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SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL

CONTROL DE LA TEMPERATURA Y

EL TIEMPO EN EL PROCESO DE

TOSTION DEL CAFE

Jorge Jaramillo Ponce

Otto Leonardo Chaves

1

Nariño huele a cafés especiales.

Proceso de la tostion.

Control del proceso.

Resultados.

INTRODUCCION

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¿Es posible controlar la temperatura y el tiempo en el proceso de tostión de manera automática y garantizar la calidad del producto final?

Planteamiento del problema

3

o Desarrollar un sistema automatizado para controlar la temperatura y el tiempo en el proceso de tostión de café.

Objetivo General

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Establecer las características técnicas y operativas de un sistema electrónico para el control automático de la temperatura y el tiempo en el proceso de tostión de café.

Diseñar el sistema electrónico para el control automático de la temperatura y el tiempo en el proceso de tostión de café.

Implementar el sistema electrónico para el control de las variables involucradas en el proceso de tostión de café.

Objetivos Específicos

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Intervienen:

mecanismos de transferencia de calor y de masa simultáneamente.

Cambios físicos y químicos.

700 a 800 compuestos constituyentes del aroma y el sabor.

Comportamiento de la temperatura y el tiempo en el proceso.

Proceso de tostion del café

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Temperatura del grano (°C) Color Volumen Proceso

100 Amarillo Desecación y pérdida de agua.

120-130 Castaño Reacciones de reducción de azúcares y aminoácidos.

130-180 Marrón Aumenta Caramelización de azúcares.

180-200 Marrón Aumenta Producción de CO2 porpirogenación decarbohidratos, proteínas ygrasas.

200-230 Marrón Aumenta Agrietamiento del grano(crepitación) y afloramientodel aceite en la superficie.

250 Negro sin brillo Deja de aumentar Sobretostión, seCarboniza y el aromadesaparece.

Fases de la tostion

Desecación

Crecimiento

Disgregación

Tostado completo

Enfriamiento7

Conducción.

Convección.

Radiación.

Transferencia de calor hacia los granos de café

8

Las curvas de tostión

9

La lógica difusa es una extensión de la lógica tradicional

(Booleana) que utiliza conceptos de pertenencia de sets

mas parecidos a la manera de pensar humana

Fundamentos de Lógica Difusa

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Conjuntos difusos.

Funciones de pertenencia.

Operaciones entre conjuntos difusos.

Fusificación.

Base de conocimiento.

Inferencia difusa.

Defusificación.

Lógica Difusa

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Control Difuso

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Directos sin optimización:1. Controlador proporcional: X=f (e).

2. Controlador integral X=f(s).

3. Proporcional-derivativo: X= f (e, Δe).

4. Proporcional-integral: X= f (e, s).

5. Con realimentación no lineal: X=f (R, S).

Tipos de controladores difusos

Directos con optimización:1. Controladores difusos auto-organizados.2. Controladores difusos con auto-aprendizaje.3. Controladores basados en modelado difuso.

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Diseño preliminar máquina para tostion de café

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Dos servoválvulas para control de caudal de aire.

Tubería de acople entre servoválvulas, intercambiador de calor y tolva de tostión.

Compresor de aire.

Encendido intercambiador de calor y compresor.

Referencia de temperatura variable en el dominio del tiempo.

Sensor de temperatura capaz de medir de (0–230)°C .

Velocidad del aire.

Características técnicas y operativas para el control de la temperatura y el tiempo

de la maquina de tostion de café

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ESQUEMA GENERAL EN BLOQUES PARA CONTROLAR LA TEMPERATURA Y EL TIEMPO EN UNA MAQUINA DE TOSTION

DE CAFÉ CON AIRE CALIENTE Y GAS LP

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17

Diseño del Circuito Electrónico para la Configuración de Medida y Acondicionamiento

de la señal del sensor

Diseño de una fuente dual DC regulada y filtrada

𝑓𝑐 =1

2𝜋∗220𝜇𝐹∗22Ω= 32.88 𝐻𝑧

Vout: (12, -12, 5, -5) VDC

Comportamiento lineal de la resistencia vs temperatura.

