UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRONICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA
AUTOMATIZADO DE EXTRACCIÓN DE CHOCOLATE A
PARTIR DEL GRANO DE CACAO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
PAÚL ANDRÉ LOZADA CASCO
DIRECTOR: ING. ALEXY VINUEZA
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2015
DECLARACIÓN
Yo PAUL ANDRE LOZADA CASCO, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que se consultó las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Paúl André Lozada Casco.
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO DE EXTRACCIÓN DE CHOCOLATE A PARTIR DEL GRANO DE CACAO”, que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por Paúl Lozada, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Alexy Vinueza.
DEDICATORIA
Dedico este trabajo de titulación:
A mi padre, madre y hermanos por todo su amor, dedicación, por impulsarme a seguir en la vida.
AGRADECIMIENTO
Agradezco a mi familia por su apoyo incondicional durante mi carrera
universitaria y por ser el pilar de mi vida al igual
ÍNDICE DE CONTENIDOS
DECLARACIÓN ... III
CERTIFICACIÓN ... IV
RESUMEN ... 9
ABSTRACT ... 10
1. INTRODUCCIÓN ... 11
OBJETIVO GENERAL. ... 2
OBJETIVOS ESPECIFICOS. ... 2
2. MARCO TEORICO ... 3
2.1 GENERALIDADESDELCACAO. ... 3
2.2 ORÍGENESDELCACAO. ... 3
2.3 ELCACAOENLAECONOMÍAMUNDIALYENELECUADOR. ... 3
2.4 TIPOSDELCACAO. ... 4
2.4.1 CACAO CRIOLLO. ... 4
2.4.2 CACAO FORASTERO... 5
2.4.3 CACAO TRINITARIO... 5
2.5 BENEFICIOSDELCACAO. ... 5
2.6 DERIVADOSDELCACAO. ... 6
2.6.1 MANTECA DE CACAO. ... 6
2.6.2 CACAO EN POLVO. ... 6
2.6.3 LICOR DE CACAO. ... 7
2.6.4 CHOCOLATE... 7
2.7 PROCESAMIENTODELCACAO. ... 8
2.8 GENERALIDADESDELOSMOLINOS. ... 8
2.9 HISTORIADELMOLINO. ... 8
2.9.1 EL PRINCIPAL USO DEL MOLINO. ... 9
2.10LASFUERZASAPLICADASPARALAREDUCCIÓNDETAMAÑO………...10
2.11 CLASIFICACIÓN DE LOS MOLINOS POR TIPO DE ENERGÍA EMPLEADO. ... 12
2.11.1 MOLINO HIDRÁULICO...……….………..12
2.11.2 MOLINO DE VIENTO. ... 13
2.11.3MOLINO DE SANGRE. ... 13
2.11.4MOLINO DE MÁQUINA. ... 13
2.12 CLASIFICACIÓNDELOSMOLINOSSEGÚNSUMECANISMO. ... 13
2.12.1MOLINOS PULVERIZADORES DE MARTILLOS. ... 13
2.12.3MOLINOS DE BARRAS. ... 15
2.12.4EL MOLINO DE RODILLO. ... 15
2.12.5QUEBRANTADOR DE MANDÍBULAS. ... 16
2.12.6MOLINO DE CUCHILLAS. ... 16
2.12.7MOLINO DE DISCOS. ... 17
2.13 MOTORES... 18
2.13.1MOTOR ELÉCTRICO. ... 18
2.13.1.1 Estator. ... 20
2.13.1.2 Rotor. ... 20
2.13.1.3 Eje mecánico. ... 20
2.13.1.4 Bobina. ... 21
2.14 ENGRANAJES. ... 21
2.14.1TORNILLO SIN FIN Y CORONA………22
2.14.2REDUCTORES DE VELOCIDAD. ... 22
2.14.2.1 Características de los reductores. ... 23
2.14.2.2 Tipo de reductores de velocidad. ... 24
2.15 DADODEEXTRUSIÓN. ... 25
2.16 BASTIDOR. ... 26
2.17 COLUMNAS. ... 26
2.18 VIGAS. ... 27
2.19 SISTEMADECONTROL. ... 28
2.19.1SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO ABIERTO. ... 28
2.19.2SISTEMAS DE LAZO CERRADO. ... 29
2.20 PLC- CONTROLADORLÓGICOPROGRAMABLE. ... 29
2.20.1PROGRAMACIÓN DEL PLC SIEMENS. ... 30
2.20.2ESTÁNDARES UTILIZADOS. ... 31
2.20.3RELÉ LÓGICO PROGRAMABLE (PLR). ... 31
2.20.4PROGRAMACION DE UN PLC-LOGO. ... 32
2.21 COMPONENTESELECTRÓNICOS... 32
2.21.1PULSADORES. ... 32
2.21.2INTERRUPTORES. ... 32
2.21.3SENSORES. ... 33
2.21.3.1 Tipos de sensores. ... 34
2.21.4SENSOR INFRARROJO. ... 35
2.21.5LED. ... 35
3. METODOLOGÍA ... 60
3.1 METODOLOGÍADELDISEÑOMECATRÓNICO... 38
3.1.1 PARÁMETROS FUNCIONALES DEL EQUIPO. ... 39
3.2.1 REDUCCIÓN DE VELOCIDAD DE OPERACIÓN DEL MOLINO. ... 41
3.3 ANÁLISISDEALTERNATIVASDELSISTEMADOSIFICADOR. ... 42
3.3.1 ALTERNATIVAS DEL SISTEMA DOSIFICADOR. ... 42
3.3.2 ALTERNATIVAS DEL SISTEMA DE EMPUJE DEL PRODUCTO. ... 45
3.4 MATERIALESDEDISEÑO. ... 46
3.5 SISTEMAELÉCTRICO-ELECTRÓNICO. ... 46
3.6 SISTEMADECONTROL. ... 49
4. DISEÑO ... 37
4.1 SELECCIÓNDEMATERIAL. ... 50
4.2 DISEÑODELATOLVA. ... 50
4.2.1 ANÁLISIS DE SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DEL DOSIFICADOR (TOLVA) PROPUESTAS EN EL PROYECTO. ... 50
4.2.2 SELECCIÓN DE ALTERNATIVA. ... 51
4.2.3 DIMENSIONAMIENTO. ... 51
4.2.4 DISEÑO DE LA TOLVA. ... 53
4.2.5 DISEÑO DEL TUBO DE DOSIFICACIÓN. ... 56
4.3 ANÁLISISDELDISEÑODELSISTEMADEEMPUJEDELPRODUCTO. 60 4.3.1 SELECCIÓN Y DISEÑO DE LA ALTERNATIVA DEL EMPUJE DEL PRODUCTO. ... 60
4.3.2 DISEÑO DEL SISTEMA MANIVELA - BIELA - CORREDERA. ... 61
4.3.2.1 Diseño de la biela - manivela. ... 64
4.3.2.2 Dimensionamiento de la corredera. ... 65
4.3.3 DESPLAZAMIENTO, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN DE LA CORREDERA. ... 67
4.3.4 ANALISIS DINAMICO, ESTUDIO DE MOVIMIENTO. ... 69
4.3.5 SELECCIÓN DEL MOTOR DE DOSIFICACIÓN. ... 73
4.3.6 ANÁLISIS DE ESFUERZOS DEL SISTEMA MANIVELA-BIELA-CORREDERA. ... 75
4.4 DISEÑOVIRTUALDELSISTEMADEMOLIENDA. ... 78
4.4.1 DISEÑO, VELOCIDADES DE TRABAJO DEL TORNILLO SIN FIN. ... 80
4.4.1.1 Velocidad de desplazamiento del transportador o tornillo sin fin. 81 4.5 ANÁLISISDELAVELOCIDADYTORQUEDELMOTORDECA. ... 84
4.6 DISEÑODELBASTIDORDELMOLINO. ... 88
4.7 DISEÑOELÉCTRICOYELECTRÓNICO. ... 91
4.7.1 SELECCIÓN DEL SENSOR LLENO / VACÍO. ... 91
4.7.2 VELOCIDAD DE DOSIFICACIÓN. ... 93
4.8 DISEÑOLÓGICODELAPROGRAMACIÓN. ... 94
5.1 PRUEBASDEFUNCIONAMIENTODELEQUIPO. ... 98
5.1.1 CAPACIDAD DE OPERACION. ... 99
5.1.2 PRUEBAS DE DOSIFICACIÓN. ... 99
5.1.2.1 Prueba de dosificación con velocidad media. ... 100
5.1.2.2 Prueba de dosificación con velocidad alta. ... 100
5.1.3 PRUEBA DE FUNCIONALIDAD DEL EQUIPO CONJUNTO. ... 101
5.1.4 ANÁLISIS DE COSTOS. ... 101
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 107
6.1 CONCLUSIONES. ... 103
6.2 RECOMENDACIONES. ... 104
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Selección de alternativas de tolva / dosificador. ... 50
Tabla 2. Fuerza normal sobre la tolva. ... 54
Tabla 3. Fuerza normal sobre la tolva. ... 54
Tabla 4. Desplazamientos sobre la tolva. ... 55
Tabla 5. Deformaciones de la tolva. ... 55
Tabla 6. Resultado de estudio de tensiones, tubo de dosificación. ... 57
Tabla 7. Resultado de estudio de desplazamientos, tubo de dosificación. ... 58
Tabla 8. Resultado de estudio de deformaciones, tubo de dosificación. ... 59
Tabla 9: Selección de alternativas de empuje de producto. ... 61
Tabla 10. Especificaciones del motor DC. ... 74
Tabla 11. Análisis estático del sistema manivela-biela-corredera (tensiones). ... 75
Tabla 12. Análisis del sistema manivela-biela-corredera (desplazamientos). ... 76
