UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
Extensión Santo Domingo
FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Y AUTOMATIZACIÓN
Tesis previa a la obtención del título de:
INGENIERO ELECTROMECÁNICO, MENCIÓN EN AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
CONTROL AUTOMÁTICO BASADO EN MICROCONTROLADORES, PARA
EL PROCESO DE PASTEURIZACIÓN DE LECHE EN LA EMPRESA
GUSTALAC S.A.
Estudiante:
GANDY JONNATHAN LARCO MONTENEGRO.
Director de tesis
ING. CHRISTIAN MACÍAS
ii
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
CONTROL AUTOMÁTICO BASADO EN MICROCONTROLADORES, PARA
EL PROCESO DE PASTEURIZACIÓN DE LECHE EN LA EMPRESA
GUSTALAC S.A.
Ing. Christian Macías. _________________________
DIRECTOR DE TESIS
A P R O B A D O
Ing. Nilo Ortega __________________________ PRESIDENTE DE TRIBUNAL
Ing. Fabián Calero __________________________
MIEMBRO DE TRIBUNAL
Ing. Jorge Terán __________________________
MIEMBRO DE TRIBUNAL
iii
El contenido del presente trabajo, está bajo la responsabilidad del autor.
__________________________________ Gandy Jonnathan Larco Montenegro.
CI. 172298733-4
Autor: GANDY JONNATHAN LARCO MONTENEGRO
Institución: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA
EQUINOCCIAL.
Título de Tesis: DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
CONTROL AUTOMÁTICO BASADO EN
MICROCONTROLADORES, PARA EL
PROCESO DE PASTEURIZACIÓN DE LECHE
EN LA EMPRESA GUSTALAC S.A.
iv
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
Extensión Santo Domingo
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Santo Domingo, 27 de mayo de 2013.
Ing. Nilo Ortega
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Estimado Ingeniero
Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo investigativo realizado por el señor: GANDY JONNATHAN LARCO MONTENEGRO, cuyo tema es: “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL
AUTOMÁTICO BASADO EN MICROCONTROLADORES, PARA EL
PROCESO DE PASTEURIZACIÓN DE LECHE EN LA EMPRESA GUSTALAC
S.A.”, ha sido elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus partes, por lo cual
autorizo su respectiva presentación.
Particular que informo para fines pertinentes
Atentamente,
v
DEDICATORIA
El presente proyecto de tesis está dedicado de manera muy especial a mis padres, quienes con su apoyo incondicional desde el inicio de mi carrera me han motivado a seguir adelante y no rendirme ante ningún obstáculo que se me presentó.
Mi familia son las personas más importantes para mí, quienes con su ejemplo de vida y perseverancia, guiaron mi camino con valores y principios que estarán presentes hasta el final de mis días, ellos han sido, son y serán, la razón por la que siempre estaré agradecido con la vida.
Además dedico este proyecto a la Señorita Karina García por saber comprenderme en el transcurso de los años de estudio y por su ayuda en cada momento que ha sido necesaria.
vi
AGRADECIMIENTO
Quiero agradecer de manera muy especial a Dios, por haberme permitido llegar hasta este momento final en mi carrera académica, por haber estado conmigo y no permitir que desista, por haberme dado todas las oportunidades que tengo para salir adelante siempre, por confiar y seguir confiando en mí.
A mis padres, por darme todo su amor y su apoyo incondicional, haciendo nacer en mí corazón el deseo de esforzarme más cada día, y así corresponder en algo todo el esfuerzo y sacrificio necesarios que han tenido que hacer para ayudarme a culminar esta etapa importante de mi vida.
Finalmente a todos las personas que hicieron posible confinar este proyecto entre ellos Don Gustavo Buriticá, Presidente de Gustalac S.A. al tutor de la tesis el ingeniero Christian Macías y compañeros de clase siempre apoyándome en todo momento, en las buenas y en las malas, a todos los amigos que hice durante este proyecto, Muchas Gracias.
vii
ÍNDICE DE CONTENIDO
Tema……….Pág
Portada ... i
Sustentación y aprobación de los integrantes del tribunal ... ii
Resposabilidad del autor ... iii
Aprobación del director de tesis ... iv
Dedicatoria ... v
Agradecimiento ... vi
Índice de figuras ... xiii
Resumen ejecutivo ... xvi
Executive Summary ... xvii
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes ... 19
1.1.1 Antecedentes históricos ... 19
1.1.2 Antecedentes científicos ... 19
1.1.3 Antecedentes prácticos ... 20
1.1.4 Importancia del estudio ... 21
1.1.5 Situación actual del tema de investigación ... 21
1.2 Limitaciones del estudio ... 21
1.3 Alcance del trabajo ... 22
1.4 Objeto de estudio ... 22
1.5 Objetivo general de estudio ... 23
viii
1.5.2 Objetivos específicos ... 23
1.6 Justificación ... 24
1.7 Hipótesis o idea a defender ... 25
1.8 Aspectos metodológicos del estudio ... 25
1.8.1 Unidad de análisis ... 25
1.8.2 La población de estudio y sus características ... 26
1.8.3 Tipo y nivel de la investigación ... 26
1.8.4 Métodos de estudio ... 26
CAPÍTULO II MARCO DE REFERENCIA 2.1 Pasteurización ... 27
2.1.1 Historia ... 27
2.1.2 Tipos de pasteurización ... 28
2.2 Sensores……… ... 32
2.2.1 Definición de sensor ... 33
2.2.2 Características generales de los sensores ... 33
2.2.3 Principio de funcionamiento de los sensores ... 34
2.2.4 Tipos de sensores ... 36
2.2.5 Potenciómetro ... 59
2.3 Accionamientos eléctricos ... 61
2.3.1 Relés y contactores ... 61
ix
2.4.1 Electroválvulas ... 65
2.5 Transductores ... 73
2.5.1 Definición ... 73
2.5.2 Principio de funcionamiento ... 75
2.6 Pantalla TFT ... 75
2.6.1 Definición de TFT ... 75
2.6.2 Ventajas ... 77
2.7 Pantalla LCD ... 80
2.7.1 Definición de LCD ... 80
2.7.2 Características ... 81
2.8 Pantalla TFT-LCD ... 82
2.8.1 Introducción ... 82
2.8.2 Construcción de TFT-LCD ... 83
2.8.3 Seguridad ... 84
2.9 Pantalla TFT-LCD Fez Cobra ... 85
2.9.1 Características ... 85
2.9.2 Requisitos de alimentación ... 86
2.10 Módulo (EMX) ... 86
2.10.1 Soporte en .NET ... 87
2.10.2 Características ... 87
2.10.3 Aplicaciones ... 88
2.10.4 Arquitectura de software y hardware ... 89
2.10.5 Diagrama de bloques ... 90
2.11 Arquitectura ARM ... 90
x
2.12 Lenguaje de programación ... 96
2.12.1 Introducción ... 96
2.12.2 Historia ... 97
2.12.3 Conversión de números ... 97
2.12.4 Operadores de C Sharp ... 98
2.13 Monitoreo y control del sistema automático. ... 98
2.14 HMI para control y supervisión del proceso de pasteurización ... 99
2.15 Introducción al diseño y desarrollo del sistema HMI ... 101
2.15.1 Generalidades de C Sharp ... 101
2.15.2 Ventajas ... 102
2.15.3 Desventajas ... 103
2.15.4 Cualidades ... 103
CAPÍTULO III METODOLOGÍA 3.1 Introducción ... 106
3.2 Tipos de Investigación ... 106
3.2.1 Por el grado de abstracción ... 106
3.2.2 Según el objeto de estudio ... 107
3.2.3 Según las variables ... 107
3.2.4 Por la dimensión cronológica ... 107
3.3 Método de investigación ... 107
xi
3.3.2 Método experimental ... 108
3.4 Población y Muestra ... 108
3.5 Condiciones de Prueba ... 108
CAPÍTULO IV PROGRAMACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO BASADO EN MICROCONTROLADORESE 4.1 Introducción ... 109
4.2 Instrumentos del módulo ... 110
4.2.1 Descripción de operación ... 114
4.2.2 Indicación de instalación y funcionamiento de equipos ... 115
