UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y SISTEMAS COMPUTACIONALES TRABAJO DE DIPLOMA Propuesta de Automatización para las áreas de crudo y tueste en la Tostadora de Café “Manuel Ascunce Domenech” Autor: Nestor Rodríguez Morales Tutores: Ing. Julio Javier Ávalos Garcia Ing. Manuel Pérez Roque Santa Clara 2017 Año 59 de la Revolución UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y SISTEMAS COMPUTACIONALES TRABAJO DE DIPLOMA Propuesta de Automatización para las áreas de crudo y tueste en la Tostadora de Café “Manuel Ascunce Domenech” Autor: Nestor Rodríguez Morales ( nrmorales@uclv.cu ) Tutor: Ing. Julio Javier Ávalos Garcia Dpto. Automática, Facultad de Ingeniería Eléctrica ( javalos@uclv.cu ) Ing. Manuel Pérez Roque Esp. Automática, UEB ALIMATIC VC ( manuel@alimaticvc.alinet.cu ) Santa Clara 2017 Año 59 de la Revolución mailto:nrmorales@uclv.cu mailto:javalos@uclv.cu mailto:manuel@alimaticvc.alinet.cu Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Automática autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad. Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. Tutor Jefe de Departamento Responsable Información Científico-Técnica I Pensamiento “El éxito es la capacidad de ir de fracaso en fracaso sin perder entusiasmo” Winston Churchill II Agradecimientos A los profesores del Departamento de Automática, a mis compañeros de aula, a mi tutor, al personal que me atendió en la Torrefactora y en ALIMATIC, y en especial a mi familia por todo el apoyo incondicional que siempre me han brindado ante cada etapa de mi vida. En general a todos los que de una forma u otra han influido en mi formación como profesional y me haya aportado como ser humano. III Resumen El presente Trabajo de Diploma ha sido realizado bajo la tutoría de la Empresa de Servicios Automatizados UEB ALIMATIC Villa Clara. Consiste en realizar una propuesta de automa- tización en dos de las áreas que componen la línea de producción de café tostado, molido y empaquetado, en la Empresa Torrefactora de Café “Manuel Ascunce Domenech”. Con el cursar del tiempo y debido a la falta de mantenimientos y renovación de los medios técni- cos de automatización (MTA), dicha entidad se ve forzada a abandonar en varios procesos el régimen de trabajo automático, entre ellos se encuentra el tueste de los granos crudos, siendo este el proceso más importante durante la preparación del café para su consumo. El trabajo consiste en proponer toda la instrumentación necesaria para renovar los MTAs destruidos, proponer la automatización de otros procesos que, aunque secundarios, facilitarían el proce- so productivo, y en realizar una propuesta de arquitectura de comunicación para renovar el sistema automatizado. Todo esto con el objetivo de reducir el costo por peso de producción, mejorar la calidad del producto y las condiciones de trabajo en la fábrica. IV Índice general Resumen IV Introducción 1 1. Automatización industrial de procesos y el Café 4 1.1. Introducción al capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2. Sistemas automatizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3. Sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.4. Medios técnicos de automatización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4.1. Instrumentos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.2. Sistemas de actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4.3. Autómatas programables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5. Sistemas de comunicación industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6. La industria del Café . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6.1. Breve historia del Café . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6.2. Del grano a la degustación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.7. Consideraciones del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2. Descripción del proceso 21 2.1. Introducción al capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2. Flujo de producción general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.1. Área de crudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.2. Área de tueste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.3. Restantes áreas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3. Estado actual de las áreas de crudo y tueste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.1. Crudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.2. Tueste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4. Descripción de los medios técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 V 2.4.1. Elementos de acción final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4.2. Detector de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.3. Sensor de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5. Consideraciones del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3. Propuesta de automatización y análisis económico 35 3.1. Introducción al capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2. Propuesta para sistema de transporte en área de crudo . . . . . . . . . . . . . 36 3.3. Propuesta para sistema de abasto de agua en área de tueste . . . . . . . . . . 37 3.4. Propuesta de instrumentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4.1. Transductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4.2. Elementos de control final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5. Comunicación y elección del controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.6. Valoración económica e impacto medioambiental . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.7. Consideraciones del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Conclusiones y recomendaciones 50 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 53 Anexos 55 Anexo 1: Celda de carga SIWAREX WL230 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Anexo 2: Módulo de pesaje SIWAREX U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Anexo 3: Detector magnético de final de carrera D-A64 . . . . . . . . . . . . . . . 58 Anexo 4: Instrumentación por área . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Anexo 5: Propuesta de programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 VI Índice de figuras 1.1. Pirámide jerárquica de automatización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2. Instrumentos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3. Sistema actuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4. Controlador lógico programable (PLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5. Tipos de tostadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1. Diagrama de flujo de la fábrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2. Representación del área de crudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3. Representación del área de tueste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4. Diagrama del proceso de tueste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5. Diagrama orden de enfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.6. Diagrama panel de mando en área de crudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.7. Diagrama panel de mando en área de tueste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.8. Elementos de acción final y actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.9. Detector tipo reed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.10. Detector de estado sólido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.11. Detector de nivel de paletas rotativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.12. Sensor de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.1. Transporte neumático de granos por succión . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2. Sistema de abasto de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3. Celda de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4. Conexión de la celda de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.5. Detector de nivel FILSA IR-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.6. Convertidor de temperatura TH100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.7. Electroválvula SY3000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.8. Unidad EX600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.9. Módulo de E/S ET200M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 VII 3.10. Estructura del sistema propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 VIII Índice de tablas 1.1. Clasificación de los instrumentos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2. Tipos de actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1. Características EX600 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2. Listado de medios técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3. Comparación de soluciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4. Listado de precios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 IX Introducción El café cuidadosamente tostado y correctamente elaborado, produce una bebida natural que no puede ser superada por sus rivales, el té y el cacao, que la mayoría de las personas en- cuentran inofensiva y saludable, sin la cual la vida perdería su sabor. El café ocupa un lugar excepcional en la dieta de la mayoría de las personas en la Tierra. No es solo una bebida de sociedad sino que es la de los hombres y mujeres que hacen que el planeta continúe girando, ya sea utilizando la fuerza o la inteligencia. El café ha sido aclamado como el lubricante más venerado para la maquinaria humana y el más sabroso de la naturaleza (Ukers, 1922). Su atractivo está ligado al aroma, sabor, al placer de degustar una “taza de café” consumida en solitario o acompañado, y al concepto generalizado de que el café es “estimulante” y “energizante” (Valenzuela, 2010), aunque su consumo se ha asociado tradicionalmente, no probado aún, a un hábito que no beneficia la salud, incluida su relación con enfermedades en las que los antioxidantes son factores de protección, como el cáncer y la aterosclerosis (Maydata, 2002, Roales-Nieto et al., 2004). Según la Organización Internacional del Café (ICO) durante el 2015 se exportaron 8.8 mil millones de kilogramos de café, una cantidad valuada aproximadamente en 20 mil millones de dólares americanos. Se estima que al menos el 30% de la población mundial consume una vez al día una taza de café. Entre los grandes consumidores están los europeos (especialmente los países nórdicos), los norteamericanos, y los países latinoamericanos tradicionalmente pro- ductores de café como Colombia y Brasil (Edzuan et al., 2015). La Empresa Torrefactora de Café “Manuel Ascunce Domenech”, fundada en el año 1952, ubicada en el municipio Santa Clara, tiene como objeto social la torrefacción y suministro de café con destino a la población, abasteciendo a los trece municipios de la provincia, y a organismos estatales. En el año 2000 se le realiza una remodelación, instalándose el sistema automatizado. Ac- tualmente dicha empresa cuenta con serias deficiencias en la producción, debido a un cierto 1 grado de deterioro dado por la explotación durante casi dos década de trabajo, manifestán- dose la ausencia y/o roturas de varios sensores-actuadores, imprescindibles para garantizar el funcionamiento en modo automático de las áreas en cuestión. Además, la fábrica cuenta con un sistema de control cada vez más alejado de la dinámica actual del estado del arte en cuanto a métodos de control de sistemas (Roque, 2013). Se propone como objetivo general: X Proponer los medios técnicos para la automatización de las áreas de crudo y tueste en la Torrefactora que permita habilitar el régimen de trabajo automático. A partir del cual se definen los siguientes objetivos específicos: 1. Describir el flujo de la línea de producción de la fábrica. 2. Realizar un levantamiento instrumental de los dispositivos de campo. 3. Diagnosticar el estado de los medios técnicos de automatización. 