UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE CIENCIA E INGENIERÍA EN ALIMENTOS CARRERA DE INGENIERÍA EN ALIMENTOS Verónica Silva Integrantes: Andrés Carvajal – Gabriela Díaz – Verónica Curso: 8vo Alimentos “U”
TÍTULO Diseño, modelamiento y simulación de una máquina semiautomática dosificadora de pequeños volúmenes de jugo de fresa.
INTRODUCCIÓN Día a día la tecnología ha demostrado ser la base del desarrollo industrial, la cual aporta una mayor velocidad, calidad, eficiencia, rentabilidad a procesos industriales involucrados. La automatización industrial juega un papel importante en la industria de alimentos, puesto que de esta manera se puede lograr una producción en masa mayor a la obtenida en los procesos manuales (Beltrán & Cepeda, 2008). El mejoramiento de los sistemas de software, hardware, comunicación, control automático y otras aplicaciones, están haciendo de la tecnología un parámetro importante en los procesos industriales, ya que está presenta una infinidad de ventajas frente a los procesos actuales (Chávez, Galaviz, Macias, & Ramirez, 2009). La automatización de las máquinas destinadas a la producción de alimentos, es de gran utilidad en la industria, ya que proporciona una ventaja en el momento de fabricación y en los costos de producción. La automatización de una máquina dosificadora unida a dispositivos tales como electroválvulas, logos PLC´s, sensores y demás dispositivos (Quijano & Aguilar, 2016), dan a un proceso industrial la posibilidad de obtener una mayor competitividad en el mercado.
JUSTIFICACIÓN Este proyecto se realizará debido al gran crecimiento de la competitividad industrial y a la incursión en el campo de la automatización de procesos; por ello, el trabajo se constituye de la aplicación de conceptos básicos de control de procesos y de transformación de alimentos, y el uso de materiales reciclables, con el fin de diseñar, modelar y simular las consideraciones y condiciones de una máquina semiautomática dosificadora de pequeños volúmenes de jugo. Para lo cual se pretende incorporar partes mecánicas y electrónicas tales como: microprocesadores, electroválvulas, bombas; con el fin de controlar el nivel de líquido a dosificar y los tiempos de dosificación.
OBJETIVO General:
Diseñar, modelar y simular condiciones y requerimientos de una máquina semiautomática dosificadora de pequeños volúmenes de jugo de fresa.
ANTECEDENTES El avance en la tecnología ha hecho posible que nuevas herramientas puedan suministrar eficiencia y mayor producción, a las necesidades de la industria. Los procesos de dosificación de líquidos en años anteriores, eran procedimientos realizados manualmente, en donde el tiempo y los costos de producción no eran satisfactorios para sus fabricantes (Beltrán & Cepeda, 2008). También existía el problema que muchos líquidos utilizados no eran idóneos para ser manipulados por los operarios. En el mercado existen máquinas dosificadoras de líquidos, con las cuales se puede tener una autonomía a la hora de crear ciertos productos, así mismo, se ve la limitante de dichas máquinas para procesos en los cuales los líquidos afectan sus componentes, como la fabricación de ambientadores, pastillas, etc (Beltrán & Cepeda, 2008; DEPECA, 2007). Hoy en día se encuentran en el mercado diversas compañías como FESTO y REXROTH BOSCH GROUP dedicadas al diseño, construcción de máquinas y dispositivos que controlan los procesos de manufactura tales como dosificadoras e inyectoras de líquidos (Bosch Rexroth, 2017; Festo, 2016). Para sistemas de dosificación de líquidos en la industria ecuatoriana, se encuentran compañías en desarrollo tecnológico de este tipo de procedimientos, tales como INGEMAQ, a la cual se suman empresas de automatización de procesos, instrumentación y fabricación de equipos como ACINDEC y INCOPRO, que proporcionan información acerca de los avances y resultados en esta línea de proceso (Acindec, 2014; Incopro, 2016; Ingemaq, 2014).
