PROTOTIPO DE UN EXTRACTOR DE ACEITES ESENCIALES CON

PROTOTIPO DE UN EXTRACTOR DE ACEITES ESENCIALES CON SISTEMA DE CONTROL TOLERANTE A FALLOS

ADOLFO LEÓN HERNÁNDEZ LÓPEZ CÓDIGO: 2161115

LEONARDO ROMERO BOYA

CÓDIGO: 2161118

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍAS

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2018

PROTOTIPO DE UN EXTRACTOR DE ACEITES ESENCIALES CON SISTEMA DE CONTROL TOLERANTE A FALLOS

ADOLFO LEÓN HERNÁNDEZ LÓPEZ CÓDIGO: 2161115

LEONARDO ROMERO BOYA

CÓDIGO: 2161118

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecatrónico

DIRECTOR: DIEGO MARTÍNEZ CASTRO

INGENIERO ELECTRÓNICO, Ph. D.

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍAS

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2018

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Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico

JIMMY TOMBE ANDRADE Jurado

CARLOS MARIO PAREDES VALENCIA Jurado

Santiago de Cali, 8 de octubre de 2018

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Quiero dedicar a mis padres porque ellos estuvieron en los momentos más complicados durante mi vida académica, a Dios por darme la salud, inteligencia y perseverancia suficiente para culminar este proyecto, a todos los docentes involucrados en mi proceso de formación académica.

Leonardo Romero Boya

Dedico este proyecto a mi madre, la cual, con muchos esfuerzos y sacrificios hizo posible la culminación de mis estudios como ingeniero, también por el apoyo incondicional y la confianza que me ha brindado durante mis estudios y en mi vida, por enseñarme que cada vez que algo parezca difícil debo seguir adelante y no rendirme.

Adolfo León Hernández López

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CONTENIDO pág.

RESUMEN 13 ABSTRACT 14 INTRODUCCIÓN 15 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 17 2. JUSTIFICACIÓN 18 3. OBJETIVOS 19 3.1 OBJETIVO GENERAL 19 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 19 4. ANTECEDENTES Y MARCO CONCEPTUAL 20 4.1 GENERALIDADES DE LAS PLANTAS MEDICINALES 20 4.1.1 Planta medicinal 20 4.1.2 Preparado fitoterapéutico 20 4.2 ACEITES ESENCIALES 21 4.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEITES ESENCIALES 22 4.4 HISTORIA DE LOS ACEITES ESENCIALES 22 4.5 MÉTODOS DE EXTRACCIÓN DE ACEITES ESENCIALES 23 4.6 EXTRACCIÓN DE ACEITE POR ARRASTRE DE VAPOR 24

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4.7 ETAPAS DE LA EXTRACCIÓN DE ACEITES ESENCIALES POR ARRASTRE DE VAPOR 25 4.8 SISTEMAS TOLERANTES A FALLOS 26 4.9 CAUSAS DE FALLOS 27 4.10 CARACTERIZACIÓN DE LOS FALLOS 28 4.11 FILOSOFÍAS DE DISEÑO PARA COMBATIR LOS FALLOS 30 4.12 FALLOS EN SISTEMAS DE EXTRACCIÓN DE ACEITE POR ARRASTRE DE VAPOR 30 5. METODOLOGÍA 32 6. DISEÑO DEL EXTRACTOR DE ACEITES 33 6.1 PLANEACIÓN DEL PROYECTO 33 6.1.1 Descripción del producto 33 6.1.2 Premisas y restricciones 33 6.1.3 Partes implicadas 33 6.1.4 Identificación de necesidades 33 6.1.5 Organización de las necesidades 35 6.1.6 Establecimiento de las necesidades con unidades métricas 35 6.2 GENERACIÓN DE CONCEPTOS 36 6.2.1 Clarificación del problema 36 6.2.2 Descomposición funcional 37 6.2.3 Concepto 1 38 6.2.4 Concepto 2 38

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6.2.5 Concepto 3 39 6.2.6 Concepto 4 40 6.3 DISEÑO A NIVEL DE SISTEMAS 40 6.3.1 Generación de conceptos para subfunciones criticas 40 6.3.2 Árbol de clasificación de convertir energía eléctrica en energía térmica 41 6.3.3 Árbol de clasificación del sensor de temperatura 41 6.3.4 Árbol de clasificación del sistema de condensación de agua con aceite. 42 6.4 DISEÑO DETALLADO 44 6.4.1 Selección del sensor de temperatura. 44 6.4.2 Selección de sensor de nivel 44 6.4.3 Selección de sistema para generar vapor 45 6.4.4 Selección de motobombas 46 6.4.5 Selección del condensador 46 6.4.6 Selección del fluido refrigerante 46 6.5 SELECCIÓN DEL SISTEMA EMBEBIDO 47 6.5.1 Arduino uno 47 6.5.2 Raspberry pi 3 b 47 6.5.3 Udoo 48 6.6 DISEÑO MECÁNICO DEL SISTEMA 49 6.6.1 Selección del material del tanque 49 6.6.2 Análisis estático de la planta 51 6.7 DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRONICO 54

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6.7.1 Lectura de sensores 54 6.7.2 Etapa de potencia de las motobombas 55 6.7.3 Regulación de la resistencia termoeléctrica 56 6.8 DISEÑO DE LA INTERAZ GRÁFICA 58 7. SISTEMA DE CONTROL TOLERANTE A FALLOS 60 7.1 MODELO MATEMATICO 60 7.2 DISEÑO DEL CONTROLADOR DE TEMPERATURA 62 7.3 SISTEMA DE DETECCIÓN DE FALLAS EN LA RED DE SUMISTRO ELECTRICO DE LA PLANTA 63 7.4 CORRECCION DE FALLAS EN EL SISTEMA ELECTRICO 64 7.5 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO 66 7.6 PRUEBAS DE CORRECCIÓN DE FALLAS 68 8. CONCLUSIONES 69 9. RECOMENDACIONES 70 BIBLIOGRAFÍA 71 ANEXOS 73

9

LISTA DE FIGURAS pág.

Figura 1 Prototipo de sistema de extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor 21

Figura 2 Destilación por arrastre con vapor 25

Figura 3 Proceso de Extracción de aceite por arrastre de vapor 26

Figura 4 Posible causa de fallos 28

Figura 5 Caracterización de los fallos 29

Figura 6 Diagrama de caja negra 37

Figura 7 Descomposición funcional 37

Figura 8 Diseño en solidworks concepto 1 38




Figura 12 Árbol de clasificación de convertir energía eléctrica en energía térmica 41

Figura 13 Árbol de clasificación del sensor de temperatura 41

Figura 14 Árbol de los sistemas de condensación de agua con aceite 42

Figura 15 Termocupla tipo J 44

Figura 16 Interruptor de nivel tipo flotador 45

Figura 17 Resistencia termoeléctrica de 1.5KW 45

Figura 18 Condensador de vapores 46

Figura 19 Arduino UNO 47

Figura 20 RASPBERRY PI 3 MODEL B 48

Figura 21 Tarjeta electrónica UDOO QUAD 49

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Figura 22 Resistencia a el agua dulce vs Máxima temperatura en servicio 50

Figura 23 Simulación del Factor de seguridad 52

Figura 24 Simulación de cargas 53

Figura 25 Simulación de cargas vista inferior 53

Figura 26 Simulación de desplazamiento 54

Figura 27 Modulo termocupla MAC6675 55

Figura 28 Interruptor tipo flotador 55

Figura 29 Esquema del circuito para controlar el encendido y el apagado de las motobombas 56

Figura 30 Circuito para regular la tensión de la resistencia termoeléctrica 57

Figura 31 Forma de onda para un duty cycle de 25% 57

Figura 32 Forma de onda para la carga con un duty cycle del 100% 58

Figura 33 Interfaz gráfica elaborada en processing 3 59

Figura 34 Respuesta de la planta para un U(t) del 20% del duty cycle 60

Figura 35 Respuesta de la planta vs planta identificada 61

Figura 36 Diagrama de bloques del sistema 62

Figura 37 Respuesta de la planta ante un escalón de 70°C 63

Figura 38 Sensor de tensión ZMPT101B 64

Figura 39 Respuesta del esfuerzo de control ante una falla 66

Figura 40 Llenado del tanque con caléndula 66

Figura 41 Sistema sellado 67

Figura 42 Variac 67

Figura 43 Prueba de detección y corrección de fallos. Temperatura vs Tiempo 68

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LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1 Métodos de extracción de Aceites Esenciales 24

Tabla 2 Necesidades identificadas 33

Tabla 3 Clasificación de las necesidades según su grupo y su importancia 35

Tabla 4 Necesidades vs métricas 35

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LISTA DE ANEXOS pág.

Anexo A. ESPECIFICACIONES GENERALES DEL AISI 304 73 Anexo B. PLANOS DEL DISEÑO MECANICO 75 Anexo C. CONSTRUCCIÓN DEL TANQUE 80 Anexo D. DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA 83

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RESUMEN

En el siguiente trabajo se observa todo el desarrollo de un prototipo de un extractor de aceites por arrastre de vapor elaborado en la Universidad Autónoma de Occidente en el marco del semillero del Grupo de Investigación de Sistemas de Telemando y Control Distribuido (GITCoD). Para tal propósito se realizaron diferentes reuniones y entrevistas con docentes de la universidad que tienen conocimientos sobre el proceso en cuestión, como resultado de estas entrevistas se establecieron una lista de especificaciones a partir de las cuales se realizaron 3 diseños CAD diferentes; con estos tres diseños se procedió a seleccionar uno al cual se le realizó el diseño detallado y finalmente se construyó.

El siguiente paso en este proyecto fue seleccionar e implementar un controlador que permitiera regular la temperatura y que no presente sobrepasos en la respuesta. Luego se procedió a hacer diferentes pruebas de extracción de aceites para verificar el correcto funcionamiento del prototipo desarrollado. Finalmente se investigaron los fallos más comunes para este tipo de sistemas, de lo cual se logró identificar que la variación de la tensión de alimentación es una de las que más puede afectar el desempeño del sistema. Con el fallo seleccionado se procedió a evaluar diferentes métodos para detectar y compensar el efecto del fallo en la red eléctrica y se seleccionó un sistema que recalcula los parámetros del controlador dependiendo de la tensión de alimentación medida. Finalmente se realizaron pruebas de funcionamiento del sistema en ausencia y presencia de fallos que corroboran el diseño adecuado de la solución.

