Tesis / 0043 / I.M. by MAOSABO

REESTRUCTURACIÓN, RECONSTRUCCIÓN Y AUTOMATIZACIÓN DEL EQUIPO OSMODESHIDRATADOR A NIVEL DE PLANTA PILOTO EN LA FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA

Autores: Juan Manuel Espitia Díaz Andrés Felipe Jerez Giraldo

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECATRÓNICA Bogotá D.C. 2015

REESTRUCTURACIÓN, RECONSTRUCCIÓN Y AUTOMATIZACIÓN DEL EQUIPO OSMODESHIDRATADOR A NIVEL DE PLANTA PILOTO EN LA FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA

Autores: Juan Manuel Espitia Díaz Andrés Felipe Jerez Giraldo

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO

Director: Víctor Manuel Gómez Ingeniero Electrónico Universidad de Antioquia

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECATRÓNICA Bogotá D.C. 2015

Nota de aceptaci贸n

___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________

___________________________ Firma del Director

___________________________ Firma del Jurado

AGRADECIMIENTOS

Como primera instancia agradezco a Dios por regalarme su gracia, fe, sabiduría, inteligencia, amor, fuerza y vigor para culminar exitosamente cada tarea propuesta. Siempre me moldea el carácter para ayudarme a ser un poco más como Él desea. A mis padres y hermano por toda la ayuda, paciencia, amor, tolerancia y colaboración que me han brindado desde que empecé a estudiar la ingeniería mecatrónica. Nunca existió negación alguna a favores, servicios, ayudas y similares. A mi hermosa novia por amarme tanto y estar siempre conmigo, nunca se apartó a pesar de los problemas, desilusiones y circunstancias vividas, siempre me brindó ánimo, cariño, ayuda y fortaleza para seguir con los proyectos. A todos mis familiares, amigos y personas que tuvieron que ver con el desarrollo de este proyecto, tal vez una palabra de ánimo permitió que se abriera una puerta a una nueva idea y manera de poner en marcha las situaciones. A todos los ingenieros, colegas colaboradores, por largo tiempo brindaron ideas y apoyo que fortalecieron el proyecto haciendo que fuera cada vez mejor. Juan Manuel Espitia Díaz

AGRADECIMIENTOS

Gracias en primer lugar a Dios que nos pone a cada quien donde debe estar y que a pesar de las circunstancias todo se moldea de la manera adecuada y con nuestro esfuerzo logramos afrontar de manera adecuada los inconvenientes. Gracias a mi madre, ella que siempre estuvo ahí, que de sus labios nunca se escuchó un no al momento de necesitar auxilio, que me dio más del 1000% de lo que tenía, podía y era, para que este sueño se hiciese realidad, que me ayudó a iluminar la imaginación y buscar siempre maneras creativas de darle respuestas a los problemas presentados y siempre sonreír sin importar qué. Gracias a mi padre que puso su esfuerzo en buscar darme un porvenir en los momentos que no diera abasto, a mis familiares y amigos que nunca dejaron de creer en mí y explotaron mis capacidades al límite, y por ultimo a mis profesores y colegas que siempre me apoyaron con su conocimiento y paciencia para hacer de este proyecto algo más que recalcable. Andrés Felipe Jerez Giraldo

CONTENIDO Pág. RESUMEN....................................................................................................................... 10 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 11 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................... 13 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 13 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................................. 14 JUSTIFICACIÓN.............................................................................................................. 15 MARCO TEÓRICO .......................................................................................................... 16 1.

OSMODESHIDRATACIÓN Y TECNOLOGÍA ........................................................... 16 1.1.

Difusión molecular.......................................................................................... 16

1.2.

Ósmosis ......................................................................................................... 17

1.3.

Deshidratación Osmótica ............................................................................... 17

1.4.

Técnicas de deshidratación osmótica............................................................. 18

1.5.

Técnicas de osmodeshidratado para este proyecto ....................................... 19

1.6.

Aplicación de vacío al proceso de deshidratación osmótica ........................... 19

1.7.

Funcionamiento de los deshidratadores por ósmosis más comunes .............. 20

SISTEMAS EMBEBIDOS DE CONTROL EN PROCESOS INDUSTRIALES ............ 21 2.1

Características de un sistema embebido........................................................ 23

2.2

BeagleBone Black .......................................................................................... 24

SEMICONDUCTORES EN ELECTRÓNICA DE POTENCIA .................................... 25 3.1

Optoacoplador ............................................................................................... 26

3.2

El Triac........................................................................................................... 27

3.3

Teoría del dimmer .......................................................................................... 28

TRANSDUCTORES ................................................................................................. 29 4.1

Sensores ........................................................................................................ 29

VÁLVULAS DE CONTROL ....................................................................................... 30 5.1

Tipos de válvulas con uso mayoritario............................................................ 30

INSTRUMENTACIÓN

IMPLEMENTADA

AUTOMATIZACIÓN

DEL

DESHIDRATADOR OSMÓTICO A NIVEL DE PLANTA PILOTO. ................................... 31 6.1

RTD Pt100 ..................................................................................................... 32

6.2

Dispositivos de uso común para mando y control........................................... 33

6.2.1

Contactor eléctrico ......................................................................................... 33

6.2.2

Guardamotor .................................................................................................. 34

6.2.3

Relé de sobrecarga térmica ........................................................................... 35

6.2.4

Actuadores ..................................................................................................... 36

6.2.4.1 Resistencias eléctricas de inmersión.............................................................. 36 6.2.4.2 Motorreductor................................................................................................. 37 7.

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN UTILIZADOS EN EL DESARROLLO DEL

PROYECTO .................................................................................................................... 38

7.1

C++ ................................................................................................................ 38

7.2

Shell scripts.................................................................................................... 39

7.3

JAVASCRIPT ................................................................................................. 39

7.4

HTML ............................................................................................................. 39

7.5

PHP ............................................................................................................... 39

SERVIDORES WEB ................................................................................................. 40 8.1

LIGHTTPD ..................................................................................................... 40

8.2

SERVIDOR WEB LOCAL............................................................................... 40

METODOLOGÍA .............................................................................................................. 41 9.

CARACTERIZACIÓN

DEL

DESHIDRATADOR

OSMÓTICO

ORIGINAL

PERTENECIENTE A UNIAGRARIA ................................................................................ 41 9.1 Tanque superior, función en el proceso de OD y elementos que conforman el sistema de trabajo ........................................................................................................ 42 9.1.1

Estructura mecánica ...................................................................................... 44 2

9.1.1.1 Tapa superior ................................................................................................. 44 9.1.2

Instrumentos y elementos que conforman el equipo ...................................... 47

9.1.2.1 Bomba de aire................................................................................................ 47 9.1.2.2 Bomba de vacío ............................................................................................. 48 9.1.2.3 Motorreductor................................................................................................. 49 9.1.2.4 Válvula mecánica de drenado ........................................................................ 50 9.2

Tanque inferior y elementos que completan el sistema .................................. 50

9.2.1

Bomba de recirculación .................................................................................. 52

9.2.2

Variables a manipular en el equipo de deshidratación osmótica .................... 52

10. SOLUCIONES PLANTEADAS PARA LA RECONSTRUCCIÓN Y AUTOMATIZACIÓN DEL DESHIDRATADOR OSMÓTICO.............................................................................. 53 10.1

Mecánica ....................................................................................................... 53

10.2

Electricidad y electrónica................................................................................ 54

10.3

Instrumentación ............................................................................................. 55

10.4

Control ........................................................................................................... 55

10.5

Software ......................................................................................................... 56

RESULTADOS ................................................................................................................ 57 11. INSTRUMENTACIÓN IMPLEMENTADA PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL EQUIPO OSMODESHIDRATADOR DE UNIAGRARIA .................................................................. 57 11.1

Dispositivos de mando y control ..................................................................... 57

11.2

Dispositivos de protección.............................................................................. 58

11.3

Actuadores ..................................................................................................... 61

12. RECONSTRUCCIÓN MECÁNICA DEL DESHIDRATADOR OSMÓTICO ................ 66 12.1

Mecanismo de transmisión de movimiento mediante poleas-correa. .............. 69

12.1.1

Poleas ............................................................................................................ 70

12.1.2

Bases para polea conducida .......................................................................... 71

12.2

Ajuste de tapa mediante cierres de palanca ................................................... 72

12.3 Incorporación de un sistema para lograr agitación y vacío en el mismo lapso de tiempo. …………………………………………………………………………………………73 12.4

Rueda y resorte ............................................................................................. 74

12.5

Mecanismo de movimiento por medio de brazos ........................................... 75

12.6

Tanque completo ........................................................................................... 78

13. ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA .......................................................................... 80 13.1

Sensores de temperatura ............................................................................... 80

13.2

Amplificación de la señal producida por los RTD Pt100 ................................. 81

13.3

Circuito electrónico de potencia ..................................................................... 82

13.3.1

Funcionamiento del circuito electrónico de potencia ...................................... 83

13.3.2 triac

Control de intensidad de corriente mediante el uso de un optoacoplador y un …………………………………………………………………………………………86

13.4

Circuito eléctrico de potencia ......................................................................... 87

13.4.1

Funcionamiento del circuito eléctrico.............................................................. 88

14. MODELO MATEMÁTICO DE LLENADO DE TANQUES EN SERIE ......................... 92 14.1

Balance de energía ........................................................................................ 92

15. INTERFAZ GRÁFICA ............................................................................................... 98 15.1

Uso de la BeagleBone Black .......................................................................... 98

15.1.1

Procedimiento para crear el servidor web ...................................................... 99

15.2

Configuración del servidor web .................................................................... 101

15.3

Instalación del lighttpd .................................................................................. 102

15.4

Creación del servidor web e Instalación del MySQL..................................... 105

15.5 Creación de la página en HTML y comunicación PHP, Programación y lógica en lenguaje en C ........................................................................................................ 108 15.6 Creación de base de datos para almacenar y graficar la temperatura obtenida.112 15.6.1

Generación de informes ............................................................................... 112

16. CONTROL .............................................................................................................. 114 16.1

Lógica Difusa ............................................................................................... 114

16.2

Funcionamiento del deshidratador osmótico ................................................ 119

17. MANUAL RÁPIDO PARA EL USO DEL DESHIDRATADOR OSMÓTICO .............. 123 4

CONCLUSIONES .......................................................................................................... 126 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 129 ANEXOS ....................................................................................................................... 136

LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Estructura de un sistema embebido .................................................................. 22 Figura 2. BeagleBone Black ............................................................................................ 25 Figura 3. MOC3041 ......................................................................................................... 27 Figura 4.TRIAC. (Izq) estructura física. (Der) Estructura interna ...................................... 28 Figura 5.Ejemplo de circuito dimmer ................................................................................ 28 Figura 6. RTD Pt 100 ....................................................................................................... 32 Figura 7. Contactor eléctrico ............................................................................................ 34 Figura 8. Guardamotor..................................................................................................... 35 Figura 9. Relé térmico..................................................................................................... 36 Figura 10. Resistencias tubulares. ................................................................................... 37 Figura 11. Ejemplo de motorreductor ............................................................................... 38 Figura 12.Canastillas contenedoras de alimento.............................................................. 43 Figura 13. Canastillas ubicadas en el interior del tanque ................................................. 43 Figura 14. Sistema de agitación vertical .......................................................................... 44 Figura 15. Tapa del tanque superior del deshidratador osmótico .................................... 45 Figura 16. Sistema de transmisión de movimiento ........................................................... 45 Figura 17. Muestra del motorreductor en el sistema de transmisión de movimiento ........ 46 Figura 18. Eje de agitación fijo en la base de la rueda ..................................................... 46 Figura 19. Composición de elementos en la tapa del tanque superior ............................. 47 Figura 20. Bomba de aire ................................................................................................ 48 Figura 21. Bomba de vacío .............................................................................................. 48 Figura 22. Bomba de vacío ubicada en la parte posterior del tanque superior ................. 49 Figura 23. Motorreductor utilizado para la agitación de canastillas .................................. 49 Figura 24. Tubo 1 1/4" para válvula mecánica (Izq), Válvula mecánica (Der)................... 50 Figura 25. Tanque inferior destinado para calentamiento de la solución osmótica ........... 51 Figura 26. Controlador de temperatura ubicado en la cara frontal del tanque inferior ...... 51 Figura 27. Bomba de recirculación .................................................................................. 52 Figura 28. Contactores posicionados en la caja de circuitos eléctricos. ........................... 58 Figura 29. Breakers eléctricos de 50 y 32 amperios respectivamente.............................. 60 Figura 30. Guardamotor Chint NS2-25/4 ......................................................................... 60 Figura 31. Relé de sobrecarga térmica Chint NR2-25. ..................................................... 61 Figura 32. Resistencias tubulares para inmersión............................................................ 62 Figura 33. Electroválvula de 2 vías NC ............................................................................ 63 Figura 34. Electroválvula que controla el paso de solución hacia el tanque superior ....... 63 Figura 35. Electroválvula que permite el paso de solución hacia el tanque inferior .......... 64 Figura 36. Válvula de 1/4 " que permite o no el escape de presión del tanque superior... 65 Figura 37. Sistemas y elementos encontrados en la tapa del tanque............................... 66 6

Figura 38. Tapa reconstruida para el tanque superior ...................................................... 67 Figura 39. Tapa del tanque superior en el osmodeshidratador original ............................ 67 Figura 40. Tapa del tanque, incluye un vaciado para ajuste de empaque ........................ 68 Figura 41. Tubos roscados para ensamblar las electroválvulas ....................................... 68 Figura 42. Motorreductor ubicado en la parte posterior del tanque superior..................... 69 Figura 43. Plataforma del motor con guía para ajuste de motor y tensión de correa ........ 69 Figura 44. Poleas para transmisión de potencia .............................................................. 70 Figura 45. Mecanismo de transmisión de movimiento...................................................... 72 Figura 46. Cierres de palanca soldados en el tanque superior......................................... 72 Figura 47. Sellos O´ring en el eje de agitación ................................................................. 73 Figura 48. Sellos O'ring que permiten movimiento axial y sellado .................................... 74 Figura 49. Resorte y rueda para movimiento axial del eje de agitación ............................ 75 Figura 50. Bases para pivote soldadas en la cara frontal del tanque superior.................. 76 Figura 51. Brazos de apoyo, sujeción y movimiento ........................................................ 77 Figura 52. Posición de la tapa utilizando el mecanismo de movimiento de los brazos ..... 77 Figura 53. Deshidratador osmótico completo y terminado ............................................... 78 Figura 54. Vista lateral izquierda del deshidratador osmótico en SolidWorks ................... 79 Figura 55. Modelado del deshidratador osmótico............................................................. 79 Figura 56 RTD Pt100 ...................................................................................................... 80 Figura 57. RTD Pt100 ubicadas en los tanques. .............................................................. 80 Figura 58.Circuito de amplificación de señal obtenida por los RTD Pt100 ....................... 81 Figura 59. Tarjeta de amplificación de señal con LF353. ................................................. 82 Figura 60. Circuito electrónico de potencia ...................................................................... 83 Figura 61.Circuito de placa impresa para la etapa de potencia ........................................ 84 Figura 62. Tarjeta electrónica de potencia para control del motor de agitación, bomba de vacío y bomba de recirculación. ....................................................................................... 85 Figura 63. Tarjeta electrónica de potencia para control de electroválvulas y resistencias eléctricas. ........................................................................................................................ 85 Figura 64. Ángulo de disparo de un Triac ........................................................................ 87 Figura 65. Circuito Eléctrico para funcionamiento del deshidratador osmótico ................. 88 Figura 66. Muestra del circuito eléctrico perteneciente a la bomba de recirculación ........ 89 Figura 67. Muestra del circuito eléctrico perteneciente al motor de agitación y bomba de aire .................................................................................................................................. 89 Figura 68. Circuito para las resistencias eléctricas de inmersión ..................................... 90 Figura 69.Circuito de electroválvulas ............................................................................... 90 Figura 70. Circuitos eléctricos en etapa finalizada ........................................................... 91 Figura 71. Circuitos electrónicos acoplados a circuitos eléctricos .................................... 91 Figura 72. Pilotos ubicados en la cara frontal del tablero de circuitos eléctricos. ............. 92 Figura 73. Modelo de tanques en serie ............................................................................ 93 Figura 74. Modelo de llenado de tanques en serie........................................................... 97 7

Figura 75. Respuesta del modelo de llenado de tanques................................................. 98 Figura 76. Interfaz de conexión y configuración (primera ventana) PuTTY. ................... 100 Figura 77. Ventana terminal de PuTTY conectada a la BeagleBone Black .................... 100 Figura 78. Obtención de la IP en la BBB ........................................................................ 101 Figura 79. Ventana terminal de desactivación de servicios para habilitar el puerto 80. .. 102 Figura 80. IP de funcionamiento de la BeagleBone Black .............................................. 103 Figura 81. Beagle101 .................................................................................................... 103 Figura 82. Archivo lighttpd.conf en ventana terminal, resaltada en línea 24 ................... 104 Figura 83. Ventana terminal PuTTY edición de la ruta “bin-path” del módulo fastcgi ..... 105 Figura 84. Directorios a remover provenientes del MySQL. ........................................... 106 Figura 85. Verificación del estado para el servicio de la base de datos MySQL. ............ 107 Figura 86. HTML de la página principal para el equipo de deshidratación osmótica. ..... 109 Figura 87. HTML de la página principal 2do Slider........................................................ 110 Figura 88. Acceso a la IP (sección accionamientos independientes) de la BBB mediante Iphone ........................................................................................................................... 110 Figura 89. Ingreso a la sección de rutinas de deshidratado desde tablet con sistema Android .......................................................................................................................... 111 Figura 90. Ingreso a la sección de programación de rutinas del osmodeshidratador desde Tablet con sistema Android ........................................................................................... 111 Figura 91. Entradas, planta y salidas programadas en FuzzyLogic................................ 115 Figura 92. Conjuntos de entrada para los RTD Pt100 .................................................... 115 Figura 93. Conjuntos de salida para llevar a cabo el control. ......................................... 116 Figura 94. Reglas de decisión según señal de los RTD Pt100. ...................................... 117 Figura 95.Superficie de decisión. ................................................................................... 117

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Valor de resistencia según ºC para sondas Pt100 ............................................. 33 Tabla 2. Tabla de procesos generada por MySQL. ........................................................ 112 Tabla 3. Tabla de secuencias del osmodeshidratador generada en MySQL .................. 113

RESUMEN El objetivo de este trabajo es la implementación de un sistema para automatizar el deshidratador osmótico a nivel de planta piloto perteneciente a la Fundación Universitaria Agraria de Colombia con la finalidad de mejorar, optimizar y controlar los procesos de deshidratación que se llevan a cabo en el laboratorio de planta piloto. Primeramente se caracterizó el osmodeshidratador, conociendo así su estado original, próximo a esto se pudo llevar a cabo la reconstrucción del mismo de una manera óptima y eliminando ciertas falencias mecánicas que se detectaron en él al momento de utilizarlo. Luego de este proceso, se seleccionaron los instrumentos necesarios para controlar el equipo, posteriormente la construcción de un sistema eléctrico y electrónico con el cual se pudiese ejecutar la automatización del equipo y por último se realiza una interfaz gráfica con la metodología de servidor web para que el usuario tenga acceso de una manera sencilla, amigable e ingeniosa a la planta piloto por medio de cualquier dispositivo que se encuentre conectado a la misma red que tiene acceso el osmodeshidratador. Se centra como cerebro de procesamiento una Beaglebone Black que recibe todas las señales por parte de los sensores e instrumentación y genera las órdenes y secuencias necesarias para realizar un adecuado proceso de osmodeshidratación, desde seleccionar la orden a realizar pasando por toda la etapa de seguridad y potencia hasta los actuadores de la planta piloto, todo esto acompañado de sus recomendaciones y manuales de uso. Con el desarrollo de este proyecto se obtuvieron notables mejoras al momento de movilizar y usar la planta gracias a su reconstrucción, mayormente implementada en el tanque superior, haciéndolo menos ostentoso y con mejor maniobrabilidad. También se evidencia la comodidad del usuario cuando se procede a utilizar el osmodeshidratador con los elementos requeridos, ya que su fácil uso y conexión por medio de computadores, dispositivos móviles entre otros lo hace mucho más entendible y cómodo al momento de manipular sus funciones y escoger el funcionamiento más adecuado para la operación.

INTRODUCCIÓN Como lo menciona Crespo1, la automatización industrial es la aplicación de diferentes tecnologías para controlar y monitorear un proceso, máquina, aparato o dispositivo que por lo regular cumple funciones o tareas repetitivas, haciendo que opere automáticamente, reduciendo al mínimo la intervención humana. Lo que se busca con esta aplicación de la ingeniería es generar la mayor cantidad de producto en el menor tiempo posible, con el fin de reducir los costos, disminuir el nivel de riesgos de accidente y fallas con el uso de máquinas y equipos y garantizar un alto grado de uniformidad en la calidad. Por tanto, Comas añade2, actualmente el sector de alimentos se encuentra en un alto nivel de competitividad con respecto a los demás sectores económicos tanto a nivel mundial como local. Aun se observa que existe un intensivo uso de mano de obra, y por tal motivo las empresas empiezan a incorporar tecnologías que disminuyan el uso de mano de obra, del mismo modo que aumenten el nivel de productividad, calidad, higiene y eficiencia, tareas que resuelve la automatización industrial. La automatización industrial se aprecia en el sector alimenticio en la realización de muchas tareas de manera fácil, rápida y agradable, tales como, preparación, empaque, embalaje, transporte y almacenaje de alimentos, golosinas, bebidas, enlatados, entre otros. En este sector de alimentos se han realizado múltiples intentos e investigaciones con el fin de generar nuevos métodos que sirvan como base para derivar y desarrollar distintas tecnologías para la conservación de los alimentos, dicho en otras palabras, bloquear la acción de los agentes externos como microorganismos u otros, los cuales afectan negativamente el alimento alterando sus características primarias (olor, sabor, aspecto). Se han tomado en cuenta técnicas de conservación mediante el calor como la esterilización o pasteurización, mediante el frio como la congelación de los alimentos, por medio de aditivos, secado mediante aire o efectos químicos (ósmosis), hasta el punto de investigar la irradiación y el efecto conservante que le genera a estos. En el área de equipos para deshidratación de alimentos mediante ósmosis se observa que la automatización se ha enfocado en llevar a cabo el control de factores como, estabilidad de temperatura de la solución, velocidad de agitación 1

CRESPO, William. Automatización industrial. [En línea] 9 de Febrero de 2011. https://automatizacionindustrial.wordpress.com/2011/02/09/queeslaautomatizacionindustrial/. [Consulta: 3 de Noviembre de 2014.] 2 COMAS, Victor. Automatización. Aplicaciones y tendencias en robótica para la industria de la alimentación. [En línea] 2 de 10 de 2012. http://www.interempresas.net/Robotica/Articulos/100711-Aplicaciones-ytendencias-en-robotica-para-la-industria-de-la-alimentacion.html. [Consulta: 10 de Enero de 2015.]

