UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA
INCUBADORA AUTOMÁTICA PARA HUEVOS DE CODORNIZ.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA MECATRÓNICA
LESLIEE DEL ROCÍO ERAZO MELO
DIRECTOR: ING. MARCELA PARRA, MSC.
DECLARACIÓN
Yo Lesliee del Rocío Erazo Melo, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Lesliee del Rocío Erazo Melo
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño y construcción de un sistema automático de incubación para huevos de codorniz.”, que, para aspirar al título de Ingeniera Mecatrónica fue desarrollado por Lesliee del Rocío Erazo Melo, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Marcela Parra
DEDICATORIA
Agradezco a Dios por la familia que me dio y las personas que forman parte de ella.
Mi madre Sonia todo su amor, su esfuerzo, su sabiduría, su apoyo incondicional me llevaron a ser lo que ahora soy.
Mi padre Gonzalo con su ejemplo de lucha incansable, su humildad, su cariño me enseñaron a no darme por vencida.
Mis hermanos Lenin y Lian, son el regalo que la vida me dio, gracias por estar siempre a mi lado.
Pablo Y Carolina como no agradecer por toda su paciencia y cariño.
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
RESUMEN ... viii
ABSTRACT ... ix
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO... 1
2.1. ANTECEDENTES RELACIONADOS ... 9
2.2. FUNDAMENTACIÓN LEGAL ... 9
2.3. CATEGORÍAS FUNDAMENTADAS ... 9
2.4. GENERALIDADES DE LA CODORNIZ... 9
2.4.1. Huevos de codorniz ... 10
2.5. PROCESOS PARA LA INCUBACIÓN DE HUEVOS DE CODORNIZ.14 2.5.1. Condiciones normales para la incubación de aves. ... 15
2.5.2. Incubación artificial. ... 15
2.5.3.Condiciones ambientales de una incubadora comercial ... 15
2.5.4. Temperatura ... 16
2.5.5. Humedad ... 16
2.5.6. Ventilación ... 17
2.6. INCUBADORAS ... 17
2.6.1. Incubadora en microbiología ... 17
2.6.2. Incubadora neonatal ... 17
2.6.3. Incubadora comercial ... 18
2.7. INCUBADORAS MANUALES ... 18
2.8. INCUBADORAS AUTOMÁTICAS ... 18
2.9. TIPOS DE MATERIALES ... 18
ii
2.10. SISTEMA TÉRMICO ... 21
2.10.1. Generalidades ... 21
2.10.2. Tipos de transferencia de calor ... 21
2.11. COMPONENTES ELECTRÓNICOS ... 25
2.11.1 Servomotor ... 25
2.11.2. MICROCONTROLADORES ... 26
2.11.3. MT-530 ... 27
2.11.4. Arduino ... 27
2.11.5. Fuentes de alimentación ... 27
2.11.6. Transformador ... 28
2.11.7. Contactores ... 28
2.12. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL ... 29
2.12.1. Sistema automático de control ... 29
2.12.2. Sistema de lazo cerrado ... 30
2.12.3. CONTROL PROPORCIONAL ... 32
3. METODOLOGÍA ... 39
3.1. ANÁLISIS DEL SISTEMA ... 36
3.2. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 37
3.3. REQUERIMIENTOS DEL CONTROL ... 38
3.3.1. Luces led ... 38
3.3.2. Selectores ... 39
3.3.3. Breaker ... 39
3.3.4. Regletas de contactos ... 39
3.4. SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS PARA LA MÁQUINA INCUBADORA ... 40
iii
3.5. ANÁLISIS DE LOS CONCEPTOS DE INGENIERÍA ... 42
3.6. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS ... 43
3.7. SELECCIÓN DE ALTERNATIVA POR CRITERIOS PONDERADOS44
4. DISEÑO ... 50
4.1. DISEÑO MECÁNICO ... 45
4.2. ANÁLISIS MECÁNICO ... 47
4.2.1. Análisis matemático para el controlador de temperatura P.I.D .... 49
4.2.2. La función de transferencia de la planta ... 51
4.2.3. CRITERIO DE ZIEGLER-NICHOLS ... 52
4.2.4. Función de transferencia P ... 53
4.2.5. Función de transferencia PI ... 53
4.2.6. Función de transferencia PID ... 54
4.3. ANÁLISIS ELECTRÓNICO ... 55
4.3.1. CONTROLADOR DE TEMPERATURA ... 55
4.3.2. CONTROLADOR DE HUMEDAD ... 56
4.3.3. LCD ... 58
4.3.4. SENSOR DE TEMPERATURA ... 58
4.4. ANÁLISIS TÉRMICO ... 58
4.4.1. RESISTENCIAS ELÉCTRICAS ... 60
4.4.2. RELÉ DE ESTADO SOLIDO ... 62
4.5. SISTEMA DE CONTROL ... 62
4.5.1. ARDUINO ... 62
4.5.2. SERVO MOTOR ... 63
4.5.3. PARÁMETROS DE PROGRAMACIÓN ... 64
4.6. ANÁLISIS DE CONTROL ... 64
iv
5. ANÁLISIS Y PRUEBAS ... 66
5.1. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS... 66
5.1.2. Análisis del movimiento ... 68
5.1.3. Montaje ... 70
5.2. PRUEBAS DEL SISTEMA TÉRMICO ... 71
5.3. PRUEBAS DE SISTEMA DE HUMEDAD ... 72
5.4. PANEL DE CONTROL ... 72
5.5. MANTENIMIENTO DEL EQUIPO ... 73
5.5.1. Mantenimiento preventivo ... 74
5.5.2. Mantenimiento Predictivo ... 74
5.5.3. Mantenimiento Ante Fallo ... 74
5.5.4. Mantenimiento Correctivo ... 75
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 83
6.1. CONCLUSIONES ... 76
6.2. RECOMENDACIONES ... 77
BIBLIOGRAFÍA ... 86
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tipos de incubación. ... 5
Tabla 2. Construmática. ... 20
Tabla 3. Coeficientes de convección orientativos. ... 23
Tabla 4. Ajustes bucle, regulador PID. Propuesta por Ziegler-Nichols ... 34
Tabla 5. Tipos de solución ... 40
Tabla 6. Solución 1 ... 41
Tabla 7. Solución 2 ... 41
Tabla 8. Solución 3 ... 42
Tabla 9. Conceptos de Ingeniería ... 42
Tabla 10. Análisis de alternativas. ... 43
Tabla 11. Selección alternativas, criterios ponderados. ... 44
Tabla 12. Datos experimentales, voltaje, tiempo, temperatura. ... 50
Tabla 13. Criterio de Ziegler-Nichols ... 52
Tabla 14. Valores calculados para el PID ... 52
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Pescado de Ishikawa ... 6
Figura 2. Huevo y sus componentes ... 11
Figura 3. Composición del huevo. ... 12
Figura 4. Minerales del huevo. ... 13
Figura 5. Yema de huevo. ... 13
Figura 6. Clara de huevo. ... 14
Figura 7. Condiciones Ambientales de Incubación. ... 15
Figura 8. Esquema Transformador monofásico. ... 28
Figura 9. Sistema de Lazo abierto. ... 29
Figura 10. Sistema en lazo cerrado. ... 30
Figura 11. Metodología Mecatrónica. ... 35
Figura 12. Bandeja para huevos de codorniz. ... 45
Figura 13. Coche para bandejas. ... 46
Figura 14. Ensamblaje incubadora ... 46
Figura 15. Máquina incubadora ... 47
Figura 16. Matlab ... 50
Figura 17. Pruebas matlab ... 51
Figura 18. Función de transferencia P ... 53
Figura 19. Curva función de transferencia P ... 53
Figura 20. Función de transferencia PI ... 53
Figura 21. Curva función de transferencia PI. ... 54
Figura 22. Función de transferencia PID ... 54
Figura 23. Curva Función de transferencia estabilizada PID ... 55
Figura 24. Diagrama AUTOPID temperatura ... 56
Figura 25. Diagrama de conexión MT-530. ... 57
Figura 26. Propiedades del aire. ... 59
Figura 27. Conexión relé en estado sólido. ... 62
Figura 28. Arduino. ... 63
Figura 29. Diseño de la placa... 63
Figura 30. Diagrama de control. ... 65
vii
Figura 32. coche para bandejas, huevos de codorniz. ... 68
Figura 33. Coche para bandejas, huevos de codorniz 45° ... 69
Figura 34. Coche para bandejas, huevos de codorniz 135° ... 69
Figura 35. Placa de control ... 70
Figura 36. Servomotor acoplado. ... 70
Figura 37. Bandejas de huevos... 71
Figura 38. Sistema térmico. ... 71
Figura 39. Controlador Temperatura. ... 72
Figura 40. Controlador humedad. ... 72
viii
RESUMEN
ix
ABSTRACT
The main objective of this thesis is to create and implement a quail egg incubator, this one was developed with the purpose of implementing every electrical systems that an incubator needs.
