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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
AUTOMATIZACIÓN DE UN PROTOTIPO TIPO EVAPORADOR PARA LA OBTENCIÓN DE CONCENTRADO DE JUGO DE NARANJA
TESIS COLECTIVA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
P R E S E N T A N:
DARIO MARQUEZ LUIS ANGEL
DE LA FUENTE XOCHITIOTZIN BERNARDO ENCARNACIÓN BARRERA OSCAR DAVID
ASESORES:
ING. SOTO RAMÍREZ HUMBERTO M. en E. HURTADO RANGEL RICARDO
MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE DE 2015
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página I
Resumen México cuenta con una gran cantidad de pequeñas y medianas empresas, cada una
preocupada por crecer e incrementar sus ventas y presencia de mercado, invertir en el
desarrollo de tecnología es un gran paso para estas empresas.
En el sector alimentario como en otros se han desarrollado prototipos los cuales son el
resultado de experiencias e investigaciones, como lo es el caso del prototipo para la
obtención de concentrado de jugo de naranja tipo evaporador.
Una gran desventaja de este prototipo funciona de manera manual, es decir existen
operadores que trabajan al ritmo de la máquina, con lo cual se producen errores de
percepción, un producto no homogéneo en cada producción de lotes y un considerado
desgaste físico, de ahí surge la idea de saber que si el prototipo puede ser automatizado.
La empresa que desarrollo el prototipo buscó automatizarlo en el departamento de
Control y Automatización de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Zacatenco, dando la oportunidad a un grupo de trabajo de desarrollar el
proyecto.
Inicialmente se realizó una investigación para conocer las variables y condiciones
importantes del proceso, también se consultó con los operadores los pasos para la
operación del prototipo.
Posteriormente se propuso y desarrollo una estrategia de automatización que más se
adecuara al proceso. Una vez definida la propuesta de solución se realizó la selección de
equipo, dicha selección consideró: Electroválvulas, PLC, sensores de nivel, transmisores
de presión y temperatura, estos elementos fueron seleccionados de acuerdo a las
características que brindan y a las necesidades del prototipo.
A la postre se desarrolló la instalación e integración de los equipos, a la par se desarrolló
la lógica de funcionamiento del sistema, así como la programación requerida para
realizar las operaciones necesarias adecuadamente.
También se desarrolló una interfaz gráfica hombre maquina en el software empleado
para prototipos LabVIEW, en la cual se puede controlar y monitorear las variables
relevantes de proceso.
Una vez integrados todos los equipos y terminada la implementación se realizó la
primera corrida del sistema con parámetros establecidos anteriormente solo para
corroborar la funcionalidad del sistema, como resultado se obtuvo que la lógica de
funcionamiento era la adecuada.
La automatización busca estandarizar los productos y obtener consistencia en ellos, para
constatar que el producto que se obtuvo era el adecuado, se realizó una encuesta a
catadores, quienes probaron el producto de cinco lotes, con lo que se verificó que los
cinco lotes eran consistentes en sabor, acidez y color. Sin embargo también se propone
el uso de un refractografo para tener un resultado analítico de la concentración en grados
Brixs del jugo producido.
Finalmente se obtuvo como resultado que la propuesta desarrollada tiene la capacidad de
producir un jugo consistente, y ahora el operario del prototipo no realiza una actividad
física sino más bien una actividad de supervisión o no repetitiva, al mismo tiempo que
presenta flexibilidad para realizar un cambio o escalar el prototipo para producciones en
mayor cantidad.
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página II
Abstrac
Mexico has a large number of small and medium enterprises, each concerned with
growth and increase sales and market presence, investing in technology development is a
big step for these companies.
In the food sector and in other prototypes have been developed which are the result of
experience and research, as is the case of the prototype to obtain concentrated orange
juice type evaporator.
A great disadvantage of this prototype works manually, and there are operators working
pace of the machine, which misperception, an inhomogeneous product in each batch
production and considered physical wear occurs, there arises the idea of knowing that if
the prototype can be automated.
The company that developed the prototype automate sought in the Departamento de
Control y Automatización de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Zacatenco, giving the opportunity for a working group to develop the project.
Initially an investigation to determine the important variables and process conditions
was performed, operators were consulted steps for the operation of the prototype.
Subsequently proposed and developed a strategy automation more be aligned with the
process. Once the proposed solution defined team selection was made, the selection
considered: Solenoid, PLC, level sensors, pressure and temperature transmitters, these
items were selected according to the characteristics and provide the needs of the
prototype.
Eventually the installation and integration of equipment, along the logic of the system
was developed, as well as the programming required to perform the required operations
properly developed.
A machine man graphical interface software used for prototyping LabVIEW, which can
control and monitor relevant process variables are also developed.
Once all equipment and integrated implementation completed the first run of the system
was performed with parameters set forth above just to confirm the functionality of the
system, as a result it was found that the operating logic was flawed.
Automation aims to standardize products and get consistency in them, to make sure the
product obtained was right, a survey of tasters, who tested the product of five lots,
thereby verifying that the five lots were consistent was performed flavor, acid and color.
However, the use of a refractometer to have an analytical result of concentration in
degrees Brixs juice produced is also proposed.
Finally it resulted that the proposal has developed the ability to produce a consistent
juice, and now the operator does not perform the prototype but rather physical activity
monitoring activity or non-repeating, while having flexibility for a change or scale the
prototype to production in larger quantities
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página III
Índice General Resumen…………………………………………………………………………... I
Abstrac…………………………………………………………………………….. II
Índice general…………………………….….…………………………………..... III
Índice de figuras………………………………………….………..……………… VI
Índice de tablas…………………………………………………..………………... IX
Planteamiento del problema…………………………………………..................... XI
Hipótesis…………………………………………………………………………... XII
Objetivo general…………………………………………………………............... XIII
Objetivos particulares……………………………………………………………... XIV
Justificación……………………………………………………………………….. XV
Alcance…………………………………………………………………………..... XVI
Metodología……………………………………..………………………………… XVII
Introducción……………………………………………………………………….. XVIII
CAPÍTULO I Marco Teórico ............................................................................................ 1
1.1 Sistemas de producción de jugo de naranja ....................................................... 2
1.1.1 Flujo del proceso productivo y escalas de producción ................................ 2
1.1.2 Flujo del proceso de producción en una escala de pequeña empresa .......... 3
1.2 Manejo del jugo de naranja en la industria ........................................................ 7
1.2.1 Proceso de elaboración ................................................................................ 7
1.2.2 Propiedades y nutrientes del Zumo de naranja ............................................ 7
1.2.3 Métodos para elevar la concentración en el jugo de naranja ....................... 8
1.2.4 Comportamiento del jugo de naranja ante condiciones de vacío ................. 9
1.3 Líquidos Termolábiles ..................................................................................... 11
1.3.1 Manejo de líquidos termolábiles en la industria ........................................ 11
1.4 Evaporadores ................................................................................................... 11
1.4.1 Clasificación de Evaporadores ................................................................... 11
1.4.2 Evaporación a vacío ................................................................................... 16
1.5 Concepto de Automatización ........................................................................... 16
1.5.1 Tipos de Automatización ........................................................................... 17
1.6 Niveles de Automatización .............................................................................. 17
1.7 Control Automático ......................................................................................... 18
1.7.1 Control por retroalimentación .................................................................... 18
1.8 Controlador ...................................................................................................... 19
1.8.1 PLC ............................................................................................................ 20
1.8.2 Interfaz hombre máquina (HMI) ................................................................ 21
1.9 Instrumentación ............................................................................................... 25
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página IV
1.9.1 Elementos primarios de medición .............................................................. 25
1.9.2 Elementos secundarios de medición .......................................................... 27
1.9.3 Transmisores de Temperatura .................................................................... 27
1.9.4 Transmisores de presión ............................................................................ 28
1.10 Elementos finales de control ............................................................................ 28
1.10.1 Motores Eléctricos ..................................................................................... 28
1.10.2 Tipos de motores ........................................................................................ 29
1.10.3 Motores de corriente continúa ................................................................... 29
1.10.4 Motores de corriente alterna ...................................................................... 29
1.10.5 Motores trifásicos ...................................................................................... 31
1.10.6 Bombas de vacío ........................................................................................ 32
1.10.7 Calentadores eléctricos .............................................................................. 34
1.10.8 Válvulas de control .................................................................................... 34
1.11 Presión como variable de proceso ................................................................... 36
1.11.1 Presión absoluta ......................................................................................... 37
1.11.2 Presión de vacío ......................................................................................... 37
1.12 Temperatura como variable de proceso ........................................................... 37
1.12.1 Termopares ................................................................................................ 38
1.13 El nivel como variable de proceso ............................................................. 39
1.14 Control mediante HMI Labview ................................................................ 39
1.14.1 Comunicación OPC ................................................................................... 40
CAPÍTULO II Proceso actual y problemática ..................................................... 43
2.1 Proceso actual .................................................................................................. 44
2.1.1 Los evaporadores en la producción de concentrado de jugo ..................... 44
2.1.2 Etapas y componentes del prototipo. ......................................................... 45
2.2 Condiciones actuales del producto ................................................................. 48
2.2.1 Consistencia del producto final .................................................................. 48
2.2.2 Aceptación en el mercado .......................................................................... 50
2.3 Problemática del proceso actual ...................................................................... 51
2.3.1 Análisis de la problemática por diagrama de Causa-Efecto ...................... 51
2.3.2 Análisis atreves de la matriz FODA .......................................................... 52
2.4 Solución propuesta ........................................................................................... 53
2.4.1 Tipo de automatización a emplear ............................................................. 53
2.4.2 Propuesta de automatización ..................................................................... 54
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página V
CAPÍTULO III Selección de equipo ............................................................................... 59
3.1 Selección de equipo ......................................................................................... 60
3.1.1 Selección de bomba ................................................................................... 60
3.1.2 Selección de sensor de temperatura ........................................................... 61
3.1.3 Selección de transmisor de presión ............................................................ 63
3.1.4 Selección de electroválvulas ...................................................................... 64
3.1.5 Selección de sensores de nivel ................................................................... 65
3.1.6 Selección de PLC ....................................................................................... 66
3.1.7 Selección de software para HMI ................................................................ 68
CAPÍTULO IV Desarrollo de ingeniería ......................................................................... 69
4.1 Representación tridimensional del prototipo ................................................... 70
4.1.1 Diagrama de tubería e instrumentación ..................................................... 75
4.1.2 Diagrama de estado tiempo ........................................................................ 79
4.2 Integración ....................................................................................................... 80
4.2.1 Construcción e instalación de sensores de nivel ........................................ 80
4.2.2 Diagramas eléctricos de fuerza y control ................................................... 82
4.2.3 Instalación de electroválvulas .................................................................... 87
4.2.4 Construcción e instalación del tablero de control ...................................... 88
4.2.5 Conexión de los motores eléctricos ........................................................... 90
4.2.6 Sistema de resistencias calefactoras .......................................................... 91
4.2.7 Instalación del termopar ............................................................................. 92
4.2.8 Instalación del transmisor de presión ......................................................... 94
4.2.9 Conexiones del PLC .................................................................................. 96
4.3 Estrategias de control ....................................................................................... 98
4.3.1 Control de Temperatura ............................................................................. 98
4.3.2 Control de Presión ..................................................................................... 99
4.3.3 Control de nivel ......................................................................................... 99
4.4 Desarrollo de programación e interfaz grafica .............................................. 100
4.4.1 Comunicación y Programación en RS Logix 500 ................................... 100
4.4.2 Desarrollo de HMI en LabVIEW ............................................................. 111
CAPÍTULO V Puesta en marcha y ajuste de sistema .................................................... 116
5.1 Puesta en marcha del Sistema. ....................................................................... 117
5.1.1 Pruebas de comunicación. ........................................................................ 117
5.1.2 Pruebas de comunicación entre la HMI y el programa ............................ 118
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página VI
5.1.3 Monitoreo de las variables de proceso sin insumo alimenticio. .............. 119
5.1.4 Prueba de funcionamiento de la HMI. ..................................................... 120
5.1.5 Prueba de funcionamiento del tablero de control. ................................... 121
5.2 Pruebas y Resultados ..................................................................................... 121
5.2.1 Obtención del Primer lote. ....................................................................... 121
5.2.2 Medición cualitativa del producto obtenido. ........................................... 122
5.3 Ajuste de parámetros de control .................................................................... 124
5.3.1 Obtención de los cinco lotes para su análisis con los parámetros ajustados.
125
5.4 Costos de proyecto ......................................................................................... 127
5.5 Tiempo de operación ..................................................................................... 128
CAPÍTULO VI Conclusiones ........................................................................................ 130
Conclusiones .............................................................................................................. 131
Recomendaciones y trabajos a futuro ........................................................................ 132
Referencias ..................................................................................................................... 133
Glosario .......................................................................................................................... 135
Anexos ........................................................................................................................... 137
A.-Manual de Operación. ............................................................................................... 139
B.-Manual de Mantenimiento ........................................................................................ 149
Índice de figuras Figura 1. 1 Diagrama de flujo de proceso de producción de jugo de naranja .................. 3
Figura 1. 2 Prensa de gusano ............................................................................................. 4 Figura 1. 3 Separador centrífugo ....................................................................................... 5 Figura 1. 4 Evaporador concentrador a vacío .................................................................... 9
Figura 1. 5 Evaporador de tubos horizontales ................................................................. 12 Figura 1. 6 Evaporador de alimentación directa .............................................................. 12 Figura 1. 7 Evaporador de alimentación a contracorriente .............................................. 13 Figura 1. 8 Evaporador de alimentación mixta ................................................................ 13
Figura 1. 9 Evaporador de alimentación en parelelo ....................................................... 14
Figura 1. 10 Evaporador de tubos verticales. ................................................................... 14
Figura 1. 11 Evaporador de cesta ..................................................................................... 15 Figura 1. 12 Clasificación de evaporadores ..................................................................... 15 Figura 1. 13 Lazo Cerrado de Control ............................................................................. 19 Figura 1. 14 PLC Micrologix 1000 .................................................................................. 20 Figura 1. 15 PLC Nano TSX-NANO ............................................................................... 20
Figura 1. 16 PLC Compacto MELSEC ........................................................................... 21 Figura 1. 17 Estructura general del software HMI .......................................................... 22 Figura 1. 18 Estructura general del software HMI .......................................................... 23
Figura 1. 19 Estructura general del software HMI ......................................................... 25
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página VII
Figura 1. 20 Medidor analógico de presión con diafragma ............................................. 26 Figura 1. 21 Sensor magnético y símbolo........................................................................ 27
Figura 1. 22 Transmisor de temperatura .......................................................................... 28 Figura 1. 23 Motor eléctrico WEG .................................................................................. 29 Figura 1. 24 Rotor jaula de ardilla ................................................................................... 30 Figura 1. 25 Motor trifásico inducción tipo jaula de ardilla ............................................ 31 Figura 1. 26 Conexión delta y conexión estrella ............................................................. 31
Figura 1. 27 Bomba de vacío (funcionamiento) .............................................................. 32 Figura 1. 28 Bomba de vacío de pistón oscilante ............................................................ 33 Figura 1. 29 Válvula de Control Típica ........................................................................... 35 Figura 1. 30 Diagrama de presiones ................................................................................ 36 Figura 1. 31 Servidor OPC del software RSLinx ............................................................ 40
Figura 1. 32 Estructura OPC Server ................................................................................ 42
Figura 2. 1 Operación general de evaporadores .............................................................. 45
Figura 2. 2 Llenado manual de evaporador ..................................................................... 45
Figura 2. 3 Generación de vacío mediante interruptor manual ........................................ 46 Figura 2. 4 Aumento de temperatura de la materia prima ............................................... 47
Figura 2. 5 Extracción manual de concentrado ................................................................ 48 Figura 2. 6 Encuesta consistencia entre degustaciones .................................................... 49 Figura 2. 7 Encuesta variación entre degustaciones ........................................................ 49
Figura 2. 8 Encuesta percepción de origen de degustaciones .......................................... 50 Figura 2. 9 Encuesta percepción de la calidad del producto ............................................ 50
Figura 2. 10 Encuesta adquisición del producto .............................................................. 51 Figura 2. 11 Diagrama de causa y efecto de la problemática del evaporador ................. 52
Figura 2. 122 Análisis de la problemática mediante matriz FODA ................................. 53 Figura 2. 13 Propuesta de automatización de acuerdo a elementos y etapas ................... 57
Figura 2. 14 Propuesta de automatización de acuerdo a su integración .......................... 58
Figura 3. 1 Bomba A.M.P. QB-60 .................................................................................. 60
Figura 3. 2 Termopar tipo K ............................................................................................ 62 Figura 3. 3 Transmisor de presión Cerabar T PMC131 .................................................. 64
Figura 3. 4 Electroválvula para proceso ......................................................................... 65 Figura 3. 5 Diseño de sensor de nivel .............................................................................. 66 Figura 3. 6 Sensor de nivel fabricado ............................................................................. 66 Figura 3. 7 PLC seleccionado ......................................................................................... 67 Figura 3. 8 LabVIEW ...................................................................................................... 68
Figura 4. 1 Representación isométrica del prototipo ....................................................... 70
Figura 4. 2 Ubicación de bomba ...................................................................................... 71 Figura 4. 3 Ubicación de electroválvulas ......................................................................... 71 Figura 4. 4 Ubicación de transmisor ................................................................................ 72 Figura 4. 5 Ubicación de calentadores de resistencia ...................................................... 72 Figura 4. 6 Ubicación de termopar .................................................................................. 73
Figura 4. 7 Ubicación de sensores de nivel ..................................................................... 73 Figura 4. 8 Ubicación de compresor ................................................................................ 74 Figura 4. 9 Ubicación de Tablero de control ................................................................... 74
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página VIII
Figura 4. 10 Banco de relevadores-contactores ............................................................... 75 Figura 4. 11 Clemas de conexión ..................................................................................... 75
Figura 4. 12 Diagrama de tubería e instrumentación ....................................................... 76 Figura 4. 13 Diagrama estado – tiempo ........................................................................... 80 Figura 4. 14 Conexión y funcionamiento de un interruptor magnético ........................... 81 Figura 4. 15 Sistema de Flotador ..................................................................................... 81 Figura 4. 16 Sistema de Flotador Instalación Física ........................................................ 82
Figura 4. 17 Diagrama de fuerza 1 Sistema Europeo (Motores y resistencias) ............... 83 Figura 4. 18 Diagrama de fuerza 2 Sistema Europeo (Electroválvulas) ......................... 84 Figura 4. 19 Diagrama de lámparas piloto Sistema Europeo .......................................... 85 Figura 4. 20 Clemas de alimentación ............................................................................... 85 Figura 4. 21 Conexiones físicas de los relevadores ......................................................... 86
Figura 4. 22 Conexiones de los relevadores .................................................................... 86 Figura 4. 23 Clemas de control ........................................................................................ 86 Figura 4. 24 Colocación de Electroválvula SD en la tubería ........................................... 87
Figura 4. 25 Distribución de los elementos en el tablero de operación .......................... 88
Figura 4. 26 Conexiones eléctricas del tablero de operación .......................................... 89 Figura 4. 27a Fotografía del tablero de operación instalado y conectado [Vista Frontal]
......................................................................................................................................... 90 Figura 4. 28 Caja de conexiones de motor trifásico ........................................................ 91 Figura 4. 29 Caja de conexiones del compresor .............................................................. 91
Figura 4. 30 Resistencias calefactoras ............................................................................. 92 Figura 4. 31 Instalación del termopar .............................................................................. 92
Figura 4. 32 Diagrama de AD595 .................................................................................... 93 Figura 4. 33 Conexiones del AD595 ............................................................................... 93
Figura 4. 34 Conexiones físicas del AD595 .................................................................... 94 Figura 4. 35 Instalación del transmisor de presión absoluta ............................................ 94
Figura 4. 36 Conexión del transmisor de presión absoluta .............................................. 95 Figura 4. 37 Conexiones de los relevadores .................................................................... 97 Figura 4. 38 Instalación y conexión del PLC ................................................................... 97
Figura 4. 39 Diagrama de bloques del lazo de control de temperatura ........................... 98 Figura 4. 40 Diagrama de bloques del lazo de control de presión ................................... 99
Figura 4. 41 Diagrama de bloques del lazo de control de nivel ....................................... 99 Figura 4. 42 Asignación de IP ....................................................................................... 100 Figura 4. 43 RSlinx ventana de configuración de drivers .............................................. 101 Figura 4. 44 Configuración de drivers ........................................................................... 102 Figura 4. 45 Asignación de IP ....................................................................................... 102
Figura 4. 46 Comunicaciones establecidas .................................................................... 103 Figura 4. 47 Asignación de IP a PLC ............................................................................ 100
Figura 4. 48 RsLogix 500, selección de PLC ................................................................ 104 Figura 4. 49 Ambiente de trabajo para programación ................................................... 104 Figura 4. 50 Diagrama GRAFCET ................................................................................ 105 Figura 4. 51 Botones de selección de operación ........................................................... 106 Figura 4. 52 Arranque de operación manual .................................................................. 106
Figura 4. 53 Etapa de llenado ........................................................................................ 106 Figura 4. 54 Programa para la etapa de evaporado ........................................................ 107 Figura 4. 55 Etapa de vaciado ........................................................................................ 108
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página IX
Figura 4. 56 Accionamiento automático ........................................................................ 108 Figura 4. 57 Etapa de llenado automático ..................................................................... 108
Figura 4. 58 Etapa de evaporación automática ............................................................. 109 Figura 4. 59 Etapa de vaciado automático ..................................................................... 110 Figura 4. 60 Salidas y Etapas ........................................................................................ 110 Figura 4. 61 Bosquejo representativo. ........................................................................... 111 Figura 4. 62 Archivo de control en LabVIEW .............................................................. 112
Figura 4. 63 Archivo de control (ambiente de trabajo) .................................................. 112 Figura 4. 64 Archivo de control (elementos a editar) .................................................... 113 Figura 4. 65 Edición de componentes en LabVIEW ..................................................... 113 Figura 4. 66 Edición de componentes ............................................................................ 114 Figura 4. 67 Componente editado .................................................................................. 114
Figura 4. 68 Interfaz Hombre Maquina propuesta ......................................................... 115
Figura 5. 1 Continuidad de las conexiones. ................................................................... 117
Figura 5. 2 Asignación de IP a la PC. ............................................................................ 117
Figura 5. 3 Árbol de comunicación en RSLinx. ............................................................ 118 Figura 5. 4 Selección del OPC. ...................................................................................... 118
Figura 5. 5 Etiqueta en LabVIEW para algún elemento. ............................................... 118 Figura 5. 6 Lectura del termopar. .................................................................................. 119 Figura 5. 7 Señales analógicas en RSLogix 500. ........................................................... 119
Figura 5. 8 Variables en la HMI. ................................................................................... 120 Figura 5. 9 Etapa de llenado. ......................................................................................... 120
Figura 5. 10 Tablero de control ..................................................................................... 121 Figura 5. 11 Parámetros establecidos en la HMI. .......................................................... 122
Figura 5. 12 Funcionamiento del prototipo. .................................................................. 122 Figura 5. 13 Cualidades del producto anterior. .............................................................. 123
Figura 5. 14 Cualidades del producto del primer lote. ................................................... 124 Figura 5. 15 HMI con ajuste de variables. ..................................................................... 124 Figura 5. 16 Prototipo y jugo. ........................................................................................ 125
Figura 5. 17 Cualidades del producto de los 5 lotes. ..................................................... 126 Figura 5. 18 Comparación graficas de las figuras 5.14 y 5.17. ..................................... 126
Índice de tablas Tabla 1. 1 Escalas de Producción ...................................................................................... 2 Tabla 1. 2 Información nutricional del zumo de naranja ................................................... 8
Tabla 1. 3 Pérdidas de ácido ascórbico en vegetales cocidos por diferentes métodos .... 10 Tabla 1. 4 Dispositivos Industriales de medición de temperatura. .................................. 26
Tabla 2. 1 Evaporadores y sus sustancias de trabajo ....................................................... 44
Tabla 2. 2 Ventajas y desventajas de tipos de automatización ........................................ 54
Tabla 3. 1 Selección de bomba centrifuga ....................................................................... 60 Tabla 3. 2 Tipos de termopar y sus características……………………………………61 Tabla 3. 3 Comparación entre transmisores de presión ................................................... 63
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página X
Tabla 3. 4 Comparación entre electroválvulas ................................................................ 64 Tabla 3. 5 Comparación entre sensores de nivel ............................................................. 65
Tabla 3. 6 Comparación de PLC ...................................................................................... 67
Tabla 4. 1 Descripciones de etiquetas y elementos del sistema ....................................... 77 Tabla 4. 2 Lista de entradas ............................................................................................. 96 Tabla 4. 3 Lista de salida ................................................................................................. 96
Tabla 5. 1 Estudio del producto ..................................................................................... 123 Tabla 5. 2 Estudio del producto del primer lote ............................................................ 123 Tabla 5. 3 Estudio del producto obtenido en los 5 lotes ................................................ 125 Tabla 5. 4 Costos de equipos seleccionados .................................................................. 127
Tabla 5. 5 Costos de mano de obra ................................................................................ 127 Tabla 5. 6 Costos secundarios ........................................................................................ 128 Tabla 5. 7 Tiempos de operación ................................................................................... 129
Tabla A. 1 Unidades de presión y sus factores de conversión ....................................... 137
Figura A. 1 Simbología GRAFCET .............................................................................. 137 Figura A. 2 Simbología empleada ISA .......................................................................... 138 Figura A. 3 Simbología Eléctrica Empleada del Sistema Europeo ............................... 138
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página XI
Planteamiento del problema
México a nivel mundial es uno de los grandes productores de jugo de naranja ya que en
el país se cosecha esta fruta en grandes cantidades, por lo cual en los últimos años su
producción se ha incrementado a más del doble, esto se puede constatar ya que en el año
2009 la exportación de este producto alcanzó la cantidad de 86.1 millones de litros
mientras que en el mismo año la importación logró alcanzar los 3.8 millones de litros.