4.3 Funcionamiento de los las placas del sistema ... 120
4.3.1 Placa de acondicionamiento de señal de llenado. ... 120
4.3.2 Placa de acondicionamiento de señal de temperatura. ... 121
4.3.3 Placa de recepción y transmisión de datos. ... 123
4.3.4 Microcontrolador ATMEGA48. ... 124
4.3.5 Circuito para placa FEZ Cobra. ... 126
4.3.6 Circuito para la activación de los relés por medio del microcontrolador. ... 127
4.4 Programación del control automático para pasteurización. ... 128
4.4.1 Programación BASCOM para microcontrolador ATMEGA48. ... 128
4.4.2 Programación BASCOM para microcontrolador de sensores de tina ... 134
4.4.3 Programación Visual Studio 2010 parafamilia AVR. .. ………140
4.5 Diseño de las placas para impresión en el programa ARES. ... 256
xii
4.5.2 Tarjeta de opto acopladores y termocupla. ... 257
4.5.3 Tarjeta de sensores capacitivos de la tina de recepción. ... 258
4.5.4 Tarjeta para activación de bombas para el agua fría y paro de emergencia. 259 4.5.5 Tarjeta para el control de nivel del fluido. ... 260
4.5.6 Tarjeta para el control de nivel del fluido. ... 261
4.5.7 Tarjeta para activación de bombas para el agua fría y paro de emergencia. 262 4.6 Diseño de las placas en 3D para la pre-visualización. ... 263
4.6.1 Tarjeta de relés y Fez Cobra ... 263
4.6.2 Tarjeta de relés para agua fría. ... 264
4.6.3 Tarjeta de comunicación de termocupla y opto-acopladores. ... 265
4.6.4 Tarjeta de sensores capacitivos de la marmita. ... 266
4.6.5 Tarjeta de ampliación para simulación. ... 267
4.6.6 Tarjeta externa para Termocupla. ... 268
4.7 Pruebas del sistema de control automático de pasteurización………. 269
4.7.1 Sensor Capacitivo ... 269
4.7.2 Instalación de Termocupla tipo K. ... 270
4.7.3 Módulo de control centralizado para microcontrolador. ... 270
4.7.4 Adecuación de tableros de control para la activación de motores. ... 272
CAPÍTULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 Conclusiones ... 274
xiii
xiv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1Curva de pasteurización HTST ... 30
Figura 2.2Curva de pasteurización UHT ... 31
Figura 2.3Historia de los sensores ... 32
Figura 2.4Diagrama de un termopar ... 39
Figura 2.5Esquema de un termopar ... 40
Figura 2.6Tipos de termopar ... 41
Figura 2.7Esquema de un Termopar ... 42
Figura 2.8Componentes del Termopar ... 43
Figura 2.9Formas constructivas de los sensores inductivos ... 45
Figura 2.10Diagrama de bloques y del núcleo captador de los sensores inductivos ... 46
Figura 2.11Componentes de un sensor inductivo ... 47
Figura 2.12Sensor capacitivo ... 48
Figura 2.13Principio de operación de un sensor capacitivo ... 49
Figura 2.14Operación de los sensores capacitivos. ... 50
Figura 2.15Distancia de Sensado ... 51
Figura 2.16Partes de un sensor capacitivo ... 52
Figura 2.17Ejemplos de aplicación de los sensores capacitivos ... 53
Figura 2.18Sensor de nivel capacitivo ... 55
Figura 2.19Sensor capacitivo usado como detector de nivel ... 55
Figura 2.20Esquema sensor de nivel ultrasónico ... 56
Figura 2.21Esquema de potenciómetro. ... 60
Figura 2.22Respuesta de un potenciómetro lineal. ... 61
Figura 2.23Respuesta de un potenciómetro lineal. ... 65
Figura 2.24Electroválvula NC y NA. ... 66
Figura 2.25Solenoide Energizado. ... 68
Figura 2.26Válvula normalmente cerrada de dos vías. ... 69
Figura 2.27Válvula de solenoide de dos vías, de acción directanormalmente cerrada. 72 Figura 2.28Transductor de presión ... 74
Figura 2.29Funcionamiento de una TFT. ... 76
Figura 2.30Funcionamiento de una LCD-TFT. ... 77
xv
Figura 2.32Pantalla TFT-LCD. ... 83
Figura 2.33TFT Fez Cobra. ... 85
Figura 2.34Módulo EMX. ... 87
Figura 2.35LPC2478FBD206. ... 92
Figura 2.36Logo de lenguaje C Sharp. ... 101
Figura 4.1Marmita para la implementación. ... 111
Figura 4.2Tuberías de vapor, frío entre otras. ... 111
Figura 4.3Cuarto de control. ... 112
Figura 4.4Vista Previa Completa de la Empresa ... 114
Figura 4.5Sensores capacitivos para la medición de nivel del llenado de la marmita. 116 Figura 4.6Ducto para toma de temperatura por medio de convección ... 117
Figura 4.7Electroválvula instalada en sistema paralelo ... 118
Figura 4.8Pantalla para HMI ... 119
Figura 4.9Configuración de optoacoplador para sensores capacitivos. ... 120
Figura 4.10Configuración de optoacoplador para sensores capacitivos. ... 121
Figura 4.11Configuración de AD595 para termocupla tipo K. ... 122
Figura 4.12Configuración de AD595 para termocupla tipo K. ... 122
Figura 4.13Configuración de recepción y transmisión de datos. ... 123
Figura 4.14Configuración de microcontrolador ATMEGA48. ... 124
Figura 4.15Configuración Total del microcontrolador ATMEGA48. ... 125
Figura 4.16Configuración Total de la placa FEZ COBRA. ... 126
Figura 4.17Configuración para la activación de relés. ... 127
Figura 4.18Configuración de botones. ... 140
Figura 4.19Configuración de texto. ... 145
Figura 4.20Configuración de presentación de temperatura VS tiempo. ... 146
Figura 4.21Configuración de variables animadas. ... 149
Figura 4.22Configuración de variables animadas. ... 151
Figura 4.23Monitoreo de temperatura. ... 153
Figura 4.24Animación de válvulas. ... 157
Figura 4.25Configuración del administrador. ... 160
Figura 4.26Configuración del texto y variables. ... 170
xvi
Figura 4.28Configuración de la presentación de las variables. ... 176
Figura 4.29Limitación al momento de salir del proceso. ... 187
Figura 4.30Configuración de claves personales. ... 191
Figura 4.31Configuración de temperatura máxima. ... 200
Figura 4.32Configuración de temperatura para agua torre. ... 206
Figura 4.33Configuración de tiempo para cocción. ... 209
Figura 4.34Presentación final del proceso en la marmita. ... 226
Figura 4.35Alarma por falla de enfriamiento. ... 242
Figura 4.36Alarma por falla de enfriamiento. ... 252
Figura 4.37Impresión de PCB’S de la tarjeta de comunicación FEZ COBRA. ... 256
Figura 4.38Impresión de PCB’S de la tarjeta de termocupla y opto acopladores. ... 257
Figura 4.39Impresión de PCB’S de la tarjeta de sensores capacitivos en la tina. ... 258
Figura 4.40Impresión de la tarjeta de activación de bombas y paro de emergencia. .. 259
Figura 4.41Impresión de PCB’S de la tarjeta de control de nivel en la marmita. ... 260
Figura 4.42Impresión de PCB’S de la tarjeta de simulación de fallas ... 261
Figura 4.43Impresión de PCB’S de la tarjeta para termocupla externa. ... 262
Figura 4.44Visualización de PCB’S de la tarjeta de relés. ... 263
Figura 4.45Visualización de PCB’S de la tarjeta de relés. ... 264
Figura 4.46Visualización de PCB’S de la tarjeta de termocupla y opto acopladores. 265 Figura 4.47Visualización de la tarjeta de sensores capacitivos de la marmita. ... 266
Figura 4.48Visualización de PCB’S de la tarjeta para la simulación. ... 267
Figura 4.49Visualización de PCB’S de la tarjeta externa para termocupla. ... 268
Figura 4.50Instalación del sensor capacitivo ... 269
Figura 4.51Instalación de termocupla. ... 270
Figura 4.52Instalación de Gabinete. ... 271
Figura 4.53Tableros de control para motores. ... 272
xvii
RESUMEN EJECUTIVO
El siguiente resumen describe brevemente cada capítulo del presente proyecto de tesis.