(alimento y solución), presión de vacío, recirculación de solución deshidratante, nivel de solución en los tanques, nivel de concentración del soluto, tiempo requerido para el proceso, entre otras. La mayoría de estas máquinas se equipan con controladores PLC, PAC, los cuales son equipos electrónicos programables en lenguaje no informático, diseñados para controlar en tiempo real y en ambientes de tipo industrial, procesos secuenciales. La interfaz de un PLC es bastante sencilla, de este modo la interacción entre el usuario y la máquina también es sencilla, a menos que estos sistemas sean equipados con instrumentación más compleja, la versatilidad se ve obstruida fácilmente y si el operador no es un experto en el manejo de estos elementos se encontrará sujeto a acudir a un especialista cada vez que considere realizar un cambio significativo en los procesos que desee desarrollar y eso no es suficiente al momento de encontrar un mayor nivel de agrado con el uso de dichos equipos. Ahora bien, a lo largo del documento de este proyecto se muestra el proceso llevado a cabo para lograr la reestructuración y reconstrucción mecánica, así como también la automatización de un equipo a nivel de planta piloto perteneciente a la Fundación Universitaria Agraria de Colombia el cual tiene la función de deshidratar alimentos mediante ósmosis. Este equipo presentaba un funcionamiento limitado debido a que poseía un sistema básico de control, simplemente estaba compuesto por un método sencillo para el control de temperatura, el cual no era eficiente con el proceso de osmodeshidratado (OD) ya que la solución osmótica tardaba mucho tiempo en calentarse y no era posible controlar y mantener la temperatura en un rango único y estable de manera rápida y continua, por lo demás requería de accionamientos mecánicos para llevar a cabo los procesos. En cuestiones mecánicas se dificultaba el manejo y uso del equipo debido al diseño estructural que poseía y la manera de trabajo que ofrecía. Para llegar a la automatización del equipo se desarrolló una interfaz (GUI) con la cual se opera dicha máquina, los datos e información pueden ser manipulados desde un servidor web y visualizados en un computador o dispositivo móvil, ofreciendo así una versatilidad amplia, modificaciones múltiples del proceso, entre otras. El servidor web es montado en una tarjeta de control llamada BeagleBone Black, tarjeta que realiza el control del equipo junto con un conjunto de instrumentos y de esta manera su automatización.

OBJETIVO GENERAL  Automatizar el deshidratador osmótico a nivel de planta piloto perteneciente al laboratorio de ingeniería de alimentos de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia. OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Llevar a cabo una caracterización del osmodeshidratador para conocer el estado original del equipo.  Determinar los dispositivos que serán necesarios, tanto estructurales como elementos de sensado, actuadores y otros instrumentos para lograr el funcionamiento del equipo de osmodeshidratación de alimentos.  Adecuación mecánica del equipo para que los desarrollos pertinentes se puedan ejecutar.  Reconstrucción mecánica de seleccionadas partes del equipo.  Implementación de un sistema eléctrico, electrónico y de instrumentación con el cual se pueda ejecutar la automatización del equipo.  Creación de una interfaz gráfica (GUI) desde la cual el usuario pueda acceder a los servicios e información del equipo con propósitos de monitoreo.  Resolver la necesidad de manipular la operación del osmodeshidratador de manera portable o multiplataforma.

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA El laboratorio de ingeniería de alimentos de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia se encuentra equipado con una máquina (a nivel de planta piloto) funcional para deshidratación de alimentos por medio del fenómeno de la ósmosis, diseñado y construido en el año 2011. Este equipo presenta algunos problemas en diferentes secciones, por ejemplo, en el funcionamiento mecánico algunas partes de dicha máquina (como la tapa y el sistema de agitación) muestran conflicto cuando se quiere llevar a cabo el proceso de osmodeshidratación, es complicado acoplar el sistema de agitación con el tanque superior debido a que no hay una guía de ajuste para el eje del agitador. La máquina se encuentra incorrectamente distribuida mecánicamente, por ejemplo, en la tapa del tanque superior se encuentra ubicado el sistema de agitación de manera fija, el cual se compone por elementos tales como: sistema de leva, rueda, resorte, agitador y motorreductor. Estos elementos dificultan la utilización de la máquina debido a que no son partes móviles o extraíbles con facilidad. Además, es necesario ubicar las canastillas para los alimentos en el eje de movimiento axial vertical (eje de agitación), por consiguiente es necesario situar la tapa entre dos o más personas. Si se refiere al sistema de control se puede decir que no existe una solución adecuada, es necesario que los operarios estén frente a la máquina para llevar el proceso de osmodeshidratación junto con ella, además, cuando se quiere generar vacío al proceso de deshidratación se hace necesario cambiar la tapa mencionada anteriormente, la cual incluye el sistema de agitación, por una tapa diferente que solo permite el proceso de vacío debido a que se genera un mejor sellado con el tanque. En el sistema eléctrico se presenta un funcionamiento inestable e impreciso debido a que se opera por medio de accionamientos manuales; si el operario no está pendiente del proceso que está realizando la máquina se podrían generar daños en la misma máquina o en los productos en los cuales se esté realizando la deshidratación osmótica. La bomba de recirculación se encuentra bloqueada, es decir, al conectarla a la corriente eléctrica no arranca, por tal hecho se genera calentamiento al interior del motor y consumo masivo de corriente debido al cortocircuito provocado. La bomba de aire tampoco enciende al conectarla a la corriente eléctrica y es de gran importancia para el proceso de deshidratación osmótica de alimentos en la osmodeshidratador de Uniagraria. Por este motivo se tendrá que realizar mantenimiento correctivo a estos equipos. Debido a la falta de conocimiento referenciado a la buena o no realización del proceso de deshidratación y funcionalidad total de la planta se llevará a cabo una caracterización de la misma. 14

JUSTIFICACIÓN En los últimos años la tecnología para llevar a cabo la deshidratación de alimentos se encuentra en auge y es necesario conocer las técnicas y aplicaciones para estar a la vanguardia en el conocimiento de las ciencias con alimentos. En la Fundación Universitaria Agraria de Colombia no existe alguna otra máquina que pueda realizar los procesos de deshidratación de alimentos por medio de ósmosis. Teniendo en cuenta que este equipo se encuentra inutilizado debido a las ineficientes condiciones que presenta en cuanto al sistema de control, estructura eléctrica y mecánica, débil practicidad del equipo en lo referente a la utilización, acceso para mantenimiento o reparaciones y otras falencias es que se quiere llevar a cabo la automatización del mismo. Este equipo de deshidratación osmótica es de vital importancia para el desarrollo de prácticas de laboratorio lo cual contribuye con el crecimiento profesional de los estudiantes de Ingeniería de alimentos, agroindustrial, mecatrónica, entre otros. Además, el desarrollo de este proyecto podría verse también como una posible fuente de ingresos monetarios si se lograse implementar una metodología adecuada para su uso y un diseño a escala industrial con lo cual se pueda llegar a la explotación del mercado de alimentos deshidratados.

MARCO TEÓRICO

Este proyecto se enmarca en la automatización de un osmodeshidratador de alimentos a nivel de planta piloto, en donde además se crea una interfaz gráfica desde la cual se puede operar, por ello es necesario dar a conocer y definir los conceptos en los cuales se encuentra el mismo. Como primera medida se realiza un desarrollo y explicación del área que tiene que ver con la deshidratación de alimentos mediante ósmosis, las técnicas que se utilizan para tal hecho y las herramientas tecnológicas de las cuales se valen para llevar a cabo procesos de este tipo. Posteriormente se mencionan algunas características de la automatización industrial aplicada en el sector alimenticio. 1. OSMODESHIDRATACIÓN Y TECNOLOGÍA En la industria alimenticia se han desarrollado técnicas las cuales se dirigen a la conservación de alimentos, entre estas se encuentran la deshidratación por medio de ósmosis. En esta sección se realiza la explicación de lo que es la deshidratación de alimentos por medio de la ósmosis, se explican los fenómenos que ocurren a través del proceso y se muestra como ejemplo las características principales del modo de operación de algunas máquinas elaboradas para tal fin. 1.1. Difusión molecular Para poder entender el fenómeno que se produce mediante la ósmosis primero se hace necesario explicar qué es la difusión molecular. De esta manera, la difusión molecular, según Machacuay3, es el acto por el cual, dos cuerpos en contacto, se van mezclando lentamente por sí mismos, o dicho de otra manera, es el movimiento térmico de todas las partículas a temperaturas por encima del cero absoluto, en donde la velocidad de este movimiento es una función de la temperatura, la viscosidad del fluido y el tamaño de las partículas. La difusión explica el flujo neto de moléculas de una región de mayor concentración a una de menor concentración, pero también la difusión se produce cuando no hay gradiente de concentración. “El resultado de la difusión es una mezcla gradual de

MACHACUAY C., Santiago. DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA DE FRUTAS, informe de práctica nº 3, ingeniería de procesos,. Universidad Nacional del Centro de Perú. [En línea] 2009. http://es.scribd.com/doc/22385592/Deshidratacion-Osmotica-de-Frutas#scribd. [Consulta: 12 de Abril de 2014.]

material.”4 Así mismo, Suca afirma que 5 ,este fenómeno se produce debido a la energía cinética que tienen las moléculas, por la cual se hallan en continuo movimiento y el proceso de difusión resultará en la mezcla completa 3

1.2. Ósmosis La ósmosis es “el flujo neto o difusión de líquidos o gases a través de una membrana semipermeable, inducida por una diferencia de concentraciones de soluto. Una membrana semipermeable permite el paso de agua y otras sustancias de bajo peso molecular, como la sal, mientras que retiene a las de alto peso molecular, como el azúcar.”6. 1.3. Deshidratación Osmótica La deshidratación osmótica (DO) “es un tratamiento utilizado para reducir el contenido de agua de los alimentos, con el objeto de extender su vida útil y mantener características sensoriales, funcionales y nutricionales.”7. “El método consiste en sumergir un producto alimenticio en una solución con una alta presión osmótica, lo cual crea un gradiente de potencial químico entre el agua contenida en el alimento y el agua en la solución, originando así el flujo de agua desde el interior del producto y por ende la igualación de los potenciales químicos del agua en ambos lados de las membranas de las células del vegetal.”8. Estas membranas son semipermeables, de este modo permiten el paso de agua y muy poco el de soluto, produciéndose como efecto neto, la pérdida de agua por parte del producto. La deshidratación osmótica es un método utilizado desde tiempos antiguos que se va mejorando con el paso de los días y adecuando a las necesidades actuales. Con esta técnica “es posible lograr una deshidratación parcial del alimento, entero o fraccionado, mediante su inmersión en soluciones

DOCSETOOLS. Difusión molecular. [En línea] 2015. http://docsetools.com/articulosutiles/article_105051.html. [Consulta: 26 de Octubre de 2014.] 5 SUCA APAZA, Carlos A.. Manual de Osmodeshidratación de Alimentos. Serie Tecnologías emergentes en Ciencias de Alimentos.Junín, Perú,2008. Vol. 1, 8, p. 13-19. 6 SUCA APAZA Carlos A. y SUCA APAZA Guido R.. Deshidratación osmótica de alimentos, Volumen 1, Nº 1. Scribd. [En línea] Enero de 2010. http://es.scribd.com/doc/86078234/Deshidratacion-osmotica#scribd [Consulta: 16 de Abirl de 2014.] 7 CASTIBLANCO. Diego A. y MIRANDA. Mario A., Diseño, construcción y montaje de un deshidratador osmótico por lotes a nivel de planta piloto con sistema de agitación para la Fundación Universitaria Agraria de Colombia. Bogotá : Fundación Universitaria Agraria de Colombia, 2012. p. 58-59. 8 Effect of Osmo-dehydration Conditions on the Quality Attributes of pears. [Efecto de las condiciones de osmodeshidratación en los atributos de calidad de peras] France,2013, Vol. 4, p. 6.

acuosas concentradas en solutos (soluciones hipertónicas) que tienen elevada presión osmótica y baja actividad de agua.”9. Durante este proceso se presentan “tres tipos de transferencia de masa en contracorriente: transferencia de agua del producto a la solución osmótica, transferencia de soluto de la solución al producto y salida de solutos nativos (azúcares, ácidos orgánicos, minerales y vitaminas) del producto hacia la solución, considerándose esta última como despreciable por ser cuantitativamente pequeña.”10. Habiendo mencionado esto, se afirma que la deshidratación osmótica “ha recibido gran atención en los últimos años debido a que es un método eficaz para la conservación de frutas y verduras. Al ser un proceso sencillo, que facilita el procesamiento de las mismas como el plátano, piña, mango, zapote, higo, guayaba, manzana, uvas, zanahorias, calabazas, ciruelas, entre otros, además logra retener algunas de sus características iniciales como el color, aroma, textura y composición nutricional.”11. Amarowicsz dice que12, la deshidratación osmótica gasta menos energía que el proceso de secado por aire o de vacío ya que puede llevarse a cabo a temperaturas bajas o ambientales. 1.4. Técnicas de deshidratación osmótica Cada proceso emplea técnicas de deshidratación diferentes, como lo menciona Marouzzé se distinguen las siguientes: 13

,Inmersión del alimento en jarabe y sin agitación, inmersión sin renovar la solución, con renovación de la solución, con movimiento lento del alimento dentro del tanque con solución, con mezclado mecánico, cama percoladora fija en proceso de Batch, cama percoladora móvil, cama percoladora con desplazamiento lento en contracorriente con el alimento, cama percoladora con desplazamiento lento a co-corriente del alimento, cama percoladora con desplazamiento alternado del alimento, fluidización inversa, inmersión con agitación intermitente, mezclado hidráulico, mezclado combinando 9

PARZANESE, Magali. DESHIDRATACIÓN OSMOTICA, 2011. ficha Nº 6, p. 6. AYALA A. Alfredo., et al. CINÉTICAS DE DESHIDRATACIÓN OSMÓTICA DE PITAHAYA AMARILLA Interciencia, Julio de 2010. Vol. 35, 7, p. 539-544 11 VIDYAPEETH, Mahatma. Osmotic Dehydration Process for Preservation of Fruits and Vegetables, U. D. Chavan. Rahuri 413722, India : s.n., 2012. 12 AMAROWICSZ, R. Institute of Animal Reproductions and Food Research of the Polish Academy of Scences, Poland, 2012. 13 MAROUZZÉ C. et al. Equipment dessing for osmotic treatments. 2001. p. 207-221. 10

hidráulico/mecánico, inmersión combinando el desplazamiento del alimento y de la solución, flujo de una capa delgada de solución alrededor del alimento, mojado uni-capa y acción recurrente por aspersión multinivel. 1.5. Técnicas de osmodeshidratado para este proyecto Para este proyecto, los procesos y técnicas de deshidratación que fueron utilizados según el diseño y funcionamiento de la máquina son la cama percoladora fija en proceso Batch, esto quiere decir que se produce la inmersión del alimento en la solución osmótica, se genera o no la agitación vertical intermitente de las cestas que contienen el alimento por medio de un mezclador mecánico axial a lo largo del tanque, además de esto se produce el desplazamiento de la solución para así obligarla a permanecer en estado homogéneo y también se realiza la aplicación de vacío en secciones del proceso. Osmodeshidratadores construidos a nivel industrial o como planta piloto, refiere Tortoe 14 que cumplen un proceso mecánico común que se constituye por la agitación, tanto de la solución osmótica como del alimento sumergido. (5)

1.6. Aplicación de vacío al proceso de deshidratación osmótica En la mayoría de procesos de deshidratación por ósmosis (OD) se realiza la generación de vacío, esto para acelerar el proceso de deshidratado. El vacío “acelera el intercambio del soluto hacia la matriz gracias a una forzada y pronta penetración de la solución; esto es mayormente favorable para la extracción del agua, como las moléculas del agua pueden migrar más fácilmente en los poros intercelulares llenados con líquido, llevando niveles de pérdida de agua más altos.”15. Con presión de vacío “las cinéticas de deshidratación son más rápidas y en algunas situaciones se mejora la calidad de los productos deshidratados en términos de textura, color y sabor, entre otros. Cuando se deshidrata a presión atmosférica se presentan los fenómenos de ósmosis y difusión, mientras que a presiones bajas (vacío) se presentan los mecanismos hidrodinámicos (HDM) y la capilaridad. La difusión tiene su fundamento en la diferencia de la actividad de agua entre el alimento y la solución osmótica, mientras que los HDM actúan

TORTOE, Charles. A review of osmodehydration for food industry. [En línea] Junio de 2010. http://www.academicjournals.org/ajfs.. 1996-0794. [Consulta: 5 de Agosto de 2014.] 15 JONGEN, Wim. Fruit and vegetable processing. Improving quality. 2002.

principalmente al principio del proceso osmótico, modificando la composición global de la muestra y por tanto la fuerza impulsora del proceso difusivo”.16. )

1.7. Funcionamiento de los deshidratadores por ósmosis más comunes Lago machinery afirma que 17 , las máquinas elaboradas a escala industrial para deshidratar alimentos generalmente se fabrican para procesos en los cuales se genera la ignición de combustibles (líquidos o gaseosos) en sistemas indirectos de calentamiento de aire y también con quemadores de gas Natural en vena de aire. Esto quiere decir que estas máquinas operan bajo diferentes técnicas y métodos de deshidratado, no precisamente mediante ósmosis, sino por la producción y transferencia de aire caliente hacia los alimentos, o por la remoción de vapor y humedad de los alimentos previamente calentados. (1)

A nivel industrial son pocos los deshidratadores que operan mediante ósmosis, “los fabricantes de este tipo de máquinas hacen que el control de los procesos sea a través de un PLC y/o PC.”18 La utilización de los PLC se debe a que son equipos muy prácticos ya que se encuentran prefabricados para diferentes áreas y fines específicos. El uso de los PLC se ve reflejado en las siguientes industrias: petrolera y de hidrocarburos, alimentaria, de refrigeración y aire acondicionado, gráfica, farmacéutica, agroindustrial, de plásticos, del sector automotriz, entre otros. Estos equipos “se encargan de controlar que todo tenga una secuencia, toma decisiones de acuerdo a una programación pre establecida, hacen que el proceso cumpla con una repetición, a esto se debe añadir otras tecnologías como el vacío, la robótica, telemetría y otras más.”19. (2)

En nuestra opinión, de cierto modo este tipo de controladores proveen una interfaz sencilla, en ciertas situaciones la navegación en esta herramienta es un poco extensa, el gusto por el uso de estas herramientas puede ser no tan complaciente, se puede provocar algo de insatisfacción o aburrimiento en su uso. El simple hecho de que una interfaz para este tipo de máquinas sea agradable, que provea facilidad y practicidad en su uso, que sea cómoda y compensativa para cualquier

AYALA A. Alfredo., et al. Op. Cit. LAGO MACHINERY. [En línea] 2014. http://www.lagomachinery.com/deshidratadores_secaderos_frutas_verduras.html 18 NEUMANN. Plantas y equipos térmicos. [En línea] 2015. http://www.neumann.cl/ [Consulta: 2 de Febrero de 2015.] 19 CRESPO, William. Op. Cit. 17

persona capacitada en el área y que la quiera utilizar hace que un trabajo o labor origine confort, calidad y constancia. A nivel de plantas piloto 20, generalmente se realiza el control de las máquinas por medio de accionamientos mecánicos y eléctricos de manera manual, es decir, para llevar a cabo el proceso requerido se utilizan pulsadores y conmutadores eléctricos, breakers, contactores eléctricos, temporizadores, válvulas manuales, palancas, elementos de protección para los actuadores (guardamotores), entre otros. Aunque estas máquinas se proveen de un sistema de control, enfocado habitualmente al control de temperatura, no es mucho lo que puedan brindar como máquina automatizada, además, poco se enfatiza en la parte de seguridad industrial y efectividad del proceso. La automatización del deshidratador osmótico es el centro de atención de este proyecto, lo que se quiere hacer es que el proceso de deshidratado en los alimentos por medio del deshidratador osmótico sea en gran parte automático. Para ello se lleva a cabo un desarrollo que implica la explicación de algunas teorías electrónicas y dispositivos utilizados para el control y monitoreo de variables físicas en el deshidratador osmótico, la instrumentación utilizada y los dispositivos que realizan las tareas finales en cada proceso. 2. SISTEMAS EMBEBIDOS DE CONTROL EN PROCESOS INDUSTRIALES Un sistema embebido “es un sistema de computación que consiste en una electrónica programable con el propósito de desempeñar y cubrir necesidades específicas de aplicación o productos, estas pueden tener pocas tareas o funciones dedicadas a diferencia de un ordenador de propósito general, es decir que sólo se pueden dedicar a resolver dicha labor.”21. Algunas de las tareas pueden ser: Sistemas de telefonía fija o móvil, automatización de procesos de producción, equipos e instrumentación industrial, sistemas de transporte (cintas transportadoras, sistemas robotizados, vehículos de

SUTAR N. y SUTAR P. Development in osmotic dehydration of fruits and vegetable-a review, [En línea] Anand-388 110, India. [Consulta: 15 de Enero de 2014.] 21 MORTON, Tood. Embedded Microcontrollers. [aut. libro] Tood Morton. Embedded Microcontrollers. 1st. s.l. Prentice Hall, 2000.

transporte de todo tipo), sistemas periféricos de un PC (modem, router, teclados, ratones de nueva generación, equipos multimedia, etc). Además de estas tareas, Morton menciona en su libro Embedded Microcontrollers que 22 “los sistemas embebidos pueden ser un sistema independiente o parte de un sistema mayor, y dado que usualmente su software está embebido en ROM (Read Only Memory) no necesita memoria secundaria como un computador. Un sistema embebido tiene tres componentes principales:  Hardware.  Un software primario o aplicación principal. Este software o aplicación lleva a cabo una tarea en particular, o en algunas ocasiones una serie de tareas.  Un sistema operativo que permite supervisar la(s) aplicación(es), además de proveer los mecanismos para la ejecución de procesos. En muchos sistemas embebidos es requerido que el sistema operativo posea características de tiempo real.” La figura 1 muestra un ejemplo de la estructura interna de un sistema embebido de control. Figura 1. Estructura de un sistema embebido

Fuente: MORTON, Tood. Embedded Microcontrollers. [aut. libro] Tood Morton. Embedded Microcontrollers. 1st. s.l. Prentice Hall, 2000.