With this incubator machine users will use it in an effective way to control all required incubation variables such as: humidity, movement and ventilation. This project will help good natural and artificial resources implementation. And because of this we will be able to determine if the embryo grows in a good and healthy way and without any genetic deformation.
The system was designed to meet the ranges established in the incubation and the temperature of 35.5 ° C to 37.5 ° C and relative humidity of 40 to 65%, the movement initialize at 90 ° with rotating twists per 1 hour 45 ° and 35 °, was permanent ventilation for heat dissipation during the 16 days and 12 hours of incubation.
This machine is designed for quail eggs, with the aim of improving their procreation because it will be very useful and profitable for this era in our country.
1 La coturnicultura es la rama de la avicultura destinada a la crianza, mejora, reproducción y comercialización de aves de codorniz. Esta es una actividad avícola que se ha incrementado debido al alto nivel de consumo de la carne y derivados de la codorniz.
La avicultura es la actividad relacionada con la producción, cría y cuidado de las aves, así como también con el comercio que genera. En la actualidad la explotación intensiva de codornices es una actividad económica muy común alrededor del mundo. En el Ecuador se ha ido incrementando gracias a los avances tecnológicos, ya que se está remplazando la incubación natural por la incubación artificial, esto se generó por la poca competencia que existe en el mercado, la escases de huevos y sus derivados de la ave.
El Ecuador se considera un país privilegiado en la producción de aves, durante los últimos 10 años la producción de codorniz ha tomado relevancia económica. Estos animales forman el grupo más diverso y extenso de aves que existe en el planeta. La multiplicidad de tamaño, forma y color, las convierte en un verdadero atractivo.
En el año 2007 La corporación Nacional de Avicultores del Ecuador (CONAVE), realizó un censo de máquinas incubadoras existentes en el Ecuador, en el cual se registró un total de 32. En la provincia de Imbabura existen 4 incubadoras industriales dedicadas a la incubación de huevos de gallina. En función de estos datos se puede inferir que existe una demanda insatisfecha originada por una baja oferta de este tipo de huevos y sus derivados.
2 características organolépticas muy estimadas por el consumidor. (Díaz et al, 2010). La producción avícola nacional en el Ecuador abastece el ciento por ciento de la demanda de carne de pollo y de huevos de consumo y alrededor del 95% de la demanda de carne de pavo, mientras que la oferta y demanda de huevos de codorniz y sus derivados no manejan cifras ni porcentajes de producción y comercialización, esto se debe por la falta de maquinaria industrial en el país. (CONAVE, 2013).
La cotornicultura pasa a través de un amplio proceso de mejora de las instalaciones, particularmente en relación con la genética de las aves. Sin estas mejoras, este sector puede sufrir pérdidas significativas en relación a la producción, debido al aumento en el tamaño de los lotes, en consecuencia, de las parvadas de reproductoras. En el proceso de incubación de una codorniz a través de incubación artificial se deben considerar parámetros ambientales como: temperatura, humedad, ventilación y movimiento. Para el correcto desarrollo de los embriones.
Con la ejecución de este proyecto se busca construir una máquina incubadora para huevos, sustituyendo la función que desempeña la codorniz, ya que es un ave clueca que carece del instinto de incubar huevos por sí sola, razón por la cual en los sistemas productivos se requiere de incubación artificial, en periodo de gestión del huevo.
Gracias a la automatización de los procesos de incubación a partir de la implementación de la tecnología existente, es posible cumplir con los parámetros necesarios para que el proceso de incubación artificial sea altamente eficiente, con ello será posible optimizar tiempo, costos y un índice alto de natalidad de embriones.
3 mecatrónicos que una maquina incubadora requiere. Con esta máquina incubadora el usuario tendrá la posibilidad de manejar todas las variables de incubación que se requieren específicamente temperatura, humedad, movimiento y ventilación de forma óptima en cuanto a tiempo y recursos económicos. El sistema fue diseñado para cumplir con los rangos establecidos en la incubación:35.5° C a 37.5°C de temperatura y 40 al 65% de humedad relativa, Estos parámetros son esenciales para el desarrollo del embrión.
Con la ejecución de este proyecto será posible manejar adecuadamente los recursos naturales y artificiales que influyen en el óptimo desarrollo físico y genético del embrión.
El equipo de incubación debe contar con un mecanismo de movimiento o volteo para mantener la temperatura y permitir que la humedad circule por toda la cubeta y con ello evitar que el producto se pegue al cascaron, el sistema de movimiento será automatizado y la temperatura estará controlada ya que tiene que durar los 16 días y 12 horas, que es el periodo de gestación del huevo. Al automatizar todo el proceso de incubación de la codorniz, se tendrá menos mortalidad.
El sistema cuenta con un tablero para el monitoreo de las variables de temperatura, humedad, ventilación y movimiento que se producirá dentro de la máquina ya que el equipo permanecerá cerrado durante todo el proceso reproductivo del embrión y con ello garantizar una óptima producción .
4 Incubación Natural
La incubación natural se da por el calor que suministra la clueca, el sol y los materiales que están en descomposición, como puede ser el aserrín por su descomposición orgánica.
Los periodos en que las aves se sientan a anidar pueden durar dependiendo de la especie de aves, son cortos, menos de una hora, o tan largos como semanas. Las aves que están anidando no pueden controlar su calor para regular la temperatura del huevo, es por esto que ajustan los días de anidación. Cuando los padres dejan el nido, el embrión pasa al enfriamiento, esto se debe a que los padres salen a buscar comida. Debido a todos estos cambios de incubación los embriones muestran una gran adaptación, disminuyendo su metabolismo, es decir puede continuar desarrollándose a temperaturas menos de 30 °C. Mantener una adecuada temperatura, es un parámetro de incubación, así la mayoría de las aves pierden alrededor del 15% de su peso debido a la perdida de agua a través de la corteza porosa, lo cual sugiere una regulación de la humedad en el nido o una adaptación de la porosidad de la cascara a las condiciones de humedad. (Ley de la evolución de Darwin). La ventilación del nido es lograda cuando el ave levanta su vuelo o cambia de posición, para aireación del mismo, el volteo del huevo se realiza cuando el ave comienza a hurgar, ayudando a que el embrión se someta a temperaturas iguales y a prevenir adhesiones entre la membrana extraembrionica y las membranas de la cáscara.