4. Seleccionar los nuevos medios técnicos de automatización necesarios para reemplazar los obsoletos y/o deteriorados. De los cuales se desprenden las siguientes preguntas de investigación: - ¿Cuáles son los procesos que intervienen durante la elaboración de café tostado, molido y empaquetado en la línea de producción de la empresa? - ¿Cuál es el estado de deterioro que presentan los medios técnicos existentes? - ¿Qué medios técnicos de automatización son necesarios para el funcionamiento au- tomático de todo el proceso? - ¿Cómo realizar la selección de los nuevos medios técnicos? Del presente proyecto se espera que constituya un punto de partida para una solución viable y económicamente factible a la necesidad de restablecer el modo de trabajo automático en la Torrefactora de Café “Manuel Ascunce Domenech”, permitiendo aumentar la producción y su calidad, y reducir las demoras, permitiendo una menor intervención del hombre durante el proceso productivo. 2 Organización del informe El presente informe consta de tres capítulos divididos por epígrafes y subepígrafes, cada uno con un tema específico e interrelacionado con los demás: El primer capítulo constituye una revisión de la literatura especializada consultada. Se des- criben los aspectos generales sobre la automatización industrial de procesos, abordando los temas concernientes a los sistemas automatizados, medios técnicos de automatización y los sistemas de comunicación industrial. En el segundo capítulo se describe el estado actual de la automática y medios técnicos de automatización en la planta, detallando el flujo de producción. Se explicará el funcionamiento de las áreas de crudo y tueste, y se mostrarán las características y estado actual de los medios técnicos. El tercer capítulo se dedica a exponer los medios técnicos de automatización seleccionados y el porqué de su selección, se proponen mejoras en la automatización y se realiza además un balance económico y medioambiental. 3 Capítulo 1 Automatización industrial de procesos y el Café 4 1.1 Introducción al capítulo Desde los inicios de la humanidad el hombre ha ido desarrollando progresivamente sus conocimientos en varias ramas del saber, fundamentalmente en aquellas que garantizan el crecimiento de la producción, pilar fundamental del desarrollo, encargada de generar riquezas dentro de la sociedad y convirtiéndose en parte inherente de las relaciones económicas que rigen las relaciones sociales. Con el paso de los años, la industria en general ha alcanzado un alto grado de automatización. Este proceso ha sido impulsado por un nivel mayor de competitividad del mercado que ha obligado a las empresas a buscar modos de disminuir costos y, a la vez, a aumentar la calidad y mejorar la organización global de la producción para responder a la demanda. Si embargo, el principal objetivo de la automatización (producir el mejor producto a menor costo) exige que las distintas funciones de una planta trabajen juntas como si fuesen una sola entidad. La tendencia de automatizar todo tipo de procesos continúa en aumento, siendo esto posi- ble debido al creciente desarrollo tecnológico y al abaratamiento de las tecnologías con el transcurso del tiempo. El control automático de procesos se puede encontrar en cualquier fenómeno de la vida, proceso se define como “una operación o un desarrollo natural progresivamente continuo, marcado por una serie de cambios graduales que se suceden uno al otro en una forma re- lativamente fija y que conducen a un resultado o propósito determinados; o una operación artificial o voluntaria progresiva que consiste en una serie de acciones o movimientos contro- lados, sistemáticamente dirigidos hacia un resultado o propósito determinados (...) Algunos ejemplos son los procesos químicos, económicos y biológicos” (Ogata, 2010). Para implementar la automatización de un sistema o proceso es necesario estudiar detallada- mente las características y particularidades de dicho sistema, los qué y porqués de las distintas tareas asociadas al proceso. Además es condición necesaria saber cómo llevar a cabo la auto- matización, o sea, conocer los medios técnicos existentes y seleccionarlos de acuerdo a las necesidades y disponibilidad de los mismos para la industria en cuestión. 1.2 Sistemas automatizados Un sistema automatizado es el conjunto de elementos interrelacionados funcionalmente entre sí que conforman una estructura jerárquicamente expandida cuya función es garantizar el de- 5 sempeño independiente del proceso a través de operaciones de control y supervisión total del sistema, bajo las técnicas más modernas y cumpliendo los requisitos establecidos de acuerdo al tipo de planta. De acuerdo a Castellanos (2012), las características que definen un sistema automatizado son: 1. Esquema de comunicación que garantizan el intercambio confiable de datos, tanto ver- tical como horizontal, entre todos los componentes del sistema. 2. Alta capacidad de adaptación en las características del proyecto para futuras aplica- ciones, automatización flexible. 3. Trabajo en tiempo real. 4. Operación según el principio de control descentralizado bajo mando e información centralizados. 5. Manejo y explotación de bases de datos. 6. Gran variedad de funciones implementadas que abarcan la explotación del sistema en las esferas de: automatización, control de procesos, monitorización, etc. Uno de los modelos más difundidos en cuanto a la forma en que se organiza un sistema automático es atendiendo a las funciones y características de los elementos que lo integran y en dependencia de los diferentes niveles que ocupan para una aplicación dada. La figura 1.1 muestra la denominada pirámide jerárquica de automatización, compuesta por cuatro niveles de automatismos jerárquicamente distribuidos. Cada uno se distingue por sus características peculiares en lo que respecta a elementos de hardware y funciones asignadas (Castellanos, 2012). Figura 1.1: Pirámide jerárquica de automatización Desde el punto de vista del control, existen dos formas típicas en que se puede estructurar un sistema automatizado: centralizado o descentralizado. Se dice que un sistema es centralizado cuando posee un solo órgano de control que es el encargado de organizar el trabajo del resto del sistema. En estos sistemas, todas las señales de los sensores son llevadas hasta la com- putadora de donde retornan las señales de mando a los correspondientes actuadores, lo cual conlleva un gasto excesivo en cables y se obtiene además una fiabilidad relativamente baja, 6 debido a que todas las funciones se encuentran centralizadas en pocas máquinas. Aunque en la actualidad aún se utiliza este tipo de sistemas, por lo general se utilizan en combinación ambas estructuras, centralizados y descentralizados. Los sistemas descentralizados son aquellos en los cuales las tareas están repartidas entre los elementos que constituyen o forman parte de su estructura, lo que representa una descen- tralización de la “inteligencia” y por ello presupone la presencia de más de una unidad de cómputo. Estos sistemas pueden ser concentrados o distribuidos. El sistema es concentra- do cuando necesariamente los elementos de cómputo deben ser ubicados en el lugar mismo mientras que en un sistema distribuido, dichos elementos son ubicados en lugares distintos. 1.3 Sistemas de control La siguiente definición de sistema fue planteada en Ogata (2010): “un sistema es una combi- nación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado. Un sistema no necesariamente es físico. Este concepto se aplica además a fenómenos abstractos y dinámi- cos, tales como los que se encuentran en la economía. Por tanto, la palabra sistema debe interpretarse como una implicación de sistemas físicos, biológicos, económicos y similares”. Un sistema de control entonces, se puede definir como un conjunto de elementos, no nece- sariamente físicos, los cuales tienen la función de controlar, o sea, corregir el error o limitarlo para mantener en un valor predeterminado la variable objeto de control garantizando la esta- bilidad y robustez del sistema (Kuo, 1996, Ogata, 2010). Los sistemas de control abundan en todos los sectores de la industria actual, tales como el control de la calidad de los productos manufacturados, líneas de ensamblaje automático, control de máquinas-herramientas, tecnología espacial y sistemas de armas, de transporte, de potencia, robótica y muchos otros. Aún el control de inventarios y los sistemas económicos y sociales se pueden visualizar a través de la teoría de control automático (Kuo, 1996). Existen dos tipos fundamentales de sistemas de control para la automatización de procesos, ellos son: • Sistemas de control en lazo abierto • Sistemas de control en lazo cerrado Los sistemas en los cuales la salida no tiene efecto sobre la acción de control se denominan sistemas de control en lazo abierto. En otras palabras, en un sistema de control en lazo 7 abierto no se mide la salida para compararla con la entrada, así a cada entrada de referencia le corresponde una condición de operación fija. Un ejemplo práctico es una lavadora. El remojo, el lavado y el centrifugado en la lavadora operan con una base de tiempo. La máquina no mide la señal de salida, que es la limpieza de la ropa, ni actúa en correspondencia (Ogata, 2010). En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación, con el fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor deseado. El término control en lazo cerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentado para reducir el error del sistema (Ogata, 2010). En general, en ambos tipos deben mantenerse las variables (presión, caudal, nivel, tempera- tura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo a una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. Una de las ventajas del sistema de control en lazo cerrado es su respuesta relativamente insen- sible a las perturbaciones externas y a las variaciones internas en los parámetros del sistema, debido a la realimentación de la señal de salida mediante un elemento de medición. Por tanto, es posible usar componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecua- do de una planta determinada, en tanto que hacer eso es imposible en el caso de un sistema en lazo abierto. Desde el punto de vista de la estabilidad, en lazo abierto es más fácil pues no es un problema importante, no siendo así para los sistemas de control en lazo cerrado. El número de componentes usados en un sistema de control en lazo cerrado es mayor que el que se emplea para un sistema de control equivalente en lazo abierto. Por tanto, el sistema de control en lazo cerrado suele tener costos y potencias más grandes. Para disminuir la potencia requerida de un sistema, se emplea un control en lazo abierto siempre que pueda aplicarse. Los procesos con constantes de tiempo importantes o con retardos considerables son ade- cuados para el control en lazo abierto. La principal desventaja del lazo abierto es la pérdida de exactitud. No hay garantía de que la entrada manual al proceso sea la adecuada para lle- var la variable al punto de consigna deseado. Por lo general, una combinación adecuada de controles en lazo abierto y en lazo cerrado es menos costosa y ofrecerá un comportamiento satisfactorio del sistema global (Creus, 2010). 1.4 Medios técnicos de automatización La fabricación industrial exige el control de los procesos de producción. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: derivados del petróleo, generadores de 8 energía, industria textil, papelera, etc. En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes (variables). Los instrumentos de medi- ción y control permiten el mantenimiento y regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas va- riables utilizando solo instrumentos simples con indicación local: manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los proce- sos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. Estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones óptimas de calidad, lo cual al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual (Creus, 2010). Los medios técnicos de automatización lo constituye todo el equipamiento necesario, ya sean sensores, válvulas, motores, hasta los medios de cómputo, sin los cuales no serían posibles las funciones que se necesitan para que un sistema automatizado trabaje de manera correcta (Castellanos, 2012). 