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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

“MEJORAMIENTO DE LA ETAPA DE PRENSADO EN EL

PROCESO DE ELABORACIÓN DE HARINA DE PESCADO MEDIANTE UN SISTEMA AUTOMATIZADO DE CONTROL DE LA HUMEDAD EN LA EMPRESA JADA S.A. – CHIMBOTE”

TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECATRÓNICO Tesis para optar el título profesional de Ingeniero Mecatrónico

AUTOR: BR. CÁRDENAS DE LA CRUZ, ARTURO GIANCARLOS. ASESOR: MS. ING. JULCA VERÁSTEGUI, LUIS ALBERTO.

TRUJILLO - PERÚ 2015

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Dedicatoria A Dios, por encaminar mi vida, por apoyarme y estar conmigo cuando más lo necesito y poder seguir un rumbo del cual me siento muy orgulloso. Gracias por darme la oportunidad de estar en esta vida y encontrarme en esta etapa, culminado la última valla para obtener mi título profesional. GRACIAS A DIOS. A mi madre, la mujer que me dio la vida y da su vida por mí. Amalia De la Cruz Ocas, a quien le debo gran parte la persona que soy ahora. No puedo expresar el tamaño agradecimiento y amor que siento por ti, madre. Mis logros son tus logros. Te amo. A mi padre, que con gran esfuerzo y dedicación me apoya en todo lo que está a su alcance. Arturo Cárdenas Infante, el hombre que daría su vida por mí, el hombre que más admiro. Sé que puedo contar contigo siempre. Gracias padre por ayudarme en mi formación personal y profesional y ser el apoyo en el desarrollo de mi tesis. Eres un ejemplo a seguir. A mi hermana, Kiara Cárdenas De la Cruz, quien me apoya en todo y está siempre cuando más la necesito. Gracias a ella también soy mejor persona, me impulsas y motivas a no fallar en nada y ser un buen ejemplo para ti. Con tu compañía y tu ángel, haces que mi vida sea más alegre y más interesante. Te amo hermana. A mi abuela Luisa Ocas Correa, que como mi segunda madre me ha ayudado con sus enseñanzas, consejos, su ejemplo y todo su amor, a ser mejor persona. Mami, sé que estarías alegre de verme en esta etapa de mi vida. Te agradezco infinitamente por todo lo que soy. A todos mis familiares: tíos, tías, primos, primas, etc.; que a pesar de no tenerlos cerca, siempre han deseado lo mejor para mí. Desde pequeño siempre han sido una gran influencia en mi persona. Gracias porque me ayudado en mi desarrollo desde que nací.

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Agradecimientos

Un agradecimiento especial a mis profesores desde el colegio hasta la universidad que con su esfuerzo, dedicación y sus consejos me pudieron transmitir los conocimientos que tengo hoy en día, los cuales me ayudan en mi vida personal y profesional, y en especial a mi asesor Ing. Julca Verástegui, por su predisposición, tiempo y la gran ayuda dada al desarrollo de esta tesis.

A mis amigos(as) y compañeros de facultad, por bríndame su apoyo cuando lo necesité en todos los años que compartimos en la facultad y que aún lo seguimos haciendo en algunas ocasiones.

Al señor Constante Sánchez, su esposa la señora René Chávez, sus hijos Luis, Rodolfo e Iván, y sus familias, por ser una parte importante en el desarrollo de esta tesis, por sus consejos, por su cálida hospitalidad, por hacerme sentir un miembro más de su hermosa familia, siempre estaré eternamente agradecido y en deuda con ustedes.

El Autor

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Resumen La presente tesis tiene como objetivo diseñar un método de control de humedad en el prensado para la planta JADA S.A. para obtener una humedad del queque de prensa dentro de los rangos aceptables, donde se aprecia una relación entre porcentaje de humedad y velocidad del tornillo de prensa. En el Capítulo 1 la Introducción de la tesis el cual describe la problemática. Se identifican problemas como tiempos altos, oscilaciones en los datos y sobre costos de mantenimiento y reprocesos. En el Capítulo 2 se detallan conceptos básicos de las diferentes partes que componen el diseño del control automático de humedad, y algunos parámetros importantes que deben tenerse en cuenta. En el Capítulo 3 se recopila información sobre los diversos métodos actuales de control de humedad y los procedimientos a seguir en el prensado. Luego determinamos el método más idóneo para el control de humedad en el prensado que pueda ser implementado en la Planta JADA S.A. evaluando entre tres opciones, mediante una matriz de selección en base a algunos criterios de diseño, obteniendo el control PID el puntaje más alto. Determinamos los componentes para nuestro sistema, de acuerdo a nuestros requerimientos. Finalmente presentamos un análisis matemático propuesto del sistema de prensado teórico y experimental, con una simulación de las ecuaciones obtenidas. En el Capítulo 4 se presenta los resultados la simulación de unas funciones de transferencia aproximadas del sistema obtenido experimentalmente aplicándole el control PID y observamos que disminuimos tiempos de subida y establecimiento del sistema de control de humedad en el prensado. Además la aplicación de la propuesta de automatización en un sistema prototipo. Por último en el Capítulo 5 se tiene como resultado conclusiones de la tesis entre las cuales encontramos como factor determinante la calidad de la materia prima, además de los resultados obtenidos en un sistema prototipo nuestra propuesta de automatización puede ser llevada a otros casos de control de sistemas de primer orden, el control PID se muestra como la mejor alternativa de solución del sistema pero se propone aplicar otros tipos de control como el control PI para comparar nuestros resultados

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Abstract

This thesis aims to design a method of controlling moisture in pressing for plant JADA S.A. to obtain a press cake moisture within acceptable ranges, where a relationship between humidity and screw speed press shown. In Chapter 1 Introduction of the thesis which describes the problem. problems such as high times, fluctuations in the data and maintenance costs and rework are identified. In Chapter 2 basics of the different parts that make up the design of automatic humidity control, and some important parameters to be taken into account are detailed. Chapter 3 information on various current methods of moisture control and procedures to be followed in the press is collected. Then we determine the most suitable method for controlling moisture in the press that can be implemented at the plant JADA S.A. evaluating three options, using an array of selection based on some design criteria, obtaining the PID control the highest score. We determine the components for our system, according to our requirements. Finally, we present a mathematical analysis of the system proposed theoretical and experimental pressing, with a simulation of the equations obtained. Chapter 4 presents the results of a simulation approximate transfer functions of the system experimentally obtained by applying the PID control and note that diminish rise and establishment of the control system of moisture in the press. Moreover, the application of the proposed automation in a prototype system. Finally in Chapter 5 results conclusions of the thesis among which are a determining factor in the quality of the raw material, in addition to the results of a prototype system our proposal automation can be carried to other cases control first order systems, PID control is shown as the best alternative solution the system but intends to implement other types of control such as PI control to compare our results.

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INDICE GENERAL CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN............................................................................ 1 1.1. El problema................................................................................................. 1 1.1.1.

Realidad problemática ......................................................................... 1

1.1.2.

Formulación del problema .................................................................. 2

1.1.3.

Justificación del estudio ....................................................................... 2

1.1.3.1.

Relevancia Tecnológica. ............................................................... 2

1.1.3.2.

Relevancia Institucional. .............................................................. 2

1.1.3.3.

Relevancia Social........................................................................... 3

1.1.3.4.

Relevancia Económica. ................................................................. 3

1.1.3.5.

Relevancia Ambiental. .................................................................. 3

1.1.4. 1.2.

Limitaciones del problema .................................................................. 3

Objetivos ..................................................................................................... 4

1.2.1.

Objetivo General .................................................................................. 4

1.2.2.

Objetivos Específicos ........................................................................... 4

1.3.

Hipótesis ...................................................................................................... 4

1.4.

Variables ..................................................................................................... 5

1.4.1. Variable dependiente de sistema de control de humedad automático........................................................................................................... 5 1.4.1.1. 1.4.2.

Variable independiente ........................................................................ 5

1.4.2.1. 1.5.

Indicadores .................................................................................... 5 Indicadores .................................................................................... 5

Diseño de ejecución .................................................................................... 5

1.5.1.

Objeto de estudio .................................................................................. 5

1.5.2.

Métodos ................................................................................................. 6

1.5.3.

Población y muestra ............................................................................. 6

1.5.3.1.

Población........................................................................................ 6

1.5.3.2.

Muestra .......................................................................................... 7

1.5.3.3.

Unidad de análisis ......................................................................... 7

1.5.4.

Técnicas e Instrumentos, fuentes e informantes................................ 7

1.5.4.1.

Técnicas.......................................................................................... 7

1.5.4.2.

Instrumentos.................................................................................. 7

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1.5.4.3. 1.5.5.

Fuentes e Informantes .................................................................. 7

Forma de análisis e Interpretación de resultados ............................. 8

1.5.5.1.

Análisis de contrastación .............................................................. 8

1.5.5.2.

Indicadores .................................................................................... 8

CAPÍTULO II: MARCO REFERENCIAL............................................................. 9 2.1. Marco teórico. ............................................................................................. 9 2.1.1.

Industria Pesquera ............................................................................... 9

2.1.2.

Materia Prima .................................................................................... 10



La Anchoveta............................................................................... 10

2.1.3.

Harina y Aceite de pescado ............................................................... 10

2.1.3. Proceso para la elaboración de harina de pescado ............................. 12 2.1.4. Prensa de pescado …………………………………………………….17 2.1.5. Sistemas de Control................................................................................ 29 2.1.5.1. Sistemas de Control en Lazo Cerrado ........................................... 30 2.1.5.2. Sistemas de Control en Lazo Abierto ............................................ 30 2.1.5.3. Control ON OFF ............................................................................. 31 2.1.5.4. Control PID...................................................................................... 32 2.2. Marco Conceptual ......................................................................................... 33 2.2.1 Sensores .................................................................................................... 33 

Sensores de Humedad ................................................................. 34

2.2.2. Actuadores .......................................................................................... 35 2.2.2.1. Variadores de Velocidad................................................................. 35 2.2.3. Controlador programable ..................................................................... 37 2.2.4. Comunicación Industrial ....................................................................... 38 2.2.5. Software LabVIEW ............................................................................... 38 2.2.6. SISTEMA SCADA ................................................................................. 39 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA ....................................................................... 40 3.1. Procedimientos en la etapa de prensado en el proceso de elaboración de la harina de pescado ........................................................................................ 40 3.1.1. Procedimiento general del prensado en la elaboración de harina de pescado 40 3.1.2.

Procedimiento de Planta JADA S.A. - Chimbote ............................ 42

3.2.

Acotaciones para el prensado .................................................................. 43

3.3.

Métodos de control de humedad en el prensado ................................... 43

3.3.1.

Métodos manuales .............................................................................. 44

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3.3.2.

Métodos automáticos ......................................................................... 45

3.3.3.

Elección de método de control de humedad en el prensado ........... 46

3.3.4.

Tipos de control automático de humedad en el prensado .............. 47

3.3.4.1.

Control Proporcional (P) de la humedad en el prensado ........ 47

3.3.4.2 Control Proporcional-Integral (PI) de la humedad en el prensado 48 3.3.4.3 Control Proporcional Integral Derivativo (PID) de la humedad en el prensado ............................................................................................... 49 3.3.5.

3.4.

3.3.5.1.

Evaluación Control P de control de humedad en el prensado 52

3.3.5.1.

Evaluación Control PI de control de humedad en el prensado 52

3.3.5.3

Evaluación Control PID de control de humedad en el prensado 53

Componentes para la automatización .................................................... 54

3.4.1.

3.5.

Elección del tipo de control de humedad automático ..................... 49

Elección de componentes ................................................................... 54

3.4.1.1.

Elección de controlador lógico programable (PLC) ................ 54

3.4.1.2.

Elección del transmisor de humedad ........................................ 56

3.4.1.3.

Elección del variador de velocidad ............................................ 57

3.4.1.4.

Elección del caudalímetro .......................................................... 58

Desarrollo del sistema automático de control de humedad del prensado60

3.5.1.

Costos de Implementación ................................................................. 60

3.5.2.

Diagrama de Proceso e Instrumentación (P&ID) ........................... 61

3.5.3

Diagrama de la arquitectura de programación ....................... 61

3.5.3.

Análisis matemático en la prensa de pescado .................................. 62

3.5.4.

Desarrollo del simulador de control de humedad en Labview ...... 68

3.5.4.1. Ecuación experimental obtenida de los datos de tablas de registro de humedad de planta.................................................................... 70 3.5.4.2. Programa creado en Labview en función de la ecuación experimental ................................................................................................. 71 3.5.4.3.

Interface de usuario para la simulación en Labview ............... 72

3.5.5.

Desarrollo de algoritmo de PLC ....................................................... 72

3.5.6.

Desarrollo de programación del SCADA ......................................... 75

CAPÍTULO IV: ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................. 76 4.1. Respuesta de nuestro sistema frente al controlador PID ..................... 76

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4.1.1 Estimación de los parámetros K, T y L, de nuestro sistema de primer orden ..................................................................................................... 77 CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................... 85 5.1. Conclusiones ............................................................................................. 85 5.2.

Recomendaciones ..................................................................................... 87

CAPÍTULO VI: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................... 87 ANEXOS ................................................................................................................... 91 ANEXO A: DIAGRAMA DE PROCESO E INTRUMENTACIÓN (PI&D). 91 ANEXO B: DIAGRAMA DE ARQUITECTURA DE PROGRAMACIÓN .. 92 ANEXO C: TABLA DE REGISTRO DE DATOS DE PLANTA JADA S.A. 93 ANEXO D: PROGRAMACIÓN EN EL PLC ................................................... 94 ANEXO E: DATOS DE REGISTROS DE HUMEDAD .................................. 96

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Índice de Figuras Figura 1: Diagrama de flujo del método cuasi experimental tomado………..Pag. 6 Figura 2. Industria pesquera en Perú…………………………………………Pag. 9 Figura 3. Anchoveta………………………………………………………….Pag. 10 Figura 4. Labores en planta pesquera………………………………………...Pag. 11 Figura 5. Descripción y diagramas de flujo del proceso productivo………....Pag. 12 Figura 6. Proceso de elaboración de harina de pescado………………….......Pag. 16 Figura 7: Corte longitudinal de un expeller estándar………………………...Pag. 18 Figura 8: Expeller de doble tornillo……………………………………….....Pag. 19 Figura 9: Geometría típica de un tornillo extrusor…………………………...Pag. 20 Figura 10: Zonas de una extrusora y evolución de la presión a lo largo de las mismas...............................................................................................................Pag. 21 Figura 11: Tipos de tolvas……………………………………………………Pag. 22 Figura 12: Perfil de velocidades originado por el flujo de arrastre…………..Pag. 27 Figura 13: Perfil de velocidades debido al flujo de presión………………….Pag. 28 Figura 14: Perfil de velocidades del flujo total………………………………Pag. 28 Figura 15. Automatización industrial………………………………………...Pag. 29 Figura 16. Esquema de Sistema de Control………………………………….Pag. 30 Figura 17. Control en Lazo Cerrado…………………………………………Pag. 30 Figura 18. Control Lazo Abierto……………………………………………..Pag. 31 Figura 19. Control ON-OFF………………………………………………….Pag. 32 Figura 20. Control PID……………………………………………………….Pag. 33 Figura 21. Sensor de Humedad……………………………………………….Pag. 35