Rango de medida.

Precisión de una decima de grado.

Corriente máxima a través del sensor 2.4mA

𝑰 =∆𝑻∗𝜹

𝑹=

𝟎.𝟏∗𝟔∗𝟏𝟎−𝟑

𝟏𝟎𝟎= 2.4mA

Donde:

𝜹 =𝟔𝒎𝑾

°𝒌18

Caracterización del sensor de temperatura RTD pt-100

𝑉𝑚 =𝑉𝑒𝑥

4

∆𝑅3−∆𝑅4

𝑅𝑇

𝑉𝑚 =𝑉𝑒𝑥

4

∆𝑅𝑇+𝑅𝑐+∆𝑅𝑐− 𝑅𝑐−∆𝑅𝑐

𝑅𝑇

𝑉𝑚 =𝑉𝑒𝑥

4

∆𝑅𝑇

𝑅𝑇

𝑉𝑒𝑥 = 4.96 𝑉

𝑅𝑒𝑞𝑖𝑧 = 𝑅1 + 𝑅2

𝐼𝑒𝑞𝑖𝑧 =𝑉𝑒𝑥

𝑅𝑒𝑞𝑖𝑧=

4.96

3190

𝐼𝑒𝑞𝑖𝑧 = 1.554 𝑚𝐴

𝑃𝐷 = 240.25 𝜇𝑊 𝑎 0°𝐶

𝑃𝐷 = 423 𝜇𝑊 𝑎 233°𝐶

19

Puente de Wheatstone en configuración siemens

𝑅𝑒𝑞𝑑𝑒𝑟 = 𝑅𝑝𝑡100 + 𝑅4 = 187.91 + 3090 = 3277.91Ω

𝐼𝑒𝑞𝑑𝑒𝑟 =𝑉𝑒𝑥

𝑅𝑒𝑞𝑑𝑒𝑟=

4.96

3277.91= 1.5𝑚𝐴

𝑉𝑅4 = 𝐼𝑒𝑞𝑑𝑒𝑟 ∗ 𝑅4 = 1.5𝑚𝐴 ∗ 3090Ω = 4.647Volts

𝑉𝑅2 = 𝐼𝑒𝑞𝑖𝑧 ∗ 𝑅2 = 1.554𝑚𝐴 ∗ 3090Ω = 4.804Volts

𝑉𝑚𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑅4 − 𝑉𝑅2 = 4.804 − 4.647 = 157𝑚𝑉

𝐺 =𝑉𝑒𝑥

𝑉𝑚𝑚𝑎𝑥=

4.96𝑉

157𝑚𝑉= 31.6

𝑅𝐺 =49.4𝐾Ω

G−1=

49.4𝐾Ω

31.6−1= 1614.37Ω

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Etapa de Amplificación de la señal

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Etapa de filtrado

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Diseño de servoválvulas

Componentes: servomotores (10kg-cm), 5VDC, 0.17seg/60°. Llave de paso de bola. Juego de piñones. Fuente alimentación 5VDC. Relacion de piñones: 96/60=1.6 𝑚𝑜𝑣.𝑚𝑎𝑥. 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑙𝑙𝑎𝑣𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜 = 90° 𝑚𝑜𝑣.𝑚𝑎𝑥. 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 =𝑚𝑜𝑣.𝑚𝑎𝑥. 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑙𝑙𝑎𝑣𝑒 ∗ 1.6

𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 144°

90°

𝑋=

144°

1° 𝑋 = 0.625°

Interfaz de comunicación USB entre Matlab y el microcontrolador.

Digitalización señal de temperatura.

