11 DE ENERO 2011 CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

MANTENIMIENTO Y CONTROL DE UN PROTOTIPO DE PASTEURIZADORA A PEQUEÑA ESCALA

Carlos CuencaCarrera de Ingeniería

En Electrónica y ControlEscuela Politécnica Nacional

Quito, Ecuadore-mail:

Rubén GuallichicoCarrera de Ingeniería

En Electrónica y ControlEscuela Politécnica Nacional

e-mail: pato-tanque@hotmail.com

Fernando TrujilloCarrera de Ingeniería

En Electrónica y ControlEscuela Politécnica Nacional

Quito, Ecuadore-mail:

Ana VegaCarrera de Ingeniería

En Electrónica y ControlEscuela Politécnica Nacional

e-mail:

ResumenProponemos el diseño del control de un prototipo de pasteurizadora a pequeña escala, de esta manera replicar el proceso de un sistema de pasteurización a nivel industrial. El sistema de control utiliza un sistema microcontrolado de 10 bits tipo PIC al igual que el uso de un PLC, sensores de temperatura, termocuplas, que poseen una placa de acondicionamiento propia, asi como sensores de nivel conductivos y un medidor de caudal, tipo rotámetro. Además se ha empleado comunicación con el computador a través del programa computacional Visual Basic, el control se lo puede realizar tanto desde el panel de control como desde el computador. Los resultados experimentales indican que el desarrollo de este control es factible.

Términos generalesAlgoritmo, Experimentación

Se permite hacer copia digital o impresa de todo o parte de este trabajo para uso personal o de clase, se concede el permiso con la condición de que las copias no sean distribuidas para ganancia o ventaja comercial.

Palabras claveTermocupla; Rotámetro; Realimentación de caudal; Intercambio de calor.

I. INTRODUCCIÓN

El proceso de pasteurización recibe su nombre de Louis Pasteur, un químico-microbiólogo Francés, que descubrió que los organismos que causan la descomposición pueden ser desactivados en el vino aplicando calor a temperaturas por debajo de su punto de ebullición. La pasteurización de la leche es uno de los métodos más comunes de conservación de los alimentos es mediante un calentamiento que destruye los microorganismos y las enzimas que los dañan. El tratamiento térmico requerido no es único ya que se pueden emplear varias condiciones de tiempo-temperatura para lograr el objetivo, pero se prefieren los de altas temperaturas y cortos tiempos. Seguidos de un descenso brusco de temperatura, para garantizar la eficiencia del procedimiento. Paralelamente a la destrucción de organismos patógenos, también se eliminan los microorganismos más termo-sensibles, como los coliformes, y se inactiva la fosfatasa alcalina, pero no así las esporas o la peroxidasa, ni las bacterias un poco más termo-resistentes, como las lácticas; es decir, la leche pasteurizada todavía tiene una determinada cuenta microbiana, principalmente de bacterias lácticas ( no patógenas pero si fermentativas) , y requiere de refrigeración, ya que su vida de de anaquel es tan solo de algunos días.

Con temperaturas superiores a los 25 °C, mueren lo m.o. psicrófilos (coliformes), sobre los 42 ° C, mueren los mesófilos aerobios y superiores a 60 °C, mueren los termo-resistentes (Salmonella). La eficiencia de la pasteurización se mide mediante la prueba de la fosfatasa alcalina, con la cual hay que tomar ciertas precauciones ya que se presenta el fenómeno de la reactivación enzimática. La pasteurización continua tiene varias ventajas por encima del método de pasteurización por lotes, siendo la más importante el ahorro de tiempo y energía. Los diversos tipos de pasteurización son:

Ultrapasteurización (UP) Pasteurización por lotes (VAT) "High temperature short time

Pasteurization" (HTST) "Ultra High temperature" (UHT) La Pasteurización Flash

Las características de los distintos tipos de pasteurización se las visualiza en la tabla 1.

I.1. PASTEURIZACIÓN HTST

En esta planta el método que se está utilizando es HTST, el cual es alta temperatura (72-78ºC) en corto tiempo (15-20s). La leche apta para la

pasteurización debe cumplir con especificaciones en su estado, principalmente se analizan la presencia de sedimentos, la concentración de agua además la materia prima desde su obtención debe ser transportada de la mejor manera y siempre procurando mantenerla a una temperatura de 4 a 10ºC.La pasteurización que se controlará tiene un proceso continuo que utiliza un pasteurizador de tiempo breve a alta temperatura (High temperature short time / HTST). El tratamiento de calor se lleva a cabo utilizando ya bien un intercambiador de calor a placas o un intercambiador de calor tubular. El intercambiador a placas consiste de una pila de placas de acero inoxidable corrugado prensada dentro de un marco. Hay varios patrones de flujo que pueden ser utilizados. Se utilizan empaques para definir las fronteras de los canales y evitar fugas. El medio de calentamiento es normalmente vapor o agua caliente. Los intercambiadores de calor tubulares se utilizan cuando los fluidos contienen partículas que bloquearían los canales de un intercambiador de calor a placas.

