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Sistema de control de humedad en alimentos balanceados
TITULACIÓN: Ingeniería Técnica Industrial en Electrónica Industrial
AUTOR: DIRECTOR:
Óscar Casas García Alfonso Romero
Fecha: Junio del 2015
ÍNDICE 1 2 3 4
Introducción .......................................................................................................... 5 Descripción de la empresa .................................................................................... 6 Objetivos del proyecto .......................................................................................... 6 Análisis del sistema de fabricación ...................................................................... 7 4.1 Definiciones ...................................................................................................... 7 4.2 Descripción general de funcionamiento ......................................................... 10 4.3 Subprocesos del sistema de fabricación ......................................................... 12 4.3.1 Sistema de molienda .................................................................................. 12 4.3.2 Mezclado ................................................................................................... 13 4.3.3 Acondicionamiento.................................................................................... 14 4.3.4 Granulación ............................................................................................... 14 4.3.5 Enfriamiento .............................................................................................. 15 4.3.6 Ventajas de la homogeneización de la humedad en la mezcladora ........... 16 5 Sistema de control de la humedad ...................................................................... 17 5.1 Introducción .................................................................................................... 17 5.2 Humedad en el proceso de producción ........................................................... 17 5.3 Esquema del sistema de control ..................................................................... 18 6 Equipo dosificador.............................................................................................. 19 6.1 Introducción .................................................................................................... 19 6.2 Sistema hidráulico .......................................................................................... 19 6.2.1 Esquema hidráulico .................................................................................... 19 6.2.2 Bomba de impulsión de agua ..................................................................... 20 6.2.2.1 Cálculo del caudal máximo requerido ................................................ 21 6.2.2.2 Cálculo de la altura manométrica total ............................................... 22 6.2.2.3 Pérdidas de carga ................................................................................ 22 6.2.3 Bomba de impulsión del rehidratante ......................................................... 25 6.2.4 Dimensionamiento tuberías ........................................................................ 27 6.2.5 Medidores de caudal ................................................................................... 28 6.2.6 Interruptor de presión ................................................................................. 30 6.2.7 Probeta de calibración ................................................................................ 30 6.2.8 Electro-válvulas de corte por accionamiento neumático ............................ 30 6.2.9 Nivel de los depósitos ................................................................................. 31 6.2.10 Boquillas de pulverización ......................................................................... 31 6.3 Sistema de control del equipo dosificador...................................................... 32 6.3.1 Introducción ................................................................................................ 32 6.3.2 Selección de los modos de funcionamiento................................................ 32 6.3.3 Entradas del sistema ................................................................................... 32 6.3.4 Salidas del sistema ...................................................................................... 33 6.3.5 PLC del sistema de control ......................................................................... 34 6.3.6 Módulo analógico digital ............................................................................ 35 6.3.7 Variadores de frecuencia ............................................................................ 35 6.3.8 Esquemas eléctricos .................................................................................... 36 6.4 Esquema de control del equipo dosificador .................................................... 37 6.4.1 Maniobra..................................................................................................... 37 6.4.2 Inicializaciones ........................................................................................... 38 6.4.3 Alarmas ....................................................................................................... 38 6.4.4 Función “Control dosis manual” ................................................................ 39 6.4.5 Función “Salidas de pulsos” ....................................................................... 40 6.4.6 Función “Control dosis calibración ............................................................ 42 2
6.4.7 Función “Control caudal” ........................................................................... 43 6.4.8 Sensor de humedad y scada de control ....................................................... 47 6.4.9 Totalizadores .............................................................................................. 47 6.5 Sistema HMI ................................................................................................... 48 6.5.1 Introducción ................................................................................................ 48 6.5.2 Páginas del sistema HMI ............................................................................ 48 6.5.2.1 Página de inicio ................................................................................... 48 6.5.2.2 Página de estatus.................................................................................. 49 6.5.2.3 Página de alarmas ................................................................................ 52 6.5.2.4 Página de password ............................................................................. 53 6.5.2.5 Página de ajustes.................................................................................. 54 6.5.2.6 Página de configuración ...................................................................... 55 6.5.2.7 Página de calibración ........................................................................... 58 6.5.2.8 Página de gráficos ................................................................................ 60 6.5.2.9 Página de sensor .................................................................................. 61 7 Scada de control.................................................................................................. 61 7.1 Introducción .................................................................................................... 61 7.2 Estructura del scada de control ....................................................................... 62 7.3 Entorno de usuario, pantallas del scada de control ......................................... 62 7.3.1 Pantalla inicial ............................................................................................ 63 7.3.2 Pantalla de humedad ................................................................................... 64 7.3.3 Pantalla de datos on-line ............................................................................. 64 7.3.4 Pantalla de mezcladora ............................................................................... 68 7.3.5 Pantalla de históricos .................................................................................. 70 7.3.6 Pantalla de configuración ........................................................................... 75 7.3.7 Pantalla de configuración de productos ...................................................... 75 7.3.7.1 Visualización de los productos ............................................................ 76 7.3.7.2 Insertar un nuevo producto .................................................................. 76 7.3.7.3 Editar un producto existente ................................................................ 76 7.3.7.4 Borrar un producto............................................................................... 76 7.3.8 Pantalla de configuración de rectas de calibración ..................................... 77 7.3.8.1 Visualización de las rectas de calibración ........................................... 77 7.3.8.2 Insertar una nueva recta de .................................................................. 78 7.3.8.3 Editar una recta de calibración existente ............................................. 78 7.3.8.4 Borrar una recta de calibración ............................................................ 78 7.4 Comunicaciones ............................................................................................. 79 7.4.1 Protocolo de comunicación con el sistema de control de fábrica ............... 79 7.4.2 Formato de las base de datos de comunicaciones....................................... 80 7.4.3 Comunicaciones con el PLC....................................................................... 81 7.5 Programa de control........................................................................................ 82 7.5.1 Subrutina “Inicializaciones” ....................................................................... 84 7.5.2 Subrutina “ Leer datos de fábrica” ............................................................. 85 7.5.3 Subrutina “Cálculo humedad inicial” ......................................................... 86 7.5.4 Subrutina “Escribir datos a fábrica” .......................................................... 87 7.5.5 Función “Cálculo humedad final” .............................................................. 89 7.5.6 Subrutina “Escribir resultados en DB” ....................................................... 90 7.5.7 Subrutina “Terminar proceso” ................................................................... 91 7.6 Alarmas del scada de control .......................................................................... 91 7.6.1 Alarma por falta de nivel en el depósito de rehidratante ............................ 91 7.6.2 Alarma por sobrepresión en la línea ........................................................... 93 3
7.6.3 Alarma por fallo en el medidor de caudal del rehidratante ........................ 93 7.6.4 Alarma por fallo en el medidor de caudal del agua .................................... 94 7.6.5 Alarma por fallo en el motor de la bomba de rehidratante ......................... 94 7.6.6 Alarma por fallo en el motor de la bomba de agua .................................... 94 7.6.7 Alarma de tiempo máximo de inyección superado .................................... 94 8 Elementos de medida de humedad ..................................................................... 94 8.1 Introducción .................................................................................................... 94 8.2 Sensor de humedad por microondas Hidromix .............................................. 95 8.2.1 Conexión del sensor de humedad ............................................................... 96 8.2.2 Parametros ajustables del sensor ................................................................ 97 8.2.2.1 Ajuste de la recta ................................................................................. 97 8.2.2.2 Filtros de velocidad de salto ................................................................ 97 8.2.2.3 Tiempo de filtrado ............................................................................... 97 8.2.2.4 Salidas analógicas ................................................................................ 98 8.2.2.5 Entradas/salidas digitales ..................................................................... 98 8.3 Partes del sensor ............................................................................................. 98 8.4 Instalación del sensor en la mezcladora ......................................................... 99 8.5 Procedimiento de calibración ......................................................................... 99 8.5.1 Procedimiento de toma de muestras ......................................................... 100 8.6 Materiales y métodos de referencia .............................................................. 101 8.6.1 Balanza de humedad por infrarojos .......................................................... 101 8.6.2 NIR ........................................................................................................... 102 8.6.3 Laboratorio ............................................................................................... 102 9 Futuras líneas de trabajo y conclusiones .......................................................... 103 9.1 Futuras líneas de trabajo ............................................................................... 103 9.1.1 Regulación del acondicionador ................................................................ 103 9.1.2 Regulación del enfriador .......................................................................... 103 9.2 Conclusiones................................................................................................. 104
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1
Introducción
El proyecto se desarrolla en el ámbito agroalimentario, concretamente en la producción de alimentos balanceados para animales. Este proyecto se ha desarrollado con la intención de automatizar el sistema actual de control de la humedad en el alimento balanceado. Actualmente en la mayoría de casos es un proceso totalmente manual y con un importante retardo en la toma de decisiones para corregir el error del sistema. La producción de alimentos balanceados es un proceso difícil de controlar, debido a las muchas variables que intervienen en el proceso, y las muchas condiciones variables, como la humedad, la temperatura, la calidad de materias primas. Como se verá más adelante la humedad del alimento es un parámetro clave para su óptima producción, y veremos que interviene de una forma muy activa en varios procesos del sistema de producción. Se puede aportar humedad de forma líquido contra sólido o gas contra sólido donde la humedad del líquido o vapor se transfiere por contacto hacia el sólido, y podemos perder humedad mediante un proceso de secado, donde la humedad del sólido se transfiere por evaporación hacía el gas. Con lo realizado en este proyecto se ha pretendido implementar un sistema de control que corrija las variaciones de humedad durante el proceso de fabricación El presente proyecto se organiza en los siguientes capítulos: • Descripción de la empresa donde se ha realizado el proyecto y las aplicaciones que realiza. • Objetivos del proyecto. • Análisis del sistema de fabricación, donde veremos los distintos procesos y elementos que intervienen en la fabricación del alimento y en que afectan a la humedad. • Sistema de control de humedad. • Equipo dosificador. Veremos el diseño del sistema de corrección de la humedad en la mezcladora, elementos que lo componen y la justificación de la utilización de dichos elementos. Programa de control del PLC. Organización y esquema del programa que controla el equipo dosificador. • Desarrollo del SCADA de control y del sistema de interface con el usuario. • Elección de los sensores de humedad. Desarrollo del procedimiento de toma de muestras y calibración del sistema de medida. • Conclusiones. Valoración del sistema y futuras líneas de trabajo.
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Descripción de la empresa
Apsatech 2003 s.l. se constituyó en el año 2003 para dar soluciones y servicios de mantenimiento en el entorno de la dosificación de productos biocidas, evolucionando hacia el desarrollo de sistemas de control automático en el ámbito de la fabricación agroalimentaria. Apsatech 2003 se ha especializado en la fabricación de equipos dosificadores de los productos biocidas creados por la empresa Adiveter s.l. que al igual que Apsatech, forma parte del grupo de empresas Andreu Pintaluba. Trabajamos con varios tipos de equipos dosificadores: • • •
Equipos para el tratamiento de materias primas o equipos de caudal continuo Equipo para el tratamiento por lotes. Dosificadores en granja
En Apsatech también ofrecemos servicio de mantenimiento de los equipos que suministramos, además de un servicio más global de mantenimiento industrial y servicios de montaje de instalaciones hidráulicas y eléctricas
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Objetivos del proyecto
• Realizar un análisis de la humedad durante el proceso de fabricación de alimentos. • Diseñar un sistema de control de la humedad del alimento • Elección de los sistemas de medida y los sensores de humedad • Diseñar un sistema de dosificación necesario para actuar y corregir la humedad del alimento. • Diseñar los sistemas hidráulicos y electrónicos de control necesarios
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Análisis del sistema de fabricación
4.1
Definiciones
• Alimentos balanceados Un alimento balanceado es una mezcla de alimentos naturales pre-cocidos, que contiene todos los ingredientes nutricionales necesarios para cada especie animal dependiendo de su raza, edad y peso. •
Humedad
La humedad es una variable física, definida como la cantidad de agua absorbida por un sólido o disuelta en un gas. •
Humedad absoluta sobre base húmeda m = +
100
dónde:
es la humedad absoluta sobre base húmeda, en tato por cien de masa. ma es la masa de agua absorbida por un sólido es la masa del sólido seco donde está disuelta el agua •
Humedad absoluta sobre base seca =
m
100
dónde: es la humedad absoluta sobre base seca, en tato por cien de masa. ma es la masa de agua absorbida por un sólido es la masa del sólido seco donde está disuelta el agua Durante todo el documento siempre que hablemos de humedad nos referiremos a humedad absoluta sobre base húmeda •
Humedad ligada
Es la que está químicamente unida a la molécula de alimento y no queda disponible para los microorganismos. El agua está ligada por enlaces de hidrógeno, enlaces ion-dipolo y otros enlaces químicos fuertes.
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•
Definición humedad libre, actividad de agua.
La definición de actividad de agua (aw) en química alimentaria es la relación que existe entre la presión de vapor del aire que rodea a un alimento y la presión de vapor del agua pura, ambas a la misma temperatura. Cada alimento tiene en su composición una cantidad total de agua. La parte de esa agua que se encuentra libre, disponible para interaccionar, es la actividad de agua de ese alimento (aw). El rango de Aw va de 0 a 1, considerando 1 para alimentos con la máxima cantidad de agua libre y de 0 para los alimentos que no tienen. Crecimiento fúngico
Aw
Micotoxinas
Aw
Aspergillus flavus
0.78
Aflatoxina B1
0.83
Aspergillus parasiticus
0.70
Patulina
0.95
Penicillium expansum
0.85
Ocratoxina A
0.88
Penicillium patalum
0.83
Ácido penicílico
0.90
Aspergillus clavatus
0.85
Citrinina
0.88
Tabla 1. Crecimiento de bacterias relacionado con la actividad de agua •
Camada
La definición de camada es el conjunto de cosas que se colocan extendidas horizontalmente de modo que puedan ponerse otras sobre ellas, en concreto nosotros siempre nos referiremos a la altura de alimento balanceado colocado en cualquier recipiente o transportador.
• Rehidratante El agente rehidratante es una substancia química que añadiremos al agua para mejorar la rehidratación del alimento. Sus características principales son: 1. Propiedad anti-fúngica. Los ácidos orgánicos incorporados en su formula química evitan la formación de hongos y bacterias.
