diseÑo del sistema de supervisiÓn y control para la

i

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER OCAÑA Documento

FORMATO HOJA DE RESUMEN PARA TRABAJO DE GRADO

Código

F-AC-DBL-007 Fecha

10-04-2012 Revisión

A

Dependencia

DIVISIÓN DE BIBLIOTECA Aprobado

SUBDIRECTOR ACADEMICO Pág.

i(127)

RESUMEN – TRABAJO DE GRADO

AUTORES RONI MAURICIO JAYA CAMACHO

DAVID ANTONIO SÁNCHEZ MENDEZ FACULTAD FACULTAD DE INGENIERIAS PLAN DE ESTUDIOS ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL DIRECTOR JOSÉ ARMANDO BECERRA VARGAS TÍTULO DE LA TESIS DISEÑO DEL SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y CONTROL

PARA LA AUTOMATIZACIÓN DE UN HORNO AUTOCLAVE

CON CAPACIDAD DE 45 TONELADAS/HORA, UTILIZADO

EN EL PROCESO DE ESTERILIZACIÓN DE FRUTO EN UNA

PLANTA EXTRACTORA DE ACEITE DE PALMA

RESUMEN (70 palabras aproximadamente)

EL DISEÑO DEL SISTEMA DE SUPERVISION Y CONTROL PARA LA

AUTOMATIZACION DE UN HORNO AUTOCLAVE CON CAPACIDAD DE 45

TONELADAS/HORA PERMITIO CONTROLAR LA APERTURA Y CIERRE DE

VÁLVULAS Y COMPUERTAS DE LAS AUTOCLAVES QUE INTERVIENEN EN EL

PROCESO DE ESTERILIZACIÓN DEL FRUTO DE LA PALMA DE ACEITE, SIEMPRE HA

SIDO UN PROBLEMA, YA QUE REALIZAR ESTA ACCIÓN MANUALMENTE, HA

GENERADO MUCHOS ACCIDENTES, ADEMÁS DE NO ALCANZAR CORRECTAMENTE

LOS TRES PICOS DE EXPANSIÓN CUANDO SE INYECTA EL VAPOR A LA

AUTOCLAVE.

CARACTERÍSTICAS PÁGINAS:

PLANOS: ILUSTRACIONES: CD-ROM:

ii

DISEÑO DEL SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y CONTROL PARA LA

AUTOMATIZACIÓN DE UN HORNO AUTOCLAVE CON CAPACIDAD DE 45

TONELADAS/HORA, UTILIZADO EN EL PROCESO DE ESTERILIZACIÓN DE

FRUTO EN UNA PLANTA EXTRACTORA DE ACEITE DE PALMA

AUTORES

RONI MAURICIO JAYA CAMACHO

DAVID ANTONIO SÁNCHEZ MENDEZ

Trabajo de grado presentado como requisito para optar título de Especialista en

Automatización Industrial

DIRECTOR:

JOSÉ ARMANDO BECERRA VARGAS

IE. Msc.

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER OCAÑA

FACULTAD DE INGENIERIAS

ESPECIALIZACIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

Ocaña, Colombia Agosto, 2017

v

Dedicatoria

Le dedico este logro primeramente a Dios Padre, quien es el que permite que todo sea posible

regalándome salud, vida y todos sus dones. A mis padres David y Nelly por darme la vida y todo

su apoyo incondicional cada vez que me propongo una meta, son un gran ejemplo de

perseverancia, constancia y de que lo único que no tiene solución es la muerte. A mi esposa

Sharom por su apoyo incondicional día a día, la razón de ser de mis propósitos de cada día

mejorar para forjar un mejor futuro juntos, gracias por expresarme todos los días lo orgullosa que

te sientes de mí, eso me llena de motivos. A mi Abuelita Flor, quien gracias a sus oraciones me

protege y bendice para que todo me salga bien. A mis hermanos Yonathan, Yamile y Moices para

quienes soy su orgullo y me llenan de motivos para seguir creciendo como profesional.

A mis amigos los “BETA”, Roni, Corredor, Chiki y Méndez, quienes juntos con mucho esfuerzo

y dedicación, logramos llegar hasta el final de esta meta, empezamos juntos y terminamos juntos.

Betas for ever…

DAVID SÁNCHEZ

vi

Dedicatoria

Primeramente a Dios por permitirme lograr esta meta tan importante para mí. A mi madre Marilu

Camacho, por regalarme la vida y apoyarme en todo lo que me propongo como profesional. A

mis hermanos Nidia, Javier y Krist, para quienes soy su orgullo y un ejemplo a seguir, gracias por

darme su apoyo y ánimo en los momentos cuando más los necesito.

A mis amigos los “BETA”, David, Corredor, Chiki y Méndez, quienes juntos con mucho

esfuerzo, mojadas, varadas y aventuras en la moto y dedicación, logramos llegar hasta el final de

esta meta, empezamos juntos y terminamos juntos. Betas for ever…

RONI JAYA

vii

Agradecimientos

Los autores expresan sus agradecimientos:

A nuestro Director Armando Becerra, quien es nuestro Maestro, nuestra guía y ejemplo a seguir,

gracias por confiar en nuestras capacidades como profesionales y personas, porque no dudó un

segundo cuando le propusimos ser nuestro director, gracias por su tiempo, su calidad humana, su

entrega y pasión por la profesión, por servir a la educación de manera desinteresada.

Al Ingeniero Daniel Carrillo, por toda su gestión y colaboración durante el proceso estudiantil,

fue de mucha ayuda en momentos claves.

En general a todos los docentes de la Especialización por sus enseñanzas, por cada aporte que nos

dejaron y el conocimiento brindado, por la flexibilidad con los Cucuteños y su alto sentido de

pertenencia e identidad institucional.

viii

Indice

Introducción ........................................................................................................... xiv

Capítulo 1. Diseño del sistema de supervisión y control para la automatización

de un horno autoclave con capacidad de 45 toneladas/hora, utilizado en el

proceso de esterilización de fruto en una planta extractora de aceite de palma

.................................................................................................................................. xv

1.1 Planteamiento del Problema ................................................................................................. 16

1.2 Formulación del Problema ................................................................................................... 16

1.3 Objetivos .............................................................................................................................. 16

1.3.1 Objetivo general. ........................................................................................................... 16

1.3.2 Objetivos específicos. .................................................................................................... 16

1.4 Justificación .......................................................................................................................... 17

1.4.1 Beneficios sociales. ....................................................................................................... 18

1.4.2 Beneficios tecnológicos. ................................................................................................ 18

1.4.3 Beneficios económicos. ................................................................................................. 18

1.4.4 Beneficios empresariales. .............................................................................................. 18

1.4.5 Beneficios ambientales .................................................................................................. 18

1.5 Delimitación ......................................................................................................................... 19

1.5.1 Delimitación operativa. ................................................................................................. 19

1.5.2 Delimitación conceptual. ............................................................................................... 19

1.5.3 Delimitación geográfica. ............................................................................................... 19

1.5.4 Delimitación temporal. .................................................................................................. 19

Capítulo 2. Marco Referencial .............................................................................. 20

2.1 Marco Histórico .................................................................................................................... 20

2.2 Marco Teórico ...................................................................................................................... 20

2.2.1 Automatización industrial. ............................................................................................ 20

2.2.2 Automatización Industrial en Plantas Extractoras de aceite de palma (Plantas de

Beneficio). .............................................................................................................................. 25

2.2.3 Automatización del proceso de Esterilización en plantas extractoras de aceite de

palma. ..................................................................................................................................... 39

2.3 Marco Conceptual ................................................................................................................ 49

2.4 Marco Legal ......................................................................................................................... 52

ix

Capítulo 3. Diseño Metodológico .......................................................................... 54

3.1 Tipo de Investigación ........................................................................................................... 54

3.2 Fases para el Desarrollo del proyecto .................................................................................. 54

3.2.1 Fase 1: Evolución de la automatización de procesos industriales. ................................ 54

3.2.2 Fase 2: Apertura, cierre de compuertas en hornos autoclave para el proceso de

esterilización del fruto de palma de aceite. ............................................................................ 60

