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AUTOMATIZACIÒN DE MÁQUINA PARA LA FABRICACIÓN DE GOMAS DE DULCE

Presentado por:

EDWARD GUACANEME 20013037005

CARLOS FABIAN GONZALEZ

20031107043

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.

2009

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ....................................................................... 3

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................ 3

1.1 ANTECEDENTES 4

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 6

1.3 JUSTIFICACIÓN 7

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 8 1.4.1 OBJETIVO GENERAL 8 1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 8

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 9 1.5.1 ALCANCES 9 1.5.2 LIMITACIONES 9

2. MARCO DE REFERENCIA ..................................................... 10

2.1 MARCO CONCEPTUAL 10

2.2 MARCO TEÓRICO .......................................................... 11-12

3. METODOLOGÍA .................................................................. 13

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN ......................................... 13

3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN ................................................... 13

3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN ................. 14

HIPÓTESIS 17

4.DESARROLO INGENIERIL

5. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ....................................... 18

6. RECURSOS Y PRESUPUESTO ... ……………………………………..19

6.1PUNTO DE RECUPRECION DE LA INVERSION

7. CONCLUSIONES ...................... ……………………………………..24

BIBLIOGRAFIA ...................................................................... 25

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INTRODUCCIÓN El presente proyecto de aplicación es una propuesta de automatización y control del proceso de elaboración de gomas de dulce en una microempresa. Esta idea surgió debido a la necesidad de modernizar la fábrica, ya que actualmente se lleva a cabo la fabricación de manera completamente manual; la fábrica contará con un sistema de control completamente automático, sustituyendo con esto la manipulación manual de los materiales. Después de observar como algunas familias se dedican a la producción de gomas de dulce y de la importancia en su economía, planteamos una propuesta de cómo automatizar el proceso aplicando los conocimientos adquiridos en el seminario de grado para la obtención del título de ingenieros Electrónicos, haciendo el proceso más eficiente y evitando al máximo la manipulación manual del producto, evitando así posibles contaminaciones. Para poder hacer el proceso de una manera más eficiente contaremos con dosificadores volumétricos que permitan tener la cantidad de material suficiente para cada ciclo de trabajo, evitando el desperdicio y un producto más homogéneo, automatizando los tiempos de cocción y mezclado del producto esto asegura usar sólo el tiempo necesario. En el documento se presenta una propuesta de cómo realizar la automatización del proceso de elaboración de gomas de dulce comenzando por explicar cómo se elabora de manera artesanal las gomas de dulce y luego como se podría implementar una automatización al proceso, explicando algunos conceptos respecto al funcionamiento de los elementos que interviene en la automatización familiarizando al lector para facilitar el entendimiento del mismo.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

Actualmente en Colombia no hay una maquina que haga el proceso de elaboración de gomas comestibles pero si en otros países como México y España, aunque no en la proporción que se expone en el proyecto; debido al alto costo de las maquinas se supone que sólo empresas grandes tienen la capacidad de adquirir las mismas. En Colombia lo más parecido es Incolnox S.A la cual es una empresa que diseña y construye todo tipo de recipientes y mezcladores de líquidos y sólidos tanto para la industria farmacéutica como para la de alimentos, esta sería lo que más se asemeja a lo presentado en este documento.

Figura 1. Mezclador de líquidos.

NID de España, dispone de un aceitador de gomas/jelly, de Enero del 2001, de doble capacidad con medidas 3300x1300x1400 mm, acero inoxidable, con base de acero para sujeción y cuadro eléctrico incorporado completo con autómata NID, lleva también incluido sistema de dos rotores con banda transportadora vibradora, cinta de

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descarga de acero inoxidable y rulos de 3800x530x580 mm y sistema completo de espray de aceite controlado desde el autómata, NºSerie OM186. Precio 20.000 euros.

Figura 2. Aceitador de gomas NID del 2001

Makat, cuenta con una línea de gomas, con dos cabezales depositadores, cargador automático de bandejas, todo el sistema de almidón incluido, apilador y desapilador, sistema de llenado y separado de almidón, puede hacer dos colores y masa de masmelos, moldeador con moldes, 2.000 bandejas, Precio de 120.000 euros.

Figura 3. Línea de goma Makat del año 1974

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1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad una microempresa familiar cuenta con diferentes procesos de fabricación de dulces. Los procesos utilizados son totalmente manuales para la obtención de diferentes tipos de productos como: chocolatinas y gomas de dulce entre otras. Los ingredientes básicos para la elaboración de gomas de dulce son: grenetina (gelatina sin sabor), glucosa, azúcar refinada, gelatina con sabor, agua y preservativos. El procedimiento de producción de gomas de dulce consta de tres procesos:

• Proceso de dosificación. • Proceso de mezclado a temperatura. • Proceso de inyección.