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Figura 1. Célula interaccionando con el ácido propiónico y el propionato amónico. 2.
Reducción de la tensión superficial del agua.
La aplicación de tensioactivo en el rehidratante evita la formación de micelas por reducción de la polarización molecular molec del agua.
Figura 2. En la foto de la figura vemos cómo cómo la gota con rehidratante pierde tensión superficial. Disminuyendo la tensión superficial conseguimos una mejor distribución del líquido añadido y una mejor fijación a partículas de pienso. También bién se consigue una mayor retención de la humedad en el alimento, hasta el 80%, con lo que hay menos pérdida pé por evaporación.
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4.2
Descripción general de funcionamiento
Proceso de fabricación El proceso de fabricación de alimentos balanceados se inicia con la recepción de las materias primas necesarias para su fabricación. Estas materias primas pueden llegar en forma de grano o harina. Una vez definida la composición del alimento pasamos a la fabricación. Las diferentes materias primas se conducen mediante transportadores horizontales y elevadores de cangilones a la parte superior de la fábrica. De esta manera van pasando por los diferentes procesos ayudados por la gravedad. Inicialmente las materias pasan a la tolva de premolienda o directamente a una tolva de espera para entrar en la mezcladora en el caso de las harinas. Estos granos o cereales tienen que convertirse en harina, por lo que se procesan en un molino. Normalmente suele ser un molino de martillos con un tamiz de salida, el cual marca el tamaño de partícula de la harina. Una vez que tiene el tamaño deseado la harina cae a una tolva de espera para caer a la mezcladora. Suponiendo que todas las materias primas están preparadas se empieza a cargar la báscula de entrada a la mezcladora pesando secuencialmente los productos que entrarán a la misma. Normalmente entran primero los macro-ingredientes de la fórmula, los cereales y harinas. Una vez vaciados entran por otras tolvas los micro-ingredientes, que suelen ser vitaminas, correctores y encimas. Todos los productos se mezclan durante un tiempo llamado mezclado seco. Finalizado este tiempo se pasa a la adición de líquidos en la mezcladora, que pueden entrar todos a la vez o secuencialmente. Al finalizar la adición se mezcla durante el tiempo de mezcla con líquidos. Al finalizar el proceso de mezclado el lote puede tomar dos posibles caminos. Si el producto deseado es en harina pasa a bifurcarse a las tolvas de producto acabado, donde se almacena a la espera de servirse a granel en un camión o en sacos. Si el producto es granulado se almacena en unas tolvas de proceso para alimentar el sistema de acondicionamiento y granulación. El producto va hacia el acondicionador, donde se aumenta de temperatura y humedad para facilitar el paso por la granuladora. Después el producto pasa por el enfriador, donde se almacena con una camada determinada por donde pasa un flujo de aire que lo enfría. Finalmente el producto pasa a las tolvas de producto terminado y pasa a ser servido a granel o ensacar.
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Figura 3. Diagrama general de flujo del proceso de fabricación
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Figura 4. Elementos del sistema de producción
4.3
Subprocesos del sistema de fabricación
4.3.1
Sistema de molienda
El cereal entra en el molino donde es golpeado en la placa de impacto sucesivamente por unos martillos anclados a un eje que gira propulsado por un motor eléctrico. En la parte inferior se colocan los tamices, placas con agujeros de un tamaño específico. Cuando las partículas tienen un tamaño ligeramente inferior pueden salir a través del tamiz y pasar a las tolvas de salida.
Figura 5. Molino de martillos 12
Esta clase de molino puede llegar hasta las 100 Ton/h y pueden producir reducciones de hasta 340 a 1, aunque unque normalmente se trabaja con tamaños de d partícula de aproximadamente 3 mm². 4.3.2 Mezclado El proceso de mezclado es muy importante importante en la fabricación de alimentos balanceados, de hecho el objetivo es producir una mezcla uniforme de todos los ingredientes necesarios para el animal. El mezclado ocurre cuando las partículas de los ingredientes se mueven y otras ocupan su lugar, las mezcladoras cladoras que producen un máximo movimiento sobre las partículas son las que producen un mezclado más eficiente. Hay otras propiedades de las partículas que afectan en la capacidad de mezclado, como el tamaño de partícula, densidad o adhesividad, aunque laa más importante es el tamaño de partícula. Cuanta más homogeneidad se tiene en el tamaño de partícula más eficiente es el mezclado. Por desgracia muchas veces se tiene que trabajar con tamaños de partícula muy diferentes. Las mezcladoras más usadas us son las de tipo horizontal y pueden ser de paletas o helicoidales. Los tamaños de mezcladoras tienen un rango de trabajo 1 a 10 Toneladas teniendo en cuenta que la densidad del alimento suele ser de 0,7 kg/cm². g/cm². Normalmente el tiempo de mezclado varía entre cuatro cuatro y seis minutos y está distribuido tal ta como se muestra en la figura 6.
Figura 6. Cronograma de mezclado Inicialmente caen los productos sólidos mayoritarios de la fórmula, los llamados macro ingredientes, poco después se añaden los correctores, vitaminas vitaminas encimas y otros componentes minoritarios, todos ellos considerados micro ingredientes, estos productos se dejan mezclar durante un tiempo, tiempo de mezclado seco, este tiempo depende de los componentes de la fórmula y de la eficiencia de la mezcladora. mezclad A continuación se comienza la dosificación de líquidos, cuando se termina de dosificar el último producto se deja mezclar durante un tiempo para asegurar la correcta homogenización de toda la mezcla.
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4.3.3
Acondicionamiento
El acondicionado del alimento se realiza mediante dos elementos, un transportador horizontal que regula la entrada de producto al propio acondicionador, y el acondicionador propiamente dicho. El acondicionador es un mezclador dinámico de harina y vapor cuyo objetivo es hidratar y aumentar de temperatura del alimento. Sus palas están colocadas de manera que no mezcla por igual en toda su superficie. Dependiendo de las zonas están colocadas para favorecer el avance del material, el mezclado, o la retención. Es muy importante la calidad del vapor de entrada al acondicionador. Éste tiene que tener una calidad alta y ser lo mas saturado posible, es decir, con la menor cantidad de partículas en estado líquido. La temperatura ideal está entre 105 y 120 ºC con una presión de entrada entre 2 y 3 bar. El objetivo para el alimento es que salga con una temperatura cercana a los 80 ºC, y una humedad del 17%. Estas condiciones favorecerán el proceso de granulación.
4.3.4
Granulación
El objetivo de la granulación es la formación de alimento en forma de “pellet”: Porciones de alimento compactadas que favorecen el transporte, minimizan la pérdida de micro-ingredientes y favorecen la palatabilidad del alimento en el animal. Para realizar esta operación se utiliza la granuladora. Las partes principales son: • • • •
Motor y grupo de arrastre Matriz Rodillos Cuchillas
El alimento entra a la parte interior de una matriz, que está perforada con agujeros del tamaño de salida del pellet, los rodillos empujados por el grupo de arrastre comprimen el alimento y éste se ve forzado a salir por los agujeros de la matriz. En el proceso el alimento aumenta la temperatura a 95-110 ºC y se produce la caramelización, dándole más rigidez y durabilidad al pellet. Las cuchillas cortan el pellet al tamaño ajustado y éste continúa con el proceso de enfriado.
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Figura 7. Elementos del sistema de granulación
Figura 8. Conjunto matriz y rodillo
4.3.5
Enfriamiento
El objetico del enfriador como su nombre indica, es el enfriamiento del pellet que sale del proceso de granulación. Los equipos usados son enfriadores de contraflujo. La temperatura de entrada del “pellet” varía entre 95 y 110 ºC. Los pellets caen formando una camada mientras a través de ellos pasa una corriente de aire forzado que los seca y enfría. El sistema se regula ajustando la altura de la camada, el caudal de aire y la temperatura en la parte inferior de la camada. Las compuertas en forma de rejilla se abren para dejar caer progresivamente el material situado en la parte inferior de la camada cuando se cumplen las condiciones de temperatura de salida.
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Figura 9. Enfriador de contraflujo
4.3.6
Ventajas de la homogeneización de la humedad en la mezcladora
Menos atascos en la peletizadora etizadora Una mala homogeneización del alimento puede provocar un atasco, si llega a la matriz alimento demasiado húmedo la matriz y el dado pierden fricción, fricción, patinan y el material que no entra bloquea el paso y se produce un atasco Menor consumo en la peletizadora pe Como hemos dicho antes, antes la estabilidad en humedad minimiza el deslizamiento entre el dado y la matriz, cuando estos elementos deslizan se produce produce un aumento en e el consumo de la granuladora.. También es importante resaltar que si el alimento está debidamente hidratado, hay una diferencia importante en el consumo entre un alimento alim seco y otro cercano al 13%. Hay ay que tener en cuenta también que una excesiva excesiva humedad puede provocar que el alimento no se pueda peletizar. pel Recuperación de las mermas, mermas, es decir, de la pérdida de humedad en las materias primas durante el proceso de fabricación.
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5
Sisteema de co ontrol de la humed dad
5..1
Introoducción
Ell objetivo del proyecto es disseñar un sistema de control paara automaatizar la dosifficación del rehidratantte y en el quue se pueda controlar laa humedad een la mezclladora. Ell sistema de d control tendrá t com mo consignaa la humedaad fijada ppor el clientte en su sistem ma de gestión. See tiene que diseñar el sistema s de dosificación n necesario para correggir las desv viaciones de laa humedad calculados c por p el sistem ma de contro ol.
5..2
Hum medad en ell proceso dee producció ón
Laa humedad final del depende d dee la humedaad inicial de d las materrias primass aunque durannte el proceeso de prod ducción poddemos perd der o ganar humedad en cada un na de las diferrentes fases de producción.
F Figura 10. Diagrama dde humedad d en el proceeso de fabriicación
Donde la hum medad final es:
Donde:
es la humedad innicial del alimento
es la humedad p erdida por fricción f en el e molino
es la humedad apportada porr líquidos en n la mezcladdora 17
es la humedad aportada vía vapor
es la humedad perdida en el enfriador
es la humedad perdida por fricción en la pelletizadora
es la humedad final del alimento
Todas odas estas humedades las podemos considerar constantes constantes o conocidas a excepción de la humedad inicial de las materias primas. primas La necesidad de los productores es evitar las mermas en el proceso de producción. producción. Como normalmente el resultado normal es que hayan mermas, el cliente prefiere ganar humedad para estabilizar la humedad de salida, salida que perderla para incrementar las mermas. Nosotros hemos optado por regular la humedad final del alimento añadiendo aportes de líquidos rehidratantes para regular la humedad de salida, de manera que siempre se reducirán reducir las mermas.
5.3
Esquema del sistema de control
Figura 11. Esquema de control HObj _ _
Humedad objetivo, consigna de entrada del sistema. Humedad inicial, salida del sistema de d medición inicial. Humedad final, salida del sistema de medición final.
El sistema tendrá como consigna la humedad objetivo que fije el cliente en su sistema, este dato tendrá que ser enviado a nuestro sistema. Durante Durante la mezcla seca el sistema de medición de humedad inicial medirá la humedad inicial del alimento y se le pasará al sistema de dosificación la cantidad de líquido a aportar para llegar a la humedad objetivo. Una vez corregida se medirá la humedad final del de alimento para registrar la información. información
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6
Equipo dosificador
6.1
Introducción
El equipo dosificador tiene como objetivo la dosificación del agente rehidratante para corregir la humedad del alimento en la mezcladora. El agente rehidratante se compone de una disolución de agua y un producto rehidratante, el equipo se tiene que encargar de ajustar automáticamente la concentración de rehidratante respecto del agua en función de parámetros ajustables por el usuario. El sistema de dosificación tendrá las siguientes partes: • 1. 2. 3. 4.
Sistema hidráulico Sistemas de almacenaje Elementos impulsores Línea de dosificación Elementos de instrumentación
• 1. 2.
Sistema de control Cuadro de control Sistema HMI
6.2
Sistema hidráulico
6.2.1
Esquema hidráulico
Figura 12. Esquema hidráulico del equipo dosificador
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6.2.2
Bomba de impulsión de agua
Para la dosificación del agua tenemos varias opciones de bomba impulsora, los criterios para seleccionarla son los siguientes: • • •
Tipo de líquido a dosificar Rendimiento Precio
Como el producto es agua y no es corrosivo podríamos usar cualquier bomba siempre y cuando sea plástica o de un metal inoxidable. En principio todos los fabricantes tienen una gama que podrían dosificar agua. En cuanto al rendimiento, necesitamos una bomba de aproximadamente 100 l/min con una presión de entre 3 y 5 bares. Las bombas que menos mantenimiento necesitan son las centrífugas. Para este rango de trabajo las bombas más económicas son las centrífugas. Las ventajas principales de las bombas centrífugas son su caudal constante, presión uniforme, sencillez de construcción, tamaño reducido, bajo mantenimiento y flexibilidad de regulación. Sin embargo, como desventaja encontramos que toda bomba centrifuga tiene la necesidad de cebado previo al funcionamiento, ya que no son auto-aspirantes. Las bombas centrífugas son máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro hidráulico. Sus elementos principales son la tobera de aspiración y el rodete. El rodete está formado por una serie de álabes que giran dentro de una carcasa circular. Su funcionamiento consiste en la entrada del fluido axialmente por la tobera de aspiración hasta el centro del rodete. Éste está accionado por un motor, experimentando un cambio de dirección pasando a radial o axial, según el tipo de bomba, adquiriendo una aceleración y absorbiendo un trabajo. Los álabes del rodete, someten a las partículas del fluido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, causando que abandonen el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el impulsor según la distancia al eje. En la voluta, también llamada carcasa, se transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete en energía de presión. La voluta está dispuesta en forma de caracol, de tal manera que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior. Esta separación, va aumentando hasta que las partículas del fluido se encuentran frente a la abertura de impulsión.
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6.2.2.1 Cálculo del caudal máximo requerido Los datos que necesitamos para calcular el caudal y la presión de la bomba de agua son los siguientes: • • •
Tamaño de la mezcladora Dosis máxima Tiempo máximo de dosificación
Para este proyecto supondremos una mezcladora estándar de tres toneladas, una dosis máxima del tres por ciento y un tiempo máximo de sesenta segundos para dosificar la dosis máxima. Las fórmulas utilizadas son:
=
Donde:
+
-
!"#$ ∗&"'( )**
Es la dosis máxima de agua expresada en volumen ,
Es el tamaño de la mezcladora Es la dosis máxima expresada en % .