MORTON, Tood. Op. Cit.

2.1 Características de un sistema embebido Los sistemas embebidos, basados en las afirmaciones de Pérez 23 “poseen ciertas características que los distinguen de otros sistemas de cómputo, a continuación se mencionan las más importantes.  Bajo costo y consumo de energía son de las características principales de un sistema embebido, muchos de estos son creados en masa por lo que requieren un costo por unidad bajo sin perder calidad de los elementos.  Están especialmente diseñados para dar soluciones óptimas a tareas específicas a resolver, debido a que su velocidad de procesamiento está completamente enfocada en una labor, esta generalmente produce mejores resultados.  La información que se encuentra en estos sistemas suele ser de vital importancia para la operación correcta de un proceso, en muchas ocasiones esta es transmitida por redes privadas, de internet, entre otras. Por ello, este tipo de productos brindan un alto nivel de seguridad y confiabilidad ya que incorporan diferentes técnicas de codificación, como criptografía y diferentes protocolos de comunicación.  Reactivos y tiempo real. Muchos sistemas embebidos deben ser reactivos o reaccionar ante cambios en el ambiente, además de realizar algunos cálculos en tiempo real, es decir, se deben tener resultados en tiempo real ante cualquier eventualidad. Por ejemplo, el módulo de control de viaje de un automóvil continuamente monitorea la velocidad y los sensores de frenos, reaccionando ante cualquier eventualidad. Ante un estímulo anormal, el módulo de control debe realizar los cálculos de forma precisa y acelerada para garantizar la entrega de los resultados dentro de un tiempo límite, una violación en este tiempo podría ocasionar la pérdida del control del automóvil. En contraste, un computador se enfoca en realizar cálculos con una frecuencia no determinada y la demora de los mismos no producen fallas en el sistema.”.

De esta manera, el sistema embebido que se utiliza para la automatización, control y monitoreo del deshidratador osmótico es una tarjeta BeagleBone Black, la cual se describe a continuación.

PÉREZ, David. Sistemas embebidos y sistemas operativos embebidos. Caracas : Centro de Investigación en Comunicación y Redes CICORE, 2009.

2.2 BeagleBone Black La beaglebone black (BBB) “es un sistema embebido que funciona en base a un procesador ARM de la clase Sitara de Texas Instrument. Contiene una CPU de 2 núcleos Cortex A8 el cual ejecuta instrucciones a 1GHz con la ayuda de sus 512MB de RAM DDR3, además contiene un procesador gráfico para 3D. Conjuntamente es una plataforma de bajo costo soportada por la comunidad de desarrolladores y aficionados, capaz de iniciar en menos de 10 segundos y empezar a desarrollar en menos de 5 minutos con un solo cable USB.”24. En la figura 2 se puede apreciar la BeagleBone Black, lanzada en abril de 2013. La BBB “se considera un competidor importante para el Raspberry Pi (sistema embebido similar) debido al lenguaje de programación que utiliza, la estructura de sus conexiones y velocidad de procesamiento (720 MHz). Este dispositivo combina una plataforma ideal para aprender Linux y electrónica básica al interconectar e interactuar con las aplicaciones del mundo real. El formato BeagleBone, inicialmente lanzado a fines de 2011, no solo se adapta a las capacidades de BeagleBoard-XM con un paquete del tamaño más pequeño de una tarjeta de crédito, sino que también ha establecido un espacio estándar de dos conectores de 46 pines y fila doble para una serie de módulos de expansión de tarjetas secundarios denominados "Capes". De manera similar a las "Shields" que se utilizan con Arduino, estas ofrecen una variedad de placas de conexión para agregar una E/S incluso más avanzada.”25.

beagleboard.org. What is BeagleBone Black? [En línea] 2014. http://beagleboard.org/BLACK. [Consulta: 14 de Agosto de 2014.] 25 European Editors., Publitek Marketing Communications. Digi-Key Electronics. Biblioteca de artículos. [En línea] 18 de 11 de 2013. http://www.digikey.com/es/articles/techzone/2013/sep/beaglebone-black-bringsarduino-style-connectivity-simplicity-to-embedded-linux. [Consulta: 2 de 2 de 2015.]

Figura 2. BeagleBone Black

Fuente: beagleboard.org. What is BeagleBone Black? [En línea] 2014. http://beagleboard.org/BLACK. [Consulta: 14 de Agosto de 2014.] (3)

Desde la perspectiva del software, según lo afirma Digi-key 26, la BBB está preconfigurada con un host de software y está listo para ejecutarse. Únicamente es necesario conectar la alimentación (5 VDC), el HDMI, el Ethernet y un teclado/mouse USB y la placa iniciará la distribución Angstrom Linux después de que aparezca el escritorio Gnome. Durante el proceso de encendido, el set de 4 leds de usuario (USR0-3) parpadeará una y otra vez para indicar la actividad. Con uno de los tres navegadores compatibles: Chrome, Firefox o Epiphany, se podrá navegar por Internet en segundos. No hay necesidad de cargar una tarjeta SD flash y descargar la distribución antes de que se pueda ejecutar la placa por primera vez tal como lo requiere el Raspberry Pi. Si bien para la mayoría de los desarrolladores y entusiastas Angstrom Linux será compatible, la BBB también es compatible con Ubuntu o Android gracias a la arquitectura ARM v7 utilizada en el dispositivo basado en Cortex-A8. Otro aspecto de usar Linux en una placa de desarrollo es la conectividad adicional ofrecida con una interfaz Ethernet, por lo que el uso de FTP, SSH, Telnet y otros servicios de acceso remoto ofrece flexibilidad de conexiones además de la capacidad de conectarse al servidor web de BeagleBone Black. 3. SEMICONDUCTORES EN ELECTRÓNICA DE POTENCIA Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. “El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el 26

European Editors., Publitek Marketing Communications. Digi-Key Electronics. Op. Cit.

selenio. Entre estos se incluyen los diodos rectificadores, reguladores, emisores de luz, sensores de luz, de conmutación de RF y de microondas. Algunos dispositivos basados parcialmente en la operación del diodo son el rectificador controlado de silicio (SCR) y el transistor de unijuntura (UJT). Tanto el SCR como el UJT tienen muchas aplicaciones en el control eficiente de potencia entregada a una carga” 27. Ahora se realiza una breve descripción de algunos de los elementos semiconductores utilizados para el desarrollo de este proyecto. 3.1 Optoacoplador Es conocido como “optoacoplador, optoaislador o acoplador optoelectrónico. Este dispositivo se constituye por un diodo emisor de infrarrojos construido con arseniuro de galio, se encuentra acoplado ópticamente a un detector monolítico de silicio y realiza la función de detectar el cruce por cero de un voltaje y controlar así el disparo de un triac que generalmente se acopla a la mayoría de circuitos de potencia.”28. “Una ventaja muy significativa de este componente es la alta resistencia (del orden de 1011 Ω) que existe entre su entrada y su salida.”29. En este proyecto se utilizó el optoacoplador con denominación MOC3041, este elemento es utilizado para aislar la sección de control con la sección de potencia, así evitar daños graves en los controladores o computadores y se encarga de activar el triac acoplado y así permitir el flujo de corriente eléctrica hacia las cargas conectadas, se puede observar en la figura 3 con su forma física y estructura interna.

KAUFMAN Milton. y SEIDMAN Arthur. H. Electrónica moderna para ingenieros y técnicos. Dispositivos semiconductores y transistores. Naucalpan de Juárez : McGraw Hill, 1990, Vol. 1, 8, p.1-36. 28 MOTOROLA, Semiconductors. picmania.garcia-cuervo. [En línea] 2012. http://picmania.garciacuervo.net/recursos/redpicdatasheets/optoacopladores/moc3040-motorola.pdf. [Consulta: 12 de Enero de 2015.] 29 KAUFMAN Milton. y SEIDMAN Arthur. H. Op. Cit.

Figura 3. MOC3041

Fuente: idelectronic. Idea Digital Electrónica. idelectronica.com.mx. [En línea] 2014. http://idelectronica.com.mx/wp-content/uploads/2014/07/MOC3041.jpg. [Consulta: 2 de Octubre de 2014.]

3.2 El Triac El transistor de unijuntura (UJT) o triac en explicación de Lima 30, es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa. Los circuitos atenuadores de luz comunes utilizan un triac para modificar los semiciclos positivos y negativos de la onda sinusoidal de entrada. Cuando el triac conduce hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. En la figura 4 se puede apreciar física y estructuralmente la configuración de un triac. Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1, en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el triac se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el triac deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales MT1 Y MT2.

LIMA G. E., et al. Universidad Tecnológica Nacional - UTN, Facultad Regional Avellaneda. [En línea]s.f.http://www.fra.utn.edu.ar/download/carreras/ingenierias/electrica/materias/planestudio/quin tonivel/electronicaII/apuntes/triac.pdf. [Consulta: 5 de Octubre de 2014.]

Figura 4.TRIAC. (Izq) estructura física. (Der) Estructura interna

Fuente: Autores

3.3 Teoría del dimmer Los dimmer o dímer son dispositivos usados para regular la energía en una o varias cargas eléctricas, ya sean motores, luces, o elementos que transformen la energía eléctrica en otro tipo de energía (Calórica). Estos se utilizan con el fin de variar la intensidad de corriente que atraviesa el circuito (figura 5) esto quiere decir, variar, por ejemplo, la intensidad de luz emitida por una lámpara, la velocidad de un motor, entre otros. Figura 5.Ejemplo de circuito dimmer

Fuente: Dosmetros. Foros de Electrónica, comunidad internacional de electrónicos. Problema con Dimmer. [En línea] 26 de Abril de 2013. http://www.forosdeelectronica.com/f23/problema-dimmer-titila-97239/.

El supuesto, según Miranda 31, se basa en el control de potencia que se logra variando el ángulo de conducción (ancho de onda VAC) de un triac, de 30 a 160 grados. Cuando fluye corriente a través del potenciómetro es cuando se puede controlar el ancho de onda deseada que llegue al triac y permitir su disparo, de este modo se puede disminuir o aumentar la intensidad de corriente que se dirige a las cargas finales. 31

MIRANDA, Josué. Blogger. El dimmer. [En línea] 2006. http://eldimmer.blogspot.com/.[Consulta: 2 de Febrero de 2015.]

4. TRANSDUCTORES Un transductor, en la opinión de Creus 32, es un dispositivo o instrumento compuesto que convierte energía de tipo calórica, lumínica, acústica, presión, movimiento, caudal, etc. a otra generalmente eléctrica para poder medirla y eventualmente controlarla en forma relativamente fácil. Entre estos instrumentos se encuentran los transductores resistivos, magnéticos (inductancia variable, reluctancia variable), capacitivos, piezoeléctricos, etc. De esta forma, a continuación se describen algunos sensores que hacen parte de este grupo de transductores. 4.1 Sensores Aunque se considera que los transductores y sensores se definen de manera diferente, en el ámbito de instrumentación y control se habla de sensores englobando transductores y sensores. El sensor, bien lo pronuncia Vignoni 33, es un elemento que se encuentra en contacto directo con la magnitud que se va a evaluar, ya sea nivel, caudal, presión, temperatura, pH, posición, entre otros. Se puede decir que un sensor es un transductor de entrada ya que la señal que entrega generalmente es eléctrica. Estos elementos se pueden clasificar según:  Requerimientos de fuente de energía Activos o modulantes: Requieren fuente de energía externa o una señal de excitación para poder funcionar, como los termistores e inductores. Pasivos o autogenerativos: Generan directamente una señal eléctrica en respuesta a un estímulo externo sin la necesidad de una fuente de energía externa, como los termopares, sensores piezoeléctricos, etc.  Naturaleza de la señal de salida Digitales: La salida toma forma de escalones o estados discretos 1 o 0, como un switch, encoder, etc. 32

CREUS S., Antonio. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. [aut. libro] Creus S. Antonio. [ed.] Alfaomega. Medida de temperatura. 6ª. Barcelona : Marcombo S.A., 1997, 3-8, págs. 71-371. 33

VIGNONI, José Roberto. Universidad Nacional de la Plata. Sensores, Instrumentación y Comunicaciones Industriales. [En línea] 2003. http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/transparencia/Sensores.pdf. [Consulta: 8 de Diciembre de 2014.]

Análoga: Proveen una señal comprendida por un campo de valores instantáneos que varían en el tiempo, y son proporcionales a los efectos que se están midiendo. Estos sensores operan bajo ciertas técnicas de construcción, lo cual incluye materiales y cierto tipo de circuitos electrónicos, electromecánicos, entre otros. Estos elementos en mención se caracterizan por ser inductivos, capacitivos, resistivos, ópticos, mecánicos, eléctricos, piezoeléctricos, termoresistivos, entre otros. En este proyecto se emplean sensores termoresistivos, como se menciona próximamente. 5. VÁLVULAS DE CONTROL Una válvula es un dispositivo mecánico destinado a controlar, retener, regular o dar paso a un fluido. Básicamente la válvula es un ensamblaje compuesto de un cuerpo con conexión a una tubería (rosca o brida), y de un obturador (operado por un accionamiento), el cual realiza la función de control de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo, del mimo modo impide el paso del fluido cuando está en posición de cierre en contacto con los sellos. Además de los elementos y sistemas de estanqueidad intrínsecos para cada tipo de válvula, éstas pueden llevar incorporadas una serie de accesorios como posicionadores, transductores, reguladores de presión, etc. que proporcionan información y facilitan también la automatización de la válvula. En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel muy importante en el bucle de regulación, esta realiza la función de variar el caudal del fluido de control que modifica a su vez el valor de la variable medida comportándose como un orificio de área continuamente variable.34. 5.1 Tipos de válvulas con uso mayoritario Hoy en día existe un gran número de válvulas utilizadas en la industria, generalmente se pueden activar de manera mecánica y/o manual, eléctricaelectrónica, hidráulica y neumática. La utilización que se les da a este tipo de elementos se ve reflejada en el campo de aplicaciones neumáticas e hidráulicas.

Valvias. ¿Qué es una válvula? [En línea] 2013 http://www.valvias.com/basico.php. Noviembre de 2014.]

[Consulta: 20 de

Entre este gran grupo de elementos se encuentran ciertas válvulas a las cuales se les da mayor uso en la industria, de esta manera Creus afirma que existen las siguientes: 35

, Válvulas de globo, de jaula, en ángulo, de compuerta, en Y, de cuerpo partido, Saunders, de compresión, de obturador excéntrico rotativo, de obturador cilíndrico excéntrico, de mariposa, de bola, de orificio ajustable y de flujo axial. Estas válvulas operan para tareas varias, con la característica que pueden ser: “Distribuidoras, de control de presión (alivio de presión simple, de operación piloto, de secuencia, reductora de presión, de presión diferencial), de control de flujo (mezcladoras, diversoras, retención con orificio fijo, orificio variable, sin compensación de presión, con compensación de presión y de derivación), de bloqueo (antirretorno, antirretorno operada por piloto, simultaneidad, selectivas, escape), servoválvulas y/o solenoides.”36. 6. INSTRUMENTACIÓN IMPLEMENTADA EN LA AUTOMATIZACIÓN DEL DESHIDRATADOR OSMÓTICO A NIVEL DE PLANTA PILOTO. En automatización industrial es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes como temperatura, presión, caudal, pH, nivel, velocidad, humedad, entre otros. Para lograr esto es necesario disponer de elementos que adapten y/o ajusten las magnitudes de referencia en otro tipo de magnitudes de modo que sean proporcionales a las originales, esto para que el sistema pueda interpretar ese tipo de señales o magnitudes y se pueda realizar control sobre el proceso de acuerdo a las mismas. El uso de buenos aparatos de medición y el control sobre estas magnitudes permiten la regulación y mantenimiento de un proceso de manera más efectiva e idónea que lo que un propio operario podría llegar a hacer. Los elementos que se utilizan para medir la temperatura de la solución osmótica en los tanques son las sondas de resistencia de platino o RTD Pt100 y para lograr el acondicionamiento y obtención de la señal se emplean circuitos amplificadores operacionales, descripción que se hace a continuación.

35 36

CREUS, S. Antonio. Op. Cit.

AIU, Atlantic International University. AIU Atlantic International University. Elementos de control y mando. [En línea] s.f. [Consulta: 5 de Febrero de 2015.]

6.1 RTD Pt100 En el portal de electrónica pascual se describe que, un Pt100 es una sonda de resistencia de platino tipo particular a los RTD (Dispositivo termo-resistivo) que se utiliza como sensor de temperatura. Consiste en un alambre de platino que a 0 °C tiene 100Ω de resistencia y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. El incremento de la resistencia no es lineal pero si creciente y característico del platino de tal forma que mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a la que corresponde. El rango de temperatura para este tipo de sensor elaborado en platino es de -269ºC a 593ºC. Los termoelementos usan el denominado efecto Seebeck, este efecto causa una tensión continua en las conexiones y por tal hecho una medición un poco imprecisa, pero se encuentra sólo en el rango de los µV. Sin embargo, ofrece ventajas como un tiempo de respuesta corto y permite medir temperaturas muy altas.37 Los termoelementos, bien lo constata PCE instrumentos 38, pueden ser fabricados de diferentes materiales, algunos tipos se identifican con letras, por ejemplo, tipo K, tipo J, etc. La diferencia radica básicamente en los rangos de medición. En la figura 6 se puede apreciar este tipo de sensor. Normalmente las Pt100 industriales se consiguen encapsuladas en la misma forma que las termocuplas, es decir dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material, ¨en un extremo está el elemento sensible (alambre de platino) y en el otro está el terminal eléctrico de los cables protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal)¨39. Figura 6. RTD Pt 100

Fuente: Autores 37

Electrónica Pascual, I. Electrónica Pascual, Información sobre electrónica. tecnología y telecomunicaciones. [En línea] 17 de Septiembre de 2008. http://electronicapascual.com/blog/?p=102. [Consulta: 19 de Noviembre de 2014.] 38 PCE Instumentos. [En línea] 2011. http://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/sistemas/sensorestemperatura.htm. [Consulta: 10 de Julio de 2014.] 39 Arian, Control & Instrumentación. Arian. [En línea] 2012. http://www.arian.cl/downloads/nt-004.pdf. Nota Técnica 4,. [Consulta: 16 de Diciembre de 2014.]

La tabla 1 muestra los valores de resistencia según la temperatura en grados Celsius para las sondas de resistencia Pt100 con coeficiente de resistencia 0.00385 según DIN 43.760 (IPTS-68). Tabla 1. Valor de resistencia según ºC para sondas Pt100 ºC 0 10 20 30 40 50 60

0 100.000 103.902 107.793 111.671 115.539 119.395 123.293

1 100.391 104.292 108.181 112.059 115.925 119.780 123.623

2 100.781 104.681 108.569 112.446 116.311 120.164 124.006

3 101.172 105.070 108.857 112.833 116.697 120.549 124.390

4 101.562 105.460 109.345 113.220 117.083 120.934 124.773

5 101.952 105.894 109.733 113.607 117.468 121.318 125.157

6 102.343 106.238 110.121 113.993 117.854 121.702 125.540

7 102.733 106.627 110.509 114.380 118.239 122.087 125.923

8 103.123 107.015 110.897 114.766 118.624 122.471 126.306

9 103.512 107.404 11.284 115.153 119.010 122.855 126.689

Fuente: CREUS S., Antonio. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. [aut. libro] Creus S. Antonio. [ed.] Alfaomega. Medida de temperatura. 6ª. Barcelona : Marcombo S.A., 1997, 3-8, p. 71-371.

Además de los transductores mencionados anteriormente, en esta sección se indican algunos aparatos o instrumentos, principales características y su función dentro del marco de automatización industrial enfocada a los equipos utilizados para deshidratar alimentos.

6.2 Dispositivos de uso común para mando y control Dentro de la gran variedad de elementos o dispositivos que se necesitan para automatizar un proceso, máquina o equipo se encuentran los que pertenecen a la sección de mando y control, como también los que pertenecen a la sección de actuadores o elementos de ejecución final. A continuación se describen este tipo de dispositivos. 6.2.1 Contactor eléctrico Nichese habla acerca del contactor afirmando que es un dispositivo electromecánico de mando, en la figura 7 se puede observar su aspecto físico, que actúa de forma similar a un interruptor eléctrico, este puede ser gobernado a distancia a través del electroimán que se incorpora en él. Generalmente su nomenclatura corresponde a KM como contactor, L1, L2 Y L3 para las entradas de fase y U, V y W para las salidas. Este dispositivo contiene los siguientes elementos.  Contactos principales: Se utilizan para alimentar el circuito de potencia 33

 Contactos auxiliares: Se utilizan para alimentar la propia bobina del contactor y a otros dispositivos de mando y aviso.  Bobina: Es quien realiza la apertura y cierre de los contactos, ya sean los principales o los auxiliares. Además, al contactor se le puede incorporar ciertos elementos los cuales enriquecen su dinamismo y seguridad, estos pueden ser:  Módulos de contactos auxiliares: Con estos se puede incrementar el número de este tipo de contactos.  Módulos de retención: Se utilizan para mantener el contactor en posición de cierre.  Módulos de interconexión: Eliminan las sobretensiones originadas al desconectar al contactor, ya que podría estropear la electrónica que se encuentre asociada al circuito de potencia.  Módulos de varistor: También llamado RC. Debe ser conectado en paralelo con la propia bobina y su objetivo no es otro que anular las sobretensiones provocadas por la bobina. 40

Figura 7. Contactor eléctrico

Fuente: Autores.