ACTIVIDADES A REALIZAR 1. Estudio previo a la fabricación de prototipos de dosificadores manuales y semiautomáticos 1.1. Conceptos básicos Volumen Corresponde a una medida de espacio que ocupa un cuerpo; la unidad de medida para medir volumen es el metro cubico (m 3), sin embargo, generalmente se utiliza el litro (L). Así mismo, el termino sirve para identificar a la magnitud física que informa sobre la extensión de un cuerpo con relación a tres dimensiones (alto, largo y ancho). Tipos de control 1. Control de dos posiciones: el controlador es un interruptor activado por la señal de error y proporciona una señal correctora tipo encendido – apagado. 2. Control proporcional (P): produce una acción de control que es proporcional al error. La señal de correctora aumente al aumentar la señal de error.
3. Control derivativo (D): produce una señal de control que es proporcional a la rapidez con la que cambia el error. Ante un cambio rápido de la señal de error, el controlador produce una señal de corrección de gran valor; cuando el cambio es progresivo, sólo se produce una señal pequeña de corrección. El control derivativo se puede considerar un control anticipativo porque al medir la rapidez con que cambia el error se anticipa a la llegada de un error más grande y se aplica la corrección antes que llegue. 4. Control integral (I): produce una acción de control que es proporcional a la integral del error en el tiempo. En consecuencia, una señal de error constante producirá una señal correctora creciente y aumentará si el error continúa. 5. Control de lazo abierto: Son los sistemas en los cuales la salida no afecta a la entrada. En un sistema en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada. En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de referencia. Por tanto, a cada entrada de referencia le corresponde una condición operativa fija; como resultado, la precisión del sistema depende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada. 1.2. Estudio de variables a controlar
2. Diseño del dosificador 2.1. Selección de material para la construcción Hardware ARDUINO UNO Es el último modelo diseñado y distribuido por la comunidad Arduino. La placa tiene un tamaño de 75x53mm. Su unidad de procesamiento consiste en un microcontrolador ATmega328. Puede ser alimentada mediante USB o alimentación externa y contiene pines tanto analógicos como digitales. La tabla siguiente resume sus componentes:
Referencia para pines analógicos (AREF) Tensión de referencia para entradas analógicas. Se utiliza con la función analogReference().
Pines de tierra (GND) Masa del circuito para pines, es decir es la tensión de referencia de 0V. Pines digitales de entrada y salida En estos pines conectaremos la patilla de dato del sensor/actuador. Desde ellos podremos leer la información del sensor o activar el actuador. Hay 14 pines digitales que pueden utilizarse como entrada o salida con las funciones pinMode(), digitalWrite(), y digitalRead(). Operan a 5 voltios. Cada pin proporciona o recibe como máximo 40mA y disponen de una resistencia pull-up (desconectada por defecto) de 20-50 kOhmios. Ciertos pines son reservados para determinados usos: 1. Serie: 0(RX) y 1(TX). Utilizados para recibir (RX) y trasmitir (TX) datos serie. Están directamente conectados a los pines serie del microcontrolador. Utilizando estos pines podremos conectarnos con otras placas. 2. Interrupciones externas: 2 y 3. Estos pines pueden ser configurados para activar interrupciones. 3. PWM: 3, 5, 6, 9, 10 y 11. Proporcionan una salida de 8 bits en modo PWM. 4. SPI: 10-13. Estos pines soportan la librería de comunicación de dispositivos SPI. 5. LED: 13. Este pin está conectado con un led de la placa. Cuando se le asigne un valor HIGH se encenderá, en cambio si lo dejamos en LOW estará apagado. Conector USB Existen varios tipos de conectores USB, en concreto esta placa utiliza el tipo B hembra. Con lo cual se necesitará un cable tipo B macho – tipo A macho (aunque se pueden utilizar otros este es el más extendido) que deberá conectarse a un conector tipo A hembra (por ejemplo a un ordenador o al cargador de un móvil). La placa se puede alimentar con la tensión de 5V que le proporciona el bus serie USB. Cuando carguemos un programa a la placa desde el software de Arduino se inyectará el código del ordenador por este bus. Botón Reset Utilizando este botón podremos reiniciar la ejecución del código del microcontrolador. ICSP (In Circuit Serial Programming) Es un conector utilizado en los dispositivos PIC para programarlos sin necesidad de tener que retirar el chip del circuito del que forma parte. Microcontrolador ATmega328 El microcontrolador es el elemento más importante de la placa. Es donde se instalará y ejecutará el código que se haya diseñado. Ha sido creado por la compañía Atmel, tiene un voltaje operativo de 5V, aunque se recomienda como entrada de 7-12V con un límite de 20V. Contiene 14 pines digitales de entrada y salida, 6 pines analógicos que están conectados directamente a los pines de la placa Arduino
comentados anteriormente. Dispone de 32KB de memoria flash (de los cuales 512 bytes son utilizados por el bootloader). En la memoria flash se instalará el programa a ejecutar. El bootloader será el encargado de preparar el microcontrolador para que pueda ejecutar nuestro programa. También tiene una memoria EEPROM de 1KB que puede ser leída o escrita con la librería EEPROM. En la parte de procesamiento dispone de un reloj de 16Mhz y 2KB de memoria RAM.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN EXTERNA PARA LA PLACA La placa fue alimentada mediante corriente continua suministrada por el conector jack de 3.5mm con un alimentador de 5V.