A diferencia de las importaciones, la mayor parte del jugo de naranja que nuestro país
exporta es la presentación congelada, en el año 2009 el congelado represento el 85.9%
de las exportaciones totales, por lo cual en el mismo año Estados Unidos adquirió el
71.7% de la exportaciones nacionales. La exportación de dicho producto ha tomado gran
interés en los productores nacionales, los cuales han comenzado a producir concentrado
de jugo de naranja el cual puede ser embazado, congelado, empaquetado etc. Con lo cual
se mantiene las propiedades del jugo y se facilita su transporte, dando como resultado la
incorporación en nuevos mercados, tomando en cuenta que en la actualidad la sociedad
mexicana ha comenzado a migrar de consumir jugo de naranja en fresco a la adquisición
de jugos embotellados debido a la practicidad e higiene. La frase popular que dice "no
hay como un jugo hecho en casa" empieza a perder vigencia en los consumidores
mexicanos con la amplia variedad de jugos envasados y concentrados que se venden en
supermercados, tiendas y quioscos.
La mayoría de los productores nacionales son pequeñas o medianas empresas las cuales
tienen la intención de expandir su mercado a través de la producción de concentrado de
jugo de naranja, debido a que este tipo de producto ha comenzado a tener gran
aceptación en el extranjero como en la sociedad mexicana, pero al no contar con los
recursos económicos necesarios, dichas empresas han comenzado a diseñar y producir
su propia tecnología para la obtención de este producto, ya que dicha tecnología opera
de forma manual dando como resultado una producción no consistente en tiempos de
fabricación y en un producto sin ningún estándar de calidad.
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Hipótesis
Con la implementación de la automatización en el prototipo evaporador concentrador a
vacío, es posible que tanto el proceso de manufactura, como la calidad del producto sean
beneficiados, pudiendo reducir tiempos de producción, aumentando la cantidad de
producción y en dado caso poder obtener un producto homogéneo, es posible que la
intervención humana se vea drásticamente reducida.
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Objetivo general
Automatizar un prototipo evaporador de vacío, para la obtención de concentrado de jugo
de naranja, proponiendo la integración de las estrategias y elementos necesarios para la
manipulación de temperatura, flujo y presión, así como el desarrollo de un HMI para la
gestión y elaboración de un producto homogéneo.
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Objetivos particulares
1. Seleccionar los elementos necesarios para la automatización y control de las
variables de proceso, de acuerdo a los parámetros de operación.
2. Implementar la estrategia de automatización que más se adecue al proceso.
3. Manipular y monitorear el proceso a través de una HMI.
4. Eficientar los tiempos de fabricación del producto.
5. Minimizar la participación o intervención humana en el proceso de
elaboración del concentrado.
6. Estandarizar la consistencia del producto en todos los lotes de producción con
parámetros semejantes.
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Justificación
Debido a la gran competencia del mercado en producción de concentrados de jugos las
empresas han optado por diseñar sus tecnologías de obtención del producto; para
aumentar la producción, disminuir los costos y así poder verse beneficiadas en el ámbito
económico, ya que mediante estudios pertinentes realizados por las mismas empresas
han comprobado que la construcción de estos equipos es mucho más barato que la
adquisición de uno comercial debido a la innovación que estos presentan en el ámbito
mencionado.
Entonces es necesario ofrecer un producto de calidad para incursionar en el mercado,
para ello se pretende automatizar este proceso existente con el fin de que sea más
sencillo para el hombre, ya que actualmente es operado de forma manual y el producto
final presenta desvíos en sus características. Además que los costos para la
implementación serán severamente inferiores a los necesarios para adquirir un producto
del mercado con funciones y características semejantes.
Esto impactara directamente en la manufactura y los ingresos económicos, ya que la
producción aumentara utilizando menos recursos humanos lo cual beneficiara a los
trabajadores no exponiéndolos al peligro tomando en cuenta que al mismo tiempo se
proporcionara al consumidor un producto de buena calidad para satisfacer su necesidad.
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Alcance
En el presente trabajo se pretende mejorar la forma de operar de un prototipo evaporador
concentrador a vacío utilizado por una fábrica para la obtención de concentrado de jugo
de naranja, identificando los recursos tecnológicos necesarios para la implementación.
De igual forma se identificaran los aumentos en la producción y calidad del producto al
concluir el trabajo.
Para el desarrollo de esta propuesta de implementación existe un prototipo diseñado por
una empresa, en el cual se tendrán que identificar los elementos y estrategias para que su
operación sea de forma autónoma, es decir hacerlo más sencillo para el hombre además
de realizar un producto homogéneo.
Este trabajo pretende generar cambios notorios en dos importantes ámbitos, el primero
en la manufactura y el segundo en la calidad del producto. La manufactura se verá
afectada de forma positiva en lo posible reflejando las ventajas de integrar las
herramientas seleccionadas mediante una comparativa (antes-después) de tiempos de
producción, cantidad producida, etc. y la calidad del producto mejorara con respecto a
la que hoy día se tiene ya que se han registrado desvíos en las características del
producto final es decir no presenta homogeneidad en su fabricación.
Cabe mencionar que el trabajo solo se enfocara en el prototipo propuesto y si en un
futuro se quisiera llevar a un plano más complejo y de mayor envergadura se tendría que
hacer los estudios pertinentes para ver su viabilidad en esos términos.
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Metodología
El propósito del trabajo de tesis es llegar a la formulación técnica y al desarrollo de una
nueva forma de operar de un prototipo utilizado para la obtención de concentrado de
jugo tipo evaporador.
Considerando las características de operación anteriores en este proceso los métodos
empíricos, estadísticos y teóricos desempeñan un papel importante en la investigación de
la solución.
Los métodos empíricos permitieron la obtención de datos de los hechos fundamentales
que caracterizan al proceso esto mediante la observación, medición y experimentación,
llevado a cabo por el personal encargado del proceso. Además para el análisis la
metodología más apropiada y conducente consiste en la aplicación de una estrategia de
estudio de carácter cualitativo, basada en la realización de encuestas y test a los
consumidores del producto. Los resultados nos auxiliaran a sustentar la propuesta en
datos concretos que provendrán de las respuestas obtenidas; mismas que a su vez nos
permitirán analizar variables indispensables para identificar las percepciones,
inquietudes y preferencias de los consumidores sobre el producto.
Finalmente el análisis de los datos que surjan a partir de la aplicación del estudio y las
conclusiones que resulten de este proceso establecerán el fundamento a partir del cual
podremos tener la certeza de que si se llegara a materializar la realización y producción
que estamos planteando, para la solución del problema, sería un respuesta exitoso puesto
que respondería a las expectativas y los gustos de su audiencia objetiva.
Es decir se identificaría el principal problema a solucionar, el cual sería el que tenga
mayor repercusión ya que si se soluciona este estaremos encontrando la respuesta a gran
parte de la inquietud, esto mediante algunos métodos teóricos que nos permitirán la
construcción y desarrollo de la teoría científica, en el enfoque general para abordar los
problemas de la ciencia. En los métodos teóricos, el análisis nos permitió descomponer
en diversas partes el proceso para así poderlo abordar desde diferentes aspectos para
después realizar la síntesis, es decir la unión entre partes, para así dar origen a una
hipótesis mediante la deducción.
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Introducción
La presente tesis es un trabajo que tiene por objetivo automatizar un prototipo para
producción de concentrado de jugo tipo evaporador, el cual ha sido operado de forma
manual durante algunos años. La preocupación por mejorar la producción en cuestiones
de calidad y tiempo de la misma, nos obliga a reflexionar acerca de la enseñanza del área
Físico – Matemático para hacer uso estas en la realización del trabajo.
Los datos se obtuvieron de: el prototipo y de los conocimientos empíricos de los
operadores. Desafortunadamente, las investigaciones que existen al respecto son poco
difundidas y no permean la práctica. Por ello este trabajo trata de proponer una nueva
forma de producción, bajo una línea mejorada, donde el producto final y el proceso de
producción se optimicen de forma positiva con respecto a las características que se
tenían en este proceso antes de la elaboración de este trabajo.
En el nuevo contexto de producción, la automatización ha pasado a formar una materia
prioritaria para dicho sector debido a las demandas de los diferentes productos, esto
relacionado con el aumento de calidad y productividad al hacer uso de esta materia en
los últimos años.
Por ello, los objetivos que se persiguen con este trabajo son:
Mejorar la forma de producción.
Aumentar la calidad del producto.
Obtener un proceso seguro.
Este trabajo presenta los siguientes capítulos:
En el capítulo I se abordan los aspectos teóricos relacionados a las bases de la
automatización, es decir desde lo elementos primarios hasta la HMI; así como los
sistemas de producción de jugo de naranja, tipos de evaporadores y las variables
involucradas en el proceso.
En el capítulo II se abordan los aspectos del proceso actual, es decir la descripción del
mismo así como la problemática que presenta.
En el capítulo III se presenta la selección de equipo a usarse debido a los parámetros que
presentan el proceso, es decir desde los elementos primarios hasta los software a ser
empleados en su automatización del proceso.
En el capítulo IV se aborda el desarrollo de ingeniería básica y de detalle, mostrando el
diagrama de tubería e instrumentación del proceso, así como la metodología empleada
para la elaboración de la programación y de la HMI. Asimismo la instalación de todos
los dispositivos a emplear con sus respectivas estrategias de control.
En el capítulo V que es el penúltimo de esta tesis se puede ver los resultados obtenidos
del trabajo mediante la puesta en marcha del prototipo, ya con la automatización
implementada en el mismo y los ajustes de los parámetros definidos, así mismo la
evaluación de los productos obtenidos mediantes sus características cualitativas.
En el capítulo VI finalmente se dan las conclusiones del trabajo así como algunas
recomendaciones aplicables a este trabajo en un futuro.
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CAPÍTULO I
Marco Teórico
En el presente capitulo se abordan conceptos relacionados con la producción de
concentrado de jugo de naranja así como de los elementos necesarios para desarrollar
una propuesta de automatización para el sistema artesanal.
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1.1 Sistemas de producción de jugo de naranja La producción de concentrado de pulpa es un proceso empleado por empresas líderes de
mercado como Grupo Jumex, Grupo Herdez, Jugos Del Vale, TetraPack entre otros
cuentan con un sistema de producción de gran capacidad, podemos encontrar cantidad
de procesos como numero de fabricantes existen, sin embargo cada empresa sigue una
línea para la producción del concentrado.
La Secretaria de Economía a través del Instituto Nacional del Emprendedor pública en
su portal Guías Empresariales procesos de producción que están estandarizados para
pequeñas y medianas empresas, a continuación se menciona el flujo proceso tomado del
portal para la producción de jugo de naranja.
1.1.1 Flujo del proceso productivo y escalas de producción
La elaboración de jugos es similar para las diferentes variedades de frutas y verduras ya
que los procesos productivos tienen las mismas características comunes.
Así mismo se pueden obtener subproductos de las cáscaras, pulpas, huesos, como son:
aceites, forrajes y esencias [1].
Las escalas posibles de producción que se pueden se muestran en la tabla 1.1.
Tabla 1. 1 Escalas de Producción
Escala (rango de producción)
Microempresa/artesanal De 20 a 500 Litros / Día
Pequeña empresa De 500 a 3,000 Litros / Día
Mediana empresa De 3,000 a 10,000 Litros / Día
Gran empresa Más de 10,000 Litros / Día
En cuanto al grado de actualización tecnológica se destaca lo siguiente:
Microempresa/artesanal:
Se puede considerar a un puesto de jugos ubicado en la calle como una Microempresa,
aunque su volumen de producción es muy reducido y sin tecnología.
Pequeña empresa:
En este tipo de industrias y con la tecnología moderna se aprovecha casi la totalidad de
la naranja obteniéndose subproductos derivados de huesos, cáscaras y pulpa, los cuales
tienen usos como los siguientes [1]:
- El bagazo y la pulpa seca se utiliza como alimento para ganado.
- La pectina es un producto valioso en la industria alimenticia principalmente para
preparar jaleas.
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- Aceite, se utiliza en la industria de aromas y sabores mediante un proceso de
refinación para producir aceite esencial; se utiliza en la industria perfumera y en
menor escala en la medicinal.
1.1.2 Flujo del proceso de producción en una escala de pequeña
empresa El proceso desde la recepción y almacenamiento de materia prima, incluyendo la
inspección de contenidos y el control de calidad, hasta llegar por el transporte al
almacenaje y almacenaje del producto terminado, se muestra en el diagrama de flujo de
la figura 1.1.
Figura 1. 1 Diagrama de flujo de proceso de producción de jugo de naranja
1.- Recepcion y almacenamiento de
materia prima
2.- Inspeccion y transporte al area de
lavado3.- Lavado
4.- Cepillado5.- Transporte
al área de extracción
6.- Extracción7.- Refinado
8.-Clasificación
9.- Inspección de contenidos
10.-Corrección
11.-Transporte al
sistema de Desaireación
12.-Desaireación
13.- Envasado
14.-Transporte al
area de esterilización
15.-Esterilización
16.-Transporte al
area de enfriamiento
17.-Enfriamiento
18.- Transporte al area de etiquetado y
empaque
19.Etiquetado y empaque
20.-Transporte al almacen de producto
terminado
21.- Almacenaje de producto
terminado
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1. Recepción y almacenamiento de materia prima.- Por lo general la naranja es
transportada a granel (su consistencia lo permite). Hay que evitar golpear las
naranjas ya que fácilmente se estropearían por la zona del golpe si estuviesen
almacenadas algunos días. El almacenamiento de la naranja deber hacerse en un
lugar fresco de humedad media, de forma que no gravite mucho peso sobre el fruto.
2. Inspección y transporte al área de lavado.- Transporte de la naranja al área de
lavado mediante una banda transportadora. Durante el recorrido de la fruta por la
banda transportadora se realiza una inspección visual, desechando las naranjas que
no llenan los requisitos para su industrialización (que estén sobre maduras,
golpeadas o que tengan algún otro defecto).
3. Lavado.- La banda lleva a la naranja a la primera operación de lavado, a un
tanque con agua que está recibiendo chorros de agua a presión desde diferentes
ángulos. Este lavado es importante para eliminar agentes extraños y otros de
microorganismos.
4. Cepillado.- Un transportador pasa la fruta a la segunda sección de lavado, donde
se pasa sobre un tren de cepillos con regadera de agua sobre ellos, con el objeto de
terminar la limpieza de la superficie de la fruta.
5. Transporte al área de extracción.- Transporte de la naranja al área de exprimido
mediante un transportador helicoidal.
6. Extracción.- La naranja es llevada a unos extractores (figura 1.2) o prensas de
gusano helicoidal en forma de conos de bronce con paredes perforadas por donde
escurre el jugo. Al ir disminuyendo el volumen de cono, la fruta va siendo
comprimida, aplastándola completamente para obligar a romper las celdillas que
contienen el jugo de la naranja, la cáscara, hueso y la pulpa salen por el diámetro
reducido del cono, pasando a un extractor el cual separa el aceite contenido en ellas.
Figura 1. 2 Prensa de gusano
Foto tomada del Instituto Nacional del Emprendedor, Secretaria de Economía [1]
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El aceite es de los subproductos más importantes por lo que debe separarse de las
partículas sólidas, que contaminan dicho producto, para esto se utiliza una máquina
separadora centrífuga.
Los aceites esenciales, la pulpa y las cáscaras se utilizan para fabricar esencias,
mermeladas y alimento para ganado.
Figura 1. 3 Separador centrífugo
Foto tomada del Instituto Nacional del Emprendedor, Secretaria de Economía [1]
7. Refinado.- El jugo obtenido en el extractor se bombea hacia un refinador donde
se separa el bagacillo y la semilla que pudo haber arrastrado el jugo. La refinación se
puede realizar con una máquina tamizadora.
8. Clasificación.- El jugo refinado es impulsado por una bomba hacia un clasificador
con el fin de retirar sedimentos finos que no pudieran haber sido separados con
anterioridad, los cuales ocasionarían incrustaciones en el equipo posterior.
9. Inspección de contenidos y control de calidad.- En esta actividad se verifican
los contenidos de azúcar y ácidos del jugo.
10. Ajuste o corrección.- El jugo clasificado es impulsado por medio de una bomba
al interior de unos tanques de corrección que se utilizan para regular las variaciones
de azúcar y ácidos contenidas en el jugo así como para mezclar los conservadores
requeridos, siendo los más usuales entre otros benzoato de sodio, sulfito y bisulfito
de sodio, así como anhídrido sulfuroso.
11. Transporte al sistema de desaireación.- Se transporta por medio de una bomba
y a través de un enfriador.
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12. Enfriador y desaireación.- El objeto de que el jugo pase a través de un
enfriador es para alimentar dicho jugo al sistema desaireador a una temperatura
adecuada.
Debido a que todos los jugos extraídos contienen considerables cantidades de aire (el
oxígeno del cual reacciona particularmente con el ácido ascórbico del jugo) lo que
resulta en una pérdida de vitamina C y en cambios indeseables en el sabor y color.
La desaireación significa la extracción más efectiva del aire y demás gases
contenidos en los jugos. Esta es una operación muy importante cuando los jugos
deben someterse a tratamientos térmicos como la pasteurización, ya que la
combinación de aire y calor constituye la condición más adecuada y favorable para
la oxidación de los jugos. El mejor método de desaireación es la llevada al vacío, es
decir el jugo es admitido en forma de una película dentro de una cámara en la que
reina un alto vacío. El jugo frío entra en el desaireador mediante el vacío en la
cámara creado y mantenido por una bomba de alto vacío.
13. Envase.- Inmediatamente después del proceso de deareación el producto es
envasado automáticamente mediante una máquina envasadora conectada al
deareador. Posteriormente se cierra el envase.
14. Transporte al área de pasteurización.- Transporte del producto al proceso de
pasteurización.
15. Pasteurización.- La pasteurización se realiza por medio de un autoclave donde
es introducido el producto. La pasteurización se realiza a altas temperaturas en corto
tiempo, estas temperaturas inactivan las enzimas y retienen su acción aún en los
tiempos más cortos de residencia.
16. Transporte al área de enfriamiento.- El producto se transporta al área de
enfriado por medio de una banda transportadora.
17. Enfriado.- El producto es llevado al área de enfriado para que éste baje su
temperatura a temperatura ambiente para facilitar su manejo y empaque final. El
enfriado se realiza rociándole agua al producto o sumergiéndolo en ella.
18. Transporte al área de etiquetado y empaquetado.- El producto se transporta
por medio de un montacargas, al área de etiquetado y empaquetado.
19. Etiquetado y empaquetado.- En esta área el producto es etiquetado (por medio
de una etiquetadora) y empacado en cajas de cartón.
20. Transporte al almacén o producto terminado.- El producto final se transporta
por medio de diablos o montacargas al almacén de producto terminado.
21. Almacenaje del producto terminado.- En este punto el producto terminado es
almacenado quedando listo para su distribución.
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1.2 Manejo del jugo de naranja en la industria
LA NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-120-SSA1-1994, BIENES Y SERVICIOS.
PRÁCTICAS DE HIGIENE Y SANIDAD PARA EL PROCESO DE ALIMENTOS,
BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS Y ALCOHÓLICAS. Se habla sobre las
especificaciones y las medidas a tomar para con los productos alimenticios, en la sección
10.2 se tiene:
1.2.1 Proceso de elaboración
En la elaboración de productos se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones
[2]:
Seguir los procedimientos dados en los manuales de proceso como son: orden de
adición de componentes, tiempos de mezclado, agitación y otros parámetros de
proceso y registrar su realización en bitácoras.
Las áreas de fabricación deben estar limpias y libres de materiales extraños al
proceso.
Durante la fabricación de productos, se debe cuidar que la limpieza realizada no
genere polvo ni salpicaduras de agua que puedan contaminar los productos.
Todas las materias primas o productos en proceso, que se encuentren en
tambores y cuñetes deben estar tapados y las bolsas mantenerse cerradas, para
evitar su posible contaminación por el ambiente.
Se debe evitar la contaminación con materiales extraños (polvo, agua, grasas,
etc.), que vengan adheridos a los empaques de los insumos que entran a las áreas
de producción.
Todos los insumos, en cualquier operación del proceso, deben estar
identificados.
No deben depositarse ropa ni objetos personales en las áreas de producción.
En el proceso se debe asegurar que los equipos que tienen partes lubricadas no
contaminen el producto en las diferentes etapas de elaboración.
Todas las operaciones del proceso de producción, incluso el envasado, se deben
realizar en condiciones sanitarias que eliminen toda posibilidad de
contaminación.
Los métodos de conservación deben ser adecuados al tipo de producto y materia
prima que manejen; los controles necesarios deben ser tales, que protejan contra
la contaminación o la aparición de un riesgo para la salud pública.
Registros de elaboración o producción. De cada lote debe llevarse un registro
continuo, legible y con la fecha de los detalles pertinentes de elaboración. Estos
registros deben conservarse por lo menos durante el tiempo que se indique como
vida de anaquel.
1.2.2 Propiedades y nutrientes del Zumo de naranja
El zumo de naranja fresco tiene un sabor frutal y ácido. Contiene gran cantidad
de vitamina C (ácido ascórbico). Algunas fábricas añaden ácido cítrico o ácido
ascórbico a sus productos, además de otros nutrientes como el calcio y la vitamina D. El
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zumo de naranja parece más nutritivo que las versiones sin pulpa debido a la existencia
de flavonoides que existen en la pulpa [3].
Este alimento, pertenece al grupo de los zumos naturales de frutas.
A continuación se muestra información sobre las características nutricionales,
propiedades y beneficios que aporta el zumo de naranja al organismo, así como la
cantidad de cada uno de sus principales nutrientes. Se asocia el zumo de naranja con la
buena salud, debido a que el zumo de la naranja tiene fama de ser un alimento
imprescindible que debe incluir un desayuno saludable.
Nutrientes del zumo de naranja
El zumo de naranja se encuentra entre los alimentos bajos en sodio ya que 100 g. de este
alimento contienen tan solo 1 mg.