3.2.3 Fase 3: Sistema de control y los mecanismos requeridos para la automatización de

autoclaves para el proceso de esterilización del fruto en plantas extractoras de aceite de

palma. ..................................................................................................................................... 69

Capitulo 4. Recursos ........................................................................................... 119

4.1 Recursos Institucionales ..................................................................................................... 119

4.2 Recursos Humanos ............................................................................................................. 119

4.3 Recursos Financieros .......................................................................................................... 119

4.4 Recursos Tecnológicos ....................................................................................................... 122

Conclusiones .......................................................................................................... 123

Recomendaciones.................................................................................................. 125

Referencias Bibliográficas ................................................................................... 126

x

Lista de Figuras

Figura 1. La figura de la izquierda muestra la actividad de una planta que no ha automatizado sus

procesos y la de la derecha, una que sí lo ha hecho 27

Figura 2. Evolución y efecto del automatismo en Colombia 27

Figura 3. Beneficio por cada 100.000 toneladas de racimos de fruta fresca (rff) procesadas 28

Figura 4.Tres esterilizadores 29

Figura 5. Sistema automático de desfrutación 30

Figura 6. Puente grúa 31

Figura 7. Prensado automático 32

Figura 8. Automatismo en clarificación 34

Figura 9. Almacenamiento de aceite. Sistema de supervisión 35

Figura 10. Sistema automático de desfibración 37

Figura 11. Palmisteria y planta de palmiste 38

Figura 12. Estación de control centralizada 39

Figura 13. Automatismos en las plantas de beneficio colombianas 39

Figura 14. Conexiones típicas para un esterilizador 45

Figura 15. Picos de Esterilización 47

Figura 16. Registrador manual Galvanómetro 57

Figura 17. Interface real de un SCADA 58

Figura 18. Operario realizando acción de levantamiento de puente manualmente 62

Figura 19. Operador abriendo / cerrando válvula 65

Figura 20. SCADA Recepción y Esterilización planta AGC SAS 68

Figura 21. Unidades Hidráulicas 70

Figura 22. Unidad Hidráulica 71

Figura 23. Electroválvula de Vapor de 6” 74

Figura 24. Ciclo de esterilización 74

Figura 25. Diagrama P&ID diseño autoclave 75

Figura 26. Representación gráfica de una válvula trampa de vapor 76

Figura 27. Proceso de expulsión de condensados con válvula manual 78

Figura 28. Implementación de la trampa de vapor 79

xi

Figura 29. Diagrama de flujo para iniciar el ciclo de esterilización en el tablero de autoclave 83

Figura 30.Variables 1-24 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) 84



Figura 34. Secuencia Bloque MAIN (OB1) 1 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) - - Segmentos 1 y

2. 86

Figura 35. Secuencia Bloque MAIN (OB1) 2 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) - - Segmento 3. 87



Figura 38. Valor analógico del transmisor de presión rango de 0 a 45 psi que nos da la medida de

4 a 20 mA – MATLAB R2015a 89

Figura 39. Escalización señal presóstato (1) - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) 90




Figura 43. Bloque de Autoclave, segmentos 1 y 2 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) 94




Figura 47. Bloque de Autoclave, segmentos 9 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) 96

Figura 48. Bloque de Autoclave, segmento 10 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) 97

Figura 49. Bloque de Autoclave, segmento 11-1 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) 97










xii



Figura 61. Configuración de variables Bloque de Autoclave (Generación instantánea) 1 - - TIA

Portal V13 SP1 (Step 7) 103



Figura 63 Configuración de variables Bloque de Autoclave (Generación instantánea) 3 - - TIA




Figura 65. SCADA HMI – Ciclo de Desaireación Autoclave - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) 106

Figura 66. Botón Inicio SCADA HMI – 106

Figura 67. Leds indicadores anillos, puertas y puentes, SCADA HMI – 107

Figura 68.Indicadores SCADA HMI – 107

Figura 69. Botón Pausa SCADA HMI 108

Figura 70. Ciclos autoclave SCADA HMI – 108

Figura 71. Compuertas autoclave SCADA HMI – 109

Figura 72. Parada de emergencia SCADA HMI – 110

Figura 73. Led de alarma SCADA HMI – 110

Figura 74. Alimentación del tablero de autoclaves 111

Figura 75. Fuente de Poder 120/230VAC-24DC 112

Figura 76. Conexión de alimentación en módulos del PLC 113

Figura 77. Conexión de botones y sensores 114

Figura 78. Conexión de bobinas para accionamiento de válvulas de vapor y condensado 114

Figura 79. Conexión de válvulas de vapor y alarma. 115

Figura 80. Conexión de transmisor de temperatura. 116

Figura 81. Distribución interior de elementos en el tablero 117

Figura 82. Distribución exterior de elementos en el tablero 117

xiii

Lista de Tablas

Tabla 1. ........................................................................................................................................... 45

Tabla 2 ............................................................................................................................................ 48

Tabla 3 ............................................................................................................................................ 49

Tabla 4 ............................................................................................................................................ 61

Tabla 5. ........................................................................................................................................... 63

Tabla 6 ............................................................................................................................................ 66

Tabla 7 ............................................................................................................................................ 79

Tabla 8 ............................................................................................................................................ 86

Tabla 9 .......................................................................................................................................... 120

Tabla 10 ........................................................................................................................................ 120

Tabla 11 ........................................................................................................................................ 121

Tabla 12 ........................................................................................................................................ 121

Tabla 13 ........................................................................................................................................ 121

xiv

Introducción

A raíz del cese de la violencia en Colombia, muchos campesinos han decidido volver a sus

tierras y comenzar a cultivar nuevamente, uno de los cultivos que han ido implementando en

estas zonas que anteriormente fueron de guerra ha sido la palma de aceite o palma africana, razón

por la cual el aumento de este cultivo en los últimos 12 años ha sido de cerca de un 25%.

Debido a esto, la industria de extracción de aceite de palma ha venido creciendo, siendo el

grupo empresarial Oleoflores y el grupo Manuelita de los pioneros en poner en funcionamiento

plantas extractoras de aceite de palma, así como pequeños grupos de agricultores, quienes han

formado asociaciones y han puesto en funcionamiento pequeñas plantas industriales.

La automatización de este tipo de plantas extractoras ha venido creciendo, ya que facilita los

procesos que intervienen en la extracción del aceite tanto de palma como de palmiste, grandes

empresas, como la desaparecida Consultécnica S.A., Eléctricos Importados S.A., AIC

Internacional S.A.S entre otras, se han dedicado en los últimos años al montaje, y/o

modernización de este tipo de plantas en Colombia.

El proceso de esterilización, es el proceso en el cual el fruto de la palma de aceite es sometido

a vapor sobrecalentado a diferentes presiones, buscando tres picos de expansión, para cocinar

correctamente el fruto, ablandarlo, y detener los efectos de acidificación del mismo, para

posteriormente continuar con el proceso y obtener el aceite de palma.

Norte de Santander, cuenta actualmente con tres plantas extractoras de aceite de palma, la

primera, Cooperativa Palmas de Risaralda COOPAR LTDA fue construida en zona rural del

municipio de El Zulia, tiene una capacidad actual de procesamiento de 10 toneladas de fruto por

xv

hora, es una planta de accionamiento manual, no cuenta actualmente con modernización, y fue

fundada por una asociación de palmicultores de la zona; la segunda, Palmicultores del Norte de

Santander PALNORTE S.A.S, también es una asociación de palmicultores, instalada en el

corregimiento de Campo Dos, municipio de Tibú, es una planta automatizada en cerca de un

60%, cuenta con una capacidad de procesamiento de 20 toneladas de fruto por hora; y la tercera,

Aceites y Grasas del Catatumbo, perteneciente al Grupo Empresarial Oleoflores, la cual

recientemente entró en funcionamiento, cuanta con una capacidad de procesamiento de 45

toneladas de fruto por hora, y se encuentra automatizada en un 60%, está planta tiene proyectada

dos ampliaciones una para procesamiento de 90 toneladas de fruto por hora y otra para 135

toneladas de fruto por hora.

Automatizar el proceso de esterilización en plantas extractoras de aceite en Colombia, y en

general automatizar todos los procesos que intervienen en este tipo de plantas, es mejorar

continuamente los procesos, tanto técnicos como de seguridad y salud en el trabajo.

