Escuela superior politécnica de chimborazo facultad de informática y electrónica ingeniería electrónica en control y redes industriales diseño e implementación



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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA EN CONTROL Y REDES INDUSTRIALES

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA EL AHUMADO DE CARNES EN FRÍO EN LA PLANTA DE CÁRNICOS DE LA FACULTAD DE CIENCIAS PECUARIAS DE LA ESPOCH.

Trabajo de titulación presentado para optar al grado académico de:



INGENIERO EN ELECTRÓNICA, CONTROL Y REDES INDUSTRIALES

AUTORES: MONTERO HUILCA CRISTIAN VINICIO

BECERRA CÓRDOVA PAÚL DANILO



TUTOR: ING. JANETH ILEANA ARIAS GUADALUPE

Riobamba – Ecuador

2015

©2015, Montero Huilca Cristian Vinicio y Becerra Córdova Paúl Danilo

Se autoriza la reproducción total o parcial, con fines académicos, por cualquier medio o procedimiento, incluyendo a la cita bibliográfica del documento, siempre y cuando se reconozca el Derecho de Autor.


ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA EN CONTROL Y REDES INDUSTRIALES
El Tribunal de Trabajo de Titulación certifica que: El trabajo de investigación: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA EL AHUMADO DE CARNES EN FRÍO EN LA PLANTA DE CÁRNICOS DE LA FACULTAD DE CIENCIAS PECUARIAS DE LA ESPOCH”, de responsabilidad de los señores Cristian Vinicio Montero Huilca y Paúl Danilo Becerra Córdova, ha sido minuciosamente revisado por los Miembros del Tribunal de Tesis, quedando autorizada su presentación.
NOMBRE FIRMA FECHA

Ing. Gonzalo Samaniego. Ph.D.



DECANO FIE ------------------------ -------------------
Ing. Alberto Arellano.

DIRECTOR EIE CRI ------------------------ -------------------
Ing. Janeth Arias.

DIRECTORA DE TESIS ------------------------ -------------------
Ing. Edwin Altamirano.

MIEMBRO DEL TRIBUNAL ----------------------- -------------------
Ing. Andrés Morocho

MIEMBRO DEL TRIBUNAL ----------------------- -------------------
DOCUMENTALISTA

SISBIB – ESPOCH ------------------------ -------------------

NOTA: ------------------------

Nosotros, PAÚL DANILO BECERRA CÓRDOVA y CRISTIAN VINICIO MONTERO HUILCA, somos responsables de las ideas, doctrinas y resultados expuestos en este Trabajo de Titulación, y el patrimonio intelectual de la misma pertenece a la ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO.

--------------------------------------- -----------------------------------------

Paúl Danilo Becerra Córdova Cristian Vinicio Montero Huilca

DEDICATORIA

Muchos nombres cruzan por mi cabeza, pues mi mente y corazón siempre les agradece, quiero empezar dedicando esta tesis a Dios, quien ilumina mi camino y jamás me ha desamparado, a mis padres, que aunque haya dejado de ser niño jamás dejarán de ser mis súper héroes, a mis hermanos, a quienes espero servirles como incentivo para conseguir lo que se propongan en la vida, y a todos y cada uno de mis demás familiares y amigos quienes creyeron en mí y me supieron dar apoyo y aliento para siempre seguir adelante. Con aprecio y cariño es para y por ustedes.

CRISTIAN

Dedico esta tesis a mis padres Daúl Becerra y Elvira Córdova quienes siempre creyeron en mí y me apoyaron incondicionalmente, siempre tuvieron una palabra de aliento y son el pilar de apoyo más importante en mi vida pues gracias a ustedes he podido culminar esta meta propuesta.


De igual forma dedico esta tesis a mis hermanos que me brindaron su apoyo, a todos los ingenieros que más que docentes supieron ser amigos y guías, también quiero hacer una especial dedicatoria a mis amigos quienes fueron como mi familia durante todo este tiempo. A todos ustedes les agradezco desde el fondo de mi alma pues sin su ayuda nunca hubiera podido lograr esta meta.

