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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA

PROPUESTA DE AUTOMATIZACIÓN DEL

FERMENTADO, HORNEADO Y EMPAQUETADO DE PAN DULCE

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN

GARCÍA ALVAREZ DIEGO LÓPEZ ALCAZAR AARÓN ALEJANDRO VAZQUEZ GARCÍA RAYMUNDO ELADIO

ASESORES: ING. RICARDO HURTADO RANGEL.

M. EN C. IVONE CECILIA TORRES RODRÍGUEZ.

MEXICO, D.F. ENERO 2015

Propuesta de Automatización del Fermentado, Horneado y

Empaquetado del Pan Dulce

ESIME Zacatenco Página 2

ÍNDICE.

RESUMEN. ............................................................................................................. 7

ANTECEDENTES ................................................................................................... 8

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ................................................................... 9

JUSTIFICACIÓN. ................................................................................................. 10

OBJETIVOS. ........................................................................................................ 12

Objetivo General. .......................................................................................... 12

Objetivos Particulares. ................................................................................... 12

ALCANCE. ........................................................................................................... 13

1 CAPITULO I MARCO TEÓRICO. .................................................................. 14

1.1 ESTADO DEL ARTE. .............................................................................. 15

1.1.1 Orígenes y evolución del pan ........................................................... 15

2 CAPÍTULO II PROCESO DE ELABORACIÓN DE PAN. ................................ 19

2.1 PROCESO GENERAL DE ELABORACIÓN DE PAN. ............................ 20

2.1.1 Elaboración de la masa, el horneado y el empaquetado. ................. 20

2.1.2 Procesos de panificación. ................................................................. 22

2.1.3 Métodos de elaboración del pan. ...................................................... 24

2.1.4 Principales ingredientes y su funcionalidad. ..................................... 27

2.2 ELABORACIÓN DE PAN EN EL PROCESO ACTUAL. .......................... 34

2.2.1 Recepción y Almacenamiento. ......................................................... 36

2.2.2 Pesado de los Ingredientes. ............................................................. 36

2.2.3 Mezclado de las materias primas. .................................................... 37

2.2.4 Cortado de la Masa. ......................................................................... 38

2.2.5 Moldeado de la masa. ...................................................................... 40

2.2.6 Fermentación. .................................................................................. 41

2.2.7 Horneado. ........................................................................................ 43

2.2.8 Enfriado. ........................................................................................... 45

2.2.9 Empaquetado. .................................................................................. 46

3 CAPÍTULO III MEDICIÓN DE VARIABLES EN ETAPAS DE FERMENTADO

HORNEADO Y EMPAQUETADO. ........................................................................ 47

3.1 CUARTO DE FERMENTACIÓN. ............................................................ 48

3.1.1 Variables que intervienen en la Fermentación. ................................. 48

3.1.2 Instrumentación en el Fermentado. .................................................. 55

3.1.3 Elementos para automatizar la Temperatura y Humedad. ................ 59




3.2 HORNEADO. .......................................................................................... 64

3.2.1 Variables que intervienen en el Horneado. ....................................... 64

3.2.2 Instrumentación en el Horneado. ...................................................... 65

3.2.3 Automatización del Flujo de gas en el Horno. ................................... 74

3.2.4 Movimiento de Columpios en el Horno. ............................................ 78

3.3 EMPAQUETADO. ................................................................................... 82

3.3.1 Variables que intervienen en el Empaquetado.................................. 82

3.3.2 Dispositivos Electrónicos requeridos en la Selladora. ....................... 89

3.4 SELECCIÓN DEL CONTROLADOR. ...................................................... 91

4 CAPÍTULO IV INTEGRACIÓN DEL SISTEMA PARA CONTROL DE VARIABLES.

95

4.1 INTEGRACIÓN DE ELEMENTOS. ......................................................... 96

4.1.1 DTI del Cuarto de Fermentación....................................................... 96

4.1.2 DTI del proceso de Horneado. .......................................................... 99

4.2 Configuración para el PLC. ................................................................... 102

4.2.1 Configuración del Software. ............................................................ 102

4.2.2 Escalamiento de Unidades. ............................................................ 104

4.2.3 Manipulación del Movimiento de los Columpios dentro del Horno. . 106

4.2.4 Automatización de Temperatura y Humedad en el Fermentado. .... 109

4.2.5 Manipulación de la Temperatura en el Sellado. .............................. 111

4.3 DISEÑO DE LA HMI. ............................................................................ 114

4.3.1 Comunicación entre el PLC y la HMI. ............................................. 115

4.3.2 HMI del proceso de Horneado. ....................................................... 118

4.3.3 HMI del proceso de Fermentado. ................................................... 120

4.4 SIMULACIÓN. ...................................................................................... 121

4.4.1 Simulación en el fermentado. ......................................................... 123

4.4.2 Simulación en el horneado. ............................................................ 124

5 CAPITULO V COSTO DEL PROYECTO ...................................................... 129

5.1 COSTOS DEL EQUIPO EMPLEADO. .................................................. 130

5.1.1 Costo de la instrumentación. .......................................................... 130

5.1.2 Costo del controlador. .................................................................... 132

5.1.3 Costo del material eléctrico y electrónico. ....................................... 133

5.1.4 Costo de Ingeniería, Instalación y Puesta en Marcha. .................... 134

5.2 COSTO TOTAL..................................................................................... 135




5.3 VIABILIDAD DEL PROYECTO Y TIEMPO DE RETORNO. .................. 136

CONCLUSIONES. .............................................................................................. 137

FUENTES BIBLIOGRÁFICAS............................................................................. 139

GLOSARIO. ........................................................................................................ 140

APENDICE. ........................................................................................................ 144

INDICE DE FIGURAS. Figura 1.1 Figura 1.2

Venta del pan mediante un mostrador………………………………..….17 Estantes de pan……………………………………………………………...18

Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 2.7 Figura 2.8 Figura 2.9 Figura 2.10 Figura 2.11 Figura 2.12 Figura 2.13 Figura 2.14

Moldeado manual del pan…………………………………………………..20 Apariencia del pan después del horneado……………………………….21 La fermentación aumenta el volumen de la masa……………………….22 Masa pastelera (consistencia semilíquida)……………………………….24 Color y textura de la harina de trigo para pan……………………………29 Presentaciones de la levadura……………………………………………..31 Textura de la Manteca (grasa) utilizada en la elaboración de pan…….33 Plano de distribución de áreas de la panificadora………………………34 Diagrama de bloques del proceso de elaboración de pan…………….35 Diagrama de flujo del proceso de elaboración de pan…………………35 Cortadora de Palanca………………………………………………….…….39 Masa Moldeada………………………………………………………….……41 Horno de tipo columpios. Vista frontal, interior y del sistema de transmisión de movimiento……………………………………44 Selladora manual de bolsas………………………………………….……..46

Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7 Figura 3.8 Figura 3.9 Figura 3.10 Figura 3.11 Figura 3.12 Figura 3.13

Factores que afectan a la velocidad de fermentación, en el proceso actual…………………………………………………………….…..48 Gráfica de relación Temperatura – Tiempo, en la Fermentación….……49 Gráfica Psicométrica, humedad en el Aire………………….…………….52 Cámara de Fermentación…………………………………………….……...53 Modelo HMT de JMIndustrial………………………………………….…….56 Modelo HygroFlex de Rotronic………………………………………….….56 Calefactor Radiante Eléctrico………………………………………….……60 Humidificador por atomización MCR15……………………………….…...63 Diagrama de bloques del Proceso de Horneado…………………….…..64 Termopar JMI 102……………………………………………………………70 Transmisor de Temperatura SEM 1500/TC………………………….……74 Válvula de Control Samson………………………………………….……..77 Corte de la Vista Lateral Derecha del Horno del Columpios……..……78




Figura 3.14 Figura 3.15 Figura 3.16 Figura 3.17 Figura 3.18 Figura 3.19 Figura 3.20 Figura 3.21 Figura 3.22 Figura 3.23 Figura 3.24

Contactor LC1-K1210…………………………………………………….....80 Relevador LR2-K0316 tripolar………………………………………………81 Selladora de bolsas (circuito eléctrico)…………………………………..83 Circuito Eléctrico para análisis de mallas………………………………..85 Comportamiento de la corriente…………………………………………..86 Circuito Recortador de Onda……………………………………………...87 Voltaje vs Tiempo en el disparo del Diac………………………………..89 TRIAC 2N6071A………………………………………………………….…90 Diac DC34……………………………………………………………….…..91 Capacitor de poliester 224k……………………………………………….91 Vista Frontal de un PLC SLC500 de Allen Bradley……………………..94

Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6 Figura 4.7 Figura 4.8 Figura 4.9 Figura 4.10 Figura 4.11 Figura 4.12 Figura 4.13 Figura 4.14 Figura 4.15 Figura 4.16 Figura 4.17 Figura 4.18 Figura 4.19 Figura 4.20 Figura 4.21 Figura 4.22 Figura 4.23 Figura 4.24 Figura 4.25 Figura 4.26 Figura 4.27 Figura 4.28

DTI del Cuarto de fermentado…………………………………………….97 Interconexión de la instrumentación en el cuarto de Fermentado…… ……………………………………..………………………………………….98 DTI del Proceso de Horneado…………………………………………….99 Interconexión de la instrumentación y el elemento de control en el horneado……………………………………………………………...100 Diagrama de fuerza para el arranque, paro e inversión de giro del motor eléctrico………………………………………………………….101 Configuración Tarjetas Entradas y Salidas……………………………...102 Creación de un nuevo Program File en RSLogix500…………………..104 Diagrama Escalera de la manipulación del Movimiento de los Columpios …………………………………………………………………………..…….108 Diagrama Escalera de la etapa de Fermentado………………………...110 Diagrama electrónico para simulación…………………………………...111 Forma de onda medida en Multisim……………………………………...112 Circuito eléctrico armado en protoboard…………………………………112 Medición de la onda recortada con un osciloscopio……………………113 Vista de los paneles frontales y diagrama de bloques de LabVIEW…114 Creación de un Topic a partir de RSLinx OPC Server…………………116 Dirección local de los datos utilizados por el PLC………………………117 Comunicación entre LabVIEW y RSLogix500…………………………..115 Panel de programación de bloques en LabVIEW………………………119 HMI del movimiento de Columpios y Temperatura de Horneado……119 Diagrama de bloques en LabVIEW del Fermentado…………………...120 HMI del proceso de Fermentado………………………………………….121 Creación del Archivo de Emulación………………………………………122 Subrutina para mover I/0 a Bits…………………………………………..123 Programación de la HMI para simulación del fermentado……………..124 Programación de la HMI para simulación del horneado……………….125 Selección del OPC Client………………………………………………….126 Direccionamiento con OPC Read………………………………………...127 Envío de datos entre RSLogix500 y Matlab……………………………..127




Figura 4.29 HMI de la Simulación de la manipulación de Temperatura……………..128 INDICE DE TABLAS. Tabla 2.1 Tabla 2.2 Tabla 2.3

Ingredientes y Cantidades para las variedades de masas………….…….37 Cantidad total de la masa antes y después del cortado………………….40 Temperaturas y tiempos de horneado………………………………………45

Tabla 3.1 Tabla 3.2 Tabla 3.3 Tabla 3.4 Tabla 3.5 Tabla 3.6 Tabla 3.7 Tabla 3.8 Tabla 3.9 Tabla 3.10 Tabla 3.11 Tabla 3.12 Tabla 3.13 Tabla 3.14

Datos Temperatura vs Tiempo (observados en imagen 3.2)…………….50 Relación de Temperatura y Humedad en un clima cálido al nivel del mar……………………………………………………………………….….52 Comparación entre Cámara y Cuarto de Fermentación…………………..54 Comparación entre equipos de medición de Humedad y Temperatura..57 Comparación entre calefactores radiantes eléctricos…………………….59 Comparación entre Contactores……………………………………………..61 Comparación entre humidificadores…………………………………………62 Comparación de las características RTD vs Termopar…………………...67 Tipos de Termopares………………………………………………………….68 Calibres de la unión bimetálica………………………………………………69 Comparación entre transductores…………………………………………...72 Comparación entre válvulas de control……………………………………..76 Mediciones en la selladora……………………………………………………84 Características entre el PLC SLC500 y S7-1200………………………..…92

Tabla 4.1 Tabla 4.2 Tabla 4.3 Tabla 4.4

Tags usados en el DTI del Fermentado………………………………….....97 Relación entre Setpoint y Unidades de Ingeniería……………………….106 Elementos y Tags en el movimiento del horno …………………………..107 Medición de parámetros en la Selladora…………………………………..113

Tabla 5.1 Tabla 5.2 Tabla 5.3 Tabla 5.4 Tabla 5.5

Costos de instrumentación ………………………………………………….131 Costos para el controlador……………………………………………….….132 Costos de material……………………………………………………….…...133 Costo total del Proyecto……………………………………………………..134 Costo generalizado……………………………………………………….…..135




RESUMEN.

Este proyecto presenta la propuesta de automatización de las etapas de fermentado,

horneado y empaquetado del proceso de elaboración de pan dulce. El principal objetivo

de este trabajo es implementar tecnología de automatización en una panificadora con

11 años de experiencia en el sector alimentario, para mejorar la calidad del producto,

reducir costos, acortar tiempos de proceso, aumentar la producción y disminuir

residuos, lo que reflejará un aumento considerable en las ganancias del negocio.

La automatización realizado en la etapa de fermentado, reflejara dos ventajas

primordiales. La primera es lograr respetar al pie de la letra la receta para la

preparación de la masa, asegurando que el pan tenga el sabor debido. La segunda es

aumentar la velocidad con la que se lleva a cabo este proceso, ya que se podrá realizar

hasta 3 veces más rápido en relación al tiempo promedio que tarda en efectuarse

actualmente.

Para la parte de horneado, simplificar la tarea de introducir y sustraer las charolas del

horno manipulando la posición de estas y en cierto modo el tiempo, y asegurar que

durante esta etapa se tendrá siempre la temperatura exacta necesaria para la correcta

cocción de la masa a pesar de perturbaciones externas, son propuestas detalladas en

este trabajo.

Para la etapa de empaquetado del producto, se eliminara el residuo de bolsas que

pudieran ser mal selladas o quemadas.

Finalmente, se propone la instalación de una interfaz hombre máquina, con la que se

tendrá la opción de manipulación remota y monitorización de las variables de proceso

de las etapas de fermentado y horneado en tiempo real.




ANTECEDENTES.

La propuesta de automatización de este proceso nace a partir de la necesidad de

mejorar la calidad, la higiene y la producción de pan dulce en una pequeña panificadora

familiar ubicada en Ecatepec de Morelos, Estado de México.

Este negocio empezó a operar en noviembre del 2002, contando con un total de 4

panaderos los cuales se encargaban de alcanzar una producción diaria de 1000 piezas

de pan (de 3 variedades diferentes).

En los inicios el local donde se panificaba el producto contaba solamente con 2 hornos

de gaveta con capacidad para 6 charolas cada uno, una batidora industrial, una

mezcladora, una cortadora, 4 espigueros y 150 charolas.

Actualmente la panificadora cuenta con 3 hornos de gaveta, 3 batidoras, 2

mezcladoras, 1 cortadora, 11 espigueros y 500 charolas. La producción ha aumentado

considerablemente a cerca de 4500 piezas de pan diarias (en 15 variedades

diferentes). Este pan es elaborado por un total de 15 panaderos.

La velocidad de producción se ve limitada, pues depende de la cantidad de panaderos

en turno, de sus habilidades con la masa y del tiempo de fermentado. Por lo cual

aumentar la cantidad de piezas producidas significaría contratar más personal, lo que

reflejaría una desventaja económica para el negocio.




PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

La velocidad de producción dentro de la panificadora depende primordialmente de la

rapidez con la que se efectué la fermentación de la masa. El fermentado es la etapa

más larga del proceso de panificación. Esto crea un cuello de botella en la secuencia

del proceso; ya que no importa que tan rápido moldeen la masa los panaderos, puesto

que, deberán esperar a que esta se fermente para poder iniciar la etapa de cocción.

Por otra parte, la calidad del producto terminado, tanto en consistencia, apariencia y

sabor depende totalmente de la temperatura y tiempo de horneado al que se someta la

masa. Establecer estos parámetros no es suficiente, pues en ocasiones se presentan

perturbaciones externas que modifican directamente a la temperatura dentro del horno,

lo que conlleva a que el pan pueda modificar sus características principales, como no

quedar completamente cocido o caso contrario, quemarse.




JUSTIFICACIÓN.

El negocio de la panificación resulta interesante. Las materias primas son de fácil

obtención, el proceso resulta sencillo a comparación de otro tipo de industrias en donde

la complejidad del mismo lo hace costoso en su inversión y/o peligroso para el hombre.

Al ser un alimento sumamente consumido por la sociedad, dedicarse a su elaboración

resulta rentable, ya que existe un gran número de clientes potenciales en cualquier

lado del país. Su venta en la mayoría de los casos se da en “mostrador” en donde el

cliente acude a un lugar específico para hacerse del producto.

En contraparte, competir en este mercado resulta complicado, ya que la clave del éxito

se encuentra totalmente enfocada a la eficiencia del proceso. Acortar el tiempo de la

elaboración, reducir la mano de obra, suprimir los residuos materia prima y aprovechar

al máximo los recursos energéticos son factores que se ven reflejados directamente en

el precio que tendrá el producto. La calidad, la higiene y el sabor son ventajas

importantes para obtener la preferencia de los consumidores.

De acuerdo a las características del proceso, la elaboración de pan se puede dividir en

dos partes, tomando como criterio el área de conocimientos de ingeniería necesarios

para automatizarlo. La primera etapa comprendida por la recepción y mezclado de

ingredientes, la revoltura, el cortado y el moldeado de la masa requiere de

implementación de sistemas mecánicos y de transmisión de movimiento. La segunda

etapa que engloba el fermentado, el horneado y empaquetado del producto está más

enfocada al área de la automatización de variables e instrumentación.

Por tales razones, este trabajo solo propone la automatización de la etapa final del

proceso de elaboración de pan.




