, amplificación y la conexión al PLC.

En las salidas del PLC se conectan los motores de la trituradora así como el motor de la banda transportadora, también dos de las salidas son utilizadas para el control del motor paso a paso y el electroimán.

F. Mecánica

Para mover el rodillo de la banda transportadora y el moto tool, se utilizo un motorreductor con el cual podemos mantener una velocidad constante y precisa.

Motorreductor

Son elementos mecánicos muy adecuados para el accionamiento de todo tipo de maquinas y aparatos de uso industrial, que se necesite reducir su velocidad de forma eficiente, constante y segura.

Las ventajas de usar motorreductores son:

-alta eficiencia de transmisión de potencia del motor.

-alta regularidad en cuanto a potencia y par transmitido.

El motorreductor utilizado fue un Toshiba Gear Head motor DC GC-2200-MBE, 24v, 2A, 25kg/cm a 20RPM.

Se utilizo otro tipo de motorreductor para deslizar el imán, porque se requería mover una cierta cantidad de peso. El motorreductor utilizado fue de 5v a 1A.

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Para el cambio de giro de los motores se utilizo el driver L293D el cual puede manipular el cambio de giro de dos motores de 24v a 3A.

G. Motor C.A.

Los motores de corriente alterna se pueden clasificar en dos grupos: monofásicos y polifásicos. Existe la tendencia a usar motores monofásicos si la potencia requerida es baja. El motor básico consta de un rotor y un estator con varios devanados. Al pasar una corriente alterna por los devanados del estator se produce un campo magnético alterno. Como resultado de la inducción electromagnética, se induce fem en los conductores del rotor y por este fluyen corrientes. Este gira a una velocidad determinada por la frecuencia de la corriente alterna que se aplica al estator [6].

El motor de corriente alterna es utilizado para moler las pilas, se utilizo uno de 127v a 60Hz.

Para la parte del cortado de la pilas se utilizo un moto tool de 16000 a 32000 RPM.

H. Pruebas, diseño y ensamblaje

Después de simular cada uno de los circuitos que requeríamos para el proceso se continúo con la etapa de pruebas en protoboard (fig. 11) en la cual observamos la eficiencia de cada circuito tomando mediciones de cada uno, para ver si se encontraban dentro de la tolerancia requerida, antes de dedicarnos a diseñar cada uno de los PCB de cada circuito.

Fig. 11. Pruebas del cambio de giro del motorreductor con el integrado L293D.

Después de realizar cada una de las pruebas de los circuitos en protoboard se continúo con el diseño de los PCB con el

programa PCB Wizard el cual cuenta con una gran variedad de componentes y es muy sencillo de utilizar. En la fig. (12) se muestra el diseño de la interfaz USB y trasmisión de radiofrecuencia realizado en PCB Wizard.

Cuenta entre sus herramientas con varias vistas posibles así como de crear una gran variedad de componente.

Fig. 12. Diseño de la interfaz de USB y trasmisión en una vista real.

Concluyendo el diseño se realizo, como también el proceso de la realización de la placa, probándose cada una de ellas por separado, para observar su funcionamiento antes de ensamblar todo el control electrónico.

Después de probar cada una de las placas para checar su funcionamiento se continúo con el ensamblaje de las placas. En la fig. (13) se muestra el ensamblaje del receptor de radiofrecuencia y la etapa de amplificación con el PLC.

Fig. 13. Ensamblaje del control electrónico para manipular cada una de las acciones de la maquina.

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Se probó todo el control antes de conectar todos los actuadores en el PLC y observar todo el mecanismo completo.

IV. RESULTADOS

Gracias al software de simulación, compilación y diseño así como de los materiales utilizados se logro realizar un prototipo con calidad, eficacia y seguridad.

En la parte de seguridad se pudo manipular el prototipo a una distancia de 100m con esto se reduce la probabilidad que el personal sufra algún accidente.

