Sistema de control y monitoreo para el proceso de secado de alimentos: caso polen apícola
Edgar M. Santamaría1, José V. Espitia-Lopez2, Angie P. Marriaga-Barroso2*, y Heyder D. Paez-Logreira2 (1) Gerencia y director de Proyectos, Inoxiapis SAS, Sincelejo, Colombia (correo-e: [email protected]) (2) Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Electrónica, Corporación Politécnico de la Costa Atlántica, Barranquilla, Colombia (correo-e: [email protected], [email protected], [email protected])
* Autora a quién debe ser dirigida la correspondencia.
Recibido Oct. 29, 2021; Aceptado Dic. 21, 2021; Versión final Feb. 21, 2022, Publicado Jun. 2022
Resumen
En este estudio se propone un sistema de control y monitoreo de variables para un horno de secado de polen automatizado. Para evitar la descomposición del polen, se debe aplicar un proceso de secado eficiente que mejore su calidad y capacidad para conservar sus propiedades nutricionales. La construcción del horno se realiza con la metodología V (V-Model) para el desarrollo de sistemas hardware y software, garantizando las características de control de variables críticas, monitoreo remoto y en tiempo real. Los resultados muestran una distribución del calor más eficiente y uniforme, permitiendo procesos de secado con mayor cantidad y calidad del producto. Se concluye que es posible tecnificar el proceso de secado de polen utilizando una arquitectura de datos de este proceso que permite la inclusión de nuevas tecnologías como big data e inteligencia artificial.
Palabras clave: secado; polen; internet de las cosas; polen apícola; control
Remote control of critical variables in the food drying process:
a bee pollen case study
Abstract
The present study aims to design a control and monitoring system for measuring variables in a pollen drying oven. To avoid bee pollen decomposition, an efficient drying process must be applied to improve its quality and its capacity to preserve nutritional properties. The oven is built by applying the V methodology (V-model) to develop the hardware and software systems and to ensure that critical control variables are met during real- time remote monitoring. The results show that the oven has an efficient and uniform heat distribution. It allows drying large bee pollen quantities while yielding a high quality product. In conclusion, it is feasible to technologically upgrade bee pollen drying processes and improve data architecture processes in the apiculture sector by including new technologies such as big data and artificial intelligence.
Keywords: pollen drying; internet of things; bee pollen; drying control Vol. 33(3), 137-148 (2022)
http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642022000300137
INTRODUCCIÓN
El polen apícola es un producto obtenido en las colmenas de abeja en forma de aglomerado de granos, recolectados por las abejas obreras en su actividad de pecoreo en diferentes fuentes botánicas. En la colmena, el polen se encuentra mezclado con el néctar de las flores y las secreciones salivares de las abejas.
El polen es un alimento de gran valor nutricional, la mayor parte de sus componentes son carbohidratos crudos (13% a 55%), fibras (0,3% a 2%), proteínas (10% a 40%) y lípidos (1% a 10%) (Pascoal et al., 2014). Los componentes varían en estos rangos, debido a que el origen botánico y geográfico son factores que inciden en la composición y propiedades del polen. Normalmente, el polen se cosecha en zonas geográficas con condiciones atmosféricas de alta humedad relativa. Por lo anterior, Abud y Latorre (2020) indican que requiere ser tratado para que sus componentes, beneficios y cualidades alimenticias se conserven. El tratamiento del polen incluye una etapa de secado que permite la conservación y calidad del producto. Si el secado es insuficiente, el polen perderá su valor nutritivo y por su humedad tenderá a desarrollar mohos, hongos y bacterias. Además, si el proceso de secado no se realiza tan pronto se recoge la cosecha, o durante el tiempo adecuado, el polen se fermenta y deteriora. Ibarra (2017) establece que el proceso de secado de polen debe realizarse correctamente y con los mejores estándares, para deshumidificarlo (reducir su humedad), evitar la contaminación microbiológica, conservar su inocuidad y no alterar sus componentes nutricionales.