Tabla 1: Tipos de Pasteurización

II. SUBPROCESOS El proceso de pasteurización consta de 3 subprocesos principales, tal y como se indica en la figura 1.

Figura 1: Diagrama funcional del proceso de pasteurización

II.1.CALENTAMIENTOEl proceso de HTST exige un calentamiento de la leche en un rango de temperatura de 72 y 78 ºC. Durante esta etapa los microorganismos termo-resistentes son eliminados sin que la leche pierda sus propiedades alimenticias.Esta etapa utiliza el principio de transferencia de energía calorífica de manera que requiere un intercambiador de calor tubular y una caldera que suministra agua caliente elevando la temperatura de la leche hasta que en el intercambiador se logre un equilibrio térmico, siempre y cuando el proceso se encuentra en funcionamiento continuo.Para optimizar la energía que utiliza la caldera y aprovechar los recursos de otras etapas, la leche es precalentada debido a la segunda etapa, la leche debe alcanzar aproximadamente los 15 ºC y este subproceso se denomina regeneración,

además se realiza utilizando el mismo principio físico.

II.2.RETENCIÓNEs necesaria una etapa de retención ya que la leche debe mantenerse a temperaturas entre 72 y 78 °C durante 15 a 20 segundos para completar con la eliminación de los microorganismos como la salmonella y coliformes. La leche circula por una tubería de acero inoxidable de longitud necesaria para que el fluido de la leche dure el tiempo requerido en esta etapa. Las tuberías deben ser aisladas térmicamente para mantener la temperatura de la leche.

II.3.ENFRIAMIENTOPara concluir con el proceso de pasteurización se debe bajar rápidamente la temperatura de la leche entre 10 y 12 °C, y así mantener a los microorganismos en estado inactivo de reproducción. Este

proceso es efectivo siempre que se cumplan con las condiciones de temperatura y tiempo.

Al igual que en el calentamiento en esta etapa la leche se enfría en un

intercambiador de calor donde circula la leche y agua refrigerada. La leche debe estar previamente enfriada en la misma etapa de regeneración que se hace para el precalentamiento.

Figura 2: Subprocesos del sistema

III. DIAGRAMA FUNCIONAL

PASTURIZACIÓN

RETENCIÓNCALENTAMIENTO ENFRIAMIENTO

ELEVAR TEMPERATURA

A 85 ºC

MANTENER LA TEMPERATURA

CONSTANTE ENTRE 72 Y 78 ºC

BAJAR LA TEMPERATURA

ENTRE 10 Y 12 ºC

TANQUE DE PRODUCTO BOMBA DE PRODUCTO INTERCAMBIADOR DE CALOR TANQUE DE AGUA BOMBA DE AGUA SENSOR DE TEMPERATURA SENSOR DE NIVEL CALDERO

INTERCAMBIADOR DE CALOR TANQUE DE PRODUCTO BOMBA DE PRODUCTO SENSOR DE TEMPERATURA CALDERO

TANQUE DE PRODUCTO BOMBA DE PRODUCTO INTERCAMBIADOR DE CALOR NEÓN AGUA FRÍA BOMBAS DE AGUA FRÍA SENSOR DE TEMPERATURA

Figura3: Diagrama funcional

IV. DISEÑO DE SOFTWARE

Todo el diseño del sistema de control se lo ha realizado en Visual Basic, ya que este presenta grandes ventajas de programación textual, además nos permite realizar ventanas de interacción con el operario y de esta manera poder tener un HMI entendible para el usuario.Todo lo que se está haciendo en el HMI es controlar las variables necesarias para que el proceso se de manera efectiva.

Se toma información de las termocuplas, de los sensores de nivel y del caudalímetro.Como una breve reseña podemos decior que el proceso no puede comenzar si no se han cumplido las condiciones inicialesde funcionamiento las cuales son:

Nivel de leche adecuado (Tanque de leche cruda en nivel alto).

Nivel de agua de la caldera adecuado.

Temperatura del caldero en 85°C.Estos parámetros son necesarios ya que de otra manera no se puede tener una

pasteurización adecuada y caeríamos en desperdicio de materia prima porque el producto final no cumpliría las normas de consumo.

Figura 4: Panel de controlFigura 5: Variables controladas

Figura 6: Autores

V. RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL SISTEMA DE CONTROL DE PATEURIZACION CON EL METODO HTST

V.1.Introducción del Sistema Experimental

El test se lo hará de modo que podamos comprobar si las señales de entrada y salida son las correctas, en especial el de las termocuplas ya que la temperatura juega un papel predominante en el proceso. Como hemos dicho el núcleo del sistema de control es un microcontrolador PIC, una interfaz con el computador y su respectiva comunicación y los sensores de nivel.