Entre las propiedades nutricionales del zumo de naranja cabe destacar que tiene los
siguientes nutrientes: 0,15 mg. de hierro, 0,69 g. de proteínas, 10,78 mg. de calcio, 0,70
g. de fibra, 143 mg. de potasio, 1 mg. de yodo, 0,11 mg. de zinc, 9,40 g. de
carbohidratos, 10,89 mg. de magnesio, 2,58 ug. de vitamina A, 0,07 mg. de vitamina B1,
0,02 mg. de vitamina B2, 0,27 mg. de vitamina B3, 0,23 ug. de vitamina B5, 0,05 mg. de
vitamina B6, 1 ug. de vitamina B7, 18,63 ug. de vitamina B9, 0 ug. de vitamina B12, 39
mg. de vitamina C, 0 ug. de vitamina D, 0,25 mg. de vitamina E, 0,10 ug. de vitamina K,
15 mg. de fósforo, 43,56 kcal. de calorías, 0 mg. de colesterol, 0,20 g. de grasa, 9,40 g.
de azúcar y 0 mg. de purinas [4].
Debido a que tiene un bajo nivel de sodio, el tomar el zumo de naranja es beneficioso
para quienes padecen hipertensión o tienen exceso de colesterol.
Tabla 1. 2 Información nutricional del zumo de naranja
Nutrientes Cantidad
Calorías 43,56 kcal.
Grasa 0,20 g.
Colesterol 0 mg.
Sodio 1 mg.
Carbohidratos 9,40 g.
Fibra 0,70 g.
Azúcares 9,40 g.
Proteínas 0,69 g.
Vitamina A 2,58 ug. Vitamina C 39 mg.
Vitamina B12 0 ug. Calcio 10,78 mg.
Hierro 0,15 mg. Vitamina B3 0,27 mg.
La cantidad de los nutrientes que se muestra en la tabla 1.2, corresponde a 100 gramos
de este zumo [4].
1.2.3 Métodos para elevar la concentración en el jugo de naranja
Par a la concentración de jugo de naranja existen procesos como número de proveedores
o empresas dedicadas a la producción de concentrado existan, sin embargo se encontró
una empresa dedicada a la manufactura de maquinaria para procesos generales como lo
es la concentración de líquidos.
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En Maquinaria JERSA se desarrollan soluciones de Maquinaria para la Industria de
Alimentos, Farmacéutica, Química, Home, Cuidado Personal entre Otras, desde equipos
hechos a la medida hasta líneas completas de proceso [14].
Maquinaria JERSA dentro de sus productos ofrece un Evaporador a Vacío Modelo
CVF-30 (Figura 1.4), el cual concentra productos líquidos o semilíquidos tales como
pulpa de fruta, néctares, mermeladas, jarabes, salsas y hasta leche, por medio de una
marmita enchaquetada de calentamiento a vapor, y columna de condensación con bomba
a vacío.
Figura 1. 4 Evaporador concentrador a vacío
Imagen tomada de la página oficial Maquinaria JERSA [14]
Esto queda como precedente ya que en la industria existe un equipo capaz de realizar
una función similar a las del prototipo a automatizar en este trabajo.
1.2.4 Comportamiento del jugo de naranja ante condiciones de vacío
Uno de los componentes principales del zumo de naranja como se aclaró en el punto
1.2.2 es la vitamina C, la cual es buscada ya que es requerida para un cierto número
de reacciones metabólicas en los seres vivos, además en todos los animales y plantas y
es creada internamente por casi todos los organismos, siendo los humanos una notable
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excepción, de ahí la necesidad del consumo del zumo de naranja, para así tener una
fuente de Vitamina C.
Aunque está demostrado que la Vitamina C aporta grandes beneficios al cuerpo humano
también es sabido que ayuda al desarrollo de dientes y encías, huesos, cartílagos, a la
absorción del hierro, al crecimiento y reparación del tejido conectivo normal (piel más
suave, por la unión de las células que necesitan esta vitamina para unirse), también
resulta esta vitamina un factor potenciador para el sistema inmune aunque algunos
estudios ponen en duda esta última actividad de la vitamina C[15].
La vitamina C es esencial para el desarrollo y mantenimiento del organismo, por lo que
su consumo es obligatorio para mantener una buena salud sin embargo es sabido que
esta vitamina C es la más sensible de las vitaminas, es lábil en presencia de humedad y
oxígeno, pH, agentes oxidantes, temperatura y presencia de iones metálicos
especialmente cobre y hierro.
La vitamina C es soluble en agua, se pierde fácilmente en procesos húmedos. Sin
embargo, en alimentos procesados las pérdidas más significativas son debido a
degradación química.
En relación a la cocción, se observa en la Tabla 1.3 como influyen en forma combinada
factores como la cantidad de agua y el tiempo de cocción en la retención neta de ácido
ascórbico, debido a la alta sensibilidad del ácido ascórbico generalmente se utilizan las
variaciones en su contenido como un índice de evaluación de estabilidad de vitaminas
[16].
Tabla 1. 3 Pérdidas de ácido ascórbico en vegetales cocidos por diferentes métodos
Tabla tomada de Perdidas de vitaminas durante el procesamiento de los alimentos” Judith King
[16].
% Vitamina C
Método Destrucción Extracción en el
agua
Retención en el
alimento
Vegetales verdes
Ebullición(tiempo
prolongado, agua (+)
10 – 15 45 – 60 25 – 45
Ebullición
(tiempo corto, agua (-)
10 – 15 15 – 30 55 – 75
Vapor 30 – 40 < 10 60 – 70
Olla a presión 20 – 40 < 10 60 – 80
Podemos observar cuando se produce una cocción a corto tiempo y a bajas temperaturas
la cantidad de Vitamina C recuperada en los vegetales es mayor, con ello podemos
deducir que las altas temperaturas y grandes tiempos de cocción el ácido ascórbico se
pierde o diluye.
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1.3 Líquidos Termolábiles
Un producto lábil es aquel que pierde sus propiedades o características químicas cuando
es sometido a factores ajenos a ellos (calor, luz, oxidantes, reductores, humedad, ácidos,
bases), un líquido termolábil o termo sensible es un producto que pierde propiedades
químicas y organolépticas cuando es sometido a un incremento en su temperatura.
1.3.1 Manejo de líquidos termolábiles en la industria
La industria donde se manejan líquidos o sustancias lábiles es en la química, en la
sintetización de enzimas o en la procuración y producción de vitaminas, para ello
emplean dispositivos con los cuales son capaces de producir las condiciones requeridas
para el manejo de las variables que perjudican a sus productos, las que más aparecen en
estos procesos son:
Temperatura
Presión
Concentración
Luz ultravioleta
Existen procesos como números de productos químicos existen, para producir las
condiciones necesarias de proceso cada productor emplea su propia tecnología patentada
lo cual hace difícil el encontrar referencias de dispositivos particulares que emplean
inclusive se tienen patentes de toda la línea de producción o sintetización de vacunas,
medicinas o vitaminas.
1.4 Evaporadores
Un evaporador es un intercambiador de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de
un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos
corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un
cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos.
Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la cual
tiene lugar el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras,
diseñadas para que la eficacia sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.
1.4.1 Clasificación de Evaporadores
Podemos clasificar los evaporadores en dos grandes grupos:
Evaporadores de tubos horizontales. El vapor calefactor es vapor de agua saturado
que cede su calor de condensación y sale como agua líquida a la misma temperatura y
presión de entrada. Este evaporador se denomina de tubos horizontales porque los tubos
están dispuestos horizontalmente.
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Figura 1. 5 Evaporador de tubos horizontales
El evaporador de la figura 1.5 presenta una clasificación propia que es la siguiente:
Evaporador múltiple efecto.
Un evaporador de múltiple efecto consta de un conjunto de evaporadores, donde el
primer efecto es el primer evaporador y así sucesivamente. Durante el funcionamiento,
el vapor producido en el primer efecto se utiliza como vapor calefactor del segundo
efecto.
Métodos de alimentación en los múltiples efectos:
Alimentación directa (Figura 1.6). El alimento entra en el primer efecto y sigue
el mismo sentido de circulación que el vapor, saliendo el producto en el último
efecto. El líquido circula en el sentido de las presiones decrecientes y no es
necesario aplicar ninguna energía auxiliar para que el líquido pase de un efecto al
otro. Solo hacen falta dos bombas, una para introducir el líquido en el primer
efecto y otra para extraer el producto del último efecto.
Figura 1. 6 Evaporador de alimentación directa
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Alimentación a contracorriente (Figura 1.7). El líquido a evaporar entra en el
último efecto y sale concentrado por el primero. El líquido a concentrar y el
vapor calefactor circulan en sentido contrario. Aquí el líquido circula en sentido
de presiones crecientes y esto requiere el uso de bombas en cada efecto para
bombear la disolución concentrada de un efecto al siguiente . Esto supone una
complicación mecánica considerable que se suma al hecho de hacer trabajar las
bombas a presiones inferiores a la atmosférica. Así, si no hay otras razones, se
prefiere el sistema de alimentación directa.
Figura 1. 7 Evaporador de alimentación a contracorriente
Alimentación mixta. Cuando en una parte del sistema de alimentación es directa
y en la otra parte es a contracorriente. Este sistema es útil si tenemos
disoluciones muy viscosas. Si utilizamos la corriente directa pura, nos
encontramos que el último efecto, donde hay menos temperaturas la viscosidad
de la disolución concentrada aumenta, lo que hace disminuir sensiblemente el
coeficiente global, U, en este efecto. Para contrarrestar eso, se utiliza la
alimentación a contracorriente o la mixta. La disolución diluida entra en el
segundo efecto i sigue el sentido de la alimentación directa, pasando después del
último efecto al primero, para completar la evaporación a temperatura elevada.
Figura 1. 8 Evaporador de alimentación mixta
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Alimentación en paralelo (Figura 1.9): Cuando el alimento entra
simultáneamente a todos los efectos y el líquido concentrado se une en una sola
corriente. Sistema utilizado en la concentración de disoluciones de sal común,
donde los cristales depositados hacen que resulte difícil la disposición de la
alimentación directa.
Figura 1. 9 Evaporador de alimentación en parelelo
Evaporadores de tubos verticales (Figura 1.10). El principio de funcionamiento es
igual que el evaporador de tubos horizontales y se denominan así porque el haz de tubos
están dispuestos verticalmente dentro de la coraza.
Figura 1. 10 Evaporador de tubos verticales.
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Este evaporador presenta una clasificación propia que es la siguiente:
Evaporador de Cesta
Es otro tipo de evaporador de tubos verticales, en el cual la coraza tiene forma cónica.
Este tipo de evaporador se utiliza cuando lo que se pretende es llevar la evaporación al
extremo, es decir, evaporar todo el disolvente de la disolución diluida para obtener
cristales. Los cristales formados se recogen por la parte inferior. El elemento calefactor
se trata de un cuerpo compacto que se puede extraer para su limpieza.
Figura 1. 11 Evaporador de cesta
La clasificación de lo evaporadores se puede ver resumida en la figura 1.12.
Figura 1. 12 Clasificación de evaporadores
Evaporadores
Evaporador de tubos horizontales
Evaporador de multiple efecto
Alimentacion directaAlimentacion a contracorriente
Alimentacion mixtaAlimentación
en paralelo
Evaporador de tubos verticales
Evaporador de Cesta
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1.4.2 Evaporación a vacío
La evaporación al vacío consiste en reducir la presión del interior de la caldera del
evaporador por debajo de la presión atmosférica. Esto permite reducir la temperatura de
ebullición del líquido a evaporar, lo que reduce la cantidad de calor a aportar/eliminar en
el proceso de ebullición y de condensación, además de otras ventajas técnicas como la
de poder destilar líquidos con alto punto de ebullición, evitar la descomposición de
sustancias sensibles a la temperatura, etc.
Teniendo en cuenta que la evaporación es un sistema de separación, se constata la
presencia de tres fluidos diferenciados: Alimento, Destilado y Concentrado.
Alimento: Es el fluido de entrada al evaporador. Se trata de agua contaminada con
diversos productos inorgánicos u orgánicos, sólidos en suspensión, etc. Se precisa en
algunos casos de un pre tratamiento que puede consistir en una filtración de sólidos
gruesos, decantación, neutralización o ajuste del pH cuando convenga, etc.
Destilado: Es el fluido obtenido de la evaporación que ha pasado de vapor a líquido. Se
trata de agua más o menos pura, exenta de salinidad. Puede estar, no obstante,
contaminada por la presencia de sustancias volátiles que se han evaporado junto con el
agua. Dependiendo del destino final del agua condensada, se recomendará reciclarla tal
cual, o efectuar un afino antes de verter. Este tratamiento final del agua se consigue
mediante sistemas de absorción-adsorción, separación por membranas u otros, para
conseguir si se precisa agua ultra pura o vertiblE.
Concentrado: Es el producto residual final, es decir el balance entre destilado y
alimento. Por lo general, se consiguen reducir los volúmenes de ingreso unas 10 o 15
veces; se puede llegar incluso a residuo seco con equipos especiales. En algunos casos es
posible recuperar este concentrado como materia prima; en otros se cederá a un gestor
[17].
Una vez tratados los temas anteriores respecto a los evaporadores, desde su concepto y
englobando los tipos que existen, así como las formas de producción de jugos
concentrados, las características y comportamiento del mismo en diferentes condiciones
daremos paso a las bases para la automatización, ya que esto nos dará pie al
cumplimiento del objetivo de este trabajo.
1.5 Concepto de Automatización
El término automatización en una connotación general, se refiere a una amplia variedad
de sistemas y procesos que operan con mínima, incluso sin intervención, del ser
humano. Un sistema automatizado ajusta sus operaciones en respuesta a cambios en las
condiciones externas en tres etapas: mediación, evaluación y control [6].
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1.5.1 Tipos de Automatización
La automatización fija: se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por
tanto se puede justificar económicamente el alto costo del diseño de equipo
especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producción
elevadas. Además de esto, otro inconveniente de la automatización fija es su ciclo de
vida que va de acuerdo a la vigencia del producto en el mercado.
La justificación económica para la automatización fija se encuentra en productos con
grandes índices de demanda y volumen [5].
La automatización programable: se emplea cuando el volumen de producción es
relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En este caso el equipo
de producción es diseñado para adaptarse a la variaciones de configuración del producto;
ésta adaptación se realiza por medio de un programa (Software) [5].
Fuerte inversión en equipo general
Índices bajos de producción para la automatización fija
Flexibilidad para lidiar con cambios en la configuración del producto
Conveniente para la producción en montones
La automatización flexible: es más adecuada para un rango de producción medio.
Estos sistemas flexibles poseen características de la automatización fija y de la
automatización programada. Los sistemas flexibles suelen estar constituidos por una
serie de estaciones de trabajo interconectadas entre sí por sistemas de almacenamiento y
manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una computadora.
Proveedores de equipos de automatización
Fuerte inversión para equipo de ingeniería
Producción continúa de mezclas variables de productos
Índices de producción media
Flexibilidad para lidiar con las variaciones en diseño del producto
Las características esenciales que distinguen la automatización flexible de la
programable son:
Capacidad para cambiar partes del programa sin perder tiempo de producción y;
Capacidad para cambiar sobre algo establecido físicamente asimismo sin perder
tiempo de producción [5].
1.6 Niveles de Automatización
La automatización de la producción y de los procesos industriales puede ser analizada
dependiendo del nivel al que se produce:
Nivel 1. Elemental - Nivel Máquina: a este nivel se automatizan operaciones
específicas a realizar por dispositivos mecánicos.
Nivel 3. Maquinas simples: a este nivel se automatizan las tareas combinadas de
los diferentes de dispositivos que participan en un determinado paso en la
elaboración de un producto.
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Nivel 5. Nivel de Gestión Integrada: a este nivel se combinan todos los
elementos implicados en los procesos de fabricación de diferentes productos en
una planta industrial [5].
1.7 Control Automático
El control automático desempeña una función vital en el avance de la ingeniería y la
ciencia, ya que el control automático se ha vuelto una parte importante e integral de los
procesos modernos industriales y de manufactura. Por lo cual la teoría de control es un
tema de interés para muchos científicos e ingenieros que desean dar nuevas ideas para
obtener un desempeño óptimo de los sistemas dinámicos y disminuir tareas manuales o
repetitivas.
El objetivo del control automático de procesos es mantener en determinado valor de
operación las variables del proceso tales como: temperaturas, presiones, flujos y
compuestos. Los procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren cambios
y si no se emprenden las acciones pertinentes, las variables importantes del proceso, es
decir, aquellas que se relacionan con la seguridad, la calidad del producto y los índices
de producción, no cumplirán con las condiciones de diseño [7].
En la realización de un control automático, es necesario hacer uso de diferentes
elementos que interactúan entre sí para realizar un trabajo determinado un cierto número
de veces, es decir, el sistema necesita relacionarse con el medio mediante sensores,
transductores, transmisores etcétera, para realizar una acción correctiva por medio de
actuadores bombas, electroválvulas, válvulas de control, relevadores etcétera, estos
gobernados por un elemento central que toma las decisiones dependiendo de las
condiciones de proceso como lo puede ser un PLC, CPU, controlador dedicado entre
otros.
Los cuatro componentes básicos de todo sistema de control, estos son:
1. Sensor, que también se conoce como elemento primario.
2. Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario.
3. Controlador, que es el “cerebro’ del sistema de control.
4. Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de control
aunque no siempre. Otros elementos finales de control comúnmente utilizados
son las bombas de velocidad variable, los transportadores y los motores
eléctricos [7].
1.7.1 Control por retroalimentación
El esquema de control de la figura 1.13 se conoce como control por retroalimentación,
también se le llama circuito de control por retroalimentación. Esta técnica la aplicó por
primera vez James Watt hace casi 200 años, para controlar un proceso industrial;
consistía en mantener constante la velocidad de una máquina de vapor con carga
variable; se trataba de una aplicación del control regulador. En ese procedimiento se
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toma la variable controlada y se retroalimenta al controlador para que este pueda tomar
una decisión [7].
Como se mencionó esta estrategia de control presenta una característica primordial para
llevar a cabo el control y automatización, la cual es la medida y comparación de la
variable de proceso o variable de salida, un lazo de control básico está formado por los
bloques siguientes:
Proceso o Planta, Actuador, Controlador y Sensor
Figura 1. 13 Lazo Cerrado de Control
En este caso la información de la variable controlada de proceso se capta por medio de
un sistema de medición adecuado y se utiliza como entrada al controlador. Un
dispositivo detector de error compara esta señal de entrada con otra de referencia que
representa la condición deseada, y cualquier diferencia hace que el controlador genere
una señal de salida para corregir el error.
La señal de salida del controlador se aplica al elemento final de control, el cual manipula
una entrada al proceso en la dirección adecuada para que la variable controlada retorne a
la condición deseada. Este circuito cerrado proporciona un esfuerzo continuo para
mantener la variable controlada en la posición de referencia o punto de consigna [8].
1.8 Controlador
Es el elemento central del sistema de control, en él se lleva a cabo una comparación de
dos señales que recibe, una que está en relación lineal con la variable de proceso y otra
que es el parámetro deseado comúnmente llamado set point o punto de ajuste,
dependiendo del resultado de la comparación se realiza una acción correctora para
mantener la variable de proceso en el valor deseado. También existen los llamados
controladores digitales los cuales reciben señales discretas o binarias, los que dominan el
mercado industrial son los PLC, PAC y controladores dedicados los cuales están
diseñados para trabajar con una variable de proceso preestablecida.
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1.8.1 PLC El PLC es un dispositivo electrónico que necesita ser programado, en la industria se
emplea para resolver problemas de secuencias en la maquinaria o procesos, una de sus
grandes ventajas es que abate costos de mantenimiento y aumenta la confiabilidad en los
sistemas, además la programación de un PLC resulta bastante sencilla. Anteriormente se
empleaba la lógica relevador pero presentaban bastantes desventajas; más adelante
mencionaremos algunas. La historia de los PLC nos dice que fueron desarrollados por
Ingenieros de la GMC (General Motors Company) para sustituir sus sistemas basados en
relevadores. La palabra PLC es el acrónimo de Controlador Lógico Programable (en
inglés Programmable Logic Controler) (Figura 1.14).
Figura 1. 14 PLC Micrologix 1000
La gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones, en su capacidad, en
el número de I/O, en su tamaño de memoria, en su aspecto físico y otros, es que es
posible clasificar los distintos tipos en varias categorías.
Nano: Generalmente PLC de tipo compacto está conformado por (Fuente, CPU e I/O
integradas) puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número
inferior a 100. Permiten manejar entradas y salidas digitales y algunos módulos
especiales (Figura 1.15).
Figura 1. 15 PLC Nano TSX-NANO
Compactos: Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y
módulos de I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O
hasta varios cientos (alrededor de 500 I/O), su tamaño es superior a los Nano PLC y
soportan una gran variedad de módulos especiales, (Figura 1.16) como lo son:
Entradas y salidas análogas
Módulos contadores rápidos
Módulos de comunicaciones
Interfaces de operador
Expansiones de I/O
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Modular: Los PLC´s modulares se caracterizan por tener una amplia gama de
aplicaciones, gracias a que su estructura es ampliamente configurable. El usuario tiene
así gran flexibilidad para diseñar el sistema de automatización, conforme a sus
exigencias.
Los módulos principales de estos tipos de PLC se mencionan a continuación:
Rack
Fuente de Alimentación
CPU
Módulos de I/O
Comunicaciones.
Contaje rápido
Figura 1. 16 PLC Compacto MELSEC
1.8.2 Interfaz hombre máquina (HMI)
La sigla HMI es la abreviación en ingles de Interfaz Hombre Maquina. Los sistemas
HMI podemos pensarlos como una “ventana” de un proceso. Esta ventana puede estar en
dispositivos especiales como paneles de operador o en una computadora. Los sistemas
HMI en computadoras se los conoce también como software HMI (en adelante HMI) o
de monitoreo y control de supervisión. Las señales del procesos son conducidas al HMI
por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida en la computadora, PLC’s
(Controladores lógicos programables), RTU (Unidades remotas de I/O) o DRIVE’s
(Variadores de velocidad de motores). Todos estos dispositivos deben tener una
comunicación que entienda el HMI (figura 1.17).
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Figura 1. 17 Estructura general del software HMI
Tipos de HMI
Desarrollos a medida. Se desarrollan en un entorno de programación gráfica como
VC++, Visual Basic, Delphi, etc.
Paquetes enlatados HMI. Son paquetes de software que contemplan la mayoría de las
funciones estándares de los sistemas SCADA. Ejemplos son FIX, WinCC, Wonderware,
etc.
Funciones de un Software HMI
Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en tiempo real.
Estos datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que permitan una lectura
más fácil de interpretar.
Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustar las
condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.
Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y
reportarlo estos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en límites de control
preestablecidos.
Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del proceso y así
mantener estos valores dentro de ciertos límites. Control va más allá del control de
supervisión removiendo la necesidad de la interacción humana. Sin embargo la
aplicación de esta función desde un software corriendo en una PC puede quedar limitada
por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema.
Históricos. Es la capacidad de muestrear y almacenar en archivos, datos del proceso a
una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es una poderosa herramienta
para la optimización y corrección de procesos.
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Tareas de un Software de Supervisión y Control
Permitir una comunicación con dispositivos de campo.
Actualizar una base de datos “dinámica” con las variables del proceso.
Visualizar las variables mediante pantallas con objetos animados (mímicos).
Permitir que el operador pueda enviar señales al proceso, mediante botones,
controles ON/OFF, ajustes continuos con el mouse o teclado.
Supervisar niveles de alarma y alertar/actuar en caso de que las variables
excedan los límites normales.
Almacenar los valores de las variables para análisis estadístico y/o control.
Controlar en forma limitada ciertas variables de proceso.
Tipos de Software de Supervisión y Control para PC
Lenguajes de programación visual como Visual C++ o Visual Basic. Se utilizan
para desarrollar software HMI a medida del usuario. Una vez generado el
software el usuario no tiene posibilidad de re-programarlo.
Paquetes de desarrollo que están orientados a tareas HMI. Pueden ser utilizados
para desarrollar un HMI a medida del usuario y/o para ejecutar un HMI
desarrollado para el usuario. El usuario podrá re-programarlo si tiene la llave
(software) como para hacerlo. Ejemplos son FIX Dynamics, Wonderware,
PCIM, Factory Link, WinCC
Figura 1. 18 Estructura general del software HMI
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Los software HMI están compuestos por un conjunto de programas y archivos. Hay
programas para diseño y configuración del sistema y otros que son el motor mismo del
sistema. En la figura 1.11 se muestra cómo funcionan algunos de los programas y
archivos más importantes. Los rectángulos de la figura representan programas y las
elipses representan archivos. Los programas que están con recuadro simple representan
programas de diseño o configuración del sistema; los que tienen doble recuadro
representan programas que son el motor del HMI.