16

Capítulo 1. Diseño del sistema de supervisión y control para la automatización

de un horno autoclave con capacidad de 45 toneladas/hora, utilizado en el

proceso de esterilización de fruto en una planta extractora de aceite de palma

1.1 Planteamiento del Problema

Controlar la apertura y cierre de válvulas y compuertas de las autoclaves que intervienen en el

proceso de esterilización del fruto de la palma de aceite, siempre ha sido un problema, ya que

realizar esta acción manualmente, ha generado muchos accidentes, además de no alcanzar

correctamente los tres picos de expansión cuando se inyecta el vapor a la autoclave.

1.2 Formulación del Problema

¿Cuál sería el diseño del sistema de Supervisión y Control adecuado para la automatización

de un horno autoclave con capacidad de 45 Toneladas/hora, utilizado en la esterilización de fruto

en una planta extractora de aceite de palma que me permita controlar apertura y cierre de válvulas

y compuertas de acuerdo a la supervisión de las variables del proceso?

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo general. Diseñar del sistema de supervisión y control para la automatización

de un horno autoclave con capacidad de 45 Toneladas/hora, utilizado en el proceso de

esterilización de fruto en una planta extractora de aceite de palma.

1.3.2 Objetivos específicos. Describir la evolución de la automatización de procesos

industriales

Distinguir los tipos de control y mecanismos utilizados en hornos autoclaves para el proceso

de esterilización del fruto en plantas extractoras de aceite de palma.

17

Definir el sistema de control y los mecanismos requeridos para la automatización de

autoclaves para el proceso de esterilización del fruto en plantas extractoras de aceite de palma.

1.4 Justificación

La necesidad de mejorar la eficiencia en la extracción de aceite y almendra en las plantas de

beneficio de aceite de palma Colombianas, mediante la disminución en los niveles de pérdidas y

los costos de procesamiento, hacen que el desarrollo de herramientas para el control y supervisión

en áreas sensibles del proceso sea considerado hoy como un elemento imprescindible, tanto para

los proyectos de mejora de las plantas existentes, como en el desarrollo de nuevos proyectos.

Este tipo de herramientas ha surgido de manera gradual, respondiendo a las necesidades más

relevantes del proceso, principalmente en las secciones de esterilización, desfrutación, prensado y

generación de vapor

Como en todas las industrias, en las plantas extractoras de aceite el desarrollo de

automatismos tiene el objeto de mejorar la eficiencia de los procesos, mediante el aumento de la

productividad y la disminución de los costos de operación y mantenimiento. Así con un sencillo

análisis de costo-beneficio, es posible evaluar la conveniencia de implementar sistemas de control

en una determinada sección del proceso.

Por otra parte, la normalización, supervisión y control del proceso en cada una de sus etapas

son factores indispensables para asegurar la obtención permanente de buenos resultados en

extracción de aceite y pérdidas de aceite y almendras.

En el proceso de esterilización, ayudan al cumplimiento de los objetivos de la esterilización,

al disminuir la variación de presión aplicada en los ciclos de esterilización y restringir el tiempo

18

de sostenimiento. Adicionalmente, evitan el aumento de las pérdidas de aceite en tusa,

ocasionada por la presencia excesiva de condensados en el esterilizador (autoclave) durante el

ciclo (Silvia, 2012).

Por lo tanto, se evidencia que es posible mejorar el proceso de esterilización, implementando

automatismos en las autoclaves.

1.4.1 Beneficios sociales. Se espera generar interés por la adopción de nuevas tecnologías y

reducir la cantidad de accidentes por mal operación manual durante el proceso.

1.4.2 Beneficios tecnológicos. Se busca facilitar la manipulación del proceso de control de la

autoclave, tener control en el tiempo real del proceso, y la manipulación de variables que

intervienen en el mismo.

1.4.3 Beneficios económicos. Mayor obtención de aceite al realizar una correcta cocción del

fruto.

1.4.4 Beneficios empresariales. Aumentar la eficiencia en las labores de los operadores,

puesto que un sistema debidamente automatizado y monitoreado, permitirá un mejor desempeño

debido a la disminución de fatiga del sistema musculo esquelético (M.E).

Posicionamiento de la empresa, apuntando a la obtención de registros de Calidad.

Reducción en el índice de accidentalidad y enfermedades en el trabajo

1.4.5 Beneficios ambientales. Mediante la implementación de la automatización, se

disminuyen las pérdidas de vapor en la admisión, y por ende, se disminuye la cantidad de

combustible utilizado en la caldera para generarlo.

19

1.5 Delimitación

1.5.1 Delimitación operativa. Supervisión y control de las variables que actúan en el proceso

de esterilización, como el mecanismo de la apertura y cierre de compuertas al momento de carga

y descarga del producto.

1.5.2 Delimitación conceptual. Sistemas de control, comunicaciones industriales, proceso de

esterilización del fruto de palma, sistemas SCADA, accionamientos mecánicos, válvulas

electromecánica.

1.5.3 Delimitación geográfica. Planta Extractora Aceites y Grasas del Catatumbo SAS,

ubicada en el corregimiento Reyes Campo Dos, municipio Tibu, Norte de Santander.

1.5.4 Delimitación temporal. Este proyecto se desarrolló en 10 semanas.

20

Capítulo 2. Marco Referencial

2.1 Marco Histórico

Diseño y cálculo para la automatización del proceso de esterilización del fruto de palma

africana en la obtención de aceite para la empresa COOPAR (Cooperativa Palmas Risaralda

Ltda), ubicada en el municipio de El Zulia, Norte de Santander – Corzo Leonel, Abreu Jensen,

Universidad Francisco de Paula Santander, Cúcuta –Norte de Santander. Tesis de Pregrado

Ingeniería Electromecánica, presentada en diciembre del año 2014, se realizó un estudio para la

automatización de este proceso, con el fin de dejar un precedente para la modernización de la

planta que actualmente opera en el municipio de El Zulia.

Ingeniería de Automatización para el proceso de esterilización en la extracción de aceite de

palma africana de la empresa Oleoflores Ltda – Rozo Durwin, Velasco Libardo, Universidad de

Pamplona, Pamplona – Norte de Santander. Artículo científico presentado ante el instituto de

investigación y desarrollo de tecnologías aplicadas (IIDTA) de la Universidad de Pamplona.

Diseño de sistema de supervisión y automatización para planta extractora de aceite de

palma. – Barrera Johan, Vargas Juan – Colombia. Artículo científico, cuyo origen es

desconocido, solo se tiene registro de que se presentó en Colombia, pero que integra un gran

aporte para la realización del presente proyecto.

2.2 Marco Teórico

2.2.1 Automatización industrial. La automatización industrial (automatización: del griego

antiguo auto, ‘guiado por uno mismo’) es el uso de sistemas o elementos computarizados y

21

electromecánicos para controlar maquinarias o procesos industriales. Como una disciplina de la

ingeniería más amplia que un sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que

incluye los sensores, los transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los

sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para

supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales.

https://es.wikipedia.org/wiki/Automatizaci%C3%B3n_industrial

Prehistoria. Las primeras máquinas simples sustituían una forma de esfuerzo en otra forma

que fueran manejadas por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas

o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir la energía humana o

animal por formas naturales de energía renovable, tales como el viento, las mareas, o un flujo de

agua.

Todavía después, algunas formas de automatización fueron controladas por mecanismos de

relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales -algún

resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal

como figuras en movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos caracterizaban a

figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde el año 300 AC.


Siglo XIX. En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue

dada a Joseph Marie Jacquard, quien revolucionó la industria del textil.

La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial. Algunas

ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con

sistemas empresariales, incremento de productividad, y reducción de trabajo humano. Algunas

22

desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un

incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. Por ejemplo, Japón ha tenido

necesidad de retirar muchos de sus robots industriales cuando encontraron que eran incapaces de

adaptarse a los cambios dramáticos de los requerimientos de producción, no siendo posible

justificar sus altos costos iniciales.