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Figura 22. Modelo de un variador de velocidad…………………………….Pag. 36 Figura 23. Controlador programable………………………………………..Pag. 37 Figura 24. Comunicación Industrial………………………………………...Pag. 38 Figura 25: Imagen referencial de una prensa de pescado…………………...Pag. 41 Figura 26: Imagen referencial de un variador de velocidad………………...Pag. 41 Figura 27: Secuencia de operaciones en el prensado………………………..Pag. 42 Figura 28: Diagrama de control proporcional……………………………….Pag. 47 Figura 29: Diagrama de control proporcional integral ante diferentes constantes……………………………………………………………………..Pag. 48 Figura 30: Imagen del PLC de Siemens y Schneider………………………..Pag. 55 Figura 31: Imagen del transmisor de humedad………………………………Pag. 57 Figura 32: Imagen de los variadores de velocidad…………………………...Pag. 58 Figura 33: Imagen de los caudalímetros comparados………………………..Pag. 60 Figura 34: Esquema de la prensa…………………………………………….Pag. 62 Figura 35: Gráfica obtenida de los datos de la tabla 14……………………...Pag. 68 Figura 36 .Datos de humedad vs rpm………………………………………...Pag. 69 Figura 37.Datos de humedad vs rpm de un proceso …………………………Pag. 70 Figura 38.Datos de humedad vs rpm del proceso ……………………………Pag. 70 Figura 39.Tendencia lineal de los datos ……………………………………...Pag. 71 Figura 40.Programa para simulación de los valores ………………………….Pag. 71 Figura 41.Interfaz del programa de simulación de datos ……………………..Pag. 72 Figura 42.Diagrama de control de nuestro sistema……………………………Pag. 73 Figura43: Diagrama de flujo propuesto del sistema automatizado de control de humedad en el prensado………………………………………………………..Pag. 74 Figura 44: Interface programada del SCADA………………………………...Pag. 75

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Figura 45: Reglas de Ziegler-Nichols basada en la respuesta escalón de la planta…………………………………………………………………………..Pag. 77 Figura 46: Funciones de transferencia a “K” constante y “T” variables……..Pag. 80 Figura 47: Funciones de transferencia a “T” constante y “K” variables……..Pag. 80 Figura 48: Bloque de programa de simulación donde se ingresa la condición inicial …………………………………………………………………………………Pag. 81 Figura 49: Respuesta del primer sistema, con controlador PID………………Pag. 82 Figura 50: Respuesta del segundo sistema, con controlador PID…………….Pag. 83

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Índice de Tablas Tabla 1: Diseño del tornillo para reducir el coeficiente de fricción entre el material y el tornillo……………………………………………………………………….Pag. 25 Tabla 2: Cuadro comparativo para elección de método de control de humedad en el prensado……………………………………………………………………..…Pag. 46 Tabla 3: Resumen de las características de control…………………………...Pag. 49 Tabla 4: Leyenda de pesos asignados a las directrices de evaluación………...Pag. 50 Tabla 5: Principios y directrices generales para el diseño del control de humedad……………………………………………………………..………...Pag. 51 Tabla 6: Puntaje y criterio de las directrices generales para el diseño del control de humedad……………………………………………………………………….Pag. 51 Tabla 7: Evaluación de las diferentes técnicas de control……………………Pag. 53 Tabla 8: Cuadro comparativo de características de PLC……………………..Pag. 55 Tabla 9: Cuadro comparativo de transmisores de humedad………………….Pag. 56 Tabla 10: Cuadro comparativo de variadores de velocidad…………………..Pag. 58 Tabla 11: Cuadro comparativo de caudalímetros……………………………..Pag. 59 Tabla 12: Cuadro costos de implementación…………………………………Pag. 60 Tabla 13: Matriz causa efecto………………………………………………...Pag. 61 Tabla 14: Tabla de datos obtenida a masas de pescado constante……………Pag. 66 Tabla 15: Primer ensayo……………………………………………………...Pag. 77 Tabla 16: Segundo ensayo……………………………………………………Pag. 78 Tabla 17: Tercer ensayo………………………………………………………Pag. 79 Tabla 18: Resultados de la simulación………………………………………..Pag. 83

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CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN 1.1. El problema 1.1.1. Realidad problemática En la Industria pesquera, el proceso de elaboración de la harina de pescado consta de tres etapas elementales las cuales son: el cocinado, el prensado y el secado. Estas etapas están sujetas a un estricto control y supervisión para poder cumplir con los estándares de calidad del producto. Para llegar a dichos estándares de calidad, durante todo el proceso de producción se realizan acciones como toma de muestras, regulación de los parámetros de operación de cada etapa, entre otras. En la actualidad en la empresa pesquera JADA S.A., el control y supervisión de las tres etapas antes mencionadas se realizan de forma manual o mecánica, participando en ellas: técnicos, operadores y laboratoristas. En particular en la etapa de prensado, donde se fijan los parámetros de grasa que tendrá la harina de pescado, se tiene un variador de velocidad que acciona el motor de la prensa y el que el operario programa manualmente para tener un grado de humedad deseado a la salida de la prensa. [E1] Dicho variador de velocidad al ser manipulado manualmente y de forma constante trae consigo desgaste en particular en las botoneras y la rueda de selección, y un deterioro general del equipo, aumentando costos de mantenimiento y disminuyendo su tiempo de vida. [E2] Además, teniendo acceso a las tablas de datos del proceso donde se registran los valores de velocidad del motor (en rpm) y humedad (en porcentaje), se observa una oscilación de ocho por ciento (8%) por encima e inferior al valor deseado, lo cual nos indica que existe un grado de imprecisión considerable. [E3] Adicionalmente, se conoce que para determinar el nivel de humedad, se realizan toma de muestras a la salida de la prensa en intervalos de cuarenta minutos y se analizan en el laboratorio de la planta, lo cual supone un tiempo

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importante en el que no se tienen datos de la humedad y ésta varía en los porcentajes antes descrito. [E4] Además, suceden casos en donde la humedad a la salida varía tanto que se tienen que reprocesar, lo que deriva en un tiempo de producción mayor, mayor tiempo de retención de pescado en las tolvas de almacenamiento, como consecuencia un costo de producción adicional. [E5]. Por tal razón los dueños creyeron conveniente desarrollar un sistema de control de humedad más confiable. 1.1.2. Formulación del problema ¿Cómo mejorar la etapa de prensado del proceso de elaboración de harina de pescado en la empresa JADA S.A. mediante un sistema de control de humedad automatizado? 1.1.3. Justificación del estudio 1.1.3.1.Relevancia Tecnológica. En la actualidad la mayoría de Industrias están haciendo una reingeniería en sus procesos innovando e implementando equipos automatizados que estén a la vanguardia de la tecnología dejando un poco atrás a la parte mecánica convencional y así obtener un mejor proceso. Y en el caso de la etapa de prensado en el proceso de elaboración de harina de pescado en la empresa JADA S.A., se llevará acabo para mejorar el control del porcentaje de humedad. 1.1.3.2.Relevancia Institucional. La planta JADA S.A. tiene la necesidad e interés de optimizar sus procesos, como política de mejoramiento continuo. Actualmente tienen algunos procesos o procedimientos que aún se hacen mecánica o manualmente. Entre ellos el control del nivel de humedad en el prensado, y que gracias a este proyecto se podrá automatizar y con esto recortar tiempos, mejorar la precisión y reducir costos. Además, al finalizar este 2 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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proyecto la empresa pesquera JADA S.A. será una de las pioneras en Chimbote en la innovación al implementar sistemas automatizados y de control en sus líneas de producción. 1.1.3.3.Relevancia Social. La implementación de este sistema no tiene gran relevancia por el lado social. Sin embargo se logra reducir sobrecargas de trabajo a los operadores y personal de laboratorio, debido a reprocesos y análisis continuo de muestras, lo que se traduce en mejores condiciones laborales, con la consecuente

reducción de enfermedades psicosomáticas

relacionadas al trabajo como el estrés. 1.1.3.4.Relevancia Económica. La implementación del sistema que planteamos, permitirá reducción de costos de mantenimiento y costos de reprocesos que eran característicos del sistema anterior, con una reducción general significativa en la relación entre producción de tonelada de harina versus costo, para la empresa. 1.1.3.5.Relevancia Ambiental. La implementación de este sistema no tiene gran relevancia por el lado ambiental. 1.1.4. Limitaciones del problema -

Escasa información bibliográfica sobre automatización en plantas de harina de pescado.

-

Información restringida de algunos datos por parte de la empresa.

-

Limitado el acceso a hacer pruebas.

-

Poco tiempo en las pruebas en planta, debido a que el tiempo de producción se acortó por motivo de algunos fenómenos climáticos.

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1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivo General -

Diseñar un sistema de control de humedad automatizado para la etapa de prensado del proceso de elaboración de harina de pescado en la planta JADA S.A. para obtener el nivel de humedad deseado.

1.2.2. Objetivos Específicos -

Recopilar los procedimientos de la etapa de prensado establecidos en Normativas Nacionales e internas de la planta.

-

Estudiar e identificar las principales variables que afectan el proceso de control de humedad en el prensado

-

Recopilar información sobre los diversos métodos actuales de sistemas de control y automatización aplicables al proceso de prensado en plantas pesqueras de harina de pescado.

-

Determinar el método para el control de humedad en el prensado que pueda ser implementado en la fábrica de harina de pescado JADA S.A.

-

Determinar las herramientas, componentes, arquitectura de automatización, PI&D, lógica del programa, más adecuados para la implementación de la metodología de automatización elegida para el control de humedad.

-

Realizar la simulación en softwares, del control de humedad del prensado, con una estimación de la función de transferencia, para evaluar sus características en cuanto a tiempos de subida y establecimiento, sobre elongaciones y error, y hacer predecir su comportamiento.

-

Determinar el costo de implementación del equipamiento requerido para nuestro sistema automatizado.

1.3. Hipótesis La hipótesis que se plantea en la tesis es la siguiente: 4 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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“Con un sistema automatizado por medio del control PID se tendrá un método más adecuado para el control del nivel de humedad en el prensado, el cual mejorará en cuanto a la precisión, la reducción de tiempos y la disminución de costos.” 1.4. Variables 1.4.1. Variable dependiente de sistema de control de humedad automático -

Nivel de humedad.

1.4.1.1.Indicadores -

Porcentaje de la fase líquida en el pescado.

1.4.2. Variable independiente -

Velocidad del motor

1.4.2.1.Indicadores -

Rpm

1.5. Diseño de ejecución 1.5.1. Objeto de estudio -

Estudio de procedimientos de Normativas Internacionales o internas de la planta, para la elaboración de una que se adecue al sistema automatizado que se desea desarrollar.

-

Estudio de los métodos autorizados que puedan gobernar el sistema requerido y la elección del más idóneo para este caso.

-

Evaluar los componentes más idóneos para la implementación del sistema.

-

Estudio del sistema de prensado (máquinas y mecanismos).

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-

Análisis de los parámetros de humedad en campo y simulación del proceso.

1.5.2. Métodos -

Se empleara el método cuasi experimental debido a que se implementó, verificó y determinó tanto el funcionamiento como las características y respuesta de la metodología de automatización en un sistema prototipo. Figura 1: Diagrama de flujo del método cuasi experimental tomado

Fuente: Elaboración propia

1.5.3. Población y muestra 1.5.3.1.Población -

Plantas que requieran controlar los parámetros de humedad de cualquier materia prima. 6

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1.5.3.2.Muestra -

Empresa pesquera JADA S.A.

1.5.3.3.Unidad de análisis -

Planta de harina de pescado de la empresa pesquera JADA S.A. Chimbote.

1.5.4. Técnicas e Instrumentos, fuentes e informantes 1.5.4.1.Técnicas -

Análisis de elementos de máquinas y mecanismos

-

Ecuaciones experimentales

-

Técnicas de control

-

Programación ladder.

1.5.4.2.Instrumentos -

PC portátil.

-

STEP 7 Professional V12, Trial License (15 días).

-

PLC Siemens S7-1200 24V DC.

-

Sofware Matlab.

-

Software Excel.

-

Software Labview.

-

Sensor ultrasónico.

-

Variador de velocidad Schneider 1Hp

-

Tanque de agua

1.5.4.3.Fuentes e Informantes -

Libros y documentos en internet.

-

Tesis, publicaciones.

-

Datos de planta 7

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1.5.5. Forma de análisis e Interpretación de resultados 1.5.5.1.Análisis de contrastación El método de análisis de los datos se realizara empleando la cuantificación de los datos del sistema. Comparando las obtenidas antes y después de automatizar el sistema de control sin PID y con PID, respectivamente. Además

la

aplicación

de

la

metodología

de

automatización a un prototipo, para determinar la respuesta del sistema. 1.5.5.2.Indicadores El método de análisis de los datos se realizara empleando, tablas comparativas, para determinar la precisión de nuestra metodología de control, en simulación y la aplicación en un prototipo.

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CAPÍTULO II: MARCO REFERENCIAL 2.1. Marco teórico. En la etapa de prensado, en la elaboración de harina de pescado, la humedad del queque de prensa requiere de un control riguroso que se encuentre en los parámetros establecidos y así obtener como producto de la prensa una harina de buena calidad. A continuación se incluirá información relativa a la automatización y control de la etapa de prensado. 2.1.1. Industria Pesquera La historia de la pesquería peruana del siglo pasado ha sido una batalla continua por alcanzar una producción sostenible, aquella capaz de generar beneficios continuos para la población actual sin limitar las capacidades productivas de las generaciones futuras, ni comprometer la integridad del mar peruano. La pesca, actividad humana ancestral, ha ido evolucionado en el tiempo con los avances tecnológicos, lo que ha permitido el desarrollo de una industria capaz de capturar organizada y eficientemente a los peces e invertebrados acuáticos de nuestros mares. Esta industria abarca, en la actualidad, la mayoría de nuestras interacciones con los recursos pesqueros y es aquí donde empieza la verdadera lucha hacia la sostenibilidad. [W 01] Figura 2. Industria pesquera en Perú

Fuente: [W 02]

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2.1.2. Materia Prima  La Anchoveta Es una especie pelágica que vive en cardúmenes en aguas superficiales frías cerca de la costa, pero pueden estar hasta 180 km de distancia de la costa. Se alimenta de plancton y se reproduce principalmente entre julio y septiembre y en menor proporción durante los meses de febrero y marzo. Tiene el cuerpo delgado y alargado y su color varía de azul oscuro a verdoso en la parte dorsal y plateado en el vientre. Vive unos 3 años alcanzando unos 20 cm de longitud. Tiene alta tasa de grasa con muchas ácidos grasos omega-3 y omega-6. En el Perú se capturan cada año millones de toneladas de anchoveta, mayormente con bolicheras industriales que circundan un cardumen por una gran red de cerco que se cierra por debajo. Luego bombean la captura desde la red en la bodega y más tarde de la bodega a las fábricas de harina y aceite. Centros importantes de pesca y transformación de la anchoveta son Chimbote, Paita, Salaverry, Callao, Ilo, Chancay y Huacho. El fenómeno del Niño tiene una influencia negativa en el recurso. El Instituto del Mar del Perú (IMARPE) establece los períodos y las zonas de pesca de la anchoveta. [W03] Figura 3. Anchoveta

Fuente: [W 03] 2.1.3. Harina y Aceite de pescado Las harinas y aceites de pescado son productos químicos de origen natural obtenidos de la reducción de pesca pelágica, con la consiguiente producción de una