En el proceso de secado de polen, se propone una arquitectura para la construcción de un horno deshidratador de polen automatizado. La arquitectura utiliza un sistema de intercambio de calor para secado por convección mediante arrastre de aire forzado, además, incluye automatización electrónica capaz de monitorear las variables críticas del proceso. En el desarrollo, se emplea un banco de pruebas para el análisis termodinámico del proceso de secado, que permite el modelamiento matemático, la implementación de una estrategia de control. También se desarrolló una interfaz gráfica para el monitoreo remoto de las variables del proceso de secado (Kunicki et al., 2020). La arquitectura logra un producto estándar con un secado homogéneo, de producción industrial, con reducción de costos, tiempo de producción y mayores niveles de calidad. El resultado beneficia los procesos de secado tanto de pequeños como grandes apicultores con mejores condiciones de secado (o deshidratación) y la reducción del gasto energético para la producción de polen.
El proceso de deshidratación es la operación que permite eliminar total o parcialmente el agua presente en una sustancia determinada. El secado es un proceso de transferencia simultánea de materia (agua) y energía (calor), por lo tanto, cuenta con una transmisión de calor que proporciona el calor latente de vaporización, necesario para eliminar el agua. Por otra parte, se hace necesario el transporte de agua del alimento hacia el exterior. Estos procesos se llevan a cabo de manera simultánea e influyen el uno sobre el otro. Así, la deshidratación logra remover la humedad de un material con el objetivo primario de reducir la actividad microbiana y la degradación (Nguyen et al., 2020). Los procesos de deshidratación son empleados desde la antigüedad, inicialmente con el método natural por exposición del alimento a los rayos solares para deshidratarlos y poder consumirlos en otras temporadas o durante sequías. Este método genera alimentos de baja calidad, debido a que no se controla la temperatura y el tiempo, lo que permite la descomposición o contaminación del alimento por actividad microbiana (Ahmed et al., 2013). En la actualidad, los procesos de deshidratación forzada reducen el tiempo a horas y mejoran la calidad del producto. Durante el proceso de deshidratación se presentan cambios significativos en las propiedades físicas del alimento. Estas propiedades dependen de varios factores como son el pretratamiento, el contenido de humedad, el método utilizado, y las condiciones de deshidratación (Krokida et al., 2000).
Debido a las propiedades nutricionales del polen, este es un producto de interés. Diferentes desarrollos, investigaciones, e inclusive patentes, se han dado en el desarrollo de mejores procesos, equipos y maquinarias que favorezcan a la producción de polen. Para la revisión de la literatura y el estado de la técnica, se efectuó una vigilancia tecnológica utilizando como factores críticos de vigilancia los materiales y estructuras utilizados, la técnica de control, el tipo de intercambiador de calor y tiempos de secado. En cuanto al uso de materiales destaca el uso del acero inoxidable. Y en cuanto a la estructura del sistema las dos tipologías más comunes son con el polen fijo, colocado sobre bandejas y con distribución de aire seco; y, en segundo lugar, las de movimiento continuo del polen. Según Criollo (2016), son requisitos de diseño en un horno de secado de polen tener una gran capacidad y estar fabricado con acero inoxidable AISI 304 libre de BPA (Bisfenol A).
El uso de rejillas facilita el desmonte de las bandejas y uso del espacio. Se debe evitar que el vapor o medio térmico esté en contacto con plásticos que puedan contaminar el producto. Sánchez (2012) también utiliza una estructura en acero inoxidable, con bandejas en chapa perforada apoyadas sobre perfiles en L, dispuestas con intención de formar un serpentín entre las bandejas y su separación, haciendo más corto el recorrido del aire seco. En la tabla 1 se describen los tipos de procesos de deshidratación de polen que se utilizan actualmente, de acuerdo con los autores que han usado cada tipo, además de sus ventajas y desventajas.
Tabla 1: Tipos de procesos de deshidratación.
Proceso Ventaja Desventaja Autores
Liofilización Usado en sectores agropecuario y farmacéutico, con mayor eficiencia que la deshidratación en hornos. Es un proceso de deshidratación que se usa típicamente para preservar un material perecedero o hacerlo más conveniente para transporte.