Tabla 13. Análisis del sistema manivela-biela-corredera (deformaciones). .. 76
Tabla 14. Propiedades del material AISI 304. ... 77
Tabla 15: Propiedades del acero para el sistema de molienda. ... 79
Tabla 16: Tenciones del tornillo sin fin. ... 82
Tabla 17: Desplazamientos del tornillo sin fin. ... 83
Tabla 18: Deformaciones del tornillo sin fin... 84
Tabla 19: Fuerza de molienda necesaria para procesar cacao. ... 86
Tabla 20: Selección de alternativas de detección del producto. ... 92
Tabla 21: Selección del sistema de control. ... 94
Tabla 22: Tiempo promedio de proceso de 1KG de cacao. ... 99
Tabla 23: Capacidad de dosificación con velocidad media. ... 100
Tabla 24: Capacidad de dosificación con velocidad alta. ... 100
Tabla 25: Capacidad conjunta de procesamiento, dosificación media versus dosificación alta ... 101
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Proceso del Cacao (tecnologíaslimpias, 2014) ... 7
Figura 2: Las fuerzas aplicadas para la reducción de tamaño ... 10
Figura 3: Fuerzas de aplastamiento ... 11
Figura 4: Fuerzas de corte o cizalla. ... 12
Figura 5: Molinos pulverizadores de martillos. ... 14
Figura 6: Molino de bolas. ... 14
Figura 7: Molinos de barras. ... 15
Figura 8: Molino de rodillos. ... 16
Figura 9: Cortadora o molino de cuchillas. ... 17
Figura 10: Imagen Molino de discos. ... 18
Figura 11: Motor eléctrico. ... 19
Figura 12: Motor eléctrico. ... 19
Figura 13: Poleas, mantener velocidad de giro. ... 21
Figura 14: Tornillo sin fin-corona. ... 22
Figura 15: Reductor de velocidad sin fin-corona. ... 25
Figura 16: Reductor de velocidad planetario. ... 25
Figura 17: Sistema de lazo abierto. ... 29
Figura 18: Sistema de lazo cerrado. ... 29
Figura 19: LED diodo emisor de luz. ... 36
Figura 20: Metodología del Diseño Mecatrónico. ... 38
Figura 21: Dosificador de tambor. ... 43
Figura 22: Dosificador de cilindro simple. ... 44
Figura 23: Dosificador de gravedad y manivela-biela-corredera. ... 45
Figura 24: Metodología de Sistemas Electrónicos. ... 48
Figura 25: Dimensiones tolva, de izquierda a derecha parte superior e inferior de la tolva. ... 51
Figura 26: Posibilidad de diseño de la tolva. ... 52
Figura 27: Nervio de sujeción de la tolva. ... 52
Figura 28. Tubo de dosificacion. ... 56
Figura 29. Fuerza puntual de la tolva ... 57
Figura 30: Ensamblaje de la Tolva. ... 59
Figura 31: Masa de la tolva ensamblada. ... 60
Figura 32: Diseño del sistema Manivela-Biela-Corredera. ... 61
Figura 33: Medidas del sistema Manivela-Biela-Corredera. ... 62
Figura 34: Manivela. ... 63
Figura 35: Biela. ... 63
Figura 36: Corredera. ... 63
Figura 37: Corredera. ... 66
Figura 38: Simulación de piezas manivela-biela-Corredera. ... 67
Figura 40: Dimensión de diseño manivela, biela, corredera. ... 68
Figura 41: fuerzas del sistema manivela, biela, corredera. ... 69
Figura 42: fuerza variable. ... 70
Figura 43: Esfuerzo dinámico manivela. ... 71
Figura 44: Velocidad lineal de la corredera. ... 71
Figura 45: Aceleración lineal de la corredera. ... 72
Figura 46: Torque necesario del motor de dosificación. ... 73
Figura 47: Gráfico del torque del motor dc Torsión vs Tiempo. ... 73
Figura 48: Motor DC seleccionado para dosificar. ... 74
Figura 49: Masa del diseño manivela, biela, corredera. ... 78
Figura 50: Cámara de molienda. ... 79
Figura 51: Ensamble de la cámara de molienda y tolva. ... 80
Figura 52: Planos de tornillo sin fin. ... 81
Figura 53: Tornillo sin fin... 82
Figura 54: Fuerzas de molienda artesanal. ... 85
Figura 55: Fuerzas de molienda artesanal. ... 88
Figura 56: Masa total del sistema de molienda. ... 89
Figura 57: Masa total del sistema de molienda. ... 90
Figura 58: Dimensionamiento del molino. ... 91
Figura 59: Diagrama sensor infrarrojo lleno/vacío. ... 93
Figura 60: Diagrama variador de voltaje/velocidad del dosificador. ... 93
Figura 61: Lógica de programación ... 95
Figura 62: Lógica de programación de mensajes desplegados. ... 96
Figura 63: Mensajes mostrados en display logo. ... 96
Figura 64: Grafcet lógica de programación. ... 97
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1. Cámara de molienda... 108
Anexo 2. Ensamble cámara de molienda y tolva. ... 108
Anexo 3. Corte transversal de la cámara de molienda completa más la tolva. ... 109
Anexo 4: Composición del Chocolate propiedades químicas. ... 109
Anexo 5: Propiedades físicas de los granos curados y tostados de cacao de la región de Cuyagua. ... 110
Anexo 6: Modulo lógico programable ... 110
Anexo 7: Dimensiones comerciales de tubos redondos. Dipac. ... 111
Anexo 8: Planchas de acero inoxidable comercial Dipac. ... 112
Anexo 9: Perfil estructural L ... 112
Anexo 10: Dimensiones y pesos de tobos de acero inoxidables. ... 113
Anexo 11: Dimensiones y peso de laminas de acero. ... 113
Anexo 12: Tipos de motores, selección. ... 114
Anexo 13: Placa del motor con reductor. ... 114
Anexo 14: Plano del circuito del motor. ... 115
RESUMEN
En el presente proyecto se diseñó y construyó un sistema automatizado de extracción de chocolate a partir del grano de cacao, con el mismo se trata de tecnificar el proceso de molienda del grano de cacao en las pequeñas industrias con se propone una solución a la falta de automatización en dichas industrias. Se tomo en cuenta las especificaciones requeridas con la
respectiva recopilación de información, se tecnifica el proceso de molienda al controlar el tiempo de operación de la máquina, el tiempo está en función de
ABSTRACT
In the present project was designed and built an automated extraction of chocolate from the cocoa bean, the same is technify the grinding of cocoa beans in small industries proposes a solution to the lack of automation in these industries. Will take into account the specifications required with the respective data collection, the milling process is technifies to control the
operation time of the machine time is a function of the dose rate to which is the program, the control is given by using a PLC logo to have controlled the
1 El cacao es una planta económicamente importante, es cultivada en el
Ecuador. Se produce cacao en África, América del Sur y Asia, la planta puede alcanzar hasta 10 metros de altura, el fruto pesa entre 400 a 500 [gr]. Del grano de cacao se produce la manteca/pasta de cacao la cual es importante para la fabricación de chocolates y productos de repostería, también utilizada en la industria farmacéutica.
