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Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Zacatenco

Propuesta de un prototipo semiautomático para la elaboración de

una pintura ecológica a base de nopal

TESIS

Que para obtener el título de

Ingeniero en Control y Automatización

PRESENTAN

Aguilar Valencia Juan Carlos

Hernández González Carlos Alberto

López Orihuela Jorge Alejandro

Asesores

M. en C. Miriam Gómez Álvarez

M. en C. Mauricio Aarón Pérez Romero

Ciudad de México, Junio de 2016

Agradecimientos

Contenido

Introducción .................................................................................................................................. i

Justificación ................................................................................................................................ iii

Objetivos ..................................................................................................................................... iv

CAPÍTULO 1.- ANTECEDENTES

1. Definición de pintura .......................................................................................................... 2

1.1 Componentes ................................................................................................................ 2

1.1.1 Pigmentos .............................................................................................................. 2

1.1.2 Resinas o ligantes ................................................................................................. 4

1.1.3 Disolventes ............................................................................................................ 4

1.1.4 Aditivos .................................................................................................................. 5

1.2 Clasificación de los tipos de pintura .............................................................................. 5

1.2.1 Pinturas minerales ................................................................................................. 5

1.2.2 Pinturas vegetales ................................................................................................. 6

1.2.3 Pinturas ecológicas ............................................................................................... 6

1.3 El nopal .......................................................................................................................... 8

1.3.1 Usos del nopal y mucílago .................................................................................... 8

1.3.2 Origen y especies .................................................................................................. 9

1.3.3 Descripción de la planta ...................................................................................... 10

1.3.4 Localización geográfica ....................................................................................... 11

1.3.5 Producción en México ......................................................................................... 11

1.3.6 Información taxonómica ...................................................................................... 14

1.3.7 Composición química general ............................................................................. 15

1.3.8 Producción nacional de nopal en México ............................................................ 16

1.3.9 Justificación del uso de mucílago de nopal ......................................................... 16

1.4 Estado del arte ............................................................................................................ 17

CAPÍTULO 2.- MARCO TEÓRICO

2.1 Procesos industriales discretos ................................................................................... 30

2.2 Procesos industriales continuos .................................................................................. 30

2.3 Proceso automático ..................................................................................................... 31

2.4 Variables de proceso ................................................................................................... 31

2.4.1 Temperatura ........................................................................................................ 31

2.5 Sensor de temperatura LM35 ...................................................................................... 34

2.6 OPAM LM386 .............................................................................................................. 34

2.7 Resistencia de inmersión ............................................................................................ 35

2.8 Bomba de agua sumergible ........................................................................................ 35

2.9 Dosificador tipo tornillo sin fin ...................................................................................... 36

2.10 Variador de velocidad .................................................................................................. 37

2.10.1 El motor ............................................................................................................... 37

2.10.2 El convertidor de frecuencia ................................................................................ 38

2.10.3 Instalación recomendada para variador de frecuencia ....................................... 39

2.10.4 Módulo de control ................................................................................................ 40

2.10.5 Módulo de potencia ............................................................................................. 40

2.11 Controlador Lógico Programable ................................................................................ 40

2.11.1 Partes que conforman un PLC ............................................................................ 40

CAPÍTULO 3.- CÁLCULO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES

3.1 Planteamiento de problema de control de temperatura .............................................. 47

3.2 Propuesta de solución al problema de control ............................................................ 47

3.2.1 Arquitectura de control ........................................................................................ 47

3.2.2 Algoritmo de control ............................................................................................. 49

3.3 Implementación del lazo de control de temperatura ................................................... 51

3.3.1 Sensor de temperatura y acondicionamiento de señal ....................................... 51

3.3.2 Tratamiento de lecturas de temperatura para interpretación en lógica de

programación ....................................................................................................................... 54

3.4 Dimensionamiento de resistencia eléctrica de inmersión ........................................... 59

3.4.1 Balance de energía ............................................................................................. 59

3.5 Bomba de agua sumergible ........................................................................................ 62

3.6 Dimensionamiento de tanque agitador........................................................................ 63

3.6.1 Diseño del tanque ................................................................................................ 63

3.6.2 Selección de agitadores (impulsores) y cálculo de potencia .............................. 64

3.7 Selección del Controlador Lógico Programable .......................................................... 67

3.8 Variador de frecuencia ................................................................................................ 77

3.9 Cálculo y selección de los contactores ...................................................................... 81

3.10 Cálculo de dosificadores ............................................................................................. 82

CAPÍTULO 4.- INTEGRACIÓN Y RESULTADOS

4.1 Programación para realizar el proceso semiautomático de pintura a base de nopal . 87

4.2 Configuración del variador .......................................................................................... 93

4.3 Diseño de la planta piloto con sus partes principales ................................................. 96

4.3.1 Estructura de metal ............................................................................................. 97

4.3.2 Motor con flecha .................................................................................................. 98

4.3.3 Tanque de mezclado ........................................................................................... 98

4.3.4 Dosificadores tipo tornillo sin fin .......................................................................... 99

4.3.5 Válvula de descarga .......................................................................................... 100

4.3.6 Bomba sumergible ............................................................................................. 100

4.3.7 Sistema para la fabricación de pintura .............................................................. 101

4.4 Puesta en marcha del proceso y análisis de resultados ........................................... 101

CAPÍTULO 5.- ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO

5.1 Tabla de costos ......................................................................................................... 111

5.2 Fijación de precios..................................................................................................... 115

5.2.1 Fijación de precio para venta de pintura ........................................................... 116

5.3 Retorno de la inversión ............................................................................................. 117

Conclusiones ............................................................................................................................. 119

Recomendaciones y trabajos futuros ........................................................................................ 120

Anexos ....................................................................................................................................... 121

Referencias ............................................................................................................................... 131

Índice de figuras

Figura 1.1 “Códice Mendoza, lámina 1” ................................................................................................. 8 Figura 1.2 "Opuntia Ficus Indica" ............................................................................................................ 9 Figura 1.3 "Opuntia Ficus Nopalea" ........................................................................................................ 9 Figura 1.4 Principales productores de nopal tunero a nivel mundial. .............................................. 11 Figura 1.5 “Usos e industrialización del nopal” ................................................................................... 12 Figura 1.6 “Principales productores de nopal tunero en México” ..................................................... 13 Figura 1.7 “Principales productores de nopal en el Estado de México” .......................................... 13 Figura 1.8 "Siembra del nopal tunero" .................................................................................................. 14 Figura 1.9 “Penca de nopales silvestres” ............................................................................................. 22 Figura 1.10 “Limpieza de espinas de la penca” .................................................................................. 23 Figura 1.11 “Corte de la penca del nopal en pequeños cubos” ........................................................ 23 Figura 1.12 “Macerado de los cubos de nopal en agua” ................................................................... 24 Figura 1.13 “Obtención de la resina de nopal” .................................................................................... 24 Figura 1.14 “Incorporación y mezcla de los componenetes de la pintura” ..................................... 25 Figura 1.15 “Aplicación de la pintura en muro” ................................................................................... 25 Figura 1.16 “Envasado y conservación de la pintura” ........................................................................ 26 Figura 1.17 “Diagrama a bloques del proceso para la elaboración de la pintura” ......................... 27 Figura 2.1 "Alcance de medición de temperatura para distintos instrumentos" ............................. 32 Figura 2.2 "Instrumentos de medición de temperatura en superficie e inmersión" ....................... 33 Figura 2.3 "Esquemático de sensor de temperatura LM35" ............................................................. 34 Figura 2.4 "Esquemático de sensor de temperatura LM35" ............................................................. 34 Figura 2.5 "Resistencia eléctrica de inmersión" .................................................................................. 35 Figura 2.6 "Bomba de agua sumergible" ............................................................................................. 36 Figura 2.7 "Elementos que conforman un dosificador tipo tornillo sin fin" ...................................... 36 Figura 2.8 "Gráfica de comportamiento corriente-par vs velocidad de motor con variador

conectado" ................................................................................................................................................ 37 Figura 2.9 "Circuito electrónico de variador de frecuencia" .............................................................. 38 Figura 2.10 "Instalación recomendada para variador de frecuencia" .............................................. 39 Figura 2.11 "Partes que conforman un PLC" ...................................................................................... 41 Figura 2.12 "Esquema de integración de las áreas de trabajo de un PLC” .................................... 42 Figura 2.13 "Programación de PLC en bloques de funciones” ......................................................... 44 Figura 3.1 “Gráfica de rendimiento relación nopal/agua” .................................................................. 46 Figura 3.2 “Gráfica de rendimiento por tiempo de calentamiento” .................................................. 47 Figura 3.3 “Diagrama a bloques en lazo cerrado para el control de temperatura” ........................ 48 Figura 3.4 “Salida del controlador tipo ON/OFF” ................................................................................ 49 Figura 3.5 “Salida del controlador tipo ON/OFF con zona muerta” ................................................. 50 Figura 3.6 “Amplificador operacional no inversor” .............................................................................. 51 Figura 3.7 “Diagrama electrónico para medición de temperatura y acondicionamiento de señal”

.................................................................................................................................................................... 53 Figura 3.8 “Sensor de temperatura LM35 con termofit para su inmersión en líquidos” ................ 53

Figura 3.9 “Recta de análisis de regresión lineal” .............................................................................. 56 Figura 3.10 “Control de temperatura ON/OFF con zona muerta” .................................................... 56 Figura 3.11 “Conmutador analógico de valor umbral”........................................................................ 57 Figura 3.12 “Definición de parámetros para control ON/OFF” .......................................................... 58 Figura 3.13 “Resistencia eléctrica” ........................................................................................................ 61 Figura 3.14 “Bomba sumergible” ........................................................................................................... 62 Figura 3.15 “Esquemático de tanque agitador y sus componentes”................................................ 62 Figura 3.16 “Mediciones de turbina (según Rushton et al.)” ............................................................. 64 Figura 3.17 “Diagrama de mezclador” .................................................................................................. 65 Figura 3.18 “Datos técnicos de variador de frecuencia PowerFlex 4M” .......................................... 79 Figura 3.19 “Variador de frecuencia modelo N3-207-CU marca TECO” ........................................ 80 Figura 3.20 “Contactor Modular ESB 20-20” ....................................................................................... 81 Figura 3.21 “Interruptor termomagnético S201-C0.5” ........................................................................ 82 Figura 4.1 "Diagrama de flujo de proceso semi automático para elaboración de pintura” ........... 85 Figura 4.2 " Diagrama GRAFCET de las etapas del proceso” ......................................................... 86 Figura 4.3 " Diagrama de entradas y salidas del PLC” ...................................................................... 87 Figura 4.4 “Línea de programa para el arranque y paro del proceso” ............................................. 88 Figura 4.5 " Líneas de programa que activa el funcionamiento de la bomba para el suministro

de agua al tanque” ................................................................................................................................... 88 Figura 4.6 " Líneas de programa para el control de temperatura y agitación” ............................... 89 Figura 4.7 "Líneas de programa para activación de dosificadores y agitador en fase 1” ............. 91 Figura 4.8 " Fase de componentes auxiliares 1”................................................................................. 92 Figura 4.9 " Líneas de programa para la apertura y cierre de la válvula de descarga” ................ 93 Figura 4.10 " Programa para la activacion de variador de frecuencia fase 1” ................................ 94 Figura 4.11 " Diagrama de conexiones eléctricas de variador de frecuencia” ............................... 95 Figura 4.12 "Programa para la activación de variador de frecuencia fase 2” ................................. 95 Figura 4.13 "Diseño en SolidWorks de las partes principales de prototipo” ................................... 96 Figura 4.14 "Dimensiones en milímetros de la estructura de soporte del tanque agitador y

dosificadores” ........................................................................................................................................... 97 Figura 4.15 "Estructura de soporte de tanque agitador y dosificadores” ........................................ 97 Figura 4.16 " Motor con mezclador” ...................................................................................................... 98 Figura 4.17 "Tanque de mezclado” ....................................................................................................... 98 Figura 4.18 "Dosificador tornillo sin fin” ................................................................................................ 99 Figura 4.19 "Tornillo sin fin para el transporte de Caolín y Dióxido de Titanio” ............................. 99 Figura 4.20 " Válvula de descarga acoplado a motorreductor para su accionamiento

automático” ............................................................................................................................................. 100 Figura 4.21 "Bomba de agua sumergible” ......................................................................................... 100 Figura 4.22 “Integración del sistema con operario al mando” ......................................................... 101 Figura 4.23 “Tablero de control” .......................................................................................................... 102 Figura 4.24 “Tanque mezclador y dosificadores” ............................................................................. 103 Figura 4.25 “Introducción de los cubos de nopal al tanque de mezclado” .................................... 103 Figura 4.26 “Suministro de agua al tanque” ...................................................................................... 103 Figura 4.27 “Extracción de resina de nopal” ...................................................................................... 104 Figura 4.28 “Comportamiento de temperatura de mezcla de nopal-agua en el tiempo” ............ 106 Figura 4.29 “Extracción manual de los residuos de nopal” ............................................................. 106 Figura 4.30 “Dosificación de dióxido de titanio y caolín” ................................................................. 107 Figura 4.31 “Descarga de la pintura” .................................................................................................. 109

Índice de tablas

Tabla 1.1 “Información taxonómica de nopal Opuntia-ficus indica” ................................................. 14

Tabla 1.2 “Composición química de nopal fresco” ............................................................................. 15

Tabla 1.3 “Comparativa de metodologías para la realización de la pintura a base de resina de

nopal” ......................................................................................................................................................... 17

Tabla 2.1 "Ventajas y desventajas entre distintos instrumentos de medición de temperatura" .. 33

Tabla 3.1 "Valores comerciales de resistencias” ................................................................................ 52

Tabla 3.2 "Relación entre lecturas de temperatura y valores de entrada analógica a PLC”. ¡Error!

Marcador no definido.

Tabla 3.3 "Proporciones típicas para el dimensionamiento de agitador tipo turbina” ............ ¡Error!

Marcador no definido.

Tabla 3.4 " Valores de las constantes y para tanques que tienen deflectores en la pared

del tanque, cuya anchura es igual o menor al 10% del diámetro del tanque” ... ¡Error! Marcador no

definido.

Tabla 3.5 " Levantamiento de entradas y salidas analógicas y digitales para selección de PLC”

.................................................................................................................................................................... 74

Tabla 3.6 " Datos técnicos de PLC LOGO! 12/24RCE” ............................................................... 77

Tabla 3.7 "Datos técnicos del módulo de expansión LOGO! DM8

12/24R”……………………………………………………….…………………………………………73

Tabla 4.1 "Lecturas de temperatura para comprobar el control ON/OFF"...................................98

Tabla 4.2 "Caracterización de dosificadores"............................................................................101

Tabla 5.1 “Costos y mano de obra” .................................................................................................... 111

Tabla 5.2 “Costo neto de pintura”........................................................................................................ 116

Introducción

i

Introducción

El uso de pinturas convencionales, a lo largo de los años y hasta la actualidad, ha sido

amplio, debido a que han dado excelentes resultados como medio decorativo y de

protección para muros en interiores y exteriores de casas habitación y edificaciones.

Lamentablemente éste tipo de pinturas están hechas a base de productos sintéticos

derivados de la industria petroquímica, presentando el inconveniente de afectar, con

cierto margen, la salud de las personas que se encuentran expuestas durante su

aplicación.

El principal peligro reside en los metales pesados que contienen, como el plomo,

cadmio y mercurio, al igual que en los denominados compuestos orgánicos volátiles

(COV), como el xileno, el tolueno, los epóxidos, las acetonas, los fenoles y el

formaldehído; gases que son emitidos por pinturas y barnices mientras se aplican,

cuando se secan, e incluso semanas y meses después. Los COV irritan la piel, los

ojos y las vías respiratorias, provocan náuseas y dolores de cabeza, dañan el sistema

nervioso central y son potencialmente cancerígenos.

De acuerdo a la Organización Mundial de la Salud, el plomo se incluye dentro de la

lista de los diez productos químicos causantes de graves problemas de salud pública,

siendo el uso de pintura una importante fuente de exposición. Como respuesta a esta

inquietud se creó la Alianza Mundial para Eliminar el Uso del Plomo en la Pintura, cuyo

cometido es la eliminación gradual del uso del plomo en la pintura. Asimismo, la

organización IPEN “A toxics-free future” ha creado una campaña mundial para eliminar

la pintura con plomo, creando consciencia de que la exposición sigue siendo un

problema grave y ha catalizado acciones en varios países en desarrollo para combatir

el uso y fabricación de éste tipo de pinturas.

Como una alternativa más a la concientización del desuso gradual de pinturas

convencionales que contienen compuestos químicos nocivos para la salud, existen

pinturas ecológicas que utilizan materias primas de origen vegetal y/o mineral, tal es el

caso de la pintura elaborada a base de baba de nopal. Ésta técnica data de muchos

siglos atrás, ya que los pueblos originarios de México conocían el poder adhesivo de la

baba de nopal y la utilizaban para hacer argamasa para unir piedras en sus

construcciones, así como para elaborar pintura para decorar sus templos y pirámides.

Introducción

ii

La baba de nopal funge como un ligante que ayuda a unir las partículas dispersas de

pigmentos y cargas sobre un sustrato, formando una película continua y cohesiva.

Dicha pintura elaborada a partir de baba de nopal, cal, sal y agua presenta aceptables

características de adhesión y durabilidad, sin embargo, con el afán de mejorar su

calidad se optó por sustituir la cal por caolín, mineral utilizado comúnmente en la

fabricación de pinturas, que debido a sus características brinda un alto poder cubriente

y absorbente, no es tóxico y resiste altas temperaturas. Del mismo modo, para mejorar

la blancura de la pintura se incluye el dióxido de titanio, pigmento inorgánico blanco

utilizado ampliamente en la industria de las pinturas y recubrimientos por sus

propiedades de dispersión, estabilidad química y no toxicidad.

El presente trabajo expone la metodología de elaboración de la pintura de nopal de

manera manual y la integración del proceso mediante un controlador lógico

programable para su realización de manera semiautomática. De ésta manera se

reduce el tiempo total para su fabricación y se estandariza el proceso, objetivando

obtener las mismas características de calidad de la pintura en cada lote de producción.

Justificación

iii

Justificación

Debido a que las pinturas convencionales en su mayoría están fabricados con

productos derivados de la industria petroquímica que liberan gases durante su

aplicación, y que, pueden ser nocivos para la salud si existe una exposición

prolongada, se propone la creación de una pintura ecológica a base de nopal, cuyo

cometido principal sea la eliminación de estos compuestos tóxicos.

La resina de nopal, o coloquialmente conocida como baba, ofrece características

adhesivas equiparables a las resinas sintéticas utilizadas en la fabricación de pinturas

convencionales, ésta funciona como un aglutinante cuya misión es la de mantener

unidas las partículas sólidas, pigmentos y cargas, una vez la pintura haya secado.

Dada ésta propiedad, la resina de nopal puede ser utilizada para elaborar una pintura

que sea amigable con el medio ambiente, económica y biodegradable, ofreciendo de

ésta manera una alternativa ecológica y beneficiosa para la salud.