Con los programas de diseño, como el “editor de pantallas” se crean moldes de pantallas
para visualización de datos del proceso. Estos moldes son guardados en archivos
“Archivo de pantalla” y almacenan la forma como serán visualizados los datos en las
pantallas.
Interfaz Hombre: Es un programa que se encarga de refrescar las variables de la base
de datos en la pantalla, y actualizarla, si corresponde, por entradas del teclado o el
mouse. Este programa realiza la interfaz entre la base de datos y el hombre. El diseño de
esta interfaz está establecido en el archivo molde “Archivo de pantalla” que debe estar
previamente creado.
Base de datos: Es un lugar de la memoria de la computadora donde se almacenan los
datos requeridos del proceso. Estos datos varían en el tiempo según cambien los datos
del proceso, por esta razón se denomina “base de datos dinámica”. La base de datos está
formada por bloques que pueden estar interconectados. La creación de la base de datos,
sus bloques y la relación entre ellos se realiza a través del “editor de base de datos”.
Driver: La conexión entre los bloques de la base de datos y las señales del proceso se
realiza por medio de drivers. Estos drivers manejan los protocolos de comunicación
entre el HMI y los distintos dispositivos de campo. Los drivers son entonces la interfaz
hacia la máquina.
Bloques (etiquetas): Como ya mencionamos, la base de datos está compuesta por
bloques. Para agregar o modificar las características de cada bloque se utiliza el editor de
la base de datos. Los bloques pueden recibir información de los drivers u otros bloques y
enviar información hacia los drivers u otros bloques.
Las funciones principales de los bloques son:
Recibir datos de otros bloques o al driver.
Enviar datos a otros bloques o al driver.
Establecer enlaces (links) a la pantalla (visualización, teclado o mouse)
Realizar cálculos de acuerdo a instrucciones del bloque.
Comparar los valores con umbrales de alarmas
Escalar los datos del driver a unidades de ingeniería.
Los bloques pueden estructurarse en cadenas para procesar una señal como se muestra
en la figura 1.19.
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Figura 1. 19 Estructura general del software HMI
1.9 Instrumentación
Instrumentación es el grupo de elementos que sirven para medir, convertir, transmitir,
controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos
utilizados en éste. Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos
encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación, observación,
transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo.
1.9.1 Elementos primarios de medición
Es la parte o partes del sistema de medición que transforma energía del medio
controlado para producir un efecto como respuesta a cualquier cambio en el valor de la
variable controlada. El efecto producido puede ser un cambio en la presión, fuerza,
posición o eléctrico. Por decir, un termopar transforma energía calorífica en energía
eléctrica, debido al efecto Peltier [8].
Medición de Presión La presión, junto con la temperatura, constituyen las variables que más frecuentemente
se miden y controlan en los procesos industriales. Los elementos primarios que se
emplean en estos ambientes son fundamentalmente de dos tipos:
Elementos de columna de líquido: empleados fundamentalmente para indicación.
A este grupo pertenecen los diversos manómetros de tubo y las campanas con
sello líquido.
Elementos elásticos: sirven tanto para medición local como para transmisores.
Los cuatro elementos que se emplean en sensores industriales son: Tubo de
Bourdon, diafragma, cápsulas y fuelles.
Existen en el mercado diversas tecnologías para transmisores que se acoplan con los
elementos elásticos, pero las más difundidas y confiables son los extensométricos (strain
gage), capacitivos y de alambre vibrante.
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Figura 1. 20 Medidor analógico de presión con diafragma
Medición de Temperatura
Existen muchos dispositivos que sirven para medir temperatura, pero solo algunos han
sido adaptados para su uso en ambientes industriales. En la tabla 1.4 están los
principales. Tabla 1. 4 Dispositivos Industriales de medición de temperatura.
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Sensores Magnéticos
Detectan los campos magnéticos que provocan los imanes o las corrientes eléctricas. El
principal es el llamado interruptor Reed; consiste en un par de láminas metálicas de
materiales ferromagnéticos metidas en el interior de una cápsula que se atraen en
presencia de un campo magnético, cerrando el circuito (Figura 1.21).
Figura 1. 21 Sensor magnético y símbolo
1.9.2 Elementos secundarios de medición
Los elementos secundarios de medición se encargan de recibir la señal proveniente de
los elementos primarios y en muchos casos las transforman para transmitirla como una
señal eléctrica, neumática, hidráulica etc., dependiendo del tipo de instrumento que se
esté usando, por lo tanto a estos elementos se les conoce como "elementos secundarios
de medición y transmisión o transmisores". La señal transmitida por estos elementos es
enviada en forma tal que pueda ser perfectamente interpretada por el instrumento
receptor el cual puede ser, un indicador, registrador o un controlador. Esta señal puede
ser transmitida en forma simultánea a varios receptores [8].
1.9.3 Transmisores de Temperatura
Los transmisores de temperatura transmiten una temperatura medida como una señal
analógica de 0/4–20 mA a un receptor. El receptor suele ser un regulador electrónico o
PLC (Controlador Lógico Programable). Los términos PT y NTC son abreviaturas para
temperatura positiva y negativa, y describen si la resistencia en el resistor aumenta o
disminuye cuando la temperatura aumenta. Si el sensor de resistencia se conecta
directamente al receptor, también se mediría la resistencia del cable existente entre los
dos componentes proporcionando una falsa lectura. El error dependerá de la longitud del
cable y de la temperatura ambiente.
Los transmisores de temperatura se utilizan para evitar pérdidas de tensión o cuando un
regulador o PLC no puede medir directamente la señal desde un sensor de resistencia, en
la figura 1.22 podemos observar la imagen de un transmisor comercial.
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Figura 1. 22 Transmisor de temperatura
1.9.4 Transmisores de presión
Los transmisores de presión, convierten una presión aplicada en una señal eléctrica. Esta
señal se envía a las computadoras, grabadoras de cuadros, medidores digitales de panel u
otros dispositivos del PLC (controladores programables lógicos) que interpretan esta
señal eléctrica y la utilizan para mostrar, registrar y/o cambiar la presión en el sistema
que se está monitoreando.
Aunque hay varios tipos de transmisores de presión, uno de los más comunes es el
transductor extensométrico. La conversión de la presión en una señal eléctrica se
consigue mediante la deformación física de los extensómetros que están unidos en el
diafragma del transductor de presión y cableados en una configuración de puente de
Wheatstone. La presión aplicada al transductor de presión produce una deflexión del
diafragma, que introduce la deformación a los medidores. La deformación producirá un
cambio de resistencia eléctrica proporcional a la presión.
1.10 Elementos finales de control
Un elemento final de control es un mecanismo que altera el valor de la variable
manipulada en respuesta a una señal de salida desde el dispositivo de control
automático; típicamente recibe una señal de controlador y manipula un flujo de material
o energía para el proceso. El elemento final de control puede ser una válvula de control,
variadores de frecuencia y motores eléctricos, una servo válvula, un relé, elementos
calefactores de carácter eléctrico o un amortiguador [8].
1.10.1 Motores Eléctricos
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman energía
eléctrica en energía mecánica. Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y
repulsión establecidas entre un imán y un hilo (bobina) por donde circula una corriente
eléctrica [9].
Los motores eléctricos utilizan espiras llamadas bobinado en el rotor (parte giratoria) y
un bobinado en el estator colocado en la parte fija del motor alrededor del rotor. La
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mayor parte de los motores tienen varias bobinas, llamadas devanados, colocadas en
diferentes lugares de la armadura (Figura 1.23).
Figura 1. 23 Motor eléctrico WEG
1.10.2 Tipos de motores
Los tipos de motores que existen son:
Corriente alterna
Corriente continúa
1.10.3 Motores de corriente continúa
Los motores de corriente continua, suelen utilizarse cuando se necesita precisión en la
velocidad, montacargas, locomoción, entre otros. La clasificación de este tipo de
motores se realiza en función de los bobinados del inductor y del inducido [9]. Los
motores de corriente alterna ofrecen un costo de mantenimiento menor que lo motores
de corriente continua.
1.10.4 Motores de corriente alterna
Los motores de corriente alterna, son los más empleados en la industria, sobretodo, el
motor trifásico asíncrono de jaula de ardilla, de acuerdo a su velocidad de giro se
clasifican en [9]:
Asíncronos: Un motor se considera asíncrono cuando la velocidad del campo magnético
generado por el estator supera a la velocidad de giro del rotor.
Síncronos: Un motor se considera síncrono cuando la velocidad del campo magnético
del estator es igual a la velocidad de giro del rotor. Recordar que el rotor es la parte
móvil del motor.
También se pueden clasificar de acuerdo al tipo de rotor:
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Motores de anillos rozantes: Es similar al motor trifásico jaula de ardilla, su
estator contiene los bobinados que generan el campo magnético giratorio,
elimina la corriente excesivamente alta del arranque y el torque elevado.
Motores con colector: Los colectores también son llamados anillos rotatorios,
entregar alta potencia con dimensiones y peso reducidos, soportar considerables
sobrecargas temporales sin detenerse completamente, se adaptan a las
sobrecargas disminuyendo la velocidad de rotación, sin excesivo consumo
eléctrico, producen un elevado torque de funcionamiento.
Motores de jaula de ardilla: Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla,
es un cilindro montado en un eje, internamente contiene barras conductoras
longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos
extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se
deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un
hámster (Figura 1.24).
Figura 1. 24 Rotor jaula de ardilla
Otra clasificación es por el número de fases de alimentación:
Motores monofásicos: Fueron los primeros motores utilizados en la industria,
para producir un campo rotatorio y un par de arranque, se debe tener un
devanado auxiliar desfasado 90° con respecto al devanado principal. Una vez que
el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito.
Motores trifásicos: Los motores trifásicos usualmente son más utilizados en la
industria, ya que en el sistema trifásico se genera un campo magnético rotatorio
en tres fases, además de que el sentido de la rotación del campo en un motor
trifásico puede cambiarse invirtiendo dos puntas cualesquiera del estator, lo cual
desplaza las fases, de manera que el campo magnético gira en dirección opuesta.
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1.10.5 Motores trifásicos
Los motores eléctricos trifásicos, se fabrican en las más diversas potencias, desde una
fracción de caballo hasta varios miles de caballos de fuerza (HP), se los construye para
prácticamente, todas las tensiones y frecuencias (50 y 60 Hz) normalizadas y muy a
menudo, están equipados para trabajar a dos tensiones nominales distintas. Se emplean
para accionar máquinas-herramienta, bombas, montacargas, ventiladores, grúas,
maquinaria elevada, sopladores (Figura 1.25) [10].
Figura 1. 25 Motor trifásico inducción tipo jaula de ardilla
Los motores trifásicos se pueden conectar internamente de las siguientes formas (Figura
1.26):
Delta: Los devanados conectados en delta son cerrados y forman una
configuración en triangulo.
Estrella: Los devanados de la mayoría de los motores de inducción de jaula de
ardilla están conectados en estrella. La conexión estrella se forma uniendo una
terminal de cada devanado.
Figura 1. 26 Conexión delta y conexión estrella
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1.10.6 Bombas de vacío
En 1650 Otto Von Guericke inventó las bombas de vacío y hasta la actualidad sigue
siendo uno de los equipos más utilizados en los laboratorios tanto de investigación como
de industria en numerosas y variadas aplicaciones.
El método de trabajo de las bombas de vacío es extraer moléculas de gas de un volumen
sellado para generar un vacío parcial. Dado que el rango de trabajo es de una presión
limitada, la evacuación de los sistemas de vacío se realiza en varias etapas, usando en
cada una de ellas una clase de bomba distinta.
Las bombas de vacío se caracterizan por tres aspectos fundamentales:
a) La presión límite o presión mínima de entrada,
b) La cantidad de gas evacuado por unidad de tiempo
c) El tiempo necesario para alcanzarla.
Estos factores no dependen sólo de la bomba utilizada, sino también del recipiente a
evacuar (presión de vapor de sus partes constitutivas, fugas, etc.). El tiempo necesario
para obtener la presión límite depende esencialmente de la velocidad de evacuación de la
bomba, es decir, del caudal medido a la presión de funcionamiento.
Principio de funcionamiento
El gas aspirado por la boca de aspiración se bombea a través de la cámara A-B hasta el
interior de la bomba, aprisionado entre cada dos palas del impulsor que gira
excéntricamente respecto al anillo líquido formado en la periferia del aro de la bomba.
Figura 1. 27 Bomba de vacío (funcionamiento)
Las variaciones progresivas del volumen encerrado entre 2 palas crea primero una
depresión y seguidamente una compresión del gas en el ciclo B-C hasta su expulsión a
través de la cámara C-D mezclado con parte de líquido que debe reponerse
continuamente (figura 1.27).
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Bomba de vacío de pistón oscilante
El principio de funcionamiento de las bombas y compresores de pistones se basa en un
pistón que se mueve alternativamente en un cilindro. El cilindro está dotado de válvulas
que permiten aspirar el aire (cuando el pistón desciende) y de soplarlo al exterior
(cuando el pistón asciende). Si la cabeza del pistón está unida con la biela se dice que el
pistón es oscilante (figura 1.28).
Las bombas de membrana funcionan utilizando un principio similar: una cámara está
dotada de una pared elástica que oscila por medio de una biela. La entrada y la salida del
aire se realizan por medio de las válvulas. A diferencia de las bombas de pistón, las de
membrana tienen la cámara completamente sellada y realizan un circuito en vacío con
perfecta estanqueidad. Están disponibles versiones especiales con cárter de protección
para transformarlas en unidades portátiles y aptas para ser utilizadas como unidades
autónomas.
Figura 1. 28 Bomba de vacío de pistón oscilante
Los principales sectores de uso son: electro-medicinal, transporte por medio de ventosas,
aplicaciones de laboratorio, edilicias, esterilizadoras a vapor y analizadoras de gas.
Algunas de las aplicaciones y usos más comunes son:
Cocción y/o concentrado a baja temperatura de: mosto, jaleas, dulces, jarabes,
etcétera
Vacío central para clínicas médicas o laboratorios
Desgasificado y deshidratado para la impregnación de madera u otro material
poroso
Enfriamiento rápido (evaporación rápida de la humedad en frutas, verduras,
lográndose un veloz descenso de la temperatura.)
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Desodorizado (eliminando gases indeseables en sustancias químicas, producción
de alimentos, etcétera)
Destilación a baja temperatura (extracción en vacío de fracciones volátiles)
Eviscerado (eliminación de vísceras en aves, pescados, etcétera)
Aceleración de filtrado, reduciendo la presión en la descarga del filtro (ej.: filtros
rotativos)
1.10.7 Calentadores eléctricos
Las resistencias calentadoras convierten energía eléctrica en calor. Procedimiento
descubierto por James Prescott Joule cuando en 1841 al hacer circular corriente
eléctrica a través de un conductor se liberó calor por encontrar resistencia.
En la actualidad las resistencias calentadoras se utilizan para infinidad de aplicaciones.
La gran mayoría de ellas son fabricadas con un alambre de una aleación de níquel (80%)
y cromo (20%). Esta aleación soporta temperaturas muy altas (1000º C),
es resistivo (condición necesaria para generar calor), es muy resistente a los impactos y
es inoxidable.
Aplicaciones en la industria
Calentamiento de agua dentro de grandes tanques y/o calderas cilíndricas para
uso industrial y calentamiento de radiadores de agua en centrales térmicas
(circuito abierto o cerrado) para la construcción civil y comercial
Calentamiento de fluidos, aire y gases de procesamiento industrial en el interior
de tanques
Tanques de almacenamiento de fluidos a temperatura controlada en ámbito
petrolquímico, químico y farmacéutico
Máquinas e instalaciones de lavado en ámbito textil y metalúrgico
Calderas industriales y hornos de tratamiento térmico de alimentos, centrales
térmicas para la producción de vapor en campo de energía eléctrica, producción
de materias plásticas, astilleros e industria aeroespacial
Instalaciones de tratamiento del agua y separación de sustancias residuales
1.10.8 Válvulas de control
En los procesos industriales la válvula de control juega un parte importante en el bucle
de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a
su vez el valor de la variable. Dentro del bucle de control tiene tanta importancia como
el elemento primario, el transmisor y el controlador. En la figura. 1.29 puede verse una
válvula de control típica [12].
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Figura 1. 29 Válvula de Control Típica
Electroválvulas
Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el paso de
un fluido por un conducto o tubería. La válvula se mueve mediante una bobina
solenoide. Generalmente no tiene más que dos posiciones: abierto y cerrado, o todo y
nada. Las electroválvulas se usan en multitud de aplicaciones para controlar el flujo de
todo tipo de fluidos.
Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la válvula.
El solenoide convierte energía eléctrica, mediante magnetismo, en energía
mecánica para actuar la válvula.
Existen varios tipos de electroválvulas. En algunas electroválvulas el solenoide actúa
directamente sobre la válvula dando la energía necesaria para su movimiento. También
es posible construir electroválvulas biestables que usan un solenoide para abrir la
válvula y otro para cerrar o bien un solo solenoide que abre con un impulso de corriente
y cierra con el siguiente. Estas tienen dos contactos eléctricos, de modo que al cambiar
de posición la válvula abre uno de ellos y cierra el otro.
Las electroválvulas de tipo directo pueden ser cerradas en reposo o normalmente
cerradas lo cual quiere decir que cuando falla la alimentación eléctrica quedan cerradas o
bien pueden ser del tipo abiertas en reposo o normalmente abiertas que quedan abiertas
cuando no hay alimentación. Es decir, en el primer caso la válvula se mantiene cerrada
por la acción de un muelle y el solenoide la abre venciendo la fuerza del muelle. Esto
quiere decir que el solenoide debe estar activado y consumiendo energía mientras la
válvula está abierta. Las normalmente abiertas, funcionan al revés.
Este tipo de válvulas se utilizan muy comúnmente en lavadoras, lavaplatos, riegos y
otros usos similares.
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1.11 Presión como variable de proceso
El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación
seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de
seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones
excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede
provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones
peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos.
Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan
importantes como lo es la seguridad extrema. Por otro lado, la presión puede llegar a
tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la
composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor
absoluto medio o controlado con precisión es de gran importancia ya que afectaría la
pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación.
La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en
donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio con otra
fuerza conocida, que puede ser la de una columna liquida, un resorte, un embolo cargado
con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede
sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.
𝑃 =𝐹
𝐴… … … … … (𝑒𝑐𝑢. 1.1)
En donde:
P = Presión expresada en unidades de Fuerza por unidad de Área
F = Fuerza total en unidades de Fuerza cualquiera
A = Área en unidades de área cualquiera.
La presión puede medirse tanto en valores absolutos o diferenciales. En la figura 1.30 se
indican las clases de presiones que los instrumentos miden comúnmente en la industria.
P.
BAROMETRICA
760 mmHg
CERO
ABSOLUTO
P. ABSOLUTA
P. VACIO
P. MANOMETRICA
Figura 1. 30 Diagrama de presiones
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1.11.1 Presión absoluta
Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absolutos. La
presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que
indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es
muy pequeña. Este término se creó debido a que la presión atmosférica varia con la
altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el
nivel del mar por lo que un término absoluto unifica criterios.
1.11.2 Presión de vacío
Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se
miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones
superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la
presión atmosférica existente. Los valores que corresponden al vacío aumentan al
acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio
(cmHg), metros de agua, etc.
De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión
atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío. Sin
embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta
llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg.
El vacío se mide en milímetros o micrones de mercurio (mm Hg o µHg). Un milímetro
de mercurio, es la presión indicada por una columna de mercurio de 1mm de altura a 0
°C y una gravedad estándar; un micrón es igual a 0.001 mm Hg.
Aun cuando existen instrumentos disponibles comercialmente para medir la presión
absoluta directamente, la mayoría de los medidores de presión, están relacionados con la
determinación de la presión ya sea por arriba o por debajo de la presión atmosférica, esto
quiere decir que la presión atmosférica es la referencia de las presiones manométricas.
1.12 Temperatura como variable de proceso
La temperatura es uno de los factores de gran importancia en los procesos químicos ya
que muchas de las propiedades de las substancias se ven afectadas por la temperatura y
algunas de ellas cambian de estado físico, de sólidos a líquidos, de líquidos a vapores,
etc. Estos fenómenos físicos son aprovechados en los procesos químicos en los cuales
los puntos de congelación, de ebullición sirven de base para separar materiales. La
rapidez con que se verifica una reacción química entre determinadas substancias,
depende considerablemente de la temperatura. La solubilidad de los sólidos en líquidos y
de los gases en líquidos depende también de la temperatura. Esto es porque una
operación común en la mayoría de las plantas industriales es la transferencia de calor.
Los materiales deben ser calentados o enfriados o simplemente mantenerlos a una
temperatura adecuada. Los vapores deben ser condensados y los líquidos deben ser
hervidos para llevar a cabo este tipo de operaciones, es necesario el diseño de equipos
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especiales. Asimismo es importante el diseño de instrumentos que nos permitan medir,
controlar y manipular esta variable tan importante como es la temperatura.
Otra variante de la medición y control de la temperatura y con el que estamos más
familiarizados porque en muchos de los casos hemos podido interactuar con ella es en el
control del aire acondicionado de nuestras oficinas u hogares, donde se desea mantener
una temperatura adecuada para nuestro confort y el de nuestros familiares o amigos.
En las plantas industriales muchos de los equipos que se localizan en cuartos de control
como son los sistemas de control, sistemas de telecomunicaciones (conmutadores,
radios, computadoras, copiadoras, etc.), requieren que se les mantenga a una
temperatura adecuada, considerando que ellos mismos son generadores de calor. Por lo
tanto la temperatura de estos cuartos de control debe ser medida y controlada para que
los equipos tengan un desempeño operativo adecuado y satisfactorio.
La temperatura no puede medirse directamente sino que debe deducirse de la propiedad
del material o de la de otro material en equilibrio con él. Puede deducirse de la dilatación
de sólidos, líquidos o gases, de la presión de vapor de un líquido; de la resistencia
eléctrica de ciertos materiales, por lo general sólidos; de la intensidad de la radiación
total o de una banda particular de longitud de onda de la radiación emitida por el cuerpo
caliente; del valor de la fuerza electromotriz (f.e.m.), creada en la unión de dos metales
distintos y de los cambios de estado de sólidos, líquidos o gases.
1.12.1 Termopares
Debido a su versatilidad, el termopar es tal vez el único método práctico industrial para
la medición de temperaturas entre 500 °C y 1500 °C. Los termómetros de sistema lleno
no se diseñan para esas temperaturas. El termómetro de resistencia debe ser diseñado en
forma especial si se desea emplear para tales rangos. Para temperaturas menores de 500
°C a menudo se emplea el termopar aun cuando su costo es mayor que un termómetro de
sistema lleno desarrollando el mismo trabajo.
Una de las ventajas del termopar es que su tensión de salida se puede transmitir a cientos
de metros con un receptor de mili-voltímetro. Con receptores potenciométricos la
distancia puede ser mayor. Otra ventaja es que el termopar se puede fabricar en forma
rápida en casi cualquier taller de instrumentos.
El termopar por sí mismo, es relativamente barato. El instrumento receptor de indicación
o registro empleado con el termopar puede ser del tipo de balance a cero
(potenciométrico) o del tipo de deflexión (milivoltímetro). El empleo de instrumentos de
balance a cero comúnmente son instalaciones más costosas comparadas con un sistema
lleno.
Actualmente se utilizan mucho los convertidores electrónicos milivolt-corriente los
cuales dada su alta impedancia (algunos mega-ohms), permiten distancias del orden de
los 1000 metros. Los convertidores mV/I producen una señal de salida normalizada, por
ejemplo, de 4 a 20 mA.
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1.13 El nivel como variable de proceso
La medición de nivel de líquidos y só1idos, es una de las variables más importantes en
los procesos industriales, seguida de la medición de temperatura, presión y flujo. La
medición de nivel, es un recurso muy valioso para el funcionamiento correcto de un
proceso o del balance programado de la existencia de materias primas para la
elaboración de un producto determinado.