BOMBA LIMPIA PARABRISAS 12V Son conocidos como TRICO, estos motores poseen un alto torque de salida, debido a que en su interior hay un sistema reductor compuesto por un engranaje sin fin y otro de uso general, esta configuración es la que le otorga esta fuerza, pero la velocidad de salida es muy baja, pudiendo llegar a 60RPM, la mayoría de estos tiene 2 velocidades, en cuanto a su corriente de consumo: Corriente de vacío: entre 2A a 4A, dependiendo del modelo y Corriente de régimen: entre 610A.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN PARA LA BOMBA La bomba fue alimentada mediante corriente continua con un alimentador de 1.5 - 12V con regulador de voltaje.
PROTOBOARD Es un dispositivo muy utilizado para ensamblar y probar circuitos electrónicos. Tiene la ventaja de que permite armar con facilidad un circuito, sin la necesidad de realizar soldaduras. Si el circuito bajo prueba no funciona de manera satisfactoria, se puede modificar sin afectar los elementos que lo conforman.
El protoboard tiene una gran cantidad de orificios en donde se pueden insertar con facilidad los terminales de los elementos que conforman el circuito. Se puede conectar casi cualquier tipo de componente electrónico, incluyendo diferentes tamaños de circuitos integrados.
CABLES HEMBRA Y MACHO PARA PROTOBOARD Un cable puente para prototipos, es un cable con un conector en cada punta, que se usa normalmente para interconectar entre sí los componentes en una placa de pruebas. P.E.: se utilizan de forma general para transferir señales eléctricas de cualquier parte de la placa de prototipos a los pines de entrada/salida de un microcontrolador. Los cables puente se fijan mediante la inserción de sus extremos en los agujeros previstos a tal efecto en las ranuras de la placa de pruebas, la cual debajo de su superficie tiene unas planchas interiores paralelas que conectan las ranuras en grupos de filas o columnas según la zona. Los conectores se insertan en la placa de prototipos, sin necesidad de soldar, en los agujeros que convengan para el conexionado del diseño. Largo: 200mm.
RESISTENCIA DE 10K OHMIOS La corriente máxima y diferencia de potencial máxima en una resistencia viene condicionada por la máxima potencia que pueda disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más comunes son 0.25 W, 0.5 W y 1 W.
POTENCIOMETRO DE 10K Un potenciómetro tiene una infinidad de usos y es componente muy común. Giras el eje y su resistencia cambia. También puedes utilizarlo con tu microcontrolador. Tiene un diámetro de eje de 6mm aproximadamente y una resistencial total de 10k.
PULSADOR DE TIPO ABIERTO Pulsador eléctrico industrial de color rojo con un contacto abierto. El pulsador eléctrico permite ser montado sobre taladros pasantes de 22mm. El uso principal del pulsador eléctrico es el montaje sobre paneles eléctricos de mando de maquinaria y sobre cajas de mando eléctricas en general. Fabricado en material plástico. El suministro incluye el pulsador completo con un contacto abierto.
DISPLAY LCD 16X2 El LCD (Liquid Crystal Dysplay) o pantalla de cristal líquido es un dispositivo empleado para la visualización de contenidos o información de una forma gráfica, mediante caracteres, símbolos o pequeños dibujos dependiendo del modelo. Está gobernado por un microcontrolador el cual dirige todo su funcionamiento.
