Diseño y construcción de un equipo para la pasteurización de leche

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(1)La versión digital de esta tesis está protegida por la Ley de Derechos de Autor del Ecuador. Los derechos de autor han sido entregados a la “ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL” bajo el libre consentimiento del (los) autor(es). Al consultar esta tesis deberá acatar con las disposiciones de la Ley y las siguientes condiciones de uso:. ·. Cualquier uso que haga de estos documentos o imágenes deben ser sólo para. efectos de investigación o estudio académico, y usted no puede ponerlos a disposición de otra persona.. ·. Usted deberá reconocer el derecho del autor a ser identificado y citado como el autor. de esta tesis.. ·. No se podrá obtener ningún beneficio comercial y las obras derivadas tienen que. estar bajo los mismos términos de licencia que el trabajo original. El Libre Acceso a la información, promueve el reconocimiento de la originalidad de las ideas de los demás, respetando las normas de presentación y de citación de autores con el fin de no incurrir en actos ilegítimos de copiar y hacer pasar como propias las creaciones de terceras personas.. Respeto hacia sí mismo y hacia los demás..

(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA LA PASTEURIZACIÓN DE LECHE. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL. PILICITA ESCOBAR DANIEL ARTURO [email protected]. DIRECTORA: ING. NATHALY MORENO DÍAZ [email protected]. CODIRECTOR: DR. ANDRÉS ROSALES [email protected]. Quito, Agosto 2013.

(3) DECLARACIÓN. Yo, Daniel Arturo Pilicita Escobar declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo,. a la Escuela Politécnica Nacional, según lo. establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ____________________ Daniel Pilicita.

(4) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Daniel Arturo Pilicita Escobar, bajo mi supervisión.. __________________________ Ing. Nathaly Moreno DIRECTORA DEL PROYECTO. __________________________ Dr. Andrés Rosales CODIRECTOR DEL PROYECTO.

(5) AGRADECIMIENTO Agradezco a DIOS por ser tan generoso conmigo, me ha dado unos maravillosos padres y un hermano incomparable. Gracias por protegernos y guiarnos en cada uno de nuestros pasos. Agradezco a mis padres por ser como son, siempre me brindaron su amor, su respeto, sus enseñanzas, sus consejos y todo su apoyo de forma incondicional. Agradezco a mi hermano que siempre me ha apoyado y que a pesar que es menor, me ha enseñado muchas cosas importantes de la vida. Agradezco a mi tía Blanca que desde niños nos cuidó a mi hermano y a mí, como si fuésemos sus hijos. Agradezco a todos los profesores que he tenido hasta el momento, desde la escuela, el colegio y en la universidad, por todas sus enseñanzas y consejos, de manera muy especial a mi Directora, Ingeniera Nathaly Moreno Díaz y a mi Codirector, Doctor Andrés Rosales que con su tiempo, consejos, experiencia y entera disposición han aportado de sobremanera para la culminación de este proyecto. Finalmente, agradezco a todos mis familiares y amigos, que con su apoyo y buenos consejos me ayudaron a seguir adelante..

(6) DEDICATORIA A mis padres..

(7) CONTENIDO CAPÍTULO 1. 1. FUNDAMENTO TEÓRICO. 1. 1.1 INTRODUCCIÓN. 1. 1.2 PASTEURIZACIÓN. 1. 1.2.1Métodos de pasteurización. 1. 1.2.1.1. Pasteurización lenta. 1. 1.2.1.2. Pasteurización rápida. 3. 1.2.2 Ventajas y desventajas de la pasteurización. 5. 1.2.2.1 Ventajas. 5. 1.2.2.2 Desventajas. 6. 1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PASTEURIZACIÓN REALIZADO EN LA MICROEMPRESA. 6. 1.4 PROYECTO A DESARROLLAR. 10. CAPÍTULO 2. 11. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE. 11. 2.1 INFRAESTRUCTURA. 11. 2.2 SUMINISTRO DE GAS. 12. 2.3 SUMINISTRO DE AGUA. 15. 2.4 SENSOR DE TEMPERATURA. 18. 2.4.1 Acondicionamiento de la señal del sensor. 21. 2.5 MOTOREDUCTOR. 25. 2.5.1 Cálculo de la potencia requerida. 27. 2.6 TABLERO DE CONTROL. 29. 2.6.1 CIRCUITO DE CONTROL. 30. 2.6.1.1 Controlador lógico programable PLC. 30. 2.6.1.2 Pulsadores. 33. 2.6.2 CIRCUITO DE FUERZA. 33. 2.6.2.1 Interruptor general. 34. 2.6.2.2 Interruptores termomagnéticos. 34.

(8) 2.6.2.3Fusible. 35. 2.6.2.4 Relés de estado sólido. 36. 2.6.2.5 Contactores. 37. 2.6.2.6Relés térmicos. 38. 2.6.1 SEÑALIZACIÓN. 39. 2.6.1.1 Luces piloto. 39. 2.6.1.2Sirena. 39. 2.6.1.3Pantalla. 39. CAPÍTULO. 42. DESARROLLO DEL SOFTWARE. 42. 3.1 DESCRIPCIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL PROGRAMA. 42. 3.2 LÓGICA DEL PROGRAMA PARA EL PLC. 43. 3.2.1 SUBPROCESO DE PASTEURIZACIÓN. 44. 3.2.2 SUBPROCESO DE ENFRIADO. 46. 3.2.3 SUBPROCESO DE LAVADO. 47. 3.2.4 SUBPROCESO DE BOMBEO. 48. 3.2.5 SUBPROCESO DE VACIADO. 48. 3.3 SOFTWARE TIA PORTAL V11. 49. 3.4 DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA LA PANTALLA. 53. 3.5 LISTA DE ENTRADAS Y SALIDAS UTILIZADAS DEL PLC. 58. 3.5.1 ENTRADAS DEL PLC. 58. 3.5.1.1 Entradas digitales. 58. 3.5.1.2 Entrada analógica. 58. 3.5.2 SALIDAS DEL PLC. 58. 3.5.3 MARCAS UTILIZADAS EN EL PROGRAMA. 59. CAPÍTULO 4. 60. PRUEBAS Y RESULTADOS. 60. 4.1 PRUEBA DEL ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR. 60. 4.1.1 CÁLCULO DEL ERROR EN LA TEMPERATURA. 61. 4.1.1.1 Error absoluto. 61. 4.1.1.2 Error relativo. 61.

(9) 4.1.1.3 Error relativo porcentual. 62. 4.1.1.4 Valor medio del error relativo porcentual. 62. 4.2 PRUEBA DEL PROGRAMA DE CONTROL. 63. 4.3 PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE EL PLC Y LA PANTALLA. 63. 4.4 PRUEBA DEL CIRCUITO DE CONTROL, FUERZA Y PANTALLA. 64. CAPÍTULO 5. 69. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 69. 5.1 CONCLUSIONES. 69. 5.2 RECOMENDACIONES. 70. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 71. ANEXOS.

(10) RESUMEN El presente proyecto ha sido implementado en una microempresa de productos lácteos, con el objetivo principal de disminuir el esfuerzo físico realizado por los trabajadores, para llevar a cabo el proceso de pasteurización de leche utilizada en la elaboración de quesos, pues anteriormente este proceso era completamente manual. Para conseguir este objetivo, se ha automatizado dicho proceso, realizando los cambios necesarios en la infraestructura física de la microempresa e instalando los elementos y actuadores necesarios. El control se realiza por medio de un PLC marca SIEMENS, que básicamente realiza las siguientes operaciones: ·. Normaliza y escala el valor proveniente del acondicionamiento de la señal del sensor de temperatura PT100.. ·. Activa 5 válvulas solenoides: una válvula provee el gas que enciende un quemador para calentar la leche y las cuatro válvulas restantes permiten la circulación de agua por las tuberías según el subproceso a realizar (enfriado de la leche, lavado de los implementos utilizados e instalaciones, bombeo del agua hacia un tanque de reserva para reutilizarla y, vaciado del agua reutilizada para cambiarla).. ·. Activa un motor monofásico con caja reductora (motoreductor) para batir la leche.. ·. Activa una bomba para hacer circular el agua.. ·. Activa una sirena como señal auditiva que indica la culminación del proceso de pasteurización de la leche.. Además, el PLC se comunica con una pantalla marca SIEMENS en la que se muestra la temperatura de la leche, el desarrollo del proceso y avisos importantes. Los resultados obtenidos fueros satisfactorios, el equipo trabaja de forma correcta optimizando la ejecución del proceso, puesto que se eliminan los errores cuando se alcanzan las temperaturas límite de calentamiento o enfriado, permitiendo así mejorar la calidad del producto ya que el proceso se lo realiza cumpliendo con altos.

(11) estándares de calidad y manipulación de alimentos. También brinda beneficios adicionales como son: ahorro en el consumo de agua y gas, disminución de los tiempos de realización del proceso especialmente en la etapa de enfriado, incremento en la cantidad de producto con que se puede trabajar, entre otros. Todos los objetivos fueron cumplidos a cabalidad, brindando una solución práctica, con alto nivel técnico a una pequeña empresa del Ecuador..