En muchos procesos en donde se manejan líquidos contenidos en recipientes, tal como
columnas de destilación, hervidores, evaporadores, cristalizadores, o tanques
mezcladores el nivel en particular de un líquido en un recipiente puede ser
extremadamente significativo para la buena operación de un proceso.
Por ejemplo, un nivel muy alto pudiera trastornar el equilibrio de una reacción química,
causando daño al equipo o derramando un material costoso. De la misma forma, un nivel
muy bajo puede originar consecuencias desagradables.
Además de las condiciones anteriores, existe una tendencia en procesos continuos hacia
la disminución en la capacidad de almacenamiento. Esto reduce el costo inicial del
equipo, pero también acentúa la necesidad para controladores de nivel de líquidos más
precisos y sensibles. Un análisis final para la medición y control de nivel de líquidos en
la operación de un proceso, comúnmente se puede justificar por razones de economía y
seguridad.
1.14 Control mediante HMI Labview
LabVIEW constituye un sistema de programación gráfica para aplicaciones que
involucren adquisición, control, análisis y presentación de datos. Las ventajas que
proporciona el empleo de LabVIEW se resumen en:
Se reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones al menos de 4 a 10 veces,
ya que es muy intuitivo y fácil de aprender.
Dota de gran flexibilidad al sistema, permitiendo cambios y actualizaciones tanto
del hardware como del software.
Da la posibilidad a los usuarios de crear soluciones completas y complejas. • Con
un único sistema de desarrollo se integran las funciones de adquisición, análisis y
presentación de datos.
El sistema está dotado de un compilador gráfico para lograr la máxima velocidad
de ejecución posible.
Tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes.
LabVIEW es un entorno de programación destinado al desarrollo de aplicaciones,
similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan el lenguaje C o BASIC. Sin
embargo, LabVIEW se diferencia de dichos programas en un importante aspecto: los
citados lenguajes de programación se basan en líneas de texto para crear el código fuente
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del programa, mientras que LabVIEW emplea la programación gráfica o lenguaje G para
crear programas basados en diagramas de bloques. Para el empleo de LabVIEW no se
requiere gran experiencia en programación, ya que se emplean iconos, términos e ideas
familiares a científicos e ingenieros, y se apoya sobre símbolos gráficos en lugar de
lenguaje escrito para construir las aplicaciones. Por ello resulta mucho más intuitivo que
el resto de lenguajes de programación convencionales. LabVIEW posee extensas
librerías de funciones y subrutinas. Además de las funciones básicas de todo lenguaje de
programación, LabVIEW incluye librerías específicas para la adquisición de datos,
control de instrumentación, análisis, presentación y guardado de datos. LabVIEW
también proporciona potentes herramientas que facilitan la depuración de los programas.
1.14.1 Comunicación OPC
Un servidor OPC es una aplicación de software (driver), que cumple con una o más
especificaciones definidas por la OPC Foundation. El servidor OPC hace de interfaz
comunicando o un lado con una o más fuentes de datos utilizando sus protocolos nativos
(típicamente SCADA, HMI, generadores de informes, generadores de gráficas,
aplicaciones de cálculos etc.,). En una arquitectura cliente OPC/ servidor OPC, el
servidor OPC es el esclavo mientras que el cliente OPC es el maestro. Las
comunicaciones entre cliente OPC y el servidor OPC son bidireccionales, lo que
significa que los clientes pueden leer y escribir en los dispositivos a través del servidor
OPC.
Figura 1. 31 Servidor OPC del software RSLinx
Existen cuatro tipos de servidores OPC definidos para OPC Foundation, y son los
siguientes:
Servidor OPC DA. Basado en OPC Data Access. Especialmente diseñado para la
transmisión de datos en tiempo real.
Servidor OPC HFD. Basado en la especificación de datos historiados que provee
al cliente OPC HDA de datos históricos
Servidor OPC A&E Server. Basado en la especificación de alarmas y eventos.
Transfiere alarmas y eventos desde el dispositivo hacia el cliente OPC A&E.
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Servidor OPC UA. Basado en la especificación de arquitectura unificada. Basado
en el set más nuevo y avanzado de la OPC Foundation, permite a los servidores
OPC trabajar con cualquier tipo de datos.
En conjunto, los tres primeros tipos de servidores OPC se conocen como servidores
OPC “Clásicos” para distinguirlos de OPC UA que se convertirá en la base de las futuras
arquitecturas OPC.
Comunicaciones Cliente OPC / Servidor OPC (Servidor OPC DA, Servidor OPC
HDA, Servidor OPC A&E) (figura 1.32).
Los Servidores OPC clásicos utilizan la infraestructura COM/DCOM de Microsoft
Windows para el intercambio de datos. Lo que significa que esos Servidores OPC deben
instalarse bajo el Sistema Operativo de Microsoft Windows. Un Servidor OPC puede
soportar comunicaciones con múltiples Clientes OPC simultáneamente.
Servidor OPC - Traducción de Datos/Mapping (figura 1.32).
La principal función de un Servidor OPC es el traducir datos nativos de la fuente de
datos en un formato OPC que sea compatible con una o más especificaciones OPC
mencionadas anteriormente (ejemplo: OPC DA para datos en tiempo real). Las
especificaciones de la OPC Foundation solo definen la porción OPC de las
comunicaciones del Servidor OPC, así que la eficiencia y calidad de traducción del
protocolo nativo a OPC y de OPC al protocolo nativo dependen enteramente de la
implementación del desarrollador del Servidor OPC.
Servidor OPC –Comunicación Fuente de Datos (figura 1.32).
Los Servidores OPC comunican nativamente con las fuentes de datos, por ejemplo:
dispositivos, controladores y aplicaciones. Las especificaciones de la OPC Foundation
no especifican como el Servidor OPC se debe comunicar con la fuente de datos porque
hay una gran variedad de fuentes de datos disponibles en el mercado. Cada PLC, DCS,
controlador, etc. tiene su propio protocolo de comunicación o API que a su vez permiten
la utilización cualquier cantidad de conexiones físicas (serial RS485 o RS232, Ethernet,
wireless, redes propietarias, etc.)[18].
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Figura 1. 32 Estructura OPC Server
Imagen tomada de página oficial MatrikonOPC
Con los fundamentos teóricos establecidos en este capítulo, se pone en contexto para
conocer la situación actual del proceso, identificar las variables inherentes y más
importantes del prototipo así como tener las herramientas teóricas para proponer los
equipos necesarios y una solución integral, en el capítulo siguiente se hará mención de
las condiciones del prototipo.
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CAPÍTULO II
Proceso actual y
problemática
En este capítulo se menciona brevemente y de manera general el proceso para la
obtención de concentrado de jugo, de igual manera se describe los elementos que
conforman el prototipo en la actualidad, así de cómo son operados para poner en
funcionamiento el proceso de concentración, por lo cual también se menciona la
propuesta de solución.
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2.1 Proceso actual
A continuación se dará un panorama general y actual de cómo se lleva a cabo la
producción de concentrados de jugo hoy en día, así como su composición y
funcionamiento del prototipo.
2.1.1 Los evaporadores en la producción de concentrado de jugo
La producción de concentrado de jugo, por lo general es desarrollada por empresas
refresqueras, las cuales emplean evaporadores industriales para la obtención de este
producto, pero en la actualidad los productores de jugo natural han comenzado a
desarrollar su propia tecnología para la obtención de este producto, siendo el proceso de
evaporación el más apto para esta tarea. Por lo cual los evaporadores son empleados en
industrias como son:
Industria alimenticia
Industria química
Industria farmacéutica
Ahora bien como ya se había mencionado anteriormente la clasificación de los
evaporadores, en la siguiente tabla, aparecen los evaporadores que se emplean en la
industria alimenticia y algunas de las sustancias que evaporan.
Tabla 2. 1 Evaporadores y sus sustancias de trabajo
Tipo de evaporador Sustancias que evaporan
Evaporador de película fina Pasta de tomate, café, leche, suero y malta
Evaporador de triple efecto Suero de leche, almidón y azúcar de frutas
Evaporador de película descendente Jugos naturales y líquidos farmacéuticos
Evaporador de película ascendente Productos lácteos, sustancias termosensibles
Evaporador de circulación natural
con calandria exterior
Extractos cardiacos, productos lácteos y
zumos de fruta
Evaporador de circulación forzada Mermeladas de fruta
Evaporador de placas Jaleas y productos lácteos
Evaporador de tubo vertical Ácidos grasos y jugos naturales
Se podrá observar que algunos de los evaporadores trabajan con jugos naturales, siendo
su objetivo la concentración de jugo, los cuales se caracterizan por operar de una manera
semejante, dicho proceso se describe en el siguiente esquema (Figura 2.1).
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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Figura 2. 1 Operación general de evaporadores
2.1.2 Etapas y componentes del prototipo.
El prototipo desarrollado por una empresa para la obtención de concentrado de jugo de
naranja, consta de varias etapas, en las que algunas son cien por ciento manuales, dichas
etapas la componen una serie de elementos y en algunos casos no existen elementos ya
que dependen directamente de la intervención humana, las etapas y los elementos se
describirán a continuación.
Etapa de bombeado de materia prima al evaporador
Elementos que componen la etapa:
Ningún elemento, depende totalmente de la intervención humana
Descripción de la etapa:
En esta etapa no existe ningún componente ya que la materia prima que
tiene que ser introducida dentro del evaporador es suministrada de forma
manual por el operador, es decir, el operador a través de un recipiente
llena el evaporador de materia prima hasta un nivel determinado.
Figura 2. 2 Llenado manual de evaporador
1.- Tanque de almacenamiento de
materia prima
2.- Bombeo de materia prima a evaporador
3.- Generación de vacío dentro del evaporador
4.- Aumento de temperatura de la materia prima
dentro del evaporador
5.- Se mantiene la matería prima a
presión de vacío y a bajas temperaturas
dentro del evaporador
6.- Cesa la generación de vacío
y el aumento de temperatura
7.- Las condiciones iniciales del
evaporador se restablecen
8.- Extracción de materia prima
evaporada
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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Etapa de generación de vacío dentro del evaporador.
Elementos que componen la etapa:
Compresor frigorífico e interruptor manual.
Descripción de la etapa:
La toma de succión del compresor frigorífico se encuentra conectada al
evaporador, por lo cual al ser accionado por el operador mediante un
interruptor manual, se comienza a extraer el aire dentro del evaporador,
generando una presión de vacío.
Figura 2. 3 Generación de vacío mediante interruptor manual
Etapa de aumento de temperatura de la materia prima.
Elementos que componen la etapa:
Calentador de resistencia e interruptor manual.
Descripción de la etapa:
Al disminuir la presión dentro del evaporador, por medio de la generación
de vacío, se comienza a calentar la materia prima, dicho proceso se
realizara accionando el interruptor manual de un calentador de
resistencia, este dejara de operar en cuanto se alcanza la temperatura
deseada y volverá a operar en cuanto la temperatura de la materia prima
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sea menor que la deseada, estas acciones de encendido y apagado del
calentador son realizadas por el operador.
Figura 2. 4 Aumento de temperatura de la materia prima
Etapa de extracción de producto final (Concentrado de jugo de naranja).
Elementos que componen la etapa:
Válvula manual.
Descripción de la etapa:
Al cumplir con los ciclos necesarios para evaporar el agua del jugo de
naranja y así obtener un concentrado, las condiciones iniciales del
evaporador se restablecen (A presión atmosférica y a temperatura
ambiente), para poder extraer el concentrado de jugo de naranja, la
extracción se realiza mediante la apertura manual de una válvula que se
encuentra en la parte inferior del evaporador y por medio de gravedad el
concentrado de jugo es extraído.
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Figura 2. 5 Extracción manual de concentrado
2.2 Condiciones actuales del producto
En seguida se muestra un estudio realizado mediante preguntas con base a las cualidades
que presentaba el producto elaborado en el prototipo, así como las gráficas respectivas.
2.2.1 Consistencia del producto final
Como se ha mencionado, el proceso carece de automatización y bajo estas condiciones
se determinó la consistencia del producto final, para ello se empleó un método
cualitativo en donde el instrumento para la recopilación de información fue la encuesta
atreves de la degustación del producto, debido a que es un producto alimenticio en etapa
de desarrollo el cual depende de la formula, la consistencia o de los ingredientes.
La metodología consistió en que el evaporar en su estado actual operara durante cinco
ocasiones produciendo cinco lotes de producto, los cuales serían degustados por una
muestra de treinta personas, al término de la degustación, los degustadores responderían
una encuesta la cual se divide en dos partes, a continuación se presentan los resultados
obtenidos en la primera parte de la encuesta la cual se basa en preguntas relacionas con
la consistencia del producto.
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Los resultados de la primera pregunta de la encuesta se presentan en la figura 2.6 se
puede observar que los degustadores respondieron que la pruebas no mantenían una
consistencia.
Figura 2. 6 Encuesta consistencia entre degustaciones
Si existía una inconsistencia en el producto, era necesario saber si esta variaba
demasiado entre cada una de las pruebas, es decir se quería saber si solo eran un poco
diferentes o demasiado diferentes, por lo cual la segunda pregunta fue diseñada para
poder aportar estos datos, los resultados se observan en la figura 2.7
Figura 2. 7 Encuesta variación entre degustaciones
Como se mencionó anteriormente las pruebas a degustar son de diferentes lotes pero del
mismo proceso, en el caso de que la consistencia de producto variara demasiado era
necesario saber si el degustador tendría la certeza de que cada prueba era de diferente
proceso.
23%
77%
¿Se mantiene la consistencia del producto en las cinco pruebas que degusto?
SI
NO
87%
13%
¿La consistencia entre cada una de las pruebas varia demasiado?
SI
NO
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Figura 2. 8 Encuesta percepción de origen de degustaciones
Con los resultados obtenidos en la cuesta se puede determinar que cada lote que se
fabrica no guarda consistencia con ningún otro lote que se haya fabricado o que se vaya
a fabricar y no solo eso la diferencia es tan grande que se considera que cada prueba
proviene de diferente proceso.
2.2.2 Aceptación en el mercado
Previamente se mencionó que la encuesta realizada consistía en dos partes, la primera
parte nos permitiría determinar la consistencia del producto, ahora la segunda parte se
enfoca en determinar la aceptación del producto, por lo cual se tuvo que aclarar que las
pruebas degustadas provenían de un mismo proceso, posteriormente se preguntó a los
degustadores, si ellos consideraban que el producto era de calidad, con esta pregunta se
tendría una idea de que a pesar del método de producción, era posible que el público
aceptara el producto bajo su criterio de calidad.
Figura 2. 9 Encuesta percepción de la calidad del producto
En la última pregunta de la encuesta se procedió a obtener información acerca de la
adquisición del producto, teniendo en cuenta que existen productos que a pesar de sus
características pueden o no ser adquiridos, a continuación de presentan los resultados.
63%
37%
¿Considera usted que cada prueba es de diferente proceso?
SI
NO
40%
60%
¿Considera que el producto es de calidad?
SI
NO
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Figura 2. 10 Encuesta adquisición del producto
Al término de la segunda parte de la encuesta se pude concluir que al no satisfacer la
perspectiva de calidad el producto este no será aceptado en el mercado, por lo cual es
necesario que el proceso de fabricación sea modificado, teniendo como objetivo el
mejoramiento del producto.
2.3 Problemática del proceso actual
A continuación se muestra la metodología seguida para la localización de la
problemática de mayor relevancia en la elaboración del producto.
2.3.1 Análisis de la problemática por diagrama de Causa-Efecto
Como bien se sabe el proceso actual presenta como principal problemática el ser un
evaporador poco eficiente, esto se ha podido constatar al momento de describir
anteriormente los elementos y las etapas que lo constituyen, a continuación dicho
problema se analizara mediante el diagrama de causa y efecto de la figura 2.11.
13%
87%
¿Con base en las características degustadas adquiriría este producto?
SI
NO
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Figura 2. 11 Diagrama de causa y efecto de la problemática del evaporador
Como se puede observar el diagrama de causa y efecto nos aporta información muy
importante de donde se encuentran la mayoría de las causas que provocan nuestro
problema, siendo el método y la maquinaria, las que acumulan la mayoría de las causas,
dichas causas se deben a que el proceso carece de automatización.
2.3.2 Análisis atreves de la matriz FODA
Para tener otro enfoque, se realizara un análisis FODA con objetivo de analizar “Las
características actuales del evaporador”, tomando en cuenta las causas determinadas en
el diagrama de causa y efecto, logrando una perspectiva más clara del efecto que tienen,
con lo cual se determinara cuáles son los pasos a seguir para la solución del problema
(Figura 2.12).
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Figura 2. 121 Análisis de la problemática mediante matriz FODA
Atreves de la matriz FODA y el diagrama de causa y efecto, se determina que el
problema principal, es la inexistencia de automatización, ya que los problemas que
presenta el evaporador en la actualidad pueden ser solucionados al automatizar el
proceso, algunas ventajas de la automatización es que logra que los procesos sean:
Eficientes.
Confiables.
Seguros.
2.4 Solución propuesta
En seguida se podrá observa la automatización que se empleara en la solcuion del
problema tomando en cuenta las ventajas y desventajas de cada tipo, se hara la elección.
2.4.1 Tipo de automatización a emplear
Anteriormente en el Capítulo 1 se hizo mención de los tipos de automatización
enfocándose en una descripción, a continuación en la tabla 2.2 se hará mención de las
desventajas y ventajas de cada tipo, esto con el objetivo de determinar cuál es el tipo de
automatización que mejor se adapte al prototipo, con lo cual se podrá obtener una
perspectiva o tendencia de los equipos necesarios y la manera en que se integraran para
lograr el tipos de automatización determinado.
Fortalezas (+)
•Ser sencillo en su construcción
•Mantenimiento económico
•Ser un proceso económico
Debilidades (-)
•Ser un proceso manual
•Sin consistencia en producto final
•Falta de instrumentos y equipo
•Dependencia de la intuición del operador
•Sin presencia de automatización
•Sin tiempos predeterminados de operación
•Riesgoso para el operador
•No se pueden detectar fallas fácilmente
•Baja producción
•Proceso lento
Oportunidades
•Reducción de procesos manuales
•Homogeneidad en producto final
•Aplicación de instrumentos de medición
•Aplicación de un controlador
•Incorporación de elementos automatizados
•Creación de rutinas con tiempos preestablecidos
•Nula intervención humana en procesospeligrosos
•Detección de fallas a través del controlador
•Aumento en la producción
•Aumento de velocidad de produccion
Amenazas
•Ser un proceso costoso
•Aumento en la complejidad del proces
•Aumento en los costos de mantenimiento
•Necesidad de personal especializado
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Gracias a la tabla 2.2 se ha podido determinar que el mejor tipo de automatización que
se adapta al prototipo es la “Automatización programable”, debido a que las ventajas
que presentan en este tipo, son las características necesarias para el prototipo, pensando
en las condiciones en las que se encuentra y a las que se piensa llegar. Además como ha
sido mencionada en la literatura puede presentar algunas variaciones pero nunca tantas
como la flexible así que será posible usar en la producción de diferentes concentrados.
2.4.2 Propuesta de automatización
A continuación se presenta la propuesta de automatización, en la cual se planea la
implementación de una serie de nuevos elementos, a continuación se describirá la
propuesta:
Tabla 2. 2 Ventajas y desventajas de tipos de automatización
Ventajas Automatización
fija
Automatización
programable
Automatización
flexible
Volúmenes de producción muy altos
Volúmenes de producción medio
Volúmenes de producción relativamente bajos
Alto rendimiento en producción
Diversidad en la producción a obtener
Adaptación a variaciones en el producto
Distribución del trabajo en estaciones
Mínimos tiempos muertos debido a
modificaciones
Desventajas Automatización
fija
Automatización
programable
Automatización
flexible
Fuerte inversión en equipo de ingeniería
Alto consumo de energía
Vida útil dependiente de la demanda del
producto
Poca adaptación a cambios en el producto
Implementación de instrumentos sensibles
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Etapa de gestión y control del proceso
Elementos a incorporar
HMI y PLC
Descripción de modificaciones o implementaciones
Desde el HMI se podrá visualizar información del proceso, así como del estado
en el que se encuentran, de igual forma se podrá emplear como una estación de
control remota del proceso, por su parte el PLC atreves de sus entrada y salidas
estará recibiendo y mandando información de cada una de las etapas, dicha
información será transmitida al HMI por medio de la comunicación OPC.
Etapa de bombeo
Elementos a incorporar
Relevador-Contactor, bomba centrifuga
Descripción de modificaciones o implementaciones
El PLC mandara una señal al relevador-contactor, dicha señal determinara el
accionamiento de la bomba centrifuga, el relevador será el intermediario entre el
sistema de control y el sistema de potencia.
Etapa de generación de vacío
Elementos a incorporar
Relevador-Contactor
Descripción de modificaciones o implementaciones
Anteriormente el accionamiento del compresor frigorífico era realizado por el
operador atreves de un interruptor manual, se propone el reemplazo de esta
condición a través de la implementación de un relevador-contactor el cual
accionara el compresor de acuerdo a la señal que reciba del PLC.
Etapa de aumento de temperatura
Elementos a incorporar
Relevador-Contactor
Descripción de modificaciones o implementaciones
Como se ha mencionado anteriormente las etapas del proceso en su mayoría son
manuales y esta etapa no es la excepción, ya que dependía de la intervención del
operador, nuevamente se propone un relevador-contactor para la solución a este
problema, el cual accionara el calentador de resistencia dependiendo de la señal
que reciba del PLC.
Etapa de aislamiento del sistema
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Elementos a incorporar
Relevador-Contactor y electroválvulas
Descripción de modificaciones o implementaciones
En etapas anteriores el accionamiento de los elementos se realiza atreves de un
relevador-contactor, esta etapa no será la excepción, por lo cual el accionamiento
de las electroválvulas se realizara de la misma manera, como resultado se
reducirá la intervención del operador, una de grandes ventajas del empleo de las
electroválvulas es el accionamiento simultaneo de varias de ellas.
Etapa de medición de variables
Elementos a incorporar
Termopar, transmisor de presión y sensores de nivel alto y bajo
Descripción de modificaciones o implementaciones
En el proceso actual no se cuenta con ningún instrumento de medición para las
variables presentes en el proceso, por lo cual se pretende la implementación de
un termopar para la medición de la temperatura en la materia prima, de igual
manera se propone implementar un transmisor de presión el cual estará midiendo
las condiciones de vacío, por último los sensores de nivel estarán detectando el
nivel de materia prima que hay dentro del evaporador, dichos instrumentos
estarán transmitiendo las mediciones al PLC.
A continuación se presenta de manera general la propuesta de automatización que se ha
descrito, de acuerdo a los elementos y las etapas propuestas.
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Figura 2. 13 Propuesta de automatización de acuerdo a elementos y etapas
En la figura 2.13 se muestra cada una de la etapas y los elementos a incorporar, a
continuación en la figura 2.14 se puede observar la propuesta de integración de los
elementos.
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Figura 2. 14 Propuesta de automatización de acuerdo a su integración
Una vez descrito el proceso del prototipo, los equipos con los que cuenta y su operación
en este capítulo, se pueden proponer algunos equipos con los cuales se controlara o
medirán las variables importantes del mismo, lo cual se muestra en el capitulo III.
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CAPÍTULO III
Selección de equipo
En este capítulo se hará una descripción de varios de los elementos a implementar, logrando
seleccionar los equipos necesarios y más adecuados para la automatización del proceso
como la bomba centrifuga, sensores, electroválvulas, etc.
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3.1 Selección de equipo
En la propuesta de ingeniería se propusieron los elementos a emplear, para lograr la
automatización del proceso dando como resultado la solución del problema, pero en la
actualidad existe una gran variedad de elementos disponibles y es necesario realizar una
selección; dichos elementos deben ser seleccionados de acuerdo a la aplicación y
características del proceso.
3.1.1 Selección de bomba En la propuesta de automatización se pretende implementar una bomba centrifuga para
el transporte de materia prima del tanque de almacenamiento al evaporador, debido a
que se manejaran flujos pequeños durante periodos intermitentes, es recomendable que
su alimentación sea trifásica, ya que operan de una mejor manera bajo dichos periodos,
debido a las características del proceso se requiere una bomba de baja potencia, en el
rango de½ a 1 Hp, a continuación en la tabla 3.1 se examinaran algunas de bombas
centrifugas más comunes en el mercado.