10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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línea de alimentos proteicos, vale decir las harinas de pescado y de una línea de productos grasos, vale decir el aceite de pescado. Ambos productos son utilizados en la formación de alimentos balanceados para la nutrición animal, ya sea de productos acuícolas, de aves, de rumiantes, de cerdos y de animales domésticos. Compiten las harinas de pescado con productos proteicos vegetales derivados principalmente de semillas oleaginosas, como la soja, el raps, el girasol y la canola. Además compiten con productos proteicos de origen animal, tales como la harina de carne y hueso, harina de sangre, harinas de plumas, etc. Las harinas de pescado presentan claras conveniencias si las comparamos con las otras harinas de origen vegetal y animal. Entre estas ventajas se pueden mencionar las siguientes: - Alto contenido de proteínas (65 a 70%) cifra superior por ejemplo a la de las sojas (45%), harinas de carne y hueso (50 a 55%). Además las harinas de pescado bien elaboradas presentan factores de digestibilidad en vivo superiores a la de los productos en competencia, ya que en el caso de las harinas especiales el porcentaje de digestibilidad de proteínas es superior al 90%. - Los aminoácidos esenciales presentan un contenido más alto en las harinas de pescado en comparación con sus competencias, siendo además muy ricas en aminoácidos tales como la lisina, la metionina, la cistina y las cisteína. [W04]. Figura 4. Labores en planta pesquera

Fuente: [W 05]

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2.1.3. Proceso para la elaboración de harina de pescado

Figura 5. Descripción y diagramas de flujo del proceso productivo

Fuente: [Empresa JADA]

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 Pozos de Recepción y Almacenamiento El proceso productivo se inicia una vez que la Planta ha recibido la Materia Prima (desecho de pescado proveniente de las plantas elaboradoras de pescado). En la Planta, el Laboratorio de Control de Calidad se encarga de realizar un primer análisis a la materia prima, para determinar la condición de ésta, y posteriormente verifica la calidad y parámetros operacionales del proceso, hasta la obtención de la harina. La Materia Prima recibida, es analizada para medir su grado de frescura, a través de la determinación del TVN (Nitrógeno Total Volátil). Este índice cuantifica las bases nitrogenadas producidas durante el proceso de deterioro del pescado, y por consiguiente discrimina calidades de producto final. Posteriormente, la pesca es distribuida en el pozo o pileta de almacenamiento para ser procesada prioritariamente de acuerdo a su calidad. [W06].  Cocinado La materia Prima ingresa y es sometido a un proceso térmico con vapor (indirecto) con el fin de detener la actividad microbiológica y enzimática responsable de la degradación y coagular las proteínas en fase sólida, permitiendo la separación del aceite y los residuos viscosos líquidos. [W06].  Prensado Esta etapa corresponde a un proceso de prensado mecánico de la materia prima proveniente del cocinador, la cual proporciona el Licor de Prensa, que corresponde a la fase líquida y la Torta de Prensa que constituye la fase sólida. La masa de producto es fuertemente comprimida por los tornillos, escurriendo un Licor de prensa a través de las rejillas, y una masa más sólida o Torta de prensa por el extremo. [W06].

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

PROCESO DE LA TORTA DE PRENSA  Secado INDIRECTO El propósito del secado es convertir una mezcla húmeda e inestable de torta

de prensa, Torta de los Decanters y eventualmente Concentrado en harina de pescado seca y estable. En la práctica, esto significa secar hasta un contenido de humedad menor al 10%, el cual generalmente puede considerarse suficientemente bajo como para que haya existencia de actividad microbiológica. La temperatura del material secado no excede los 90º C para no deteriorar los valores nutricionales. [W06].  Enfriamiento Después del secado la harina sale con la humedad deseada, pero a una temperatura no conveniente para ser envasada inmediatamente. Por ello les que se le disminuye la temperatura antes de ser embolsada. Por lo general, la harina de pescado sufre la oxidación de sus grasas, por ser un producto higroscópico (absorción de humedad) y absorbe oxígeno. Para evitarlo, el producto es envasado frío y se estabiliza con antioxidantes. [W06].  Molienda El propósito de moler es facilitar la incorporación homogénea en los alimentos. Una harina molida apropiadamente tiene un aspecto atractivo y se mezcla fácilmente en las proporciones de alimentos que requieren combinaciones y mezclas adecuadas.  Envasado Una vez agregado el antioxidante, la harina pasa a la etapa de envasado, en ésta se introduce el producto en sacos según la necesidad de cada cliente. En esta etapa es muy importante la participación del Laboratorio de Control de Calidad, ya que extrae las muestras necesarias para efectuar los correspondientes análisis de proteína, grasa, humedad, TVN y otros que permiten caracterizar y clasificar la harina de acuerdo a las calidades definidas. [W06].

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

PROCESO DEL LÍQUIDO DE PRENSA

La harina y el aceite de pescado comparten los tres primeros pasos del proceso, o sea Almacenamiento, Cocinador y Prensa. En esta última etapa se separan los dos elementos de los procesos productivos, la Torta de Prensa para elaborar Harina y el Licor de Prensa para el Aceite. [W06].  Decanter Debido a que necesitamos eliminar el alto porcentaje de grasa, sólidos y agua que arrastra el líquido que se genera en la Prensa, lo impulsamos por medio de bombas a un equipo denominado Decanter o Decantador, que es una centrífuga de eje horizontal que permite separar el sólido del líquido. La fase sólida catalogada Torta de Decanter se agrega a la torta de prensa y sigue su camino a los secadores. Por su parte, el líquido o Licor de Decanter que contiene grasa y agua fundamentalmente, es enviada por bombas a las separadoras (Planta de Aceite).  Separadoras El Licor de Decanter es precalentado a una temperatura de 95°C facilitando de esta manera la separación de sus componentes líquidos (fase acuosa y aceite) para enseguida ingresar a las separadoras. Estas consisten en una maquina centrífuga vertical cuya función es separar del licor el aceite con muy poca humedad (menor al 0.3%), dejando un agua con baja grasa y sólidos designada Agua de Cola que se envía a la Planta Evaporadora. El aceite obtenido de este proceso se envía a una segunda etapa de separación.  Clarificadora El aceite proveniente de las separadoras es calentado nuevamente a 95°C, y mezclado con una fracción de agua es enviado a la Purificadora. Este equipo es semejante a las separadoras, pero permite una mejor división, dejando un aceite final de baja humedad (menor al 0.1%) y exento de sólidos. Posteriormente, el aceite es bombeado a estanques para su almacenamiento final y despacho.

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 Planta Evaporadora Cuando los Decanters y las separadoras centrífugas han removido la mayor parte del aceite y sólidos suspendidos del licor de prensa, llegamos al Agua de Cola. Para todos los fines prácticos uno puede estimar la cantidad de Agua de Cola en el 65% de la materia prima. Además de agua, el Agua de Cola contiene los siguientes elementos: • Proteína disuelta (100 % digerible) • Minerales • Vitaminas • Grasa Para recuperar el sólido del Agua de Cola, uno tiene que eliminar gran cantidad de agua por evaporación y subsiguiente secado. El Agua de Cola proveniente de las separadoras y sobrante del proceso, debido a su contenido de sólidos es enviada por bombas a las Plantas Evaporadoras, en las cuales se recupera el sólido del producto, mediante la evaporación y eliminación del agua contenida. El licor obtenido en este proceso se conoce como concentrado o soluble de pescado, porque es una solución con un alto contenido de sólidos solubles. [W06].  Planta para el secado de Solubles En la industria de la harina de Pescado, los solubles de pescado provenientes del evaporador son incorporados a la Torta de Prensa para su posterior secado en forma conjunta. Figura 6. Proceso de elaboración de harina de pescado

Fuente: [W 06] 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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2.1.4. Prensa de pescado La prensa de pescado es en su sentido más básico una prensa de tornillo o prensa tipo expeller. La prensa de tornillo es esencialmente una prensa de jaula, en la que, la presión se desarrolla por medio de un eje rotatorio o tornillo sinfín en vez de un pistón de acción intermitente. En la jaula se desarrolla una presión extremadamente alta, del orden de 140 a 2800 kg/cm2, por medio de la acción del eje contra un orificio o estrangulación regulable, que restringe la descarga de la torta al extremo de la jaula. Las partes interiores de las jaulas, de estas máquinas están construidas de barras de aceros planas, colocadas alrededor de la periferia de la jaula y mantenidas en su sitio por una especie de cuña rígida. Las aberturas entre las barras de la jaula, a través de las cuales fluye el aceite, miden de 0.013 a 0.005 cm y se pueden ajustar variando el grosor de los espaciadores entre barras; existen también prensas que tienen camisas agujereadas en lugar de las barras antes descritas, esto debido a la versatilidad que ofrecen en construcción y operación.  Ventajas 

El rendimiento de volumen del aceite extraído es bastante satisfactorio, por lo cual es el proceso más común que se usa en aplicaciones industriales de extracción de aceite.



Mediante este proceso se consigue una mejor separación de la torta y el aceite extraído.



Estas máquinas poseen una alta capacidad de producción, además que pueden funcionar ininterrumpidamente ya que no se tiene que desmontar ninguna de sus partes para poder abastecer carga a procesarse.



El proceso continuo no requiere de varios operadores, razón por la cual se refleja en ahorro de costos de mano de obra

 Desventajas 

El proceso de prensado continuo, requiere una cantidad de energía mayor respecto a los procesos antes mencionados, es común ver en 17

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máquinas comerciales de este tipo el uso de motores de gran potencia.[T 01]

2.1.4.1.

Expeller de tornillo simple

El expeller de tornillo simple consiste en un solo husillo que gira libremente dentro de un cilindro, barril o camisa; estos dos elementos interactúan a manera de una bomba elevando la presión de la mezcla, extrayendo el aceite y drenándolo a través de las ranuras u orificios y liberando la torta por medio de un agujero llamado dado. Para elevar la presión en un tornillo simple existen variaciones de geometría que influyen directamente en el comportamiento de la mezcla mientras permanece dentro del cilindro, además la forma del tornillo también influye en la potencia requerida para la extrusión y por ende en el calor generado en el proceso, dado que gran parte de la energía se libera en calor.

Figura 7: Corte longitudinal de un expeller estándar

Fuente: [T 01]

En la figura 7 se aprecia las tres secciones de un expeller estándar, la zona de alimentación, la zona de medición o compresión, la zona final o dosificadora. Desde la zona de alimentación hasta la zona dosificadora la compresión aumenta progresivamente y en ésta última es donde la mayoría de la energía mecánica es disipada, causando que la temperatura de las semillas se incremente rápidamente transformándola de un estado granular, a un estado de masa plástica, está masa estará compuesta de parte líquida y sólida, las cuales se separarán por medio de los agujeros en la camisa y a través del dado, respectivamente. [T 01]. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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2.1.4.2.

Expeller de tornillo doble

Un extrusor de tornillo doble consiste en dos husillos que giran ya sea en el mismo sentido o en sentido contrario, dentro de una misma camisa, esto permite una mejor mezcla de material y una mejor eficiencia en lo que respecta a la energía mecánica de entrada, sin embargo el diseño es bastante complejo en función de que teóricamente existen diferentes disposiciones de operación de los mismos, incluso existen modelos teóricos que en la realidad son imposibles de fabricar. En el diseño de estos tornillos la geometría variable no es posible dado que los dos tornillos deben ser solidarios entre sí, es decir, no se podría tener configuraciones cónicas en este tipo de expeller. En la presente investigación ha resultado escasa la información que respalde el diseño de este tipo de expeller, sin embargo, es importante mencionar que existen los mismos. De ahí que el principio de funcionamiento es similar que los tornillos simples, es decir, existen las tres zonas típicas de un expeller: alimentación, compresión y dosificación. Uno de los puntos que más se ha tomado en consideración es el hecho que al tener un expeller de este tipo, hay varias restricciones conocidas: a mas de necesitar un sistema motriz único se requiere una disposición compleja en el mecanismo motriz de ambos ejes, ya que los dos giran al mismo tiempo; además la posibilidad de tener dos tornillos duplica el costo de la máquina primero porque se necesita construir dos tornillos y segundo porque la camisa contenedora debe tener una disposición particular a la forma de los tornillos. [T 01]. Figura 8: Expeller de doble tornillo

Fuente: [T 01]

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2.1.4.3.

Parámetros geométricos del tornillo

Los parámetros geométricos son determinantes en el comportamiento del producto dentro de un expeller, por lo cual es necesario un análisis de los mismos, la forma del tornillo definirá a la máquina como extrusor de bajo, medio o alto corte. Un expeller en el cual el corte se va incrementando gradualmente, logra que el rango de humedad del producto disminuya y la temperatura del mismo aumente, dado que gran parte de la energía del motor de la máquina se transfiere en calor. El diseño del tornillo en su geometría define las características de operación del tornillo simple. [T 01].

Figura 9: Geometría típica de un tornillo extrusor

Fuente: [T 01]

2.1.4.4.

Zonas de trabajo de un expeller

Todas las extrusoras se consideran divididas en tres zonas que se pueden apreciar en la figura 10, junto con la evolución de la presión a lo largo de la extrusora. La zona de alimentación es la más cercana a la tolva, en la cual la profundidad del canal del tornillo es máxima. Tiene como objetivo principal compactar el alimento en una forma sólida densa y transportarlo hacia la siguiente zona a una velocidad adecuada. La zona de transición o compresión es la zona intermedia en la cual la profundidad del canal disminuye de modo más o menos gradual. Conforme el material sólido va compactándose en esta zona el aire que pudiera quedar atrapado escapa del material vía la tolva de alimentación. En la zona 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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de transición, además, tiene lugar la fusión del material. La zona de dosificado se sitúa al final, en la parte más cercana a la boquilla y tiene una profundidad de canal muy pequeña y constante. En este zona el material fundido es homogeneizado y presurizado para forzarlo a atravesar a presión la boquilla de conformado. Hay que tener presente que esta asignación de funciones a cada una de las zonas de la extrusora no es estricta; por ejemplo, el transporte, presurización y homogeneización se producen a lo largo de todo la extrusora. Las extrusoras actuales pueden operar entre 10 y 500 rpm y según su tamaño, pueden proporcionar caudales de 2000 kg/h de material. [T 02]. Figura 10: Zonas de una extrusora y evolución de la presión a lo largo de las mismas.

Fuente: [T 02]

2.1.4.5.

Descripción del funcionamiento de una extrusora expeller

En este apartado se describen los mecanismos por los que tienen lugar las funciones que puede realizar una extrusora.  Transporte (Zona de alimentación) El material sólido que se alimenta a una extrusora, se transporta en dos regiones que estudiaremos separadamente: en la tolva de alimentación y en la propia extrusora. o Transporte de sólidos en la tolva 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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El transporte de sólidos en la tolva es, en general, un flujo por gravedad de las partículas; el material se mueve hacia la parte inferior de la tolva por acción de su propio peso. Tanto las características del material como el diseño de la tolva influyen sobre el transporte de sólidos en esta parte de la máquina. Es mejor una tolva con sección circular que una tolva con sección cuadrada o rectangular (figura 11), ya que la compresión a que está sometido el material será diferente en algunas zonas dependiendo de la forma de la tolva. Las tolvas de sección circular ejercen una compresión gradual sobre el material mientras que las de sección cuadrada ejercen una compresión poco uniforme, pudiendo provocar que el material se detenga. Además, pueden tomarse precauciones como añadir un sistema vibratorio que ayude a eliminar el puente formado o incorporar agitadores para evitar que el material se deposite y consolide. [T 02].

Figura 11: Tipos de tolvas.