Ecuador es el séptimo productor a nivel mundial de cacao; es dueño del 70% de la producción global. El cacao es un símbolo significativo para el desarrollo socioeconómico del país y ha sido reconocido por su fino aroma generando fama y divisas importantes para el país. (Proecuador, 2013, p. 1)
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
A pesar de tener el mejor cacao a nivel mundial, en el Ecuador se produce chocolate de una forma tradicional, el cual consiste en un proceso manual de tostado, molido y moldeado de cacao por lo que es importante mejorar la
forma de producir pasta de cacao con el uso de la tecnología. La propuesta es para la migración del proceso manual a un proceso automatizado, siendo
que en la actualidad existen fabricas que comienzan invertir en tecnología para el mejoramiento de la calidad de sus productos.
La automatización industrial se ha convertido en una herramienta útil ya que siguen y controlan procesos, de esta forma se disminuye el riesgo de accidente; adicional se mejora la higiene, se maximiza la producción, se reduce los costos y tiempos.
2 El propósito del proyecto es poder tecnificar mediante la automatización del
proceso de molienda para la extracción de pasta de chocolate del grano de cacao en pequeñas industrias, involucrando materias como la electrónica programación, mecánica y control
OBJETIVO GENERAL.
Diseñar e implementar un mecanismo automático para la extracción de pasta de chocolate en base al grano de cacao.
OBJETIVOS ESPECIFICOS.
Analizar alternativas de diseño para el proceso de automatización para la extracción de chocolate a partir del grano de cacao.
Diseñar el mecanismo de extracción de pasta de chocolate.
Diseñar la parte electrónica y de control del sistema de automatización.
Desarrollar el prototipo físico de esta investigación.
El proyecto implica automatizar un molino para la elaboración de pasta de chocolate en base al grano del cacao, tendrá 50 cm de largo, 35 cm de ancho y 52 cm de altura.
Contiene motor reductor, una cámara de molienda con un tornillo sin fin, una
cuchilla y un dado extrusión, una tolva con dosificador tipo manivela, biela y corredera.
3 En el marco teórico se describe la investigación realizada de acuerdo al
problema planteado y los conceptos básicos para el desarrollo del proyecto.
2.1 GENERALIDADES DEL CACAO.
El cacao es una planta de origen tropical alcanza una altura máxima de 10 metros. De las flores se forman las semillas que se las llaman habas del cacao. Las semillas del cacao son de sabor amargo, color purpura o blancuzco y de apariencia a las almendras. (León, J.2000, p.45).
2.2 ORÍGENES DEL CACAO.
El cacao es un árbol de origen tropical que fue cultivado por los mayas hace más de 2500 años, fue conocido por sus beneficios vigor físico y longevidad, también usaban la manteca de cacao para curar heridas de los guerreros mayas y fue usado como moneda. Los mayas enseñaron a los aztecas el uso del cacao. Para los aztecas era fuente de sabiduría espiritual, energía corporal y potencia sexual. En la colonización también fue usado como moneda de intercambio y fue explotado por Hernán Cortes que creó varias plantaciones para la comercialización de este producto. Cortes pagaba a sus soldados con cacao. En el siglo XVI se fue conociendo el chocolate y se introduce en Europa conocida como estimulante y propiedades afrodisiacas. (León, J.2000, p.46).
2.3 EL CACAO EN LA ECONOMÍA MUNDIAL Y EN EL
ECUADOR.
4 según la Organización Internacional del Cacao (ICCO). Los países con
mayor producción en América Latina de cacao son Ecuador y Brasil con alrededor de 200.000 toneladas anuales cada uno que representa 500 millones de dólares en ingresos. Según el Banco Central en el reporte de coyuntura del sector agropecuario de marzo del 2014 página 27 “de acuerdo
a las cifras de comercio exterior del BCE en el segundo semestre de 2013, las exportaciones en volumen de cacao experimentaron un crecimiento de 23.62%, en relación con las exportaciones del segundo semestre del año 2012, pasando de 77,633.19 TM exportadas en la segunda mitad del 2012 a 95,971.09 TM en el mismo período del 2013. En cuanto a las exportaciones en valor, éstas aumentaron el 30.60%, lo que refleja el buen precio del cacao en el mercado internacional, al pasar de USD 187,363.130 en el 2012 a USD 250,941,550 en el 2013”.“Los mayores compradores de cacao ecuatoriano
en grano fueron: Estados Unidos con 37,691.62 TM; Holanda con 11,550.40 TM; México con 10,807.30 TM y Bélgica 8,258.12 TM. Las exportaciones en volumen a los países anotados representan el 71.2% del total de las ventas realizadas en dicho semestre (95,971.09 TM).” Para la economía del
Ecuador el cacao es uno de los principales productos de exportación es el tercer sector en importancia en exportaciones. (Banco Central del Ecuador,
2014)
2.4 TIPOS DEL CACAO.
El cacao se distingue en tres tipos: cacao criollo, el forastero y el trinitario a continuación una breve explicación sobre cada uno de ellos.
2.4.1 CACAO CRIOLLO.
5 calidad, escaso en contenido tanino preferido para la fabricación de
chocolates finos. La cascara es fina, suave y de fino aroma. (Motamayor, S., 2008)
2.4.2 CACAO FORASTERO.
Este cacao es cultivado en África en los países de Ghana, Costa de Marfil, Nigeria y Sao Tome. El cacao forastero es elevado en contenido tanino. La cascara es gruesa, resistente y de poco aroma. Es conocido como “cacao ordinario”. (Motamayor, S., 2008)
2.4.3 CACAO TRINITARIO.
El cacao trinitario procede de una variedad obtenida en la isla Trinidad por el cruce entre el criollo y el forastero, es conocido como “cacao híbrido” con características de cuerpo fuerte como el forastero y un delicado sabor como el criollo. (Motamayor, S., 2008)
2.5 BENEFICIOS DEL CACAO.
El caco es beneficioso por lo siguiente:
Ayuda a evitar enfermedades coronarias y apoplejías por lo que es rico en polifenoles, ayuda a proteger la salud cardiovascular.