0 / "'( 1"'(
Donde:
.
Es el caudal máximo requerido para la bomba
2
Es el tiempo máximo de dosificación
Es la dosis máxima de agua expresada en volumen
Para este caso obtenemos los siguientes resultados: +
-
,
3000 kg 3%
2
60 s
.
90 l/min
90 l
Tabla 2. Datos de caudal
21
6.2.2.2 Cálculo de la altura manométrica total La altura manométrica de la instalación es la altura total de elevación del líquido. La suma de la altura de aspiración más la altura de impulsión se denomina altura geométrica 3 . Esta última, sumada a las pérdidas de carga, es la altura manométrica total .
Figura 13. Esquema altura manométrica bomba agua
6.2.2.3 Pérdidas de carga La pérdida de carga que tiene lugar en una conducción representa la pérdida de energía de un flujo hidráulico a lo largo de la misma por efecto del rozamiento. Esta pérdida aumenta con la rugosidad y longitud de la tubería y se reduce si aumenta la sección de la tubería. Según algunos fabricantes podemos determinar que las pérdidas de carga debidas a codos de 90ª equivalen a cinco metros lineales de tubería y de 10 metros para las válvulas. Utilizando estos datos obtenemos que nuestra pérdida de carga es: 4
3
(metros lineales) = 6 (válvulas) x 10m + 10 (codos) x 5m + L
En nuestro caso concreto: L
4
20 m 3
130 *m
Si tenemos un Qmax de 90 l/min con una tubería de 38 mm miramos en el siguiente ábaco y obtenemos una pérdida de carga de aproximadamente 6 metros lineales por cada 100 metros de tubería lineal. En nuestro caso tenemos 130, por lo tanto 7,8 metros. 22
Figura 14. Ábaco pérdida de carga en tuberías Tabla de pérdidas de carga:
3
4
456
13m 1m 14m 3
7.8m 15m
4161
36.8m
Tabla 3. Pérdidas de carga
Concluimos que la perdida de carga total en el sistema es de 36,8 metros de altura lineal.
23
Datos técnicos de la bomba Lowara
Figura 15. Tabla de características Lowara
Figura 16. Datos técnicos bombas centrifugas Lowara 24
Teniendo en cuenta que el caudal máximo es de 90 l/min y la altura total es de 36.8 metros el mínimo modelo requerido es el 5HM05.
6.2.3
Bomba de impulsión del rehidratante
Para la dosificación del agente rehidratante tenemos varias opciones de bomba impulsora, los criterios para seleccionarla son los siguientes: • • •
Tipo de líquido a dosificar Rendimiento Precio
Opciones 1. Bombas peristálticas 2. Bombas de engranajes 3. Bombas pulsantes de membrana 4. Bombas pulsantes de pistón Clasificación del rehidratante El agente rehidratante está clasificado como producto corrosivo, por este motivo el material de la bomba en contacto con el rehidratante tiene que ser compatible químicamente. El rehidratante se dosifica a temperatura ambiente. Los materiales recomendados son: PE Poliester, PP Polipropileno, Inox AISI316, PVC, PVDF Rendimiento El caudal máximo requerido es del 4% del caudal máximo del agua (90 l/min). Para nuestro caso es de 3,6 l/min. Con una altura manométrica calculada anteriormente de 36,8 m. Todos los fabricantes tienen bombas capaces de trabajar con estos caudales y presiones. En cuanto al mantenimiento de las bombas: Las bombas peristálticas necesitan que cada cierto tiempo se reemplace la tubería flexible interior, ya que el esfuerzo mecánico las comprime y desgasta. Se tienen que minimizar los trabajos de mantenimiento debido a la naturaleza del producto. Las bombas de engranajes también precisan de un mantenimiento del cierre mecánico, los elementos del cierre se gastan debido a la fricción que genera el rozamiento entre el eje del motor y el cierre de la bomba. Este desgaste puede provocar fugas de producto, aunque su principal hándicap es la poca rigidez en la curva presión-caudal, si se aumenta la contrapresión en la bomba el caudal disminuye rápidamente. Por el contrario al ser una bomba de caudal constante minimiza los golpes de ariete en la tubería.
25
Las bombas pulsantes son bombas que precisan poco mantenimiento, ideales para dosificar productos químicos corrosivos debido a su amplia gama de materiales compatibles con ácidos. Una ventaja importante es la rigidez en la curva presión-caudal. Las de membrana son más compatibles con los ácidos orgánicos debido a que su construcción se hace en teflón. Valoración económica: Inox 316
PE
PP
PVDF
Peristálticas
-
-
.
1.100 €
Engranajes
-
-
-
800 €
Membrana
450 €
-
600 €
750 €
550 €
-
700 €
890 €
Pistón
Tabla 4. Valoración Económica Bomba pulsante de membrana Hemos escogido esta bomba por su bajo mantenimiento, por su alta rigidez presión caudal y por el precio. Es la más económica de las bombas propuestas y además es la que también tiene los repuestos más económicos. Su principal hándicap es la necesidad de incorporar elementos para controlar la presión de la línea. Este tipo de bombas puede romperse si se excede una presión máxima definida por el fabricante.
Cálculo del caudal máximo requerido El agente rehidratante se dosifica en proporción al agua que se dosifica. El rango de dosis va del 2% al 4% respecto del agua. Como ya tenemos los datos de caudal del agua, los podemos calcular fácilmente:
+
-
Agua ,
Rehidratante
3000 kg 3%
4%
2
60 s
.
90 l
3600 ml
90 l/min
3,6 l/min
3,8 bar
3,8 bar
4
Tabla 5. Datos de dosificación
26
Datos técnicos bomba pulsante Injecta
Figura 17. Modelos bomba pulsante de membrana El modelo que hemos escogido es el TM6138116 con un caudal máximo de 310 l/h a una presión máxima de 7 bars. Como este tipo de bombas tienen una regulación manual de la carrera de la membrana se pueden ajustar al caudal requerido. Además no es deseable una bomba que esté trabajando al límite máximo de su caudal.
6.2.4
Dimensionamiento tuberías
Para el cálculo de la anchura de las tuberías tendremos en cuenta los siguientes criterios: Velocidad máxima de fluido Caudal máximo .
v
.
= 90 l/min
0,5m/s < v < 2m/s Una velocidad de fluido menor a 0,5 m/s puede provocar sedimentaciones de material en la tubería. En cambio si superamos los 2 m/s el paso de fluido a través de la tubería puede generar ruido. Para ambientes domésticos no se recomienda superar 1 m/s pero al ser en industria podemos llegar hasta los 2 m/s.
27
Para calcular la anchura de la tubería usaremos la siguiente fórmula: . < 7=8 3600 ; 4 Donde : d
es el diámetro interno tubería (m). >
.
es el caudal máximo (
v
es la velocidad de fluido ( )
)
Para nuestro caso en concreto: ?
v( ) d (mm) .
(
0,5
1
2
48.5
34.3
24.2
90
90
90
)
Tabla 6. Tabla diámetro interno y caudal Como tampoco nos interesa trabajar en los límites, escogeremos una tubería comercial de 1 ½ “, que equivale a 38,1 mm, con lo que la velocidad del fluido no superará 1( ).
6.2.5
Medidores de caudal
Para una correcta dosificación de los productos necesitamos elementos de instrumentación capaces de medir la cantidad de producto y de agua que pasan por la línea de dosificación. Las opciones propuestas son: Medidores de caudal por turbina Los caudalímetros de ruedas ovaladas son del tipo de "desplazamiento positivo", es decir, su principio de funcionamiento consiste en la captura de volúmenes discretos de fluido que son conducidos desde la entrada a la salida del caudalímetro siguiendo un camino fijo. Esta tarea la llevan a cabo dos ruedas dentadas ovaladas que engranan entre sí en el interior de la cámara de medición. Determinado el número de revoluciones de las ruedas ovaladas podemos conocer el volumen de fluido que atraviesa el medidor. Para medir las revoluciones de las turbinas se utiliza un sensor inductivo con salida de transistor NPN o PNP que detecta unas levas de metal pegadas a las ruedas. Los líquidos tienen que estar filtrados, ya que las impurezas podrían bloquear el mecanismo. En nuestro caso, al trabajar con productos químicos que tienen facilidad para precipitar en forma de sales, nos obligaría a realizar un mantenimiento preventivo de las 28
ruedas ovaladas. Para el rehidratante, las ruedas y el cuerpo tienen que ser de un material químicamente compatible. Esto encarece el medidor. Medidores de caudal electromagnéticos Los caudalímetros electromagnéticos están basados en la Ley de Faraday y miden el paso de un líquido, eléctricamente conductivo, a través del tubo de medición donde se induce una tensión eléctrica entre dos electrodos opuestos cuando se le aplica un campo Electromagnético perpendicular al mismo. Esta tensión es proporcional a la velocidad del líquido y, por lo tanto, a su caudal. Estos caudalímetros son del tipo “no intrusivo”, es decir, que no existe ninguna pieza, ni fija ni móvil, dentro del conducto que restrinja el paso del líquido. Esta característica presenta varias ventajas: • Menor pérdida de carga. • No le afectan los golpes de ariete de las instalaciones. • Menores costes de mantenimiento mecánico • Facilidad de limpieza. Este aspecto es muy importante en la industria alimentaria. • Posibilidad de medir líquidos con sólidos en suspensión. Los caudalímetros electromagnéticos sólo pueden medir líquidos que tengan una conductividad superior a 20 µS/cm, es decir, agua con algún otro componente. Trabajan con precisiones de entre el 0,05% y el 2,5 % del caudal medido dependiendo de su calidad. Disponen de salida a transistor NPN o PNP, salida 4 20 mA y muchos salida RS232 o RS422. En nuestro caso nos servirían tanto para el agua como para el rehidratante. Medidores de caudal másico Los caudalímetros másicos son del tipo Coriolis. Estos equipos constan de uno o dos tubos, dependiendo del modelo, a los que se les hace vibrar por medio de un dispositivo colocado en el centro de los mismos. Se posicionan unos sensores inductivos a lo largo de los tubos para medir desfases que se producen entre ellos cuando circula el líquido. Estos desfases son producidos por fuerzas de Coriolis que actúan, en distinto sentido, a ambos lados de cada tubo de medida y que provocan una mínima deformación de los mismos que es proporcional al flujo másico. Este tipo de caudalímetros se les considera, en general, como los mejores equipos del mercado, pero por el precio que tienen los hemos descartado. Comparativa de precios Rehidratante
Agua
Turbinas
450 €
80 €
Magnéticos
450-1200 €
450-1200 €
Másicos
4000 €
6000 €
Tabla 7. Valoración económica 29
Finalmente nos hemos decantado por los medidores de caudal electromagnéticos. Su precio es asequible, casi no producen pérdidas de carga en la línea y, sobretodo, no necesitan mantenimientos preventivos. En concreto por los de la marca IFM electronics, son de gama media y bastante económicos.
6.2.6
Interruptor de presión
Utilizaremos un interruptor de presión en la línea de dosificación por seguridad. Estará tarado a la máxima presión permitida y mediante un contacto cerrado sabremos si se ha excedido dicha presión.
6.2.7
Probeta de calibración
La probeta de calibración se instala en la aspiración de la bomba del rehidratante. Mediante un accionamiento manual de la válvula de mano debajo de la probeta habilitamos la entrada de producto en la probeta. Una vez llena a la cantidad que queramos podemos cerrar la válvula de aspiración del depósito, de esta manera podremos usar el producto dentro de la probeta para realizar una calibración del sistema de dosificación.
6.2.8
Electro-válvulas de corte por accionamiento neumático
Hemos escogido válvulas pilotadas con actuadores de accionamiento neumático para cerrar la línea de dosificación una vez terminado el proceso, hemos escogido estas válvulas por la seguridad y robustez que ofrecen, estos actuadores están normalmente en posición cerrada forzados por la presión de un muelle tarado a una presión determinada. Para vencer la fuerza del muelle se usa una presión neumática, controlada por una electroválvula neumática, en este caso accionada a 220 VAC.
6.2.9
Nivel de los depósitos
Para la detección de una falta de nivel en el depósito usaremos un nivel de boya con un relé reed en el interior del eje, que se acciona cuando la boya pasa por delante. Este tipo de nivel está fabricado en acero inoxidable, con lo que es perfectamente resistente a la corrosión del rehidratante y además es muy fiable. El tipo de contacto que usaremos es uno normalmente abierto, que se cerrará cuando la boya detecte el nivel mínimo.
30
6.2.10 Boquillas de pulverización Para una correcta homogeneización de la disolución con el producto usaremos boquillas hidráulicas. El número y tamaño dependen de los siguientes factores: • • •
Caudal Presión Geometría de la mezcladora
En nuestro caso tenemos los siguientes datos: Presión
Caudal
Tamaño mezcladora
3,8 bar
90 l/min
3000
Como la mezcladora es de 3000 kg y mide seis metros, colocaremos dos boquillas por cada tonelada de mezcladora, un total de seis, una cada 857 mm desde un lateral de la mezcladora. Por lo tanto tendremos que el caudal de cada boquilla será de; .56 = 15 l/min
En este proyecto nos hemos decantado por usar boquillas de la casa comercial Spraying Systems, ya que tienen gamas de boquillas fabricadas en acero inoxidable, por lo que son robustas y aguantan bien la corrosión. De los diferentes tipos de boquillas hemos elegido las que tienen una superficie efectiva de contacto mayor, las de cono lleno. Mirando en las tablas teniendo en cuenta el caudal máximo al que pueden trabajar escogemos la boquilla TGSS20.
6.3
Sistema de control del equipo dosificador
6.3.1
Introducción
El equipo dosificador tiene que realizar una correcta dosificación y homogeneización de los dos productos a dosificar, agua y rehidratante. El sistema de control tiene que implementar las siguientes funcionalidades: • Modo manual de trabajo, la cantidad de producto a dosificar se fijará desde la pantalla de control del equipo dosificador, el inicio de ciclo será determinado por una señal digital discreta, actuada por los operarios o por algún elemento del sistema de fabricación. • Modo de funcionamiento automático, para que el equipo pueda ser controlado desde sala de control. • Modo de calibración del equipo dosificador. • Sistema de gestión de alarmas.