Palabras claves: Control, Tolerancia a fallos, Extractor de aceite, Automatización.

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ABSTRACT

The following work shows the development of a prototype of an oil extractor by steam trawling developed in the University Autónoma de Occidente in the framework of the seedbed of the Research Group of Remote Control and Distributed Control Systems (GITCoD). For this purpose, different meetings and interviews were held with university teachers who have knowledge of the process in question, as a result of these interviews a list of specifications was established from which 3 different CAD designs were made; With these three designs we proceeded to select one to which the detailed design was made and finally it was built.

The next step in this project was to select and implement a controller that would allow to regulate the temperature and that does not present overshoots in the response. Then we proceeded to do different oil extraction tests to verify the correct functioning of the developed prototype. Finally, the most common faults for this type of systems were investigated, which was achieved by identifying the variation of the supply voltage as one of the ones that could affect the performance of the system the most. With the selected fault, different methods were evaluated to detect and compensate the effect of the failure in the electrical network and a system was selected that recalculates the parameters of the controller depending on the measured supply voltage. Finally, tests were performed on the system in the absence and presence of faults that corroborate the appropriate solution.

Keywords: Control, Fault tolerance, Oil extractor, Automation.

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INTRODUCCIÓN

En Colombia se encuentran aproximadamente el 10% de las especies vegetales y animales conocidas en el mundo, lo cual brinda una ventaja para el desarrollo socioeconómico y ambiental del país. Por esto las ideas novedosas de negocios con alto valor agregado basadas en los recursos naturales mencionados anteriormente pueden generar ingresos que faciliten el cumplimiento de los objetivos de Desarrollo Sostenible en el país.

Una idea que surge es la de extracción de los aceites esenciales, los cuales están concentrados dentro de las plantas que son cultivadas en el país. Dichos aceites están constituidos en una mezcla de sustancias aromáticas que sólo la naturaleza puede producir. De acuerdo con el instituto Alexander von Humboldt, las especies con mayor volumen de comercialización en el país son la caléndula, alcachofa, valeriana, diente de león, menta, manzanilla, romero y tomillo.

Los aceites esenciales están contenidos en semillas, glándulas, pelos glandulares, sacos, o venas de diversas plantas. La mayoría de plantas contienen de 1% a 10% de contenido de aceite esencial. La cantidad media que se encuentra en la mayoría de las plantas aromáticas es alrededor de 1 a 2%. Regularmente el contenido de aceites esenciales aumenta después de la lluvia y alrededor del mediodía, cuando se ha eliminado el agua de rocío depositada sobre la planta, y ha comenzado una deshidratación antes de la humedad relativa alta de la noche; la excepción a este comportamiento se presenta en la manzanilla que alcanza una mayor concentración de aceite esencial durante la noche. La calidad y la intensidad de los aceites esenciales varían debido a variedades de la planta, condiciones de cultivo, época de recolección, parte cosechada de la planta, manejo del material vegetal, métodos de extracción, entre otros. La cantidad de principios activos (productividad) de las plantas medicinales y aromáticas están determinadas por los siguientes factores:

• Genético. Se le considera el factor principal (metabolismo secundario).

• Ontogenético. Varía de acuerdo con la edad y el estado de desarrollo de la planta.

• Ambiental. Los genes responsables de la producción de principios activos pueden ser activados o desactivados de acuerdo con las condiciones climáticas, nutricionales, y de ataque de plagas a que haya sido sometido el material vegetal.

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Según la variedad del material vegetal, parte de la planta a emplear y estabilidad del aceite esencial que se pretenda obtener, se emplean diversos procedimientos físicos y químicos de extracción, donde su correcta aplicación será lo que determine la calidad del producto final1, Tabla 1.

La destilación por arrastre con vapor de agua es el proceso más común para extraer aceites esenciales, más no es aplicable a flores ni a materiales que se apelmazan. La extracción se efectúa cuando el vapor de agua entra en contacto con el material vegetal y libera la esencia, para luego ser condensada. Con el fin de asegurar una mayor superficie de contacto y exposición de las glándulas de aceite, se requiere picar el material según su consistencia. En este proceso, el vapor de agua se inyecta desde una caldera externa por medio de tubos difusores ubicados en la parte inferior de la masa vegetal que se coloca sobre una parrilla interior de un tanque extractor, este provoca que los aceites esenciales se difundan desde las membranas de la célula hacia fuera; posteriormente los vapores de agua y aceite esencial que salen se enfrían hasta regresar a la fase liquida, y se separan en un decantador.

Los sistemas utilizados actualmente para la extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor no cuentan con sistemas de detección y control de fallos, lo que incrementa los costes en mantenimiento y su efecto en la producción y calidad de los productos.

1 Servicio Nacional de Aprendizaje SENA. Extracción de aceites esenciales. [en línea]. Repositorio institucional SENA. p 10. [Consultado: 21 de abril de 2017]. Disponible en internet: https://repositorio.sena.edu.co/bitstream/11404/1144/1/ACEITES_ESENCIALES_EXTRAIDOS_DE_PLANTAS_MEDICINALES_Y_AROMATICAS.pdf

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Actualmente existen en el mercado sistemas de extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor, pero no cuentan con un sistema de detección y control de fallos, lo que incrementa los costes en mantenimiento y su efecto en la producción y calidad de los productos.

La universidad no cuenta con equipos apropiados para la enseñanza e investigación en estas áreas, es por esta razón que con este trabajo se pretende desarrollar un prototipo que permita estudiar las temáticas de control de procesos y la detección y tolerancia a fallos, tanto en contextos académicos como de investigación. Como caso de estudio se seleccionó un subproceso de una planta procesadora de plantas medicinales por la importancia de este sector productivo para nuestra región y el país.

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2. JUSTIFICACIÓN

En la Universidad Autónoma de Occidente se ha planteado la idea de construcción de líneas de producción industrial, en este caso se ha tomado de referencia la industria de las plantas medicinales y en particular la extracción de aceites esenciales, con el fin investigar cómo se realizan los procesos de esta industria y analizar la manera de contribuir a mejorar la competitividad de las industrias regionales. Sin embargo, actualmente en la universidad no se cuenta con un prototipo que permita realizar estudios reales sobre estos procesos, y de ahí que este proyecto está encaminado a ser parte de la solución con la provisión de un prototipo de un sistema de extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor con una novedad con la que no cuentan los sistemas convencionales y es el control tolerante a fallos.

Debido a que las empresas de hoy en día están destinadas a desenvolverse en un mundo cada vez más competitivo que las obliga a adoptar nuevos modelos y estrategias industriales que resuelvan problemas relacionados con el manejo de la marca, canales de distribución de productos, certificaciones de calidad, altos costos de producción, deficiencias en los procesos y que en Colombia existe una gran demanda de subproductos de las plantas medicinales, y un creciente mercado de exportación, de ahí surge la idea de plantear el diseño y construcción de un sistema de extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor con sistema de control tolerante a fallos, la cual será un prototipo a escala de un equipo industrial que gracias a su sistema de detección y control de fallos disminuirá costos de mantenimiento, logrando un aumento en la producción, para así beneficiar a la agroindustria nacional.

Para poder realizar aportes significativos a este sector, es necesario contar con sistemas que permitan la experimentación de nuevas estrategias, y puesto que en la universidad no se cuenta con tal equipamiento se ha propuesto este proyecto con el que se pretende alcanzar un primer prototipo de un sistema de extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor, de tamaño pequeño que contemple temáticas de detección y control de fallos, y que permita realizar experimentos sobre procesos reales.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Implementar un prototipo de un sistema de extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor con sistema de control tolerante a fallos.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Especificar el sistema de extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor a desarrollar teniendo en cuenta los fallos más frecuentes en este tipo de sistemas, y que el área máxima de la base no supere 1𝑚𝑚2.

• Diseñar e implementar un prototipo del sistema especificado.

• Implementar las estrategias de detección y control tolerante a fallos.

• Realizar pruebas de funcionamiento al prototipo y documentarlo.

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4. ANTECEDENTES Y MARCO CONCEPTUAL

En esta sección se presentan los aspectos conceptuales que se tuvieron en cuenta para obtener el desarrollo del sistema de extracción de aceites esenciales objeto de este trabajo.

4.1 GENERALIDADES DE LAS PLANTAS MEDICINALES

4.1.1 Planta medicinal

Los vegetales elaboran dos tipos de componentes químicos: los principios primarios o inmediatos y los principios activos. Los principios activos son sustancias que presentan actividad farmacológica, no son comunes a todas las plantas, pero son característicos de cada especie y a veces se les considera como medios de defensa. Como ejemplo de estos metabolitos se tienen alcaloides, flavonoides, esteroides, curnarinas, taninos, aceites esenciales y muchos más.2

4.1.2 Preparado fitoterapéutico

Según el Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos –INVIMA- en el artículo 2 del Decreto 2266 de 2004 de la Constitución política de Colombia un preparado fitoterapéutico "Es el producto medicinal empacado y etiquetado, cuyas sustancias activas provienen de material de la planta medicinal o asociaciones de estas, presentado en estado bruto o en forma farmacéutica que se utiliza con fines terapéuticos. También puede provenir de extractos, tinturas o aceites. No podrá contener en su formulación principios activos aislados y químicamente definidos. Los productos obtenidos de material de la planta medicinal que haya sido procesado y obtenido en forma pura no serán clasificados como producto fitoterapéutico"3. Se clasifican en: Extractos, tinturas, aceites de infusión, infusión, tisana o agua aromática, decocción, jarabes, lociones, ungüentos y cremas.4

2 Ibíd. p 5. 3 COLOMBIA. Ministro de Salud y protección social. Decreto 2266 de 2004. [en línea]. Año de publicación 2015. [Consultado: 21 abril de 2017]. Disponible en internet: goo.gl/g5XNOC 4 Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Op. cit. p 7.

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4.2 ACEITES ESENCIALES

Los aceites esenciales son formas altamente concentradas de la parte de la planta de la cual se extraen. Consisten en una mezcla de sustancias aromáticas que sólo la naturaleza puede producir. En general, los Aceites Esenciales se definen como mezclas de componentes volátiles, productos del metabolismo secundario de las plantas. Se encuentran muy difundidos en el reino vegetal, de las 295 familias de plantas, de 60 a 80 producen aceites esenciales. Las principales plantas que contienen aceites esenciales, se encuentran en familias como: compuestas, labiadas, lauráceas, mirtáceas, rosáceas, rutáceas, umbelíferas, pináceas. 5

En la figura 4 se presenta el prototipo de un sistema de extracción de aceites esenciales por vapor.