El capítulo I hace referencia a los antecedentes del proyecto, su respectiva justificación y alcance, así como también los objetivos que se desean lograr y la metodología empleada para la realización del proyecto de tesis.
El capítulo II muestra todo le referente al marco teórico acerca de los diferentes tipos de sensores y microcontroladores que se van a emplear, así como también los métodos de medición, control y monitoreo que se emplean para las diferentes variables físicas que se van a manejar en el proceso de pasteurización.
El capítulo III trata acerca del tipo de investigación realizada, los métodos de investigación, las técnicas de investigación empleadas y la población que se beneficiará con el presente proyecto de tesis.
El capítulo IV muestra toda la programación para los microcontroladores en los diferentes lenguajes existentes en el mercado. Además en este capítulo de muestra el desarrollo del HMI utilizando el software Visual Studio 2010 para el control y supervisión del sistema automático para pasteurización que utilizaré para la defensa de tesis.
xviii
EXECUTIVE SUMMARY
This summary describes briefly each chapter of this thesis project.
Chapter I : It refers to the background of the project, Its respective justification and scope, as well as the objectives to be achieved and the methodology used for the realization of the thesis project.
Chapter II : It shows everything concerning the theoretical framework about the different types of sensors and microcontrollers to be used, as well as the methods of measurement, monitoring and control that are used for different physical variables driving the pasteurization process.
Chapter III : It deals with the type of research, research methods, research techniques employed and the population who will benefit from this thesis project
Chapter IV : It shows all programming for microcontrollers in different languages on the market. Also in this sample chapter HMI development using Visual Studio 2010 software for control and monitoring of the automatic system will use to pasteurization that I will use for thesis defense.
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
1.1.1 Antecedentes históricos
En Santo Domingo de los Tsáchilas en el año 2011 se detecta la necesidad de la empresa Gustalac S.A (Avena Polaca) de tener algún sistema de control automático para la elaboración de su producto; ya que tiene un déficit en la sección de pasteurización debido que se derrama leche de la marmita de cocción por no poseer un sistema de control y visualización de la temperatura, por ende implica no obtener una buenas pasteurización en el producto producido y la seguridad de sus trabajadores en el área de trabajo.
En la actualidad existen PLC pero debido a su alto costo y elementos adicionales no es una opción viable para la empresa pueda adquirirlos, sin embargo se puede desarrollar otros tipos de sistema con Micro Controladores que funciona de igual forma pero con la ventaja de que es mucho menos costoso debido a que es un sistema dedicado y de libre programación según los requerimientos solicitados.
1.1.2 Antecedentes científicos
coeficiente intelectual muy alto, pero por lo contrario con la aparición de este circuito integrado todo sería mucho más fácil de entender y los diseños electrónicos serían mucho más pequeños y simplificados. Entre los microprocesadores más conocidos tenemos el popular Z-80 y el 8085. Los diseñadores de equipos electrónicos ahora tenían equipos que podían realizar mayor cantidad de tareas en menos tiempo y su tamaño se redujo considerablemente; sin embargo, después de cierto tiempo aparece una nueva tecnología llamada microcontrolador que simplifica aun más el diseño electrónico.
El desarrollo de estos tipos de procesadores y controladores es considerado de carácter científico debido a que su desarrollo ha sido de forma gradual y en base al método de prueba y error.
1.1.3 Antecedentes prácticos
Con el paso de los años la empresa privada Gustalac S.A ha aumentado sus requerimientos de producción debido a la gran demanda de su producto a nivel nacional.
Para cubrir esta necesidad se propuso la idea de diseñar y construir un Sistema Automático de Control de Pasteurización Basado en Microcontroladores capaz de satisfacer las necesidades requeridas en el área de procesamiento del producto conocido como Avena Polaca.
1.1.4 Importancia del estudio
La importancia de desarrollar el tema, “Diseño, Construcción e Implementación de un Sistema de Control Automático basado en Microcontroladores, para el proceso se Pasteurización de leche en la Empresa Gustalac S.A.” es para mejorar el proceso de pasteurización, llevar un control más exacto de cada lote producido y disminuir los riesgos laborales que existen en esa zona de la empresa.
Así también se ayuda al microempresario a tener un sistema automático a un costo moderado con relación a los sistemas automáticos actuales.
1.1.5 Situación actual del tema de investigación
Hoy en día la empresa Gustalac S.A. no cuenta con este tipo de sistema, ese es uno de los principales problemas con que cuenta el área de pasteurización, ya que el supervisor de planta no tiene reportes inmediatos de producción ni tampoco se tiene todas las garantías necesarias para una pasteurización exitosa.
Las consecuencias de la falta de implementación de equipos automáticos con una supervisión en tiempo real, es notoria cuando el obrero de la industria se olvida la secuencia del proceso o simplemente cuando se adopta un nuevo personal que no tiene totalmente clara la condición de pasteurización ni los tiempos necesarios para poder efectuarla correctamente, situaciones que pueden conllevar a retrasos en la línea de producción y en los casos más severos de pérdida parcial del producto primario.
1.2 Limitaciones del estudio
medio de una pantalla Touch sin olvidar las protecciones necesarias para que sea un sistema seguro, robusto y confiable para el operador.
1.3 Alcance del trabajo
El diseño y construcción de un sistema automático de pasteurización está orientado a mejorar la calidad de la pasteurización, visualizarla en tiempo real y la reducción de posibles accidentes laborales en la empresa, con la posibilidad de ser supervisado y controlado mediante un HMI para que se haga más dinámico el control y supervisión de todo el proceso.
Los eventos registrados por el sistema automático, son grabados en una memoria Sd de 32 Mb, que posteriormente se va a poder visualizar en Excel con la ayuda de un computador externo, caso contrario también se pueden visualizar los eventos de alarmas en la misma pantalla del controlador.