Influye la resistencia a la insulina.
Ayuda al cerebro en la producción de anandamida, neurotransmisor responsable de la sensación de euforia y placer.
Es uno de los afrodisiacos naturales por químicos que se encuentran en el cacao, feniletilamina y serotonina.
6
Actúa en caso de estreñimiento.
Es un buen liberador de endorfinas, por ello favorece el buen estado de ánimo.
El cacao es quemador de grasas, reductor, antioxidante y anti-celulítico.
Aporta vitaminas E, B1 y B2; hierro, cobre, calcio, cromo y zinc
Aporta minerales fósforo, potasio y magnesio (mejora el estado anímico). (AARP, 2014)
2.6 DERIVADOS DEL CACAO.
2.6.1 MANTECA DE CACAO.
La manteca de cacao es también llamada aceite de teobroma es la grasa natural comestible del haba del cacao se la extrae en el proceso de fabricación del chocolate. La manteca de cacao tiene aromo y sabor a chocolate se la utiliza para la fabricación del chocolate blanco, productos farmacéuticos y helados. También se usa en la elaboración de jabones y cosmética (lápices de labios y otras cremas). (Loisel, C., 2000).
2.6.2 CACAO EN POLVO.
El cacao en polvo es la parte del cacao sin su manteca esto se lo realiza con la ayuda de prensas hidráulicas y disolventes especiales (álcalis). El cacao en polvo es un polvo seco de color café oscuro con sabor a cacao no es amargo. Se utiliza para la fabricación de helados, leche, galletas y coberturas, es útil para repostería. El cacao en polvo se suele emplear en la
7 2.6.3 LICOR DE CACAO.
La masa del cacao o licor de cacao es liquido o solido de color oscuro, no es amargo proviene de la mezcla de finos cacaos trinitario y grano fermentado
es utilizado para la producción de chocolates y coberturas. (Beckett,S., 2008, p. 54)
2.6.4 CHOCOLATE.
El chocolate se lo obtiene de la mezcla de azúcar con la pasta y la manteca de cacao. Existen variedades de chocolate una breve explicación a continuación, véase la Figura 1.
Chocolate negro: Es crema de cacao con azúcar.
Chocolate con leche: es el chocolate mezclado con leche durante su preparación
Chocolate blanco: se le añade a la leche azúcar y manteca de cacao.
Chocolate líquido: Viene en forma líquida, y fue desarrollado para hornear, es elaborado con aceite vegetal para que sea líquido. (Fisiología del gusto, 2001, p. 113-114)
RECEPCIÓN DEL GRANO
LIMPIEZA DEL GRANO
MICRO
TRITURACIÓN CRIBADO PRECALENTAMIENTO
PRENSADO MOLIENDA TORTA
DE CACAO INSTANTANIZADO DE LA
COCOA
ALMACENAMIENTO DE MATENCA DE
CACAO
CENTRIFUGADO CHOCOLATE
INSTANTANEO
MANTECA DE CACAO PARA OTROS PROCESOS
8
2.7 PROCESAMIENTO DEL CACAO.
En el siguiente cuadro se resumen el procesamiento del cacao: véase
Figura1.
El proceso de la obtención de los derivados del grano de cacao empieza con el cultivo y la cosecha. “El cacao se cultiva en una franja que se extiende a 10 grados al norte y 10 grados al sur del Ecuador. El 70% la producción
mundial viene de África del Oeste, siendo Costa de Marfil y Ghana los
principales productores de cacao, aunque entre los más preciados se encuentran los de Ecuador y Venezuela.” (NESTLE, 2015).
Pasando por el desgrane, se procede a la fermentación y secado del grano, una vez el grano seco se realiza la trituración del y tostado para ser descascarado (torrefacción), pasando al proceso de molienda, luego para hacer chocolate con terminación final se le agrega entre los posibles ingredientes, leche, azúcar, canela, nueces, maní, etc.
2.8 GENERALIDADES DE LOS MOLINOS.
El molino es una máquina que sirve para moler o reducir de tamaño rocas o
granos utilizando una fuerza motriz externa. Definición del diccionario es “Máquina para moler, compuesta de una muela, una solera y los
mecanismos necesarios para transmitir y regularizar el movimiento
producido por una fuerza motriz, como el agua, el viento, el vapor u otro agente mecánico.” (RAE, 2014)
2.9 HISTORIA DEL MOLINO.
9 actividad fue evolucionando tanto en la forma de realizarlo como en la
energía que lo acciona.
Los productos más comunes usados en la molienda eran los cereales tales como el trigo para producir harina, labores que se las realizaban machacando el producto con piedras, las cuales fueron evolucionando hasta llevar a los molinos de sangre (es decir accionada por la fuerza de los animales), en ocasiones este trabajo también era realizado por la fuerza de los esclavos. Los molinos más populares en la antigüedad eran los molinos de viento, los cuales no necesitaban de la fuerza de los animales o del hombre para ser accionados, valiéndose de la energía libre del viento que los reemplazaba, a esto se dieron nuevas invenciones tomando el mismo principio como son los molinos accionados por la fuerza potencial del agua o aún más eficaz los molinos de motor o maquina los cuales por su mayor velocidad y capacidad de molturación se han convertido en los favoritos, es decir los molinos como tal evolucionan según va evolucionando los recursos energéticos que pueden accionarlos. (Klaus, G., 2010)
2.9.1 EL PRINCIPAL USO DEL MOLINO.
10
Material a transformar
Fuerza de compresión Fuerza de compresión
Fuerza de impacto
Figura 2: Las fuerzas aplicadas para la reducción de tamaño
2.10 LAS FUERZAS APLICADAS PARA LA REDUCCIÓN DE
TAMAÑO.
De acuerdo a las fuerzas aplicadas para reducir el tamaño de productos se clasifican en: Fuerzas de impacto o compresión, aplastamiento o frotamiento y de corte o cizalla.
En este método de reducción de tamaño se aplican fuerzas perpendiculares hacia la superficie del grano para reducir su tamaño, mediante una fuerza que comprime o un golpe o impacto; como se muestra en la figura 2.
Físicamente los materiales ofrecen una resistencia a ser procesados para lo cual es necesario un esfuerzo para romper esta resistencia se requiere una fuerza de compresión superior a la resistencia del producto o material para lograr la fractura o rompimiento de este material.
El esfuerzo necesario para realizar el rompimiento de un material está determinado por la fuerza aplicada sobre un área determinada, con esto se
tiene.
A F
11 Donde:
= Esfuerzo.
F= Fuerza.
A= Área
En la industria de los alimentos se encuentran molinos que usan fuerzas de compresión dando lugar a Molinos pulverizadores de martillos, molinos pulverizadores de bolas, molinos de barras, molinos de rodillos tanto lisos
como estriados.