1.4.1 Instrumentos de medición Un instrumento de medición es un dispositivo capaz de transformar, directa o indirectamente, una variable física de interés a una magnitud adecuada para su indicación, registro y/o control. Para que la medición tenga sentido, comúnmente se emplea un sistema estándar de unidades a través del cual la medición de un dispositivo pueda ser comparada con la medición de otro (Liptak, 1995, Webster, 1999). Los instrumentos de medición se pueden clasificar básicamente de acuerdo a la función del instrumento y de acuerdo a la variable a medir, ver Tabla 1.1 para más información. La figura 1.2 muestra ejemplares de varias clasificaciones de instrumentos de medición. 9 (a) Presostato (b) Indicador (c) RTD (d) Transmisor Figura 1.2: Instrumentos de medición Tabla 1.1: Clasificación de los instrumentos de medición Clasificación Descripción Función Instrumentos ciegos No presentan indicación visible de la variable, generalmente funcionan como interruptores al cumplirse su punto de disparo. Instrumentos indicadores Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Elementos primarios Están en contacto directo con la variable físi- ca de la cual pueden o no absorber energía para dar al sistema de medición una indicación en re- spuesta a la variación de la variable controlada. Transmisores Captan la variable del proceso a través del ele- mento primario y la transmiten a distancia, ge- neralmente en forma de señal eléctrica (4 a 20 mA). Transductores Reciben una señal de entrada, función de una o más cantidades físicas, y la convierten modifi- cada o no a una señal de salida. Variable De acuerdo a la variable del proce- so: flujo, nivel, presión, temperatu- ra, posición, velocidad, etc. Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas independiente- mente del sistema empleado en la conversión de la señal del proceso. 1.4.2 Sistemas de actuadores Los sistemas de actuadores son elementos que transforman la salida de un microprocesador o un sistema de control en una acción de control para una máquina o dispositivo. Por ejem- plo, si es necesario transformar una salida eléctrica del controlador en un movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga. Otro ejemplo sería cuando la salida eléctrica del controlador anterior requiere transformarse en una acción que controle el flujo por una tubería. 10 Con frecuencia las señales neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación final, incluso cuando el sistema de control es eléctrico. Esto se debe a que con dichas señales es posible accionar válvulas de grandes dimensiones y otros dispositivos de control que re- quieren mucha potencia para mover cargas considerables (Bolton, 2001). Los actuadores son básicamente el músculo del sistema, el cual recibe una orden y produce un cambio físico en el sistema generando fuerza, desplazamiento, calor, flujo, etc. Normalmente se usan en conjunto con la fuente de alimentación y el mecanismo de acople como se muestra en la figura 1.3. La fuente de alimentación provee energía al sistema, y el mecanismo de acople actúa como interfaz entre el actuador y el sistema físico (generalmente incluyen piñón, engranajes, pistones) (Bishop, 2006). Fuente de Actuador Mecanismo Señal Sistemacontrolador energía de acople Figura 1.3: Sistema actuador Los actuadores se pueden clasificar de acuerdo al tipo de energía que utilizan (ver Tabla 1.2), esencialmente del tipo eléctrica, electromecánica, electromagnética, hidráulica o neumática. Los actuadores se pueden clasificar además como binarios o continuos de acuerdo al número de estados estables de salida. Por ejemplo un relé con dos estados estables es binario, mientras que un motor paso-a-paso constituye un ejemplo de actuador continuo. Tabla 1.2: Tipos de actuadores Actuador Descripción Eléctricos Diodos, tiristores, transis- tores, diacs, triacs, relés, etc. Los conmutadores eléctricos son los más usados para las acciones de control tipo on-off. Estos dispositivos son ac- cionados por una señal de baja intensidad y conmutan dis- positivos eléctricos grandes como motores, válvulas, etc. Electromecánicos Continúa 11 Motor AC Motor paso-a-paso Motor DC El actuador electromecánico más común es el motor, que convierte energía eléctrica en movimiento mecánico, cons- tituyendo el medio principal de convertir la energía eléctri- ca en energía mecánica en la industria. Los motores DC son ampliamente usados en aplicaciones de puesta en marcha de motores de mayor potencia. Los motores AC constituyen el tipo más popular debido al uso de corriente alterna y por ser menos costosos. Los motores paso-a-paso son dispos- itivos que se mueven un paso a la vez de acuerdo a cada pulso de entrada, como son capaces de recibir órdenes di- gitales directas y producir desplazamiento mecánico, estos actuadores son ampliamente usados en aplicaciones de con- trol industrial. Electromagnéticos Solenoide Electroimán Relé El solenoide es el actuador electromagnético más común. Consiste en un núcleo de hierro encerrado por una bobina portadora de corriente. Cuando la bobina es energizada, se crea un campo magnético que provee fuerza para mover el núcleo. Hidráulicos y neumáticos Cilíndricos Motor hidráulico Motor de aire Válvulas Los actuadores neumáticos e hidráulicos normalmente son del tipo motores rotatorios, pistones/cilindros lineales o válvulas de control. Los actuadores neumáticos utilizan aire presurizado lo que los hace convenientes para fuerzas pe- queñas o medianas y aplicaciones de alta velocidad. Los actuadores hidráulicos utilizan aceite incompresible, lo cual constituye una de las ventajas de su uso pero son más complejos y necesitan un mayor grado de mantenimiento. Los motores rotatorios son utilizados en aplicaciones donde se requieran bajas velocidades y un elevado torque. Continúa 12 Los actuadores tipo cilindro/pistón se usan para movimien- tos lineales; y las válvulas de control en conjunto con mo- tores rotatorios y pistones, son convenientes para controlar la dirección de un flujo. 1.4.3 Autómatas programables Un controlador lógico programable (PLC, por sus siglas en inglés) se define como un dis- positivo electrónico digital que hace uso de una memoria programable para guardar instruc- ciones y llevar a cabo funciones lógicas, de configuración de frecuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y procesos (figura 1.4). Este tipo de procesadores se denomina lógico debido a que su programación básicamente tiene que ver con la ejecución de operaciones lógicas y de conmutación. Los dispositivos de entrada (por ejemplo, un interruptor) y los dispositivos de salida (por ejemplo, un motor) que están bajo control, se conectan al PLC; de esta manera el controlador monitorea las entradas y salidas, de acuerdo con el programa diseñado, controlando las máquinas y procesos (Bolton, 2001). PLC Entradas Programa Salidas de control dispositivos desde dispositivos hacia Figura 1.4: Controlador lógico programable (PLC) El controlador lógico programable moderno (PLC) es el sucesor de los controladores basados en relés. El cambio tecnológico comenzó en la década del 60 cuando las limitaciones de los controladores electromecánicos basados en relés condujeron a la compañía americana General Motors a la búsqueda de alternativas electrónicas. Finalmente, en 1970, Modicon encontró la solución al crear un sistema de control basado en microprocesador. El lenguaje de programación para dichos controladores fue modelado siguiendo los diagramas lógicos de escalera, muy parecido a un diagrama esquemático de la lógica de relés, para facilitar la transición del personal hacia los nuevos dispositivos. Durante la década del 70 fue refinada y probada esta nueva tecnología, y desde los 80 los PLC se han convertido en omnipresentes para el sector industrial (Bishop, 2006). 13 En esencia un controlador lógico programable es una unidad de control, basada en micro- procesador, que consta de una unidad de procesamiento (CPU), memoria y circuitos de en- trada/salida alojados en una caja compacta o en módulos interconectados a través de un bus de comunicación. La CPU controla y procesa todas las operaciones dentro del PLC. Cuenta con un temporizador el cual determina su velocidad de operación y constituye la fuente de temporización y sincronización de todos los elementos del sistema. Generalmente, su forma compacta presenta alrededor de 16 puertos de entrada/salida, mientras que el diseño modular puede alcanzar miles. Los canales de entrada/salida proporcionan funciones para el acondi- cionamiento y aislamiento de señales, lo que permite conectarlos directamente a sensores y actuadores, sin necesidad de otros circuitos. Los voltajes comunes para las señales de entrada son 5 y 24 VDC y para las señales de salida son 24 y 240 VDC (Bishop, 2006, Bolton, 2001). Los PLC se han convertido en parte integral de la automatización de sistemas de control. Se desarrollaron inicialmente para la industria automotriz, pero rápidamente fueron aceptados por virtualmente todo el sector industrial. Conforme creció su aceptación también se incre- mentó la demanda de nuevas funciones, más memoria y mayor cantidad de entradas/salidas. Esto dio lugar a que más fabricantes produjeran continuamente nuevos modelos con mejores características y se agregaran otras opciones. Existe gran cantidad de PLCs de diferentes capacidades, de diversas marcas y modelos co- merciales, pero todos son similares en su construcción y funcionamiento. Como ya se men- cionó, son de construcción modular, excepto aquellos que tienen todos sus componentes com- pactos en una sola unidad. Sus componentes fundamentales son: • La unidad central de procesamiento (CPU) • Fuente de energía • Base o rack • Interfaces de entrada/salida • Módulos especiales de entrada/salida • Módulos de comunicación Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las siguientes necesidades: • Espacio reducido • Utilización en ambientes exigentes o agresivos • Procesos de producción periódicamente cambiantes • Procesos secuenciales. • Maquinaria de procesos variables 14 • Instalaciones de procesos complejos y amplios • Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso Aplicaciones generales: • Maniobra de máquinas • Maniobra de instalaciones • Señalización y control Esto se refiere a los autómatas programables industriales, dejando de lado los pequeños autó- matas para uso más personal (que se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el hogar, como la puerta de una cochera o las luces de la casa). El uso de los autómatas en la automatización de procesos industriales ofrecen un sinnúmero de ventajas (Castellanos, 2012), entre ellas se encuentran: • Menor tiempo de elaboración de proyectos • Menor tiempo de puesta en funcionamiento • Menor costo de mano de obra • Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros componentes • Mínimo espacio de ocupación • Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata • Fáciles y rápidos de programar • Flexibilidad • Fiabilidad tanto de hardware como de software • Economía de mantenimiento 1.5 Sistemas de comunicación industrial Todo sistema de control de procesos requiere unidades de control, y aunque en el pasado dichas unidades eran elementos únicos, actualmente se han convertido cada vez más en ele- mentos intercomunicados. En la actualidad existen redes en distintas capas, desde el nivel de campo hasta el más elevado nivel de fábrica, tomando como referencia la pirámide de control anteriormente expuesta (Wilamowski and Irwin, 2011). La comunicación de datos entre sistemas automatizados ha constituido un punto central en líneas de desarrollo e investigación en aras de encontrar la red óptima para una aplicación da- da, protocolo, configuración más efectiva y de menor costo, mejor y mayor transferencia de 15 datos, seguridad y fiabilidad en la comunicación. Actualmente