Figura 1 Prototipo de sistema de extracción de aceites esenciales por arrastre con vapor

Fuente: Servicio Nacional de Aprendizaje SENA. Introducción a la industria de los aceites esenciales de plantas medicinales y aromáticas. [En línea]. Repositorio institucional SENA. p 18. [Consultado: 21 de abril de 2017]. Disponible en Internet: https://goo.gl/FhDuIZ

5 Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Op. cit. p 9.

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4.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEITES ESENCIALES

En condiciones ambientales, los aceites esenciales son líquidos menos densos que el agua, pero más viscosos que ella. Poseen un color en la gama del amarillo, hasta ser transparentes, en algunos casos, llegan a ser inflamables, no son tóxicos, aunque pueden provocar alergias en personas sensibles a determinados terpenoides. Son inocuos, mientras la dosis suministrada no supere los límites de toxicidad. Sufren degradación química en presencia de la luz solar, del aire, del calor, de ácidos y álcalis fuertes, generan oligómeros de naturaleza indeterminada. Son solubles en los disolventes orgánicos comunes.

Los aceites esenciales generalmente son mezclas complejas de hasta más de 100 componentes que pueden ser:

• Compuestos alifáticos de bajo peso molecular (alcanos, alcoholes, aldehídos, cetonas, ésteres y ácidos)

• Monoterpenos (C10)

• Sesquiterpenos (C15)

• Fenilpropanos6

4.4 HISTORIA DE LOS ACEITES ESENCIALES

En el Lejano Oriente empezó la historia de los aceites esenciales. Las bases tecnológicas del proceso fueron concebidas y empleadas primariamente en Egipto, Persia y la India. Sin embargo, fue en Occidente donde surgieron los primeros alcances de su completo desarrollo.

Los datos experimentales de los métodos empleados en los tiempos antiguos son escasos y vagos. Aparentemente solo el aceite esencial de trementina fue

6 LÓPEZ ARENALES, Edinson; CARVAJAL ALBARRACIN, Jose Manuel. Diseño y construcción de una planta para la extracción de aceites esenciales con capacidad para 300 Kg de material vegetal [en línea]. Trabajo de grado para optar por el título de ingeniero mecánico. BUCARAMANGA : UIS, 2009. Universidad Industrial de Santander. Facultad de ciencias físico-mecánicas. Escuela de ingeniería mecánica. 2009. p 3, 4. [Consultado el 20 de abril del 2017]. Disponible en internet: http://tangara.uis.edu.co/biblioweb/tesis/2009/130410.pdf

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obtenido por los métodos conocidos actualmente, aunque se desconoce exactamente cuál fue.

Hasta la Edad Media el arte de la hidrodestilación fue usado para la preparación de aguas florales. Cuando se obtenían los aceites esenciales en la superficie del agua floral eran desechados comúnmente, por considerarlos un sub-producto indeseado.

La primera descripción auténtica de la hidrodestilación de aceites esenciales reales ha sido realizada por Arnold de Villanova quien introdujo “el arte de este proceso” en la terapia europea. Bombastus Paracelsus (1493 – 1541) estableció el concepto de la Quinta Essentia, es decir, la fracción extraíble más sublime y posible técnicamente de obtener de una planta y constituye la droga requerida para el uso farmacológico. La definición actual de aceite “esencial” recae en el concepto desarrollado por Parcelases.

Existen evidencias de que la producción y el uso de los aceites esenciales no llegaron a ser generales hasta la mitad del siglo XVI. El físico Brunschwig (1450 – 1534) menciona sólo 4 aceites esenciales conocidos durante esa época: el de trementina, el del enebro, el del romero y el del espliego.

Con la llegada de la máquina de vapor y el uso de calderas de vapor para las industrias manufactureras (Siglo XIX), la hidrodestilación se convirtió en un proceso industrial a gran escala. Surgieron dos tipos de generadores: los de calor vivo, donde la caldera forma parte del mismo recipiente donde se procesa el material vegetal y trabaja a la temperatura de ebullición atmosférica; y las calderas de vapor, las cuales no forman parte del equipo y trabajan en un amplio rango de flujos y temperaturas para el vapor saturado. Se puede afirmar que la hidrodestilación industrial nació en el siglo XIX y durante el siglo XX se buscó mejorar los diseños mecánicos de los alambiques, minimizar el alto consumo energético requerido y controlar adecuadamente el proceso.7

4.5 MÉTODOS DE EXTRACCIÓN DE ACEITES ESENCIALES

Según la variedad del material vegetal, parte de la planta a emplear y estabilidad del aceite esencial que se pretenda obtener, se emplean diversos procedimientos físicos y químicos de extracción, donde su correcta aplicación será lo que determine la calidad del producto final como se presenta en la Tabla 1.

7 LÓPEZ ARENALES. Op. cit., p 4 - 5

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Tabla 1 Métodos de extracción de Aceites Esenciales Tipo de Método Procedimiento Productos Obtenidos

1. Método 1.1.2 Extrusión Aceites esenciales cítricos 1.2.1 Exhudación Gomas, Resinas, Bálsamos

2. Destilación

2.1 Directa

Aceites esenciales y aguas aromáticas

2.2 Arrastre con vapor de agua 2.3 Destilación -

Maceración(Liberación enzimática de agliconas en agua caliente)

3. Extracción con solventes

3.1.1 Solventes volátiles Infusiones y resinoides alcohólicos Concretos y absolutos

3.1.2 Solventes volátiles Absolutos de pomadas Absolutos d enflorados

3.2 Extracción con fluidos en estado supercrítico

Fuente: Servicio Nacional de Aprendizaje SENA. Introducción a la industria de los aceites esenciales de plantas medicinales y aromáticas. [En línea]. Repositorio institucional SENA. p 18. [Consultado: 21 de abril de 2017]. Disponible en Internet: https://goo.gl/FhDuIZ

4.6 EXTRACCIÓN DE ACEITE POR ARRASTRE DE VAPOR

En un estudio realizado por el Servicio Nacional de Aprendizaje - SENA8 se plantea que la destilación por arrastre con vapor de agua es el proceso más común para extraer aceites esenciales. La extracción se efectúa cuando el vapor de agua entra en contacto con el material vegetal y libera la esencia, para luego ser condensada. Con el fin de asegurar una mayor superficie de contacto y exposición de las glándulas de aceite se requiere picar el material según su consistencia. En este proceso el vapor de agua se inyecta desde una caldera externa por medio de tubos difusores ubicados en la parte inferior de la masa vegetal que se coloca sobre una parrilla interior de un tanque extractor, este provoca que los aceites esenciales se difundan desde las membranas de la célula hacia fuera; posteriormente los vapores de agua y aceite esencial que salen se enfrían hasta regresar a la fase liquida y se separan en un decantador. En la Figura 2 se presenta un diagrama esquemático de este proceso.

8 Servicio Nacional de Aprendizaje SENA. Op. cit. p 14.

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Figura 2 Destilación por arrastre con vapor

Fuente: Destilación por arrastre de vapor. [En línea]. Aromatecnia. [Consultado: 21 de abril de 2017]. Disponible en Internet: http://www.sana-mente.es/aromaterapia

4.7 ETAPAS DE LA EXTRACCIÓN DE ACEITES ESENCIALES POR ARRASTRE DE VAPOR

Las etapas que constituyen este proceso son las siguientes:

• Extracción por arrastre con vapor. Se carga el material vegetal a procesar. De esta etapa se obtiene como subproducto del proceso, un residuo vegetal agotado que contiene un mayor porcentaje de humedad que al inicio de la fase de extracción.

• Condensación. Al vapor generado en la cámara de extracción, el cual contiene vapor de agua y aceite esencial, se le acondiciona mediante el cambio de fase para iniciar así un proceso de separación.

• Separación del aceite. La mayor parte de los componentes de los aceites esenciales son volátiles y relativamente inmiscibles en el agua, características que permite su separación de la mezcla del destilado. En esta etapa del proceso se obtiene el Aceite Esencial como producto principal y un hidrolato al que se le considera un subproducto.

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Figura 3 Proceso de Extracción de aceite por arrastre de vapor

Fuente: Los aceites esenciales AAEE. [En línea]. Tilas blog. (3 de mayo de 2017). [Consultado: 21 de mayo de 2017]. Disponible en Internet: http://tiliasblog.blogspot.com/2017/05/los-aceites-esenciales-aaee.html

4.8 SISTEMAS TOLERANTES A FALLOS

Un sistema tolerante a fallos es aquel que ante presencia de fallos en el hardware ó errores en el software es capaz de seguir operando por medio de compensaciones las cuales se pueden ser por medio de sistemas con redundancia de hardware ó compensaciones realizadas directamente desde el software. El uso de sistemas tolerantes a fallos tiene gran importancia en sistemas de alta disponibilidad, ya que implementando estos sistemas se puede detectar, localizar y contener el fallo además que la planta recupera sus condiciones de trabajo.9

9 BASTIDA IBAÑEZ, Javier. Arquitecturas Avanzadas [En línea]. Sistemas tolerantes a fallos. Universidad de Valladolid. (7 de febrero de 2018). [Consultado abril 21 del 2017] Disponible en internet: https://www.infor.uva.es/~bastida/Arquitecturas%20Avanzadas/Tolerant.pdf

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4.9 CAUSAS DE FALLOS

Las causas por las cuales se generan fallos pueden ser muy variadas y se pueden encontrar desde el proceso de identificación de necesidades hasta su implementación y puesta en marcha. Las causas más comunes son los siguientes:

• Errores en las especificaciones. Al momento de comenzar un proceso de diseño es necesario identificar las necesidades del usuario final y posteriormente obtener las especificaciones para dicho diseño, no obstante, si las necesidades son mal interpretadas se concretan especificaciones erróneas que podrían afectar el proceso o inclusive el producto final diseñado.

• Errores en la implementación. Este tipo de fallos se presentan cuando no se siguen correctamente las especificaciones, lo cual se puede evidenciar usando elementos que no son actos para el sistema o implementar un software poco funcional.