Fuente: [T 02]

Las características del material que influyen en el transporte del sólido en la tolva, son: • Densidad aparente: Es la densidad del material incluyendo el aire que hay entre sus partículas. Lógicamente, la densidad aparente del material siempre será inferior a la densidad real. 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Si la densidad aparente del material es excesivamente baja (no superior al 20 o 30% de la densidad real), el material dará problemas de fluidez puesto que para obtener un determinado caudal se necesitará alimentar un gran volumen de material. Resulta más fácil manipular materiales con una densidad aparente que no sea demasiado baja (alrededor del 60% de la densidad real). • Compresibilidad: Es el aumento que se produce en la densidad aparente de un plástico al presionarlo. Interesan materiales con factor de compresibilidad bajo, es decir que sufran un cambio pequeño en su densidad aparente al aplicarles presión. • Coeficiente de fricción: Se puede distinguir entre el coeficiente de fricción interno, que es la fricción existente entre las propias partículas del material, y el coeficiente de fricción externo, que es la fricción existente entre las partículas del pescado y la superficie del cilindro con la que está en contacto el pescado. Para tener un flujo en la tolva adecuado, interesa que estos dos coeficientes sean bajos, para lo que en ocasiones es necesario el empleo de lubricantes. • Distribución del tamaño de partícula de la granza (DTP): interesa que sea lo más uniforme posible, para evitar problemas de fluidez de la granza. Si el material presenta una DTP ancha, las partículas tenderán a empaquetarse, lo que dificultará el flujo de las mismas en la tolva. En general el flujo de material por gravedad que la tolva puede proporcionar es superior al necesario para la extrusión salvo en los casos en los que se produzca puenteado. [T 02]. o Transporte de sólidos en el cilindro En cuanto al transporte de sólidos dentro de la extrusora, una vez que el material sólido cae al interior del canal de la 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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extrusora, el mecanismo de transporte deja de estar controlado por la gravedad y se transforma en un transporte inducido por arrastre. Este tipo de flujo tiene lugar debajo de la tolva a lo largo del tornillo en una distancia relativamente corta. Una descripción cuantitativa del flujo del material sólido en la extrusora fue propuesta por Darnell y Mol en 1956 y la idea básica de su trabajo permanece aun hoy. Según estos autores hay dos fuerzas de fricción principales que actúan sobre la masa sólida: una en la superficie del cilindro y otra en la superficie del tornillo. La fuerza de fricción en la superficie del cilindro es la que genera el movimiento de la masa sólida hacia la salida de la extrusora, mientras que la fuerza de fricción en la superficie del tornillo es la fuerza retardante. El hecho de que la fuerza de fricción en la superficie del cilindro es la que genera el movimiento del sólido, que quizás es difícil de asumir intuitivamente, puede ser apreciado si se considera una situación extrema: Si la fuerza de fricción con la superficie del cilindro fuera cero y fuera alta con el tornillo, la masa sólida rotaría simplemente con el tornillo, y jamás se movería hacia adelante, de forma similar a como lo haría una tuerca sobre un tornillo que gira. Sin embargo si existe una fuerza de fricción suficientemente elevada con el cilindro y baja con el tornillo, en principio el material se moverá hacia adelante. De acuerdo con el modelo expuesto se puede mejorar el transporte de sólidos aumentando el coeficiente de fricción del material con el cilindro y disminuyéndolo con el tornillo. Para aumentar el coeficiente de fricción con el cilindro podría disminuirse la temperatura del mismo o de la garganta de alimentación. Otra posibilidad consiste en utilizar cilindros con superficies rugosas, esto es, empleando cilindros estriados

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Otra forma de mejorar el transporte de sólidos inducido por arrastre es disminuir la fricción entre el tornillo y el material. Para conseguirlo se podría aumentar la temperatura del tornillo, si bien esto es poco frecuente pues la mayoría de los tornillos son macizos, como se comentó anteriormente. En ocasiones

también

se

pueden

utilizar

tornillos

con

recubrimientos, generalmente de PTFE, con lo que además se consigue facilitar la limpieza de los mismos. En cuanto al diseño del tornillo hay que tener en cuenta lo siguiente: • El filete del tornillo debe ser simple, no doble. El filete doble produce una mayor fricción. • El ángulo de los filetes ha de ser grande. • El radio de los flancos del filete ha de ser lo más grandes posible. En la tabla 1 se muestran dos tornillos, el de la izquierda es de diseño adecuado desde el punto de vista del flujo del material sólido, de acuerdo con lo que se acaba de comentar.

Tabla 1: Diseño del tornillo para reducir el coeficiente de fricción entre el material y el tornillo

Fuente: [T 02]

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o Transporte en la zona de dosificado La zona de dosificado se inicia en el punto en que finaliza la fusión, es decir, en el punto en que todas las partículas del material han fundido. De hecho, la profundidad del canal es uniforme en la zona de dosificado, por lo que todo el lecho sólido debe haber desaparecido o en caso contrario el aire se eliminaría con mucha dificultad y podría quedar atrapado en el fundido. La zona de dosificado del fundido actúa como una simple bomba en la que el movimiento del material fundido hacia la salida de la extrusora se produce como resultado del giro del tornillo y de la configuración helicoidal del mismo. El estudio del movimiento de un material viscoso en el tornillo de una máquina de extrusión se simplifica considerando tres tipos distintos de flujo: el flujo de arrastre o de fricción, QD, que es debido a la fricción del material con el tornillo y con las paredes del cilindro, es el principal responsable del movimiento del material desde la tolva de alimentación hasta la boquilla; el flujo de presión o de retroceso, QP, opuesto al anterior y debido a la diferencia de presión entre la tolva y el cabezal de la máquina, presión esta última que es originada por la restricción que impone la boquilla o el plato rompedor. Finalmente, el flujo de pérdida o de fugas, que tiene lugar entre el cilindro y el filete del tornillo y es también opuesto al flujo de arrastre y originado por el gradiente de presión a lo largo del tornillo. La tolerancia radial de ajuste entre el tornillo y las paredes internas del cilindro es generalmente muy pequeña (del orden de 0,1 milímetros) y, por tanto, el flujo de pérdidas es mucho más pequeño que los dos mencionados anteriormente. El flujo total a lo largo del tornillo viene dado por la suma de los tres flujos anteriores: Qtotal = QD + QP + Qpérdida 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Una representación esquemática de la distribución de velocidades para cada tipo de flujo viene dada por las figuras 12, 13 y14. El flujo de arrastre tiene lugar debido a que el material fundido en el canal del tornillo se adhiere a las paredes internas del cilindro, que se mueven respecto al tornillo. Si solamente existiera el flujo de arrastre, el perfil de velocidades sería aproximadamente lineal (figura 12), y si la superficie en movimiento tuviera una velocidad V, la velocidad media de avance el material en el canal sería V/2. [T 02]. Figura 12: Perfil de velocidades originado por el flujo de arrastre

Fuente: [T 02]

El flujo de presión se debe, como ya se ha indicado, al gradiente de presión a lo largo del cilindro. La presión es mayor en el lado de la boquilla, y este gradiente de presión tiende a hacer que el material fluya hacia atrás a lo largo del canal del tornillo oponiéndose pues al flujo de arrastre y suponiendo un retroceso del material en el canal del tornillo. El perfil de velocidades debido a la existencia de un gradiente de presión es parabólico y se representa en la figura 13.

27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Figura 13: Perfil de velocidades debido al flujo de presión.

Fuente: [T 02]

El flujo de pérdidas es mucho menor que los dos anteriores y no es preciso considerarlo. El flujo total a lo largo del canal del tornillo es el resultado del flujo de avance y del de presión y su perfil

de

velocidades

puede

determinarse

sumando

algebraicamente los dos. Se ha representado en la figura 14. [T 02].

Figura 14: Perfil de velocidades del flujo total

Fuente: [T 02]

2.1.5. Automatización La automatización industrial (automatización: del griego antiguo auto, ‘guiado por uno mismo’) es el uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias o procesos industriales. Como una disciplina de la ingeniería más amplia que un sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores, los transmisores de campo, 28 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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los sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales. Existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la automatización. Ningún dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído humano. Cualquier persona puede identificar y distinguir mayor cantidad de esencias que cualquier dispositivo automático. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier expectativa de los ingenieros de automatización. [W07]

Figura 15. Automatización industrial

Fuente: [W 07]

2.1.5. Sistemas de Control Sistema de control es el conjunto de dispositivos que actúan juntos para lograr un objetivo de control.

29 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Figura 16. Esquema de Sistema de Control

Fuente: [W 08]

2.1.5.1. Sistemas de Control en Lazo Cerrado Aquellos en los que la señal de salida del sistema (variable controlada) tiene efecto directo sobre la acción de control (variable de control). Figura 17. Control en Lazo Cerrado

Fuente: [W 09]

2.1.5.2. Sistemas de Control en Lazo Abierto Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador. Ejemplo 1: el llenado de un tanque usando una manguera de jardín. Mientras que la llave siga abierta, el 30 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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agua fluirá. La altura del agua en el tanque no puede hacer que la llave se cierre y por tanto no nos sirve para un proceso que necesite de un control de contenido o concentración. Ejemplo 2: Al hacer una tostada, lo que hacemos es controlar el tiempo de tostado de ella misma entrando una variable (en este caso el grado de tostado que queremos). En definitiva, el que nosotros introducimos como parámetro es el tiempo. [W10] Figura 18. Control Lazo Abierto

Fuente: [W 09]

2.1.5.3. Control ON OFF Los controladores

«sí/no»,

también

llamados

de

«encendido/apagado» o «todo/nada», son los sistemas de control más básicos. Estos envían una señal de activación («sí», «encendido» o «1») cuando la señal de entrada es menor que un nivel de referencia (definido previamente), y desactivan la señal de salida («no», «apagado» o «0») cuando la señal de entrada es mayor que la señal de referencia. Los controladores «sí/no» son utilizados en termostatos de aire acondicionado.

Estos

activan

el

aire

frío

(«sí»)

cuando

la temperatura es mayor que la de referencia (la de preferencia del usuario) y lo desactivan («no») cuando la temperatura ya es menor (o igual) que la de referencia.

31 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Figura 19. Control ON-OFF

Fuente: [W 12]

2.1.5.4. Control PID Un controlador

PID es

un

mecanismo

de

control

por realimentación ampliamente usado en sistemas de control industrial. Este calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado. El algoritmo del control PID consiste de tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo. El valor Proporcional depende del error actual. El Integral depende de los errores pasados y el Derivativo es una predicción de los errores futuros. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso por medio de un elemento de control como la posición de una válvula de control o la potencia suministrada a un calentador. Cuando no se tiene conocimiento del proceso, históricamente se ha considerado que el controlador PID es el controlador más adecuado. Ajustando estas tres variables en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer una acción de control diseñado para los requerimientos del proceso en específico. La respuesta del controlador puede describirse en términos de la respuesta del control ante un error, el grado el cual el controlador sobrepasa el punto de ajuste, y el grado de oscilación del sistema. Nótese que el uso del PID para control no garantiza control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo. Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este sistema de control. Un controlador PID puede ser llamado 32 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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también PI, PD, P o I en la ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la acción de control. [W13]. Figura 20. Control PID

Fuente: [W 13]

2.2. Marco Conceptual 2.2.1 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 33 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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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. [W14].  Sensores de Humedad Existen varios tipos de Sensores de humedad, según el principio físico que siguen para realizar la cuantificación de la misma.

Tipos: -

Mecánicos: aprovechan los cambios de dimensiones que sufren ciertos tipos de materiales en presencia de la humedad. Como por ejemplo... fibras orgánicas o sintéticas, el cabello humano,...

-

Basados en sales higroscópicas: deducen el valor de la humedad en el ambiente a partir de una molécula cristalina que tiene mucha afinidad con la absorción de agua.

-

Por conductividad: la presencia de agua en un ambiente permite que a través de unas rejillas de oro circule una corriente. Ya que el agua es buena conductora de corriente. Según la medida de corriente se deduce el valor de la humedad.

-

Capacitivos: se basan sencillamente en el cambio de la capacidad que sufre un condensador en presencia de humedad.

-

Infrarrojos: estos disponen de 2 fuentes infrarrojas que lo que hacen es absorber parte de la radiación que contiene el vapor de agua.

-

Resistivos: aplican un principio de conductividad de la tierra. Es decir, cuanta más cantidad de agua hay en la muestra, más alta es la conductividad de la tierra.

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Figura 21. Sensor de Humedad

Fuente: [W 15] 2.2.2. Actuadores Los actuadores son dispositivos mecánicos que brindan la posibilidad de transformar energía para generar el funcionamiento dentro de un sistema automatizado determinado. Estos generan una fuerza a partir de distintos elementos, como puede ser energía eléctrica, líquido o bien en estado gaseoso los cuales son su fuente de energía

2.2.2.1. Variadores de Velocidad El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive). De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive, costumbre que se considera inadecuada. La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o casi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, 35 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc. Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad. [W16]. Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan: 

Operaciones más suaves.



Control de la aceleración.



Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso.



Compensación de variables en procesos variables.



Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.



Ajuste de la tasa de producción.



Permitir el posicionamiento de alta precisión.



Control del Par motor (torque). Figura. 22. Modelo de un variador de velocidad

Web: [W 16] 36 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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2.2.3. Controlador programable La arquitectura común de un controlador programable es la siguiente: a. Una sección de memoria que almacena la lógica (programa) del usuario en RAM, con un sistema CMOS RAM respaldado por batería, además del sistema ejecutivo en EPROM no volátil. b. El CPU que resuelve la lógica del programa usuario basado en los valores corrientes de las entradas almacenados en la memoria RAM, para actualizar los valores de las salidas en la memoria RAM. c. Un Procesador de Entradas /Salidas que dirige el flujo de las señales de entrada desde los módulos de entrada a la memoria RAM y provee el camino para las señales de salida provenientes de la solución del programa por el CPU y las envía a los módulos de salida. d. Un procesador de comunicaciones provisto de uno o más puertos de interfase. Estas interfaces permiten al controlador la comunicación con los dispositivos de programación, computadoras de monitoreo, herramientas de mano para el diagnóstico y otros dispositivos maestros, así como con otros PLC's y otros nodos en una red Modbus (o Modbus Plus). [W17] Figura 23. Controlador programable

Fuente: [W 17]

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2.2.4. Comunicación Industrial Hoy en día las comunicaciones industriales adquieren una gran importancia en nuestro sistema de automatización. Los equipos tienen la necesidad de comunicar entre sí de una manera segura y basándose en los últimos estándares de comunicación. En este punto, Siemens ofrece a sus clientes las mejores soluciones con la familia de equipos SCALANCE y trabajando con los estándares de comunicación más instalados en el mundo: PROFINET, INDUSTRIAL ETHERNET, PROFIBUS y AS-i. [W18]

Figura 24. Comunicación Industrial

Fuente: [W18]

2.2.5. Software LabVIEW LabVIEW (acrónimo

de

Laboratory

Virtual

Instrumentation

Engineering Workbench) es una plataforma y entorno de desarrollo para diseñar sistemas,

con

un

lenguaje

de programación visual

gráfico.