(12) PRESENTACIÓN En este proyecto de titulación se automatiza el proceso de pasteurización de leche para la elaboración de quesos, brindando grandes beneficios a una microempresa, principalmente reduciendo el esfuerzo físico requerido, pues anteriormente éste proceso se realizaba en forma manual. Este trabajo se lo ha dividido en los capítulos siguientes: En el Capítulo 1, se brinda una breve explicación del proceso de pasteurización de la leche, los métodos existentes, y las ventajas y desventajas que brinda su realización, también se describe la forma de pasteurizar la leche en la microempresa hasta antes del desarrollo del proyecto y, finalmente, se mencionan las actividades a realizar para implementar el proyecto. En el Capítulo 2, se detallan las modificaciones realizadas en la infraestructura de la microempresa, la forma en que se provee de gas y agua a las instalaciones, y se realiza una descripción completa de los elementos utilizados para la implementación del proyecto. En el Capítulo 3, se muestra la lógica para el desarrollo del programa del PLC que controla la ejecución del proceso, y de la pantalla que muestra la temperatura de la leche, los subprocesos, y otros avisos importantes. En el Capítulo 4, se indican los resultados de las pruebas realizadas antes, durante y después del desarrollo del proyecto, para garantizar el cumplimiento de los objetivos planteados. En el Capítulo 5, se presentan las conclusiones obtenidas tras la culminación del proyecto y se realizan las recomendaciones necesarias. Finalmente, se incluyen las referencias bibliográficas y los anexos correspondientes..

(13) 1. CAPÍTULO 1 FUNDAMENTO TEÓRICO 1.1 INTRODUCCIÓN El Cantón Mejía es uno de los mayores productores de leche a nivel nacional, las parroquias en las que principalmente se concentra la producción son: Machachi, Aloag, Aloasí y El Chaupi. La información obtenida es el resultado de un estudio realizado por el MAGAP a las industrias lácteas, ya sean estas centros de acopio artesanales o pasteurizadoras. La producción estimada es 780.000 litros/día, de un total de bovinos de 87.840 UB. El 60% de ésta producción es procesada en el cantón, mientras que el resto es enviada a diferentes pasteurizadoras como: la Pasteurizadora Quito, la Andina y Rey Leche en el Cantón Rumiñahui y Parmalat en Lasso. Los productos elaborados por la industria artesanal son quesos y yogurt, y los mercados para estos productos se encuentran en las ciudades de Guayaquil, Quito entre otras. [1]. 1.2 PASTEURIZACIÓN Los términos pasteurización o pasterización derivan del nombre de Louis Pasteur, quien en 1860-1864 demostró que calentando el vino a cierta temperatura y por determinado tiempo se evitaba su descomposición. Posteriormente se determinó que todos los microorganismos patógenos presentes en la leche podían ser destruidos mediante el calentamiento de la misma, sin que esto alterara sus propiedades. [2] 1.2.1 MÉTODOS DE PASTEURIZACIÓN 1.2.1.1 Pasteurización lenta [3] También es conocida como pasteurización baja, discontinua, por retención o por sostenimiento..

(14) 2. Este método consiste en calentar la leche a temperaturas entre 62 y 64ºC y luego enfriarla a temperaturas entre 4 y 10ºC. La leche es calentada en recipientes o tanques de capacidad variable (generalmente de 200 a 1.500 litros), estos tanques son de acero inoxidable preferentemente y están encamisados, es decir son de doble pared (Ver Figura 1.1) y se encuentra provisto de un agitador para hacer más homogéneo el tratamiento. La leche se calienta por medio de vapor o agua caliente que circula entre las paredes del tanque.. Figura 1.1: Tanque de almacenamiento de doble pared. Tomado de [3] Para efectuar el enfriamiento se usa el mismo recipiente haciendo circular por la camisa de doble fondo agua helada hasta que la leche tenga la temperatura deseada. Otra manera de enfriar la leche es utilizando la cortina de enfriamiento o enfriador de superficie. Este es un sistema de tubos por cuyo interior circula agua fría o gas refrigerante, parecido al de una nevera. La leche caliente se echa por la parte superior, rueda luego por el exterior de los tubos en forma de una capa delgada que se enfría uniformemente. Cuando la leche regresa a los tarros, tiene una temperatura inferior a 10°C..

(15) 3. Figura 1.2: Cortina de enfriamiento. Tomado de [4] Ambos métodos de enfriamiento tienen sus inconvenientes: en el primer caso (utilizando el mismo tanque), la temperatura desciende cada vez más lentamente a medida que se acerca a la temperatura del agua helada, lo cual hace que la leche, durante. un. cierto. tiempo,. esté. a. las. temperaturas. en. que. crecen. los. microorganismos. Estos se quedarán luego del tratamiento térmico, lo cual hace que aumente la cuenta de agentes microbianos. Por otra parte, usando la cortina de enfriamiento la leche forma una película sobre la superficie de la cortina y el enfriamiento es más rápido, pero, por quedar la leche en contacto con el ambiente, es presa de la contaminación. El uso de la pasteurización lenta es adecuada para procesar pequeñas cantidades de leche, hasta aproximadamente 2.000 litros diarios, de lo contrario no es aconsejable. 1.2.1.2 Pasteurización rápida [3] Llamada también pasteurización continua o bien HTST (Heigh Temperature Short Time), este tratamiento consiste en aplicar a la leche una temperatura entre 72 y 73ºC durante un tiempo de 15 a 20 segundos..

(16) 4. Esta pasteurización se realiza en intercambiadores de calor de placas como el de la Figura 1.2.. Figura 1.3: Intercambiador de calor de placas. Tomado de [5] El recorrido que hace la leche en el mismo es el siguiente: La leche llega al equipo intercambiador a 4ºC aproximadamente, proveniente de un tanque regulador. En esta etapa conocida como sección de precalentamiento o regeneración ya que se aprovecha la temperatura de la leche ya pasteurizada, se calienta la leche cruda a 58ºC aproximadamente. Al salir de la sección de regeneración, la leche pasa a través de un filtro para eliminar impurezas que pueda contener. Luego la leche pasa a los cambiadores de calor de la zona o área de calentamiento, donde se la calienta hasta los 72 o 73°C que es la temperatura de pasteurización, por medio de agua caliente. Alcanzada esta temperatura, la leche pasa a la sección de retención de temperatura; esta sección puede estar constituida por un tubo externo o bien un retardador incluido en el propio intercambiador; el más común es el tubo de retención, en donde el tiempo que la leche es retenida es de 15 a 20 segundos .A la salida de la zona de retención, la leche pasa por una válvula de desviación. Si la leche no alcanza la temperatura de 72 - 73ºC, automáticamente se la regresa al.

(17) 5. tanque regulador o de alimentación para ser luego reprocesada y si la temperatura es la adecuada, pasa a la zona de regeneración o precalentamiento, donde es enfriada por la leche cruda hasta los 18ºC. Finalmente, para terminar el recorrido la leche pasa a la sección de enfriamiento donde circula agua helada, saliendo del intercambiador a la temperatura de 4ºC generalmente. (Ver Figura 1.4). Figura 1.4: Intercambiador de calor de placas. Tomado de [5] 1.2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA PASTEURIZACIÓN [6] 1.2.2.1 Ventajas: ·. Destrucción del 100% de las bacterias patógenas que se encuentran en la leche y el 99% de las bacterias saprofíticas.. ·. Destrucción de las bacterias tipo E. Coli, levaduras y algunas enzimas.. ·. Controlar con mayor facilidad el método de producción y la velocidad de maduración.. ·. Producción de quesos estandarizados todo el año.. ·. Obtención de productos de mayor conservación.. ·. Aumento ligero el rendimiento.. ·. Disminución apreciable en la producción de quesos de inferior calidad.. ·. Obtención de quesos con sabor y aroma más puro, aunque de diferentes características que el elaborado con leche cruda..

(18) 6. 1.2.2.2 Desventajas: ·. El calentamiento de la leche disminuye la aptitud para la coagulación por el cuajo. La cuajada obtenida es menos dura y la separación del lactosuero es más difícil.. ·. La pasteurización a temperaturas demasiado elevadas es origen de la aparición de sabor amargo en los quesos de pasta hilada.. ·. En el caso de quesos de pasta cocida, la pasteurización puede tener efectos perjudiciales si la leche se encuentra muy contaminada con fermentos butílicos. Este tipo de gérmenes no se destruyen y la fermentación butílica es estimulada en quesos hechos con leche pasterizada.. El método que se va a utilizar en el proyecto para el tratamiento de la leche es la pasteurización lenta. 1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PASTEURIZACIÓN REALIZADO EN LA MICROEMPRESA La pasteurización de la leche cuya aplicación final es la producción de quesos, antes de la realización del proyecto es un proceso totalmente manual, y se utilizan los siguientes elementos: ·. Dos cocinas industriales idénticas que poseen 4 quemadores distribuidos en dos secciones, una sección posee un solo quemador y la otra posee 3 quemadores que se utilizan para calentar la leche.. ·. Tres ollas grandes de aluminio marca UMCO, cuya capacidad es de 150 litros cada una.. ·. 6 recipientes (tarros) hechos de aluminio, que pueden almacenar 40 litros de leche cada uno.. ·. Un balde plástico de 10 litros.. ·. Un tanque reservorio de agua de aproximadamente 1000 litros.. ·. Un agitador..