Esta será la base de un proyecto a largo plazo que buscará la automatización del

proceso completo de panificación, abarcando desde la recepción de las materias

primas hasta el empaquetado del pan.

En esta propuesta de automatización se pretende usar un Controlador Lógico

Programable (PLC) de tipo modular, que será capaz de adaptarse al futuro crecimiento

del proceso, y además permitirá integrar los elementos de medición requeridos cuando

se implemente la automatización de la primera parte del proceso.




OBJETIVOS.

Objetivo General.

Proponer un sistema de automatización para el fermentado, horneado y empaquetado

de pan dulce integrando instrumentación industrial con elementos finales de control por

medio de un controlador lógico programable para mejorar la calidad del producto,

reducir desperdicios para aumentar la producción y disminuir los tiempos del proceso.

Objetivos Particulares.

Especificar y seleccionar de los elementos de medición, control y transmisión en

base a las necesidades del proceso para implementar y reducir tiempos

aumentando así la producción de pan dulce.

Realizar la manipulación de las etapas del proceso a automatizar por medio de

un Controlador Lógico Programable (PLC) para manipular las variables de la

etapa de fermentación y horneado y comunicar a los programas para la

simulación y creación del HMI.

Diseñar una Interfaz Gráfica (HMI) usando el programa labVIEW para mejorar la

interacción entre el proceso y los panaderos y trabajadores de la panificadora.

Realizar la simulación usando el programa MatLab para simular el horno y usar

el OPC server del rslogix para comunicar con los programas rslogix y LabVIEW.




ALCANCE.

Desarrollar la propuesta para la automatización de las diferentes etapas en la

elaboración y empaquetado de pan a bajo costo. Estas etapas son las de fermentado

de harinas, horneado del pan y empaquetado en sus diferentes presentaciones.

En la fermentación se desarrollara una cámara de fermentado manipulando las

variables de temperatura y humedad para disminuir el tiempo de fermentado, en ese

tiempo se aprovechara la mano de obra y se producirá más pan dulce y satisfacer la

demanda en tiendas y lecherías del área metropolitana.

En el horneado se manipulara la temperatura para que el panadero se centre en las

demás áreas de la panificación y para ello se desarrollara una HMI, en el cual indicara

la temperatura, el tiempo que ha transcurrido y si lo desea el panadero a que tiempo se

detenga, y la visualización del movimiento de los columpios del horno.

En el empaquetado se creara un circuito electrónico para optimizar la actividad de

empaquetar las diferentes piezas de pan dulce




1 CAPITULO I

MARCO TEÓRICO.




1.1 ESTADO DEL ARTE.

1.1.1 Orígenes y evolución del pan

La producción de harina data del período neolítico, en el cual ésta se obtenía a partir de

la papilla que resultaba de machacar el trigo con piedras planas, para poder elaborar

unos panes duros y chatos en forma de galletas. Las primeras noticias que se tienen

sobre este manjar se remontan a Babilonia. Se sabe que en Mesopotamia se consumía

una masa preparada con cereales machacados y molidos.

En el antiguo Egipto (3000 a.C.), se desarrolló la técnica de cultivo del trigo a lo largo

del valle fértil del río Nilo. Los egipcios descubrieron la fermentación e inventaron el

primer horno para cocinar. Por lo tanto, fueron los primeros en elaborar un pan

parecido al que se realiza en la actualidad. Se conocen hasta quince palabras para

designar distintas variedades de panes y pasteles en Egipto, según las variedades de

harina, el grado de cocción o los productos que se le añadían (miel, huevos, leche,

manteca, fruta, etc.).

Más tarde, en la Grecia clásica (500 a.C.), se perfeccionó la molienda y se consiguieron

harinas más refinadas. Para la molienda, los griegos separaban el grano de trigo

mediante el tamizado y, después, usaban dos piedras circulares planas: una fija -la

inferior- y una móvil -la superior-, que giraba. Surgió, así, la figura del panadero.

En el siglo II d.C., un escritor grecorromano describe hasta setenta y dos formas

distintas de hacer pan. Así, en un mercado griego podía encontrarse pan de centeno,

de salvado egipcio, de trigo negro o sarraceno, de avena y cocido en molde, al

rescoldo, entre dos planchas de hierro, a la sartén, amasado con leche, con especies,

etc. Hipócrates recomendaba el pan con especies o hierbas aromáticas y vinagre como

curativo.




Durante el Imperio Romano (700 a.C.-500 d.C.), se siguió aumentando la calidad del

pan, al mejorar los cultivos de trigo y reemplazar las piedras de molienda manuales por

otras, más grandes, de tracción animal. En este período, el pan empezó a ser, y hasta

más allá de la Edad Media, un elemento distintivo de clases: los esclavos y los

campesinos comían pan negro y los patricios tomaban pan elaborado con harinas más

refinadas.

Los vikingos (700-1100 d.C.) llevaron la harina de centeno desde la península

escandinava hasta los territorios que conquistaban. Su pan era duro, chato y se

preparaba con un agujero en el centro.

En la Edad Media (1000-1500 d.C.), el pan se convirtió en un alimento básico y fue

necesario aumentar la producción. Así, surgieron las primeras panaderías. Todo esto

fue posible gracias a la rotación de los cultivos, que permitía mejores cosechas, y al

surgimiento de los molinos de agua y de viento. La religión cristiana está llena de

referencias y simbolismos relativos a este alimento.

A fines del siglo XVIII, llegan a México los primeros maestros europeos de panadería y

pastelería (franceses e italianos), que establecen los primeros negocios semejantes a

lo europeo, talleres donde el jefe de la familia es el maestro y sus hijos los pupilos.

En aquellos tiempos se amasaba en duernos, ya sea a mano o con los pies y se hacía

sólo pan blanco. Se trataba de masas de mala calidad y poco fermentadas.

Durante la Revolución Industrial (1750-1850 d.C.), con el crecimiento de la población,

fueron necesarios nuevos métodos de molienda y panificación. Las piedras se

sustituyeron por acero y los molinos empezaron a funcionar con motores eléctricos. [1]




En 1880 había 78 panaderías y pastelerías en la ciudad de México y un sinfín de

indígenas que seguían haciendo sus productos en hornos calabaceros y vendiéndolos

en mercados.

Ya para el siglo XX, los habitantes de la Ciudad contaban con afamadas panaderías

como LA VASCONIA, que aún existe en nuestra capital. En los primeros años del siglo

XX, la mecanización de la industria panificadora se inició con el uso de mezcladoras

para pan blanco.

Hasta 1922 la panadería en México se caracterizó por la preponderancia del pan

blanco en los anaqueles de los expendios. De 1923 a 1950, aproximadamente,

empezaron a ofrecer bizcochería. Las panaderías no paraban. A la gente no le gustaba

el pan que no estuviera recién salido del horno, sobretodo el bolillo y la telera. Para

enfrentar la competencia los panaderos empezaron a ofrecer el bolillo calientito, para

que la gente lo prefiriera al otro que ya tenía varias horas de haber sido horneado y ahí

empezó la costumbre de sacar pan caliente cada 20 minutos.

El sistema de ventas durante muchos años fue de atención personalizada a través de

un Mostrador (figura 1.1), la gente solicitaba su Pan y un empleado lo colocaba en la

charola para posterior pago en caja.

Figura 1.1. Venta del pan mediante mostrador.




En la década de los 50’s, un Industrial (Antonio Ordóñez Ríos), llegó a una de sus

Panaderías y decidió darle la vuelta al mostrador, permitiendo que el

cliente seleccionara y colocara su pan en la charola (figura 1.2), iniciando con ello “El

Autoservicio en Panaderías”.

Figura 1.2. Estantes de pan.

El cambio del despacho al autoservicio mejoró las ventas en las panaderías, la que

había sido una actividad reservada para las mujeres, se convirtió en una tarea a la que

ahora podrían también tener acceso los hombres.

El autoservicio en las panaderías significó una mayor importancia en los proveedores,

no solamente porque se incrementaron las ventas, sino porque también se inauguró la

exhibición de piezas.




2 CAPÍTULO II

PROCESO DE

ELABORACIÓN DE

PAN.




2.1 PROCESO GENERAL DE ELABORACIÓN DE PAN.

2.1.1 Elaboración de la masa, el horneado y el empaquetado.

La harina producida al moler los granos del trigo u otros cereales se mezclan con una

sustancia liquida que suele ser agua o leche y al conjunto así formado se le añade sal,

azúcar, materia grasa como la manteca o aceite vegetal, con el fin de conseguir una

miga blanda.

El amasado se realiza por medios manuales como se muestra en la figura 2.1, que

garantizan la preparación de una mezcla uniforme y el desarrollo del gluten. Durante

esta preparación se hace necesaria regular la temperatura de la masa.

Figura 2.1. Moldeado manual del pan.

Si se procediera a la cocción de la masa resultante de mezclar la harina y el agua, sin

más, se tendría una especia de torta aplanada y dura, el llamado pan ázimo. De poca

comestibilidad. Por esta razón se agrega levadura que son microorganismos que

producen la fermentación de la masa.[4]




Una vez esponjado (duración de entre 2 a 3 horas), la mezcla se somete al proceso de

cocido en hornos. Operación en que se elimina el dióxido de carbono producto de la

fermentación. La capa superficial del pan se conoce como corteza, se endurece al

perder agua del exterior de la pieza. Esta evita la alteración del interior de la masa, la

cual retiene una proporción elevada de humedad que mantiene la miga blanda y

esponjada como se observa en la figura 2.2.

Figura 2.2. Apariencia del pan después del horneado.

Por su parte, la coagulación de sustancias proteicas como las albuminas hace que el

pan adquiera consistencia, el proceso de cocido determina a sí mismo la eliminación de

restos de levadura, terminando así el proceso de fermentación.

Una vez cocido el pan, es enfriado al medio ambiente para después ser envuelto.




2.1.2 Procesos de panificación.

Para la elaboración del pan se conocen diferentes procesos, estos aunados a las

condiciones de los recursos, las materias primas disponibles y los sistemas usados

determinan la calidad del producto final.

Todos los productos de panificación se clasifican en dos grandes grupos: Productos de

fermentación y productos de pastelería y panqueleria. Teniendo como principal

características las siguientes:

2.1.2.1 Productos de fermentación.

Se caracterizan por usar levadura como agente productor de bióxido de carbono;

mediante la acción de los azucares sobre la masa. Este gas es el responsable de que

el gluten en la masa crezca o se esponje causando la formación y el crecimiento de las

celdillas que se observan en lo que conocemos como migajón, las cuales se encargan

de dar la estructura del pan y aumentar su tamaño como se muestra en la figura 2.3.[3]

Figura 2.3. La fermentación aumenta el volumen de la masa.




Durante la fermentación se producen otros compuestos que además de acondicionar la

masa le imparte a los productos terminados el aroma y el sabor característico del pan.

Dentro de esta división podemos ubicar los panes de caja, los productos de bollería, de

sal o dulces en toda su gran variedad de presentaciones.

2.1.2.2 Productos de pastelería.

Son productos obtenidos de hornear un batido leudado y emulsionado que contiene:

Harina, grasas, sal, azúcar, huevo, agua, polvo de hornear como principales

ingredientes.

El crecimiento del pastel se debe a la generación de gases (bióxido de carbono), y a la

evaporación de agua durante el horneado. Producto estos del polvo de hornear.

La calidad y el tipo del producto a obtener dependen de 3 factores básicos:

1. Los tipos y características de los ingredientes a utilizar.

2. Las proporciones o balance de uso de los ingredientes en formulación.

3. Los procedimientos y recursos usados en las operaciones de mezclado y

horneado.

El cambio sufrido en el proceso de horneo es fundamental ya que transforma un batido

semilíquido (figura 2.4) en un producto sólido, suave, poroso, aromático y de fácil

digestión y al mismo tiempo la formación de nuevas sustancias como azucares y

sustancias aromáticas. [4]




Figura 2.4. Masa pastelera (consistencia semilíquida).

2.1.3 Métodos de elaboración del pan.

Existen varios métodos en la preparación del pan, con cualquiera de ellos el objetivo es

realizar un producto de buena calidad al menor costo posible. Entre estos métodos

están los siguientes: [4]

- Masas directas

- Esponja-masa

- Esponja-liquida




2.1.3.1 Masas directas.

El método de masa directa es un proceso en donde se mezclan todos los ingredientes

al mismo tiempo.

Inicialmente los ingredientes se combinan para formar una masa poco cohesionada,

conforme el mezclado continúa la masa adquiere propiedades elásticas y comienza a

separarse de las paredes de recipiente de mezclado.

El mezclado es llevado a un punto en que la masa se vuelve tersa, seca en la

superficie y adquiere un carácter elástico óptimo.

Ventajas y Desventaja:

Las ventajas del método masa directa son:

a) Menores requerimientos en tiempo de elaboración, mano de obra, equipo y

energía.

b) Tiempo de fermentación menor.

Desventajas:

a) Se deben añadir grandes cantidades de levadura a la masa.

b) Al agregar levadura se modifica el sabor, olor y consistencia.

La principal limitante del método de masa directa es su relativa inflexibilidad con

respecto al tiempo de fermentación de la programación de la producción: la masa debe

procesarse cuando esté lista.




2.1.3.2 Esponja masa.

En el método de esponja-masa, la mayor acción de leudación se lleva a cabo en el

fermentado llamado esponja, la cual es depositada en artesas y se deja fermentar en

una cámara a cuarto con condiciones de temperatura y humedad adecuadas. En la

preparación de la esponja se usa entre el 50 y 70% de la harina total de la masa, la

cual está sujeta a la acción de la levadura.

Una vez obtenida la esponja se combina con el resto de los ingredientes, todos estos

una vez mezclados conformaran la masa.

Los principales objetivos del mezclado de la esponja son:

El llevar a cabo el mezclado uniforme de los ingredientes hasta obtener una masa tersa

y homogénea, asegura la completa hidratación de las partículas de la harina y forma

suficiente gluten para retener el gas generado durante la fermentación (dióxido de

carbono), el cual permitirá un crecimiento en el volumen de la esponja conforme

progresa la fermentación.

Ventajas y Desventajas:

Como ventajas podemos considerar:

a) Niveles menores de levadura

b) Producto de mejor sabor, olor, mejor grano, textura y mayor vida de anaquel.

c) Proceso de masa aceptable y controlable en la programación de la producción.

Desventajas:

a) Si no se cuenta con una cámara de fermentado, el proceso se vuelve lento.

b) Se debe invertir en estas cámaras especiales de fermentado.




2.1.3.3 Esponja líquida.

En la industria de la panificación los términos esponja líquida, preferente y caldo, son

empleados indistintamente para hacer referencia a la fermentación de una mezcla de

ingredientes utilizando un sistema liquido; esto es, usar de un 45% a un 55% de la

harina total y el 100% de agua que se indica en la formula.

El objetivo de la preparación de una esponja líquida sigue siendo el mismo que para

esponja convencional: acondicionamiento bioquímico de una fracción del gluten y el

desarrollo de precursores del aroma y del sabor.

Este sistema tiene como objetivo principal “simplificar el proceso de esponja-masa por

medio de la sustitución de la esponja convencional por un líquido que pueda ser

manejado por medio de bombas facilitando su manipulación además de manejar

grandes cantidades de esponja en espacios relativamente pequeños.”

2.1.4 Principales ingredientes y su funcionalidad.

Como principales ingredientes que intervienen para la preparación del pan tenemos: [4]

Harina de trigo.

Agua.

Levadura (leudante).

Sal.

Grasas (manteca).

Leche.

Aditivos.

A continuación se hace mención a sus principales características, así como la función

que desempeñan:




2.1.4.1 Harina de trigo.

La harina es un componente producto de la molienda del trigo con un alto contenido de

proteínas y que sirve como estructurador, también contiene almidón; este también

ayuda a la estructuración por sus cualidades de gelatinización, esta se lleva a cabo en

el horno y consiste en que los granos de almidón al deshidratarse forman primero una

especie de pasta que por la acción del horneo se vuelve sólida dando origen de esta

manera a la miga del pan.

Algunos de estos almidones durante la fermentación producen azucares, los cuales

sirven de alimento a la lavadura, influyen en el color de la corteza del pan, y la levadura

al consumir azúcar libera bióxido de carbono e interviene en el volumen y el tamaño de

las celdas de la miga del pan.

La molienda del grano del trigo, consiste básicamente en la separación del salvado y el

germen, quedando el endoesperma, el cual al pasar por una serie de moliendas

permite obtener la harina.

Existen varios tipos de trigo y por consecuencia varios tipos de harina estas son

conocidas por el producto final que se obtiene, esta puede ser harina panadero

(mostrada en la figura 2.5), galletera, pastelera y para pastas.




Figura 2.5. Color y textura de la harina de trigo para pan.

Las principales características de la harina son como: contenido de proteínas,

contenido de grasas, contenido de humedad y algunas otras determinan el uso al que

se destinara y que la harina sea más o menos adecuada para la panificación.

Normalmente se emplean mezclas de distintos tipos de harinas para complementar sus

cualidades en un nivel normal y un alto valor alimenticio.

Debe ser capaz de formar una estructura adecuada al tipo del producto; la harina para

pan de fermentación debe tener:

Fuerza: es decir debe ser capaz de retener en las celdillas que forman la

estructura interna de la masa el bióxido de carbono producido durante la

fermentación.

Absorción: es el término que se emplea para denominar la capacidad que una

harina tiene de retener agua en el proceso de mezcla para lograr una masa

físicamente manejable en el resto del proceso buscando la producción de pan de

buena calidad.




Vejez: este factor determinado por el tiempo que ha transcurrido desde la

molienda del trigo hasta el empleo de la harina; varía algunas propiedades de la

harina como la absorción y la fuerza por lo cual se recomienda, de ser posible,

un mes de almacenamiento de reposo aproximadamente de las harinas

empleadas para pan de fermentación, independientemente del reposo que

deberá tener el trigo antes de la molienda.

El almacenamiento de la harina debe hacerse cuidando algunos factores importantes

como: temperatura, humedad, ventilación, limpieza y disposición.