Adicionalmente, se aprovechan las pencas que son podadas regularmente en la

cosecha de nopal tunero, que si bien son utilizadas para la producción de abono y

como alimento de ganado, no todas son explotadas, de ésta manera se tiene un uso

alternativo de la poda de nopal en la elaboración de pintura.

El proceso de elaboración de dicha pintura de manera manual dura más de 24 horas,

ya que dentro de las etapas a seguir para su fabricación, es el macerado de nopal en

agua lo que consume más tiempo. De igual manera, se pretende homogeneizar el

proceso de elaboración, visando obtener la mayor cantidad de resina de las pencas y

las mismas características de rendimiento y calidad en la pintura. Por ello, se propone

un prototipo que integre la semi automatización de éste proceso a través de un

controlador lógico programable, que a través de un control de temperatura estandarice

la extracción de resina de nopal, dosifique de manera automática los demás

componentes de la pintura y los integre homogéneamente a través de un tanque

mezclador. Con este prototipo se pueden fabricar lotes de pintura cuántas veces sea

requerido con el mínimo esfuerzo, sustituyendo parcialmente la intervención del ser

humano.

Objetivos

iv

Objetivos

Objetivo general

Proponer e implementar un prototipo semiautomático para la elaboración de una

pintura ecológica a base de nopal, reduciendo tiempos de operación en comparación

al proceso artesanal.

Objetivos Específicos

Analizar el marco referencial de los procesos de obtención de una pintura

ecológica a base de resina de nopal.

Proponer e implementar un proceso de extracción de resinas del nopal y

mezclado que incorpore de manera semiautomática los ingredientes para la

elaboración de la pintura con temperatura regulada.

Integrar el sistema de control por medio de un Controlador Lógico

Programable.

Desarrollar el análisis de los resultados.

CAPÍTULO 1 Antecedentes

Descripción breve

En este capítulo se hablará acerca de la teoría de la pintura:

definición, componentes y tipos. De la importancia,

características y justificación del uso de la resina del nopal

como aglutinante en la elaboración de la pintura ecológica.

Un estado del arte muestra la metodología usada en su

preparación artesanal.

Capítulo 1: Antecedentes

2

1. Definición de pintura

Las pinturas, desde un punto de vista técnico-económico, constituyen el método más

adecuado para la protección de los materiales empleados en la construcción y en la

industria.

Una pintura líquida, considerada desde un punto de vista físico químico, es un sistema

disperso. Está constituida generalmente por sólidos finamente particulados y dispersos

en un medio fluido denominado vehículo. Éste último está basado de una sustancia

filmógena o aglutinante, también llamada formadora de película o ligante, dispuesta en

un solvente o mezcla solvente al cual se le incorporan aditivos y, eventualmente,

plastificantes.

Dado lo anterior, se presenta una definición general y concisa sobre el término pintura:

“Una pintura es una sustancia compuesta de materia colorante sólida suspendida en

un medio líquido que aplicada sobre una superficie se convierte en una película sólida,

fungiendo como un recubrimiento protector o medio decorativo”

Los componentes de la pintura varían en gran manera en función del tipo de acabado

que se requiera y de las condiciones de aplicación y secado.

1.1 Componentes

Aun cuando algunos tipos no pueden contener todos los ingredientes, la composición

genérica de una pintura es la siguiente:

Pigmentos

Cargas

Ligante o resina

Disolvente

Aditivos

A continuación, se describen a detalle los componentes generales de las pinturas

convencionales:

1.1.1 Pigmentos

Son compuestos orgánicos o inorgánicos cuya misión es proporcionar a la pintura

color y poder de cubrición. Los pigmentos son opacos tanto en estado seco como

húmedo. Los pigmentos ofrecen las siguientes características:


3

Poder cubriente: Es la mayor o menor facilidad para tapar por opacidad el color de la

superficie donde se aplica.

Fuerza colorante: Es la mayor o menor intensidad de color que resulta al mezclarlos

con blanco, o éste con otros colores.

Resistencia a la luz: Es la mayor o menor pérdida de color, por efecto de la luz.

La clasificación de los pigmentos se puede establecer de la siguiente manera:

Pigmentos cubrientes

Son aquellos que proporcionan a la pintura su color y su poder cubriente u opacidad.

Aquí se distinguen dos grandes familias, los blancos y los de color.

Blancos

a) Bióxido de Titanio: TiO2, en forma natural se presenta en un tono blanco

ligeramente color paja (crema). Presenta un poder cubriente muy grande y

altamente reflejante, no es tóxico y prácticamente no amarillea con el tiempo.

Por esa razón se usa generalmente en la mayoría de las pinturas comerciales.

b) Óxido de Zinc: ZnO, este tipo de pigmento en forma pura es bastante blanco y

traslucido, ocurre en forma natural como zincita (peróxido de zinc), mineral

ligeramente amarillo.

c) Blanco de plomo: Básicamente carbonato de plomo, 2PbCO3·Pb(OH)2,

pigmento extremadamente venenoso, por lo que últimamente se sustituye por

una mezcla de blanco de zinc y blanco de titanio.

Pigmentos de color

a) Tierras, óxidos de hierro

b) Negros

c) Azules

Cargas

Son pigmentos minerales de naturaleza inorgánica que normalmente no dan color a la

pintura, pero que agregados a la misma en su justa medida, tienen el objeto de

mejorarla. Puesto que, determinadas cargas aportan cuerpo, materia sólida, y dan

estructura, viscosidad y reología 1 a la pintura. Proporcionan mayor resistencia,

flexibilidad, dureza, entre otras. Algunos tipos de cargas y sus funciones son:

1 Reología: Estudio de la deformación y el fluir de la materia.


4

1. Talco (silicato de magnesio): Retrasa la sedimentación y da flexibilidad al

exterior.

2. Mica (silicato de aluminio): Sirve para matear y dependiendo de la calidad,

ofrece cierta dureza.

3. Barita (silicato de bario): Aumenta el peso específico y eventualmente la

dureza.

4. Caolín (silicato de aluminio): Para matear y facilitar el lijado.

5. Sílice (arena): Se utiliza en granulometrías muy variadas, en revestimientos

pétreos (lisos y rugosos).

1.1.2 Resinas o ligantes

Son productos cuya misión es la de mantener unidas las partículas sólidas, pigmentos

y cargas, una vez la pintura haya secado. Según el tipo de resina utilizada, la pintura

tendrá unas características de secado y resistencias determinadas.

1.1.3 Disolventes

Se llama así al agua y otros productos de naturaleza orgánica cuya misión es la de dar

a la pintura una viscosidad óptima según el método de aplicación que debe utilizarse.

Los disolventes se utilizan además para solubilizar las resinas y regular la velocidad de

evaporación. La utilización de disolventes que no disuelven al ligante es frecuente en

la formulación de pinturas en este caso se les nombra como co-solventes.

Este tipo de productos cumplen dos funciones importantes:

La primera, es que los disolventes permiten que tanto las pinturas como los barnices

puedan disolverse y posteriormente ser aplicados en las superficies, rellenado las

pequeñas grietas u orificios y creando una película uniforme. Una vez que la pintura ha

sido aplicada el disolvente desaparece paulatinamente durante el proceso de secado.

Es por eso que se dice que estos compuestos son volátiles.

La segunda función de los disolventes es permitir la limpieza de las herramientas del

pintor como pueden ser los rodillos y brochas. Es muy importante que una vez

finalizado el trabajo, estos instrumentos sean lavados con el disolvente apropiado al

tipo de pintura que se ha utilizado. De esta manera se podrán utilizar las herramientas

en proyectos posteriores sin inconveniente.

A continuación, se listan los disolventes más comunes:

Agua

Es el disolvente más común de todos los existentes. Se emplea como disolvente de

pinturas vinílicas, acrílicas y látex. También es empleada en pinturas “a la cal”, unos


5

de los primeros tipos de pintura para paredes. También como disolvente de esmaltes y

barnices al agua.

Esencia de trementina

Se lo conoce comúnmente con el nombre de aguarrás vegetal. La trementina, es una

oleorresina semifluida que se obtienen de determinadas especies de pinos. Cuando la

trementina es sometida a un proceso de destilación se obtiene el aguarrás, diluyente

común para barnices y pinturas a los que brinda propiedades que favorecen el secado

y consistencia.

White spirit

El White spirit es un derivado del petróleo. También es llamado aguarrás mineral. Es el

disolvente más utilizado para pinturas sintéticas como los esmaltes.

Alcohol

Este es un disolvente muy utilizado en trabajos de bricolaje2. El alcohol no solamente

se emplea para la limpieza de superficies sino también para diluir goma laca, un tipo

de material especial para aplicar con estopa, y útil en pequeños muebles o piezas de

madera.

1.1.4 Aditivos

Son productos que se dosifican en pequeñas cantidades para facilitar el proceso de

fabricación de la pintura, aportar unas características concretas a la pintura seca, crear

las condiciones adecuadas para que el secado se produzca de forma correcta y para

estabilizar la pintura en el periodo de almacenamiento. [3]

1.2 Clasificación de los tipos de pintura

Existen dos clases en función del origen de sus componentes principales: las de

origen mineral y las de origen vegetal. Algunas de ellas utilizan sustancias minerales y

vegetales a la vez, pero se clasifican en un tipo o en otro en función de las sustancias

que predominan.

1.2.1 Pinturas minerales

Las componen sustancias de origen mineral y se pueden destacar tres tipos diferentes

en función de su componente principal:

Pinturas a base de Silicatos

2 Bricolaje: Realización artesanal de trabajos caseros de reparación o de decoración.


6

Su característica más destacable es su resistencia, lo que las hace aptas

para exterior e interior. Además, son absolutamente impermeables, lo que las

hace aptas para baños y cocinas, y a la vez transpirables con lo que no se

restringe el flujo natural del vapor de agua.

Pinturas a base de Cal

Suele estar compuesta de encalado en polvo obtenido por la mezcla de cal

hidráulica y aditivos naturales no orgánicos. Se trata de una pintura adecuada

sobre todo para interiores, aunque se usa también para exteriores en el caso

de restauraciones.

Pinturas a base de Arcilla

Por su nombre, la tendencia es a imaginarlas de color marrón u ocre, pero al

estar compuesta sobre todo por arcilla blanca natural, arenas de mármol y

caseína vegetal, su color característico es el blanco. Por supuesto admite la

adición de pigmentos minerales para obtener la paleta de color deseada. Su uso

más adecuado es en interior y cómo curiosidad, admite la adición

de aromas naturales.

1.2.2 Pinturas vegetales

Menos desarrolladas desde el punto de vista comercial, se componen básicamente

de resinas, aceites, almidones y ceras, a los que se añade pasta colorante también de

origen vegetal. Son resistentes al lavado, transpirables, y evidentemente, por su propia

constitución tienen el agradable aroma de los materiales que las componen.

1.2.3 Pinturas ecológicas

Las pinturas ecológicas son aquellas que están compuestas por materias primas

naturales, no pueden estar fabricadas con derivados del petróleo y no deben

contaminar el medio ambiente ni en su proceso de fabricación, ni en su aplicación ni

en las operaciones de desecho. Son aptas para personas con problemas de alergias.

Principales ventajas

Las pinturas consideradas ecológicas están compuestas por materias primas naturales

de origen vegetal y/o mineral. Carecen de sustancias dañinas, como las biosidas o

plastificantes, y su impacto medioambiental es muy inferior al de los productos

sintéticos, basados en derivados del petróleo.

A diferencia de las pinturas convencionales, las naturales o ecológicas cumplen

sobradamente las normativas que limitan el uso de compuestos orgánicos volátiles


7

(COV), una serie de vapores o gases que pueden tener efectos nocivos sobre el medio

ambiente y la salud.

El funcionamiento de estas pinturas es sencillo. Crean una capa porosa por la que

transpiran las paredes. Gracias a esta característica, el vapor de agua y la humedad

son evacuados al exterior sin impedimentos y no se forman condensaciones entre la

capa de pintura y la superficie del soporte, "lo que suele originar desconchados3". Al

mantener los tabiques secos y transpirables, se evita la formación de hongos y

bacterias, lo que garantiza paredes más higiénicas y una duración mayor de la pintura

en buen estado. [12]

3 Desconchado: Parte en que una superficie pierde su revestimiento.


8

1.3 El nopal

1.3.1 Usos del nopal y mucílago

En el México antiguo

El nopal (Opuntia spp.) ha representado, para los mexicanos, en su desarrollo

histórico, uno de los elementos bióticos más relevantes y de mayor significado cultural,

ya que se utiliza como alimento (verdura o fruto), bebida alcohólica, dulce, forraje,

cerco vivo, producto industrial, etc. Su valor cultural y biótico ha quedado plasmado en

códices, pinturas y bibliografías antiguas, su significado histórico es evidente.

El mucílago de nopal en algunas especies, es tan pegajoso, que las personas que

viven en comunidades rurales lo emplean como pegamento; llegó a ser tan importante

ese uso que se industrializó en el sur de los Estados Unidos. Diego Rivera y Javier

Guerrero, pintores mexicanos, emplearon en su técnica, la baba de nopal. Como

ejemplo, se encuentran los murales de la Secretaría de Educación Pública.

En la restauración y conservación de edificios históricos

En México se ha utilizado el mucílago de nopal en combinación con cal porque

aumenta sus propiedades adhesivas y mejora su repelencia al agua. Por sus

propiedades adhesivas, se ha usado de forma similar al yeso en paredes de adobe y

ladrillo y también como una barrera al agua en el estuco. [7]

Figura 1.1 “Códice Mendoza, lámina 1”


9

1.3.2 Origen y especies

Esta planta es una cactácea originaria de América, actualmente, se encuentra en

todos los continentes en diferentes condiciones agroclimáticas, ya sea silvestres o

cultivada. La familia está formada por 1600 especies, la mayoría de ellas son nativas

de México con alrededor de 1088.

El género Opuntia, en su sentido comprensivo, está formado por unas 300 especies

que se distribuyen desde el estrecho de Magallanes hasta el sur de Canadá, es decir,

por todo el continente americano, salvo en sus extremos meridional4 y 5septentrional.

Así, no es de extrañar que, sin desmentir sus caracteres generales, adopte una gran

cantidad de formas, incluso aquellas modificadas por el cultivo. El género Opuntia ficus

indica y nopalea como se muestra en las figuras 1.2 y 1.3, son cultivadas para

consumo como nopal verdura. [21]

Figura 1.2 "Opuntia Ficus Indica"

Figura 1.3 "Opuntia Ficus Nopalea"

4 Meridional: Perteneciente o relativo al sur o mediodía.

5 Septentrional: Relativo al norte.


10

1.3.3 Descripción de la planta

Opuntia ficus-indica, comúnmente conocida como, entre otros, chumbera, nopal

tunero, es una planta de la familia de las cactáceas.

Opuntia: nombre genérico que proviene del griego usado por Plinio el Viejo para una

planta que creció alrededor de la ciudad de Opus en Grecia.

Ficus-indica: compuesto por ficus, la higuera, y el epíteto neológico latino indica que

significa "de la India", entendido como Indias Occidentales o sea, higuera de la India.

El género Opuntia ficus indica es un vegetal arborescente que mide de 3 a 5 metros de

alto, su tronco es leñoso con un diámetro entre 20 y 50 cm; los tallos tienen forma de

raquetas llamadas cladodios de 30 a 60 cm. de largo por 20 a 40 cm. de ancho y de 2

a 3 cm. de espesor, están llenos de agua que se encuentra retenida en un entramado

viscoso de carbohidratos llamado resina (resina de nopal), son de color verde opaco

que contienen pocas espinas (el tipo y la cantidad es muy variable y depende de las

condiciones del medio en que viva), los cladodios trasforman la luz en energía química

a través de la fotosíntesis, la cutícula es de tipo lipídica y evita la deshidratación

provocada por las altas temperaturas, estos pueden ser aprovechados tiernos, para

consumo humano, desde los 8 o 10 días de haber brotado; las flores miden de 7 a 1

cm. de largo, son diurnas, solitarias y nacen en la base; su fruto es oval de 5 a 10 cm.

de largo por 4 a 8 cm. de diámetro, presenta abundante pulpa carnosa de sabor dulce

y su color puede ser amarillo, naranja, rojo o púrpura.

Comúnmente, las plantaciones viven de 5 a 7 años, en ocasiones hasta los 10 con

buenos rendimientos; en terrenos con pH neutro, con prácticas adecuadas de cultivo y

sin problema de plagas puede llegar vivir hasta los 80 años, para el caso de las

plantaciones de explotaciones intensivas, solamente alrededor de 3 años.

Tanto la morfología como la fisiología de estas cactáceas se han adaptado a la escasa

disponibilidad de agua, por lo que resisten elevadas temperaturas y periodos

prolongados de sequía, actualmente, tienen un importante papel ecológico, al frenar la

degradación de los suelos deforestados, y regenerar los suelos erosionados. [21]

https://es.wikipedia.org/wiki/Familia_%28biolog%C3%ADa%29

https://es.wikipedia.org/wiki/Cactaceae

https://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_griego

https://es.wikipedia.org/wiki/Plinio_el_Viejo

https://es.wikipedia.org/wiki/Opunte

https://es.wikipedia.org/wiki/Grecia

https://es.wikipedia.org/wiki/Ep%C3%ADteto

https://es.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%ADn

https://es.wikipedia.org/wiki/India


11

1.3.4 Localización geográfica

En orden de importancia se tiene que los principales productores de nopal tunero a

nivel mundial son: México, Italia, Sudáfrica, Chile, Colombia, Israel y Estado Unidos

como se observa en la figura 1.4. [5]

Figura 1.4 Principales productores de nopal tunero a nivel mundial.

1.3.5 Producción en México

En México se llama nopal a varias especies del género Opuntia de la familia Cactácea,

siendo reconocidas 377 especies, de las cuales, cerca de la mitad son explotadas de

manera artesanal o industrial mientras que las restantes se encuentran en forma

silvestre sin ser debidamente explotado, pero para consumo sólo se utilizan 12.

Opuntia ficus-indica es la única que se cultiva para consumo humano y animal.

El nopal ha sufrido una evolución cualitativa. En una primera etapa eran plantas

silvestres del cual se recolectaba su fruto, luego se comenzó a cultivar cerca de

asentamientos humanos y además de cosechar la tuna se recogía la cochinilla que se

utilizaba como tinta para las telas de la época, actualmente, se seleccionan variedades


12

y se cultivan intensamente con fines de mercado, además de que se industrializa en

diversas formas. [5]

Figura 1.5 “Usos e industrialización del nopal”

A nivel nacional los principales estados productores son: en el centro-norte, los

estados de Zacatecas, San Luis Potosí, Aguascalientes, Jalisco y Guanajuato; y en el

centro-sur, que incluye los estados de Hidalgo, Estado de México, Tlaxcala, Puebla,

Querétaro y Oaxaca. (Figura 1.6)

La explotación comercial más importante de poblaciones silvestres productoras de

tuna se lleva a cabo en los estados de Zacatecas, San Luis Potosí y Estado de

México. [5]


13

Figura 1.6 “Principales productores de nopal tunero en México”

El Estado de México es el principal productor en el país (48.5 % de la producción

nacional), y uno de los principales exportadores de tuna. A nivel estatal, los principales

municipios productores de tuna son: Otumba, San Martín de las Pirámides,

Teotihuacán, Nopaltepec, Temascalapa y Axapusco. [5]

Figura 1.7 “Principales productores de nopal en el Estado de México”


14

Figura 1.8 "Siembra del nopal tunero"

1.3.6 Información taxonómica

Tabla 1.1 “Información taxonómica de nopal Opuntia-ficus indica”

Reino Plantae

Phylum Magnoliophyta

Clase Magnoliopsida

Orden Caryophyllales

Familia Cactaceae

Género Opuntia

Epíteto específico ficus-indica

Nombre Científico Opuntia ficus-indica (L.)