Alto costo de inversión y operación (Marques et al., 2007)
Deshidratación Osmótica
Solución de agua y azúcar en 70% de bajo costo ampliamente utilizada
La humedad del producto final es intermedia y se deben usar otros métodos de deshidratación para completar el proceso
(Bejarano-Martínez et al., 2019)
Deshidratación Eléctrica/Gas
Deshidratadores con gran capacidad (Promedio de 800kg)
Uso de componentes eléctricos para el proceso de secado.
Al secar en el horno los minerales de la muestra seca se volvió más alto que el de otras muestras secas.
Si se considera la economía del proceso, generalmente se recomienda el secado en horno a baja temperatura.
Eléctricamente eficiente.
(Ahmed et al., 2013;
S. Madhankumar, 2021)
Deshidratación Eléctrica
Requiere una alta potencia eléctrica para aumentar la temperatura Capacidad limitada
Altos costos del proceso de secado (costo kWh)
(Arslan y Özcan, 2010; Verma et al., 2014)
Deshidratación Solar
Uso del 94% al 99% de la radiación solar para secar los productos
El proceso de secado mejora el sabor y propiedades nutricionales del producto
No se recomiendan las verduras ni las carnes para secar al sol. Las verduras son bajas en azúcar y ácido. Esto aumenta los riesgos de que los alimentos entren
descomposición.
(Ahmed et al., 2013;
Bolin et al., 1982)
De acuerdo con Andrade et al., (2016) Colombia cuenta con gran potencial para la obtención de miel, polen, propóleos, cera, jalea y larvas; sin embargo la cadena productividad se ha concentrado en la producción de la miel. A pesar de estos esfuerzos la producción aún no es totalmente competitiva para posicionarse a nivel nacional e internacional. Para Miranda-Ramos et al., (2020) el aumento de las tecnologías de información y comunicaciones en procesos agrícolas ha generado grandes avances a nivel de competitividad y productividad del campo. Los sistemas de monitoreos basados en dispositivos IoT y redes inalámbricas aportan a tecnificar el campo a través de los datos, los cuales pueden ser procesados para determinar con mayor precisión las decisiones dando paso a la agricultura moderna. Por lo anterior, en esta investigación se propone un sistema de control y monitoreo para el proceso de secado del polen apícola producido en la región caribe Colombiana. Permitiendo el control de variables críticas para optimizar el proceso de secado, esto a través de la implementación del sistema propuesto sobre un horno de secado especifico.
OTROS ANTECEDENTES
En la revisión de antecedentes se identifica el caso de Fang et al., (2018) quienes utilizan acero 304L y un sistema de secado basado en transporte continuo. Li et al., (2019) realiza un horno de secado en acero inoxidable conformado por dos cámaras que separan el desecante del polen. Las estructuras de movimiento continuo utilizan un sistema de zaranda o banda transportadora, sobre el cual el polen se mantiene en movimiento dentro de una cámara, desde una recepción hasta una salida. El polen es sometido durante este recorrido al medio de secado, por ejemplo, aire caliente. Según Fang et al., (2018) los hornos de movimiento continuo de polen pueden ser más eficientes.
Criollo (2016) utiliza un “panel de control análogo, en el cual se establece la temperatura que tiene un rango de 35ºC a 68°C y el tiempo de deshidratación con detección automática de hasta 12 horas”. Utiliza un motor,
una resistencia eléctrica y un ventilador que genera una velocidad de aire que oscila entre 2 a 3 metros por segundo”. Por su parte, el prototipo de Lu (2018) utiliza un controlador PLC KY02S, un sensor de humedad TR/02010 y un sensor de temperatura DS18B20 tipo termocupla. Comúnmente, los sistemas intervienen el secado o humedad de manera indirecta con el sensado y control de temperatura. Por ejemplo, Yepes y Cardona (2005) controlan la variable temperatura para determinar las condiciones óptimas de tiempo y secado del proceso (eficiencia de calentamiento, eficiencia térmica global, eficiencia dinámica, y capacidad dinámica del equipo).