31
6.3.2
Selección de los modos de funcionamiento
Para la selección del modo manual y automático se habilitará un selector en el cuadro de control del equipo dosificador. Para la selección del modo de calibración se tendrá que introducir un password en la pantalla de control. Este modo de funcionamiento deshabilitará los otros modos de funcionamiento
6.3.3
Entradas del sistema
Las entradas discretas del sistema hidráulico son las siguientes: • • • • •
Mililitros dosificados por el caudalímetro del agua Mililitros dosificados por el caudalímetro del rehidratante Interruptor de presión de seguridad de la línea. Nivel mínimo depósito rehidratante Nivel mínimo depósito agua
Las entradas analógicas del sistema hidráulico son las siguientes: • •
Caudal de agua Sensor de humedad
Figura 18. Entradas del sistema hidráulico
32
Entradas relacionadas con la maniobra: • • • • • •
Selector modo funcionamiento automático Selector modo funcionamiento manual Inicio de ciclo manual Señal de marcha modo automático Protección del variador de velocidad de la bomba del agua Protección del variador de velocidad de la bomba del rehidratante
Todas las señales son discretas excepto las de caudal de los caudalímetros, que son señales analógicas proporcionales al caudal.
6.3.4
Salidas del sistema
Las salidas discretas del sistema son las siguientes: • • • • • •
Señal de marcha del variador del agua. Señal de marcha del variador del rehidratante. Electroválvula de aspiración del rehidratante Electroválvula de aspiración del agua Electroválvula de final de línea Zumbador acústico de alarma
Las salidas analógicas del sistema son las siguientes: •
Velocidad del variador del rehidratante
6.3.5
PLC del sistema de control
El sistema de control consta de once entradas discretas, tres entradas analógicas, seis salidas discretas y una salida analógica. Para realizar el control del sistema hemos escogido un PLC de la marca Omrom, en concreto el modelo CP1L-EL20DR-D. Este PLC dispone de 12 entradas de tensión continua y ocho salidas a relé. También dispone de dos entradas analógicas de baja resolución, 8 bits. Una ventaja importante de este PLC es que dispone de un puerto Ethernet para las comunicaciones.
33
Figura 19. Gama de PLC CP1L
Figura 20. Partes del PLC CP1L
6.3.6
Módulo analógico digital
Para la comunicación con entradas y salidas analógicas usaremos el siguiente módulo: CP1W-MAB221 de Omrom compatible con el PLC CPL1E EL usado en el equipo dosificador.
34
Figura 21. Modulo CP1W-MAB221
Figura 22. 22 Tabla de especificaciones del PLC. Como vemos en la tabla de especificaciones hay más resolución usando una u señal 0 – 10 V que una 4-20 mA. Por or este motivo nos decantaremos por la opción 0 – 10 V.
6.3.7
Variadores ores de frecuencia
Para la regulación del caudal usaremos un convertidor de frecuencia, el cual nos permitirá ajustar la frecuencia de alimentación de las bombas y, y en consecuencia, consecuencia el caudal. Para el rehidratantee usaremos usaremo uno con una potencia de 0,37 kW, W, y para par la bomba de agua uno de 2,2 kW. En ambos casos los dos son de la marca Teco. Ambos variadores estarán controlados a través relés que gestiona el PLC y los programaremos para que arranquen mientras tengan una entrada puesta a uno. La entrada puede definirse pero nosotros usaremos la predefinida, la S1. En el caso del variador del agua la frecuencia de trabajo será fijada manualmente desde el display del variador, fijando el parámetro de control 0.13 a la frecuencia fr que consideremos mejor para el funcionamiento de la instalación. El caso del rehidratante es un poco diferente, la frecuencia de trabajo será establecida por el sistema de control mediante media una entrada 4-20 mA.
35
Ambos variadores disponen de una salida a relé que nosotros usaremos para saber si el variador ha entrado en modo de fallo.
Figura 23. Página del esquema eléctrico, conexión de los variadores.
6.3.8
Esquemas eléctricos
Ver anexo I.
36
6.4
Esquema de control del equipo dosificador
El programa de control del equipo dosificador se ejecuta cíclicamente. Los bloques funcionales en los que hemos dividido el control son los que se muestran muestran en el diagrama de flujo del bloque funcional “maniobra”.
6.4.1
Maniobra
Figura 24. Diagrama de flujo del bloque funcional “maniobra maniobra”. Tal como vemos en el diagrama, inicialmente partimos de un estado de inicializaciones que una vez finalizado pasa a otro estado de reposo, en el que no se actúa sobre ningún elemento del sistema. Enn función de cómo se pilote el equipo podemos encontrarnos en cuatro estados, manual, automático, calibración o alarma. En el estado manual, habiendo recibido la señal de inicio de proceso, proceso pasamos al estado de funcionamiento de control ontrol de bombas en modo manual. Los Los parámetros definidos en el sistema HMI o por el scada de control definen la cantidad de disolución a aplicar por el equipo. En el modo de funcionamiento automático el control de la dosis se establece desde sala de control, aunque inicialmente esta información pueda provenir del scada de control, el control se realiza iza mediante una señal discreta. En E la sala de control se cuentan los pulsos generados por nuestro sistema mediante mediante el bloque “Salida de Pulsos”. Una U vez reciben los pulsos prefijados por su sistema retiran la señal de marcha en automático. En el modo calibración se acciona cada bomba por separado manualmente desde la pantalla antalla del equipo de control, mediante unos interruptores virtuales. La dosis se establece desde la pantalla de control. Desde cualquiera de los otros estados se puede pasar al modo de alarma si cualquier situación de alarma se produce. 37
6.4.2 Inicializaciones En este bloque se inicializan las variables de control, las direcciones de memoria usadas en los diferentes cálculos que se realizan durante todo el programa. También se inicializan a cero las variables susceptibles de desbordamiento. 6.4.3 Alarmas En este bloque gestionamos las alarmas del sistema, cada alarma marcará una variable que comunica con la pantalla para mostrar el mensaje adecuado al fallo, las alarmas tratadas son las siguientes: •
Alarma por sobrepresión en la línea
Las condiciones para que se active esta alarma es que la señal del presostato se active durante más de un segundo con el equipo en marcha. La entrada del PLC es la número once. •
Alarma por falta de nivel en el depósito de rehidratante
Esta alarma se produce cuando la señal discreta del nivel del depósito se activa en cualquier momento. •
Alarma por fallo en el medidor de caudal del rehidratante
Esta alarma se produce si estando en marcha dejamos de recibir pulsos de cantidad dosificada por el caudalímetro de rehidratante durante un cierto tiempo, definible desde la pantalla del equipo de control. •
Alarma por fallo en el medidor de caudal del agua
Esta alarma se produce si estando en marcha dejamos de recibir pulsos de cantidad dosificada por el caudalímetro de rehidratante durante un cierto tiempo, definible desde la pantalla del equipo de control. •
Alarma por fallo en el motor de la bomba de rehidratante
Si se cierra el relé de salida del variador de la bomba de rehidratante la pantalla mostraría este fallo. Se tendría que verificar si hay algún problema en la bomba o en el variador de frecuencia. •
Alarma por fallo en el motor de la bomba de agua
Si se cierra el relé de salida del variador de la bomba de agua la pantalla mostraría este fallo. Se tendría que verificar si hay algún problema en la bomba o en el variador de frecuencia. •
Alarma de tiempo máximo de inyección superado
Como veremos mas adelante, en la pantalla de datos de configuración del sistema podemos definir un tiempo máximo de inyección del equipo, si está habilitada esta opción y el tiempo definido es diferente a cero, si el equipo estuviese en marcha más de ese tiempo mostraría este fallo y se apagaría. Este parámetro lo definimos siempre al tiempo máximo de inyección de líquidos que disponemos. Si algún relé de control del equipo se quedara enganchado, se podría producir una sobredosificación e incluso la inundación de zonas bajas de la fábrica.
38
6.4.4 Función “Control dosis manual” En este bloque se controlan las dosis de rehidratante y agua para la dosificación en modo manual. También se controlan las variables usadas en la maniobra para establecer el final de la dosificación. Para el cálculo de la dosis se requiere la siguiente información: Datos
Fuente
Tamaño de mezcladora (Tm)
Pantalla o scada
Dosis rehidratante % (Dr)
Pantalla
Dosis disolución % (Dd)
Pantalla o scada
Pulsos por litro del rehidratante (Pr)
Pantalla
Pulsos por litro del agua (Pa)
Pantalla
Cuenta de pulsos de rehidratante (Cr)
PLC
Cuenta de pulsos de agua (Ca)
PLC
Densidad rehidratante (Dr)
Pantalla
Cantidad de agua
PLC
(Qa)
El número de pulsos que componen una dosis de rehidratante es: º ABC?D? EℎA =
! & &G
)***
El número de pulsos que componen una dosis de agua es: ! &
º ABC?D? HIBH = )*** Para tener la mayor precisión posible en el sistema hemos usado entradas rápidas para el contaje de la cantidad de rehidratante. En el PLC disponemos de dos entradas rápidas, que usaremos para el contaje de los dos líquidos. Estas entradas pueden trabajar hasta una frecuencia de 100 kHz. Si queremos una precisión de ±1 ml y configuramos el medidor de caudal para dar 1000 p/l a un caudal máximo de 6l/min obtenemos que la frecuencia máxima de trabajo es: HJ =
6000 A 1 A = 100 60?KI ?KI
Con lo que podríamos configurar el medidor de caudal a varias magnitudes por encima sin problemas. 39
Figura 25. Diagrama de flujo de la función “cálculo cálculo dosis manual”. manual En este bloque inicialmente inicialmente calculamos el número de pulsos que componen la dosis establecida de rehidratante y agua. agua. Una vez calculados arrancamos bombas y válvulas y entramos en un bucle que se ejecuta cíclicamente, primero capturamos la cuenta de los pulsos de los medidores de caudal y ejecutamos la función “control caudal” , que regula el caudal de la bomba de rehidratante y que describiremos más adelante. Para la captura de las entradas rápidas tenemos que acceder a los registros A270 y A272 para el agua y el rehidratante respectivamente, respectivamente, y los comparamos con la cuenta teórica, cuando la cuenta es mayor o igual a la teórica ponemos a cero las variables CIO 207.6 y 207.3 para cerrar válvulas y apagar bombas.
6.4.5
Función “Salidas Salidas de pulsos” pulsos
Este bloque funcional sólo se ejecuta en el modo automático, la función funció de este bloque es controlar el funcionamiento de las bombas en modo automático y generar dos salidas de pulsos, cuya frecuencia y anchura dependen de la cantidad por pulso pulso y la anchura de pulso definidos por el usuario en la pantalla de control. Una para la cantidad de rehidratante y otra para la cantidad de agua., la salida asignada para el rehidratante es la CIO 100.6 y para el agua la 100.5. 40
Figura 26. Diagrama de flujo f de la función “salidas de pulsos”. pulsos Como vemos en el diagrama, inicialmente se calcula el número de pulsos que componen la cantidad en gramos definida por el usuario en la pantalla de control y se conectan las bombas de dosificación.. A continuación se entra en un bucle esperando que la variable que controla la cuenta de las entradas rápidas de los medidores de caudal se iguale a la variable que contiene la cuenta teórica. Si la cuenta real es mayor o igual a la teórica se genera el pulso en la salida del d plc y se incrementa la cuenta de gramos para calcular nuevamente los pulsos que componen esa nueva cantidad. Esta función seguirá dando pulsos mientras la señal de marcha en automático esté activa. También se ejecuta la función de control de caudal.
41
6.4.6 Función “Control dosis calibración” c Para activar este modo de funcionamiento es necesaria la introducción de una clave por parte del usuario desde la pantalla de control. Una vez habilitado este modo mo de funcionamiento, desactivamos la activación de cualquiera de los otros modos de funcionamiento a excepción de las alarmas.
Figura 27. Diagrama de flujo de la función “control dosis calibración” Esta función inicialmente calcula el número de pulsos que componen la dosis establecida en la pantalla de calibración de la pantalla de control en este caso definida en ml. El motivo por el que lo definimos en ml es que para la calibración usamos una probeta calibrada volumétrica, al ser volumétrica la cantidad cantidad de calibración la definimos en volumen. Una vez calculado arrancamos la bomba que ha definido el usuario y entramos en el bucle de captura de entrada rápida, a la espera de que la variable que lleva la cuenta actual iguale a la teórica. Una vez igualadas igualadas desconectamos la bomba en cuestión.
6.4.7 Función “Control Control caudal” caudal Este bloque se ejecuta tanto en modo manual como en modo automático y su función es controlar el caudal de la bomba de rehidratante, el caudal caudal de rehidratante se tiene que ajustar al caudal del agua para dosificar el rehidratante a la dosis establecida. Para realizar este control tendremos que calcular el caudal de cada línea.
42
Cálculo del caudal de agua Para calcular el caudal del agua utilizaremos una de las entradas analógicas que tiene integradas el PLC, en concreto la entrada A642. El medidor de caudal dispone de una salida analógica proporcional a un caudal definible en el medidor. Únicamente tendremos que realizar un escalado de la entrada analógica respecto del fondo de escala definido en la pantalla de configuración del sistema de control. . Donde:
/
LM NO 1000
Qr es el caudal real del agua IA es el valor de la entrada analógica escalada de 0 a 1000 FS es el valor de fondo de escala definido en la página de configuración Cálculo del caudal de rehidratante Para calcular el caudal del rehidratante usaremos la misma entrada rápida que para el cálculo de las dosis. En este caso no utilizamos la entrada analógica porque en este caso el caudal no es constante, así que haremos un muestreo en un cierto periodo de tiempo que englobe varios ciclos de trabajo de la bomba. Este tiempo se podrá definir desde la pantalla.
