CAPÍTULO II: MARCO REFERENCIAL
3.6. Diseño de ejecución
3.6.4. Técnicas e instrumentos, fuentes e informantes 1.Técnicas
Programación ladder, se utilizó este lenguaje de programación para programar el PLC Siemens S7-1200 con nuestro algoritmo para controlar el sistema de dosificación.
Análisis de fluidos, para diseñar nuestro sistema de tuberías, realizar los cálculos de pérdidas en tuberías, la altura dinámica total del sistema, y el NPSH disponible, que sirven para seleccionar la bomba centrifuga más adecuada al sistema.
Análisis de esfuerzos, para determinar los esfuerzos a los que está sometido la estructura mecánica que soporta el sistema de dosificación, y seleccionar las dimensiones y materiales adecuados para su construcción.
3.6.4.2.Instrumentos
Instrumentos de recolección de datos Observación Entrevistas Publicaciones en la web Libros Tesis Revistas Instrumentos tecnológicos
STEP 7 Professional V12, Trial License (15 días). 1 Bomba eléctrica de 1.5 Hp.
1 PLC Siemens S7-1200 220V AC.
1 Variador de velocidad de 2 Hp ATV12HU15M2
1 Sensor de presión de 0-50 psi con salida analógica de 4- 20 mA.
3 electroválvulas de ½”, con bobina de 220 VAC. 3.6.5. Forma de análisis e interpretación de resultados
3.6.5.1.Análisis de contrastación
Por ser una investigación cuantitativa se realizó un análisis descriptivo, mediante el uso de la estadística descriptiva (media, varianza, desviación estándar) para determinar el comportamiento de las variables de estudio (pérdidas, tiempo de dosificación).
Además, se utilizó la estadística inferencial para la verificación de nuestra hipótesis. Nuestra investigación tiene una variable independiente cualitativa (tipo de sistema de dosificación), con dos variables dependientes (pérdidas y tiempo de dosificación), cuya relación se puede modelar bajo el Análisis de varianza (ANOVA) unifactorial multivariado (Montgomery, 2004). Pero como las variables dependientes son independientes entre sí, es más adecuado usar dos modelos, un modelo para relacionar el tipo de sistema de dosificación con las pérdidas en el proceso de dosificación, y otro que relacione el tipo de sistema de dosificación con el tiempo de dosificación. Para probar las hipótesis en ambos modelos se utilizó la prueba de la T de Student. Las ecuaciones de los modelos se muestran a continuación:
Relación entre Tipo de sistema de dosificación y pérdidas:
𝑃𝑖𝑗 = 𝜇𝑖 + 𝜀𝑖𝑗
𝑃𝑖𝑗: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎) 𝑗 − 𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖
𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖
𝜀𝑖𝑗: 𝐸𝑠 𝑢𝑛𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑎𝑙𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟í𝑎 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛
𝑖𝑗 − 𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎
𝑖: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑗: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟ó 𝑑𝑒 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛
En nuestra hipótesis se quiere probar que el sistema de dosificación automático produce menos pérdidas en comparación con las pérdidas producidas por el sistema de dosificación manual, lo que estadísticamente produce las siguientes hipótesis:
𝐻0: 𝜇1 = 𝜇2
Es decir, las medias de las pérdidas producidas por ambos tipos de dosificación son iguales, esta es la hipótesis rechazada.
La hipótesis alternativa que se comprobó es que la media de las pérdidas producidas por el sistema de dosificación automático es menor a la media de las pérdidas producidas por el sistema de dosificación manual.
𝐻1: 𝜇1 < 𝜇2
Relación entre tipo de sistema de dosificación y tiempo de dosificación: 𝑇𝑖𝑗 = 𝜇𝑖 + 𝜀𝑖𝑗 𝑇𝑖𝑗: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜) 𝑗 − 𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖 𝜇𝑖: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 (𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜)𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖 𝜀𝑖𝑗: 𝐸𝑠 𝑢𝑛𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑎𝑙𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟í𝑎 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝑙𝑎 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑗 − 𝑒𝑠𝑖𝑚𝑎 𝑖: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑗: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟ó 𝑑𝑒 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛
En nuestra hipótesis se quiere probar que con el sistema de dosificación automático se reducen los tiempos de llenado en
comparación con el tiempo de llenado del sistema de dosificación manual, lo que estadísticamente produce las siguientes hipótesis:
𝐻0: 𝜇1 = 𝜇2
Es decir, las medias de las pérdidas producidas por ambos tipos de dosificación son iguales, esta es la hipótesis rechazada.
La hipótesis alternativa que se comprobó es que la media de las pérdidas producidas por el sistema de dosificación automático es menor a la media de las pérdidas producidas por el sistema de dosificación manual.
𝐻1: 𝜇1 < 𝜇2
Para ambos modelos se utilizó el siguiente estadístico de prueba de la T de student: 𝑡0= 𝑦1− 𝑦2 √𝑆12 𝑛1 + 𝑆22 𝑛2 𝑦𝑖: 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖 𝑆𝑖: 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑛𝑧𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑜𝑏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖 𝑛𝑖: 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖
Cuyo criterio para rechazar la hipótesis nula 𝐻0 y probar nuestra hipótesis alternativa 𝐻1es el siguiente:
𝑡0 < −𝑡∝,𝑣
𝑣 = 𝑛1 + 𝑛2− 2 (Montgomery, 2004)
El análisis estadístico detallado para cada modelo se muestra en la sección de análisis y discusión de resultados.
CAPÍTULO IV: RESULTADOS
En esta sección se muestra el diseño y los resultados del sistema de dosificación automático de líquido (del prototipo y del sistema de dosificación final). Las fases de diseño que se siguieron para desarrollar este sistema mecatrónico son las siguientes:
Consideraciones iniciales Diseño mecánico
Diseño eléctrico – electrónico Diseño del sistema de control 4.5.Consideraciones iniciales
Antes de iniciar el proceso de diseño se tuvieron algunas consideraciones.
El líquido que se va a utilizar para las pruebas es agua en condiciones ambientales estándares.
Se va a usar un sistema típico de bombeo de líquido en el que se quiere controlar la variable presión mediante la manipulación de la variable velocidad de motor de la bomba.
Se utilizará una bomba centrifuga pues cumple con las leyes de afinidad de máquinas centrifugas, que determina que la velocidad de eje es directamente proporcional al caudal.
Para nuestro prototipo no se utilizará materiales adecuados para la industria alimentaria (acero inoxidable) debido a su alto costo, pero paralelamente se diseñará y determinarán todas las características de un sistema dosificación final que si se pueda utilizar en la industria alimentaria.
El caudal inicial para el cual se diseñó nuestro prototipo es de 150 ml/s, pues es el caudal de la bomba con la que se cuenta en el laboratorio, además este caudal es adecuado para que los volúmenes
de líquido de gobierno usados actualmente en los envases de la agroindustria en la región sean dosificados en un tiempo aceptable. El sistema de dosificación final se diseñó para 3 electroválvulas de
dosificación pues se consideró que las líneas de producción actuales de la agroindustria tienen más de una línea de dosificación. Debido a esto es caudal de diseño del sistema de dosificación final es el triple del usado en el prototipo, es decir 450 ml/s.