• Defectos en los componentes. En algunos casos la procedencia de los componentes es difícil de determinar lo que no permite garantizar las especificaciones técnicas del producto y su adecuado funcionamiento. Otros defectos que se pueden presentar corresponden a la corrosión o el desgaste natural lo cual provoca fallos a largo plazo.

• Perturbaciones externas. Las perturbaciones externas corresponden a todas aquellas variaciones ambientales como lo son presión, temperatura, humedad, etc., también se consideran perturbaciones externas a campos electromagnéticos, errores del operador.

En la figura 4 se observa un diagrama con las causas de fallos con algunos ejemplos

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Figura 4 Posible causa de fallos

Fuente: AVEDILLO, María José. Introducción a la computación tolerante a fallos. [En línea]. Universidad de Sevilla. (5 de noviembre del 2013), p 10 [Consultado: 21 de abril del 2018]. Disponible en internet: http://www.us.es/esl/estudios/grados/plan_204/asignatura_2040030/proyecto_973108

4.10 CARACTERIZACIÓN DE LOS FALLOS

Para caracterizar fallos en un sistema se tiene comúnmente 5 criterios los cuales son: la causa del fallo, la naturaleza del fallo, la duración que tiene el fallo, la extensión que genera el fallo entre otros.

Las causas de los fallos pueden ser múltiples, como se vio en la selección anterior: especificaciones incorrectas en el momento del diseño, fallos en el proceso de implementación, defectos en los componentes, perturbaciones externas, etc.

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• La naturaleza de los fallos especifica la parte del sistema que falla: software o hardware, dentro del hardware, el fallo puede tener naturaleza analógica o digital.

• En cuanto a la duración, los fallos pueden ser permanentes, que se caracterizan por continuar indefinidamente en el tiempo si no se toma alguna acción correctora; intermitentes, que aparecen, desaparecen y pueden reaparecer, de forma repetida y aleatoria, y transitorios, que aparecen únicamente durante breves instantes coincidiendo con alguna circunstancia, tal como puede ser el encendido o alguna perturbación externa.

• La extensión de un fallo indica si sólo afecta a un punto localizado o si afecta a la globalidad del hardware, del software o de ambos.

• Por último, en cuanto a la variabilidad, los fallos pueden ser determinados, si su estado no cambia con el tiempo, incluso aunque cambie la entrada u otras condiciones, o indeterminados, cuyo estado puede cambiar cuando varíen algunas de las condiciones10

Figura 5 Caracterización de los fallos

Fuente: AVEDILLO. María José. Introducción a la computación tolerante a fallos. [en línea]. Características de los fallos. Universidad de Sevilla Departamento: Electrónica y electromagnetismo. Asignatura: Fiabilidad y tolerancia a fallos. (5 de noviembre de 2013), p 11. [Consultado: 21 de abril del 2018]. Disponible en internet: http://www.us.es/esl/estudios/grados/plan_204/asignatura_2040030/proyecto_973108

10 Ibíd. p. 139

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4.11 FILOSOFÍAS DE DISEÑO PARA COMBATIR LOS FALLOS

El correcto funcionamiento de un sistema ante la presencia de un fallo es de suma importancia, debido a esto se crearon diferentes técnicas para lograr este fin, de las cuales se mencionan tres de ellas a continuación11:

• Prevención de fallos es cualquier técnica capaz de evitar los fallos antes de que se produzcan. Estas técnicas incluyen la revisión de los diseños, análisis minucioso de los componentes empleados, pruebas, controles de calidad, etc. Puede también incluirse aquí el aislamiento del sistema ante perturbaciones externas tales como ruidos electromagnéticos o variaciones de temperatura, presión, etc.

• Enmascaramiento de los fallos: dentro de esta categoría se encuentran las técnicas que encubren las consecuencias de un fallo. Como ejemplo de estas técnicas podemos poner la utilización de bits redundantes en una memoria con el fin de corregir posibles errores en la memoria, de esta forma corregimos el dato erróneo antes de que el sistema lo use. Mediante estos métodos no evitamos los fallos, pero sí sus consecuencias.

• Tolerancia a fallos: ésta puede definirse como la capacidad de un sistema para continuar funcionando normalmente después de producirse un fallo. En general, cuando ocurre un fallo es necesaria la reconfiguración del sistema, es decir, la puesta en funcionamiento de elementos redundantes para sustituir al componente causante del fallo.

4.12 FALLOS EN SISTEMAS DE EXTRACCIÓN DE ACEITE POR ARRASTRE DE VAPOR

En los sistemas de extracción de aceite por arrastre de vapor se pueden presentar diferentes clases de fallos entre los cuales se mencionan los más comunes.

• Pérdidas de vapor en el tanque por mal sellado.

11 Ibíd. p. 140 - 141

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• Reducción de temperatura del agua por fallas en el suministro de energía eléctrica.

• Deformación de la estructura a causa de enfriar el tanque cuando aún está en altas temperaturas.

• Generación excesiva de vapor.

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5. METODOLOGÍA

Dada la naturaleza del prototipo que se desea desarrollar se optó por usar un diseño concurrente el cual permite realizar un trabajo simultaneo en las diferentes etapas del diseño. Esta metodología permite hacer modificaciones necesarias en la fase de diseño, aumentando el tiempo en esta fase, pero disminuye el tiempo en la fase de implementación.

A continuación, se presentan las diferentes fases que se realizaron para el desarrollo del prototipo y en cada fase se han definido tareas para cumplir con los objetivos anteriormente mencionados.

• Planeación: En este paso o ítem se busca desarrollar el mercadeo articulando la oportunidad de mercado y se define el segmento. En cuanto al diseño se consideran las plataformas del producto y la arquitectura, evaluando nuevas tecnologías. Finalmente, en cuanto a la producción se identifican las restricciones de producción, Se establece la estrategia de la cadena de suministros.

• Desarrollo conceptual: En esta etapa, en relación al mercadeo, se logran identificar las necesidades del cliente, los principales usuarios y productos de la competencia. Para el diseño se investiga la factibilidad de los conceptos, se desarrollan diseños y se ponen a prueba los prototipos. En lo que respecta a la producción, en este ítem se estiman costos de manufactura y se evalúa la factibilidad de producción.

• Diseño detallado: En este ítem respecto al mercadeo se desarrolla un plan de mercado. Para el diseño se define la geometría de las partes, se seleccionan los materiales y componentes, se definen las tolerancias permisibles y se completa la documentación de diseño industrial. Finalmente, en cuanto a la producción se define el proceso de producción de partes y piezas, se diseña el proceso de mecanizado (selección y ubicación de las máquinas herramientas), y se define el proceso de aseguramiento de la calidad.

• Prueba y refinamiento: Este ítem propone en cuanto al mercado diseñar el plan de promoción y materiales de lanzamiento. En cuanto al diseño se hacen pruebas de fiabilidad, tiempo de vida y desempeño, obteniendo las aprobaciones regulatorias; con esto se Implementan los cambios en el diseño necesarios para mejorar el producto. En cuanto a la producción se facilita el escalado de los proveedores, se refina el proceso de producción y ensamble, se entrena la fuerza de trabajo, y se refina el proceso de aseguramiento de la calidad.

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6. DISEÑO DEL EXTRACTOR DE ACEITES

6.1 PLANEACIÓN DEL PROYECTO

6.1.1 Descripción del producto

Diseñar y construir un extractor de aceites esenciales por arrastre de vapor a escala el cual pueda ser usado en las instalaciones de la Universidad Autónoma de Occidente en diferentes áreas como lo son: la automatización, control y química. Dicho extractor consta de un sistema de identificación de fallos, y un algoritmo el cual permite modificar el modelo matemático de la planta para su correcto funcionamiento ante posibles fallas que presente el sistema.

6.1.2 Premisas y restricciones

Las siguientes son las premisas y restricciones que se tienen en cuenta al momento de diseñar y construir el producto:

• El diseño final no debe exceder un costo de $2700000 COP. • El producto debe ser robusto y soportar uso constante. • Buena seguridad para los usuarios. • El producto debe soportar temperaturas internas entre 18°C y 100°C.

6.1.3 Partes implicadas

• Usuarios (Docentes y Estudiantes) • Personal de diseño y producción.

6.1.4 Identificación de necesidades

Para obtener los datos primarios se realizaron diferentes reuniones con docentes y auxiliares de laboratorio de la Universidad Autónoma de Occidente y de la Universidad del Valle, los cuales están relacionados con temáticas de extracción de

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aceites y otras áreas involucradas en este diseño. A continuación, se listan los docentes involucrados en el diseño, y en la tabla 2 se presenta el listado de necesidades identificadas.

Docente Nivel profesional Área de conocimiento

Julio C. Wilches R., UAO Magister Química Julio C. Molina B., UAO Magister Química

Adriana M. Chaurra A., UAO Ph. D Química Jorge A. Marulanda B., UAO Magister Diseño visual José I. García M., Univalle Ph. D Mecánico

Gustavo A. Rojas, UAO Magister Mecánico Raúl Álzate, UAO Ingeniero Electrónica

Diego Martínez C., UAO Ph. D Electrónica

Tabla 2 Necesidades identificadas

# Datos primarios Interpretación de necesidades 1 “Que se pueda extraer aceites de

diferentes plantas” El producto extrae aceite de gran variedad de plantas

2 “Que el agua del condensador se reutilice”

El producto posee un sistema de recirculación de agua en el condensador

3 “Que el agua del proceso se reutilice” El producto puede reutilizar el agua que se obtiene al final del proceso

4 “Que se puedan seleccionar la temperatura del proceso”

El producto puede trabajar con diferentes rangos de temperatura

5 “Que se puedan observar las variables del proceso”

El prototipo cuenta con un sistema de visualización de las variables del proceso

6 “Que se puedan escoger el tiempo que dura el proceso”

El producto permite trabajar en diferentes intervalos de tiempo

7 “Que el sistema mecánico este elaborado con materiales durables”

El producto está elaborado en materiales resistentes las condiciones de operación del proceso

8 “Que el prototipo funcione en las condiciones normales usadas en el proceso”

El prototipo opera con las condiciones reales del proceso.