Mill.

Autor del nombre (L.) Mill.


15

1.3.7 Composición química general

La tabla 1.2 muestra la composición química del nopal fresco. Los cladodios6 tienen el

interés desde el punto de vista industrial ya que cuando son los brotes tiernos (10-15

cm) se usan para la producción de nopalitos y cuando están parcialmente lignificados

(cladodios de 2-3 años), para la producción de harinas y otros productos. [21]

Tabla 1.2 “Composición química de nopal fresco”

Compuesto químico Cantidades

Agua 85 – 90 %

Sólidos solubles totales 12 – 17 %

Azúcares totales 10 – 17 %

Azúcares reductores 4 – 14 %

Proteína 1.4 – 1.6 %

pH 5.3 – 7.1

Grasas 0.5 %

Fibra 232.4g / 100 g

Acidez titulable (% ac. Cítrico) 0.01 – 0.12

Ácido ascórbico (Vitamina C) 4.6 – 41 mg / 100 g

Viscosidad (30 ºC) 1.37 cps

Triptófano 8.0 mg / 100 g proteínas

Calcio 49 ppm

Magnesio 13 – 15 mg / 100 g

Fósforo 38 ppm

Hierro 2.6 ppm

Vitamina A 0.002 ppm

Tiamina 0.0002 ppm

6 Cladodio: Los cladodios o mejor conocidos como pencas, son tallos de cutícula gruesa y cerosa que

evita la evapotranspiración.


16

Riboflavina 0.02 ppm

Niacina 0.20 ppm

Ácido nicotínico 0.40 – 0.60 mg / 100 g

1.3.8 Producción nacional de nopal en México

Producción nacional de nopal verdura en México

De acuerdo a información proporcionado por la Secretaría de Agricultura y Recursos

Hidráulicos, se producen anualmente 267,385 toneladas de nopal verdura en

México.

Producción nacional de nopal tunero en México

En base a información publicada por el Instituto Nacional de Investigaciones

Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), órgano descentralizado de la Secretaría

de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA), el

cultivo de nopal tunero en territorio nacional ocupa actualmente una superficie de 47

mil hectáreas, con una producción de 350 mil toneladas de nopal tunero al año. [18]

1.3.9 Justificación del uso de mucílago de nopal

Los nopales contienen sustancias viscosas generalmente conocidas como mucílago o

hidrocoloide, que está constituido por carbohidratos de alto peso molecular. Contiene

principalmente dos polímeros naturales orgánicos: amilasa y amilopectina. La amilasa

se encuentra formando una cadena helicoidal que en solución tiene la capacidad de

formar películas delgadas, que, al secar, presentan alta rigidez. La amilopectina, como

todo compuesto de alto peso molecular, presenta viscosidad elevada en estado puro,

pero es altamente soluble en agua. Combinadas y encontrándose en solución acuosa,

ambas pueden formar capas con diferentes propiedades mecánicas, éstas

características de cohesión se han aprovechado para unir diferentes materiales. [7]

Éste efecto de cohesión es equiparable al ofrecido por otros ligantes como el látex o el

acrílico usado en la fabricación de pinturas, si bien no le confiere la propiedad de ser

una pintura lavable, la fijación de los pigmentos y cargas sobre superficies porosas

como ladrillos, piedras y muros es buena.


17

En la elaboración de ésta pintura ecológica se hará uso de las pencas de nopal tunero

desechadas por la poda continua de las cosechas, que regularmente son usadas para

la obtención de abono orgánico o para la alimentación del ganado, de ésta manera se

les dará un uso adicional.

1.4 Estado del arte

Se realizaron investigaciones en diversos medios para conocer la difusión y

metodologías de elaboración de la pintura de nopal, los resultados se muestran a

continuación.

Tabla 1.3 “Comparativa de metodologías para la realización de la pintura a base de resina de nopal”

Fuente Ingredientes Observaciones

Profeco

5 Nopales grandes (30x20cm.)

2.5 kg de cal

2 tazas de sal de mesa

Colorante para cemento de color de su agrado (la

cantidad depende de la intensidad de color que

desee obtener)

6 L de agua

Baja calidad y

bajo poder

cubriente.

Ecotecnias

– Secretaria

del Medio

Ambiente

5 a 7 kg de calhidra.

2 a 2.5 kg de cemento blanco.

5 a 7 pencas de nopal grandes y de preferencia

maduras.

0.5 kg de sal.

Si se desea algún color, éste deberá adquirirse en

casas de materiales para la construcción.

Pintura densa,

alto poder

cubriente a la

primer mano.

Instituto

cultural de

León

1 kg de cal viva

4 L de agua

4 nopales grandes y carnosos

1 taza de sal de mesa

Color: La pintura con resina de nopal es blanca

debido a la cal. Si desea otras tonalidades, puede

añadir colorante para cemento

Pintura muy

diluida, buena

tonalidad de

color blanco, un

bajo poder

cubriente.

Pinto mi 4 a 5 nopales grandes Pintura de baja


18

casa-

Pintura y

Decoración)

4 kg de cal apagada (cal de construcción)

4 L de agua

1 taza de sal o fijador sellador al agua

calidad, se

desprende con

facilidad.

Biblioteca

digital

CONEVyT

1 kg de cal

4 L de agua

2 L de resina de nopal


Colorante para cemento (dependiendo la intensidad

del color, es la cantidad de colorante)

Alto poder

cubriente a la

segunda mano.

No se

desprende con

facilidad.

1. Pintura de nopal (Profeco)

Rendimiento: 7 litros (L) aproximadamente

Ingredientes

5 Nopales grandes (30x20cm.)

2.5 kg de cal

2 tazas de sal de mesa

Colorante para cemento de color de su agrado (la cantidad depende de la

intensidad de color que desee obtener)

6 L de agua

Utensilios

Tazón de vidrio con capacidad de 3 a 4 L

Colador grande

Cubeta o recipiente con capacidad de 8 L

Palo de 50 cm limpio

Cuchillo y tabla de picar

Guantes de goma

Cubre bocas

Botes de pintura vacíos con tapa, limpios y secos, suficientes para envasar 7 L

de pintura (puede reciclar garrafones y botellas)

Procedimiento:

1. Ponga los nopales cortados en trozos pequeños en el tazón y agregue 2 L de agua.

Deje reposar durante toda la noche para que suelten la resina.

2. Al día siguiente, en la cubeta, vierta la cal, la sal y los 4 L de agua restante,

revolviendo muy bien los ingredientes con el palo de madera.


19

3. Incorpore la resina de nopal, previamente colada, y mezcle perfectamente.

4. Poco a poco agregue el colorante; recuerde que la cantidad depende del tono que

desee. Si quiere obtener pintura blanca no es necesario usar el colorante.

Envasado y conservación

Vierta la pintura en los recipientes. No olvide colocarles una etiqueta con el nombre del

producto, la fecha de elaboración y la de caducidad.

La pintura se mantiene en buenas condiciones hasta por un año si se conserva bien

cerrada, en un lugar seco y oscuro.

Modo de empleo

La superficie que va a pintar debe estar perfectamente limpia y seca.

Agite la pintura y aplique dos capas con una brocha o rodillo.

Recomendaciones

Use guantes y cubre bocas durante la elaboración del producto.

Puede agregar blanco de España (1/4 kg) para darle más consistencia a la

pintura (se consigue en tlapalerías).

Si desea repintar la superficie con pintura vinílica, deberá preparar la superficie

con un sellador.

1. Pintura de nopal (Ecotecnias – Secretaria del Medio Ambiente)

Ingredientes

5 a 7 kg de calidra.

2 a 2.5 kg de cemento blanco.

5 a 7 pencas de nopal grandes y de preferencia maduras.

½ kg de sal.

Si se desea algún color, éste deberá adquirirse en casas de materiales para la

construcción.

Preparación

1.- En un recipiente con 18 L de agua se colocan los nopales previamente picados se

dejan de uno a tres días para que suelten la resina. Tapar.

2.- Se retiran los nopales se agrega calidra, cemento y sal revolviendo constantemente

para evitar grumos. Si desea puede agregar colorante para cemento es opcional. No

altera el proceso.

3.- La pintura se puede aplicar con brocha o cepillo.

NOTA:


20

A) En caso de elaborar una mayor cantidad de pintura, ésta deberá prepararse en un

recipiente suficientemente grande para que se produzca de una sola vez y quede de

un mismo tono

B) Se puede utilizar para exterior o interior.

2. Pintura de nopal (Instituto Cultural de León)

Rendimiento: de 6 a 7 L

Ingredientes

1 kg de cal viva

4 L de agua

4 nopales grandes y carnosos


Color: La pintura con resina de nopal es blanca debido a la cal. Si desea otras

tonalidades, puede añadir colorante para cemento, el cual se vende en

ferreterías y tiendas de materiales de construcción.

Procedimiento

1. Pelar los nopales para quitarle las espinas. Picarlos en cachitos pequeños y

ponerlos en una cubeta con dos L de agua. Dejarlos entre 8 y 12 horas, tiempo

en que se libera la resina.

2. Moler los pedazos de nopal con un palo. Luego se debe colar la mezcla para

separar el líquido de los sólidos.

3. Poner los dos litros de agua en un gran recipiente junto con la sal y la cal.

Mezclar hasta diluir todo por completo.

4. Adicionar el agua en la que se obtuvo la resina del nopal y agitar de nuevo.

5. Si decidió aplicar color, es el momento de agregar el pigmento.

6. Dejar reposar de nuevo entre 8 y 12 horas.

Modo de empleo

Mezclar antes de la aplicación.

Puede emplearse una brocha tosca de fibras vegetales o un cepillo con fibras

delgadas si la superficie es muy porosa.

En la mayoría de los casos basta con una sola capa, pero de ser necesario se puede

aplicar una segunda mano luego de dejar secar perfectamente.

3. Pintura de nopal (Pinto mi casa- Pintura y Decoración)

Ingredientes

4 a 5 nopales grandes


21

1 kg de cal apagada (cal de construcción)

4 L de agua

1 taza de sal o fijador sellador al agua

Modo de preparación

Es necesario que cortes el nopal y lo machaques, después de quitarle las espinas.

Luego agrega el agua hasta la mitad del recipiente, deja reposar por un día

aproximadamente. Esto permite que la resina se disuelva en el agua formándose una

sola sustancia la que actuará de aglutinante en la pintura.

Al día posterior cuela el líquido resultante con un colador o una tela no muy fina, y

adiciona la cal y un poco de sal, o fijador sellador para mejorar la durabilidad y

adherencia a las paredes. Revuelve para obtener una consistencia más o menor

espesa y uniforme. Deja reposar nuevamente durante 24 horas y podrás utilizar la

pintura.

4. Pintura de nopal (Biblioteca digital CONEVyT)

Rendimiento: 7 L

Ingredientes

1 kg de cal

4 L de agua

2 L de resina de nopal


Colorante para cemento (dependiendo la intensidad del color, es la cantidad de

colorante)

Utensilios

Bote con capacidad de 5 L

Bote de plástico con capacidad de 19 L

Pala de plástico o de madera.

Colador.

Etiqueta adhesiva.

Preparación

1. Se pican 3 o 4 nopales gruesos de la manera acostumbrada para hacer

ensalada y se coloca en un bote con 2 L de agua durante una noche para que

suelte la resina.

2. Al día siguiente se machacan dentro del bote y se cuelan en otro recipiente

hasta separar todo el bagazo de la resina.


22

3. En el bote de 19 L se mezclan el agua y la cal; se agrega la sal, y se disuelva

perfectamente bien.

4. Posteriormente se añade la resina del nopal y se revuelve; por último, se

agrega el colorante, (si se quiere blanca se deja así). Se sigue mezclando y se

deja reposar una noche.

5. Se etiqueta indicando el nombre del producto, fecha de elaboración y de

caducidad.

Se elaboraron cada una de las 5 recetas mostradas anteriormente con la finalidad de

comprobar la calidad de la pintura, los resultados fueron vaciados en la tabla 1.4.

No obstante, con el objetivo de obtener mejores resultados en la calidad de la pintura

se optó por usar algunos de los ingredientes que se usan en las pinturas

convencionales, quitando aquellos que son nocivos para la salud, como los

disolventes, y utilizando la resina de nopal como aglutinante. Se realizaron varias

pruebas experimentales, variando las proporciones entre los ingredientes para obtener

las mejores características. Los resultados son mostrados a continuación.

1.5 Proceso artesanal para la elaboración de la pintura

A continuación, se presenta una breve descripción de los pasos a seguir para elaborar

la pintura a base de nopal de acuerdo a la metodología propuesta:

1. Recolecta de los cladodios o pencas de nopal

De acuerdo a datos proporcionados por locatarios de las comunidades donde se

cosecha ésta cactácea, se recomienda la recolección de pencas jóvenes de entre 1 y

3 años de edad, o bien, que vayan de un tamaño mediano a grande (30x20cm) con la

finalidad de tener un rendimiento considerable en la extracción de la resina.

Figura 1.1 “Penca de nopales silvestres”


23

2. Limpieza de espinas de la penca

Se retiran las espinas cuidadosamente con un machete o cuchillo con bastante filo. Se

recomienda el uso de guantes de carnaza para evitar cualquier pinchazo o urticaria

causada por gloquidios7.

Figura 1.2 “Limpieza de espinas de la penca”

3. Corte de la penca en cubos

Para la extracción de la resina del nopal se recomienda ampliamente que la penca sea

cortada en cubos de 2cmx2cm.

Figura 1.3 “Corte de la penca del nopal en pequeños cubos”

7 Gloquidio: Especie de pelusa que recubre las espinas.


24

4. Macerado para la extracción de la resina de nopal

Para extraer la resina de nopal, éste debe ser colocado en agua. De acuerdo a

diversas pruebas experimentales por cada 10L de pintura que deseen realizarse,

deben adicionarse 6.7L de agua por cada 6kg. de nopal.

Se tapa el recipiente donde se coloque para evitar su contaminación y se deja

reposando por un lapso de 24 horas.

Figura 1.4 “Macerado de los cubos de nopal en agua”

5. Obtención de la resina de nopal

Una vez transcurrido el tiempo de reposo, se destapa el recipiente y se retiran los

cubos de nopal. Se filtra la resina obtenida para retirar pequeños residuos y obtener

una mejor calidad.

Figura 1.5 “Obtención de la resina de nopal”


25

6. Adición y mezcla de los componentes

Una vez obtenida la resina de nopal, se procede a mezclarla juntos con el resto de los

componentes: caolín y dióxido de titanio. Para 10L de pintura se requieren 4kg. De

caolín por 1.5 de dióxido de titanio.

Figura 1.6 “Incorporación y mezcla de los componenetes de la pintura”

7. Aplicación de la pintura

Concluido el proceso de mezclado, la pintura está lista para su aplicación. Cabe

destacar que, debido a su composición, su uso se limita únicamente a superficies

porosas como ladrillos, piedras y muros. Puede ser aplicada en interiores como en

exteriores, a la intemperie debe de ser protegida de la lluvia.

Figura 1.7 “Aplicación de la pintura en muro”


26

8. Envasado y conservación

Cuando se concluye el proceso de pintado, el resto de producto debe de almacenarse

en algún recipiente y colocarse en un lugar fresco y seco para su mejor conservación.

Cada que se requiera hacer uso de la pintura, ésta debe de mezclarse hasta obtener

una solución homogénea y, de ésta manera, asegurar los mismos resultados.

Figura 1.8 “Envasado y conservación de la pintura”


27

A continuación, se presenta un diagrama a bloques que condensa la información

anteriormente expuesta sobre el proceso de elaboración de pintura a base de nopal el

cual consta de 6 etapas:

Figura 1.9 “Diagrama a bloques del proceso para la elaboración de la pintura”

Recolección de cladodios de

nopal (de 1 a 3 años de edad, o

bien, de un tamaño mediano a

grande, 30x20cm)

Limpieza de

espinas

Corte de la

penca en cubos

de 2x2 cm

Macerado para la

extracción de la

resina de nopal (24

horas)

Obtención y filtrado

de la resina de nopal

Mezcla de la resina de

nopal con TiO2+Caolín

(Mezclar por 15 min.

Hasta incorporar

totalmente)


28

Dado el esquema anterior, el alcance del proyecto pretende semi automatizar las

etapas 4, 5 y 6, ya que son las más importantes y críticas del proceso para obtener el

máximo rendimiento de extracción de resina de nopal y estandarizar la elaboración de

la pintura.

Para ello se presentan los siguientes objetivos a alcanzar:

1. Implementar un sistema de control que acelere la velocidad de

extracción de resina de nopal a través del calentamiento de solución

agua-nopal.

2. Dosificar los ingredientes de manera automática con base a la

capacidad de producción que se desee elaborar.

3. Implementar un sistema de mezclado que incorpore los ingredientes de

manera homogénea.

4. Dimensionar el tanque de mezclado en función del volumen de

producción.

5. Proponer y dimensionar el tipo de agitador a utilizar para la mezcla de la

pintura.

6. Implementar un sistema de descarga de pintura del tanque a recipiente

de envasado.

CAPÍTULO 2 Marco teórico

Descripción breve

En el presente capítulo se detallan las características más

relevantes de los componentes a ser utilizados en la

elaboración del proyecto.

Capítulo 2: Marco teórico

30

2.1 Procesos industriales discretos

Los procesos industriales discretos automatizados son aquellos donde el proceso de

fabricación se va realizando de manera secuencial; se van ensamblando componentes

en el proceso de producción hasta que se obtiene el producto terminado.

En estos procesos normalmente la fabricación es por partes, por eventos o por hitos. Y

se denominan discretos porque se suelen manejar magnitudes digitales del tipo “todo”

o “nada”, representando conceptos como, por ejemplo, si una pieza está o no está, si

ha llegado al sitio que le corresponde o no, si estoy en zona de seguridad o no, etc.

Por supuesto, en los procesos con automatización discreta también hay magnitudes

analógicas, pero las digitales representan un porcentaje mucho más alto.

Los procesos discretos suelen estar emplazados dentro de una secuencia temporal

que se pueden acelerar o frenar, sin grandes implicaciones y se pueden parar

fácilmente sin consecuencias graves. [1]

2.2 Procesos industriales continuos

Los procesos industriales con automatización continua son aquellos donde el proceso

de fabricación se va realizando de manera constante y la materia prima fluye de

manera continua, a través del proceso de producción.