existe un desarrollo apreciable no solo en los protocolos y normativas para la comunicación industrial, sino también en los medios técnicos disponibles para llevar a cabo la comunicación de forma integral entre todos los elementos que forman parte del sistema automatizado. Hoy en día un gran número de dis- positivos de campo, instrumentación y otros medios técnicos tienen concebida de una forma u otra la posibilidad de comunicación. Los fabricantes se ocupan cada vez más de mejorar y perfeccionar las capacidades de comunicación de sus productos, motivado fundamentalmente porque las necesidades de comunicación en la industria moderna están creciendo exponen- cialmente (Castellanos, 2012). Las comunicaciones en el entorno industrial tienen el deber fundamental de ser altamente confiables, y a menudo cumplir con requisitos especiales en términos de retardo, ancho de banda e integridad de los datos (Wilamowski and Irwin, 2011); constituyen uno de los puntos de mayor importancia a tener en cuenta en un sistema moderno de producción. Las exigen- cias actuales imponen que sea necesario garantizar niveles adecuados de comunicación desde el más elemental sensor hasta el más sofisticado nivel informativo, permitiendo la automati- zación global de la fábrica o empresa (Castellanos, 2012). En una instalación fabril existen una gran variedad de equipos y dispositivos dedicados al control. El desarrollo de las redes industriales ha establecido la forma adecuada de unir todos estos elementos, aumentando el rendimiento y proporcionando nuevas posibilidades en la comunicación. Las ventajas que trae consigo el empleo de las redes industriales (Castellanos, 2012), se pueden resumir en: • Intercambio fiable de información entre el proceso e instancias superiores de control y gestión • Adquisición de datos de la planta de forma rápida y segura • Facilidad en la expansión del sistema • Procesamiento de gran cantidad de información • Permiten el trabajo coordinado de varios dispositivos a la vez de forma paralela, re- duciendo el tiempo de operación • Posibilita programación remota y el control a distancia • Visualización y supervisión de todo el proceso productivo La abundancia de aplicaciones para los sistemas de comunicación industrial (ICS, por sus siglas en inglés) implica una gran variedad de tecnologías y estándares. Dichas aplicaciones pueden diferir en un número de aspectos muy importantes a la hora de diseñar o seleccionar una tecnología de ICS (Wilamowski and Irwin, 2011), algunas de ellas son : 16 • Número de nodos • Latencia requerida • Ancho de banda necesario • Requisitos de tiempo real • Seguridad funcional • Topología física • Escalabilidad y extensibilidad No existe algo así como la “red universal” para todos y todo tipo de situación, sino que se cuenta con un conjunto especializado de redes que son las idóneas para un tipo de aplicación pero no para otras aplicaciones. Entre ellas podemos nombrar las siguientes redes a nivel de campo (fieldbus): • Controller Area Network (CAN) • Profibus • INTERBUS • WorldFIP • Foundation Fieldbus • Modbus • Industrial Ethernet 1.6 La industria del Café Por siglos se ha consumido y comercializado esta bebida en todo el mundo. A continuación se expone una síntesis de la historia de su descubrimiento y se describen los distintos procesos a los que se someten los granos crudos para obtener una taza de café lista para su consumo. 1.6.1 Breve historia del Café Una de las leyendas más difundidas sobre el descubrimiento del café es la concerniente a un pastor etíope que al observar un cambio en el comportamiento de sus cabras al consumir los frutos de cierto arbusto, decidió probar el fruto. (Thurston et al., 2013). La historia del café es un fenómeno difuso, diversas leyendas, como la anterior, explican el suceso de su descubrimiento en distintas épocas y lugares, permaneciendo como un hecho no esclarecido aún, situando en la mayoría de los casos a Etiopía como su lugar de origen, desde donde se propagó hacia el resto del mundo a través de Egipto y Europa (Mangal, 2007). 17 La presencia del café en Europa se registra desde 1575, cuando durante la investigación del asesinato de un mercader turco en Venecia, se encontró un aparato de café entre sus posesiones. Sin embargo, el verdadero despegue en la popularidad del café no fue hasta el año 1650 cuando se crearon las primeras cafeterías en la vieja Europa. Aunque el café llegó al mismo tiempo que el té y el chocolate, fue ganando espacio hasta conquistar adeptos en todo el continente. Gradualmente los países europeos fueron trayendo el café a sus colonias del continente americano, para su cultivo y posterior venta una vez transportados nuevamente hacia territorios del viejo continente (Thurston et al., 2013). 1.6.2 Del grano a la degustación Para obtener una taza de café bebible se necesitan realizar tres operaciones fundamentales (sin tener en cuenta las etapas iniciales de cosecha y posterior beneficio de los granos): tueste, molienda y cuele, siendo la primera de estas tres la que determina su olor y sabor caracterís- ticos. Una infusión de café verde sin tostar es imbebible. Es con la operación del tostado o torrefac- ción con la que el café desvela sus secretos. El café variará de aspecto, hinchándose, cam- biando de color y haciéndose quebradizo. Aumentarán las substancias grasas, disminuirán los azúcares y los ácidos clorogénicos, y en una maravillosa sinfonía para nuestro gusto y olfato, aparecerán más de 700 compuestos aromáticos, hasta ese momento celosamente guardados (Durán, 2014, Edzuan et al., 2015). El tueste es un proceso dependiente del tiempo y la temperatura, el cual induce cambios químicos en los granos de café aunque los cambios físicos también son evidentes (Clarke and Macrae, 1987). El objetivo de tostar los granos es hacerlos perder su humedad y liberar los aceites distintivos que proporcionan el sabor y el aroma del café. Con el calor, estas sustancias aceitosas se hacen presente en la superficie del grano (Márquez, 2013). Cuando los granos de café son sometidos al calor en una máquina tostadora, el agua residual en cada grano hierve hasta convertirse en vapor, lo cual promueve diversas y complicadas reacciones químicas entre las proteínas, azúcares, lípidos y minerales contenidos en dicho grano. A valores altos de temperaturas se combinan azúcares y aminoácidos, péptidos y pro- teínas, continuando con otras reacciones como la caramelización. Simultáneamente, una ex- tensa variedad de compuestos olorosos ligeros emergen, los cuales le dan al café su conocida fragancia. La presión dentro de cada grano aumenta de 20 a 25 atmósferas a medida que el vapor y dióxido de carbono intentan escapar de la gruesa, casi impermeable, pared del gra- 18 no. Eventualmente algunos estallan creando un sonido característico. El tueste aumenta el volumen del grano en un 50% o más, y pierde un 20% de su masa (Illy and Illy, 2015). Durante el tueste, los granos son sometidos a altas temperaturas cuyos valores varían en dependencia de la materia prima y del tipo de tueste. Los granos tostados se caracterizan por el proceso de tueste al que han sido sometidos, el grado de tostado se refleja en el color externo del grano, su sabor, la pérdida de masa. En simples términos, el café tostado puede ser descrito por su coloración: claro, medio y oscuro. Otra forma de describir el café tostado es por el tiempo de tueste: rápido, convencional e intermedio (Clarke and Macrae, 1987), los tiempos de cocción para cada uno de estos tipos de tueste varían según la literatura encuestada, por lo general los sistemas más lentos pueden tardar un máximo de 25 a 30 minutos, y los sistemas rápidos tardan entre uno y tres minutos. El método usualmente más usado para el tueste es el de tambor rotatorio horizontal. Existen además otros principios mecánicos para realizar esta tarea como se muestra en la Figura 1.5. Tostadoras Tipo Horizontal Cámara vertical Cámara vertical estática Lecho fluidizado Transferencia de calor Radiación Contacto Operación Por lotes Continua A presión Tambor giratorio Figura 1.5: Tipos de tostadoras (Fuente Illy and Viani (2005)) Los equipos de tambor horizontal constituyen el tipo más antiguo y a la vez el más utilizado, particularmente aquellos que realizan el tueste por lotes. El principio básico de esta tecnología se basa en hacer circular aire a elevadas temperaturas (400 a 550 oC) por la cámara donde se encuentran los granos girando a una velocidad determinada que le proporcione un tueste uniforme; proporcionando dos vías de transferencia de calor, por radiación y por conducción debido al contacto directo de los granos con las paredes del cilindro. La etapa que le sigue al tostado de los granos, para la obtención de una taza de café, le 19 corresponde a la molienda. El objetivo de moler los granos se debe a la necesidad de aumen- tar el área de la superficie que entrará en contacto con el agua hirviente. Teniendo los granos disminuidos a pequeñas partículas, aumentará la tasa de disolución y por tanto el cuele se producirá más rápidamente (Thurston et al., 2013), aspecto fundamental para la elaboración de algunos tipos de café como el Espresso (Illy and Viani, 2005). El objetivo principal, como bien se dijo, es facilitar la interacción entre al agua y el café en polvo, pero con mayor én- fasis en el propósito de facilitar la transferencia de sustancias solubles y emulsificables en la bebida que proporcionarán el sabor típico de una taza de café. Luego sigue el cuele del café molido, fase final para poder degustar la deliciosa bebida. En Cuba la forma más común de obtener dicho producto es a través del cuele hecho en casa, utilizando el equipo doméstico conocido como cafetera italiana o moka, que funciona usando el método de vaporización bajo presión, el que consiste en hacer hervir el agua, aumentando la presión dentro del depósito al formarse el vapor, haciendo que esta suba por el tubo del filtro a través del café molido extrayendo su esencia y sabor. Al llegar a la parte superior, sale por una pequeña torre perforada en la punta para evitar que se regrese el café preparado y ahí se mantiene hasta que todo el café haya salido. El tiempo de este proceso dura aproximadamente dos minutos cuando se llena todo el volumen del recipiente de agua. 1.7 Consideraciones del capítulo Para el control y automatización, de sistemas automatizados, los medios técnicos juegan un papel fundamental pues constituyen todo el equipamiento necesario para el correcto desem- peño del proceso, tomando los PLC como uno de los pilares de la automatización por sus características y todas las prestaciones que ofrecen. Existen en el mercado un sinnúmero de buses de campos para las diversas aplicaciones, a nivel industrial u otras, por lo que su elección dependerá de los requisitos del sistema. Para obtener una tasa de café bebible son tres los procesos necesarios: tostado, molido y cola- do, siendo el primero el más importante el cual se realiza en las tostadoras de café siguiendo varios principios, siendo el más utilizado el tostador de tambor giratorio horizontal. 20 Capítulo 2 Descripción del proceso 21 2.1 Introducción al capítulo Conocer cómo se realiza un proceso determinado es crucial cuando se necesita implementar un cambio, el más mínimo, a dicho proceso. El presente capítulo describe el flujo de produc- ción general de la línea, profundizando en las áreas de crudo y tueste las cuales serán objeto de la propuesta de automatización. Se describirá además el estado actual de los medios téc- nicos de automatización en dichas áreas lo que ofrece una idea del equipamiento necesario a reemplazar. 