2.1.4.2 Agua.

Es otro ingrediente principal en los procesos de fabricación de pan que actúa de las

siguientes formas:

Propicia la formación de la estructura de la masa mediante la hidratación que

causa al mezclarse con los componentes de la harina principalmente con la

glutelina.

Regula la consistencia de la masa según su proporción en la mezcla.

Ayuda a mezclar y disolver los ingredientes de las mezclas permitiendo la

dilución.

Su temperatura influye de manera muy importante en la resultante de la masa, y

por lo tanto, se alimenta o dosifica a temperatura controlada (generalmente fría),

para obtener la temperatura ideal.

Ayuda a la transformación del almidón.

Propicia la fermentación.




El agua empleada en el proceso debe ser ligeramente acida (pH agua purificada entre

6.5 y 7) y desde luego potable, con dureza (entre 76 y 150 ppm) apropiada para la

suavidad final del producto a obtener.

Ayuda a determinar el volumen final del producto mediante la hidratación de las

proteínas de la harina y la formación del gluten que dará la estructura interna del pan.

2.1.4.3 Levadura (leudante).

La principal función de la levadura es la de leudar (hacer crecer) al producto, mediante

la fermentación: este proceso es de naturaleza bioquímica y tiene lugar gracias a la

actuación de una serie de sustancias denominadas enzimas o fermentos que

transforman una parte de la fécula de la harina en glucosa(un azúcar sencillo), alcohol

etílico y bióxido de carbono (CO2), el cual es un gas, y al residuo, hace que se forme un

gran número de pequeñas burbujas que determina el crecimiento de la masa. La

levadura para pan es un vegetal unicelular del grupo de las talofitas. Se puede

encontrar en su forma fresca (sólida) y deshidratada (polvo) como se indica en la figura

2.6.

Figura 2.6. Presentaciones de la levadura.




Los ácidos producidos acondicionan al gluten y contribuyen al sabor del pan, la

producción de alcohol es lo que proporciona el aroma, además de ayudar al leudado a

evaporarse durante el horneo.

2.1.4.4 Sal.

La función más importante de la sal es el mejoramiento del sabor del pan. El sabor de

la misma sal no es muy deseable, por lo general, pero tiene la propiedad de acentuar

los sabores, además nos sirve como auxiliar en el control de la fermentación; la sal

retiene el agua y en la masa la absorbe de la levadura, controlando así la fermentación.

Contribuye al endurecimiento del gluten, ya que une a las proteínas del mismo

endureciéndolo y dándole más tolerancia al trabajo mecánico. La sal tiende a absorber

agua y seca ligeramente a la masa ayudándole a que no sea tan pegajosa.

2.1.4.5 Grasas (manteca).

Las mantecas actúan como lubricantes en la expansión de las celdillas de la masa y

por lo tanto ayudan al volumen, además contribuyen a la estructura de la miga

mejorando la estructura final del producto, haciéndolo más suave, mas comestible y

más sabroso.

Hay distintos tipos de grasas disponibles en la panificación y cada uno de ellos

adecuados a distintos tipos de productos de acuerdo a sus características de sabor,

olor, color, facilidad de oxidación (rancidez) y punto de fusión. La manteca tradicional

mostrada en la figura 2.7 es una pasta semisólida de color claro muy parecido a la

mantequilla de cocina.




Figura 2.7. Textura de la Manteca (grasa) utilizada en la elaboración de pan.

2.1.4.6 Leche.

La leche se utiliza principalmente para enriquecer el producto, esto es hacerlo más

nutritivo, por su alto contenido de minerales, vitaminas, proteínas, azucares y grasas

que ayudan a mantener una buena salud.

Los sólidos de la leche contienen “lisina”, que es un aminoácido esencial que no posee

el trigo, así mismo, contribuye a endurecer el gluten por el contenido de calcio, posee

un efecto regulador o modulador de pH por las proteínas que contiene.

2.1.4.7 Aditivos.

Todos los ingredientes antes mencionados deben reunir ciertas características en

grado determinado, pero esto en la práctica es muy difícil que se logre; por lo tanto, se

hace necesario el empleo de sales antioxidantes, vitaminas y harinas especiales que

contribuyen a distinguir los productos haciéndoles más atractivos y comestibles.




2.2 ELABORACIÓN DE PAN EN EL PROCESO ACTUAL.

La panificadora que se desea automatizar actualmente cuenta con 10 trabajadores que

se encargan de elaborar en su totalidad el pan. Está ubicada en Avenida Santa Prisca,

San Agustín 2ª sección, Ecatepec de Morelos, Estado de México. Cuenta con una

distribución de áreas acorde a la figura 2.8, donde se aprecian el lugar donde se lleva a

cabo cada una de las etapas de la elaboración de pan.

Figura 2.8. Plano de distribución de áreas de la panificadora.




El proceso de elaboración se divide en diferentes etapas las cuales se explicaran

detalladamente a partir de los siguiente diagramas de bloques y flujo (figura 2.9 y 2.10).

Figura 2.9. Diagrama de bloques del proceso de elaboración de pan.

El proceso comienza adquiriendo la materia prima con la que se elaboraran las masas.

Después son almacenadas para su posterior uso.

Figura 2.10. Diagrama de flujo del proceso de elaboración de pan.




2.2.1 Recepción y Almacenamiento.

La materia prima para realizar la panificación se compra directamente con un

proveedor de materias primas y se almacenan en un cuarto especial. Es importante

mantenerlos en un ambiente libre de humedad, para evitar que absorban el agua del

medio ambiente y cambie la textura y sabor del producto que se elabore con ellas.

Los costales de harina con 40kg de capacidad se almacenan sobre una mesa de

amasado cercana a la mezcladora, estibándolas de manera vertical uno junto de otro.

Otros ingredientes como la grasa comestible, la manteca, la margarina, el azúcar

estándar y el azúcar glass se guardan en un pequeño anaquel bajo la mesa principal

de amasado.

El agua purificada se consigue en garrafones de 20 litros de capacidad, se almacenan

de igual manera sobre la mesa junto a los costales de harina.

2.2.2 Pesado de los Ingredientes.

El pesado de los ingredientes sólidos para proceder a la mezcla se realiza en balanzas

con capacidad de pesaje de 10Kg. Aquí se pesan todas las materias primas excepto la

harina, que se vierte directamente en la mezcladora ya que la cantidad necesaria es

40kg, que es lo que contiene cada costal.

En la panificadora se elaboran tres tipos de masas diferentes: batido, biscocho y

polvorón. La cantidad de los ingredientes usados de cada uno de ellos se especifican

en la tabla 2.1.




Tabla 2.1. Ingredientes y Cantidades para las variedades de masas.

Ingredientes/Tipo de

Masa Batido Biscocho Polvorón

Harina 40 Kg 4 Kg 9 Kg

Sal 400 g 100 g 200 g

Bicarbonato 400 g 190 g 90 g

Color Artificial 40 ml 30 ml 90 ml

Levadura 1.6 Kg 100 g 90 g

Mantequilla 8 Kg - -

Grasa 1 Kg - 5.4 Kg

Huevo 6.8 L 2.5 L 900 ml

Esencia 400 ml 200 ml 200 ml

Agua 13.2 L 2.5 L 1.8 L

Azúcar 9.8 Kg 3 Kg 4 Kg

Aceite - 3 L -

2.2.3 Mezclado de las materias primas.

En este proceso se comienza con el mezclado de ingredientes como harina, azúcar,

sal, levadura, grasa, huevo, agua, mantequilla, que es la base para formar cualquier

masa. Existen cuatro tipos diferentes de masas, (para batido, biscocho, polvorón y

galleta) de las cuales se obtienen las variedades de pan a elaborar.

De la masa denominada “biscocho” sale la mayor cantidad de pan como son: Colchón,

Concha Grande, Concha Chica, Nube, Lima, Hojaldra, Bigote, Cocol, Cuerno, Trenza y

Rebanada.

De la masa “batido” se obtiene la mantecada natural y de chocolate. De la masa de

polvorón se obtienen el producto del mismo nombre.




Una vez que se pesan todos los ingredientes, se colocan en una mezcladora industrial

con las siguientes características:

Fuente de energía: Eléctrica

Capacidad: 50 kilos.

Voltaje de alimentacion: 220/380 volts – 60 Hz.

Potencia: 2.25 kW – 3 HP

Velocidad de rotación: 141 rpm

Corriente: 5.9 Amperes

Posteriormente se mezclan por un tiempo previamente establecido que varía según la

masa a elaborar (de 20 a 30 minutos).

2.2.4 Cortado de la Masa.

La masa contenida en la mezcladora, de peso aproximado 40kg se saca del

contenedor y se corta en pedazos que varían de entre 1,350 Kg a 2,700 kg. Estas bolas

de masa posteriormente serán colocadas en un molde con forma cilíndrica para que

pueda ser cortado en 36 pedazos pequeños de masa, en una cortadora de palanca.

(Figura 2.11).




Figura 2.11. Cortadora de Palanca.

El procedimiento de cortado es el siguiente:

1. Se pone la masa dentro del molde.

2. Se coloca el molde en la base de la cortadora.

3. Se baja la palanca aplicando fuerza.

4. Se sube la palanca.

5. Se retira el molde de la base de la cortadora.

6. Se voltea el molde y se vacían los pedazos de la masa en una superficie.

Una vez cortada la masa en pequeños pedazos (se muestra la cantidad de masa final

que tendrá cada uno en la tabla 2.2) se procede a darle forma para obtener las

diferentes variedades de pan.




Tabla 2.2. Cantidad total de la masa antes y después del cortado.

MASA BISCOCHO

Tipo de pan Cantidad de masa total (gr)

Peso por pieza de pan (gr)

Colchón 1350 37.5

Concha 1900 52.77

Nube 1900 52.77

Lima 1900 52.77

Concha grande

1900 105.54

Hojaldra 1900 52.77

Bigote 2100 58.33

Cocol 2100 58.33

Cuerno 2100 58.33

Trenza 2100 58.33

Rebanada 900 25

MASA

BATIDO

Tipo de pan Cantidad de masa total (gr)

Peso por pieza de pan (gr)

Mantecada 2700 75

Mantecada de chocolate

2700 75

MASA

POLVORON

Tipo de pan Cantidad de

masa total (gr)

Peso por pieza de pan

(gr)

Polvorón 9000 250

2.2.5 Moldeado de la masa.

El moldeado de la masa consiste en tomar los pedazos previamente cortados y con la

palma de la mano, presionando contra la mesa de trabajo, se realiza un movimiento

circular rápido para darle forma esférica a cada pedazo. Este procedimiento es

conocido también como “boleado”.




El boleado de la masa (figura 2.12) es fundamental para después darle forma a los

diversos tipos de pan.

Esta es la labor más tardada, se efectúa de manera manual por los panaderos. Se lleva

a cabo en un tiempo aproximado de 5 horas en donde los 10 panaderos moldean miles

de pedazos de masa por día.

Figura 2.12. Masa Moldeada.

Para detallar cada tipo de pan, a cada masa moldeada se le agrega grasa, ajonjolí,

chocolate, vainilla o mantequilla dependiendo del producto final que se desee obtener.

2.2.6 Fermentación.

Una vez que la masa de pan ya tiene forma, se comienza el proceso de leudación o

fermentación.

El proceso de fermentación consiste en dejar reposar la masa a temperatura ambiente

para que se infle. La fermentación le da el sabor y el tamaño que tendrá el pan ya

terminado.




Dado que no se cuenta con ningún método de regulación de la temperatura, la

fermentación se controla con los ingredientes mezclados en un principio para elaborar

la masa. Si el clima es frio, a la mezcla se le proporciona una mayor cantidad de

levadura y sal para ayudar a que la masa se infle. En caso contrario, cuando la

temperatura ambiente es elevada, se coloca menor cantidad de levadura a la masa ya

que el calor hace que la fermentación sea mayor.

Si esta reacción química se realiza a temperaturas mayores a 50 °C, la calidad del

producto y sobre todo el sabor se puede ver afectado por la sobreproducción de dióxido

de carbono. En caso contrario, si la masa se mantiene a una temperatura menor a 5

°C, la fermentación será nula.

El método de control de la fermentación en el proceso actual depende de la experiencia

y habilidad de la persona encargada de mezclar los ingredientes.

En base a observación, la persona encargada de hacer la masa, intuye la temperatura

ambiente que habrá en el transcurso del día. De esta manera decide la cantidad de

levadura a colocar.

Después de moldear la masa, solo queda decidir durante cuanto se dejará leudar. El

tiempo aproximado se determina en base a la observación del panadero. Cuando él

considera que la masa fermentada ha alcanzado el doble de su tamaño inicial, se

concluye que ya está lista para ser horneada. Este tiempo varía demasiado y ronda

entre 3 a 4 horas.




2.2.7 Horneado.

Una vez fermentada la masa a temperatura ambiente, se colocan las charolas dentro

del horno previamente precalentado unos 30 minutos.

En esta etapa se logra que el producto pase de ser una masa en estado viscoelástico a

ser pan elástico por medio de la cocción y la eliminación de agua.

El horno usado es de tipo “Columpios”, consta de 5 bases metálicas que rodean

equidistantemente un eje. Este eje atraviesa transversalmente el horno. Las bases

metálicas son llamadas columpios. Presenta las siguientes características (Figura

2.13.):

Capacidad de 5 columpios, a su vez contienen 3 charolas/1 columpio.

Capacidad de 12 piezas de pan/1 charola, dando un total de 180 piezas

producidas.

Dimensiones: Largo=2.13 mts, Alto=1.75 mts y Ancho=1.85 mts.

Funciona con gas LP (combustible derivado del petróleo): 125,000 BTU/Hora,

presión de entrada de gas 0.5 Lb/Pulg2

Motor trifásico de inducción abierto: 220 volts CA, 0.75 HP, 1730 rpm y una

eficiencia del 70%.

Motoreductor: reducción por engranaje de 1700 rpm a 0.54 rpm.

La ventaja de usar este tipo de horno, a comparación de los hornos de gaveta con los

que se contaba antes en la panificadora, es que, en éste los columpios están girando

constantemente alrededor del eje, lo que permite que las charolas de pan reciban la

misma cantidad de calor, en vez de que unas queden más cerca de los quemadores tal

y como sucede con los hornos de gavetas.




Figura 2.13. Horno de tipo columpios. Vista frontal, interior y del sistema de transmisión

de movimiento.

El movimiento giratorio de los columpios es originado por un motor trifásico acoplado a

una banda, un motoreductor y una cadena. La alimentación del motor eléctrico está

directamente conectada al interruptor de cuchillas, por lo cual, el operador al momento

de arrancar o parar el motor debe subir o bajar las cuchillas respectivamente.

En la parte inferior/posterior del horno se realiza la combustión. La flama se produce en

un quemador denominado “tipo flauta”, que consiste en un tubo largo perforado en su

parte superior, por donde sale el gas regulado manualmente por una válvula de globo

al inicio de este. La chispa inicial que produce la llama tiene que ser proporcionada por

el operario.




La temperatura interna del horno se manipula manualmente regulando la apertura de la

válvula de paso del gas. El operador decide la apertura de la válvula observando la

temperatura mostrada en un indicador analógico (de aguja).

Antes de comenzar el horneado se debe de hacer un precalentado para eliminar la

humedad dentro del horno, por tiempo aproximado de 30 minutos. Después se procede

a la cocción del pan, en donde los tiempos y temperaturas varían de 15 a 35 minutos y

de 180 a 190º C según cada tipo de masa (tabla 2.3).

Tabla 2.3. Temperaturas y tiempos de horneado.

Masa Tiempo de

Horneado (min)

Temperatura

(ºC)

Biscocho 15 180ºC

Batido 35 190ºC

Polvorón 15 190ºC

2.2.8 Enfriado.

Después de sacar las charolas del horno, se colocan en los espigueros que son

llevados a la misma zona en donde se realizó la fermentación para proceder al

enfriado.

Cuando el pan alcanza la misma temperatura que el medio ambiente, se procede al

empaquetado.

Es importante esperar a que el pan alcance esta temperatura. Si este se empaca

cuando aún sigue caliente, se producirían hongos y bacterias dentro de la bolsa, lo que

propicia la descomposición del producto y pone en peligro la salud del consumidor.




2.2.9 Empaquetado.

La última etapa de este proceso es el empaquetado. Esta tarea es muy simple pero

repetitiva. Consiste en guardar el pan en bolsas de papel celofán de distintos tamaños,

(dependiendo del pan que se vaya a colocar dentro).

Una vez dentro el pan, se procede a cerrar herméticamente la bolsa (aproximadamente

2 segundos por bolsa). Esto se realiza por medio de selladora (figura 2.14) que consta

de dos resistencias térmicas en costados contrarios que aplastaran y fundirán

ligeramente la bolsa de celofán para que quede pegada.

Las resistencias están forradas con cinta teflón para evitar que el celofán se queme y

se quede pegado al momento de sellar.

Figura 2.14. Selladora manual de bolsas.




3 CAPÍTULO III

MEDICIÓN DE

VARIABLES EN

ETAPAS DE

FERMENTADO

HORNEADO Y

EMPAQUETADO.




En este capítulo se analiza a detalle el proceso a automatizar, se determinan las

variables de proceso que influyen en cada uno de ellas y se eligen los elementos de

medición y control que serán utilizados en el proyecto.

Se estudian por separado las etapas del proceso para poder determinar la

instrumentación y el control que se usará para mantenerlas en su punto exacto de

operación.

3.1 CUARTO DE FERMENTACIÓN.

3.1.1 Variables que intervienen en la Fermentación.

En esta parte del proceso actualmente no rodo se realiza a mano. La masa solo se deja

reposar a temperatura ambiente durante un lapso de tiempo (figura 3.1).

Figura 3.1. Factores que afectan a la velocidad de fermentación, en el proceso actual.




Para evitar alterar el sabor del pan aumentando o disminuyendo la cantidad de

levadura utilizada, la automatización propuesta se hará regulando la temperatura

ambiente en la que el pan se deja fermentar. Con esto no solo se asegura que el pan

alcance el tamaño justo para su elaboración, si no que se reduce proporcionalmente el

tiempo que este se debe dejar reposar.