Se denominan continuos porque se suelen manejar magnitudes de tipo continuo y

gradual, como son las temperaturas, los flujos, los caudales, las presiones, el nivel,

etc. En general, se habla de magnitudes definidas en formato analógico (infinitos

valores). La variable tiempo entra en juego normalmente, en todas ellas (temperatura

en función del tiempo, etc.)

Como procesos industriales continuos automatizados, se destacan los procesos

químicos, farmacéuticos, metalúrgicos, petróleo y gas, fabricación de comida y bebida,

la generación eléctrica (como puede ser una central hidroeléctrica), entre otros.

Un proceso continuo no se puede parar fácilmente. De ahí que sea continuo. Una

central hidroeléctrica producirá más o menos energía dependiendo del caudal y de las

necesidades, pero siempre estará produciendo. Lo mismo sucede con un horno

industrial o con una papelera. Esto se debe a que las materias primas que se utilizan

en estos procesos (el metal y la pasta de papel en el caso de los dos ejemplos

mencionados), alcanzan un estado al arrancar la producción, que impide que se pueda


31

parar el proceso sin consecuencias negativas, tanto de seguridad para las materias y

para las personas, como económicas. [1]

2.3 Proceso automático

La automatización de un proceso consiste en la sustitución de aquellas tareas

tradicionalmente manuales por las mismas realizadas de manera automática por

máquinas, robots o cualquier otro tipo de automatismo. De este modo, gracias al uso

adicional de sensores, controladores y actuadores, así como de métodos y algoritmos

de conmutación, se consigue liberar al ser humano de ciertas tareas.

Los principales objetivos del proceso de automatización son:

1. Mejorar la productividad y eficiencia, reduciendo los costos de producción y

mejorando la calidad y precisión del producto final.

2. Optimizar la planificación y el control.

3. Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo las tareas más

tediosas e incrementando su seguridad.

4. Realizar aquellas operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.

Un sistema automatizado consta principalmente de dos partes: una de mando y otra

operativa. Esta última es la que actúa directamente sobre la máquina haciendo que se

mueva y realice la operación deseada gracias a los actuadores y sensores que la

componen. La parte de mando, sin embargo, suele ser un autómata programado que

está en el centro del sistema y es capaz de comunicarse con el resto de constituyentes

del sistema. [10]

2.4 Variables de proceso

2.4.1 Temperatura

La temperatura es una magnitud que mide el nivel térmico o el calor que un cuerpo

posee. Toda sustancia en determinado estado de agregación (sólido, líquido o gas),

está constituida por moléculas que se encuentran en continuo movimiento. La suma de

las energías de todas las moléculas del cuerpo se conoce como energía térmica; y la

temperatura es la medida de esa energía promedio.

Actualmente se utilizan tres escalas de temperatura; grados Fahrenheit (ºF), Celsius

(ºC) y Kelvin (ºK). [4]


32

Criterios básicos para la selección de sensores de temperatura

Alcance de la medición

Determine qué alcance es crítico para su operación, ¿Qué instrumento tiene este

alcance?, ¿Cubre todo el alcance y es todavía rentable o se requiere más de un

instrumento?

Figura 2.10 "Alcance de medición de temperatura para distintos instrumentos"

Exactitud

La segunda mas importante decision. Al estableceer los requsitos de exactitud del

laboratorio o proceso, la inversion apropiada en el instrumento correcto puede eliminar

los errores que se pasan a menudo por alto. La exactitud de un instrumento depende

no solo de los resultados de la calibración sino de sus características físicas y

metrológicas, por ejemplo se puede tener un sensor termopar industrial que en su

informe de calibración mejore su exatitud, pero por sus caracteristicas podría tener una

derivada con el tiempo. [19]

Condiciones bajo la cual la medición debe ser realizada

El problema fundamental para medir la temperatura de un fluido es el asegurar el

acoplamiento térmico, el sensor debe de estar en equilibrio con la temperatura del

fluido, por lo cual habrá de determinarse las medidas y formas del sensor, conocer las

condiciones de enfriamiento-calentamiento, junto con una estimación de la magnitud

de los gradientes de temperatura, buscando dar respuesta a las siguientes preguntas:

¿es posible tocar el objeto a medir?, ¿puede ser afectado el sensor o el objeto a medir

por el contacto?, si es así, un sensor de temperatura sin contacto es necesario.


33

Figura 2.11 "Instrumentos de medición de temperatura en superficie e inmersión"

Ventajas y desventajas

Tabla 2.1 "Ventajas y desventajas entre distintos instrumentos de medición de temperatura"


34

2.5 Sensor de temperatura LM35

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1 ºC. Su rango

de medición abarca desde -55 °C hasta 150 °C. La salida es lineal y cada grado

Celsius equivale a 10mV.

El LM35 no requiere de circuitos adicionales para calibrarlo externamente. La baja

impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración hace posible que esté

integrado sea instalado fácilmente en un circuito de control. Debido a su baja corriente

de alimentación se produce un efecto de auto calentamiento muy reducido. Se

encuentra en diferentes tipos de encapsulado, el más común es el TO-92, utilizada por

transistores de baja potencia. [20]

Figura 2.12 "Esquemático de sensor de temperatura LM35"

2.6 OPAM LM386

Amplificador de baja tensión de potencia de audio

El LM386 es un amplificador de potencia diseñado para aplicaciones de baja tensión.

La ganancia se ajusta internamente a 10, pero la adición de una fuente externa, una

resistencia y un condensador entre los pines 1 y 8 aumentarán la ganancia a cualquier

valor entre 20 y 200. El LM386 funciona perfectamente con una alimentación de

batería de 6 volts. [20]

Figura 2.13 "Esquemático de sensor de temperatura LM35"


35

2.7 Resistencia de inmersión

Las resistencias de inmersión están diseñadas para el calentamiento en contacto

directo con el fluido: agua, aceite, materiales viscosos, disoluciones ácidas o básicas,

etc.

Dado que todo el calor se genera dentro del líquido, se alcanza un rendimiento

energético máximo. Al no existir elementos distorsionadores, el control de la

temperatura de proceso puede ser muy ajustado.

Las resistencias de inmersión presentan varias opciones de acoplamiento al depósito

o tanque donde se instalan: mediante tapón roscado, con racores8, con brida, tipo

sumergidores, etc.

Se pueden utilizar resistencias para calentar cualquier tipo de fluido, desde agua hasta

disoluciones corrosivas, aceites y fuel-oil muy viscoso, producción de vapor. [6]

Figura 2.14 "Resistencia eléctrica de inmersión"

2.8 Bomba de agua sumergible

Una bomba sumergible es una bomba que tiene un impulsor sellado a la carcasa. El

conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que

puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues no depende de la

presión de aire externa para hacer ascender el líquido.

8 Racor: Pieza metálica con dos roscas internas en sentido inverso, que sirve para unir tubos y otros

perfiles cilíndricos.


36

Figura 2.15 "Bomba de agua sumergible"

2.9 Dosificador tipo tornillo sin fin

Descripción

Es un tipo de dosificador, que mediante una rosca sinfín, alimenta a un proceso con un

caudal determinado, pudiéndose regular a voluntad o automáticamente la dosificación

de producto.

Aplicaciones

Dosificación de productos sólidos en un sistema completamente cerrado que no

produce emisiones de polvo al exterior. Medidor de caudal en un proceso continuo. [9]

Figura 2.16 "Elementos que conforman un dosificador tipo tornillo sin fin"


37

2.10 Variador de velocidad

Un variador de frecuencia o VFD, por sus siglas en inglés Variable Frequency Drive,

es un dispositivo electrónico que permite variar la velocidad y la cupla 9de los motores

asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red

en magnitudes variables. Su misión es controlar la energía entregada al motor. Se

utiliza en motores asíncronos de jaula de ardilla. Sus características permiten:

Aceleración progresiva.

Deceleración progresiva. Más rápida de la natural añadiendo par de frenado, o

más lenta añadiendo par motor durante el frenado.

Fijar con precisión la velocidad de funcionamiento. Una o varias velocidades.

Limitar la intensidad de arranque.

Realizar paradas con precisión del motor, mediante la inyección de corriente

continua al devanado estatórico.

Inversión del sentido de giro.

2.10.1 El motor

Los variadores de velocidad están preparados para trabajar con motores trifásicos

asincrónicos de rotor tipo jaula de ardilla. La tensión de alimentación del motor no

podrá ser mayor que la tensión de red. La corriente y frecuencia del motor se comporta

de acuerdo al gráfico siguiente:

Figura 2.17 "Gráfica de comportamiento corriente-par vs velocidad de motor con

variador conectado"

9 Cupla: Par de fuerzas de igual valor que poseen direcciones opuestas, que aplicadas a un cuerpo

producen una rotación.


38

El dimensionamiento del motor debe ser tal que la cupla resistente de la carga no

supere la cupla nominal del motor, y que la diferencia entre una y otra provea la cupla

acelerante y desacelerante suficiente para cumplir los tiempos de arranque y parada.

2.10.2 El convertidor de frecuencia

Se denominan así a los variadores de velocidad que rectifican la tensión alterna de red

(monofásica o trifásica), y por medio de seis transistores trabajando en modulación de

ancho de pulso generan una corriente trifásica de frecuencia y tensión variable. Un

transistor más, llamado de frenado, permite direccionar la energía que devuelve el

motor (durante el frenado regenerativo) hacia una resistencia exterior. A continuación,

se muestra un diagrama electrónico típico:

Figura 2.18 "Circuito electrónico de variador de frecuencia"

La estrategia de disparo de los transistores del ondulador es realizada por un

microprocesador que, para lograr el máximo desempeño del motor dentro de todo el

rango de velocidad, utiliza un algoritmo de control vectorial de flujo.

Este algoritmo por medio del conocimiento de los parámetros del motor y las variables

de funcionamiento (tensión, corriente, frecuencia, etc.), realiza un control preciso del

flujo magnético en el motor manteniéndolo constante independientemente de la

frecuencia de trabajo. Al ser el flujo constante, el par provisto por el motor también lo

será.

Al tener control en la frecuencia de la onda de corriente también se puede controlar la

velocidad del motor de acuerdo a la siguiente fórmula:


39

Donde.

= velocidad mecánica (rpm)

= frecuencia de alimentación (Hz)

=deslizamiento (adimensional)

= número de polos

Deslizamiento

Los motores de inducción son asíncronos porque el rotor gira más despacio que el

campo magnético estatórico (Nr). La diferencia porcentual entre estas velocidades se

llama deslizamiento (S) y es una magnitud muy importante, que aporta información

interesante sobre el comportamiento del motor. El deslizamiento por tanto queda

definido por la fórmula:

2.10.3 Instalación recomendada para variador de frecuencia

En seguida, se muestra un esquema de instalación recomendado para un variador de

frecuencia, en donde se puede observar que debe de estar protegido por un interruptor

termomagnético en caso de una sobre tensión y ser accionado por un contactor

Figura 2.19 "Instalación recomendada para variador de frecuencia"


40

2.10.4 Módulo de control

Las funciones se controlan mediante un microprocesador que gestiona la

configuración, las órdenes transmitidas por un operador o por una unidad de proceso y

los datos proporcionados por las medidas como la velocidad, la corriente, etcétera.

Programación mediante teclado integrado o PC.

Señales de alarma mediante displays, led, o comunicación bus, o relés.

2.10.5 Módulo de potencia

Formado por componentes electrónicos como: diodos, tiristores, IGBT, etc.

Interfaces de medida de las tensiones o las corrientes.

Habitualmente con ventilación.

2.11 Controlador Lógico Programable

Un Controlador Lógico Programable, más conocido por sus siglas en inglés PLC

(Programmable Logic Controller), es una computadora utilizada en la ingeniería

automática o automatización industrial, para automatizar procesos electromecánicos,

tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones

mecánicas. [8]

2.11.1 Partes que conforman un PLC

Básicamente un controlador lógico programable está construido en forma modular,

teniendo usualmente un procesador central, módulos de entrada/salida (E/S, input /

output), fuentes de poder y otros accesorios.

Debido a la estructura modular de los PLC, en general pueden distinguirse en él los

siguientes subsistemas:

Procesador central

Módulo de E/S

Interfaz con el operador y otros periféricos

Comunicaciones

http://es.wikipedia.org/wiki/Controlador_l%C3%B3gico_programable

http://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_central_de_procesamiento

http://www.gmelectronica.com.ar/catalogo/pag10.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Comunicaci%C3%B3n


41

Figura 2.20 "Partes que conforman un PLC"

Fuente de alimentación

Proporciona corriente continua a los circuitos electrónicos que forman el controlador.

Batería

Sirve para alimentar la memoria RAM mientras el PLC esté sin alimentación. Si la

memoria es no-volátil la batería es no necesaria. La batería se debe de cambiar

preventivamente entre un periodo de 1 a 3 años para evitar que se desgaste y perder

el programa guardado en la memoria RAM.

Módulos de entrada

Reciben las señales eléctricas de los equipos de la instalación que está controlando el

proceso.

Módulos de salida

Envían las señales eléctricas a los equipos de la instalación que está controlando.

Puerto de comunicaciones

Es el medio para comunicarse el PLC con la Interfaz (HMI), unidades de

programación, periféricos, otros PLC’s, etc.


42

Procesador central

La Unidad Central de Proceso controla la secuencia de ejecución del programa, realiza

las operaciones aritméticas y lógicas, coordina la comunicación entre los diferentes

componentes, etc.

Es la unidad central del proceso del sistema. En la actualidad casi todos los PLC usan

varias CPU para dividir el trabajo de entrada/salida, procesamiento, solución de lógica

y comunicaciones. Con esto se logra facilidad para desarrollar programas, como

también una mejor ejecución de funciones de control y manipulación de información.

Entre los componentes que conforman el procesador se pueden señalar:

Módulo de procesador

Módulo de memoria

Módulo de registros

Módulo de control de sistemas

Control de E/S

Fuente de poder

Control de comunicaciones

Figura 2.21 "Esquema de integración de las áreas de trabajo de un PLC”


43

Módulo de memoria

Almacena el programa en una memoria que puede ser volátil (RAM) o no volátil

(ROM).

Dentro de la CPU se dispone de un área de memoria, la cual se emplea para diversas

funciones:

1. Memoria del programa de usuario: aquí se introduce el programa que el PLC

va a ejecutar cíclicamente.

2. Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas según el tipo de

datos (como marcas de memoria, temporizadores, contadores, etc.)

3. Memoria del sistema: aquí se encuentra el programa en código máquina que

motoriza el sistema (programa del sistema). Este programa es ejecutado

directamente por el microprocesador dividido por el microcontrolador que

posea el PLC.

4. Memoria de almacenamiento: se trata de memoria externa que se emplea para

almacenar el programa de usuario y en ciertos casos parte de la memoria de la

tabla de datos.

Algunos tipos de memoria que utilizan son: RAM, CMOS, EPROM, EEPROM y otras.

En la memoria tipo ROM esta contenido el sistema operativo y software de aplicación,

y en la memoria tipo RAM se carga, por el usuario, el programa de aplicación de

control.

2.11.2 Lenguajes de programación de un PLC

Programa y lenguaje de programación

Se puede definir un programa como un conjunto de instrucciones, órdenes y símbolos

reconocibles por el PLC, a través de su unidad de programación, que le permiten

ejecutar una secuencia de control deseada. El Lenguaje de Programación en cambio,

permite al usuario ingresar un programa de control en la memoria del PLC, usando

una sintaxis establecida.

Tipos de lenguajes de programación de PLC’s

En la actualidad cada fabricante diseña su propio software de programación, lo que

significa que existe una gran variedad comparable con la cantidad de PLC’s que hay

en el mercado. No obstante, actualmente existen tres tipos de lenguajes de

programación de PLC’s como los más difundidos a nivel mundial; estos son:

Lenguaje de contactos o Diagrama Ladder (LD)


44

Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones)

Diagrama de Bloques de Funciones (FBD)

Es obvio, que la gran diversidad de lenguajes de programación da lugar a que cada

fabricante tenga su propia representación, originando cierta incomodidad al usuario

cuando programa más de un PLC.

Diagrama de Bloques de Funciones (FBD)

Es un lenguaje gráfico que permite al usuario programar elementos (bloque de

funciones del PLC) en tal forma que ellos aparecen interconectados al igual que un

circuito eléctrico. Generalmente utilizan símbolos lógicos para representar al bloque de

función. Las salidas lógicas no requieren incorporar una bobina de salida, porque la

salida es representada por una variable asignada a la salida del bloque.

El diagrama de funciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a técnicos

habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la simbología usada en

ambos es equivalente.

Adicionalmente a las funciones lógicas estándares y específicas del vendedor, el

lenguaje FBD de la Norma IEC 1131-3 permite al usuario construir sus propios bloques

de funciones, de acuerdo a los requerimientos del programa de control.

Ejemplo de programación mediante diagrama de funciones:

Figura 2.22 "Programación de PLC en bloques de funciones”

CAPÍTULO 3 Cálculo y selección de componentes

Descripción breve

En el presente capítulo se calculan y seleccionan los

componentes usados para la integración del prototipo.

También se muestra un estudio del comportamiento de la

señal analógica del PLC con respecto a la variable física de

temperatura.

Capítulo 3: Cálculo y selección de componentes

46

Etapa: Macerado para la extracción de la resina de nopal

Como ya se mencionó en el capítulo 1 la extracción de la resina implica el reposo del

nopal en agua durante 24 horas. Este tiempo suele ser aceptable para un proceso

artesanal, sin embargo, para la automatización del proceso, se requiere minimizar el

tiempo que conlleva la elaboración de la pintura y es precisamente la extracción de la

resina lo que consume más tiempo de proceso.

Para dar solución a este problema, se sabe, empíricamente, que la resina de nopal se

extrae con mayor rapidez si se coloca en agua y se calienta. Un ejemplo cotidiano

acontece en la cocina mexicana, al poner a hervir los nopalitos (nopales comestibles)

para extraerles la mayor cantidad de resina posible con la finalidad de restarle acidez y

tener un mejor sabor al paladar.

Análogamente, este procedimiento ofrece los mismos resultados a nivel laboratorio en

el proceso de extracción de la resina. Para tener una muestra de ello, se presentan los

resultados publicados en el artículo “Optimización de la extracción de mucílago de

nopal (Opuntia ficus-indica)” realizado por la Facultad de Químico Farmacobiología de

la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

Los resultados de este estudio demuestran que las condiciones óptimas para la

extracción de la resina en donde se obtiene un mayor rendimiento fueron: relación de

nopal/agua de 1:2 (w/v) con un tiempo de calentamiento de 1 hora a 80±2°C. Los

resultados de dicha investigación están caracterizados en las gráficas 3.1 y 3.2.