2.2 Flujo de producción general El proceso comienza en el almacén de materia prima en donde se depositan los granos crudos, cumpliendo las normas de almacenamiento establecidas. Posteriormente se introduce en la producción, comenzando en la tolva receptora donde se pesa y se transporta mediante un sistema neumático a los tostadores, para llevar a cabo el tueste de la materia prima según la carta tecnológica, respetando todos los parámetros establecidos. Al momento de efectuarse la torrefacción, los granos de cada especie se tuestan por separado, luego durante el molido es cuando se mezclan de acuerdo a las proporciones establecidas por la receta. Después del tostado, los granos se vierten en la cuna de enfriamiento a una temperatura de aproximadamente 140oC. Cuando la materia prima tostada alcanza una temperatura inferior a los 38oC y si las condiciones para ello se cumplen, los granos tostados son trasladados a la siguiente área (mezclado). Luego, según la mezcla establecida se unen los tipos de gra- nos especificados por la receta en uso. Una vez mezclados pasan de igual forma al silo de alimentación del molino, donde son molidos, y posteriormente trasladados a través de un transportador helicoidal a otro silo, de donde pasa a las máquinas envasadoras y posterior- mente al almacén del producto final. La figura 2.1 muestra el diagrama de flujo de la línea de producción y los distintos procesos desarrollados en la empresa. A continuación se describirá el funcionamiento por área de interés. 2.2.1 Área de crudo Constituye la primera área del proceso (figura 2.2). Es donde se almacenan los granos crudos que van a ser utilizados en el proceso de torrefacción, los cuales son transportados indistinta- 22 1 2 45 3 Torrefacción(3) Enfriamiento(4) Despedrado(5) 5 Almacén(1) Pesaje(2) 6 6 7 Silos(6) Mezclado(7) 8 Molienda(8) 9 Silo(9) 10 4 3 Empaquetado(10) Almacén(11) 11 Figura 2.1: Diagrama de flujo de la fábrica mente a cada uno de los tostadores de acuerdo a las peticiones hechas por los mismos. Figura 2.2: Representación del área de crudo Los elementos que conforman esta área son: • silos de almacenamiento de los granos crudos • sistema de transporte por cangilones para el llenado de los silos • báscula de pesaje de los granos a enviar a los tostadores • sistema de transporte neumático hacia los tostadores El llenado de los silos se realiza de forma manual por el operador, el cual pone en marcha o detiene el sistema de transporte por cangilones. Una vez llenos, el operario informa la cantidad cargada en los silos. La descarga se produce según la programación de los tostadores, donde se define de qué silo se extraerá producto. Cada vez que la tolva de crudo del tostador 23 esté vacía y queden tostadas por hacer se llevan a cabo las siguientes acciones: 1. Apertura del silo correspondiente y cierre cuando la báscula sense más de 174 Kg 2. Pesaje de lo extraído y registro del dato 3. Se posiciona el desvío para llenar la tolva del tostador correspondiente 4. Con el desvío posicionado correctamente se produce el arranque del ventilador y la apertura de la báscula 5. Cuando en la báscula se detecta el cero, permanece el ventilador unos segundos en fun- cionamiento para limpiar los ductos, pasado el tiempo se detiene y se cierra la báscula 6. La sección de crudo queda en espera de cualquier otra solicitud El sistema de llenado de los silos se encuentra totalmente inhabilitado debido a la ausencia de los medios mecánicos correspondientes, causando la inutilización del sistema de descarga del producto al proceso, por lo cual se realiza de forma manual. 2.2.2 Área de tueste Esta área presenta un proceso más complejo respecto al anterior debido a un número mayor de etapas por las cuales transita. El equipo tostador consta de dos funciones: el tueste del grano dentro del tambor y el enfriamiento del mismo hasta alcanzar la temperatura adecuada para avanzar a las demás áreas. Los elementos que integran el área de tueste son (figura 2.3): 1. tolva, donde se almacenan los granos a tostar 2. bombo o tambor, donde se tuestan los granos 3. quemador, calienta los gases para el tueste 4. cuna de enfriamiento y remoción de impurezas 5. sistema de transporte neumático para trasladar los granos tostados a la siguiente etapa 6. sistema de evacuación de los gases Para realizar el tueste de los granos se sigue el procedimiento descrito por la carta tecnológica vigente. En general y variando los valores de los parámetros necesarios para el tipo de materia prima a utilizar, se sigue el procedimiento mostrado a grandes rasgos en la figura 2.4, para la operación de los tostadores a través del sistema de control automático. Antes de comenzar el trabajo en los tostadores es vital chequear que se encuentren listos para ello, lo cual implica: 24 Figura 2.3: Representación del área de tueste Inicio Encender quemador Esperar tiempo tc Apagar quemador Esperar tiempo te Entrada de granos Secuencia de apagado de llamasInyección de agua Orden de enfriamiento Si No ¿Tuestes por hacer? Si No ¿Temperatura inicial alcanzada? Figura 2.4: Diagrama del proceso de tueste • Existencia de aire comprimido para los actuadores neumáticos • Existencia de agua para el enfriamiento del grano tostado y/o posibles emergencias • Existencia de combustible para el funcionamiento de los quemadores Una vez garantizados los aspectos previamente mencionados se procede a realizar la ex- plotación del equipamiento de tueste. Durante toda la operación, el bombo debe permanecer girando hasta que se termine completamente el trabajo del tostador. Al inicio, la compuerta permanece abierta durante un tiempo programado, luego se cierra, se arranca el aspirador de aire caliente y comienza la secuencia de encendido del quemador solo si se cumplen las condiciones anteriores (el bombo se encuentra girando, la compuerta permanece cerrada y el 25 aspirador de aire funcionando), de lo contrario se apaga. Con el quemador encendido se procede al calentamiento inicial del equipo (130oC) para el tueste durante un tiempo tc predeterminado en la programación del autómata, temperatura a la cual el tostador está listo para recibir la materia prima cruda. Si la temperatura no se alcanza durante el tiempo preestablecido, se apagará el quemador durante un corto período de tiempo te y se reiniciará el proceso de calentamiento del tostador. Posteriormente se introducen al interior del tambor los granos crudos almacenados en la tolva receptora del tostador, causando un leve descenso en la temperatura del interior del bombo. A partir de esta etapa comienza a aumentar progresivamente la temperatura en el interior del tambor activándose a su vez la secuencia de apagado de llamas del quemador, la cual consiste en ir apagando cada una de las llamas de acuerdo a la temperatura programada hasta que se apague por completo el quemador, determinado por el punto de tueste. La temperatura de apagado de cada llama depende de la receta que esté rigiendo la producción y es programado en el sistema automatizado, aunque si el operario así lo considera puede dar la orden de apagado manualmente a cada llama, programándose a su vez el nuevo tiempo al sistema para las siguientes tostadas. Una vez alcanzado el punto de tueste y transcurrido el tiempo necesario o el visto bueno del operario considerando el grano completamente tostado, se inyecta agua al interior del tostador, luego se espera un corto período de tiempo en el que se realiza la evacuación del vapor generado por el agua inyectada y se da la orden de enfriamiento, cuyo proceso se explica a continuación (figura 2.5). Una vez concluido el trabajo con el tostador se activará el modo de enfriamiento, o sea, se mantendrá el bombo girando y el aspirador de aire funcionando hasta que se alcance una temperatura inferior a los 40 oC. Dada la orden de enfriamiento de los granos vertidos en la cuna de enfriamiento, comien- zan a girar continuamente las palas durante un tiempo programado, a su vez se enciende el ventilador de enfriamiento. Al transcurrir el tiempo, se detienen las palas durante un instante predeterminado y comienzan a girar nuevamente hasta que transcurra el tiempo programa- do, una vez concluido, se detiene el ventilador de enfriamiento y se prepara el sistema para transportar el grano tostado a la siguiente área, que si se cumplen las condiciones para ello, arrancará el sacapiedras y el vibrador y se abrirá la compuerta de la cuna. Una vez evacuados totalmente los granos, se detendrán el sacapiedras, vibrador y palas, y se cerrará la compuerta de la cuna. 26 Inicio Detener palas Giro continuo de las palas Transporte No Si ¿Listo para transporte? Figura 2.5: Diagrama orden de enfriamiento 2.2.3 Restantes áreas El resto de las áreas las constituyen: el área de merma, mezclado, molido y la de envase. Por lo general los medios técnicos en estas áreas se encuentran en buen estado, solo pre- sentando desperfectos en componentes mecánicos, sobre todo en los sistemas de transporte por cangilones, caracterizado por la ausencia de varios de dichos elementos. Los procesos desarrollados por estas áreas se encuentran siendo operados por el sistema automatizado. 2.3 Estado actual de las áreas de crudo y tueste Ambas áreas se encuentran afectadas por el deficiente estado de los medios mecánicos en la línea de producción. Se destaca la ausencia de varios sensores y elementos de confirmación necesarios para habilitar el modo automático de la planta y disminuir el factor riesgo en la producción, para evitar daños que repercutan en pérdidas económicas y, sobre todo, de vidas humanas. A continuación se exponen los medios técnicos de automatización y su estado por área. 27 2.3.1 Crudo Cilindros neumáticos para el accionamiento automático de las compuertas en los silos y para la báscula de pesaje de los granos. De los cinco existentes en el área, solo se encuentra operando el de la báscula, pues el sistema de carga/descarga de los silos no se encuentra operativo, y los otros cuatro no están presentes. Sensores de nivel para granos. Existen en el área un total de cinco sensores, cuatro en los silos de almacenamiento para determinar el nivel máximo y mínimo, y otro en la báscula, ninguno se encuentra presente en el lugar correspondiente. Báscula de cuatro celdas de medición para sensar el peso de la cantidad de materia prima a entregar al proceso de tueste, se encuentran funcionando pero es necesario su sustitución. Un ventilador para la generación del flujo de aire para el sistema de transporte neumático de los granos al área de tueste, funcionando y en buen estado. Panel de mando y señalización para el control local por parte del operario cuando se trabaja en modo manual. Consta de un HMI en el cual se muestra el peso en Kg cargados en la báscula de salida, debajo del mismo se encuentra un panel de botones para controlar el área de manera local. En dicha botonera se encuentran los siguientes (ver figura 2.6): Figura 2.6: Diagrama panel de mando en área de crudo • Botón carga silos. En dependencia de la posición accionada (centro-izquierda: silo uno, centro-derecha: silo dos) permite llenar un silo u otro con el sistema de cangilones. • Botón descarga silos. Igual que el anterior pero se utiliza para la descarga a la báscula de salida. • Botón báscula. Controla la apertura-cierre de la báscula. 28 • Botón desvío. Posiciona el desvío del tiro del ventilador a las tolvas de los tostadores (giro centro-izquierda: tostador uno, centro-derecha: tostador dos). • Botón emergencia. Detiene todo el funcionamiento del área de crudo. • Botón llave. Permite habilitar la botonera para realizar una operación de mando local, sin la interferencia del cuarto de control. • Botón cangilones. Controla el sistema de transporte por cangilones. • Botón ventilador. Enciende o apaga el ventilador encargado de generar el tiro necesario para transportar los granos de café crudos hacia los tostadores de la siguiente área de la línea de producción. Presenta un grado alto de deterioro por lo que es necesario su renovación. 