Control de las servoválvulas:

𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 = 4 ∗1

𝐹. 𝑂𝑠𝑐𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟∗ 65536 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑀𝑅0 ∗ 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒𝑟

𝑃𝐸𝑅𝐼𝑂𝐷𝑂 =4

48𝑀ℎ𝑧∗ 65536 ∗ 4

𝑃𝐸𝑅𝐼𝑂𝐷𝑂 = 20.971 𝑚𝑠𝑒𝑔

Rango de operación servomotores:

2457 (limite inferior, válvula totalmente abierta)

6919(limite superior, válvula totalmente cerrada)

Control de encendido para intercambiador de calor y compresor

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Módulo de control, Adquisición de señal e Interfaz de comunicación

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Diagrama de Flujo

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Diseño de hardware

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Encendido compresor de aire e intercambiador de calor

Encendido compresor Encendido Intercambiador de calor

Pasos: Identificar las variables de entrada y salida del

sistema. Un modelo lingüístico que puede ser creado con

base en el conocimiento de un humano experto. Definir el universo de discurso de acuerdo a la

variable lingüística y dividir el universo dediscurso, asignando etiquetas a los valores difusos(conjuntos difusos).

Asignar funciones de pertenecía para cadaconjunto difuso.

Asignar una relación entre las entradas y lassalidas, formando una base de reglas.

Determinar un método de defusificación.

27

Diseño e implementación del método de control por medio de lógica difusa

28

Control difuso directo sin optimización tipo proporcional derivativo

Conjuntos difusos error de temperatura

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Fusificación y diseño de las funciones de membresía

Conjuntos difusos delta error

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Fusificación y diseño de las funciones de membresía

Conjuntos difusos apertura de llaves

31

Fusificación y diseño de las funciones de membresía

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Base de reglas

ERROR

DE

LT

A E

RR

OR

NG NM NP 0 PP PM PG

AF AC AF AC AF AC AF AC AF AC AF AC AF AC

NG A C SA SC MA MC MA MC MC MA SC SA C A

NP A C SA SC MA MC IM IM SC MA C SA C A

CERO A C SA MC IM IM MC IM SC MA C SA C A

PP A C SA MC MC MC IM MA C MA C A C A

PG A C SA MC MC IM MC MA C MA C A C A

AF: Apertura para llave de aire frio. AC: Apertura para llave de aire caliente.

Formato tipo Mamdani, porejemplo: If error es NG ycambio de error es NG thenapertura aire caliente es C yapertura aire frio es A.

Tipo de inferencia: Max-Min.

Método de defusificación:Centroide.

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Configuración control difuso

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Superficie de control

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Superficie de control

Funciones: Perfiles de tostión del café. Visualización en tiempo real del proceso. Permite el control de encendido del compresor de aire y del

intercambiador de calor. Borrar perfil. Reinicio del sistema. Parada. Guardar perfil. Para el análisis de los perfiles se incorporó las herramientas de

zoom, cursor y desplazamiento. Avisos: Gestiona avisos de advertencia, barras de progreso,

visualización de la temperatura actual y porcentaje de apertura deservoválvulas

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Aplicación de control

37

Aplicación de control

38

Implementación del sistema

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Módulo de control implementado

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Implementación de servoválvulas

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Evaluación del sistema

Respuesta oscilante (3°C error), 1.6%. Sobrepaso 3.9°C. Cambios en el diseño del controlador difuso.

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Calibración del sistema

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Análisis de resultados

Tiempo de retardo (min)

Tiempo de levantamiento(min)

Tiempo pico

Máximo sobreimpulso(°C)

Tiempo de asentamiento(min)

1.65 5.91 5.95 168.2 6.1

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Análisis de resultados

Cambio de 115 a 106 °C en un tiempo de establecimiento de 44.75 seg. Error en estado estable de 0.2 °C. Error en estado estable de 0.6°C, 0.275% (tolva con café y en movimiento)

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Perfiles de tostión

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Indicador de calidad

CURVA DE TOSTION #2 UDENAR

FICHA TÉCNICA DEL PRODUCTO TOSTADO CODIGO: 002.

