Expenditure

dulces y se mezcla con las mieles El jugo es llevado a una fosa

destilador Transporte a jugos Fermentación de fermentación tanque de Transporte al Inoculación se cumplió? fermentación La jugos Transporte de Homogeneización Almacenamiento A tanques de

Producto TerminadoAlmacenamiento Destilación 12 min. Destilador Transporte al 4320 min. Fermentación 15 min. fermentación Al tanque de mieles dulces Jugo de agave y 1200 min. Inoculación

Figura 3.1 Diagrama de flujo y Figura 3.2 Diagrama de flujo de operación de la fermentación.

3.5.1 Requerimientos del sistema de control.

El sistema de control va dirigido a los productores de mezcal de forma industrializada, para satisfacer sus principales demandas, las cuales son:

• El control y mantenimiento de la temperatura dentro del tanque de fermentación a 30 ºC como temperatura ideal, aunque puede oscilar entre los 25º C y 30 ºC, ya que a temperaturas mayores el proceso de fermentación es mas lento, hasta detenerse totalmente a los 40 ºC.

• Control de tiempo: Para la inoculación es de 20 a 36 horas, dependiendo de la calidad del agave. Para la fermentación será de 72 horas aproximadamente si se agregan sulfatos.

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₄₉

• El nivel de mosto en el tanque (será de ¾ partes del tanque)

• Controlar el nivel de agua dentro del sistema.(El requerimiento de agua destilada depende del grado Brix, cuando este es mayor a 15 ºBrix se agrega una cantidad de agua de

acuerdo a la siguiente fórmula :

(

)(

)

deseado Brix litros de No obtenido Brix agua de litros º . º =

• Controlar el nivel de aire (Se utiliza, al principio de la fermentación, durante un lapso de 2 horas; se controla por tiempo.)

• El PH necesario es de 4.

• Tener el control de los suministro de los insumos.

Actualmente el control está basado en un sistema electromecánico ( válvulas, un control de temperatura, y botonería de arranque y paro para controlar bombas, compresor de aire, intercambiador de calor, torre de enfriamiento, etc.),en el cual sus elementos de mando se encuentran muy separados unos de otros, o colocados localmente en cada uno de los equipos que se están empleando, provocando un mayor tiempo de atención en cada una de las partes así como una supervisión constante en cada una de las etapas, lo que provoca que en ocasiones no se tenga un control de todas las variables del proceso en el momento que se requiere. Con lo anterior se deduce que es necesario un sistema de control con el cuál se pueda tener más a la mano el registro y supervisión de las variables del proceso dentro de la fase de fermentación del mezcal. 3.5.2 Objetivos del diseño.

El objetivo principal es hacer un sistema de control con el cual se puedan manipular las variables mencionadas anteriormente. Este sistema debe cumplir con las características físicas óptimas para el lugar (materiales adecuados para evitar corrosión, desgaste, humedad, etc.). Y sobre todo las necesidades de los productores de mezcal, además de ser de fácil operación, mantenimiento sencillo, bajo costo de operación y de mantenimiento, respaldo técnico adecuado, etc. Otro de los aspectos fundamentales de este sistema son el de reducir el esfuerzo humano, ya que el sentido de la automatización es facilitarle las labores de trabajo al operario.

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₅₀

3.5.3 Soluciones posibles.

Para el control de un proceso se necesita un medio que pueda manipular las variables de este, y para lograr esto se pueden emplear varios equipos como pueden ser los electromecánicos (relevadores, contactos, arrancadores, botoneras, etc. ), el basado en control por microcontrolador y PC (Computadora Personal) y el control basado en un controlador lógico programable (PLC). Se mencionan estas tres opciones, porque actualmente dentro del mercado de la Mecatrónica y la automatización son de los más empleados.

A continuación se realizará un breve análisis de las posibles soluciones con lo antes mencionado, para posteriormente determinar cual es la más adecuada para realizar el diseño a detalle, de acuerdo a las necesidades de los productores de mezcal.

3.5.3.1. Descripción detallada del proceso.

En A-3.1 se muestra el diagrama de flujo de proceso para realizar la fabricación del mezcal, este servirá para entender la explicación que se da a continuación sobre los pasos para realizar la fase de fermentación.

