AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES (CB – F211)

UNIVERSIDAD NACIONAL INTERCULTURAL DE LA AMAZONIA FACULTAD DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

IÓN DE PROCESOSAUTOMATIZAC AGROINDUSTRIALES (CB – F211) PROFESORA: ING. MS. C. LILIANA FLORES DE HERNÁNDEZ

¿Qué es la Ingeniería Agroindustrial? 2

La Ingeniería Agroindustrial es la rama de la Ingeniería que basándose en las Ciencias de la Matemática, Ciencias Naturales como Física, Química, Biología, ciencias cruzadas como la Bioquímica, Biotecnología, Ciencias Económicas, Administrativas, y Ciencias de la Ingeniería, las aplica tanto a los procesos productivos como de gestión en la agroindustria, sean estas dedicadas a procesos tanto alimentarios como no alimentarios. Las diversas ramas de la agroindustria son: pesquera, agrícola, frutícola, ganadera, forestal, alimenticias en general.

¿Qué es la Automatización? 3

La Automatización es este conocimiento aplicado , que usa instrumentos y equipos para conseguir los objetivos de la producción industrial. A los Ingenieros Agroindustriales nos corresponde su aplicación específica en la Industria de Procesos Agroindustrial. Los objetivos de la Automatización Industrial son los de facilitar que las operaciones industriales se realicen con seguridad, eficiencia, alta calidad y alta operatividad. Con mucha frecuencia, la Automatización de un proceso es la única forma de conseguir un resultado positivo, y puede representar la diferencia entre una industria exitosa y competitiva ó una industria en problemas.

¿Porqué Automatizar? 4

Razones Técnicas

Procesos que no se pueden operar en Manual.

Razones Económicas

Calidad homogénea , menor consumo de energía y materias, menores tiempos.

Razones Operativas

Seguridad, mayor facilidad de operación, mejor nivel laboral del personal.

Razones Administ.

Mayor productividad

, integración de recursos y de personal.

Integrando la Administración y la Producción 5

Los objetivos Automatización •

de la industrial

encajan perfectamente dentro de los objetivos de la Gestión Empresarial y esto lo entenderemos mejor analizando los conceptos que vienen a continuación.

La Cadena de Suministros 6

•

Vivimos embebidos en la “Aldea Global”.

La “Cadena de Suministros” es un concepto de la Gestión Empresarial: Toda empresa forma parte de una cadena donde se consumen productos producidos por otra empresa y, a su vez, nuestros productos pueden ser insumos de otras empresas. •

El éxito de nuestros clientes significa el éxito de nosotros como proveedores y, a su vez, nuestro éxito significa el éxito de nuestros proveedores: esto implica que debe haber colaboración estrecha en post de los objetivos comunes. •

La Cadena de Suministros significa la Integración de Recursos y Esfuerzos de Proveedores y Clientes. •

Integrando la Administración y la Producción 7

Dentro de nuestra institución, cada sección y área y cada integrante deben trabajar coordinadamente en función del objetivo global. •

•

Cada área es proveedor de bienes y servicios de

otras ellas. áreas y a su vez recibe bienes y servicios de Debe haber integración de recursos y esfuerzos entre las diferentes áreas de una empresa: debe haber integración entre la Administración y la Producción. •

¡Cada persona debe ser experto en su tema y en la visión global de su grupo! ¡Esta es la Clave de la Excelencia! •

Integrando la Administración y la Producción 8

La Automatización Industrial cumple un papel clave al permitir que todas las áreas compartan la información y las herramientas para cumplir la función de cada uno. •

La Automatización de la Gestión Administrativa tradicionalmente estuvo separada de la Automatización de la Producción, sin embargo, bajo los nuevos conceptos, es cada vez mayor y obligatoria la integración de ambas áreas y en ello el uso de Redes Industriales cumple un gran papel. •

Un Sistema Integrado, con una interrelación correcta entre sus diferentes áreas, permite a sus integrantes una colaboración eficiente para beneficio del negocio. •

Aportes de un Sistema de Supervisión y Control 9

Monitoreo Remoto 

RM & D



WebVIEW

Control Supervisor Visualización de Proceso  Alarmas y Reportes  Conectividad de Equipos  Recolección de Datos 