Fuerzas de frotamiento, en los equipos que se usa este tipo de fuerzas
también llamadas de torsión o comúnmente dicho fuerzas con giros de sentido contrarios, los esfuerzos aplicados son los llamados esfuerzos de torsión, los materiales a los cuales se les somete a estas fuerzas o esfuerzos presentan una resistencia, esta resistencia se denomina resistencia a la torsión, obviamente esta depende de la textura del material a procesar y algunas ocasiones esta resistencia puede ser mayor a las fuerzas torsionántes. El funcionamiento de un molino por aplastamiento es simple y eficaz, muy útil para productos o materiales frágiles como; cereales o granos, vegetales y productos fibrosos como las carnes. Véase figura 3.
Sentido de giro
Sentido de giro
Figura 3: Fuerzas de aplastamiento
12 paralelas las cuales provocan el corte del producto a procesarse, un corte da
lugar a tamaños definidos de partículas y en ocasiones de forma, esta reducción tosca de tamaño se define como reducción tosca o grosera. En la cizalla o cizalla se aplican fuerzas de compresión paralelas, que causan un corte, como se puede observar en la figura 4. Muy útil para materiales fibrosos, ya que estos materiales presentan menor resistencia.
P r o d u c t o Sentido de giro
Sentido de giro
Figura 4: Fuerzas de corte o cizalla.
2.11 CLASIFICACIÓN DE LOS MOLINOS POR TIPO DE
ENERGÍA EMPLEADO.
Los molinos se clasifican según el tipo de energía que los acciona su movimiento.
2.11.1 MOLINO HIDRÁULICO.
Este tipo de molino usa como fuerza motriz la energía potencial del agua, la energía hidráulica es la provocada por el movimiento de un caudal de agua pudiendo ser esta convertida en energía eléctrica o energía mecánica,
13 2.11.2 MOLINO DE VIENTO.
El molino de viento funciona cuando por acción del viento golpea las paletas o aspas, haciendo girar un eje central que está conectado a un mecanismo diseñado para realizar la tarea de moler productos, es decir debido a la fuerza motriz del viento que acciona el mecanismo se genera un trabajo.
2.11.3 MOLINO DE SANGRE.
De origen romano, movido por la fuerza de una bestia (mula o asno), en ocasiones por la fuerza de los esclavos o sirvientes, este tipo de molino
usaba la fuerza de un ser viviente para realizar la acción de la molienda. (Klaus, G., 2010)
2.11.4 MOLINO DE MÁQUINA.
Este molino usa la fuerza generada por un motor ya sea que este genere el trabajo mediante energía eléctrica o mediante el uso de combustibles fósiles. (Klaus, G., 2010)
2.12 CLASIFICACIÓN
DE
LOS
MOLINOS
SEGÚN
SU
MECANISMO.
2.12.1 MOLINOS PULVERIZADORES DE MARTILLOS.
14 de metal, los cuales están ubicados en sobre un eje giratorio, la fractura del
maíz se debe al choque y corte de los martillos. Véase la Figura 5. (Procesosbio, 2014).
Figura 5: Molinos pulverizadores de martillos. 2.12.2 MOLINOS DE BOLAS.
Es muy usado en la industria del cemento, es decir está ampliamente usado para la molienda o pulverización de minerales, este tipo de molino consta de una carcasa cilíndrica que gira sobre su propio eje este también llamado tambor se llena hasta la mitad de bolas las cuales pueden estar constituidas por esferas metálicas o minerales de mayor tamaño y dureza, estas esferas en contacto con el material y las fuerzas centrípeta y centrifuga presionan al material provocando la reducción de tamaño a más de esto el material a moler puede fracturarse debido al ciclo de cascada que se genera al caer el material impactándose con el tambor, Véase la figura 6. (Procesosbio, 2014).
15 En general, la fuerza centrífuga asociada a una partícula de masa en un
sistema de referencia en rotación con una velocidad angular y en una
posición r respecto del eje de rotación se expresa:Fcf mw2r. (Procesosbio, 2014).
2.12.3 MOLINOS DE BARRAS.
El molino de barras posee el mismo principio del molino de bolas, el cual consta de consta de una carcasa cilíndrica que gira sobre su propio eje este también llamado tambor se llena hasta la mitad barras metálicas, estas barras tienen un largo ligeramente menor a la del tambor en el que se encuentran, estas barras en contacto con el material y las fuerzas centrípeta y centrifuga presionan al material provocando la reducción de tamaño a más de esto el material a moler puede fracturarse debido al ciclo de cascada que se genera al caer el material impactándose con el tambor y la fuerza de
compresión y el impacto adicional de las barras, véase la figura 7.
Figura 7: Molinos de barras.
2.12.4 EL MOLINO DE RODILLO.
16 colado por su bajo costo y alta resistencia al trabajo, estos rodillos pueden o
no tener superficies estriadas, el trabajo de este molino se da cuando los rodillos ubicados paralelamente giran en sentidos opuestos a velocidades reducidas, la distancia entre los rodillos puede ser variable para obtener distintos tamaños de grano, a esta operación se la puede agregar una serie de rodillos adicionales con distancias entre rodillos de mayor a menor, los cuales permitirán obtener un tamaño de grano parecido al de la harina, que sería de 0,05 mm, véase la figura 8. (Interempresas, 2014).
Figura 8: Molino de rodillos. 2.12.5 QUEBRANTADOR DE MANDÍBULAS.
También llamado quebrantador Blake, el cual consiste en un bastidor de acero fundido, sobre este bastidor va colocada una mandíbula fija y la otra móvil, con el fin de fracturar el material que se encuentra entre estas, esta consta de una entrada amplia en la parte superior y de una salida reducida en la parte inferior, esa reducción de espacio más el movimiento rotativo de vaivén en la salida provoca una deformación plástica, la fractura y posterior
quebrantamiento del material. (Itescam, 2014).
2.12.6 MOLINO DE CUCHILLAS.
Una cortadora de cuchillas consta de un eje que gira de 200 a 900 rpm al interior de un tambor o cámara cilíndrica, sobre este eje van ubicadas las
17 Figura 9: Cortadora o molino de cuchillas.
El material a ser procesado pasa por la entrada de alimentación hacia el
tambor en el cual el material es cortado o cizallado varios centenares de veces hasta caer y salir atreves de un tamiz situado en el fondo, véase Figura 9. (Itescam, 2014).
2.12.7 MOLINO DE DISCOS.
Los molinos de aplastamiento o también llamado frotamiento, emplean 2 placas amoladoras de piedra o de acero en la cual puede girar un disco o los dos uno sobre el otro produciendo el rompimiento del grano generalmente por aplastamiento, la reducción del tamaño de grano en un molino por aplastamiento de doble pieza o doble disco los cuales giran en direcciones opuestas, dependerá de la velocidad de rotación de los discos, así como también del espacio entre ellos, y la cantidad de indentaciones o estriados de su superficie. Este método de molienda es muy usado en los hogares, en
los molinos manuales, el cual consta de un disco fijo y uno móvil, usado el tornillo de Arquímedes para lograr el avance del producto o material a ser
18 Figura 10: Imagen Molino de discos.
2.13 MOTORES.
El motor es un mecanismo capaz de hacer funcionar un sistema, realizando la transformación del algún tipo de energía como energía eléctrica o combustibles fósiles etc. En energía mecánica, y esta energía mecánica a su vez es capaz de efectuar un trabajo esperado. (Manuales de mecánica, 2015).
2.13.1 MOTOR ELÉCTRICO.
Un motor eléctrico es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía eléctrica en energía mecánica. En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores de combustión:
A igual potencia su tamaño y peso son más reducidos.
Se puede construir de cualquier tamaño.
19
Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 80%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina).
La gran mayoría de los motores eléctricos son máquinas reversibles pudiendo operar como generadores, convirtiendo energía mecánica en eléctrica. Ver figura 11 y 12. (Angelfire, 2014).