(19) 7. ·. Dos termómetros de mercurio.. El proceso se realiza de la siguiente manera: 1) Primero se coloca la leche en las ollas hasta ocupar aproximadamente los ¾ de su capacidad para evitar que se desborde la leche al momento de batirla, las ollas están asentadas en las secciones de las cocinas que poseen 3 quemadores, para disminuir el tiempo de calentamiento. El número de ollas que se utilizan es generalmente 2, depende de la cantidad de producto. La variación de la temperatura se la determina con los termómetros de mercurio que se sujetan por medio de un alambre de acero inoxidable a cada una de las ollas.. Figura 1.5: Medición de la temperatura de la leche con un termómetro de mercurio. 2) Una vez que la temperatura llegue al límite superior, es decir 70ºC, se apagan los quemadores y se transfiere la leche desde las ollas hasta los tarros de aluminio utilizando un balde de plástico, luego se introduce los tarros en el tanque que contiene agua fría para que la temperatura disminuya rápidamente. Paralelamente, se procede a lavar las ollas para su posterior reutilización, puesto que por su exposición directa a la llama, la leche tiende a asentarse..

(20) 8. Figura 1.6: Traslado de la leche para su enfriamiento. 3) Tanto en el periodo de calentamiento como en el de enfriamiento es necesario agitar constantemente la leche en sus contenedores, para obtener una mezcla homogénea y que la lectura de la temperatura sea correcta, además ayuda a disminuir el tiempo de enfriado. Esta acción se la realiza con un agitador de acero inoxidable, que consiste en una barra en cuyo extremo se encuentra una base de forma redonda con perforaciones igualmente circulares. (Ver Figura 1.7). Figura 1.7: Agitación y medida de la temperatura de la leche..

(21) 9. 4) Cuando la leche alcanza los 35ºC, se extraen los tarros del tanque y la leche se transfiere nuevamente a las ollas, dando por finalizado el proceso de pasteurización. (Ver Figuras 1.8-1.9). Figura 1.8: Extracción de los tarros del tanque de agua.. Figura 1.9: Transferencia de la leche a la ollas. Como se explicó anteriormente, el proceso en su totalidad se realiza en forma manual, por lo que se requiere un gran esfuerzo físico y dos personas como mínimo para poder realizarlo de una manera adecuada. Debido a la forma en que se realiza el proceso los valores de temperatura presentan pequeñas variaciones lo que origina que el producto final no tenga las características deseadas. A continuación se presenta la Tabla 1.1 donde se muestra las variaciones ocurridas en 5 días:.

(22) 10. Tabla 1.1: Variación de temperatura en el proceso.. 1. TEMPERATURA DE CALENTAMIENTO 71ºC. TEMPERATURA DE ENFRIADO 34ºC. 2. 70ºC. 33ºC. 3. 72ºC. 36ºC. 4. 71ºC. 35ºC. 5. 71ºC. 34ºC. DÍA. 1.4 PROYECTO A DESARROLLAR El objetivo principal del proyecto es diseñar e implementar un equipo que permita automatizar el proceso de pasteurización de la leche antes descrito. Para cumplir con este objetivo el proyecto contempla el desarrollo de las siguientes actividades: Ø Realizar las instalaciones adecuadas para el suministro de gas, agua y electricidad. Ø Seleccionar y colocar una bomba para impulsar el agua. Ø Seleccionar y colocar un sensor de temperatura y acondicionar su señal. Ø Seleccionar y colocar un motoreductor de la potencia necesaria y un adecuado número de revoluciones por minuto (RPM), para agitar la leche. Ø Seleccionar y programar un PLC que controle la ejecución del proceso. Ø Seleccionar y programar una pantalla para visualizar la temperatura del producto. Ø Armar el tablero de control..

(23) 11. CAPÍTULO 2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE 2.1 INFRAESTRUCTURA Para empezar, fue necesaria una remodelación completa de la infraestructura de la microempresa, se demolieron una salmuera y una mesa de hormigón armado, para ser reemplazada por una mesa de acero inoxidable, se realizaron canales tanto en el piso como en las paredes de la edificación para colocar las tuberías del gas, agua y electricidad. (Ver Figuras 2.1 y 2.2). Figura 2.1: Demolición de mesa de hormigón armado.. Figura 2.2: Canales en piso y paredes para las diferentes tuberías..

(24) 12. 2.2 SUMINISTRO DE GAS Además de la mesa de acero inoxidable, la microempresa adquirió una olla encamisada (de doble fondo) de 500 litros de capacidad, para llevar a cabo todo el proceso de pasteurización del producto. (Ver Figura 2.3). Figura 2.3: Olla de doble fondo (encamisada). Para incrementar la temperatura de la leche, se utilizan las propiedades del baño maría, es decir se calienta el agua contenida en el canal de la olla por medio de un quemador de gas, y por convección la temperatura se transfiere a la leche. (Ver Figura 2.4). Figura 2.4: Quemador de gas..

(25) 13. La instalación de gas se realizó por personal calificado a fin de garantizar la seguridad de las personas, equipos e infraestructura. Se instaló un sistema de gas centralizado que consta de una fuente que usa tres bombonas de gas, que se encuentran en el exterior de las instalaciones para que exista una adecuada ventilación, las mangueras de las tres bombonas de gas llegan a una centralina, que se conecta con una válvula conocida como válvula de primera etapa, esta válvula permite controlar y regular la presión de trabajo, aproximadamente 25 PSI, generando así un ahorro económico puesto que no se utilizan los 60 PSI que salen directamente de una bombona de gas. Tanto la centralina como la válvula contienen un manómetro para visualizar la presión. (Ver Figura 2.5). Figura 2.5: Centralina. El gas es transportado desde la centralina hasta un punto estratégico cercano a la base en la que se asienta la olla encamisada, por medio de tubería de media pulgada de hierro negro (HN) célula 40 sin costuras. Este es un tubo de seguridad de fundición perfecta, y se lo escogió para evitar daños o posibles fallas que originarían fugas por el paso del tiempo o por fatiga. Al ser una tubería no roscada, se utilizó suelda para unir las partes necesarias y llegar al punto deseado. A partir de dicho punto se utiliza tubería de acero inoxidable roscada de ¼ de pulgada, y se arma un esquema con dos válvulas en paralelo, una automática y una manual en caso de que se corte el suministro eléctrico. Todas las válvulas manuales que se utilizan son de.

(26) 14. bola, de igual manera de acero inoxidable, mientras que la válvula automática es una válvula solenoide diseñada explícitamente para instalaciones de gas, es decir, es a prueba de explosiones, marca ASCO. (Ver Figuras 2.6 y 2.7). Figura 2.6: Válvula de bola.. Figura 2.7: Electroválvula ASCO. Se instaló también un sistema de detección de fugas de gas para prevenir cualquier tipo de incidente. Este posee un sensor para detectar una concentración de gas del 10% del LIE (Límite Inferior de Explosividad) y activa una válvula solenoide mediante una salida tipo relé si éste límite es sobrepasado..

(27) 15. Figura 2.8: Detector de gas.. 2.3 SUMINISTRO DE AGUA Para el suministro de agua se utilizan 4 válvulas solenoides marca Danfoss conectadas en paralelo a su correspondiente válvula manual de bola, en tubería de acero inoxidable de ¾ de pulgada. El cuerpo de la válvula es de cobre y su bobina posee las siguientes características: Tabla 2.1: Características de la bobina de la válvula solenoide.. DANFOSS Voltaje [V]. Frecuencia [Hz]. 110. 50. 115. 60. Figura 2.9: Válvulas solenoide y tubería de acero inoxidable..

(28) 16. Figura 2.10: Bobina de la válvula Solenoide. Se busca optimizar el proceso, por lo tanto, el consumo de agua debe ser el mínimo posible y para esto se la reutilizará los días que se crean convenientes (5 días), almacenándola en un tanque de reserva de plástico de 1.000 litros de capacidad ubicado en la terraza de la microempresa. Una válvula se utiliza precisamente para este fin, permite controlar el flujo hacia el tanque de reserva mediante la activación de una bomba marca Venecia cuyos valores de placa son los siguientes: Tabla 2.2: Datos de placa de la bomba de agua. BOMBA DE AGUA VENECIA Parámetro. Valor. Voltaje[V]. 110. Frecuencia[Hz]. 60. Potencia [HP]. 1. Corriente Nominal [A]. 12. RPM. 3400. Altura maxima [m]. 40. Caudal máximo [lt/min]. 55.