PocketVIEW WebGateway  Pager  

Control de Proceso OpenProcessTM Batch Manager  Historian  

Monitoreo Remoto

PMCS

Conexión a ERP

HMI for CNC Alta Disponibilidad Redundancia  fxManager  System Sentry 

SCADA

Data Acquisition  Cell Control  Interface de Operador 

MES

Calidad

Tracker  Control de Ruta  WIP Tracking 

SPC Datos Históricos  Six Sigma  

Función de la Automatización y el Control de Procesos en nuestro País 10

La Globalización implica enorme interacción entre naciones y países y alta competencia por conseguir el bienestar para sus ciudadanos. •

•

El uso de la Tecnología y el Conocimiento ha

“materias diferenciado paisesquequesuministran suministran “productos primas” y los acabados”. Estos últimos obtienen mayores ventajas y beneficios y condicionan a los demás “países dependientes”. •

Los productos intercambiados se clasifican en

“comodities” cuya fabricación requiere tecnologías

y conocimientos comunes en todos los países, y en “specialties” cuya fabricación requiere “know how” y tecnología especial.

Función de la Automatización y el Control de Procesos en nuestro País 11

La fabricación de “specialties” requiere operaciones exigentes con márgenes de error estrechos donde las modernas estrategias de control de procesos toman papel clave y de primerísima importancia. •

•

Es nuestra laboraplicar y responsabilidad Ingenieros agroindustriales las nuevascomo estrategias de Control Avanzado para conseguir mejores productos, de menor costo, con procesos más flexible y seguros. En el futuro próximo tenemos el reto de desarrollar nuestra industria en áreas claves: biotecnología, nuevos materiales, alimentos, farmacología, etc. Tenemos los recursos naturales, tomemos la decisión y vayamos a un futuro más favorable para nuestro país. •

PROCESOS POR LOTES

13

PROCESOS CONTINUOS

14

LAZO SIMPLE DE REALIMENTACIÓN

Setpoint Proceso

Controlador

Elemento de Transmisión

Variable medida

Indicador o Registrador

15

CONCEPTO DE CONTROL REALIMENTADO

Perturbaciones

Variables Manipuladas

Proceso

Valores necesarios de la variable manipulada

Variables Controladas

Valores medidos de la variable controlada

Valor deseado

16

CLASES DE INSTRUMENTOS

1.

En función del instrumento.

1.1

Instrumentos ciegos. Presostatos Termostatos Transmisores sin indicación. • • •

17

1.2

Instrumentos indicadores.

Poseen un índice y una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable.

18

1.3

Elementos primarios.

SENSOR DE NIVEL

HUMEDAD

PT100

BIMETALICO

19

PTC

ULTRASONICO

CELDA FOTOVOLTAICA

CAUDAL

ENCODER

PRESION DE MEMBRANA

20

POTENCIOMETRO

LDR

1.4

ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

21

22

Sensores y Transmisores PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Sensor 

Se llama sensor al instrumento que produce una señal, usualmente eléctrica en la actualidad, (antiguamente se utilizaban señales hidráulicas), que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna correlación definida.

Sensor 

La relación entre la variable del proceso y el fenómeno físico en el que se basa el sensor es dada por la ganancia (KT) del sensor.

100 %TO

KT 

0 %TO

PVmin

PVmax

100 PV

max PV min

[ ]

%TO PV

Sensor 

El sensor ideal es un instrumento que no altera la propiedad medida. Por ejemplo, si se mide temperatura, el sensor ideal no debería aportar ni recibir calor, es decir debería tener una masa igual a cero; o no debería estar en contacto con la masa a la que le esta midiendo la temperatura.

Transmisores 



Los transmisores son instrumentos que convierten la salida del sensor en una señal suficientemente fuerte como para transmitirla al controlador o a otro aparato receptor. Las señales de salida del transmisor pueden ser neumáticas, eléctricas o digitales

CARACTERISTICAS DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA CAMPO DE MEDIDA

Conjunto de valores de la variable medida que están comprendidos dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento. Se expresa estableciendo los dos valores extremos.