El prototipo se realizo a bajo costo cumpliendo con los requerimientos especificados, su fácil diseño nos ayudo a una detección de fallas rápidamente, el mantenimiento es de bajo costo tanto en la parte electrónica, como mecánica.

Se logró que cada uno de los proceso fuera independiente, la parte electrónica se dividió en: interfaz, amplificación y automatización; y en la mecánica: cortado, trituración y separación, esto nos beneficia en el caso de que una parte fallara solo se daría mantenimiento a una sección del proceso, facilitando el detectar el problema, además con esto se reduce el costo del mantenimiento.

V. CONCLUSIONES

Los residuos al ser reciclados contribuyen al aislamiento de las mezclas químicas que contienen las pilas en su interior, así como también a la reutilización de los metales que tienen por cubierta las pilas, con toda esta acción preventiva se reducen los residuos dañinos para la naturaleza y el hombre. Se logro concientizar a los estudiantes de nuestro tecnológico al reciclaje de pilas por medio de una campaña ecológica, gracias a la fabricación de la maquina.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca por su disponibilidad de los laboratorios y aulas.

Al Ingeniero Carlos Juan de Dios García Padrón por apoyarnos y animarnos a realizar trabajos de investigación, igualmente al Ingeniero Enrique Pérez Razo por sus asesorías, comprensión y consejos para la elaboración del prototipo.

Noé Bonilla López

Presentación del proyecto “PET BELT SORTER” en expociencias estado de México 2011 en el área de mecatrónica, logrando una acreditación en expociencias nacional. Presentación de proyecto “PET BELT SORTER” en expociencias nacional 2012 realizado en el WORD TRADE CENTER.

Pasante de ingeniería en electrónica del noveno semestre en el Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca.

Oscar Arturo Sánchez Guerrero

Pasante de ingeniería en electrónica del noveno semestre en el Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca.

Rogelio Manuel Higuera González Presentación del proyecto “PET BELT SORTER” en expociencias estado de México 2011 en el área de mecatrónica, logrando una acreditación en expociencias nacional. Presentación de proyecto “PET BELT SORTER” en expociencias nacional 2012 realizado en el WORD TRADE CENTER.

Egresado del Colegio de Bachillerato Tecnológico “Leopoldo Rio de la Loza” como técnico en electrónica. Pasante de ingeniería en electrónica del noveno semestre en el Tecnológico de Estudios Superiores de Ixtapaluca.

Asesor

Ing. Enrique Pérez Razo

Egresado de la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán UNAM FESC como ingeniero mecánico eléctrico con especialidad en comunicaciones y electrónica 1994.

REFERENCIAS [1] W. Bolton, “Ingeniería de control”, Alfaomega, 2001, cap. 1,pp. 6, 7, 15.

[2] Katsuhiko Ogata, “Ingeniería de control moderna”, 2003, pp. 63, 64.

[3] García Breijo Eduardo, “Compilado C CCS y simulador proteus para microcontroladores PIC”, AlfaOmega, 2008, cap. 8, pp. 213.

[4] Lázaro Laporta Jorge, Miralles Aguiñiga Marcel, “fundamentos de telemática, 2005, pp. 78.

[5]Palacios Municio Enrique, Remiro Domínguez, López Pérez J. Lucas, “Microcontrolador PIC 16f84a Desarrollo de proyectos”, Alfaomega, 2004, cap. 2, pp. 11, 12.

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[6]W. Bolton, “Mecatrónica sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica”, Alfaomega, 2010, cap. 9, pp. 208, 209.

[7]Arturo Gavilán García, Leonora Rojas Bracho, Juan Barrera Cordero, “las pilas en México: un diagnostico ambiental (SEMARNAT, marzo 2009).

[8]José Castro Díaz, María Luz Díaz Arias, “gaceta ecológica INE- SEMARNAT México” cap. 3, pp. 53-74.

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