5 Tabla 1. Tipos de incubación.
ESPECIES DIAS DE INCUBACIÓN
Pinzón 14 días
Paloma 14 días
Perico 18 días
Gallina 21 días
Codorniz 23 días
Faisán 23 días
Pavo 28 días
Loro 28 días
Pato 28 a 33 días
Cóndor de California 56 días.
Incubación Artificial
Se conoce como incubación artificial al uso de un equipo mecatrónico para reemplazar a la codorniz u otra ave clueca en el proceso de incubación de los huevos.
La incubación artificial de los huevos avícolas es una práctica muy antigua. Aristóteles escribía en el año 400 A.C. que los egipcios incubaban huevos espontáneamente en pilas de estiércol. Los chinos desarrollaron la incubación artificial por lo menos hacia el año 246 A.C. A menudo, estos primeros métodos de incubación se practicaban a gran escala, donde un solo lugar quizás tenía la capacidad de 36,000 huevos.
Se utiliza el sistema de automatización enfocándose a los parámetros:
Requerimientos de un aumento en la producción
Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos
6
Encarecimiento de la materia prima
Necesidad de protección ambiental
Necesidad de brindar seguridad al personal
Desarrollo de nuevas tecnologías
Espina pescado de incubación natural
Ave
Máquina
Reproducción
Producción
Recursos naturales
Económicos
Natalidad
Mortalidad
Figura 1. Pescado de Ishikawa
7 para mantener el ambiente requerido. Al mantener todas estas variables controladas y siendo vigiladas por cámaras de visión, se obtendrá con mayor precisión todos los parámetros de incubación, los cuales se mostraran por medio de una pantalla LCD. La máquina incubadora estará diseñada para 1000 huevos, de esta manera se abastecerá de aves de codorniz a las comunidades rurales de la Provincia de Imbabura, para el beneficio de mujeres trabajadoras.
La necesidad principal de este proyecto consiste en el diseño e implementación de una máquina incubadora automática para huevos de codorniz, el mismo que fue desarrollado con la finalidad de emplear todos los sistemas electrónicos, mecánicos y de control que una maquina incubadora requiere.
Con esta máquina incubadora el usuario tiene la posibilidad de poder manejar todas las variables de incubación que se requiere específicamente temperatura, humedad, movimiento y ventilación de forma óptima en cuanto a tiempo y recursos económicos.
El sistema está diseñado para cumplir con los rangos establecidos en la incubación como es la temperatura de 35.5 grados centígrados y 37.5 y la humedad relativa de 60 al 65%, la temperatura y humedad son los factores más importantes para el embrión y su desarrollo.
Con el presente proyecto se ayudaría a una buena implementación de los recursos tanto naturales como artificiales ya que de esto depende si el embrión crece adecuadamente y saludable sin ninguna deformación genética.
8 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un sistema automático de incubación para huevos de codorniz.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar un prototipo con el software y hardware para el sistema de incubación.
Realizar las pruebas en arduino y solidworks de la maquina incubadora
Construir un sistema de control para el monitoreo de temperatura, humedad, ventilación y movimiento.
Implementar un sistema de control para las variables de incubación en la máquina.
9 Este capítulo está enfocado en el análisis bibliográfico, se inicia con una descripción breve de las generalidades de codorniz, el ave, los huevos, la incubación natural y la incubación artificial, y se finaliza con la descripción de los componentes eléctricos, mecánicos y de control que se utilizan para la construcción de la maquina incubadora automática.
2.1. ANTECEDENTES RELACIONADOS
En el ecuador no se ha registrado maquinas incubadoras automáticas para huevos de codorniz, existe en el mercado máquinas para pollos, las cuales se comercializan en el Ecuador.
2.2. FUNDAMENTACIÓN LEGAL
Existen máquinas incubadoras construidas por artesanos, los mismos que no han patentado las incubadoras para huevos de codorniz.
2.3. CATEGORÍAS FUNDAMENTADAS
Con respecto a la construcción de máquinas incubadoras en el Ecuador, no se obtuvo ninguna norma por parte del INEN.
2.4. GENERALIDADES DE LA CODORNIZ
La codorniz tiene su origen en China, de donde salió en el siglo XII a Europa y se desplazó por el resto del mundo, a partir del siglo XIX, la codorniz comenzó a ser utilizada con el propósito de producir carne y huevos.
10 durante su madurez sexual el color de su plumaje es de color canela oscuro, el peso varia de 90 a 110 gr menos que las hembras. (Dueñas G. 2004, Espinoza R. 2008, Díaz D. 2008).
Las codornices alcanzan su madurez sexual en un tiempo muy corto. En el caso de los machos la madurez sexual inicia entre las 5-6 semanas de nacidos, es decir de 35 a 42 días, son capaces de aparearse desde la séptima semana de vida. Las hembras comienzan su madurez sexual 40 días tras su nacimiento, entre las semanas 6 a 18 empiezan a ser ponedoras. Completan su desarrollo con un peso de 100 a 120 gr lo obtiene a completar su desarrollo y para ello solo se requiere de 8 semanas. (Sánchez C. 2004).
Las condiciones ambientales para la explotación industrial genera mejores resultados en zonas climáticas, es decir en ambientes secos que manejen temperaturas reguladas entre los 18 y los 30°C. Las aves son muy susceptibles a temperaturas bajas.
2.4.1. Huevos de codorniz
Se hará una breve introducción a las características del huevo de codorniz, para el desarrollo del embrión.
2.4.1.1. Características del huevo de codorniz
11 desviación típica 0.24. La correlación entre largo y ancho es de 0.36. El segmento terminal del oviducto segrega ciertos pigmentos que son los que otorgan el color a los huevos de codorniz, en el momento de la ovoposición, una película se adhiere a la cutícula de la cascara, pigmentándola con unas manchas marrones distribuida por su totalidad de la superficie. (Martínez y Ballester, 2004Membrana 1.4%
Clara o albúmina 46.10%
Yema 42.30%
Cascara: 10.2%
Figura 2. Huevo y sus componentes
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004.)
La cascara recubre al huevo en su totalidad y, a través de ella, se realizan los fenómenos de respiración, síntesis y osificación del embrión. El componente principal es el carbonato de calcio o calcita en los cristales. La relación entre el peso total del huevo y el de la cascar es de diez, es decir, un huevo promedio de 10g, su cascara pesará 1.003mg.
Con respecto a la clara posee gran valor nutritivo y opera como amortiguador de los movimientos del huevo que puedan afectar al embrión,
10%
42% 46%
2%
HUEVO
CÁSCARA
YEMA
CLARA
12 determina la correcta posición de la yema, es indispensable para el desarrollo del polluelo. La yema o vitelo está originada en el ovario del ave, constituye el material del cual se nutre el embrión, junto a ella, se establecen el ovulo y las células acompañantes.
Composición
Contiene todos los elementos que requiere el embrión para formarse y desarrollarse. Su riqueza proteica alcanza un nivel del 15.6%, y su contenido de grasas es bajo, aproximadamente un 11%.
Figura 3. Composición del huevo.
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004).
Composición mineral
Cobre 1.86%
Yodo 0.09%
Magnesio 0.04%
Calcio 0.08%
Fósforo 0.22%
Cloro 0.13%
Potasio 0.14%
Sodio 0.13%
Azufre 0.19%
Manganeso 0.33%
13
Figura 4. Minerales del huevo.
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004).
Composición de la Yema
La yema está constituida por:
Figura 5. Yema de huevo.
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004).
Composición de la Clara
Tiene en su composición grandes cantidades de vitaminas A, D, E y H, y factor PP. de las hidrosolubles posee el grupo vitamínico B, con interesantes
14 cantidades de ácido ascórbico (vitamina C) en el huevo fresco. (Martínez y Ballester, 2004).
Figura 6. Clara de huevo.