48

ALCANCE SPAN. Diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. ERROR. Es la diferencia algebraica entre el valor medido o transmitido por el instrumento y el valor real de la variable medida EXACTITUD. Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud medida.

49

PRECISIÒN. Es la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento.

•

Intervalo donde es admisible que se situé la magnitud de la

•

medida. Define los limites de error cometido cuando el instrumento

•

se emplea en condiciones normales de servicio durante un periodo de tiempo determinado.

50

FORMAS DE EXPRESAR LA PRECISION. Un instrumento para medición de temperatura tiene un rango De 100 ºC a 300ºC. 1.

Tanto por ciento del alcance. Para una lectura de 100ºC con una precisión de 0.5%

100  0.5*

200 100

 100  1

La medida estará comprendida entre [ 99 , 101 ]

51

2. En unidades de la variable medida. 1º C. 3. Tanto por ciento de la lectura efectuada. Precisión de 1 % de 100ª C. 1º C

4. Tanto por ciento del valor máximo del campo de medida. Precisión de 5 % de 300ª C. 1.5º C

52

ZONA MUERTA. Es el campo de valores de la variable medida que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida.

SENSIBILIDAD. Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haber alcanzado el estado de reposo.

53

Ejemplo. Si en un transmisor electrónico de 0 a 10 bar la presión pasa de 5 a 5.5 bar y la señal de salida de 11.9 a 12.3 mA. La sensibilidad es:

12.3 11.9 20  4  0. 5m 5.5 5 ba 10

54

HISTERESIS. Es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.

55

PRINCIPIOS DE TRANSDUCCION 1.

ELEMENTOS DE TRANSDUCCION CAPACITIVA. C

C

Convierten un cambio de la magnitud a medir en un Cambio de capacidad.

56

2.

ELEMENTOS DE TRANSDUCCION INDUCTIVA

Convierten un cambio de la magnitud a medir en un Cambio de la autoinductancia de un devanado único.

57

3.

ELEMENTOS DE TRANSDUCCION PIEZOELECTRICA

Q E

Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de la carga electrostática Q, o tensión E, generadas por ciertos materiales cuando se encuentran sometidos a un esfuerzo mecánico.

58

4.

ELEMENTOS DE TRANSDUCCION RESISTIVA

Convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la resistencia debido a diversos medios.

59

5.

ELEMENTOS DE TRANSDUCCION POR GALGAS EXTENSIOMETRICAS

Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de resistencia debida a una deformación en dos o cuatro brazos de un puente Wheatstone.

60

6.

ELEMENTOS DE TRANSDUCCION FOTOVOLTAICA

Convierte un cambio de la magnitud a medir en un cambio en la tensión generada cuando la iluminación incidente sobre una unión entre ciertos materiales cambia.

61

7.

ELEMENTOS DE TRANSDUCCION TERMOELECTRICA

Convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de la fuerza electromotriz ( Fem. ), generada por la diferencia de temperaturas existente entre las u niones de dos materiales distintos. Efecto S eebeck.

62

CLASIFICACION DE LOS TRANSDUCTORES Los transductores se pueden clasificar teniendo en cuenta varios criterios. 1.

Según la señal de salida.

•

Analógicos.

•

Digitales.

2.

Según su relación entrada-salida. FDT.

•

Orden cero.

•

Orden uno.

•

Orden dos.

63

Transductor de tipo 0. V Y(t) = k*x(t)

t

64

Transductor de tipo 1.

a1

dy(t)  a0 y(t)  bu(t dt Parámetros. •

Constante de tiempo

•

Tiempo de retardo.

•

Tiempo de establecimiento

65

Transductor de tipo 2.

a2

d2 y(t) dy(t)  a1  a0 y(t)  b0u(t) dt2 dt

y(s)



kw2n 2

u(s) s

66

2

 2ζwns

wn

Sensores de Temperatura mas Comunes: Termocuplas 

En el año 1821, Seebeck notó que al juntar dos conductores de metales distintos, de manera que se forme un circuito eléctrico cerrado, fluía una corriente eléctrica que dependía de la diferencia de temperatura entre las junturas.