Tabla 3. 1 Selección de bomba centrifuga
Características WATER PUMP
WEQUP QB-60
BOMBA
TRUPER
BOAP-3/4 10069
WÁTER PUMP
A.M.P. QB-60
Flujo máximo 35 l/min ------------------- 40 l/min
Altura máxima 35 m 65 m 35 m
Profundidad de succión 9 m 8 m 6 m
Corriente 5 A 7.6 A 4.2 A
Potencia 0.5 Hp 0.75 Hp 0.5 Hp
Alimentación 110 V 120 V 220 V
RPM 3450 3450 3450
Como se puede observar la bomba que cumple con las características necesarias es la
bomba A.M.P. QB-60 (Figura 3.1) ya es la mejor opción debido a que tiene el menor
consumo de corriente, a pesar de aportar un flujo máximo superior a las otras bombas,
de igual manera cuenta con una alimentación trifásica, dicha característica será necesaria
en el proceso debido a que podrá operar por periodos intermitentes.
Figura 3. 1 Bomba A.M.P. QB-60
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3.1.2 Selección de sensor de temperatura
Como se ha mencionado es necesario mantener una determinada temperatura dentro del
evaporador, por lo tanto es indispensable la medición de dicha variable, de igual manera
se el proceso no cuenta con sustancias peligrosas, por lo cual se propuso el empleo de un
sensor de temperatura ya que este tipo de dispositivos se encuentran en contacto con la
sustancia a medir.
Por otro lado se sabe existen varios tipos de sensores de temperatura con diferentes
rangos de operación y aplicación, ya que cada uno de ellos opera de una mejor manera a
ciertas condiciones, en la tabla 3.2 se comparan las características de algunos sensor de
temperatura.
Tabla 3.2 Selección de sensor de temperatura
Termostato A419 Termopar K RTD Temperature
Sensor Pt100
Rango de
aplicación usual
()
-34 a 100 -200 a 1260 -100 a 200
Tipo de señal Tensión Tensión Resistencia
Ambiente de
trabajo
Atmosferas
oxidantes
Ambientes secos
libres de humedad
Aplicación Control de
temperatura de
espacio y retorno de
aire.
Hornos de
tratamiento térmico
Ideal para bajas
temperaturas, en
industrias
alimenticias
Precisión ±0.6ºC ±0.5ºC ±0.15 ºC
Tipo de uso Robusto Robusto Frágil
En las notas acerca de cada termopar se pude destacar que algunos de ellos trabajan no
toleran ciertas condiciones como son la corrosión, el vacío o atmosferas oxidantes, por
lo cual requieren ambientes específicos y algunos pueden contaminarse fácilmente
debido a esto requieren de una adecuada protección.
El proceso exige un sensor de temperatura que cumpla con sus necesidades y como se
puede observar el mejor sensor que se adapta a las cualidades del proceso es el termopar
tipo K (Figura 3.2) ya que soporta dichas condiciones sin la necesidad de protección de
igual manera se emplea en procesos térmicos, por esta razón cuenta con un rango de
aplicación adecuado para el proceso.
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Figura 3. 2 Termopar tipo K
Punta
caliente Conexión
NPT
Terminales
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3.1.3 Selección de transmisor de presión
Como se ha mencionado se trabajara con presiones de vacío, manteniendo una
determinada presión dentro del evaporador para poder crear las condiciones adecuadas
para el proceso, debido a esto es indispensable que la variable de presión sea medida,
por lo cual se propone el empleo de un transmisor de presión, a continuación en la tabla
3.3 se realiza una comparación entre diversos transmisores de presión, con el objetivo de
lograr una selección adecuada.
Tabla 3. 2 Comparación entre transmisores de presión
Cerabar T PMC131 Transmisor de
presión Dwyer
modelo 626
Cerabar T PMP135
Tipo de
medición
Presión absoluta y
manométrica.
Presión absoluta
y manométrica.
Presión absoluta y presión
manométrica en procesos
higiénicos.
El campo de
aplicación
Gases, polvos y
líquidos.
Gases y líquidos. Gases, polvos y líquidos.
Señal de
salida 4 a 20 mA. 4-20mA
0-5 VDC
1-5 VDC
0-10 VDC
0.5-4.5 VDC
4 a 20 mA
Salida de conmutación
PNP.
Conexión a
proceso G ½
½ MNPT y ¼
FNPT
G ½, 11 mm
diámetro interior
1/4˝ macho o
hembra NPT
y BSPT.
Higiene:
Abrazadera DN 22
(¾)
Tri-Clamp DN 25 a 38
Tri-Clamp DN 40 al
51
G 1
SMS 1½ "
Rango de
medición
1 a 0bar/-100 a 0 kPa
hasta 0 a 40bar/0-
4MPa
0-100 psia 0 a 1bar/0 a 100kPa hasta
0 a 40bar/0 a 4MPa
Temperatura
de procesos
De -20 a +100 °C De -18 a 93°C
De -25 a +100 °C
(+135°C por máximo una
hora)
Notas Con celda de medición
capacitivo y diafragma
de medición cerámica
Con celda de medida
piezoresistivo y diafragma
de medición metálica para
aplicaciones de higiene
Las cualidades del proceso demandan el empleo de un transmisor de presión para
satisfacer el objetivo de automatización, pero de igual manera dichas cualidades
determinan las características que deberá tener el transmisor, en dado caso el transmisor
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Cerabar T PMC131 satisface las necesidades del proceso, ya que los demás trasmisores
cuentan con características que no serían de gran utilidad al proceso, es decir, algunos
transmisores no son los adecuados, ya que se emplean en procesos específicos.
En la figura 3.3 se puede observar en transmisor seleccionado.
Figura 3. 3 Transmisor de presión Cerabar T PMC131
3.1.4 Selección de electroválvulas
Para lograr la presión de vacío requerida dentro del evaporador, es necesario sellar sus
entradas y salidas, por lo cual se propuso el empleo de electroválvulas, las cuales
permitirán el sellado del evaporador para dar lugar a la generación de vacío, en la tabla
3.4 se compran diversas electroválvulas, para lograr una selección adecuada.
Tabla 3. 3 Comparación entre electroválvulas
Electroválvula
marca Standart
Electroválvula marca
Deltrol controls
Electroválvula
marca Balay
Presión máxima 70 psi 120 psi 60 psi
Alimentación de
solenoide
220 V 120 v 120 v
Aplicación Líquidos Líquidos y gases Gases
Unidireccional
Bidireccional
La electroválvula marca Deltrol controls tiene como aplicación líquidos y gases, por lo
cual es la más adecuada para el proceso, ya que la materia prima se encontrara en estado
líquido y por otro lado el aire estará en estado gaseoso al momento de su extracción
Conexión a
NPT
Señal de 4-20mA
Cuerpo de
transmisor
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dentro del evaporado, de igual manera su accionamiento se realiza con una tensión de
alimentación de 127 V, dando como resultado la mejor opción a emplear.
Figura 3. 4 Electroválvula para proceso
3.1.5 Selección de sensores de nivel
Una de las variables a medir dentro del proceso es el nivel de materia prima dentro del
evaporador, pero al no ser un proceso continuo no se requiere de una medición precisa,
por lo cual se propone implementar sensores de nivel tipo flotador, los cuales nos
puedan aportar una señal en cuando detecten que el nivel, a continuación se presenta una
comparación de los más comunes en el mercado.
Tabla 3. 4 Comparación entre sensores de nivel
Sensor flotador de
líquido marca ZEA
Sensor flotador de
líquido marca NUT
Alimentación 220 VCA 127 VCA 220 VCA
Temperatura de
operación
10 a 40 10 a 30 10 a 50
Aplicación Líquidos no
corrosivos
Líquidos no
corrosivos
Líquidos
corrosivos
Dimensiones 15cm x 8cm x15cm 7cm x 5cm x 8cm 10cm x 4cm x 5cm
Vida útil 107 ciclos 250 ciclos 120 ciclos
Como se puede observar ninguno de los sensores de nivel cumple con las condiciones
del proceso, debido a que el proceso presentara altas aumentos de temperatura, por otra
parte se manejaran líquidos que de alguna manera tendrán un grado de corrosión, el cual
pudiera afectar su funcionalidad, por último los ciclos de operación, los cuales son muy
pocos, en consecuencia se tendrían que estar reemplazando continuamente, por
consiguiente no se logró seleccionar algún dispositivo de la tabla 3.5.
Al no contar con un dispositivo que cumpla con las características del proceso, se
propone la fabricación de los sensores, los cuales podrán trabajar con una tensión de
alimentación mucho menor a los de la tabla 3.5 y de iguala manera su vida útil será
mayor, superando el promedio de ciclos, pocas palabras deberá cumplir con las
Entrada Salida
Terminales de alimentación
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necesidad del proceso, como lo es ser resistente a líquidos corrosivos y a altas
temperaturas.
En la figura 3.6 se muestra los sensores de nivel ya fabricados, de acuerdo a las
necesidades del proceso.
Figura 3. 5 Diseño de sensor de nivel
Figura 3. 6 Sensor de nivel fabricado
3.1.6 Selección de PLC
Para lograr automatizar el proceso es necesario un Controlador Lógico Programable
(PLC), el cual deba contar con un mínimo de 7 entrada digitales para los elementos de
control como lo son los sensores y botones, de igual manera deberá contar con 6 salidas
digitales para la manipulación y accionamiento de determinador elementos y por otra
parte se necesitaran dos entradas analógicas para la medición de las variable de
temperatura y la variable de presión.
También es importante tomar en cuenta factores ambientales como lo son la humedad,
ventilación, polvo y saber si la instalación eléctrica cuenta con una alimentación
adecuada para el PLC.
Anteriormente se mencionó que se empleara automatización flexible, por lo cual se debe
considerar que el controlador sea de igual manera flexible, es decir que pueda ser
modificado a las necesidades del proceso, en pocas palabras que se puedan añadir más
entradas y salidas para la manipulas de los futuros dispositivos, a continuación den la
tabla 3.6 se hace una comparación entre los tipos de PLC que se pudieran emplear.
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Tabla 3. 5 Comparación de PLC
MicroLogix 1000 MicroLogix 1100 Step 7 200 CPU 221
Alimentación 85/264 VCA 132 VCA 120 VCA
Entradas digitales I0 a I19 I0 a I9 I0 a I5
Salidas digitales O0 a O11 O0 a O5 O0 a O4
Entradas analógicas
No aplica 2 No plica
Salidas analogicas No aplica No aplica No aplica
Expansión de módulos de entrada y salida
No
Si
Si
Comunicación OPC Si Si No
Tipo de comunicación para programación
Serial (RS232) Ethernet IP Serial (RS232)
Como se puede observar cada uno de los controladores tiene características diferentes,
pero a pesar de las diferencias entre cada controlador, el PLC MicroLogix 1100 es el que
mejor se adapta a las necesidades del proceso, por lo cual se seleccionó, ya que cuenta
con las entradas digitales necesarias y de iguala manera cuenta con las salidas digitales
necesarias, también cuenta con los canales analógicos para la medición de la variable de
presión y temperatura.
Figura 3. 7 PLC seleccionado
Entradas digitales y
analógicas
Puerto para comunicación
Ethernet
Display
Teclas de
navegación
Salidas digitales
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3.1.7 Selección de software para HMI
En esta sección no se realiza una tabla comparativa, ya que para este tipo procesos se
recomienda el empleo de LabVIEW, debido a que es un proceso en etapa de desarrollo,
dicho software tiene grandes cualidades para el desarrollo de este tipo de procesos, ya
que cuenta con un ambiente muy didáctico y de fácil entendimiento.
Para poder implementar una HMI al proceso es necesario un medio de comunicación
entre nuestro controlador y nuestra HMI, en este caso el software LabVIEW cuenta con
la comunicación OPC y de igual manera el PLC MicroLogix 1100 cuenta con este tipo
de comunicación, por lo cual es posible establecer un vínculo para la transferencia de
información.
Por último, LabVIEW da la facilidad de editar la forma de sus componentes con lo cual
se pueden crear HMI’s con un mejor diseño, el cual pudiera ser de gran ayuda en el
entendimiento del proceso.
Figura 3. 8 LabVIEW
Una vez seleccionados los equipos necesarios para el desarrollo de la automatización, se
tienen todos los elementos para la instalación y el desarrollo de la ingeniería necesaria así
como el desarrollo de la lógica de funcionamiento como la programación, en el capítulo IV
se desarrolla la instalación de cada elemento del sistema.
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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CAPÍTULO IV
Desarrollo de
ingeniería
En esta capítulo se aborda el desarrollo de la integración eléctrica y control (PLC), así
como la implementación de los equipos requeridos para la automatización del prototipo.
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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4.1 Representación tridimensional del prototipo
Una vez seleccionados lo elementos a emplear, de igual manera se propone una
instalación y distribución de los elementos, ya que algunos de ellos deben de ser
instalados de cierta manera, por lo cual en la Figura 4.1 se visualiza dicha propuesta,
cabe aclarar que en la práctica la instalación de los elementos puede variar debido a
diversos factores.
De igual manera en la figura 4.1 se puede visualizar la integración de los cada uno de
elementos propuestos, como se podrá notar el prototipo contara una bomba centrifuga
para la etapa de llenado, con electroválvula para la etapa de cierre y apertura del sistema,
un transmisor de presión, un termopar para la medición de la temperatura y sensores de
nivel.
Figura 4. 1 Representación isométrica del prototipo
En la figura 4.2 se puede visualizar la instalación y la ubicación de la bomba dentro del
prototipo, dicha bomba se encuentra ubicada en la parte inferior central del prototipo.
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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Figura 4. 2 Ubicación de bomba
De igual manera en la figura 4.3 se muestra la ubicación de la electroválvula y como se
propuso, lograran cerrar y abrir el sistema.
Figura 4. 3 Ubicación de electroválvulas
La ubicación del transmisor de presión dependerá de la sustancia que se esté midiendo,
en este caso se estará midiendo la presión de un gas, por lo cual se propone la instalación
en la parte superior del evaporador figura 4.4.
Bomba
centrifuga
Electroválvulas
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Figura 4. 4 Ubicación de transmisor
Los calentadores de resistencia mantendrá la misma ubicación de instalación (figura 4.5)
ya que no requiere de alguna modificación.
Figura 4. 5 Ubicación de calentadores de resistencia
De igual manera la ubicación del termopar se de gran importancia, debido a que es
necesario saber la cual es la temperatura de nuestra fuente de calor.
Transmisor
de presión
Calentadores de
resistencia
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Figura 4. 6 Ubicación de termopar
Como se mencionó anteriormente los sensores de nivel serán de tipo flotador y solo nos
entregaran una señal de alto y bajo nivel, como se muestra en figura 4.7 uno se
encuentra en la parte superior y otro en la parte inferior del evaporador.
Figura 4. 7 Ubicación de sensores de nivel
De igual manera que el calentador de resistencia, el compresor mantendrá la misma
ubicación debido a que no es necesaria una alteración de su ubicación.
Termopar
Sensores
de nivel
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Figura 4. 8 Ubicación de compresor
Se incorporó un tablero de control, el cual consta de un botón de paro, un botón de
arranque, tres botones y tres luces indicadoras para cada etapa, la de llenado, evaporado
y vaciado, dicho tablero se muestra en la figura 4.9.
Figura 4. 9 Ubicación de Tablero de control
El elemento intermediario entre los elementos de control y de potencia es el relevado-
contactor, se creó un banco de relevadores-contactores (figura 4.10) debido a que se
cuenta con varios elementos de potencia.
Compresor
Botón de
arranque y
paro
Luces
indicadoras Botones para
etapas
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Figura 4. 10 Banco de relevadores-contactores
Para la conexión de los elementos de control y potencia, se instalaron clemas, como se
muestra en la figura 4.11.
Figura 4. 11 Clemas de conexión
4.1.1 Diagrama de tubería e instrumentación
El diagrama de tubería e instrumentación muestra los elementos del sistema además de
cómo son conectados y comunicados entre sí, también en este diagrama se pueden
observar las variables importantes de proceso así como los valores esperados, como se
muestra en la figura 4.12.
Banco de
relevadores
contactores
Clemas de
conexiones
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La simbología de instrumentación empleada en el diagrama de tubería e instrumentación
de la figura 4.12 fue tomada de las normas de la International Society of Automation
(ISA).
Se manejan algunas propuestas ya que la referencia empleada (ISA 5.1 e ISA 5.5), nos
brinda la libertad de proponer algunos elementos que no son considerados en las normas
debido a la particularidad del sistema, por ejemplo, con las resistencias calefactoras
empleadas para aumentar la energía interna del jugo de naranja con el fin de reducir el
contenido de agua en él, se vio la necesidad de proponer una simbología respetando las
letras y símbolos que están destinados para ese fin.
Figura 4. 12 Diagrama de tubería e instrumentación
Con el fin de documentar el trabajo realizado en el prototipo y dejar las bases para un
proyecto con mayor ambición se hace la presentación de este DTI normalizado.
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En el DTI se pueden encontrar algunos etiquetas de los dispositivos estos se encuentran
la tabla 4.1 donde se describen:
Tabla 4. 1 Descripciones de etiquetas y elementos del sistema
Elemento Etiqueta Descripción
Evaporador concentrador E-00 Evaporador del prototipo Cap. Max. 25 lt
Tanque de almacenamiento E-10 Tanque donde se almacena el zumo de
naranja que será transportado al
evaporador Cap. Max. 25 lt.
Bomba centrifuga E-20
Bomba para el transporte del zumo de
naranja del tanque al evaporador
impulsada por un motor trifásico de
inducción tipo jaula de ardilla ¾ hp 220
V~ 2.5 Amp.
Compresor de pistón
oscilante E-30
Compresor generador de vacío con
pistón oscilante
120 V~ 1.5Amp.
Sistema de resistencias
calefactoras RE-40
4 resistencias calefactoras120 V~ 3.3
Amp.500 Watts
Tablero de operación TO-50
El tablero de operación cuenta con 5
botones pulsadores;
[1 Botón de Arranque BPA]
[1 Botón de Paro BPP]
[1 Botón de Llenado BPL]
[1 Botón de Evaporado BPS]
[1 Botón de Vacío BPV]
y 3 lámparas indicadoras 120 V~ 500mA
[1 Lámpara piloto (Llenando) LP1]
[1 Lámpara piloto (Evaporando) LP2]
[1 Lámpara piloto (Vaciando) LP3]
Sensor de nivel bajo INB LE
E-01
Interruptor Reed con un sistema de
flotador para la detección de nivel de
líquidos NC
Sensor de nivel alto INA LE
E-02
Interruptor Reed con un sistema de
flotador para la detección de nivel de
líquidos NC
Transmisor de presión
absoluta
PT
E-03
Transmisor de presión Cerabar T
PMC131
4 a 20 mA / de dos hilos
½ "MNPT con ¼" FNPT
11 a 30 V DC
Sensor de Temperatura TE
E-04 Termopar tipo K
Transmisor de temperatura TT
E-05 Etapa de amplificación y linealización
mediante el dispositivo AD595
Controlador lógico
programable
YIC
E-06
PLC Micrologix 1100
120V~
6 Salidas a Relevador
8 Entradas Digitales
2 Entradas Analógicas
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Tabla 4.1 Descripciones de etiquetas y elementos del sistema (CONTINUACIÓN)
Elemento Etiqueta Descripción
Relevador gobernador de
bomba ROA
Relevador
Bobina 12 VCD 25mA
Contactos
4 Polos
2 Tiros
10 Amp
220 Volts
Relevador gobernador de
compresor ROB
Relevador
Bobina 12 VCD 25mA
Contactos
2 Polos
2 Tiros
10 Amp
220 Volts
Relevador gobernador de
sistema de resistencias ROC
Relevador
Bobina 12 VCD 25mA
Contactos
4 Polos
2 Tiros
10 Amp
220 Volts
Relevador gobernador de
electroválvula SD ROD
Relevador
Bobina 12 VCD 25mA
Contactos
2 Polos
2 Tiros
10 Amp
220 Volts
Relevador gobernador de
electroválvula SE ROE
Relevador
Bobina 12 VCD 25mA
Contactos
2 Polos
2 Tiros
10 Amp
220 Volts
Relevador gobernador de
electroválvula SF ROF
Relevador
Bobina 12 VCD 25mA
Contactos
2 Polos
2 Tiros
10 Amp
220 Volts
Relevador gobernador de
electroválvula SG ROG
Relevador
Bobina 12 VCD 25mA
Contactos
2 Polos
2 Tiros
10 Amp
220 Volts
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Tabla 4.1 Descripciones de etiquetas y elementos del sistema (CONTINUACIÓN)
Elemento Etiqueta Descripción
Electroválvula de llenado SD
Electroválvula 120 V~ 200mA
Normalmente Cerrada
Conexión ¾ a ½
Empleada para permitir el transporte del
zumo de naranja del tanque al
evaporador
Electroválvula de succión SE
Electroválvula 120 V~ 200mA
Normalmente Cerrada
Conexión ¾ a ½
Empleada para abrir la tubería que
permite la succión del compresor
Electroválvula de vaciado SF
Electroválvula 120 V~ 200mA
Normalmente Cerrada
Conexión ¾ a ½
Empleada para permitir el transporte del
zumo de naranja concentrado a la etapa
de envasado
Electroválvula de alivio SG
Electroválvula 120 V~ 200mA
Normalmente Cerrada
Conexión ¾ a ½
Empleada para liberar las
sobrepresiones en el evaporador
4.1.2 Diagrama de estado tiempo
Con el diagrama estado tiempo de la figura 4.13 es claro observar el momento en el que
se activan las salidas dependiendo del estado de las entradas, etapa de proceso y el
tiempo de operación, permitiendo visualizar como es que algunos elementos son
consecutivos o inclusive son activados conjuntamente.
El diagrama presentado en la figura 4.13 solo representa el estado de las entradas y
salidas en el proceso automático, ya que como se mencionó el sistema también tiene la
posibilidad de ser operado semiautomáticamente activando cada una de las tres etapas
del proceso mediante los botones BPL, BPS y BPV.
Uno de los elementos más importantes para el operador es la interacción que puede tener
el operador con el sistema, además del HMI, también en el tablero, como se ha
mencionado, se colocaran tres lámparas indicadoras (LP1, LP2, LP3) las cuales se
activaran dependiendo de la etapa que este en proceso, en el diagrama de la figura 4.4
también se encuentran los estados de estas lámparas.
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Figura 4. 13 Diagrama estado – tiempo
4.2 Integración En la integración se muestran los diagramas y procedimientos necesarios para la
instalación de cada uno de los elementos para la automatización del prototipo, también
se muestran fotografías de cómo se realizó la implementación de los sistemas, los
diagramas de fuerza y las conexiones al PLC.
4.2.1 Construcción e instalación de sensores de nivel
Los sensores de proceso son interruptores magnéticos, estos interruptores se accionan
cuando un campo magnético es acercado a ellos en la figura 4.14 se muestra su conexión
y cómo actúan ante la presencia de un campo magnético.
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Figura 4. 14 Conexión y funcionamiento de un interruptor magnético
Para el proceso se empleó esta tecnología, el interruptor se colocó por la parte de afuera
del contenedor de evaporador, y por dentro se instaló un sistema de flotador para que
detectara la presencia de nivel, en la palanca del flotador se colocó un imán permanente,
la distancia para que el interruptor detectará el campo magnético del imán se determinó
que la distancia máxima entre el interruptor y el imán es de 15mm. En la figura 4.15 se
muestra el diagrama del sensor de flotador.
Figura 4. 15 Sistema de Flotador
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Los sensores de nivel fueron instalados sobre la pared del evaporador para determinar el
volumen adecuado de la carga del prototipo se instaló primeramente el nivel bajo y
posteriormente a la altura que producen siete litros de jugo en la figura 4.16 se muestra
la instalación física de los sensores de nivel.
