(a) automatizacion de planta piloto para la produccion de cerveza tipo artesanal 1229
DESCRIPTION
automatización ´plantacervezaTRANSCRIPT
-
Medina et al. (2015) 30
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
Automatizacin de Planta Piloto para la Produccin de Cerveza Tipo Artesanal
Sergio A. MEDINA, Didier G. LOAIZA, Ivn D. MORA, Margarita RAMREZ
Universidad Pontificia Bolivariana, Circular 1 #70-01, B11, Medelln Colombia
loaiza26 gmail.com
Resumen: Se describe brevemente como se realiz el diseo y construccin del gabinete de control con el cual se
realiza la automatizacin de la planta piloto para produccin de cerveza tipo artesanal para el grupo CIBIOT, adems
se presenta informacin sobre otros temas involucrados tratados a fondo en el trabajo de grado. Copyright 2015
UPB
Palabras clave: Cerveza, PLC, control, automtico, temperatura, SCADA, actuador, RTD, PID.
Abstract: this article briefly describes how is made the design and the construction of the control cabinet, with which
the automation of the pilot plant for the production of artisanal beer is realized, for the CIBIOT group also is presented
additional information related with the topic and treated deeply in the thesis.
Keywords: Beer, PLC control, automatic, temperature, SCADA, actuator, RTD, PID.
UPB_autoArt 2013-07-19, s 2014-05-18
-
Medina et al. (2015) 31
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
1. INTRODUCCIN
A lo largo de la historia de la humanidad la cerveza siempre ha
sido una de las bebidas ms antiguas y populares de todos los
tiempos, en un principio se realizaba de forma artesanal o emprica
pero con el surgimiento de las fbricas y el auge industrial, se
empezaron a producir en grandes cantidades.
La cerveza artesanal fue desapareciendo con el tiempo sin embargo
se retom hace pocos aos, cuando las personas empezaron a
buscar nuevos sabores, ms concentrados, ms frescos y con un
toque innovador, es as como surgieron algunas empresas
dedicadas a la cerveza artesanal en Colombia, sin embargo todava
son muy escasas. Este proyecto busca promover la produccin de
este tipo de cerveza creando nuevas frmulas e ideas a partir de la
creacin de una mquina semi-automtica para este fin con la cual
se pueda controlar gran parte del proceso.
El desarrollo del proyecto busca realizar la implementacin,
automatizacin y estudio elctrico completo de la planta piloto con
el fin de que la fabricacin de esta bebida sea ms amigable y fcil
para el operario En este artculo se expone como fue la consecucin
del proyecto, tratando temas como conceptos bsicos sobre la
produccin de cerveza, el funcionamiento de la planta, el diseo y
construccin del gabinete, la implementacin del modelo
matemtico y posteriormente informacin sobre la programacin
del dispositivo lgico programable as como un sistema SCADA
para controlar el proceso mediante un computador.
2. ESTADO DEL ARTE
La cerveza artesanal es desarrollada en fbricas pequeas con baja
produccin elaboradas a solicitud de los usuarios. Este es un
mercado en crecimiento en Colombia especialmente en Bogot
(Beer Company - BBC, Palos de Moguer, Beer Station, The Pub) y
Medelln (Tres cordilleras, Apstol).
Debido a la buena acogida que han estado teniendo este tipo de
cervezas, ya se han desarrollado unas cuantas mquinas para
produccin de cerveza tipo artesanal, algunas de estas casi
completamente automatizadas y otras muy rudimentarias solo para
uso personal. Existen algunas como la HERMES 2.0 de
Blackheartbrewery de Nueva York, Estados Unidos, la cual utiliza 4 bombas y varias vlvulas para realizar los procesos con 3
tanques de acero inoxidable, adems utiliza un micro controlador
especializado para monitorear cada uno de los procesos y llevar
control sobre cada uno de estos en un tablero junto con un display.
Se han desarrollados otras mquinas de menor capacidad en las
cuales el proceso de realiza con malta lquida o malta tratada anteriormente, esto agiliza el proceso y no se necesita de un filtrado
exhaustivo haciendo que el proceso se puede realizar en un solo
tanque, mquinas como estas son por ejemplo: la Mr. Beer y la Beer
Machine.
Finalmente, otro de los equipos ms avanzados es The
WilliamsWarn Personal Brewery de Australia, la cual cuenta con
un sistema en acero inoxidable con varios sensores de temperatura
y presin, sistema para la remocin de sedimentos, dispensacin
-
Medina et al. (2015) 32
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
del gas, entre otras cosas. Este equipo tarda solo 7 das en realizar
el proceso completo y como resultado se obtiene una cerveza de
sabor muy idntico a las Premium, el proceso de produccin es
patentado puesto que resuelve varios problemas presentes al
realizar cerveza artesanal como lograr la oxidacin mnima del
producto.