A partir de diversas mediciones del tiempo en que tardaba la masa en realizar una

fermentación adecuada a distintas temperaturas se obtuvieron los datos mostrados en

la tabla 3.1 y la figura 3.2 (grafica).

Figura 3.2. Gráfica de relación Temperatura – Tiempo, en la Fermentación.




Tabla 3.1. Datos Temperatura vs Tiempo (observados en figura 3.2).

Temperatura [º C] Tiempo [min] Temperatura [º C] Tiempo [min]

18.75 45 32.25 27

19.5 44 33 26

20.25 43 33.75 25

21 42 34.5 24

21.75 41 35.25 23

22.5 40 36 22

23.25 39 36.75 21

24 38 37.5 20

24.75 37 38.25 19

25.5 36 39 18

26.25 35 39.75 17

27 34 40.5 16

27.75 33 41.25 15

28.5 32 42 14

29.25 31 42.75 13

30 30 43.5 12

30.75 29 44.25 11

31.5 28 45 10

Con los datos anteriores se puede determinar qué tiempo aproximado tardará en

fermentar la masa al aplicarle una cierta temperatura. Por efectos de disminución de

tiempo del proceso en la cámara de fermentación se pretende generar una temperatura

de 45º C para que la fermentación adecuada del pan tarde solo 10 minutos.




Otro factor externo que también afecta a la fermentación es la humedad. Si se tiene un

ambiente demasiado seco cuando la temperatura aumenta, las paredes de la masa

tienden a deshidratarse. Si esto ocurre, durante el horneado la corteza del pan es más

susceptible a quemarse por el efecto directo del fuego en el interior del horno. Como

resultado final el pan tendrá un sabor amargo, y la corteza de este estará dorada y

quebradiza.

En caso contrario, si se tiene una humedad bastante elevada (mayor a 80%) la masa

puede perder la forma que se le dio en el boleado, la corteza puede adquirir un color

rojizo y el pan después de horneado puede quedar pegado a la charola.

Según un especialista en el tema, Francisco Tejero, la humedad recomendada para

realizar una fermentación óptima es del 70%, con esto se evitan los inconvenientes

previamente descritos por exceso o falta de hidratación. [5]

Además, es importante considerar que la humedad que se requiere manipular en el

cuarto de fermentación será la Humedad Relativa (RH), y que esta depende de la

temperatura. Al aumenta la temperatura en un lugar, la cantidad de vapor de agua que

puede contener cierto volumen de aire aumenta.

La humedad relativa del aire se calcula de la siguiente manera:

%𝑅𝐻 =𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 (3.1)

La humedad máxima permisible por el aire aumenta junto con la temperatura, por lo

que la humedad relativa disminuye. Este comportamiento se analiza en gráficas y

tablas llamadas “Diagramas Psicrométricas”.




El diagrama psicrométrico del comportamiento de la humedad en el aire se muestra en

la figura 3.3.

Figura 3.3. Gráfica Psicométrica, humedad en el Aire.

Un ejemplo que muestra la disminución de la humedad relativa de un medio en relación

al aumento de temperatura se muestra en la tabla 3.2.

Tabla 3.2. Relación de Temperatura y Humedad en un clima cálido al nivel del mar.




3.1.1.1 Opciones para el fermentado.

Una vez identificadas las variables, se presentan dos opciones para poder manipular la

temperatura y la humedad de la fermentación: adquirir una cámara de fermentación o

diseñar y construir un cuarto de fermentación especificando cada uno de sus

elementos:

1. Cámara de fermentación. Equipos de forma cúbica o prismática parecidos a

pequeños microondas o frigoríficos que por medio de resistencias eléctricas

regulan la temperatura de su interior (figura 3.4). Dependiendo de su tamaño

son capaces de alojar de 6, 12 o 24 charolas o hasta un espiguero en casos

especiales por cada ciclo.

Figura 3.4. Cámara de Fermentación.

2. Cuarto de fermentación. Un cuarto dentro de la empresa adaptado con

instrumentación y equipo de climatización y humidificación para mantener la

temperatura y humedad en el punto deseado de operación.




Para realizar la selección, se propone la siguiente tabla comparativa entre las

características comunes de las cámaras de fermentación que se ofrecen en el mercado

y el cuarto de fermentación que se busca montar.

Con la tabla 3.3. Se concluye que la solución más adecuada a implementar es crear un

cuarto de fermentación.

Tabla 3.3. Comparación entre Cámara y Cuarto de Fermentación.

Característica. Cámara de Fermentación. Cuarto de

Fermentación.

Temperatura. Ajustable. Ajustable.

Humedad. Ajustable. Ajustable.

Capacidad. 6 a 32 charolas por cada

cámara.

36 charolas por cada

espiguero. Capacidad

de albergar hasta 20

espigueros.

Colocación de

charolas.

Es necesario sacarlas del

espiguero y meterlas a la

cámara de fermentación.

No es necesario mover

las charolas del

espiguero.

Transporte de

charolas hacia

el horneado.

Se requiere sacar las

charolas de la cámara y

ponerlas en el espiguero o

llevarlas una por una

directamente al horno.

Transportar el

espiguero cerca del

horno y acomodar las

charolas dentro en el

horno.

Contacto del

trabajador con

el producto.

En ocasiones, al estar

manipulando las charolas. No.




La cámara de fermentación estará ubicada en uno de los cuartos de la panadería con

medidas 4 x 4 x 2.3 metros. En este cuarto se introducirán los carritos espigueros, los

cuales son capaces de albergar 36 charolas cada uno.

En la parte superior de una de las paredes que tenga contacto con el exterior, se

instalará el equipo generador y distribuidor de calor y en la parte superior central del

techo, el equipo encargado de aumentar la humedad del cuarto.

La entrada y salida de este cuarto estará sellada herméticamente con una puerta

especial para evitar que el aire caliente se escape.

Después del análisis de este tema se concluye que las variables a manipular en el

cuarto de fermentación serán:

Temperatura: 45º C

Humedad: 70% HR

3.1.2 Instrumentación en el Fermentado.

En el cuarto de fermentado se requiere medir y manipular dos variables; la temperatura

(º C) y la humedad (%HR).

Existen equipos capaces de medir y transmitir ambas variables simultáneamente, que

además, están diseñados para este tipo de aplicaciones.

Dos de los medidores diseñados para cámaras de fermentación pertenecen a las

marcas JMIndustrial y Rotronic.




El modelo HMT de JMIndustrial, figura 3.5, es un equipo de bajo costo diseñado para

cámaras fermentación y manipulación del aire acondicionado y calefacción (HVAC) de

un lugar. Las temperaturas que soporta van desde los -20ºC a los 100ºC pudiendo

medir del 0 – 99.9 % de humedad relativa del aire. Su montaje es en pared y su salida

de corriente es de 4 a 20 mA.

Figura 3.5. Modelo HMT de JMIndustrial.

En cambio el modelo HygroFlex de Rotronic, figura 3.6, presenta características más

avanzadas y un diseño robusto. Está diseñado para aplicaciones industriales en donde

se manejan altas temperaturas y presiones. Su intervalo de medición de temperatura y

humedad es de – 100 a 200 ºC y 0 a 100% respectivamente. Tiene múltiples salidas (4

-20mA, 0 a 5V), puerto de comunicación RS485 (Ethernet). Protección industrial IP 65,

configuración de múltiples alarmas, salidas a relevador, reloj interno etc.

Figura 3.6. Modelo HygroFlex de Rotronic.




En la tabla 3.4 se detallan y comparan de mejor manera las características de ambos

equipos.

Tabla 3.4. Comparación entre equipos de medición de Humedad y Temperatura.

CONSIDERACIÓN. HMT JMIndsutrial. Hygroflex Rotronic.

Función Sensor / Transmisor Sensor / Transmisor

Variables de

Medición

Temperatura /

Humedad

Temperatura /

Humedad

Rango de

Temperatura de -20 a 100ºC de -100 a 200ºC

Rango de Humedad 0 a 99.9% 0 a 100%

Precio Económico Costoso

Salida 4 - 20 mA 0 a 5 V, 4 a 20 mA

Protocolo de

Comunicación

Modbus RTU

(opcional) Ethernet

Protección IP54 (IP65 opcional) IP65

Montaje Pared, Ducto Pared

Alimentación 16 - 30 VCD 9 - 36 VCD

Tiempo de

Respuesta 1 segundo 1 segundo

Indicador LCD LCD

Presión en

ambiente 10 bar 40 bar

El sensor Hygroflex presenta un rango de medición de temperatura que no será

necesario ocupar, además está diseñado para trabajar en condiciones ambientales

desgastantes para el equipo, y ya que en el proceso no existen condiciones severas de

trabajo, este equipo queda descartado.




La tabla 3.4 muestra que el medidor que se apega de manera más estricta a las

necesidades del proceso, y que presenta un precio más accesible es el HMT

JMIndsutrial, razones por las cuales será utilizado en el cuarto de fermentación.

El número de parte del equipo, de acuerdo a las características deseadas queda de la

siguiente manera:

HTP - W - HT - Y - D - 3

Tipo:

W: Montaje en pared.

H: Ducto horizontal.

V: Ducto vertical.

S: Ducto separado.

Medición:

NT: Temperatura.

HT Temperatura y Humedad.

Display:

N: Sin display

Y: Con display.

Salida:

D: 4 – 20 mA.

8: RS485.

Tamaño cable (zonda):

3: 3 metros.

5: 5 metros.

10: 10 metros.




3.1.3 Elementos para automatizar la Temperatura y Humedad.

Mantener una temperatura y humedad ideal en el cuarto de fermentado son factores

importantes para que la levadura realice su función sobre el pan. Para producir calor en

el cuarto, se utilizará un calefactor radiante eléctrico de potencia considerable, capaz

de calentar a una temperatura de por lo menos 40 ºC una habitación de 16m2.

3.1.3.1 Calefactor Radiante.

Dos diferentes modelos de calefactores se comparan en la tabla 3.5 especificando sus

características para determinar cuál será la mejor opción para ser utilizada en el cuarto

de fermentación. Su tipo de operación es mediante radiación eléctrica, la cual transmite

energía sin necesidad de un medio físico a través de ondas electromagnéticas.

Tabla 3.5. Comparación entre calefactores radiantes eléctricos.

CONSIDERACIÓN ENERGOSTRIP

(EE42)

ENERGOINFRA

INDUTRY (EIR 4500)

Potencia 4200 Watts 4500 Watts

Construcción Paneles de

aluminio Chapa de acero

galvanizado

Alimentación 127, 230, 440/415

Volts 127, 230, 440/415

Volts

Dimensiones LxAnchxAlt

1680x430x50 1360x300x80

Distancia de temperatura en

Watts/m2 60 a 120 80 a 150

Instalación Techo Techo

Protección IP 44 IP 44

Costo Alto Promedio




El calefactor elegido, mostrado en la figura 3.7 es el ENERGOINFRA INDUSRTY

modelo EIR 4500, que suministra una potencia calorífica adecuada para el área en

donde se realizará el fermentado.

En comparación con el calefactor Energostrip el ENERGOINFRA INDUSRTY modelo

EIR 4500 tiene la misma protección industrial que el Energostrip pero a un menor

costo.

Figura 3.7. Calefactor Radiante Eléctrico.

Para realizar el encendido y apagado del calefactor, se requiere de un contactor que

conmute la alimentación eléctrica de este. Este contactor es necesario ya que las

salidas de voltaje del PLC son 127 volts, por lo que no están diseñadas para trabajar

con cargas que manejan cantidades grandes potencias.

En la tabla 3.6 se muestra la comparación entre dos diferentes contactores (Rockwell

Automation y Sanyou Relays).




Tabla 3.6. Comparación entre Contactores.

CONSIDERACIÓN Rockwell

Automation Sanyou Relays

Capacidad de

voltaje en contacto 240 VCA-15 Amp. 240 VCA-25 Amp.

Capacidad de

voltaje en la bobina 6…..240 VCA- 1.9 VA 6…….48 VCD

Duración eléctrica 100 000 mín.

Operación continua

200 000 mín.

Operación

continua

Duración mecánica 20 x 106 ciclos

(CA/CC) No especificada

Tiempo de

Accionamiento 10 ms 20 ms

Tiempo de

desconexión 10 ms 20 ms

Protección IP 40 IEC 255.part 1-

00/VDE 0435

Terminales 2 polos 2 polos

Numero de

contactos 2 NA/NC 1 NA/NC

Rango de

Temperatura de

funcionamiento

de -40 a70 °C de -25 a 70 °C

El modelo 700-HA32A2 de Rockwell Automation es el relevador que cumple con la

demanda exigida por los calefactores, además cuenta con un contacto más por si se

requiere o se daña, su tiempo de accionamiento es más corto lo que proporcionará una

respuesta más rápida para alimentar al calefactor y lo más importante, el voltaje de

alimentación en la bobina puede ser alimentada por el controlador por consiguiente se

logra reducir el uso de fuentes de alimentación diferentes a la que se tiene.




3.1.3.2 Humidificador.

Para aumentar la humedad relativa en el cuarto, se hará uso de un humidificador. Los

humidificadores crean vapor de agua y los distribuyen en el aire para aumentar la

humedad.

Para realizar la selección de un humidificador se debe de tomar en cuenta su principio

de funcionamiento, su distribución de vapor en el aire y su distancia de actuación. En

la tabla 3.7 se comparan dos humidificadores con diferente modo de vaporización.

Tabla 3.7. Comparación entre humidificadores.

CONSIDERACIÓN Por Nebulizador-Pulverizador

H2OTEK (HR-300 )

Por atomización aire/agua

FOG SYSTEM (MCR15)

Sistema Sin boquillas Mediante boquillas

pulverizadoras

Tipo Spray centrifugo Boquilla Venturi

Numero 1 disco 1-15

Capacidad (lts/hr) 48 ajustable manual 120 ajustable por señal

Alimentación

eléctrica 120 Volts/60 HZ

Regulación de boquillas con

una señal de 0-10 Volts

(opcional)

Costo Medio Medio

Suministro de

aire

Por ventilador

5.880 m3/hr

Por compresor

4.8 lts/min

Suministro de

agua

Presión de red o bomba

1-6 bar Presión de red

Alcance 275-400 m2 en un sola dirección 200 m2 en múltiples

direcciones

Entrada A relevador

127/220 volts

A relevador

127/220 volts




El humidificador por nebulizador-pulverizador transforma un líquido pulverizándolo en

un vapor fino, y por medio de un spray lo suministra con ayuda de una fuente de aire

para esparcirlo, mientras que por atomización pulveriza el agua en pequeñas gotas del

orden de micras y con aire comprimido lo esparce al ambiente.

El equipo seleccionado es humidificador por atomización de aire/agua FOG SYSTEM

modelo MCR15 (figura 3.8) permite una mejor distribución al realizarse por medio de

boquillas que se pueden acomodar al tamaño de la cámara, en vez de requerir varios

equipos para distribuir correctamente toda el área. Además, este modelo tiene la

potencia suficiente para aumentar la humedad del cuarto.

Figura 3.8 Humidificador por atomización MCR15.

El humidificador solo cuenta con dos fuentes de alimentación: agua y aire, las cuales

son reguladas con electroválvulas (on/off) incluidas en el paquete ya que no es

necesario regular su caudal solo basta con mandar estos fluidos hacia el humidificador

y este se encargara de mezclarlos a cierta presión para alcanzar la humedad necesaria

en el medio ambiente de la cámara. Las electroválvulas cuentan con una alimentación

de 110 VCA en la solenoide, 2 posiciones (entrada-salida) con ½ pulgada de diámetro y

soportan una presión de trabajo de 12 bar, así regulan los flujos hacia el dispositivo.




3.2 HORNEADO.

3.2.1 Variables que intervienen en el Horneado.

En el horneado del pan, se usa un lazo abierto tal y como se muestra en el diagrama

de bloques de la figura 3.9.

Figura 3.9. Diagrama de bloques del Proceso de Horneado.

Dónde:

Variable manipulada: Flujo de gas.(m3/s)

Variable controlada: Temperatura.( ºC)

El operador ajusta la apertura de la válvula de gas para lograr que el horno alcance la

temperatura de 180º C, necesaria para la cocción de la masa. La temperatura

alcanzada al interior del horno varía durante todo el proceso, lo que obliga al operador

a abrir y cerrar ligeramente la válvula guiándose al observar la lectura dada por el

medidor analógico de temperatura.

Si se abre demasiado la válvula, la temperatura se eleva a más de 180 º C y para

volver a regularla al punto de ajuste necesario se tiene que esperar un poco de tiempo,




esto es porque el interior del horno está diseñado para conservar calor, y cualquier

acción que se toma para disminuir la temperatura se vuelve más lento en comparación

a si se quisiera aumentar. Esto puede ocasionar que el pan se queme.

La propuesta de automatización para esta parte del proceso es a partir de la lógica del

programa que se realizara en el PLC, comparar la temperatura del horno con la

deseada para mantenerse en un rango y lograr un horneado óptimo y que el panadero

no se preocupe de que el producto salga con quemaduras o crudo

3.2.2 Instrumentación en el Horneado.

En la etapa de horneado la única variable que se requiere medir y mantener en un

rango es la temperatura.

Existen una gran cantidad de sensores capaces de medir la temperatura en el medio

que los rodea. Se clasifican de acuerdo a la manera en que convierten el cambio de

temperatura a señales eléctricas.

En el sector industrial, podemos encontrar en su mayoría tres grandes tipos de

sensores de temperatura: los Termistores, los Detectores de Temperatura Resistivos

(RTD) y los Termopares.

Básicamente funcionan de la siguiente manera:

Los termistores son elementos semiconductores que cambian su resistencia cuando su

temperatura varía.

En los RTD al aumentar la temperatura en la terminal metálica del sensor,

proporcionalmente aumenta la resistencia al paso de corriente.