(29) 17. Figura 2.11: Bomba de agua VENECIA.. Figura 2.12: Placa de la bomba. La segunda válvula sirve para controlar el agua que fluye por acción de la gravedad desde el tanque de reserva, pasando por la olla encamisada, es decir, por el canal que se forma por el doble fondo de la olla para enfriar la leche, y termina almacenándose en el tanque de agua a nivel del piso. Una tercera válvula se utiliza para evacuar el agua del canal de la olla encamisada cuando sea necesario, y finalmente la cuarta permite el flujo para recoger agua y lavar las instalaciones. Se utiliza un presóstato para desactivar la bomba en caso de un incremento de presión por una operación incorrecta..

(30) 18. Figura 2.13: Presóstato. Para evitar que la bomba trabaje en vacío y así preservar su integridad se utiliza un interruptor de nivel vertical que desactiva la bomba cuando el agua alcanza su nivel inferior.. Figura 2.14: Interruptor de nivel vertical.. 2.4 SENSOR DE TEMPERATURA La principal variable a controlar en el proyecto es la temperatura, y para ello se utiliza un Pt 100 marca Danfoss MBT 5250..

(31) 19. Figura 2.15: Sensor de temperatura Pt 100 MBT 5250. Un Pt 100 es un tipo particular de RTD (Dispositivo termo-resistivo) y consiste en un alambre de platino, de ahí su nombre Pt, embobinado dentro de una vaina o un tubo de acero inoxidable que a 0 °C tiene una resistencia de 100 Ω, y al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. El incremento de la resistencia no es lineal pero si creciente y característico del platino de tal forma que mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a la que corresponde.. Figura 2.16: Curva característica del Pt 100 (T vs. R). Tomado de [7].

(32) 20. También se puede determinar el valor de resistencia para cada valor de temperatura utilizando la siguiente expresión:. Donde: ൌ Resistencia a la temperatura de referencia (ͳͲͲπͲ°). ൌ Desviación de la temperatura respecto a. ,. .. ൌCoeficiente de temperatura del conductor a 0 °C, ൌͲǡͲͲ͵ͺͷπȀπ°Ǥ. Este coeficiente debe ser de un valor alto, pues sería indicativo de que es más sensible. Una ventaja de este tipo de sensor es que no se descompone gradualmente, es decir, con el pasar del tiempo no entrega lecturas erróneas, si no que al desgastarse se rompe, con lo cual se puede detectar su falla inmediatamente, siendo sumamente importante para evitar errores en el proceso que podrían ocasionar pérdidas en la producción. Este sensor presenta las siguientes características: Tabla 2.3: Características del sensor Pt 100. Pt 100 Danfoss MBT 5250 Parámetro. Descripción. Medio. Líquido o gaseoso. Rango de medida. Desde -50ºC hasta +200ºC. Tipo de conexión. A 2 o 3 hilos. Tipo de sonda. Intercambiable. Grado de protección. IP 65 según IEC 529.

(33) 21. 2.4.1 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DEL SENSOR Como se mencionó anteriormente el Pt 100 cambia el valor de su resistencia conforme varía la temperatura, pero este valor de resistencia no puede ingresar directamente al PLC ya que este en sus entradas analógicas solo admite señales de voltaje de 0 a 10 [V], por lo tanto es necesario acondicionar esta señal. Para obtener la señal de voltaje requerida, se conecta el sensor a un puente de resistencias, alimentado con una fuente de voltaje de corriente continua, en este caso se utiliza una fuente de 24 VDC, como se indica a continuación:. Figura 2.17: Puente de resistencias. Donde: Rs es la resistencia del sensor. A continuación se realiza el diseño del puente: Partimos de la ecuación: Ecuación 1. A 0°C la resistencia del sensor es: A 100°C la resistencia será:.

(34) 22. Siempre se diseña en las peores condiciones, por lo tanto se asume que el sensor consume una corriente máxima de 10 [mA]. Al circular la corriente máxima, la resistencia del sensor va a ser la mínima, entonces se tiene: Ecuación 2.. Se sabe que:. ,. y. Estandarizando: En un puente:. . Para 0°C:. Ecuación 3.. Ecuación 4..

(35) 23. Para 100°C: Ecuación 5.. Luego, como este valor de voltaje es muy pequeño es necesario amplificarlo, para ello se hace uso de un amplificador de instrumentación, cuyo esquema es el siguiente:. Figura 2.18: Amplificador de instrumentación..

(36) 24. Como se puede observar se trabaja con el circuito integrado LM324, éste contiene 4 amplificadores operacionales de alta ganancia, cuya distribución de pines se muestra a continuación:. Figura 2.19: Circuito integrado LM324. Tomado de [8] La ganancia de este amplificador está dada por: Ecuación 6. Ecuación 7. Ahora:. Si:. Entonces:. Se asume:.

(37) 25. Despejando:. Luego, se asume:. Entonces:. Finalmente, el circuito completo es:. Figura 2.20: Circuito de acondicionamiento del sensor.. 2.5 MOTOREDUCTOR Para evitar errores en la lectura de la temperatura es necesario batir la leche constantemente para que su temperatura sea uniforme, además de que ayuda a reducir el tiempo de enfriamiento de la leche. Para esto se utiliza un motor de corriente alterna, monofásico, marca MOTOVARIO, de 1.600 RPM acoplado a una caja reductora, que es un mecanismo que permite reducir la velocidad de una forma eficiente y segura, obteniendo una velocidad final de 30 RPM..

(38) 26. Algunas de las ventajas de estos mecanismos son: · Alta eficiencia en la transmisión de potencia del motor. · Alta regularidad en cuanto a potencia y par transmitidos. · Espacio requerido reducido. ·. Instalación y mantenimiento rápidos.. Figura 2.21: Motoreductor para la batidora. Los datos de placa del motor son los siguientes: Tabla 2.4: Características del motor para la batidora MOTOREDUCTOR MOTOVARIO Voltaje [V] 115. Frecuencia [Hz] 60. Corriente [A] 7,5. Velocidad RPM 1.600. Potencia [W] 370. Fp. 0,87. 230. 60. 3,7. 1.600. 370. 0,87.

(39) 27. Figura 2.22: Placa del Motoreductor. 2.5.1 CÁLCULO DE LA POTENCIA REQUERIDA Densidad de la leche: Ecuación 8. Ecuación 9.. Figura 2.23: Diagrama de fuerzas.. Ecuación 10..

(40) 28. Ecuación 11.. Figura 2.24: Medidas de la olla encamisada. La altura máxima a la que llega la leche en el recipiente es 50 centímetros para evitar que se desborde cuando se la bate..

(41) 29. Ahora:. Por lo tanto se requiere un motoreductor de 0,22 HP.. 2.6 TABLERO DE CONTROL En vista que existe humedad, vapor de agua, polvo, etc., se seleccionó un tablero que brinde cierto grado protección contra el ingreso de agua, además se lo colocó a una altura aproximada de 1,4 m y así evitar salpicaduras de agua a su interior debido a que las instalaciones son aseadas diariamente. Las dimensiones del tablero son 60x40 centímetros y presenta un doble fondo, en la parte removible se realiza el ensamblaje del los circuitos tanto de fuerza como de control. El cableado se lo realiza dentro de canaletas plásticas ranuradas, y todos los elementos se los coloca en tres segmentos de riel DIN. En el ANEXO F se muestra un diagrama del tablero..

(42) 30. 2.6.1 CIRCUITO DE CONTROL La parte esencial del circuito de control es el PLC (Controlador Lógico Programable), que es el encargado de controlar el desarrollo de todo el proceso gracias a la lógica desarrollada y programada en el software. 2.6.1.1 Controlador lógico programable PLC En base a los requerimientos del proceso se analizaron varios parámetros para seleccionar el PLC, tales como: marcas, costos, beneficios que brinda, etc., y se optó por una de las opciones que presenta la gama. de controladores lógicos. programables de SIEMENS el SIMATIC S7-1200 puesto que es compacto, modular y ofrece gran capacidad de control.. Figura 2.25: Controlador SIMATIC S7-1200. Esta gama de controladores ofrece CPUs con diferentes capacidades físicas, es decir poseen diferente cantidad de entradas y salidas. En función del número de entradas y salidas necesarias para el desarrollo del proyecto, se escogió el CPU 1212C que cuenta con las siguientes características:.

(43) 31. Tabla 2.5: Características del PLC S7 1200. Tomado de [9] CPU 1212C AC/DC/Relé Parámetro. Descripción. Tensión de alimentación. 120; 230 Vac. Corriente de Salida. 2A. Disipación de potencia. 11 W. Intensidad disponible (SM y bus CM). 1000 mA máx.. Intensidad disponible (24 V DC). 300 mA máx. (alimentación de sensores). Idioma de Programación Utilizado. FBD, Ladder Logic. Número de E/S. 16. Número de Entradas. 10 (8 digitales, 2 analógicas). Número de Salidas. 6 (digital). Tipo de Salida. Relé. Consumo de corriente de las. 4 mA/entrada utilizada. (5 V DC). entradas digitales (24 V DC) Memoria Total Disponible. 1 MB (memoria de carga integrada), 25 kB (memoria de trabajo integrada) 1. Número de Puertos de Comunicación Tipo de Puerto de Comunicación. Ethernet. Tipo de Red. Ethernet. Anchura. 90mm. Longitud. 100mm. Profundidad. 75mm. Peso Temperatura de Funcionamiento Máxima Temperatura de Funcionamiento Mínima. 425 gramos +45°C 0°C.