Fuente. (Martínez y Ballester, 2004).
2.4.1.2. Desarrollo Embrionario
Las primeras etapas de desarrollo parten luego de la generación del huevo. En el huevo recién puesto ya es visible el blastodermo, que se aprecia como un pequeño disco entre la yema y la membrana vitelina. A los tres días, ya se aprecian pequeños brotes a lo largo del cuerpo del embrión que darán lugar a las extremidades.
El aparato digestivo se cierra al quinto día, mientras que los pulmones son apreciables el sexto día, a partir del octavo día, se aprecian zonas de densas plumas. La calcificación del esqueleto se inicia a los 10 días, y se completa a los 15. Los picos y uñas ya se encuentran formados el día 16, el tiempo de incubación de los huevos es característico para cada una de las especies de aves domésticas.
2.5. PROCESOS PARA LA INCUBACIÓN DE HUEVOS DE CODORNIZ. A continuación se describirá todos los procesos para la incubación de las codornices.
7% 3%
80% 10%
CLARA
15 2.5.1. Condiciones normales para la incubación de aves.
Los cambios que se producen durante la incubación del huevo se presentan por leyes naturales, bajo niveles determinados de temperatura, humedad, contenido químico del aire y por la posición del huevo.
2.5.2. Incubación artificial.
El proceso de incubación de los huevos de codorniz dura 16 días y 12 horas, esto depende de la temperatura, la humedad, la ventilación y el movimiento que se dé a las bandejas de la incubadora. Esta incubación permite resolver de manera eficaz la obtención de puellos a gran volumen.
2.5.3.Condiciones ambientales de una incubadora comercial
Condiciones ambientales estándar para incubadoras automáticas, dependiendo de los parámetros de incubación.
Ingreso a cuarto de huevos
Ingreso a transporte
Ingreso clasificación
Ingreso a precalentamiento
Ingreso a incubadora
Figura. 7 Condiciones Ambientales de Incubación.
16 2.5.4. Temperatura
La temperatura es el factor ambiente que tiene mayor importancia en la incubación, ya que afecta el desarrollo embrionario desde el primer día al pollito. El calentamiento de los huevos se produce por el intercambio de calor entre el aire y los huevos, está dada entre 35.5 °C a 37.5 °C. En los últimos días entre el 15 y 16 de incubación la temperatura debe disminuir ya que la codorniz sale al ambiente natural.
Algunas máquinas incubadoras están en grados Fahrenheit, por lo cual es necesario manejar grados centígrados. (Sardá, 2002).
°𝐶 =(°F − 32) ∗ 5 9
°𝐹 =(°C ∗ 9) + 32 5
F= grados Fahrenheit C= grados centígrados.
2.5.5. Humedad
17 2.5.6. Ventilación
La incubadora se debe mantener fresca y el aire que circula por la incubadora necesita estar en constante movimiento. Durante su incubación, los huevos absorben oxígeno y liberan anhídrido carbónico, por lo que es imprescindible una circulación de aire eficiente que garantice que el calor y la humedad necesaria lleguen a los huevos. (Sardá, 2002).
2.5.7. Movimiento de los huevos
El proceso natural de volteo de los huevos se cada 1 o 2 horas dependiendo del ave, durante los 15 días de incubación. El volteo es el factora más importante ya que de lo contrario el embrión se quedaría pegado a las membranas de la cascara, provocando su muerte. En el volteo, el giro de los huevos tiene que alcanzar los 90 grados, manteniéndose a 45 grados respecto al eje vertical. El volteador automático al voltear los huevos automáticamente y reducir el constante contacto con los huevos, se evitará que se ensucien y se cierren los poros de los cascarones.
2.6. INCUBADORAS
Existen tres tipos de incubadoras que se utilizan en la investigación, producción y medicina.
2.6.1. Incubadora en microbiología
Son utilizadas en microbiología para las distintas investigaciones en donde se controla la temperatura y la humedad, se enfocan en los cultivos de microbiología.
2.6.2. Incubadora neonatal
18 2.6.3. Incubadora comercial
Están enfocadas principalmente para la producción de alimentos, en este caso para huevos y aves de codorniz, con el fin de reemplazar la incubación natural por la incubación artificial. Cabe recalcar que dependiendo de las necesidades del usuario se podrán incubar cualquier tipo de ave.
2.7. INCUBADORAS MANUALES
Las incubadoras manuales son diseñadas para incubar máximo de 100 a 150 huevos dependiendo de la especie de huevo que se requiera incubar el problema que se presenta en una incubadora manual es la exactitud que tiene al momento de incubar, su temperatura va a variar con errores muy altos o bajos de la temperatura estimada, y la humedad no se mantendría en el 60% requerida para que los embriones se desarrollen y el movimiento se lo hará manualmente cada tres horas sin tener claro los grados de movimiento que tendrán las bandejas, el tiempo de incubación variara de 17 a 22 días por que la temperatura no estaría estable durante este proceso.
2.8. INCUBADORAS AUTOMÁTICAS
Una máquina incubadora automática está diseñada para incubar de 1000 a 2000 huevos dependiendo la necesidad del cliente, teniendo resultados exitosos ya que todo su sistema de control estará automatizado, la temperatura se manejara de manera constante durante los 16 días y 12 horas de incubación, la humedad será relativa entre los 40 y 65%, y el movimiento será cada 1 hora a 45 ° durante las 24 horas del día. De esta manera la incubación tendrá una tasa de mortalidad de 0 a 5% del total de huevos incubados.
2.9. TIPOS DE MATERIALES
19 2.9.1. Aluminio
Es un material no ferroso ligero por su densidad, el peso atómico es 26.9815, es buen conductor de calor y electricidad, es resistente a la corrosión, elevada conductividad térmica, baja densidad, es muy maleable a los cambios físicos tanto de movimiento como resistencia.
2.9.1.2. Propiedades del aluminio
Ligero, resistente: su peso específico es 2.7 g/cm3, es resistente a cualquier aplicación que se requiera modificando su composición de aleación.
Resistente a la corrosión: por naturaleza el aluminio posee una capa de óxido, la cual provoca una resistencia superior a la corrosión.
Conductor de electricidad: es buen conductor de electricidad y calor, con relación a otros materiales no ferrosos.
Dúctil: la densidad y su punto de fusión hacen que el aluminio pueda adaptarse al diseño final.
Impermeable e inodoro: los componentes de aluminio son completamente impermeables y las sustancias no pierden el mínimo aroma o sabor, no es toxico ni desprende olor ni sabor. (Asociación española de aluminio, 2012).
2.9.1.3. Acero inoxidable
20 Cuadro comparativo entre el aluminio y acero
Tabla 2 Construmática.
Fuente (Cuadro comparativo, 2012).
Propiedades Aluminio Acero
Peso Específico (gr/cm3) 2.70 7.85
Punto de fusión (°C) 1535 658
Coeficiente dilación térmica lineal (10-6v) 11 23
Resistividad eléctrica (microhmios-cm2 ) 19 2.8
Resistencia eléctrica (N/mm2) 370-620 250-300
Limite elástico 0.2 (N/mm2) 240-360 270
Módulo de elasticidad (N/mm2) 20.000 65.00
La mayoría de los metales pueden ser derretidos, fundidos, formados en distintas formas, el acero es maleable más que el aluminio, por otro lado el aluminio genera una capa natural de óxido protector, esto hace que sea resistente a la corrosión es buen conductor de calor y electricidad, es buen reflector de luz, es muy amigable con el ambiente ya que es reciclable y no es toxico. El aluminio es más resistente a la humedad que el acero y es fácil de manejar a comparación con el acero. (Marcela Arniglia, 1999).
2.9.2. Tropikor
Está compuesta de partículas resistentes a la humedad, su componente es la melanina.