En los termopares, cuando se aplica calor a la unión de dos alambres de distinto

material, se genera una pequeña diferencia de voltaje en milivolts. Este voltaje aumenta

junto con la temperatura sensada en la unión bimetálica.

3.2.2.1 Selección del Tipo de Sensor.

Los termistores son dispositivos semiconductores normalmente usados en aplicaciones

electrónicas para activar sistemas de enfriado para circuitos integrados. Su uso

requiere de una etapa de potencia y linealización que normalmente se diseña con

amplificadores operacionales y transistores. Además su rango de medida es muy corto,

yendo de -80 ºC a 150ºC como máximo. Por lo que su implementación en el proceso

queda descartada.

Para poder seleccionar el sensor adecuado, las características principales de los

termopares y RTD´s se analizan en la tabla 3.8.

Dentro de las características mostradas en la tabla 3.8. Se puede apreciar que ambos

sensores cumplen con el rango de temperatura requerido.

Considerando las necesidades del proceso, las ventajas más sobresalientes del RTD

respecto al termopar son: la precisión, la estabilidad y su menor susceptibilidad para

perturbaciones eléctricas.

En caso contrario, las ventajas del termopar sobre el RTD son: respuesta más rápida,

menor precio, menor tamaño, no requiere fuente de alimentación y su sensibilidad en la

punta.




Tabla 3.8. Comparación de las características RTD vs Termopar.

Por lo tanto se concluye que el tipo sensor a utilizar en la panificación será el termopar.




3.2.2.2 Selección del Termopar.

Los termopares se clasifican en base al material del que están hechos y la temperatura

que pueden sensar. Esta clasificación se muestra en la tabla 3.9.

Tabla 3.9. Tipos de Termopares.

Material Rango de

Medición

“J“ Hierro-Constantán -0 - 760 °C.

“K“ Cromel-Alumel -200 + 1370 °C.

“T“ Cobre-Constantán -200 + 350 °C.

“E“ Cromel-Constantán -200 + 1250 °C.

“R“ Platino-Platino-Rhodio 13% 0 + 1450 °C.

“S“ Platino-Platino-Rhodio 10% 0 -1450 °C.

“B“ Platino Rhodio 30% -Platino

Rhodio 6% 0 -1700 °C.

Dentro de esta clasificación existe otra más detallada (tabla 3.10) que se enfoca en el

calibre del cable de la unión de los materiales metálicos en la punta del termopar.

Los calibres de esta unión van desde el numero 8 AWG (American Wire Gauge) o 3.25

mm hasta el 24 AWG o 0.51 mm.




Tabla 3.10. Calibres de la unión bimetálica.

Calibres AW6 - Expresados en

Milímetros

Tipo de

Termopar 8= 3.25 14= 1.63 20= 0.81 24= 0.51

J 760°C 590°C 480°C 370°C

K 1260°C 1090°C 980°C 870°C

T

370°C 260°C 200°C

E 860°C 650°C 540°C 430°C

R

1480°C

S

1480°C

B

1700°C

A partir de esta información se define que el Termopar tipo J calibre 24 AWG es

adecuado para ser instalado en las etapas de fermentación y horneado.

Finalmente la forma del termopar que se busca es tubular, hecho de acero inoxidable

(para la industria alimenticia) con termopozo para mayor durabilidad y protección.

El modelo exacto que se requiere pertenece a la marca JM Industrial, Soluciones

Integrales en Temperatura (Figura 3.10). El modelo y las características del Termopar

son:




Modelo: JMI-102-111-55-5CM-XB-50CM-1.

Características:

Termopar: Tipo J.

Calibre: 24 AWG

Conexión: 2 hilos.

Unión: Protegida.

Diámetro: 3/16” (.476cm).

Material: Acero Inoxidable 316.

Longitud del Termopozo: 5cm.

Conector Deslizable: No.

Aislante: Teflón. (FEP).

Longitud total: 50cm.

Terminales: Zapatas.

Figura 3.10. Termopar JMI 102.

3.2.2.3 Selección del Transmisor de Temperatura.

La señal eléctrica entregada por la salida del termopar está dada en mili volts. Esta

relación de grados centígrados y milivolts no es lineal. Lo que significa que el

incremento o decremento de la salida de voltaje será diferente para cada entrada de




temperatura, en pocas palabras no será proporcional. Depender directamente de esta

señal significaría tener errores en la medición de temperatura.

Para acondicionar la salida de cualquier sensor, sea de presión, nivel, temperatura,

flujo etcétera, existen los transmisores.

La señal eléctrica de salida de los transmisores de temperatura está normalizada en

escala y unidades y puede estar dada entre los siguientes valores: de 4 – 20 mA, de 0

a 5 V, de 0 a 10V y de -5 a 5 V.

Por lo que, para mandar la señal de la variable de proceso al controlador se requiere de

un transmisor de temperatura.

El tipo de señal analógica que se usará en la transmisión de temperatura será

corriente eléctrica de 4 a 20 mA por los siguientes motivos:

No presenta caídas de tensión como las señales de voltaje.

Es más fácil diagnosticar fallas, ya que la corriente depende de una tensión.

La mayoría de equipos de transmisión en la industria usan esta señal para la

transmisión de señales. Con el tiempo se vuelve tendencia de normalización.

Entre las diferentes marcas que ofrecen en los transmisores de temperatura tenemos a

Rousemount de Emerson y a Instycal. Las características de los transmisores de cada

marca se muestran en la tabla 3.11.




Tabla 3.11. Comparación entre transductores.

Consideración Rousemount Instycal

Termopar Tipo J, K, T, R, E, S, B, N J, K, N, R, S T.

Salida Analógica 4 - 20mA 4 -20 mA

Precio Costoso Económico

Protocolo de Comunicación

HART No

Montaje

Riel Din Riel Din

Cabezal Cabezal

Sobrepuesto Sobrepuesto

Conexión de salida 2 hilos 2 hilos

Fuente de Alimentación

Externa Necesaria Necesaria

Alimentación 12 - 42 VCD 8 - 30 VCD

Velocidad de Respuesta

0.5 Segundos 0.5 Segundos

Ambiente de trabajo

de -40 a 85 º C de -20 a 70ºC

Como se puede observar, las características del transmisor de Rousemount como la

variedad de termopares que se pueden conectar, el protocolo de comunicación HART

que ofrece, y su amplio ambiente de trabajo le dan ventajas, pero estas características

no son requeridas en el proceso, ya que el sensor de temperatura elegido no maneja

protocolo de comunicación y el ambiente de trabajo en la panificadora se encuentra

entre los 10 a los 40º C de temperatura. Por otro lado la velocidad de transmisión es la

misma para ambos, pero la diferencia de precios hace que el transmisor Instycal sea la

opción más adecuada por cumplir con las características justas requeridas por el

proceso y ser más económico.




Dentro de la gama de transmisores Instycal encontramos 2 modelos principales con las

mismas características, difiriendo solo en el tipo de montaje: en Riel Din y sobrepuesto

en cabezal (en forma de galleta para ser montado sobre el termopar).

Ya que el termopar estará ubicado en el horno, el transmisor no podrá ser instalado

sobre este. Por lo que el modelo de transmisor montable en Riel Din se convierte en la

opción más factible, pues se pretende que otros elementos como el controlador

también tenga este tipo de montaje.

El modelo y los datos más importantes del transmisor seleccionado se indican a

continuación (figura 3.11):

Marca: Instycal

Modelo: SEM 1500/TC

Entrada:

o Termopares tipo J, K, N, R, S, T.

o Voltaje: -5 a +50 mV.

o Impedancia: 1 MΩ.

o Compensación automática para unión en frio.

Salida:

o 4 a 20 mA – 2 Hilos.

o Lineal con error del ± 0.005%.

o Protegido por Sobrevoltaje y Polaridad inversa.

o Respuesta: 0.5 segundos.




Figura 3.11. Transmisor de Temperatura SEM 1500/TC.

3.2.3 Automatización del Flujo de gas en el Horno.

Para mantener en un rango ideal de un fluido, en este caso gas, se realiza por medio

de válvulas. Existen dos tipos de acuerdo a la cantidad de fluido que permiten pasar:

Válvula On/Off: Estas solo pueden adoptar dos estados, abierto o cerrado, o lo

que es lo mismo, permite o no el paso del fluido a través de ellas.

Válvula de Control: Estas cuentan con un servomecanismo que regular la

apertura de la válvula, pudiendo con esto, variar la cantidad de fluido que circula

a través de ella.

Utilizar una válvula on/off significaría estar prendiendo y apagando la llama

constantemente, lo que produciría que la temperatura estuviera disminuyendo y

aumentando su valor alrededor del setpoint durante todo el proceso. Si se presentara

alguna perturbación externa, esta variación sería mucho mayor.




En cambio, usar una válvula de control permitirá mantener una apertura fija exacta en

la válvula para mantener constante la temperatura y en caso de que se presenten

perturbaciones, el controlador mandará la acción correctiva a la válvula para que esta

se abra o cierre lo suficiente para volver a estabilizar la temperatura.

3.2.3.1 Selección de la Válvula de Control.

La válvula de control tendrá la función de regular la cantidad de gas suministrada en la

combustión del horno. Al recibir la señal del PLC de 20 mA esta deberá de alcanzar su

apertura máxima, al recibir 4 mA deberá de llegar a su apertura mínima. A esto se le

conoce como acción directa

Las principales características que se deben considerar al seleccionar una válvula de

control son: el diámetro de la válvula, que estará dado por el diámetro de la tubería de

gas que en este caso es de ½ pulgada (DN 15), el material con el que está fabricada, el

tipo de acción (directa o inversa), la señal de activación, el tipo de accionamiento y la

presión máxima de gas que circula atreves de esta tubería, que en el horneado es de

75 psi (5.17 Bar).

Samson y Metso son dos marcas dedicadas a la elaboración y venta de todo tipo de

válvulas, incluidas las de control.

En la tabla 3.12. Se comparan sus principales características.




Tabla 3.12. Comparación entre válvulas de control.

Consideración Metso Samson

Tamaño de tubería

15 a 400 mm o 1/2" 15 a 300 mm o 1/2"

Material Titanio Acero Forjado

Tipo de Acción Directa Directa

Señal de Consigna

4 - 20 mA 4 - 20 mA

Tipo de Accionamiento

Neumático Eléctrico

Presión Nominal 10 a 40 bar 10 a 16 bar

Conexión Bridada Bridada o Rosca

NTP

Alimentación Eléctrica

No necesaria 24 Volts

Alimentación Neumática

10 bar No necesaria

Rango de Temperatura

de -40 a 260ºC de - 10 a 220ºC

En la tabla se puede observar que la válvula marca Metso tiene accionamiento

neumático. Esto significa que la regulación de la apertura de la válvula se realiza por

medio del equilibrio de fuerzas entre la presión de aire que pasa por un diafragma y la

resistencia mecánica que ofrece un resorte. Por otro lado, el tipo de accionamiento

eléctrico que tiene la válvula Samson funciona por medio de un servomotor que varía la

apertura por medio de un mecanismo acoplado a su flecha. Dado que en el proceso no

se cuentan con sistema neumático para accionar la válvula, y en cambio se cuenta con

fuente eléctrica que será usada además para conectar otros dispositivos, será la

válvula Samson (figura 3.12) la que se ocupara en el proceso.

Los datos de la válvula dimensionada son los siguientes:




Tipo: Válvula de control eléctrica con función de seguridad Samson.

Número de parte: 3213.

Aplicación: Válvula de paso recto de gas, para aplicaciones de control de

temperatura como calefacción, horneado o suministro de calderas.

Diámetro Nominal: 1.27cm o 1/2".

Presión Nominal: 16 Bar.

Conexión: Bridada.

Material: Acero al carbono.

Las características del accionador eléctrico con el que viene acoplado la válvula son:

Número de parte: 5825.

Alimentación: 24 Volts.

Frecuencia. 50-60 Hz.

Protección IP: 54

Carrera: 12 mm (1.2cm)

Fuerza de Empuje: 500N

Tiempo de recorrido: 8 segundos.

Figura 3.12. Válvula de Control Samson.




3.2.4 Movimiento de Columpios en el Horno.

Con el fin de reducir el tiempo de inserción y retiro de charolas, y hacer esta tarea más

sencilla también se propone hacer un arranque, paro e inversión de giro del motor

trifásico para la posición de los columpios al momento de meter o sacar charolas del

horno. Además, al instalar un sensor en la puerta del horno, se pretende lograr que los

columpios del horno se detengan justo cuando el columpio esté en posición para

colocar o retirar una charola.

El horno cuenta con 5 columpios distribuidos alrededor de un eje (figura 3.13). El eje es

impulsado por un motor trifásico conectado a un sistema de transmisión de movimiento

constituido por una polea, un motoreductor y una cadena, que hace que la velocidad de

giro de la flecha del motor baje de 1730 RPM baje a 0.66 RPM. Es decir, la velocidad

con la que giran los columpios es mucho menor, dando los columpios una vuelta

completa sobre su eje cada 1.51 segundos aproximadamente.

Figura 3.13. Corte de la Vista Lateral Derecha del Horno del Columpios.




Para realizar el arranque, paro e inversión de giro del motor, se requieren dos clases de

elementos, los de control y los de fuerza. Los elementos de control en este caso serán

proporcionados por los módulos de entradas y salidas del PLC y por su lógica de

programación (realizada en el software). Los elementos de fuerza están conformados

por los contactores necesarios para hacer la conmutación entre las líneas de

alimentación, y los relevadores por sobrecarga, encargados de la protección del motor

en caso de una falla.

3.2.4.1 Contactor magnético.

Son elementos de mando que permiten conectar o desconectar al motor a la fuente de

alimentación trifásica, soportar y mantener corrientes elevadas mediante contactos

eléctricos accionados por una bobina que genera un campo magnético que es capaz

de cerrarlos. El contactor magnético facilita la acción al ser activados a distancia y evita

la intervención de la mano humana. Su selección se basa en las características

eléctricas del motor ocupado en el proceso:

Motor Trifásico Inducción Abierto

Corriente Nominal: 3 amperes.

Corriente de arranque: 7.2 min. - 9.6 máx. amperes

220 volts de CA

0.75 HP

Eficiencia 70%

1730 RPM

La marca Schneider Electric maneja todo tipo de contactores, siendo la TeSys K series

de 0.06 kW a 5.5 kW (Schneider Electric) la que cumple con las necesidades que

requiere el motor para entrar en funcionamiento.




El modelo del contactor seleccionado es LC1-K1210 tripolar (figura 3.14) y tiene las

siguientes características: 5.5 kW hasta 440 volts con una corriente de 12 amperes y

con tensiones habituales de alimentación en bobina de 24, 110/220 volts a 50/60 Hz y

los conectores son iguales para toda la serie.

Figura 3.14. Contactor LC1-K1210.

3.2.4.2 Sobrecarga.

El motor puede sufrir un exceso de corriente o una pérdida de fase del sistema trifásico

de alimentación, lo cual provoca un calentamiento en los conductores mediante los

cuales circula el flujo de corriente, por lo tanto los relevadores térmicos (sobrecarga)

impiden estas perturbaciones en el motor interrumpiendo la alimentación al motor

basándose en este principio que circule más corriente de la que puede soportar.

De igual manera que en la selección del Contactor, seleccionaremos una marca líder y

experta en distribución eléctrica (Schneider Electric) para seleccionar las protecciones

por sobrecarga del motor:




Serie TeSys LR2 k - Relevadores térmicos de protección de 0.06 kW a 5.5 kW

(Schneider Electric) fue escogido para tal función presentando las siguientes

características:

Relé tripolar de sobrecarga térmica con reinicio manual o automático de 0,11 a

16 A y de 0,06 a 5.5 kW

Reinicio manual y automático

Aleta sellable

Juego de precableado

Bornero para montaje separado

Reinicio eléctrico remoto

Se puede combinar con contactores TeSys k en un espacio de 45 mm de ancho

Conectores: terminal de resorte, abrazadera de fijación.

El relevador LR2-K0316 tripolar de 8 a 11,5 amperes y una tensión de empleo de hasta

690 volts con restablecimiento manual y automático se muestra en la figura 3.15.

Figura 3.15. Relevador LR2-K0316 tripolar.




3.3 EMPAQUETADO.

3.3.1 Variables que intervienen en el Empaquetado.

Para la actividad en el empaquetado que se realiza actualmente en el empaquetado,

específicamente en el sellado de las bolsas es de tipo manual on/off. Cuando la

selladora alcanza una temperatura muy alta y empieza a quemar la bolsa, el usuario

corta la alimentación (desconecta la clavija) para que las resistencias se empiecen a

enfriar. Cuando la temperatura de esta ya no es suficientemente alta para realizar el

sellado, el encargado vuelve a conectar la selladora a la corriente eléctrica para que

aumente su temperatura nuevamente. Esta acción se realiza constantemente hasta

que se termina de sellar el producto.

La propuesta de automatización en el empaquetado consiste en construir e instalar en

las selladoras un circuito electrónico recortador de fase. Con este circuito el operador

podrá manipular la temperatura de la selladora, de tal manera que ya no tendrá que

conectarla y desconectarla. Con esto se pretende que esta tarea se vuelva más

sencilla, que se elimine el tiempo muerto resultante de esperar a que la selladora

alcance la temperatura exacta y que se supriman los residuos generados por las bolsas

quemadas o mal selladas.

La automatización propuesta se hará con el circuito eléctrico, ya que un control a lazo

cerrado no sería conveniente por los siguientes criterios:

Los sensores y transmisores de temperatura requeridos para lograr el lazo

cerrado, resultan muy caros a comparación de los elementos electrónicos

requeridos para el lazo abierto.




En la panificadora se trabaja simultáneamente con un número de 5 a 10

selladoras en la etapa de empaquetado. Realizar un lazo cerrado para cada

selladora sería incosteable.

La calidad y el grosor del papel celofán de las bolsas compradas con un

proveedor externo, varían demasiado. Al aplicar una estrategia de lazo cerrado

se tendría que reprogramar el setpoint del controlador constantemente.

Para realizar el circuito y poder manipular la temperatura de la selladora, primero se

debe conocer el comportamiento del circuito eléctrico que representa a la selladora

(figura 3.16).

