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AUTOMATIZACIN DE MQUINA PARA LA FABRICACIN DE GOMAS DE DULCE

Presentado por:

EDWARD GUACANEME 20013037005

CARLOS FABIAN GONZALEZ

20031107043

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA DE ELECTRNICA BOGOT D.C.

2009

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIN ....................................................................... 3

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

1.1 ANTECEDENTES 4

1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA 6

1.3 JUSTIFICACIN 7

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN 8 1.4.1 OBJETIVO GENERAL 8 1.4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS 8

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

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

2.1 MARCO CONCEPTUAL 10

2.2 MARCO TERICO .......................................................... 11-12

3. METODOLOGA .................................................................. 13

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN ......................................... 13

3.2 LNEA DE INVESTIGACIN ................................................... 13

3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE LA INFORMACIN ................. 14

HIPTESIS 17

4.DESARROLO INGENIERIL

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

6. RECURSOS Y PRESUPUESTO ... ..19

6.1PUNTO DE RECUPRECION DE LA INVERSION

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

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

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INTRODUCCIN El presente proyecto de aplicacin es una propuesta de automatizacin y control del proceso de elaboracin de gomas de dulce en una microempresa. Esta idea surgi debido a la necesidad de modernizar la fbrica, ya que actualmente se lleva a cabo la fabricacin de manera completamente manual; la fbrica contar con un sistema de control completamente automtico, sustituyendo con esto la manipulacin manual de los materiales. Despus de observar como algunas familias se dedican a la produccin de gomas de dulce y de la importancia en su economa, planteamos una propuesta de cmo automatizar el proceso aplicando los conocimientos adquiridos en el seminario de grado para la obtencin del ttulo de ingenieros Electrnicos, haciendo el proceso ms eficiente y evitando al mximo la manipulacin manual del producto, evitando as posibles contaminaciones. Para poder hacer el proceso de una manera ms eficiente contaremos con dosificadores volumtricos que permitan tener la cantidad de material suficiente para cada ciclo de trabajo, evitando el desperdicio y un producto ms homogneo, automatizando los tiempos de coccin y mezclado del producto esto asegura usar slo el tiempo necesario. En el documento se presenta una propuesta de cmo realizar la automatizacin del proceso de elaboracin de gomas de dulce comenzando por explicar cmo se elabora de manera artesanal las gomas de dulce y luego como se podra implementar una automatizacin al proceso, explicando algunos conceptos respecto al funcionamiento de los elementos que interviene en la automatizacin familiarizando al lector para facilitar el entendimiento del mismo.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

Actualmente en Colombia no hay una maquina que haga el proceso de elaboracin de gomas comestibles pero si en otros pases como Mxico y Espaa, aunque no en la proporcin que se expone en el proyecto; debido al alto costo de las maquinas se supone que slo empresas grandes tienen la capacidad de adquirir las mismas. En Colombia lo ms parecido es Incolnox S.A la cual es una empresa que disea y construye todo tipo de recipientes y mezcladores de lquidos y slidos tanto para la industria farmacutica como para la de alimentos, esta sera lo que ms se asemeja a lo presentado en este documento.

Figura 1. Mezclador de lquidos.

NID de Espaa, dispone de un aceitador de gomas/jelly, de Enero del 2001, de doble capacidad con medidas 3300x1300x1400 mm, acero inoxidable, con base de acero para sujecin y cuadro elctrico incorporado completo con autmata NID, lleva tambin incluido sistema de dos rotores con banda transportadora vibradora, cinta de

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

Figura 2. Aceitador de gomas NID del 2001

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

Figura 3. Lnea de goma Makat del ao 1974

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1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA En la actualidad una microempresa familiar cuenta con diferentes procesos de fabricacin de dulces. Los procesos utilizados son totalmente manuales para la obtencin de diferentes tipos de productos como: chocolatinas y gomas de dulce entre otras. Los ingredientes bsicos para la elaboracin de gomas de dulce son: grenetina (gelatina sin sabor), glucosa, azcar refinada, gelatina con sabor, agua y preservativos. El procedimiento de produccin de gomas de dulce consta de tres procesos:

Proceso de dosificacin. Proceso de mezclado a temperatura. Proceso de inyeccin.