6.2.2 Guardamotor Los guardamotores (MMS, manual motor starter) son dispositivos de protección para el circuito principal. Combinan el control del motor y la protección en un solo dispositivo. Los MMS se utilizan principalmente para activar o desactivar el motor manualmente y para proteger el motor y la instalación sin fusibles ante cortocircuitos, sobrecargas y fallos de fase. La protección sin fusibles con un 40

Nichese. Electricidad y Automatismos. [En línea] http://www.nichese.com/contactor.html. [Consulta: 12 de Enero de 2015.]

sistema de arranque manual de motor ahorra costos y espacio, y garantiza una reacción rápida en caso de cortocircuito, mediante la desactivación del motor en milisegundos. El guardamotor, figura 8, es apto para aplicaciones monofásicas y trifásicas. Se pueden obtener como accesorios, contactos auxiliares y de señalización, unidades auxiliares de disparo, barras de bus trifásicas, bloques de entrada de alimentación y dispositivos de bloqueo para la protección contra cambios sin autorización.41. Figura 8. Guardamotor

Fuente: electricidad.com, Tu tienda. [En linea] 2012. http://www.tutiendaelectricidad.com/p201/Contactores%20y%20guardamotores/Guardamotores/Guardamotor-regulable-2,5-4.[Consulta: 20 de Noviembre de 2014.]

6.2.3 Relé de sobrecarga térmica Un relé térmico es un aparato diseñado para la protección de motores contra sobrecargas, fallo de alguna fase y diferencias de carga entre fases. También se conoce como guardamotor. Funciona entre valores estándar de 110 a 660 VAC. para frecuencias de 50/60 Hz. El aparato incorpora dos contactos auxiliares (NO97-98 y NC-95-96), para su uso en el circuito de mando. Dispone de un botón regulador-selector de la intensidad de protección. Incorpora un botón de prueba (STOP), y otro para RESET. Si el motor sufre una avería y se produce una sobreintensidad de corriente, ciertas bobinas calefactoras (resistencias arrolladas alrededor de un bimetal), consiguen que una lámina bimetálica, constituida por dos metales de diferente coeficiente de dilatación, se deforme, desplazando en este movimiento una placa de fibra, hasta que se produce el cambio o conmutación de los contactos. El relé térmico actúa en el circuito de mando, con dos contactos auxiliares y en el circuito de potencia, a 41

ABB. Contactores, relés de sobrecarga y guardamotores. [En línea] 2014. [Consulta: 20 de Enero de 2015.] Power and productivity for a better world.

través de sus tres contactos principales42. La figura 9 muestra la simbología utilizada para estos elementos y su respectiva muestra física. Figura 9. Relé térmico

Fuente: Autores

6.2.4 Actuadores Un actuador, según Vildósola 43, es un dispositivo inherentemente mecánico, eléctrico o electromecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o realizar la tarea final correspondiente en un sistema. En la mayoría de casos la fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico). Dependiendo del origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”. Ahora bien, se realiza una breve descripción teórica de los actuadores que se utilizaron en la automatización del equipo osmodeshidratador además de las electroválvulas, teoría que se describe previamente.

6.2.4.1

Resistencias eléctricas de inmersión Existe una serie de resistencias eléctricas que cumplen cierto propósito, calentar aire, líquidos o materiales sólidos. Generalmente se construyen en tubular con el diseño que se desee y con aletas en el caso de calentar aire. consisten en uno o varios elementos tubulares, elaboradas en cobre,

como modo Estas acero

Aula Eléctrica. INTEF, Instituto Nacional de Tecnologías Educativas y de Formación del Profesorado. [En línea] http://guindo.pntic.mec.es/rarc0002/all/aut/dat/f.rele.termico.pdf. [Consulta: 19 de Enero de 2014.] 43

VILDÓSOLA, Eugenio. Actuadores. www.aie.cl. [En línea] http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/abc/actuadores.pdf. [Consulta: 19 de Enero de 2015.]

2012.

inoxidable y/o incoloy soldados en una placa o platina, racor o tapón como se observa en la figura 10. Son utilizadas en aplicaciones donde se requiere calor directo, por ejemplo, en agua, soluciones acuosas, aceites, ceras y parafinas.44. Figura 10. Resistencias tubulares.

Fuente: Diamore, S.A. Resistencias y termocuplas para la industria. http://www.diamore.com.ar/Blindadas.html. [Consulta: 12 de Noviembre de 2014.]

[En

línea]

2011.

6.2.4.2 Motorreductor Un motorreductor (figura 11) es una máquina motriz la cual integra un motor eléctrico y una caja mecánica reductora de velocidad. Lo que se hace con esta caja reductora de velocidad es disminuir la velocidad de giro o revoluciones que produce el motor mediante el uso de engranajes, como también la generación de mayor o menor potencia mecánica. Generalmente se utiliza en máquinas que necesiten potencias menores a 15 HP y procesos en donde la velocidad adecuada para realizar las tareas deba ser a bajas revoluciones.

Resista, ltda. resistencias eléctricas para la industria. http://www.resistaltda.com/resista/pg7/sp/resistencias-tubulares-electricas-colombia. Noviembre de 2014.]

[En linea] [Consulta: 13 de

Figura 11. Ejemplo de motorreductor

Fuente: Mellor Electrics, ltd. Mellor, The motor gear people. AC & DC motors & Geared motors. [En línea] 2013. http://www.mellorelectrics.co.uk/t3_ac_geared_motors_es.html. [Consulta: 16 de Febrero de 2015.] http

7. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN UTILIZADOS EN EL DESARROLLO DEL PROYECTO Un lenguaje de programación es 45 “aquella estructura que, con una cierta base sintáctica y semántica, imparte distintas instrucciones a un programa de computadora”. A continuación se mencionan los lenguajes de programación empleados para desarrollar el servidor web utilizado para monitorear, controlar y manejar la información perteneciente al osmodeshidratador. 7.1 C++ C++ es un lenguaje imperativo de programación orientado a objetos derivado del lenguaje de programación C. En realidad es un gran conjunto de C, que nació para añadirle cualidades y características de las que C carecía. El resultado es “que como su ancestro, sigue estando muy ligado al hardware subyacente, manteniendo una considerable potencia para programación a bajo nivel, pero también a este lenguaje se le han añadido elementos que le permiten un estilo de programación con alto nivel de abstracción”46.

Definicion.de. Definición de lenguaje de programación. [En línea] 2009. http://definicion.de/lenguaje-deprogramacion/. [Consulta: 15 de Septiembre de 2014.] 46

cplusplus.com. A brief description. [En linea] s.f. http://www.cplusplus.com/info/description/. [Consulta: Diciembre 10, 2014.] http://www.cplusplus.com/info/description/.

7.2 Shell scripts Los Shell-scripts son una secuencia de comandos con el fin de usarlos repetidamente. Estas secuencias se ejecutan introduciendo el nombre del procedimiento en la ventana terminal (command window) de Linux de manera alternativa y, de la misma forma se pueden agrupar procedimientos para automatizar diferentes tareas con usos variados como la implementación de procedimientos de Linux. La operación de los procesos y servicios se mencionan posteriormente. 7.3 JAVASCRIPT JAVASCRIPT es un lenguaje de programación que surgió con el objetivo inicial de programar ciertos comportamientos sobre las páginas web, respondiendo a la interacción del usuario y la realización de automatismos sencillos. En ese contexto, se puede decir que “nació como un "lenguaje de scripting" del lado del cliente, sin embargo, hoy Javascript es mucho más. Las necesidades de las aplicaciones web modernas y el HTML5 han provocado que el uso de Javascript que se encuentra hoy haya llegado a niveles de complejidad y prestaciones tan grandes como otros lenguajes de primer nivel”47. 7.4 HTML HTML es el lenguaje que se emplea para el desarrollo de páginas de internet. Está compuesto por una serie de etiquetas que el navegador interpreta y da forma en la pantalla. HTML dispone de etiquetas para imágenes, hipervínculos que permiten dirigirse a otras páginas, saltos de línea, listas, tablas, etc. 7.5 PHP PHP es un lenguaje de programación de uso general de código del lado del servidor originalmente diseñado para el desarrollo web de contenido dinámico. Según la página oficial de php, se menciona que este lenguaje 48, “fue uno de los primeros lenguajes de programación del lado del servidor que se podían incorporar directamente en el documento HTML en lugar de llamar a un archivo externo que procese los datos. El código es interpretado por un servidor web con un módulo de procesador de PHP que genera la página Web resultante. PHP ha 47

DesarrolloWeb.com. Javascript a fondo. [En linea] http://www.desarrolloweb.com/javascript/. The php group. php. [En línea] 2015. http://php.net/manual/es/intro-whatis.php & http://php.net/urlhowto.php [Consulta: 3 de Febrero de 2015.] 48

evolucionado por lo que ahora incluye también una interfaz de línea de comandos que puede ser usada en aplicaciones gráficas independientes. Puede ser usado en la mayoría de los servidores web al igual que en casi todos los sistemas operativos y plataformas sin ningún costo”. 8. SERVIDORES WEB Se describe con brevedad lo que es el Lighttpd y su uso en el sector de servidores web, como también una corta explicación de lo que es un servidor web local. 8.1 LIGHTTPD Lighttpd 49 “es un servidor web diseñado para ser rápido, seguro, flexible y fiel a los estándares. Está optimizado para entornos donde la velocidad es muy importante, esto se debe a que consume menos CPU y memoria RAM que otros servidores. Es apropiado para cualquier servidor que tenga problemas de carga, además es software libre y se distribuye bajo la licencia BSD. Funciona en GNU/Linux y UNIX de forma oficial. Este permite comunicarse con programas externos mediante FastCGI o SCGI, que son mejoras al CGI original (Interfaz de entrada común)”. De esta forma, se pueden usar programas con prácticamente cualquier lenguaje de programación. 8.2 SERVIDOR WEB LOCAL Un servidor web o servidor HTTP es, en palabras de Bautista 50“un programa que procesa cualquier aplicación del lado del servidor realizando conexiones bidireccionales y/o unidireccionales, síncronas o asíncronas con el cliente generado o cediendo una respuesta en cualquier lenguaje o aplicación del lado del cliente”. Sin embargo, es necesaria la configuración e instalación de cada uno de los componentes precisos para hacer funcionar una aplicación web en todas sus capas (servidor web, servidor de bases de datos, lenguajes de programación, etc.).

liGNUxero. DesdeLinux, Usemos software libremente. LIGHTTPD. [En línea] 2012. http://blog.desdelinux.net/lighttpd-un-servidor-web-muy-agil-y-liviano/. [Consulta: 27 de Enero de 2015.] 50 Bautista D. C. Slideshare. Servidor web. [En línea] Junio 28, 2011. http://es.slideshare.net/josegregoriob/servidor-web-8451426. [Consulta: 2 de Febrero de 2015.]

METODOLOGÍA

Este capítulo comprende la explicación de la manera con la cual se desarrolló el proyecto y las tareas que se llevaron a cabo para cumplir con los objetivos planteados para el mismo. Como primera instancia fue necesario conocer el estado del equipo osmodeshidratador al momento de tomarlo como proyecto, del mismo modo saber qué elementos e instrumentación contenía y saber si alguno necesitaba ser reparado o ajustado. Próximo a esto proponer ideas para realizar las respectivas mejoras y así mismo su automatización. Luego de proponer las ideas se toman las de mayor importancia e influencia y se comienzan a desarrollar de manera práctica. En este desarrollo se incluye el modelado mecánico CAD de las partes que conformarían el osmodeshidratador como también del osmodeshidratador totalmente terminado, así mismo se ejecutan los desarrollos que tienen que ver con la instrumentación a utilizar, electricidad y electrónica que se debe implementar y desarrollo de software donde se crea el servidor web con el cual se logra el monitoreo y automatización del equipo. 9. CARACTERIZACIÓN DEL DESHIDRATADOR PERTENECIENTE A UNIAGRARIA

OSMÓTICO

ORIGINAL

El proceso de deshidratación de alimentos lleva inmersas diferentes tareas o procedimientos. El diagrama de flujo que se muestra a continuación muestra de manera abreviada el proceso que es necesario realizar para lograr la deshidratación de alimentos mediante ósmosis. La sección de principal concentración para este proyecto es la inmersión en jarabe, ya que este proceso es el que logra la deshidratación parcial de los alimentos y es para lo que se diseñó y construyó el deshidratador osmótico a nivel de planta piloto de Uniagraria, de este modo.

Parzanese describe por medio de un diagrama de flujo el proceso de deshidratación de alimentos mediante ósmosis Preparación de la fruta

Trozado

Deshidratador osmótico a nivel de planta piloto.

Inmersión en Jarabe

Extracción y enjuague

Secado

Liofilización Microondas Aire caliente

Control de calidad Vacío Empacado Fuente: PARZANESE, Magali. DESHIDRATACIÓN OSMOTICA. Tecnologías para la industria alimentaria. 2011. ficha Nº 6, pág. 6. www.alimentosargentinos.gob.ar.

El deshidratador osmótico original que se encontraba en el laboratorio de ingeniería de alimentos de Uniagraria se puede describir mecánicamente en dos secciones, una que corresponde al tanque superior y otra para el tanque inferior, además de otros elementos e instrumentos que conforman el sistema de la máquina y proveen su funcionamiento tales como el motor de agitación, bombas de aire y recirculación de líquido osmótico, bomba de vacío, resistencias eléctricas para calentamiento de solución osmótica, sensor y controlador de temperatura, estos se detallan más adelante. 9.1

Tanque superior, función en el proceso de OD y elementos que conforman el sistema de trabajo En este tanque se lleva el proceso de deshidratación de los alimentos mediante el fenómeno de la ósmosis. El alimento se encuentra ubicado en tres canastillas las cuales se hallan sujetas a un eje de agitación como se muestra en la figura 12, así mismo estas canastillas se ubican en el interior del tanque como se observa en la 42

figura 13. Posteriormente se provoca el ingreso de solución osmótica hasta alcanzar la altura necesaria, el caso más común es el que sobrepasa la altura de la canastilla superior para así cubrir por completo los alimentos. Figura 12.Canastillas contenedoras de alimento

Fuente: Autores

Figura 13. Canastillas ubicadas en el interior del tanque

Fuente: Autores

Esta máquina se diseñó y construyó con un sistema de agitación vertical, como lo muestra la figura 14, el cual es el encargado de trasladar de manera vertical las canastillas con el alimento en un espacio de cinco centímetros; al generarse este movimiento, se produce un desplazamiento y por ende un cambio de posición del alimento dentro de las canastillas, esto se hace con el fin de que el alimento sea impregnado con la solución osmótica en la mayor parte de su área superficial, de esta manera se acelera el proceso de deshidratado y junto a esto se asegura la deshidratación de la fruta en su totalidad. Figura 14. Sistema de agitación vertical

Fuente: Autores

9.1.1 Estructura mecánica Este tanque, como lo dice Castiblanco 51, “fue construido en acero inoxidable 304 calibre 12 y 14”. De manera general, el tanque se constituye por las siguientes partes: 9.1.1.1 Tapa superior En la figura 15 se puede apreciar la tapa del tanque superior, fue elaborada en acero inoxidable 304 calibre 14. Esta se elaboró con este tipo de acero debido a 51 CASTIBLANCO. Diego A. y MIRANDA. Mario A. Op. Cit.

que, según Sumitec 52, “es uno de los más versátiles y que ofrece muy buenas características para el tratamiento o procesamiento de alimentos. Entre las características que ofrece el acero 304 se encuentran: excelente factor de higiene y limpieza, buena soldabilidad y formado, muy buena resistencia a la corrosión, entre otras”. En la zona central de esta tapa se encontraba posicionado el sistema de transmisión de movimiento, que consta de un motorreductor, una leva, una rueda y un resorte como lo muestra las figuras 16 y 17; el eje que transmite el movimiento de manera vertical también se encontraba fijo a la base de la rueda mediante un sistema rosca- tuerca como se aprecia en la figura 18, por tal hecho no era posible quitarlo o moverlo. Figura 15. Tapa del tanque superior del deshidratador osmótico

Fuente: Autores Figura 16. Sistema de transmisión de movimiento

Fuente: Autores 52

SUMITEC, Suministros Técnicos S.A. Acero inoxidable AISI 304. [En línea] http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%20304.pdf. [Consulta: 18 de Junio de 2015.]

Figura 17. Muestra del motorreductor en el sistema de transmisión de movimiento

Fuente: Autores

Al momento de llevar a cabo un proceso de deshidratación osmótica es necesario acomodar los alimentos al interior de las canastillas, luego, acomodar las canastillas en el eje de agitación y bloquear su movimiento por medio de un pin de acero. Con el deshidratador original como en el automatizado se tiene que realizar este proceso. Luego, en el deshidratador original se tenía que encajar el eje de agitación en un pequeño tubo guía que se encontraba en la base de la zona interior del tanque y ajustar la tapa por medio de 4 tornillos y su respectiva rosca ubicados en cuatro bordes del tanque, tal como se aprecia en la figura 19. Figura 18. Eje de agitación fijo en la base de la rueda

Fuente: Autores

Figura 19. ComposiciĂłn de elementos en la tapa del tanque superior

Fuente: Autores

9.1.2 Instrumentos y elementos que conforman el equipo AdemĂĄs del sistema de movimiento vertical se unen otros procesos y elementos para ejecutar las tareas pertinentes para el funcionamiento del equipo, entre ellos se encuentran. 9.1.2.1 Bomba de aire En la parte inferior del tanque se ubica un pequeĂąo tubo dirigido a su interior, este se ajusta para lograr el ingreso de aire proveniente de una bomba elĂŠctrica de aire que genera un caudal de aire de 20 đ?&#x2018;&#x2122;â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; 53, esto se realiza con el fin de provocar mayor turbulencia en la soluciĂłn deshidratante y sumarla a la que genera el sistema de agitaciĂłn vertical en la soluciĂłn; la constante agitaciĂłn y movimientos por turbulencia mantiene en estado homogĂŠneo la soluciĂłn mencionada provocando asĂ que el proceso de deshidratado sea eficiente y en menos tiempo del que serĂa sin que existiera tal sistema. La figura 20 muestra la bomba de aire utilizada en el proyecto. Esta bomba se encuentra daĂąada, al conectarla a la corriente elĂŠctrica no enciende y por ello serĂĄ necesario realizarle mantenimiento.

CASTIBLANCO. Diego A. y MIRANDA. Mario A. Op. Cit.

Figura 20. Bomba de aire

Fuente: Autores

9.1.2.2 Bomba de vacĂo Una bomba de vacĂo, figura 21, con la capacidad de generar 150 milibar de presiĂłn y provocar vacĂo aproximado de 70 đ?&#x2018;&#x2122;â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; (60 Hz) (segĂşn fabricante) logra la aplicaciĂłn de tal efecto al interior del tanque. Como se ha mencionado, la aplicaciĂłn de vacĂo acelera el proceso de deshidrataciĂłn de los alimentos. Figura 21. Bomba de vacĂo

Fuente: Autores.

Esta bomba se ubica en la parte posterior del tanque como se observa en la figura 22, cuando se requerĂa aplicar vacĂo al proceso de deshidrataciĂłn osmĂłtica era necesario cambiar la tapa del tanque superior por otra tapa la cual permitiera el sellado del tanque superior y asĂ mismo la menor cantidad de fugas. 48

Figura 22. Bomba de vacío ubicada en la parte posterior del tanque superior

Fuente: Autores

9.1.2.3 Motorreductor El elemento que se utiliza para realizar la agitación del eje que contiene las canastillas es un motorreductor que trabaja a 115 VAC (60Hz) a una velocidad de 24 rpm, con relación 155:1, generando 27 watts de potencia y consumiendo de 1.4 a 1.8 amperios en su mayor esfuerzo (según datos del fabricante Japan servo co. Ltd. Motor de inducción P350A-7). Este motorreductor puede observarse en la figura 23. Figura 23. Motorreductor utilizado para la agitación de canastillas

Fuente: Autores

9.1.2.4 Válvula mecánica de drenado Un pequeño tubo en acero inoxidable con diámetro de 1 ¼ pulgadas se ubica en la parte inferior del tanque y acoplada a él se encuentra una válvula mecánica, ver figura 24, esta válvula era utilizada para permitir la evacuación de la solución osmótica desde el tanque superior hacia el tanque inferior, donde nuevamente es calentada. Figura 24. Tubo 1 1/4" para válvula mecánica (Izq), Válvula mecánica (Der).

Fuente: Autores

9.2 Tanque inferior y elementos que completan el sistema El tanque inferior, figura 25, también fue elaborado en acero inoxidable 304. En este tanque se realiza el calentamiento de la solución deshidratante por medio de resistencias eléctricas tubulares fabricadas para inmersión. En el momento que se tomó el proyecto, las resistencias eléctricas de inmersión que se encontraban en este tanque estaban destrozadas, se hallaban incineradas y con corrosión.

Figura 25. Tanque inferior destinado para calentamiento de la solución osmótica

Fuente: Autores.

En este tanque se encontraba ensamblado un único sensor de temperatura y en la parte externa de dicho tanque se ubicaba un controlador de temperatura digital de referencia XMTG-2301 el cual posee inclusión de pirómetro y lector de sensor tipo J. La figura 26 (izq) muestra la ubicación de la caja con el controlador en la cara frontal del tanque inferior, así mismo, en la figura 26 (cen) se puede apreciar el controlador digital que se ubicaba en dicha caja y la figura 26 (der) muestra un esbozo del tanque inferior con la ubicación de la caja para el controlador. Figura 26. Controlador de temperatura ubicado en la cara frontal del tanque inferior

Fuente: Autores

9.2.1 Bomba de recirculaciĂłn Una bomba de recirculaciĂłn de lĂquidos que se puede observar en la figura 27, tiene la funciĂłn de poner en circulaciĂłn la soluciĂłn osmĂłtica a travĂŠs de los dos tanques. Esta bomba, segĂşn informaciĂłn del fabricante 54, â&#x20AC;&#x153;produce un caudal mĂĄximo de 49 đ?&#x2018;&#x2122;â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; para el agua pura, genera 1 HP y opera a 110V (60 Hz) consumiendo 750 Wattâ&#x20AC;?. Este motor, al igual que la bomba de aire, se encuentra inoperante, al conectar esta mĂĄquina a la corriente elĂŠctrica se genera calentamiento severo al interior del mismo y por ello mĂĄs daĂąo en el equipo. Esta situaciĂłn se verĂĄ arreglada por medio de la realizaciĂłn de mantenimiento correctivo. Figura 27. Bomba de recirculaciĂłn

Fuente: Autores

9.2.2 Variables a manipular en el equipo de deshidrataciĂłn osmĂłtica Cada una de las variables que se mencionan a continuaciĂłn son de gran importancia para el proceso de deshidrataciĂłn mediante Ăłsmosis, si alguna de estas variables no se manipula de una forma correcta puede ocurrir que el deshidratado del alimento no sea eficaz, el tiempo del proceso podrĂa extenderse o simplemente reducirse, la temperatura de la soluciĂłn osmĂłtica podrĂa aumentar o disminuir logrando que el alimento se daĂąe o destruya y se perderĂan sus caracterĂsticas sensoriales, funcionales y nutricionales. ď&#x201A;ˇ

ď&#x201A;ˇ

Cantidad de voltaje en las resistencias elĂŠctricas de inmersiĂłn las cuales son las encargadas de mantener la temperatura de la soluciĂłn deshidratante en un rango especĂfico. Tiempo de agitaciĂłn de la soluciĂłn y entrada de aire al tanque de agitaciĂłn.