En este caso el cálculo del caudal será de la siguiente manera: S
. = P QR T
3
1
)
U'V
W*
)
3
Donde: Qr es el caudal real en gr/min Pact es la cuenta de pulsos p/l son los pulsos por litro definidos en la página de configuración gr/l es la densidad del rehidratante definida en configuración Tcal
es el tiempo en segundos usado en el muestreo
43
Cálculo del caudal objetivo Para calcular el caudal objetivo del rehidratante necesitamos los siguientes datos: Qa
Caudal del agua
(gr/min)
Dr
Dosis rehidratante
(%)
Da
Dosis agua
(%)
Tm
Tamaño de mezcladora
(kg)
En primer lugar tenemos que calcular el volumen de agua que tenemos que dosificar: 3 (C)
=
- (%)+ ([I) 100
Teniendo la medida del caudal del agua, podemos calcular el tiempo de dosificación. +G6 (
) =
0'\ ( )
V ) "^_
]' (
Necesitaremos también la cantidad de rehidratante que se tiene que dosificar. Primero calcularemos el volumen de rehidratante (C) =
0' ( ) &` (%) )**
Ahora lo pasamos a gramos 0()
` a (IE) = )*** 7( )
3
Entonces tenemos que el cálculo del caudal objetivo Qobj es: .65b (
3
) = !
` (3
cdef (
44
)
)
PID Para regular la señal de acción sobre el motor utilizaremos un controlador PID. En concreto lo implementaremos con una función propia del software de Omrom, la función PIDAT(191):
Donde: S C D
es la medida del caudal real expresada en binario es el primer canal de parámetros es el canal de salida del sistema, en nuestro caso la salida analógica CIO 2995
Los parámetros C se definen de la siguiente manera:
Figura 28. Parámetros de control de la función PIDAT
45
Lazo de control caudal
Figura 29. Lazo de control de caudal Como vemos en el lazo de control a partir de la lectura del caudal de agua calculamos el caudal objetivo para la bomba del rehidratante, la función función PID compara la lectura real del caudal del rehidratante con el caudal objetivo, y aplica una señal para controlar la frecuencia del variador de frecuencia de la bomba de rehidratante.
Figura 30.. Diagrama de flujo de la función “control control caudal” caudal
46
Inicialmente deshabilitamos el PID porque en ese instante aún no se tiene la medida de caudal del rehidratante, ya que este se calcula por pulsos en unos determinados segundos, para evitar que se desestabilice el sistema anulamos la función PID temporalmente, y fijamos el valor de la salida analógica al último valor al que funcionó. Cuando transcurre el tiempo de cálculo del caudal de rehidratante habilitamos el sistema de control PID mientras se mantengan las condiciones de trabajo. En el momento en que se desconectan las bombas se guarda el valor de la salida analógica para el siguiente arranque.
6.4.8 Sensor de humedad y scada de control Este bloque consta de dos partes: • •
Lectura del valor del sensor de humedad Escritura de variables para el scada de control
Lectura del valor del sensor de humedad Para la lectura de la humedad utilizaremos una de las entradas analógicas del módulo de entradas CP1W-MAB221, en concreto la entrada CIO 2990. Después de leer la entrada la convertimos a código BCD y la movemos al registro D2007, que es el que comunica con el scada de control. Escritura de variables para el scada de control Para hacer más eficiente las comunicaciones entre el PLC y el scada de control movemos todos los datos que comunican con el scada de control a los registros a partir de la dirección de memoria D2000, consecutivamente. De esta manera en un solo paquete se envía toda la información.
6.4.9 Totalizadores En este bloque gestionamos las variables de la pantalla de totalizador. Las variables son las siguientes: • • •
Lotes tratados Tiempo de funcionamiento del equipo Cantidad dosificada por el equipo.
Estos datos están disponibles en la pantalla de visualización y en el scada de control. En ambos dispositivos pueden inicializarse a cero.
47
6.5
Sistema HMI
6.5.1
Introducción
El sistema HMI es el sistema de interfaz entre el usuario y el equipo dosificador. En nuestro sistema nos hemos decantado por una pantalla táctil Touch Screen 7” TFT de la marca comercial ESA. 6.5.2
Páginas del sistema HMI
Las páginas del sistema HMI son las siguientes: • • • • • • • • • •
Inicio Estatus Alarmas Ajustes Password Configuración Calibración Gráficos Totalizadores Sensor
6.5.2.1 Página de inicio
Figura 31. Página inicial de la pantalla Descripción: Es la página inicial del sistema. A través de ella se puede navegar hacia cualquiera de las páginas principales. Esta página contiene el logo del cliente.
48
Funciones de los botones táctiles • • • • • •
Estatus. Gráficos. Sensor. Totalizador Alarmas Ajustes
Visualizar página de estatus Visualizar página de gráficos Visualizar página del sensor Visualizar página de totalizadores Visualizar página de gestión de alarmas Visualizar página de ajustes
6.5.2.2 Página de estatus
Figura 32. Página de estatus Descripción: Es la página principal del proyecto. Contiene un pequeño sinóptico de la mezcladora que nos indica si estamos o no dosificando con una animación de la mezcladora y de los inyectores. También mostramos el modo de trabajo del equipo, manual o automático. En esta pantalla se pueden definir los datos para la dosificación en modo manual. También mostramos la información de caudales y cantidades dosificadas de cada producto. Descripción de los campos: •
Tamaño mezcladora
Este campo solo se puede editar en modo manual. Si clicamos con el ratón encima del campo aparece la pantalla para introducir datos.
49
Para definir el tamaño se tiene que escribir la cantidad y se tiene que pulsar la tecla “enter”: 3000 + •
Dosis RHP
La dosis de rehidratante solo se puede editar en modo manual. Si clicamos con co el ratón encima del campo aparece la pantalla para introducir datos.
25 + •
=2,5%
Dosis Pplus
La dosis de agua solo se puede editar en modo manual. Si clicamos con el ratón encima del campo aparece la pantalla para introducir datos.
15 +
•
=1,5%
Caudal agua
El campo de “caudal agua” es solo visual, muestra el caudal de la línea de agua expresado en l/min.
50
•
Caudal RHP
El campo de caudal del rehidratante es solo visual, muestra el caudal de la línea del rehidratante expresado en gr/min.
•
Caudal objetivo
El campo de caudal objetivo es solo visual, muestra el caudal objetivo de la línea de rehidratante calculado por el lazo de control expresado en gr/min.
•
Agua dosificada
El campo de agua dosificada es solo visual, muestra la cantidad de agua dosificada dos en la línea de agua expresado en ml.
•
RHP dosificado
El campo de rehidratante dosificado es solo visual, muestra la cantidad de rehidratante dosificado en la línea expresada en gr.
•
Modo de funcionamiento
El campo de modo de funcionamiento es solo solo visual, en función de cómo se pilote el equipo se muestra el texto manual o automático.
o •
Botón inicio
Pulsando el botón inicio volvemos a la página inicial
51
•
Sinóptico
El sinóptico muestra si el equipo dosificador está en marcha. En estado de reposo la mezcladora está parada y en color rojo, se muestra el mensaje de “Parado” y no aparecen las boquillas. Si el equipo está dosificando se inicia una animación en la mezcladora y ésta se muestra en verde, aparece el mensaje “Marcha” y aparece una animación de las boquillas inyectando.
6.5.2.3 Página de alarmas
Figura 33. Página de alarmas Descripción: En esta página se gestionan las alarmas que se activan durante el proceso. Los mensajes de alarma se pueden borrar o guardar en memoria. Descripción de los botones táctiles: • Línea arriba Pulsando este botón movemos el cursor una línea arriba 52
• Línea abajo Pulsando este botón movemos el cursor una línea abajo • Reconocimiento Pulsando este botón reseteamos la alarma que apunta el cursor • Borrar alarmas Pulsando este botón borramos todos los mensajes de alarma • Reset alarmas Pulsando este botón reseteamos todas las alarmas en lista • Inicio Pulsando este botón volvemos a la página inicial 6.5.2.4 Página de password
Figura 34. Página de password Descripción: En esta página podemos introducir el password para acceder a la página de ajustes.
53
Descripción de los campos: •
Password
Para escribir el password se tiene que escribir y se tiene que pulsar la tecla “enter”: 1234 + Si el password es correcto se visualizará la página de ajustes.
6.5.2.5 Página de ajustes
Figura 35. Página de ajustes
54
Descripción: La página de ajustes está reservada para los operadores de mantenimiento. Para acceder a ella se tiene que introducir un password. Desde esta página podremos acceder a la rutina de calibración y a las opciones de configuración. Descripción de los botones táctiles: •
Configuración
Pulsar para acceder a la página de configuración. •
Calibración
Pulsar para acceder a la página de calibración. • Inicio Pulsando este botón volvemos a la página inicial
6.5.2.6 Página de configuración
Figura 36. Página de configuración Descripción: En la página de configuración se definen los valores de las diferentes variables de entrada que tiene el sistema. Estos valores están relacionados con la maniobra, gestión de alarmas y el tipo de caudalímetro que usamos en la instalación.
55
Descripción de los campos: •
Tiempo máximo de inyección
Este campo se define en segundos y es el tiempo máximo que el equipo puede estar funcionando sin parar. Si el equipo dosifica durante más de este tiempo se activaría la alarma “Tiempo máximo de inyección superado”. Si se define a cero se desactiva la opción de disparar la alarma. Posición en memoria: D30 •
Retardo desconexión válvula
Este campo se define en segundos, es el tiempo en que se retarda la desactivación de la válvula de final de línea, el mínimo valor permitido por el sistema es de 1 segundo, de esta forma se disminuye la presión de la línea en estado de reposo.. Posición en memoria: D32 •
Tiempo entre pulsos
Este campo se define en segundos. Si no se reciben pulsos de la entrada del caudalímetro en este tiempo se activa la alarma “Error en pulsos caudalímetro Rehidratante/Agua”. Posición en memoria: D90 •
Tiempo retardo a la conexión
Este campo se define en segundos. Es el tiempo en que se retarda la señal de inicio de ciclo en modo manual. Posición en memoria: D836 •
Tiempo cálculo caudal rehidratante
Este campo se define en decimas de segundo. Es el tiempo cíclico durante el cual se muestrea la entrada de pulsos para calcular el caudal del rehidratante. . Posición en memoria: D1000 •
Tiempo entre ciclos
Este campo se define en segundos. Es el tiempo durante el cual se inhibe la activación del equipo. Al acabar una dosificación descartamos cualquier señal de inicio de ciclo durante este tiempo. Posición en memoria: D55 •
Densidad del rehidratante
Este campo se define en gr/l. Es el valor de la densidad del rehidratante. Posición en memoria: D580 •
Pulsos por litro del rehidratante
Este campo se define en pulsos/l, le indica al sistema el número de pulsos por litro al que se ha programado el caudalímetro de rehidratante. Posición en memoria: D570 •
Cantidad de pulsos a “PC” de rehidratante 56
Este campo se define en gramos. Es la cantidad de rehidratante en gramos “n” que activa la salida de pulsos del sistema “pulsos a pc de agua”. El sistema dará un pulso por cada “n” gramos dosificados. Posición en memoria: D942 •
Cantidad de pulsos a “PC” de agua
Este campo se define en gramos. Es la cantidad de agua en gramos “n” que activa la salida de pulsos del sistema “pulsos a pc de agua”. El sistema dará un pulso por cada “n” gramos dosificados. Posición en memoria: D940 •
Tiempo de pulsos a “PC” de rehidratante
Este campo se define en mseg. Es el tiempo durante el cual se activa la salida “pulsos a pc de rehidratante”. Posición en memoria: D838 •
Tiempo de pulsos a “PC” de agua
Este campo se define en milisegundos (ms). Es el tiempo durante el cual se activa la salida “pulsos a pc de agua”. Posición en memoria: D834 •
Pulsos por litro del agua
Este campo se define en pulsos/l y le indica al sistema el número de pulsos por litro al que se ha programado el caudalímetro de agua. Posición en memoria: D39 •
Caudal 4-20 mA del agua
Este campo se define en l/min y le indica al sistema el fondo de escala al que se ha programado el caudalímetro de agua para escalar la señal 4-20 mA. Posición en memoria: D1404 Descripción de los botones táctiles: •
Reset totalizador agua
Pulsando este botón reseteamos el valor del totalizador del agua.
•
Reset totalizador rehidratante
Pulsando este botón reseteamos el valor del totalizador del rehidratante y los lotes.
57
• Inicio Pulsando este botón volvemos a la página inicial
6.5.2.7 Página de calibración
Figura 37. Página de calibración Descripción: Ésta es la página del sistema usada por los operarios de mantenimiento para verificar la calibración del equipo. Descripción de los campos: •
Cantidad de rehidratante
Este campo se edita en ml. Es la cantidad de rehidratante que el equipo dosificará cuando se active el pulsador virtual de marcha •
Cantidad de agua
Este campo se edita en ml. Es la cantidad de agua que el equipo dosificará cuando se active el pulsador virtual de marcha.
58
Descripción de los botones táctiles: •
Interruptor virtual de marcha rehidratante
Pulsando este interruptor el equipo dosificará la cantidad marcada en el campo “Cantidad de rehidratante”. En cualquier momento se puede detener la dosificación pulsando el interruptor. En ese caso, al reiniciar el equipo volvería a dosificar toda la cantidad establecida en el campo.
•
Interruptor virtual de marcha agua
Pulsando este interruptor el equipo dosificará la cantidad marcada en el campo “Cantidad de rehidratante”. En cualquier momento se puede detener la dosificación pulsando el interruptor. En ese caso, al reiniciar el equipo volvería a dosificar toda la cantidad establecida en el campo.