Proceso de Dosificación. El proceso de dosificado se lleva a cabo de acuerdo a la siguiente tabla para 100 gomas: Ingrediente Cantidad Agua 500 ml Azúcar 200 gr Grenetina 80 gr Gelatina 120 gr Acido Cítrico 4 gr Glucosa 100 gr Cremor Tartaro 10 gr Sorbato de Potacio 10 gr Proceso de Mezclado a temperatura. Luego de tener las cantidades exactas se verterá el agua en el contenedor de mezclado y se empieza a calentar hasta alcanzar una temperatura de 40ºC, luego se procede a verter el resto de ingredientes. El proceso de mezclado inicia al tener el agua a 40 ºC de temperatura y todos los ingredientes en el contenedor de mezclado, se enciende el batidor. Este proceso se lleva a cabo por 3 minutos. Después de este

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Tiempo se apaga el batidor dejando listo el producto para que pase el material a la etapa de inyección. Proceso de Inyección. En el proceso de inyección se hace dosificando de forma volumétrica, haciendo que cada goma final sea de 5 gr, debido a la gran variedad de moldes en tamaños y formas se dosifica para obtener un producto final homogéneo, de ser necesario el material será llevado a moldes diferentes de mayor capacidad siempre de 5 gr en 5 gr, aumentando la variedad en forma y tamaño del producto, dando por terminado el proceso de elaboración de gomas de dulce. Este proceso manualmente genera una baja producción; ya que el rango de producción por hora varía entre 80 y 100 gomas, pérdidas económicas debido al desperdicio de material y baja calidad en el producto debido a la manipulación manual. Una posibilidad para la solución de estos problemas seria la automatización del proceso que elimine en gran parte el proceso manual, una propuesta puede ser la planteada por nosotros expuesta más adelante. ¿Cómo plantear desde los conocimientos adquiridos a lo largo de los módulos del seminario de grado, una solución de automatización que se ajuste a las necesidades de las pymes dedicadas a la fabricación de gomas de dulce?

1.3 JUSTIFICACIÓN En el siguiente proyecto se desarrolla una propuesta de automatización que pretende brindar aportes ingenie riles a una microempresa dedicada a la elaboración de gomas de dulce, satisfaciendo la necesidad de mejorar el producto y el manejo de los ingredientes reduciendo el desperdicio. Esto es gracias a la aplicación de una serie de conocimientos y conceptos que se han adquiridos durante toda nuestra formación como Ingenieros. En este documento se planteará una propuesta para la automatización de un *prototipo que fabrica gomas de dulce, debido a que en la actualidad es de manera manual. Los equipos cuentan con un diseño propio debido a la falta de una maquina de estas proporciones y con una tecnología que facilita su manipulación. Con la implementación de mejores técnicas de control y automatización en sus procesos de fabricación, la microempresa moderniza la calidad de

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sus productos dándole prestigio y llamara la atención de personas y empresas interesadas en la distribución de sus productos. Por otro lado se controlará de forma adecuada, el flujo de materiales utilizados en la fabricación, evitando al máximo el desperdicio, control y contaminación de materiales en todo el proceso aumentando la productividad de la empresa.

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.4.1 Objetivo General

Plantear una propuesta de automatización y simular el proceso de fabricación de gomas de dulce.

1.4.2 Objetivos Específicos • Diseñar un programa para el control de la maquina (SCADA). • Simular el sistema de dosificación para cada uno de los

materiales. • Diseñar el programa que permita la visualización y adquisición de

datos desde el PLC. • Diseñar un programa que lleve un registro de producción. • Realizar un análisis de costos y selección de sensores, actuadores,

válvulas y materiales seguros; con buena resistencia a la temperatura y la humedad.

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1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

1.5.1 Alcances Se presenta una propuesta de un diseño real para mejorar el proceso de elaboración de las Gomas de dulce aplicando los conocimientos adquiridos en el seminario de automatización. Este proyecto se fundamenta en la automatización y el control por software de un prototipo, él cual elabora gomas de dulce, con esto se pretende mejorar el proceso de medición y mezcla de los ingredientes, que actualmente a nivel artesanal se vienen realizando de forma manual, logrando una mayor eficiencia en el desarrollo del producto. Mediante esta propuesta se pretende también impulsar y adoptar mejores tecnologías, de forma más tecnificada, en el desarrollo de elementos o productos de consumo masivo para impulsar las pequeñas empresas en Colombia.