9 “Que las señales de los sensores sean adecuadas”

El producto posee un correcto acondicionamiento de las señales obtenida por los sensores

10 “Que tenga buena documentación para su respectivo funcionamiento”

El prototipo posee manuales de funcionamiento y mantenimiento

11 “Que se puedan ingresar y extraer las plantas de una manera sencilla”

El producto posee fácil acceso a el interior del tanque de extracción de aceite

12 “Que sea económico” El producto no supera los $2700000

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Tabla 2. (continuación)

13 “Que sea fácil de utilizar” El producto cuenta con una interfaz didáctica para el usuario

14 “Que sea fácil de limpiar” El producto cuenta con fácil acceso para su respectiva limpieza

15 “Que tenga un buen acabado” El producto es estético

6.1.5 Organización de las necesidades

Con las necesidades identificadas (tabla 3) se procedió a clasificarlas en cinco grupos, los cuales son: atributos físicos, funcionalidad, economía, mantenimiento, durabilidad y posteriormente se le dio una respectiva importancia para facilitar la debida elaboración del Benchmarking.

Tabla 3 Clasificación de las necesidades según su grupo y su importancia # Tipo Necesidades IMP. 1 Funcionalidad El producto extrae aceite de gran variedad de plantas 5 2 Funcionalidad El producto posee un sistema de recirculación de agua en el

condensador 5

3 Funcionalidad El producto puede reutilizar el agua que se obtiene al final del proceso

4

4 Funcionalidad El producto puede trabajar con diferentes rangos de temperatura 5 5 Funcionalidad El prototipo cuenta con un sistema de visualización de las

variables del proceso 4

6 Funcionalidad El producto permite trabajar en diferentes intervalos de tiempo 5 7 Durabilidad El producto está elaborado en materiales inoxidables 4 8 Atributos físicos El prototipo opera con las condiciones reales del proceso. 5 9 Funcionalidad El producto posee un correcto acondicionamiento de las señales

obtenida por los sensores 4

10 Funcionamiento El prototipo posee manuales de funcionamiento y mantenimiento 4 11 Mantenimiento El producto posee fácil acceso a el interior del tanque de

extracción de aceite 4

12 Economía El producto no supera los $2700000 5 13 Funcionamiento El producto cuenta con una interfaz didáctica para el usuario 4 14 Mantenimiento El producto cuenta con fácil acceso para su respectiva limpieza 4 15 Atributos físicos El producto es estético 3

6.1.6 Establecimiento de las necesidades con unidades métricas

Debido a que se necesita establecer los parámetros cuantitativos, cualitativos y en algunos casos subjetivos para realizar un diseño, es necesario encontrar dichos

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parámetros en las necesidades identificadas previamente, con dicho objetivo se elaboró la siguiente tabla donde se pueden observar las necesidades con sus respectivos parámetros.

Tabla 4. Necesidades vs métricas

# Necesidades IMP. UNIDADES 1 El producto extrae aceite de gran variedad de plantas 5 Especie

2 El producto posee un sistema de recirculación de agua en el condensador 5 Binaria

3 El producto puede reutilizar el agua que se obtiene al final del proceso 4 Binaria

4 El producto puede trabajar con diferentes rangos de temperatura 5 Temperatura

5 El prototipo cuenta con un sistema de visualización de las variables del proceso 4 Binaria

6 El producto permite trabajar en diferentes intervalos de tiempo 5 Tiempo 7 El producto está elaborado en materiales inoxidables 4 Binaria 8 El prototipo opera con las condiciones reales del proceso. 5 Subjetivo

9 El producto posee un correcto acondicionamiento de las señales obtenida por los sensores 4 Subjetivo

10 El prototipo posee manuales de funcionamiento y mantenimiento 4 Binaria

11 El producto posee fácil acceso a el interior del tanque de extracción de aceite 4 Binaria

12 El producto no supera los $2700000 5 $COP 13 El producto cuenta con una interfaz didáctica para el usuario 4 Subjetivo 14 El producto cuenta con fácil acceso para su respectiva limpieza 4 Binaria 15 El producto es estético 3 Subjetivo

6.2 GENERACIÓN DE CONCEPTOS

6.2.1 Clarificación del problema

En esta parte del diseño se ha descompuesto el problema en distintas funciones para su mejor compresión y junto a diferentes entrevistas a docentes relacionados con el proceso, se lograron identificar las ramas más críticas para generar diferentes conceptos.

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6.2.2 Descomposición funcional

En esta fase del diseño se aborda el problema como una caja negra en la cual se conocen las entradas y la salida que debe tener el sistema, sin embargo, se desconoce el cómo se va a llegar a dicha salida.

Figura 6 Diagrama de caja negra

Posteriormente se hizo una descomposición funcional en la cual se analizan las diferentes funciones que debe realizar el extractor de aceites para obtener su producto final; además se analizan cómo interactúan dichas funciones, permitiendo determinar que sub-funciones son críticas para generar los conceptos.

Figura 7 Descomposición funcional

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En la figura 7. Se puede observar el flujo de entradas que debe tener el extractor y la interacciones que debe tener las sub-funciones hasta llegar a un producto final.

Con las funciones criticas ya establecidas en el diagrama de caja negra (figura 7) se elaboraron los siguientes conceptos con la finalidad de que el resultado final cumpla con todas estas funciones. Dichos conceptos se elaboraron en Solidworks y fueron evaluados por todos los docentes involucrados en el proceso químico y en el proceso mecánico.

6.2.3 Concepto 1

Este concepto consta de una entrada para el ingreso de agua, una entrada para un sensor de temperatura, una salida para el vapor generado y dos resistencias termoeléctricas, con las cuales se pensó abordar fallos en el sistema eléctrico usando redundancia de hardware, pues ante una caída de tensión ambas resistencias se encenderían para compensar la temperatura. Esta primera aproximación al prototipo final consta de ocho pernos para disminuir fugas del vapor generados al interior del tanque. Otra característica es su tamiz debido a que tiene una forma de un contenedor cilíndrico para almacenar las plantas y cuenta con una barra transversal para permitir el ingreso y la salida del tamiz al tanque.

Figura 8 Diseño en solidworks concepto 1

6.2.4 Concepto 2

En este concepto se elevó el tanque por medio de 4 perfiles en L para evitar que la superficie donde va a reposar el tanque funcione como un intercambiador de calor. Este concepto no abordó la redundancia de hardware debido a que se plantearon otras estrategias como son el uso de controladores adaptativos.

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6.2.5 Concepto 3

En este concepto la parte superior del tanque se cambió por una forma cónica con el fin de que el vapor de agua con aceites esenciales pueda salir más fácil, otra cualidad de la forma cónica es que ayuda a reducir la concentración de esfuerzos en la parte superior producida por el almacenamiento de vapor a el interior del tanque. En este diseño se consideró cambiar los perfiles en L para usar soportes de tipo cilindro y se anexo un soporte a comparación del concepto anterior. Este concepto también cuenta con acoples para manguera debido a recomendaciones de docentes que se han involucrado en el proceso de extractores de aceite.


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6.2.6 Concepto 4

Para este concepto se anexo un flanche en la parte superior del tanque como se puede observar en la figura 11 con el fin de aumentar el área de sujeción y se le anexo un empaque entre la parte superior del tanque y la tapa cónica con el fin de evitar fugas de vapor en esta unión removible, Además, este concepto cuenta con una salida para que posteriormente se pueda hacer control de presión dentro del tanque


6.3 DISEÑO A NIVEL DE SISTEMAS

6.3.1 Generación de conceptos para subfunciones criticas

En la figura 12 se puede observar en un rectángulo de color rojo las sub-funciones que se consideran más críticas debido a que estas determinan el diseño mecánico del extractor de aceite.

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6.3.2 Árbol de clasificación de convertir energía eléctrica en energía térmica

Figura 12 Árbol de clasificación de convertir energía eléctrica en energía térmica

6.3.3 Árbol de clasificación del sensor de temperatura

Figura 13 Árbol de clasificación del sensor de temperatura

Se han postulado cuatro sensores de temperatura, los cuales fueron evaluados para escoger el más idóneo.

Sensor LM35

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1 °C. Su rango de medición abarca desde -55 °C hasta 150 °C. La salida es lineal y cada grado Celsius equivale a 10 mV. Pero lastimosamente al ser un sensor de contacto no es muy recomendable para sumergirlos en diferentes líquidos.

Sensor Resistivo (RTD)

Un RTD es un detector de temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Al

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calentarse un metal existirá una mayor agitación térmica, dispersándose más los electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitación, y mayor resistencia. Por cuestiones de calibración se ha preferido no seleccionarlo.

PT100

La PT100 es un sensor de temperatura que a 0 °C tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. El montaje en planta no es complejo. El incremento de la resistencia de la PT100 no es lineal, pero si creciente y su calibración es un poco dispendiosa por lo cual ha sido descartada.

Termopar

Un termopar (llamado también Termocupla) es un sensor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña, del orden de los milivoltios, que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos. Los módulos de conexión y calibración para este sensor son muy comerciales, y los costos no son muy elevados.

6.3.4 Árbol de clasificación del sistema de condensación de agua con aceite.

Figura 14 Árbol de los sistemas de condensación de agua con aceite

Existen diversos tipos de condensadores y estos se clasifican dependiendo del arreglo, área de intercambio de calor, y de otras características. Algunos de estos condensadores son de tubo y coraza, doble tubo, compactos, entre otros. En este trabajo se estudiaron los condensadores de tubo y coraza, los cuales se pueden clasificar según su geometría y lugar donde se condensa el fluido, de la siguiente forma:

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Condensadores horizontales en la coraza. En este equipo el fluido que va a ser condensado circula por fuera de los tubos. No es apropiado para la condensación total. Tienen una alta caída de presión, sin embargo, la caída de presión puede controlarse utilizando diferentes tipos de carcasas, además el nivel de ensuciamiento se mantiene bajo.

Condensadores verticales en la coraza. La condensación ocurre fuera de los tubos. Son poco usados como condensadores en el tope, en cambio son más usados como rehervidores. La coraza puede tener bafles. Entre las ventajas de este tipo de condensador es que tiene bajo consumo de agua o fluido refrigerante y su mantenimiento no requiere detener el proceso.

Condensadores horizontales en los tubos. La condensación es por dentro de los tubos. Típicas aplicaciones de este tipo de condensadores son los condensadores de aire y los condensadores-rehervidores horizontales. Por lo general se diseñan en un arreglo de un sólo paso de tubos, o tubo en U. Son muy poco usados en arreglos multipaso. Este tipo de condensador es útil cuando se trata de fluidos que causan problemas por ensuciamiento o corrosión.