(44) 32. Para cubrir con el número necesario de salidas, se adquirió también un módulo de expansión de 8 salidas tipo relé, el módulo SM1222relé, cuyas características son las siguientes:. Figura 2.26: Módulo de expansión de salidas SM1222 Relé. Tabla 2.6: Características del módulo de expansión. Tomado de [9] Módulo de expansión de salidas SM1222 Relé Parámetro. Descripción. Tensión de alimentación Poder de corte de los contactos. Límite inferior 5 VDC Límite superior 30 VDC 2A. Disipación de potencia. 4,5 W. Consumo de corriente (bus SM). 120 mA. Consumo de corriente (24 V DC). 11 mA/bobina de relé utilizada. Número de Salidas. 8Digitales. Tipo de Salida. Relé. Tensión nominal de alimentación de bobina de relé L+ (DC). 24 V. Anchura. 45 mm. Altura. 100mm. Profundidad. 75mm. Peso. 190 gramos. Temperatura de Funcionamiento Máxima Temperatura de Funcionamiento Mínima. +45°C Montaje vertical +55°C Montaje horizontal 0°C. Cambio permitido de temperatura. 5°C a 55°C, 3°C/minuto.

(45) 33. 2.6.1.2 Pulsadores Se utilizan cuatro pulsadores dobles que poseen un contacto normalmente abierto NA, el cual se cierra al presionar el botón verde, y un contacto normalmente cerrado que se abre al presionar el botón rojo.. Figura 2.27: Pulsador doble. Además en caso de presentarse alguna situación inesperada se colocó un pulsante tipo hongo como paro de emergencia, que al ser presionado detiene el proceso y se mantiene bloqueado hasta que se supere el problema.. Figura 2.28: Pulsador tipo hongo. 2.6.2 CIRCUITO DE FUERZA Se encuentra conformado por los siguientes elementos:.

(46) 34. 2.6.2.1 Interruptor general Como interruptor general para dar energía a todo el tablero se utiliza un interruptor de 32 A marca Camsco.. Figura 2.29: Interruptor general. 2.6.2.2Interruptores termomagnéticos. Figura 2.30: Interruptor termomagnético. Se utilizan 5 interruptores termomagnéticos para riel DIN marca Schneider Electric, a continuación se describe la capacidad de cada uno de ellos y a que elemento se encuentran destinados a proteger: Tabla 2.7: Capacidad de los interruptores termomagnéticos. Protección. Capacidad [A]. General. 32. PLC. 2. Motor de la batidora. 4. Motor de la bomba. 16. Demás elementos. 16.

(47) 35. A continuación se muestran los cálculos realizados para obtener las capacidades de los elementos de protección: · Interruptor termomagnético general:. · Interruptor termomagnético del motor de la bomba:. · Interruptor termomagnético del motor de la batidora:. · La capacidad de las protecciones para el PLC se obtuvieron del manual del usuario [9]. 2.6.2.3 Fusible Como protección adicional para el PLC se emplea un fusible de 2 [A], el cual es colocado en un portafusible para riel DIN..

(48) 36. Figura 2.31: Fusible. 2.6.2.4 Relés de estado sólido Los relés de estado sólido se encuentran destinados al control de las válvulas solenoides y de la sirena, cuyo consumo de corriente es pequeño, menor a un amperio. Son de la marca Camsco,. poseen 2 contactos normalmente abiertos y 2. normalmente cerrados, y son colocados en bases para riel DIN.. Figura 2.32: Relé de estado sólido..

(49) 37. Tabla 2.8: Características de los relés. Relé de estado sólido Parámetro. Valor. Voltaje [V]. 110. Frecuencia [Hz]. 60. Corriente [A]. 10. Número de Pines. 8. Contactos NC. 2. Contactos NA. 2. 2.6.2.5 Contactores Se hace uso de un contactor para controlar el motor de la batidora y otro para el motor de la bomba. Estos contactores son de la Marca LS.. Figura 2.33: Contactor..

(50) 38. Tabla 2.9: Características de los contactores. CONTACTORES Parámetro. Valor. Voltaje [V]. 240. Frecuencia [Hz]. 60. Corriente [A]. 18. Ith [A]. 40. Ui [V]. 690. Uimp [kV]. 6. 2.6.2.6 Relés térmicos Para proteger los motores contra sobrecargas se emplea un relé térmico para cada uno de ellos, al igual que los contactores de la marca LS. Sus capacidades son: ·. Para el motor de la batidora cuya corriente nominal es 3,7 [A] si su alimentación es de 230 [V], se escogió un relé con un rango de trabajo que va desde 2,5 a 4 [A].. ·. Para el motor de la bomba cuya corriente nominal a 120 [V] es 12 [A], se seleccionóuno con un rango entre 9 y 13 [A].. Figura 2.34: Relé térmico..

(51) 39. 2.6.1 SEÑALIZACIÓN 2.6.1.1Luces piloto Se utilizan 4 luces piloto, una verde que indica que el tablero se encuentra energizado y tres rojas, una asociada al paro de emergencia y las dos restantes para las protecciones térmicas de cada motor. Su voltaje de alimentación es 110 [V].. Figura 2.35: Luces piloto. 2.6.1.2 Sirena Se la utiliza para alertar de ciertos eventos del proceso, su alimentación es de 110[V].. Figura 2.36: Sirena. 2.6.1.3 Pantalla En el proceso es indispensable conocer el valor de la temperatura de la leche, el desarrollo del proceso y avisos importantes, para ello se escogió la pantalla.

(52) 40. SIEMENS KP 300 Basic mono PN, que cuenta con 10 teclas de función, una pantalla LCD de 3,6 pulgadas con retroiluminación.. Figura 2.37: Pantalla KP 300 Basic mono PN. Las características principales de la pantalla son: Tabla 2.10: Características de la Pantalla. Tomado de [10] Pantalla KP 300 Basic mono PN Parámetro. Descripción. Voltaje nominal. 24 VDC. Límite inferior permisible. 19,2 V. Límite superior permisible. 28,8 V. Consumo de corriente. 0,1 A. Potencia. 3W. Tipo de display. FSTN. Ancho. 87 mm. Altura. 31 mm. Resolución. Horizontal 240. (píxeles). Vertical 80. Temperatura de trabajo. Mínima 0 ° C. (montaje vertical) Comunicación. Máxima 50 ° C Ethernet.

(53) 41. A continuación, en las Figura 2.38 y 2.39 se presenta el tablero implementado:. Figura 2.38: Vista exterior del tablero.. Figura 2.39: Vista interior del tablero..

(54) 42. CAPÍTULO 3 DESARROLLO DEL SOFTWARE 3.1 DESCRIPCIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL PROGRAMA A continuación se realiza una breve descripción del proceso a controlar, a fin de tener una idea general de los requerimientos del programa. El proceso de tratamiento de la leche para la elaboración de quesos se lo realiza cada mañana, todos los días del año. Existen 4 subprocesos: · Pasteurización de la leche. · Lavado de los elementos utilizados e instalaciones. · Bombeo del agua hacia el tanque de reserva para su reutilización. · Vaciado del agua reutilizada para cambiarla. Y se llevan a cabo de la siguiente manera: Recolectada la leche, se la transfiere a la olla encamisada, se procede a realizar la pasteurización que tarda aproximadamente 2 horas, este tiempo depende de la cantidad de leche que exista ya que la producción de leche varía de acuerdo a la estación del año, así en verano el alimento para las vacas es escaso y su producción lechera disminuye, mientras que en invierno abundan las lluvias en el cantón y la producción se incrementa. Aproximadamente se trabaja con unos 400 litros de leche. Luego de la pasteurización de la leche se realizan de manera manual los pasos necesarios para terminar la producción de los quesos. Concluida la elaboración de los quesos, inicia el subproceso de lavado de los elementos utilizados y de las instalaciones, se lo realiza con agua que se almacena en un recipiente para evitar acarrearla y disminuir el esfuerzo físico..

(55) 43. El subproceso de bombeo del agua para su reutilización se lo realiza en las madrugadas, antes que inicie el proceso de pasteurización de la leche. No se puede realizar al finalizar dicha pasteurización puesto que el agua se encuentra caliente y el tanque de reserva es plástico, pudiendo deformarse. Se transporta el agua desde el tanque de almacenamiento que se encuentra a nivel del piso dentro de la quesería hacia el tanque de reserva ubicado en la terraza. Finalmente, el subproceso de vaciado del agua reutilizada se lleva a cabo una vez por semana y se realiza una limpieza general de las instalaciones y tanques.. 3.2 LÓGICA DEL PROGRAMA PARA EL PLC En función de la entrada que se active se realiza uno de los subprocesos anteriormente explicados.. Figura 3.1: Diagrama de flujo del proceso..