1.5.2 Limitaciones

1.5.2.1 Físicas

• La temperatura debe estar en un rango de 35°C y 45°C en el

proceso de mezclado y de inyección del producto.

• Las simulaciones solo se podrán realizar con los programas y software autorizados por la universidad.

• Al no existir una maquina se presentara la automatización sobre el diseño de un prototipo que cumple con la función de elaborar gomas de dulce.

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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO CONCEPTUAL Grenetina: Es llamada grenetina a lo que comúnmente conocemos como gelatina Sin Sabor, su función es el lograr una goma más compacta. Acido Cítrico: Es el ingrediente el cual le da un sabor acido a las gomas, que en combinación con el azúcar se logra un sabor agridulce, caracterizando un sabor de la goma, también se puede omitir para obtener solo gomas dulces. Glucosa: Es el ingrediente que logra firmeza en la goma haciéndola resistente sin perder la flexibilidad que la caracteriza. Cremor Tartaro y Sorbato de Potacio: estos ingredientes son los preservantes que evitan que la goma se dañe adquiriendo hongos por su humedad y por el dulce, permitiendo que el producto se conserve por más tiempo. Sensores de Temperatura. Son sensores que varían el voltaje o la resistencia interna dependiendo la temperatura. Entre estos se encuentran el LM 335 o los termistores. Galga Extensiomètrica. Es un sensor que mide la deformación de materiales. Actuadores Neumáticos. Son elementos que trabajan en dos posiciones (cerrada o abierta), permite aislar un sistema de otro. Se eligieron neumáticos ya que estos evitan la contaminación del producto. Actuadores Volumétricos. Estos actuadores permiten el paso de fluidos solamente a un volumen determinado. Válvula de Compuerta. Es una válvula que trabaja solamente en dos posiciones (cerrada o abierta), permite aislar un sistema de otro, las válvulas utilizadas son de paso tubular, esto permite que haya menos resistencia al paso del fluido y por ende menores pérdidas. Definiciones tomadas http://www.wikipedia.org

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2.2 MARCO TEÓRICO En el presente proyecto se desarrollan temas vistos en el transcurso del curso. Tal cómo:

• Controladores lógicos programables “PLC”. • Lenguajes de programación Ladder y AWL. • Sistemas de control y adquisición de datos “SCADA”. • Gestión empresarial I y II “Costos y Presupuestos”. • Técnicas avanzadas “neumática, sensores industriales, tableros

eléctricos”.

A continuación se detalla algunos conceptos básicos que sustentan el presente estudio.

PLC: es un procesador usado para la automatización de procesos electromecánicos, como el control de maquinaria sobre cadenas de montaje de la fábrica, paseos de entretenimiento, o instalaciones de la electricidad. PLCs son usados en muchas industrias y máquinas, como máquinas de semiconductor y el embalaje. A diferencia de ordenadores de uso general, el PLC es diseñado para múltiples entradas y disposiciones de salida, ampliado gamas de temperaturas, inmunidad al ruido eléctrico, y la resistencia a la vibración y el impacto. Los programas para controlar la operación de máquina típicamente son almacenados en la memoria apoyada por batería o permanente. Un PLC es un ejemplo de un en tiempo real el sistema ya que los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a condiciones de entrada dentro de un tiempo saltado, la operación no planeada de otra manera pasará.

Lenguaje de programación AWL

El lenguaje de programación AWL (lista de instrucciones) es un lenguaje textual orientado a la máquina. Las diversas instrucciones equivalen a los pasos de trabajo con los que la CPU ejecuta el programa y éstas se pueden reunir en segmentos.

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Sistemas de Adquisición de Datos

SCADA, acrónimo de Supervisory Control and Data Acquisition (en español, registro de datos y control de supervisión).

Es una aplicación de software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores (computadores) en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. También provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros usuarios supervisores dentro de la empresa (supervisión, control calidad, control de producción, almacenamiento de datos, etc.).

Comprende todas aquellas soluciones de aplicación para referirse a la captura de información de un proceso o planta, no necesariamente industrial, para que, con esta información, sea posible realizar una serie de análisis o estudios con los que se pueden obtener valiosos indicadores que permitan una retroalimentación sobre un operador o sobre el propio proceso.

3. METODOLOGÍA

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN El enfoque a emplear en nuestra investigación será empírico-analítico, basándonos específicamente en la tecnificación del proceso de manipulación de los ingredientes en la elaboración de Gomas Comestibles y la forma de adquirir datos en el proceso, para ello se realizarán una serie de pruebas y experimentos, con herramientas de diseño, experimentación y análisis de resultados. Además el proyecto está orientado hacia la interpretación y modernización del proceso mismo y equipos, a través de la implementación de nuevas tecnologías en el proceso, aumentando la eficiencia en el desarrollo del producto.