También es posible controlar diferentes variables en el sistema y mantener otras constantes. Por ejemplo, Barajas et al., (2012) utiliza parámetros constantes durante el proceso "(1) velocidad del aire (3 m / s), que depende de la configuración del equipo y su ventilador; (2) espesor de la muestra (0.02 m) debido a la cantidad de muestra utilizada en el proceso (250 g por bandeja); y (3) área de secado (0.07 m2) de acuerdo con el área de la bandeja" y varía la temperatura, usando para un caso 35°C y para otro 45°C. Se observan dos tendencias en el tipo de intercambiador de calor empleado en hornos deshidratadores de polen: de radiación y termoeléctricas con flujo de aire. Sin embargo, Brandão et al., (2015) proponen un proceso de secado híbrido basado en la aplicación de radiación infrarroja (IR) combinada con un flujo de aire no calentado. La fuente infrarroja se ubicó a 32cm del polen. Este diseño se limita en capacidad pues sólo permite una capa de polen (una bandeja). Sus resultados experimentales mostraron que, para cualquier velocidad del aire en particular, el aumento del flujo de calor IR condujo a una intensificación de la tasa de transferencia de masa, disminuyendo el tiempo de secado y reduciendo así el consumo de energía.
Yepes y Cardona (2005) presentan un estudio para la relación y comportamiento del peso del polen de acuerdo con el tiempo de secado y temperatura. Este estudio propone reducir el tiempo de secado usando un ventilador que aumente el volumen de aire que ingresa a la cámara de secado, con el fin de aumentar la eficiencia, disminuir el costo de secado y mejorar las condiciones nutricionales del polen. Nagaya et al., (2006) propone un deshidratado a baja temperatura que permite obtener productos con daños mínimos o quemado.
Mediante experimentación, demuestra que sus productos deshidratados conservaron su color fresco y un alto contenido vitamínico. Yepes y Cardona (2005) afirma que la temperatura adecuada de proceso de secado está entre 40 y 43°C y un tiempo de secado estimado de 18 horas para una humedad inicial de 27.1% y evitar pérdida de nutrientes en el polen seco.
MATERIALES Y MÉTODOS
En el presente trabajo se realizó un desarrollo tecnológico e innovación, en este sentido se orienta al descubrimiento y aporte de nuevo conocimiento aplicado para la industria apícola, que se traduce en una arquitectura para un horno deshidratador o de secado de polen que incluya el monitoreo y control de las variables críticas. En este sentido, el aporte e integración de comunicación MQTT como un protocolo de mensajería estándar, diseñado para aplicar transporte de mensajería publicación/suscripción se ha generalizado su uso en la tecnología de Internet de las Cosas (IoT), por ser liviano y con un consumo mínimo de ancho de banda. Sin embargo, para el sector apícola y de secado de alimentos, no se ha evidenciado su uso en la vigilancia tecnológica realizada. Así, se emplea el modelo de desarrollo en V (V-Model) para la construcción del sistema de control y monitoreo (Aboubakar et al., 2021; Gräßler, 2017). En la Fig. 2, se observa el diagrama P&ID del sistema de control.
La interfaz gráfica de usuario cuenta con ciertas características establecidas a partir de requisitos con los que debe cumplir para satisfacción del usuario: Con el diseño de la interfaz gráfica de usuario (GUI) se responde a la necesidad de accesibilidad del usuario al control y comunicación con el horno deshidratador de polen.
Este diseño proporciona un entorno visual que simplifica y hace más cómoda la interacción entre una persona y la máquina. A través de esta interfaz gráfica de usuario la persona puede configurar de manera fácil e intuitiva los parámetros para el proceso de deshidratación. Además, proporciona un monitoreo constante de estos parámetros mientras se lleva a cabo la deshidratación. En la tabla 2 se realiza una descripción de los materiales utilizados para el desarrollo del sistema de control y monitoreo, esta se ha divido por cada dimensión que compone todo el sistema.