• Inicio Pulsando este botón volvemos a la página inicial
59
6.5.2.8 Página de gráficos
Figura 38. Página de gráficos Descripción: En esta página se pueden visualizar las cantidades dosificadas por el equipo y el caudal de las líneas de dosificación. La capacidad de memoria es de 2 semanas. Funciones de los botones táctiles • Mover izquierda. Pulsando este botón movemos el eje de tiempo hacia la izquierda. • Mover derecha. Pulsando este botón movemos el eje de tiempo hacia la derecha. • Aumentar. Pulsando este botón incrementamos el zoom del eje de valores • Aumentar. Pulsando este botón disminuimos el zoom del eje de valores • Pausa Apagada/Encendida Pulsando este botón podemos interrumpir o reiniciar el registro de información. • Inicio Pulsando el botón inicio volvemos a la página inicial
60
6.5.2.9 Página de sensor
Figura 39. Página del sensor de humedad Descripción: En esta página visualizamos el valor instantáneo del sensor de humedad. El campo “valor sensor humedad” muestra el valor de la señal analógica del sensor de humedad escalado entre 0 y 6000 puntos. Descripción del botón táctil • Inicio Pulsando el botón inicio volvemos a la página inicial
7
Scada de control
7.1
Introducción
El software del scada de control se ha diseñado con el propósito de controlar y monitorizar la humedad en el proceso de mezclado durante la producción del alimento. Para realizar el proyecto hemos optado por el Scada de control CX Supervisor 2.1 de Omrom. Una de las razones principales por la cual lo hemos escogido es que facilita las comunicaciones con el PLC de campo del equipo dosificador.
61
7.2
Estructura del scada de control
El scada de control tiene 4 niveles de funcionamiento: 1. 2. 3. 4.
Usuario Comunicaciones Control Datos
Figura 40. 40 Niveles de funcionamiento del scada
7.3
Entorno de usuario, pantallas p del scada de control
Las pantallas del scada son las siguientes: • • • • • • • •
Pantalla inicial Pantalla de humedad Pantalla de históricos Pantalla antalla de humedad on-line on Pantalla de mezcladora Pantalla de configuración Pantalla de configuración de productos Pantalla de configuración de rectas de calibración
62
7.3.1
Pantalla inicial
Figura 41. Pantalla de inicio Descripción: La pantalla principal es la primera que aparecerá cuando se ejecute el programa. Dispone de tres botones: • HUMEDAD: Acceso a los datos facilitados por el sensor de humedad. • CONFIGURACIÓN: Acceso a la configuración del sistema (armario de dosificación y sensor de humedad) • SALIR: Fin de la aplicación.
63
7.3.2
Pantalla de humedad umedad
Figura 42. Página de humedad Descripción: En la pantalla de humedad se podrá seleccionar entre ver los Datos On-line, On el sinóptico de mezcladora o bien los Históricos. Históricos En los datos on-line line podremos ver la lectura del sensor de humedad en tiempo real, en la pantalla de mezcladora podremos ver un sinóptico del equipo dosificador, mientras que en los históricos podremos ver el registro r de diferentes variables del sistema. 7.3.3
Pantalla de datos atos on-line on
Figura 43. Pantalla de datos on-line
64
Descripción: En la pantalla de los datos on-line podremos ver el valor de la humedad y la lectura del sensor en tiempo real. Asimismo se podrán ver los valores al inicio y al final de la mezcla tanto de la humedad como del sensor. Descripción de los campos: •
Gráfico de humedad
En el gráfico de humedad podemos ver la humedad instantánea del producto en curso.. En el eje vertical tenemos un rango que va del 6 al 16% de humedad mientras que en el eje x el rango es de un minuto. •
Datos de producción
1. Producto Nombre del producto en curso. 2. Descripción Descripción del producto en curso. 3. Lote en curso Número de lote en curso. 4. Lotes totales Número de lotes totales de producción para el producto en curso. 65
5. Tamaño lote Tamaño de lote en kg. 6. Aporte lote (%) Aporte de solución hidratante calculado por el sistema. 7. Limites aporte Limites de aporte de solución hidratante definidos para el producto en curso. •
Datos de humedad instantánea
1. Humedad (%) Es el valor de humedad instantánea del producto en curso dentro de la mezcladora 2. Valor sensor Es el valor instantáneo del sensor de humedad escalado de 0 a 6000 puntos. 3. Humedad objetivo (%) Es el valor de humedad objetivo definido por el usuario. •
Datos de humedad promedio
1) Valor medio sensor inicial Este campo muestra el valor promedio inicial del sensor de humedad calculado por el sistema. Durante el proceso de cálculo se muestra el mensaje “CALCULANDO”. 2) Valor medio sensor final Este campo muestra el valor promedio final del sensor de humedad calculado por el sistema. Únicamente es visible cuando finaliza el lote y cae de la mezcladora. Durante el proceso de cálculo se muestra el mensaje “CALCULANDO”. 3) Humedad media inicial Este campo muestra el valor de la humedad promedio inicial calculado por el sistema. Este valor está asociado al valor medio inicial del sensor en base a la recta de calibración del producto en curso. Durante el proceso de cálculo se muestra el mensaje “CALCULANDO”.
66
4) Humedad media final Este campo muestra el valor de la humedad promedio final calculado por el sistema. Este valor está asociado al valor medio final del sensor en base a la recta de calibración del producto en curso. Únicamente es visible cuando finaliza el lote y cae de la mezcladora. Durante el proceso de cálculo se muestra el mensaje “CALCULANDO”. •
Datos de dosificación
1) Indicador de bomba en marcha Bombas en marcha
Bombas apagadas
2) Indicador de dosificación Los campos “Agua (Kg)” y “Rehidratante (Gr)” indican la última dosificación del equipo dosificador.
3) Totalizador
Este campo es el totalizador general del equipo, indica la cantidad total de agua y rehidratante que ha dosificado el equipo.
67
7.3.4 Pantalla de mezcladora
Figura 44. Pantalla de mezcladora Descripción: En la pantalla de mezcladora podemos ver un sinóptico de la mezcladora, del equipo dosificador y de los depósitos de almacenamiento del rehidratante y del agua. También se pueden visualizar los datos de humedad calculados por el sistema. Descripción de los campos: •
Sinóptico
Bombas en marcha
Bombas apagadas
68
•
Datos de humedad
1. Humedad actual mezcladora (%) Es el valor de humedad instantánea del producto en curso dentro de la mezcladora 2. Humedad objetivo (%) Es el valor de humedad objetivo definido por el usuario. 3. Tamaño lote Tamaño de lote en kg. 4. Aporte lote (%) Aporte de solución hidratante calculado por el sistema. Durante el cálculo aparecerá el mensaje “CALCULANDO”.
•
Datos de dosificación
Indicador de dosificación Los campos “Agua (kg)” y “Rehidratante (g)” indican la última dosificación del equipo dosificador.
•
Botón registro de alarmas
Pulsando el botón registro de alarmas aparecerá la pantalla de alarmas.
69
Figura 45. Pantalla de registro de alarmas
7.3.5
Pantalla de históricos
Los históricos se visualizarán a través del Visor del Registro de Datos. Así al pulsar el botón de “ABRIR HISTÓRICOS” se abrirá la siguiente ventana.
Figura 46. Pantalla de históricos Lo primero que se tendrá que hacer será abrir el fichero de datos del día que se quiere visualizar. Así pulsaremos el botón de Abrir.
BOTÓN ABRIR
Una vez pulsado este botón se nos abrirá un cuadro de diálogo, tendremos que posicionarnos en el directorio C:\APSAtech\CLIENTES\FABRICADE PIENSOS\HUMEDAD\Data Logging de este modo tendremos la siguiente pantalla: 70
Como podemos observar, en este directorio se encuentran los archivos de los históricos con el siguiente nombre genérico, Historicos[aaaammddhh], donde: • aaaa representa el año • mm representa el mes • dd representa el día • hh representa la hora de inicio del registro Así por ejemplo, un archivo llamado Historicos[2014123002] será el registro de datos del día 30/12/2014 y el registro comenzó a las 02 horas. Una vez se haya abierto el archivo correspondiente, aparecerá la siguiente pantalla:
En ella se podrán seleccionar las variables a visualizar. Así tendremos 12 variables posibles: • humedad: Humedad en %. • producto: Es el número que identifica el tipo de producto, en la base de datos de productos está identificado como “Autonumérico”. • calculando: Bit que indica si se está calculando una media. • numero_lote: Número de lote de la mezcla en curso. • puntos_inst: Lectura del sensor filtrada. • total_lotes: Número total de lotes del producto en curso. • hum_objetivo: Humedad a añadir calculada. 71
• • • • • •
lectura_sensor: Valor de los puntos del sensor hum_media_final: Humedad media al final del lote. hum_media_inicial: Humedad media al inicio del lote. momentos_calculos: Variable que indica el momento en el que se calcula. puntos_medio_final: Valor medio del sensor al final del lote. puntos _medio_inicial: Valor medio del sensor al inicio del lote.
Las siguientes figuras muestran algunas de estas variables
Figura 47. Ejemplos de graficas. Para ajustar la escala lo que se hará es pulsar el botón derecho del ratón sobre la gráfica. Entonces aparecerá el siguiente cuadro:
72
Entonces pulsando la opción “Scale Settings…” tendremos
De este modo definiremos los valores máximo y mínimo de la escala. De cara a modificar la escala de tiempo se utilizarán los botones indicados en la pantalla siguiente.
En caso de querer ver otras variables lo que se haría sería pulsar el botón derecho del ratón sobre la gráfica. En el cuadro que aparece, pulsar “Seleccionar Items”. Así aparecería la pantalla: 73
Y se seleccionarían las variables deseadas. Para ver el valor que toman las variables en un momento determinado bastará con arrastrar el cursor hasta el momento deseado (manteniendo pulsado el ratón sobre el triángulo indicado en la siguiente gráfica). Así, en el lado derecho de la pantalla tendremos los valores de las variables en ese instante de tiempo. CURSOR
VALORES
En este caso, por ejemplo, las variables puntos_inst, puntos_medio_final y puntos_medio_inicial el día 14/07/2014 a la 13:14:30 tenían un valor de 643,00 , 2520,40 y 2232,75 respectivamente.
74
7.3.6 Pantalla de configuración Para acceder a la configuración del equipo primero se tendrá que haber introducido la correspondiente contraseña. Así, una vez aceptada la contraseña, pulsando al correspondiente botón, se accederá al menú de configuración. En primer lugar se configurará la manera de trabajar del sensor de humedad. Se definirán los valores máximos y mínimos de humedad, la humedad predeterminada y los tiempos de cálculo. Mediante esta pantalla podremos acceder a la configuración de los productos y de las rectas de calibración del sensor.
Figura 48. Pantalla de configuración
7.3.7 Pantalla de configuración de productos La pantalla de configuración de los productos es la siguiente:
Figura 49. Pantalla de configuración de productos 75
En esta pantalla se puede: • Visualizar los datos de los productos. • Insertar un nuevo producto • Editar un producto existente • Borrar un producto 7.3.7.1 Visualización de los productos Como se puede ver en la figura 49, los productos se muestran de cinco en cinco. Para movernos por la lista de productos, utilizaremos las teclas PÁG. ANTERIOR, PÁG. SIGUIENTE, PRIMERA PÁG.y ÚLTIMA PÁG. • PÁG. ANTERIOR: Muestra los cinco productos anteriores. • PÁG. SIGUIENTE: Muestra los cinco productos siguientes. • PRIMERA PÁG. : Muestra los cinco primeros. • ÚLTIMA PÁG. : Muestra los últimos productos. 7.3.7.2 Insertar un nuevo producto La manera de insertar un nuevo producto es la siguiente • Editar los campos de texto (nombre, recta calibración, humedad objetivo y descripción), haciendo un click en los textos que hay dentro de los recuadros. • Seleccionar mediante el botón Granulado/No granulado si el producto va granulado o no. • Pulsar la tecla INSERTAR NUEVO PRODUCTO • El producto se insertará en el último de la lista de productos. 7.3.7.3 Editar un producto existente Para editar un campo de un producto existente se tiene que hacer un click en el texto a editar y sustituirlo por el nuevo valor. Los campos NOMBRE y ÚLTIMA MODIFICACIÓN no son editables. El campo GRANULADO sólo aceptará dos valores: SI y NO, siempre en mayúsculas. 7.3.7.4 Borrar un producto La manera de borrar un producto será: • Pulsar el botón BORRAR PRODUCTO • Pulsar el texto “Producto a eliminar” de la ventana que se habrá abierto. • Introducir el nombre del producto a eliminar • Pulsar el botón BORRAR
76
Figura 50. Borrar producto
7.3.8 Pantalla de configuración de rectas de calibración La pantalla de configuración de las rectas de calibración es la siguiente:
Figura 51. Pantalla de configuración de rectas de calibración La manera de configurar las rectas de calibración será igual que la configuración de los productos. De modo que se podrá: • Visualizar los datos de las rectas de calibración. • Insertar una nueva recta de calibración. • Editar una recta de calibración existente. • Borrar una recta de calibración. 7.3.8.1 Visualización de las rectas de calibración Como se puede ver en la figura 51, las rectas de calibración se muestran de cinco en cinco. Para movernos por la lista de rectas de calibración, utilizaremos las teclas PÁG. ANTERIOR, PÁG. SIGUIENTE, PRIMERA PÁG.y ÚLTIMA PÁG. 77
• • • •
PÁG. ANTERIOR: Muestra las cinco rectas de calibración anteriores. PÁG. SIGUIENTE: Muestra las cinco rectas de calibración siguientes. PRIMERA PÁG. : Muestra las cinco primeras. ÚLTIMA PÁG. : Muestra las últimas rectas de calibración.
7.3.8.2 Insertar una nueva recta de calibración La manera de insertar una nueva recta de calibración es la siguiente • Editar el campo de texto (recta, humedad p. seco, valor p.seco, humedad p. húmedo, valor p.húmedo) , haciendo un click en los textos que hay dentro de los recuadros. • Pulsar la tecla INSERTAR NUEVA RECTA El producto se insertará en el último de la lista de rectas de calibración.