3. PROCESO DE ELABORACIN DE CERVEZA ARTESANAL
El proceso para la elaboracin de cerveza tipo artesanal se puede
resumir en la figura 1. A continuacin se explica cada uno de estos
procesos brevemente.
3.1. Maceracin de la cebada
El proceso de maceracin consiste bsicamente en mezclar los
cereales malteados con agua caliente a una temperatura que
normalmente es escalonada, es decir subiendo gradualmente la
temperatura cada determinado intervalo de tiempo, con el fin de
activar encimas que transforman los almidones en azucares. Por
ejemplo una curva estndar de macerado se realiza de la siguiente
forma: 40 C durante 30 min, 52C durante 30 min, de 62 C a
65 C durante 60 min y 72 C durante 30 min.
3.2. Filtrado y recirculacin
En esta etapa se realiza la separacin entre el mosto resultante de
la maceracin de la cerveza y los residuos slidos provenientes de
la cebada, como lo son sus cscaras y fibras; este proceso es
realizado por medio de un filtro o cedazo. Para mejorar este proceso
normalmente se realiza recirculacin sobre los residuos ya que la
cscara de la cebada funciona como un lecho filtrante y se pueden
obtener mostos ms finos y limpios.
Figura 1. Proceso de elaboracin de cerveza
-
Medina et al. (2015) 33
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
3.3. Coccin del mosto
En esta etapa de coccin, el mosto se lleva a punto de ebullicin
para esterilizarlo, seguidamente se adiciona el lpulo en intervalos
de tiempo determinados segn protocolos del proceso, con el
objetivo de proporcionar los aromas y sabores caractersticos a la
cerveza. Al final de este proceso a nivel industrial se realiza otro
proceso intermedio conocido como Whirlpool, para separar los
slidos y tomar solo la parte liquida, sometiendo el mosto a grandes
revoluciones.
3.4. Enfriamiento del mosto
Para lograr la transformacin del mosto (sustrato) por la levadura
en alcohol, se debe enfriar el mosto lo ms rpido posible mediante
un intercambiador de calor, este procedimiento debe ser rpido para
evitar la intrusin de otros microorganismos que estropeen la
calidad de la cerveza en caso de que este al aire libre. Este
procedimiento es necesario debido a que la levadura nicamente
har su labor si el mosto se encuentra a temperatura ambiente, de
lo contrario si se adiciona con el mosto caliente la levadura morir
por la elevada temperatura.
3.5. Fermentacin
Cuando el mosto alcanza la temperatura ambiente (18 a 25 C), se
adiciona la levadura, la cual trabaja activamente primero
consumiendo el oxgeno contenido en el mosto y despus el
azcar, el cual es transformado en alcohol y anhdrido carbnico.
Para realizar este proceso es necesario que el recipiente donde se
aloja el mosto este cerrado y permita la salida del CO2 producido
por la levadura, se recomienda que la dosis de levadura sea
aproximadamente 1 gr/l de mosto.
3.6. Maduracin
Una vez el mosto ha sido fermentado se realiza el proceso de
maduracin el cual es llevado a cabo en un tanque a 0 C, en el cual
se deja reposar la cerveza verde durante aproximadamente 1 o 2
semanas, todo esto permite afinar sabores, reducir la turbidez,
sedimentar los slidos, eliminar compuestos sulfurados para
finalmente realizar la carbonatacin que no es ms que la adicin
de dixido de carbono.
4. FUNCIONAMIENTO DE LA MQUINA
El proceso de funcionamiento de la planta prototipo para
produccin de cerveza artesanal se puede resumir en la figura 2, en
dicha figura se puede apreciar los diferentes componentes que sern
manipulados mediante el controlador lgico programable ubicado
en un gabinete de control, estos elementos son: las vlvulas
solenoides, la bomba, el compresor y las resistencias de
calefaccin.
El proceso como tal involucra dos tanques, y un sistema de
inyeccin de agua, la cual es utilizada en todo el proceso para la
disolucin del mosto y para la limpieza de todo el sistema al final
del proceso. El primer tanque es el de maceracin y filtrado en el
cual se adiciona la cebada manualmente, posteriormente se bombea
-
Medina et al. (2015) 34
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
agua con la ayuda de la bomba B1 y mediante el accionamiento de
las vlvulas V1 y V3 para luego calentar la mezcla mediante la
resistencia de inmersin R1, para mantener una temperatura
constante en todo el contenido del tanque se utiliza el agitador A1.
Una vez el mosto alcanza sus diferentes escalones de temperatura
mediante un control PID, implementado con el PLC, el caldo
resultante es filtrado y recirculado mediante el falso fondo del
tanque, el proceso se logra accionando las vlvulas V2, V3 y la
bomba B1, con esto los residuos slidos quedan en el filtro y el
afrecho de la cebada se emplea como lecho filtrante para obtener
una mezcla ms limpia y con menos residuos. Posteriormente se
pasa el lquido al tanque de coccin y enfriamiento, este proceso
se lleva a cabo impulsando el lquido mediante la bomba B1 y
accionando la vlvula V4, V2 y desaccionando la vlvula V3.