PAÚL


ÍNDICE DE ABREVIATURAS

A Amperios

AC Corriente alterna

AWG American wire gauje

DC Corriente directa

DP Decentralized Periphery


FMS Fieldbus Message Specification

HART Highway Addressable Remote Transducer

Hp Horse power

HMI Human-Machine Interface

Hz Hercio, unidad de frecuencia

OP-PC Operador-computadora

PA Process Automation

PLC Programmable Logic Controller

PWM Pulse Width Modulation

RPM Revolución por minuto

VDC Voltaje de corriente directa

VAC Voltaje de corriente alterna

W Watt o vatio

°C Grados centígrados
ÍNDICE GENERAL
CERTIFICACIÓN iii

DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD 14

DEDICATORIA 14

ÍNDICE DE ABREVIATURAS 14

ÍNDICE GENERAL 14

ÍNDICE DE TABLAS 14

ÍNDICE DE FIGURAS xii

RESUMEN xiv

SUMARY. xv


DP Decentralized Periphery 8

CERTIFICACIÓN iii 9

DECLARACIÓN DE RESPONSABILIDAD 14 9

DEDICATORIA 14 9

ÍNDICE DE ABREVIATURAS 14 9

ÍNDICE GENERAL 14 9

ÍNDICE DE TABLAS 14 9

ÍNDICE DE FIGURAS xii 9

RESUMEN xiv 9

SUMARY. xv 9

INTRODUCCIÓN 14

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15

Antecedentes 15

Formulación del problema 16

Sistematización del problema 16

JUSTIFICACIÓN 17

Justificación teórica 17

Justificación aplicativa 17

OBJETIVOS 18

Objetivo general 18

Objetivos específicos 18

CAPÍTULO I 19

1.MARCO TEÓRICO REFERENCIAL 19

1.1.Sistema Electrónico 19

19

1.2.Automatización Industrial 19



1.3.Sistemas SCADA 19

1.3.1.Interfaz Hombre Máquina (HMI) 20

1.4.Lenguaje de programación 20

1.4.1.Programación LADDER 21

1.5.Controlador Lógico Programable (PLC) 21

1.5.1.Tarjeta de funciones especiales para PT100 o Board (BD) 22

1.5.2.Modulo analógico 23

1.5.3.Cable PC – PLC 23

1.5.4.Cable OP – PC 23

1.6. Controlador Auxiliar A-Star 32U4 24

1.7.Protocolos de comunicación industrial 24

1.7.1.Protocolo Highway Addressable Remote Transducer (HART) 25

1.7.2.1.PROFIBUS Decentralized Periphery (DP). 26

1.7.2.2.PROFIBUS Fieldbus Message Specification (FMS). 27

1.7.2.3.PROFIBUS Process Automation (PA). 27

1.7.3.Protocolo FIELDBUS FOUNDATION 27

1.7.4.Comunicación MODBUS 28

1.7.5.Comunicación Ethernet 28

1.8.Sensores 28

1.8.1.Sensor de humedad 29

1.8.2.Sensor de temperatura PT100 29

1.9.Fuente de voltaje DC 30

1.10.Motores 31

1.10.1.Motor AC 31

1.10.2.Motor-reductor 32

1.10.3.Motor DC 32

1.10.4.Motor paso a paso 33

1.10.4.1.Motores paso a paso unipolares 34

1.10.4.2.Motores paso a paso bipolares 35

1.10.5.Servomotor 36

1.10.6.Puente H 36

1.11.Resistencia eléctrica 37

1.11.1.Resistencia de Calentamiento (Niquelina eléctrica). 37

1.12.Contactor 37

1.12.1.Contacto 38

1.13.Relé 38

1.14.Switch 39

1.15.Breaker 39

1.16.Luces Piloto 40

1.17.Control automático 40

1.17.1.Sistema de control de lazo cerrado 41

1.17.2.Sistema de control de lazo abierto. 41

CAPÍTULO II 43

2.MARCO METODOLÓGICO 43

2.1.Identificación de variables a medir 43

2.1.1.Temperatura 43

2.1.2.Humedad 44

2.2.Sistema de control implementado 44

2.2.1.Sistema de control lazo abierto. 44

2.3.Descripción del proceso de ahumado 45

2.4.Selección de sensores 47

2.4.1.Sensor de temperatura 47

2.4.2.Sensor de humedad 48

2.5.Selección de motores 48

2.5.1.Motor para la compuerta de alivio de desalojo de humo. 48

2.5.2.Motor de la compuerta de suministro de viruta. 49

2.5.3.Motor de apertura de válvula para el flujo de humo desde la cámara de cremación hacia la cámara de ahumado. 49

2.5.4.Motor-reductor 49

2.6.Selección del Interfaz Hombre Máquina (HMI) 50

2.7.Selección de Controladores 50

2.7.1.Selección del PLC y Módulo de expansión. 51

2.7.1.1.Controlador Lógico Programable (PLC) 51

2.7.1.2.Tarjeta de funciones especiales (Board BD) 52

2.7.2.Controlador Auxiliar 52

2.8.Selección de fuente externa DC 53

2.9.Diseño de Baquelita para el panel de control 53

2.9.1.Conexión sensores de humedad 53

2.9.2.Conexión Motor paso a paso 54

2.9.3.Conexión de servomotor. 54

2.9.4.Conexión luces piloto. 55

2.9.5.Diagrama de conexión diseñado en el software Proteus ISIS, ARES y real 55

2.10.Diseño e implementación del tablero de control 57

2.10.1.Instalación de elementos dentro del gabinete del tablero de control. 58

2.10.2.Diagrama de encendido y apagado general 61

2.10.3.Conexiones de entrada y salidas al PLC 62

2.10.3.1.Entradas al PLC 63

2.10.3.2.Salidas del PLC 65

2.11.Reacondicionamiento de la máquina de cremación de viruta y de la cámara de ahumado 67