Spelchek. Golden pumps js80. [En lĂnea] 2014. http://www.spelchek.com/golden-pumps-js80-0-75hp-selfpriming-water-pumps-with-cheap-price-good-quality/. [Consulta: 19 de Junio de 2015.]

   

Tiempo de aplicación de vacío. Tiempo total que lleva a cabo el proceso para lograr la deshidratación de los alimentos. Velocidad del motor de la bomba de recirculación de solución osmótica. Apertura y cierre de electroválvulas.

10. SOLUCIONES PLANTEADAS PARA LA RECONSTRUCCIÓN AUTOMATIZACIÓN DEL DESHIDRATADOR OSMÓTICO

En esta sección se mencionan las diferentes posibilidades que se plantearon al momento de realizar el proyecto. Se describen las posibilidades e ideas de manera seccionada por área de estudio, es decir, mecánica, eléctrica y electrónica, instrumentación, software y automatización. Ahora, se explica de la siguiente manera. 10.1 Mecánica Para llevar a cabo los arreglos estructurales de la máquina era necesario realizar la reconstrucción de determinadas partes y secciones como también la elaboración de nuevas piezas, elementos de sujeción, entre otras.  Tapa del tanque superior: Esta tapa debería encajar en el borde del tanque superior mediante una sección vaciada incluyendo un empaque para alimentos. En la parte superior de la tapa deberían encontrarse en lo posible la menor cantidad de elementos, tanto mecánicos como eléctricos y de instrumentación, pero como se quiere hacer que la tapa descanse sobre brazos de apoyo entonces no habría problema por el peso que genere la tapa e impida su desplazamiento.  Transmisión de potencia: Principalmente se pensó en el sistema de agitación de las canastillas. Para este proceso era necesario que existiera un mecanismo de transmisión de movimiento para que el motor no estuviera ubicado sobre la tapa del tanque superior. Se pensó ubicar el motor sobre una base en la parte posterior del tanque. - Para lograr la transmisión de potencia se propuso elaborar un “eje transmisor”. Este eje tendría la tarea de transmitir el movimiento de manera 53

radial desde el motor hasta el mecanismo de agitado compuesto por una leva y el sistema de amortiguación. Esta idea se dio de baja debido a cuestiones de practicidad en el uso de la máquina, robustez de tracción y operatividad. - Para la transmisión de potencia también se propuso implementar un sistema de poleas y correa.  Posicionamiento y movimiento de la tapa del tanque superior: se propuso que el movimiento de la tapa fuera en sentido vertical sobre el eje central del tanque superior. Este movimiento se realizaría mediante el uso de brazos que ayudaran a sostener la tapa, el ajuste de las canastillas debería ser rápido y preciso. Debido a que la tapa pesaría cerca de 12 Kg por su material y por los elementos que contendría en si misma se propone que pueda desplazarse mediante el uso de brazos de apoyo y movimiento.

10.2 Electricidad y electrónica  Para controlar el flujo de solución osmótica se propuso implementar electroválvulas. Principalmente se pensó en que fueran válvulas de trabajo a 12 o 24 VCC, pero si no era necesario implementar conversores AC/DC entonces se implementarían solenoides que trabajen a 110 VAC.  Calentamiento de solución osmótica: Para llevar a cabo este proceso se propusieron dos técnicas, de este modo: - Calentar dicha solución mediante la implementación de un calderín. En la zona baja del tanque inferior se dispondría de una sección de entrada de gas y diferente tipo de elementos que quedarían en contacto directo con el tanque y de ese modo se lograría el calentamiento de la solución osmótica, además, si se llegara a producir vapor debido al calentamiento de la solución, este se pondría en recirculación a través del tanque, de este modo el proceso ahorraría energía. - Utilizar resistencias eléctricas de inmersión. Estas tendrían que ser fabricadas en materiales los cuales no produjeran corrosión por el contacto con ese tipo de soluciones. Quedarían en contacto directo con la solución tal como se encontraban en el deshidratador osmótico original de Uniagraria  Motores eléctricos: Los motores que se utilizarían serían los mismos con los que contaba el deshidratador osmótico original, es decir, un motorreductor, una 54

bomba de vacío y una bomba de recirculación, todos trabajando a 110 VAC pero controlados de manera diferente. También se realizará mantenimiento preventivo y correctivo a los equipos que sea necesario.

10.3 Instrumentación  Temperatura: Se propuso implementar algun tipo de sensor como NTC, PTC, resistencias tipo RTD Pt100 o Pt1000 tipo J o K o termopares. En este contexto PCE instrumentos afirma 55, “los RTD Pt100 o Pt1000 ayudarían a sensar la temperatura de la solución de manera efectiva, responderían rápidamente a los cambios de temperatura en líquidos u otros fluidos”. Además de esto posicionarlos en los tanques sería una tarea poco tediosa debido a que vienen ensamblados con elementos de fácil instalación y sujeción.  Tarjeta BeagleBone Black. Esta tarjeta se utilizaría como servidor web y por medio de este se llevaría a cabo el monitoreo y automatización del deshidratador osmótico.

10.4 Control  Para realizar el control en el deshidratador osmótico se planteó utilizar una tarjeta de control BeagleBone Black, en esta se realizaría la programación de las rutinas para el proceso de deshidratación como también para el sistema de control de la temperatura de la solución osmótica, estos métodos permitirían realizar los procesos de deshidratado de manera efectiva y segura. La tarjeta de control BeagleBone Black posee la cantidad de puertos necesarios para ajustar la señal de los sensores, permite el ensamblaje y comunicación con MatLab® y admite ser utilizada como servidor web.  Realizar el modelo matemático en ecuaciones diferenciales para el llenado de tanques conectados en serie. Este modelo se realizaría en Simulink, se llevaría a cabo la programación de ciertas variables e información, se llevaría a cabo la comunicación entre Simulink y la BeagleBone Black, luego se enviarían los datos de las simulaciones a la tarjeta y esta tendría la tarea de comandar las labores restantes y así el control del llenado de los tanques.

PCE Instumentos. [En línea] 2011. http://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/sistemas/sensorestemperatura.htm. [Citado el: 10 de Julio de 2014.]

10.5 Software  Interfaz gráfica en Visual Studio basada en lenguaje C# Windows form. Se pensó realizar un desarrollo de una interfaz gráfica creada en lenguaje .Net, esta tendría la posibilidad de interactuar con los elementos de la planta piloto, selección de rutinas y lectura de datos e información. Además, esta interfaz accedería al sistema operativo interno de la BeagleBoard Black, donde se haría el procesamiento de la información, pero debido a sus problemas de portabilidad entre plataformas se queda un tanto limitada a la hora de implementarla, este percance podría ser solucionado con “MONO” una plataforma de implementación de código abierto de .NET framework basada en los estándares ECMA para C# y el CLR (Common language runtime) con la cual se generaría una solución multiplataforma para desarrollar tanto en Linux como en IO’S. Se tendría que resolver la tarea de hacer múltiples desarrollos, uno para cada plataforma de implementación tomando más factores a tener en cuenta a la hora de desarrollar.  Uso del sistema operativo Ångström La tarjeta BeagleBone Black posee un sistema operativo “Ångström” completamente funcional del cual se planeó darle uso. A esta tarjeta se le conectaría una pantalla táctil o una pantalla sencilla con un extra de periféricos (teclado y mouse) desde los cuales haciendo uso de la interfaz propia de este sistema operativo se haría el procesamiento de toda la información de la planta, este método es limitado ya que el uso del equipo osmodeshidratador puede realizarse únicamente estando conectado a esta tarjeta. En el caso de no poder implementar las pantallas se haría uso de un computador cualquiera, que también tendrá que estar conectado a la tarjeta y esta a la instrumentación y circuitos de potencia.  Implementación de un servidor web con PHP Con las ideas anteriores propuestas se toma la decisión final de crear una solución portable, de múltiples accesos, fácil de usar y editar (dado el caso), por lo cual se tomó la iniciativa de crear un servidor web (Web Server). Con la implementación de este servidor web sería posible acceder al equipo osmodeshidratador desde cualquier dispositivo que se encuentre conectado a la misma red de internet de la cual la BeagleBone Black se halle conectada. De esta manera se estaría solucionando el primordial problema de la portabilidad e incluso agregando el uso 56

de dispositivos móviles solo ingresando la IP enrutada que posee la tarjeta. Igualmente utilizando archivos con extensión .cpp basados en lenguaje C++ se haría el procesamiento de la información y posterior control.

RESULTADOS En este capítulo se describen los procesos, elementos, dispositivos e instrumentos que se utilizaron para llevar a cabo la automatización del deshidratador osmótico. Del mismo modo se explican los desarrollos que se efectuaron para la reestructuración y reconstrucción mecánica del equipo, implementación pertinente a los circuitos eléctricos y electrónicos, algunos cálculos respectivos al modelo matemático de llenado de tanques en serie y el desarrollo de la interfaz gráfica mediante un servidor web. 11. INSTRUMENTACIÓN IMPLEMENTADA PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL EQUIPO OSMODESHIDRATADOR DE UNIAGRARIA

Para darle solución al problema de automatización del deshidratador osmótico se propuso implementar determinados dispositivos o instrumentos los cuales ayuden a controlar los procesos que se lleven a cabo en dicha máquina. A continuación se mencionan y describen únicamente los elementos que se utilizaron para realizar la automatización del equipo, entre estos se encuentran dispositivos de mando y control, protección y actuadores.

11.1 Dispositivos de mando y control Los dispositivos o instrumentos de mando y control son los encargados de activar por medio de una señal eléctrica a los actuadores implementados en el equipo de deshidratación osmótica, es decir, los dispositivos que se mencionan a continuación conforman un grupo de elementos de mando y al mismo tiempo de control, ya que al encontrarse ensamblados tienen la tarea de activar el circuito eléctrico de potencia constituido por las electroválvulas, resistencias eléctricas de 57

inmersión, un motorreductor, la bomba de vacío y la bomba de recirculación. En este caso los elementos de mando y control son:  Tarjeta de control BeagleBone Black (Ver sección de interfaz gráfica)  Dos tarjetas electrónicas de potencia conformadas por MOC`s3041, resistencias de 330 Ohm y Triac’s Q6025L y/o BTA16600B (Ver sección de electricidad y electrónica)  Cuatro contactores marca Chint con referencia NC1-12. (Ver sección electricidad y electrónica). Con estos dispositivos se permite o no el paso de corriente hacia los actuadores, que en este caso son una bomba para la recirculación de la solución osmótica, un motorreductor para el sistema de agitación, una bomba de aire para la inyección de “aire” dentro del tanque superior, una bomba de vacío para la generación de “vacío” en el tanque superior y una par de resistencias eléctricas de inmersión las cuales calientan la solución osmótica en el tanque inferior. En la figura 28 se pueden apreciar varios de estos contactores ubicados en la caja de circuitos eléctricos. Figura 28. Contactores posicionados en la caja de circuitos eléctricos.

Fuente: Autores.

11.2 Dispositivos de protección Estos dispositivos son los encargados de proteger de sobrecargas, cortocircuitos, entre otros, a los motores, dispositivos de mando y control y en general a la mayor cantidad de elementos que se encuentren en un circuito eléctrico. Entre estos se encuentran:  Un breaker eléctrico doble con capacidad de 50 amperios y un breaker eléctrico de 32 amperios. Con el breaker de 50 amperios se abre/cierra y 58

protege el circuito elĂŠctrico en su totalidad; este se eligiĂł con este valor debido a que si se estĂĄn utilizando todos los actuadores del osmodeshidratador al mismo tiempo se estarĂan consumiendo cerca de 35 amperios (corriente nominal). La elecciĂłn de un breaker se hace, segĂşn Duarte 56 â&#x20AC;&#x153;de acuerdo a la corriente de protecciĂłn, la cual se obtiene multiplicando la corriente nominal por 1.25â&#x20AC;?. Para este caso la corriente de protecciĂłn serĂa de 43.75 amperios y segĂşn Schneider Electric 57 â&#x20AC;&#x153;el valor comercial de los breakers se encuentra en 40 y 50 amperiosâ&#x20AC;?, por ello es necesario utilizar uno de 50 amperios. El breaker de 32 amperios se utiliza para permitir/bloquear el paso de corriente elĂŠctrica y asĂ mismo proveer de seguridad el circuito perteneciente a las resistencias elĂŠctricas de inmersiĂłn. Este disyuntor fue escogido con el valor de 32 amperios debido a: Potencia generada por las resistencias elĂŠctricas monofĂĄsicas: đ?&#x2018;&#x192; = 2500 đ?&#x2018;&#x160; De la ecuaciĂłn de potencia elĂŠctrica: EcuaciĂłn 1: Potencia elĂŠctrica đ?&#x2018;&#x192; = đ??źâ&#x2C6;&#x2014;đ?&#x2018;&#x2030; Entonces: đ??ź=

đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x2018;&#x2030;

Por tal hecho: đ??ź=

2500 đ?&#x2018;&#x160; 115 đ?&#x2018;Ł

đ??ź = 21.74 đ??´ Como se observa, la corriente nominal promedio consumida por las resistencias elĂŠctricas serĂa de 22 amperios. Nuevamente, al multiplicar esta corriente nominal por 1.25 se obtiene un valor de 27.5 amperios para la corriente de protecciĂłn, debido a ello se instala un breaker de 32 amperios, este brinda protecciĂłn a 56

DUARTE, Braulio R. Breakers. CĂĄlculo y selecciĂłn de protecciones elĂŠctricas. [En lĂnea] 2009. [Consulta: 19 de Junio de 2015.] 57 Schneider Electric. DistribuciĂłn elĂŠctrica Nema. [En lĂnea] Febrero de 2013. [Consulta: 20 de Junio de 2015.]

sobrecargas mayores y también permite el buen funcionamiento de las resistencias eléctricas de inmersión. En la figura 29 se pueden observar los breackers utilizados. Figura 29.Breakers eléctricos de 50 y 32 amperios respectivamente

Fuente: Autores.

 Un guardamotor marca Chint con referencia NS2-25/4 regulable de 2.5 a 4 amperios tal como el que se puede observar en la figura 31. Con este elemento se abre/cierra y se protege el circuito perteneciente al contactor que se encuentra conectado al motor de agitación y bomba de aire. Como se observó anteriormente, el motorreductor consume entre 1.4 y 1.8 amperios, debido a eso se adapta este tipo de contactor con un rango de +0.7 amperios. Figura 30. Guardamotor Chint NS2-25/4

Fuente: Autores

ď&#x192;ź Dos relĂŠs de sobrecarga tĂŠrmica Chint NR2-25 (TambiĂŠn perteneciente a dispositivos de mando y control) regulables de 2.5 a 4 y 5.5 a 8 amperios, tal como el que se aprecia en la figura 31. Estos dispositivos se utilizan para proteger de sobrecargas elĂŠctricas y fallos de fase en la bomba de vacĂo y bomba de recirculaciĂłn respectivamente. Figura 31. RelĂŠ de sobrecarga tĂŠrmica Chint NR2-25.

Fuente: Autores

El relĂŠ de sobrecarga tĂŠrmica con rango de 5.5 a 8 amperios se utiliza para la bomba de recirculaciĂłn debido a la potencia que consume, es decir, 750 watts. De la misma manera, se aplica la ecuaciĂłn de potencia para saber cuĂĄnta corriente se consume, de esta manera:

đ??ź= đ??ź=

đ?&#x2018;&#x192; đ?&#x2018;&#x2030;

750 đ?&#x2018;&#x160; 115 đ?&#x2018;Ł

đ??ź = 6.52 đ??´ Quiere decir que el motor de la bomba de recirculaciĂłn consume cerca de 6.5 amperios, por ello la instalaciĂłn de dicho guardamotor. 11.3 Actuadores Son los dispositivos que realizan la tarea final en un proceso. Entre estos se encuentran los motores, resistencias elĂŠctricas y electrovĂĄlvulas.

 Resistencias eléctricas de inmersión Para este proyecto se utilizaron resistencias eléctricas tubulares de inmersión elaboradas en acero inoxidable, la figura 32 muestra las resistencias implementadas en el deshidratador osmótico. De esta manera se reconstruyó el sistema para el calentamiento de la solución osmótica, estas se instalaron en el tanque inferior de la misma manera como se encontraban las resistencias del deshidratador osmótico original antes de su automatización, estas resistencias suman aproximadamente 2.5 KWatts, apropiadas para llevar a 45 ºC 40 litros de solución osmótica en un promedio de 5 minutos. Figura 32. Resistencias tubulares para inmersión.

Fuente: Autores

 Electroválvulas de dos vías normalmente cerradas con diámetro de ¼ y ¾ de pulgada. La electroválvula, “también conocida como válvula solenoide de uso general, es una válvula que abre o cierra el paso de un líquido en un circuito. La apertura y cierre de la válvula se efectúa a través de un campo magnético generado por una bobina en una base fija que atrae un émbolo. Las válvulas son diseñadas para que el émbolo abra un puerto cuando es levantado por el campo magnético. Estas válvulas están abiertas o cerradas y no pueden modular el caudal. Para que la válvula pueda modular el caudal, un solenoide debe ser abierto y cerrado rápidamente en respuesta a una señal generada por un controlador. El término Modulación por Ancho de Pulsos también conocido como (PWM), se usa para designar este diseño. Los límites mecánicos del diseño limitan la capacidad de seguimiento de la carga o resolución a un rango bastante estrecho.” 58. 58

Parker Hannifin Ltd. Refrigeración y aire acondicionado en Europa. Válvulas eléctricas para control del Refrigerante. [En línea] Junio de 2010. [Consulta: 4 de Enero de 2015.]

Altec menciona que 59 “este tipo de válvulas se adaptan particularmente para el control de agua, aire, gases inertes, vapor y en general de fluidos no agresivos”. En la figura 33 se puede apreciar la electroválvula de ¾” utilizada en el proyecto. Figura 33. Electroválvula de 2 vías NC

Fuente: Autores

Estas electroválvulas se utilizaron para regular el paso de solución osmótica hacia los tanques. Una electroválvula con diámetro de ¾” se ubicó en la tapa del tanque superior, tal como se muestra en la figura 34, con esta se regula el paso de solución osmótica hacia el tanque superior, lugar donde se realiza el proceso de deshidratación osmótica.

Figura 34. Electroválvula que controla el paso de solución hacia el tanque superior

Fuente: Autores

Altec. Alta tecnología de vanguardia S.A. de C.V. Monterrey, N.L México. [En línea] s.f. http://www.altecdust.com/soporte-tecnico/que-son-las-electrovalvulas. [Consulta: 12 de Octubre de 2014.]

Otra válvula de este tipo se ubicó en la zona inferior del tanque superior en el cual se realiza el proceso de deshidratación osmótica como se ve en la figura 36, es decir, esta electroválvula se reemplazó por la válvula mecánica que contenía el deshidratador osmótico original. Esta electroválvula permite la evacuación de la solución desde el tanque superior hacia el tanque inferior, en donde la solución nuevamente será calentada. Figura 35. Electroválvula que permite el paso de solución hacia el tanque inferior

Fuente: Autores

Una tercera electroválvula, en este caso con diámetro de ¼ de pulgada, también se ubica en la tapa del tanque superior, tal como se aprecia en la figura 36. Esta electroválvula se utiliza para permitir el escape de presión del tanque superior generado por la bomba de aire y agitación de los alimentos con las respectivas canastillas, como también para bloquear el escape de presión en el momento en que se empieza a generar vacío en el tanque superior.

Figura 36. Válvula de 1/4 " que permite o no el escape de presión del tanque superior

Fuente: Autores

En cuanto a los demás actuadores simplemente son los mismos utilizados en el deshidratador osmótico original de Uniagraria, es decir, la bomba para la recirculación de la solución osmótica es la misma ya que al realizar pruebas de manera empírica se notó que funcionaba de manera adecuada para el proceso requerido; el dispositivo para realizar la agitación del eje con las canastillas es el mismo motorreductor que se encontraba originalmente en el equipo ya que este, como lo menciona Castiblanco 60, “genera el torque suficiente para realizar el movimiento del eje y canastillas”. Del mismo modo se utilizaron las mismas bombas de aire y vacío teniendo como base que funcionaban de manera correcta en el equipo original.

CASTIBLANCO. Diego A. y MIRANDA. Mario A., Op. Cit.

12. RECONSTRUCCIÓN MECÁNICA DEL DESHIDRATADOR OSMÓTICO

El funcionamiento mecánico del equipo presentaba fallas y dificultades de uso debido a su diseño preestablecido. Principalmente los errores de funcionalidad se encontraban en el tanque superior y sus componentes. Como se había mencionado, la mayoría de partes y mecanismos se encontraban fijos (soldados) en la tapa y, por ejemplo, cuando se necesitaba hacer la tarea de generar vacío era necesario cambiar la tapa por una que únicamente permitiera ese proceso. Posicionar la tapa en el tanque era algo tedioso debido a la masa que era obligatorio levantar y acomodar (canastillas, alimento, motor y transmisión de movimiento). En la figura 37 se pueden observar los elementos del sistema de transmisión de movimiento y otros componentes que conformaban dicha tapa. Figura 37. Sistemas y elementos encontrados en la tapa del tanque.