En el tanque de coccin y enfriamiento, se calienta nuevamente el
mosto hasta el punto de ebullicin por medio de la resistencia R2,
se esteriliza y se adiciona manualmente el lpulo. Una vez
realizado este proceso de lupulado se enfra rpidamente el caldo
mediante un intercambiador de calor el cual es accionado mediante
el compresor C1 el cual activa el lquido refrigerante y por medio
de una espiral hace contacto directo con el mosto y retira el calor.
Posteriormente es necesario llevar el mosto al tanque de
fermentacin mediante una vlvula manual V5, los dems procesos
faltantes se debern hacer de forma manual.
Al finalizar se puede realizar una limpieza general de la mquina,
esto se puede llevar a cabo retirando los residuos del afrecho en el
tanque de maceracin y accionando todas las vlvulas y la bomba
B1, con esto el agua del tanque pasa a travs de todos los tanques
y tuberas del sistema facilitando la limpieza de la mquina.
Figura 2. Esquema de la planta piloto
-
Medina et al. (2015) 35
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
5. GABINETE DE CONTROL
5.1. Diseo del gabinete
El gabinete de control tiene como objetivo fundamental alojar todos
los componentes elctricos de forma ordenada, de modo que se
puedan realizar fcilmente las conexiones entre los diferentes
componentes del gabinete y se facilite la conexin de las diferentes
entradas y salidas del PLC, adems de brindar seguridad a cada una
de sus partes y componentes.
El diseo exterior bsico contempla una proteccin mediante
interruptor automtico (breaker), dos pulsadores Star y Stop para inicializar y parar algn proceso y tres pilotos indicadores,
rojo para acciones de paro, verde para indicar acciones de inicio o
funcionamiento y amarillo para indicar la intervencin necesaria
del usuario. El diseo planteado para el diseo del gabinete se
observa en la figura 3.
Posterior al diseo bsico exterior, se propuso una distribucin de
equipos en el interior del gabinete, buscando la ubicacin ptima
de los componentes, reduciendo al mximo el especio entre estos y
ubicndolos de manera tal que se lograra un fcil acceso y
conexin. El diseo preliminar planteado y la ubicacin interna de
los componentes se observa en la figura 4.
Para el control de todos los equipos ON OFF de la mquina se
implementaron rels electromecnicos y rels de estado slido, los
cuales tiene como funcin accionar cada uno de los componentes
dependiendo de la tarea de control en particular. Se emplearon
fundamentalmente tres familias de rels, las cuales se eligieron
segn su funcin y desempeo ms adecuado al momento de
accionar los equipos de la planta.
La primera familia son los rels marca CLION HC68B-4Z, 5-
110 VDC en bobina y 5 A @ 220 V para contactos, este rel es
ideal para cargas pequeas y se implement para accionar vlvulas
solenoides y pilotos.
La segunda familia son los rels marca CLION MK3P-1, 6-
110 VDC en bobina y 10 A @ 220 V para contactos, este rel es
BREAKER
PRINCIPAL
PILOTO
VERDE
PILOTO
ROJO
PILOTO
AMARILLO
PULSADOR
START
PULSADOR
STOP
Figura 3. Isomtrico planteado del gabinete
elctrico
-
Medina et al. (2015) 36
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
ideal para cargas mayores y ms pesadas de la planta y se
implement para accionar una de las resistencias de inmersin y el
compresor del intercambiador de calor.
La tercera familia de rels son los rels marca CONCH SS-425DA,
4-32 VDC en la entrada o seal de control y 25 A @ 480 V para
contactos, este rel de estado slido es ideal para cargas pesadas o
que requieran un control intermitente, por lo que se implement
para accionar la bomba y la resistencia en el proceso de
maceracin.
Tanto para encender como para proteger el gabinete y sus equipos
internos contra condiciones anormales de funcionamiento como lo
son sobrecarga y cortocircuito, se emple un breaker de 15 A, esta
proteccin es la adecuada ya que bajo condiciones normales el
gabinete elctrico estar funcionando a aproximadamente 5 A
nominales y en picos de trabajo a 13 A nominales.
Entre los equipos implementados est tambin el circuito
analgico, el cual tiene como funcin realizar la adaptacin de
seal para que su correcto procesamiento dentro del PLC.
5.2. Distribucin de cargas
Para realizar el control independiente de cada una de las cargas
mediante el PLC, se realiza la asignacin de una determinada salida
de control a cada uno de los rels disponibles, los cuales
controlarn las cargas asignadas.
Puesto que el PLC cuenta con mdulo de expansin, las entradas y
salidas disponibles son ms que suficientes para la aplicacin. La
asignacin de las salidas del PLC se pueden observar en la tabla 1.