1. Etapa de inoculación:

El proceso se realizará tomando como base una cantidad de 6000 litros de jugo de agave cocido que se encuentran en el tanque de separación de fibras del jugo (esto se realiza durante un tiempo aproximado de 20 minutos). De aquí se toman 200 litros, los cuales serán mezclados en un tanque para inoculación de 5000 lts. de capacidad con 800 lts. de agua destilada; para realizar la mezcla llamada pie de cuba. A esta mezcla se le agrega Fosfato de amonio (300 gr.), Sulfato de amonio (1000 gr.), Levadura (4000 gr.) y Sosa (200 gr., esta es para mantener el PH en 4.8, el cual se estará verificando cada 2 hrs.). Ya que se tiene la mezcla realizada (Con un grado Brix de 4), se deja reposar durante 20 horas. Hay otra opción de trabajo para la prefermentación, la cual consta de poner 3000 lts de jugo y 2000 lts de agua durante dos horas, posteriormente se transporta al tanque de fermentación. Como puede observarse en la inoculación se emplean mas químicos

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₅₁

durante mas tiempo, pero se emplea menos agua, en la segunda opción es mas natural el proceso, pero se emplea mas agua y en la fermentación es donde se agregan los insumos. Sea cuál sea la opción seleccionada, se debe de monitorear el grado brix al inicio y al final de la fermentación para así determinar si se deja reposar mas tiempo el mosto o si es necesario agregar mas sosa(para el PH) o mas agua (para el grado Brix).

2. Etapa de fermentación:

Se pasan los jugos previamente inoculados y los jugos sin fibra al tanque de fermentación; este tanque es de 15000 litros. A esta mezcla de jugos se le agrega Fosfato de amonio (2000 gr. Por cada 1000 lts.), Sulfato de amonio (8000 gr. Por cada 1000 lts), para acelerar la fermentación. Cabe mencionar que en el primer día no se agrega alguna sustancia, en el 2º y tercer día se agrega el sulfato y en el cuarto día se hace la revisión del grado Brix. Aquí también se suministra aire para acelerar este proceso, se agrega por un tiempo de 2 horas, esto solo se suministra el primer día de fermentación. Ya que se tiene cumplida esta parte del proceso se deja reposar 72 horas, cuidando constantemente que la temperatura del proceso este entre los 28ºC y 30 ºC. También se debe recircular el jugo dentro del tanque, esto se hace 2 horas por día; esto es para tener una fermentación más homogénea y para que no se produzca una “masa” en el fondo del tanque, además de controlar de alguna forma la temperatura, ya que esta recirculación se puede hacer empleando el intercambiador de calor y la bomba.

Al terminar la fermentación, se pasa a la siguiente etapa del proceso de fabricación del mezcal, la destilación.

3.5.3.2. Sistema de control electromecánico.

Debido a que el proceso es no continuo e intermitente se puede utilizar un sistema de control electromecánico. Este tipo de control se basa en una etapa de comando (contactores principales, variador de velocidad, reles, etc. , encargados de conectar y desconectar físicamente los accionadores de la fuente de energía), una etapa de detección (sensores o interruptores de nivel, de flujo, de posición, etc.), etapa de tratamiento (dispositivos que recogen información

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₅₂

suministrada por los detectores, por ejemplo un pirómetro que recoge la información de un termopar), y la etapa de mando que se forma por elementos como botones de arranque y paro, botones de emergencia, luces piloto, interruptores, pulsadores, etc., a través de los cuales el operario se comunica con la máquina. Para hacer funcionar al sistema de control se emplea un tablero de control mediante el cual se pueden manipular los equipos a utilizar dentro del proceso, figura 3.3.

Figura 3.3 Tablero de control electromecánico

Como se mencionó anteriormente el control electromecánico se basa en tres etapas, para este proyecto son las siguientes:

1. Etapa de detección: Se basa en sensores de nivel en cada uno de los tanques y un termopar en el tanque de fermentación.

2. Etapa de tratamiento: Está controlada por un pirómetro que recoge la información proveniente del termopar.

1. Etapa de comando: Está basada en el tablero de control y sus respectivos componentes. Este tipo de automatización cumple con el objetivo de tener una función automática, pero la parte negativa de esto es que es un sistema muy inflexible, ya que si se necesita hacer un cambio en la secuencia de operaciones del proceso se tiene que modificar manualmente el cableado para ajustarse a las nuevas condiciones de operación. En lo que ser refiere a costo es relativamente

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₅₃

bajo, ya que estos dispositivos de control son muy comerciales. El mantenimiento también es relativamente sencillo, aunque por el número de partes y equipo, tal vez llegue a ser tardado. 3.5.3.3. Sistema de control basado en microcontroladores y PC (Computadora Personal).

Se emplean tecnologías digitales como las de los microcontroladores (PIC= Circuitos Integrados Programables), programación estructurada (Visual Basic®) y herramientas de control (lazos de

control, control distribuido, etc.), que permiten realizar una solución a un proceso de control real. Para escoger el microcontrolador hay que tener en cuenta factores como la documentación y herramientas de desarrollo disponible, su precio, la cantidad de fabricantes que lo producen y las características del microcontrolador (tipo de memoria del programa, número de temporizadores, interrupciones, etc.), entre otras.