Fuente: Autores

Se llevó a cabo la reestructuración y reconstrucción mecánica y eléctrica del osmodeshidratador. En primera instancia se reconstruyó la tapa del tanque superior tal como se puede observar en la figura 38 (para revisar planos dirigirse al Anexo A). Esta tapa ya no es simplemente una lámina de acero como la que poseía el deshidratador antes de la automatización, tal como se aprecia en la figura 39, sino que ahora contiene un borde diferente, este consiste en una lámina 66

rolada conforme al radio de la cara del tanque superior, es decir, a una lĂĄmina de acero se le da la forma que contenga la superficie, en este caso es la forma circular de la tapa. En la cara inferior de esta tapa se realizĂł un vaciado (figura 40) para asĂ ajustar un empaque de caucho permitido para alimentos y lograr el encaje y sellado de la tapa con el tanque superior. Figura 38. Tapa reconstruida para el tanque superior

Fuente: Autores Figura 39. Tapa del tanque superior en el osmodeshidratador original

Fuente: Autores.

Figura 40. Tapa del tanque, incluye un vaciado para ajuste de empaque

Fuente: Autores.

En la tapa superior también se incluyeron una serie de tubos con extremos roscados (rosca NPT, la cual es la rosca americana cónica para tubería), los cuales se observan en la figura 41, en ellos se posicionan las electroválvulas, tanto las de ¾” como la de ¼”. Figura 41. Tubos roscados para ensamblar las electroválvulas

Fuente: Autores

Además de los sistemas y elementos mencionados, otro tipo de sistemas y dispositivos fueron evaluados y así mismo desarrollados y se mencionan a continuación. 12.1 Mecanismo de transmisión de movimiento mediante poleas-correa. Para efectuar la transmisión de movimiento mediante poleas y correa se ubica el motorreductor para la agitación de las canastillas sobre una plataforma apoyada en la parte posterior del tanque superior, tal como se observa en la figura 42. Este motor se puede desplazar mediante guías que se encuentran en la plataforma que sostiene el motor (figura 43), para lograr el ajuste del motor y así mismo la tensión de la correa se emplean tornillos con cabeza Bristol. Figura 42. Motorreductor ubicado en la parte posterior del tanque superior

Fuente: Autores. Figura 43. Plataforma del motor con guía para ajuste de motor y tensión de correa

Fuente: Autores.

El motorreductor transmite el movimiento mediante un sistema de poleas y correa, descripción que se hace a continuación. 12.1.1 Poleas Se mandaron construir dos poleas con relación 1:1, una para ser ajustada al motorreductor sirviendo como conductora y otra para ajustarla en ciertas bases puestas en la tapa del tanque superior sirviendo como conducida, la figura 44 muestra la polea conductora. Figura 44. Poleas para transmisión de potencia

Fuente: Autores.

Para elegir la correa de transmisión de movimiento se realizaron los cálculos para saber la fuerza que tenía que transmitir, de este modo se toman los datos del motorreductor y se procede: Potencia del motor 𝑝 = 27 𝑊 Velocidad angular 𝜔 = 24 𝑟𝑝𝑚 Teniendo estos datos se halla el torque generado por el motor: 70

EcuaciĂłn 2: Torque de un motor monofĂĄsico đ?&#x153;? = đ?&#x2018;?/đ?&#x153;&#x201D; (61) 27đ?&#x2018;&#x160;

đ?&#x153;? = 24 đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161;â&#x2C6;&#x2014; 2đ?&#x153;&#x2039;â &#x201E;

đ??&#x2030; = đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;. đ?&#x;&#x2022;đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;&#x2018; đ?&#x2018;ľđ?&#x2019;&#x17D; La correa que se elige para transmitir el movimiento es una correa en V de clase A segĂşn norma ISO 4984, esta es de bajo costo y capaz de transmitir el torque del motorreductor. Las poleas que se construyeron poseen las siguientes caracterĂsticas: â&#x2C6;&#x2026;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;Ą = 65đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x161; Es el diĂĄmetro mĂnimo que puede poseer la polea para poder utilizar una correa en V de clase A. Ancho superior de la correa = 12mm. 12.1.2 Bases para polea conducida Por otra parte, se mandaron construir las bases para el sistema receptor de movimiento, estas son las encargadas de someter a presiĂłn y mantener fijos un par de rodamientos. Se componen de dos secciones desmontables que se sujetan a travĂŠs de tornillos. En la figura 45 se puede apreciar que en medio de las bases se encierran rodamientos para permitir el movimiento radial de un eje, a este eje se ajusta la polea conducida y una leva la cual transmitirĂĄ el movimiento final al eje para agitaciĂłn.

Serway, Raimond A., Jewett, Jhon W. [aut. libro] Raimond A., Jewett, Jhon W Serway. [trad.] VĂctor Campos OlguĂn. FĂ?SICA para ciencias e ingenierĂa con FĂsica Moderna. 7ÂŞ. s.l. : Cengage learning, 2005, Vol. 2.

Figura 45. Mecanismo de transmisi贸n de movimiento.

Fuente: Autores.

12.2 Ajuste de tapa mediante cierres de palanca Para lograr el ajuste y sellado de la tapa con el tanque superior se instalaron cuatro cierres de palanca en el tanque superior, como los que se observan en la figura 47, estos ajustes de palanca no se abren por producto de la vibraci贸n que se origina en el tanque, solo se pueden abrir manualmente permitiendo as铆 que el trabajo de la m谩quina sea seguro. Figura 46. Cierres de palanca soldados en el tanque superior

Fuente: Autores.

12.3 Incorporación de un sistema para lograr agitación y vacío en el mismo lapso de tiempo. Tortoe afirma que 62, en algunos procesos de deshidratación osmótica es posible y/o necesario aplicar vacío, así se puede acelerar determinado tiempo el proceso de deshidratado. Ya que la máquina contaba con un sistema de vacío fue necesario tomarlo y mejorarlo. Se incorporó un sistema de sellado implementando empaques de caucho conocidos como O´rings. Estos se acomodaron de manera concéntrica con el eje de agitación como se observa en las figuras 47 y 48 de esta manera se permite el movimiento axial del eje con las canastillas y el alimento propiamente sin dejar escapar presiones internas acumuladas y lograr así el vacío que sea necesario aplicar 56

Figura 47. Sellos O´ring en el eje de agitación

Fuente: Autores

TORTOE Charles et al. Effect of agitation and antagonism between sucrose and sodium chloride on mass transfer during osmo-dehydration in plant materials. 2009. págs. 6-9, International Food Research Journal 16: 521-530.

Figura 48. Sellos O'ring que permiten movimiento axial y sellado

Fuente: Autores.

12.4 Rueda y resorte Se mandó construir un resorte con las mismas características del que poseía el osmodeshidratador antes de su reconstrucción, es decir, 11 cm de largo, 4.5 cm de diámetro y una constante de elasticidad k de 245 N/m por pruebas empíricas. De la misma manera se consultó a un experto en fabricación de mecanismos el cual elaboró una rueda con sus respectivos soportes, guías y bases, ver figura 49, estas se adaptaron de manera concéntrica con la guía del eje de agitación ya que es la que transmite el movimiento entre la leva y el eje de agitación. La base de la rueda se encuentra posicionada mediante cuatro ejes guía los cuales permiten el movimiento vertical del sistema de agitación sin admitir movimientos horizontales del mismo. El eje de agitación se sujeta mediante un pin de acero al mecanismo de transmisión de movimiento de manera rápida y precisa. Los materiales utilizados en los elementos de sujeción, fuerza y agarre son acero inoxidable 301 y 316 63, los cuales proveen la dureza y flexibilidad necesaria para los momentos de tensión y compresión que se producen en el equipo. 63

Ulbrinox, S. de R.L. de C.V. Ficha técnica acero inoxidable. [En línea] s.f. http://www.ulbrinox.com.mx /public/pdf/inoxidable.pdf. [Consulta: Febrero 13, 2015.]

Figura 49. Resorte y rueda para movimiento axial del eje de agitación

Fuente: Autores.

12.5 Mecanismo de movimiento por medio de brazos Se construyeron 5 brazos los cuales sirven como mecanismo de sujeción y apoyo de la tapa del tanque superior, así mismo permiten su movimiento en sentido vertical y horizontal sin la necesidad de provocar sobreesfuerzos humanos. Los brazos se encuentran sometidos mediante ejes de acero 316, esto debido a la gran resistencia mecánica del material y poca probabilidad de corrosión, así mismo, las bases de pivote se encuentran soldadas a una cara del tanque superior, como también al borde de la tapa del tanque y se puede observar en la figura 50.

Figura 50.Bases para pivote soldadas en la cara frontal del tanque superior

Fuente: Autores

El sistema consta de dos brazos que sirven como guía y a la vez de apoyo para la tapa. Un tercer brazo se utiliza para sostener la tapa del tanque superior mediante los 2 brazos de apoyo mencionados anteriormente y un eje que se mueve a través de las guías de estos dos brazos, obviamente estando sujeto al tanque superior. Los otros dos brazos corresponden a los que permiten un movimiento de mayor libertad para la tapa superior, los cuales se encuentran sometidos al borde de la tapa y a los brazos de movimiento y apoyo por medio de ejes de acero 316. Estos brazos o mecanismo se puede observar en la figura 51. En la figura 52 se muestra cómo esta tapa puede descansar en la cara frontal y superior del equipo, el centro de masa se mantiene equilibrado y no se producen riesgos de accidente o volcamiento. Los planos de estos brazos pueden observarse en el Anexo A del presente documento.

Figura 51. Brazos de apoyo, sujeci贸n y movimiento

Fuente: Autores

Figura 52. Posici贸n de la tapa utilizando el mecanismo de movimiento de los brazos

Fuente: Autores.

12.6 Tanque completo Finalmente se llegó a la reestructuración y reconstrucción mecánica del equipo de una manera muy funcional para el uso que se le da y los procedimientos que se realizan con ella. En la figura 53 se puede apreciar la constitución física del deshidratador osmótico terminado. Figura 53. Deshidratador osmótico completo y terminado

Fuente: Autores.

Las figuras 54 y 55 muestran el modelado del equipo realizado en SolidWorks, si se realiza una comparación con el deshidratador osmótico físico mostrado anteriormente se puede notar que se cumplió a cabalidad con lo propuesto.

Figura 54. Vista lateral izquierda del deshidratador osm贸tico en SolidWorks

Fuente: Autores Figura 55. Modelado del deshidratador osm贸tico

Fuente: Autores.

13. ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA Los elementos, herramientas e instrumentos que se mencionaron en la sección de instrumentación fueron varios de los utilizados para llevar a cabo la automatización del equipo. Ahora bien se muestran los demás instrumentos utilizados y se realiza la explicación del funcionamiento de los mismos. 13.1 Sensores de temperatura En el tanque inferior se sustituyó el sistema original para el control de temperatura. El sistema que se ensambló incluye seis sensores de resistencia RTD Pt100, ver figura 56, instalados en puntos estratégicos de los tanques. De este modo, se instalaron 4 RTD Pt100 en el tanque inferior y 2 RTD Pt100 en el tanque superior como se puede observar en la figura 57.

Figura 56 RTD Pt100

Fuente: Autores Figura 57. RTD Pt100 ubicadas en los tanques.

Fuente: Autores

La medida de estos elementos es adquirida y amplificada mediante una tarjeta electrónica que contiene circuitos integrados LF353 y resistencias, luego es sumada, promediada y se hace una transformación de información mediante un programa incluido en el controlador (BeagleBone Black) para que este lo pueda interpretar y tomar una decisión de control. 13.2 Amplificación de la señal producida por los RTD Pt100 Se elaboró una tarjeta electrónica que contiene el uso del circuito integrado (CI) LF353, resistencias de 10KΩ y 100Ω, como se observa en la figura 58. El CI LF353 tiene la tarea de amplificar la señal que llega del desbalance en el puente de wheatstone por causa de la variación de resistencia del RTD Pt100 al cambiar la temperatura de la solución osmótica. Posteriormente, la señal obtenida se envía a la BeagleBone Black donde se guardará la información en una base de datos. Figura 58.Circuito de amplificación de señal obtenida por los RTD Pt100

Fuente: Autores.

La tarjeta electrónica que fue construida para la obtención de información sobre la temperatura de la solución osmótica, amplificación y ajuste de la misma se puede observar en la figura 59. Esta tarjeta contiene tres circuitos amplificadores como el mostrado previamente. Figura 59. Tarjeta de amplificación de señal con LF353.

Fuente: Autores.

13.3 Circuito electrónico de potencia Conociendo que en las salidas de la BeagleBone Black se obtiene tan solo 1.4 voltios de corriente contínua fue necesario diseñar un circuito electrónico que pudiera ser activado con este valor y así mismo que permitiera la activación de los elementos de potencia, que en este caso son los triac’s y posteriormente contactores eléctricos. Para activar los accionamientos eléctricos (contactores) se elaboró un circuito electrónico de potencia que consta de un MOC 3041, un triac Q6025L, resistencias de 330 ohms y las respectivas terminales de tornillo para la conexión de los cables de la sección de potencia. Este circuito puede ser observado en la figura 60.

Figura 60. Circuito electrónico de potencia

Fuente: Autores.

13.3.1 Funcionamiento del circuito electrónico de potencia El MOC 3041 puede ser activado con una señal de 1.4 VDC (señal de control). Esta activación se logra a través del ingreso de una señal de un valor por encima de 1.4 VDC y debajo de 5 VDC por medio del pin número uno del MOC 3041, para este caso se hace con la señal proveniente de la tarjeta de control BeagleBone Black. El pin dos se conecta a la tierra lógica del circuito de control o controlador BeagleBone Black separando así la etapa de control de la etapa de potencia. Cuando el MOC3041 se activa hace fluir cierta corriente a través del pin cuatro, corriente suficiente para excitar eléctricamente la compuerta “gate” del triac haciendo que este se accione y permita el paso de corriente a través de sus dos terminales restantes MT1 y MT2. Los triac entran en etapa de no conducción en el momento en el que la onda senoidal cruce por cero, es decir, cuando el dato enviado por la BeagleBone Black sea cero “0” en ese momento el triac reconoce una señal de corriente mínima, similar a la corriente de retención que necesita para apagarse y simplemente no conduce corriente eléctrica. El triac volverá a encenderse y permitir el flujo de corriente eléctrica cuando la BeagleBone Black envíe una señal positiva de 1.4 VDC o uno lógico “1”. Estas dos terminales (MT1 y MT2; para el caso del diagrama mostrado en la figura 60 serían los pines 1 y 2 del conector J2) son las que se conectan a los 110 voltiosAC y a la carga respectivamente. En este caso las cargas serán la bobina de cada contactor, con la cual se pone en marcha otro elemento, ya sea un motor de los que se utilizaron para el proceso de deshidratación osmótica o las mismas resistencias eléctricas de inmersión.

El total de los circuitos electrónicos de potencia son nueve, en la figura 61 se puede apreciar el circuito de potencia para realizar su impresión en una baquela.  Siete de estos circuitos de potencia se utilizan para controlar el encendido y apagado de cuatro bobinas de contactores, y estos contactores tendrán la tarea de permitir o no el paso de corriente a cuatro elementos (bomba de recirculación de solución osmótica, motor de agitación y bomba de aire, resistencias eléctricas de inmersión y bomba de vacío); los tres circuitos sobrantes activan directamente tres electroválvulas.  Uno de los circuitos restantes se utiliza para controlar la velocidad del motor de la bomba de recirculación de solución osmótica y se provisiona de un circuito final para controlar la cantidad de corriente que se permitirá pasar por las resistencias eléctricas, de este modo controlando la temperatura de la solución osmótica a modo de PWM y no on-off. En las figuras 62 y 63 se pueden apreciar las tarjetas electrónicas de potencia finalmente elaboradas. Figura 61.Circuito de placa impresa para la etapa de potencia

Fuente: Autores.

Figura 62. Tarjeta electrónica de potencia para control del motor de agitación, bomba de vacío y bomba de recirculación.

Fuente: Autores. Figura 63. Tarjeta electrónica de potencia para control de electroválvulas y resistencias eléctricas.

Fuente: Autores

13.3.2 Control de intensidad de corriente mediante el uso de un optoacoplador y un triac Como se explicaba anteriormente, se acondicionó una tarjeta electrónica con nueve circuitos que incluyen el uso de un MOC 3041, un triac Q6025L, una serie de resistencias y otros elementos para la conexión de cables eléctricos. Tal como se mencionaba anteriormente se dispuso de dos circuitos de potencia para realizar el control de velocidad del motor de la bomba de recirculación de solución osmótica y otro para la cantidad de corriente que se permitirá pasar por las resistencias eléctricas. Lo que se logra con este circuito es controlar la cantidad de corriente que llega a las cargas, en este caso el motor de la bomba de recirculación de líquido osmótico y las resistencias eléctricas tubulares para inmersión. Mediante la manipulación del ángulo de disparo o conducción se puede llevar a cabo dicho control de intensidad de corriente. Lo que se hace es proponer un tiempo o ángulo en la onda senoidal con la cual el triac entre en etapa de conducción y otro tiempo para la etapa de no conducción de corriente eléctrica. En la figura 64 (a) se observa una forma de onda en la cual se programan los primeros 30 grados de cada semiciclo de la misma, durante esos primeros 30 grados el triac se comporta como un interruptor abierto, en ese tiempo el voltaje de línea se cae a través de las terminales del triac MT1 y MT2 y por tal hecho no se aplica voltaje alguno a las cargas y no existe flujo de corriente que pase por el triac y las cargas, a este proceso se le conoce como ángulo de retardo de disparo. En el resto del semiciclo ocurre el disparo del triac, en ese momento y durante ese resto del semiciclo el triac genera la conducción de corriente eléctrica y esta pasa a la carga que se encuentre conectada al circuito (en este caso son las bobinas de los contactores y electroválvulas). Esta parte del proceso se conoce como ángulo de conducción o disparo. La figura 64 (b) muestra el mismo proceso, solo que el ángulo de retardo de disparo es mayor al explicado anteriormente, por consiguiente la carga durará más tiempo en estado de encendido.

Figura 64. Ángulo de disparo de un Triac

Fuente LIMA G. E., MÉNDEZ R. D., ROJAS A. R. Universidad Tecnológica Nacional - UTN, Facultad Regional Avellaneda. [En línea] s.f. [Consulta: 5 de Octubre de 2014.]

El control de intensidad de esta corriente se logra por medio de la tarjeta de control BeagleBone Black. Por ejemplo, en la BBB se obtienen los datos enviados por los RTD Pt 100 en cuanto al valor de la temperatura sensada, se genera una tabla de datos difusa y de este modo se envía la información correspondiente a la tarjeta electrónica de potencia permitiendo la activación y control de las resistencias eléctricas de inmersión según el ángulo de disparo que se provoque (Ver sección “15. Control”). 13.4 Circuito eléctrico de potencia Para poner en funcionamiento los motores, electroválvulas y resistencias se emplean 115 voltios AC, es decir, un sistema de voltaje monofásico común. Se elaboró un circuito eléctrico en la plataforma CADe_SIMU, en la figura 65 se puede apreciar el circuito eléctrico, este se compone de un breaker principal “TOTAL”, mencionado anteriormente como totalizador, con el cual se permite o no el paso de corriente hacia todo el circuito eléctrico, un botón que sirve como paro de emergencia en caso de cualquier irregularidad en el proceso de utilización del equipo, siete pilotos, cuatro contactores eléctricos, un guardamotor, dos relés de sobrecarga térmica y un breaker, con los cuales se maniobran y protegen la bomba de recirculación, el motor de agitación, la bomba de aire y las resistencias eléctricas tubulares de inmersión. Las electroválvulas se conectan directamente a 87

los triac debido a que su activación es directa y no producen sobrecargas importantes que no puedanh soportar los triac’s en el momento de operación. Figura 65. Circuito Eléctrico para funcionamiento del deshidratador osmótico

Fuente: Autores.

13.4.1 Funcionamiento del circuito eléctrico Los interruptores que se pueden apreciar en el plano eléctrico 3AK1 y 3AK8, para más detalle se muestra la figura 66, son la simulación de los triac que se encuentran en los circuitos electrónicos de potencia, estos al ser activados permiten el flujo de corriente eléctrica hacia las memorias (terminal A1) o bobinas de cada contactor. Este dispositivo activa las cargas que estén conectadas, ya sean los motores (bomba de recirculación, motor de agitación, bomba de aire, bomba de vacío) o las mismas resistencias eléctricas de inmersión. Por ejemplo, en la figura 66, se muestra el circuito para la activación y control de la bomba de recirculación. Se observa que dispone de un contactor, un relé térmico, y dos triacs. En la figura 67 se puede apreciar el esquema del circuito eléctrico para la activación del motor de agitación y la bomba de aire. En este caso el elemento de protección de los actuadores es un guardamotor, mostrado como GrdM1 y la activación nuevamente proviene de un triac. 88

Figura 66. Muestra del circuito el茅ctrico perteneciente a la bomba de recirculaci贸n

Fuente: Autores. Figura 67. Muestra del circuito el茅ctrico perteneciente al motor de agitaci贸n y bomba de aire

Fuente: Autores

En la figura 68 se aprecia el circuito para el funcionamiento de las resistencias eléctricas de inmersión. Ellas se encuentran protegidas por un breaker, simulado como Brk1, además de contar con un circuito de potencia para maniobra y otro para el control de la intensidad de corriente que llega a las resistencias. Figura 68. Circuito para las resistencias eléctricas de inmersión

Fuente: Autores

El control de las electroválvulas se logra únicamente mediante el circuito electrónico de potencia, es decir, las electroválvulas se encuentran conectadas directamente a los triac debido a que la corriente consumida es soportada por los mismos. Esta situación se puede observar en la figura 69. Figura 69.Circuito de electroválvulas

Fuente: Autores

Así como el circuito digital también se construyó el circuito eléctrico físico, en la figura 70 se observa su estado, instrumentos, ensamblaje y conexiones en momento de pruebas, sin los elementos del circuito electrónico de potencia ni la tarjeta de control BeagleBone Black. Estos circuitos se componen de dos breakers, cuatro contactores, un guardamotor y dos relés térmicos. Figura 70. Circuitos eléctricos en etapa finalizada

Fuente: Autores

La figura 71 muestra los circuitos electrónicos de potencia acoplados a los circuitos eléctricos, estos se posicionan en el costado derecho del tablero para circuitos eléctricos. Figura 71. Circuitos electrónicos acoplados a circuitos eléctricos

Fuente: Autores

En la zona frontal del tablero de circuitos eléctricos, como se puede apreciar en la figura 72, se encuentran ubicados el botón de paro de emergencia y los pilotos o testigos de cada actuador, ya sea un motor o una electroválvula. Figura 72. Pilotos ubicados en la cara frontal del tablero de circuitos eléctricos.