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

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Tiempo se apaga el batidor dejando listo el producto para que pase el material a la etapa de inyeccin. Proceso de Inyeccin. En el proceso de inyeccin se hace dosificando de forma volumtrica, haciendo que cada goma final sea de 5 gr, debido a la gran variedad de moldes en tamaos y formas se dosifica para obtener un producto final homogneo, de ser necesario el material ser llevado a moldes diferentes de mayor capacidad siempre de 5 gr en 5 gr, aumentando la variedad en forma y tamao del producto, dando por terminado el proceso de elaboracin de gomas de dulce. Este proceso manualmente genera una baja produccin; ya que el rango de produccin por hora vara entre 80 y 100 gomas, prdidas econmicas debido al desperdicio de material y baja calidad en el producto debido a la manipulacin manual. Una posibilidad para la solucin de estos problemas seria la automatizacin del proceso que elimine en gran parte el proceso manual, una propuesta puede ser la planteada por nosotros expuesta ms adelante. Cmo plantear desde los conocimientos adquiridos a lo largo de los mdulos del seminario de grado, una solucin de automatizacin que se ajuste a las necesidades de las pymes dedicadas a la fabricacin de gomas de dulce?

1.3 JUSTIFICACIN En el siguiente proyecto se desarrolla una propuesta de automatizacin que pretende brindar aportes ingenie riles a una microempresa dedicada a la elaboracin de gomas de dulce, satisfaciendo la necesidad de mejorar el producto y el manejo de los ingredientes reduciendo el desperdicio. Esto es gracias a la aplicacin de una serie de conocimientos y conceptos que se han adquiridos durante toda nuestra formacin como Ingenieros. En este documento se plantear una propuesta para la automatizacin de un *prototipo que fabrica gomas de dulce, debido a que en la actualidad es de manera manual. Los equipos cuentan con un diseo propio debido a la falta de una maquina de estas proporciones y con una tecnologa que facilita su manipulacin. Con la implementacin de mejores tcnicas de control y automatizacin en sus procesos de fabricacin, la microempresa moderniza la calidad de

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sus productos dndole prestigio y llamara la atencin de personas y empresas interesadas en la distribucin de sus productos. Por otro lado se controlar de forma adecuada, el flujo de materiales utilizados en la fabricacin, evitando al mximo el desperdicio, control y contaminacin de materiales en todo el proceso aumentando la productividad de la empresa.

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN

1.4.1 Objetivo General

Plantear una propuesta de automatizacin y simular el proceso de fabricacin de gomas de dulce.

1.4.2 Objetivos Especficos Disear un programa para el control de la maquina (SCADA). Simular el sistema de dosificacin para cada uno de los

materiales. Disear el programa que permita la visualizacin y adquisicin de

datos desde el PLC. Disear un programa que lleve un registro de produccin. Realizar un anlisis de costos y seleccin de sensores, actuadores,

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

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1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

1.5.1 Alcances Se presenta una propuesta de un diseo real para mejorar el proceso de elaboracin de las Gomas de dulce aplicando los conocimientos adquiridos en el seminario de automatizacin. Este proyecto se fundamenta en la automatizacin y el control por software de un prototipo, l cual elabora gomas de dulce, con esto se pretende mejorar el proceso de medicin y mezcla de los ingredientes, que actualmente a nivel artesanal se vienen realizando de forma manual, logrando una mayor eficiencia en el desarrollo del producto. Mediante esta propuesta se pretende tambin impulsar y adoptar mejores tecnologas, de forma ms tecnificada, en el desarrollo de elementos o productos de consumo masivo para impulsar las pequeas empresas en Colombia.

1.5.2 Limitaciones

1.5.2.1 Fsicas

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

proceso de mezclado y de inyeccin del producto.

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

Al no existir una maquina se presentara la automatizacin sobre el diseo de un prototipo que cumple con la funcin de elaborar gomas de dulce.

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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO CONCEPTUAL Grenetina: Es llamada grenetina a lo que comnmente conocemos como gelatina Sin Sabor, su funcin es el lograr una goma ms compacta. Acido Ctrico: Es el ingrediente el cual le da un sabor acido a las gomas, que en combinacin con el azcar se logra un sabor agridulce, caracterizando un sabor de la goma, tambin se puede omitir para obtener solo gomas dulces. Glucosa: Es el ingrediente que logra firmeza en la goma hacindola resistente sin perder la flexibilidad que la caracteriza. Cremor Tartaro y Sorbato de Potacio: estos ingredientes son los preservantes que evitan que la goma se dae adquiriendo hongos por su humedad y por el dulce, permitiendo que el producto se conserve por ms tiempo. Sensores de Temperatura. Son sensores que varan el voltaje o la resistencia interna dependiendo la temperatura. Entre estos se encuentran el LM 335 o los termistores. Galga Extensiomtrica. Es un sensor que mide la deformacin de materiales. Actuadores Neumticos. Son elementos que trabajan en dos posiciones (cerrada o abierta), permite aislar un sistema de otro. Se eligieron neumticos ya que estos evitan la contaminacin del producto. Actuadores Volumtricos. Estos actuadores permiten el paso de fluidos solamente a un volumen determinado. Vlvula de Compuerta. Es una vlvula que trabaja solamente en dos posiciones (cerrada o abierta), permite aislar un sistema de otro, las vlvulas utilizadas son de paso tubular, esto permite que haya menos resistencia al paso del fluido y por ende menores prdidas. Definiciones tomadas http://www.wikipedia.org