2.3.2 Tueste Cilindros neumáticos, cuatro en total, dos para el accionamiento de la compuerta del tosta- dor, uno para la de la tolva y el restante ubicado en la de la cuna de enfriamiento, todos funcionando correctamente excepto el último que es necesario reemplazar. Detector de nivel para la detección del nivel mínimo en la tolva de almacenamiento, no existe. Sensores de temperatura para la medición de la temperatura de los gases provenientes del quemador, así como la existente en el interior del tostador, solo se encuentra operativo el sensor que mide dentro del bombo del tostador. Seis motores para realizar el giro necesario del bombo y las paletas de la cuna de enfriamien- to; la bomba para la inyección de agua, y los tres restantes para los ventiladores de inyección y extracción de aire al sistema de tueste, todos funcionando correctamente. Panel de mando y señalización para el control local por parte del operario cuando se trabaja en modo manual. Cuenta con dos HMI para mostrar la temperatura del flujo de aire caliente a la entrada del tostador y la temperatura dentro del mismo. La botonera se compone por (ver figura 2.7): • Dos lámparas para indicar el régimen de trabajo: automático o manual. • Botón para seleccionar el régimen de trabajo (giro izquierda: tueste manual, derecha: automático). • Botón para inhabilitar quemador (giro deshabilitado: tueste manual, derecha: habilita- do). 29 Figura 2.7: Diagrama panel de mando en área de tueste • Botón para inyectar agua dentro del tostador (pulsar para inyectar y soltar para detener) • Botón llave para habilitar el mando local sin interferencia del cuarto de control • Botón de emergencia, detiene todo el proceso en el tostador correspondiente excepto el giro del bombo y la posibilidad de inyectar agua con el botón designado. • Botón punto de tueste. Al oprimirlo apagará una llama del quemador cuando se encuen- tre en modo manual, o apagará y programará el tiempo correspondiente en el sistema en caso de trabajar en modo automático. • Botón para arrancar bombo • Botón para arrancar aspirador de aire caliente • Botón para arrancar ventilador de enfriamiento • Botón para arrancar las palas • Botón para arrancar vibrador • Botón para arrancar sacapiedras • Botón para abrir tolva de entrada de crudo • Botón para abrir compuerta del tostador • Botón para abrir compuerta de la cuna de enfriamiento • Botón para habilitar o bloquear llama #2 del quemador • Botón para habilitar o bloquear llama #3 del quemador • Botón para habilitar o bloquear llama #4 del quemador Presenta un grado alto de deterioro por lo que es necesario su renovación. Sistema de control de llamas en los quemadores, su función consiste en realizar de forma automática la secuenciación del trabajo correspondiente a las llamas del quemador, desde el encendido automático del mismo hasta la secuencia de apagado de cada una de las llamas, de- 30 terminado por la temperatura alcanzada. En este sistema se destaca la ausencia de detectores de llamas, necesarios para operar en régimen automático. 2.4 Descripción de los medios técnicos Por ser un proceso relativamente sencillo y emplear pocos medios técnicos de automatiza- ción, comparado por ejemplo con una caldera de vapor, se describen a continuación cada uno de los medios técnicos existentes separados por subepígrafes. 2.4.1 Elementos de acción final Para el accionamiento de los actuadores instalados en la fábrica (cilindros neumáticos) es necesario emplear electroválvulas (figura 2.8). Su función es la de manejar la circulación del flujo de aire, con el objetivo de mover el vástago del cilindro hacia un lado u otro. Normal- mente, para un cilindro de doble efecto, se utiliza una válvula solenoide de cuatro, disponien- do cuatro o cinco conexiones para tuberías (denominadas puertos), contando con una entrada de presión, dos puertos cilíndricos que proveen presión al cilindro de doble efecto, y una o dos salidas para liberar presión de los cilindros. (a) Cilindro neumático (b) Electroválvula Figura 2.8: Elementos de acción final y actuadores Existen varias clasificaciones de elementos de confirmación, o finales de carrera, para deter- minar la posición del vástago del cilindro, entre ellas se encuentran las siguientes: • Final de carrera tipo reed • Final de carrera de estado sólido 31 Ambos se adhieren al exterior del cilindro y su función es la misma, detectar el campo mag- nético generado por un imán generalmente incorporado en el pistón del cilindro y accionar un interruptor para la señal de salida. La diferencia entre un tipo u otro de sensor se encuentra en el principio de operación. El funcionamiento del primero es parecido al de un relé, cuando el campo magnético actúa sobre el sensor, este cambia su estado uniendo los contactos, cerrando un circuito eléctrico (figura 2.9). Imán cerca (a) Esquema (b) Dispositivo Figura 2.9: Detector tipo reed El segundo es más complejo pues necesita componentes electrónicos para su funcionamiento. En este caso, a medida que el imán se acerca al sensor este cambia su resistencia causando una fluctuación de voltaje, lo que es identificado por un circuito integrado, encargado de generar la señal de salida (figura 2.10). Figura 2.10: Detector de estado sólido 2.4.2 Detector de nivel Detector de nivel para granos de paleta rotativa (figura 2.11), permite la detección de nivel en un punto determinado (alto, medio, bajo) en tolvas, silos o recipientes en general. Controlan con seguridad la mayoría de los productos a granel: polvos, harinas, granos, arenas, cementos, 32 plásticos, etc., y no necesitan ajuste aunque varíen las características del material, humedad, conductividad, granulometría. Figura 2.11: Detector de nivel de paletas rotativas El funcionamiento de estos controladores se centra alrededor de un motorreductor síncrono de velocidad lenta. En el lado del producto se halla una paleta accionada por el motorreductor, al cual está unida mediante un eje de doble apoyo. Cuando llega el producto a la paleta y ésta encuentra resistencia a su giro, el motorreductor gira sobre su propio eje accionando dos microinterruptores: uno desconecta el motor y el otro actúa sobre los mecanismos de control. Al quedar la paleta libre de producto, el motorreductor por efecto de resorte queda nuevamente conectado haciendo girar la paleta e invirtiendo la señal de control. 2.4.3 Sensor de temperatura Los sensores utilizados para este propósito son termorresistencias del tipo Pt100, muy cono- cidas en el ámbito industrial (figura 2.12). Figura 2.12: Sensor de temperatura (Pt100) Existen tres formas en las que se puede realizar la conexión de este dispositivo: • de dos hilos 33 • de tres hilos • de cuatro hilos siendo este último el menos propenso a errores de medición y a su vez más costoso de im- plementar. La conexión de tres hilos constituye la más común. Cualquiera que sea el método de conexión, se debe hacer pasar una cierta corriente por el elemento sensor de modo de poder medir su resistencia. Esta corriente de excitación la suministra el instrumento lector. Se utiliza un valor de corriente pequeño, generalmente 1mA (por ser un valor muy cómodo a la hora de calcular), para evitar errores en la lectura debido a un posible calentamiento del dispositivo dado por el efecto Joule. 2.5 Consideraciones del capítulo La ausencia de los medios técnicos de automatización en un proceso automatizado imposi- bilita el funcionamiento del sistema en régimen automático, constituyendo la carencia de elementos de confirmación la principal falta en la empresa. Conocer profundamente cómo se realiza el proceso y los MTAs que forman parte de este es vital para la futura renovación o automatización. 34 Capítulo 3 Propuesta de automatización y análisis económico 35 3.1 Introducción al capítulo El presente capítulo consiste en exponer una solución a los distintos problemas que afectan la línea de producción en la empresa. Se analizan dos posibles soluciones para la comunicación de los dispositivos de campo con el controlador y al final se realiza un análisis económico y se expone el posible impacto medioambiental que puede generar la aplicación del proyecto. 3.2 Propuesta para sistema de transporte en área de crudo La operación de entregar la materia prima cruda al proceso de tueste operando en modo manual constituye la primera barrera en la habilitación del régimen automático de la línea de producción de café tostado. El llenado de los silos es una tarea en la cual es necesaria la intervención humana, pero la descarga y entrega de los granos a los tostadores se puede realizar automáticamente bajo el mando del sistema automatizado. Con el fin de rehabilitar el sistema de transporte de los granos crudos hacia los silos de alma- cenamiento se propone adoptar un sistema de transporte bajo otro principio técnico menos propenso a roturas, pues los basados en cangilones, al ser accionados mecánicamente, conlle- van un considerable gasto de tiempo y dinero en mantenimientos, debido a que están supedi- tados a averías, bien sea por desprendimiento de cangilones, deficiencias de alineación de las cadenas o por los propios elementos mecánicos que componen el elevador de cangilones, etc. Para esta labor se propone el método de transporte por aspiración mostrado en la figura 3.1, que utilizando una válvula de tres vías es posible seleccionar cuál de los dos silos llenar. Como se puede apreciar el sistema se compone por: • el cabezal de succión, el cual se utiliza para la aspiración del material y está conectado a la parte superior del ciclón de succión • la tolva de recepción, colocada en la parte inferior del ciclón de succión inserta los granos a la tubería de alta presión a través de un inyector o mediante una válvula rotativa • la tolva de descarga • el ventilador de succión El sistema es adecuado para la aspiración del grano de varios lugares a través de tuberías fijas o flexibles, por ejemplo, directamente del suelo. El costo del sistema de transporte está determinado en mayor parte por la compra del ven- 36 Cabezal de succión Lado de succión Ciclón de succión Ventilador Válvula rotativa Lado de presión Ciclón de descarga Figura 3.1: Transporte neumático de granos por succión tilador que genera el tiro de aire necesario para la succión del material a transportar, pues los elementos necesarios para el accionamiento del mismo se encuentran disponibles en la empresa. Es necesario dos variables digitales de salida para el accionamiento del ventilador y cuatro de entrada para los sensores de nivel en los silos (nivel máximo y mínimo). 3.3 Propuesta para sistema de abasto de agua en área de tueste El sistema de abasto de agua a cada tostador está compuesto por un tanque y su bomba correspondiente. El llenado del tanque se realiza de forma manual por los operarios y, además, no existe un mecanismo que detecte cuando se está agotando su contenido, lo cual produce pérdidas de tiempo, insatisfacciones en el personal y ante una posible negligencia podría influir en la calidad del grano tostado. La figura 3.2 muestra el diseño del sistema propuesto. Consta de un tanque elevado común, con dos sensores de nivel conductivos y que permitan medir nivel máximo (LT1) y mínimo (LT2) para evitar el desborde o vaciado del mismo. Se dispone de una bomba para el llenado del tanque (B1), y dos bombas para abastecer de agua a cada uno de los tostadores de forma independiente (B2 y B3). Las válvulas V1−5 son para facilitar el mantenimiento del sistema, su accionamiento se realiza de forma manual. Esta Para que el llenado del tanque funcione de manera automática son necesarias dos variables digitales de entrada para los detectores de nivel y una salida digital para el accionamiento de la bomba de llenado. No es necesario efectuar la compra de ningún automatismo para la 37 puesta en práctica del sistema propuesto, solo se incurren en gastos para la instalación de tuberías. Figura 3.2: Sistema de abasto de agua 3.4 Propuesta de instrumentación La elección de los medios técnicos de automatización para un proceso determinado es de vital importancia, pues estos son los que garantizarán el correcto funcionamiento del mismo. A continuación se describen los medios técnicos seleccionados, en los anexos es posible encontrar información más detalladas de los mismos. La mayor parte de los instrumentos seleccionados pertenecen a Siemens y SMC, de las cuales se seleccionaron desde la primera automatización los medios técnicos para el proceso, siendo requisito indispensable reutilizar la mayor cantidad de instrumentos posibles. En el Anexo 4 se se encuentra la nomenclatura y ubicación de los medios técnicos mencionados a continuación. 