Para este tipo de control se debe de contar con uno o varios circuitos electrónicos con sus respectivos elementos de comunicación para poder trabajar satisfactoriamente como son: el cable para la comunicación con el puerto Serie (La transmisión serie se reserva para largas distancias y velocidades de transmisión lentas, tales como almacenamiento de datos y recuperación de programas), tarjeta de adquisición de datos(la comunicación de datos es el proceso de transmitir impulsos, con la salida de una fuente de datos, desde un punto a otro), circuito convertidor de voltaje, etapa de potencia y fuente de alimentación, entre otros. [3.7]

Para este sistema de control, la primer parte consiste en un control digital supervisorio, este se basa en el uso de una computadora personal que monitorea las salidas de los distintos controladores analógicos o digitales y dependiendo de los resultados y el desempeño de estos puede mandar modificar los valores de referencia de las variables mas críticas (para este proceso, temperatura y nivel).

La supervisión se va a realizar a través del programa Visual Basic®, ya que en esta paquetería

se pueden desplegar gráficas, ver gráficos(imágenes) o dibujos para simulación, etc., con los cuales se puede observar el comportamiento de los lazos de control existentes en el proceso además de las variables y los controladores que actúan en este. Una herramienta que se emplea

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₅₄

aquí, es el control digital distribuido. La comunicación entre el microcontrolador y la PC se hace a través de un cable coaxial (tipo serial RS -232) y una tarjeta de adquisición de datos.

En resumen puede decirse que las herramientas para realizar este tipo de control son:

• Sistema físico en el cuál se va realizar el control

• La computadora personal.

• Los sensores y actuadores.

• Las interfaces entre los sensores, actuadores y la computadora.

• La tarjeta de adquisición de datos.

• Todo el software necesario (incluido el acondicionamiento de señal y el algoritmo de control). Potenciade Electrónica Adquisición de Datos Tarjeta de Proceso Estación de trabajo Figura 3.4 Sistema empleando control distribuido con microcontrolador.

En las figuras 3.4 y 3.5 se observa como es el sistema de control empleando el control distribuido y también como es la manipulación de variables para este sistema a través de un programa de computadora.

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Figura 3.5 Pantalla para control de proceso.

El funcionamiento es similar al del sistema electromecánico, con la diferencia que todo el control se hace desde la computadora personal, es decir , que para iniciar la puesta en marcha del sistema, solo se da un pulso en la pantalla con el ratón (mouse) en el botón de “inicio” y automáticamente empieza el proceso. Los tiempos de trabajo y las variables están controlados en cada uno de los PIC ó microcontrolador seleccionado.

Para la adquisición de datos se emplean los sensores (de nivel y de temperatura), para controlar las motobombas y las electroválvulas, además del intercambiador de calor, la torre de enfriamiento y el compresor se emplea la electrónica de potencia y los microcontroladores; todo gobernado desde la PC.

Como ventajas ofrece que si por alguna razón falla la computadora el sistema sigue funcionando, ya que en los microcontroladores queda guardado en memoria el programa de funcionamiento y la secuencia de operaciones. También, el costo de los microcontroladores es relativamente bajo y accesible.

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₅₆

Como desventajas se tiene que el sistema está limitado a las características del microcontrolador y de las señales análogas o digitales que están dentro del sistema. Otra desventaja es que si se requiere hacer un cambio en el sistema de control ya sea en la parte analógica (señal de los sensores) o en la digital (programación) es necesario hacer una mayor instrumentación electrónica, lo que hace al sistema inflexible y que se generará un código de programa mayor tanto en los microcontroladores como en el software supervisorio. Otra podría ser la complejidad en los algoritmos de control y el costo del desarrollo del sistema completo.

3.5.3.4. Sistema de control basado en Controlador Lógico Programable (PLC).

Un PLC es una computadora industrial que sirve para vigilar entradas, tomar desiciones en base a su programa o lógica y para controlar salidas para automatizar un proceso.

Los PLC, en la mayoría de los casos, están diseñados específicamente para ser empleados en ambientes industriales exigentes y han sido continuamente desarrollados de forma que sus sistemas operativos en tiempo real representan su mayor ventaja sobre cualquier otro medio de control; están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y ruido.

Es muy fácil programarlos, la interfaz de entrada/salida están dentro del controlador. Su importancia se debe a que todos los procesos de producción se componen de secuencias fijas operativas que involucran pasos lógicos y decisiones.

Por cuestiones de facilidad de manejo, gran variedad dentro del mercado, etc. se elegiría para este proyecto un PLC de la marca Siemens®, ya que estos están diseñados para controlar diversas

aplicaciones de la automatización. Su diseño es compacto, es de bajo costo y de fácil programación, ya que cuenta con variedad en instrucciones.