RELÉ DE DOS CANALES PARA 5V Tarjeta de relés opto acoplada, incluye 2 canales para ser controlados en forma remota. Ideal para controlar dispositivos en el hogar o en la industria. Cada canal es controlado por una entrada TTL, la cual puede ser fácilmente controlada por un microcontrolador o Arduino. Esta placa requiere de una alimentación de 12V. Este relevador soporta hasta 250 VAC o 30 VDC a 10 A, cuenta con optoacopladores para aislar la etapa de control a la de trabajo además tiene terminales de tornillo que permiten tener una conexión segura.
INTERRUPTOR El interruptor de potencia es un dispositivo electromecánico cuya función principal es la de conectar y desconectar circuitos eléctricos bajo condiciones normales o de falla.
Software PROGRAMA ARDUINO VERSIÓN 1.8.5. Tiene un lenguaje propio que está basado en C/C++ y por ello soporta las funciones del estándar C y algunas de C++. Sin embargo, es posible utilizar otros lenguajes de programación y aplicaciones populares en Arduino como Java, Processing, Python, Mathematica, Matlab, Perl, Visual Basic, etc. Esto es posible debido a que Arduino se comunica mediante la transmisión de datos en formato serie que es algo que la mayoría de los lenguajes anteriormente citados soportan. Para los que no soportan el formato serie de forma nativa, es posible utilizar software intermediario que traduzca los mensajes enviados por ambas partes para permitir una comunicación fluida. Es bastante interesante tener la posibilidad de interactuar con Arduino Mediante esta gran variedad de sistemas y lenguajes puesto que dependiendo de cuales sean las necesidades del problema que vamos a resolver podremos aprovecharnos de la gran compatibilidad de comunicación que ofrece. El entorno de desarrollo de Arduino es sencillo e intuitivo además puede descargarse gratuitamente desde su página oficial para distintos sistemas operativos. Ha sido implementado con Processing, un lenguaje similar a Java. Su última versión es la 1.0.2 aunque en el proyecto se ha utilizado la 1.0.1. Es importante remarcar que la placa Arduino Uno solo la podremos utilizar a partir de la versión beta 0021. Está formado por una serie de menús, una barra de herramientas con botones para las funciones comunes, un editor de texto donde escribiremos el código, un área de mensajes y una consola de texto. En la ilustración 4 se puede apreciar la composición del software de Arduino.
PROGRAMA PROTEUS VERSIÓN 8.6.
2.2. Establecimiento del modelo real 3. Diseño del sistema de control 3.1. Diseño del sistema electrónico 3.2. Fuente de energía 4. Diseño del control de velocidad de llenado 4.1. Control de encendido y apagado de la bomba 4.2. Control del volumen y tiempo de llenado Se realizó la toma de datos consecutivos del volúmen de llenado a intervalos de tiempo de 5 segundos, logrando establecer un tiempo de llenado de 70 segundos para un volúmen de 350 ml. El control del llenado a este tiempo se estableció mediante
4.3. Datos obtenidos 5. Modelo de simulación
COSTO DEL PROYECTO Materiales 1 Placa Arduino versión UNO 1 Protoboard 1 Fuente de alimentación reguladora 12V 1 Fuente de alimentación para Arduino 5V 3 Resistencia de 10k ohmios
Costo ($ ) 10 25 10 8 1
1 Potenciómetro 1 Pulsador abierto 1 Display LCD 16x2 1 relé de dos canales para 5V Cables hembra y macho para conexión en Arduino 1 Bomba de agua limpiaparabrisas de 12V 1 Interruptor Otros materiales
1 0,50 11 3 6,50 15 1 11
Total
103 10.00 3.29 5.49 121.78
Materia prima Agua Potable (3%) Energía eléctrica (5%) Costo final
PLAN DE TRABAJO MESES ACTIVIDADES REVISION BIBLIOGRAFICA
Octubre
Noviembre
Diciembre
Enero
S1
S2
S3
S4
S1
S2
S3
S4
S1
S2
S3
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TEMA
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REDACCIÓN DEL DOCUMENTO
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ESTABLECIMIENTO DE COSTOS