(56) 44. A continuación se describe detalladamente cada subproceso y se muestran los diagramas de flujo correspondientes. 3.2.1 SUBPROCESO DE PASTEURIZACIÓN Por medio del pulsante correspondiente se da inicio el proceso de pasteurización, primero se activa la válvula del gas para encender el quemador, al fluir el gas (combustible), entra en contacto con el oxígeno del ambiente (comburente) y como la llama piloto (fuente de ignición) se encuentra encendida se reúnen las condiciones necesarias para la combustión. La leche se calienta en la olla encamisada por la propiedades del baño maría, por una de las 2 entradas analógicas que posee el PLC ingresa el valor de voltaje proveniente del acondicionamiento de la señal del sensor Pt 100, este valor tiene que ser normalizado y escalado para adquirirlo en una unidad de medida deseada, en este caso °C. En esta etapa de calentamiento el motor funciona intermitentemente, trabaja 30 segundos suficientes para batir la leche y que su temperatura sea homogénea, y tiene un periodo inactivo de 10 minutos. Una vez que la temperatura alcanza los 70 °C culmina la etapa de calentamiento e inicia la etapa de enfriado. Se cierra la válvula del gas, el motor pasa a trabajar de forma continua y se abre la válvula de enfriado; que permite que el agua descienda desde el tanque de reserva ubicado en la terraza y circule a través del canal que se forma por el doble fondo de la olla encamisada. La temperatura desciende hasta alcanzar los 37 °C, activando una sirena por dos segundos y mostrando un mensaje en la pantalla que indica al operador que es tiempo de agregar el cuajo. Esto se realiza antes de que culmine el proceso de pasteurización ya que el motor de la batidora sigue trabajando lo que ayuda a que se mezcle bien el cuajo. Finalmente, cuando la temperatura descienda a los 35 °C se desactiva la batidora, la válvula de enfriado se cierra, suena nuevamente la sirena por 3 segundos y se visualiza un mensaje indicando que la pasteurización ha concluido..

(57) 45. Figura 3.2: Diagrama de Flujo del Subproceso de Pasteurización..

(58) 46. 3.2.2 SUBPROCESO DE ENFRIADO Realizando las pruebas correspondientes se determinó que por cualquier situación anormal, como por ejemplo, exista un corte momentáneo del suministro de energía eléctrica y sea necesario continuar el proceso de pasteurización solamente desde la etapa de enfriado; de ser este el caso, se debe comprobar si la temperatura de la leche se encuentra entre 70 y 35°C, si se cumple esta condición se presiona el pulsante correspondiente para realizar el proceso de forma idéntica al explicado anteriormente, sin necesidad de incluir la etapa de calentamiento.. Figura 3.3: Diagrama de Flujo del Subproceso de Enfriado..

(59) 47. 3.2.3 SUBPROCESO DE LAVADO Como es explicó anteriormente una vez que culmine la elaboración de los quesos, es necesario asear los elementos utilizados y las instalaciones, es así que se debe disponer de agua. La secuencia de lavado se inicia mediante un pulsante, se activa la válvula de lavado y la bomba, y con una manguera se almacena el agua en un recipiente. Con el fin de no utilizar otra entrada del PLC para la desactivación de este proceso, en base a pruebas se calculó el tiempo de llenado del recipiente y una vez que transcurre se desactiva la bomba y la válvula de lavado. Este proceso se puede realizar las veces que sean necesarias.. Figura 3.4: Diagrama de Flujo del Subproceso de Lavado..

(60) 48. 3.2.4 SUBPROCESO DE BOMBEO Para bombear el agua desde el tanque de almacenamiento que se encuentra a nivel del piso en la quesería, hasta el tanque de reserva ubicado en la terraza se activan la bomba y la válvula de bombeo mediante un pulsante. El proceso de bombeo se puede desactivar de dos maneras, por medio de otro pulsante o por la acción de un interruptor de nivel, que se activa cuando el agua llega a un límite inferior, evitando que la bomba trabaje en vacío.. Figura 3.5: Diagrama de Flujo del Subproceso de Bombeo. 3.2.5 SUBPROCESO DE VACIADO La secuencia de vaciado se realiza para evacuar toda el agua que se reutiliza en el proceso y cambiarla. Como se indicó anteriormente se efectúa una vez por semana y además se hace un aseo total de las instalaciones. Se la inicia mediante un pulsante.

(61) 49. activándose las válvulas de enfriado y vaciado que permiten que se desaloje toda el agua contenida, para desactivarla de utiliza otro pulsante.. Figura 3.6: Diagrama de Flujo del Vaciado. En caso de presentarse alguna eventualidad, en cualquier instante se puede presionar el botón de paro de emergencia, para detener el proceso. Se desactivan todos los actuadores, se muestra en la pantalla el mensaje “PARO DE EMERGENCIA” y se enciende la luz correspondiente.. 3.3 SOFTWARE TIA PORTAL V11 Totally Integrated Automation Portal (TIA PORTAL) es el software que permite programar tanto el PLC como el sistema de visualización sin limitación alguna, desde el PLC S7-300 hasta el S7-1200 y toda la gama de paneles HMI. Únicamente.

(62) 50. presenta una desventaja al programar el PLC S7-1200, y es que aún no se ha desarrollado un simulador para este PLC, pero presenta ventajas como: un sistema de ventanas que se ajustan a las necesidades del programa, es bastante intuitivo facilitando la tarea del programador, y permite comparar de manera ON LINE y así reconocer el estado de las variables en tiempo real facilitando la detección de posibles errores. A continuación se describe el proceso para elaborar un programa: Ventana inicial que se genera al abrir el programa:. Figura 3.7: Ventana inicial. Creando un nuevo proyecto: al dar click en crear proyecto, se puede ingresar el nombre con el que se guarda, seleccionar la dirección en la que se almacenará, y colocar un comentario si se desea..

(63) 51. Figura 3.8: Creando un nuevo proyecto. Al dar click en agregar dispositivo se despliega la siguiente ventana:. Figura 3.9: Selección de dispositivos..

(64) 52. Aquí se selecciona el PLC y la pantalla con la que se va a trabajar. Como se mencionó anteriormente este software presenta un sistema de ventanas que facilita el trabajo del programador. En esta ventana se pueden visualizar los dispositivos existentes de una manera bastante similar al hardware físico.. Figura 3.10: Vista de dispositivos. En la ventana del bloque principal se desarrolla el programa que posteriormente se cargará en el PLC. Posee un entorno bastante amigable e intuitivo y existen las herramientas necesarias para realizar desde un programa sencillo hasta uno bastante complejo; además permite trabajar con varios lenguajes de programación..

(65) 53. Figura 3.11: Bloque principal. En el Anexo B se explica detalladamente el programa desarrollado para la realización del proceso.. 3.4 DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA LA PANTALLA Se inicia por agregar el dispositivo deseado, en este caso se escoge la pantalla KP300 Basic Mono PN:. Figura 3.12: Seleccionando Pantalla..

(66) 54. A continuación se despliega un asistente para realizar la configuración básica de la pantalla que consiste en 5 pasos: El primero es seleccionar el PLC con el que se va a trabajar:. Figura 3.13: Conexión de la pantalla con el PLC. Luego se configura la pantalla, se puede colocar cualquier imagen y un encabezado.. Figura 3.14: Configuración de la pantalla principal..

(67) 55. En el tercer paso se configuran los avisos, así:. Figura 3.15: Configuración de los avisos. Los pasos cuarto y quinto consisten en configurar las pantallas que se visualizarán, en este caso, se programa la pantalla ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL.. Figura 3.16: Configuración de las imágenes..

(68) 56. Concluido esta configuración básica, se tiene la siguiente ventana, aquí se realiza el programa de visualización. Se pueden utilizar herramientas como botones, interruptores, visores numéricos o gráficos, incluso se pueden realizar animaciones como desplazamientos o parpadeos, es decir, se poseen las herramientas necesarias para realizar una visualización adecuada del proceso.. Figura 3.17: Herramientas disponibles. La razón fundamental para utilizar una pantalla es la necesidad de la visualización de la temperatura de la leche durante la pasteurización, por ende es necesario asociar un visor numérico a la variable correspondiente del programa del PLC. Esta acción se repite para cada uno de los requerimientos, ovbiamente con los elementos y variables adecuadas. En el Anexo D se explica detalladamente la programación de la pantalla. A continuación se presenta el diagrama de flujo utilizado para la programación de la pantalla:.

(69) Figura 3.18: Diagrama de flujo para la pantalla.. 57.