Humedad, la madera tropikor es 100% impermeable
Abrasión, resistente al manipuleo y a la fricción.
Calor, la resistencia al contacto con el calor es superior y mantiene el ambiente según la temperatura requerida.
Solventes, es inmune a cualquier disolvente, como thinner, alcohol, gasolina, etc.
Rayado, dureza no le afecta la rayadura.
21 2.10. SISTEMA TÉRMICO
Se hará un breve resumen de todo lo que compone un sistema térmico para la máquina incubadora.
2.10.1. Generalidades
La transferencia de calor es la energía que circula debido a una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos diferentes, producida una diferencia de temperatura.
2.10.2. Tipos de transferencia de calor
Existen tres tipos de transferencia de calor que se detallaran a continuación.
2.10.2.1. Conducción
El calor puede ser conducido a través de sólidos, líquidos y gases, la conducción se comprueba mediante la transferencia de energía de movimiento entre moléculas adyacentes, en la conducción la energía también puede transmitirse por medio de electrones libres (proceso en los sólidos metálicos). (Christie J. Geankoplis, 1991).
𝑄
𝑡
=
𝐾∗𝐴(𝑇𝑐−𝑇𝑓)
𝑑 Ec. 1
Donde:
Q= flujo de calor por conducción (W)
K= conductividad térmica de la barrera (w/m°C) A= área normal en dirección x (m2)
T= temperatura
22 2.10.2.2. Convección
Es el proceso de transferencia de calor que se da cuando tienen contacto un fluido y un sólido, este proceso se obtiene por el transporte de calor a través de una fase y el mezclado de los elementos macroscópicos de componentes calientes o frías de un gas o líquido. Existen dos tipos de transferencia de calor por convección, la primera la convección forzada que se provoca el flujo de un fluido sobre una superficie solida por medio de una bomba (ventilador); y la convección libre se produce por el fluido más caliente o más frio que está en contacto con la superficie más sólida, causa circulación debido a la diferencia de densidades.
𝑄 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇 Ec.2 ∆𝑇 = 𝑇𝑠 − 𝑇∞
𝑄 = ℎ ∗ 𝐴 (𝑇𝑠 − 𝑇∞)
Donde:
H= Coeficiente de transferencia de calor [W.m-2.K-1] Q= flujo de calor por convección (W)
A= área de transferencia de calor perpendicular, flujo de calor ∆T= variación de temperatura.
Ts= temperatura de pared (°C) T= temperatura del fluido (°C)
Coeficiente de convección
23 Coeficiente de convección orientativo
Tabla 3 Coeficientes de convección orientativos.
Fluido Coeficiente de convección (W/m2°K)
Aire
Convección natural Convección forzada
5-25 10-200 Agua
Convección natural Convección forzada
20-100 50-10000 Fuente: Dassault Systemes 1995-2015
2.10.2.3. Radiación
Es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura determinada, se produce por los cambios que presentan las configuraciones electrónicas de los átomos, moléculas o por ondas electromagnéticas que propagan y transfieren la luz. (Transporte del calor del sol a la tierra).
𝑄 = 𝜀 ∗ 𝜎 ∗ 𝐴 ∗ 𝑇
4Ec.3
Donde:
Q= flujo de calor por radiación (W)
𝜎 = Constante de Stefan-Boltzman 5.669x10-8 (W/m2°K4) 𝜀= emisividad dela superficie.
A= área de transferencia de calor (m2)
T: temperatura de la superficie irradiante (°K)
Coeficiente global de transferencia.
24 2.10.2.4. RTD
Es un detector de temperatura resistiva, los más comunes son los sensores de temperatura, dependiendo de la resistencia del conductor para transmitir calor o temperatura. (Gonzalez, Lladó; 2006).
Características:
Su alcance de medición llega hasta 800°C
Son estables
Son exactas
Tienen baja sensibilidad
Presentan auto calentamiento
Son lentas a los cambios.
2.10.2.5. Termopar tipo K
Está fabricado de níquel y cromo, es un tipo de cable para realizar extensiones de puntos de medición hasta equipos de instrumentación y control está recomendado para el uso en atmosferas oxidantes e inertes de hasta 1260 °C, dependiendo del aislante utilizado, según la calibración ANSI, su identificador es positivo y el código de color es amarillo para los elementos positivos y los elementos negativos es el aislante parcial rojo.
Rangos y límites de error
Grado termopar: -200 a 1250 °C
Grado extensión: 0 a 200 °C
Límite de error estándar: 2.2 °C o 0.75 °C sobre 0ªC y 2.2 °C o 2.0% bajo 0ºC
Límite de error especial: 1.1 °C o 0.4% (Ingeniería de México, 2010).
2.10.2.6. PT100
25 aumentara su resistencia eléctrica. Lo favorable de una pt100 que tienen alta precisión, es ideal para bajas temperaturas, (solucionesdobin, 2015).
2.10.2.7. Resistencia calorífica
La capacidad calorífica es una propiedad por la cual un material sólido absorbe calor de su entorno, representa la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura en unidad. Se puede expresar matemáticamente como:
𝐶 =
𝑑𝑄𝑑𝑇
Ec.4
Dq= flujo de calor obtenido a partir de las constantes de calibración (W/m2). Dt= es la diferencia de temperatura.
Al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura.
2.10.2.8. Niquelina
Es un mineral compuesto de arseniuro de níquel mediante la cual se transmite calor. Sus rangos de temperatura van desde los -200 a 900 °C, la tensión que soportan -8.166 a 53.147 mV.
2.11. COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Se describirá los componentes utilizados en el sistema mecatrónico.
2.11.1 Servomotor
26 2.11.2. MICROCONTROLADORES
Para la selección de los materiales utilizados, se describen a continuación de manera específica.
2.11.2.1. Autopid
Es un controlador automático que utiliza un proporcional, integrador y derivador para refrigeración y calentamiento. Con este sensor se podrá controlar temperaturas exactas, sean mínimas o altas, con un alto grado de estabilidad. Trabaja con salidas analógicas de 0 a 10Vdc y con salidas utilizando PWM.
Este controlador se ha utilizado en diferentes tipos de frigoríficos, centrales de refrigeración, incubadoras, banco de compresores y diferentes calentamientos.
2.11.2.2. Tiempo de Integral
El tiempo de control integrativa es responsable por la cancelación del error en régimen permanente y por el tiempo en el que el sistema se estabilice, y la velocidad del loop de control, se calcula automático por la sintonía automática.
2.11.2.3. Tiempo de derivativa
Es el tiempo en la estabilización del sistema de set point y cancelación del overshoot, se calcula automáticamente por sintonía automática.
Tiempo de salida del sistema anti saturación proporcional
Ganancia que se tiene al prevenir ante la salida de control proporcional debido a la acción de control integral. Esto se calcula mediante la fórmula.
√(𝐾𝑖 ∗ 𝐾𝑑)
27 Con esta fórmula se calcula la sintonía automática del controlador. (Full gauge controls, 2006).
2.11.3. MT-530
Es un controlador de humedad relativa, trabaja en rangos bajos y medio, es decir de 10 a 85% sin condensación. Tiene una comunicación serial con la cual la conexión se la realiza por medio del internet, este equipo maneja termómetro + termostato + higrómetro + humidostato + salida auxiliar + alarma + conexión a internet, para cumplir con los parámetros necesarios de humedad. (Full gauge controls, 2006).
2.11.4. Arduino
Es una plataforma de hardware y software libre, que contiene una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, el hardware está compuesto de un microcontrolador atmel AVR y puertos de entrada y salida.
El software es un entorno de desarrollo en el cual se implementa el lenguaje de programación processing/wiring.