Termocuplas 

Consiste en dos alambres de diferentes metales o aleaciones (platino-rodio, níquel y níquel-cromo, hierro-constantán), un galvánometro que mide las tensiones eléctricas (milivoltios) creadas por el calentamiento del punto de soldadura (extremos soldados)

Termocuplas

Termométros de resistencia 

Es un instrumento que consta principalmente de un hilo metálico arrollado en un elemento de soporte, dotado de los medios necesarios para determinar las variaciones de su resistencia eléctrica. Se basa en el efecto Joule-Thompson.

Termométros de resistencia 

Los materiales más usados son el níquel, el platino, el cobre, el plomo y algunos semiconductores.

PT100". La precisión de estos instrumentos puede llegar a la centésima de grado centígrado

Pirómetros 



Los pirómetros determinan la temperatura estudiando el color, la cantidad y el brillo de la radiación emitida por un cuerpo incandescente. Dependiendo de la de la radiación que guíe la medición loscaracterística pirómetros pueden ser:  Ópticos : si se basan en el brillo de la radiación.  De Radiación: si se basan en la cantidad o intensida de la radiación.  De color.

Sensores de Temperatura de Ultima Generación 

Se han desarrollado más recientemente (1992) circuitos integrados (por ejemplo, el LM35A) que se comportan como una fuente de corriente en función de la temperatura. El artefacto es lineal en todo su rango de operación (desde 0ºK hasta que se funde, en el orden de los 150ºC) y genera, sistemáticamente, 10-6 A/ºK (si bien existen versiones que generan 10-6 A/ºC y 10-6 A/ºF)

Sensores de Presión 

Los dispositivos para medir presión se clasifican en tres grupos: 





Los que se basan en la medición de la altura de una columna de líquido Los que se basan en la medición de la medición de la distorsión de una cámara elástica Los sensores de tipo eléctrico

Sensores de Presión 

El mas común entre los de medición de altura de líquidos es el tubo en forma de U

Sensores de Presión 

Aparatos medidores de presión provistos de elementos elásticos sensibles.  Su funcionamiento está basado en la utilización de la deformación o el momento de flexión de elementos elásticos sensibles que perciben la presión de un medio y la transforman en desplazamiento o esfuerzo.

El manómetro de Bourdon es el ejemplo típico de esta clase

Sensores Eléctricos de Presión 

Se basan en principios tales como: 





La aparición de cargas electroestáticas cuando se deforman los cristales en una dirección determinada (Manométro piezoelectrico). El cambio la resistencia eléctrica los conductores bajo la acción de ladepresión (Manómetro de de resistencia). Variaciones en la inductancia y capacitancia de conductores, de uso muy limitado debido a su baja sensibilidad

Sensores de Flujo 

Rotámetros: 

Es el medidor de área más importante, en él, la caída de presión es prácticamente constante, mientras que el área por la que circula el fluido varía con la velocidad de flujo. A partir de un calibrado, se relaciona el área con la velocidad de flujo.

Sensores de Flujo 

Venturi 

Es un medidor de carga o presión variable, el principio general de funcionamiento es la reducción de presión asociada al aumento de velocidad o energía cinética que sufre un fluido cuando se coloca una constricción

Sensores de Flujo 

Tubo de Pitot: 

Mide la velocidad local a lo largo de una línea de corriente por la diferencia de presión del impacto y la presión estática

Sensores de Flujo Magnéticos 

Se basan en la creación de potencial eléctrico por el movimiento de un fluido conductor a través de un campo magnético generado exteriormente. Según la ley de Faraday de la inducción electromagnética, el voltaje generado, es directamente proporcional a la velocidad del flujo del fluido

Sensores de Concentración 

Cromatografía: Designa procesos basados en la diferencia de velocidades a que los componentes individuales de una mezcla emigran por un medio estacionario bajo la influencia de una fase móvil.