Siglo XX. La automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, y para

mediados del siglo XX aún utilizaba mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de

manufactura. El concepto solamente llegó a ser realmente práctico con la adición (y evolución)

de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las

computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de cómputo, precio y

tamaño, como para ser aplicadas en la industria, empezaron a aparecer en la década de los años

1960. Antes de ese tiempo, las computadoras industriales eran exclusivamente computadoras

analógicas y computadoras híbridas. Desde entonces las computadoras digitales tomaron el

control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semiespecializadas y

especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos.

Como un famoso dicho anónimo dice, "para muchas y muy cambiantes tareas, es difícil

remplazar al ser humano, quienes son fácilmente vueltos a entrenar dentro de un amplio rango de

tareas, más aún, son producidos a bajo costo por personal sin entrenamiento".


La automatización industrial y el cuerpo humano. Existen muchos trabajos donde no

existe riesgo inmediato de la automatización. Ningún dispositivo que haya sido inventado puede

competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído

23

humano. Cualquier persona puede identificar y distinguir mayor cantidad de esencias que

cualquier dispositivo automático. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano,

reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier

expectativa de los ingenieros de automatización.


Sistemas de Control Distribuido. Existe un concepto fundamental y muy actual en torno a

la automatización industrial y es el de DCS (sistemas de control distribuido). Un sistema de

control distribuido está formado por varios niveles de automatización que van desde un mínimo

de 3 hasta 5. Los mismos se denominan: nivel de campo (donde se encuentran los sensores y

actuadores), nivel de control (donde se encuentran los PLCs o las Estaciones de Automatización),

nivel de supervisión (donde se encuentran las Estaciones de Operación y los Servidores de

Proceso), nivel MES (donde se encuentran PCs con softwares especializados para la distribución

de toda la información de planta así como la generación de reportes)y el nivel ERP (donde se

encuentran igualmente PCs con softwares especializados para la planificación y administración

de la producción de toda la industria o empresa).

Se utilizan computadoras especializadas y tarjetas de entradas y salidas tanto analógicas

como digitales para leer entradas de campo a través de sensores y para generar, a través de su

programa, salidas hacia el campo a través de actuadores. Esto conduce para controlar acciones

precisas que permitan un control estrecho de cualquier proceso industrial. (Se temía que estos

dispositivos fueran vulnerables al error del año 2000, con consecuencias catastróficas, ya que son

tan comunes dentro del mundo de la industria).


24

Interface Hombre – máquina. Las interfaces hombre-máquina (HMI) o interfaces

hombre-computadora (CHI) suelen emplearse para comunicarse con los PLCs y con otras

computadoras, para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para

controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio que monitorea y

controla estas interfaces son conocidos como ingenieros de estación y el personal que opera

directamente en la HMI o SCADA (Sistema de Control y Adquisición de Datos) es conocido

como personal de operación. https://es.wikipedia.org/wiki/Automatizaci%C3%B3n_industrial

Prueba de Automatización. Otra forma de automatización que involucra computadoras es

la prueba de automatización, donde las computadoras controlan un equipo de prueba automático

que es programado para simular seres humanos que prueban manualmente una aplicación. Esto es

acompañado por lo general de herramientas automáticas para generar instrucciones especiales

(escritas como programas de computadora) que direccionan al equipo automático en prueba en la

dirección exacta para terminar las pruebas.


Automatización y política fiscal. Un estudio realizado por dos profesores de la

Universidad de Ball State reveló que entre 2000 y 2010, alrededor del 87% de las pérdidas de

empleos en la industria manufacturera norte-americana provenían de la eficiencia de las fábricas

provenientes de la automatización y una mejor tecnología. Solamente 13% de las pérdidas de

puestos de trabajo se debieron al comercio, de acuerdo con CNN Rise of the machines: Fear

robots, not China or Mexico.

Con la aceleración de la adopción de la tecnología de inteligencia artificial se espera que

más personas sean desplazadas por la automatización en el futuro próximo el cual ha generado

25

una discusión intensa de política pública en 2017. Bill Gates, el fundador de Microsoft, ha

defendido la idea de que los robots deben pagar impuestos para compensar por el desempleo

tecnológico. Por otro lado, Lawrence Summers, economista americano, contestó a Bill Gates

diciendo que cobrar impuestos de una actividad que genera riqueza no sería lógico, y lo que

habría que hacer para enfrentar la pérdida de empleos, es invertir recursos en educación y re-

entrenamiento. https://es.wikipedia.org/wiki/Automatizaci%C3%B3n_industrial

2.2.2 Automatización Industrial en Plantas Extractoras de aceite de palma (Plantas de

Beneficio). La automatización industrial es una herramienta importante para optimizar procesos,

disminuir los costos de operación e incrementar la productividad, razón por la cual la decisión de

llevarla a cabo debe estar precedida de un análisis de costo/beneficio. Las primeras aplicaciones

se basaron en la lógica del cableado estructurado, que responde a la interacción eléctrica entre

cables y equipos electrónicos de instrumentación (equipos de control y equipos que se controlan).

Ejemplo de ellas se dio hace unos 10 años, cuando se empezó a automatizar la dosificación

de la esterilla a los desfrutadores mediante unos ciclos temporizados, que usaban dos

temporizadores, uno de los cuales hacía el trabajo y el otro el reposo, pues se trataba de disminuir

el costo de operación. En esa época no se obtenían los mejores resultados, pues la dosificación se

hacía a baches y había problemas en las pérdidas por fruto adherido e impregnación de aceite en

la tusa.

Más tarde aparecieron los plc o controladores lógicos programables, que facilitaron la

automatización proporcional del proceso. Como ejemplo concreto se pueden citar las primeras

aplicaciones de automatización en esterilización, en las que era necesario manejar

proporcionalmente las válvulas reguladoras, que por lo general eran de 0 a 60 psi con señales de

26

4 a 20 miliamperios. El sistema plc también puede manejar o controlar digitalmente cualquier

proceso, desde parámetros ON/OFF.

Luego se dieron los software Scada, que son plc de avanzada, los cuales posibilitan la

supervisión y control, y adquisición de datos, cosa que facilita hacer la trazabilidad a eventos

ocurridos anteriormente dentro del proceso. Asimismo, permite hacer un seguimiento en

distancias remotas; es decir, a través de la internet es posible accesar a ellos, manipular variables

y supervisar su comportamiento.

En Colombia las plantas de beneficio utilizan los tres sistemas: la lógica del cableado, los

plc y recientemente los software Scada, especialmente en las nuevas calderas y en las estaciones

de control centralizado (Rincon, 2010).

Objetivos de los automatismos. Desde el punto de vista económico, el objetivo de los

automatismos es el aumento de la productividad y la disminución de los costos. Pero desde el

punto de vista operativo, se trata de normalizar los procesos. En ese sentido, la Figura 1 describe

el comportamiento de una planta de beneficio que no tiene automatismos y una que sí los tiene.

La diferencia radica en que la segunda puede garantizar que los buenos resultados permanezcan

invariables en el tiempo, mientras que la primera no puede hacerlo, debido a que la operación

está a cargo de una persona, de cuyas competencias y capacidades se depende.

La Figura 1 muestra cómo en los últimos 10 años se ha reducido la pérdida total de aceite

en las plantas de Colombia, y se aprecia en términos porcentuales la relación directa que ello

tiene con la aplicación de automatismos (Rincon, 2010).

27

Figura 1. La figura de la izquierda muestra la actividad de una planta que no ha automatizado sus procesos y

la de la derecha, una que sí lo ha hecho

Nota: Rincón, 2010.

Figura 2. Evolución y efecto del automatismo en Colombia


Si se toma el periodo correspondiente a 2000-2005, la diferencia es de 0,15%. Esto

significa que una planta que procese 100.000 toneladas ahorrándose en aceite ese porcentaje

obtendría 150 toneladas más de aceite que, con un precio de US$680 por tonelada, representarían

alrededor de US$102.000 (Figura 3). Ello demuestra que un proyecto de automatización bien

dirigido a las buenas prácticas del proceso tiene una recuperación de la inversión en el mediano

28

plazo (Rincon, 2010).

Figura 3. Beneficio por cada 100.000 toneladas de racimos de fruta fresca (rff) procesadas


A continuación se describen los automatismos más comunes, sus costos y sus ventajas.

Aplicaciones por subproceso

Esterilización

En esterilización se está aplicando automatización industrial basada en plc, esto es, como se

dijo, un controlador lógico programable, el cual a través de una señal proporcional facilita regular

la presión dentro de los esterilizadores.