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

Controladores lgicos programables PLC. Lenguajes de programacin Ladder y AWL. Sistemas de control y adquisicin de datos SCADA. Gestin empresarial I y II Costos y Presupuestos. Tcnicas avanzadas neumtica, sensores industriales, tableros

elctricos.

A continuacin se detalla algunos conceptos bsicos que sustentan el presente estudio.

PLC: es un procesador usado para la automatizacin de procesos electromecnicos, como el control de maquinaria sobre cadenas de montaje de la fbrica, paseos de entretenimiento, o instalaciones de la electricidad. PLCs son usados en muchas industrias y mquinas, como mquinas de semiconductor y el embalaje. A diferencia de ordenadores de uso general, el PLC es diseado para mltiples entradas y disposiciones de salida, ampliado gamas de temperaturas, inmunidad al ruido elctrico, y la resistencia a la vibracin y el impacto. Los programas para controlar la operacin de mquina tpicamente son almacenados en la memoria apoyada por batera o permanente. Un PLC es un ejemplo de un en tiempo real el sistema ya que los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a condiciones de entrada dentro de un tiempo saltado, la operacin no planeada de otra manera pasar.

Lenguaje de programacin AWL

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

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Sistemas de Adquisicin de Datos

SCADA, acrnimo de Supervisory Control and Data Acquisition (en espaol, registro de datos y control de supervisin).

Es una aplicacin de software especialmente diseada para funcionar sobre ordenadores (computadores) en el control de produccin, proporcionando comunicacin con los dispositivos de campo (controladores autnomos) y controlando el proceso de forma automtica desde la pantalla del ordenador. Tambin provee de toda la informacin que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros usuarios supervisores dentro de la empresa (supervisin, control calidad, control de produccin, almacenamiento de datos, etc.).

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

3. METODOLOGA

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN El enfoque a emplear en nuestra investigacin ser emprico-analtico, basndonos especficamente en la tecnificacin del proceso de manipulacin de los ingredientes en la elaboracin de Gomas Comestibles y la forma de adquirir datos en el proceso, para ello se realizarn una serie de pruebas y experimentos, con herramientas de diseo, experimentacin y anlisis de resultados. Adems el proyecto est orientado hacia la interpretacin y modernizacin del proceso mismo y equipos, a travs de la implementacin de nuevas tecnologas en el proceso, aumentando la eficiencia en el desarrollo del producto.

3.2 LNEA DE INVESTIGACIN Este proyecto se articula con la lnea de investigacin Tecnologas actuales y sociedad, ya que implica conocimientos tcnicos y cientficos de vanguardia que ayudan a la solucin de problemas a un gran nmero de personas que se remiten a este tipo de negocio para adquirir empleo. Con la implementacin de este proyecto se pretende

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mejorar la calidad del trabajo realizado en forma artesanal, adems de contribuir mediante la creacin o adaptacin de tecnologas al desarrollo social y al mejoramiento de la calidad del trabajo en las PYMES en nuestro pas. 3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE LA INFORMACIN

Revisin de datos histricos y estadsticos. Revisin de bibliografa.

La realizacin del proyecto tendr como base la informacin recolectada a travs de libros acerca del tema, corporaciones e instituciones relacionadas con este campo de la ingeniera e Internet bsicamente. Es necesario realizar visitas continuas a corporaciones y instituciones, para verificar los avances tecnolgicos, calidad del proceso y los medios empleados para el mismo; luego se proceder a evaluar que tan efectivos son los equipos existentes para empezar a realizar el nuevo diseo de los mismos teniendo en cuenta unas caractersticas dadas. Despus de haber definido las principales falencias que se presentan en el proceso de produccin de gomas, se empezar con el diseo o en su defecto con las mejoras de los equipos que actualmente emplea la microempresa y teniendo como base esto, realizar las respectivas pruebas y experimentos de la automatizacin y control de el proceso de produccin de gomas de dulce. Estos son algunos instrumentos para la Recoleccin de

Informacin

Biblioteca

Internet

Software

Instrumentos de medicin

Catlogos

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HIPTESIS

La manipulacin de los diferentes materiales que se necesitan para la elaboracin de gomas comestibles y la adquisicin de datos, mejorar de forma tcnica, para esto, se utilizar un software como medio de control. Se modernizar el proceso con nuevas y mejores formas de tecnologa, con los ms actuales procesos de control para su culminacin y los mejores estndares de calidad, facilitando con esto la lectura de datos reflejada en una elaboracin del producto ms efectiva. Con la implementacin de sensores que cumplan la funcin de los elementos de medicin y que emitan los datos para que posteriormente se puedan observar y manipularn con el software de control.