Para emplear este PLC, también se hace uso de un tablero de control, en el cuál se tienen los dispositivos con los cuales el operador realiza el manejo y control de variables, figura 3.6.

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Figura 3.6 Tablero de control empleando PLC.

Descripción del proyecto:

Se va a partir de un tablero de control, este va a tener un botón para seleccionar que forma se quiere manejar, si manual o automático. Se deja la opción de manual por si existe algún problema con alguno de los dispositivos o por si se quieren hacer algunas pruebas o modificación para determinar algún parámetro, que después se pueda modificar en el programa del PLC.

Figura 3.7 Sistema de Control con PLC.

Este esquema (figura 3.7) sirve para representar la relación existente entre el tablero de control (Entrada de datos al sistema), programa de control (que se conecta al PLC para que este controle al sistema) y conexión al proceso (Salidas de instrucciones para realizar por el proceso). Como

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₅₈

puede observarse en el tablero, la secuencia de operaciones esta indicada por medio de LED(indicadores luminosos), es decir, que cuando físicamente se este activando una motobomba , un sensor , una válvula o alguno de los equipos, en el tablero se enciende el indicador correspondiente, con lo que se tiene un control mas gráfico y sobre todo en tiempo real. Si se desea tener un monitoreo de las variables desde la oficina de trabajo, aquí también se puede implementar un control distribuido, la única diferencia con el sistema de control mostrado anteriormente, sería que la comunicación va a ser directa del PLC a la PC a través de un cable de puerto serie RS-232.

Entre sus ventajas se encuentra que la lista de materiales a comparación de otros proyectos, se reduce, se utilizan en procesos complejos y amplios, puede existir un chequeo de programación centralizada en las partes del proceso, economía de mantenimiento, posibilidad de introducir modificaciones en el programa sin cambiar el cableado ni añadir aparatos, menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al reducirse el tiempo de cableado, menor tiempo de puesta en funcionamiento.

Como inconveniente puede tener el coste inicial, pero actualmente existen muchas marcas dentro del mercado por lo que se buscaría el más adecuado para el proceso y también el más económico. 3.5.4. Mejor concepto de diseño.

La selección del mejor diseño propuesto se basa en una evaluación respecto a las necesidades del usuario, el fabricante, el empresario además de la posible recuperación parcial una vez concluido su tiempo de vida útil. A continuación se presenta una tabla de comparación (tabla 3.1 Características de los sistemas de control) entre los sistemas de control antes mencionados, y dependiendo del sistema que más cumpla con los requerimientos solicitados por el cliente, será la base para realizar el diseño a detalle.

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₅₉

Tabla 3.1 Características de los sistemas de control.

Características del

sistema Electromecánico Microcontrolador

Controlador Lógico Programable (PLC)

Adaptación a

diferentes procesos Baja Media Alta

Posibilidad de

ampliación Poca Media Alta

Estructura en bloques

independientes Difícil Media Fácil

Herramientas para

pruebas Poca Alto Alto

Interconexiones,

cableado externo, etc. Mucho Medio Poco

Revisión de fallas Tardado Medio Rápido

Mantenimiento Difícil Regular Fácil

Costo para pequeños

cambios Alto Medio Bajo

Costo de fabricación Bajo Medio Medio

Flexibilidad Poca Medio Alto

Disponibilidad del

equipo Rápida Media Media

Rendimiento Bajo Medio Alto

Personal de mantto.

especializado Poco Mucho Medio

En letras negritas se señalan las ventajas que ofrece cada uno de los sistemas de control. El mejor concepto de diseño debe apegarse lo más posible a las características de diseño y plan de fabricación, en función de la infraestructura del lugar en donde se fabricará el equipo.

TESIS DE GRADO CAPITULO III ₆₀

De acuerdo a las respuestas obtenidas en la tabla anterior y a cada una de las descripciones de las posibles soluciones, se concluye que el sistema mas apropiado para este tipo de control es el basado en PLC (control Lógico Programable), por las ventajas que ofrece y por sus características de operación y manejo, además de cubrir de acuerdo al diseño preliminar los requerimientos como son: fácil de operar y buena funcionalidad, el refaccionamiento de mantenimiento sea fácil de adquirir en el mercado nacional, menor costo de adquisición con respecto a los ya existentes en el mercado, seguridad tanto para el operador como para el equipo, que la calidad de procesamiento de la materia prima en el equipo sea la requerida por el usuario, etc.

Podría pensarse que el control por microntrolador sería una buena opción, y tal vez lo es, pero la problemática aquí sería que el lenguaje de programación tanto de los PIC como de el software Visual Basic®,son un tanto complicados para personas que nunca han trabajado con estos, es

decir, que para alguna falla o modificación en los programas se necesitaría recurrir a personas

In document Review of the School Completion Programme (Page 139-144)