Sus características permiten graficar el comportamiento de las variables y reprogramar las

presiones y los tiempos del ciclo dependiendo de la madurez de la fruta. Así es posible tener el

control total del sistema.

Implantarlo cuesta alrededor del US$35.000 (tres esterilizadores. Figura 4), y los beneficios

en la producción se representan con la disminución de 0,022% de la pérdida de aceite/rff, y el

29

incremento de la eficiencia del sistema (Rincon, 2010).

Figura 4.Tres esterilizadores

Fuente: Rincón, 2010.

Desfrutación. En desfrutación también se están aplicando automatismos basados en

controles de nivel instalados en la parte superior de los digestores (Figura 5), los cuales

comandan o controlan la dosificación a las desgranadoras o desfrutadores, y a la vez bloquean la

posibilidad de volteo en los tambores, disminuyendo la velocidad lineal de los transportadores de

cadena.

De esta manera se puede controlar la dosificación hasta la desgranación, con lo que se

merman las pérdidas por fruto adherido y también por impregnación de aceite en las tusas. Esto

sucede porque el sistema impide que se hagan aglomeraciones de fruta esterilizada tanto en la

tolva inferior del tambor de volteo como en la tolva de la esterilla o dosificadora.

En los sistemas que cuentan aún con puente grúa también es muy fácil de enclavar

eléctricamente el volteo a las demás máquinas que conforman el sistema de desfrutación. Es de

destacar que este equipo tiende a desaparecer por sus altos costos y su desperdicio energético.

El costo de implementar un sistema automático en desfrutación es de cerca de US$4.000,

30

ya que se basa en la lógica de cableado, y los beneficios de hacerlo pasan por la disminución de

la pérdida de aceite por fruto adherido hasta del 0,025%/rff y de la pérdida de aceite por

impregnación en tusas de 0,092% de aceite/rff. (En las plantas donde se utilizan el destrozador o

fracturador de racimos estas pérdidas tienden a ser de cero).

También se presenta una disminución en el costo de la mano de obra, ya que no se depende

de un operador para dosificar la fruta, sino que el sistema automático instalado en los controles de

nivel de los digestores se encarga de ello, según la necesidad (Rincon, 2010).

Figura 5. Sistema automático de desfrutación


Puente grúa. Las plantas de beneficio que utilizan el puente grúa asimismo están

automatizando este equipo, con el único objetivo de aumentar la capacidad (Figura 6). Ello

funciona basado en una lógica de cableado, mediante la que el sistema hace dos movimientos

vectoriales como ascenso y traslado. El mismo se mejora cuando se instalan cuatro cilindros

31

neumáticos para simplificar el enganche del vagón.

Los costos de esta implementación están cercanos a los US$3.500, y el beneficio en la

producción se refleja en la disminución del 50% del costo de la mano de obra y el aumento del

30% de la capacidad (Rincon, 2010).

Figura 6. Puente grúa


Prensado. En prensado se están implementando dos tipos de automatismos, uno basado en

un traductor de presión (el cual regula la presión entre 800 y 1.100 psi, pero no tiene nada que ver

con la corriente nominal o el análisis de potencia en el motor o de la potencia exigida), y otro es

mixto, que funciona a base de la corriente nominal del motor, es decir, a la potencia de éste, y así

el sistema recibe la información que le comanda aplicar o no presión (Figura 7). En su forma

manual opera dejando a decisión del operario la aplicación de agua desde un pulsador eléctrico,

comandando una válvula ON/OFF que permite la admisión de agua a la canasta abriendo la

32

compuerta también construida con un cilindro de doble efecto neumático y servopirotando desde

una válvula la presión requerida para llegar al amperaje ideal.

Cuenta con algunas alarmas, como la de prensado normal o en su defecto prensado

deficiente o sobrecarga. Cuando se opera de forma automática, el sistema crea un umbral de

corriente con la corriente nominal del motor; si el mismo se rompe por el margen superior, quiere

decir que el equipo se está sobre cargando en presión, entonces el sistema se la quita al sistema

hidráulico. Si ocurre lo contrario, es decir, que el umbral de corriente se rompa por el margen

inferior, quiere decir que se está haciendo un prensado deficiente, de manera que el sistema aplica

más presión desde el sistema hidráulico.

El costo de esta implementación es de alrededor de US$7.000 y los beneficios en la

producción están en un ahorro de pérdidas de aceite en fibras de 0,065% de aceite/rrf. Otra

ventaja es que prolonga la vida útil del equipo porque la transmisión no se va a ver expuesta a

sobrepresiones (Rincón, 2010).

Figura 7. Prensado automático


33

Clarificación. En clarificación se aplican diversos tipos de automatismos; el más común es

el monitoreo de cada una de las variables en los tanques clarificadores, decantadores, tanque de

lodos, en los cuales se registra no solo la temperatura sino la señal de nivel en los tanques o las

cápsulas de secadores al vacío (Figura 8). Se hace un seguimiento o una supervisión de la presión

negativa en ellos.

Otra aplicación que se realiza comúnmente es el automatismo de los filtros cepillos. Por

medio de un sistema electroneumático con válvulas ON/OFF se pueden programar

temporizadores, es decir, desde un control lógico una serie de eventos que abren y hacen la purga

electroneumática en ellos.

En la Zona Oriental palmera de Colombia hay un sistema automático de toma de muestra

en las centrífugas deslodadoras, las cuales, basándose también en una válvula electroneumática

de cierre rápido ON/OFF, toman la salida de estos equipos en los lodos y llevan la muestra hasta

un recipiente para que posteriormente sea recogida por el laboratorista. De esta manera se pueden

hacer análisis que arrojarán resultados veraces del comportamiento del equipo. En la Zona Norte

se está aplicando un sistema automático de dilución, el cual, basado en el porcentaje de aceite que

tiene el licor de prensa, modula o regula el caudal que ha de admitir esta mezcla. Adjunto tiene

un sensor de ultrasonido que supervisa que la operación se esté haciendo de la mejor manera. El

sistema mejora las separaciones en los preclarificadores, ya que se garantiza la mezcla

homogénea y la mayor eficiencia en los preclarificadores.

El costo total de aplicar los automatismos descritos en clarificación está alrededor de

US$22.500. Los beneficios en la producción se reflejan en el poder monitorear las variables, lo

34

que facilita el diagnóstico y la toma de decisiones para resolver problemas en este subproceso. La

dilución automática garantiza una mezcla perfecta y homogénea, y con ello el aumento de la

eficiencia en los preclarificadores (Rincon, 2010).

Figura 8. Automatismo en clarificación


Almacenamiento de aceite. Otro sistema que se está automatizando es el almacenamiento

de aceite desarrollado en la Zona

Oriental (Figura 9). Consta de un controlador lógico programable o plc, el cual, basado en

un programa o lenguaje hombre/máquina y en un traductor de presión hidrostática, toma una

señal de corriente y la convierte en una señal másica. Esto es, arroja a la salida una cantidad de

aceite en términos másicos que informan su cantidad y calidad en cada uno de los tanques.

El laboratorio de control de calidad toma muestras de este aceite y digita la información en

el programa a través del plc. El sistema tiene un leve margen de error porque está basado en un

35

sensor de presión hidrostática, el cual se ve algo afectado por la densidad y ésta, a su vez, por la

temperatura y el volumen.

El costo de la aplicación está alrededor de US$20.000, y el beneficio en la producción está

dado por el hecho de que se puede monitorear el volumen en tiempo real y desde el sistema

verificar la calidad del aceite contenido en los tanques (Rincon, 2010).

Figura 9. Almacenamiento de aceite. Sistema de supervisión


Sistema automático de desfibración. El sistema automático de desfibración se ha

desarrollado en la Zona Central; consiste en la separación neumática de fibra y nuez, y se basa en

la regulación de caudal, dependiendo de la carga incidente en el sistema, manteniendo una

velocidad constante (Figura 10).