7.3.8.3 Editar una recta de calibración existente Para editar un campo de una recta de calibración existente se tiene que hacer un click en el texto a editar y sustituirlo por el nuevo valor. Los campos RECTA, PENDIENTE y OFFSET no son editables. 7.3.8.4 Borrar una recta de calibración La manera de borrar una recta de calibración será: • Pulsar el botón BORRAR RECTA • Pulsar el texto “Recta a eliminar” de la ventana que se habrá abierto. • Introducir el nombre de la recta de calibración a eliminar • Pulsar el botón BORRAR
Figura 52. Borrar recta de calibración
78
7.4
Comunicaciones
7.4.1
Protocolo de comunicación con el sistema de control de fábrica
Desde la fórmula del producto especificada en el sistema de gestión de fábrica que se vaya a dosificar se pondrá el valor de humedad deseado en el producto final en formato %. Este valor se configurará en un parámetro publicado del equipo EQxx (clase 1214) dentro de la ficha de la fórmula Este valor será enviado a las tablas de comunicación juntamente con otra información (especificada más adelante) al inicio de cada mezcla de la línea de dosificación. El sistema de control de humedad PPLUS deberá consultar la tabla xxx en el servidor de fábrica FAB dónde recogerá los siguientes parámetros (aparecerán otros parámetros de uso interno para FAB): • • • •
Código de la fórmula Nº de mezcla dentro del lote Nº total de mezclas en el lote % humedad objetivo de la fórmula
FAB recibirá de PPLUS (se deberán enviar otros parámetros para uso interno de FAB) la cantidad de líquido a aplicar en porcentaje respecto el tamaño de la mezcladora (% de humedad) El equipo dosificador no empezará a trabajar hasta recibir respuesta por parte de PPLUS de la cantidad necesaria a inyectar. Los datos recibidos por parte de PPLUS serán en %, este valor pasará a través de un cálculo para pasar este % a kg en base a la cantidad por mezcla (valor teórico de la orden de trabajo OT). Este nuevo valor se enviará al equipo inyector para que inicie la dosificación de producto. Para ello se activará una salida digital (Contacto NO) del “PLC” de fábrica al equipo PPLUS y este iniciará la dosificación del producto. En ese momento PPLUS pasará una señal digital (Contacto NO) al “PLC” de fábrica por cada pulsos/kg (relación de 1000 g por cada pulso). Una vez que el equipo inyector haya contabilizado los pulsos equivalentes a la cantidad de líquido a aplicar dejará de dar permiso al equipo PPLUS para que finalice la dosificación. La cantidad registrada a través del caudalímetro será utilizada por FAB para registrar los consumos de líquido que se mostraran en la base de datos de FAB.
79
7.4.2
Formato de las base de datos de comunicaciones
La comunicación entre la fábrica y el sistema de control de humedad se hará mediante la lectura/escritura de tablas Acces conectadas con SQL situadas en una base de datos específica para esta operativa. La nueva base de datos se llamará FAB_PPLUS situada en el servidor SRVAEMES01 (192.168.197.1). En esta base de datos encontraremos 2 tablas, una para la comunicación entre FAB y PPLUS (dbo.Inyeccion_FAB_PPLUS) y otra para la comunicación de PPLUS a FAB (dbo Inyección PPLUS_FAB) En estas dos tablas se dispondrá de un registro para cada uno de los equipos PPLUS de la planta (en nuestro caso sólo uno). En el momento de la inserción de datos, primero se borrarán todos los registros de la tabla relacionados al equipo PPLUS en concreto (DELETE) y, a continuación, se insertará (INSERT) el nuevo registro (sin tratar) con la nueva información del equipo. Formato FAB_PPLUS Tabla FAB_PPLUS Campo
Tipo
Formato
Obligatorio
Descripción
LineaFabricación
VarChar(4)
SI
Identificador fabricación
EquipoComunicaciónVarChar(4)
SI
Identificador del equipo
CodigoFormula
VarChar(15)
SI
Código de la fórmula
DescFormula
VarChar(300)
SI
Descripción de la fórmula
NumeroMezcla
VarChar(15)
Entero
SI
Numero de mezcla dentro de la OT
TotalMezclas
VarChar(15)
Entero
SI
Total de mezclas de la OT
spHumedad
VarChar(15)
Real
SI
Consigna en % de humedad requerida
Tratado
VarChar(1)
SI
Confirmación, información se ha tratado
líneas
de
PPlUS deberá actualizar el valor del campo “Tratado” a valor “S” una vez ha leído los datos que se le han enviado desde FAB.
80
Formato PPLUS_FAB Tabla PPLUS_FAB Campo LineaFabricación
Tipo
Formato
Obligatorio
Descripción
VarChar(4)
SI
Identificador fabricación
líneas
EquipoComunicación VarChar(4)
SI
Identificador del equipo
CodigoFormula
VarChar(15)
SI
Código de la fórmula
DescFormula
VarChar(300)
SI
Descripción de la fórmula
NumeroMezcla
VarChar(15)
Entero
SI
Numero de mezcla dentro de la OT
TotalMezclas
VarChar(15)
Entero
SI
Total de mezclas de la OT
spCantidad
VarChar(15)
Real
SI
Cantidad en % de disolución requerida para la dosificación
Tratado
VarChar(1)
SI
Confirmación, la información se ha tratado
PPLUS deberá actualizar el valor del campo “Tratado” a valor “NULL”, una vez FAB ha leído los datos que se le han enviado desde PPLUS escribirá “S”.
7.4.3 Comunicaciones con el PLC Las variables que comunican con el PLC son las siguientes:
Figura 53. Variables del PLC Todas las variables tienen una frecuencia de muestreo de 1 segundo excepto la variable hum_4-20 que se muestrea cada 0,5 segundos.
81
de
7.5
Programa de control
El programa de control se encarga de gestionar la lectura del sensor de humedad, realizar los cálculos de humedad del producto que se fábrica en curso, y de gestionar dichos resultados. El lenguaje de programación que usaremos es el propio de Omrom CX Supervisor. En la página inicial del proyecto hemos generado la rutina de maniobra mediante el editor de secuencias de comandos y hemos configurado esta secuencia de comandos como cíclica, la cual se ejecuta cada 500 ms.
Figura 54. Editor de secuencias de comandos de CX Supervisor Esta es la rutina principal del sistema de control. A través de ella llamamos a las otras rutinas y funciones del proyecto.
82
Figura 55. Diagrama de flujo de la rutina de control “Maniobra Maniobra”. Cíclicamente comparamos el valor del sensor con el valor de configuración “puntos_umbral”,, este valor lo define el usuario, usuario, en el momento que durante 4 ciclos el valor del sensor ensor supere el de los “puntos_umbral” “puntos_umbral” ponemos a “1” la variable booleana que iniciará la rutina del scada de control “Cálculo humedad inicial” y “Cálculo humedad final”. Una vez finalizada la rutina “cálculo humedad inicial” arrancamos la subrutina “Escribir datos fábrica”.
83
Una vez finalizada la rutina “cálculo humedad final” arrancamos la subrutina “Resultados DB”. Si en cualquier momento se cierra la aplicación se ejecuta la subrutina “Terminar proceso”.
7.5.1
Subrutina “Inicializaciones Inicializaciones”
Hemos definido laa rutina inicializaciones para que únicamente se ejecute una vez, al arrancar el sistema.
Figura 56. 56 Diagrama ma de flujo de la rutina inicializaciones En esta rutina realizamos las siguientes inicializaciones: •
Inicializaciones de variables y textos
Se inicializan las variables que se usarán en el resto de rutinas. •
Lectura del fichero de configuración
El archivo vo de configuración es un archivo de texto en el que guardamos los datos de configuración del sistema. En En esta función leemos los datos del fichero en formato “char” y los convertimos al formato requerido. •
Leer datos de fábrica
Esta función la explicaremo aremos con detalle más adelante. Durante urante la primera inicialización la llamamos para inicializar los datos de producción en el sistema. •
Abrir las comunicaciones con el PLC
84
Mediante la función Is PLC Open pen comprobamos si tenemos la comunicación con el PLC habilitada. Esta sta función nos devuelve un booleano que nos indica el estado de la comunicación.
7.5.2
Subrutina “ Leer datos de fábrica” fábrica
Esta secuencia de comandos la hemos generado como una subrutina. Como Co hemos comentado anteriormente la llamábamos inicialmente desde la rutina “Inicializar”, aunque normalmente la llamamos desde la rutina de maniobra.
Figura 57. Diagrama de flujo de la subrutina “Leer datos de fábrica”. Inicialmente abrimos la base de de datos de fábrica para leer todos los datos de la orden de producción tal y como definimos en el protocolo de comunicación con fábrica. fábrica Parte de estos datos los guardamos para poder escribirlos con con los resultados más má adelante en la base de datos de fábrica, ca, los otros datos los mostramos en las pantallas del scada. 85
Con el código del producto cambiado apropiadamente de formato buscamos el producto asociado a ese código en la base de datos de “PRODUCTOS” del proyecto. Una vez encontrado el producto, accedemos al nombre de la recta de calibración asociada a ese producto en cuestión, con el nombre de la recta de calibración ya podemos obtener los datos de la recta guardados en la base de datos de “Rectas de calibración”. Después actualizaremos los valores de offset y pendiente del sistema para que el valor de humedad mostrado en el gráfico corresponda con los nuevos valores de la recta. = ? 4 + g Donde: H
es la humedad en %
Vs
es el valor del sensor
P
es la pendiente de la recta
O
es el offset de la recta
Finalizamos la subrutina cerrando la base de datos de fábrica.
7.5.3
Subrutina “Cálculo humedad inicial”
Esta secuencia de comandos es una subrutina que se ejecuta al cumplirse una condición booleana “ini_calculo” controlada desde la rutina maniobra.
86
Figura 58. Diagrama de flujo de la subrutina “cálculo humedad inicial” Inicialmente esperamos el tiempo de retardo al cálculo inicial definido en la configuración nfiguración del sistema. Transcurrido el tiempo comenzamos una captura de datos, esperando un tiempo determinado entre cada captura, este tiempo también está definido en la configuración. Una vez realizada la captura de todos los datos realizamos el el promedio prome del valor del sensor. Calculamos alculamos la humedad inicial asociada al valor del sensor y en base a la recta de calibración del producto en cuestión. Con el valor de humedad inicial calculamos el aporte necesario para corregir la desviación con la humedad objetivo, o leída durante la lectura de datos de producción. Para finalizar pondremos a “1” una variable booleana que iniciará la subrutina “Escribir resultados a fábrica”.
87
7.5.4 Subrutina “Escribir Escribir datos a fábrica” fábrica Esta secuencia de comandos la hemos generado como una subrutina que se ejecuta con una condición booleana.. La llamamos al finalizar el cálculo de la humedad inicial.
“escribir datos a fábrica”. fábric Figura 59. Diagrama de flujo de la subrutina “escribir Inicialmente convertimos los datos que tenemos que escribir en la base de datos al formato marcado en el protocolo de comunicaciones con fábrica. Recuperamos también los datos de producción que leímos anteriormente con la función “leer datos de fábrica”. fábric Una vez abierta la basee de datos escribimos los datos. Y si la escritura es correcta, correcta finalizamos cerrando la base de datos. Sabemos si la escritura es correcta mediante una variable que nos devuelve la función “DBWRITE” del editor de secuencias de comandos. com
88
7.5.5
Función “Cálculo Cálculo humedad final” final
Esta secuencia de comandos es una subrutina que se ejecuta al cumplirse una condición booleana “ini_calculo2”” controlada desde la rutina maniobra. maniob
Figura 60. Diagrama de flujo de la subrutina “Cálculo humedad final”. Una vez transcurrido el tiempo de cálculo final comenzamos la captura de datos, de la misma manera que al calcular la humedad inicial hay un tiempo entre cada captura y un número total de capturas definidas definida en la configuración del sistema. Este cálculo seguirá realizándose siempre y cuando siga funcionando la mezcladora, el valor promedio final será el mayor de todos los calculados. Con este valor promedio del sensor calcularemos la humedad en base a la recta de calibración del producto. Para terminar pondremos a “1” la variable que iniciará la subrutina “Escribir resultados en DB”. 89
7.5.6
Subrutina “Escribir resultados en DB”
Esta secuencia de comandos la hemos generado como una subrutina que se ejecuta con una condición booleana. La llamamos al finalizar el cálculo de la humedad final. En esta subrutina generamos una línea en la base de datos “RESULTADOS” con toda la información calculada por el sistema en el lote finalizado. El formato de la base de datos es el siguiente: Campo
Formato
Autonumérico
Texto 50 char
Fecha
Texto 50 char
Hora
Texto 50 char
Nombre Producto
Texto 50 char
Recta de calibración
Texto 50 char
Humedad inicial
Decimal
Humedad final
Decimal
Humedad aplicada
Decimal
Valor sensor inicial
Entero
Valor sensor final
Entero
Cantidad agua
Entero
Cantidad rhp
Entero
Tabla 8. Formato de datos
90
7.5.7
Subrutina “Terminar Terminar proceso” p
Esta secuencia de comandos se ejecuta al cerrar la aplicación, tanto si se cierra desde la barra de comandos de Windows o desde el botón de la pantalla principal “SALIR”.
Figura 61. Diagrama de flujo flujo de la subrutina “Terminar proceso”. Inicialmente cambiamos el formato de las variables variables que vamos a guardar a texto. Y después generamos el fichero de texto “Configuración.txt” para guardar todas las variables de configuración del sistema. Después de cerrar el archivo cerramos también también las comunicaciones con el PLC. Si S cualquiera de estas dos acciones diera un fallo avisaríamos al usuario mediante un mensaje de alarma.
7.6
Alarmas del scada de control
Las alarmas del scada de control son las siguientes: 7.6.1 Alarma por falta de nivel en el depósito de rehidratante Esta alarma se produce cuando la señal del nivel del depósito to se activa. Esta alarma en concreto activa una sirena para que el operario pueda rellenar el depósito.
91
Figura 62. Visualización de una alarma en la página de datos online. Al producirse la alarma aparece el visor de alarmas con una pequeña descripción del evento, el visor de alarmas también aparece en la página del sinóptico:
Figura 63. Visor de alarmas. Desde el visor de alarmas podemos ejecutar dos acciones: •
Ver Alarmas
Si pulsamos el botón “ver alarmas” aparecerá el editor de alarmas, un listado con las alarmas producidas, en el que tenemos más información:
92
Figura 64. Editor de alarmas Desde el editor de alarmas podemos reconocer la alarma, siempre y cuando las condiciones que la han producido ya no estén activas. En este caso hasta que no se haya rellenado el depósito, la alarma de nivel no dejará de estar activa.
•
Reconocer
Pulsando el botón “reconocer” desactivamos la alarma siempre y cuando las condiciones que la han producido ya no estén activas.
7.6.2 Alarma por sobrepresión en la línea Las condiciones para que se active esta alarma es que la señal del presostato se active durante más de un segundo con el equipo en marcha.