3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN Este proyecto se articula con la línea de investigación Tecnologías actuales y sociedad, ya que implica conocimientos técnicos y científicos de vanguardia que ayudan a la solución de problemas a un gran número de personas que se remiten a este tipo de negocio para adquirir empleo. Con la implementación de este proyecto se pretende

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mejorar la calidad del trabajo realizado en forma artesanal, además de contribuir mediante la creación o adaptación de tecnologías al desarrollo social y al mejoramiento de la calidad del trabajo en las PYMES en nuestro país. 3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN

• Revisión de datos históricos y estadísticos. • Revisión de bibliografía.

La realización del proyecto tendrá como base la información recolectada a través de libros acerca del tema, corporaciones e instituciones relacionadas con este campo de la ingeniería e Internet básicamente. Es necesario realizar visitas continuas a corporaciones y instituciones, para verificar los avances tecnológicos, calidad del proceso y los medios empleados para el mismo; luego se procederá a evaluar que tan efectivos son los equipos existentes para empezar a realizar el nuevo diseño de los mismos teniendo en cuenta unas características dadas. Después de haber definido las principales falencias que se presentan en el proceso de producción de gomas, se empezará con el diseño o en su defecto con las mejoras de los equipos que actualmente emplea la microempresa y teniendo como base esto, realizar las respectivas pruebas y experimentos de la automatización y control de el proceso de producción de gomas de dulce. Estos son algunos instrumentos para la Recolección de

Información

• Biblioteca

• Internet

• Software

• Instrumentos de medición

• Catálogos

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HIPÓTESIS

La manipulación de los diferentes materiales que se necesitan para la elaboración de gomas comestibles y la adquisición de datos, mejorará de forma técnica, para esto, se utilizará un software como medio de control. Se modernizará el proceso con nuevas y mejores formas de tecnología, con los más actuales procesos de control para su culminación y los mejores estándares de calidad, facilitando con esto la lectura de datos reflejada en una elaboración del producto más efectiva. Con la implementación de sensores que cumplan la función de los elementos de medición y que emitan los datos para que posteriormente se puedan observar y manipularán con el software de control.

3.6 VARIABLES

3.6.1 Variables Independientes � Peso de los ingredientes. � Flujo másico en las tuberías. � Viscosidad del fluido. � Temperatura del sistema. � Perdidas en las tuberías. � Áreas de las tuberías y del tanque mezclador.

3.6.2 Variables Dependientes � Velocidad de mezclado. � Velocidad del flujo en las tuberías. � Calidad del producto. � Densidad del fluido. (Para la glucosa).

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4 Desarrollo Ingenieril. Para nuestro desarrollo ingenieril vamos a partir del hecho que existe el diseño de un Prototipo, que elabora gomas de dulce, él cual cuenta con los elementos necesarios para su elaboración tales como:

� Dosificadores Volumétricos � Recipiente de Mezclado � Electroválvulas � Sensores � Resistencias Térmicas � Actuadores de Inyección � Batidor � Vibrador

A continuación vamos a dar una corta explicación de cómo es el funcionamiento de algunos elementos. Dosificador Volumétrico:

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El dosificador consta de una tolva, un cilindro y un elemento de corte que permite hacer la

dosificación. En la tolva se introduce el material, a través de un orificio, el elemento de corte el

material pase por este llenando el volumen deseado.

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34,93

29,52

Volumen

deseado

Luego se acciona el cilindro empujando el elemento de corte hasta un

punto donde no existe hueco evitando la caída de material.

Volumen

deseado

Al final del recorrido del cilindro, se lleva la el elemento de corte hasta

donde hay un hueco en la parte inferior que es la que permite que caiga el volumen deseado de material.

Recipiente de Mezclado El recipiente de mezclado es un elemento hecho de acero inoxidable que con capacidad de almacenar los ingredientes, mientras son mezclados, también tiene una tubería que permite la extracción de material llevándolo a los cilindros de inyección. Resistencias Térmicas Estas son utilizadas para calentar el recipiente de mezclado calentando así los ingredientes permitiendo su mezcla, estas resistencias térmicas son las comúnmente usadas en las estufas.