Fecha de Catación: 17/05/2014 Laboratorio: UDENAR Fecha de muestreo: 16/05/2014 Catador: EVELIO LASSO

Presentación de muestra: TOSTADO Peso de la muestra (Gr): 250GR

Origen N/A Variedad N/A Tipo de Tostion: MEDIA ALTA Rango de altitud: N/A Numero Agtron: N/A Época de cosecha N/A Molienda: Media

PERFIL DE TAZA

1.Fragancia/Aroma 8,25 CITRICO, FRUTOS ROJOS CARAMELO

2. Sabor 8,00 ACHOCOLATADO, NOTAS CITRICAS

3. Sabor residual 7,75 DULCE, CORTO

4. Acidez 7,50 MEDIA

5. Cuerpo 7,50 MEDIO

6. Dulzor 7,75 ACARAMELADO

7. Uniformidad 10,00 UNIFORME

8. Limpienza de la taza 10,00 LIMPIO

9. Balance 10,00 BALANCEADO

10. Global 7,75 CAFÉ MAS DESAROLLADO EN SU SABOR

PUNTAJE FINAL (SCAA) 84,50

CURVA DE TOSTION

OBSERVACIONES: CAFÉ MAS DESARROLLADO EN SU ESTRUCTURA DE SABOR, ACIDEZ MEDIA Y RECIDUAL UN POCO MAS PROLONGADO.

EVELIO AUDIAS LASSO B.

Fuente: Esta investigación. Catador Q-GRADER

0

5

101.Fraga…

2. Sabor

3.…

4. Acidez5.…

6. Dulzor

10.…

Se cumplió satisfactoriamente los objetivos de la investigación al lograr obtener un sistema de control de temperatura y tiempo en el proceso de tostión de café óptimo que permite la obtención de cafés especiales, al realizar diferentes perfiles de tostión a través de una interfaz gráfica de usuario la cual cumple los principios de usabilidad, mostrando graficas de temperatura real y referencia, apertura de servoválvulas, una barra de herramientas para el análisis de las curvas construidas y gestiona el guardado de los perfiles de tostión con el fin de estandarizar el proceso.

Se diseñó e implemento dos servoválvulas a bajo costo que permiten controlar de forma adecuada, el caudal de aire frio y caliente que es ingresado en la tolva de tostión lo cual es clave para el correcto funcionamiento del sistema. Además se pueden utilizar estas servoválvulas para controlar otro tipo de fluido como lo puede ser agua, etc.

La realización de un circuito acondicionador de señal del sensor RTD-PT100 confiable permite desarrollar de forma adecuada el control de la temperatura y además a un bajo costo.

Por la complejidad del sistema y los factores externos que son difíciles de modelar, es viable un Control Difuso, el cual permita evaluar, variables lingüísticas, no numéricas, simulando el conocimiento humano, al relacionar entradas y salidas, sin tener que entender todas las variables, permitiendo que el sistema de control pueda ser confiable y estable.

El principal aporte de este trabajo a la región se constituye en un desarrollo tecnológico que permite potenciar la calidad del café en el proceso de tostión.

El desarrollo del trabajo de grado permitió mostrar la capacidad intelectual, humana, social, etc, fomentada dentro de la Universidad de Nariño comprometida con el desarrollo de la región, la cual a través del programa de ingeniería electrónica aporta significativamente a la apropiación de la tecnología en el sector agrario el cual es la base de la economía de Nariño. De esta manera se da cumplimiento a los fines misionales de la institución a través de una investigación con proyección social, orientada a dar respuesta a los problemas y necesidades del departamento.

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Conclusiones

Para el correcto funcionamiento del sistema de control se recomienda leer el manual de usuario.

Desarrollar un sistema que agilice el enfriamiento del café para evitar la sobretostión. Se recomienda implementar un testeador en el cilindro de tostado para verificar el

avance de la tostión y desarrollo del grano. Para incrementar la eficiencia del sistema se recomienda realizar un trabajo de

investigación que tenga como objetivo utilizar la energía térmica no aprovechada por el intercambiador de calor para inyectarla a un proceso de secado del grano.

Se sugiere realizar métodos de control alternativos. Se sugiere realizar un sistema embebido. Se recomienda realizar investigaciones interdisciplinares que tengan como objetivo

solucionar problemáticas que lleven a tecnificar los procesos tradicionales en la actividad económica de la región y permitan dar valor agregado a los productos o servicios, generando un desarrollo integral.

Mejorar el diseño del intercambiador de calor realizando un adecuado modelamiento matemático partiendo de las propiedades termofísicas.

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Recomendaciones

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