Arduino posee información del entorno a través de sus entradas analógicas y digitales, puede controlar diversos actuadores como motores, luces, el microcontrolador se programa mediante el lenguaje de programación (wiring) y el entorno de desarrollo (processing). (Arduino, 2014).
2.11.5. Fuentes de alimentación
La fuente de alimentación es un dispositivo por el cual suministra energía eléctrica, convierte la corriente alterna, en una o varias corrientes continuas. Se clasifican en fuentes de alimentación lineal y conmutada.
28 dispositivo que transforma energía eléctrica mediante transistores, utilizan altas frecuencias entre corte y saturación, es más compleja y sus daños pueden ser mayores. (Edgardo Faletti, 2013).
2.11.6. Transformador
Es un dispositivo estático que permite cambiar la potencia eléctrica de corriente alterna, en otra corriente alterna con distinta tensión e intensidad.
El transformador está diseñado por un núcleo de hierro con dos devanados o bobinados, separados y devanados entre sí, se les conoce como primario y secundario, el bobinado primario con N1 espiras es por donde ingresa la energía y el N2 secundario, es por donde se suministra dicha energía.
Figura 8. Esquema Transformador monofásico.
Fuente. Julio Álvarez
2.11.7. Contactores
29 El contactor se divide en:
Contactos principales: su principal función es abrir o cerrar el circuito de fuerza o potencia.
Contactos auxiliares: este contacto funciona en el circuito de mando o maniobras, soportan menos intensidad.
Circuito electromagnético: consta de tres partes como es el núcleo, la bobina y la armadura. (Vilches, 2005).
2.12. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL
Gracias a la avanzada tecnología los controladores P.I,D, son los más utilizados en el campo industrial (control de potencia, motores de inducción, control de nivel, caudal, temperatura, procesos químicos entre otros.)
2.12.1. Sistema automático de control
Es un conjunto de componentes físicos, relacionados o conectados entre sí, son capaces de regular o dirigir de una manera sólida y eficiente por si solos, corrigen los errores que hayan en el funcionamiento. Los sistemas de control se pueden clasificar en:
Sistema de lazo abierto: es un control donde la señal de salida no influye con la señal de entrada, para que funcione adecuadamente el sistema en lazo abierto debe depender de la calibración del sistema.
Figura 9. Sistema de Lazo abierto.
Fuente. Uriarte, 2011.
El transductor modifica o adapta la naturaleza de la señal de entrada al sistema de control.
30
Planta o proceso, realiza todas las acciones del transductor y actuador para obtener la salida esperada. (José Uriarte, 2011).
2.12.2. Sistema de lazo cerrado
Es un control donde la señal de salida influye con la señal de entrada por medio de retroalimentación (propiedad de un sistema en lazo cerrado que pueda controlar cualquier variable del sistema)
Figura 10. Sistema en lazo cerrado.
Fuente. Uriarte, 2011.
Transductor: Dispositivo (sensor) utilizado para acondicionar la señal de mando (entrada), para convertirla en una señal de referencia valida.
Controlador: Es el elemento más importante de un sistema de control. Condiciona la acción del elemento “actuador”, en función del error obtenido. Su acción de control puede ser: proporcional (p), derivativa (d), integral (i), o una combinación de estas (PD, PI, PDI).
Comparador: Elemento que compara la señal de referencia proveniente del selector de referencia, con la señal realimentada de la salida.
Retroalimentación: Dispositivo (sensor) utilizado en el bloque de realimentación. Acondiciona la señal de salida para introducirla en el comparador. (José Uriarte, 2010,2011).
2.12.2.1. Variable de un proceso
31 Set point o señal de referencia
Es el valor deseado que se mantiene durante el proceso SP. El error es la diferencia entre la variable de procesos PV y el set point SP.
𝐸 = 𝑆𝑃 − 𝑃𝑉
Ec.5.
La variable de procesos debe ser menor al set point para que su valor sea positivo. El control on/off consiste en activar el mando de calentamiento por medio de las niquelinas cuando la temperatura este por debajo de la temperatura del set point, y se desactiva cuando este pro arriba del mismo, debido a la inercia térmica (consecuencia del retardo en propagar la temperatura en la incubadora) de la incubadora la temperatura estará oscilando alrededor del set point. La histéresis que se utiliza en la incubadora maneja de 0 a 10 grados centígrados por arriba del set point, y se desactiva de 0 a 10 grados por debajo del set point, esto hace que haya mayor fluctuación de la temperatura para tener menor funcionamiento de los contactores.
2.12.2.2. PWM
Es la fluctuación por ancho de pulsos de una señal, se puede regular el ciclo de trabajo, de esta manera se controla la cantidad de temperatura que se tiene por las niquelinas. El tiempo de ciclo se puede tener desde 1 a 200 segundos, a mayor tiempo de fluctuación, menor será el tiempo de desgaste que sufran los contactores.
2.12.2.3. Retraso
En lazo cerrado los retrasos se producen por el cambio de condición que se está controlando el sistema, esto se debe a que el sistema necesita tiempo para generar las respuestas necesarias.
2.12.2.4. Error en estado estable
32 La señal de error es:
𝐸(𝑠) = 𝑅(𝑠) − 𝑋(𝑠) Ec.6
R(s) = entradas X(s) = salida E = (error)
2.12.3. CONTROL PROPORCIONAL
Es el que varía según el error proporcional (SP-PV), para que funcione un controlador proporcional se debe tener clara la temperatura deseada SP; la banda proporcional Pb (es un porcentaje que se maneja durante el tiempo de incubación por medio del set point, está debajo del valor del set point); el tiempo de ciclo tc.
En la configuración del controlador utilizado para la temperatura se manejan pwm donde se obtiene una salida.
𝐾𝑝 = 1.2
𝑘𝑜∗𝜏𝑜𝛾𝑜Ec.7
La constante Kp es la ganancia proporcional de control.
2.12.4. Control proporcional derivativo
El control derivativo tiene la capacidad de considerar la velocidad de la temperatura en el tiempo, se controla los parámetros de temperatura para obtener un resultado estable en el proceso de incubación, este control proporcionar derivativo se enfoca en el calentamiento de las niquelinas y pt100, es decir cuando la temperatura sube de manera desmedida, el PD se adelanta y disminuye la potencia de los controladores de temperatura, de igual manera funciona si la temperatura es demasiado baja. La acción derivativa es llamada razón de cambio de la temperatura.
33 El control PD permite obtener una temperatura muy estable, sin oscilaciones, no se daña la respuesta ante perturbaciones aumentando la banda proporcional.
2.12.5. Control proporcional integral PI
Es el mismo control proporcional con la suma de la acción integral, es la cantidad de veces que aumenta la acción proporcional en segundos, se toma de referencia la magnitud del error y el tiempo permanente. Es el tiempo que se incrementa en segundos la cantidad del error. El I integrador deberá ser grande solo en sistemas que su reacción sea rápida (control de velocidad de motores) y pequeño para sistema con mucha inercia (incubadoras). Este valor puede variar entre 0 y 0.08 seg.
𝐾𝑖 = 2𝜏𝑜 Ec.9
2.12.6. Control proporcional integral derivativo PID
Es proporcional, integral y derivativo, es un controlador realimentado para rechazar perturbaciones, elimina el error estacionario con la acción integral, para que su salida sea cero en toda la planta.
Un controlador PID responde a la ecuación:
𝑈(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒
(𝑡)+
𝐾𝑝𝐾𝑖
∫ 𝑒(𝑡)𝜕𝑡 + 𝐾𝑝𝑇𝑑
𝜕𝑒(𝑡)𝜕𝑡 𝑡
0 Ec. 10
Donde e(t) es el error de la señal y u(t) es la entrada del proceso. Kp ganancia proporcional, Ti constante de tiempo integral y Td constante tiempo derivativo.