Figura 3.16. Selladora de bolsas (circuito eléctrico).

La selladora está diseñada para generar calor en sus resistencias (superior e inferior),

para poder fundir el papel celofán de las bolsas en las que es guardado el pan dulce.

Circular corriente eléctrica por las resistencias produce calor, el cual llega a alcanzar

los 200ºC. En ocasiones esta temperatura es elevada ya que quema el papel celofán,

que varía su calidad y grosor según el tipo de pan a empaquetar. Por tal motivo se

requiere que el usuario manipule la temperatura de la selladora para que la bolsa de

empaque no se queme.

De acuerdo a mediciones tomadas en la selladora se determinaron los datos mostrados

en la tabla 3.13.




Tabla 3.13. Mediciones en la selladora.

Parámetro Valor

Voltaje de Alimentación. 127 VCA

Temperatura Máxima 200 ºC

Resistencia Superior 186 Ω

Resistencia Inferior 186 Ω

La temperatura que alcanzan las resistencias de la selladora, está relacionada con la

cantidad de corriente eléctrica que circula por ellas. Por tal motivo se debe calcular la

corriente que circula por cada una de ellas.

A partir de los datos conocidos, se calculará primero la resistencia equivalente de la

selladora. Como se encuentran en paralelo, se utilizara la fórmula 3.3.

𝑅𝑒𝑞 =1

1R1

+ 1

R2

= 1

1186 Ω

+ 1

186 Ω

= 93Ω (3.3)

En donde:

R1 = Resistencia Superior.

R2 = Resistencia Inferior.

Req = Resistencia Equivalente.

Con el valor de la resistencia equivalente se puede conocer la corriente total con la

ecuación 3.4 a partir de la ley de ohm.

IT=V

Req=

127 V93 Ω

=1.365 A (3.4)




En donde:

IT = Corriente Total.

V = Voltaje de Alimentación.

Para conocer la corriente que circula por cada resistencia a partir de los datos ya

obtenidos, se requiere emplear la Ley de Tensiones de Kirchhoff en el circuito eléctrico

de dos mallas (figura 3.17).

Figura 3.17. Circuito Eléctrico para análisis de mallas.

La ley de tensiones de Kirchhoff menciona que: “En un lazo cerrado, la suma de todas

las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada” (formula 3.5). La tensión

suministrada es la del suministro eléctrico (127 V). La tensión consumida es la que

circula por cada resistencia.

𝑉𝑇 = 𝐼𝑅1 + 𝐼𝑅2 + 𝐼𝑅3 … + 𝐼𝑅𝑛 (3.5)

En la primera malla:

127 𝑉 = 186 𝑥 − 186 𝑦 (3.6)




En la segunda malla:

0 𝑉 = 372 𝑦 − 186 𝑥 (3.7)

Resolviendo el sistema de ecuaciones dado por las dos mallas, se obtienen valores de:

X = 1.365 A

Y = 0.682 A

Finalmente para conocer la corriente que circula en cada resistencia (expresión 3.8) se

observa el comportamiento de esta en la figura 3.18.

Figura 3.18. Comportamiento de la corriente.

𝐼𝑅1 = 𝑋 − 𝑌 = 1.365 𝐴 − 0.682 𝐴 = 0.682 𝐴 (3.8)

𝐼𝑅2 = 𝑌 = 0.682 𝐴 (3.9)

De tal modo que las resistencias de la selladora están diseñadas para alcanzar una

temperatura de 200º C al consumir 0.682 A. Dado que el material con el que están

hechas no se puede modificar, la única manera de varia la corriente que pasa a través

de ellas es manipulando el voltaje en cada una. Las resistencias se encuentran en




paralelo a la fuente, por lo que al disminuir el voltaje en esta, disminuirá también en las

resistencias.

Un circuito electrónico capaz de recortar el voltaje de alimentación de una carga es el

que se muestra en la figura 3.19.

Figura 3.19. Circuito Recortador de Onda.

Para especificar los elementos electrónicos es necesario realizar el análisis del circuito

recortador de onda.

Para manipular el voltaje eficaz que alimenta a la selladora, el circuito propuesto

funciona mediante un Triac que cambia de modo de conducción a corte dependiendo

de si su compuerta (Gate) está alimentada. Este Triac requiere de un circuito

controlador de fase (conformado por un arreglo de una resistencia y un capacitor para

aprovechar la carga y descarga de este último) que determinará el tiempo de corte y

conducción.

Como la selladora trabaja con Corriente Alterna a 60 ciclos por segundo (Hertz), se

requiere que el controlador de fase corte a la onda senoidal antes de cada semiciclo.

Por lo que se debe de obtener el periodo de cada ciclo de la onda y después dividirlo

entre dos.




𝑇 =1

𝑓=

1

60 𝐻𝑧=

0.166

2= 8.33𝑚𝑠 (3.10)

El tiempo de disparo del Triac determinado por el producto de la resistencia y el

capacitor se muestra en la expresión 3.11, debe ser menor a 8.33ms.

𝑇 = (𝑅1 + 𝑅2)(𝐶) (3.11)

En donde R1 es una resistencia de protección, a la cual se le dará el valor de 100 Ω

para hacerla despreciable en los cálculos.

R2 será una resistencia variable (Potenciómetro) a la que se le asignará un valor

comercial de 100kΩ para facilitar su obtención.

Para calcular el valor del capacitor se despeja C de la fórmula 3.12.

𝐶 =8.33𝑚𝑠

100𝑘Ω= 83.33𝑝𝑓 (3.12)

Como la compuerta del Triac se conmuta de corte a conducción a causa de una

corriente eléctrica, se requiere de un Diac que suministre ésta. Los Diac’s son

dispositivos bidireccionales que conducen a partir de un voltaje de ruptura de 35 volts.

Esto causa que el ángulo y tiempo de corte de onda se vuelva imposible hasta antes de

este valor. Para calcular el ángulo mínimo de corte del Triac se emplea el análisis de la

ecuación 3.13.

𝑉𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 sin 𝑤𝑡 (3.13)

𝑉𝑝 = (1.41)𝑉𝑎 = (1.41)(127 𝑉𝑟𝑚𝑠) = 179.07 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 (3.14)




𝛼 = 𝑤𝑡 = sin−1 (𝐸𝑎

𝐸𝑝) = sin−1 (

35 𝑉

179.07 𝑉𝑟𝑚𝑠) = 11.27° (3.15)

La carga y descarga del capacitor se repite tanto en el medio ciclo negativo, como en el

positivo, por lo que el recorte de onda se ve reflejado en ambos. Esto disminuye el

valor eficaz de la tensión (Vrms). En la figura 3.20. Se muestra la comparación entre el

Voltaje de alimentación, el disparo del Diac y el voltaje final recortado suministrado a la

carga.

Figura 3.20. Voltaje vs Tiempo en el disparo del Diac.

3.3.2 Dispositivos Electrónicos requeridos en la Selladora.

Los elementos electrónicos para realizar el circuito controlador de temperatura son los

siguientes:

TRIAC.

DIAC.

CAPACITOR.




RESISTOR.

POTENCIOMETRO.

INTERRUPTOR COLA DE RATA 1 POLO Y 1 TIRO.

Para seleccionar los elementos como el capacitor, el Triac y el Diac, se requiere

conocer la Tensión y Corriente que consumirá el circuito. Por lo que deberán de

soportar al menos 127 VCA y 1.35 Ampers.

En el caso del Triac, en catálogos de distribuidores de material electrónico, los valores

más cercanos a la corriente y tensión de trabajo son 200 Volts a 4 Ampers. El Triac que

cuenta con estas características es el modelo 2N6071A (figura 3.21) con encapsulado

TO-225.

Figura 3.21. TRIAC 2N6071A.

Para el Diac, existe un criterio extra que es el voltaje de ruptura, es decir la tensión

mínima con la que el Triac conmutara su estado de corte a conducción. El valor

requerido será el más comercial que es de 35 Volts. El Diac seleccionado es el DC34

(figura 3.22) con voltaje de ruptura de 35 volts, soporta 2.0 Ampers y una temperatura

de 50 ºC.




Figura 3.22. Diac DC34.

Debido a que se está trabajando con corriente alterna, el capacitor empleado no deberá

tener polarización. El capacitor de Poliester (figura 3.23) es el que cumple con estos

requerimientos, en el mercado el valor próximo al obtenido en la ecuación 3.12 es el

modelo 224k (0.22 µf) a 250 volts.

Figura 3.23. Capacitor de poliester 224k.

3.4 SELECCIÓN DEL CONTROLADOR.

La automatización del horneado y del fermentado se hará por medio de un Controlador

Lógico Programable (PLC).

Este controlador deberá tener la opción de trabajar con entradas/salidas digitales y

analógicas, estas últimas específicamente de corriente eléctrica de 4 a 20 miliAmperes




[mA]. Además, se requiere que sea de tipo modular, es decir, que en un futuro se

puedan agregar nuevas tarjetas de entradas y salidas, para el caso en que se realice

también la automatización de las demás etapas del proceso.

Dos controladores de las marcas más conocidas en el mercado que cumplen con estos

requerimientos son el SLC500 de Allen Bradley y el S7-1200 de Siemens.

Los dos son controladores modulares, capaces de trabajar con señales analógicas.

También ambos modelos cuentan con una larga trayectoria en el sector industrial y se

siguen teniendo demanda en el mercado.

Las principales características de cada uno se enlistan en la tabla 3.14.

Tabla 3.14. Características entre el PLC SLC500 y S7-1200.

Consideración. SLC500 CPU 5/05

L552 S7-1200 CPU 1214

Fuente Conmutable Conmutable

Alimentación de Fuente

12 - 48 VCD, 120 - 250 VCA

120 - 230 VAC

Alimentación de CPU

24 Volts 24 Volts

Tipo Modular Por tarjetas I/O Por Bloques

Memoria de instrucciones

32 KB 50KB

Protocolo de Comunicación con

PC Ethernet/IP Profinet, Profibus

Puertos de Comunicación

DH+, DH485, RS232 RS232, Ethernet

Tiempo de Scan 1 ms 2 ms

Entradas y Salidas Digitales Máximas

8192 8192

Software de Programación

RSLogix 500 Step 7 Basic




Montaje Riel Din Riel Din

Estructura Física Montaje en Chasis (4,

7 o 13 Slots)

Bloques montables en Rail Din

interconectados

Precio Menor Mayor

Reloj Interno Si Si

Para un proceso simple de mínima demanda como lo es la panificación, cualquiera de

los controladores cumple sin problemas las demandas máximas requeridas.

Para realizar la correcta selección del controlador, se analizará también el software de

programación de cada uno (RSLogix 500 y Step 7 Basic).

Características de cada Software:

SIMATIC (Step 7 Basic): cuenta con 3 lenguajes de programación: Escalera

(KOP), Lista de Instrucciones (AWL) y Diagrama de Funciones (FUP). El

lenguaje por defecto es escalera, pero es posible saltar a los otros dos por

medio de subrutinas. Su interfaz gráfica en ocasiones se vuelve confusa. Las

instrucciones de programación principales (más usuales) se encuentran alojadas

en la parte superior de la ventana, pero opciones más específicas se tienen que

buscar en las librerías organizadas por categorías. Presenta detalles molestos,

como la necesidad de poner un contacto de activación para cada línea de

programación, aun cuando en esta se use un bloque que no la requiera. La

comunicación con PLC se realiza directamente desde esta ventana, siendo

también este software el que gestiona la conexión de otros dispositivos a la red.

No presenta un software para emular un programa antes de descargarlo al

controlador (los que existen fueron hechos por terceras personas) como apoyo

adicional al usuario.




RSLogix 500: presenta un lenguaje de programación en base escalera, pero

cuenta con una librería amplia capaz de facilitar instrucciones propias de otros

lenguajes. Su interfaz gráfica es amigable. Todas las instrucciones disponibles

para programación se encuentran clasificadas por categoría en la parte superior

de la ventana. Es posible colocar en una línea de programación algún bloque,

sin tener que poner algún contacto de activación antes. La comunicación con el

controlador se realizar por medio de otro programa (RSLinx) que permite

visualizar y gestionar de manera más fácil la red de dispositivos conectados.

Además cuenta con un emulador, que permite descargar los datos virtualmente

en este, permitiendo observar el comportamiento del programa cuando se

encuentra en modo RUN.

Las características del Hardware resultan muy similares entre sí, siendo el precio un

factor decisivo en la elección, por otra parte el software de Allen Bradley resulta más

cómodo para usuarios que no hayan trabajado con ninguna de las dos marcas. Por

tales motivos el controlador seleccionado será el SLC500 de Allen Bradley (figura 3.24).

Figura 3.24. Vista Frontal de un PLC SLC500 de Allen Bradley.




4 CAPÍTULO IV

INTEGRACIÓN DEL

SISTEMA PARA

CONTROL DE

VARIABLES.




4.1 INTEGRACIÓN DE ELEMENTOS.

En este capítulo se realiza la integración de los elementos de medición y transmisión

seleccionados anteriormente, se muestran los diagramas requeridos para la correcta

distribución de los dispositivos de campo, se detalla la interconexión de los elementos

entre sí, se mostrarán los pasos para configurar el software a usar y se desarrollará la

programación para el PLC y la HMI.

4.1.1 DTI del Cuarto de Fermentación.

Dentro del cuarto de fermentación se realiza el sensado de dos variables que son

medidas por la sonda del mismo equipo, por lo que se denominará “sensor

multivariable” (UE). Este sensor se encontrará colocado en el centro del techo del

cuarto destinado a la etapa de fermentado. Este equipo (Higrómetro HMT JMIndustrial)

es capaz por sí mismo de amplificar y acondicionar las señales y mandarlas por

separado en un rango de 4 a 20 mA por un transmisor de temperatura (TT) y un

transmisor de humedad (MT).

Después el controlador procesará las señales recibidas, ejecutara su lógica y mandará

una señal eléctrica a los elementos finales que son el humidificador y el calentador

radiante.

La figura 4.1 muestra el diagrama de tuberías e instrumentación del cuarto de

fermentado.




Figura 4.1. DTI del Cuarto de fermentado.

Los Tags usados se describen en la tabla 4.1.

Tabla 4.1. Tags usados en el DTI del Fermentado.

Tag. Significado

PLC Controlador Lógico Programable

ES Suministro Eléctrico

AS Suministro de Aire

WS Suministro de Agua

TT Transmisor de Temperatura

MT Transmisor de Humedad

UE Sensor Multivariable




El sensor multivariable manda internamente la señal a los transductores de humedad y

temperatura, seguidamente estos a su vez de manera independiente manda la señal

acondicionada (4- 20 mA) a las entradas analógicas del PLC. En el PLC se realiza la

lógica y paralelamente se puede gobernar y visualizar el estado de estas variables en

la HMI que se encuentra enlazada al controlador por medio de OPC (enlace de datos).

Finalmente las salidas digitales del PLC se conectan a los relevadores de control

(interno en el caso del humidificador). Estas conexiones se muestran en la figura 4.2.

Figura 4.2. Interconexión de la instrumentación en el cuarto de Fermentado.




4.1.2 DTI del proceso de Horneado.

En el DTI de la etapa de horneado (figura 4.3), se muestra la conexión del sensor, el

transmisor, el PLC y la válvula de control. En el mismo diagrama se representa

simbólicamente el acoplamiento mecánico que existe entre el motor y los columpios del

horno. Este motor también estará bajo control del PLC.

Figura 4.3. DTI del Proceso de Horneado.




La conexión física de los elementos requeridos para realizar la automatización de la

temperatura en el horno, así como la visualización en la HMI se muestran en la figura

4.4.

Figura 4.4. Interconexión de la instrumentación en el horneado.

Para realizar el arranque, paro e inversión de giro del motor trifásico, además del

programa realizado en el PLC se requiere también de un arreglo físico entre los

contactores que interrumpen la alimentación del contactor, con el fin de intercambiar

dos de sus tres fases para poder realizar el cambio de sentido de rotación. Este arreglo

y las conexiones se muestran en la figura 4.5.




Figura 4.5. Diagrama de fuerza para el arranque, paro e inversión de giro del motor

eléctrico.




4.2 Configuración para el PLC.

Como ya se había establecido, la automatización se llevará a cabo en un Controlador

Lógico Programable, de la marca Allen Bradley. El controlador modular SLC500 se

programa mediante el software RSLogix500.

4.2.1 Configuración del Software.

Antes de comenzar con los esquemas de la lógica de programación, se configurará el

software RSLogix500 para poder trabajar en él.

Como primer paso, se abrirá el programa y se iniciará un nuevo proyecto.

Inmediatamente aparecerá una ventana pidiendo que se especifique el tipo de

procesador. El procesador a usar será el 1747-L552 5/05 CPU 32 KB OS500.

Después se escogerá el número de slots del chasis y se darán de alta las tarjetas de

entradas y salidas requeridas. (Figura 4.6).

Figura 4.6. Configuración Tarjetas Entradas y Salidas.




En esta ventana se muestra el número de parte y la descripción de cada slot:

Slot 0. Datos del CPU del Controlador.

Slot 1. Tarjeta de 16 entradas digitales de 100 a 120 VCA.

Slot 2. Tarjeta de 16 salidas digitales por Triac de 100 a 240 VCA.

Slot 3. Tarjeta de 4 entradas analógicas (configurable).

Slot 4. Tarjeta de 4 salidas analógicas de corriente.

Slot 5. Libre.

Slot 6. Libre.

Ya realizado lo anterior, se procede a realizar la programación.

Como el PLC controlará las etapas de fermentado y horneado, se requiere elaborar en

software diferentes “Archivos de Programa” (LAD´s). En total se requieren de 3 LAD´s,

uno para el movimiento de los columpios del horno y el último para la manipulación de

temperatura y humedad en el cuarto de fermentado.

Para crear el LAD nuevo, se da click derecho en la carpeta de programa files ubicada

en el árbol del proyecto, y se selecciona la opción new. Aparecerá una ventana en

donde se podrá poner nombre al program file creado (figura 4.7).