Recomendado para sistemas hardware y software de pruebas, control y diseño, simulado o real y embebido, pues acelera la productividad. El 38 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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lenguaje que usa se llama lenguaje G, donde la G simboliza que es lenguaje Gráfico. Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs, y su origen provenía del control de instrumentos, aunque hoy en día se ha expandido ampliamente no sólo al control de todo tipo de electrónica (Instrumentación electrónica) sino también a su programación embebida, comunicaciones, matemáticas, etc. Un lema tradicional de LabVIEW es:"La potencia está en el Software", que con la aparición de los sistemas multinúcleo se ha hecho aún más potente. Entre sus objetivos están el reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Pruebas, Control y Diseño) y el permitir la entrada a la informática a profesionales de cualquier otro campo. [W19].

2.2.6. SISTEMA SCADA Los sistemas SCADA, en su función de sistemas de control, dan una nueva característica de automatización que realmente pocos sistemas ofrecen: la de supervisión. Sistemas de control hay muchos y muy variados y todos, bien aplicados, ofrecen soluciones óptimas en entornos industriales. Lo que hace de los sistemas SCADA una herramienta diferenciativa es la característica de control supervisado. De hecho, la parte de control viene definida y supeditada, por el proceso a controlar, y en última instancia, por el hardware e instrumental de control (PLCs, controladores lógicos, armarios de control... ) o los algoritmos lógicos de control aplicados sobre la planta los cuales pueden existir previamente a la implantación del sistema SCADA, el cual se instalará sobre y en función de estos sistemas de control. (Otros sistemas SCADA pueden requerir o aprovechar el hecho que implantamos un nuevo sistema de automatización en la planta para cambiar u optimizar los sistemas de control previos.) En consecuencia, supervisamos el control de la planta y no solamente monitorizamos las variables que en un momento determinado están actuando sobre la planta; esto es, podemos actuar y variar las variables de control en tiempo real, algo que pocos sistemas permiten con la facilidad intuitiva que 39 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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dan los sistemas SCADA. Se puede definir la palabra supervisar como ejercer la inspección superior en determinados casos, ver con atención o cuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla permitiendo una acción sobre la cosa supervisada. La labor del supervisor representa una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y operativo; de ésta acción depende en gran medida garantizar la calidad y eficiencia del proceso que se desarrolla. En el supervisor descansa la responsabilidad de orientar o corregir las acciones que se desarrollan. Por lo tanto tenemos una toma de decisiones sobre las acciones de últimas de control por parte del supervisor, que en el caso de los sistemas SCADA, estas recaen sobre el operario. [20]

CAPÍTULO III: METODOLOGÍA

3.1. Procedimientos en la etapa de prensado en el proceso de elaboración de la harina de pescado Se hizo una investigación de los procedimientos a seguir en la etapa de prensado, encontrando que no existe una norma estándar, mas sólo procedimientos independientes por cada empresa, teniendo cada una de ellas sus propios parámetros de operación. Por tal motivo se muestra el procedimiento general, donde se describirá la secuencia de operaciones de la misma

3.1.1. Procedimiento general del prensado en la elaboración de harina de pescado El procedimiento general contiene además de las operaciones de prensado, indicaciones en lo concerniente a verificación de pre procesos y post procesos, por lo cual nosotros nos enfocaremos en las operaciones en la prensa y los elementos involucrados para su operación.

40 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Elementos principales Prensa  Realiza el proceso de prensado del pescado, como resultado a la salida se obtiene un producto de prensa llamado “queque de prensa”.  Lo que hace es separar mecánicamente la fase líquida del pescado, donde se evacúa agua y aceite. Figura 25: Imagen referencial de una prensa de pescado

Fuente: [W21]

Variador de velocidad  Realiza el avance de la masa de pescado a su vez que prensa el pescado que entra a la prensa.  La velocidad del motor tiene relación con el nivel de humedad a la salida de la prensa. Figura 26: Imagen referencial de un variador de velocidad

Fuente: [W21] 41 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Secuencia de operaciones en el prensado En la figura 27 se muestra el diagrama de flujo de la secuencia de operaciones del prensado en la elaboración de la harina de pescado.

Figura 27: Secuencia de operaciones en el prensado

Fuente: Elaboración propia

3.1.2. Procedimiento de Planta JADA S.A. - Chimbote El procedimiento de la planta JADA S.A. elaborados por el Área de Calidad son restringidos, sin embargo para el desarrollo de este sistema se hizo una excepción, acotando solo datos necesarios para la implementación del sistema de control de humedad en el prensado.

Operación de prensado en la Planta JADA S.A. - Chimbote  Previamente encender cocina y prestrainer.  Encender el variador que transporta y comparte la carga a las prensas N° 1 Y N°2.  La carga ingresa a la prensa Nº 1,2 de acuerdo a la cantidad de materia prima se va regulando la velocidad para empezar a prensar.

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 El proceso de prensado se controla en el tablero de mando digital que nos indica si subimos o bajamos la velocidad de acuerdo a la textura del queque de prensa obtenido  Para obtener un buen prensado las prensas deben trabajar con los rangos siguientes: o PRENSA Nº 1: 38 – 45 Hz o PRENSA Nº 2: 22 – 27 Hz  En la operación de prensado con los rangos indicado obtenemos un queque de prensa 42 – 45% de humedad.  El queque de prensa es recibido en un transportador colector en donde se adicionará concentrado a 35ºBrix.  En el transportador se mezclan el queque de prensa, el concentrado y la torta de separadora tomando el nombre de queque integral.

3.2.Acotaciones para el prensado Se mencionó en la realidad problemática que el método de control de humedad de forma manual en el prensado no es la más adecuada, así que para poder emular este procedimiento por una alternativa mejor que significa el medio automatizado, tendrá que cumplir los siguientes requisitos. - Mantener la humedad deseada de prensado ante diferentes cargas de pescado, mediante el control del variador de velocidad. - Responder antes los cambios de carga. - Almacenar los datos de humedad, rpm.

3.3.Métodos de control de humedad en el prensado El método usado actualmente en la planta como se pudo apreciar es manual, sin embargo se evaluaran si es suficiente con esta, o sería factible cambiarlo por una automática. Además se comparara estos dos métodos dándole pesos por sus características del 1-5 para cuantificar la comparación, siendo 1 la más desfavorable y 5 la más favorable. 43 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Teniendo como características a evaluar con sus pesos correspondientes:

Costo de implementación……………..……………………………….. (1) Esto se refiere el costo total de la implementación del sistema. Siendo para la empresa de menor relevancia, ya que los beneficios que podrían lograrse son más importantes y porque estos costos serian insignificantes en relación a los ingresos que genera la empresa. Mantenimiento del Sistema ………………….……………………… (2) Referente al tiempo, periodo y costo que se tendrá que proporcionar al nuevo sistema respecto a su mantenimiento. Tiempo de realización del trabajo …………………………………… (3) Se refiere al tiempo total que se tomará en hacer el prensado. Seguridad del trabajo …………………………………………………..(4) El riesgo que existe al realizar el proceso y los posibles peligros que esté expuesto el personal de la planta. Confiabilidad de su funcionamiento ………………………………… (5) En qué medida en sistema garantiza obtener los resultados más aproximados a los requeridos por la empresa.

3.3.1. Métodos manuales Este método consiste en hacer el muestro en su totalidad manualmente, ya sea por un operador y personal de laboratorio. Teniendo como características este método: Costo de implementación ……………..……………………………….. (4)

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Tiene una buena puntuación debido a que el sistema manual no requiere de componentes muy caros respecto a otros sistemas. Así que el costo sería mínimo. Tiempo de realización del trabajo ……………………………………… (3) Como se mencionó en la problemática, se tiene que hacer ajustes manuales, antes de iniciar el proceso de prensado propiamente dicho, esto en total lleva un tiempo moderado. Seguridad del trabajo ……………………………………………………..(4) El sistema es seguro, no se han registrado accidentes en planta en el área de cocinado, aunque pueden existir negligencias por parte del operador, el sistema no se considera muy peligroso Mantenimiento del Sistema ………………….………………………… (4) Existe un mantenimiento pero de muy bajo costo. Confiabilidad de su funcionamiento …………………………………… (3) El hecho que sea manual se sabe que es vulnerable a fallas por cansancio, fatiga del operador e incluso fallas del equipo a pesar de todos los controles y procedimientos estipulados.

3.3.2. Métodos automáticos Este es el método alternativo que contara con una intervención mínima de un operador, el cual será de dar el inicio al sistema de prensado. Teniendo como características este método: Costo de implementación ……………..……………………………….. (2) Tiene baja puntuación debido a que este sistema se tendría que implementar y crear procedimientos para su ejecución.

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Tiempo de realización del trabajo ……………………………………… (5) Debido a las características que tendría el funcionamiento del sistema reduciría el tiempo del proceso considerablemente. Seguridad del trabajo ……….……….…………………………………..(5) Esta tiene la mayor puntuación ya que no conlleva ningún riesgo al operador, lo único que aria es dar inicio al proceso. Mantenimiento del Sistema ………………….………………………… (2) Le asignamos un puntaje regular debido a que el costo de mantenimiento de los mecanismos de automatización del sistema son ligeramente elevados respecto al modo manual. Confiabilidad de su funcionamiento …………………………………… (5) Debido a que el sistema al ser un proceso automatizado se presume un alto nivel de precisión en los niveles de humedad.

3.3.3. Elección de método de control de humedad en el prensado Se elaboró un cuadro comparativo con los pesos respectivos de cada característica y de cada método de control de humedad, mostrando así el siguiente resultado:

Tabla 2: Cuadro comparativo para elección de método de control de humedad en el prensado

Cuadro comparativo Costo de implementación (CI) Tiempo de realización del trabajo (TT) Seguridad del trabajo (ST) Mantenimiento del Sistema (MS) Confiabilidad de su funcionamiento (CF) Total

1 3 4 2 5

Método manual 4 3 4 4 3

Sub total 4 9 16 8 15 52

Método Subtotal automático 2 2 5 15 5 20 2 4 5 25 66

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Como se puede apreciar el que obtuvo mayor puntuación es la del Método automático a pesar de no resaltar en dos características. Esto se debe a que la confiabilidad y seguridad del trabajo en un sistema cumplen los roles más importante en todo proceso. Siendo el método manual poco confiable en la actualidad.

3.3.4. Tipos de control automático de humedad en el prensado Para realizar el control automático de humedad en el prensado pueden existir muchas alternativas, sin embargo se propondrán cuatro las cuales son propuestas por el autor. Se mostraran las características que gobiernan su funcionamiento y se evaluarán algunos parámetros para la elección de la más idónea. 3.3.4.1.

Control Proporcional (P) de la humedad en el prensado Es el más sencillo de los distintos tipos de control y consiste en

amplificar la señal de error antes de aplicarla a la planta o proceso. El control proporcional es en realidad un amplificador de ganancia ajustable. Este control reduce el tiempo de subida, incrementa en sobretiro y reduce el error en estado estable. Se define como: 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝. 𝑒(𝑡) En este caso, asumimos que un incremento en la señal de salida enviada al variador tiene como consecuencia un incremento en la velocidad del motor, y por tanto un cambio en el nivel de humedad. Figura28: Diagrama de control proporcional

Fuente: [W21] 47 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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La figura 28 nos muestra una respuesta proporcional ante una entrada de tipo pulso unitario. Nótese el tiempo de subida corto pero los sobrepicos y el tiempo de estabilización altos.

3.3.4.2

Control Proporcional-Integral (PI) de la humedad en el prensado El control proporcional integral (PI) decrementa el tiempo de

subida, incrementa el sobre impulso y el tiempo de establecimiento y tiene el efecto de eliminar el error de estado estacionario. La acción proporcional integral se define mediante: 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝. 𝑒(𝑡) +

𝐾𝑝 . ∫ 𝑒(𝑡) 𝑇𝑖

El controlador Integral (I) multiplica el error integral (la suma de todos los errores en el tiempo) por una constante de control. El PI es la suma del controlador P y el controlador I. Figura 29: Diagrama de control proporcional integral ante diferentes constantes

Fuente: [W 21]

48 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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3.3.4.3

Control Proporcional Integral Derivativo (PID) de la humedad en el prensado La combinación de una acción de control Proporcional, una

acción de control Integral y una acción de control Derivativo se denomina acción de control Proporcional Integral Derivativo. Ésta acción combinada tiene las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La siguiente tabla resume las características de los controles mencionados.

Tabla 3: Resumen de las características de control

Fuente: [W 21]

Hay que señalar que las correlaciones de la tabla sólo deben ser tomadas como referencia debido a que Kp, Ki, y Kd son dependientes entre sí. La relación entre la salida del controlador u(t) y la señal de error e(t) de la acción de PID está dada por:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝. 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑝. 𝑇𝑑.

𝑑𝑒(𝑡) 𝐾𝑝 + . ∫ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 𝑇𝑖

Donde Kp es la ganancia proporcional, Ti es el tiempo integral y Td es el tiempo derivativo.

3.3.5. Elección del tipo de control de humedad automático Habiendo presentado las tres alternativas posibles de automatización evaluaremos sus características según criterios que involucran las 49 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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propiedades de cada tipo de control, evaluando cuál se ajusta a las características del sistema a controlar, en este caso el control de humedad en el proceso del prensado. Primero para la selección del control de humedad presentamos en la siguiente tabla una leyenda de los pesos que se le otorgarán a cada directriz que se tomará en cuenta para la selección de acuerdo al grado de importancia en el sistema.

Tabla 4: Leyenda de pesos asignados a las directrices de evaluación

Puntaje de peso Significado

1 2 3 4

Se puede tolerar De regular importancia Importante Muy Importante

Hay que indicar que de acuerdo a un análisis de las necesidades y funcionalidad que debe tener el sistema, apreciadas durante el período de trabajo en planta, determinamos que se desea una respuesta relativamente rápida con tiempos de subida y de establecimientos cortos, cercanos al minuto y medio, sin darle mucha prioridad al sobreimpulso y siendo tolerantes con el error en estado estacionario. Con ello se presentan las directrices de diseño tomadas en cuenta para la selección del método de control para nuestro sistema.

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Tabla 5: Principios y directrices generales para el diseño del control de humedad Directriz Tiempo de subida Sobreimpulso Tiempo de establecimiento Error en estado estacionario

Descripción Pesos Es el tiempo para que la salida alcance el valor del valor 3 deseado (Set Point). Es el valor pico máximo de la curva de respuesta 1 medido a partir del valor deseado (set point) Tiempo que se requiere para que la respuesta alcance un valor estable y aproximado al valor deseado. Es la diferencia entre el valor de la respuesta una vez estabilizada y el valor deseado (set point)

4 2

Posteriormente se hará la evaluación de cada método de control asignándole un puntaje a cada directriz de acuerdo a la evaluación mediante la siguiente tabla.

Tabla 6: Puntaje y criterio de las directrices generales para el diseño del control de humedad

Directrices de evaluación Puntaje

Tiempo de subida

Sobreimpulso

1

Aumenta

Aumenta

2

No tiene mayor cambio

No tiene mayor cambio

3

Reduce

Reduce

4

Lo reduce notablemente

Lo reduce notablemente

Tiempo de establecimiento

Error en estado estacionario

Aumenta

Aumenta notablemente

No tiene mayor cambio

No tiene mayor cambio

Reduce

Reduce

Lo reduce notablemente

Elimina

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3.3.5.1.

Evaluación Control P de control de humedad en el prensado Ahora teniendo presente las características de control a considerar

y el requerimiento del sistema, evaluaremos las directrices expuestas en el capítulo anterior. Tiempo de subida……………………….….……………………………… (4) A mayor constante proporcional decrece enormemente el tiempo de subida. Sobreimpulso……………………………………………….....…………… (1) No es muy conveniente debido a que aumenta los sobrepicos conforme aumenta la constante proporcional. Tiempo de establecimiento……….………………………………………….(2) No tiene grandes cambios en el tiempo de establecimiento. Error en estado estacionario………………………………………………… (4) Elimina el error.