Se realiza a través de tres cilindros neumáticos: el primero permite regular el caudal cuando

se enciende una prensa, en este caso concreto, una máquina que tiene capacidad de 10 toneladas

por hora, pues el sistema neumático que regula el caudal permitirá uno de 10.000 metros cúbicos

por hora; de la misma manera, cuando se incremente la carga el sistema responderá aumentando

el caudal, pero en este caso aumentará el área del corte de la sección de la columna para mantener

36

la velocidad constante, debido a que el caudal es igual al área x la velocidad.

Este sistema automático se puede implementar con US$14.000, y los beneficios en la

producción están reflejados en la disminución del consumo de energía porque los motores que

están trabajando en los ventiladores, que por lo general son de entre 40 y 50 caballos, siempre

arrancaran en vacío.

Otra ventaja importante es que disminuye la pérdida de almendra en fibras desde 2,8 a 1,5

en este caso; pero cabe aclarar que esta reducción solo se ve cuando el equipo está trabajando a

menos de 30 toneladas por hora.

En palmisteria se está aplicando, todavía de manera incipiente en las zonas Central, Norte y

Oriental un sistema que afora automáticamente la almendra que va desde palmisteria a las

plantas. Consta de unas celdas de carga y unos sistemas electroneumáticos que aplican a baches y

miden básicamente cada una de estas aplicaciones; en las tolvas de los expeller se instalan unos

sensores que dan la señal de aplicar más almendra o de no hacerlo si las mismas están llenas.

El aforo automático se puede implementar con unos US$9.000, y los beneficios en la

producción están en que se puede hacer una dosificación regulada de almendra, y la facilidad y

veracidad de los cálculos de extracción de aceite de palmiste (Rincón, 2010).

Generación de vapor. En generación de vapor, con la implementación de los SCADA se

está regulando la combustión, y manipulando el aire aplicado a través de unos variados de

velocidad en los motores de los tiros inducidos, al igual que la dosificación de fibra mediante

unos sistemas neumáticos o compuertas neumáticas en la parte superior de los hogares de las

calderas. El sistema no solo regula la combustión sino que también supervisa la presión en las

37

calderas, el caudal de demanda y el caudal generado.

También están automatizadas las calderas de purgas temporizadas con plc, o de

temporizadores, lo que aumenta la vida útil de estos equipos porque se disminuye la posibilidad

de pitting y de incrustaciones.

La parrilla viajera es un equipo que de igual forma permite la operación continua de las

calderas. Está provista de un variador de velocidad el cual, dependiendo del caudal necesario,

varía su velocidad lineal.

El costo de la purga automática es de unos US$4.000; instalar una parrilla viajera cuesta

alrededor de US$20.000 y la regulación de combustión se logra con más o menos US$24.000

(Rincon, 2010).

Figura 10. Sistema automático de desfibración


38

Figura 11. Palmisteria y planta de palmiste

Estación de control centralizada. Hoy día no se concibe el diseño de una planta extractora

sin que tenga estación de control centralizada (Figura 12). Este sistema posibilita hacer un

seguimiento veraz de cada una de las variables de los subprocesos, facilitando la toma de

decisiones para solucionar problemas, lo que sin duda beneficia la producción. Su costo es de

aproximadamente US$40.000.

La Figura 14 muestra el nivel de automatismo en las plantas del país, que se ubica

alrededor del 60% en esterilización y 38% en desfrutación, con el objetivo claro de disminuir las

pérdidas en estos subprocesos (Rincon, 2010).

39

Figura 12. Estación de control centralizada


Figura 13. Automatismos en las plantas de beneficio colombianas


2.2.3 Automatización del proceso de Esterilización en plantas extractoras de aceite de

palma. La esterilización del fruto de palma aceitera, consiste en someter a un tratamiento térmico

a base de vapor saturado (“cocinar”), tanto los racimos como la fruta suelta, hasta una presión

máxima de 45 p.s.i. (3 bares), en un recipiente cilíndrico horizontal, con una o dos puertas de

cierre hermético (autoclaves) y buscando que las pérdidas de aceite en tusas (raquis), en

condensados y frutos adheridos a los raquis sean lo más bajas posible. (Delgado Rodriguez)

40

Objetivos. Esta primera etapa del proceso de extracción de aceite de palma, tiene por

objeto:

1 – Inactivar las enzimas que causan el desdoblamiento del aceite y en consecuencia el

incremento del porcentaje de ácidos grasos libres (acidez) en el mismo. Dichas enzimas

lipoliticas llamadas también lipasa se inactivan a temperaturas relativamente bajas, del orden de

los 55 °C. Esto significaría que el tratamiento de los racimos para “esterilizarlos” podría

efectuarse simplemente mediante el uso de agua caliente, pero la necesidad de mayores

temperaturas para cumplir con otros objetivos, hacen que se requiera el uso de vapor saturado de

agua. La inactivación de la lipasa originó el nombre de la esterilización.

2 – Ablandar el pedúnculo de unión de los frutos con su soporte natural o raquis. Este

ablandamiento se había iniciado previamente durante el proceso de maduración y en la

esterilización lo que se hace es simular y acelerar dicho proceso y para lo cual son favorables una

mayor temperatura y un mayor tiempo de contacto de los racimos con el vapor. Al conseguir este

objetivo, se disminuyen las pérdidas que ocurren por mala desfrutación y por lo tanto no

deberían exceder del 0.1 % del aceite total producido (0.1% Ex.. o 4% de racimos mal

desfrutados) en la planta extractora.

3 – Debilitar los tejidos de la pulpa, de manera a disminuir su resistencia a la maceración

durante el proceso de digestión. No están bien definidas las condiciones de tiempo y temperatura

que se requieren para obtener este efecto, pero se conoce de todas formas que para ambos casos

son altos.

4 – Calentar y deshidratar parcialmente las almendras contenidas dentro de las nueces,

reduciendo su tamaño y facilitando su recuperación durante la etapa de la palmistería. Esto ocurre

41

al final de cada pico de esterilización, cuando ocurre una expansión (descompresión) por escape

del vapor hacia la atmósfera, ocasionando el desecamiento parcial no solamente de las partes

externas del racimo, sino también de las internas como es el caso de las almendras.

5 – Coagular las proteínas e hidrolizar la materia mucilaginosa, contenidas en la pulpa del

fruto, en las pequeñas celdas que guardan el aceite y que posteriormente actuarían como

“emulsificantes” del aceite en el agua, causando molestias en el proceso de la clarificación y

pérdidas adicionales en las aguas de desecho. (Delgado Rodriguez)

Capacidad de esterilización. Para garantizar un proceso continuo, en la planta extractora,

se requiere que la esterilización tenga un flujo constante de fruto cocinado. Esto está relacionado

con la capacidad de proceso, el número de autoclaves, la capacidad de cada vagoneta o canasta de

esterilización, la cantidad de vagonetas por autoclave y el tiempo total de esterilización.

Ce = ( A ) x ( V) x (Cv) x 60 (Tons. / Hora).

(1000 x Te)

Donde:

Ce = Capacidad de esterilización de la planta extractora, en Ton/Hora

A = Numero de autoclaves de la planta extractora.

V = Numero de vagonetas o canastas por autoclave.

Cv = Capacidad de cada vagoneta o canasta, en Kilogramos.

Te = Tiempo total de esterilización en minutos (incluye manipuleo).

42

Tiempo de manipuleo = 10 minutos.

Con la capacidad de proceso y la capacidad de esterilización, se determina el factor de

esterilización. Se considera que un factor de esterilización de 1.30, garantiza la continuidad en el

proceso. (Ver Tabla No. 1) (Delgado Rodriguez)

Fe = (Ce / Cp)

Donde:

Fe = Factor de esterilización.

Ce = Capacidad de esterilización en Tons / Hora.

Cp = Capacidad de proceso en Tons / Hora.

Factores que afectan la esterilización. En cada planta extractora se ha establecido un

procedimiento, para realizar la esterilización, y que pude estar condicionado por los siguientes

factores:

La generación del vapor, que garantiza una correcta ejecución de la esterilización. Si la

cantidad de vapor generado por hora es suficiente, podemos realizar un proceso completo de tres

picos, de lo contrario se tiene que ajustar de acuerdo a las posibilidades.