En la Fig. 1 se muestra una vista isométrica del horno deshidratador de polen sobre el cual se implementa el sistema de control y monitoreo propuesto. Cada una de las partes corresponde a un numero de elemento que puede ser consultado en la tabla 1. En la Fig. 2 se detalla el diagrama de tuberías e instrumentación, donde se logra observar las variables de entrada y salida del sistema, además de los instrumentos que intervienen en el mismo. Claves para el proceso de diseño del sistema de control y monitoreo. Luego de identificar y describir los componentes físicos del sistema, se procede a realizar el levantamiento de requisitos funcionales y no funcionales del mismo. En la Tabla 3 se observa el código, tipo y la descripción del requisito, los cuales fueron determinados por los autores a través de ejercicios de revisión de necesidades tanto del sistema como de la operación natural del proceso.
Tabla 2: Materiales para el desarrollo del sistema de control y monitoreo.
Dimensión Material N° de
elemento Descripción
Arquitectura Física
Acero Inoxidable No aplica
ACERO INOXIDABLE AISI 304: Acero inoxidable austenítico, aleado con cromo, níquel y bajo contenido de carbono que presenta una buena resistencia a la corrosión. No requiere un tratamiento posterior al proceso de soldadura; tiene
propiedades para embutido profundo, no es templable ni magnético.
Bandejas 4 Bandejas de acero inoxidable AISI 304 de 50 cm de largo por 50 cm de ancho y 2.5 cm de profundidad.
Aletas 2 Aletas de que recubren los tubos del intercambiador de calor Gabinete de
bandejas 1 Cámara en la cual se alojan las bandejas dentro del horno Carcasa 5 Estructura que recubre el intercambiador de calor, el ventilador
y el ducto del ventilador
Chimenea 6 Escape para salida del aire caliente cargado de humedad Campana 7 Sección en la que reparte el aire caliente hacia el distribuidor Distribuidor 8 Se encuentra al final de la campana para distribuir de manera
uniforme el aire caliente.
Intercambiador de
calor 9 Tubos que se calientan y transmiten su temperatura al flujo de aire
Puerta 10 Da acceso al gabinete de bandejas
Soporte estructural 12 Estructura que soporta la totalidad del horno deshidratador de polen
Ducto de ventilador 13 Ducto por el que fluye del aire para pasar por el intercambiador de calor
Sistema Térmico
Quemador 11 Constituido por cuatro hileras de agujeros donde se genera la combustión.
Tuberías No aplica Tubería de cobre de ½”, tubería de cobre de ⅜”,y tubería de cobre de ¼”.
Gas No aplica Gas propano.
Sistema de Control
Controlador IONO
IAMS21X No aplica
Iono Arduino es un acople de trabajo para Arduino,
convirtiéndolo en un PLC que combina la facilidad de uso de la plataforma Arduino y la gran cantidad de software disponible para ella con robustas interfaces electrónicas de entrada y salida (Çetin et al., 2021).
Válvula de Flujo de
Gas No aplica Válvula proporcional que permite el control del flujo de gas.
Modulo Sensor de
Temperatura Tipo K No aplica Módulo que permite medir la temperatura con una sonda tipo K, basado en integrado MAX6675.
Motoventilador 3 Ventilador DC de 12V, 80W y 3000 RPM.
Sensor de Temp.
termocupla TERMO- K-1
No aplica Termocupla tipo K con rango de temperatura de 0-1100°C.
Sistema de Monitoreo
Módulo de
Transmisión Wifi No aplica
Tarjeta Wifi basada en el chip ESP-8266, compatible con Arduino y con NodeMcu. Integra GPIO, I2C, PWM, 1-Wire y ADC en una sola tarjeta, programable en lenguaje LUA.
Servidor Amazon
AWS No aplica Amazon web service
ThingsBoard CE No aplica
plataforma de IoT de código abierto para la recopilación, procesamiento, visualización y la gestión de dispositivos de datos
Sistema de pruebas
Termostato No aplica Termostato digital STC 1000 de 12V válvula solenoide
ON/OFF No aplica Válvula solenoide normalmente cerrada para el control del flujo de gas
Fig. 1: Estructura del Horno de Secado de Polen.