V.2.Problemas experimentalesLa toma adecuada de las señales hacen que cualquier sistema o proceso funcione de

manera adecuada o presente respuesta, por lo que el acondicionamiento si este fuera necesario se lo hará de la mejor manera, a continuación veremos las respuestas de cada una de ellas.

V.2.1. Entradas La información que nos entregaba la termocupla que medía temperatura de refrigeración era incorrecta, siempre nos daba un valor superior a los 100°C, se procedió a revisar su conexión pero no logramos mejoría, se decidió hacer un cambio, dando como resultado la medición correcta de temperatura.

V.2.2. Comunicación Primeramente el PLC que posee la planta es manejado con Step7 de la familia Siemens pero este software es para el sistema operativo WindowsXP y actualmente los computadores trabajan con sistemas de Windows Seven, por lo que se tuvo que crear una máquina virtual en el sistema operativo actual, logrando de esta manera instalar los programas necesarios para manipular la planta.La comunicación se da por interfaz RS485 con cable TC/PPI desde el PLC al computador (Visual Basic) teniendo que en un comienzo no se lograba comunicar ya que el cable era del tipo serial y los computadores portátiles actuales ya no lo poseen, otro problema, la solución fue realizar un arreglo de cables para poder trabajar con un conversor de USB a Serial, de esta manera logramos la comunicación de manera correcta.Mas adelante logramos hacer uso de un cable TC/PPI USB, de esta menra fue mucho más fácil la comunicación (menos cables).

V.2.3. Temperatura del Caldero

Tenemos el inconveniente de que el proceso en sí es muy lento, y la temperatura de Caldero para llegar al valor de 85°C toma 45 minutos en llegar a esta temperatura.

V.3.Comprobación de valores

Figura 7: Temperatura de calentamiento

Figura 8: Temperatura del Caldero

Los datos que se adquirieron son a partir de que el caldero ha alcanzado la temperatura de la condición inicial de 85°C. La temperatura de la gráfica no es regular, debido a que la adquisición de datos hecha por el microcontrolador no es resultado de un promedio de muestras, sino el valor instantáneo de temperatura.

Figura 9: Temperatura de retención

Figura 10: Temperatura de refrigeración

La temperatura inicial presenta un pico debido a la mala conexión en el circuito de acondicionamiento de la termocupla. En el tiempo de trabajo, la temperatura de refrigeración tiende a aumentar, impidiendo que el subproceso alcance la condición inicial de 17°C.

Figura 11: Temperatura de enfriamiento

La temperatura del Neón tiene una pendiente de crecimiento baja.

Figura 12: Caudal

El caudal permanece constante. Esto permite que la producción sea de 2l/min.

VI. CONCLUSIONES

Desde el punto de vista educativo, se puede lograr un entrenamiento de los principios básicos de operación, reduciendo el nivel de abstracción que existe inherentemente en la enseñanza de control automático. A partir de un ambiente virtual los estudiantes pueden relacionarse con un ambiente industrial real. El tiempo que demora la planta en alcanzar las condiciones iniciales es de aproximadamente 90 min.

Para disminuir el tiempo que se demora la planta en alcanzar 85ºC se debería reemplazar las resistencias del calentador por unas de mayor potencia.En la etapa de enfriamiento se concluye que la capacitancia no es la adecuada, ya que el rango de temperatura alcanzado no es el requerido en el proceso HTST.La bomba de recirculación de agua se sobrecalienta al tiempo de 1h 30 min aproximadamente.

VII. RECOMENDACIONES

En las bombas se deberá incluir también protecciones térmicas, para proteger al motor de la bomba cuando se sobrecalienteTratar de que las termocuplas estén bien ubicadas ya que de lo contrario podemos recaer en errores de medición.El microcontrolador debería hacer promedios de muestras para poder tener una mejor lectura, ya que a pesar de tener una buena resolución.Al momento de parar la producción a causa del sobrecalentamiento del motor de la bomba, deberemos esperar alrededor de 30min para comenzar la producción nuevamente.

VIII. Agradecimientos

Los autores agradecen la colaboración prestada por el ingeniero Carlos Castro por la revisión de este documento.

IX. Referencias

Tesis:

Libros:

Reportes Técnicos:SOTOMAYOR Nelson; Como preparar un artículo en formato IEEE para XXIII JIEE; Escuela Politécnica Nacional (EPN), Quito – Ecuador.

X. BIOGRAFIA

Carlos Cuenca

Rubén A. Guallichico Ati

Rubén Guallichico, Nació el 14 de Abril de 1988 en Quito Ecuador. Sus estudios secundarios fueron realizados en el Colegio Técnico Salesiano “Don Bosco” donde logro ser portaestandarte de la

bandera del Colegio, participó en la implementación de un sistema de alarmas comunitarias y un sistema de cerradura electrónica con tarjeta magnética en el mismo establecimiento.Áreas de interés: robótica, automatización y control industrial.(pato-tanque@hotmail.com)

Fernando Trujillo

Ana Vega