3.3.5.1.

Evaluación Control PI de control de humedad en el prensado Este sistema está compuesto además del control proporcional, de la acción integral, lo cual genera nuevas características.

Tiempo de subida……………………….….……………………………… (4) A mayor constante proporcional decrece el tiempo de subida, lo cual nos interesa.

Sobreimpulso……………………………………………….....…………….(2) No es muy conveniente debido a que aumenta los sobrepicos conforme aumenta la constante proporcional, aunque eso no es muy relevante en nuestro sistema.

52 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Tiempo de establecimiento……….………………………………………….(2) No se nota un cambio significativo en el tiempo de establecimiento. Error en estado estacionario………………………………………………… (4) Elimina del todo el error en estado estacionario.

3.3.5.3

Evaluación Control PID de control de humedad en el prensado Este sistema está compuesto de las 3 acciones de control proporcional, de la acción integral, lo cual genera nuevas características. Tiempo de subida……………………….….……………………………… (2) No tiene cambios significativos. Sobreimpulso……………………………………………….....…………….(4) Debido a la acción derivativa, disminuye los sobreimpulsos. Tiempo de establecimiento……….………………………………………….(4) Disminuye el tiempo de establecimiento. Error en estado estacionario………………………………………………… (4) Elimina del todo el error en estado estacionario.

Tabla 7: Evaluación de las diferentes técnicas de control

Cuadro comparativo

Control P

Sub total Control PI Sub total

Control PID Sub total

Tiempo de subida 3

3

9

4

12

2

6

1

1

1

2

2

4

4

4

2

8

2

8

4

16

2

4

8

4

8

4

8

Sobreimpulsos Tiempo de establecimiento Error en estado estacionario

53 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Total

-

26

-

30

34

-

De la tabla 7 se muestra que para implementar el sistema automatizado el elegido es el control PID de humedad en el proceso de prensado. Esto se debe a reúne las características deseadas por el proceso que se refleja en el puntaje obtenido en el análisis.

3.4.Componentes para la automatización 3.4.1. Elección de componentes Se

evaluaran

los

componentes

más

importantes

para

la

implementación del sistema de control de humedad, para lo cual se hará un cuadro comparativo entre 2 componentes más representativos que puedan cumplir su respectiva función. 3.4.1.1.

Elección de controlador lógico programable (PLC) Para nuestro controlador lógico programable se requiere que

tengan las siguientes características: 

10 salidas digitales como mínimo



5 entradas digitales como mínimo



3 entadas analógicas como mínimo



2 salidas analógicas como mínimo



Alimentación 24Vdc (no indispensable)



Protocolo de comunicación

Este es el cerebro que gobernara todo el automatismo, y teniendo como equipos al S-7 1212C DC/DC/DC de Siemens y el Twido LCAA10DRF de Schneider, se hace una comparación

54 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Figura 30: Imagen del PLC de Siemens y Schneider

Fuente: [Elaboración Propia]

Tabla 8: Cuadro comparativo de características de PLC Marca Nombre PLC Numero de E/S digitales Numero de entrada digital

Salidas analógicas

Entradas analógicas Tensión de entrada digital Tipo de voltaje entrada Número de salidas digitales Tensión de alimentación

Siemens S-7 1212C 14 8 1, con posibilidad de aumentar con modulo expandible 2, con posibilidad de aumentar con modulo expandible 24V DC 6 transistor (24VDC) 24V DC Integrado PROFINET

Tipo de conexión integrada

Precio aprox.

S/.1,000

Schneider LCAA10DRF 10 6 1, con posibilidad de aumentar con modulo expandible 1, con posibilidad de aumentar con modulo expandible 24V DC 4 relé 100-240V AC Enlace serie sin aislar Modbus de carácter maestro/esclavo S/.840

Del cuadro comparativo concluimos que para nuestra aplicación la más idónea seria la Siemens, ya que a pesar que su costo es un poco mayor, tiene otras características a favor como el número de salidas, ya que podría controlar a futuro más componentes simultáneos, además del tipo de 55 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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comunicación, ya que en la Planta JADA tiene varios equipos Siemens y facilita la comunicación.

3.4.1.2.

Elección del transmisor de humedad

Nuestro transmisor de humedad debe de tener las siguientes funcionalidades: 

Inoxidable



Ideal para materiales granulosos



Alimentación Vdc



Mínimo

una

salida

analógica

4-20mA

(preferentemente) 

Mínimo una salida digital y salida digital



Medición hasta la saturación (no indispensable)



Protocolo de Comunicación

Se procede a hacer un cuadro comparativo con dos marcas de transmisores de humedad del mercado. Tabla 9: Cuadro comparativo de transmisores de humedad Marca Modelo Fabricación Salidas analógicas E/S digitales Rango de humedad Fuente de alimentación Interfaces Precio

Hydronix OPTISONIC 3400 Acero inoxidable 02 (4-20mA) 02 Medirá hasta saturación del material 15 a 30 VC Ethernet 3500

Sensovant EE364 Acero inoxidable 02 (4-20mA) 01 Medicion de la actividad de agua (aw) 0…1 aw 10 a 28 VC Modbus RTU 3200

Para la elección del transmisor de humedad se procedió a elegir al transmisor de humedad de la marca Hydronix por mayor catidad de E/S digitales, porque en el catálogo indican experiencias de trabajo anteriores con harina de pescad, porque miden hasta el punto de rocío y porque se puede 56 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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montar estáticamente en mezcladoras como es el caso de la salida de la prensa.

Figura31: Imagen del transmisor de humedad

Fuente: [Elaboración Propia]

3.4.1.3.

Elección del variador de velocidad

El variador de velocidad a elegir debe cumplir con las siguientes funcionalidades: 

Potencia para un motor de 75 HP



Alimentación 440 Vac trifásico



Frecuencia 60 Hz



Mínimo

una

salida

analógica

4-20mA

(preferentemente) 

Mínimo 2 entradas analógicas 0-10V/ 4-20mA (para orden de variación de velocidad)



Mínimo 5 entradas digitales (para encendido, apagado e inversión de giro)



Mínimo 3 Salidas digitales (para indicadores de estado)



Protocolo de comunicación

De acuerdo a estas funcionalidades es que se hace la comparación de dos marcas de variadores de velocidad disponibles en el mercado.

57 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Tabla 10: Cuadro comparativo de variadores de velocidad

Marca Modelo Par motor Voltaje de entrada Frecuencia Entradas analógicas - Señal de tensión Señal de corriente Salidas analógicas Señal de corriente - Entrada digital - Salida digital Comunicación

Siemens Micromaster 440 75HP Trifásica, 380 a 480 V 47 a 63 Hz 02 0(2) a 10 V 0 (4) a 20 mA 02 0 (4) a 20 mA 06 03 PROFINET

Schneider Electric Altivar 71 75HP Trifásica, 480 V 47 a 63 Hz 02 0(2) a 10 V 0 (4) a 20 mA 01 0 (4) a 20 mA 07 02 Modbus

Para la elección del variador de velocidad se procedió a elegir el variador de velocidad Siemens además de las características mencionadas en el cuadro anterior debemos tener en cuenta la comunicación entre componentes no presente inconvenientes ya que también se empleará un PLC de la marca Siemens.

Figura 32: Imagen de los variadores de velocidad

Fuente: [Elaboración Propia]

3.4.1.4.

Elección del caudalímetro

El caudalímetro en nuestro sistema propuesto cumple la función de seguridad al enviar información de la cantidad de fase líquida que se extrae en el prensado, que sigue un procesamiento posterior al prensado, debiendo ser 58 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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ésta cantidad, una cantidad menor a la capacidad de procesamiento de la planta ya que ha ocurrido casos donde se extrae mucha fase líquida que sobrepasa la capacidad de procesamiento por lo cual se debe parar el proceso. Además de ello debe presentar las siguientes características: 

Inoxidable



Temperatura de trabajo alrededor de 100°C



Mínimo

una

salida

analógica

4-20mA

(preferentemente) 

Velocidad de flujo mínima de 3 m/s (dato promedio de planta)



Presión de trabajo mínima de 3 bar

Con los datos descritos anteriormente se procedió a elegir el caudalímetro de la marca Siemens el SITRANS F M MAG 3100 además de las características mencionadas a continuación donde el error de precisión es lo menor posible y el rango de medida se adecúa a nuestro sistema.

Tabla 11: Cuadro comparativo de caudalímetros Marca Modelo

Siemens SITRANS F M MAG 3100 Material Acero al carbono con revestimiento epoxi Precisión del medidor 0.2%± 2.5 mm/s Presión de servicio Max 16 bar Temperatura operativas -10 a 120oC Rango de medida 0 a 10 m/s Salida 4 a 20 mA

U-ideal 90261000 Acero inoxidable +/- 1%, +/- 1,5% Max 10 bar -40 a 150 oC 0 a 5 m/s 4 a 20 mA

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Figura 33: Imagen de los caudalímetros comparados

Fuente: [Elaboración Propia]

3.5.Desarrollo del sistema automático de control de humedad del prensado 3.5.1. Costos de Implementación Tabla 12: Cuadro costos de implementación Item

Descripción

1 Tablero Inoxidable 500x400x200 mm 2 Interruptor térmico de 2A. 3 Fuente Siemens S7 24V DC STEP 7 Professional V12, Trial License (15 4 días). 5 PLC Siemens S7-1200 24V DC. 6 Sensor de humedad 7 Cable Ethernet 8 Conectores RJ45 9 Variador de Velocidad 10 Transmisor de caudal 11 Sirena de alarma 24V DC 12 Portafusible 13 Fusibles 14 Relés de 24V DC 15 Cables eléctricos para control de 16 AWG. Conector de terminales eléctricos tubulares 16 E7508 17 Riel Din de 35 mm. 18 Canaleta de plástico para cables 18x13 mm. 19 Borneras PVC de 10A. Total (S/.)

Precio Total Unitario 1 400 400 1 65 65 1 450 450

Cantidad

1 1 2 1 2 1 1 1 2 2 1 5

150

150

940 940 13530 27060 2 2 1 2 20460 20460 4880 4880 25 25 19 38 15 30 74 74 1 5

50

0.1

5

1 2 8

25 12 1

25 24 8 54643

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3.5.2. Diagrama de Proceso e Instrumentación (P&ID) Se diseñó el P&ID del proceso de prensado, con este diagrama es muy fácil entender cada uno de los procesos seguidos en una instalación, sus códigos, sus modos de funcionamiento, las señales de alarma, la instrumentación, etc. Con estos planos se facilitan las siguientes actividades: -Es posible investigar un mal funcionamiento o una avería -Es fácil encontrar una señal, conocer por qué un equipo no se pone en marcha, o conocer por qué se ha disparado una alarma - Es más fácil elaborar el plan de mantenimiento de la planta, ya que todos los elementos mantenibles están reflejados en estos planos. A partir de ellos es posible elaborar la estructura jerárquica o árbol jerárquico de equipos y distinguir entre elementos mantenibles y no mantenibles. El plano se adjunta en el ANEXO A.

3.5.3

Diagrama de la arquitectura de programación Se presenta diagrama de la arquitectura de programación planteada,

donde se puede apreciar la disposición de los elementos y la jerarquía dentro del sistema automatizado. (ANEXO B).

3.5.4

Matriz Causa Efecto Se propuso una pequeña matriz de causa efecto, donde se aprecia de

manera tabulada los niveles, alarmas y acciones de seguridad del sistema automatizado de prensado.

Tabla 13: Matriz causa efecto

PRENSA 25 TN/H Transmisor de Humedad Transmisor

High

ALARMAS High High Low 60 %

5 l/min

Low Low

ORDEN Variador Variador de prensa de cocina S

S

S

S 61

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de Flujo Transmisor de temperatura

70°C

40° C

S

S

3.5.3. Análisis matemático en la prensa de pescado La prensa de pescado se comporta como un tornillo sinfín que es accionado mediante un motor, de esta manera realiza un avance del pescado por toda la prensa aumentando progresivamente la presión hasta la salida del material. A continuación se hará un análisis de la prensa tratando de obtener una ecuación que involucre las principales variables, como porcentaje de humedad a la salida y la velocidad del motor. Se muestra un diagrama de las distintas zonas de prensado, en la zona 1, se produce el ingreso del pescado, la zona 2 representa la salida de la fase líquida (agua y aceite) obtenida después del prensado y la zona 3 indica el flujo másico de salida del pescado prensado (queque de prensa). Figura 34: Esquema de la prensa

Fuente: [Elaboración Propia]

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Leyenda: 𝑚̇𝑒 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚̇𝑠 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑥𝑡 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑎 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑛𝑡 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚̇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑡 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛𝑡 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚̇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑥𝑡 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑥𝑡 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎í𝑑𝑜 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑙 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑚̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑙 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑚á𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

Ecuación principal mediante balance de masas en la prensa: 

𝑚̇𝑒 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛𝑡 + 𝑚̇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑡 + 𝑚̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡 … (1) Pero la fase líquida es conformada por el agua y el aceite del pescado cocinado



𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑛𝑡 = 𝑚̇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑡 + 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛𝑡 … (2) Luego:



𝑚̇𝑒 = 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑛𝑡 + 𝑚̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡 … (3)



𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑥𝑡 = 𝑚̇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑒𝑥𝑡 + 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑥𝑡 … (4)



𝑚̇𝑠 = 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑙 + 𝑚̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑙 … (5) Pero análogo a la masa de entrada tenemos:



𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑙 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑠𝑎𝑙 + 𝑚̇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑠𝑎𝑙 … (6)



𝑚̇𝑒 = 𝑚̇𝑠 + 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑥𝑡 … (7) Reemplazando: (3) y (5) en (7) 63

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𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑛𝑡 + 𝑚̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑡 = 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑙 + 𝑚̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑙 + 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑥𝑡 Como durante el proceso asumimos que solo se extrae fase líquida, asumimos: 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑛𝑡 = 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑙 + 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑥𝑡 Además se conoce que la fase líquida de entrada es cercana al 60% de la masa total de entrada, asumimos: 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑛𝑡 ≅ 0,6𝑚̇𝑒 Luego: 0,6𝑚̇𝑒 = 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑙 + 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑥𝑡 0,6𝑚̇𝑒 − 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑥𝑡 = 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑠𝑎𝑙 … (8) El porcentaje de humedad (%H) a la salida es igual a: %𝐻 =

𝑚̇𝑙𝑖𝑞

𝑠𝑎𝑙

𝑚̇𝑠

… (9)

Reemplazando (8) en (9) %𝐻 =

0,6𝑚̇𝑒−𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑚̇𝑠

𝑒𝑥𝑡

… (10)

Además: 𝑚̇𝑙𝑖𝑞 𝑒𝑥𝑡 = 𝑚̇𝑒 − 𝑚̇𝑠 … (11) Reemplazando (11) en (10) %𝐻 =

0,6𝑚̇𝑒 − (𝑚̇𝑒 − 𝑚̇𝑠 ) 𝑚̇𝑠

%𝐻 =

𝑚̇𝑠 −0,4𝑚̇𝑒 𝑚̇𝑠

… (12)

Analizando el helicoide de la prensa como un tornillo de potencia, se tiene que para todo tornillo de potencia la fuerza F de empuje está dada por: 𝐹=

𝑇𝑜 . 2𝜋 𝑙

Donde: 𝑇𝑜 : 𝑃𝑎𝑟 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑣𝑎𝑟 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑠𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑙: 𝑃𝑎𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜

Haciendo un análisis del flujo de pescado y considerándolo como: 1.- Flujo permanente 64 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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2.- Flujo incompresible 3.- No deformable Luego de la ecuación de cantidad de movimiento en un volumen de control ∑ 𝐹̅ =

𝜕 (∭ 𝜌𝑉̅ 𝑑𝑉̅ ) + ∬ 𝜌𝑉̅1 (𝑉̅1. 𝑛̅1 )𝑑𝐴1 + ∬ 𝜌𝑉̅2 (𝑉̅2 . 𝑛̅2 )𝑑𝐴2 𝜕𝑡 𝐴1

𝐴2

+ ∬ 𝜌𝑉̅3 (𝑉̅3 . 𝑛̅3 )𝑑𝐴3 𝐴3

En la dirección horizontal y con las condiciones antes mencionadas: ∑ 𝐹̅ = ∬ 𝜌𝑉̅3 (𝑉̅3 . 𝑛̅3 )𝑑𝐴3 𝐴3

𝐹𝑝 = 𝑚̇𝑠 . 𝑉3 𝑉3 : 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑉𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 ≅ 𝑉𝑎𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑉𝑎𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 = 𝑙. 𝑛 Donde: 𝑙: 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑛: 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑒𝑛 𝑅𝑃𝑀

Despejando: 𝑚̇𝑠 =

𝐹𝑝 𝑙. 𝑛

Donde: 𝐹𝑝 = 𝐹 =

𝑇𝑜 . 2𝜋 𝑙

Luego: 𝑚̇𝑠 =

𝑇𝑜 .2𝜋 𝑙2 .𝑛

… (13)

Reemplazando (13) en (12), tenemos: 𝑇𝑜 . 2𝜋 − 0,4𝑚̇𝑒 2 𝐻 = 𝑙 .𝑛 𝑇𝑜 . 2𝜋 𝑙2. 𝑛 65 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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𝐻 =1−

0,4𝑚̇𝑒 . 𝑙 2 . 𝑛 𝑇𝑜 . 2𝜋

Se sabe también que: 𝑇𝑜 =

𝑃𝑜𝑡𝐻𝑝 . 7120,91 𝑛

Remplazando: 𝐻 = 1−

0,4𝑚̇𝑒 . 𝑙 2 . 𝑛2 𝑃𝑜𝑡𝐻𝑃. 2𝜋

Con los datos: l=0.27; Pot= 70HP, se llega a la ecuación final: ̇ 𝑯 = 𝟏 − 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟗𝟑𝟏. 𝒎 𝒆 . 𝒏𝟐 Con %H = Hx100% Con ésta ecuación vamos a obtener gráficas a distintos flujos másicos de entrada constantes y observar el comportamiento de la humedad respecto a la velocidad en RPM de la prensa. Introducimos la ecuación en Excel y tenemos los siguientes datos:

Tabla 14: Tabla de datos obtenida a masas de pescado constante RPM prensa %Humedad1 %Humedad2 %Humedad3 %Humedad4 %Humedad5 1800 28.7818516 32.9747032 37.1675548 41.3604064 45.553258 1790 29.5709663 33.71736 37.8637538 42.0101476 46.1565413 1780 30.3556848 34.4558795 38.5560743 42.656269 46.7564638 1770 31.1360071 35.1902616 39.2445162 43.2987707 47.3530253 1760 31.9119332 35.9205064 39.9290796 43.9376527 47.9462259 1750 32.6834631 36.6466138 40.6097644 44.572915 48.5360656 1740 33.4505969 37.3685838 41.2865707 45.2045575 49.1225444 1730 34.2133345 38.0864164 41.9594984 45.8325803 49.7056623 1720 34.9716759 38.8001117 42.6285476 46.4569834 50.2854193 1710 35.7256211 39.5096696 43.2937182 47.0777668 50.8618153 1700 36.4751701 40.2150902 43.9550103 47.6949304 51.4348505 1690 37.2203229 40.9163734 44.6124238 48.3084743 52.0045247 1680 37.9610796 41.6135192 45.2659588 48.9183985 52.5708381

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1670 1660 1650 1640 1630 1620 1610 1600 1590 1580 1570 1540 1530 1520 1510 1500 1490 1480 1470 1460 1450 1440 1430 1420 1410 1400

38.6974401 39.4294044 40.1569725 40.8801445 41.5989202 42.3132998 43.0232832 43.7288704 44.4300614 45.1268563 45.8192549 47.8700738 48.5448878 49.2153055 49.8813271 50.5429525 51.2001817 51.8530147 52.5014516 53.1454922 53.7851367 54.420385 55.0512371 55.6776931 56.2997528 56.9174164

42.3065277 42.9953988 43.6801326 44.3607289 45.0371879 45.7095096 46.3776939 47.0417408 47.7016504 48.3574226 49.0090574 50.9391377 51.5742231 52.2051711 52.8319817 53.454655 54.0731909 54.6875895 55.2978507 55.9039745 56.505961 57.10381 57.6975218 58.2870962 58.8725332 59.4538328

45.9156153 46.5613932 47.2032926 47.8413134 48.4754557 49.1057194 49.7321046 50.3546112 50.9732393 51.5879888 52.1988598 54.0082015 54.6035583 55.1950366 55.7826363 56.3663575 56.9462001 57.5221642 58.0942497 58.6624567 59.2267852 59.7872351 60.3438064 60.8964992 61.4453135 61.9902492

49.5247029 50.1273876 50.7264526 51.3218979 51.9137234 52.5019292 53.0865153 53.6674816 54.2448282 54.8185551 55.3886623 57.0772654 57.6328936 58.1849021 58.7332909 59.27806 59.8192093 60.3567389 60.8906488 61.420939 61.9476094 62.4706601 62.9900911 63.5059023 64.0180938 64.5266656

53.1337905 53.693382 54.2496126 54.8024823 55.3519911 55.898139 56.4409259 56.980352 57.5164171 58.0491214 58.5784647 60.1463292 60.6622289 61.1747677 61.6839455 62.1897625 62.6922185 63.1913137 63.6870479 64.1794212 64.6684336 65.1540851 65.6363757 66.1153054 66.5908741 67.063082

Donde: 

%Humedad 1 se obtuvo con un flujo másico de 85 Tn/h



%Humedad 2 se obtuvo con un flujo másico de 80 Tn/h



%Humedad 3 se obtuvo con un flujo másico de 75 Tn/h



%Humedad 4 se obtuvo con un flujo másico de 70 Tn/h



%Humedad 5 se obtuvo con un flujo másico de 65 Tn/h

Con lo cual se obtuvo la siguiente gráfica:

67 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Figura 35: Gráfica obtenida de los datos de la tabla 14

Fuente: [Excel]

De esta forma se puede apreciar que a mayor velocidad del helicoide de la prensa, se obtiene menor porcentaje de humedad, y a mayor flujo másico de pescado de entrada manteniendo constante la velocidad de giro, la humedad aumenta. Además

hay

que

señalar

que

estas

velocidades

obtenidas

teóricamente, son aproximadas debido a que no se han considerado factores como rozamiento, calidad de la materia prima, factores de corrección, y otras variables que alteran la ecuación. 3.5.4. Desarrollo del simulador de control de humedad en Labview

El desarrollo de esta simulación tiene como finalidad ver el comportamiento en tiempo real de control de humedad en el prensado. Teniendo como variable independiente la velocidad del motor, se desea obtener la relación con la variable independiente humedad.

68 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Existen otros factores como la viscosidad del pescado, la compresibilidad, el tiempo de retención, la calidad de la materia prima, entre otras variables que intervienen como entradas en conjunto con la velocidad del motor, para obtener una ecuación que tenga la humedad como variable de salida. Éstas variables son muy difíciles de controlar y es complicado obtener una ecuación exacta que involucre estos factores. En la planta JADA S.A. los datos de humedad se obtienen de forma empírica al ingresar diferentes valores de velocidad y controlarlo de forma manual hasta obtener la humedad deseada. Dichos valores son registrados en una tabla de “Control de Humedad del proceso” que el operario va ingresando durante el proceso de prensado. Se muestra un modelo de tabla de ingreso de datos en el ANEXO C. Utilizando estos datos de registro de humedad y velocidad del motor, tabulamos los datos. Una muestra de los datos extraídos de los registros se detalla en la figura 36.

Figura 36 .Datos de humedad vs rpm del proceso

Fuente: [Excel]

Se aprecia que humedad y velocidad del motor son inversamente proporcionales pero no hay una relación exacta entre dichas variables, es 69 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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decir, no existe un valor preciso de humedad para un valor exacto de velocidad del motor.

3.5.4.1.

Ecuación experimental obtenida de los datos de tablas de registro de humedad de planta Se tuvo acceso a veinte tablas de registro de datos de humedad

de planta, con ello se tabularon los datos en Microsoft Excel y se graficaron. Las figuras muestran algunas gráficas del comportamiento de la humedad ante una velocidad dada, mostrándose todos los datos en el ANEXO E.

Figura 37.Datos de humedad vs rpm de un proceso

Fuente: [Excel]

Figura 38.Datos de humedad vs rpm del proceso

Fuente: [Excel]

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Teniendo los datos tabulados y aplicando la opción de tendencia lineal, se obtuvo una ecuación aproximada basada en datos experimentales. Figura 39.Tendencia lineal de los datos

Fuente: [Excel]

Finalmente la ecuación experimental toma la forma: %𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 = −0,8776 ∗ (𝑅𝑃𝑀 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟) + 48,285

3.5.4.2.

Programa creado en Labview en función de la ecuación experimental Una vez obtenida una ecuación aproximada en base a la relación

experimental basada en datos de registro de planta, con ayuda del software Labview se programa para ingresar valores de velocidad del motor y obtener la salida en porcentaje de humedad. Figura 40.Programa para simulación de los valores

Fuente: [Labview]

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De esta manera obtenemos el rango de humedad en el que trabaja la prensa en diferentes condiciones de velocidad. 3.5.4.3.

Interface de usuario para la simulación en Labview La interface de simulación también se muestra en la figura,

contiene los rangos de velocidades manipulables del sistema para la simulación del prensado. Pudiendo así probar con diferentes velocidades del motor, la respuesta en porcentaje de humedad a la salida y obtener un mejor panorama de la relación que existe entre estas variables. Figura 41.Interfaz del programa de simulación de datos

Fuente: [Labview]

3.5.5. Desarrollo de algoritmo de PLC Una vez conocido el funcionamiento del mecanismo de control de humedad y evaluado las relaciones que existen entre humedad y velocidad del motor, procedemos hacer el diagrama de flujo del proceso automatizado y con ello tener la lógica para programar nuestro PLC. Inicialmente y de acuerdo con el manual de operaciones de planta, se requiere una condición de inicio, ésta es que la cocina haya empezado su

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funcionamiento, comprobada dicha acción el programa inicia introduciendo el set point de porcentaje de humedad que se desea obtener. Para el bloque de control primero se debe definir el tipo de controlador que se va a utilizar y las variables que van a intervenir en nuestro sistema de control, éstas son:

Variable controlada: Humedad Variable manipulada: Velocidad del motor Tipo de controlador: Proporcional Integral Derivativo, éste controlador nos garantiza que debido a la acción de control integral se va a eliminar cualquier error u offset en estado estable que exista en nuestro sistema, asegurando la precisión de nuestro sistema de control de humedad. Además de tener un controlador de alta sensibilidad debido a la acción de control derivativa, que va a responder a la velocidad de cambio del error, evitando que el error se haga demasiado grande, siendo una gran ventaja para sistemas como el nuestro sistema en el que van a existir perturbaciones constantes.

Finalmente el sistema de control se resume en el diagrama que se muestra en la siguiente figura Figura 42.Diagrama de control de nuestro sistema

Fuente: [Elaboración Propia]

Nuestro sistema es muy complejo (debido al motor trifásico) y no lineal, además no se cuenta con el tiempo y herramientas adecuadas para realizar un proceso de identificación, por lo que se hace muy difícil 73 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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determinar un modelo dinámico que nos permita diseñar el controlador PID utilizando las teorías de control, por lo que se ha decidido recomendar utilizar la auto sintonía para determinar los parámetros del controlador PID.

Se utilizó el lenguaje LADDER para programar el PLC, mediante el software de SIEMENS Tia Portal V13. El programa que se cargó en el PLC se detalla en el ANEXO D. Finalmente se presenta el diagrama de flujo que gobierna el funcionamiento del sistema de control de humedad en el prensado. Figura43: Diagrama de flujo propuesto del sistema automatizado de control de humedad en el prensado

Fuente: [Elaboración Propia]

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3.5.6. Desarrollo de programación del SCADA El programa del PLC está vinculado a una interfaz de supervisión control y adquisición de datos, en el cual se ingresa el set point de humedad y señales de inicio, reset y estado en el que se encuentra el sistema. La programación de esta interfaz es interactiva, ya que lo único que tienes que hacer es asignar marcas en el PLC a variables en el servidor OPC Server, el cual finalmente se enlaza al software Labview.

Figura 44: Interface programada del SCADA

Fuente: [Labview]

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CAPÍTULO IV: ANÁLISIS DE RESULTADOS 4.1.Respuesta de nuestro sistema frente al controlador PID Si se pudiera obtener un modelo matemático de la planta, sería posible aplicar diversas técnicas de diseño con el fin de determinar los parámetros del controlador que cumpla las especificaciones del transitorio y del estado estacionario del sistema en lazo cerrado. Sin embargo, la planta es tan complicada que no es fácil obtener su modelo matemático, tampoco es posible un método analítico para el diseño de un controlador PID. En este caso, se debe recurrir a procedimientos experimentales y de simulación para la sintonía de los controladores PID. Para nuestro sistema de humedad que deseamos controlar se puede modelar como un sistema de primer orden con un retardo, de la forma:

𝐾

𝐺 (𝑠) = 𝑇𝑠+1 . 𝑒-Ls Donde la variable “K” es la ganancia del proceso, la variable “T” es una constante de tiempo propia del sistema, y la variable “L” es el tiempo de retardo de la respuesta. A continuación podemos ir modificando estas variables simulando las diversas formas que puede adoptar nuestro sistema de control de humedad, a fin de seleccionar los parámetros más adecuados de nuestro controlador PID y predecir su respuesta. Para la sintonización de nuestro controlador hemos recurrido a las reglas de Ziegler-Nichols, de respuesta a entrada escalón, que se presentan a continuación, debido a que son muy convenientes cuando no se conocen los modelos matemáticos de las plantas. (Por supuesto, estas reglas se pueden aplicar al diseño de sistemas con modelos matemáticos conocidos.) Tales reglas nos sugieren un conjunto de valores de Kp, Ti y Td que darán una operación estable del sistema. No obstante, el sistema resultante puede presentar una gran sobre elongación en su respuesta escalón de forma que resulte 76 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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no aceptable. En tales casos se necesitará una serie de ajustes finos (reajustes) hasta que se obtenga el resultado deseado. Figura 45: Reglas de Ziegler-Nichols basada en la respuesta escalón de la planta

Fuente: [T 03]

Hay que tener en cuenta que en nuestro sistema, el tiempo de prensado está en el rango de 7min a 13 min, con lo que el tiempo de respuesta no debe de ser muy grande. Para nuestro diseño consideramos un tiempo menor a 60 segundos. 4.1.1