(70) 58. 3.5 LISTA DE ENTRADAS Y SALIDAS UTILIZADAS DEL PLC 3.5.1 ENTRADAS DEL PLC 3.5.1.1 Entradas digitales Tabla 3.1: Entradas digitales DIRECCIÓN. VARIABLE. TIPO DE VARIABLE. I0.0. Inicio. Bool. I0.1. Inicio Enfriado. Bool. I0.2. Paro de emergencia. Bool. I0.3. Lavado. Bool. I0.4. Bombeo. Bool. I0.5. Stop Bombeo. Bool. I0.6. Vaciado. Bool. I0.7. Stop Vaciado. Bool. 3.5.1.2 Entrada analógica Tabla 3.2: Entrada analógica DIRECCIÓN. VARIABLE. IW64. In Temperatura. TIPO DE VARIABLE Int. 3.5.2 SALIDAS DEL PLC Tabla 3.3: Salidas tipo relé DIRECCIÓN. VARIABLE. TIPO DE VARIABLE. Q0.0. Válvula del gas. Bool. Q0.2. Motor de la batidora. Bool. Q0.3. Válvula de enfriado. Bool. Q0.4. Válvula de lavado. Bool. Q0.5. Motor de la bomba. Bool. Q8.3. Válvula de bombeo. Bool. Q8.4. Válvula de vaciado. Bool. Q8.5. Sirena. Bool.

(71) 59. 3.5.3 MARCAS UTILIZADAS EN EL PROGRAMA Tabla 3.4: Marcas DIRECCIÓN. VARIABLE. TIPO DE VARIABLE. M0.0. M1. Bool. M0.1. M2. Bool. M0.2. M3. Bool. M0.3. M4. Bool. M0.4. MBAT CALENTANDO. Bool. M0.5. MMOSTRAR TEMP. Bool. M0.6. MBATIENFRIADO. Bool. M0.7. MMOSTRARMENSAJE. Bool. M1.0. MMENSAJEINICIAL. Bool. ID10. OUT NORMALIZADA. Real. ID22. TEMPERATURA. Real.

(72) 60. CAPÍTULO 4 PRUEBAS Y RESULTADOS 4.1 PRUEBA DEL ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR Primero se probó el acondicionamiento del sensor, esto no se realizó en el proceso sino trabajando a pequeña escala. Fue necesario calibrar los valores del circuito inicial para obtener los resultados esperados. Luego, se instaló el sensor en la base construida para su colocación y tomando como referencia un termómetro de mercurio para comparar las temperaturas, se obtuvieron los siguientes resultados: Tabla 4.1: Comparación de temperatura. TEMPERATURA TERMÓMETRO DE MERCURIO. ACONDICIONAMIENTO DEL PT100. 20. 19.5. 35. 34.7. 50. 50,1. 67. 67,5. 70. 70,8. Figura 4.1: Medición de la temperatura..

(73) 61. Figura 4.2: Comparación de temperatura. 4.1.1 CÁLCULO DEL ERROR EN LA TEMPERATURA 4.1.1.1 Error absoluto Ecuación 12.. 4.1.1.2 Error relativo Ecuación 13..

(74) 62. 4.1.1.3 Error relativo porcentual Ecuación 14.. 4.1.1.4 Valor medio del error relativo porcentual Ecuación 15.. Como se observa el error es pequeño y aceptable para esta aplicación..

(75) 63. 4.2 PRUEBA DEL PROGRAMA DE CONTROL Una vez finalizado el programa, fue cargado en el PLC y se realizó pruebas de su funcionamiento de igual manera a pequeña escala, es decir, en protoboard se colocaron los elementos necesarios como pulsantes pequeños, resistencias, leds, etc., y los resultados fueron satisfactorios pues se cumplió con todas las necesidades del proyecto. Se presentó un pequeño inconveniente al momento de cargar el programa, y fue necesario configurar las direcciones IP del PLC así como de la PC, y algo importante que cabe mencionar es que para evitar problemas con el reconocimiento del dispositivo, antes de presionar el botón de la Figura 4.3, es necesario seleccionar “Dispositivos accesibles” en la opción “Online” de la barra de herramientas.. Figura 4.3: Botón para cargar el programa en el dispositivo.. 4.3 PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE EL PLC Y LA PANTALLA Para que el operario se encuentre informado del desarrollo del proceso, es necesario que en la pantalla se desplieguen la temperatura de la leche y los mensajes correspondientes. El PLC y la pantalla forman una pequeña red y se comunican por medio del protocolo PN/IE que significa PROFINET/INDUSTRIAL ETHERNET. Se pudo comprobar que se comunican correctamente, el tiempo de transmisión de datos es aproximadamente medio segundo y los mensajes se muestran en el momento oportuno como se indica en la prueba 4.4..

(76) 64. A continuación se muestra la red que forman el PLC y la pantalla:. Figura 4.4: Red formada por el PLC y la pantalla.. 4.4 PRUEBA DEL CIRCUITO DE CONTROL, FUERZAY PANTALLA Una vez armado el tablero de control, se realizaron las pruebas de los dos circuitos, primero el de control, y luego el de fuerza. Al energizar el tablero, luego del tiempo necesario para la inicialización de los dispositivos (PLC y pantalla), se despliega el mensaje inicial.. Figura 4.5: Pantalla inicial. Se procede con el proceso de pasteurización, los resultados son los esperados, todos los actuadores trabajan según lo contemplado, se cumplen los tiempos estimados tanto para el calentamiento como para el enfriado de la leche, con la.

(77) 65. ventaja de que el tiempo de enfriamiento se reduce, en vista que existe una agitación constante de la leche ayudando a que se enfríe más rápido, mejorando así el proceso.. . Figura 4.6: Pantalla en la etapa de calentamiento de la leche. Los dos motores trabajan de forma adecuada, el calentamiento presentado es tolerable en vista que no se los está sobrecargando, por ende su dimensionamiento es correcto.. Figura 4.7: Corriente consumida por el motor de la batidora. De igual manera la pantalla opera de forma correcta mostrando la temperatura, los subprocesos realizados y los mensajes importantes. La Figura 4.7 muestra la etapa de enfriado:.

(78) 66. Figura 4.8: Pantalla en la etapa de enfriado de la leche. Como ayuda para el operador se despliegan los mensajes necesarios según la etapa del proceso, por ejemplo indica en qué momento agregar el cuajo.. Figura 4.9: Pantalla con mensaje importante. El proceso concluye con éxito, y se visualiza:. Figura 4.10: Pantalla al finalizar el proceso. En caso de presentarse alguna situación inadecuada, el pulsante de paro de emergencia desactiva todos los actuadores y se despliega en la pantalla el siguiente aviso:.

(79) 67. Figura 4.11: Pantalla con mensaje de PARO DE EMERGENCIA. El funcionamiento de los demás procesos es el esperado y en cada uno de ellos se despliegan los mensajes correspondientes:. Figura 4.12: Pantalla con mensaje de LAVADO.. Figura 4.13: Pantalla con mensaje de BOMBEO.. Figura 4.14: Pantalla con mensaje de VACIADO..

(80) 68. La Tabla 4.2 muestra los beneficios obtenidos tras la realización del proyecto: Tabla 4.2: Beneficios obtenidos.. PARÁMETRO Cantidad de operarios. ANTES DE LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO Mínimo 2. DESPUÉS DE LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO 1. Esfuerzo físico necesario para realizar el proceso de pasteurización Tiempo de calentamiento aproximado Tiempo de enfriamiento aproximado. Fuerte. Ninguno. 1 hora con 20 minutos. 1hora con 20 minutos. 1 hora. Entre 30 y 40 minutos. Consumo de agua aproximado. 1000 litros cada 8 días. 6000 litros cada 8 días. Consumo de gas. 2 cilindros cada 3 días. 3 cilindros cada 8 días. Error en la temperatura máxima de pasteurización Error en la temperatura de mínima de pasteurización Asentamiento de la leche en la zona de la olla donde incide el fuego Lavado de elementos utilizados Manipulación de la leche por los operarios Cantidad de leche pasteurizada diariamente. Escaso. Inexistente. Considerable. Inexistente. Considerable. Inexistente. Varias veces. Una sola vez. Considerable. Escaso. 300 litros. 400 litros. Como se puede observar, los beneficios obtenidos tras la realización del proyecto son significativos. Considerando la inversión realizada por la microempresa para la implementación de este proyecto, la cual se explica a detalle en el ANEXO G, se concluye que este dinero se recuperará en aproximadamente un año y medio, y como se estima que la microempresa trabaje durante 5 años sin la necesidad de incrementar sus gastos de operación, la inversión resulta bastante rentable, cumpliéndose así los objetivos y expectativas inicialmente planteados..