Fig. 2: Diagrama de tuberías e instrumentación P&ID del sistema de control.
Tabla 3: Requisitos funcionales y no funcionales del sistema.
Cod. Requisito Tipo
RnF-01 La Interfaz debe tener una Pantallas de Selección del tipo de secado No Funcional RF-01 El usuario debe seleccionar el tipo de producto (Polen, banano, piña, etc.). Funcional RF-02 El usuario debe seleccionar la temperatura de setpoint de Secado. Funcional RnF-02 La temperatura por defecto de Secado será 45°C (default) No Funcional RF-03 El usuario debe seleccionar el tiempo de duración del proceso de deshidratación Funcional RnF-03 El sistema tendrá parametrizado duraciones de secado según el nivel de humedad
del producto (Humedad alta 10hrs, Humedad media 8hrs, Humedad baja 6hrs.)
No Funcional
RF-04 El usuario puede modificar las parametrizaciones por defecto Funcional RF-05 El usuario podrá restaurar las configuraciones de fábrica Funcional RF-06 El sistema muestra una pantalla de monitoreo durante el proceso de secado Funcional RF-07 El sistema actualizará la información de monitoreo durante el proceso:
Temperatura de setpoint seleccionada Tiempo faltante de secado
Temperatura actual de secado
Nombre/Dibujo del producto en deshidratación
Funcional
Se diseñaron mockups de pantallas de visualización local del proceso de deshidratación de polen. En la primera pantalla se configura la temperatura a la que se desea realizar el proceso de deshidratación. Se muestra el número de los grados Celsius junto a dos botones, uno para incrementar y otro para disminuir el valor de la temperatura, además, estarán dos botones adicionales, uno para regresar al paso anterior y otro para continuar con el proceso de configuración. La siguiente pantalla permitirá elegir entre tres tiempos preseleccionados de duración del proceso según qué tan húmedo se percibe el producto, estos tiempos podrán ser reconfigurados. La interfaz mostrará tres opciones seleccionables de humedad junto a sus respectivos tiempos, a su vez, en la parte inferior hay dos botones, uno para regresar a la pantalla anterior y otro para dar inicio al proceso de deshidratación. Después de iniciado el proceso el sistema estará en modo de monitoreo, en la pantalla se podrá observar el comportamiento de los parámetros mientras se realiza la deshidratación del producto. En la interfaz habrá una cuenta regresiva con el tiempo restante para acabar el proceso, además de un letrero indicador con la temperatura que se seleccionó para el proceso, una gráfica del comportamiento de la temperatura en el tiempo, un letrero con el tipo de producto que fue seleccionado y un botón que permitirá pausar el proceso en el momento que el usuario lo desee.
En caso de poner en pausa el proceso esta pantalla se mostrará cuando el usuario presione el botón pausar.
En ella aparecerán dos botones uno de reanudar para continuar con el proceso y otro de terminar para dar fin definitivo al proceso que se está llevando a cabo. Para la configuración e interconexión del Dashboard Remoto se empleó el protocolo MQTT de intercambio de datos en internet de las cosas, capaz de comunicarse con el controlador utilizado en el Horno (Arduino). El protocolo MQTT permite el uso de Calidad del Servicio (QoS), además de la interoperabilidad del horno y la interfaz gráfica con otras plataformas o dispositivos, mediante el concepto de bróker y topic. Como instancia de pruebas de dispositivo se utilizó un sistema embebido en la tarjeta de desarrollo NodeMcu versión 2.04, quien ejecuta una simulación del proceso para pruebas.