Figura 4.7. Creación de un nuevo Program File en RSLogix500.

También se puede modificar el nombre del program file que abre el RSLogix desde el

principio, esto se hace dando doble click sobre el LAD 2, en este caso se llamará “MOV

HORNO”.

4.2.2 Escalamiento de Unidades.

Las tarjetas de entradas analógicas del PLC recibirán una señal eléctrica de 4 a 20mA,

la cual será procesada y convertida a unidades de ingeniería por el software y la misma

tarjeta. A la conversión de esta señal a unidades de ingeniería se le llama

“escalamiento”.

Para conocer el valor máximo que tendrá la señal analógica en unidades de ingeniería

se debe de conocer la resolución (la cantidad de bits) que puede procesar la tarjeta de

entradas analógicas.




El SLC500 maneja entradas y salidas de 16 bits (2 bytes). El último de estos bits (el bit

15) es usado como referencia, para conocer si existe o no una señal, y en algunos

casos para conocer su polaridad (+/-). Como cada bit puede tener 2 posibles estados, 0

y 1, la fórmula 4.1 nos determina la combinación de los dos diferentes estados en los

15 bits (sin tomar en cuenta el de referencia) del PLC es.

𝑁 = 215 = 32768 (4.1)

El resultado indica que podemos tener 32768 valores diferentes, como uno de esos

valores es el 0, entonces nuestras unidades de ingeniería van de 0 a 32767.

Esto significa que el valor que tomará el dato arrojado por la entrada analógica en el

software cuando el transmisor mande una corriente de 20mA será de 32767. Cuando el

transmisor mande 4mA el valor del dato en el software será de 0.

Para conocer el Setpoint en unidades de ingeniería se tiene que hacer una operación

de relación a partir de los datos ya conocidos.

El valor del setpoint en unidades de ingeniería puede encontrarse con la fórmula 4.2

realizando la siguiente relación:

𝑉𝑚𝑎𝑥 = 32767 𝑈𝐼 (4.2)

𝑆𝑃 = 𝑋 𝑈𝐼 (4.3)

Despejando a X en la relación.

𝑋 𝑈𝐼 =(𝑆𝑃∗32767 𝑈𝐼)

𝑉𝑚𝑎𝑥 (4.4)




En donde:

X UI = Setpoint en unidades de ingeniería.

SP = Setpoint en unidades de la variable del proceso.

Vmax = Valor máximo de la variable que el sensor puede medir.

Usando fórmula 4.4 con los datos obtenidos en el Capítulo 3 se obtiene la tabla 4.2.

Tabla 4.2. Relación entre Setpoint y Unidades de Ingeniería.

Variable de

Proceso

Valor Máximo

medido por el

Sensor

Setpoint en

unidades de la PV

Setpoint en

unidades de

Ingeniería.

Temperatura

(Horneado) 370 ºC 180 ºC 15940

Humedad

(Fermentado) 99.9% 70% 22959

Temperatura

(Fermentado) 100 ºC 45ºC 14745

4.2.3 Manipulación del Movimiento de los Columpios dentro del

Horno.

Dentro del horno, es necesario mantener en constante movimiento los columpios en

donde descansan las charolas. También se requiere que al momento de detener el

movimiento de los columpios, uno de ellos quede en la posición exacta frente a la

puerta del horno, de tal manera que el operador pueda extraer fácilmente la charola.

Además se pretender hacer reversible el giro actual que presenta el sistema de

movimiento, para poder regresar a un columpio en especial sin la necesidad de que

este de toda la vuelta.

Las propuestas de automatización para el movimiento del horneado son:




Arranque, paro e inversión de giro del motor.

Paro solo cuando el columpio se encuentre en la posición exacta.

Conteo de tiempo para cada ciclo de horneado.

Contador para detectar que columpio se encuentra cerca de la puerta.

En la tabla 4.3. Se muestran las etiquetas, direccionamiento y acciones o elementos

físicos que ayudan a entender el comportamiento de programa en escalera para el

movimiento dentro del horno.

Tabla 4.3. Elementos y Tags en el de movimiento del horno.

Dirección Etiqueta Elemento Físico / Acción

I1:0/0 Arranque Botón Normalmente Cerrado

I1:0/1 Paro Botón Normalmente Abierto

I1:0/2 Reversa Botón Normalmente Abierto

I1:0/3 Sensor Inductivo Sensor de Presencia Inductivo

O2:0/0 Motor CW Giro del Motor (Sentido horario)

O2:0/1 Motor CCW Giro del Motor (Sentido anti horario)

El programa para el movimiento de los columpios se muestra en la figura 4.8.




Figura 4.8. Diagrama Escalera del Movimiento de los Columpios.




4.2.4 Automatización de Temperatura y Humedad en el

Fermentado.

Como se analizó anteriormente, al aumentar la temperatura en un medio, la humedad

absoluta que soporta el aire es mayor, por lo que la humedad relativa disminuye.

La propuesta de automatización en el cuarto de fermentado es mantener ambas

variables en el punto deseado. La lógica del programa en el PLC consistirá en

manipular las variables por separado, cada una con su lazo cerrado.

Comenzará leyendo el valor de cada una de las variables de proceso, seguidamente

estos valores serán comparados. Cuando el valor de las PV´s sea menor al del

deseado, se mantendrá activada una salida que está conectada al radiador y al

humidificador para elevar la temperatura y la humedad. Cuando el valor de las PV´s

sea igual o mayor las fuentes de calor y humedad se mantendrán desactivadas.

En la figura 4.9 se muestra el diagrama en escalera de la programación de la anterior

rutina.




Figura 4.9. Diagrama Escalera de la etapa de Fermentado.




4.2.5 Manipulación de la Temperatura en el Sellado.

El circuito de fase fue simulado en el software de diseño electrónico Multisim (figura

4.10). En el circuito se agregaron diversos elementos como: carga RC correspondiente

a la resistencia de la selladora, una resistencia R1 de 100Ω para protección contra

corto circuito, un Potenciómetro (100kΩ), un capacitor de polyester para corriente

alterna de 0.22µF, el Triac 2N6071 y el DIAC DC34 (especificados en el capítulo 3).

Como se explicó anteriormente, el Triac solo actúa como conductor cuando circula una

corriente eléctrica por su compuerta. Por lo que el arreglo del Potenciómetro y el

Capacitor hacen que exista un retardo del voltaje que circula por el DIAC, que a su vez

alcanzando su voltaje de ruptura (32 Volts) hace que llegue corriente a la compuerta

del Triac y que este conduzca.

Figura 4.10 Diagrama electrónico para simulación.




Al usar un osciloscopio conectado en la RC (Selladora) y variar la resistencia del

Potenciómetro al 100% (100 kΩ) se obtuvo la forma de onda mostrada en la figura

4.11.

Figura 4.11. Forma de onda medida en Multisim.

En la figura 4.11 se observa que la onda senoidal fue recortada a un ángulo de casi

90º, siendo el máximo posible por el circuito electrónico. Se observa también que la

onda fue recortada en ambos semiciclos (positivo y negativo).

Después de simular el circuito este fue armado, primero en tablilla de pruebas

Protoboard utilizando los mismos elementos que en la simulación (figura 4.12)

Figura 4.12. Circuito eléctrico armado en protoboard.




Con ayuda de un Osciloscopio se realizó la medición de la onda senoidal en la carga.

El resultado obtenido se muestra en la figura 4.13.

Figura 4.13. Medición de la onda recortada con un osciloscopio.

Finalmente se realizaron algunas mediciones para determinar la relación de

temperatura, tensión y corriente eléctrica que circula por el circuito eléctrico. Los

valores de corriente, tensión, temperatura y resistencias se muestran en la tabla 4.4.

Tabla 4.4. Medición de parámetros en la Selladora.

Tensión (V) Resistencia (Ω) Corriente (A) Temperatura (ºC)

0 93 0 0

10 93 0.10752688 7.18

20 93 0.21505376 26.32

30 93 0.32258065 45.09

40 93 0.43010753 63.16

50 93 0.53763441 83.46

60 93 0.64516129 101.92

70 93 0.75268817 118.33

80 93 0.86021505 136.34

90 93 0.96774194 152.12

100 93 1.07526882 168.44

110 93 1.1827957 184.59

120 93 1.29032258 201




4.3 DISEÑO DE LA HMI.

La interface humano maquina tiene como objetivo brindar la posibilidad de realizar el

monitoreo del horneado y fermentado a distancia, pudiendo modificar los setpoints

previamente establecidos, activar o desactivar alguna etapa o máquina y monitorear en

todo momento el estado del mismo.

El software elegido para realizar la HMI fue LabVIEW (figura 4.14), que es una

plataforma de programación, con elementos y bloques que hacen que la interface sea

amigable y fácil de entender. Además, es un software que puede ser obtenido de

manera gratuita, con licencias educacionales y puede ser instalado en cualquier

computadora, laptop y algunas tablets.

Figura 4.14. Vista de los paneles frontales y diagrama de bloques de LabVIEW.




4.3.1 Comunicación entre el PLC y la HMI.

Se pretende que, una vez desarrollada la HMI, sea descargada y utilizada en una PC

con pantalla touchscreen, misma en la que se encontrará conectada el PLC. Por tal

motivo, la comunicación entre estos dos dispositivos se puede hacer de manera interna

(virtual).

Para lograr esto se usará el estándar de comunicación interna entre software industrial

llamado OPC (OLE for Process Control). El OPC es el medio de comunicación entre

diversos programas de diferentes fabricantes. Para realizar la comunicación entre estos

programas se requiere de un Servidor OPC.

RSLinx es el software de Allen Bradley destinado a la gestión de los controladores

conectados en una red. Contiene un servidor OPC que es capaz de comunicarse con

LabVIEW sin ningún problema.

Para realizar la comunicación entre LabVIEW y RSLogix500 por medio de RSLinx se

deben seguir los siguientes pasos:

Tener abiertos los 3 programas, haber compilado y descargado el programa

en el PLC.

En la ventana de RSLinx, seleccionar el menú DDE/OPC, y dar click en

Topic Configuration.

Se abrirá una ventana en la cual se tendrán que enlazar los datos del

programa a un Tópico (Figura 4.15). Esta acción crea un enlace de los datos

del programa del PLC para que cualquier programa pueda acceder a ellos

por medio del Servidor OPC.




Figura 4.15. Creación de un Topic a partir de RSLinx OPC Server.

Para utilizar los datos del PLC en LabVIEW, se tendrá que direccionar la ubicación de

estos a algún comando previamente insertado en el panel de programación de

LabVIEW (figura 4.16). Esto se hace de la siguiente manera:

Abrir las propiedades del elemento al que se le asignará la dirección.

Ir a la pestaña de Data Binding, habilitar la opción de DataSocket, especificar el

tipo de acceso al dato (lectura, escritura o ambas).

En browse, seleccionar la opción DSTP Server. Esto abrirá las carpetas con los

datos de todos los programas conectados con un servidor de OPC.

Seleccionar RSLinx OPC Server, después el nombre del tópico creado, seguido

de la carpeta Online, y por último la carpeta de agrupación del dato a asignar. Al

hacer lo anterior aparece la dirección local en donde se encuentra alojado tal

dato.




Figura 4.16. Dirección local de los datos utilizados por el PLC.

Para realizar el control del PLC por medio del botón direccionado en LabVIEW, se

pondrán en RUN ambos programas. Al pulsar el botón en la HMI se refleja la acción

realizada en la instrucción direccionada.

En la figura 4.17 se muestra un ejemplo de la comunicación entre software. Por medio

de un botón pulsador se cambia de estado al Bit B3:0/11 que activa a la salida O:2.0/4.

El cuadro pequeño verde que se encuentra junto al nombre del botón, indica que ese

elemento se encuentra comunicado con otro.




Figura 4.17. Comunicación entre LabVIEW y RSLogix500.

4.3.2 HMI del proceso de Horneado.

En base al programa realizado en el PLC, la programación de la HMI fue hecha para

recibir y mandar los datos de los botones de arranque, paro e inversión de giro,

además recibe la señal de la activación del motor y en qué sentido se encontraba

girando.

Además el programa es capaz de intercambiar datos de tipo entero que contienen una

comparación que permite preprogramar una duración exacta del tiempo de horneado.

El panel de programación de bloques en LabVIEW se muestra en la figura 4.18.




Figura 4.18. Panel de programación de bloques en LabVIEW.

El panel frontal, que será la interface táctil de la HMI se muestra en la figura 4.21.

Figura 4.19. HMI de Columpios y Temperatura de Horneado.




4.3.3 HMI del proceso de Fermentado.

Para el proceso de fermentado, se requiere monitorear y establecer el setpoint de las

dos variables involucradas en él, así como accionar el inicio del ciclo de fermentación.

El programa funciona leyendo el punto de juste desde la HMI después manda los datos

al PLC que los compara con la variable de proceso (temperatura y humedad), realiza la

lógica para la manipulación y regresa la acción correctiva pertinente.

La programación de la HMI y el panel frontal se muestran en las Figuras 4.20 y 4.21

respectivamente.

Figura 4.20. Diagrama de bloques en LabVIEW del Fermentado.




Figura 4.21. HMI del proceso de Fermentado.

4.4 SIMULACIÓN.

Para comprobar que la programación del PLC cumple con los objetivos planteados, y

que la HMI será capaz de monitorear a todo el sistema y de leer las variables de

proceso, se presenta a continuación la simulación de la etapa del horneado, y

fermentado.

Antes de poder simular el proceso se deben configurar algunos aspectos.

Para correr el programa de PLC sin contar con el controlador físicamente, se emplea el

software de emulación RSLogix Emulate 500. De esta manera el programa se

comporta como si estuviera conectado al proceso real, y por lo tanto puede ser

modificado desde la HMI.




Para poder utilizar el emulador, primero se debe guardar el proyecto como “Archive

Files” (.ACH), tipo de archivo que puede ser leído por el emulador (figura 4.22).

Figura 4.22. Creación del Archivo de Emulación.

Después, se tendrá que abrir este archivo en el Emulate 500, al hacer esto

correctamente, en el RSLogix será posible realizar la acción de “Descargar” y “Correr”

el programa.

Finalmente, para el caso específico del SLC500 se debe crear una subrutina

programada para mover el estado de cada entrada y salida física del PLC a un espacio

de memoria booleano, ya que por ser un PLC modular, el emulador no es capaz de

reconocer ni enviar estos datos directamente a LabVIEW.

La subrutina “Emulador” (LAD 5) sólo contiene instrucciones MOV para mover el estado

de los bis de entrada I:0/X a los espacios de memoria booleanos B11:0/X, y las salidas

O:0/0 a B11.1/0 (figura 4.23).




Figura 4.23. Subrutina para mover I/0 a Bits.

4.4.1 Simulación en el fermentado.

Simular el proceso de fermentado requiere de poder generar señales de entrada en el

PLC que representen a la temperatura y a la humedad y de simbolizar el estado en el

que se encuentre el calefactor radiante y el humidificador. Para hacer esto, en

LabVIEW se usaron dos Scrollbar direccionados a las entradas analógicas del PLC y

dos Led´s indicadores direccionados a las salidas digitales del mismo. Además se usó

un botón con el cual se puede iniciar la acción. La programación creada para la

simulación del fermentado se muestra en la figura 4.24.




Figura 4.24. Programación de la HMI para simulación del fermentado.

4.4.2 Simulación en el horneado.

Para hacer la simulación en el horneado, se requirió programar un circuito que

representará el movimiento que tienen los columpios dentro del horno por medio de

Led’s indicadores, que pudiera realizar el arranque, paro e inversión de giro en relación

al estado del programa del PLC, y también que mandara la señal correspondiente al

sensor inductivo.

La programación de simulación del movimiento se aprecia en la figura 4.25.




Figura 4.25. Programación de la HMI para simulación del horneado.

Realizar la simulación es más complejo, pues se requiere que la señal de entrada se

comporte tal y como se comportaría en el interior de Horno. Dado que RSLogix500 no

es apto para ser usado en simulación, solo se usara Matlab para realizar la simulación

y grabar un video en el cual se pueda comprobar la HMI.

Para configurar la comunicación entre Matlab y RSLogix500 se siguen los siguientes

pasos:

Abrir Matlab, RSLogix, RSLinx y el RSL Emulate 500.




Crear el tópico de datos al igual que se creó en la comunicación entre RSLogix y

LabVIEW.

Abrir el Simulink (que es de Matlab) y colocar en la ventana del proyecto el

bloque de “OPC Configuration”, “OPC Write” y “OPC Read” incluidos en la

librería de “OPC Toolbox”.

En las opciones de OPC Configuration se selecciona el OPC Client con el que

se realizará la configuración (RSLinx) como se observa en la figura 4.26.

Figura 4.26. Selección del OPC Client.

Abriendo la configuración de cada bloque, se direcciona al OPC Read (figura

4.27) con el dato representante del setpoint, en este caso será N12:0. El OPC

Write estará con la variable de proceso, que para efectos de simulación será el

N12:1.




Figura 4.27. Direccionamiento con OPC Read.

Se realiza el diagrama de bloques conectando OPC Read al comienzo del

diagrama y OPC Write al final, tal y como se muestra en la figura 4.28. Esto

permite que los datos sean enviados al RSLogix, a los registros N12

seleccionados.

Figura 4.28. Envío de datos entre RSLogix500 y Matlab.




Ya realizada la comunicación entre Matlab y RSLogix500, se realiza nuevamente la

comunicación con LabVIEW para mandar los datos de las variables a la HMI.

El dato del Setpoint podrá ser establecido con el indicador numérico del mismo nombre

o con el scrollbar de la parte inferior. La variable de proceso se reflejara en el indicador

“Temperatura”, en el termómetro de la parte izquierda de la pantalla y en la gráfica.

En la figura 4.29 se muestra la simulación.

Figura 4.29. HMI de la Simulación de Temperatura.




5 CAPITULO V

COSTO DEL

PROYECTO




En este capítulo se determina el costo total que tendrá implementar esta propuesta de

automatización, considerando el precio del equipo, el material consumible, el precio del

proyecto, la instalación y la puesta en marcha de todo el sistema.