Las entradas requeridas para el control de la planta son solo 4, entre
estas estn: 2 pulsadores, Start y Stop en X0 y X1 del PLC
respectivamente y por ultimo estn los dos sensores RTD en los
canales 1 y 2 del mdulo analgico. La asignacin de entradas se
puede observar en la tabla 2.
PLCFUENTE DC
BORNERAS DCRELS
RELS
BORNERAS A EQUIPOS BORNERAS AC CIRCUITO ANALGICO
CANALETA
CANALETA
CANALETA
Figura 4. Isomtrico planteado del gabinete
elctrico
-
Medina et al. (2015) 37
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
En los anexos A, B y C se pueden observar los diagramas de control
y de conexiones elctricas del gabinete como tambin fotos sobre
el montaje final del gabinete elctrico.
6. MODELO DEL SISTEMA CONTROL
En esta seccin se expone primero los fundamentos de la teora de
un sistema de control, posteriormente se realiza un modelamiento
del sistema implementado y finalmente se muestran los resultados
de la experimentacin con el modelo encontrado mediante una
simulacin del sistema de control y por ltimo su utilizacin en la
planta real.
6.1. Teora de control
En general un sistema automtico de control se compone
fundamentalmente por la planta que realiza una tarea particular y
el controlador el cual se encarga de disminuir la diferencia entre la
variable deseada y la salida del sistema, en la figura 5 se puede
observar un diagrama de lazo de control por referencia tpico. Para
el caso de la planta piloto para la produccin de cerveza tipo
artesanal, se implementara un sistema de control de temperatura,
por referencia como se puede apreciar en la figura 6.
Como se puede observar la temperatura es medida mediante un
sensor RTD el cual vara su resistencia dependiendo de la
temperatura en contacto. Con ayuda de una fuente de corriente
constante se inyecta corriente a la RTD y con esto se obtiene un
Tabla 1. Asignacin de salidas PLC
Salida PLC TAG Rel Carga o equipo
Mdulo PLC
Y0 CR1 R. Coccin
Y1 CR2 Bomba
Y2 CR3 Enfriador
Y3 CR4 Vlvula 1
Y4 CR5 Vlvula 2
Y5 CR6 Vlvula 3
Mdulo expansin
Y0 CR7 Vlvula 4
Y1 CR8 Agitador
Y2 CR9 Piloto Rojo
Y3 CR10 Piloto Verde
Y4 CR11 Piloto Amarillo
Modulo Analgico
CH6 CR12 R. Maceracin
Tabla 2. Asignacin de entradas PLC
Salida PLC TAG Entrada Equipo
Mdulo PLC
X0 P1 Pulsador Stop
X1 P2 Pulsador Start
Modulo Analgico
CH1 V1 RTD Maceracin
CH2 V2 RTD Coccin
-
Medina et al. (2015) 38
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
voltaje proporcional a la temperatura con un comportamiento
prcticamente lineal. Esta seal es amplificada e introducida al
conversor anlogo digital del PLC. La seal digital se introduce al
controlador PID del PLC, cuando se detecta un error o diferencia
entre la seal deseada y medida, el controlador enva una seal
PWM a la resistencia calentadora, a travs de un rel de estado
slido, para hacer que la temperatura del tanque adquiera el valor
deseado.
6.2. Modelo del sistema
El modelo matemtico encontrado para la planta es solo del tanque
de maceracin, ya que en esta etapa se requiere un estricto control
de temperatura. El modelo considerado se puede observar en la
figura 7.
Segn se observa en la figura 7, la variable de entrada del sistema
X(s) ser la potencia electrica aplicada a la resistencia, la cual se
encarga de entregar calor al mosto. La salida Y(S) del sistema sera
la temperatura medida mediente la RTD.
Figura 6. Sistema Implementado
Figura 5. Lazo de control por referencia
Figura 7. Modelo del tanque de maceracin
-
Medina et al. (2015) 39
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
Debido a la temperatura presente en el ambiente a la hora de
realizar la tarea de control, la temperatura inicial medida se ve
afectada, esta situacion es modelada en el sistema de control como
una perturbacin, lo anterior se puede resumir segn la figura 8.
Para calcular el modelo matemtico se utiliza el mtodo
experimental de la respuesta al escaln, en el que se mide la salida
del sistema en lazo abierto ante una entrada escaln. Generalmente
para los sistemas trmicos se puede modelar como un sistema de
primer orden como se ver ms adelante.
La respuesta al escaln obtenida en lazo abierto del sistema se
puede observar en la figura 9, para el tanque de maceracin a
utilizar. Grfica obtenida mediante el programa SCADA.
El escaln de entrada no se visualiza esto con el fin de apreciar
mejor la imagen, tiene una potencia de 756.92 W la cual es la
amplitud del escaln con lo que se obtiene como respuesta en el
sistema una temperatura de 83 C en estado estacionario, el sistema
se estabiliza a los 5000 segundos (1 hora y 23minutos) para un
volumen de 5 litros de agua.