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Actuadores de Inyección Son elementos que contiene un dosificador volumétrico y que por medio de un cilindro inyectan el material terminado en moldes. Batidor El batidor consta de un motor y unas cuchillas que se introducen en la mezcla y se acciona el motor creando remolinos que hacen que los ingredientes choquen entre sí mezclándolos. Vibrador El vibrador es usado en los dosificadores volumétricos de los elementos en polvo, haciendo que desciendan de manera homogénea, evitando que se queden pegados a las paredes de la tolva. Este prototipo carece de una unidad de control, entonces como propuesta diseñaremos los programas necesarios para la implementación del control usando un PLC y SCADA por medio de Excel.

Programa Principal La secuencia de funcionamiento sería la siguiente:

I. Start: el cual es un pulsador que da inicio a la secuencia. II. Abre la válvula para que entre el agua al recipiente de mezclado e inicia

el vibrador.

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III. Cuando el agua alcance el nivel deseado, cierra la válvula del agua y enciende las resistencias terminas.

IV. Una vez el agua esta a temperatura de 40°C entonces enciende los diferentes dosificadores (gelatina, glucosa, grenetina, etc.) y el batidor.

V. Comienza a contabilizar el tiempo, una vez hayan transcurrido 3 minutos, se apaga en batidor y se lleva el material a inyección.

VI. Si hay material para inyectar y esta activo el switch de inyección se activa el actuador de inyección.

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SCADA Para la implementación de SCADA usaremos Excel, mediante Excel se dará inicio y parada al proceso también se llevaran los registros de los 10 últimas producciones de funcionamiento de la maquina graficándolos.

Una vez se le da inicio al botón start el plc toma el tiempo que tarda en realizar el ciclo de trabajo, una vez se detiene pulsando stop de detiene el proceso y guarda el tiempo que duro activado. Debido a las protecciones de la red para poder llevar estos tiempos del PLC al Excel de deber dar click en el botón de actualizar para obtener el numero de datos de producción.

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5. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Actividad

Semama

Recopilación de información

Tratamiento de la información

Selección de información

Organización

Analisis de situación actual.

Mediciones y pruebas iniciales del proceso.

Programación de sotfware para Adquisicion de

Datos.

Programación de sotfware para Control y

Procesamiento de Datos.

Pruebas a punto

Conexión física y funcional entre los

sistemas independentes.

Pruebas finales

Rediseño

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6. RECURSOS Y PRESUPUESTO Implementación de un PLC y SCADA para el control de una maquina que elabora gomas de dulce. Ítems: PLC $1’526.054 IVA (16%) $ 244.168,64

Mano de Obra $2’655.333,96 Retención (11%) $ 292.086,73 SUB TOTAL $4’717.643,34 Redondeo $ ,66 TOTAL $4’717.644 *la mano de obra incluye la implementación de SCADA y Capacitación para su manejo. 6.1Punto de Retorno de Inversión. Suponiendo que existe un operario a cargo de la maquina. Una vez realizada la automatización este operario ya no sería necesario. Entonces: Salario mínimo mensual $497.900 Al cabo de 10 meses se recuperaría la inversión. Al año se ahorraría $997.800 y eso sin contar con vacaciones y primas.

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7. CONCLUSIONES

• Al plantear y simular una propuesta de automatización para el proceso de fabricación de gomas de dulce, se trata de reducir mayor parte de manipulación de los materiales de elaboración, para evitar ser contaminados, este proceso lo simulámos con materiales del laboratorio de automatización de la universidad.

• Al diseñar un programa para el control de la maquina (SCADA) por medio del programa Microsoft Excel y macros de este mismo podemos operar la maquina desde el PC permitiéndonos ver los datos de producción del proceso de fabricación.

• Al simular el sistema de dosificación para cada uno de los materiales por medio de pilotos, finales de carrera y un actuador neumático, con esto verifico la existencia del material y el funcionamiento de cada una de las partes de la maquina.

• Al realizar el respectivo análisis de selección de materiales nos dimos cuenta que para trabajar con manipulación de alimentos tienen que ser de alta calidad para tener una optima higiene.

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BIBLIOGRAFIA

• MUNSON YOUNG, OKIISHI., “Fundamentos de mecánica de

fluidos”, Editorial Limusa. • Héctor A. Navarro D (1995). Instrumentación Electrónica Moderna.

Editorial Innovación Tecnológica. • William D. Cooper y Albert D. Halftrack (1991). Instrumentación

Electrónica Moderna, Editorial Prentice Hall.

• http://www.maestromanolo.es/compra-venta-de-maquinaria-buy-

sell-of-machinery/productos/Maquinaria-Jellies-Goma/Maquinaria-Jellies-Goma-9.asp?idioma=esp

• www.klueber.de/Kontakt/Kontakt_Unterseiten/pdf-broschueren/GUMMI-SP.PDF

• www.zds-solingen.de/frontend/es/00.php

• http://www.wikipedia.org