Figura 4. 16 Sistema de Flotador Instalación Física
4.2.2 Diagramas eléctricos de fuerza y control
Los diagramas eléctricos muestran la ingeniera para la conexión de los elementos del
sistema para lograr la automatización del prototipo de evaporador concentrador a vacío,
se muestra el diagrama eléctrico de fuerza separado en tres partes, en el diagrama de la
figura 4.17 se muestran las conexiones de los motores tanto como el del motor trifásico
de inducción tipo jaula de ardilla, el motor monofásico del compresor generador de
vacío y el sistema de resistencias calefactoras, todos estos diagramas empleando la
simbología europea la cual se muestra en los anexos. Es importante mencionar que para
poder tener control sobre los actuadores, se emplearon relevadores con una bobina de 12
VCD y 20mA con ello no se sobrecargara la fuente del PLC.
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Figura 4. 17 Diagrama de fuerza 1 Sistema Europeo (Motores y resistencias)
En la figura 4.18 se encuentran las conexiones de cada una de las electroválvulas
empleadas para permitir el paso del zumo de naranja por las tuberías del proceso.
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Figura 4. 18 Diagrama de fuerza 2 Sistema Europeo (Electroválvulas)
Las lámparas piloto serán de gran ayuda para el operador de planta las cuales indicaran
en que parte del proceso se encuentra el prototipo lo cual se muestra en la figura 4.19.
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Figura 4. 19 Diagrama de lámparas piloto Sistema Europeo
Para la simplificación se emplearon clemas de conexión las cuales ayudan para conocer
con exactitud donde se encuentran los nodos de conexión importantes, en la figura 4.20
se muestra una fotografía de las clemas de alimentación conectada e instalada en la parte
posterior del prototipo.
Figura 4. 20 Clemas de alimentación
Los relevadores también fueron instalados en la parte posterior del prototipo en la
fotografía de la figura 4.21se encuentra el cómo se conectaron los polos y las bobinas de
los relevadores.
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Figura 4. 21 Conexiones físicas de los relevadores
Con fines de mayor claridad se muestra el diagrama de conexiones de los relevadores así
como la numeración de las terminales que se emplearon en la figura 4.22.
Figura 4. 22 Conexiones de los relevadores
También se instaló otra clema denominada clema de control la cual se observa en la
figura 4.23, en ella se conectaron las terminales del PLC, las conexiones del mismo se
encuentran explicitas en la sección 4.2.9.
Figura 4. 23 Clemas de control
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4.2.3 Instalación de electroválvulas
En la instalación se muestra cómo es que se montaron los equipos al prototipo
físicamente. Las electroválvulas fueron las primeras en ser colocadas en la figura 4.24 se
representa la electroválvula SD, la cual permite el flujo de zumo de naranja del tanque al
evaporador, así como esta se colocaron las otras cuatro electroválvulas.
Figura 4. 24 Colocación de Electroválvula SD en la tubería
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4.2.4 Construcción e instalación del tablero de control
El tablero de control se instaló en el prototipo ya que es fundamental para el operador,
que este se encuentre directamente en el proceso, y desde ahí por alguna anomalía o falla
en el sistema se pueda parar o reiniciar el sistema y/u operarlo para alguna inspección o
revisión en forma semiautomática. El HMI permite también la operación remota sin
embargo la importancia del tablero es obligar al operador a estar presente en el proceso y
así puede percatarse por medio de su experiencia si algo no va conforme a lo planeado.
El tablero de control tiene la etiqueta TO-50 (tablero de operación), dentro de sus
características operacionales están:
Arranque y paro del sistema
Operación semiautomática del sistema
Llenado
Succión [Evaporación]
Vaciado
Indicación de estado del sistema
Llenado
Evaporado
Vaciado
En la figura 4.25 se muestra la distribución del tablero de operación, en la figura 4.25 se
representan las conexiones eléctricas del tablero, algunas de estas conexiones ya se
colocaron en los diagramas de fuerza, sin embargo se muestran en esta figura para
aclarar la ubicación y distribución de los elementos en el tablero.
Figura 4. 25 Distribución de los elementos en el tablero de operación
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Figura 4. 26 Conexiones eléctricas del tablero de operación
El tablero de control se construyó de acuerdo con el diseño propuesto y se emplearon los
botones y lámparas descritas en el tabla 4.1 dando como resultado la representación que
se tiene en la figura 4.27a y 4.27b.
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Figura 4. 27a Fotografía del tablero de operación instalado y conectado [Vista Frontal]
Figura 4.27b Fotografía del tablero de operación instalado y conectado [Vista Posterior]
Para el aseguramiento del funcionamiento óptimo del equipo se retiraron las conexiones
con las cuales el prototipo contaba y se colocó una instalación nueva siguiendo las
conexiones diseñadas que se encuentran explicadas en la sección 4.2.2.
4.2.5 Conexión de los motores eléctricos La figura 4.28 muestra la fotografía de la caja de conexiones del motor trifásico tipo
jaula de ardilla, el cual tiene una configuración de conexión interna en DELTA.
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Figura 4. 28 Caja de conexiones de motor trifásico
Al igual que el motor de la bomba el motor del compresor también se le cambió la
conexión y se muestra en la fotografía de la figura 4.29.
Figura 4. 29 Caja de conexiones del compresor
4.2.6 Sistema de resistencias calefactoras Las conexiones anteriores de las resistencias calefactoras fueron retiradas ya que estas
conectaban las cuatro resistencias en paralelo, produciendo un desbalanceo en las líneas
de alimentación del sistema, para reducir el desbalanceo se optó por dividir la carga de
las resistencias en las tres líneas, ya que el relevador al tener polos independientes los
permitió, e inclusive los contactos del mismo no se ven sobrecargados, ya que estos
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soportan un máximo de 10 amperes y de esta manera solo circulan como máximo 2
amperes por ellos. Otro punto a favor es que las resistencias se encontraban conectadas
mediante unos puntos de soldadura de estaño, lo que hacía más difícil el desmontarlas
para un remplazo o mantenimiento, con las conexiones que se propusieron se emplearon
zapatas que permiten la conexión mecánica de los calefactores mecánicamente mediante
tuercas y tornillos logrando así una fácil separación de cada resistencia del sistema por
alguna anomalía presentada como se encuentra en la figura 4.30.
Figura 4. 30 Resistencias calefactoras
4.2.7 Instalación del termopar
El termopar propuesto es uno del tipo K, la instalación de un solo termopar ubicado en la
pared del evaporador se ve justificado ya que el volumen del zumo de naranja es
relativamente pequeño y la dinámica de la energía produce que el calor se esparza
rápidamente en todo el contenido.
La fotografía de la figura 4.31 representa la instalación física del termopar en el
prototipo del evaporador concentrador a vacío.
Figura 4. 31 Instalación del termopar
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El termopar tipo K ante una variación de un grado Celsius en la temperatura otorga una
tensión en el rango de los mili-voltios, mientras que el PLC tiene una resolución de 10
bits con una tensión de 0 a 10 volts de entrada en los canales analógicos, es evidente que
se necesita implementar una etapa de compensación y amplificación entre estos
elementos.
La compensación y la amplificación la conseguimos al instalar un Analog Divice
(AD595) el cual contiene un amplificador de instrumentación y el circuito de
compensación de la unión fría para un termopar tipo K, aunque se podría calibrar para
otros tipos de termopares (ver figura 4.32).
Figura 4. 32 Diagrama de AD595
Algunas características acerca de este sistema de medida son:
El circuito está calibrado a una temperatura de 25 ºC para un termopar tipo J.
A la temperatura de 25 ºC la sensibilidad del termopar es 51,08 μV/ºC.
A la temperatura de 25 ºC la ganancia del amplificador de instrumentación es
193,34.
A la temperatura de 25 ºC la tensión que el circuito entrega a su salida es de ˜ 10
mV/ºC (51,08 μV/ºC · 193,34).
En la figura 4.33 se muestran las conexiones realizadas del termopar con el AD595, con ello
la terminal de salida del AD595 produce una señal de 10mV por cada variación de 1°C, es
decir al conectar y encender el sistema producirá una señal de 200 mV por la temperatura
ambiente a la que se encuentra el aire dentro del evaporador, y esta es enviada a un canal
analógico del PLC IV2 (+).
Figura 4. 33 Conexiones del AD595
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En la figura 4.34 se presenta una fotografía de las conexiones físicas de AD495.
Figura 4. 34 Conexiones físicas del AD595
4.2.8 Instalación del transmisor de presión El transmisor de presión absoluta seleccionado en el capítulo 3, se instaló en la tapa del
evaporador ya que se debe considerar que estará midiendo la presión de un vapor
húmedo, si el transmisor es colocado en forma perpendicular al evaporador, en su
elemento primario de medición se puede formar precipitado que afectaría la medición
del transmisor.
En la fotografía de la figura 4.35 se muestra la instalación del transmisor de presión
absoluta.
Figura 4. 35 Instalación del transmisor de presión absoluta
Como se conoce el transmisor de presión absoluta entrega una señal estandarizada de 4 a
20mA, pero el canal analógico del PLC recibe una señal de 0 a 10 volts, para hacer una
adecuación de la señal se empleó una resistencia que produce una caída de tensión, la
cual es transmitida al canal analógico del PLC.
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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En la figura 4.36 se muestra un diagrama de la conexión del transmisor y la resistencia
con la que cual se cambió la variable de intensidad de corriente a tensión, para
determinar el valor de la resistencia se consideró lo siguiente:
𝑉 = 𝑅 ∗ 𝐼 → 𝑅 =𝑉
𝐼 (𝑒𝑐𝑢. 4.1)
Señal del Transmisor 4 a 20 mA
Señal para PLC 0 a 10 Volts
Si tomamos los valores máximos tenemos:
𝑅 =10 𝑣
20𝑚𝐴= 500Ω (𝑒𝑐𝑢. 4.2)
La resistencia debe de conectarse en serie con la fuente de alimentación de 12 VCD y
con el transmisor ya que el transmisor se conectara a dos hilos (ver figura 4.36).
Figura 4. 36 Conexión del transmisor de presión absoluta
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4.2.9 Conexiones del PLC Para poder mostrar las conexiones del PLC es necesario explicar en una lista de
entradas y salidas todos los dispositivos que interactúan con él, lo cual es representado
en la tabla 4.2 y tabla 4.3.
Tabla 4. 2 Lista de entradas
Dirección Descripción
I: 0/0 Interruptor de nivel bajo INB
I: 0/1 Interruptor de nivel alto INA
I: 0/2 Botón pulsador de arranque BPA
I: 0/3 Botón pulsador de arranque BPP
I: 0/4 Botón pulsador de arranque BPL
I: 0/5 Botón pulsador de arranque BPS
I: 0/6 Botón pulsador de arranque BPV
En la descripción de la tabla 4.3 se explica el elemento final que esta direccionado al bit
de salida del PLC, la etiqueta muestra la etiqueta de cada relevador que lleva a cabo la
etapa de potencia.
Tabla 4. 3 Lista de salida
Dirección Etiqueta de
relevador
Descripción
O: 0/0 RO-A y RO-G Motor de Bomba y Electroválvula de Alivio
O: 0/1 RO-B Compresor
O: 0/2 RO-C Sistema de resistencias
O: 0/3 RO-D Electroválvula de Llenado
O: 0/4 RO-E Electroválvula de Succión
O: 0/5 RO-F Electroválvula de Vaciado
La propuesta de conexiones y como se conectó físicamente el PLC se representa en la
figura 4.37.
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Figura 4. 37 Conexiones de los relevadores
En la figura 4.38 se muestra una fotografía del PLC con las conexiones físicas
respetando el diagrama de la figura 4.37.
Figura 4. 38 Instalación y conexión del PLC
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4.3 Estrategias de control
La estrategia de control empleada para el sistema es control por retroalimentación, el
controlador tiene una lógica todo nada, las variables a controlar en el prototipo de
evaporador concentrador a vacío son tres:
Temperatura
Presión
Nivel
Las variables presión y temperatura, son medidas y una variable eléctrica proporcional a
la variable de proceso es comparada con el set point programado en el controlador, de
esta comparación se obtiene una variable universal, el error, la cual dependiendo su
valor activa o desactiva el elemento final de control, que, para estas variables son, el
compresor y el sistema de resistencias calefactoras.
La variable nivel es tratada de otra manera ya que ahí solo se conoce el estado alto o
bajo del nivel, esto mediante los interruptores de nivel, esto se ve justificado ya que al
ser un proceso por lotes no es necesario conocer el valor exacto del nivel en todo
momento, además tener un elemento que proporcione una señal eléctrica proporcional al
nivel, elevaría demasiado los costos de ingeniería, sin embargo con estos interruptores
de nivel alto y nivel bajo, se cumple con los requerimientos de automatización.
4.3.1 Control de Temperatura El control de temperatura se propuso y diseño ON/OFF ya que cumple con las
características requeridas para la automatización de este prototipo, en la figura 4.39 se
representa el diagrama de bloques de la estrategia de control empleada, la banda muerta
del controlador es de 10°C, este sistema busca un equilibrio y lo encuentra en el punto
de consigna sin embargo es algo lento para llegar a él, pero lo más importante en esta
parte del control es no sobrepasar la temperatura máxima de operación y el controlador
tiene un amplio dominio sobre la variable que se ven comprometidas las características
del zumo de naranja por alguna elevación excesiva de la temperatura.
Figura 4. 39 Diagrama de bloques del lazo de control de temperatura
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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4.3.2 Control de Presión
En la figura 4.40 se muestra el diagrama de bloques del lazo cerrado de control ON/OFF
para la temperatura. En el diagrama se encuentran las variables que son de importancia
para la programación controlador, como se conoce el controlador solo activa o desactiva
el compresor el cual produce el vacío en el evaporador, dependiendo, si la presión
absoluta baja más del valor de set point programado se produce un error positivo lo cual
desactivaría el compresor, o si se produce un error negativo indicaría que la presión está
por encima del set point, con lo cual el controlador activa el compresor para obtener el
valor de presión absoluta deseado, la amplitud de la banda muerta par el controlador es
de 4 psia.
Figura 4. 40 Diagrama de bloques del lazo de control de presión
4.3.3 Control de nivel El control de nivel funciona de una manera sencilla, las retroalimentación que se tienen
del sistema son dos interruptores de nivel uno alto y bajo, el elemento que suministra el
zumo de naranja al evaporador es el motor eléctrico trifásico que mueve la bomba
centrifuga, cuando este está operando produce una altura en el nivel, cuando el nivel
alcanza la altura necesaria se desactiva la bomba y así obtenemos el nivel deseado,
cuando la etapa de vaciado termina, la señal que indica que el evaporador esta niveles
bajos es el interruptor de nivel bajo con esta señal se vuelve a iniciar el ciclo y se
suministra nuevamente zumo de naranja al evaporador (Figura 4.41).
Figura 4. 41 Diagrama de bloques del lazo de control de nivel
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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4.4 Desarrollo de programación e interfaz grafica En esta parte se hace explicito como es que se elaboró y desarrollo la programación en
escalera para PLC y la interfaz gráfica en LabVIEW.
4.4.1 Comunicación y Programación en RS Logix 500
Primeramente se establece una dirección IP a nuestra computadora. Esto se logra
ingresando a “Conexiones de Red”, posteriormente dando click secundario en
“Conexión de red de área local” e ingresar en “Propiedades”, a continuación de dara
doble click en el protocolo “Internet (TCP/IP)”. En donde se asignara la IP 192. 168.1.1
y la máscara de subred 255.255.255.0 (Figura 4.42).
Figura 4. 42 Asignación de IP
Ahora se tendrá que se tendrá que asignar una dirección IP al PLC, esto se realiza a
través del Software BOOTP/DHCP server 2.3, el cual detecta las direcciones MAC de
todos los dispositivos que se encuentren conectados a nuestra red y que no cuentan con
dirección IP, por lo cual para introducir la dirección IP a nuestro PLC se tendrá que dar
doble click sobre la MAC del PLC como se nuestra en la figura 4.47.
Figura 4. 43 Asignación de IP a PLC
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Página 101
Al dar doble click en la dirección MAC del PLC se desplegara una ventana (figura 4.44)
en la cual se ingresara la dirección IP que se desea asignar, cabe aclara que dicha
dirección IP deberá ser la misma que se le asignó a la computadora pero con la
diferencia que le último número no podrá ser igual al de otros dispositivos conectados a
la misma red y no deberá ser mayor que a 255.
Figura 4. 44 Asignación de dirección a PLC
Posteriormente se abrirá el programa RSlinx, para crear la comunicación entre el PLC y
la PC. Al abrir el programa RSlinx se mostrara la siguiente ventana (figura 4.45).
Figura 4. 45 RSlinx ventana de configuración de drivers
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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En seguida se ingresara a “Configure drivers” que se encuentra en la barra de
herramientas, al hacerlo se abrirá la ventana mostrada en la figura (figura 4.46).
Figura 4. 46 Configuración de drivers
El PLC seleccionado MicroLogix 1100 se comunica mediante el protocolo Ethernet, por
lo cual en la ventana de “Configure Drivers” (figura 4.46) se ingresara a la pestaña
“Avaliable Driver Types” y se seleccionara el controlador “EtherNet/IPDriver”. Se dará
click en “Add new” para agregar este controlador. Al hacerlo se abrirá la pantalla
mostrada en la figura 4.47; Como se muestra en la imagen, se selecciona “Browse
Remote Subnet” y en seguida se escribe la dirección IP que se asignó a nuestra
computadora y la Submascara de subred.
Figura 4. 47 Asignación de IP
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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Al término de esta configuración, se podrá verificar si la comunicación se estableció de
manera adecuada, al ir de nuevo a la barra de herramientas e ingresar a “RsWho” donde
se desplegara una ventana en la cual se puede visualizar las comunicaciones establecidas
por nuestro ordenador, como lo muestra la figura 4.48.
Figura 4. 48 Comunicaciones establecidas
Ahora se procederá a abrir el software RSlogix 500 para realizar la programación, por lo
cual se tendrá que crear un nuevo proyecto, para ello se dará click en el icono “New”,
que se encuentra en la parte superior izquierda como lo muestra la figura 4.49.
Figura 4. 49 Creación de nuevo proyecto.
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Al crear un nuevo proyecto se visualizara un ventana en la cual se mostraran todos los
PLC que se pueden programar con dicho software (figura 4.50), en nuestro caso se
seleccionara el PLC MicroLogix 1100 Serie A, ya que es el controlador que se
seleccionó para el proceso.
Figura 4. 50 RsLogix 500, selección de PLC
Al dar Click en Ok se mostrara la una pantalla (figura 4.51) en donde se desarrollara
toda la lógica del programa, mejor conocida como ambiente de trabajo.
Figura 4. 51 Ambiente de trabajo para programación
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El diagrama GRAFCET de la figura 4.52 muestra la operación del proceso, pero de igual
manera, el diagrama puede ser traducido a diagrama escalera para la programación del
PLC.
Figura 4. 52 Diagrama GRAFCET
Dónde:
Pp: Presión del proceso.
Palta: Presión de set point máxima.
Pbaja: Presión de set point minima.
Tp: Temperatura del proceso.
Talta: Temperatura de set point máxima.
Tbaja: Temperatura de set point minima.
tproceso: Tiempo de operación del proceso.
tprogramado: Set point de tiempo de operación.
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Como se puede observar en el diagrama GRAFCET, se tiene la opción de operación
manual o automática, dicha selección de operación se realizara en el HMI, siendo el
botón amarillo operación manual con direccionamiento a B3:0/0 y el botón azul
operación automática con direccionamiento a B3:2/0 (figura 4.51),
Figura 4. 53 Botones de selección de operación
Comenzaremos a explicar el programa por la parte de operación manual, ya que al
seleccionarse este tipo de operación se activara la siguiente etapa la cual es una etapa de
espera, la etapa de espera será desactivada en cuanto se presione el botón de arranque
manual, dicho botón se encuentra en el tablero de control y esta direccionado a la
entrada I0:0/1
Figura 4. 54 Arranque de operación manual
En la figura 4.53 se muestra la etapa de llenado, la cual es accionada por el botón de
llenado con una dirección de I0:0/2, dicha etapa accionara la bomba y la válvula de
llenado, de igual manera la etapa dejara de operar al momento de que el nivel sea alto.
Figura 4. 55 Etapa de llenado
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Una vez completada la etapa de llenado prosigue la etapa de evaporado, en la figura 4.54
se muestra el programa necesario para la operación de la etapa de evaporación, en donde
el calentador y el compresor se mantendrán operando en ciertos intervalos, dependiendo
de ciertas condiciones, por lo cual el uso de comparadores.
Figura 4. 56 Programa para la etapa de evaporado
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Para el accionamiento de la etapa de vaciado es necesario que se cumplan dos
condiciones la primera cumplir con el tiempo de evaporación y la segunda presionar el
botón de evaporación, al presionar dicho botón se accionara la válvula de vaciado, una
vez vaciado todo el material, el sensor de nivel desactivara la válvula de vaciado y el
proceso regresara a sus condiciones iniciales.
Figura 4. 57 Etapa de vaciado
De igual manera que la operación manual, para poder accionar el sistema es necesario un
botón de arranque, en el caso de la operación automática, el botón de arranque se
encontrara en el HMI.
Figura 4. 58 Accionamiento automático
En cuanto de presione el botón de arranque automático automáticamente se activa la
siguiente etapa, la cual es de llenado y se desactivara, en cuanto el sensor de nivel
detecte un nivel alto
Figura 4. 59 Etapa de llenado automático
En cuanto el sensor de nivel detecte un nivel alto la etapa de evaporación será accionada
automáticamente por lo cual el calentador y el compresor operaran durante intervalos de
tiempo determinados por ciertas condiciones.
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Figura 4. 60 Etapa de evaporación automática
Por último la etapa de vaciado, dicha etapa no tiene ninguna complejidad ya que al
cumplirse con el tiempo de evaporación, se acciona la etapa de vaciado y deja de operar
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la etapa de evaporación, dicha etapa pone en operación a la válvula de vaciado y deja de
operar en cuanto el sensor de nivel detecta un bajo nivel.
Figura 4. 61 Etapa de vaciado automático
Como se pudo ver cada una de las etapas acciona un determinado elemento, como se
muestra en la Figura___
Figura 4. 62 Salidas y Etapas
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4.4.2 Desarrollo de HMI en LabVIEW
Primeramente se realizó un bosquejo el cual se muestra en la figura 4.61 y es
representativo de lo que se quería encarnar en la HMI para posteriormente pasar dicha
idea con más formalidad mediante el uso del software LabView, tomando en cuenta las
limitantes del software.
Figura 4. 63 Bosquejo representativo.
Una de las grandes características de LabVIEW, es la capacidad de editar sus
componentes, esta característica es de gran ayuda al momento de diseñar una HMI, por
lo cual se editaron algunos componentes para la creación de la HMI requerida para el
proceso. Para diseñar adecuadamente la HMI fue necesario editar algunos de los
componentes de LabVIEW, para lograr esto es necesario contar con el módulo DSC para
LabVIEW, la edición de los componentes se realizó de la siguiente manera.
Se crea un archivo de control dentro de LabVIEW, como lo muestra la figura 4.62
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Figura 4. 64 Archivo de control en LabVIEW
Se desplegara una ventana como se muestra en la figura 4.63
Figura 4. 65 Archivo de control (ambiente de trabajo)
Se introducen los elementos con los cuales se quieres editar como lo muestra la figura
4.64
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Figura 4. 66 Archivo de control (elementos a editar)
Una vez introducidos los elementos a editar, se presiona el icono de “Change The
Cuztomize Mode“, al realizar esto se selecciona una de las imágenes y se da click
derecho para seleccionar”Copy to Clipboard”
Figura 4. 67 Edición de componentes en LabVIEW
Después se da click derecho sobre el elemento a editar y se seleccionara “Import Picture
from Clipboard”
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Figura 4. 68 Edición de componentes
Después de esto se eliminaran los dibujos que se emplearon para la edición de los
componentes y obtendremos nuestro componente editado o de laguna manera
personalizado. Esta acción se repetirá con todos los componentes necesarios para la HMI
requería.
Figura 4. 69 Componente editado
En la figura 4.68 muestra la HMI terminada con todos los elementos necesarios.
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Figura 4. 70 Interfaz Hombre Maquina propuesta
Con todos los elementos instalados en el prototipo y con el HMI desarrollada en
LabVIEW, en el capítulo V se realizan las pruebas de funcionamiento del sistema y se
hace la primera corrida del sistema para corroborar la funcionalidad del prototipo
automatizado.