Sensores de Concentración 

Espectrofotometro:  La interacción de la radiación con la materia. Cuando la radiación pasa de un medio vacío a través de una porción de materia, ésta actúa con los átomos y moléculas con que se cruza. La naturaleza específica de la materia hace variar esta interacción y como consecuencia, la radiación puede ser transmitida, absorbida, reflejada o dispersada en diversos grados

Sensores de Concentración 

Ph metro:

Clasificación de los sensores según el principio de funcionamiento •

Contacto Interruptores de posición Táctiles • •

•

Proximidad Inductivos Capacitivos Ultrasónicos Fotoeléctricos Piezoeléctricos Polímeros • •

• • • •

Interruptores de posición • Los sensores de contacto nos indican simplemente si ha

habido contacto o no con algún objeto, sin considerar la magnitud de la fuerza de contacto. Suelen ser dispositivos sencillos cuyo uso es muy variado.

• Estos sensores suelen interruptores de límite oeléctricos microinterruptores, queser son sencillos dispositivos

que cuando se contacta con ellos cambian de estado.

• Final de carrera: se usan para saber si una parte móvil de

una máquina ha llegado a un punto

• Táctiles: Se pueden situar en las pinzas de los brazos de

robot para determinar cuando se ha cogido un objeto.

Interruptores de posición

Interruptores de posición

Interruptores de posición

Interruptores de posición

Interruptores de posición

Ejemplo de sensor tactil

Sensores de array táctil Es un tipo especial de sensores de fuerza ya que en realidad está constituido por una matriz de pequeños sensores de fuerza

Sensores de array táctil • Permiten además reconocer formas en los objetos • Sensores de fuerza que componen la matriz suele ser una

almohadilla elastomérica • Cuando se comprime cambia su resistencia eléctrica de manera proporcional a la fuerza aplicada

Sensores de proximidad 

Son dispositivos que detectan señales para actuar en un determinado proceso u operación, teniendo las siguientes características: 

  

Son dispositivos que actúan por inducción al acercarles un objeto. No requieren contacto directo con el material a detectar. Son los más comunes y utilizados en la industria Se encuentran encapsulados en plástico para proveer una mayor facilidad de montaje y protección ante posibles golpees

Aplicaciones de los sensores de proximidad:   

 





Control de cintas transportadoras, Control de alta velocidad Detección de movimiento Conteo de piezas, Sensado de aberturas en sistemas de seguridad y alarma Sistemas de control como finales de carrera. (PLC´s) Sensor óptico.

Detectores de proximidad inductivos

Detectores de proximidad inductivos

Detectores de proximidad inductivos

Detectores de proximidad inductivos

Detectores de proximidad inductivos

Detectores de proximidad inductivos

Detectores de proximidad inductivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores de proximidad capacitivos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores fotoeléctricos

Detectores para control de presión

Detectores para control de presión

Detectores para control de presión

Detectores para control de presión

Detectores para control de presión

Detectores para control de presión

Detectores para control de presión

Detectores para control de presión

Selección según los materiales del sensor MATERIAL DE LA CARCASA

•Acero inoxidable •Latón, niquelado o cubierta con Teflón. •Crastin, es un tereftalato de polibutileno (PBT), el cual

está reforzado con fibra de vidrio. Es particularmente resistente a los cambios de forma, resistente a la abrasión, al calor y al frío, y resiste los hidrocarburos (p. Ej., tricoloetileno), ácidos (p. Ej. 28% ácidos sulfúricos), agua de mar, agua caliente 70°C etc. •Para temperaturas hasta 150 °C, se usa Ryton, un sulfuro

de polifenileno cristalino (PS), que mantiene la estabilidad hasta 200 °C. Los componentes electrónicos están inmersos en una resina epoxy bajo la resina moldeada al vacío.

Selección según los materiales del sensor MATERIALES DEL CABLE

•PVC (cloruro de polivinilo). Calidad estándar de la industria

eléctrica condicionalmente resistente a todos los aceites y grasas, disolventes y no se debilita, con elevada resistencia ala abrasión. •PUR (poliuretano). Resistente a todos los aceites y grasas,

disolventes, y con una elevada resistencia a la abrasión.

•SILICONA. Ideal para temperaturas elevadas o bajas (-50 C hasta + 180 ‘”c) moderadamente resistente a la °

corrosión, y a todos los aceites, grasas y disolventes.

¡MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN! Ing. Ms. C. Liliana Flores de Hernández 172