Figura 11: Motor eléctrico.
Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas
por un estator y un rotor.
20 2.13.1.1 Estator.
El estator es la parte fija de una máquina rotativa y uno de los dos elementos
fundamentales para la transmisión de potencia (siendo el otro su contraparte móvil, el rotor). El término aplica principalmente a la construcción de máquinas eléctricas y dependiendo de la configuración de la máquina, el estator puede ser:
2.13.1.2 Rotor.
El rotor de un motor de corriente alterna, denominado también como "jaula de ardilla". El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea ésta un motor o un generador eléctrico. Junto con su contraparte fija, el estátor, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general. El rotor está formado por un eje que soporta un juego de bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imán o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobre unas piezas polares, que permanecen estáticas y que constituyen lo que se denomina estator de una corriente continua o alterna, dependiendo del tipo de máquina de que se trate.
En máquinas de corriente alterna de mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las
pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables, como las corrientes de Foucault y las producidas por el fenómeno llamado histéresis.
2.13.1.3 Eje mecánico.
El eje de un motor eléctrico es usualmente una barra rígida que atraviesa de
21 2.13.1.4 Bobina.
Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en
campo magnético, véase Figura 13. El principio fundamental que describe cómo es que se origina una fuerza por la interacción de una carga eléctrica puntual q en campos eléctricos y magnéticos es la Ley de Lorentz.
2.14 ENGRANAJES.
Permite transmitir un movimiento giratorio entre dos ejes, pudiendo modificar las características de velocidad y sentido de giro. Los ejes pueden ser paralelos, coincidentes o cruzados.
Este mecanismo se emplea como reductor de velocidad en la industria (máquinas herramientas, robótica, grúas...), en la mayoría de los electrodomésticos (vídeos, casetes, tocadiscos, programadores de lavadora, máquinas de coser, batidoras, exprimidores...), en automoción (cajas de cambio de marchas, cuentakilómetros.
El sistema de engranajes es similar al de ruedas de fricción. La diferencia estriba en que la transmisión simple por engranajes consta de una rueda motriz con dientes en su periferia exterior, que engrana sobre otra similar, lo que evita el deslizamiento entre las ruedas. Al engranaje de mayor tamaño se le denomina rueda y al de menor piñón, véase la figura 14.
22 Los dientes de los engranajes son diseñados para permitir la rotación
uniforme (sin saltos) del eje conducido.
2.14.1 TORNILLO SIN FIN Y CORONA.
Es un mecanismo diseñado para transmitir grandes esfuerzos, que también
se utiliza como reductor de velocidad aumentando el torque en la transmisión. Generalmente trabaja en ejes que se cruzan a 90º.
Tiene la desventaja de que su sentido de giro no es reversible, sobre todo en grandes relaciones de transmisión, y de consumir en rozamiento una parte importante de la potencia. En las construcciones de mayor calidad la corona está fabricada de bronce y el tornillo sin fin, de acero templado con el fin de reducir el rozamiento. Si este mecanismo transmite grandes esfuerzos es necesario que esté muy bien lubricado para matizar los desgastes por fricción. La velocidad de movimiento lineal que generan los pasos del tornillo sin fin se determina por la siguiente ecuación. Véase la figura 14.
s W P V
60 *
Ec. 9
Figura 14: Tornillo sin fin-corona. 2.14.2 REDUCTORES DE VELOCIDAD.
23 El reductor básico está formado por mecanismo de tornillo sin fin y corona.
En este tipo de mecanismo el efecto del rozamiento en los flancos del diente hace que estos engranajes tengan los rendimientos más bajos de todas las transmisiones; dicho rendimiento se sitúa entre un 40 y un 90% aproximadamente, dependiendo de las características del reductor y del trabajo al que está sometido. Factores que elevan el rendimiento:
Ángulos de avance elevados en el tornillo.
Rozamiento bajo (buena lubricación) del equipo.
Potencia transmitida elevada.
Relación de transmisión baja (factor más determinante).
Existen otras disposiciones para los engranajes en los reductores de
velocidad, estas se denominan conforme a la disposición del eje de salida (eje lento) en comparación con el eje de entrada (eje rápido). Así pues
serían los llamados reductores de velocidad de engranajes coaxiales, paralelos, ortogonales y mixtos (paralelos + sin fin corona). En los trenes coaxiales, paralelos y ortogonales se considera un rendimiento aproximado del 97-98%, en los mixtos se estima entre un 70% y un 90% de rendimiento.
Además, existen los llamados reductores de velocidad de disposición epicicloidal, técnicamente son de ejes coaxiales y se distinguen por su formato compacto, alta capacidad de trasmisión de par y su extrema sensibilidad a la temperatura.
Las cajas reductoras suelen fabricarse en fundición gris dotándola de retenes para que no salga el aceite del interior de la caja.
𝑇 =𝐻𝑃 ∗ 716
𝑅𝑃𝑀
Ec. 10
2.14.2.1 Características de los reductores.
Potencia, en Kw o en Hp, de entrada y de salida.
24
Velocidad a la salida.(RPM)
Relación de transmisión.
Factor de seguridad o de servicio (Fs)
Par transmitido (Mn1- Eje rápido) (Mn2-Eje lento)
2.14.2.2 Tipo de reductores de velocidad.
Los reductores de velocidad se suelen clasificar de un modo bastante anárquico, solapándose en algunos casos las definiciones de modo intrínseco y en otros casos hay que usar diversas clasificaciones para definirlos.
1. Clasificación por tipo de engranajes.- Los reductores se pueden clasificar por la tipología de sus engranajes, las clasificaciones más usuales son: Sin fin-Corona, engranajes y planetarios.
2. Reductores de velocidad de Sin fin-Corona.
Es quizás el tipo de reductor de velocidad más sencillo, se compone de una corona dentada, normalmente de bronce en cuyo centro se ha embutido un eje de acero (eje lento), esta corona está en contacto permanente con un husillo de acero en forma de tornillo sin-fin. Una vuelta del tornillo sin fin provoca el avance de un diente de la corona y en consecuencia la reducción de velocidad. La reducción de velocidad de una corona-sin fin se calcula con el producto del número de dientes de la corona por el número de entradas del tornillo sin fin.
25 Figura 15: Reductor de velocidad sin fin-corona.
3. Reductores de velocidad de engranajes.
Los reductores de engranajes son aquellos en que toda la transmisión
mecánica se realiza por pares de engranajes de cualquier tipo excepto los basados en tornillo sin fin. Sus ventajas son el mayor rendimiento
energético, menor mantenimiento y menor tamaño.
4. Reductores de velocidad Planetarios.
Son reductores de engranaje con la particularidad de que no están compuestos de pares, sino de una disposición algo distinta; y sirven para diferentes tipos de variaciones de velocidad. Véase figura 16.
Figura 16: Reductor de velocidad planetario.
2.15 DADO DE EXTRUSIÓN.
26 inyección, a través del dado fluye el polímero en este caso la pasta de
chocolate hacia afuera de la cámara de molienda y gracias a éste toma el perfil deseado. El dado se considera como un consumidor de presión, ya que al terminar el husillo la presión es máxima, mientras que a la salida del dado la presión es igual a la presión atmosférica.
La presión alta que experimenta el polímero antes del dado, ayuda a que el proceso sea estable y continuo, sin embargo, el complejo diseño de los dados es responsable de esta estabilidad en su mayor parte. (Universidad de Oviedo, 2014)
2.16 BASTIDOR.
Es una estructura o armazón, fabricada de madera o metal, que deja un espacio al centro y sirve para sostener otros elementos.