3.4.1 Transductores Para el pesaje y dosificación (WT) de los granos crudos de café se propone utilizar un sensor compuesto por cuatro celdas de carga, de la compañía Siemens, SIWAREX WL230 BB-S SA 7MH5106-3PD00 (figura 3.3), la cual constituye una celda para la medición de fuerzas y peso estática o dinámicamente, presenta tres pares de cables para la conexión con el módulo de pesaje: - línea del sensor (+) y (-) - línea de alimentación (+) y (-) 38 - línea de medición (+) y (-) Es un sensor del tipo galga de esfuerzo, ideal para el pesaje de contenedores pequeños, bás- culas de plataforma, etc. Puede pesar cargas desde los 10 hasta 500 Kg, con un grado de protección IP68, ideal para su uso en lugares altamente contaminados por el polvo, como lo es la industria del café, y sumergible totalmente en agua. Figura 3.3: Celda de carga La figura 3.4 muestra cómo se realiza la conexión con el módulo de pesaje seleccionado, SIWAREX U. Figura 3.4: Conexión de la celda de carga: 6 hilos Para la detección de nivel (LT1−4) en los silos y tolvas se propone el sensor FILSA IR-D 2108, es un interruptor de paletas rotativas para la detección de materiales sólidos granulados, de diseño compacto para montaje horizontal o vertical (figura 3.5). Presenta un grado de protección IP65, temperatura de trabajo de -20 a 80oC. La preferencia por los mismos se debe a que este fue el detector instalado durante la primera automatización de la empresa, por lo que es requisito de la misma mantener esta gama de productos aprovechando la conexión al proceso y tomando como repuestos los dispositivos aun funcionales. 39 Figura 3.5: Detector de nivel FILSA IR-D Para la medición de temperatura (T T1−2) en los tostadores se propone utilizar el sensor de temperatura SITRANS TS200 7MC7212-6DA15-Z T11, cuyo elemento primario lo consti- tuye una termorresistencia del tipo Pt100 clase B, rango de medición entre -50 y 400oC. Trae incorporado el convertidor a 4...20 mA TH100 para montaje en el cabezal (figura 3.6). Figura 3.6: Convertidor de temperatura TH100 3.4.2 Elementos de control final Para el accionamiento de las compuertas es necesario el uso de cilindros neumáticos de doble efecto, los cuales se mueven en dependencia de la dirección del flujo de aire comprimido proveído por las electroválvulas. Diversos son los fabricantes que manufacturan este tipo de productos, entre ellos se encuentra la compañía japonesa SMC Corporation, líder en tec- nologías de automatización neumática, de la cual se seleccionaron los elementos de control final (electroválvulas) y aditamentos necesarios para su funcionamiento. La preferencia por esta compañía está favorecida, además de por la calidad de los productos que manufacturan, por la experiencia acumulada por parte de la Empresa de Servicios Au- tomáticos UEB ALIMATIC durante varios años al ofrecer en sus servicios dispositivos de este fabricante, y debido a que los actuadores existentes en la fábrica (cilindros neumáticos) 40 pertenecen a dicha compañía, con lo cual la integración de nuevos dispositivos es sumamente sencilla. Los elementos de confirmación o finales de carrera seleccionados, los cuales proporcionan una mayor robustez al sistema, son D-A64, del tipo reed sin LED incorporado, conexión a dos hilos, tensión de carga de 12 VDC, 24 VDC o un voltaje inferior a los 200 VAC. Para el accionamiento de dichos cilindros se seleccionó la electroválvula SY3401K-5F1 (figura 3.7), la cual trabaja a presiones de hasta los 10 bar. Figura 3.7: Electroválvula SY3000 sobre placa de montaje único Estos dispositivos son de bajo consumo, 0.35W estándar, llegando a consumir 0.1W si se le adapta un circuito de ahorro de energía. Su alimentación es de 24 VDC. Presenta un alto grado de protección (IP67) apto para casi cualquier entorno de trabajo. El cableado de las mismas se puede realizar de varias formas: conector sub-D, conector circular, cable plano, bus de campo, etc.. De ellas la más recomendable es por bus de campo, pudiéndose entonces aplicar el concepto de periferia descentralizada, lo cual permite mayor flexibilidad en el proceso y disminuye la complejidad de los mantenimientos. Esta serie de electroválvulas soporta varios sistemas de buses de campo, haciendo de interfaces de diversos protocolos, como son Profibus DP, DeviceNet, Profinet. Ethernet/IP, EtherCAT, etc. El sistema de bus de campo propuesto para servir de interfaz de comunicación de las válvu- las con el sistema automatizado es la unidad EX600-SPR1A (figura 3.8). La tabla 3.1 muestra algunas de sus características. Esta unidad puede servir también como interfaz de comunicación para señales digitales o analógicas, de entradas, salidas o entrada/salida. Para este propósito es necesario entonces acoplar los módulos correspondientes a la función deseada. Esta opción será analizada poste- riormente, pues se valorará entre módulos de este sistema o mediante el de periferia descen- tralizada ET200 de Siemens. 41 Tabla 3.1: Características EX600 Característica Valor Rango de temperatura de trabajo -10 a 50 oC Rango de humedad de trabajo 35 a 85% humedad relativa Protocolo PROFIBUS DP (DP-V0) Tipo de dispositivo PROFIBUS DP esclavo Velocidad de comunicación hasta 12 Mbps Alimentación 24 VDC, 2 A Protección Contra cortocircuitos IP67 Figura 3.8: Unidad EX600 3.5 Comunicación y elección del controlador Antes de seleccionar un controlador, es preciso primero conocer los requisitos del proceso así como las capacidades del autómata. Dada la gran abundancia de controladores programables, desde los de gama baja hasta los de altas prestaciones, es necesario evaluar por lo general la cantidad de entradas/salidas, tipo de control (individual, centralizado, distribuido), periféri- cos, condiciones ambientales a las que será sometido, compatibilidad, la confiabilidad del producto, precio, etc. Disímiles son las ofertas de autómatas en la actualidad para el trabajo no solo en la industria. Varios fabricantes ofertan este producto capaz de adaptarse a todo tipo de entorno de trabajo y ofreciendo especificaciones técnicas adecuadas para las necesidades de los procesos de la industria actual; entre los fabricantes más importantes se encuentran Siemens, Omron, Allen-Bradley, Mitsubichi, LG. Hoy en día, los autómatas modulares se han convertido en los más utilizados debido a que aumentan las opciones de automatización y la flexibilidad del sistema, lo cual posibilita aprovechar al máximo el equipo escogiendo solo los módulos de entrada/salida y de comunicación necesarios sin subutilizar las capacidades del autómata. 42 La tabla 3.2 muestra la cantidad de señales de entradas y salidas que debe ser capaz de manejar. Tabla 3.2: Listado de medios técnicos Sensor/Actuador Cantidad Comunicación Electroválvulas 11 Profibus DP Finales de carrera 22 digital Detector de nivel 7 digital Celdas de carga 4 voltaje Sensores de temperatura 4 4...20mA De acuerdo a los requerimientos anteriormente mencionados y dado que dentro de los requi- sitos de la presente propuesta está señalado el uso de ese dispositivo por disponer de varios ejemplares, y además la empresa ALIMATIC cuenta con experiencia trabajando con esta tec- nología, el PLC SIMATIC S7-300 de Siemens es el controlador propuesto para el sistema de control y adquisición de datos en la línea de producción. El S7-300 cuenta con una amplia gama de módulos, tanto para estructuras centralizadas como para descentralizadas. De este modo, configurado en un solo rack se obtienen un máximo de 256 E/S, y en una configuración de varios racks, hasta 1,024 E/S. En una configuración descentralizada con Profibus DP son posibles 65,536 conexiones de E/S. Cuenta con conexión a todos los sistemas de bus conven- cionales: Industrial Ethernet (IEEE 802.3), Profinet (IEC 61158/61784), Industrial Wireless LAN (IEEE 802.11), Profibus (IEC 61158/61784), AS-Interface (IEC 62026-2/EN 50295), Modbus RTU, Modbus TCP/IP, ISO on TCP, RS422-485 ASCII/3964(R), KNX entre otros. En los autómatas, la CPU constituye el módulo central que almacena y procesa el programa de usuario. Contiene el sistema operativo, la memoria, la unidad de procesamiento e inter- faces de comunicación. En el presente trabajo se propone la CPU 315-2 PN/DP. Esta CPU presenta una memoria integrada de 384KB y una memoria de carga (MMC) de hasta 8MB no incluida (es necesario insertarle una micro memory card), interfaces de comunicación MPI/DP y dos puertos Ethernet Profinet. No trae integrado ningún puerto de entrada/salida evitando la subutilización de los mismos y encarecimiento del proyecto. En los anexos se muestra una propuesta de programación para el control básico de estas áreas, la cual puede ser tomada como punto de partida para la puesta en marcha de la propuesta. Con el fin de obtener un sistema flexible y disminuir los costos por cables y mantenimientos del mismo, y además un sistema de acuerdo con las exigencias de la industria actual, se propone un sistema de periferia descentralizada, o sea, estableciendo la comunicación entre el sistema de automatización y las unidades periféricas mediante bus de campo, evitando llevar 43 la señal directamente al controlador desde los sensores y actuadores. Para la comunicación con los instrumentos de campo se analizaron dos posibles vías de solución: 1. Mediante la utilización de un módulo de periferia descentralizada ET200M, al cual se le añaden los módulos para S7-300 de entrada/salida necesarios. 2. Acoplar al sistema de comunicación EX600 sus módulos de entrada/salida necesarios. Ambas vías permitirían la comunicación con los instrumentos de campo de aquellos dis- positivos que no intercambian información mediante buses de campo, evitando la conexión directa a los módulos del PLC. Estas soluciones se sustentan con la premisa de ahorrar recur- sos por compra de cables y mantenimientos más complejos, y lograr tener un sistema menos concentrado que provea más flexibilidad ante una posible ampliación, rotura o modificación de algunos de sus componentes. Para el caso del módulo de periferia descentralizada ET200M (figura 3.9) es necesario adquirir además de dicho módulo, uno de entradas digitales y otro de entradas analógicas. Una ven- taja es que se le puede acoplar el módulo de pesaje, acortando la distancia del cable que lo conecta a las celdas, y una desventaja consiste en el bajo grado de protección IP20 por lo que se necesita habilitar un armario eléctrico que le provea mayor seguridad. Figura 3.9: Módulo de E/S ET200M El ET200M es un sistema de periferia modular especialmente adecuado para tareas de auto- matización complejas. Consta de un módulo de interfaz Profibus DP, IM 153, el cual permite el uso de hasta 8 módulos de periferia del sistema de automatización S7-300, su velocidad de transferencia puede ser de hasta 12 Mbits/s. El módulo de interfaz seleccionado es el IM 153-1, que constituye una variante óptima en términos de precio, y la más apta para casi to- das las aplicaciones en el entorno de la automatización manufacturera. Se conecta al bus de campo Profibus DP como esclavo. Los siguientes módulos para el sistema S7-300 serían acoplados al sistema de periferia de- scentralizada ET200M: 44 • Módulo de entradas analógicas SM331 6ES7331-7KF02-0AB0. Para la medición de temperatura en cada una de las tostadoras se hace uso de transmisores de temperatura con salida 4...20mA, en total existen cuatro, por lo que la elección de este módulo con ocho queda sobredimensionado para futuras aplicaciones. • Módulo de entradas digitales SM321 6ES7321-1BL00-0AA0. Para la lectura de los detectores de nivel y los finales de carrera. Módulo de 32 entradas digitales, aisladas galvánicamente mediante optoacopladores, voltaje de entrada 24VDC. Al igual que el módulo analógico, queda sobredimensionado para otras aplicaciones pues solo son necesarios 29 puertos, restando un total de tres. • Módulo de pesaje SIWAREX U 7MH4950-1AA01. Es un módulo flexible y versátil para pesaje, se puede integrar directamente al S7-300 o mediante módulos de perife- ria