Se contará con acceso por categorías para poder hacer modificaciones a los parámetros en el sistema automático. De acuerdo al cargo ejercido en la empresa, cada miembro tendrá una clave personal para poder validar los cambios en el proceso de pasteurización.
1.4 Objeto de estudio
También se va a demostrar la versatilidad que tiene al momento de programar y estructurar los diseños en una pantalla táctil para poder establecer la comunicación en el microcontrolador y los periféricos externos (Sensores).
1.5 Objetivo general de estudio
1.5.1 Objetivo general
Diseñar, construir e implementar un sistema de control automático basado en micro controladores, para el proceso de pasteurización de leche en la empresa Gustalac S.A.
1.5.2 Objetivos específicos
Diseñar y construir un sistema de control automático basado en micro controladores para una marmita que existe en el proceso y un módulo de simulación de fallas.
Poder visualizar la temperatura de la marmita en tiempo real, en la pantalla principal del proceso.
Construir un sistema de red para la comunicación entre dos microcontroladores individuales, uno puesto a modo real y el otro a un módulo de simulación de fallas.
Realizar un interfaz HMI basado en la arquitectura de Visual C/C++ y con lenguaje de programación C Sharp (C#).
Realizar el control master desde la pantalla TFT hacia la marmita y el módulo simulador de fallas.
Diseñar un sistema de filtración de ruidos para que la señal emitida por la termocupla sea aceptable con la precisión deseada hacia el proceso de pasteurización.
Demostrar que es confiable, seguro y estable el sistema de automatización construido con micro-controladores.
Comprobar que es mucho menos costoso implementar el micro-controlador en un proceso específico que un PLC convencional.
Confirmar que tiene la misma capacidad de operación y respuesta que un autómata básico.
Establecer las condiciones necesarias para que el micro-controlador posea las características suficientes para desarrollar lo requerido en el proceso de pasteurización.
1.6 Justificación
El proyecto a realizarse tiene como finalidad demostrar la optimización de los recursos que posee un microcontrolador para realizar procesos sencillos en la industria con un bajo costo de implementación, tomando en consideración los grados de protección que son necesarios para este equipo como los filtros de ruidos entre otros.
Con la implementación del módulo de fallas se demostrarán los errores que pueden ocurrir en el proceso, éstos se los puede provocar intencionalmente por el operario para poder verificar los mensajes de error y alerta que se implementaron en el sistema automático.
Si bien es cierto actualmente en nuestro medio y en nuestra localidad las pequeñas y grandes industrias han ido de alguna manera haciendo uso de la automatización a gran o menor escala para la obtención de sus productos, lo cual hace notar a simple vista la necesidad de poseer sistemas automáticos a un bajo costo tanto de implementación como de mantenimiento.
1.7 Hipótesis o idea a defender
A través de la implementación del sistema automático basado en microcontroladores se podrá demostrar la versatilidad que tiene el mismo, el tiempo de respuesta y la robustez del equipo en la parte industrial.
También se va a comparar el costo y beneficio de un microcontrolador frente a un PLC, sin olvidar los eventos que se pueden almacenar tanto como el histórico de alarmas y los datos de la curva de la pasteurización.
1.8 Aspectos metodológicos del estudio
1.8.1 Unidad de análisis
1.8.2 La población de estudio y sus características
Implementación de un sistema de control automático orientado al control de proceso de pasteurización en la industria privada Gustalac S.A ubicada en la cuidad de Santo Domingo de los Colorados en el año 2012.
1.8.3 Tipo y nivel de la investigación
La investigación desarrollada en el presente trabajo será principalmente aplicada y exploratoria. Aplicada porque tiene como finalidad primordial resolver un problema práctico inmediato a un bajo costo, exploratoria porque la información será obtenida del campo de la industria y se generarán soluciones concretas acerca del automatismo para la pasteurización.
1.8.4 Métodos de estudio
CAPÍTULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1 Pasteurización
2.1.1 Historia1
La pasteurización, a veces denominada pasterización, es el proceso térmico realizado a líquidos (generalmente alimentos) con el objeto de reducir los agentes patógenos que puedan contener: bacterias, protozoos, mohos y levaduras, etc. El proceso de calentamiento recibe el nombre de su descubridor, el científico-químico francés Louis Pasteur (1822-1895). La primera pasteurización fue realizada el 20 de abril de 1864 por el mismo Pasteur y su colega Claude Bernard.
Uno de los objetivos del tratamiento térmico es la "esterilización parcial" de los alimentos líquidos, alterando lo menos posible la estructura física, los componentes químicos y las propiedades organolépticas de éstos. Tras la operación de pasteurización, los productos tratados se enfrían rápidamente y se sellan herméticamente con fines de seguridad alimentaria; por esta razón, es básico en la pasteurización el conocimiento del mecanismo de la transferencia de calor en los alimentos. A diferencia de la esterilización, la pasteurización no destruye las esporas de los microorganismos, ni elimina todas las células de microorganismos termofílicos.
El avance científico de Pasteur mejoró la calidad de vida al permitir que ciertos productos alimenticios básicos, como la leche, se pudieran transportar largas distancias sin que la descomposición los afectara. En la pasteurización, el objetivo primordial no es la "eliminación completa de los agentes patógenos" sino la disminución sustancial de sus poblaciones, alcanzando niveles que no causen intoxicaciones alimentarias a los humanos (suponiendo que el producto pasteurizado se haya refrigerado correctamente y
que se consuma antes de la fecha de caducidad indicada). En la actualidad, la pasteurización es objeto de cada vez más polémicas en ciertas agrupaciones de consumidores a lo ancho del mundo, debido a las dudas existentes sobre la destrucción de vitaminas y alteración de las propiedades organolépticas (sabor y calidad) de los productos alimenticios tratados.
2.1.2 Tipos de pasteurización
La pasteurización es un proceso térmico realizado a los alimentos: los procesos térmicos se pueden realizar con la intención de disminuir las poblaciones patógenas de microorganismos o para desactivar las enzimas que modifican los sabores de ciertos alimentos. No obstante, en la pasteurización se emplean generalmente temperaturas por debajo del punto de ebullición (en cualquier tipo de alimento), ya que en la mayoría de los casos las temperaturas superiores a este valor afectan irreversiblemente ciertas características físicas y químicas del producto alimenticio; así, por ejemplo, si en la leche se sobrepasa el punto de ebullición, las micelas de la caseína se “coagulan” irreversiblemente (o dicho de otra forma, se "cuajan"). El proceso de calentamiento de la pasteurización, si se hace a bajas temperaturas, tiene además la función de detener los procesos enzimáticos. Hoy en día, la pasteurización realizada a los alimentos es un proceso industrial continuo aplicado a alimentos viscosos, con la intención de ahorrar energía y costes de producción.
Existen tres tipos de procesos bien diferenciados: pasteurización VAT o lenta, pasteurización a altas temperaturas durante un breve período(HTST, High Temperature/Short Time) y el proceso a altas temperaturas (UHT, Ultra-High Temperature).
2.1.2.1Proceso V.A.T
volúmenes de leche en un recipiente estanco a 63 °C durante 30 minutos, para luego dejar enfriar lentamente. Debe pasar mucho tiempo para continuar con el proceso de envasado del producto, a veces más de 24 horas.