Figura 3.23 “Gráfica de rendimiento relación nopal/agua”


47

Figura 3.24 “Gráfica de rendimiento por tiempo de calentamiento”

No obstante, y como ya se mencionó en el capítulo 1, de acuerdo a pruebas

experimentales, la relación 1.11L de agua por cada kilogramo de nopal resultó más

conveniente para la elaboración de la pintura, así que se sustituirá por la expuesta en

el gráfico 3.1. Sin embargo, el rendimiento por tiempo de calentamiento de una hora a

80°C será considerado, ya que ofreció excelentes resultados en la práctica.

En conclusión, con la aplicación de esta metodología se reduce el tiempo de

extracción de la resina de nopal de 24 horas a 1 hora.

3.1 Planteamiento de problema de control de temperatura

Como se pudo concluir en base al estudio mostrado, la optimización de la extracción

de la resina de nopal ocurre en una relación 1:1.1 (w/v) a una temperatura de 80±2°C

durante una hora.

Se requiere proponer un sistema de control que mantenga la temperatura de la mezcla

agua-nopal a una temperatura de 80°C con una tolerancia de ±2°C durante 1 hora.

Para facilitar la solución del problema, las condiciones medio ambientales se

considerarán despreciables.

3.2 Propuesta de solución al problema de control

3.2.1 Arquitectura de control

Para dar solución al problema, se sabe que existen dos arquitecturas elementales de

un sistema de control: lazo abierto y lazo cerrado.

En el sistema de control a lazo abierto se utiliza la información de la entrada para

realizar una acción de control, sin embargo, no se compara la salida del sistema con la

señal de referencia, es decir, la señal de proceso no tiene ningún efecto sobre la


48

acción de control, por lo que de ser implementado no se tendría retroalimentación de

la temperatura de la mezcla agua-nopal y, por lo tanto, el control se volvería impreciso.

Debido a ello, esta opción es descartada.

Por el contrario, en un sistema de control a lazo cerrado la variable de proceso es

medida continuamente y es comparada con la señal de referencia, produciendo un

error, pero generando a la vez una acción de control que tendería a reducir las

desviaciones existentes. De ser implementada esta arquitectura, se retroalimentaría en

todo instante la temperatura de la mezcla agua-nopal y con ello se controlaría para

que se mantenga dentro de los márgenes establecidos.

En conclusión, la implementación de un sistema de control en lazo cerrado satisface

las necesidades a la problemática del control de temperatura.

En la figura 3.3 se muestra el diagrama a bloques de lazo cerrado para el control de

temperatura del tanque para la extracción de la resina de nopal:

Figura 3.25 “Diagrama a bloques en lazo cerrado para el control de temperatura”

¿Por qué no utilizar un termostato en la elaboración de pintura ecológica a base de

nopal?

Porque su funcionamiento limitaría el objetivo que se quiere lograr al querer controlar

la temperatura en el proceso, este dispositivo es de costo muy bajo y muy accesible,

también controla la temperatura deseada, el mayor inconveniente es que no puede ser

parte de un sistema de control ya que no podría dar retroalimentación a un controlador

que en nuestro caso es un PLC. No podríamos tener un registro de como es el

comportamiento de la temperatura en nuestro proceso, o simplemente no se le podría

mandar una señal desde el controlador para que este cambiara la temperatura

predeterminada, esto tendría que ser puesto manualmente.


49

3.2.2 Algoritmo de control

Control ON/OFF

La forma más simple de control no linear existente corresponde a el control on/off,

prende/apaga, de dos posiciones, etc. En este caso la salida del controlador (variable

manipulada) puede tomar solo dos estados: prendido/apagado, abierto/cerrado. 0/1,

etc., toda vez que la variable controlada cruza el valor de referencia.

Figura 3.26 “Salida del controlador tipo ON/OFF”

Si la variable controlada estuviera por encima o por debajo del valor deseado, la salida

del controlador estará prendida o apagada, conforma la actuación del controlador sea

directa o inversa. Cuando la variable controlada cruza el valor de referencia, la salida

automáticamente es conmutada, como se indica en la ecuación.

Las principales desventajas de ese controlador son la tendencia de la salida a oscilar y

el desgaste del elemento final de control, que continuamente es conmutado entre las

posiciones prende/apaga o abre/cierra. Las aplicaciones industriales implican

preostatos, termostatos, relés etc. Un actuador muy común con controladores on/off es

la válvula solenoide. [8]

Control ON/OFF con zona muerta

Como se vio anteriormente en el control on/off común existe una conmutación

periódica del elemento final de control, lo que ciertamente puede reducir notablemente

su vida útil. Para evitar esto, una solución sería aumentar el periodo de conmutación y


50

evitar la excesiva conmutación, haciendo que el actuador final de control permanezca

más tiempo en los estados encendido/apagado. Una forma de implementar esa

solución es utilizar controladores on/off que posean una zona muerta o un intervalo

diferencial en torno del valor de referencia, definida por un límite superior y un límite

inferior. Dentro de la zona muerta la salida del controlador no conmuta, como se

muestra en la figura 3.5.

Figura 3.27 “Salida del controlador tipo ON/OFF con zona muerta”

La siguiente ecuación define la acción de este controlador


51

3.3 Implementación del lazo de control de temperatura

3.3.1 Sensor de temperatura y acondicionamiento de señal

Para la medición de la temperatura se optó por un sensor LM35, debido al amplio

rango de temperatura que maneja (-55ºC a 150ºC), su respuesta lineal (±10 mV/ºC) y

su bajo costo.

Dado que la señal de salida del LM35 está en el margen de mili Volts y que la entrada

analógica del PLC maneja un rango de 0-10VDC se requiere de una etapa de

acondicionamiento que amplifique esa señal 10 veces. Para ello se propone el uso de

un amplificador operacional LM386 en su configuración conocida como “Amplificador

no inversor o multiplicador”.

Amplificador operacional no inversor o multiplicador

Figura 3.28 “Amplificador operacional no inversor”

En este circuito, el voltaje se aplica a la entrada no inversora (+), y una fracción de

la señal de salida se aplica a la entrada inversora (-) a través del divisor de voltaje

formado por y .

Se tiene que:

Por lo tanto, el voltaje de salida es:


52

A partir de la ecuación anterior se puede obtener la relación de voltaje de salida con

respecto del voltaje de entrada, lo que implica obtener una ganancia definida por:

Por lo tanto, para cumplir con el requerimiento de la amplificación de la señal, se tiene

que:

Se propone una resistencia de entrada:

Con lo que está determinada por:

Comercialmente, existen valores de resistencia de 1 , pero no de 9 , por lo que se

elige el valor de resistencia inmediata superior de acuerdo a la tabla 3.1

Tabla 3.29 “Valores comerciales de resistencias”

Por lo tanto, el valor de la resistencia es de 10 .


53

En la figura 3.7 se muestra el diagrama electrónico para la medición de temperatura y

su etapa de acondicionamiento de señal.

Figura 3.30 “Diagrama electrónico para medición de temperatura y acondicionamiento

de señal”

Consideraciones adicionales

Debido a que la medición de la temperatura es dentro de un líquido se tuvo que hacer

una adaptación al sensor LM35 ya que éste originalmente no está fabricado para

sumergirse en líquidos. Para solucionar ésta problemática se colocó termofit a la mitad

de la cabeza del sensor, con el fin de no afectar la medición de temperatura y quedar

aislado al contacto con el agua, así como se muestra en la 3.8.

Figura 3.31 “Sensor de temperatura LM35 con termofit para su inmersión en líquidos”


54

3.3.2 Tratamiento de lecturas de temperatura para interpretación en lógica de

programación

Análisis de regresión lineal

Se pusieron a calentar 3kg. de nopal cortados en cubos en agua con relación 1.1L/kg

en un recipiente. En el transcurso de que el líquido se encontraba a temperatura

ambiente y hasta que alcanzó su punto de ebullición se tomaron 12 muestras de

temperatura, 6 fueron realizadas con un termómetro digital y las 6 simultáneas

restantes fueron realizadas con el sensor LM35, el cual después pasado su etapa de

acondicionamiento entrega una señal en voltaje que va desde los 3.77 V en

temperatura ambiente (considerándola 23°C) a los 8.16V en un punto de ebullición

(90°C) como se muestra en la tabla 3.2.

Tabla 3.32 “Relación entre lecturas de temperatura y valores de entrada analógica a

PLC”

Valores de entrada

analógica de PLC

Temperatura (°C)

377 23.2

435 36.4

560 57.6

658 70.1

760 83.1

817 90.5

Estas muestras fueron tomadas con la finalidad de corroborar una respuesta lineal del

sensor de temperatura, además de que existiera una correlación entre las variables.

Para obtener una función lineal del proceso de medición de temperatura se utilizó

regresión lineal por el método de covarianza. Para obtener una ecuación de primer

grado que describa el comportamiento de la temperatura se siguieron los siguientes

pasos:

1.- Obtención de las medias de “x” (volts entrada analógica de PLC) y de “y”

(temperatura en grados centígrados).


55

2.- Obtención de desviación estándar de “x” y “y”

3.- Obtención de la varianza

4.- Obtención de la pendiente (m) y el punto donde la recta corta el eje “y” (b) para

armar la ecuación de la recta que es y=mx + b.

5.- La distribución de los datos depende principalmente de la tendencia de los mismos

y su dispersión con respecto a un dato de referencia por esta razón se obtuvo el

coeficiente de Pearson que es una relación entre tendencia y dispersiones, con el

objetivo de saber que tanta relación existe entre los datos, si el coeficiente se acerca a

la unidad, con la información se podrá obtener una ecuación lineal que se acerque

bastante a los valores reales.

Variables utilizadas:


56

En la figura 3.9 se muestra la dispersión de los puntos en relación con la temperatura y

la señal de salida del circuito de temperatura, así como la recta formada y la ecuación.

Figura 3.33 “Recta de análisis de regresión lineal”

Programación en lenguaje escalera para el control de temperatura

El proceso de elaboración de pintura a base de nopal requiere que los trozos de nopal

de 2 por 2 cm. permanezcan por una hora en agua con una temperatura de 80 °C,

ésta parte del proceso es de gran importancia ya que aquí es donde se lleva a cabo la

extracción de la resina del nopal la cual fungirá como ligante para la pintura. Se tendrá

un rango de ±2 °C, esto quiere decir que la temperatura tiene que permanecer entre

78°C y 82°C.

Para solucionar este problema y considerando que el control de la temperatura es un

control lento se optó por un control on/off con zona muerta o histéresis como se

muestra en la figura 3.10.

Figura 3.34 “Control de temperatura ON/OFF con zona muerta”


57

Para solucionar la problemática se llevaron a cabo los siguientes pasos:

1.- Con la ecuación anterior se obtuvo el valor en voltaje que tendría la entrada

analógica en relación a una temperatura dada. Para este caso se obtiene el valor en

voltaje para el equivalente a una temperatura de 78 °C y 82°C.

Donde:

y= temperatura [°C]

x/100= voltaje [V]

Despejando x:

Evaluando a “y” igual a 78 °C:

Evaluando a “y” igual a 82 °C:

Ahora que ya se tienen los valores en voltaje equivalentes a las dos temperaturas

críticas que se van a utilizar, se proceden a implementar en el control on/off con zona

muerta. Se utilizará una herramienta analógica con la que cuenta LogoSoft Comfort

(Software de programación de LOGO 8) que es el conmutador analógico de valor

umbral (para más información véase el anexo), sus parámetros se muestran en la

figura 3.11. En el parámetro Ax se conecta la señal analógica del sensor de

temperatura, la cual tiene un rango de 0 a 10 volts y la salida Q digital se conecta a la

resistencia eléctrica para calentar el fluido.

Figura 3.35 “Conmutador analógico de valor umbral”


58

Esta función contiene dos parámetros que son el on y el off (como se muestra en la

figura 3.12) que son los valores analógicos donde se accionará o se desactivará la

salida Q. Se obtuvieron los valores analógicos en función de voltaje obtenidos por

medio de las ecuaciones de la recta anteriores en función de la temperatura de 78 °C y

80°C.

El valor para on es 778 equivalente a 78 °C y para off es de 750 equivalente a 80 °C

con estos valores se efectuará el ciclo de histéresis que se muestra en la figura 3.10,

con lo que la temperatura del líquido se mantendrá entre 78 °C y 80°C, de ésta

manera se parametriza el control on/off con zona muerta.

Figura 3.36 “Definición de parámetros para control ON/OFF”


59

3.4 Dimensionamiento de resistencia eléctrica de inmersión

3.4.1 Balance de energía

La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se calcula de

acuerdo a la siguiente fórmula:

Donde:

= Cantidad de calor que se gana o pierde [calorías]

= Masa del cuerpo en estudio [gramos]

= Calor específico del cuerpo [cal/g°C]

= Variación de temperatura [ ]

Se sabe experimentalmente que para una producción de 10L de pintura se requieren

de aproximadamente 6Kg. de nopal por 6.7L de agua y que la temperatura para la

extracción de la resina es de 80±2°C. Tomando la temperatura ambiente del agua a

23°C se tiene que:

El tanque se dimensionó para una producción de pintura de 40L, lo que implica que los

valores de volumen de agua y nopal se multipliquen por 4. Esto se debe de tener en

cuenta ya que la resistencia eléctrica debe de estar dimensionada para transferir calor

al máximo volumen de solución agua-nopal que se manejará.

Considerando que 1L de agua≈1Kg., la masa total del sistema queda determinada por:

Asumiendo que el calor específico del agua es

y el del nopal es

se tiene que obtener un valor de calor específico total del sistema a

partir de un promedio ponderado,


60

Por lo tanto, se tiene que el calor requerido para elevar la temperatura del sistema de

23°C a 80°C es:

Sabiendo que:

Se tiene:

Transformando el calor en potencia eléctrica:

Se requiere mantener el sistema a 80°C durante una hora, por lo tanto:

Dado que se hará uso de resistencias eléctricas comerciales, el valor de la potencia

calculado se dividirá en dos dispositivos, por lo tanto:

Dicha resistencia eléctrica será conectada a una fuente de 127VCA, por lo tanto se

tiene que la corriente consumida será:


61

Finalmente el valor de la resistencia eléctrica a usar es de:

Parámetros eléctricos de la resistencia de inmersión:

En la figura 3.13 se muestra la resistencia eléctrica que fue utilizada en el proyecto, la

cual tiene un consumo de 15A.

Figura 3.37 “Resistencia eléctrica”


62

3.5 Bomba de agua sumergible

El paso número uno del proceso es el suministro de agua al contenedor, lo cual se

realizó con una bomba sumergible con las siguientes características:

Marca: Law Industry

Modelo: WP-950

Alimentación: 127VCA

Frecuencia: 60 Hz

Potencia: 14 W

Flujo: 950 L/h=15.83 L/min

Altura máxima de bombeo:

1.8m

Figura 3.38 “Bomba sumergible”

El bombeo de agua requiere ser hecho desde una altura cero donde la bomba se

mantendrá sumergida en un contenedor, hasta el tanque de agitación que se

encuentra a 91.5 cm de altura como se muestra en la figura 3.15.

Figura 3.39 “Esquemático de tanque agitador y sus componentes”


63

Para estas condiciones se realizaron pruebas para conocer el flujo en este modo de

trabajo, obteniendo 2.85 L/min.

El proceso dentro de su programación tendrá para elegir 3 distintas capacidades de

llenado del contenedor principal 10 L, 15 L y 20 L por lo cual el tiempo requerido de

trabajo de la bomba para cada uno será:

10 L = 3.5 min

15 L = 5.26 min

20 L = 7.01 min

3.6 Dimensionamiento de tanque agitador

Ya que se elaborará una planta a nivel piloto se propone una producción máxima de

pintura de 40 L por lote. Para ello, todos los componentes de dicha pintura deberán ser

mezclados en un tanque agitador tipo turbina.

3.6.1 Diseño del tanque

Tomando Diámetro=Altura (D=H)

Despejando D

Tomando un 30% extra en la altura del tanque con respecto al diámetro del mismo, se

tiene que:


64

3.6.2 Selección de agitadores (impulsores) y cálculo de potencia

Diseño “estándar” de turbina

Dado que para el diseño de un tanque agitador se dispone de un gran e inusual

número de elecciones sobre el tipo y localización del agitador, las proporciones del

tanque, el número y las proporciones de los deflectores y otros factores, se tomará

como punto de partida el diseño de los problemas ordinarios de agitación, en los

cuales, generalmente se hace uso de un agitador tipo turbina. [13]

Las proporciones típicas para el dimensionamiento de agitadores tipo turbino están

descritas en la tabla 3.3.

Tabla 3.40 “Proporciones típicas para el dimensionamiento de agitador tipo turbina””

Por lo general, el número de deflectores es 4; el número de palas del agitador varía

entre 4 y 16, pero generalmente son 6 u 8. Situaciones especiales pueden, por

supuesto, considerar proporciones diferentes a las que se acaban de indicar, por

ejemplo, quizá resulte ventajoso colocar el agitador más alto o más bajo en el tanque,

o tal vez sea necesario utilizar un tanque más profundo para lograr el resultado

deseado. No obstante, las proporciones “estándar” listadas son ampliamente

aceptadas y son la base de muchas correlaciones publicadas sobre el funcionamiento

de los agitadores. (McCabe, 2007)

Figura 3.41 “Mediciones de turbina (según Rushton et al.)”


65

Para el proyecto, se opta por emplear una turbina con 4 palas, ya que este tipo de

agitador puede operar en un rango muy amplio de viscosidades y su construcción es

bastante sencilla.

Sabiendo que y en base a las proporciones de la tabla 3.3 se tiene que:

La figura 3.17 muestra el diagrama del mezclador en base a las relaciones

encontradas.

Figura 3.42 “Diagrama de mezclador”


66

Cálculo de potencia del agitador

El uso del agitador se divide en dos fases:

Fase 1: Con la finalidad de mejorar la transferencia de calor en la solución agua-nopal

para la extracción de la baba, se accionará el agitador a una baja velocidad quién

moverá los trozos de nopal por todo el tanque.

Fase 2: Una vez que se haya extraído la baba de nopal y se vayan a adicionar los

demás componentes, se pasa a la tapa de mezclado. Para ello el agitador trabajará a

su máxima velocidad.

Problema

Para agitar perfectamente la pintura, a la cual mediante métodos experimentales se le

calculó una densidad aproximada de 1018 y una viscosidad de 19.84cps, se

requiere que se encuentre en estado turbulento (NRe=10,000). De acuerdo a la

siguiente ecuación se tiene que:

Donde:

=Número de Reynolds [adimensional]

=Diámetro del agitador [m]

= Revoluciones por segundo [rps]

= Densidad [

= Viscosidad [Kg/m*s]

Despejando N se tiene que:

Para calcular la potencia se emplea la siguiente fórmula:

Es necesario tener el valor de el cual se busca en la siguiente tabla de acuerdo al

tipo de flujo con el que se está trabajando ( el tipo de

agitador empleado y el número de palas.