2.12.6.1. Sintonización de controlador mediante Ziegler-Nichols
34 este método en bucle cerrado, conocido también como método de la oscilación, es el mismo que en el método ZN en bucle abierto, es decir, ajustar mediante el uso de tablas los parámetros del regulador para conseguir que el sistema en bucle cerrado responda con una razón de amortiguamiento de 1/4. Mediante este método se determinan dos parámetros denominados ganancia última 𝐾𝑢 y periodo último 𝑇𝑢, a partir de
los cuales se tienen los valores 𝐾𝑝, 𝐾𝑖, 𝐾𝑑.
La sintonía de un PID mediante el método:
1. Ajustar, con el bucle cerrado, la ganancia proporcional 𝐾𝑝 a un valor inicial pequeño y anular la ganancia integral (𝐾𝑖 → ∞ )y derivativa (𝐾𝑑 = 0)
2. Incrementar paulatinamente la ganancia proporcional 𝐾𝑝 hasta que el sistema presente una oscilación permanente de amplitud constante. Puede ser necesario realizar cambios en el punto de consigna para obtener la oscilación.
3. Asignas a 𝐾𝑢 el valor de 𝐾𝑝, que original la situación del punto anterior. 4. Medir el periodo de la oscilación este periodo se lo denomina como
periodo último de la planta 𝑇𝑢.
5. Ajustar los parámetros del regulador de acuerdo con la tabla.
Tabla 4. Tabla de ajustes bucle cerrado, regulador PID. Propuesta por Ziegler-Nichols
. Fuente. Silva, Quiroga, 2010.
REGULADOR 𝐾𝑝 𝐾𝑖 𝐾𝑑
P 0.5 𝐾𝑢 − −
PI 0.4 𝐾𝑢 0.8𝑇𝑢 −
35 El sistema mecatrónico es la integración de un proceso de diseño digital, que almacena señales, se procesa la información, registra y emite una respuesta por medio de actuadores, se asocian con áreas tecnológicas, relacionadas con sensores, actuadores, software, sistemas de adquisición de datos, modelos físicos y sistemas de señales, sistemas de control y sistemas de microprocesadores. (Humberto Vargas, 2013).
Figura 11. Metodología Mecatrónica.
Fuente. www.universidades-rusia.com
El esquema del funcionamiento de un sistema mecatrónico es el que se va a realizar en el proyecto de investigación, está compuesto por mecánica, electrónica, control e informática. Después de haber diseñado el sistema, se procederá a implementar un prototipo con todos los parámetros establecido en el diseño del sistema.
Para el diseño mecánico se realizara un estudio de los elementos que sean adaptables a los cambios de humedad y temperatura.
Mecatronica Electronica
Mecanica
Informatica Control
Software y sistemas
de adquisició n de datos
Modelos de sistemas
físicos Señales
36 3.1. ANÁLISIS DEL SISTEMA
Para la construcción de la maquina incubadora se tomara en cuenta, las variables de voltaje, temperatura, humedad, movimiento, resistencia, potencia, fricción y el material que se utilizara.
Se describirán las características mecánicas, de control y eléctricas del proyecto. En la estructura mecánica se debe colocar un servo motor que dará movilidad a la estructura fabricada de aluminio para que las bandejas de huevos tengan un movimiento de 45 grados cada 1 hora durante las 24 horas del día. Cada estructura de aluminio debe soportar una bandeja con 100 huevos, cada estructura metálica es de 1200gr., las mismas que contendrán bandejas con un peso de 1000 huevos. La bandeja está diseñada de polímero que resiste temperaturas altas y humedad, sin causar ningún efecto extremo en los huevos o embriones, la separación de bandeja a bandeja es de 20 cm, con un orificio en la parte inferior de las cubetas, para que el huevo tenga mayor oxígeno, ventilación y temperatura.
La estructura de la maquina incubadora está diseñada en madera de Tropikor, ya que soporta agua, temperaturas altas y humedad, no sufre deformaciones ni contamina el ambiente dentro de la incubadora.
Con respecto al sistema de control se debe tomar en cuenta las variables de humedad y temperatura que se va a programar ya que los rangos de temperatura deben ser exactos en los picos inferiores y superiores, de esta manera tendremos embriones sin deformación alguna. En la humedad la maquina incubadora deberá tener de 50 a 60% de humedad circulante que se disipara por medio de ventiladores igual q la temperatura.
37 muy amigable con el usuario ya que utilizara lenguajes simples de funcionamiento aplicando la metodología mecatrónica que involucra sus cuatro pilares, mecánica, electrónica, informática y control.
El primer paso para diseñar la maquina incubadora será dibujar por medio de CAD, donde se diseñara las estructuras de aluminio para las bandejas de huevos, la caja, puertas, sistema de ventilación, sistema de humedad y la caja de control.
El programa que se utilizara para el diseño gráfico será solidworks, es un entorno productivo, posee inteligencia integrada, y muy amigable con el usuario para obtener resultados eficientes en el proyecto.
Para finalizar con el proyecto se acoplara el sistema de control a la máquina incubadora, después de haber concluido el ensamblaje de todas sus piezas, se procede a realizar las pruebas, teniendo presente los voltajes, temperatura, humedad, ventilación, movimiento y corrientes. Se concluirá verificando el correcto funcionamiento de la maquina incubadora, la parte mecánica, electrónica y de control.
3.2. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
La máquina incubadora debe cumplir con los siguientes parámetros.
Temperatura
Para controlara la temperatura se utilizara un controlador de temperatura, con el cual, la incubadora debe alcanzar una temperatura máxima de 38 grados centígrados, en toda el área de incubación.
Humedad
38 humedad están entre el 40 y 65% de precisión para que los embriones se desarrollen sin deformaciones.
Movimiento
El movimiento rotatorio se realizara por medio de un servomotor, el servomotor estará conectada a un voltaje de 5v, en corriente continua, con el cual se manejara el movimiento rotatorio de la estructura mecánica para las bandejas de huevos de codorniz, la programación se la hará en arduino, donde está programado que el servo se mueva las 24 horas al día cada 1 hora, la primera posición a 45° y la segunda posición a 135° respectivamente, esto evitara deformaciones en los embriones y que la cascara se pegue a el embrión. A partir del 16 día, el movimiento se suspenderá ya que la codorniz comienza a picar su cascaron.
Este proceso de incubación se puede realizar en las diferentes especies de aves, según el requerimiento del usuario.
3.3. REQUERIMIENTOS DEL CONTROL
La máquina incubadora estará controlada por medio del tablero, donde se encuentran todos los componentes del sistema eléctrico y electrónico.
3.3.1. Luces led
Para verificar que todo este marchando según lo establecido se incorporaron dos luces piloto led de 22mm de diámetro, que funcionaran a 110v en corriente alterna.
39 3.3.2. Selectores
Los selectores que se utilizaron son de maneta corta negra de 22mm de diámetro, su peso es de 0.095Kg. Tiene 2 tipos de posiciones, un normalmente abierto, izquierdo y un normalmente cerrado derecho.
3.3.3. Breaker
El Breaker es bifásico, funciona a 110 v, es el interruptor principal de la máquina incubadora con protección a 10A.
3.3.4. Regletas de contactos
Distribuye los componentes eléctricos y electrónicos a un transformador de 110 v para la reducción a 12v, este transformador es de 100w de potencia, el primario que tiene como entrada de 110v y el secundario que tiene de salida 12v, de los 12v secundarios de salida a 3 A se conecta a un rectificador de onda completa y este a su vez posee un filtro 4700uF, a 34v, el rectificador o diodo es de 15A. El voltaje de 12v se conecta al relé en estado sólido de 3- a 32 v en corriente continua con una cometida que es la entrada, activa el contacto de las resistencias caloríficas niquelinas, controlado por el sensor de temperatura.