Condensadores verticales en los tubos (Flujo ascendente). La condensación es por dentro de los tubos. Es usado en los condensadores parciales, donde pequeñas cantidades de vapor ascienden mientras que el condensado desciende por gravedad. La principal desventaja ocurre cuando la velocidad del vapor ascendente impide el descenso del condensado.

Condensadores verticales en los tubos (Flujo descendente). Este arreglo es popular en la industria química. Tienen un coeficiente de transferencia de calor más elevado que en la condensación fuera de los tubos. Presentan ventajas en el caso de mezclas multicomponentes si la caída de presión se encuentra entre los límites establecidos.12

12 MENDOZA, Eugenio. Cálculo de el condensador en un intercambiador de calor [En línea]. SlideShare. (27 de enero de 2016). p 1. [Consultado 18 de marzo de 2018]. Disponible en internet: https://es.slideshare.net/macfranc/clculo-de-el-condensador-en-un-intercambiador-de-calor

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6.4 DISEÑO DETALLADO

Con los parámetros anteriormente mencionados se realizó la selección de sensores, actuadores y sistemas embebidos con los cuales el extractor cumplirá con las especificaciones mencionadas con anterioridad.

6.4.1 Selección del sensor de temperatura.

Se seleccionó una termocupla tipo J por su rango de medición y por su amplio uso en procesos similares al de extracción de aceite por arrastre de vapor.

Figura 15 Termocupla tipo J

6.4.2 Selección de sensor de nivel

Para esta instancia se han considerado los tres sensores de nivel más comunes en el mercado, y cada uno se analiza según las necesidades del sistema.

• Sensor de ultrasonido: Los sensores de ultrasonidos, o sensoresultrasónicos, son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicosy que detectan objetos a distancias que van desde pocos centímetros hasta variosmetros. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar.Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte enseñales eléctricas, pero estos sensores presentan problemas de lectura al sensarniveles de fluidos transparentes.

• Sensor infrarrojo: Particularmente el sensor infrarrojo es un dispositivoopto-electrónico capaz de medir la radiación electromagnética infrarroja de los

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cuerpos en su campo de visión. Todos los cuerpos emiten una cierta cantidad de radiación en este espectro, esta resulta invisible para nuestros ojos pero no para estos aparatos electrónicos, ya que se encuentran en el rango del espectro justo por debajo de la luz visible. Para el trabajo en un sistema como un tanque presenta problemas de adaptación.

• Sensor tipo flotador:

Un Sensor de nivel - Interruptor de flotador es un instrumento que permite la medición del nivel de líquidos para identificar si se alcanza o excede un nivel predeterminado. Estos sensores de nivel se instalan desde el exterior por medio de una rosca proporcionando un control sencillo del nivel de un líquido dentro de tanques, sentinas o recipientes similares. Por este motivo fueron los sensores de nivel seleccionados para el proyecto.

Figura 16 Interruptor de nivel tipo flotador

6.4.3 Selección de sistema para generar vapor

Para la selección de este actuador debemos tener en cuenta dos características que demanda el sistema, uno que se acople al tanque sin permitir filtraciones, dos que tenga la potencia suficiente para evaporar 12 litros de agua en menos de 40 minutos. Para ello se seleccionó una resistencia termo-eléctrica con una potencia de 1500W y con un acople roscado de pulgada y media para la instalación al tanque.

Figura 17 Resistencia termoeléctrica de 1.5KW

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6.4.4 Selección de motobombas

Al momento de seleccionar las motobombas se han realizado cálculos de caudal teniendo en cuenta el volumen del agua requerido por el sistema y el tiempo de llenado.

Motobomba para llenado del tanque: Tenemos un volumen de agua de 13.63 litros y el requisito propuesto es llenarlo aproximadamente en 1 minuto, lo que indica un caudal aproximado de 817.8 litros por hora. El equipo más cercano a ese caudal es de 1000 litros por hora.

Motobomba para refrigeración del condensador: Para la selección de este instrumento no se requirió un cálculo específico, sino simplemente un flujo constante en el condensador, por eso se decidió comprar una motobomba de 600 litros por hora.

6.4.5 Selección del condensador

Para la selección del condensador se decidió usar un flujo de vapor descendente por mayor transferencia de calor. El condensador seleccionado fue uno de vidrio de boro silicato con una longitud de 40cm y un diámetro de 4cm. Se llegó este condensador debido a recomendaciones de docentes que se han involucrado en procesos de extracción de aceite.

Figura 18 Condensador de vapores

6.4.6 Selección del fluido refrigerante

En muchos casos se sugiere el uso de agua, debido a que es un medio de fácil obtención y con una gran capacidad calorífica.13 Por recomendaciones de docentes

13 Ibíd., p. 7

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del área de química se decide que el fluido refrigerante debe estar en contra flujo para mantener una mayor transferencia de calor.

6.5 SELECCIÓN DEL SISTEMA EMBEBIDO

Para el integrar todos los sistemas de control desde una sola interfaz, se han planteado los siguientes sistemas embebidos que había a disposición.

6.5.1 Arduino UNO

Figura 19 Arduino UNO

Fuente: Arduino. Arduino UNO REV3. [en línea]. Store. [Consultado: 11 de febrero de 2018]. Disponible en Internet: https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3

Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto basada en hardware y software, flexibles y fáciles de usar. Lastimosamente es una placa muy básica para las necesidades del sistema de extracción de aceites pues no cuenta con una interfaz gráfica y depende de un computador para el monitoreo y control de los subsistemas del extractor. En los anexos, se encuentra la tabla de especificaciones técnicas del arduino UNO.

6.5.2 Raspberry pi 3 B

Raspberry Pi es un ordenador de placa reducida, el software sí es de código abierto, siendo su sistema operativo oficial una versión adaptada de Debian, denominada Raspbian, aunque permite usar otros sistemas operativos. La cantidad de pines

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análogos es baja y su capacidad de procesamiento es reducida en comparación con otros ordenadores de placa reducida.

Figura 20 RASPBERRY PI 3 MODEL B

Fuente: Raspberry pi 3B. [en línea]. Raspberry foundation. United Kingdom. [Consultado en febrero 11 del 2018]. Disponible en Internet: https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/

Las especificaciones técnicas de la raspberry pi 3 B se encuentran los anexos.

6.5.3 UDOO

UDOO es una computadora de una sola placa con un microcontrolador integrado compatible con Arduino Due. La placa está equipada con dos CPU que puede ejecutar sistemas operativos Linux o Android, también posee una gran cantidad de pines digitales y análogos gracias al Arduino Due que viene incorporado en la placa y gracias que trabaja con Linux se puede trabajar con plataformas como processing, octave y phyton. Por razones como las mencionadas anteriormente la UDOO se seleccionó para la coordinación del sistema de extracción.

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Figura 21 Tarjeta electrónica UDOO QUAD

Fuente: UDOO QUAD. [en línea]. UDOO SHOP. [Consultado: 20 de abril del 2018]. Disponible en Internet: https://shop.udoo.org/other/quad-dual/udoo-quad.html?___from_store=eu&popup=no

6.6 DISEÑO MECÁNICO DEL SISTEMA

6.6.1 Selección del material del tanque

Para la selección del material se tuvieron en cuenta los consejos obtenidos en la identificación de necesidades, estas fueron: 1) el dispositivo debe ser resistente a el óxido; 2) debe ser resistente a temperaturas cercanas a los 100°C. Se tuvieron en cuenta estos dos parámetros para seleccionar el material del extractor y con la ayuda del software CES edupack 2018 se obtuvieron los siguientes resultados.

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Figura 22 Resistencia a el agua dulce vs Máxima temperatura en servicio

Entre los materiales que se encontraron están los siguientes: Vitrocerámica, Acero inoxidable, Cemento, Mármol, Granito, Silicio, Arenisca los cuales soportan una temperatura de trabajo superior a la que se necesita en este diseño y trabajan en agua dulce sin ser afectos por esta.

Debido a esto se seleccionó el acero inoxidable AISI 304 y sus propiedades se pueden observar en los anexos. Entre las aplicaciones más comunes se encuentran las siguientes: equipos químicos y tuberías, componentes de intercambiadores térmicos, equipos y utensilios de manipulación de lácteos y alimentos, recipientes y

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componentes criogénicos, aplicaciones arquitectónicas y estructurales expuestas a atmósferas no marinas14

6.6.2 Análisis estático de la planta

En esta etapa se realizó una simulación usando el software Solidwords y se estudió la pieza que mayor carga soporta, para este caso el tanque donde se va generar el vapor. En la parte superior se le sometió a una carga de 100 N para simular la tapa cónica y en la parte interior se le aplicó una presión de 500N/m^2 para simular una sobre presión dentro del tanque. De esta simulación se realizaron 3 estudios, el primero corresponde a el factor de seguridad en el cual se puede apreciar que para unas cargas superiores a la que va a ejercer la tapa cónica y a una presión superior a la que va a soportar el tanque se logra un factor de 8.4𝑒𝑒2, es decir un factor de seguridad de 840, por consiguiente, el tanque va a soportar las presiones generadas por el vapor de agua con aceite.

14 NKS de México. Acero Inoxidable 304 y 304L. Subtítulo: Descripción [En línea] nks [Consultado 12 de marzo de 2018] Disponible en internet: https://nks.com/es/distribuidor-de-acero-inoxidable/acero-inoxidable-304/

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Figura 23 Simulación del Factor de seguridad

Con los parámetros anteriormente mencionados se realizó un estudio para saber que parte de la estructura sufre mayor carga. En esta simulación se pudo observar que los soportes del tanque están sometidos a mayor carga debido a que soportan todo el peso del tanque.

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Figura 24 Simulación de cargas

Figura 25 Simulación de cargas vista inferior

La última simulación corresponde a la deformación estática que tiene el tanque. En la figura 26, se puede observar que el desplazamiento más grande se presenta en el chanfle que va soportar la tapa superior.

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Figura 26 Simulación de desplazamiento

6.7 DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRONICO

El sistema electrónico implementado consta de tres partes las cuales son lectura de sensores, etapas de potencia, y regulación de la resistencia.