(81) 69. CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 CONCLUSIONES Concluido el proyecto y realizadas diversas pruebas para observar y comprobar su funcionamiento, se puede inferir lo siguiente: ·. El proyecto cumple satisfactoriamente con cada uno de los requerimientos del proceso, lográndose así cubrir los alcances y objetivos planteados al inicio del mismo.. ·. Conocer a fondo las diferentes etapas del proceso desarrollado por la microempresa es fundamental para obtener los resultados esperados del proyecto, lográndose optimizarlo.. ·. Con el paso del tiempo es posible que la microempresa expanda su línea de producción, presentándose la necesidad de crecimiento del sistema de control, esto es viable ya que la capacidad física del PLC puede incrementarse colocando diferentes módulos, sean estos de entradas o salidas, de comunicación, etc.. ·. Por tratarse de una versión básica, la licencia del software utilizado para la programación del PLC y de la pantalla no tuvo costo alguno, además no es necesario adquirirla cada año, representando un ahorro significativo para la microempresa.. ·. Además de disminuir el esfuerzo físico y el número de personas necesarias para llevar a cabo el proceso, se reduce también el tiempo de producción, permitiendo al operario realizar el resto de sus actividades sin apremio, lo que representa una ventaja importante para la microempresa.. ·. Se reduce el costo de producción de los quesos, ya que el consumo de gas y de agua disminuyen notablemente..

(82) 70. ·. La elaboración de los quesos cumple con estándares más altos de producción, puesto que la manipulación de la leche por parte del operario es mínima.. ·. Se ha incrementado la cantidad de producto con la que se puede trabajar, generando mayores ingresos para la microempresa.. ·. Puesto que en el subproceso de calentamiento se utilizan las propiedades del Baño María, no existe asentamiento de la leche en la zona donde la llama del quemador llega directamente.. ·. La comunicación entre el PLC y la pantalla se da sin ningún tipo de problema, ayudando a que los resultados del proyecto sean los esperados.. 5.2 RECOMENDACIONES ·. Se recomienda en un futuro implementar un mecanismo para facilitar la extracción de la cuajada de la olla encamisada, pues se trata de una cantidad considerable. Este mecanismo puede consistir en una especie de puente grúa, que pueda extraer con la ayuda de un operario gran cantidad de dicha cuajada en una sola operación, disminuyendo aún más el trabajo y el tiempo de elaboración de los quesos.. ·. Las queserías del medio a nivel artesanal no tienen un gran desarrollo tecnológico, éste recae únicamente en las industrias grandes, se recomienda invertir en desarrollo y automatización pues se optimizan los procesos, facilitando el trabajo de los operarios, y mejorando la calidad del producto.. ·. Al realizar cualquier proyecto, se recomienda investigar profundamente el software de programación con el que se va a trabajar, para sacar el mayor provecho posible..

(83) 71. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Ingeniero Hector Rocha, funcionario del MAGAP [2] books.google.com.ec/books?id=miAPAQAAIAAJ [3]http://www.portalechero.com/innovaportal/v/725/1/innova.front/proceso_de_pasteur izacion_.html [4]http://www.banrepcultural.org/sites/default/files/lablaa/ciencias/sena/ganaderia/ord eno1/ganaderia19-5.pdf [5]http://ben.upc.es/documents/eso/aliments/HTML/lacteo-4.html [6]http://procesamientolacteo.blogspot.com/2010/11/ventajas-y-desventajas-dela.html [7] http://www.arian.cl/downloads/nt-004.pdf [8] http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/2/LM324.shtml [9] Manual del controlador lógico programable S7-1200. [10] Datasheet6AV6647-0AH11-3AX0 de productos SIEMENS..

(84) A-1. ANEXO A DATASHEET DEL SENSOR MBT 5250. Figura A.1: Especificaciones del sensor Pt 100..

(85) A-2. Figura A.2: Dimensiones del sensor Pt 100..

(86) B-1. ANEXO B PROGRAMA DESARROLLADO PARA EL PLC Una vez realizados los pasos explicados en el capítulo 3, literal 3.1, que consisten en la creación de un nuevo proyecto y elección de los dispositivos que se van a utilizar, se procese a desarrollar el programa que se detalla a continuación: En el Segmento 1 del programa, se da inicio a la pasteurización con el subproceso de calentamiento, se activa la válvula del gas y los timers para el funcionamiento intermitente del motor.. Figura B.1: Segmento 1 del programa. En el segmento de la figura B.2 se normaliza y escala el valor obtenido del acondicionamiento de la señal analógica proveniente del sensor Pt 100..

(87) B-2. Figura B.2: Segmento 2 del programa. El bloque NORM_X normaliza el valor de la variable de entrada VALUE dentro del rango de valores especificado por los parámetros MIN y MAX, mapeándolo en una escala lineal comprendida entre 0.0 y 1.0. Figura B.3: Bloque NORM_X. El bloque SCALE_X escala el valor real VALUE proveniente de la salida normalizada al tipo de datos y rango de valores especificados por los parámetros MIN y MAX.. Figura B.4: Bloque SCALE_X. Los tipos de datos aceptados por cada parámetro son los siguientes:.

(88) B-3. Tabla B.1: Tabla de los tipos de datos de los parámetros. Tomado de [7]. En el Segmento 3, se desarrolla el control de la etapa de enfriado de la leche, se encuentra condicionada a 2 situaciones, la primera, si en la etapa de calentamiento la temperatura de la leche alcanza los 70°C, y la segunda, en caso de presentarse una situación inesperada, como por ejemplo, un corte momentáneo del suministro eléctrico, es necesario arrancar el proceso solamente desde la etapa de enfriado, saltándose la de calentamiento. En la segunda situación la temperatura de la leche debe ser mayor a 35 °C.. Figura B.5: Segmento 3 del programa..

(89) B-4. A continuación, se muestra el segmento que activa una marca cuando la temperatura alcanza los 37°C para activar un buzzer y mostrar en la pantalla el mansaje para agregar el cuajo, se lo puede visualizar hasta que la temperatura llegue a 35,1°C.. Figura B.6: Segmento 4 del programa. En el segmento de la figura B.7, se activa la marca para culminar el proceso y desactivar los actuadores.. Figura B.7: Segmento 5 del programa. A continuación, se muestra el segmento para el control del motor de la batidora, este tiene un funcionamiento intermitente en la etapa de calentamiento y continuo en la de enfriado..

(90) B-5. Figura B.8: Segmento 6 del programa. En el Segmento 6, se indica el control para la activación de la sirena cuando la marca correspondiente se activa, esta sirena se activa por 2 segundos.. Figura B.9: Segmento 7 del programa. En el segmento de la figura B.10 se activa la etapa de lavado. Por medio de un pulsante se activan la bomba y la válvula correspondiente durante un periodo de tiempo determinado.. Figura B.10: Segmento 8 del programa..

(91) B-6. En este segmento, se visualiza la etapa de bombeo. Por medio de dos pulsantes, uno de encendido y otro de apagado, se ponen en funcionamiento la bomba y la válvula de bombeo.. Figura B.11: Segmento 9 del programa. En el Segmento 10, se muestra el control para el proceso de vaciado del agua de la olla encamisada, de igual manera mediante dos pulsantes se activan y desactivan las válvulas de enfriado y de vaciado.. Figura B.12: Segmento 10 del programa. En la figura B.13 se muestra el segmento que condiciona la visualización del mensaje inicial, éste se muestra hasta que la marca pase de 0L a 1L..

(92) B-7. Figura B.13: Segmento 11 del programa. El Segmento 12 se activa una marca para mostrar la temperatura de la leche durante el tiempo que se realiza el proceso de pasteurización.. Figura B.14: Segmento 12 del programa. En este segmento se despliega por un minuto el mensaje de “PASTEURIZACIÓN FINALIZADA” cuando la temperatura alcanza los 35°C.. Figura B.15: Segmento 13 del programa..

(93) .. Figura B.16: Ventana de compilación. Una vez finalizado el programa se lo compila y el software arroja los siguientes resultados:. B-8.

(94) Figura B.17: Vista de tabla de variables.. En la figura B.17 se muestra la lista de variables utilizadas para el desarrollo del programa:. B-9.

(95) B-10. En la figura B.16 se muestran los dispositivos que se van a utilizar, como se puede observar están tanto el PLC S7-1200 y el módulo de salidas tipo relé, además en los espacios correspondientes se visualizan los nombres de las variables tanto de entrada como salida.. Figura B.18: Vista de dispositivos..

(96) Descripción. DC. 24VDC. STOPVACIADO. VACIADO. STOPBOMBEO. BOMBEO. LAVADO. PARO. INICIOENFRIADO. INICIO. 2M. AI0. 1M. DI7. DI6. DI5. DI4. DI3. DI2. DI1. DI0. CA. N. 120 V, 60 Hz. L1. M. DC. 24VDC. GND L+. PLC. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA LA PASTEURIZACIÓN DE LECHE. ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. 120 V, 60 Hz. CA. SIRENA. VVACIADO. VBOMBEO. MOTORBOMBA. VLAVADO. VENFRIADO. BATIDORA. GAS. ANEXO C. Daniel Pilicita. DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL PLC. 1L. DQ8.5. DQ8.4. DQ8.3. DQ0.5. DQ0.4. DQ0.3. DQ0.2. DQ0.0. SALIDAS. Figura C.1: Diagrama de conexión del PLC. ANALÓGICA. D I G I T A L E S. ENTRADAS. Se presenta la forma de conexión del PLC: alimentación, entradas digitales, entrada analógica y las salidas tipo relé.. C-1.