Los ventiladores están conectados directo a la fuente de 110v, el tiempo de funcionamiento es de 24 horas los 17 días de incubación, cada ventilador funciona a 10w, cada uno con aspas grandes de 9 pulgadas, tienen caudal de aire.
Todo está conectado con cable concéntrico, las medidas del cable es 3*12, en los cuales obtenemos, fase, neutro y tierra.
Para el proceso de desarrollo se empleara metodología mecatrónica para la construcción de la maquina incubadora, los requerimientos técnicos son:
40
Funcionalidad.- la maquina funcionara de acuerdo a los parámetros establecidos de incubación.
Estructura.- la estructura este perfectamente hecha para la simplicidad del montaje.
Fácil montaje.- permitirá armar la máquina de una manera rápida y sencilla.
Control.- la programación será entendible para los usuarios, y fácil.
Durabilidad.- vida útil de la máquina.
Mantenimiento.- sea factible para poder cambiar o reparar cualquier tipo de elemento.
Costos.- el valor de la construcción de la máquina, su presupuesto.
3.4. SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS PARA LA MÁQUINA INCUBADORA
El principal propósito de este proyecto es desarrollar una máquina incubadora automática industrial para la explotación de la cotornicultura en la ciudad de Ibarra provincia de Imbabura.
3.4.1. CRITERIOS DE INGENIERÍA PONDERADOS
Se analizarán tres opciones por las cuales se puede resolver el proyecto.
Tabla 5. Tipos de solución
TIPOS DE SOLUCIÓN Opción 1 Opción 2 Opción 3
Material de la Estructura metálica
Aluminio Acero Madera
Materiales de la estructura de madera
Tropikor Triplex Fresno
Sistemas de control Arduino
megaADK, MT-530, Autopid
Micro controlador PIC 16F877A
PLC s7-300
Servomotores HK15338 25 Kg
de torque
TowerPro MG996r 10Kg de
torque
TowerPro MG946r 12 Kg
de torque Sensores de
temperatura
Termocupla con niquelinas a 150
W PT100
LM 35 Termocupla
41 Después de haber analizado las tres opciones, se procederá a tener las soluciones.
3.4.1.1. Solución 1
En la solución 1 se empleara para la temperatura resistencias eléctricas tubulares con un sensor de temperatura PT100, la madera que se utilizara para la máquina incubadora es Tropikor y la programación para los servomotores se la realizara en arduino.
Tabla 6: Solución 1
Solución 1 Opción 1
Material de la estructura metálica Aluminio
Materiales de la estructura de madera Tropikor
Sistemas de control Arduino mega ADK, MT-530, Autopid
Servomotores HK15338 25 Kg de torque
Sensores de temperatura Termocupla con niquelinas a 150 W
Sensores de humedad Sb56
3.4.1.2. Solución 2
En la solución 2 se utilizara lm35 con la cual controlaremos la temperatura por medio de un microcontrolador, la madera que se utilizara para la maquina incubadora es Triplex, y los servomotores serán de 10Kg de torque.
Tabla 7. Solución 2
Solución 2 Opción 2
Material de la estructura metálica Acero
Materiales de la estructura de madera Triplex
Sistemas de control Micro controlador PIC 16F877A
Servomotores TowerPro
MG996r 10Kg de torque
Sensores de temperatura LM 35
42 3.4.1.3. Solución 3
En la solución tres se utilizara una Termocupla para la temperatura, y para la construcción de la máquina incubadora la madera será de fresno, el servomotor que se implementara es de 12 Kg de torque.
El PLC s7-300 será programado en logos.
Tabla 8. Solución 3
Solución 3 Opción 3
Material de la estructura metálica Madera
Materiales de la estructura de madera Fresno
Sistemas de control PLC s7-300
Servomotores TowerPro
MG946r 12 Kg de torque
Sensores de temperatura Termocupla
Sensores de humedad Higrómetro
3.5. ANÁLISIS DE LOS CONCEPTOS DE INGENIERÍA
La siguiente tabla explica los conceptos de ingeniería que se debería cumplir en la maquina incubadora, se hace una relación con los diferentes conceptos y se pondera de acuerdo a la importancia de cada uno.
Tabla 9: Conceptos de Ingeniería
CRITERIOS Fá ci l uso Fu nci on al ida d E st ruc tura Fá ci l m on taj e S ist ema C on tr ol D urabi lida d M an ten im ien t o C osto ∑ + 1 P on de raci ón
Fácil uso 1 0.5 0.5 1 1 1 1 6 0.15
Funcionalidad 1 1 0.5 0.5 1 0 0.5 4.5 0.11
Estructura 1 0.5 1 0.5 1 0.5 1 5.5 0.14
Fácil montaje 1 0.5 1 0 1 0.5 0.5 4.5 0.11
Sistema Control 1 0.5 0 1 0.5 0.5 1 4.5 0.11
Durabilidad 0 0 1 0.5 0.5 1 0.5 3.5 0.10
mantenimiento 0.5 0.5 1 1 1 1 0.5 5.5 0.14
Costo 1 1 1 0 1 0.5 1 5.5 0.14
43 Los parámetros a los cuales se calificaran:
1= muchas relación 0.5= poca relación 0= ninguna relación
3.6. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS
Se indicara la importancia que tiene cada concepto de ingeniería, versus métodos cuantitativos, para obtener una solución óptima para la máquina incubadora.
Tabla 10: Análisis de alternativas.
Análisis de
alternativas Fá ci l uso Fu nci on al ida d E st ruc tura Fá ci l m on taj e S ist ema de con tr ol D urabi lida d M an ten im ien to C
ostos Total
Alternativa 1 5 5 5 5 5 5 5 5 40
Alternativa 2 5 5 5 1 1 5 1 1 24
Alternativa 3 5 1 5 1 1 5 1 1 20
Donde
1 es regular
5 es optimo
44 3.7. SELECCIÓN DE ALTERNATIVA POR CRITERIOS PONDERADOS
45 El propósito de este capítulo es diseñar y construir la maquina incubadora resolviendo los cálculos respectivos, con esto se comprobara la confiabilidad para proceder a la construcción. Los cálculos matemáticos se validarán en la parte experimental.
4.1. DISEÑO MECÁNICO
Se diseñaran todas las partes mecánicas de la incubadora de huevos de codorniz, se iniciara con la construcción de la caja y la estructura para las bandejas de los huevos.
Cada bandeja está diseñada para 126 huevos de codorniz, las dimensiones son 0.27mx0.27 metros con una profundidad de 0.24, en la parte inferior tiene un orificio cónico, mediante el cual el huevos puede absorber temperatura y humedad.
Figura 12. Bandeja para huevos de codorniz.
46 Coche
Figura 13. Coche para bandejas.
Piezas ensambladas
Figura 14. Ensamblaje incubadora
47 Máquina incubadora ensamblada
Figura 15. Máquina incubadora
4.2. ANÁLISIS MECÁNICO
Según las dimensiones del diseño, se procederá a realizar los cálculos del análisis estructural, considerando el peso que va a soportar la estructura, ya que tendrá 1000 huevos para incubar.
Peso del coche: 4Kg
Peso de las 8 bandejas: 2Kg Peso total de 1000 huevos: 8Kg
Aleaciones forjadas del aluminio
Módulo de elasticidad 6061-T6 68.9GPa
Módulo de rigidez 6061-T6 26GPa
Módulo e resistencia a la fluencia
compresión
6061-T6 255MPa
Resistencia última a la compresión 6061-T6 290MPa