El tipo constructivo de las autoclaves, incluyendo diámetros de las tuberías de entrada de

vapor, desfogues, drenajes y by-pass de entrada y drenajes. De acuerdo a cada instalación en

particular, variarán las maniobras a realizar. (Ver Tabla No. 1), (ver Figura No. 14)

Variedad y edad de las palmas de las cuales se cosecha el fruto. La mayoría de las plantas

43

extractoras están subutilizadas, económicamente, se busca procesar mayores volúmenes de fruta,

con la misma capacidad de planta, buscando el mayor aprovechamiento de la misma. Lo anterior

implica que se procese una mezcla de variedades de fruta, proveniente de palmas de diversas

edades (fruta propia y de proveedores externos), haciendo más complejo el proceso de la

esterilización.

El grado de madurez del fruto a procesar (ciclos de cosecha). Esto hace necesario el

reajuste del procedimiento de esterilización, evaluando la tendencia de la mayoría del fruto que

entra al proceso. Ciclos de cosecha largos implican un grado de sobremadurez del fruto y por el

contrario los ciclos cortos, llevan a un fruto con tendencia a verde.

La confiabilidad de las maniobras de esterilización, es decir la correcta ejecución de los

picos. La voluntad humana es caprichosa y ejecuta hasta cierto punto las cosas bien; la

automatización garantiza que todo el tiempo se hagan las maniobras correctamente. (Delgado

Rodriguez)

Equipos para la esterilización. Autoclaves cilíndrico horizontales con enrielado,

aislamiento, bandejas repartidoras de vapor y puerta (s) de cierre hermético.

Válvula de entrada de vapor (A) de diámetro apropiado, de acuerdo al tamaño de la

autoclave, lo cual implica tubería de alimentación de vapor del mismo diámetro.

Válvula de by – pass (A´) a la válvula de entrada de vapor, equivalente aproximadamente al

35 % del diámetro de la válvula principal. Esta es para mantener la presión constante

(manteniendo la principal cerrada).

Válvula de desfogue o evacuación de vapor en las expansiones (B), de diámetro

44

aproximado a 150 % del diámetro de la válvula principal (A), igualmente la tubería asociada.

Válvula de salida de condensados (C), equivalente aproximadamente al 70 % del diámetro

de la válvula de entrada de vapor (A), igualmente la tubería asociada. Utilizada en la desaireación

y las expansiones de la esterilización.

Válvula de by – pass (D) a la válvula de salida de condensados (C), generalmente de 1” de

diámetro, para mantenerla completamente abierta durante los picos y la presión constante,

garantizando una esterilización en seco por la evacuación continua de los condensados.

Desaireadores automáticos o manuales, instalados en forma alternada en los costados de las

autoclaves. Estos ayudan en la desaireación y permiten visualizar la eliminación total del aire.

Rompedores de vacío, consistentes en cheques instalados en la parte superior, con la flecha

hacia la autoclave, evitan que la autoclave sufra por el vacío generado en las expansiones.

(Delgado Rodriguez)

45

Tabla 1.

Capacidad de esterilización (Zona oriental Colombia)

Nota: Delgado Rodríguez

Figura 14. Conexiones típicas para un esterilizador

Fuente: Delgado Rodríguez

46

Manómetros instalados en sitios equidistantes a las válvulas de entrada y desfogue de la

autoclave, para facilitar al operario las maniobras necesarias en este proceso.

·Termómetro en la tubería de drenaje de condensados, para vigilar la evacuación continua

de condensados, reflejada en altos valores de temperatura.

·Actualmente y después de numerosos ensayos, en las plantas extractoras de la zona

oriental, se recomienda realizar la "expansión" o evacuación del vapor por la parte inferior de la

autoclave, durante los picos y también en la evacuación final del vapor. Con los ensayos

realizados se comprobó que las pérdidas de aceite por impregnación en los raquis son menores

que usando la práctica tradicional y adicionalmente se evita el "chorreadero" de las vagonetas o

canastas de esterilización cuando se sacan de la autoclave. (Delgado Rodriguez)

Descripción de picos de esterilización:

Desaireado: Busca eliminar el aire contenido en el autoclave, para evitar la formación de

bolsas de aire que impiden la esterilización completa de los racimos.

La presencia de aire, disminuye el coeficiente de transferencia de calor, esto quiere decir

que podemos tener una presión de 40 P.S.I. con una temperatura que no supere los 90°C.

Se recomienda hacerlo por 5 minutos, con inyección lenta de vapor.

Picos: Se recomiendan tres (3) picos de presión, que oscilen entre 20 y 45 P.S.I. (operar a

mayores presiones afectan la calidad del aceite en cuanto a su blanqueabilidad o fijación del

color), con expansiones hasta 2 ó 5 P.S.I., para garantizar completa desaireación y eliminación de

condensados. (Delgado Rodriguez)

47

Figura 15. Picos de Esterilización

Fuente: Delgado Rodríguez

Los picos son importantes para ayudar a ablandar los frutos del raquis y acondicionar las

nueces para su posterior rotura. En la Tabla No. 3 se muestra la forma de ejecución de los picos

de esterilización en las plantas extractoras de la Zona Oriental.

Tiempo de cocción: Tiempo de presión constante, el cual se determina dependiendo de la

calidad de la fruta y puede estar oscilando entre 30 a 45 minutos. Este es el verdadero cocimiento

de la fruta. Un tiempo de cocción o presión constante, demasiado largo incrementa las pérdidas

de aceite en condensados de esterilización y en impregnación en los raquis.

Purga continua: Necesaria para obtener un rendimiento máximo del vapor y evitar que

entren en equilibrio vapor y condensados, disminuyendo la transferencia de calor al fruto, además

el aceite puede lavarse con estos condensados incrementando las pérdidas por este concepto. En

la Tabla No. 2, se relacionan las diferentes formas, de operar las válvulas, durante la

esterilización.

48

Requerimientos de vapor: El consumo de vapor en la esterilización corresponde entre el

40 al 50 %, del vapor requerido en la planta extractora. Este debe ser saturado y no seco, porque

el desprendimiento de los frutos se realiza a causa de la hidrólisis en los puntos de unión de los

frutos al raquis. Para el proceso, general, se necesitan 370 Kg de vapor/Ton de fruta procesada,

en instalaciones grandes, o 450 Kg de vapor/Ton de fruta procesada en instalaciones pequeñas.

(Delgado Rodriguez)

Tabla 2

Operación de las válvulas en la esterilización


49

Tabla 3

Picos de esterilización


2.3 Marco Conceptual

Accionamientos mecánicos: Accionamiento causado por el movimiento físico de

componentes cuando un operador aplica fuerza usando palancas, pedales y otros dispositivos.

Ejemplo: Finales de carrera (Buenas Tareas, 2012).

Autoclave: es un recipiente de presión metálico de paredes gruesas con un cierre hermético

que permite trabajar a alta presión para realizar una reacción industrial, una cocción o

una esterilización con vapor de agua. Su construcción debe ser tal que resista la presión y

temperatura desarrollada en su interior. La presión elevada permite que el agua alcance

temperaturas superiores a los 100 °C. La acción conjunta de la temperatura y el vapor produce la

coagulación de las proteínas de los microorganismos, entre ellas las esenciales para la vida y la

reproducción de éstos, hecho que lleva a su destrucción.

50

En el ámbito industrial, equipos que funcionan por el mismo principio tienen otros usos,

aunque varios se relacionan con la destrucción de los microorganismos con fines de conservación

de alimentos, medicamentos, y otros productos. https://es.wikipedia.org/wiki/Autoclave

Comunicaciones Industriales: Es la transferencia física de datos (un flujo digital de bits)

por un canal de comunicación punto a punto o punto a multipunto. Ejemplos de estos canales

son cables de par trenzado, fibra óptica, los canales de comunicación inalámbrica y medios de

almacenamiento. Los datos se representan como una señal electromagnética, una señal de tensión

eléctrica, ondas radioeléctricas, microondas o infrarrojos.

Control automático: Entendemos por control automático el mantenimiento de un valor

deseado dentro de un intervalo, su funcionamiento se basa en medir el valor deseado y

compararlo con el intervalo de valores aceptables utilizando la diferencia para proceder a

reducirla. Por esto el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione

sin intervención humana. Un ejemplo de control automático es un termostato de calefacción

(Guinea-Edeso.Blogspot.Com, 2012).