Fuente: Autores

14. MODELO MATEMÁTICO DE LLENADO DE TANQUES EN SERIE Teniendo en cuenta los datos mencionados a lo largo de este documento, como los que corresponden a la bomba de recirculación, dimensiones de las electroválvulas y de los tanques, se utilizan para llegar a conocer la dinámica que se produce en los dos tanques cuando se está trabajando con movimiento de líquidos. De esta forma se describe a continuación la información necesaria para realizar el balance de energía y la propia dinámica del sistema y de este modo hacer una comparación con la prueba real realizada con el deshidratador osmótico. 14.1 Balance de energía Para encontrar la dinámica de este sistema es necesario conocer la velocidad a la cual fluye el líquido, las dimensiones de los tanques y de las partes por las cuales ingresa y sale el líquido. La figura 73 muestra los dos tanques en serie, tal como se describiría el proceso real del deshidratador osmótico. 92

Figura 73. Modelo de tanques en serie

Fuente: Autores

Siendo asĂ, el caudal mĂĄximo "đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ " generado por la bomba de recirculaciĂłn es đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ =49 đ?&#x2018;&#x2122;â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; para el agua pura (ver secciĂłn 9.2.1 Bomba de recirculaciĂłn). 3 Para expresar este caudal en valores de đ?&#x2018;&#x161; â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; se procede a encontrar la equivalencia: Se tiene que: 1 đ?&#x2018;&#x161;3 = 1000 đ?&#x2018;&#x2122; Entonces: đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ

đ?&#x2018;&#x2122; 1 đ?&#x2018;&#x161;3 = 49 â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; 1000 đ?&#x2018;&#x2122;

Cancelando đ?&#x2018;&#x2122; y dividiendo por 1000, encontrando asĂ que: 3

đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ = 0.049 đ?&#x2018;&#x161; â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; Para realizar el modelo matemĂĄtico se toma un caudal mĂĄximo đ?&#x2018;&#x17E;0 por criterios de diseĂąo. El valor se trabaja por debajo del caudal mĂĄximo đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;Ľ generado por la bomba para evitar la sobreactuaciĂłn de la misma bomba de recirculaciĂłn. 3

đ?&#x2018;&#x17E;0 = 0.040 đ?&#x2018;&#x161; â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; 93

Lo cual expresado en đ?&#x2018;&#x161; â &#x201E;đ?&#x2018; serĂa: 3 3 đ?&#x2018;&#x17E;0 = 0.04 đ?&#x2018;&#x161; â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; = 6.67 đ?&#x2018;Ľ 10â&#x2C6;&#x2019;4 đ?&#x2018;&#x161; â &#x201E;đ?&#x2018;

Teniendo como base las ecuaciones que representan la dinĂĄmica y que se trabaja con un fluido incompresible, se desarrollan las ecuaciones 64 respecto a masa, densidad y volumen, de esta manera se tiene que: đ?&#x2018;&#x2030; = â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D; đ?&#x2018;&#x17E; = đ??´0 đ?&#x2018;&#x2030; = đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;0 2 â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x161;1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą

= đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018;&#x17E;0 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018;&#x17E;1

EcuaciĂłn 3. Volumen, mecĂĄnica de fluidos EcuaciĂłn 4. Flujo mĂĄsico en funciĂłn de ĂĄrea y volumen EcuaciĂłn 5. Cambio de masa respecto a flujo mĂĄsico y densidad en el tanque 1.

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x161;2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą

= đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018;&#x17E;1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018;&#x17E;2

EcuaciĂłn 6. Cambio de masa respecto a flujo mĂĄsico y densidad en el tanque 2.

Siendo: ď&#x192;ź đ?&#x2018;&#x2030; la velocidad lineal de salida y es directamente proporcional a la altura del tanque ď&#x192;ź đ?&#x2018;&#x201D; la aceleraciĂłn gravitacional, 9.8 đ?&#x2019;&#x17D;â &#x201E;đ?&#x2018; 2 ď&#x192;ź ď&#x192;ź ď&#x192;ź ď&#x192;ź ď&#x192;ź ď&#x192;ź ď&#x192;ź

đ??´0 El ĂĄrea transversal del orificio de salida đ??´đ?&#x2018;Ą El ĂĄrea transversal del tanque đ?&#x2018;&#x17E; flujo mĂĄsico đ?&#x2018;&#x161;1,2 la masa đ?&#x153;&#x152; la densidad del fluido đ?&#x2018;Ł el volumen del fluido â&#x201E;&#x17D; la altura de los tanques

Como đ?&#x2018;&#x161; = đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018;Ł, se reemplaza y opera en la ecuaciĂłn 5 y 6. 64

Mittal, Gauri S. et al. Computarized control systems in the food industry, Food science and technology. [ed.] Gauri S. Mittal. 270 Madison avenue New York : s.n., 1997. pp. 57-65, 277-289. 0-8247-9757-4.

đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ł1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą đ?&#x153;&#x152;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ł2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą

= đ?&#x153;&#x152;(đ?&#x2018;&#x17E;0 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x17E;1 )

EcuaciĂłn 7.

= đ?&#x153;&#x152;(đ?&#x2018;&#x17E;1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x17E;2 )

EcuaciĂłn 8.

Como đ?&#x2018;Ł = đ??´â&#x201E;&#x17D;, se reemplaza y opera en la ecuaciĂłn 7 y 8.

đ??´đ?&#x2018;Ą

đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą

đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;1

= đ?&#x2018;&#x17E;0 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;0 2 â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D;1

EcuaciĂłn 9.

= đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;0 2 â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D;1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;0 2 â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D;2

EcuaciĂłn 10.

đ??´đ?&#x2018;Ą

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą

Teniendo que de la ecuaciĂłn de Bernoulli: đ?&#x2018;&#x2DC;0 =

1 đ??´đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x;

1 đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x; 2

EcuaciĂłn 11.

đ?&#x2018;&#x2DC;1 = ( đ?&#x2018;&#x;0 ) â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D; đ?&#x2018;Ą

EcuaciĂłn 12.

Ahora bien, para encontrar el cambio de altura de los tanques, se opera con respecto a las dimensiones de los orificios de salida y caudal. Se halla con las ecuaciones 9 y 10, obteniendo asĂ: đ?&#x2018;&#x17E;0 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;0 2 â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;0 2 â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x17E;0 đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;0 2 â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;1 = â&#x2020;&#x2019; = â&#x2C6;&#x2019; â&#x2020;&#x2019; = đ?&#x2018;&#x17E;0 đ?&#x2018;&#x2DC;0 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą đ??´đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą đ??´đ?&#x2018;Ą đ??´đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;Ą 2 đ?&#x2018;&#x;0 2 â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x;0 2 = đ?&#x2018;&#x17E;0 đ?&#x2018;&#x2DC;0 â&#x2C6;&#x2019; â&#x2020;&#x2019; = đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x2018;&#x2DC; â&#x2C6;&#x2019; ( ) â&#x2C6;&#x161;2đ?&#x2018;&#x201D;â&#x201E;&#x17D;1 0 0 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;Ą 2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;Ą ď&#x192;ź ď&#x192;ź Las ecuaciones 13 y 14 tanques en serieâ&#x20AC;?.

đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x2018;â&#x201E;&#x17D;2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą

= đ?&#x2018;&#x17E;0 đ?&#x2018;&#x2DC;0 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2DC;â&#x2C6;&#x161;â&#x201E;&#x17D;1

EcuaciĂłn 13.

= đ?&#x2018;&#x2DC;â&#x2C6;&#x161;â&#x201E;&#x17D;1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2DC;â&#x2C6;&#x161;â&#x201E;&#x17D;2

EcuaciĂłn 14.

â&#x20AC;&#x153;representan el modelo matemĂĄtico para el llenado de

Radio del orificio de salida đ?&#x2018;&#x;0 : En este caso las electrovĂĄlvulas tienen una dimensiĂłn o diĂĄmetro de Âž de pulgada en su boca circular para entrada y evacuaciĂłn del lĂquido, esto quiere decir que 65

Salazar PeĂąa, Rodolfo. IngenierĂa de control con Simulink, Modelado de sistemas fĂsicos, sistema hidrĂĄulico. Youtube. [En LĂnea] https://www.youtube.com/watch?v=ADHFpuj1Ww4. Mayo 12, 2013.

đ?&#x2018;&#x;0 = 0.009525 đ?&#x2018;&#x161; Radio transversal del tanque superior đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;Ą : đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;Ą = 0.018 đ?&#x2018;&#x161; La soluciĂłn osmĂłtica mĂĄs utilizada para este tipo de procesos tiene una densidad đ?&#x2018;&#x201D; đ??žđ?&#x2018;&#x201D; â &#x201E; đ?&#x153;&#x152; de 1.2295 â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2122; es decir, 1229.5 đ?&#x2018;&#x161;3 , teniendo claro esto se puede decir que: El flujo mĂĄsico đ?&#x2018;&#x161;Ě&#x2021; = đ?&#x2018;&#x17E;0 đ?&#x153;&#x152; serĂa igual a: 3 đ??žđ?&#x2018;&#x201D; đ?&#x2018;&#x161;Ě&#x2021; = 6.67 đ?&#x2018;Ľ 10â&#x2C6;&#x2019;4 đ?&#x2018;&#x161; â &#x201E;đ?&#x2018; 1229.5 â &#x201E;đ?&#x2018;&#x161;3

đ?&#x2018;&#x161;Ě&#x2021; = 0.82

EcuaciĂłn 15.

đ??žđ?&#x2018;&#x201D;â &#x201E; đ?&#x2018;

Estos datos se utilizan para realizar los cĂĄlculos en el modelo matemĂĄtico desarrollado en MatLab, donde, utilizando la herramienta Simulink se elaborĂł el sistema que se muestra en la figura 74. Este sistema representa el modelo para el llenado de tanques en serie. La figura 75 muestra una simulaciĂłn de respuesta conforme a los datos ingresados, donde se observa el tiempo de llenado para los tanques, dependiendo de las variables que se ingresan, estas son, el radio del orificio de la vĂĄlvula de entrada "r0 ", el radio del tanque "rt ", gravedad, y las respectivas ecuaciones como se muestra a continuaciĂłn de la figura 74:

Figura 74. Modelo de llenado de tanques en serie

Fuente:Autores

r0=0.009525; rt=0.018; g=9.81; q0=6.7e-4; qmax=8.16e-4; k0=q0/(pi*(rt^2)); k=((r0/rt)^2)*sqrt(2*g);

Figura 75. Respuesta del modelo de llenado de tanques

Fuente: Autores.

Este tiempo de respuesta muestra que bastan 7 segundos para que cuando se empiece a recircular el líquido a través de los tanques se pueda obtener la misma altura en los dos y esto se utiliza para controlar el nivel del tanque a través de tiempos de llenado “delays”. Se compara con el realizado de manera práctica, obteniendo tiempos similares con errores de máximo 0.9 segundos. 15. INTERFAZ GRÁFICA Se explica el desarrollo realizado para la creación de un servidor web que en este caso es la interfaz gráfica del proyecto, en este se manipula la información correspondiente al proceso de deshidratación osmótica como también el monitoreo del mismo proceso. 15.1 Uso de la BeagleBone Black Conociendo el dispositivo utilizado (BBB), se procedió a crear un servicio de servidor web para controlar la planta de osmodeshidratación, el cual, por medio de protocolos de lenguaje Shell-Scripts, PHP, HTML, C++, entre otros, permite acceder a las funciones de la BeagleBone Black, dándole forma al centro de análisis y procesos del osmodeshidratador.

Ciertos aspectos a tener en cuenta a la hora de usar la BBB como servidor web es que para poder dar uso de la IP generada, hay que realizar una serie de pasos para programarla adecuadamente, acceder a las clases del sistema y comprobar por medio de comandos su funcionamiento antes de proceder a crear los scripts de monitoreo y control. 15.1.1 Procedimiento para crear el servidor web Es necesario poseer los drivers precisos para poder conectar la BBB, entre estos se utiliza el programa PuTTY, el cual es un emulador de la terminal de símbolo del sistema o ventana de comandos, como se le conoce generalmente a la ventada de comandos basados en Windows NT (CMD) y de software libre, que también toma parte de las tareas para la comunicación serial desde el ordenador a la BBB, y aplicación para la red de transferencia de datos (Cliente SSH “protocolo de red de seguridad”, TCP “protocolo de control de transmisión”, entre otros). Para conectar el programa con la Board, se debe conocer el puerto COM y la velocidad de transferencia de datos en baudios correspondiente para poder enlazarla. Los puertos COM o más conocidos como puertos en serie, son la interfaz de comunicaciones de datos digitales, para transmitir información desde un computados hacia los periféricos que estén conectados a este, y la velocidad de comunicación medida en baudios sí depende de cada elemento en específico. Teniendo esta información se procede a cambiar el tipo de conexión a “Serial”, establecer el COM<x> en “Serial Line”, donde <x> es el número de puerto obtenido del administrador de dispositivos, se coloca la velocidad de transmisión a 115200 y se abre, como lo muestra la figura 76.

Figura 76. Interfaz de conexión y configuración (primera ventana) PuTTY.

Fuente: Autores.

Luego aparece la ventana terminal con el Angström funcionando, y se accede al root, tal como lo muestra la figura 77. Figura 77. Ventana terminal de PuTTY conectada a la BeagleBone Black

Fuente: Autores.

Para conectarla a internet es necesario conocer la IP que está generada al acceder a la red local, lo cual se obtiene del comando “Ifconfig –a” como se muestra en la figura 78, ya con esto se procede a configurar el servidor web.

100

Figura 78. Obtención de la IP en la BBB

Fuente: Autores

15.2 Configuración del servidor web Se utilizó la tarjeta BeagleBone Black como servidor web con el propósito de monitorear, controlar y programar las rutinas deseadas a realizar en el equipo de osmodeshidratación de alimentos, para lograrlo se hace necesario valerse de herramientas de lighttpd para usarlo como servidor web, php el cual manejará e integrará la lógica requerida, MYSQL para crear una base de datos donde se guarda la información que las RTD Pt100 han obtenido, C para establecer la conexión con las clases del sistema GPIO (Entrada/Salida de Propósito General), y ajustes visuales de la mano de HTML, CSS, Javascript, entre otros, siendo todos software abiertos. En este caso, el servidor web fue desarrollado a nivel local, es decir que el acceso al mismo solo se puede obtener mediante los dispositivos que se encuentren conectados a la misma red, no por elementos externos a esta.

101

15.3 Instalación del lighttpd Antes de instalar cualquiera de los programas anteriormente mencionados es pertinente actualizar el opkg (paquete de gestión de información ligero, es el administrador de programas y descargas para la BeagleBone Black, en este se almacenan los programas que necesitan ejecutarse para cada proceso), esto se hace en la ventana Terminal del PuTTY digitando el siguiente comando:  opkg update, luego se procede a instalar el servicio Lighttpd con la instrucción “ -Opkg install lighttpd lighttpd-module-fastcgi” Si falla la instalación de este, puede ser por que el puerto 80 (el default del HTTP) es usado por varios servicios precargados para su fácil funcionamiento al momento de empezar a utilizarla. Debido a esto es muy importante desactivar estos servicios que la BBB tiene para su funcionamiento, liberando el puerto 80 el cual se usa para situar el servidor web, también con el fin de liberar espacio en la memoria de la Board. Estos servicios se desactivan con las siguientes instrucciones, tal como se muestra en la figura 79.       

systemctl disable gateone.service systemctl disable bonescript.service systemctl disable bonescript.socket systemctl disable bonescript-autorun.service systemctl disable avahi-daemon.service systemctl disable gdm.service systemctl disable mpd.service

Figura 79. Ventana terminal de desactivación de servicios para habilitar el puerto 80.

Fuente: Autores.

102

Habiendo deshabilitado los servicios se reinicia la BBB para que los procesos no inicialicen, esto se realiza digitando el comando “shutdown –r now”. Luego se comprueba que todo haya funcionado correctamente accediendo a la IP de la BBB, mostrando ahora una página casi completamente en blanco excepto por el mensaje que se observa en figura 80 y no la página web que contiene la beagle101, figura 81, la cual se encuentra precargada por el sistema. Figura 80. IP de funcionamiento de la BeagleBone Black

Fuente: Autores

Figura 81. Beagle101

Fuente: beagleboard.org. beagleboard.org. What is http://beagleboard.org/BLACK. [Consulta: Agosto 14, 2014.]

103

BeagleBone

Black?

[En

línea]

2014.

Lo próximo a instalar es el servicio PHP y configurarlo para poder usarlo con Lighttpd, lo cual se realiza de la siguiente manera:  Instalar: opkg install php php-cgi php-cli  Ahora, para poderlos enlazar es necesario editar el archivo de configuración “lighttpd.conf” ya que se encuentra inhabilitado y mal enrutado de manera predeterminada. Este se encuentra donde fue instalada la raíz PHP-CGI, se digita el comando “which php-cgi” el cual arroja la posición en “etc”, para abrirlo se utiliza la herramienta VI de Linux (Herramienta para buscar y acceder a archivos y carpetas en la terminal de Linux) digitando “vi /etc/lighttpd.conf” En este paso es necesario realizar dos procedimientos, primero se debe habilitar el comando “mod_fastcgi” el cual se encuentra en la línea 24 del archivo como muestra la figura 82. Figura 82. Archivo lighttpd.conf en ventana terminal, resaltada en línea 24

Fuente: Autores.

Ahora, se procede a habilitar la configuración del “fastcgi” donde también se modifica el “bin-path” para así reemplazar la localización del archivo “php-cgi” que se buscó anteriormente en la ruta “/usr/bin/php-cgi” como lo muestra la figura 83.

104

Figura 83. Ventana terminal PuTTY edición de la ruta “bin-path” del módulo fastcgi

Fuente: Autores

Para terminar la configuración se debe reiniciar el servicio Lighttpd para que la nueva configuración se pueda iniciar, digitando “/etc/init.d/lighttpd restart”.

15.4 Creación del servidor web e Instalación del MySQL MySQL es un sistema de base de datos operacional, a la fecha es uno de los software más importantes en estado libre para este propósito, con amplias aplicaciones e importante funcionalidad. En este proyecto MySQL fue destinado para almacenar los datos que los RTD Pt100 obtienen, rutinas de osmodeshidratado de las cuales posteriormente se pueden tomar los datos para generar informes e historial de lo realizado con el deshidratador osmótico. Igual que en cada proceso de instalación mencionado anteriormente, se actualiza la BeagleBone Black. MySQL ya posee un paquete almacenado en la opkg lo cual facilita el proceso, de este modo, se instala “opkg install mysql5”.

105

Luego de realizar este procedimiento se redirecciona por medio del comando “vi/etc/init.d/mysqld”, esto se hace porque se producen problemas cuando se da el primer uso y para repararlos se accede a él y se comenta la tercera línea de código pertinente a /etc/default/rc5 y por último reiniciar. Para obtener la instalación de manera correcta se procede a separar ciertas rutas que se encuentran en conflicto con MySQL con el comando “rm /etc/rc*/mysqld” como se muestra en la figura 84. Figura 84. Directorios a remover provenientes del MySQL.

Fuente: Autores

En las líneas de servicios de MySQL se creó un nuevo documento de configuración. En la ruta “vi /lib/systemd/system/mysql.service” se encuentra con el siguiente contenido: [Unit] Description=MySQL database server After=syslog.target After=network.target [Service] ExecStart=/usr/bin/mysqld_safe ExecStop=/bin/kill -15 $MAINPID PIDFile=/var/lib/mysql/mysql.pid Restart=always [Install] WantedBy=multi-user.target Todo esto se realiza con el propósito de iniciar desde el principio el servicio de la base de datos junto con el sistema operativo de la BeagleBone Black. 106

Por último se inicializa y verifica el estado del servicio escribiendo en la ventana de comandos lo siguiente:  systemctl enable mysql.service. Instrucción que habilita el servicio.  systemctl start mysql.service. Instrucción que inicia el servicio.  systemctl status mysql.service. Instrucción que verifica el estado del servicio. Obteniendo así la verificación del estado del servicio, como se observa en la figura 85. Figura 85. Verificación del estado para el servicio de la base de datos MySQL.

Fuente: Autores.

La configuración de las librerías se genera mediante programación en lenguaje C. Como primera medida se instalan por medio de “opkg install libmysqlclient-dev” y luego se crea un script de prueba para corroborar el procedimiento, de la siguiente manera: //Test del cliente #include <mysql.h> #include <stdio.h> 107

int main(void) { printf(“MySQL client version: %s\n”, mysql_get_client_info()); return 0; } Para depurarlo en la consola se escribe  g++ test.cpp -o test -I/usr/include/mysql –lmysqlclient ./test

15.5 Creación de la página en HTML y comunicación PHP, Programación y lógica en lenguaje en C Para la creación de la página se utilizaron lenguajes como Javascript, PHP, HTML, estilos CSS, entre otros. Esto se realizó para mantener todo el proceso en funcionamiento. El lenguaje PHP se utilizó para generar los controles en general, botones, inserción de imágenes e hipervínculos que la página contiene unido con los estilos CSS los cuales son asignados por medio de contenedores o DIV’S que mediante sus IDs (Son clases que sirven para identificar una etiqueta y, de ese modo, resulta más sencillo agregar propiedades) son sencillamente enrutados y destinados a realizar ciertas acciones como cambios de colores, headers (encabezados de la página) y poco más de la parte estética de la página. Lo que genera más importancia en este fragmento es la conexión PHP. De esta manera, con PHP se hace la conexión entre el servidor web y el código lógico de desarrollo en lenguaje C, desde el cual se lleva a cabo el control de los procedimientos, se accede a las rutas de control de la BeagleBone Black para tomar datos, usar sus puertos y accionar los periféricos. La conexión se logra ejecutando programas de lógica en lenguaje C desde la web indicando el enrutado correcto, seleccionando las variables deseadas e ingresadas por el usuario y concadenándolas en series de caracteres que el programa pueda procesar. Un ejemplo de la página creada en HTML se puede 108

observar en las figuras 86 y 87. Las figuras 88 a 90 muestran el acceso a la página web desde dispositivos móviles, dando por evidenciado que el equipo se puede operar desde cualquier dispositivo móvil que esté conectado a la red a la cual se encuentre conectado el deshidratador osmótico. Figura 86. HTML de la página principal para el equipo de deshidratación osmótica.