67

Tabla 3.43 “Valores de las constantes y para tanques que tienen deflectores en

la pared del tanque, cuya anchura es igual o menor al 10% del diámetro del tanque”

Tipo de impulsor

Impulsor hélice, tres

palas

Paso 1.0 41 0.32

Paso 2.0 48 0.87

Turbina

Disco de seis palas 65 5.75

Seis palas inclinadas --- 1.63

Cuatro planas inclinadas 44.5 1.27

Paleta plana, dos palas 36.5 1.70

Impulsor HE-3 43 0.28

Ancla 300 0.35

El valor de para una turbina de seis palas es 5.75

Por lo tanto, el motor que se debe de utilizar es de 0.5HP.

3.7 Selección del Controlador Lógico Programable

Justificación del uso de PLC

Un PLC es un dispositivo que fue desarrollado para reemplazar los circuitos

secuenciales de relevadores para el control de máquinas y procesos en ambientes

industriales operando en tiempo real.

Un microcontrolador PIC, es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las

tres unidades funcionales de una computadora: CU, Memoria y Unidades de E/S, es

decir se trata de un computador completo en un solo circuito integrado, pero como una

unidad de almacenamiento mucho menor. El PIC al igual que al PLC, se le introduce

un software para que éste sea ejecutado y realice las tareas programadas.


68

La diferencia entre ambos es la siguiente: Los PIC, solo poseen una grabación, luego

del cual deben de ser retirados y volver a programar con el tiempo que requiero ello,

en cambio los PLC, se programan aún estén estos conectados, y en tiempo record,

según el gusto del usuario. Además, los PLC poseen salida de potencia, algo que los

PIC necesitan en un circuito aparte. Los PIC son usados en sistemas que no requieren

luego de mayor modificación, salvo la que posibilita el programa, o el conjunto de

componentes es si para programar, es por eso que son muy usados en tarjetas

especiales de control, realizando una tarea específica como interfaces controladoras;

pero los PLC se usan en la industria, pues tienen más posibilidades de cambio y

temporalizadores que pueden trabajar hasta años sin necesidades de una nueva

programación y de forma autónoma además de controlar sistemas de potencia usando

directamente contactores y pulsadores industriales, aparte de tener la posibilidad de

ajustarlo utilizando sus teclados y display. Con un PIC es más complicado trabajar

con más de dos lazos de control debido a la poca memoria de almacenamiento de

éste y en cambio en un PLC ofrece una mayor capacidad de almacenamiento para

trabajar con diversos lazos de control.

Es por ello que por lo antes mencionado se ha seleccionado un PLC para controlar el

proceso que se demanda en la fabricación de pintura a base de baba de nopal.

Criterios de selección

Para realizar la selección del PLC se elaboró un levantamiento de entradas y salidas

del tipo analógico y digital de acuerdo a los requerimientos del proceso, Para ello, en

la tabla 3.5 se pueden observar dichas especificaciones.

Tabla 3.44 “Levantamiento de entradas y salidas analógicas y digitales para selección

de PLC”

Entradas

Dispositivo Tipo Especificación

Botón de arranque

Botón (continuar proceso)

Momentáneo NA (Digital)

ABB

Color de la cabeza del

pulsador eléctrico : Verde

Inscripción del cabezal del

pulsador eléctrico: ninguna.

Taladro de montaje del

pulsador: 22 mm.

Material de fabricación de


69

pulsador eléctrico: Plástico.

Contacto: 1 abierto (NA).

Intensidad nominal de

trabajo Ith: 10 A.


trabajo a 220 Vac: 4.5 A.

Tensión máxima de trabajo

del pulsador eléctrico: 415

V AC.

Resistencia del contacto:

50 mΩ.

Grado de protección del

pulsador: IP-20.

Normativa del pulsador:

CE, IEC 60947-5-1.

Botón de paro

Momentáneo NC (Digital)

ABB

Color de la cabeza del

pulsador eléctrico: Rojo

Inscripción del cabezal del

pulsador eléctrico: ninguna.

Taladro de montaje del

pulsador: 22 mm.

Material de fabricación de

pulsador eléctrico: Plástico.

Contacto: 1 abierto (NC).


trabajo Ith: 10 A.


trabajo a 220 Vac: 4.5 A.

Tensión máxima de trabajo


70

del pulsador eléctrico: 415

V AC.

Resistencia del contacto:

50 mΩ.

Grado de protección del

pulsador: IP-20.

Normativa del pulsador:

CE, IEC 60947-5-1.

Llave de seguridad

Selector de llave

Dos posiciones (Digital)

ABB

Sensor LM35

Temperatura (Analógico)

Margen de temperatura: -

55 º C a 150 ºC.

Tensión alimentación: 4 a

20 V DC (3 hilos)

Salida: 10.0 mV/ºC

Interruptor de límite

(2 unidades)

Entrada digital

Modular, sistema plug-in

(cabeza y componentes del

cuerpo)

Contactos NA y NC

Los cabezales de

operación pueden

ser girado 90 grados


71

para adaptarse dirección

específica

de operación

Salidas

Dispositivo Tipo Especificación

Lámpara de señalización

“Arranque”

LED - CL-502G ABB

Tensión de alimentación:

24 V DC

Peso: 0.023 kg

Diámetro : 22 mm

Luminancia: 126 mcd

Longitud de onda: 520 nm

Intensidad nominal: 15

mA

Color: Verde


“Paro”

LED - CL-502Y ABB


24 V DC

Peso: 0.023 kg

Diámetro : 22 mm

Luminancia: 60 mcd



mA

Color: Amarillo


“Temperatura” LED - CL-502R ABB


24 V DC


72

Peso: 0.023 kg

Diámetro : 22 mm

Luminancia: 60 mcd



mA

Color: Rojo

Resistencia eléctrica

Núcleo cerámico

Potencia 1800W, 15 A.

127 VCA.

Bomba de agua

sumergible

Marca: Law Industry

Modelo: WP-950

Alimentación: 127VCA

Frecuencia: 60 Hz

Potencia: 14 W

Flujo: 950 L/h=15.83

L/min

Altura máxima de

bombeo: 1.8m


73

Motorreductor de válvula

de descarga (2 salidas

para inversión de giro)

Alimentación: 20 VDC

Velocidad: 1.7 rpm

Potencia: 1W

Torque: 10 kg/cm

Motorreductor para

dosificadores (2

unidades)

Alimentación: 24 VDC

Potencia: >50 W

Velocidad: 125 rpm

Corriente de carga: 0.6 A

Esfuerzo de torsión: 3Nm

Variador de frecuencia (2

salidas)

Marca: TECO

Modelo: N3-207-CU

Capacidad motor: 7.5 HP

Input: AC 3 fases 50/60

hz

Voltaje: 200-240 V (+10%,

-15%)

Ampers: 33 A

Output: AC 3 fases 0-400

hz

Voltaje: 0-240 V

Ampers: 28 A

De acuerdo a la tabla 3.5, el PLC seleccionado que cumple con dichos requerimientos

y de menor costo económico es el LOGO! 12/24RCE con el módulo de expansión

LOGO! DM8 12/24R.

En la tabla 3.6 se muestran los datos técnicos del PLC seleccionado.


74

Tabla 3.45 “Datos técnicos de PLC LOGO! 12/24RCE”

Datos técnicos: LOGO! 12/24RCE

Fuente de alimentación

Tensión de entrada 12/24 V DC

Rango admisible 10,8 V DC A 28,8 V DC

Protección contra inversión de polaridad Sí

Consumo de corriente

12 V DC

24 V DC

30 mA a 140 mA

15 mA a 90 mA

Compensación de fallos de tensión

12 V DC

24 V DC

Tip. 2ms

Tip. 5ms

Disipación

12 V DC

24 V DC

0,4 W a 1,7 W

0,4 W a 2,2 W

Respaldo del reloj en tiempo real a 25ºC Tip. 20 días

Precisión del reloj en tiempo real Tip. +- 2 s/día

Aislamiento galvánico No

Entradas digítales

Cantidad 8

Aislamiento galvánico No

Número de entradas rápidas 4 (I3, I4, I5, I6)

Frecuencia de entrada

Entrada normal

Entrada rápida

Máx. 4 Hz

Máx. 5 kHz

Tensión admisible continua máx. 28,8 V DC

Tensión de entrada L+

Señal 0

<5 V DC


75

Señal 1 > 8,5 V DC

Corriente de entrada en

Señal 0

Señal 1

< 0,88 mA (I3 a I6)

< 0,07 mA (I1, I2, I7, I8)

> 1,5 mA (I3 a I6)

> 0,12 mA( I1, I2, I7, I8)

Tiempo de retardo

0 a 1

1 a 0

Típ. 1,5 ms

< 1,0 ms (I3 a I6)

Típ. 1,5 ms

< 1,0 ms (I3 a I6)

Longitud de cable (sin pantalla) Máx. 100m

Entradas analógicas

Cantidad 4 (I1=AI3, I2=AI4, I7=AI1, I8=AI2)

Rango 0 V DC a 10 V DC Impedancia de entrada

72 kΩ

Tiempo de ciclo para generar valores

analógicos 300 ms

Longitud de cable (blindado y trenzado) Máx. 10 m

Límite de error +- 1,5% a FS

Salidas digitales

Cantidad 4

Tipo de salida Salidas a relé

Aislamiento galvánico Sí

En grupos de 1

Control de una entrada digital Sí

Corriente permanente Rango de aplicación recomendado >=


76

100 mA a 12 V AC/DC Máx. 10 A por relé

Corriente de choque Máx. 30 A

Carga de lámparas incandescentes

(25.000 ciclos de conmutación) a 1000 W

Tubos fluorescentes con reductor de

tensión (25.000 ciclos de conmutación) 10 x 58 W

Tubos fluorescentes compensados

convencionalmente (25.000 ciclos de

conmutación)

1 x 58 W

Tubos fluorescentes no compensados

(25.000 ciclos de conmutación) 10 x 58

Reducción de potencia Ninguna: en todo el rango de temperatura

Resistencia a cortocircuitos cos 1 Protector de potencia B16, 600 A

Resistencia a cortocircuitos cos 0,5 a 0,7 Protector de potencia B16, 900 A

Conexión en paralelo de salidas para

aumentar la potencia No admisible

Protección de un relé de salida (si se

desea) Máx. 16 A, característica B16

Frecuencia de conmutación

Mecánica 10 Hz

Carga óhmica/carga de lámparas 2 Hz

Carga inductiva 0,5 Hz

Nota:

Para más información acerca del PLC LOGO! 12/24RCE consulte el Manual para la

serie de dispositivos LOGO! 0BA8 SIEMENS, pp. 318 – 320. [7]

En la tabla 3.7 se muestra una breve información técnica de módulo de expansión

LOGO! DM8 12/24R.


77

Tabla 3.46 “Datos técnicos del módulo de expansión LOGO! DM8 12/24R”

Módulo Fuente de Alimentación DI DQ AI Salidas

LOGO! DM8

12/24R 12…24 V DC 4 4 -

4 A relé (5

A)

Nota:

Para más información acerca del módulo de expansión LOGO! DM8 12/24R consulte

el archivo Simply ingenious for small automation tasks LOGO! Logic Module, pp. 4.

3.8 Variador de frecuencia

El variador de frecuencia toma una parte importante en el proceso de obtención de

pintura a base de nopal, ya que se necesita tener controlada la velocidad de un motor

trifásico de corriente alterna.

El proceso tiene dos etapas donde se utiliza el variador de frecuencia:

Fase 3:

El motor que conectado al variador tiene acoplado un agitador de paletas, el cual en

esta fase su función es mezclar el agua con el nopal, mientras se transfiere calor a la

mezcla por medio de una resistencia, con el fin de homogenizar la temperatura en todo

el tanque.

Velocidad requerida: 560 rpm

Frecuencia requerida: 20Hz

Fase 5

En esta fase la función del agitador es revolver y disolver los ingredientes que son

suministrados en la mezcla.

Velocidad requerida: 420 rpm

Frecuencia requerida: 15Hz


78

Elección de Variador de frecuencia

Datos del motor a utilizar:

Voltaje: 220/440 VCA

Amperaje: 1.1/2.2A

Potencia: 0.5HP

RPM: 1680

Frecuencia: 60 Hz

Las velocidades requeridas de cada una de las fases fueron asignadas de manera

experimental a través de varias pruebas.

En la fase 3 se estuvo experimentando de tal manera de encontrar una velocidad

adecuada la cual fuera capaz de mezclar los pedazos de nopal con el agua y así

mantener una temperatura constante en todo el tanque de proceso. Con la velocidad

de 560 rpm elegida se puede dar movimiento a toda la cantidad de nopal, la materia

prima que se encuentra rezagada en las paredes del tanque y agua.

Durante la fase 5 es la dosificación de ingredientes y el mezclado de los mismos, aquí

se observó que a una alta velocidad el fluido comenzaba a saltar fuera del tanque, lo

cual no es un comportamiento deseable, se experimentó con distintas velocidades

quedando como la ideal de 420 rpm, con esta velocidad es suficiente para mezclar y

homogenizar en la mayor parte posible la mezcla de ingredientes para la obtención de

la pintura.

Entradas requeridas:

1 entrada digital para asignar velocidad en fase 3.

1 entrada digital para asignar velocidad en fase 5.

Variador de velocidad ideal a elegir: PowerFlex 4 M.


79

Figura 3.47 “Datos técnicos de variador de frecuencia PowerFlex 4M”

Se eligió este variador en su versión de 1HP porque reúne las características

requeridas por el proceso.

Se requería que el variador soportara un motor de 0.5HP y además que contara con

dos salidas digitales, como se muestra en la figura 3.19 éste dispositivo seleccionado

cuenta con estas características.


80

Variador para pruebas experimentales

Especificaciones:

Marca: TECO

Modelo: N3-207-CU

Capacidad motor: 7.5 HP /

Input: AC 3 fases 50/60 Hz

Voltaje: 200-240 V (+10%, -

15%)

Amperaje: 33 A

Output: AC 3 fases 0-400 Hz

Voltaje: 0-240 V

Amperaje: 28 A

Figura 3.48 “Variador de frecuencia modelo N3-207-CU marca TECO”

Este variador de frecuencia supera por mucho la capacidad requerida por el motor que

se ocupará en el proceso, por lo cual se puede deducir que se desaprovecha mucha

de su capacidad hablando de potencia soportada, ya que pudiera estar controlando un

motor 14 veces más grande que el que en realidad se tiene.

Sin embargo, contiene las dos entradas digitales necesarias para realizar el control

requerido dentro del proceso.

Nota: La razón de haber elegido este dispositivo fue la parte económica, ya que

los variadores por lo regular tienen un precio elevado y estuvo fuera de

presupuesto. Éste variador fue prestado para la realización del proyecto.


81

3.9 Cálculo y selección de los contactores

Con respecto al punto 3.4 Dimensionamiento de resistencia eléctrica de inmersión, se

calculó una resistencia con las siguientes características.

Potencia. 1834.105W

Tensión. 127 VCA

Corriente. 14.44 A

Resistencia. 8.80

Con lo anteriormente expuesto y con respecto al catálogo ABB GHE3211102R0004

pp. 5, se usa el siguiente contactor:

Contactor Modular ESB 20-20

(20 A, 2NA)

Bobina 127 VCA

1 Módulo

Para el variador de frecuencia que se utiliza para el control del motor trifásico jaula de

ardilla que dichas características se localizan en la tabla 3.5 de este documento se

selecciona el siguiente contactor.

Figura 3.49 “Contactor Modular ESB 20-20”

Con respecto a la Tabla 3.6 “Datos técnicos de PLC LOGO! 12/24 RCE” y al catálogo

ABB S201-C0.5 el interruptor termomagnético Curva C es el siguiente.


82

Figura 3.50 “Interruptor termomagnético S201-C0.5”

3.10 Cálculo de dosificadores

Capacidad de transporte de un transportador tipo tornillo sin fin

La capacidad de un transportador de tornillo sin fin horizontal viene dada por la

siguiente fórmula:

En donde:

é

Coeficiente de llenado

Para obtener este valor fue necesario buscar las clases de materiales en que se

dividen para realizar los cálculos de un transportador de tornillo sin fin, para el caolín

se eligió la Clase I.


83

Clase I

Son materiales pulverulentos, no abrasivos, con peso específico entre 0,4-0,7

aproximadamente, que corren fácilmente. Para estos materiales el coeficiente de

llenado α es de 0,4. Coeficiente f = 1,2.

Entre los materiales pertenecientes a esta clase están:

Cebada, trigo, malta, arroz y similares.

Harina de trigo y similares.

Carbón en polvo.

Cal hidratada y pulverizada.

Por lo que el coeficiente de llenado es considerado como 0.4.

CAPÍTULO 4 Integración y resultados

Descripción breve

En este capítulo se hablará acerca de la integración de

todos los componentes del proceso para la elaboración de

la pintura. Se explica detalladamente la lógica de

programación del PLC de todas las etapas del proceso y se

exponen los resultados del prototipo.

Capítulo 4: Integración y resultados

85

Una vez seleccionados y dimensionados los componentes a utilizar, se procede a la

integración del proyecto.

Metodología para la automatización del proyecto

1. Descripción del sistema

2. Diagrama de flujo

3. Descripción de los equipos del sistema

4. Selección del autómata programable

5. Programación del PLC

5.1 Grafcet del proceso

5.2 Descripción de entradas y salidas del proceso

5.3 Programación del PLC

Dicha metodología fue recabada del artículo “Metodología para realizar una

automatización utilizando PLC”. (Lugo)

Los pasos del 1 al 4 de la metodología se han descrito en los capítulos anteriores.

Sin embargo, el diagrama de flujo del sistema representa la elaboración artesanal

de la pintura, por lo tanto, se realizó el diagrama de flujo para la semi

automatización del proceso el cual se visualiza en la figura 4.1.

Figura 4.1 "Diagrama de flujo de proceso semi automático para elaboración de pintura”

Fase 1 •Introducir el nopal en cubos al tanque

Fase 2 •Bombeo de agua a tanque de mezclado.

Fase 3

•Calentamiento de agua con el nopal hasta alcanzar 80°C y mantener por 1 hora.

•Mezclado de agua con nopal.

Fase 4 •Extracción manual de residuos de nopal.

Fase 5

•Agregar ingredientes en polvo (caolín y dioxido de titanio).

•Mezclado

Fase 6

•Apertura de válvula de la parte inferior de tanque para la extracción de

producto terminado.


86

Figura 4.2 " Diagrama GRAFCET de las etapas del proceso”


87

El diagrama GRAFCET representa las etapas del proceso, las transiciones o

condiciones que deben de ser cumplidas para pasar de una etapa a otra y las

acciones asociadas a cada etapa que deben de realizarse.

Descripción de entradas y salidas del sistema

Figura 4.3 " Diagrama de entradas y salidas del PLC”

4.1 Programación para realizar el proceso semiautomático de pintura a base de

nopal

Se cuenta con un PLC Logo 8 Siemens, la programación en escalera se realizó en el

software Logo! Soft Comfort.

Fase 1 – Arranque, paro y condicionamiento de seguridad.

La programación inicia con un arranque y paro, agregando un interruptor de llave en la

entrada I4, esto con el fin de que solo personal autorizado que cuente con la llave

pueda iniciar el proceso. Una vez presionado el botón de arranque el proceso iniciará

su secuencia predeterminada.