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CAPÍTULO V
Puesta en marcha y
ajuste de sistema
En este capítulo se explicaran las pruebas que se realizaron con el prototipo así como los
elementos del sistema en particular, también se muestran resultados obtenidos a partir de
las primeras corridas del prototipo automatizado.
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5.1 Puesta en marcha del Sistema. Para la puesta en marcha del prototipo automático y la comprobación del óptimo
funcionamiento del mismo, se realizaron diferentes pruebas las cuales fueron desde las
más indispensables como lo es la comunicación entre la PC y el PLC, hasta las más
específicas como la comprobación de la compensación del termopar con la técnica
seleccionada así como la manipulación del prototipo desde la HMI diseñada en
LabVIEW.
Se probó que las conexiones físicas correspondían a las diseñadas en los diagramas
eléctricos. La comprobación se llevó a cabo con la ayuda de un multímetro verificando
la continuidad entre las terminales de los diferentes elementos que así lo indique el
diagrama eléctrico, para evitar conexiones indeseadas que pudieran provocar falsos
contactos o cortos circuitos, dicha comprobación se realizó antes de energizar el
prototipo. Esto se puede observar en la figura 5.1.
Posteriormente se procedió a energizar los elementos del prototipo, verificando que
todos los dispositivos, tales como: el PLC, la bomba trifásica, la fuente de CD, el
compresor y las botoneras funcionaran de manera adecuada con sus diferentes tensiones
de alimentación.
Figura 5. 1 Continuidad de las conexiones.
5.1.1 Pruebas de comunicación. La comunicación que se llevó a cabo entre la PC y el PLC fue mediante el protocolo
Ethernet, así que la asignación de la dirección IP de la PC se efectuó en Propiedades de
conexión de área local, esto se puede observar en la figura 5.2. El comando “ipconfig”
desde el “símbolo de sistema” nos puede servir para corroborar la IP asignada a la PC ya
que si esta no es correcta, la comunicación entre los dispositivos no podrá llevarse a
cabo debido a no estar en la misma red de comunicación.
Figura 5. 2 Asignación de IP a la PC.
Seguidamente se asignó la dirección IP al PLC con ayuda del BOOT SERVER, la cual
era idéntica a la dirección de la PC solo cambiaba el ultimo digito, esto para crear una
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red de comunicación entre ambos dispositivos. Para que finalmente en RSLinx se
seleccionara el driver EtherNet/IP Driver y así lograr la comunicación entre la estación
de ingeniería y el PLC MicroLogix 1100. La figura 5.3 muestra la ventana de RSLinx
donde se puede visualizar el árbol de comunicación creado correctamente.
Figura 5. 3 Árbol de comunicación en RSLinx.
5.1.2 Pruebas de comunicación entre la HMI y el programa Para corroborar la correcta comunicación entre la HMI diseñada en LabVIEW y la
lógica del programa de RSLogix 500, se verifico que las rutas de la HMI fueran
asignadas adecuadamente. Esto fue realizado mediante un servidor OPC creado en
RSLinx Remote OPC Server, en la siguiente figura se puede observar la selección de
servidor creado para este proyecto.
Figura 5. 4 Selección del OPC.
Un ejemplo de estas asignaciones lo podemos ver en la siguiente imagen.
Figura 5. 5 Etiqueta en LabVIEW para algún elemento.
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5.1.3 Monitoreo de las variables de proceso sin insumo alimenticio. Las variables que se monitorearon antes de que se pusiera en marcha el prototipo con
insumo alimenticio fueron la presión y la temperatura ya que estas son de vital
importancia en el proceso debido a la naturaleza del mismo, además que son tomadas
como referencias para la programación.
El monitoreo se dividió principalmente en 3 etapas, las cuales fueron las siguientes:
Mediante el multímetro
En el programa
En el HMI
La primera se realizó con ayuda de un multímetro tomando en cuenta las condiciones de
operación en las que se encontraban los instrumentos es decir la temperatura ambiente
para el termopar y la presión atmosférica para el transmisor de presión, los resultados
obtenidos se comprobaron con los calculados para determinar si los instrumentos se
encontraban calibrados de forma correcta. En la figura 5.6 se puede observar la medida
del termopar tomada desde el circuito utilizado para su compensación y liberalización,
con ayuda del multímetro.
Figura 5. 6 Lectura del termopar.
La segunda parte se hizo mediante la corrida del programa ya que las señales del
termopar y del transmisor se encuentran conectadas a las entradas analógicas del PLC y
aquí de igual forma se pudo comprobar si se encontraban en los parámetros previamente
calculados para el correcto funcionamiento de la lógica diseñada. En la figura 5.7 se
puede visualizar los valores de las entradas analógicas.
Figura 5. 7 Señales analógicas en RSLogix 500.
Finalmente el ultimo monitoreo se realizó mediante la HMI ya que en esta aparecen de
forma perceptible los valores de estas dos variables más importantes a lo largo del
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proceso, las cuales pueden ser manipuladas desde el mismo, dichas variables son la
presión y temperatura. En la figura 5.8 se puede observar lo descrito anteriormente.
Figura 5. 8 Variables en la HMI.
5.1.4 Prueba de funcionamiento de la HMI.
Para la confirmación del apropiado funcionamiento de las funciones en la HMI se
interactuó con los elementos de la misma para corroborar que las etiquetas de cada
componente del programa estén vinculadas a su respectivo botón, entrada numérica o
indicador, respecto a la lógica del programa. El óptimo funcionamiento se demostró
mediante pruebas desde la HMI, es decir el encendido del proceso, el apagado del
mismo así como la manipulación y visualización de las diferentes variables. En la figura
5.9 se puede ver la etapa en la que se encuentra el proceso después de haber sido
presionado el botón de arranque desde la HMI, esta consiste en el llenado. En esta etapa
se puede ver que se acciono el motor, la válvula de llenado, la válvula de alivio y el
sensor de nivel bajo.
Figura 5. 9 Etapa de llenado.
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5.1.5 Prueba de funcionamiento del tablero de control. Para la ratificación del correcto funcionamiento del tablero de control se realizaron
pruebas mediante el accionamiento del sistema por el ya mencionado tablero, es decir el
apagado y encendido del proceso; cabe mencionar que el tablero cuenta con 2
estaciones, en la primera solo se encuentran los botones de arranque y paro estos para
que el proceso se lleve a cabo de una forma automática y en la siguiente estación se
encuentran separadas las acciones es decir cada botón activara una etapa distinta del
proceso.
Finalmente el tablero cuenta con unas luces indicadoras las cuales solo nos notificaran
en qué etapa o transición se encuentra el proceso en determinado tiempo después de
haber comenzado.
Figura 5. 10 Tablero de control
5.2 Pruebas y Resultados Con las pruebas realizadas de forma satisfactoria y acreditadas de igual forma se obtuvo
como resultado final, que el prototipo para la obtención de concentrado de jugo tipo
evaporador funciona correctamente, de manera que puede ser manipulado de forma
física desde el tablero de control tanto como de la HMI, además de poder modificar las
variables de acuerdo a como lo requiera el proceso del prototipo para cumplir con las
características del producto final que se desee elaborar.
5.2.1 Obtención del Primer lote. Con la puesta en marcha del prototipo después de haber realizado con éxito las
diferentes pruebas se procedió a la obtención del primer lote de producción. Los
parámetros que ahí se utilizaron fueron los siguientes:
Presión: 9.6 pisa
Temperatura: 90°C
Tiempo de operación: 10 minutos
Cabe hacer mención que dichos valores fueron propuestos de forma empírica conforme
al conocimiento que se tenía del proceso antes de este trabajo, así que los resultados
obtenidos pueden presentar variaciones en sus características finales en comparación con
los resultados logrados anteriormente. En la figura 5.11 se observa los parámetros
establecidos en la HMI para la operación del prototipo y en la figura 5.12 el
funcionamiento del prototipo.
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Figura 5. 11 Parámetros establecidos en la HMI.
Figura 5. 12 Funcionamiento del prototipo.
5.2.2 Medición cualitativa del producto obtenido. Conforme al producto final obtenido, con los diferentes parámetros de operación
establecidos en el primer lote y la realización de una encuesta se observó que no eran
los esperados ya que le faltaba consistencia al producto final, esta conclusión se obtuvo
mediante un estudio que se realizó a diferentes personas las cuales sirvieron como
catadores.
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Producto anterior
Tabla 5. 1 Estudio del producto
Nombre Sabor Consistencia Acidez Color
Ricardo Gonzales P. 8 9 3 8
Ehder Martínez Cuevas 9 8 4 9
David Hernández Hernández 8 9 2 8
Brenda Pacheco Cortes 10 8 3 10
Bivian Rea Rojas 9 10 2 9
Promedio 8.8 8.8 2.8 8.8
Figura 5. 13 Cualidades del producto anterior.
Producto primer lote
Tabla 5. 2 Estudio del producto del primer lote
Nombre Sabor Consistencia Acidez Color
Ricardo Gonzales P. 7 6 3 7
Ehder Martínez Cuevas 6 7 4 6
David Hernández Hernández 8 6 2 7
Brenda Pacheco Cortes 7 5 3 8
Bivian Rea Rojas 6 6 2 5
Promedio 6.8 6 2.8 6.6
0
2
4
6
8
10
Sabor Consistencia Acidez Color
CUALIDADES DEL PRODUCTO ANTERIOR
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Figura 5. 14 Cualidades del producto del primer lote.
Los valores a utilizarse para evaluar las características del producto son 0-10
tomando en cuenta que el 0 representa lo mínimo y 10 lo máximo de la cualidad.
Las gráficas mostradas en las figuras nos representan el promedio de cada cualidad del
producto con base a los datos recabados en un grupo de 5 personas, cabe hacer mención
que las pruebas se llevaron a cabo con las mismas personas para los diferentes
productos.
Con los resultados de las tablas y graficas se puede observar que lo que varía es la
consistencia además de que el sabor no es tan concentrado como lo era anteriormente así
que necesitamos un mayor tiempo de operación para que se evapore la mayor cantidad
de agua, así mismo una presión menor para que con una mínima aplicación de calor se
elimine el exceso de agua que se encuentra en el jugo.
Así que ahora las variables modificadas serian:
Presión: 5.8 pisa
Temperatura: 75°C
Tiempo de operación: 10 minutos
5.3 Ajuste de parámetros de control Con los valores de las variables modificadas anteriormente se realizó el ajuste del
sistema mediante la HMI para así proceder a realizar nuevos lotes producción y poder
evaluar las cualidades del producto final.
Figura 5. 15 HMI con ajuste de variables.
0
2
4
6
8
10
Sabor Consistencia Acidez Color
CUALIDADES DEL PRODUCTO DEL PRIMER LOTE
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5.3.1 Obtención de los cinco lotes para su análisis con los parámetros
ajustados. Con los ajustes realizados a los parámetros se procedió a la obtención de los cinco lotes
para la evaluación de sus propiedades cualitativas. En la figura 5.16 se puede ver el
prototipo en funcionamiento así como el jugo obtenido en este.
Figura 5. 16 Prototipo y jugo.
Seguidamente se procedió a la evaluación de las características de los productos
obtenidos, mediante la misma encuesta que se utilizó en el estudio anteriormente
realizado (tabla 5.1 y 5.2), cabe hacer mención que se realizó con las mismas 5 personas,
esto para no variar los parámetros de medición.
Tabla 5. 3 Estudio del producto obtenido en los 5 lotes
Nombre Sabor Consistencia Acidez Color Lote
Ricardo Gonzales P. 10 9 2 8 1
Ehder Martínez Cuevas 9 8 3 9 2
David Hernández Hernández 9 9 2 8 3
Brenda Pacheco Cortes 8 8 3 8 4
Bivian Rea Rojas 9 9 2 9 5
Promedio 9 8.6 2.4 8.4
En la tabla 5.3 se puede ver que cada persona evaluó las características de un producto
final de cada uno de los lotes producidos. A continuación se presenta la gráfica de la
tabla 5.3.
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Figura 5. 17 Cualidades del producto de los 5 lotes.
Realizando la comparación entre la gráficas de las figuras 5.14 y figura 5.17, se puede
notar que el ajuste de parámetros fue adecuado ya que los nuevos lotes producidos
después del ajuste presentan similitud con los que se fabricaban antes de la
automatización del prototipo y dichas características eran aceptables por los
consumidores.
Figura 5. 18 Comparación graficas de las figuras 5.14 y 5.17.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Sabor Consistencia Acidez Color
CUALIDADES DEL PRODUCTO DE LOS 5 LOTES
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Sabor Consistencia Acidez Color
Comparación
Automatización de un evaporador prototipo para la concentración de jugo de naranja.
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5.4 Costos de proyecto En los costos de proyecto se describe el costo de los equipos que se utilizaron en la
automatización del prototipo, el precio de mano de obra, así como los costos secundarios de
los insumos utilizados en el proyecto.
En la tabla 5.4 se muestra la cotización de los equipos seleccionados en el capítulo III que
son necesarios para llevar a cabo la automatización del prototipo de evaporador.
Tabla 5. 4 Costos de equipos seleccionados
Equipo Nombre Cantidad Costo Costo total
Electroválvulas AEG Electrolux
12B
4 $125.00 $500.00
Transmisor de
presión
Cerabar T
PMC131
1 $5,500.00 $5,500.00
Termopar tipo K Termopar tipo "K"
TERMOSKIN
compactado
TERMOKEU
1 $250.00 $250.00
Sensores de nivel
tipo flotador
Construido 2 $100.00 $200.00
Circuito Integrado
AD595
Analog Divice
AD594/AD595
1 $450.00 $450.00
Relevadores de
poder
Relevador Omron
2x2
8 $125.00 $1,000.00
PLC PLC Micrologix
1100 modelo 1763
L16BWA
1 $5,000.00 $5,000.00
Total Equipo = $12,900.00
En la tabla 5.5 se encuentra una aproximación del costo de los servicios como lo son agua,
luz, teléfono, etc. También se contempla el costo de la mano de obra que fueron obtenidos
en la página del CONASAMI para dar un dato más exacto.
Tabla 5. 5 Costos de mano de obra
Costo Costo Semanal Costo total por
concepto
Ingeniería de proyecto $7,500.00 $22,500.00
Supervisión $4,500.00 $9,000.00
Técnico $3,500.00 $7,000.00
Total Mano de Obra = $38,500.00
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En la tabla 5.6 se muestran los costos secundarios como: computadora, impresoras,
consumibles entre otros.
Tabla 5. 6 Costos secundarios
Concepto Costo (Mensual)* Costo total por concepto
Consumo eléctrico* $ 4,500.00 $ 1,600.00
Agua* $ 2,500.00 $ 200.00
Papelería $ 1,500.00 $ 1,500.00
Costos varios $ 2,000.00 $ 2,000.00
Equipo de cómputo (8 hrs.) $ 1,500.00 $ 1,500.00
Total = $6,800.00
Sumando todos los costos tenemos un gran total del costo del proyecto de:
Equipo seleccionado + Mano de obra + Costos Secundarios=$ 58,200.00
5.5 Tiempo de operación
En la tabla 5.7 se muestra la comparación de los tiempos de producción manual y
automático, la producción anterior reflejaba muchos retrasos debidos al trabajo del
operador, se tenían demasiados tiempos muertos entre cada acción de etapas y esto
representaba perdidas en la producción. En el sistema manual no existen tiempos
muertos entre etapas es decir son inmediatas una de otra. Para medir los tiempos de
producción se cronometro desde el accionamiento de la primera etapa mediante el botón
pulsador BPA, hasta que se termina de vaciar el producto terminado, es decir hasta que
la electroválvula F se desactive y comienza nuevamente la etapa inicial, resultando un
tiempo de 15 minutos con 57 segundos, la tabla mostrada se redondean los números para
hacer más apreciable el resultado.
Uno de los objetivos de este trabajo es eficientar los tiempo de producción con esto de se
demuestra que se redujo cerca de un 60 % el tiempo de fabricación.
Los tiempos mostrados en la tabla para la operación manual son un promedio de las
operaciones en un jornada de trabajo, también ahí se ven reflejados lo tiempos muertos
de los que se habló, los cuales al término de la jordana representa tiempo en el cual no se
está produciendo concentrado y por consiguiente no hay retribución económica.
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Tabla 5. 7 Tiempos de operación
Tiempo (min)
Actividad Manual Automático
Etapa de llenado del evaporador. 6 4
Etapa de generación de vacío. 7 10
Etapa de aumento de temperatura. 10
Etapa de vaciado de producto final. 5 2
Tiempo total. 28 16
Una vez con las pruebas realizadas y con el sistema en funcionamiento se procede a
mostrar las conclusiones del proyecto y a realizar propuestas para trabajos a futuro lo
cual se presenta en el capítulo VI.
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CAPÍTULO VI
Conclusiones
En el presente capítulo se exponen las conclusiones de la automatización del prototipo
para la producción de jugo de naranja tipo evaporador así como las recomendaciones
para operación, mantenimiento y mejoras.
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Conclusiones
El propósito de este trabajo de tesis fue demostrar que la automatización implementada
en los procesos productivos tiene buenos resultados tanto en la calidez del producto
como en la producción del mismo, ya que el objetivo fundamental era abandonar el
problema de la obtención del jugo concentrado de naranja que ofrecía un prototipo
operado mediante un método artesanal.
Así pues, la aportación principal de este trabajo consiste en la implementación de un
sistema automático como un nuevo proceso productivo que impulso la competitividad
productiva, que hizo posible promover y desarrollar nuevas ventajas, básicamente
relacionada con la innovación y desarrollo tecnológico. También en el diseño de la HMI
para la manipulación del sistema así como el ajuste a diferentes parámetros de diferentes
procesos.
El sistema de producción automático de jugo concentrado a partir de un jugo natural,
desde que se vierte el jugo natural, no hay intervención del operario, es decir, el jugo no
es manipulado por el operario con base a su experiencia y conocimientos. En su lugar, el
sistema automático basado en lógica de escalera mediante la implementación de un PLC
realiza las tareas necesarias para conseguir el producto con las características cualitativas
deseadas, esto es, obtener un producto homogéneo en diferentes lotes de producción y
con un modo de producción de fácil uso.
Se ha escogido la implementación de este equipo debido a la accesibilidad y
cumplimiento de las especificaciones requeridas así como el conocimiento en su
programación, el diseño del HMI fue elaborado en el software LabVIEW, con el que se
contaba en el equipo de trabajo, es decir la estación de ingeniería.
Las pruebas realizadas al final nos demostraron el cumplimiento de nuestro objetivo ya
que en diferentes lotes de producción el producto presentaba similitud en sus
características, esto fue mediante algunos estudios elaborados; cabe hacer mención que
los parámetros fueron modificados en alguna etapa del trabajo ya que los propuestos en
primer instancia de forma empírica no cumplían con el objetivo planteado.
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Recomendaciones y trabajos a futuro
Se recomienda para trabajos futuros el análisis del producto mediante un método
analítico como lo es el uso de refractómetros, para medir la concentración de azúcar en
el jugo de naranja, y comprobar que los lotes producidos tienen una gran similitud en sus
características finales.
Además se recomienda realizar un estudio de demanda del producto para poderlo llevar
a una escala más grande en cuestiones de producción, es decir incrementar la capacidad
del prototipo así mismo estandarizarlo para cumplir con la normatividad requerida por la
industria alimenticia la cual es la NOM-120-SSA1-1994 (PRÁCTICAS DE HIGIENE Y
SANIDAD PARA EL PROCESO DE ALIMENTOS, BEBIDAS NO ALCOHÓLICAS
Y ALCOHÓLICAS).
Se propone que el mantenimiento al sistema del prototipo automático para el concentrado de
jugo tipo evaporador se realice mediante el apoyo de personal debidamente capacitado,
considerando las medidas de protección necesarias.
Para el área de salida del sistema de concentración de jugo (envasado) se sugiere el
desarrollo de la automatización del mismo y/o etiquetado para su distribución en la planta y
área de logística.
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Glosario Autorregulación: Se dice que un proceso es autorregulado cuando alcanza un nuevo
estado de equilibrio después de cualquier perturbación en alguna variable.
Desaireado: esta operación es recomendable ya que permite la extracción del aire
atrapado en la pulpa durante las operaciones previas y presenta ventajas, disminuye el
deterioro de las pulpas en el almacenamiento por oxidación, mayor uniformidad en la
apariencia y mejor color, previene la formación de espuma.
Desinfección: consiste en aplicar algún tipo de producto para eliminar la carga
microbiana que viene con la fruta. Los más frecuentemente utilizados corresponden a
cuatro grupos básicos: compuestos de cloro, compuestos de yodo, compuestos de
amónio cuaternario y compuestos germicidas de agentes tenso activos de ácido amónios.
Despulpado: es la operación de separación en la que puede entrar al equipo la fruta
entera (mora, fresa, guayaba) o pelada y en trozos o la masa pulpa-semilla separada de la
cáscara (curúba, guanábana, lúlo, maracuyá) y separar la pulpa de las partes no
comestibles.
Entrada del sistema: Es una variable que al ser modificada en su magnitud o condición
puede alterar el estado del sistema.
Histéresis: Algunos instrumentos presentan un fenómeno de "memoria" que impone una
histéresis a su respuesta. En particular, un sistema de medición de presión podría indicar
los cambios de presión según si la presión anterior era más alta o más baja que la actual.
Instrumento de medición: es un dispositivo que transforma una variable física de
interés, que se denomina variable medida, en una forma apropiada para registrarla o
visualizarla o simplemente detectarla, llamada medición o señal medida.
Perturbación: Es una señal que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema. Si la
perturbación se genera dentro del sistema se la denomina interna, mientras que la
perturbación externa se genera fuera del sistema y constituye una entrada.
Precisión: Una limitación de los sensores es la precisión, que regula el margen de
imprecisión instrumental.
Rango: Expresa los límites inferior y superior de los valores que el instrumento es capaz
de medir.
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Repetibilidad: Especifica la habilidad del instrumento para entregar la misma lectura en
aplicaciones repetidas del mismo valor de la variable medida.
Resolución: Expresa la posibilidad de discriminar entre valores debido a las
graduaciones del instrumento. Se suele hablar de cantidad de dígitos para indicadores
numéricos digitales y de porcentaje de escala para instrumentos de aguja.
Set point: Punto de ajuste
Salida del sistema: Es la variable que se desea controlar (posición, velocidad, presión,
temperatura, etc.).
Sensores o transductores: Captan las magnitudes del sistema, para saber el estado del
proceso que se controla.
Sensibilidad: Término utilizado para describir el mínimo cambio en el elemento sensado
que el instrumento puede detector.
Termolábil: sustancia que se descompone o se desnaturaliza por el calor, perdiendo,
generalmente, su actividad.
Tiempo de respuesta: La medición de cualquier variable de proceso puede implicar una
demora que debe ser definida adecuadamente. Los tiempos de respuesta se definen en
base al tiempo necesario para obtener una medida satisfactoria.
Variable Controlada (CV): Es la característica da calidad o cantidad que se mide y
controla. La variable controlada es una condición o característica del medio controlado,
entendiendo por tal la materia o energía sobre la cual se encuentra situada esta variable.
Por ejemplo, cuando se controla automáticamente la temperatura del agua, la variable
controlada es la temperatura mientras que el agua es el medio controlado.
Variable Manipulada (MV): Es la cantidad o condición de materia o energía que se
modifica por el controlador automático para que el valor de la variable controlada resulte
afectado en la proporción debida. La variable manipulada es una condición o
característica de la materia o energía que entra al proceso.
Variable de perturbación (DV): Es toda variable que tiene influencia sobre la variable
controlada pero no puede ser modificada directamente por la variable manipulada.
Zumo de naranja: Es un zumo de frutas en forma de líquido obtenido de exprimir el
interior de la naranjas (Citrus sinensis), generalmente con un instrumento
denominado exprimidor.
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Anexos
Tabla A. 1 Unidades de presión y sus factores de conversión
Figura A. 1 Simbología GRAFCET
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Figura A. 2 Simbología empleada ISA
Figura A. 3 Simbología Eléctrica Empleada del Sistema Europeo
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A.-Manual de
Operación.
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B.-Manual de
Mantenimiento
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