2.11.1.Cámara de cremación de la viruta 67

2.11.2.Cámara de ahumado 69

2.12.Programación del PLC 71

2.12.1.Diseño grafcet proceso de ahumado. 71

2.12.2.Lectura de los sensores PT100 73

2.12.3.Lectura de los sensores de humedad 74

2.12.4.Selección del tiempo de ahumado 75

2.12.5.Proceso de ahumado 76

2.12.6.Apertura y cierre compuerta de alivio y válvula de paso 83

2.12.7.Prueba de motores desde la pantalla HMI 84

2.13.Programación del HMI 86

2.14.Programación del Controlador Auxiliar 94

CAPÍTULO III 96

3.MARCO DE RESULTADOS, ANALISIS Y DISCUSIÓN 96

3.1.Suministro de viruta 96

3.2.Extracción de humo de la cámara de cremación. 98

3.3.Retardo en el proceso de ahumado 99

3.4.Pruebas y mediciones de temperatura y humedad en el proceso de ahumado 100

3.5.Resultados 104

CONCLUSIONES 106

RECOMENDACIONES 107

BIBLIOGRAFÍA 108

SUPO, José. El tamaño de la muestra para la prueba piloto. 110




ÍNDICE DE TABLAS

INDICE DE FIGURAS

RESUMEN

Se diseñó e implementó un sistema de control para el ahumado de carnes en frío en la Facultad de Ciencias Pecuarias. Con este trabajo de investigación el usuario dispone de una infraestructura de control flexible que permite ahumar diferentes productos cárnicos durante el tiempo que los mismos lo requieran. Se utilizó el método Heurístico para el diseño e implementación del tablero de control y disposición de sensores, y el método Experimental para el desarrollo de pruebas de funcionamiento. El sistema de control consta de una cámara de cremación donde se suministra la viruta de madera que es quemada con el fin de extraer el humo producido por esta, y una cámara de ahumado donde se almacenan los productos a ahumar. Estas dos cámaras están conectadas mediante una cañería que permite llevar el humo de una cámara hacia la otra. Estos compartimientos están controlados por un panel de control al cual está conectada una Interfaz Hombre-Máquina (HMI) TouchWin TH465-MT/UT con la cual el usuario puede interactuar con el sistema. Para controlar las acciones e interpretación de datos del proceso se utilizó un Controlador Lógico Programable (PLC) XINJE XC3-24R-E. El sistema implementado demostró ser eficiente, debido a que en las pruebas los rangos de temperatura no superaron los 30 °C, asegurando que los productos se encuentran en un ambiente adecuado y apto para el consumo humano. Para realizar el ahumado de carnes en frío es estrictamente necesario elaborar dos cámaras para obtener un control óptimo del menor intercambio de temperatura posible entre las mismas. Se recomienda a los estudiantes tener la debida precaución y evitar abrir la compuerta de la cámara de cremación pues la viruta entraría en combustión y se atrofiaría el proceso.


PALABRAS CLAVE
, , , , , , .

SUMARY

It designed and implemented a control system for cold smoking meat process at Faculty of Animal Science. The present research provides to user a flexible infrastructure control that allows smoke different meat products during the required time. It used the Heuristic method for the design and implementation of the control board, sensor arrangement and the Experimental method for the development of test runs. The control system consists of a cremation chamber in which wood shavings is burned, in order to extract the smoke and a smoking chamber too in which smoking products are stored. The two chambers are connected by a pipe that lets out smoke from one chamber to the other, besides these chambers are controlled by a control board that is connected to Human-Machine Interface (HMI) TouchWin TH465-MT/UT thereby; the user can interact with the system. On the other hand it used the Programmable Logic Controller (PLC) XINJE XC3-24R-E to control the actions and data interpretation process. The system implemented showed to be efficient; due to range tests did not exceed 30°C ensuring that the products are in a suitable environment and that are fit for the human consumption. To make smoked meat in cold, it is strictly necessary to develop two chambers for optimal control of the possible minor changes in temperature between them. Finally it recommends students to work with due care and avoid opening the door of the cremation chamber because the wood shavings would burn, so the process could be affected.




KEYWORDS
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