descentralizada ET200. Límite de error de 0.05%, se le pueden conectar de una a cuatro celdas de medición a base de galgas extensométricas, de cuatro o seis hilos a una distancia máxima de 500 metros. Para más de una celda es necesario emplear una SIWAREX JB (junction box). Presenta un grado de protección IP20 por lo que su ins- talación se realiza dentro de paneles de protección. Se alimenta de una fuente 24VDC y se le puede conectar un indicador mediante comunicación RS232 o TTY. Para el caso de la comunicación mediante el sistema EX600 sería necesario adquirir dos módulos de entradas analógicas y dos de entradas digitales: • EX600-DXPD. Módulo de entradas digitales con 16 puertos. Voltaje de alimentación 24VDC, voltaje para nivel alto 17VDC o más, voltaje para nivel bajo 5VDC o menos, consumo de 70mA o inferior. Grado de protección IP67. • EX600-AXA. Módulo de entradas analógicas de dos puertos. Presenta protección con- tra cortocircuitos y grado de protección IP67. Voltaje de alimentación 24VDC, consumo de 70mA o inferior. La entrada puede ser de tensión o de corriente. Los rangos de señal para una resolución de 12bits, de entrada de tensión, pueden ser de 0 a 10V, 1 a 5V o de 0 a 5V con una precisión de ±5%; y para señales de corriente los rangos son de 0 a 20mA o de 4 a 20mA, con precisión de ±6%. En este caso no existe sobredimensionamiento para las entradas analógicas y solo estarían disponibles para futuros proyectos un total de tres entradas digitales al igual que en la otra solución. El grado de protección IP67 de todo el conjunto es muy bueno por lo que no es necesario habilitar un armario eléctrico intrínsecamente seguro para este propósito, y una de las ventajas de utilizar este sistema es que la unidad de interfaz de comunicación forma parte de la propuesta y debe ser adquirida para la comunicación con los bloques de electroválvulas, por lo que podría aprovecharse; aunque por otro lado el módulo de pesaje sería acoplado 45 directamente al rack del PLC, aumentando la distancia de este y las celdas de medición. La tabla 3.3 muestra una comparación del costo necesario para implementar cada una de las soluciones propuestas, se calcula solo teniendo en cuenta los módulos necesarios a comprar, no incluyendo los precios de accesorios y cables. Como se puede apreciar la más viable económicamente es utilizando los módulos de comunicación SMC. Tabla 3.3: Comparación de soluciones por costo (CUC) ET200M EX600 Módulo Costo Cant. Total Módulo Costo Cant. Total ET200M 600 1 600 AXA 215 2 430 SM331 1660 1 1660 DXPD 200 2 400 SM321 760 1 760 Costo total 3020 Costo total 830 La figura 3.10 muestra cómo queda conformada la pirámide jerárquica de automatización para el sistema propuesto. Figura 3.10: Estructura del sistema propuesto Aunque establecer una división física entre cada uno de los niveles carece de sentido práctico, es posible delimitar teóricamente el sistema automatizado como se aprecia en la imagen. Se pueden observar cada uno de los elementos que conforman la pirámide por nivel, comenzando desde el nivel de campo donde se encuentran los sensores y elementos de control final exis- tentes en la fábrica, e indicadores locales. La comunicación en este nivel se realiza mediante 46 el bus de campo Profibus DP, por señal de 4. . . 20 mA, en el caso de las celdas de cargas hasta el módulo de pesaje por voltaje, y señales digitales provenientes de los dispositivos finales de carrera y los detectores de nivel. En el nivel de máquinas y agregados tecnológicos se sitúa el PLC seleccionado para el con- trol automático del proceso y el módulo EX600 que sirve de interfaz de comunicación entre los dispositivos de campo y el autómata. En el siguiente nivel, de planta, el cual se comuni- ca mediante Ethernet con el autómata, se sitúa el SCADA para el control y supervisión de la línea de producción por el personal autorizado, en el cuarto de mando. El último nivel, correspondiente al de fábrica, está conformado por la red informática de la empresa, aisla- da por seguridad de la red industrial, en este nivel se encuentra la gerencia de la empresa accediendo únicamente a informaciones para la planificación y control de la producción. 3.6 Valoración económica e impacto medioambiental La Empresa Tostadora de Café “Manuel Ascunce Domenech” de Villa Clara, tiene como objeto social la torrefacción y suministro de café molido y envasado a la población y a los organismos de la provincia, misión altamente sensible debido al arraigo de la tradición de los cubanos en cuanto al consumo de esta bebida, por lo que una entrega estable, eficiente y de alta calidad es de vital importancia. Mantener los volúmenes de producción establecidos y una entrega oportuna facilita la distribución del producto lo que aporta su cuota de bienestar y satisfacción al consumidor y por ende a nuestra sociedad. Además de la sensibilidad de la entrega de este producto a la población, resulta ineludible el análisis económico y el impacto de un proceso de torrefacción con un sistema de control deficiente, provocado por la operación manual en varias áreas de la línea de producción, lo que se manifiesta en: • disminución de la calidad del producto • sobredimensionamiento de la plantilla, • pérdidas de tiempo • excesos en el consumo de energía • reducción del tiempo de vida útil de los activos fijos Los volúmenes de producción están en correspondencia con la población de la provincia. El plan está concebido para ser cumplido sin objeciones de tal manera que mensualmente se cubra la demanda del total de consumidores y su incumplimiento trae consigo que haya que 47 realizar jornadas laborales extras, solicitar apoyo a otras provincias, etcétera, provocando un deterioro mayor en los índices de producción. La entrega del producto debe ser garantizada inobjetablemente cada mes, por lo que se con- sidera que resulta más preciso basar el análisis económico en el costo por peso de producción para justificar la aplicación de la propuesta. El deterioro del sistema automatizado, instala- do en el año 2000, se hizo palpable aproximadamente a partir del segundo quinquenio de explotación, y al cabo de 10 años se planificaba un costo por peso de producción de 0.80 pesos. El promedio de lo planificado de los últimos siete años fue de 0.90 pesos, fiel reflejo del deterioro de este indicador provocado, entre otras causas, por las deficiencias del sistema automatizado. Teniendo en cuenta que los medios técnicos que se proponen garantizan la habilitación del régimen de trabajo automático en la planta, se va a lograr: • mayor calidad del producto por la eficiencia del sistema de control en cada tostada al no depender del factor humano • el uso de la mano de obra alcanzaría niveles óptimos en cuanto a número de obreros en la planta y mejores condiciones de trabajo • reducción de la pérdidas de tiempo, el modo manual provoca pérdidas de tiempo en el proceso de tueste al depender de la eficiencia de un operario, lo que se revertirá con la habilitación del régimen automático • uso racional de la energía al operarse de forma más precisa los quemadores La inversión planteada, con un costo total aproximado de la mano de obra necesaria de aproxi- madamente 45 000.00 CUP, con un costo de medios técnicos de alrededor de 5 926.00 CUC, como se aprecia en la tabla 3.4, sin dudas influye positivamente en la planificación del costo por peso de producción y el ajuste a la realidad del mismo, durante el proceso productivo, lo cual trae consigo otras ventajas económicas como el ahorro de salarios y gastos indirectos, menos pérdidas y mejor aprovechamiento de los recursos, entre otros, como resultado del impacto económico de la propuesta. Resulta difícil determinar con exactitud cuándo se recupera la inversión porque no existen registros del tiempo que se pierde por la ineficiencia de los operadores y como la inversión resulta pequeña, sumado al ahorro de energía eléctrica, de salarios, de gastos indirectos, de combustibles, entre otros, la inversión debe ser recuperada en un período inferior a los dos años. Por otro lado, con la introducción de los medios propuestos se garantizará la disminución 48 Tabla 3.4: Listado de precios (CUC) Dispositivo (ref.) Costo Cant. Total parcial Descripción SS5Y3-10S6N4411BC6 800.00 1 800.00 Unidad de comunicación SY3401K-5F1 90.00 11 990.00 Electroválvula EX600-DXPD 200.00 2 400.00 Módulo de entradas digitales EX600-AXA 215.00 2 430.00 Módulo de entradas analógicas D-A64 18.00 22 396.00 Detector final de carrera FILSA IR-D 240.00 5 1200.00 Detector de nivel Pt100 + TH100 300.00 4 1200.00 Sensor de temperatura SIWAREX U 150.00 1 150.00 Módulo de pesaje SIWAREX WL230 90.00 4 360.00 Celda de carga Total 5 926.00 de la carga contaminante generada por la fábrica, debido a la reducción en el consumo de combustible, tanto para realizar el proceso de tueste como por el ahorro de energía. 3.7 Consideraciones del capítulo La correcta selección de los MTAs necesarios garantiza el funcionamiento adecuado de cada uno de los procesos en la línea de producción, los cuales fueron seleccionados de proveedores conocidos, de calidad probada, que reemplacen los dispositivos deteriorados o que sirvan de repuesto para futuras necesidades. La implementación de un sistema de comunicación de periferia distribuida posibilitará el ahorro de recursos, con la consecuente disminución del costo en futuros mantenimientos o modificaciones al proceso, al disminuir la cantidad necesaria de cables para comunicar directamente desde el proceso los dispositivos de campo. 49 Conclusiones y recomendaciones 50 Conclusiones Una vez finalizado el presente trabajo de diploma fue posible arribar a las siguientes conclu- siones: X El conocimiento adquirido sobre los procesos que se desarrollan en la Torrefactora “Manuel Ascunce Domenech” hizo posible describir el estado técnico actual de los medios técnicos de automatización como obsoletos en más del 60% de los mismos, dificultando el régimen de trabajo automático de la línea de producción. X La re-utilización de medios técnicos en uso, que se encuentran en buenas condiciones y pueden ser parte de la propuesta de automatización, disminuye considerablemente los gastos en inversión y tiempo de trabajo. X Un sistema de comunicación de periferia descentralizada, en el cual los instrumen- tos intercambian información con el controlador mediante el uso de buses de campo, permite reducir el tiempo durante mantenimientos y hace el sistema más flexible ante nuevas ampliaciones o modificaciones. X El empleo de instrumentación moderna junto a un sistema de comunicación de periferia descentralizada proveen a la Torrefactora de un sistema automatizado más actualizado y competente con el cual es posible lograr ahorro de recursos y energía, y aumentar las ganancias en el proceso productivo. 51 Recomendaciones Como recomendaciones del presente trabajo se plantea: • Desarrollar el SCADA para el control y supervisión de la línea de producción en la fábrica, ajustándose a los nuevos parámetros del sistema propuesto. • Elaborar la documentación pertinente para la correcta explotación de la línea por el personal encargado del proceso productivo. 52 Referencias bibliográficas Bishop, R. H. (2006). Mechatronics an Introduction. CRC Press LLC, University of Texas, Austin, USA. Bolton, W. (2001). Mecatrónica Sistemas de control electrónico en ingeniería mecánica y eléctrica. Alfaomega, México, 2nd edition. Castellanos, E. I. (2012). Sistemas de automatización. Samuel Feijóo, Villa Clara, Cuba. Clarke, R. J. and Macrae, R. (1987). Coffee Technology, volume 2. ELSEVIER APPLIED SCIENCE, New York. Creus, A. (2010). Instrumentación industrial. Alfaomega, México, 8th edition. Durán, R. E. R. (2014). Propuesta para implementar un sistema moderno y eficiente en los procesos de tostado, molido y empacado de café como estrategia tecnológica integral en la empresa buencafé, del municipio de Tame, Arauca. PhD thesis, Universidad Nacional de Colombia. Edzuan, A. M. F., Aliah, A. M. N., and Bong, H. L. (2015). Physical and chemical property changes of coffee beans dur