88

Pulsando el botón de paro todo se detiene, no importando en qué fase del proceso se

encuentre, funcionando también, como un interruptor de emergencia. Dicho

condicionamiento de seguridad se observa en la figura 4.4

Figura 4.4 “Línea de programa para el arranque y paro del proceso”

Fase 2- Suministro de agua

En esta sección se condiciona el trabajo de la bomba de agua, para suministrar al

tanque de proceso.

Una vez presionado el botón de arranque se activará un timer off-delay, el cual tiene el

tiempo programado en función del caudal para suministrar el volumen requerido.

Figura 4.5 " Líneas de programa que activa el funcionamiento de la bomba para el

suministro de agua al tanque”


89

Fase 3 – Control de temperatura y agitación

Figura 4.6 " Líneas de programa para el control de temperatura y agitación”

Esta etapa es crítica para el proceso ya que es el paso más importante para obtener

un producto final con las condiciones deseadas.

En la primera línea en la figura 4.6 se colocó un temporizador on delay retentivo (Temp

temperatura – T003) el cual define el tiempo de trabajo de la resistencia y del agitador,

este timer es activado cuando la bomba termina su funcionamiento, y tiene un tiempo

predefinido de 1 hora.

En la línea 3 de la figura 4.6 se encuentra un contacto analógico normalmente abierto

(sensor lm35-AI1) esta es una entrada analógica donde llega la señal del sensor de

temperatura LM35, seguido de este se encuentra un conmutador analógico de valor

umbral (SF001) que se encarga de delimitar un rango de valores analógicos donde

este se va a accionar. Este rango está definido en función del set point que es igual a

80 °C ± 2 °C, en la capítulo 3 se realizó un control on/off con histéresis y se definió el

rango en valores analógicos en función a la temperatura.


90

El accionamiento de la resistencia está condicionado por el “Temp temperatura-T003”

y por el “conmutador analógico de valor umbral-SF001”. Durante el tiempo que éste

timer esté energizado la resistencia se podrá activar en cualquier momento dentro de

este periodo de tiempo.

La función SF001 condiciona a la resistencia de modo que se activa cuando la

temperatura es menor a 78 °C y se desactiva hasta que se alcanza una temperatura

de 82 °.

El agitador solo está condicionado con el “Temp temperatura-T003”, por lo que se

mantendrá agitando cuando el temporizador esté activo, sin importar si la resistencia

está trabajando o no.

Fase 4 – Extracción manual de residuos de nopal.

Después de haber calentado y agitado se prosigue a la extracción manual de residuos

de nopal, por lo que terminado el tiempo activo del agitador el proceso entra en un

periodo de espera y continua hasta que se presiona un botón pulsador (Continuar

proceso – I3) como se muestra en la figura 4.7 en la línea 1.

Fase 5 – Extracción manual de residuos de nopal.

Una vez activada la entrada I3 se continuará el proceso activando 3 temporizadores off

delay simultáneamente los cuales son: “Temp dosificador 1- T005”, “Temp dosificador

2-T006” y “Agitador 2-T007” que estos a su vez activan las salidas “Dosificador 1 –

Q7”, “Dosificador 2- Q8” y “Agitador 2 - Q6” respectivamente.

Cada una de estas salidas puede trabajar con tiempos distintos dependiendo de lo

requerido en el proceso.


91

Figura 4.7 "Líneas de programa para activación de dosificadores y agitador en fase 1”

”

Fase 6 – Apertura y cierre de válvula

Esta parte se encarga de abrir y cerrar una moto válvula que se encuentra en la parte

inferior del tanque de proceso, y su función es la extracción del producto final.

En la programación una vez desactivada la salida “Agitador 2-Q6” se continua a activar

“Auxiliar 2-Q9” pero para realizar esto se procede a dar un pulso con duración de 500

ms (este tiempo fue colocado empíricamente solo para proporcionar un pulso) con un


92

temporizador on delay (Temp auxiliar 1-T008) y uno off delay (Temp auxiliar 2-T009)

como se muestra en la figura 4.8.

En la figura 4.9 se muestra una inversion de giro con pequeñas variaciones que se

mencionarán a continuación.

Se considera que durante todo el proceso la valvula se encontro cerrada y al final de

este, se abrira por un periodo de tiempo en el cual sea sufuciente para que todo el

producto salga del tanque.

Al activarse “Auxiliar 2- Q9” a su vez activa la salida “valvula abrir-Q3” (esta accion

fisicamente se representa por medio de un motor de cd girando en un sentido), esta

salida estara activada hasta que “I limite 5 - I5” cambie de estado (esto significa que la

valvula se encuentra totalmente abierta).

Cuando la valvula está totalmente abierta se activa el timer on delay “Tiempo vaciado

tanque-T007” con un tiempo determinado, en este periodo la valvula se mantiene

abierta (en el proceso es la parte donde esta saliendo la pintura), una vez desactivado

el timer antes mencionado se activará la “valvula cerrar-Q4” hasta que la entrada “I

limite 6 – I6” cambie de estado.

La bobina Auxiliar 2- Q9 es como su nombre lo dice una bobina auxiliar no una salida

fisica, que ayuda a continuar el proceso.

Figura 4.8 " Fase de componentes auxiliares 1”


93

Figura 4.9 " Líneas de programa para la apertura y cierre de la válvula de descarga”

4.2 Configuración del variador

El uso del variador aparece en dos partes dentro del proceso, en cada fase se

accionará con una velocidad distinta.

Es necesario pre configurar al variador antes de poder utilizar sus entradas e indicarle

cómo van a funcionar, para ello se siguieron los siguientes pasos:

En el parámetro A50 que se encuentra dentro del menú principal del driver se

seleccionó la función que va a realizar la entrada I1 que en este caso sería

“comando de frecuencia 2”.

En el parámetro A62 se asigna la frecuencia al “comando de frecuencia 2” igual a

20 Hz.

En el parámetro A51 se asigna a la entrada I2 como “comando de frecuencia 3”.

En el parámetro A63 se asigna una frecuencia de 15 Hz al “comando de frecuencia

3”.

La señal que se le enviará al variador para indicarle cuando activarse y a que

frecuencia, será dada por una salida digital del PLC a una entrada analógica del

variador por cada velocidad.


94

En la fase 3 en el programa principal del PLC se activará a su respectivo tiempo la

salida Q5, como se muestra en la figura 4.10 la cual está conectada a la entrada digital

I1 del driver como se muestra en la figura 4.11, al recibir un flanco positivo la entrada

I1 el variador comenzará a trabajar con una frecuencia de 20Hz, al dejar de recibir esta

señal la salida Q5 se desactivará.

Figura 4.10 " Programa para la activacion de variador de frecuencia fase 1”

En la fase 5 en el programa principal del PLC se activará a su respectivo tiempo la

salida Q6, como se muestra en la figura 4.12 la cual está conectada a la entrada digital

I2 del driver como se muestra en la figura 4.11, al recibir un flanco positivo la entrada

I2 el variador comenzará a trabajar con una frecuencia de 15Hz, al dejar de recibir ésta

señal la salida Q6 se desactivará.


95

Figura 4.11 " Diagrama de conexiones eléctricas de variador de frecuencia”

Figura 4.12 "Programa para la activación de variador de frecuencia fase 2”


96

4.3 Diseño de la planta piloto con sus partes principales

La figura 4.13 representa el diseño de las partes principales del prototipo, conformada

por: estructura de metal, motor con flecha, tanque de mezclado, dosificadores tipo

tornillos sin fin, válvula de descarga y bomba sumergible.

Figura 4.13 "Diseño en SolidWorks de las partes principales de prototipo”


97

4.3.1 Estructura de metal

En la figura 4.14 se muestran las medidas en milímetros de la estructura del prototip.

En la figura 4.15 se presenta el diseño de la estructura de metal, el cual es de suma

importancia ya que es donde se monta el tanque mezclador, el motor de C.A. con su

respectivo acople de brida y su flecha, los dosificadores tornillos sin fin, los motores de

C.D., la resistencia de inmersión y el sensor de temperatura.

Figura 4.14 "Dimensiones en milímetros

de la estructura de soporte del tanque

agitador y dosificadores”

Figura 4.15 "Estructura de soporte de

tanque agitador y dosificadores”


98

4.3.2 Motor con flecha

En la figura 4.16 se muestra un motor de

0.5 HP a 220 VCA. Este motor con su

flecha es el encargado de mezclar todos

los ingredientes para la elaboración de la

pintura en el proceso.

Figura 4.16 " Motor con mezclador”

4.3.3 Tanque de mezclado

Recipiente en donde se lleva a cabo la

extracción de la resina de nopal y

posteriormente la mezcla de los

ingredientes para la elaboración de la

pintura bajo la regulación de una

temperatura controlada.

Figura 4.17 "Tanque de mezclado”


99

4.3.4 Dosificadores tipo tornillo sin fin

Estos dosificadores tornillos sin fin son los encargados de suministrar al proceso el

Dióxido de Titanio y el Caolín. Cada uno está constituido por un tornillo sin fin que va

colocado dentro de un tubo de PVC, para el movimiento circular del tornillo va

acoplado un motor de CD a una fuente de alimentación de 20V. En la parte superior

del tubo de PVC se acopla un embudo en donde se depositan los polvos a transportar.

Figura 4.18 "Dosificador tornillo sin fin”

Figura 4.19 "Tornillo sin fin para el transporte de Caolín y Dióxido de Titanio”


100

4.3.5 Válvula de descarga

La válvula de descarga está instalada en

la parte inferior del mezclador el cual está

conformado por un motorreductor

acoplado con una válvula de globo de una

pulgada de diámetro como se muestra en

la figura 4.20. La función de ésta es

realizar la apertura y el cierre de la misma

para la descarga de la pintura.

Figura 4.20 " Válvula de descarga

acoplado a motorreductor para su

accionamiento automático”

4.3.6 Bomba sumergible

La función de la bomba sumergible es

suministrar agua el tanque de mezclado

con una relación de tiempo por cada litro

de agua.

Figura 4.21 "Bomba de agua sumergible”


101

4.3.7 Sistema para la fabricación de pintura

La figura 4.22 muestra la ubicación en simulación del tablero de control, el tanque

mezclador y el operario.

Figura 4.22 “Integración del sistema con operario al mando”

4.4 Puesta en marcha del proceso y análisis de resultados

4.4.1 Tablero de control

Desde el tablero de control se manipula el arranque y paro del sistema mediante una

botonera, se visualiza el estado del sistema mediante tres luces indicadoras: luz roja-

sistema en paro, luz verde sistema en marcha, luz ámbar-sistema en espera. Dicha

botonera cuenta con una llave de arranque que debe ser introducida para iniciar el

proceso, de ésta manera sólo se autoriza el mando al personal autorizado.

En el tablero de control se cuenta además con el PLC, el variador de velocidad y el

PCB del acondicionamiento de señal del LM35. La figura 4.23 muestra el tablero de

control.


102

Figura 4.23 “Tablero de control”

Nota:

Cabe resaltar que tanto el módulo de control como el variador de velocidad deberían

estar colocados dentro de un gabinete metálico, con la finalidad de aislarlos del

alcance de cualquier persona, así como protegerlos contra la intemperie, sin embargo,

por falta de presupuesto no fue posible adquirirlo, por ello se dispusieron como se

observa en la figura 4.23, además de que es más práctico y cómodo.

4.4.2 Tanque mezclador

En la figura 4.24 se observa el tanque mezclador con los dosificadores de caolín y

dióxido de titanio y el depósito para el suministro de agua.


103

Figura 4.24 “Tanque mezclador y dosificadores”

Proceso de elaboración semiautomática de pintura

Para comenzar con la elaboración de la pintura, se recolectan las pencas de nopal

(tantas como pintura se desee elaborar), se despinan y se cortan en cubos de 2x2cm.

Posteriormente se agregan al tanque de mezclado.

Figura 4.25 “Introducción de los cubos de nopal al tanque de mezclado”

Fase 1 – Arranque de proceso

Para comenzar con el proceso, hay que introducir la llave, girarla y pulsar el botón de

arranque, en este momento comienza el suministro de agua al tanque en la medida

adecuada como se observa en la figura 4.26.

Figura 4.26 “Suministro de agua al tanque”

Fase 2 – Calentamiento de mezcla agua-nopal y control de temperatura

En ésta etapa comienza el calentamiento de la mezcla para la extracción de la resina

de nopal, a través de la resistencia eléctrica y el accionamiento del agitador a una


104

frecuencia de 20Hz. para homogeneizar la temperatura en todo el tanque, a la vez que

se controla la temperatura en el rango de 78-82°C.

Figura 4.27 “Extracción de resina de nopal”

Para comprobar el control de la temperatura dentro del rango de 78 a 82°C en el

tanque de mezclado, se tomaron una serie de lecturas cada 3 minutos. Dichas tomas

se realizaron para la elaboración aproximada de 10L de pintura (6Kg. de nopal-6.7L de

agua), los datos obtenidos se registraron en la tabla 4.1

Tabla 4.1 "Lecturas de temperatura para comprobar el control ON/OFF”

Tiempo (min) Temperatura (°C)

0 17.8

3 19.3

6 21.6

9 25.2

12 41.9

15 50.1

18 54.9

21 58.7

24 67.4


105

27 70.4

30 71.2

33 74.6

36 76.6

39 80.2

42 82.5

45 80.4

48 78

51 80.2

54 82.5

57 80.1

60 77.9

63 81.6

66 77.9

69 81.6

72 82.6

75 80.7

78 81.1

81 78.8

84 80.5

87 78

90 81.4

93 82.5

96 79.3

99 78.2

102 81.3

Los datos registrados de temperatura fueron tratados para su representación gráfica,

el perfil de comportamiento de dicha variable en el tiempo se muestra en la figura 4.28


106

Figura 4.28 “Comportamiento de temperatura de mezcla de nopal-agua en el tiempo”

Fase 3 – Extracción manual de los residuos de nopales del tanque y obtención

de resina

Una vez concluído el proceso de calentamiento durante una hora, se procede a extraer

los residuos de nopal del tanque con ayuda de una malla de tamiz fino, de ésta

manera se filtra la resina para su posterior mezcla con los demás componentes.

Figura 4.29 “Extracción manual de los residuos de nopal”

Fase 4 – Dosificación de dióxido de titanio, caolín y proceso de mezclado

Posteriormente, para el proceso de mezclado se acciona el dosificador de caolín al

mismo tiempo que el agitador está en funcionamiento a una frecuencia de 15Hz. Una

vez que ha terminado de suministrarse el caolín, se procede a accionar el dosificador

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100

Tem

per

atu

ra °

C

Tiempo (min)

Comportamiento Temperatura


107

de dióxido de titanio con el agitador accionado. De ésta manera se incorporar todos los

ingredientes, obteniendo una mezcla homogénea. En la figura 4.30 se puede observar

tal descripción.

Figura 4.30 “Dosificación de dióxido de titanio y caolín”

Se realizaron 15 pruebas experimentales para caracterizar la dosificación de cada

tornillo sinfín y con ello obtener un promedio de gramaje/tiempo y el margen de error

de cada uno de ellos. Cada prueba tuvo una duración de 1 minuto.

Tabla 4.31 “Caracterización de dosificadores”

Número de prueba Dióxido de titanio

(g)

Caolín (g)

1 116 145

2 115 138

3 109 158

4 118 152

5 125 157

6 121 145

7 120 162

8 122 150

9 129 139


108

10 108 151

11 112 160

12 115 148

13 123 150

14 120 152

15 117 139

Media 118 150

Margen de error de dosificador de dióxido de titanio: ±9%

Margen de error de dosificador de caolín: ±6%

Dosificación de caolín

Por cada minuto se dosifican 150g.±6%

Dosificación de diódxido de titanio

Por cada minuto se dosifican 118g.±9%

Los porcentajes de error se obtuvieron al realizar 15 pruebas en cada uno de los

dosificadores.

Fase 5 – Descarga de pintura

Ya que ha concluído el proceso de mezclado, se acciona la apertura de la válvula para

la descarga de la pintura en algún recipiente. La válvula se cierra cuando se ha

vaciado el tanque.


109

Figura 4.32 “Descarga de la pintura”

CAPÍTULO 5 Análisis costo-beneficio

Descripción breve

En este capítulo se realiza un análisis costo-beneficio del

proyecto, así como un análisis de retorno de inversión.

Capítulo 5: Análisis costo-beneficio

111

5.1 Tabla de costos

A continuación, se presenta un análisis de preciosos unitarios para la elaboración del

proyecto, así como la mano de obra necesaria para la elaboración del mismo.

Tabla 5.1 “Costos y mano de obra”

PINTURAS JJC S.A. DE C.V.

Cliente:

Concurso No. LICITACIÓN

Duración: 0 días naturales

Obra: Elaboración de una Máquina de Pintura Fecha: 15/05/2016

Inicio Obra: -

Fin Obra: -

DOCUMENTO

Lugar: CIUDAD DE MÉXICO, Distrito Federal

ANALISIS DE PRECIOS UNITARIOS

Código Concepto Unidad

P. Unitario

Op. Cantidad Importe %

Partida: Tablero Análisis No.: 10

Análisis: 01

PZA 1.0000 $21,379.29

Tablero de control para control del sistema, programado por PLC. El precio incluye materiales, acarreos, conexiones, herramienta y mano de obra.