Para el diseño del bastidor se debe tomar en cuenta todas las cargas máximas a las que podría estar sometido, y las dimensiones de los objetos que soportará, usando la sumatoria de fuerzas axiales, se determinará las reacciones de cada apoyo al igual que los momentos, Véase Ec.1.
2.17 COLUMNAS .
Una columna es un miembro estructural que soporta una carga axial de
27 columnas son rectas y relativamente largas y esbeltas. (Mott., Diseño de
Elementos de Maquinas., 2006)
Inercia de un rectángulo.
12 3
Bh
I Ec. 2
Radio de giro
A I
r Ec. 3
Relación de esbeltez. Tomando en cuenta solo KL es la longitud efectiva.
r KL
Le Ec. 4
Relación de esbeltez de transición.
Sy E
Cc
2
2
Ec. 5
Comparando Cc con KL/r, se determinan que es una columna larga o corta y se usa la fórmula de Euler Ec. 6 o Johnson Ec. 7. Respectivamente según corresponda. 2 2 r KL A E
Pcr Ec .6
E r KL Sy Sy A Pcr 2 4 ) / ( 1
Ec .7
2.18 VIGAS.
28 cortante máximo en una sección transversal de una viga está en la parte
más alejada del eje neutro de la sección. (Mott., Diseño de Elementos de Maquinas., 2006)
s M Fs Syt
Ec. 8
Donde:
M = Momento flector. Fs = Factor de seguridad. S = Inercia del perfil estructural.
2.19 SISTEMA DE CONTROL.
Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular la conducta o comportamiento suya o de otro sistema con el único fin de lograr un resultado conocido o deseado.
2.19.1 SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO ABIERTO.
Es un sistema en el cual la salida de este sistema no tiene acción obre la acción de control. Se caracterizan por: véase la figura 17.
Son sencillos y de fácil conceptualización.
En estos sistemas no se asegura la estabilidad ante una perturbación.
No se hace la comparación de la salida con la entrada
29 Elemento de control Señal de control Elemento de proceso Salida variable controlada Entrada / valor de referencia
Puede o no presentarse perturbaciones
Figura 17: Sistema de lazo abierto. 2.19.2 SISTEMAS DE LAZO CERRADO.
En este sistema la acción de control está en función de la lectura de la señal de salida. Véase la figura 18.
Son sistemas complejos.
Se ejecuta la comparación de la señal de salida con la señal de entrada.
Se caracteriza por que existe una realimentación desde la salida mediante los sensores hacia el sistema de control.
El sistema recibe la confirmación de si las acciones ordenadas se realizaron según lo deseado.
Elemento de control Elemento de corrección Elemento de proceso Elemento de medición Salida variable controlada Entrada / valor de referencia
Señal de error
Realimentación Elemento de
comparación
Figura 18: Sistema de lazo cerrado.
2.20 PLC - CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE.
30 1. Múltiples señales de entrada y de salida.
2. Rangos de temperatura amplios. 3. Inmunidad al ruido eléctrico
4. Resistencia a la vibración y al impacto.
Los programas para el control de funcionamiento de la máquina se suelen almacenar en baterías copia de seguridad o en memorias no volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo real, donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de un tiempo limitado, de lo contrario no producirá el resultado buscado.
Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas y procesos industriales, sino que también pueden realizar:
1. Operaciones aritméticas.
2. Manejar señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores PID (proporcional integral y derivativo).
(Abcinnova, 2015).
2.20.1 PROGRAMACIÓN DEL PLC SIEMENS.
En la programación de un PLC SIEMENS se basa en el uso de la herramienta computacional STEP-7, es el software estándar para configurar y programar los sistemas de automatización.
Lo necesario para programar un PLC es:
1. Haber establecido un enlace entre la PG y la CPU del sistema de destino (por ejemplo, vía el interface MPI).
31 3. Al cargar el desde bloques al sistema de destino, en las propiedades
del objeto del proyecto debe haber seleccionado la entrada "STEP 7" para "Utilización
4. El programa que se desea cargar se deberá haber compilado sin errores
5. Enviar la programación deseada al destino.(Siemens, 2014)
2.20.2 ESTÁNDARES UTILIZADOS.
Los lenguajes de programación SIMATIC integrados en STEP 7 cumplen con la norma DIN EN 6.1131-3. El software estándar se ejecuta bajo los sistemas operativos MS Windows 2000 Professional (en adelante llamado Windows 2000) y MS Windows XP Professional (en adelante llamado Windows XP) y MS Windows Server 2003, estando adaptado a su funcionamiento gráfico y orientado a los objetos. (Siemens, 2014)
2.20.3 RELÉ LÓGICO PROGRAMABLE (PLR).
En los últimos tiempos se han desarrollado unos pequeños productos llamados relés lógicos programables, los cuales se han hecho muy comunes y aceptados, las características de estos son bastante similares a las de los PLC’s los cuales están siendo muy usados en la industria ligera, industrias
en las cuales no se necesita de muchas entradas y salidas, estos reles lógicos programables son bastante pequeños y tienen un bajo costo, lo cual les hace ser más deseados o usados en las pequeñas industrias. Las características físicas de estos sistemas son el reducido tamaño que va a un
promedio de 7 u 8 cm de largo por una medida similar en altura, poseen una pantalla en la cual se puede visualizar la lógica programada en esta y
32 2.20.4 PROGRAMACION DE UN PLC-LOGO.
Logo es un lenguaje de programación de alto nivel, en parte funcional, en
parte estructurado; de muy fácil aprendizaje, razón por la cual suele ser el lenguaje de programación preferido para trabajar con niños y jóvenes. Para la programación de un PLC SIEMES LOGO se lo puede realizar desde la interfaz manual del PLC-LOGO o a través de una herramienta informática denominada LOGO softconfort el cual proporciona las siguientes características:
Creación offline de programas para su aplicación
Simulación de su circuito (o su programa) en el ordenador
Generación e impresión de un esquema general del circuito
Protección de los datos del programa en el disco duro u otro medio
Transferencia del programa o Desde LOGO! al PC
o Desde el PC a LOGO! (Siemes, 2014).
2.21 COMPONENTES ELECTRÓNICOS.
2.21.1 PULSADORES.
Un pulsador es un operador eléctrico que, cuando se presiona u oprime, permite el paso de la corriente eléctrica (señal eléctrica) y, cuando se deja de oprimir se interrumpe.
2.21.2 INTERRUPTORES.
33 circuito que estaba cerrado o cerrando un circuito que estaba abierto, y
permanece así hasta que se vuelva a accionar.
2.21.3 SENSORES.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.
Aplicaciones de los sensores:
Industria automotriz, robótica, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc.
Resolución y precisión.
34 La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al
medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión.
Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.
2.21.3.1 Tipos de sensores.
Los tipos de sensores son los siguientes:
Interruptores básicos
Interruptores final de carrera
Interruptores manuales.
Productos encapsulados.
Productos para fibra óptica.
Productos infrarrojos.
Sensores para automoción.
Sensores de corriente.
Sensores de humedad
Sensores de posición de estado sólido.
Sensores de presión y fuerza.
Sensores de temperatura.
Sensores de presión.
Sensor de temperatura.
35 2.21.4 SENSOR INFRARROJO.