La grfica permite observar que efectivamente se presenta un
comportamiento tpico de los sistemas de primer orden, por lo que
la funcin de transferencia del sistema tendr la siguiente forma:
G(s) =Y(s)
X(s)=
kpes.L
1 + Ts=
a. kpes.L
s + a
(1)
Figura 8. Variables del modelo
Figura 9. Respuesta al Escaln del sistema
0 1000 2000 3000 4000 5000 600020
30
40
50
60
70
80
90Respuesta al escalon del sistema Real
Tiempo(s)
Tem
pera
tura
(C)
-
Medina et al. (2015) 40
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
donde Y(s), X(s) y Kp son respectivamente, transformada de
Laplace de la salida del sistema, la transformada de Laplace de la
entrada del sistema, y la ganancia esttica o amplificacin del
sistema para una entrada constante, se calcula como el cociente del
cambio de temperatura entre la amplitud del escaln. Las
constantes restantes L, y a son respectivamente el tiempo muerto, el tiempo caracterstico, y el reciproco del tiempo caracterstico
(1/ ).
Si a la expresin anterior se reemplaza la entrada escaln con su
correspondiente transformada de Laplace y posteriormente se
descompone en fracciones parciales, se saca la transformada
inversa se obtiene la expresin para el tiempo de la grfica obtenida
Y(t) = (1 )
(2)
de la figura 9 se obtiene entonces las constantes anteriores,
midiendo los valores de la grfica.:
L= 19 s =1222 s. a=0.0001883
=
()
(3)
=83.3 23.1
756.92= 0.0795
Por lo que se obtiene el siguiente modelo matematico para la planta.
G(s) =0.0795es.19
1 + 1222=
6.50842es.19
s + 0.000818
Se realiza el modelamiento en matlab, simulink, ver figura 10, Para
la entrada escaln, la resistencia tiene un voltaje de 119.2 V y una
corriente de 6.35 A lo que da como resultado una potencia de
756.92 W, la entrada del sistema es la potencia elctrica en este
caso se coloca como una ganancia y un escaln unitario. Se le suma
la temperatura ambiente que es 23.1 C puesto que es una
perturbacin al sistema. El bloque transport delay se encarga de
realizar el retardo de 19 s.
Se puede observar en la figura 11 una respuesta muy similar a la
real obtenida en el sistema experimental. Por lo que se puede
asegurar que el modelo obtenido representa de manera aproximada
al sistema real.
Por lo tanto se puede adoptar este modelo de primer orden para
predecir respuestas del sistema real, en tiempos reducidos ya que el
Figura 10. Simulacin de lazo abierto del sistema en
Simulink
-
Medina et al. (2015) 41
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
sistema real presenta una respuesta muy lenta, pues tiene una
constante de tiempo =1222 s, lo que es equivalente a unos 20 min.
6.3. Experimentacin con la planta real
Despus de realizar la programacin necesaria, se dise una
interfaz grfica la cual permite monitorear el comportamiento del
controlador PID segn las constantes Kp, Ki y Kd ingresadas. A
diferencia de la simulacin PID mostrada en detalle en la tesis, en
el PLC delta las constantes se ingresan de acuerdo a unos niveles
de porcentaje y no como en el programa Simulink que es a travs
de nmeros.
En la figura 12 se muestra el modelo real utilizado para el
modelamiento y para realizar pruebas, consta de un agitador, el
tanque de maceracin con 5 litros de agua, la resistencia
calentadora se observa a la izquierda y las RTDs a la derecha.
No se realiz con la cerveza ya que el objetivo principal es controlar
la temperatura del lquido en el tanque y adems durante el proceso
de pruebas no se encontraba finalizada la mquina. Realizando
varias pruebas se obtuvo la respuesta de la figura 13 para una
referencia de 50 C.
Figura 11. Modelamiento del sistema en
matlab
Figura 12. Modelo real utilizado para hacer
pruebas
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 700020
30
40
50
60
70
80
90Respuesta del sistema simulado
Tiempo(s)
Tem
pera
tura
(C)
-
Medina et al. (2015) 42
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
Lo Anterior fue utilizando ajustes empricos y limitando la
respuesta del lmite superior de la integral, como se puede apreciar
se obtuvieron resultados muy aceptables. Una respuesta rpida para
el sistema y un error de estado estable muy reducido. Partiendo de
la temperatura ambiente 23.7 C el sistema logra estabilizarse en
1250 segundos lo equivalente a unos 21 minutos. Alcanzando la
temperatura de 50.2 C por lo que el error de estado estable es de
solo 0.2 C.