6.7.1 Lectura de Sensores

La termocupla tipo J emplea un módulo Max6675, un convertidor analógico a digital especializado para termopares. Con este módulo es posible conectar fácilmente un termopar a cualquier microcontrolador a través de una interfaz SPI unidireccional. Para la lectura de temperatura dicho modulo trabaja con 5 pines, de los cuales dos son para la alimentación de 3,3 voltios que suministra la UDOO y los otros tres son pines digitales que el Arduino Due incorporado lee con facilidad.

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Figura 27 Modulo termocupla MAC6675

Fuente: Arduino: Modulo Max6675 + Termocople Tipo K + Cables. [en línea]. Mercado Libre. [Consultado: 25 de Julio del 2018]. Disponible en Internet: https://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-552835669-arduino-modulo-max6675-termocople-tipo-k-cables-_JM

Los sensores de nivel tipo interruptor se adaptan con gran facilidad a la UDOO gracias al Arduino DUE que trae incorporado, debido a que adaptando un pin digital como entrada de Pullup el sistema embebido detecta con facilidad los cambios de posición lógica de los interruptores de nivel tipo flotador.

Figura 28 Interruptor tipo flotador

6.7.2 Etapa de potencia de las motobombas

Debido a que las dos motobombas que utiliza el sistema solo manejan dos estados lógicos, el de encendido y apagado, se implementó una etapa de potencia con un Opto acoplador y un Triac, dicha etapa es controlada desde un pin digital que incorpora el sistema embebido.

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Figura 29 Esquema del circuito para controlar el encendido y el apagado de las motobombas

En el circuito de la anterior figura se usan dos opto acopladores MOC3011 y dos triac BTA06

6.7.3 Regulación de la Resistencia Termoeléctrica

Para esta etapa se decidió implementar una regulación del ciclo útil de trabajo, la cual consta de rectificar la señal de alimentación por medio de un puente rectificador de alta potencia, y posteriormente switchear la onda restante por medio de un Transistor IGBT de alta potencia, el cual responde mejor a bajas frecuencias que emite la señal de PWM que maneja el Arduino de la UDOO y que finalmente es la señal que controla esta etapa.

Cabe resaltar que dichos elementos como el puente rectificador y el transistor IGBT deben tener un buen sistema de disipación debido a los 16 amperios que maneja la resistencia, también que la señal de PWM debe estar en el rango de 15 a 20 voltios para evitar un exceso de disipación o mal funcionamiento en el transistor.

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Figura 30 Circuito para regular la tensión de la resistencia termoeléctrica

En las siguientes figuras se puede observar la respuesta del circuito para un duty cycle de 25% y de 100%.

Figura 31 Forma de onda para un duty cycle de 25%

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Figura 32 Forma de onda para la carga con un duty cycle del 100%

6.8 DISEÑO DE LA INTERAZ GRÁFICA

La interfaz gráfica para esta planta fue elaborada en processing 3, se seleccionó este software debido a su fácil programación, es un software libre y se puede usar en sistemas operativos basados en Linux ARM como lo es el caso de UDOObuntu, el cual es el sistema operativo instalado en la tarjeta de desarrollo seleccionada para este trabajo.

Como se puede observar en la siguiente figura la interfaz cuenta con una casilla para ingresar la temperatura deseada, un indicador de temperatura análogo para visualizar la temperatura en la cual se encuentra el agua almacenada en el tanque, tiene un botón llamado encender que sirve para empezar a adquirir datos y permitir datos del setpoint, el botón de PARAR detiene la adquisición de datos y el envió del setpoint a el arduino DUE incorporado en la UDOO. El botón de guardar permite crear un archivo txt donde se almacenan los datos del proceso

La interfaz también cuenta con pilotos para las motobombas, los sensores de nivel y para cuando detecta una falla.

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Figura 33 Interfaz gráfica elaborada en processing 3

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7. SISTEMA DE CONTROL TOLERANTE A FALLOS

Para implementar el sistema de detección de fallos lo primero que debemos hacer es identificar el modelo matemático de la planta con la cual se va a trabajar, posteriormente desarrollar un controlador para dicha planta teniendo presente las condiciones de diseño más idóneas para la misma. Después de comprobar que la planta quedo bien controlada, se analiza una falla a la cual el sistema es susceptible y de qué forma dicha falla altera el modelo matemático sistema, luego se procede a implementar en la planta la forma más eficiente de detectar la falla y en base al porcentaje de la falla ocasionada poder generar el nuevo modelo matemático, el cual en conjunto con las condiciones de diseño del controlador recalcula un nuevo controlador, realizando así una corrección proporcional al fallo.

7.1 MODELO MATEMATICO

Inicialmente se realizó una adquisición de datos con ayuda del Arduino Due incorporado en la UDOO, el cual se comunica por puerto serie con processing y le envía todos los datos capturados, una vez se culmina el proceso de adquisición todos los datos son guardados en un archivo txt, para posteriormente ser introducidos en Matlab y por medio de la función Ident encontrar un modelo matemático aproximado.

Para encontrar un modelo matemático de la planta se le asigna el 20% de ciclo útil a la resistencia y se adquieren los datos de la respuesta del sistema (temperatura en °C) y el tiempo que le toma estabilizarse en milisegundos.

Figura 34 Respuesta de la planta para un U(t) del 20% del duty cycle

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Estos datos fueron ingresados al Toolbox de identificación de Matlab (systemIdentification) para encontrar un modelo matemático aproximado, obteniendo el siguiente modelo,

Como se observa en la imagen anterior se obtuvo un sistema de primer orden con una aproximación del 97% en el modelo matemático, para confirmar que dicho modelo responde igual a la planta se comparan los datos adquiridos con la respuesta del modelo matemático aun escalón de 20%.

Figura 35 Respuesta de la planta vs planta identificada

Claramente se observa en la gráfica anterior que el modelo matemático responde muy aproximado a la respuesta de la planta.

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7.2 DISEÑO DEL CONTROLADOR DE TEMPERATURA

Teniendo presente el modelo matemático aproximado generado se procedió a implementar un controlador PI para regular la temperatura del sistema. Posteriormente se extrae la ecuación característica del sistema con algebra de bloques.

Figura 36 Diagrama de bloques del sistema

𝑬𝑬.𝑪𝑪. = 𝑺𝑺𝟐𝟐 + 𝑺𝑺(𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎) + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑻𝑻𝑻𝑻�

Posteriormente se calcula la ecuación deseada con un δ de 13.6, para que el sistema responda sobre amortiguado, y un tiempo de estabilización de 1600 segundos con el fin de que el sistema responda de forma rápida.

𝑺𝑺𝟐𝟐 + (𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐)𝑺𝑺 + 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐

𝟐𝟐𝟐𝟐 = 𝟓𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎 ∗ 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎� = 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

𝑬𝑬.𝑫𝑫. = 𝑺𝑺𝟐𝟐 + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝟓𝟓𝟎𝟎 + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎

Con la ecuación deseada obtenida y la ecuación característica del sistema se calculan los coeficientes Kp y Ki por igualación.

𝟎𝟎𝟎𝟎 = (𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝟓𝟓 − 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎)𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎� = 𝟎𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎

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𝑻𝑻𝑻𝑻 = (𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎𝟎𝟎𝟎)𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎� = 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐

𝟎𝟎𝑻𝑻 = 𝟎𝟎𝟎𝟎𝑻𝑻𝑻𝑻� = 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓

Implementando el controlador ya calculado en el sistema, la respuesta obtenida se muestra en la figura 37.

Figura 37 Respuesta de la planta ante un escalón de 70°C

Como se observa en la imagen anterior el sistema responde conforme a los objetivos de control propuestos.

7.3 SISTEMA DE DETECCIÓN DE FALLAS EN LA RED DE SUMISTRO ELECTRICO DE LA PLANTA

Para detectar la falla en el suministro eléctrico se decidió implementar un sensor de voltaje a la entrada de voltaje 120 AC, puesto que al tener monitoreada esta entrada ante cualquier cambio en la tensión se podrán realizar correcciones en el controlador para compensar dicha falla.

El instrumento implementado en este caso fue el sensor de voltaje ZMPT101B, él cual es una solución rápida para medir voltaje AC e ideal para aplicaciones de monitoreo de energía, este es un módulo transformador de voltaje, tiene una salida,

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también posee un circuito con amplificador operacional para compensar el offset de la salida análoga. Puede medir voltajes muy bajos y la salida analógica es ajustable con el trimer en la placa.

Figura 38 Sensor de tensión ZMPT101B

Fuente: Sensor ZMPT101B. [en línea]. Ebay. [Consultado: 13 de agosto del 2018]. Disponible: https://www.ebay.es/itm/LC-Technology-AC-Voltage-Sensor-Module-ZMPT101B-250V-Arduino-Flux-Workshop-/112306532975

7.4 CORRECCION DE FALLAS EN EL SISTEMA ELECTRICO

Para corregir la falla en el sistema lo primero que se determinó es la manera como el voltaje AC de entrada afecta la función de transferencia de la planta.

𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑻𝑻𝑷𝑷 = 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝑺𝑺 + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎� =

𝑻𝑻𝑽𝑽

𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 + 𝟎𝟎

Como se observa en la ecuación anterior el voltaje afecta de forma directa la ganancia de la función de transferencia de la planta, sabiendo esto y teniendo el valor de voltaje AC sensado es posible recalcular la función de transferencia y hallar la nueva ecuación característica.

𝑽𝑽 = 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑻𝑻𝑷𝑷 = 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝑺𝑺 + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎�

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𝑬𝑬.𝑪𝑪. = 𝑺𝑺𝟐𝟐 + 𝑺𝑺(𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎) + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑻𝑻𝑻𝑻�

Con la nueva ecuación característica obtenida se procede a realizar el cálculo del controlador con la misma ecuación deseada presentada en el apartado de cálculo del controlador, de forma que se obtienen los nuevos valores Kp y Ki.

𝑬𝑬.𝑫𝑫. = 𝑺𝑺𝟐𝟐 + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝟓𝟓𝟎𝟎 + 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎

𝟎𝟎𝟎𝟎 = (𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝟓𝟓 − 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎)𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎� = 𝟎𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐

𝑻𝑻𝑻𝑻 = (𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎𝟎𝟎𝟎)𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟐𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟓𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎� = 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

𝟎𝟎𝑻𝑻 = 𝟎𝟎𝟎𝟎𝑻𝑻𝑻𝑻� = 𝟎𝟎.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

Como se puede apreciar este cálculo se puede realizar para cualquier nuevo voltaje AC que suministre la red, generando un cambio en línea en el controlador proporcional a la falla.