Estimación de los parámetros K, T y L, de nuestro sistema de primer orden

Para hallar los parámetros de nuestro sistema de primer orden se hacen estimaciones en base a mediciones en campo de los cambios de estado del sistema. En nuestro caso, ante un cambio de velocidad, extraemos muestras del queque de prensa a la salida cada cierto. Además de estimar el tiempo de retardo que presenta el sistema. Las pruebas se limitaron a tres ensayos donde se extrajeron cinco muestras y se analizaron en el laboratorio de planta y cuyos resultados se registran en la siguiente tabla de datos:

Primer ensayo: Tabla 15: Primer ensayo Número de

Humedad

Velocidad del

muestra

(%)

motor (RPM)

Tiempo (s)

1

38.94

6

0

2

39.73

5.75

10

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3

41.08

5.75

20

4

41.87

5.75

30

5

42.27

5.75

40

De esta manera podemos hallar la ganancia “K”: 𝛥𝑌

𝐾 = 𝛥𝑈 = |

(42.27−38.94) (5.75−6)

| = 13.92

La constante “L” de retardo se considera menor a 1.5 segundos por estimación en campo. Además el tiempo “T”, que es el tiempo para el cual hemos llegado a 0.635 del valor del set point, es decir, teniendo la tabla anterior, se asume un tiempo menor a 25 s: Segundo ensayo: Tabla 16: Segundo ensayo Número de

Humedad

Velocidad del

muestra

(%)

motor (RPM)

Tiempo (s)

1

41.10

5.75

0

2

41.82

5.5

10

3

42.18

5.5

20

4

42.51

5.5

30

5

42.87

5.5

40

De esta manera podemos hallar la ganancia “K”: 𝛥𝑌

𝐾 = 𝛥𝑈 = |

(42.87−41.10) (5.5−5.75)

| = 7.08

La constante “L” de retardo se considera menor a 1.5 segundos por estimación en campo. Además el tiempo “T”, que es el tiempo para el cual hemos llegado a 0.635 del valor del set point, es decir, teniendo la tabla anterior, se asume un tiempo menor a 25 s: 78 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Tercer ensayo:

Tabla 17: Tercer ensayo Número de

Humedad

Velocidad del

muestra

(%)

motor (RPM)

Tiempo (s)

1

39.87

6

0

2

40.13

5.75

10

3

40.58

5.75

20

4

40.96

5.75

30

5

41.04

5.75

40

De esta manera podemos hallar la ganancia “K”: 𝛥𝑌

𝐾 = 𝛥𝑈 = |

(41.04−39.87) (5.75−6)

| = 4.68

La constante “L” de retardo se considera menor a 1.5 segundos por estimación en campo. Además el tiempo “T”, que es el tiempo para el cual hemos llegado a 0.635 del valor del set point, es decir, teniendo la tabla anterior, se asume un tiempo menor a 45 s.

Con estos datos obtenidos podemos graficar las posibles funciones de transferencia y observar su comportamiento. Graficamos diferentes funciones de transferencia ante un “K” constante variando el parámetro “T”, esto se muestra a continuación

79 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Figura 46: Funciones de transferencia a “K” constante y “T” variables

Fuente: [Labview]

Se aprecia que a mayor valor de “T”, gráfica de nuestra función de transferencia se ubica más a la derecha, esto significa un mayor tiempo de establecimiento y se subida. Ahora graficamos diferentes funciones de transferencia ante un “T” constante

variando

el

parámetro

“K”

dentro

del

rango

obtenido

experimentalmente, esto se muestra en la siguiente gráfica: Figura 47: Funciones de transferencia a “T” constante y “K” variables

Fuente: [Labview]

80 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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Donde se aprecia que manteniendo el valor de “T” constante, a mayor valor de “K” la gráfica de desplaza hacia abajo, escapando de su valor

Además la ecuación original no necesariamente empieza de 65 % de humedad, éste es un valor de condición inicial debido a que aproximadamente a ese valor de humedad ingresa el pescado a la prensa, ésta condición es ingresada en el bloque de programa del Labview que simula la variable de retardo “L” con lo que se obtienen las gráficas antes mencionadas. Esto se muestra en la figura 48. Figura 48: Bloque de programa de simulación donde se ingresa la condición inicial

Fuente: [Labview]

Así se aprecia que con los valores de K, T y L, se pueden simular 3 sistemas extraídos de la Figura 35 y ver su comportamiento ante un controlador PID:

Primer sistema: Se presenta un sistema de las siguientes características: K=10; T= 5; L= 0,75

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De esta manera obtenemos la función de transferencia

𝐺 (𝑠) =

10 5𝑠+1

. 𝑒-0,75s

De los datos obtenidos de la Figura 35 (función de transferencia sin PID) nos arroja un tiempo de establecimiento de 79.73s.

Con ello y con ayuda de la tabla de sintonización Ziegler-Nichols, y posterior reajuste, obtenemos los valores de nuestras constantes del controlador PID. Kp=0.003454; Ti=0.45;

Td=1.6x10-5

Luego simulamos la respuesta de nuestro sistema con un controlador PID, obteniendo el siguiente resultado:

Figura 49: Respuesta del primer sistema, con controlador PID

Fuente: [Labview]

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Se puede apreciar una disminución en el tiempo de respuesta a un tiempo de subida de 39.75s y un tiempo de estabilización de 50s.

Segundo sistema: Se presenta un sistema de las siguientes características: K=10; T= 15;

L= 0,85

De esta manera obtenemos la función de transferencia

10

𝐺 (𝑠) = 15𝑠+1 . 𝑒-0,85s De la Figura 35 se puede apreciar que la función de transferencia nos arroja un tiempo de establecimiento de 121.04s. Con ello y con ayuda de la tabla de sintonización Ziegler-Nichols, y posterior reajuste, obtenemos los valores de nuestras constantes del controlador PID. Kp=0.001554;

Ti=0.52;

Td=1.6x10-5

Luego simulamos la respuesta de nuestro sistema con un controlador PID, obteniendo el siguiente resultado: Figura 50: Respuesta del segundo sistema, con controlador PID

Fuente: [Labview]

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Obtenemos una disminución en el tiempo de respuesta a un tiempo de subida de 80.02s y un tiempo de estabilización de 143s. La siguiente tabla resume los resultados obtenidos de la simulación de PID en los sistemas propuestos. Tabla 18: Resultados de la simulación TIEMPOS DE

TIEMPOS

ESTABLECIMIENTO

DE SUBIDA

NÚMERO DE Sin PID

Con PID

Sin

SOBREIMPULSOS

Con PID Sin PID

Con PID

PID

SISTEMA Sistema 1

77.73 s

50 s

*

39.75 s

-

1.01%

Sistema 2

121.04 s

143s

*

80.02 s

-

3.1%

*: Tiempo de subida muy cercano al tiempo de establecimiento -: No tiene Se aprecia que con el control PID disminuimos tiempos de subida aunque con un grado de sobreimpulso mayor.

84 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1.Conclusiones

 Para la selección de los componentes es mejor opción estandarizar en cuanto al fabricante del equipo (Siemens) debido a que no se presenta “conflictos” en la comunicación e instalación y por el contrario favorece al momento de enlazar los equipos.  Se analizó y determinó, en base a criterios de diseño basados en los requerimientos y procedimientos del sistema de prensado, que el control PID es la mejor alternativa para el sistema de control de humedad en el prensado.  Se determinó una ecuación para el análisis de la prensa donde se puede observar la relación existente entre las principales variables: flujo másico de pescado de entrada, velocidad de giro del tornillo de prensa en RPM y el porcentaje de humedad del queque de prensa a la salida. De ello podemos decir que: o Ante flujos másicos de pescado de entrada constantes, la velocidad de giro del tornillo de prensa y el porcentaje de humedad a la salida son inversamente proporcionales o Si se quiere mantener constante el porcentaje de humedad, a mayor flujo másico de pescado de entrada, se requiere una mayor velocidad de giro del tornillo de prensa. o Por consecuencia, si se mantiene la velocidad de giro del tornillo de prensa constante: a mayor flujo másico de pescado de entrada, mayor porcentaje de humedad a la salida de la prensa.

 Se halló de forma experimental los valores “K”, “T” y “L”, que con un modelo de primer orden con retardo, me permite obtener dentro de un rango las funciones de transferencia aproximadas del sistema, las cuales se

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graficaron y se pudo analizar el comportamiento de las funciones de transferencia, concluyendo lo siguiente: o Con un valor de “K” constante: a mayor valor de “T” la gráfica se desplaza hacia la derecha y hacia abajo, lo que significa que hay mayor tiempos de subida y estabilización; a menor valor de “T” la gráfica se desplaza hacia la izquierda y hacia arriba con un significado de menor tiempo de subida y establecimiento. o Con un valor de “T” constante: a mayor valor de “K”, la gráfica se desplaza hacia la izquierda y hacia arriba, lo que significa que hay menor tiempos de subida y estabilización; a menor valor de “K” la gráfica se desplaza hacia la derecha y hacia abajo con un significado de mayor tiempo de subida y establecimiento.

 Se aplicó un control PID a tres funciones de transferencia dentro del rango de funciones obtenidas experimentalmente, encontrando los valores de kp, Ti y Td mediante las reglas de Ziegler- Nicholls y posterior reajuste, simulando estas funciones y obteniendo una reducción de tiempos en cada sistema respecto a tiempos de subida y de establecimiento, resultados que se muestran en la Tabla 18.

 De los resultados de las simulaciones (Tabla 18) se comprobó que utilizando un controlador PID y ajustando sus ganancias podemos ajustar los tiempos de respuesta, tiempos de subida, sobre elongaciones, de acuerdo a nuestros parámetros de diseño.  Se estimó el costo aproximado del equipamiento del sistema de prensado en base a los catálogos de precio del año 2015 de cada fabricante.

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5.2.Recomendaciones  El factor determinante del control de la humedad en el prensado y en general de todo el proceso de la elaboración de harina de pescado es la calidad de la materia prima, un factor que es muy complicado de controlar, se sugiere hacer un análisis de cómo afecta al prensado  La humedad depende de más factores como temperatura, compresibilidad del material, viscosidad, estado del equipo de prensado, entre otros; además de la velocidad del motor de prensa, que combinados generan una función de transferencia del sistema, el cual se sugiere analizar estos parámetros.  Se propone implementar el sistema de extracción de control de humedad con un Control PI de humedad para contrastar cual tiene mejores características de control.

CAPÍTULO VI: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Referencia de Entrevistas [E1]

Superintendente de Planta JADA S.A. (2015). Procedimientos y características del proceso de producción de harina de pescado en la planta JADA S.A.

[E2]

Supervisor de Mantenimiento (2015). Procedimientos y características durante la etapa de prensado.

[E3]

Operador de Prensa (2015). Características de operación actuales durante la etapa de prensado.

[E4]

Laboratorista Planta JADA S.A. (2015). Medidas tomadas para el trabajo en Área de Calidad.

87 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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[E5]

Superintendente de Planta JADA S.A. (2015). Problemática y medidas de solución actuales durante la producción de harina de pescado.

Referencia de Libros y Tesis [T01]

Santiago Javier Gómez Vargas, Santiago Patricio Villegas Zapater (2011). “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA TIPO EXPELLER PARA LA EXTRACCIÓN DE ACEITE VEGETAL A PARTIR DE LA SEMILLA DE LA JATROPHA CURCAS CON CAPACIDAD DE 200 KILOGRAMOS/HORA PARA LA E.S.P.E - IASA II”. Página 30-40. Sangolqui, Ecuador.

[T02]

M. Beltrán y A. Marcilla. (2012). Tecnología de Polímeros. 1era Edic. Capítulo 4- Extrusión. Alicante, España. Publicaciones de la Universidad de Alicante.

[T03]

Katsuhiko Ogata (2010). Ingeniería de Control Moderna. 5ta Edic. Página 567-595.Madrid, España: Pearson Educación S.A

Referencia de Websites [W1] LIZANNY12345 (2013). Industria Pesquera. Recuperado de https://www.clubensayos.com/Temas-Variados/Pesqueria/964274.html [W2] NOTICIASPERU-HOY.PE (2013). Industria Pesquera. Recuperado de http://www.noticiasperu-hoy.pe/empresa-pesquera-investment-s-a-c-es-multada-porcontaminar-ecosistema-marino/contaminacion-aire-industria-pesquera-peru [W03] WIKIPEDIA (2015). Engraulis ringens. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Engraulis_ringens#/media/File:Enrin_u0.png [W04] FRANCISCO JAVIER ZALDÍVAR LARRAIN (2013). Las Harinas y Aceites de Pescado en la Alimentación Acuícola. Recuperado de http://www.uanl.mx/utilerias/nutricion_acuicola/VI/archivos/A32.pdf [W05] PACIFICSEAFOOD (2012). Perú, el mayor productor de harina de pescado en el mundo. Recuperado de 88 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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http://fis.com/fis/worldnews/worldnews.asp?l=s&id=57485&ndb=1 [W06] AUSTIN ENGINEERING PERÚ SAC (2013). Proceso de la harina de pescado. Recuperado de http://es.slideshare.net/victoralayo/proceso-de-la-harina-de-pescado [W07] WIKIPEDIA (2015). Automatización Industrial. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Automatizaci%C3%B3n_industrial [W08] ALVARO HDEZ (2013). Sistemas de Control. Recuperado de http://pulsoelectro.blogspot.pe/2013/09/unidad-1-sistemas-de-control.html [W09] GUINEA-EDESO (2012). Control. Recuperado de http://guinea-edeso.blogspot.pe/2012/02/ejemplos-de-control-en-lazo-cerrado.html [W10] WIKIPEDIA (2012). Sistema de Control. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_control [W11] WIKIPEDIA (2015). Control Sí/No. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Control_S%C3%AD/No [W12] ELECTRICAL4U (2011). On Off Control Theory Controller. Recuperado de http://www.electrical4u.com/on-off-control-theory-controller/ [W13] WIKIPEDIA (2010). Controlador PID. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_PID [W14] WIKIPEDIA (2015). Sensor. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Sensor [W15] DIRECT INDUSTRY (2015). Sensor de humedad relativa. Recuperado de http://www.directindustry.es/prod/chauvin-arnoux/product-7692-564798.html [W16] WIKIPEDIA (2015). Variador de velocidad. Recuperado de https://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_velocidad [W17] LEI FRANCISCO JAVIER GARCÍA CONZÁLES (2004). Controlador Lógico Programable. Recuperado de http://electricidad.utpuebla.edu.mx/Manuales%20de%20asignatura/5to%20cuatrimes tre/Control%20logico%20programable.pdf [W18] SIEMENS (2015). Comunicaciones Industriales. Recuperado de http://w5.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/com_industriales/pages /comunicaciones_industriales.aspx [W19] WIKIPEDIA (2015). LabVIEW. Recuperado de 89 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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https://es.wikipedia.org/wiki/LabVIEW [W20] DAVID GALLEGO NAVARRETE, RAUL PACHECO PORRAS (2004). Miniproyecto automatización industrial. Recuperado de https://ocw.upc.edu/download.php?file=15012628/40201-3452.pdf [W21] Imagen tomada de buscador de google.

90 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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ANEXOS ANEXO A: DIAGRAMA DE PROCESO E INTRUMENTACIÓN (PI&D)

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ANEXO B: DIAGRAMA DE ARQUITECTURA DE PROGRAMACIÓN

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ANEXO C: TABLA DE REGISTRO DE DATOS DE PLANTA JADA S.A.

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ANEXO D: PROGRAMACIÓN EN EL PLC

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ANEXO E: DATOS DE REGISTROS DE HUMEDAD

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