Las constantes PID utilizadas segn el formato del PLC son las
siguientes:
Kp=10000 Ki=50 Kd=100
Lmite superior de la integral=2000
Los rangos de configuracin de las variables PID se pueden
observar en el anexo J de la tesis, en este se observa el mximo
valor aceptable para las constantes es 30000%, por lo que el valor
utilizado Kp=10000 solo es la tercera parte del mximo, se escogi
este puesto que al realizar pruebas solo con la parte proporcional se
lograba llegar a la consigna aunque con unas oscilaciones de estado
estable no deseadas. Luego se prosigui a agregar la parte integral
con el valor de Ki=50 y se limit su accin superior para evitar el
efecto windup, con esto se obtuvo gran estabilidad en la respuesta
de estado estable. Finalmente se configur la accin derivativa en
100 para lograr una respuesta ms rpida y un sistema ms flexible
ante perturbaciones.
7. PROGRAMACION DEL PLC
El programa utilizado para realizar la programacin del dispositivo
lgico programable PLC fue el ISPSoft recomendado por la marca,
permite programacin tipo ladder mediante bloques, su interfaz se
puede observar en la figura 14.
El programa del PLC se realiz basado en el diagrama de estados
diseado que se observa en la figura 15, encima de cada globo se
puede observar el nmero del estado en cuestin.
Bsicamente lo que hace el programa es verificar en qu estado se
encuentra, y dependiendo del estado realizar un determinado
subproceso el cual tiene que ver con el nombre de dicho estado, la
manera como se cambia de un proceso a otro es cuando se cumple
Figura 13. Respuesta Real del controlador PID
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 160020
25
30
35
40
45
50
55Respuesta Real del sistema
Tiempo(s)
Tem
pera
tura
(C)
-
Medina et al. (2015) 43
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
determinada condicin, como por ejemplo un tiempo en el que un
proceso se termina o por accionamiento de un botn de la interfaz
grfica (SCADA).
El estado inicial es el correspondiente al encendido/configuracin
de la mquina, una vez es encendido el PLC se establece este como
el estado inicial, puesto que en este estado no se realiza ningn
proceso en particular, solo se notifica al usuario que la mquina se
encuentra encendida mediante un piloto rojo. Este estado es
importante para configurar muchos parmetros de la mquina, y es
a partir de este que se puede acceder a los dems estados mediante
la interfaz SCADA y sus botones.
El conjunto de estados correspondiente al proceso de produccin
de cerveza son los que se observan en la parte derecha de la figura
50, marcados como estados del 1-7, los cuales funcionan de forma
semiautomtica pues en la parte de adicin de la cebada y en el
lupulado es necesaria la intervencin del usuario.
Figura 14. Interfaz ISP Soft
Figura 15. Diagrama de Estados
-
Medina et al. (2015) 44
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
Por ultimo estn los estados ajenos al proceso, como lo son
limpiado de la mquina, til para cuando se ha finalizado el
proceso. Y los dems estados para uso tcnico como lo son Test, el
cual permite realizar pruebas a las salidas fsicas y PID pruebas,
que permite calibrar el comportamiento del controlador PID.
El programa como tal implementado en ISPsoft se puede apreciar
completo, con detalle y su respectiva explicacin en el trabajo de
grado, en pocas palabras la programacin de este diagrama de
estados se logra mediante el uso de comparadores, temporizadores
para activar direcciones de memoria (bobinas) y utilizando
funciones de transferencia de datos a direcciones de memoria
deseadas.
8. DESARROLLO DEL SISTEMA SCADA
El Sistema SCADA es implementado en el software WINTR de
Fultek, se escogi este programa puesto que permite realizar
exitosamente la comunicacin MODBUS RTU, la cual es
compatible con el PLC, sin embargo el mapeo de las direcciones de
memoria toc hacerlo de forma manual debido a que este PLC delta
no es muy comn, y generalmente vende interfaces HMI mediante
pantallas tctiles como Sistema SCADA las cuales no se
adquirieron.
Se puede observar en la figura 16 la pantalla con la que se realiza
el proceso de la cerveza. La interfaz de la figura 16 permite
controlar y monitorear el proceso de cerveza como tal, mediante los
siguientes botones:
Comenzar: permite poner la mquina en marcha desde el principio,
por supuesto existe la opcin de seleccionar algn proceso en
particular desde el cual se puede empezar.
Continuar: este botn es utilizar en ocasiones en las que se necesita
realizar operaciones manuales, como forma de hacerle saber a la
mquina que ya se puede proseguir con el siguiente proceso.
Paro: se utiliza como medio de emergencia en caso de que se
presente algn problema en la mquina, este permite detener todo
el proceso inmediatamente.
Figura 16. Pantalla del proceso de cerveza
-
Medina et al. (2015) 45
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
Adems de lo anterior esta interfaz permite visualizar el estado
actual de la mquina, los actuadores que estn habilitados, el
tiempo transcurrido del proceso particular, temperatura en los
tanques de maceracin y lupulado. Adicionalmente permite
observar la grfica PID cuando se encuentra en el proceso de
maceracin.