Fuente: Autores

109

Figura 87. HTML de la p谩gina principal 2do Slider

Fuente: Autores. Figura 88. Acceso a la IP (secci贸n accionamientos independientes) de la BBB mediante Iphone

Fuente: Autores

110

Figura 89. Ingreso a la secci贸n de rutinas de deshidratado desde tablet con sistema Android

Fuente: Autores Figura 90. Ingreso a la secci贸n de programaci贸n de rutinas del osmodeshidratador desde Tablet con sistema Android

Fuente: Autores

111

15.6 Creación de base de datos para almacenar y graficar la temperatura obtenida. Para el desarrollo de la base de datos, se deben crear dos elementos. El primero de estos es un archivo con extensión cpp, el cual será el contenedor de los algoritmos en lenguaje C++ y con el que es posible obtener los datos enviados por los sensores. Igualmente, en este archivo con extensión cpp se crean las tablas que almacenan los datos obtenidos por los sensores por medio de Querys (El cual sirve para consultar datos en tablas) enviados en lenguaje SQL. Los Querys son consultas que mantienen la estructura del lenguaje SQL para que puedan ser interpretadas por él mismo y así generar los elementos necesarios para su uso. Por último se crea una página en HTML que lea los datos obtenidos por el sensor, almacenados previamente en las tablas de la base de datos, luego se grafican por medio del uso de la herramienta visualizadora de Google Google API la cual se encuentra enrutada previamente con el nombre de la librería jsap. Esta herramienta es muy potente y útil para el caso de este proyecto ya que facilita el esquematizado de los datos por medio de gráficas. 15.6.1 Generación de informes Haciendo uso de la herramienta MySQL como el gestor para la base de datos de este proyecto se crea una tabla completamente independiente de las disponibles para almacenar los datos obtenidos por los RTD Pt100. En esta tabla se guarda cada parte del proceso, el tiempo de ejecución, y la fecha del mismo. Cada proceso contiene un ID el cual es la clave primaria de la tabla principal que guardará un historial de los procesos hechos de manera general de la máquina. Dado el ejemplo que en un día se hicieran 4 procesos de osmodeshidratación de diferentes frutas, esta tabla contendrá cada uno de esos procesos con su respectivo ID, de esta manera es posible llevar el record de uso y del mismo modo planear el futuro mantenimiento de la planta piloto. Las tablas a crear se encuentran distribuidas de la siguiente manera. Tal como se muestra en la tabla 2 y 3. Tabla 2. Tabla de procesos generada por MySQL.

Id Proceso 01 02 03

NOMBRE DEL PROCESO Osmodeshidratación de Fresas. Osmodeshidratación de Banano. Osmodeshidratación de Papaya.

FECHA DE USO 01-02-2014 01-03-2014 05-04-2014

Fuente: Autores

La tabla 2 muestra los procesos llevados a cabo en el osmodeshidratador con la respectiva fecha, además se guarda el respectivo ID. 112

La tabla 3 muestra los tiempos que se llevan a cabo en cada subproceso del proceso general de osmodeshidratación. Tabla 3. Tabla de secuencias del osmodeshidratador generada en MySQL

ID Proceso

Tiempo Vacío (hh:mm) 0:30 0:20 0:25

01 02 03

Tiempo Recirculación (hh:mm) 1:10 1:00 0:40

Tiempo agitado (hh:mm) 0:15 0:10 0:35

Temperatura del líquido (ºC)

Observaciones

60 55 60

/// /// ///

Fuente: Autores

La ID del proceso es la clave primaria de la cual está unida la tabla especifica del proceso, esta misma columna está agregada en las diferentes tablas que influyen en la misma base de datos, determinándolas como claves foráneas, lo cual sirve como datos esclavos que crea una dependencia necesaria para que se encuentren relacionadas, tanto los procesos generales como el uso de sus elementos separados. La mayoría de estos valores se toman directamente de la selección del proceso proporcionada por el operario, por ejemplo de la información suministrada si desea hacer el ciclo completo de deshidratación, y por último, el campo de las observaciones es una entrada de texto multilinea asignada desde la página donde el operario puede anexar información correspondiente al proceso realizado. El lenguaje MySQL utilizado para la creación de tablas es el que se muestra a continuación: USE ODHDataBase -- -- Se llama la base de datos que contiene el sistema entero GO CREATE TABLE Procesos (

INT(10) NOT NULL Primay Key,

NombreProceso Fecha

VARCHAR(50) NOT NULL,

VARCHAR(30) NOT NULL

)

CREATE TABLE Secuencias ( ID int NOT NULL FOREIGN KEY REFERENCES Procesos(ID), 113

TiempoVacio INT(5) NOT NULL, TiempoRecir INT(5) NOT NULL, TiempoAgitado INT(5) NOT NULL, Temperatura INT(5) NOT NULL, Observaciones VARCHAR(50)) 16. CONTROL En esta sección se describe la manera con la cual se realizó el control en las resistencias eléctricas de inmersión, logrando de esta manera mantener estable la temperatura de la solución osmótica. De la misma manera se realiza para el control de velocidad del motor de la bomba de recirculación de solución osmótica. Para ello se implementó un controlador desarrollado con lógica difusa, a continuación se describe lo que es y el desarrollo llevado a cabo para cierta parte de la automatización del equipo osmodeshidratador. 16.1 Lógica Difusa La lógica difusa, en palabras de Apache Software Foundation 66, “es un método utilizado en sistemas de control alternativo diferente a los métodos clásicos usados para estabilizar sistemas, esta pretende introducir un grado de vaguedad en las cosas que evalúa, en este mundo en el que vivimos existe mucho conocimiento ambiguo e impreciso por naturaleza. El razonamiento humano con frecuencia actúa con este tipo de información. La lógica difusa fue diseñada precisamente para imitar el comportamiento del ser humano”. Para poder dar uso a esta metodología de control es necesario un experto que conozca el comportamiento adecuado que debe tener el sistema, haciendo posible de esta manera generar los parámetros de control sobre los cuales va a actuar el equipo osmodeshidratador. Se aplica lógica difusa para controlar la velocidad de respuesta con la que se calentará la solución osmótica mediante las resistencias eléctricas de inmersión, donde la retroalimentación son las termocuplas RTD Pt100, que fueron estratégicamente distribuidas para obtener un promedio de la temperatura y un dato más exacto de la misma. 66

Apache Software Foundation. Simulación control difuso en MATLAB - Apéndice C. Apache Software Foundation. [En línea] 2012. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lmt/maza_c_ac/apendiceC.pdf. [Consulta: 15 de Febrero de 2015.]

114

Con ayuda de la herramienta fuzzy que posee MatLab es posible crear la lógica del programa. En primer lugar, en la interfaz se definen cuáles serán las entradas, la planta y las salidas que intervienen en el proceso, como se muestra en la figura 91. Figura 91. Entradas, planta y salidas programadas en FuzzyLogic.

Fuente: Autores.

Teniendo esta información se procede a definir los conjuntos de entrada y salida en la ventana editor, donde se selecciona el tipo y número de conjuntos, en este caso se escogen 3 conjuntos de entrada para los sensores de RTD Pt100 donde se definen los niveles de temperatura a los cuales actuarán, como se muestra en la figura 92. Figura 92. Conjuntos de entrada para los RTD Pt100

Fuente: Autores.

115

Igualmente se definen los conjuntos para el grupo de salida, nuevamente, para efectuar la decisión que se tomará con respecto a las entradas del sistema, obsérvese figura 93 . Estos criterios de decisión se reflejan en los actuadores, es decir que ellos responderán a la superficie de control dependiendo directamente de las reglas definidas, las cuales determinan el comportamiento del controlador para cada una de las situaciones en proceso. Figura 93. Conjuntos de salida para llevar a cabo el control.

Fuente: Autores.

Dependiendo de la cantidad de entradas y salidas previamente definidas se crean las reglas de decisión del controlador, estas son generadas en el editor de reglas donde se condiciona el sistema y se asigna a cada entrada que reciben los sensores una respuesta o salida correspondiente, tal como se muestra en la figura 94.

116

Figura 94. Reglas de decisión según señal de los RTD Pt100.

Fuente: Autores.

Luego de obtener estas respuestas se puede observar el resultado de la superficie de decisión que se obtiene de las reglas previamente definidas. De esta manera es como responderá el controlador, actuando para un máximo calentamiento cuando el sistema no es lo suficientemente caliente, hasta un mínimo de respuesta suficiente para llegar a la temperatura deseada. La figura 95 muestra el criterio para la decisión de la respuesta hacia el controlador, posteriormente esta señal se envía a la BeagleBone Black y de ella hacia la tarjeta electrónica de potencia con la cual se manejará el ángulo de disparo del Triac. Figura 95.Superficie de decisión.

Fuente: Autores.

117

Próximo a esto se da uso del comando READFIS integrado en MatLab para leer el sistema de inferencia difuso del archivo creado trayendo el resultado de decisión (figura 96) en el workspace. Con cierta táctica se procede a crear un arreglo de valores los cuales determinarán el comportamiento de calentamiento del líquido osmótico por medio de las resistencias eléctricas de inmersión, creado por el siguiente comando: %CREACION DE TABLA DE RESPUESTA Y DECISION %% SUMOSFISD = readfis('OSMODESHIDRATADOR') TERMOCUPLAS=20:5:80; LS1= length(TERMOCUPLAS); TABLAFUZZYD=zeros(LS1); for i=1:LS1 TABLAFUZZYD(i,j) = evalfis([sensor1(i)], SUMOSFISD); end

OSMOFIS SUMOSFISD = -name: 'OSMODESHIDRATADOR' -type: 'mamdani' -andMethod: 'min' -orMethod: 'max' -defuzzMethod: 'centroid' -impMethod: 'min' -aggMethod: 'max' -input: [1x1 struct] -output: [1x1 struct] - rule: [1x3 struct] >> TABLAFUZZYD

TABLAFUZZYD = Columns 15 through 20 0 0 0 0

0 0 0 0

0.8218 0.8392 0.8541 0.8651 118

0 0 0 0 0 0 0 0 0

0.8700 0.7046 0.6254 0.5733 0.5302 0.5000 0.4698 0.4267 0.3746

Finalmente este arreglo es el que se anexa a la programación de la BeagleBone Black, tomando la tabla difusa que se generó en Matlab, es recorrida por un arreglo de datos, y estos serán los valores que tomará el PWM y de esta manera acercarse a la temperatura necesaria, por último esta enviará los datos a la tarjeta electrónica de potencia controlando el ángulo de disparo del triac y por ende el voltaje aplicado a las resistencias eléctricas de inmersión. Los demás procesos de control fueron programados en la BeagleBone Black mediante rutinas y/o ciclos de trabajo con el uso de delays o tiempos de ejecución y/o retardos haciendo que la máquina funcione de manera adecuada conforme el proceso de osmodeshidratación lo requiere.

16.2 Funcionamiento del deshidratador osmótico A continuación se muestra por medio de un diagrama de flujo los procesos que se realizan para lograr el funcionamiento básico del deshidratador osmótico a nivel de planta piloto. En este diagrama se muestran los pasos que deben seguirse para el proceso de deshidratación por medio de ósmosis utilizando el equipo. Diagrama de flujo de funcionamiento básico de la máquina INICIO

Ingreso de componentes (Llenado de tanques) Ingreso de variables requeridas por el usuario 119 1

TEMPERATURA = X TIEMPOFLUJO = Y TIEMPOAGITADO = Z TIEMPO VACIO = W LIMITE DE VACIO=PT CANTIDAD CICLOS=G

Esperar hasta setear variables

inicio?

Encender las resistencias

Aumentar la temperatura

TEMPERATURA TI= X ?

Mantener la TEMPERATURA Abrir electrovรกlvulas tanque 1a, 2a/tanque 2 120 2

Encender bomba recirculación mientras TIEMPOFLUJO != Y Revisar TEMPERATURA tanque 1

TEMPERATURA en tanque superior = X?

Aumentar la temperatura mientras temperatura en tanque superior != X

Iniciar agitación, encender motor agitación

Esperar X tiempo entre agitación y vacío

Apagar bomba de recirculación, cerrar electroválvulas

Iniciar bomba vacío

TIEMPO VACIO = W ?

SI 121 3

Abrir electrov谩lvula de escape en intervalos

Apagar BOMBA VACIO Apagar motor de agitaci贸n

Encender bomba recirculaci贸n X TIEMPO Apagar bomba de recirculaci贸n

Apagar sistema

CICLIOS= CICLOS-1

CICLOS = 0?

Repetir proceso desde calentamiento de resistencias

FIN

122

17. MANUAL RÁPIDO PARA EL USO DEL DESHIDRATADOR OSMÓTICO Como toda máquina o elemento que se construye para el uso por parte de las personas contiene su propio manual de operación, así mismo este osmodeshidratador de alimentos lo contiene. Antes de utilizar el deshidratador osmótico a nivel de planta piloto de Uniagraria se debe seguir ciertos pasos y así mismo tomar las siguientes precauciones para el óptimo uso de la maquina:  Precauciones -Asegúrese de llenar el tanque inferior de la planta piloto con la solución osmótica suficiente para el proceso a realizar, el tanque tiene que contener siempre como mínimo una altura media del mismo, es decir, al nivel al que se encuentran las resistencias Pt100. Esto se menciona porque es una manera segura para mantener sumergidas las resistencias eléctricas de inmersión, de no ser así, estas pueden explotar al ser conectadas a la corriente eléctrica y producir daños graves en la máquina como también accidentes riesgosos. -Revise los escapes de la planta, los sellos retenedores de líquido u otros orificios por los cuales pueda escaparse la presión o el líquido osmótico y asegúrese de que se encuentren en buen estado ya que si no es así se puede generar conflicto en el momento de operación del osmodeshidratador y no se obtendrán los resultados deseados.  Preparación del deshidratador osmótico -Conecte y energice el tablero de circuitos eléctricos del deshidratador osmótico con 110-120 VAC, esto comprende breakers, guardamotores, contactores, tarjetas electrónicas de potencia, entre otros. - Active los breakers del tablero eléctrico, como también el guardamotor y cerciórese que el botón de paro de emergencia no se encuentra oprimido. - Cerciórese que la BeagleBone Black se encuentre conectada a la red de Ethernet mediante un cable con conector RJ45.

123

-Energice la BeagleBone Black (BBB) con una fuente de 5VDC y espere alrededor de 2 minutos, tiempo el cual es necesario para que la BBB prepare todos los sistemas y haga enlace con la red para poder dar uso al servidor web. Luego de que ya este iniciada la BBB conecte el computador o dispositivo móvil a la misma red de la cual se encuentra conectada la BBB, y digite la siguiente url: 192.168.0.18 Esta dirección es la que permite el acceso al servidor web que reside en la BeagleBone Black - Antes de seleccionar un proceso precargado de osmodeshidratación, seleccione la sección de “prueba”, donde se puede probar independientemente o en conjunto todos los actuadores que comprende la planta piloto, pruébelos uno a uno para verificar su correcto funcionamiento. En una sección se pueden encontrar diferentes velocidades tanto para la recirculación de solución osmótica como para la velocidad de calentamiento, y esta se puede verificar en la gráfica de temperatura. Por otra parte, se puede encontrar los actuadores tipo on/off, como son las electroválvulas y los motores, como la bomba de vacío o el sistema de agitación. Después de comprobar que todos los componentes funcionan adecuadamente se dice que está listo para osmodeshidratar el producto de su preferencia, por lo cual, si ya tiene lleno el tanque inferior de solución osmótica como se recomendó en las precauciones, ahora se procede a llenar las canastillas con la fruta o vegetal deseado, previamente preparado para ser tratado. Con estas tareas realizadas se procede a ingresar al servidor web y luego diríjase a la sección de rutinas. En esta sección se encontrarán rutinas precargadas de osmodeshidratación, seleccione la que más le convenga dependiendo de su preferencia o la que sea más adecuada para el producto que está por tratar, si ninguna de las rutinas precargadas resulta útil, entonces: Diríjase a la opción de secuencias, donde puede escoger con libertad cómo desea que el proceso de osmodeshidratación sea llevado a cabo, en el orden que considere conveniente, obviamente sujeto a ciertas reglas previas (como no recircular solución osmótica y aplicar vacío al mismo tiempo), tiempos exagerados de funcionamiento u operación (ya que puede crear conflictos o daños futuros). 124

Luego de tener la fruta o alimentos en el interior de las canastillas y que estas se encuentren ubicadas en el interior del tanque proceda a ubicar la tapa y asegúrese de ajustarla al mismo, haciendo uso de los cierres de palanca. Ajuste la correa con las poleas provistas para la agitación y realice la tensión del motor haciendo uso del tornillo bristol suministrado en la misma base del motorreductor.

Luego de definir las secuencia o escoger la rutina pertinente presione iniciar, y por último el servidor web le informará cuándo el proceso se ha culminado con éxito.

125

CONCLUSIONES

Se efectuó la caracterización del equipo original en el momento de tomar el proyecto, llevando a cabo un análisis con el cual fue posible conocer el estado en el que se encontraba cada uno de los elementos que hacían parte del equipo y de esta manera saber cuáles podían ser utilizados nuevamente y distinguir aquellos que requerían ajustes para su óptimo funcionamiento. Dentro del conjunto de elementos y dispositivos que conformaban este equipo se utilizó el 80% de los actuadores, a este porcentaje se le realizó mantenimiento preventivo y correctivo al 50%, donde se incluye la bomba de recirculación y la bomba de aire. Para llevar a cabo la selección de cada dispositivo utilizado se verificaron las características de funcionamiento y forma de operación. Al momento de escoger los elementos se tuvo en cuenta el costo, su facilidad de implementación, operatividad, precisión y que estuviesen en la capacidad de cumplir con los requisitos mínimos que demandaba la automatización del equipo. Se reestructuró y adecuó el equipo de manera que fuese posible reconstruir diferentes secciones sin tener que reemplazar la estructura principal en su totalidad y que de esta manera se adaptara al requerimiento propuesto de automatización dándole así mismo una mayor maniobrabilidad y facilidad de uso al equipo. Se realizó un modelado en CAD del deshidratador osmótico, como se puede evidenciar en la sección 12.6, figuras 54 y 55 , de manera que se identificaran los elementos y partes que pudieran o necesitaran ser reconstruidas y adicionadas al equipo para que este pudiera funcionar con mayor facilidad, practicidad y desempeño. Se logró realizar la reconstrucción de diferentes partes del equipo, tales como, la tapa del tanque superior en su totalidad, elementos de transmisión de movimiento para la agitación y el sistema de cierre de la tapa superior, avidenciados en la sección 12. Además de esto, se realizó la construcción de los brazos de apoyo y movimiento de la tapa superior y de los componentes para la instalación de sensores y actuadores como tubos y racores. Este proceso contó con la ayuda y colaboración de un experto en fabricación de elementos mecánicos, haciendo que el resultado fuera adecuado y funcionaran de manera correcta para el proceso de deshidratación de alimentos requerido. 126

Se diseñó y construyó un circuito electrónico de potencia el cual funciona y es controlado por la BeagleBone Black (dispositivo de control seleccionado para la automatización de la máquina). En cuanto a la sección eléctrica y de instrumentación implementada se obtuvieron resultados bastante favorables evidenciados en el correcto funcionamiento de los elementos que comprende el deshidratador osmótico. Las electroválvulas, sensores de temperatura, resistencias eléctricas, contactores, guardamotores y breakers se escogieron cuidadosamente y con criterios técnicos los cuales se adaptaron a la tarea que deberían realizar, estos no generaron conflicto alguno o daños en los circuitos eléctricos y electrónicos, además brindan la seguridad que requieren los actuadores utilizados en el equipo. Se logró cumplir a cabalidad con los aspectos deseados para el uso de la planta piloto de deshidratación osmótica desde un servidor web. Se cumplió con la creación del GUI (interfaz gráfica del usuario). Con este método se abarcaron los factores más importantes en cuanto a la portabilidad gracias al desarrollo de un servidor web del cual se puede obtener acceso desde cualquier computador o dispositivo móvil que se encuentre conectado a la misma red local que posea el deshidratador osmótico, de esta manera haciéndolo flexible a diferentes sistemas operativos y sin presentar la necesidad de instalar drivers o aplicativos extras en los equipos que deseen manejar o monitorear futuramente el equipo. Se creó una web fácil de usar y de entender, de interacción rápida y precisa, permitiendo utilizar cada elemento y proceso por separado (bomba de recirculación, bomba de aire y motor de agitación, bomba de vacío, etc.) como también la utilización conjunta de los mismos elementos o procesos por medio de programación y control. La BeagleBone Black aportó una gran ayuda para poder procesar la información arrojada por los sensores y determinar las acciones de control correctas sobre cada actuador debido a su velocidad y capacidad de procesamiento de información, precisión de cálculos y ejecución de tareas, que comparada con otros sistemas embebidos conocidos en nuestra formación de pregrado y desarrollo del proyecto demuestra una superioridad en procesamiento de información, análisis de datos, costo y flexibilidad. Con la implementación de los sistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos, de instrumentación, software y control se cumplió con el mayor objetivo de este proyecto, el cual era la automatización del deshidratador osmótico a nivel de planta piloto de Uniagraria de manera exitosa y satisfactoria. 127

TRABAJOS FUTUROS

Cabe resaltar que existen aspectos que se pueden corregir y mejorar, tales como, un sistema más seguro para el manejo del tanque superior y el contenido de la tapa, un mejor diseño para el sistema de agitación, implementación de otras soluciones en instrumentación donde se incluyan sensores de nivel y presión con sistemas efectivos para la adquisición y transmisión de datos, implementación de caudalímetros y sensores de presión que puedan servir para el control de la bomba de recirculación, realización de mantenimientos preventivos y correctivos a los elementos y dispositivos que hacen parte del deshidratador osmótico, inclusión de funciones extras al servidor web para un mayor aprovechamiento del equipo por parte de los ingenieros u operarios futuros.

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ANEXOS Anexo A: Planos de las partes reconstruidas en el deshidratador osm贸tico. Tapa del tanque superior

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Brazos de sujeci贸n de la tapa

Brazo de apoyo y dezplazamiento horizontal

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Brazos de sujeci贸n y moviemiento de la tapa

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Bases para los rodamientos y polea conducida.

Cubiertas para las bases de poleas

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