2.1.2.2Proceso H.T.S.T
Este método es el empleado en los líquidos a granel, como la leche, los zumos de fruta, la cerveza, etc. Por regla general, es el más conveniente, ya que expone al alimento a altas temperaturas durante un período breve y además se necesita poco equipamiento industrial para poder realizarlo, reduciendo de esta manera los costes de mantenimiento de equipos. Entre las desventajas del proceso está la necesidad de contar con personal altamente cualificado para la realización de este trabajo, que necesita controles estrictos durante todo el proceso de producción.
Existen dos métodos distintos bajo la categoría de pasteurización HTST: en "batch" (o lotes) y en "flujo continuo". Para ambos métodos la temperatura es la misma (72 °C durante 15 segundos).
En el proceso "batch" una gran cantidad de leche se calienta en un recipiente estanco (autoclave industrial). Es un método empleado hoy en día, sobre todo por los pequeños productores debido a que es un proceso más sencillo.
En el proceso de "flujo continuo", el alimento se mantiene entre dos placas de metal, también denominadas intercambiador de calor de placas (PHE) o bien un intercambiador de calor de forma tubular. Este método es el más aplicado por la industria alimentaria a gran escala, ya que permite realizar la pasteurización de grandes cantidades de alimento en relativamente poco tiempo.
ejemplo las esporas de Clostridium botulinum pueden sobrevivir 300 minutos a 100 C. Desde el enfoque microbiológico, la muerte de los microorganismos sucede cuando éstos han perdido su capacidad de reproducción. Los principales métodos para procesar térmicamente los alimentos son:
Llenado en caliente y cerrado.
Calentamiento en baño de agua a ebullición.
Calentamiento a presión con vapor
Calentamiento en agua supercalentada.
Envasado aséptico.
Figura 2.1
Curva de pasteurización HTST
2.1.2.3Proceso U.H.T.
El proceso UHT es de flujo continuo y mantiene la leche a una temperatura superior más alta que la empleada en el proceso HTST, y puede rondar los 138 °C durante un período de al menos dos segundos. Debido a este muy breve periodo de exposición, se produce una mínima degradación del alimento. La leche cuando se etiqueta como "pasteurizada" generalmente se ha tratado con el proceso HTST, mientras que la leche etiquetada como "ultrapasteurizada" o simplemente "UHT", se debe entender que ha sido tratada por el método UHT.
El reto tecnológico del siglo XXI es poder disminuir lo más posible el período de exposición a altas temperaturas de los alimentos, haciendo la transición de altas a bajas temperaturas lo más rápida posible, disminuyendo el impacto en la degradación de las propiedades organolépticas de los alimentos; por esta razón, se está investigando la tecnología basada en microondas, que permite este tipo de efectos (es empleado incluso en carnes). Este método es muy adecuado para los alimentos líquidos ligeramente ácidos (la acidez se mide con el pH), tal como los zumos de frutas y los zumos de verduras (como el gazpacho), ya que permite períodos de conservación de 10 a 45 días si se almacenan refrigerados a 10 °C.
Figura 2.2
Curva de pasteurización UHT
2.2 Sensores
Sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio en la resistencia.2Los sensores existen desde siempre, y nunca mejor dicho, porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos.
El hombre experimenta sensaciones como calor o frío, duro o blando, fuerte o flojo, agradable o desagradable, pesado o no (Ver Figura 2.1). Y poco a poco le ha ido añadiendo adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido, fresco, tibio, templado, caliente, tórrido. Es decir, que día a día ha ido necesitando el empleo de magnitudes medibles más exactas.
Figura 2.3 Historia de los sensores
Fuente: http://es.scribd.com/doc/3838277/sensores-varios-tipos. Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
2
Los sensores han ayudado no solo a medir con mayor exactitud las magnitudes físicas, sino a poder operar con dichas medidas. Pero no se puede hablar de los sensores sin sus acondicionadores de señal, ya normalmente los sensores ofrecen una variación de señal muy pequeña y es muy importante equilibrar las características del sensor con las del circuito que le permite medir, acondicionar, procesar y actuar con dichas medidas.
2.2.1 Definición de sensor
Sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, y transformarlas en variables eléctricas.
Las variables pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una Tensión eléctrica (como en un termopar).
2.2.2 Características generales de los sensores
Para definir el comportamiento real de los sensores se suelen comparar éstos con un modelo ideal de comportamiento o con un transductor y se define una serie de características que ponen de manifiesto las desviaciones respecto a dicho modelo. Dichas características pueden agruparse en dos grandes bloques:
Características estáticas.- Describen la actuación del sensor en régimen
permanente o con cambios muy lentos de la variable a medir.
Características dinámicas.- Describen la actuación del sensor en régimen
A continuación se dan las definiciones de las características estáticas y dinámicas más relevantes que suelen aparecer en la mayoría de especificaciones técnicas de los sensores.3
Características estáticas
Campo de medida.- es el rango de valores de la magnitud de entrada comprendido entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, con una tolerancia de error aceptable.
Resolución.- mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida.
Precisión.- es el error de medida máximo esperado.
Repetitividad.- error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Linealidad.- la señal de salida es proporcional a la señal de entrada.
Sensibilidad.- cuando mayor es la variación de la salida, se dice que el sensor es más sensible.
Rapidez de respuesta.- puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir.
Derivas.- son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. (humedad, temperatura, envejecimiento)
2.2.3 Principio de funcionamiento de los sensores
Todos los sensores utilizan uno o más principios físicos o químicos para convertir una variable de entrada al tipo de variable de salida más adecuado para el control o monitoreo de cada proceso particular.
Estos principios o fenómenos se manifiestan en forma útil en ciertos materiales o medios y pueden estar relacionados con las propiedades del material en sí o su
disposición geométrica. En el caso de sensores cuya salida es una señal eléctrica, la obtención de esta última implica generalmente el uso de un transductor primario y opcionalmente, uno o más transductores secundarios.
La función del transductor primario es convertir la magnitud física a medir en otra más fácil de manipular Esta última no tiene que ser necesariamente de naturaleza eléctrica Por Ejemplo, un bimetal que es un dispositivo formado por dos metales de distintos coeficientes de dilatación, es un tipo de transductor primario porque convierte una variación de temperatura en un desplazamiento físico equivalente. Este último puede ser utilizado para mover una aguja o accionar un interruptor.
Otros ejemplos son los flotadores (nivel), las termocuplas (temperatura). El transductor o transductores secundarios, cuando son requeridos, actúan sobre la salida del transductor primario para producir una señal eléctrica equivalente.
Una vez obtenida esta última es sometida a un proceso de acondicionamiento y amplificación para ajustarla a las necesidades de la carga exterior o de la circuitería de control.
Por último, la señal eléctrica producida se acondiciona, modifica o procesa mediante circuitos electrónicos adecuados con el fin de obtener la respuesta y las características finales deseadas (en este caso un voltaje entre O y 5V proporcional).