La interfaz de la figura 17 permite configurar cada una de las
variables importantes como lo son los tiempos en los que se deben
realizar las tareas, las rampas de maceracin y dems parmetros
importantes de polarizacin de la mquina y del PID. En la parte
inferior se puede acceder a la opcin de configurar el control PID,
y de realizar pruebas a los actuadores de la mquina. Es importante
tener en cuenta la forma de ingresar los valores de tiempo y de
temperatura como se indica en la pantalla, ya que su correcta
insercin es necesaria para que el programa funcione bien.
Otras interfaces creadas son la del limpiado de la mquina, los
ajustes PID y el modo test. Estas se mostraran en el trabajo de grado
con su respectiva explicacin.
9. CONCLUSIONES
La realizacin del gabinete de control y la automatizacin de la
planta piloto permiti afianzar y aplicar muchos de los
conocimientos adquiridos a lo largo de varios aos de estudio y
dedicacin. Se lograron cumplir satisfactoriamente los objetivos
pues se realiz la construccin del gabinete siguiendo normas
elctricas y manteniendo un grado de proteccin ptimo para cada
uno de sus elementos.
Se configur adecuadamente el dispositivo lgico programable
(PLC) despus de leer su manual de funcionamiento y aprender a
manejar el programa del fabricante se program satisfactoriamente
el dispositivo siguiendo el diagrama de estados anteriormente
diseado pensando en la flexibilidad y conformidad para el usuario
y programador.
Con el fin de supervisar y controlar ms fcilmente el proceso de
la cerveza y la configuracin de los parmetros de la mquina se
Figura 17. Pantalla de configuracin
-
Medina et al. (2015) 46
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
realiz la interfaz grfica o sistema SCADA mediante la utilizacin
de un programa especial que brindaba muchos beneficios y ventajas
a la hora de mostrar resultados y visualizar cada uno de los estados
de la mquina.
Se realiz de forma optimizada y segura los diagramas elctricos y
el modelo fsico de la mquina a construir con el fin de dejar claro
la forma como se debe realizar cada proceso y conectar cada uno
de los actuadores, salidas y entradas del sistema.
Al realizar el modelamiento matemtico mediante su respuesta al
escaln se pudo observar un comportamiento caracterstico de los
sistemas de primer orden, se calcul la constante de tiempo, su
ganancia y dems parmetros y posteriormente se hall un modelo
matemtico con el que se obtuvieron resultados muy similares en
la simulacin por lo que se puede decir que el modelo calculado
representa de manera muy aproximada al sistema real a controlar.
En la parte de sintonizacin de variables PID, se observ que la
constante de mayor peso es la proporcional, despus esta la
derivativa y por ltimo la integral. El aumento considerable de la
constante integral causa una desestabilizacin del sistema, por lo
que en la prctica con el modelo real se recurri a limitar la accin
integral mediante el controlador.
Se realizaron los diagramas elctricos del gabinete, con
informacin sobre la distribucin de los equipos y su marcacin
respectiva, se hizo el diagrama de control y de interconexiones
aplicando normas y teniendo en cuenta protecciones elctricas
necesarias, esto con el fin de brindar soporte y lograr la correcta
implementacin final de la planta piloto.
AGRADECIMIENTO
Agradecemos especialmente a todas las personas que a lo largo de
nuestro recorrido acadmico aportaron con su conocimiento y
ayuda, en especial nuestros familiares, amigos, y a nuestro director
de proyecto el profesor Ivn Daro Orozco que realizo numerosos
aportes y recomendaciones para sacar adelante el proyecto, tambin
a Margarita Ramrez y Yesid Vlez que facilitaron la consecucin
del proyecto de grado.
REFERENCIAS
A, B. C. (s.f.). A Better control of Beer Properties by Predicting Acidity of hop. Boulton, C. (s.f.). Brewing Yeast and fermentacion.
College of industrial Engineering. (s.f.). Obtenido de
http://cdn.intechopen.com/pdfs/11617/InTechPlc_control_and_matlab_simulink_simulations_a_translation_approach.pdf
Delta Products. (22 de septiembre de 2013). Obtenido de Delta Group:
http://www.deltaww.com/Products/CategoryListT1.aspx?CID=060301&PID=253&hl=en-US&Name=DVP-SS2%20Series
ELECTRONICS, D. (s.f.). Instructions Sheet . Obtenido de
http://www.delta.com.tw/product/em/control/plc/download/manual/Delta_DVP-SS2_I_MUL_20140224.pdf
Ellis, G. (2004). Control Systems Design Guide. San Diego : Elsevier Academy
Press. Fultek. (22 de septiembre de 2013). WinTr SCADA Help Pages. Obtenido de
SCADA software: http://scada.fultek.com.tr/
Hernan, V. J. (1992). Controladores Logicos Programables.
-
Medina et al. (2015) 47
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
Hernan, V. J. (2005). Fundamentos de los sistemas de control electricos. Medellin: UPB.
Ogata, K. (2003). Ingenieria de Control Moderna. Madrid: PRENTICE HALL.