Implementación de Interfaz gráfica remota
Para la implementación de esta interfaz gráfica de usuario se realizaron las etapas: 1) Configuración del Entorno; 2) Implementación del Frontend (Dashboard); 3) Configuración e interconexión IoT del Dashboard;
4) Pruebas unitarias de la Interfaz Gráfica (Dashboard). Para estas etapas se utilizó un servidor Amazon AWS, sobre el cual se instala la plataforma ThingsBoard Community Edition. El entorno se configuró en un Servidor EC2 de Amazon AWS, con tipo de instancia t2.large. De acuerdo con la página web de Amazon AWS, las características de esta instancia son: Procesadores Intel Xeon de alta frecuencia, CPU ampliable, que se rige por créditos de CPU y rendimiento base constante, Equilibrio de recursos informáticos, de memoria y de red (Traboulsi y Knauth, 2020).
En específico, la instancia t2.large ofrece una CPU virtual de 2 núcleos escalable de hasta 3.0GHz, 8 GB de Memoria. Amazon sugiere este tipo de instancias t2 para “sitios y aplicaciones web, entornos de desarrollo, servidores de compilación, repositorios de código, microservicios, entornos de prueba y ensayo y aplicaciones empresariales”. Una vez configurada la instancia, se le asignó una IP elástica para ser accesible vía web correspondiente a 3.18.26.195:8080. Para la implementación de la interfaz de usuario en la plataforma ThingsBoard, se emplea el concepto de Dashboard. El cual es un tablero o cuadro de mandos, que permite el uso de controles y monitores para intercambiar o visualizar datos y órdenes con un dispositivo electrónico, en este caso, con el controlador del Horno. En la Fig. 3 se puede observar el Dashboard desarrollado para la visualización de los datos, donde se puede observar el estado actual de las variables de temperatura, humedad, valor de ajuste o setpoint, y el tiempo del proceso.
Fig. 3: Visualización de la interfaz de usuario web.
Se usaron elementos llamados widgets o elementos de visualización. En la interfaz diseñada se emplearon los siguientes widget: 1) Widget de temperatura o termómetro, para visualizar la temperatura actual del horno en tiempo real; 2) Widget de Tarjeta de Datos, para visualizar la temperatura deseada seleccionada en el punto de instalación del horno o por configuración remota, y para visualizar el tiempo de secado del proceso actual; 3) Widget de gráfico para visualizar el comportamiento histórico de la temperatura y humedad en el horno; 4) Widget de Gauge para visualizar la humedad actual en tiempo real al interior del horno; 5) Widget de Control Knob o Perilla, para que el usuario pueda seleccionar la temperatura deseada o de ajuste del horno.
Pruebas unitarias de la Interfaz Gráfica (Dashboard)
Las pruebas unitarias, en el caso de las interfaces gráficas tipo Dashboard bajo el protocolo MQTT, corresponden a la validación de cada uno de los widgets como unidad de código, asociado a esto, cada unidad de código para la recepción o envío de datos de lado del Horno (Sistema embebido). Las pruebas unitarias ejecutadas a satisfacción fueron: 1) Comunicación y visualización de temperatura; 2) Comunicación y visualización de Humedad; 3) Registro de histórico de temperatura y humedad; 4) Comunicación y visualización de tiempo de secado; 5) Control, recepción, envío y visualización del valor deseado de temperatura (valor de ajuste o setpoint).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El sistema resultante es un horno construido con acero inoxidable AISI 304 con capacidad para 4.8 metros cuadrados distribuidos en 20 bandejas de tela Mesh, con control automático de temperatura y monitoreo remoto para un homogéneo secado del polen. El horno absorbe aire a temperatura ambiente por medio de un ventilador, el aire circula a través de un intercambiador de calor calentado con un quemador de gas propano. El aire calentado es mezclado por la campana de distribución y enviado hacia la cámara de bandejas con el producto, luego de recoger humedad del polen el aire es expulsado por la chimenea continuamente durante la deshidratación del polen.