3.6 VARIABLES

3.6.1 Variables Independientes Peso de los ingredientes. Flujo msico en las tuberas. Viscosidad del fluido. Temperatura del sistema. Perdidas en las tuberas. reas de las tuberas y del tanque mezclador.

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

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

Dosificadores Volumtricos Recipiente de Mezclado Electrovlvulas Sensores Resistencias Trmicas Actuadores de Inyeccin Batidor Vibrador

A continuacin vamos a dar una corta explicacin de cmo es el funcionamiento de algunos elementos. Dosificador Volumtrico:

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

dosificacin. En la tolva se introduce el material, a travs de un orificio, el elemento de corte el

material pase por este llenando el volumen deseado.

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34,93

29,52

Volumen

deseado

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

punto donde no existe hueco evitando la cada de material.

Volumen

deseado

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

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

Recipiente de Mezclado El recipiente de mezclado es un elemento hecho de acero inoxidable que con capacidad de almacenar los ingredientes, mientras son mezclados, tambin tiene una tubera que permite la extraccin de material llevndolo a los cilindros de inyeccin. Resistencias Trmicas Estas son utilizadas para calentar el recipiente de mezclado calentando as los ingredientes permitiendo su mezcla, estas resistencias trmicas son las comnmente usadas en las estufas.

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

Programa Principal La secuencia de funcionamiento sera la siguiente:

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

el vibrador.

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

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

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

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

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SCADA Para la implementacin de SCADA usaremos Excel, mediante Excel se dar inicio y parada al proceso tambin se llevaran los registros de los 10 ltimas producciones de funcionamiento de la maquina graficndolos.

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

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5. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

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

Semama

Recopilacin de informacin

Tratamiento de la informacin

Seleccin de informacin

Organizacin

Analisis de situacin actual.

Mediciones y pruebas iniciales del proceso.

Programacin de sotfware para Adquisicion de

Datos.

Programacin de sotfware para Control y

Procesamiento de Datos.

Pruebas a punto

Conexin fsica y funcional entre los

sistemas independentes.

Pruebas finales

Rediseo

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6. RECURSOS Y PRESUPUESTO Implementacin de un PLC y SCADA para el control de una maquina que elabora gomas de dulce. tems: PLC $1526.054 IVA (16%) $ 244.168,64 Mano de Obra $2655.333,96 Retencin (11%) $ 292.086,73 SUB TOTAL $4717.643,34 Redondeo $ ,66 TOTAL $4717.644 *la mano de obra incluye la implementacin de SCADA y Capacitacin para su manejo. 6.1Punto de Retorno de Inversin. Suponiendo que existe un operario a cargo de la maquina. Una vez realizada la automatizacin este operario ya no sera necesario. Entonces: Salario mnimo mensual $497.900 Al cabo de 10 meses se recuperara la inversin. Al ao se ahorrara $997.800 y eso sin contar con vacaciones y primas.

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7. CONCLUSIONES

Al plantear y simular una propuesta de automatizacin para el proceso de fabricacin de gomas de dulce, se trata de reducir mayor parte de manipulacin de los materiales de elaboracin, para evitar ser contaminados, este proceso lo simulmos con materiales del laboratorio de automatizacin de la universidad.

Al disear un programa para el control de la maquina (SCADA) por medio del programa Microsoft Excel y macros de este mismo podemos operar la maquina desde el PC permitindonos ver los datos de produccin del proceso de fabricacin.

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

Al realizar el respectivo anlisis de seleccin de materiales nos dimos cuenta que para trabajar con manipulacin de alimentos tienen que ser de alta calidad para tener una optima higiene.

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BIBLIOGRAFIA

MUNSON YOUNG, OKIISHI., Fundamentos de mecnica de

fluidos, Editorial Limusa. Hctor A. Navarro D (1995). Instrumentacin Electrnica Moderna.

Editorial Innovacin Tecnolgica. William D. Cooper y Albert D. Halftrack (1991). Instrumentacin

Electrnica Moderna, Editorial Prentice Hall.

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

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

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

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

http://www.wikipedia.org