MATERIALES

PLC "PLC Logo! 12/24 RCE "

PZA $2,262.07 * 1.000000 $2262.07 13.40%

MOD Módulo de ampliación Logo! DM8 12/24R PZA $1,174.83 * 1.000000 $1174.83 6.96%

CAN Canaleta 25x40mm PVC PZA $54.57 * 1.000000 $54.57 0.32%

CLE Clema Paso 2.5mm 26 - 12 AWG PZA $6.60 * 30.000000 $198.00 1.17%

LAMR Lámpara LED 16mm 110-220 VCA Roja PZA $25.00 * 1.000000 $25.00 0.15%

LAMV Lámpara LED 16mm 110-220 VCA Verde PZA $25.00 * 1.000000 $25.00 0.15%

LAMA Lámpara LED 16mm 110-220 VCA Amarilla PZA $25.00 * 1.000000 $25.00 0.15%

CLE20 Clema Portafusibles Americano 20 - 8 AWG PZA $37.82 * 2.000000 $75.64 0.45%

C Caja estancia 220X170X80 Solera PZA $144.08 * 1.000000 $144.08 0.85%

RI Riel Din Galvanico 35x7,5/LL 1m PZA $28.00 * 2.000000 $56.00 0.33%

PEG Pegamento PZA $107.91 * 1.000000 $107.91 0.64%

TO Tope Final P/Clema PZA $4.57 * 4.000000 $18.28 0.11%

TOP Tope Final Riel Din PZA $4.50 * 4.000000 $18.00 0.11%

CLE10 Clema Tierra 4mm 22 - 10 AWG PZA $22.00 * 2.000000 $44.00 0.26%

FUS Fusible 3 Ampers PZA $5.00 * 2.000000 $10.00 0.06%

CABR Cable 18 AWG Rojo m $1.54 * 70.000000 $107.80 0.64%

CABB Cable 18 AWG Blanco m $1.54 * 50.000000 $77.00 0.46%


112

ZA Zapatas PZA $1.10 * 30.000000 $33.00 0.20%

GAB Gabinete Caja de Madera 400x400x80 mm PZA $100.00 * 1.000000 $100.00 0.59%

BOT Botón de arranque Verde NA 127 V CA 5 A PZA $83.00 * 1.000000 $83.00 0.49%

BOT A Botón de paro Rojo NC 127 CA 5 A PZA $83.00 * 1.000000 $83.00 0.49%

BOT V Botón Verde con luz indicadora 127 V CA PZA $92.40 * 1.000000 $92.40 0.55%

CON Contactores Telemecanique LC1 D09 10 PZA $580.00 * 2.000000 $1160.00 6.87%

CON GAV Contactores Carlo Gavazzi CGC-9A PZA $470.00 * 1.000000 $470.00 2.79%

PAS Pastilla Termomagnetica ABB 120 VCA 20 A PZA $198.00 * 2.000000 $396.00 2.35%

TRM Termofit 1m 1/8 PZA $6.50 * 1.000000 $6.50 0.04%

TERM Termofit 1m 1/16 PZA $3.50 * 1.000000 $3.50 0.02%

LM LM 386 - 1 PZA $18.00 * 1.000000 $18.00 0.11%

RES 1 Resistencia 1 kohm 0.6 W PZA $0.40 * 2.000000 $0.80 0.00%

RES 10 Resistencia 10 kohm 0.6 W PZA $0.40 * 2.000000 $0.80 0.00%

RES 100 Resistencia 100 Ohms 0.6 W PZA $0.40 * 1.000000 $0.40 0.00%

PLA Placa fenólica 50x50 mm PZA $6.00 * 1.000000 $6.00 0.04%

BOR Bornera 2 pines PZA $6.00 * 3.000000 $18.00 0.11%

SEN Sensor LM35 PZA $26.50 * 1.000000 $26.50 0.16%

RE Relé Carlo Gavazzi RCP8 602 10A PZA $130.00 * 1.000000 $130.00 0.77%

LLA Llave de seguridad 120 V CA 5 A PZA $286.00 * 1.000000 $286.00 1.69%

MOT Motorreductor 20 V DC 1 A PZA $60.00 * 2.000000 $120.00 0.71%

F20V Fuente de 20 V DC PZA $250.00 * 1.000000 $250.00 1.48%

F24V Fuente 24 V DC Unitronics PZA $570.00 * 1.000000 $570.00 3.38%

RES 2 Resistencia Eléctrica 2 KW a 120 VCA PZA $80.00 * 1.000000 $80.00 0.47%

MOT 13 Motorreductor 13VDC PZA $200.00 * 1.000000 $200.00 1.19%

CABL Cable UTP categoría 5 RJ45 m $14.00 * 1.000000 $14.00 0.08%

FDC Fin de carrera LS-Titan DIN Moeller PZA $300.00 * 2.000000 $600.00 3.56%

BOMB Bomba sumergible Modelo WP 950 PZA $435.00 * 1.000000 $435.00 2.58%

MOT TR Motor trifásico ASEA 1680 rpm 2.2 A 0.5 HP PZA $950.00 * 1.000000 $950.00 5.63%

N3 N3 Inverter Series TECO Drive 3 HP PZA $4,500.00 * 1.000000 $4500.00 26.66%

SUBTOTAL: MATERIALES

$15056.08 89.21%

MANO DE OBRA

TEC ELEC Técnico Especializado Electricista jor $350.00 * 4.000000 $1400.00 8.30%

SUBTOTAL: MANO DE OBRA

$1400.00 8.30%

EQUIPO Y HERRAMIENTA

Herr Herramienta % $1,400.00 * 0.300000 $420.00 2.49%

SUBTOTAL: EQUIPO Y HERRAMIENTA

$420.00 2.49%

(CD) Costo directo

$16,876.08 100.00%

(CI) INDIRECTOS 15.0000% $2,531.41

SUBTOTAL1 $19,407.49

(CF) FINANCIAMIENTO 2.0000% $388.15

SUBTOTAL2 $19,795.64

(CU) UTILIDAD 8.0000% $1,583.65

PRECIO UNITARIO (CD+CI+CF+CU)

$21,379.29

(* VEINTIUN MIL TRESCIENTOS SETENTA Y NUEVE PESOS 29/100 M.N. *)

Partida: Base Análisis No.: 10

Análisis: BAS02

PZA 1.0000 $1,726.08

Base de madera Triplay de 2 x 3m. El precio incluye, materiales, mano de obra, cortes, acarreos y herramienta.


113

MATERIALES

tri Hoja de madera triplay de 30 mm de espesor m2 $400.00 * 3.000000 $1200.00 88.07%


$1200.00 88.07%

MANO DE OBRA

car Oficial Carpintero jor $250.00 * 0.500000 $125.00 9.17%


$125.00 9.17%


Herr Herramienta % $125.00 * 0.300000 $37.50 2.75%


$37.50 2.75%

(CD) Costo directo

$1,362.50 100.00%

(CI) INDIRECTOS 15.0000% $204.38

SUBTOTAL1 $1,566.88


SUBTOTAL2 $1,598.22

(CU) UTILIDAD 8.0000% $127.86


$1,726.08

(* UN MIL SETECIENTOS VEINTISEIS PESOS 08/100 M.N. *)

Partida: Estructura Análisis No.: 10

Análisis: EST 03

PZA 1.0000 $3,658.52

Estructura a base de ángulos de herrería de 3/4" y soleras de 1'' soldados con soldadura de electrodo. El precio incluye materiales, acarreos, cortes, habilitado, armado, soldado, herramienta y mano de obra.

MATERIALES

BOL Bolsa de 100 cinchos 15 cm PZA $18.00 * 1.000000 $18.00 0.62%

TORN Tornillos Pzas $0.50 * 20.000000 $10.00 0.35%

TUER Tuercas Pzas $0.50 * 10.000000 $5.00 0.17%

ROND Rondanas Pzas $0.50 * 10.000000 $5.00 0.17%

CONT Cinta de Aislar Pzas $10.50 * 2.000000 $21.00 0.73%

PINT Pintura Aerosol Pzas $30.00 * 3.000000 $90.00 3.12%

SOL E Soldadura Elecrodo Kg $70.00 * 1.000000 $70.00 2.42%

SOL ES Soldadura de estaño m $5.00 * 2.000000 $10.00 0.35%

PA Pasta PZA $10.00 * 1.000000 $10.00 0.35%

ANG Ángulo de 3/4 pulg. m $42.00 * 5.000000 $210.00 7.27%

PIJ Pijas de madera 1 pulg. Pzas $0.50 * 30.000000 $15.00 0.52%

ABRA Abrazadera tipo omega de 3/4 pulg. PZA $3.00 * 1.000000 $3.00 0.10%

ANG 1 ángulo 1 pulg. m $90.00 * 3.000000 $270.00 9.35%

SOL 1 Solera 1 Pulg. m $40.00 * 2.000000 $80.00 2.77%

RED Redondo de 1/2 pulg. m $50.00 * 2.000000 $100.00 3.46%

KOL KolaLoka PZA $25.00 * 1.000000 $25.00 0.87%

PLAS Plastiloca PZA $19.00 * 1.000000 $19.00 0.66%

PEG Pegamento PZA $107.91 * 1.000000 $107.91 3.74%

BIC Bicarbonato PZA $4.00 * 1.000000 $4.00 0.14%

SIL Silicón Frío para PVC PZA $30.00 * 1.000000 $30.00 1.04%

PEG PVC Pegamento para PVC PZA $40.00 * 1.000000 $40.00 1.39%

CAO Caolín Coloidal Kg $66.00 * 1.000000 $66.00 2.29%

DIOX Dióxido de Titanio Kg $234.00 * 1.000000 $234.00 8.10%

CLOR Cloruro Ferrico PZA $30.00 * 1.000000 $30.00 1.04%


114


$1472.91 51.00%

MANO DE OBRA

OFHERR Oficial Herrero jor $350.00 * 1.000000 $350.00 12.12%


$350.00 12.12%


Herr Herramienta % $350.00 * 0.300000 $105.00 3.64%

PS Planta de Soldar HR $120.00 * 8.000000 $960.00 33.24%


$1065.00 36.88%

(CD) Costo directo

$2,887.91 100.00%

(CI) INDIRECTOS 15.0000% $433.19

SUBTOTAL1 $3,321.10


SUBTOTAL2 $3,387.52

(CU) UTILIDAD 8.0000% $271.00


$3,658.52

(* TRES MIL SEISCIENTOS CINCUENTA Y OCHO PESOS 52/100 M.N. *)

Partida: Armado y Programaci Análisis No.: 10

Análisis: ARM 04

PZA 1.0000 $5,130.70

Armado por medios manuales y programado a base de softwares LOGO! SIEMENS y Labview. El precio incluye colocación, armado, pruebas de calidad, mano de obra y herramienta.

MANO DE OBRA

ING Ingeniero de Control y Automatización jor $450.00 * 9.000000 $4050.00 100.00%


$4050.00 100.00%

(CD) Costo directo

$4,050.00 100.00%

(CI) INDIRECTOS 15.0000% $607.50

SUBTOTAL1 $4,657.50


SUBTOTAL2 $4,750.65

(CU) UTILIDAD 8.0000% $380.05


$5,130.70

(* CINCO MIL CIENTO TREINTA PESOS 70/100 M.N. *)

TOTAL

$31,894.59

Como se muestra en la tabla 5.1 el costo total para la elaboración de una planta piloto

es de $31,849.59 MXN, en un tiempo aproximado de 3 semanas para su elaboración y

una jornada de 8 horas diarias de lunes a viernes.


115

5.2 Fijación de precios

Como toda venta de proyecto, el comprador espera obtener un margen de ganancia

sobre la inversión. La única manera en la que el emprendedor puede recuperar su

inversión y obtener ganancias es con la venta de la pintura al mercado, para ello se

fijará un precio de venta.

Existen diferentes elementos que se integran para la asignación de precios de un

producto o servicio, tales como:

Factores internos: Cantidad, coste, precios, beneficios que se fijan, medios de

producción.

Factores externos: Mercado, promoción, tipo de clientes, zonas geográficas,

canales de distribución.

Algunas de las estrategias generales para fijar precios son:

a) Fijación de precios basada en el costo

- Fijación de precios de costo más margen: es uno de los métodos más

simples, consiste en sumar un sobreprecio estándar al costo del producto.

- Fijación de precios por utilidades meta: consiste en fijar un precio con el fin

de obtener cierta utilidad que es establecida como meta u objetivo.

b) Fijación de precios basada en la competencia

Los consumidores basan sus juicios acerca del valor de un producto en los

productos que los diferentes competidores cobran por productos similares.

- Fijación de precios de tasa vigente: consiste en fijar el precio siguiendo los

valores actuales de los demás competidores, sin basarse en los costos o en

la demanda. Es una estrategia popular cuando la elasticidad de la demanda

es difícil de medir. Se evitan guerras de precios.

- Fijación de precios por licitación sellada: se utiliza cuando las compañías

licitan para obtener contratos, y basan sus precios en el precio que se cree

establecerán sus competidores a la licitación.

c) Fijación de precios basada en el valor

Esta estrategia basa su precio en la percepción que los clientes tienen sobre el

producto y no en el costo del mismo. Esto implica que la compañía no puede

diseñar un producto y un programa de marketing y luego establecer el precio,

sino que el precio se considere junto con las otras variables de la mezcla de

marketing antes de establecer el programa de marketing.

Fijación de precios basada en el costo


116

De las estrategias mencionadas anteriormente la que se decidió implementar es la de

“Fijación de precios de costo más margen”, ya que éste sistema ignora los precios de

los competidores, la demanda actual y el valor que los consumidores asignan al

producto, además del valor percibido.

5.2.1 Fijación de precio para venta de pintura

Suponiendo que el emprendedor elabora pintura ecológica con las siguientes

cantidades de ingredientes para la obtención 10 litros de pintura.

Tabla 5.2 “Costo neto de pintura”

Ingrediente Costo

6.000 kg de nopal opuntia ficus indica $12.00

0.720 kg de caolín $47.52

0.240 kg de $56.16

Costo neto de pintura $115.68

Considerando que la pintura sea envasada en botes con tapa con las siguientes

características:

Capacidad: 10 litros.

Dimensiones: 24 centímetros (diámetro de la boca) y 24 centímetros

(altura).

Composición:

PEAO (Polietileno de alta densidad) 65050 y PEBO

(Polietileno de baja densidad) 17070, cumpliendo con las

normas y lineamientos para contener alimentos ya que está

compuesta de material virgen.

El costo del envase es $24.00

Por lo tanto, el costo TOTAL del producto terminado es de: $ 139.68 MXN

Se desea obtener un margen de ganancia del 40%, por lo tanto, el precio final de

venta del producto al consumidor es de: $ 195.55


117

Nota: Para la fijación del precio de la venta de la pintura no se están

considerando los costos indirectos, tales como:

- Gastos de transporte

- Electricidad

- Servicio de agua

- Renta del local

- Mano de obra del operador, entre otros.

Nota 2: Los precios de los insumos son variables así que el precio puede sufrir

modificaciones.

5.3 Retorno de la inversión

Se desea tener una ganancia del 50% sobre el costo total de la fabricación de la planta

piloto, por lo tanto, el precio final será de: $47,841.88 MXN al consumidor. Por lo tanto,

para recuperar el precio de la inversión inicial sobre la planta se realiza el siguiente

análisis.

Utilidad por cada bote de pintura.

Considerando que se venden 80 botes de pintura al mes se tiene lo siguiente con un

margen de variancia del 10 % en la venta de la pintura mensualmente.

Utilidad por 80 botes de pintura al mes.

El Retorno de la Inversión (ROI) será de 9.34 % al mes con un margen de variancia

del 10% sobre la ROI.

Número de meses para el retorno de la inversión.


118

Se concluye que, para recuperar la inversión de la planta piloto, se deben de vender

un aproximado de 856 botes de pintura en un periodo de 10.7 meses.

Conclusiones

119

Conclusiones

Durante la realización de este proyecto se implementó un prototipo semiautomático

para la elaboración de una pintura ecológica a base de baba de nopal.

Dicho prototipo estandarizó la obtención de las resinas de nopal a través de la

implementación de un control en lazo cerrado tipo ON/OFF con histéresis, el cual

reguló la temperatura de la mezcla agua-nopal en un rango de 78 a 82°C durante una

hora, de ésta manera se obtuvo el mayor rendimiento de extracción de baba de nopal.

Asimismo, se redujo el tiempo de obtención de la resina de 24 horas, como se

realizaba de manera manual, a 1 hora con 40 minutos aproximadamente, para una

producción de 10L de pintura (relación 1kg. de nopal por 1.1L de agua). Sin embargo,

éste tiempo puede variar en función de la cantidad de pintura que se desee fabricar,

así como de las condiciones medio ambientales.

En cuanto al sistema de dosificación de tornillo sin fin se obtuvo un error del ±9% con

el dóxido de titanio y un error de ±6% con el caolín, dicho margen de error no afecta la

calidad de la pintura, debido a la naturaleza del producto.

Con este proceso se logra también aprovechar las pencas de nopal que son

regularmente tratadas como desecho, debido a la poda cotidiana que se le realiza a

los nopales tuneros, dándole a estos un uso para la elaboración de una pintura

ecológica, económica y accesible a cualquier sector de la población.

Finalmente, la pintura a base de nopal se adecua para la aplicación en superficies

porosas, como madera, piedra, muros y concreto, siendo susceptible a degradación si

se expone a condiciones de lluvia y alta humedad. Cabe mencionar, que pese a sus

limitaciones, la fabricación de ésta pintura es económica, en comparación con otras

pinturas convencionales comerciales y puede ser utilizada de igual manera como

medio decorativo y protección de superficies en interiores.

Recomendaciones y trabajos futuros

120

Recomendaciones y trabajos futuros

Como se pudo observar durante la realización de este trabajo, el proceso para la

elaboración de pintura de nopal está limitado. Se propuso una semi automatización, ya

que una completa automatización implicaba más inversión de recursos materiales y

económicos, así como de un lapso de tiempo mayor para su fabricación.

Una fase importante que se podría automatizar sería la limpieza de espinas de las

pencas, así como su corte en cubos, reduciendo aún más el tiempo total del proceso.

Asimismo, como la extracción de los residuos de nopal una vez concluido el proceso

de extracción de resina.

Una interfaz hombre-máquina puede ser implementada para observar gráficamente las

etapas del proceso y su accionamiento, así como el perfil de temperatura de

calentamiento en una gráfica.

El sensor de temperatura LM35 puede ser sustituido por una sonda sumergible que

aumente la confiablidad de las lecturas de temperatura y resista las condiciones de

proceso.

Para evitar pérdidas de calor al momento del calentamiento de la solución agua-nopal

un aislante térmico puede ser colocado alrededor del tanque agitador. Estos aislantes

pueden ser de diferentes componentes tales como fibra de vidrio, lana mineral, silicato

de calcio, poliuretano, pyrogel, entre otros. Cada uno de ellos tiene un rango de

temperatura específico para cada aplicación.

Anexos

121

Anexos

Ficha técnica de PLC Logo 8! Siemens

Anexos

122

Ficha técnica de módulo de expansión para PLC Logo 8! Siemens

[1] Simply ingenious for small automation tasks, logic module, SIEMENS, pp. 3,5

Anexos

123

Ficha técnica para interruptores final de carrera DIN

[2] LS-Titan Products, pp. 2

Anexos

124

Datasheet de sensor de temperature LM35

Anexos

125

Datasheet de amplificador operacional LM386

Anexos

126

Diagrama de control

Anexos

127

Diagrama de fuerza

Anexos

128

Plano general de conexiones

Anexos

129

Diagrama de Tubería e Instrumentación

Anexos

130

PCB de acondicionamiento de señal

Referencias

131

Referencias [1] ABB. (s.f.). Obtenido de

http://www.abb.com/cawp/seitp202/4295236601eae40ac1257bf6004ad128.aspx

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https://bioagricultura.wordpress.com/2011/06/07/cultivos-de-nopal-en-mexico/

[3] Carbonell, J. C. (2009). Pinturas y recubrimientos: Introducción a su tecnología. Madrid,

España.

[4] Conceptodefinición.de. (s.f.). Obtenido de http://conceptodefinicion.de/temperatura/

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micromorfológicas y estructurales del suelo en trigo. Montecillo, Texcoco, Estado de

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servicios/pesaje-continuo-y-dosificacion/sinfin-dosificador/

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de-nopal#.Vz5CLvnhCUl

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Referencias

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[18] Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación

(SAGARPA). (s.f.). Obtenido de

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[19] Solé, A. C. (2011). Instrumentación Industrial. Barcelona, España: Alfaomega Grupo

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[21] Villaseñor, M. A. (2008). Efecto del método de extracción en las características

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aplicación como recubrimiento comestible. Valencia.

instituto politécnico nacional escuela superior de ingeniería ......4.3.7 sistema para la...

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