7.6.3 Alarma por fallo en el medidor de caudal del rehidratante Esta alarma se produce si el equipo está dosificando y dejamos de recibir pulsos de cantidad dosificada por el caudalímetro de rehidratante durante un cierto tiempo definible desde la pantalla del equipo de control. 93
7.6.4 Alarma por fallo en el medidor de caudal del agua Esta alarma se produce si si el equipo está dosificando y dejamos de recibir pulsos de cantidad dosificada por el caudalímetro de rehidratante durante un cierto tiempo definible desde la pantalla del equipo de control.
7.6.5 Alarma por fallo en el motor de la bomba de rehidratante Esta alarma se produce si el variador de la bomba del rehidratante se encuentra en estado de error. Se tendría que verificar si hay algún problema en la bomba o en el variador de frecuencia.
7.6.6 Alarma por fallo en el motor de la bomba de agua Esta alarma se produce si el variador de la bomba de agua está en estado de error. Se tendría que verificar si hay algún problema en la bomba o en el variador de frecuencia.
7.6.7 Alarma de tiempo máximo de inyección superado Si se supera el tiempo máximo de inyección definido en configuración se produce la alarma.
8
Elementos de medida de humedad
8.1
Introducción
Los criterios para escoger el sensor de humedad fueron los siguientes: • Precisión en la medida de la humedad. • Estabilidad de la medida frente a las variaciones de la densidad y la granulometría del alimento. • Robustez del equipo para condiciones industriales. • Estabilidad de la medida frente a las interferencias producidas por los elementos mecánicos. En el mercado los equipos que nos ofrecían más garantías fueron los siguientes: 1) Equipos NIR 2) Sensores de humedad por microondas El principal hándicap de los equipos NIR es que no pueden trabajar con elementos mecánicos que interfieran la luz. Así que si escogiéramos este equipo tendríamos que plantearnos ponerlo a la salida de la mezcladora en alguna caída o transportador horizontal. Pero también perderíamos la posibilidad de corregir la humedad del alimento en curso sin volverlo a reprocesar por la mezcladora. Otro hándicap de los equipos NIR es su alto precio, alrededor de los 60.000 €. Por estos motivos lo hemos descartado.
94
8.2
Sensor de humedad por microondas Hydromix
El principio físico de medida se fundamenta en el procedimiento de resonancia de microondas que nos permite determinar el contenido de humedad sin tratamiento preliminar (técnica no destructiva), mediante la resintonización y la amortiguación de la frecuencia natural del resonador, y gracias a la alta reacción al contenido de agua. Debido al escaso suministro de energía de pocos miliwatios no produce ni calentamiento ni cambio químico del producto analizado. Y debido a que las microondas penetran por completo en la materia, se registra toda el agua ligada físicamente, tanto el agua superficial como la agua ligada capilarmente. El precio del equipo es bastante más económico que los NIR, alrededor de los 3000 €.
Figura 65. Sensor de humedad por microondas
95
8.2.1
Conexión del sensor de humedad
Figura 66. Conexión eléctrica del sensor
Figura 67. Conexiones del cable Únicamente conectaremos la alimentación y la salida analógica.
96
8.2.2 Parametros ajustables del sensor El sensor de humedad se programa con el software “Hydro-Com 1.69” ,
Figura 68. Pestaña de configuración del programa Hydrocom 1.69. 8.2.2.1 Ajuste de la recta Los parámetros A, B, C y SSD son los factores de escala utilizados para calcular la humedad. Estos coeficientes se determinan a partir de la calibración del material. Si se cambian estos valores se modificará la calibración. El % de humedad en un material se calcula escalando la lectura sin escala del sensor por medio de la siguiente ecuación: 2
m% = Ax + Bx + C – SSD (x = lectura sin escala) SSD es el valor ‘Seco saturado superficial' del material, y es específico al material utilizado. 8.2.2.2 Filtros de velocidad de salto Estos filtros ajustan los límites para elevados cambios positivos y negativos elevados en la señal sin procesar. Esta función es útil en aplicaciones donde en las que irregularidades inherentes en la señal la suelen hacer inestable, por ejemplo un sensor de suelo de mezcladora en el que las hojas pasan regularmente por la cara del sensor: Es posible ajustar límites para los cambios positivos y negativos individualmente: Las opciones para los filtros de velocidad de salto “slew rate +” y “slew rate -“ son las siguientes: Ninguno, Ligero, Mediano y Pesado
8.2.2.3 Tiempo de filtrado Esta opción ajusta el tiempo de filtrado en la señal limitada de velocidad de salto, lo cual es útil cuando existe mucho ruido o variación en la señal. Los tiempos estándar son 0, 1, 2.5, 5, 7.5 y 10 segundos. Hay que tener en cuenta que algunas versiones del firmware 97
se pueden configurar con un tiempo de filtrado alto (de 7 a 100 segundos) para aplicaciones especiales. 8.2.2.4 Salidas analógicas Mediante este editor podemos configurar el tipo de salida analógica, en nuestro caso será 0-10 V y será del tipo “Filtered moisture %”. De este modo la respuesta del sensor será procesada por la recta de calibración programada con los parámetros de la recta A, B, C y S.S.D. Para tener la mayor precisión posible ajustaremos el rango de la señal analógica entre 0 y 20 %. Estos valores los hemos definido estudiando la respuesta del sensor, de manera que la respuesta está muy ajustada al 0% cuando la mezcladora está vacía y solamente se acerca al 20 % en las condiciones máximas de humedad, con unas materias primas con alto contenido en humedad y un aporte elevado de solución hidratante. 8.2.2.5 Entradas/salidas digitales Esta opción está inhabilitada, normalmente las entradas digitales se usan para seleccionar las rectas de calibración internas o alternar la salida de temperatura por la salida analógica. En nuestro proyecto no las usaremos, únicamente trabajamos con una recta de calibración, ya que usamos el programa del scada de control para esa misma función.
8.3
Partes del sensor
Figura 69. Hydromix con anillo de sujeción ajustable
98
Figura 70. Anillo montado sobre la placa Como vemos en la figura 69 las partes principales del sensor son el cuerpo, el anillo de protección y el disco cerámico. Para poder instalarlo necesitaremos el anillo de sujeción y la placa de fijación a la mezcladora. Esta placa se tiene que soldar a la mezcladora y se unirá mediante tornillos al anillo.
8.4
Instalación del sensor en la mezcladora
Figura 71. Sensor instalado La colocación óptima del sensor es 30º respecto de la base de la mezcladora, así evitamos que se acumule agua en la base del sensor si hay derrames, y se facilita que haya alimento en la cara del sensor.
8.5
Procedimiento de calibración
En primer lugar tenemos que dividir los productos de fabricación en grupos para definir una recta de calibración para cada uno de ellos. El criterio para hacer esta división se hará en función de las materias primas que forman el producto, ya que productos con la misma composición normalmente tienen la misma respuesta en el sensor.
99
8.5.1
• • • • •
Procedimiento de toma de muestras
Para realizar las rectas de calibración tendremos que tomar muestras de los productos, sin dosificar rehidratante, y en otras añadiendo. De esta forma tendremos puntos de la recta de calibración más separados en humedad, por lo que la recta estará más ajustada a la realidad. En cada muestra se tendrá que apuntar: Nombre del producto Hora Fecha Valor final del sensor Aporte de disolución También podemos mirar el valor del sensor en el “Data Logging”. Siempre y cuando sepamos la hora a la que se ha producido. NºMuestra % PelletPlus
HUMEDAD (%)LAB
HUMEDAD MEDIA (%)
SENSOR (PTOS)
HORA
PRODUCTO
1
10:28
1302001
2
10:40
0
2500
3
10:51
2
2910
4
10:58
2
2900
0
x
Tabla 9. Tabla de recogida de datos para calibrar
CURSOR
Figura 72. Visor de datos
100
VALORES
2626
Una vez se ha concretado el valor de las humedades de las muestras con el procedimiento aceptado por control de calidad, procederemos a realizar la recta de calibración. Si tenemos muchos puntos utilizaremos una recta de regresión.
Figura 73. Hoja de cálculo usada para generar rectas de regresión 8.6
Materiales y métodos de referencia
Hemos de escoger el método que más se ajuste a las necesidades de la planta y facilite el proceso de calibración. Normalmente el método que se considerará más valido será el que use control de calidad de la fábrica.
8.6.1 Balanza de humedad por infrarojos Unos equipos de medida típicos para medir la humedad mediante báscula de precisión y calentamiento por infra-rojos son el Sartorius MA150C y el MAC 50 de radwag.
Figura 74. Báscula de humedad por infra-rojos. 101
Las balanzas para medición de humedad determinan la sustancia seca que queda tras un proceso de secado con energía infrarroja de la sustancia total previamente pesada y calcula así la humedad de la masa pesada húmeda. Durante el proceso de secado se puede ver en la pantalla la disminución del contenido de humedad. Las balanzas para medición de humedad son aparatos con una buena relación calidad-precio y nos permiten determinar con precisión la humedad, la sustancia seca o la consistencia de materiales y sustancias volátiles y fijas.
8.6.2
NIR
El funcionamiento de los NIR se basa en la espectroscopia. La palabra “espectroscopia” deriva de la raíz latina spectrum (apariencia, imagen) y la palabra griega skopia (ver). En esencia, la tecnología NIR involucra luz interactuando con un material, donde una radiación electromagnética ocurre en forma de ondas. La longitud de onda en el espectro NIR se mide normalmente en nanómetros (nm) donde 1nm = 10-9 m ó 1000nm = .001mm. Esa parte del espectro visible al ojo humano se extiende de alrededor de 400nm á 800nm, mientras que el espectro infrarrojo se extiende de aproximadamente 2,500nm á 25,000nm. El infrarrojo cercano es considerado esa parte del espectro situada entre la región visible y la región infrarroja. El rango de longitudes de onda que el NIR cubre, está entre 750nm á 2,600nm. 8.6.3
Laboratorio
El procedimiento de análisis de humedad en laboratorio es el más preciso de todos los métodos, aunque también es el más lento. Es muy parecido al de las balanzas de humedad, la masa de alimento se calienta, aunque en este caso el periodo de calentamiento suele rondar las 3 horas, dependiendo del método, el alimento se pesa antes y después y mediante un sencillo cálculo se puede obtener la masa de alimento evaporada.
102
9
Futuras líneas de trabajo y conclusiones
9.1
Futuras líneas de trabajo
Para ofrecer un sistema completo de control de humedad en alimentos balanceados es necesaria la medición y actuación en otras partes del proceso. Mientras hemos realizado la instalación y pruebas del equipo en fábrica hemos detectado varios problemas que pueden ocurrir durante la producción y producen efectos negativos en la humedad del alimento y por consiguiente en su calidad.
9.1.1 Regulación del acondicionador Tal como vimos en el apartado 4.3.3 Acondicionadores, se incorpora una cierta cantidad de vapor en el acondicionador para preparar la masa de alimento para el proceso de granulado. Durante las pruebas pudimos constatar que una mala regulación de la válvula de presión y la válvula de caudal del vapor pueden provocar un exceso de humedad, el cual provocará la parada de la peletizadora. O una merma, que provocará una bajada en la velocidad de producción. Estas anomalías se podrían evitar mediante un sistema de medida y actuación. Instalando un sensor de humedad al final del acondicionador y regulando la apertura de la válvula de caudal de vapor mediante el lazo de control.
9.1.2 Regulación del enfriador Otro punto en el que nos fijamos realizando el proyecto fue en el proceso de enfriado. Normalmente los enfriadores no disponen de un lazo de control de temperatura, ni de humedad. Se fija un tamaño de camada mediante dos sensores capacitivos o mecánicos que detectan el alimento dentro del enfriador. En nuestro caso en concreto, cuando el alimento llegaba a la altura máxima definida por la colocación del sensor, el enfriador comenzaba el proceso de descarga durante un tiempo “x” definido manualmente. El problema de este sistema es que es posible que en muchos casos el alimento permanezca más tiempo del necesario dentro del enfriador, y por lo tanto se pierda humedad. El otro caso es que esté poco tiempo y salga con una excesiva temperatura, lo que provoca una mayor facilidad de rotura del pellet, o una excesiva humedad. Elementos de medida propuestos: • Sensor de humedad Se tendría que instalar un sensor de humedad a la salida del enfriador • Sonda pt100 de temperatura Para una correcta regulación del sistema sería necesario instalar un sensor de temperatura justo antes de la salida del enfriador. Si el alimento está a la temperatura correcta solo tendría que permanecer en el enfriador si la humedad es más alta que la consigna fijada. En este sistema tenemos vario puntos de actuación: • Caudal de aire, producido por la turbina Mediante un variador de frecuencia podríamos ajustar la velocidad de giro del motor de la turbina y en consecuencia el caudal de aire producido por esta. • Apertura del “dumper”. La turbina tiene una compuerta a la salida que se actúa neumáticamente. Si la compuerta está cerrada no entra aire dentro del enfriador. 103
• Velocidad de apertura de las rejillas de salida Estas rejillas están actuadas neumáticamente, y se puede regular el momento de apertura Mediante la actuación en estos puntos podríamos regular la humedad y la temperatura en el subproceso de enfriamiento.
9.2
Conclusiones
El proyecto que hemos realizado ha contribuido para identificar los puntos críticos que hay que considerar para llevar a cabo una implementación exitosa de un sistema de control de humedad en el proceso de fabricación de alimentos balanceados. También es importante recalcar que durante el proceso de instalación y calibración de los sistemas hemos podido identificar sistemas susceptibles a mejora en el proceso de fabricación. Esto nos aporta una continuidad al trabajo realizado. Respecto a los beneficios del sistema, han quedado claros, se ha conseguido una homogeneidad en humedad, con coeficientes de variación de aproximadamente un 0,5 %, en el alimento a la salida de la mezcladora. Esto ha provocado un menor consumo en las peletizadoras y una mayor velocidad de producción, con el consiguiente beneficio económico. Con el estudio de las humedades en el proceso también nos hemos percatado de problemas en los sistemas de control que provocan inestabilidades de la humedad, con las consiguientes correcciones manuales tomadas. Además, los equipos dosificadores propuestos han superado con éxito el trabajo en el difícil entorno industrial, se han mostrado robustos y precisos en el tiempo.
104
Anexo I. Esquemas eléctricos del equipo dosificador
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