A continuación una descripción del sensor infrarrojo ya que es un elemento
utilizado en el presente trabajo. Los sensores infrarrojos son una tecnología que inicio en los años 90s, son aquellos que detectan la radiación emitida
por los materiales calientes y la transforman en una señal eléctrica. Para una amplia gama de aplicaciones se utilizan ópticas que reducen el campo visual con el agregado de un valor predeterminado de temperatura de conmutación. El sensor infrarrojo requiere de una comunicación lineal entre transmisor y receptor, lo que hace impredecible la línea de vista para su efectiva transmisión por lo tanto siempre será uno a uno, dejando de lado las configuraciones punto multipunto. Rango de funcionamiento hasta 5 [m] (Universidad Politécnica de Valencia, 2008)
2.21.5 LED.
Los LEDs o diodos de emisión de luz siempre se han utilizado en el mundo de la tecnología como indicadores lumínicos, ya que son dispositivos semiconductores que emiten luz cuando por el circula una corriente eléctrica. La tecnología LED ha dado su paso más reciente con los LEDs de luz blanca que son los que pueden sustituir a las bombillas de luz, principalmente porque consumen menos energía eléctrica la cual se enfoca al cuidado del medio ambiente. En cuanto a las pantallas LED, hay varios modelos de LEDs distintos como los OLED (led orgánicos) que están fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores, que si bien no tienen la misma eficiencia, son aun mucho más baratos de fabricar y de una
36 El LED es un componente electrónico que pertenece a la familia de los
diodos pero que tiene la propiedad de emitir luz cuando se le aplica una corriente eléctrica. Como todo Diodo se encuentra construido a base de materiales cuya combinación determinan tipo de luz, color.
En el caso del Diodo LED, se encuentra construido en base a un diodo se Silicio, el cual se "Dopa" con determinados elementos existentes en la Tabla Periódica y estos le confieren características específicas, este Dopaje puede ser de dos Tipos: El Dopaje N y el Dopaje P. (Deleg, M., 2014). Véase figura
19.
Figura 19: LED diodo emisor de luz. A. Ánodo
B. Cátodo
1. Lente/encapsulado epóxido 2. Contacto metálico
3. Cavidad reflectora
4. Terminación del semiconductor 5. Yunque
6. Plaqueta 7. Borde plano.
Formas de determinar la polaridad de un LED de inserción. Existen tres formas principales de conocer la polaridad de un led:
La pata más larga siempre va a ser el ánodo.
37
Dentro del led, la plaqueta indica el ánodo. Se puede reconocer porque es más pequeña que el yunque, que indica el cátodo
Los leds tienen la ventaja de poseer un tiempo de encendido muy corto (aproximadamente en un cuarto de segundo) en comparación con las luminarias de alta potencia como lo son las luminarias de alta intensidad de vapor de sodio, aditivos metálicos, halogenuro o halogenadas y demás sistemas con tecnología incandescente.
38 Metodología a seguir para el desarrollo del proyecto es la mostrada en la
figura 20.
3.1 METODOLOGÍA DEL DISEÑO MECATRÓNICO.
Figura 20: Metodología del Diseño Mecatrónico.
En la inspección y adquisición de datos se tomará las especificaciones necesarias para la construcción tanto como las variables del grano y la velocidad de proceso.
En el diseño mecánico toma en cuenta a todas las fuerzas que se ejercerían sobre la maquina como el peso del motor por ejemplo para de esta manera hacer la estructura o esqueleto de la máquina.
En el diseño eléctrico se tomará en cuenta los voltajes y potencia que requiera el motor y sus elementos para poner en funcionamiento los actuadores necesarios para el proceso.
En la fase de diseño de control se tomará en cuenta las consideraciones necesarias para el control de dosificación y encendido del motor.
El sistema tendrá un valor agregado al realizar la dosificación y procesado
39 Teniendo en cuenta todo se procede a realizar paralelamente el diseño
mecánico, eléctrico o electrónico, el sistema de control de la máquina y añadir algo de gran valor o interés para el usuario.
Para realizar una inspección visual de cómo quedaría físicamente la máquina y su desempeño se lo puede simular en CAD/CAE. Luego de esta inspección se puede proceder a la creación del prototipo físico de la máquina paralelamente con pruebas del sistema del diseño, luego se puede realizar la manufactura completa y sus detalles en la máquina, donde se dará la asesoría y servicios en la máquina ya que se tiene el conocimiento de la funcionalidad de la máquina y su procedimiento de creación y se puede retroalimentar de conocimiento una vez ya en uso de la máquina. Véase figura 20.
3.1.1 PARÁMETROS FUNCIONALES DEL EQUIPO.
El equipo debe constar con ciertos parámetros funcionales para adaptarse a una pequeña industria como lo son:
Capacidad de trabajo: [40 – 125] [Kg/h]
Dimensiones: [100X100 – 150X150] [cm]
Adicional a esto se junta un requerimiento necesario como es la reducción de riesgos laborales.
3.2 SISTEMICA MECÁNICO.
40 trabajos ejercidos por la fuerza y se pueden vincular con sistemas eléctricos
y producir movimiento a partir de una fuerza externa.
El sistema mecánico deberá estar constituido por un motor que estará dedicado para la molienda, este motor deberá ser capaz de realizar la molienda de los granos secos de cacao, además se requiere de una cámara de molienda en la cual se procesará el producto, esta podrá ser por atrición y/o cizalla. Se tomará en cuenta las características de los motores de corriente alterna existentes en el mercado, seleccionando el que se ajuste a los requerimientos de funcionamiento, además se deberá seleccionar un sistema para modificar su velocidad de operación.
Se requerirá un contenedor en el cual se coloque una determinada cantidad de producto para ser procesado, tomando en consideración que este contenedor deberá proveer de granos de cacao a la cámara de molienda, este puede ser diseñado como una tolva o medio cono, teniendo una inclinación para que el grano de cacao se deslice hacia la cámara de molienda, por lo cual la superficie deberá ser lisa y al trabajar con productos
alimenticios se deberá seleccionar un material que evite la proliferación de micro organismos dañinos para la salud. En el análisis metodológico de la
tolva se propondrá varias alternativas, seleccionando la que satisface los requerimientos. Se recopilará el dimensionamiento al que debe ajustarse para encajar en el sistema.
41 Como parte de la metodología mecánica para el diseño mecánico se podría
contar una herramienta informática de desarrollo de piezas, dimensionamiento, selección de material y simulaciones.
Para el diseño del bastidor se tomará2 en cuenta todas las cargas a las que estará sometido, sin dejar de lado las dimensiones de los elementos a los que soportará, usando la sumatoria de fuerzas axiales, se determinará las reacciones de cada apoyo al igual que los momentos. Esto facilitará el análisis de corte o seccionamiento de viga. Para verificar y comparar los cálculos realizados se usará la herramienta MD Solid. Se diseñará el bastidor como viga.
Se desarrollará alternativas del sistema mecánico a diseñarse, una vez seleccionado la mejor alternativa se procede al dimensionamiento de las piezas, ensamblaje y simulación virtual del mecanismo. Posteriormente se realizará el prototipo físico con el material y dimensionamiento simulado virtualmente.
Una vez teniendo la información necesaria se procederá al diseño virtual y
posterior simulación para detectar mejoras y determinar su viabilidad en la reproducción de un prototipo físico.
3.2.1 REDUCCIÓN DE VELOCIDAD DE OPERACIÓN DEL MOLINO.
Siendo necesario la reducción de velocidad del motor que generará la molienda, se podrá seleccionar un motor que tenga incorporado un sistema o una caja de disminución de velocidad o diseñar un sistema de polea correa o de engranajes.