Adicionalmente, muchos sensores incluyen una etapa de salida, conformada por relés, amplificadores de potencia, conversores de código, transmisores, y otros tipos de dispositivos y circuitos, cuya función es adaptar la señal entregada por el bloque de acondicionamiento o tratamiento a las necesidades específicas de la carga.4
2.2.4 Tipos de sensores
Tabla 2.1 Tipos de sensores
Magnitud Detectada Sensor Característica
Posición lineal o angular Potenciómetro Analógica
Encoders Digital
Desplazamiento y deformación Galga extensiométrica Analógica
Magneto resistivos Analógica
Velocidad lineal y angular
Encoders Digital
Detector inductivo Digital
Servo-inclinómetros A/D
RVDT Analógica
Aceleración Acelerómetro Analógico
Servo-acelerómetros
Fuerza y par (deformación) Galga extensiométrica Analógico
Triaxiales A/D
Presión
Membranas Analógica
Piezoeléctricos Analógica
Manómetros Digitales Digital
Flujo y Caudal
Turbina Analógica
Magnético
Interruptor de flujo tipo paleta
Analógica I/0
Temperatura
Termopar o termocupla Analógica
RTD Analógica
Termistor NTC Analógica
Termistor PTC Analógica
Sensores de presencia
Inductivos I/0
Capacitivos I/0
Ópticos I/0 y Analógica
Nivel Sensor Ultrasónico Analógica
Proximidad
Sensor final de carrera I/0
Sensor capacitivo Analógica
Sensor inductivo Analógica
Sensor fotoeléctrico Analógica Fuente: Autómatas Programables, Josep Balcells, José Luis Romeral, Pág. 114.
2.2.4.1 Sensores de temperatura
Probablemente sea la temperatura el parámetro físico más común que se mide en una aplicación electrónica, incluso en muchos casos en que el parámetro de interés no es la temperatura, ésta se ha de medir para incluir indirectamente su efecto en la medida deseada.
La diversidad de sus aplicaciones ha condicionado igualmente una gran proliferación de dispositivos sensores y transductores, desde la sencilla unión bimetálica de los termostatos, hasta los dispositivos semiconductores más complejos.
2.2.4.1.1 Tipos de sensores de temperatura
Termopares o termocupla
Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos.
En el campo de la instrumentación, las mediciones de temperatura son de lo más común, sin embargo, si no se emplean las técnicas o los equipos adecuados, estas mediciones pueden ser erróneos y/o costosos.
El termopar es por mucho el sensor de temperatura más usado en la industria por diferentes razones, podemos mencionar entre otras el amplio intervalo de temperatura de uso, su robustez, la relativa buena exactitud, rápida respuesta a cambios de temperatura, versatilidad de uso y bajo costo.
uniones y de las propiedades térmicas de los metales usados en el circuito. A este fenómeno se le conoce como efecto Seebeck.5
Figura 2.4
Diagrama de un termopar
Efecto Seebeck
Fuente: http://iindustrial.obolog.com/medidor-temperatura-termopar-86703 Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
A partir del anterior circuito termoeléctrico, para obtener un termopar lo único que debe hacerse es cortar los dos conductores por su zona central. La tensión que aparece en circuito abierto entre los dos metales vendrá en función de la temperatura aplicada a la unión y de los tipos de metales utilizados. Así, siempre que los metales unidos sean distintos se generará una tensión termoeléctrica (Ver Figura 2.3)
Figura 2.5
Esquema de un termopar
Fuente: http://scileaden.com/
Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
Siendo T1 la temperatura aplicada en la unión y T2 la temperatura de los extremos de los conductores. Mientras que α es el coeficiente Seebeck expresado en µV/ºC.
Es un dispositivo compuesto de dos conductores con propiedades diferentes unidos en un extremo y libre en el otro, en donde se genera una fuerza electromotriz que es proporcional a la diferencia de temperatura entre el extremo unido (junta caliente) y el extremo libre (de referencia). (Véase Fig. 2.5)
Figura 2.6 Tipos de termopar
Fuente: http://scileaden.com/
Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
Efecto Peltier:
soldada o simplemente un contacto íntimo”. Por lo tanto, cada junta del termopar produce una F.E.M Peltier, cuya magnitud y dirección depende de la temperatura.
Efecto Thomson:
Relaciona la F.E.M generada en un conductor simple y homogéneo con la diferencia de temperatura en los extremos. La F.E.M -Thomson es proporcional a la temperatura y a la diferencia de esta y varía para diferentes metales.
Figura 2.7
Esquema de un Termopar
Figura 2.8
Componentes del Termopar
Fuente: http://lioso.net/?p=592 Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
Características de los Termopares Industriales
Los termopares de hierro - constantán se pueden usar a temperaturas mayores que el límite superior si no hay oxígeno presente que ataque el conductor de hierro.
Los termopares de cobre - constantán están restringidos a bajas temperaturas y los de platino se usan para altas temperaturas.
Instalación de termopares
Un termopar instalado permanentemente debe ser montado en forma firme con un soporte adecuado. Se debe proteger contra daños mecánicos.
Nunca instale un termopar en un lugar (por ejemplo en un horno) donde esté expuesto a fuego directo, porque el tubo de protección se gasta rápidamente y la indicación de la temperatura no corresponde a la temperatura promedio del horno.
2.2.4.2Sensores de Proximidad
2.2.4.2.1 Inductivos
Este tipo de sensores sirven para detectar la proximidad de piezas metálicas en un rango de distancias que va desde 1mm a unos 30mm, con una posible resolución del orden de décimas de milímetro. La ejecución mecánica y eléctrica está normalizada a nivel Europeo por CENELEC (normas EN 50.032, EN 50.037, EN 50.038). Mecánicamente las mencionadas normas definen varios tipos.6(Véase Fig. 2.7)
Figura 2.9
Formas constructivas de los sensores inductivos
Fuente: Autómatas Programables, Josep Balcells, José Luis Romeral, Pág. 117 Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
La forma A cilíndrica roscada de M8, M12, M18 y M30 (dimensiones de paso de rosca). Existen, además, otros tipos sin rosca con tamaños de diámetro de 4 y 5mm. A su vez, todos ellos pueden ser, de tipo apantallado o no apantallado, dependiendo de si se puede o no enrasar el cabezal detector en metal.
La forma C de paralelepípedo con cabezal orientable, generalmente son utilizados para distancias grandes.
A nivel de bloques están formados por un circuito oscilador L-C con alta frecuencia de resonancia. La bobina está construida sobre un núcleo de ferrita abierto en forma de “pot-core” (ver figura 2.8), de forma que el flujo se cierra en la parte frontal a través de la zona sensible. La presencia de metal dentro de dicha zona sensible altera la reluctancia del circuito magnético, atenúa el circuito oscilante y hace variar la amplitud de oscilación.7 La detección de dicha amplitud permite obtener una señal de salida todo-nada.
Figura 2.10
Diagrama de bloques y detalle del núcleo captador de los sensores inductivos
Fuente: Autómatas Programables, Josep Balcells, José Luis Romeral, Pág. 118 Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
El campo de aplicación más importante de los detectores inductivos es como interruptores de final de carrera con algunas ventajas con respecto a los
electromagnéticos, tales como: ausencia de contacto con el objeto de detectar, robustez mecánica, resistencia a ambientes agresivos y altas temperaturas y bajo precio.
Figura 2.11
Componentes de un sensor inductivo
Fuente: http://es.scribd.com/doc/73365053/sensores-inductivos. Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
Principio de operación
Cuando un objeto metálico entra al campo, circula corrientes dentro del objetivo.
Esto aumenta la carga en el sensor, disminuyendo la amplitud del campo electromagnético. El circuito de disparo monitorea la amplitud del oscilador y a un nivel predeterminado, conmuta el estado de la salida del sensor.
2.2.4.2.2 Sensores Capacitivos
El principio de funcionamiento y las características son análogos a las descritas para los detectores inductivos, pero en este caso el elemento sensible es el condensador del circuito oscilante, formado por dos aros metálicos concéntricos situados en la cara sensible, y cuyo dieléctrico es el material de la zona sensible.