Portal de cerveza artesanal. (20 de febrero de 2012). Obtenido de www.cervezas.info/macerado.html
Univerisad del Pais Vasco. (s.f.). Obtenido de
http://www.sc.ehu.es/sbweb/webcentro/automatica/WebCQMH1/PAGINA%20PRINCIPAL/Automatizacion/Automatizacion.htm [Citado en
abril 2 del 2013]
University of Newclastle Australia. (s.f.). Obtenido de http://www.eng.newcastle.edu.au/~jhb519/teaching/caut1/Apuntes/PID.
pdf
Wolfgang. (2004). Technology Brewing and Malting. Berlin.
AUTORES
Sergio Andrs MEDINA CALVO, Realiz su
formacin como bachiller en el colegio EL
ROSARIO de Barrancabermeja, posteriormente
realiz estudios profesionales en la Universidad
Pontificia Bolivariana de Medelln, Actualmente
es Egresado prximo a graduarse del programa
ingeniera Elctrica y electrnica. Durante sus
estudios en la universidad se destac por obtener
excelentes calificaciones, por participar activamente en eventos
universitarios y por brindar apoyo a sus profesores y compaeros durante
su estudio.
Didier Giovanny LOAIZA MEJIA, es egresado
prximo a graduarse de los programas Ingeniera
elctrica y electrnica, durante sus estudios se
caracteriz por ser una persona responsable y
dedicada, actualmente labora como ingeniero de
proyectos en la empresa Indisa S.A, a la cual
pertenece hace 2 aos.
Ivn Daro MORA OROZCO, docente titular de la
Facultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica de la
UPB. Magster en Automtica con nfasis en robtica.
Actualmente es el Coordinador del Semillero en
Automtica y Diseo A+D.
Margarita RAMREZ CARMONA, Doctora y Magister en Tecnologa de Procesos Qumicos y
Bioqumicos de la Universidad Federal de Rio de
Janeiro, Ingeniera Qumica de la Universidad
Pontificia Bolivariana y directora del Centro de
Estudios y de Investigacin en Biotecnologa
(CIBIOT). Ha desarrollado proyectos de diseo de
bioprocesos. Sus reas de experiencia profesional comprenden biominera,
biotecnologa ambiental, bioseparaciones, vigilancia tecnolgica y
comercializacin de tecnologa. Tiene una patente de invencin concedida
en el rea de bioabsorcin para la deshidratacin de solventes.
-
Medina et al. (2015) 48
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
ANEXO A
RESISTENCIA
DE COCCIN1
1
1
10
10
F
s/s
G
L
N
+
_
X0
C0
Y0
Y1
Y2
CR1
X1
CR2
CR3
C1
Y3
Y4
Y5
S2
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
SP
C0
CR4
CR5
CR6
CR8
CR9
CR10
CR11
CR7
COM
XA
V1+
V2+
COM
V6+
COM
L3
L
N
G
120 V AC, 20A, 1F, 3H,
+
V1
V2
-
C
C
A
CR12
CR2
CR3
CR1
s
CR4
s
CR5
s
CR6
s
CR7
CR8
CR9
L2CR10
L1CR11
CR12
BOMBA
INTERCAMBIADOR
SOLENOIDE 1
SOLENOIDE 2
SOLENOIDE 3
SOLENOIDE 4
AGITADOR
PILOTO
AMARILLO
PILOTO
VERDE
PILOTO
ROJO
1
P1
P2
24 V DC, 2.5A, 2H,
CB1
RESISTENCIA
MACERACIN
L N
RTD1
RTD2
4
2
4
6
6
6
6
2 10
3 4
2 10
14 13
14 13
14 13
14 13
14 13
14 13
14 13
3 4
10
10
10 6
10 6
10 6
10 6
2
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 12
13 14
15 16
17 18
1 2
1 2
1 2
-
Medina et al. (2015) 49
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
ANEXO B
TB3
GABINETE
ELCTRICO
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
RESISTENCIA
DE COCCIN
BOMBA
INTERCAMBIADOR s
SOLENOIDE 1
s
SOLENOIDE 2
s
SOLENOIDE 3
s
SOLENOIDE 4
AGITADOR RESISTENCIA
MACERACIN
RC1 RC2 B1 B2 I1 I2 S1 1 S1 2 S2 1 S2 2 S3 1 S3 2 S4 1 S4 2 A1 A2 RM 1 RM 2
RC B I S1 S2 S3 S4A RM
-
Medina et al. (2015) 50
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
ANEXO C
Este anexo contiene una breve documentacin fotogrfica del progreso de construccin del gabinete hasta su
finalizacin. En estas fotos se observa la etapa de organizacin de elementos y posteriormente se realiza la
colocacin y el cableado de cada uno de ellos.
-
Medina et al. (2015) 51
Ingeniar UPB 4 Universidad Pontificia Bolivariana
Aqu se puede observar el gabinete finalizado y funcionando correctamente.