5.1 COSTOS DEL EQUIPO EMPLEADO.

En las siguientes tablas se muestra el instrumento en cuestión, su marca y/o modelo,

su precio unitario, la cantidad de piezas a utilizar y costo total, de cada uno de los

equipos empleados especificados en el proyecto, dividiéndolos de acuerdo a su función

general.

5.1.1 Costo de la instrumentación.

La tabla 5.1 muestra el instrumento, su marca, modelo, precio unitario, cantidad

requerida y costo total de los equipos de instrumentación utilizados en la propuesta de

automatización.

La tabla se divide en dos grupos: a) instrumentos, en los cuales se engloba a los

sensores de temperatura y humedad y b) los equipos de control, conformados por la

válvula de control, calefactor, humidificador, entre otros.




Tabla 5.1. Costos de instrumentación.

INTRUMENTO O

EQUIPO MARCA MODELO

PRECIO UNITARIO

(MN)

CANT. COSTO TOTAL (MN)

Instrumentos

Termopar Tipo J JMI-102-111-55-5CM-XB-

50CM-1 $ 150.00 1 $ 150.00

Higrómetro Temperatura-

Humedad

HMT JMIndsutrial

HTP-W-HT – Y-D-3

$ 3,848.00

1

$ 3,848.00

Transmisor de

temperatura Rousemount

SEM 1500/TC

$ 2,200.00 1 $ 2,200.00

Equipos de control

Fuente de alimentación

24 VDC, 5 Amperes

WAGO 787-722 $ 2,007.00 1 $ 2,007.00

Calefactor radiante eléctrico

ENERGOINFRA INDUSRTY EIR 4500 $ 7,129.00 1 $ 7,129.00

Humidificador por

atomización de aire/agua

FOG SYSTEM MCR15 $

20,300.00 1

$ 20,300.00

Válvula de control

Samson

Parte 3213 y accionador

eléctrico 5825

$ 7,350.00 1 $ 7,350.00

Contactor Rockwell

Automation 700-HA32A2 $ 270.00 1 $ 270.00

Contactor magnético

tripolar

Schneider Electric

LC1-K1210 $ 376.00 2 $ 752.00

Relevador de sobrecarga

tripolar

Schneider Electric

LR2-K0316 $ 436.50 1 $ 436.50

Total $ 44,442.5




5.1.2 Costo del controlador.

En la tabla 5.2 se muestran los precios unitarios y totales del controlador, sus

periféricos de entradas y salidas, su fuente de alimentación, su chasis de instalación y

su riel de montaje.

Tabla 5.2. Costos para el controlador.

CONCEPTO DETALLE

PRECIO

UNITARIO

(MN)

CANT.

COSTO

TOTAL

(MN)

Controlador Lógico

Programable (PLC)

Allen Bradley

SLC500, procesador

1747-L552 5/05 CPU

32 KB OS500.

$ 17,435.00 1 $ 17,435.00

Tarjeta de entradas

digitales

N° de parte 1746-

IA16, 16 Input

100/120 VCA

$ 1,026.00 1 $ 1,026.00

Tarjeta de salidas

digitales

N° de parte 1746-

OA16, 16 Output

100/240 VCA

$ 1,540.00 1 $ 1,540.00

Tarjeta de entradas

analógicas

1746-NI4, analog 4

channel input $ 3,100.00 1 $ 3,100.00

Tarjeta de salidas

analógicas

1746-NO4I, analog 4

channel output $ 3,846.00 1 $ 3,846.00

Chasis SLC 500 1746-A7, I/O chassis,

7 slots $ 1,553.00 1 $ 1,553.00

Fuente de

alimentacion SLC

500

1746-P1, 120/240

VCA, 42 Watts $ 1,026.00 1 $ 1,026.00

Total $ 29,526.00




5.1.3 Costo del material eléctrico y electrónico.

En la tabla 5.3 se engloban los precios de los dispositivos auxiliares para el controlador,

y los elementos electrónicos usados en la parte del empaquetado, así como el material

eléctrico destinado a la conexión y alimentación de los dispositivos.

Tabla 5.3. Costos de material.

MATERIAL DETALLE PRECIO

UNITARIO (MN)

CANT. COSTO

TOTAL (MN)

Clema 2 vías calibre 14 AWG $ 9.55 10 $ 95.00

Fusible 120/240 VCA, 2 Amperes $ 2.00 3 $ 6.000

Interruptor termomagnetico

120/240 VCA, 2 Amperes $ 142.00 1 $ 142.00

Block Portafusiles 2 vías calibre 14 AWG $ 59.00 1 $ 59.00

Cable 1 rollo calibre 14 AWG $ 693.00 1

rollo/100 mts

$ 693.00

Triac 200 Volts a 4 Amperes

modelo 2N6071A $ 13,00 1 $ 13,00

Diac Voltaje de ruptura 35 volts a 2 Amperes modelo DB4

$ 6.00 1 $ 6.00

Capacitor 0.22 µf $ 6.00 1 $ 6.00

Resistor 100 Ω $ 1.00 5 $ 5.00

Potenciómetro 100 kΩ $ 10.00 1 $ 10.00

Interruptor cola de rata

1 polo y 1 tiro $ 27.00 1 $ 27.00

Computadora (CPU)

Sistema operativo Microsoft Windows XP

con pantalla touch $ 8,000 1 $ 8,000

Botón pulsador Color rojo, 22.5 MM Ø $ 38.00 1 $ 38.00

Botón pulsador Color verde, 22.5 MM Ø $ 38.00 3 $ 114.00

Total $9,160.00




5.1.4 Costo de Ingeniería, Instalación y Puesta en Marcha.

Una vez determinado el costo de todo el material empleado en la propuesta, se

procede a hacer el cálculo del costo del proyecto, de la instalación y de la puesta en

marcha de todo el sistema.

El costo del proyecto se obtiene a partir del número de horas invertidas en realizar lo

referente a la ingeniería de conceptualización e ingeniería básica del proyecto.

El costo de la instalación y puesta en marcha del sistema (ingeniería de detalle) se

determina a partir del tiempo estimado en que el proyecto estará completamente

terminado.

Para determinar el salario por hora destinado cada uno de los ingenieros participantes

del proyecto, se tomó como base el salario mensual requerido por cada uno de ellos

que es de 15,000 pesos mensuales. La instalación del equipo, y la programación del

PLC y la HMI, así como todo el cableado que sea requerido será realizado por las

mismas personas que elaboraron la propuesta.

Tabla 5.4. Costo total del Proyecto.

Concepto Horas

Individuales Invertidas

Número de Ingenieros

Horas Totales

Invertidas

Salario por

Hora (MN)

Subtotal (MN)

Proyecto de Ingeniería

200 3 600 $62.50 $37,500.00

Instalación y Puesta en

Marcha 100 3 300 $62.50 $18,750.00

Total $56,250.00




5.2 COSTO TOTAL.

En la tabla 5.5 se aprecia el monto generado por la propuesta analizado en las 4 tablas

anteriores y todo lo que conlleva aplicarla.

Tabla 5.5 Costo generalizado.

CONCEPTO COSTO TOTAL (MN)

Costos de instrumentación $ 44,442.50

Costo de material eléctrico y

electrónico $ 9,160.00

Costo del controlador $ 29,526.00

Costo de ingeniería, instalación y

puesta en marcha $ 56,250.00

Estimado de inconvenientes $5,000.00

Total $144,378.50




5.3 VIABILIDAD DEL PROYECTO Y TIEMPO DE RETORNO.

La actual propuesta de automatización será capaz de aumentar significativamente la

cantidad diaria de pan elaborado, por lo que se estima que al menos se doblará la

cantidad de piezas hechas por día que aumentaría de 2,400 piezas que se panifican

actualmente a 4,800 piezas diarias.

El desperdicio diario de bolsas mal selladas bajará de un 3% a un 0%, dado que cada

bolsa tiene un precio de $0.18, el ahorro mensual será de $388.

Respecto al aumento de la calidad del pan, originado por la propuesta de

automatización de la temperatura en el horneado, se busca aumentar la preferencia de

los consumidores e incrementar a largo plazo el precio de cada pieza.

Todo esto se traduce en aumentar las ganancias de $30,000 pesos, que es lo obtenido

actualmente de acuerdo a los datos proporcionados por el propietario de la panadería

(tomando en cuenta lo invertido en materia prima y gastos de energéticos y salarios) a

generar aproximadamente $60,388 netos al mes.

El tiempo de retorno de inversión, considerando las ganancias extras de $30,388 al

mes es de:

$144,378.50

$30,000= 4.75 𝑀𝑒𝑠𝑒𝑠 ≈ 5 𝑀𝑒𝑠𝑒𝑠.




6 CONCLUSIONES.

En este trabajo se logró desarrollar la automatización del fermentado, horneado y

empaquetado del proceso de elaboración de pan dulce, abarcando la selección de la

instrumentación, el controlador, los actuadores, la programación de un PLC y el diseño

de una HMI. Toda la automatización fue simulada para comprobar su funcionalidad.

La especificación de los elementos de medición, transmisión y control se realizó de

manera minuciosa, tomando en cuenta las características que el proceso exigía, y

comparando diversos elementos del mismo equipo para determinar cuál era el más

conveniente, tomando en ocasiones el aspecto económico como medio de decisión.

En la etapa de fermentado la automatización planteada incrementa de manera

considerable la velocidad con la que se efectúa la fermentación de la masa, reduciendo

el tiempo en que se efectúa este proceso de 3 horas a 10 minutos. Esto permite que en

una jornada laboral, la tarea de horneado se pueda empezar mucho antes, lo que

propicia que más piezas de pan puedan ser horneadas al día.

En el horneado se logró mantener a la variable de proceso en un rango. Esto se

traduce en temperatura constante durante el horneado, que significa que el pan se

horneará de la manera más conveniente, evitando que la corteza se queme o que en

su interior el pan quede mal cocido; en otras palabras se aumenta la calidad del

producto. Todo esto con el objetivo de facilitar y optimizar la tarea de retiro e inserción

de charolas.

Otro concepto fue también automatizar el movimiento de los columpios dentro del

horno, adaptándole la posibilidad del cambio de dirección de giro, la detección de

presencia de los columpios en la posición más cómoda, la posibilidad de jogging en




ambos sentidos, y la opción de programar el tiempo de horneado para que tanto la

temperatura como el de movimiento se detengan por si solos.

En la etapa de empaquetado, se diseñó y construyó un circuito electrónico con el que el

usuario puede manipular la temperatura de las selladoras, manteniéndolas en el punto

exacto de operación para evitar quemar las bolsas en las que se coloca el pan. Esto se

logró de una manera sumamente económica.

Como medio de manipulación remota y monitoreo se sugirió el uso de una HMI

programada en un software de distribución gratuita ejecutable en cualquier

computadora y/o Tablet, con la intención de gobernar las etapas automatizadas a

distancia, verificar el estado de las variables de proceso en tiempo real y modificar

puntos de consigna.

El aspecto económico resultó muy favorable para el dueño de la panificadora, pues al

presentarle el proyecto y el costo de inversión se mostró interesado en realizar la

inversión de automatización de las 3 etapas, siendo el fermentado la prioritaria para ser

puesta en marcha primeramente.




FUENTES BIBLIOGRÁFICAS.

[1] Claudia Milena, (2013, 3 Septiembre) ORIGEN Y EVOLUCION DEL PAN. Recuperado de:

http;//www.milenitacs.blogspot.com

[2] Cámara Nacional de Industria Panadera, (2013, 3 Septiembre). HISTORIA DEL PAN.

Recuperado de: http://www.canainpa.com.mx

[3] Roberto, Martínez Cruz. (2003) Diagnostico de la operación de hornos para fabricados de

pan. IPN, Distrito Federal.

[4] Francisco Tejero. “Fermentación Controlada”, [En línea].

Disponible en la web: http://www.franciscotejero.com/tecnica/fermentaci%F3n/camaras.htm.

Fecha de consulta: 20 de septiembre 2013.

[5] Gilberto Enríquez Harper (1998)

EL ABC DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS II. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

EDITORIAL: LIMUSA, NORIEGA EDITORES.

[6] Antonio Creus (2010)

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

Ed. Alfaomega, 8⁰ Edición

[7] José Rafael Lajara Vizcaíno y Jose Peledrí Sebastian (2010)

ENTORNO GRÁFICO DE PROGRAMACION

Ed. Marcombo, 2⁰ Edición

[8] Mohammath Rashid (2004)

ELECTRONICA DE POTENCIA, CIRCUITOS Y DISPOSITIVOS DE APLICACIÓN

Ed Prentice Hall, 3⁰ Edición.

http://www.milenitacs.blogspot.com/

http://www.canainpa.com.mx/




GLOSARIO.

Artesas.

Recipiente en forma de cajón, generalmente de madera donde se amasa la mezcla

originada de la combinación de los ingredientes utilizados para el pan.

Gluten.

Sustancia formada por proteínas que se encuentra en la semilla del trigo y de otros

cereales combinada con almidón y que proporciona gran cantidad de energía al

organismo. Es responsable de la elasticidad de la masa de harina, lo que permite que

junto con la fermentación el pan obtenga volumen.

Glutelina.

Proteína que se encuentra presente en las semillas de los cereales.

Leudar.

Hacer que el pan adquiera volumen por medio de levadura dando un tiempo de reposo.

Fécula.

Es un almidón que se halla en las semillas, tubérculos y raíces de ciertas plantas, se

emplea principalmente para la elaboración de harinas.

Albuminas.

Grupo de proteínas de bajo peso molecular, solubles en agua y soluciones diluidas de

sales; coagulan por el calor.

Lisina.

Es un aminoácido esencial para la construcción de las proteínas en el organismo, se

encuentra principalmente en el huevo, pescado y lácteos.

Espiguero.

Estructura de metal con forma rectangular diseñada para el almacenamiento y traslado

del pan, cuenta con perfiles tubulares donde se introducen charolas, la capacidad

depende de su construcción.




PLC.

Controlador Lógico Programable son dispositivos electrónicos muy usados en

automatización industrial.

Como su mismo nombre lo indica, se ha diseñado para programar y controlar procesos

secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos

en ambientes industriales.

BIT.

La unidad de memoria más pequeña usada en la lógica discreta o binaria, donde el

valor 1 representa activado y el valor 0 representa desactivado.

BYTE.

Una medida

OPC.

OLE for Process Control es un estándar de comunicación en el campo del control y

supervisión de procesos industriales, basado en una tecnología Microsoft, que ofrece

una interfaz común para comunicación que permite que componentes software

individuales interaccionen y compartan datos.

OLE.

Object Linking and Embedding (OLE) cuya traducción literal es "incrustación y enlazado

de objetos" es el nombre de un sistema de objetos distribuido y un protocolo

desarrollado por Microsoft.

OLE permite a un editor encargar a otro la elaboración de parte de un documento y

posteriormente volverlo a importar.

Hardware.

Corresponde a todas las partes tangibles de un sistema informático: sus componentes

eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos; sus cables, gabinetes o cajas,

periféricos de todo tipo y cualquier otro elemento físico involucrado; contrariamente, el

soporte lógico es intangible y es llamado Software.

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

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

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




Software.

El software es un conjunto de programas, instrucciones y reglas informáticas que

permiten ejecu.tar distintas tareas en una computadora. Se considera que el software

es el equipamiento lógico e intangible de un ordenador.

HMI.

La Interfaz de Usuario es el medio con que el usuario puede comunicarse con una

máquina, un equipo o una computadora, y comprende todos los puntos de contacto

entre el usuario y el equipo.

DTI.

Diagrama de tubería e instrumentación es la representación gráfica de la secuencia de

equipos, tuberías y accesorios que conforman una sección de una planta.

Higrómetro.

Un higrómetro es un instrumento que se usa para la medir el grado de humedad del

aire, o un gas determinado, por medio de sensores que perciben e indican su variación.

Existen diversos tipos de sensando siendo los de absorción por medio de sustancias

químicas y los de medición eléctrica los más comunes.

Psicrometría.

Rama de la ciencia en la cual se estudian las propiedades termodinámicas del aire

húmedo.

Humedad Relativa.

La humedad relativa de una masa de aire es la relación entre la cantidad de vapor de

agua que contiene y la que tendría si estuviera completamente saturada; así cuanto

más se aproxima el valor de la humedad relativa al 100% más húmedo está.

Humedad Absoluta.

La humedad absoluta es la masa total de vapor de agua existente en el aire por unidad

de volumen, y se expresa en gramos por metro cúbico de aire. La humedad

atmosférica terrestre presenta grandes fluctuaciones temporales y espaciales.

LabVIEW.

Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench, es una plataforma y

entorno de desarrollo para diseñar sistemas, con un lenguaje de programación visual

gráfico. Su principal característica es la facilidad de uso, válido para programadores

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

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




profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación pueden

hacer programas relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con

lenguajes tradicionales.

Protección IP.

La protección IP indica el grado de protección que tiene un equipo o dispositivo

eléctrico o electrónico (como sensores, medidores, controladores). Es una norma de la

IEC. Se conforma de dos dígitos, en los cuales el primero, indica la protección contra

sólidos, siendo el 0 el número que indica que no tiene protección y el 6 el máximo

grado de protección. El segundo digito muestra la protección contra líquidos, siendo el

8 el máximo valor posible.

EMULADOR.

Es un software que permite la reproducción de un programa buscando que este

funciones como si estuviese corriendo en el aparato original.




APENDICE.

Válvula de control eléctrica con función de seguridad, homologada Tipo 3213/5825.

Aplicación Válvula de paso recto con accionamiento eléctrico con función de seguridad contra sobretemperatura o sobrepresión en instalaciones de calefacción. Diámetro nominal DN 15 a DN 250 · Presión nominal PN 16 a PN 40 · Temperatura hasta 220 °C 1 Cuerpo de la válvula 2 Asiento 3 Obturador 4 Vástago del obturador 5 Resorte de la válvula 6 Casquillo guía 7 Fuelle de compensación 9 Acoplamiento 10 Accionamiento

instituto politÉcnico nacional -...

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