Este tipo de sensores permiten detectar materiales metálicos o no metálicos, pero su sensibilidad se ve muy afectada por el tipo de material y por el grado de humedad ambiental y del cuerpo a detectar. Por ello se utilizan exclusivamente como detectores todo-nada, con una repetitividad bastante dependiente de las condiciones ambientales. Para apaliar el problema de dependencia de la sensibilidad con el tipo de material, se suelen construir con un ajuste de sensibilidad que permite utilizarlos para la detección de algunos materiales entre otros.
Las aplicaciones típicas son, sin embargo, la detección de materiales no metálicos como vidrio, cerámica, plástico, madera, aceite, agua, cartón, papel entre otros. 8
Figura 2.12 Sensor capacitivo
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos31/transductores-sensores/transductores-sensores.shtml Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
Los sensores de proximidad capacitivos son similares a los inductivos. La principal diferencia entre los dos tipos es que los sensores capacitivos producen un campo electrostático en lugar de un campo electromagnético (Ver figura 2.11).9
Principio de operación de los sensores capacitivos
Figura 2.13
Principio de operación de un sensor capacitivo
Fuente: http://cfievalladolid2.net/tecno/ctrl_rob/robotica/sistema/sensores.htm Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
El elemento sensor es un condensador constituido por un electrodo sensible y un electrodo de referencia. Estos electrodos pueden ser, por ejemplo, un disco y un anillo metálicos separados por un material dieléctrico. Una cavidad de aire seco se suele colocar detrás del elemento capacitivo para proporcionar aislamiento. El resto del sensor está constituido por circuitos electrónicos que pueden incluirse como una parte integral de la unidad, en cuyo caso suelen estar embebidos en una resina para proporcionar soporte mecánico y sellado.
Teoría de operación de los sensores capacitivos
En función de la distancia entre el sensor y el objeto, el primero mantendrá una señal de salida (Ver figura 2.12):
1.- Objeto a detectar ausente:
Amplitud de oscilación al máximo, sobre el nivel de operación, la salida se mantiene inactiva (OFF).
2.- Objeto a detectar acercándose a la zona de detección:
Se producen corrientes de Foucault, por tanto hay una “transferencia de energía”, el circuito de detección detecta una disminución de la amplitud, la cual cae por debajo del nivel de operación y la salida es activada (ON).
3.- Objeto a detectar se retira de la zona de detección:
Eliminación de corrientes de Foucault, • el circuito de detección detecta el incremento de la amplitud de oscilación y como la salida alcanza el nivel de operación, la misma se desactiva (OFF).
Figura 2.14
Operación de los sensores capacitivos.
Objetivo estándar y la constante dieléctrica
Los objetivos estándar son especificados para cada sensor capacitivo, el objetivo estándar se define normalmente como metal o agua. Los sensores capacitivos dependen de la constante dieléctrica del objetivo.
Esta distancia se halla especificada en la hoja de datos del sensor, la cual está basada en un objeto de estándar con medidas de 1”x 1” de hierro dulce. Este valor variara (distancia de detección) si se quieren detectar otros materiales, como por ejemplo el acero y el aluminio.10 (Ver Figura 2.13)
Figura 2.15 Distancia de Sensado
Fuente: http://tempoelectricos.blogspot.com/2011/06/sensores_9631.html. Elaborado por: Gandy Larco M/2013
.
Partes de un sensor capacitivo
Potenciómetro: La sensibilidad (distancia de detección) de la mayoría de los sensores capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciómetro (resistencia variable). De esta forma es posible eliminar la detección de ciertos medios (por ejemplo es posible determinar el nivel de un liquido a través de la pared de vidrio de su recipiente).
Oscilador: La amplitud de oscilación varía al aproximarse un objeto.
Circuito Rectificador: La señal alterna recibida del oscilador es convertida por medio del circuito rectificador, de manera que la aproximación del objeto al sensor se traducirá en una variación de una señal de corriente continua.
Circuito Disparador: Este circuito (trigger) compara la señal que le proporcional el rectificador con una señal umbral que cambia ligeramente dependiendo del estado de activación creando así la histéresis del sensor de proximidad. Etapa de Salida: Acondiciona la señal proporcionada por el circuito comparador a los valores de tensión y corriente normalizados, activando o desactivando la salida según corresponda. 11
(Ver Figura 2.14)
Figura 2.16
Partes de un sensor capacitivo
Fuente: http://osnaiberdimperio.blogspot.com/2007/05/sensores-moduladores-un-sensor-puede.html. Elaborado por: Gandy Larco M/2013
Los detectores de proximidad capacitivos se encuentran presentes en una gran variedad de aplicaciones industriales: control de nivel de líquidos, inspección de paquetes, detección de rotura de cables, detección de nivel en productos de alimentación, detección de pequeños elementos metálicos, entre otros.12 (Ver figura 2.15)
Figura 2.17
Ejemplos de aplicación de los sensores capacitivos
Fuente: http://usuarios.multimania.es/javalmu/ud/sencap.htm Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
2.2.4.2.3 Sensores de nivel
Los sensores de nivel tienen una gran utilidad práctica en las industrias, las fábricas que se dedican a la comercialización de productos envasados, tienen como misión controlar los niveles de cada producto en sus envases, para lograr una homogeneidad en la producción. Esta tarea sería muy angosta sin la utilización de los sensores de nivel.
Como ya se ha dicho, los sensores de nivel son aquellos dispositivos que se encargan de controlar la cantidad de productos en cada envase, por lo que su papel dentro del flujo de producción industrial es muy importante. Obviamente existen varios tipos de sensores de nivel, ya que cada producto tiene características diferentes y no sería lógico
ni aplicable, usar el mismo tipo de sensor para determinar cantidades de productos de diferentes características.
En el caso de los productos sólidos, los sensores de nivel usados son capacitivos de proximidad, los cuales se adaptan a las tareas a que se programen. En estos casos los recipientes serian llenos de productos como harinas, azúcar, granos, entre otros. Una de las ventajas adicionales de los sensores de nivel para sólidos es que pueden detectar la presencia de otras sustancias o materiales distintas a las que se desean envasar, por ejemplo: madera, plásticos, cartón, metal, entre otros.
Cuando se va a trabajar con productos líquidos, lo que se usan son sensores de nivel de agua, los cuales son muy precisos. Estos sensores trabajan según el volúmen y el peso. Alguien podría preguntar si los sensores humanos no son más eficientes.
La respuesta podría ser afirmativa, pero si se tiene en cuenta que muchos de los productos que se comercializan en la industria son tóxicos, pues obviamente, regresamos y cambiamos de opinión; dando la importancia que requieren los sensores de nivel.
Tipos de sensores de nivel 13
Sonda
Flotador
Presión diferencial
Por burbujeo
Radiactivo
Capacitivo
Ultrasónicos
Conductivo o Resistivo
2.2.4.2.4 Sensores de nivel capacitivos
Mide la variación en la capacitancia de un electrodo sumergido y las paredes del depósito, en caso de que sean líquidos conductores, el electrodo está recubierto de teflón. (Ver Figura 2.16)
Figura 2.18
Sensor de nivel capacitivo
Fuente: http://es.scribd.com/doc/79181157/Sensores-de-Nivel. Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
Figura 2.19
Sensor capacitivo usado como detector de nivel
2.2.4.2.5 Sensor de nivel ultrasónico
Los sensores ultrasónicos tienen como función principal la detección a través de la emisión y reflexión de ondas ultrasónicas. (Ver Figura 2.18)
Figura 2.20
Esquema sensor de nivel ultrasónico
Fuente: http://es.scribd.com/doc/79181157/Sensores-de-Nivel. Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
Se emite un impulso desde el transmisor del sensor. El impulso viaja hasta la superficie monitorizada y se refleja en la superficie volviendo al sensor. El tiempo del recorrido se divide por dos y se convierte en una señal de salida directamente proporcional al nivel del material. En el caso del sensor ultrasónico, se mide la distancia para compensar la variación de velocidad del impulso ultrasónico.