En la etapa de verificación y validación de los subsistemas, se realizaron pruebas térmicas del intercambiador de calor en un banco de pruebas. Con el uso de una cámara termográfica FLIR ONE PRO se realizó un análisis de resultados, hasta obtener una salida uniforme de aire caliente en la campana de distribución, lo que permite un secado uniforme en las bandejas de la cámara del producto. En la Fig. 4 se observan 3 fotografías de la cámara termográfica, la primera (izquierda) corresponde a la distribución de calor antes de implementar el sistema de control, las dos siguientes (derecha) fueron tomadas luego de implementar el sistema de control, con lo cual se evidencia una mejor distribución de calor logrando un mejor proceso de secado. Se efectuaron un total de 12 corridas del sistema de control.
Fig. 4: Distribución del calor antes (izquierda) y después (derecha) de la campana de distribución.
En la Tabla 4. Se observa la comparación de la temperatura del aire antes y después de su paso por la campana de distribución. Se ve reflejado como el sistema alcanza la temperatura deseada y se estabiliza, disminuyendo en un 11.7% la desviación estándar del valor de temperatura. En la Fig. 5. se observa el comportamiento de la temperatura durante 4 horas con un set point de 60°C. A partir de estos resultados se evidencia que con la implementación de la campana de distribución se obtiene una distribución más uniforme de la temperatura que sale hacia la cámara donde están ubicadas las bandejas en comparación a cómo se distribuye en el quemador.
Tabla 4: Cálculo de mediciones con cámara termográfica.
En el quemador (Fig. 4. Izquierda) Después de la campana de distribución (Fig. 4 derecha)
Promedio 339.9°C 58.1°C
Desviación Estándar 59.7°C 3.4°C
Desviación porcentual 17.5% 5.8%
Fig. 5: Comportamiento de temperatura con set point de 60°C.
En la Tabla 5. se evidencia la temperatura establecida en el setpoint y el tiempo que le tomo al sistema estabilizarse después de cambiar su setpoint de 45° a 60°. Además, se observa el error del valor de la temperatura con respecto al setpoint establecido. De acuerdo con Brandão et al. (2015), una mejor distribución de la temperatura sobre la superficie del polen reduce el tiempo de secado. También, se ha alcanzado un desarrollo tecnológico basado en el conocimiento científico, logrando innovación en las empresas que utilizan el horno para el secado de polen y el aprovechamiento industrial de éste, necesidad manifestada en el estado de la técnica (Ahmed et al., 2013). Consecuentemente, para establecer las mejores condiciones operativas de tiempo y temperatura de secado es necesario un desarrollo de experimento que permita evaluar los efectos de los parámetros del proceso sobre los atributos fisicoquímicos y nutricionales de calidad del polen.
Tabla 5: Datos de control PID para temperatura del Horno.
Figura Temperatura set point Tiempo de estabilización Error
Fig. 5 60°C 53 minutos 0.3°
CONCLUSIONES
De acuerdo con los resultados alcanzados anteriormente descritos, se concluye que:
1) Aplicando la técnica propuesta se logra construcción un prototipo funcional y validado del horno deshidratador de polen.
2) Este prototipo permite controlar de forma automática la temperatura óptima aplicando técnicas de control clásico, lo que permite lograr un secado uniforme y correcto del producto.
3) Se desarrolla una interfaz gráfica de usuario en una pantalla ubicada en la estructura del horno, en la que se puede dar instrucciones del tipo de deshidratación que se realizará y posteriormente se visualizan variables del proceso de deshidratación en tiempo real como lo son tiempo, temperatura y humedad relativa.
4) Se valida el uso de tecnología WIFI para aplicaciones de monitoreo remoto, utilizando plataformas como Amazon AWS (servidor de almacenamiento) y ThingsBoard CE (Gestión y visualización remota de datos).
40 45 50 55 60 65 70
0:29 0:35 0:40 0:46 1:12 1:17 1:23 1:28 1:34 1:39 1:45 1:50 1:56 2:01 2:07 2:12 2:18 2:23 2:29 2:34 2:40 2:45 2:50 2:56 3:01 3:07 3:12 3:18 3:23 3:29 3:34 3:40 3:45 3:51 3:56 4:02 4:07 4:13
Temperatura °C
Tiempo (hrs)
SetPoint Temperatura
REFERENCIAS
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