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DISEÑO MODELACIÓN SIMULACIÓN CORRECIÓN
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S1
S2
PRESENTACION
S3
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DEFENSA
CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA Acindec. (2014). Acindec. diseño, fabricación y montaje de equipos y plantas industriales. Retrieved October 17, 2017, from http://www.acindec.com/es/ Arduino, 2016. Placa Arduino R3. Descripción. Disponible en: http://arduino.cl/arduino-uno/ Beltrán, J., & Cepeda, J. (2008). AUTOMATIZACIÓN DE UNA MÁQUINA DOSIFICADORA PARA DOSIS PEQUEÑAS DE LÍQUIDOS EN LA EMPRESA FULLER PINTO. Universidad de San Buenaventura. Retrieved from http://bibliotecadigital.usb.edu.co/bitstream/10819/1282/1/Automatizacion_maquin a_dosificadora_dosis_Beltran_2008.pdf Bosch Rexroth. (2017). Bosch Rexroth. Proveedor líder en el mundo en tecnologías de automatización y control. Retrieved October 17, 2017, from http://www.bosch.com.mx/es/mx/our_company_3/business_sectors_and_divisions _3/bosch_rexroth/bosch_rexroth.html# Chávez, J., Galaviz, M., Macias, F., & Ramirez, R. (2009). ENVASADORA AUTOMÁTICA DE LECHE . Instituto Politécnico Nacional. Retrieved from http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/5042/150.pdf?sequence=1
CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA Acindec. (2014). Acindec. diseño, fabricación y montaje de equipos y plantas industriales. Retrieved October 17, 2017, from http://www.acindec.com/es/ Arduino, 2016. Placa Arduino R3. Descripción. Disponible en: http://arduino.cl/arduino-uno/ Beltrán, J., & Cepeda, J. (2008). AUTOMATIZACIÓN DE UNA MÁQUINA DOSIFICADORA PARA DOSIS PEQUEÑAS DE LÍQUIDOS EN LA EMPRESA FULLER PINTO. Universidad de San Buenaventura. Retrieved from http://bibliotecadigital.usb.edu.co/bitstream/10819/1282/1/Automatizacion_maquin a_dosificadora_dosis_Beltran_2008.pdf Bosch Rexroth. (2017). Bosch Rexroth. Proveedor líder en el mundo en tecnologías de automatización y control. Retrieved October 17, 2017, from http://www.bosch.com.mx/es/mx/our_company_3/business_sectors_and_divisions _3/bosch_rexroth/bosch_rexroth.html# Chávez, J., Galaviz, M., Macias, F., & Ramirez, R. (2009). ENVASADORA AUTOMÁTICA DE LECHE . Instituto Politécnico Nacional. Retrieved from http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/5042/150.pdf?sequence=1 DEPECA. (2007). TEMA 4: CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES. CONTROL DISTRIBUIDO. 4.1.-INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE PROCESOS. Retrieved from https://www.depeca.uah.es/depeca/repositorio/asignaturas/30387/Tema4.pdf Enrique Mandado, Juan J. Rodríguez, L. Jacobo Álvarez,(1995). “Manual de Prácticas de Electrónica Digital”, Editorial Marcombo, ISBN -84-267-1004-2 Festo. (2016). Festo, proveedor mundial de soluciones de automatización mediante tecnología neumática, electrónica y redes para todo tipo de procesos y actividades industriales. Retrieved October 17, 2017, from https://www.festo.com/cms/es_es/index.htm Horowitz Paul, Hill Winfield (2006): The Art of Electronics. Cambridge University Press Second edition 20th printing. Incopro. (2016). Incopro - Servicios de Instrumentación y Control de Procesos S.A. Retrieved October 17, 2017, from http://www.incopro.ec/ Ingemaq. (2014). Ingemaq | Soluciones de empaque y sellado. Retrieved October 17, 2017, from http://ingemaq.ec/index.php/es/ Quijano, C., & Aguilar, W. (2016). PROTOTIPO DE UNA MÁQUINA AUTOMÁTICA DOSIFICADORA DE COCTELES . Universidad de La Salle. Retrieved from http://repository.lasalle.edu.co/bitstream/handle/10185/18981/45111012_2016.pdf ?sequence=1&isAllowed=y R. Pallás Areny, “Sensores y acondiconadores de señal”, 4ª Edición, Marcombo 2003
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