Por medio de código se incorporó un controlador a la planta el cual puede cambiar sus ganancias Kp y Ki sin resetear el programa, al ponerlo a prueba se capturaron los datos de temperatura y esfuerzo de control, obteniendo los siguientes resultados, figura 39.

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Figura 39 Respuesta del esfuerzo de control ante una falla

Como se observa en la figura 39 se puede observar la temperatura de color azul se ve poco alterada, aunque por otro lado el esfuerzo del control de color rojo cambio para compensar la falla de voltaje inducida.

7.5 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

Para las pruebas de funcionamiento se usó caléndula para extraer aceite, el tanque se llena como se observa en la siguiente (figura 40.)

Figura 40 Llenado del tanque con caléndula

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Posteriormente de ingresar las plantas es necesario colocar la tapa cónica y sellar como se observa en la figura 41.

Figura 41 Sistema sellado

Una vez ingresado el set point se puede inducir una falla usando un variac como se observa en la figura42.

Figura 42 Variac

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7.6 PRUEBAS DE CORRECCIÓN DE FALLAS

Para la verificar la compensación del algoritmo de control en presencia de fallas se indujeron 3 escalones, uno de 40 °C, otro de 60 °C y el último de 80 °C. Para el primer escalón el sistema se estabilizo sin presencia de una falla en el sistema eléctrico, una vez estabilizado el sistema se le indujo una falla del 25% en la red eléctrica y se observa como el controlador recalculado cambia su esfuerzo de control para mantener la temperatura en la referencia y el sistema en lazo cerrado se comporta con base en los criterios deseados. Posteriormente se cambió el set point para observar cómo responde la planta en estado transitorio y en estado estacionario en presencia de un fallo, figura43.

Finalmente se le vuelve a ingresar el suministro eléctrico original y se ingresa un set point de 80 °C y se observa cómo responde la planta cuando se recupera de un fallo en la red eléctrica, figura43.

Figura 43 Prueba de detección y corrección de fallos. Temperatura vs Tiempo

En la figura 43 se puede observar de color azul el set point, en color rojo el esfuerzo de control, y de color amarillo la respuesta de la planta.

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8. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos permiten concluir que:

• La metodología utilizada es apropiada para este tipo de proyectos,permitiendo obtener resultados en corto tiempo que cumplen con lasespecificaciones propuestas y disminuyendo la presencia de errores en las etapasde diseño detallado y síntesis, donde los costes de las modificaciones son mayores.

• Al momento de implementar un sistema tolerante a fallos el reto está endetectar el momento de ocurrencia del fallo y la forma en la que este afecta elcomportamiento de la planta, para así poder encontrar una ecuación que adapte elparámetro del modelo matemático afectado de acuerdo a la magnitud de la falla yasí poder recalcular los valores del controlador. El método implementado en esetrabajo no demanda recursos computacionales elevados, el algoritmo matemáticoes sencillo, y se puede apreciar que se compensa el efecto del fallo, logrando queel sistema cumpla con la dinámica deseada aún en presencia de fallos.

• En el proceso de extracción de aceite por evaporación de agua, la cantidadde plantas debe ser mínimo del doble de la cantidad de agua utilizada para lograruna buena extracción, pues si la cantidad de plantas es menor a esa cantidad, elaceite resultante no va a tener la concentración suficiente y se va a mezclar con elagua.

• Al momento de implementar sistemas similares al usado en este proyecto sesugiere que todos los sensores estén aislados eléctricamente, debido a que sepueden generar perturbaciones que pueden afectar la medida de los sensores.

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9. RECOMENDACIONES

• Por motivos de desgaste mecánico es necesario cambiar el empaque después de cada cinco extracciones para evitar fugas de vapor en la unión entre el tanque y la tapa cónica.

• Para lograr un buen sellado es necesario garantizar el mismo ajuste en cada perno, similar al proceso de colocar una llanta de un vehículo en forma intercalada.

• En este proyecto se usó solo un método para la detección de fallas en el sistema eléctrico sin embargo al momento de implementar un sensor que permita medir la presión al interior del tanque se podría implementar un sistema de detección de fallos el cual detecte fugas a el interior del tanque.

• Para futuras implementaciones el tanque cuenta con una salida para incluir una bomba de vacío y de esta manera generar vapor a una menor temperatura y obtener una mejor calidad de aceite.

• Para evitar un fallo adicional en el hardware por sobrecalentamiento se utilizaron disipadores de mayor potencia en el transistor IGBT y el puente de diodos; en la UDOO se acopló un extractor de calor porque el disipador que trae por defecto no es suficiente para mantenerla refrigerada.

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BIBLIOGRAFÍA

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NKS de México. Acero Inoxidable 304 y 304L. Subtítulo: Descripción [en línea]. NKS de México. [Consultado: 12 de marzo de 2018]. Disponible en internet: https://nks.com/es/distribuidor-de-acero-inoxidable/acero-inoxidable-304/

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ANEXOS

Anexo A. ESPECIFICACIONES GENERALES DEL AISI 304

En las siguientes figuras se encuentran las especificaciones técnicas del acero AISI 304 el cual fue el material seleccionado para construir el tanque.

Composición química del AISI304 COMPOSICIÓN QUÍMICA: (SEGÚN ASTM A240)

Elemento Tipo 304 Tipo 304L Carbón 0.07 máx. 0.030 máx.

Manganeso 2.00 máx. 2.00 máx. Azufre 0.030 máx. 0.030 máx.

Fósforo 0.045 máx. 0.045 máx. Silicio 0.75 máx. 0.75 máx. Cromo 17.5 a 19.5 18.0 a 20.0 Níquel 8.0 a 10.5 8.0 a 12.0

Nitrógeno 0.10 máx. 0.10 máx.

PROPIEDADES MECÁNICAS: (SEGÚN ASTM A240, A666)

Tipo Límite elástico

0.2% compensación

(KSI)

Resistencia a la tracción

(KSI)

% de elongación (longitud de

calibre de 2”)

Dureza Rockwell

Recocido 304 30 min. 75 min. 40 min. HRB 92

máx. Dureza 304 ¼ 75min. 125 min. 12 min. HRC 25 a

32 (típico) Dureza 304 1/2 110 min. 150 min. 7 min. HRC 32 a

37 (típico) Recocido

304L 25 min. 70 min. 40 min. HRB 92 máx.

Dureza 304L 1/4 75 min. 125 min. 12 min. HRC 25 a

32 (típico) Dureza

304L 1/2 110 min. 150 min. 6 min. HRC 32 a 37 (típico)

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PROPIEDADES FÍSICAS: (RECOCIDO) 304 y 304L Densidad (libra/ pulg.^2) a RT 0.29

Módulo de elasticidad en tensión (psi x 10^6) 28.0

Calor específico (BTU/o F/libra) 32 a 212 °F (0 a 100 °C) 0.12

Conductividad térmica (BTU/h/pies^2/pies 212 °F 9.4 932 °F (500 °C) 12.4

Coeficiente promedio de expansión térmica (pulg. X 10^-6 por o F

32 a 212 °F (0 a 100 °C) 9.2

32 a 600 °F (0 a 316 °C) 9.9

32 a 1000 °F (0 a 538 °C) 10.2

32 a 1200 °F (0 a 649 °C) 10.4

Resistencia eléctrica (microhomios por cm) A 70 °F (21 °C) 72

Rango de punto de fusión (°F) 2550 a 2650

Resistencia a la oxidación: Servicio continuo (°F) 1,650

Resistencia a la oxidación: Servicio intermitente (°F) 1,500

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Anexo B. PLANOS DEL DISEÑO MECANICO

Planos del tanque. Vista frontal

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Planos del tanque. Vista superior

77

Planos del tanque. Vista inferior

78

Planos del tanque, vista lateral

79

Planos del tanque. vista lateral de la tapa cónica

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Anexo C. CONSTRUCCIÓN DEL TANQUE

En las siguientes imágenes se pude apreciar dos etapas de la construcción del tanque

Construcción del tanque

Puntos de soldadura aplicados para los soporte de los sensores de nivel

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A. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL ARDUINO UNO REV3

• Microcontrolador: ATmega328• Voltaje Operativo: 5v• Voltaje de Entrada (Recomendado): 7 – 12 v• Pines de Entradas/Salidas Digital: 14 (De las cuales 6 son salidas PWM)• Pines de Entradas Análogas: 6• Memoria Flash: 32 KB (ATmega328) de los cuales 0,5 KB es usado por Bootloader.• SRAM: 2 KB (ATmega328)• EEPROM: 1 KB (ATmega328)• Velocidad del Reloj: 16 MHZ.

B. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA RASPBERRY PI 3 MODELO B

• Quad Core 1.2GHz Broadcom BCM2837 64bit CPU• 1GB RAM• BCM43438 wireless LAN and Bluetooth Low Energy (BLE) on board• 100 Base Ethernet• 40-pin extended GPIO• 4 USB 2 ports• 4 Pole stereo output and composite video port• Full size HDMI• CSI camera port for connecting a Raspberry Pi camera• DSI display port for connecting a Raspberry Pi touchscreen display• Micro SD port for loading your operating system and storing data• Upgraded switched Micro USB power source up to 2.5A15

C. ESPECIFIACIONES TÉCNICAS DE UNA TARJETA UDOO QUAD

• NXP® i.MX 6 ARM Cortex-A9 CPU Dual/Quad core 1GHz• Integrated graphics, each processor provides 3 separated accelerators for 2D, OpenGL®ES2.0 3D and OpenVG™• Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU (same as Arduino Due)• RAM DDR3 1GB• 76 fully available GPIO• Arduino-compatible R3 1.0 pinout• HDMI and LVDS + Touch (I2C signals)• Ethernet RJ45 (10/100/1000 MBit)• WiFi Module• Mini USB and Mini USB OTG• USB type A (x2) and USB connector (requires a specific wire)• Analog Audio and Mic• SATA (Only Quad-Core version)

15 Tomado de: https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/

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• Camera connection• Micro SD (boot device)• Power Supply 12V and External Battery connector16

16 Tomado de: https://www.udoo.org/udoo-dual-and-quad/

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Anexo D. DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA

Documents

PROTOTIPO DE UN EXTRACTOR DE ACEITES ESENCIALES CON