Principio de funcionamiento
acondicionado, cercanías de puertas, entre otros), o en medios de elevada contaminación acústica (prensas, choques entre metales, entre otros) 14
El más conocido de estos sistemas es quizás el “sonar” que incorporan en los submarinos y actualmente en los sistemas de ecografías o incluso en el medio natural la forma de detectar obstáculos que emplean los murciélagos en la oscuridad.
En el campo industrial se suelen emplear para controlar niveles de sólidos o áridos en silos, presencia de obstáculos en el campo de alcance de robots, entre otros. Las frecuencias de la perturbación emitida en el rango de 20 a 40 KHz
Criterio de selección15
Visto los principios de medida, el alcance, la resolución y otras características de los diferentes tipos de proximidad, pueden establecerse los criterios indicados en la tabla 2.2 como guía para la elección de uno u otro tipo de detector.
Tabla 2.2
Criterio de Selección de detectores de proximidad
MATERIAL DISTANCIA
(mm)
TIPO DE DETECTOR
SÓLIDO
METÁLICO
<50 INDUCTIVO
>50 ULTRASÓNICO
U ÓPTICO
NO METÁLICO
<50 CAPACITIVO
>50 ULTRASÓNICO
U ÓPTICO
POLVO O
GRANULADOS
METÁLICO <50 INDUCTIVO
>50 ULTRASÓNICO
NO METÁLICO <50 CAPACITIVO
>50 ULTRASÓNICO
LÍQUIDO
TRANSPARENTE <50 CAPACITIVO
>50 ULTRASÓNICO
OPACO <50 CAPACITIVO
>50 ÓPTICO
Ventajas: 16
Detectan con seguridad objetos a grandes distancias.
Los objetos a detectar pueden ser sólidos, líquidos o en forma de polvo.
El material a detectar pueden ser transparente.
Es posible la detección selectiva de objetos a través de la zona de conexión.
No necesitan el ambiente limpio, necesario por los sensores fotoeléctricos.
Posibilidad de aplicaciones al aire libre.
Desventajas:
El objeto a detectar tiene que estar dispuesto en forma perpendicular al eje de propagación.
Son lentos.
Son más costosos que los ópticos.
Aplicaciones:
Instalaciones de almacenamiento.
Sistema de transporte.
Industria de la alimentación.
Procesos de metales.
Procesos de vidrio.
Procesos de plásticos.
Supervisión de materiales a granel.
2.2.5 Potenciómetro
Figura 2.21
Esquema de potenciómetro
Fuente: Autómatas Programables, Josep Balcells, José Luis Romeral, Pág. 120 Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
Existen también potenciómetros con carrera lineal, pero lo más frecuente, cuando se usan como detectores de posición, es emplear los rotativos con o sin topes y de una o más vueltas. En el caso de potenciómetros con topes, el ángulo comprendido entre los extremos de la resistencia se denomina ángulo de giro eléctrico y suele ser algo menor que el ángulo de giro mecánico entre topes.
Para los potenciómetros utilizados como sensores de posición interesa que la ley de variación de la resistencia en función del ángulo de giro sea lineal, como se muestra en la figura 2.20, aunque existen potenciómetros con la ley de variación logarítmica u otras.
El método de medida denominado radiométrico, tiene la ventaja de entregar una salida independiente del valor de la tensión de alimentación y dependiente únicamente del ángulo gira por el cursor.
Figura 2.22
Respuesta de un potenciómetro lineal
Fuente: Autómatas Programables, Josep Balcells, José Luis Romeral, Pág. 120 Elaborado por: Gandy Larco M/2013.
En cuanto a la respuesta dinámica, el potenciómetro es prácticamente un elemento proporcional sin retardo.
2.3 Accionamientos eléctricos17
De alguna manera, todos los preaccionamientos que se conectan a los autómatas suelen tener mando eléctrico. Pero dentro de este apartado nos referimos únicamente a relés contactores y servomotores de tipo eléctrico.
2.3.1 Relés y contactores
Los relés y contactores son dispositivos electromecánicos que conectan o desconectan un circuito eléctrico de potencial al excitar un electroimán o bobina de mando.
La diferencia entre relé y Contactor está precisamente en la potencia que es capaz de seccionar cada uno. Los relés están previstos para accionar pequeñas potencias, generalmente inferiores a 1kW, mientras que los contactores pueden accionar grandes potencias.
Los relés se suelen emplear como etapa previa para accionar dispositivos más potentes como los propios contactores, electroválvulas u otros.
El relé por lo general separa en general la parte de mando, que trabaja con tensiones y corrientes débiles, de la parte de potencia, con tensiones de corriente más elevadas. Muchas etapas de salida de los autómatas utilizan relés cuya bobina va gobernada directamente por los circuitos electrónicos y que aportan la ventaja de aislar eléctricamente el circuito electrónico de los contactos de utilización.
2.3.1.1Características
Tensión de mando: Tensión de alimentación de la bobina de mando.
Potencia de mando: Potencia necesaria para accionar la bobina de mando.
Tensión de aislamiento: tensión de prueba entre circuito de mando y contactos.
Tensión de Empleo: Tensión de trabajo de los contactos de potencia.
Corriente Térmica: La corriente máxima que puede soportar los contactos una vez
cerrados sin sobrepasar los límites de calentamiento. No debe confundirse con la corriente de empleo.
Corriente de Empleo (Ie): Es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar e
interrumpir para cada tensión de empleo y con carga resistiva.
Poder de corte: Se define por la corriente que el relé es capaz de accionar e interrumpir para cada tipo de carga (inductiva, capacitiva, motores, etc) y para un número de maniobras determinado.
2.3.1.2Normalización según el IEC
PARA RELÉS:
PARA CONTACTORES:
AC1: Conexión y corte de cargas resistivas.
AC2: Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito, sin posibilidad de corte durante el arranque ni inversión a motor lanzado.
AC3: Mando de motores de CA de rotor en cortocircuito, con posibilidad de corte durante el arranque e inversión de marcha a motor lanzado.
AC4: Mando de motores de CA con corriente limitada por resistencias, autotransformador u otros medio.
En la tabla 2.3 se da un breve resumen de las características más relevantes de relés y contactores de baja tensión.
Tabla 2.3 Característica de relés y contactores. 18
CARACTERÍSTICAS RELÉS CONTACTORES
V mando CC CA
6, 12, 24, 48, 110 V 2 a 220 V
24, 48, 110, 220 V 24 a 380 V
W mando 0.25 a 5W 5 a 1000 W
Ui 250 a 1000 V CA 1000 a 5000 V
Ue CC CA
< 110 V < 380 V
< 250 V < 1000 V
Ith < 15 A 16 A 1500 A
Ie CC < 1 A 1 A a 1500 A
Poder de corte DC11 < 1 A
AC11 < 5 A
DC1 hasta 200 A AC3 hasta 1000 A