Esterilización: Se denomina esterilización al proceso por el cual se obtiene un producto

libre de microorganismos viables. El proceso de esterilización debe ser diseñado, validado y

llevado a cabo para asegurar que es capaz de eliminar la carga microbiana del producto o un

microorganismo más resistente.

https://es.wikipedia.org/wiki/Esterilizaci%C3%B3n_(microbiolog%C3%ADa)

Electroválvulas: Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para

controlar el paso de un fluido por un conducto o tubería. La válvula se mueve mediante una

bobina solenoide. Generalmente no tiene más que dos posiciones: abierto y cerrado, o todo y

51

nada. Las electroválvulas se usan en multitud de aplicaciones para controlar el flujo de todo tipo

de fluidos.

No se debe confundir la electroválvula con válvulas motorizadas, en las que un motor

acciona el mecanismo de la válvula, y permiten otras posiciones intermedias entre todo y nada.

https://es.wikipedia.org/wiki/Electrov%C3%A1lvula

Instrumentación Industrial: Es el grupo de elementos que sirven para medir, convertir,

transmitir, controlar o registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos

utilizados en éste. Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados para

apoyar al usuario en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad,

etc., de una variable dada en un proceso productivo.

Un sistema de instrumentación es una estructura compleja que agrupa un conjunto de

instrumentos, un dispositivo o sistema en el que se mide, unas conexiones entre estos elementos y

por último, y no menos importante, unos programas que se encargan de automatizar el proceso y

de garantizar la repetibilidad de las medidas.

https://es.wikipedia.org/wiki/Instrumentaci%C3%B3n_industrial

PLC: Un controlador lógico programable, más conocido por sus siglas en

inglés PLC (Programmable Logic Controller) o por autómata programable, es

una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para

automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica

en líneas de montaje o atracciones mecánicas.

Los PLC son utilizados en muchas industrias y máquinas. A diferencia de las computadoras

52

de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, rangos

de temperatura ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto.

Los programas para el control de funcionamiento de la máquina se suelen almacenar en baterías,

copia de seguridad o en memorias no volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo

real «duro», donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones

de entrada dentro de un tiempo limitado, de lo contrario no producirá el resultado deseado.

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

SCADA: Por sus siglas en inglés Supervisory Control And Data Adquisition, son sistemas

de supervisión, control y adquisición de datos que permiten monitorear y/o manipular en tiempo

real un proceso generalmente industrial. Autores.

Unidad Hidráulica ó de Poder: La alimentación de Fluido Hidráulico a un circuito se

realiza desde una central denominada unidad de poder. Lo más importante de dicha unidad es la

bomba. Sin embargo hay que decir que para poder funcionar tiene un depósito de aceite

hidráulico con una cantidad de aceite suficiente como para que en promedio del tiempo solo esta

una fracción del tiempo de funcionamiento dentro de la máquina, de manera que así mientras está

en el tanque puede disipar el calor que adquirió al funcionar a través de mecanismos que

producen intencionalmente perdidas de energía, con el objeto en general de regular la velocidad

(Laboratorios, s.f).

Vagoneta: Unidad de transporte del fruto de palma de aceite. Autores

2.4 Marco Legal

NORMA ISO-9001: (Sistema para el aseguramiento de la calidad, diseño, desarrollo,

producción, instalación y servicio). Con los cuales se pretende establecer el procedimiento

53

estricto para planear y diseñar la etapa de esterilización, y sus respectivas revisiones periódicas.

NORMAS ISA 5.1 (International Society of Automation): Normas de representación de los

instrumentos- SIMBOLOGÍA.

NORMA ISA S88 (International Society of Automation): Proceso Batch

NORMA IEC (International Electrotechnical Commission) 61131-3: Estandarización en la

programación de control industrial.

NTC 2050 – Código Eléctrico Colombiano.

RETIE 2013 – Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas

54

Capítulo 3. Diseño Metodológico

3.1 Tipo de Investigación

Este proyecto es de tipo “investigación aplicada” porque busca la generación de

conocimiento con aplicación directa a los problemas de la sociedad o el sector productivo. Esta se

basa fundamentalmente en los hallazgos tecnológicos de la investiga ción básica, ocupándose del

proceso de enlace entre la teoría y el producto.

3.2 Fases para el Desarrollo del proyecto

Este proyecto fue ejecutado en tres fases, de forma que cada en cada fase se desarrolló uno

de los objetivos de la siguiente manera:

3.2.1 Fase 1: Evolución de la automatización de procesos industriales.

Basados en artículos, investigaciones y demás recolectadas de internet en su mayoría, se

puede ver cómo la necesidad de la tecnología viene desde miles de años antes de Cristo. En la

antigüedad, los sumos sacerdotes, le daban movimiento a las estatuas y hacían que éstas

expulsaran fuego por ojos y boca, con la finalidad de generar temor por parte de los humanos y

así la veneración y el boto a su religión, nunca se perdiera y los sumos sacerdotes lograran tener

el poder de todo sin duda alguna.

Los avances tecnológicos, vienen ligados a la necesidad que tenemos los humanos de

realizar nuestro trabajo diario cada vez más rápido, mejor, automático y sin riesgo alguno. En la

Edad Media y renacimiento, se empiezan a ver los primeros dispositivos automáticos, entre ellos

destacan el más importante, el reloj. Tiempo después para la revolución industrial del siglo XVIII

y comienzos del XIX, la automatización tiene sus primeros grandes pasos, ya que históricamente

55

se vuelve fundamental pues nacen diferentes mecanismos de control y automatización para la

industria textil y el motor a vapor.

Para finales del siglo XIX y principios del XX, se destaca la invención del motor de

combustión, y la ideología de Henry Ford para la automatización de los procesos repetitivos de la

industria, sugiriendo controlar variables como presión, temperatura, flujo, etc. Luego para la

tercera revolución industrial, la cual comienza al finalizar la segunda guerra mundial, conocida

como la “Revolución de la inteligencia” conocida por el cambio de la lógica cableada, el uso de

contactores y relevos, por el PLC y la inteligencia artificial.

El impulso de la automatización, es igual a la globalización y crecimiento socio-económico

de una nación, se cita como ejemplo China y el continente Asiático, quienes son países que se

dedicaron a la construcción de sistemas automáticos, robots, etc, con la finalidad de fabricar de

manera masiva, disminuyendo los costos de operación y mano de obra como lo predijo Henry

Ford.

En Colombia, el panorama de la automatización, no es una necesidad sino un lujo en el que

pocas empresas lo pueden tener debido a la poca inversión y apoyo que el gobierno ha otorgado a

la zona industrial. Hoy en día la automatización la tienen grandes industrias como las bebidas,

cementeras, petroleras, las centrales de generación eléctrica y recientemente las plantas de

procesamiento de aceite de palma Africana en su afán e ideología de aumentar la producción

disminuyendo los costes de operación para crecer como industria y posesionarse en el primer

lugar a nivel nacional.

56

Supervisión y Control en Plantas de procesos Industriales. En el proceso de evolución

de la automatización, término que envuelve la instrumentación y control, pero no la supervisión

de los procesos, debe destacarse que estos dos términos están ligados a los avances tecnológicos

pero no se pueden mezclar como uno solo. La supervisión nace de la necesidad de monitorizar de

manera experta los procesos en la industria, creando métodos y herramientas para que por medio

de una computadora, se pueda llevar el seguimiento del mismo después de una automatización,

en la medida de la magnitud, llevar a cabo tareas de análisis de datos, tendencias, detección de

fallos, diagnostico de fallas, y toma de decisiones o proponer opciones para resolver problemas,

entre otras.

La supervisión al igual que la automatización ha venido evolucionando, las primeras

presentaciones fueron tableros llamadas “estaciones de control centralizada” ver Figura 12,

ubicadas en sala de mando remoto en donde se indicaba por medio de pictóricos de la planta, una

bombilla o señal luminosa que enciende cuando un equipo se coloca en servicio y apaga cuando

este sale de funcionamiento, y los registros de eventos eran limitados a equipos que fuesen muy

necesario monitorear, utilizaban registradores manuales con papel y tinta (galvanómetro de

deflexión) como el que se aprecia en la siguiente imagen:

57

Figura 16. Registrador manual Galvanómetro

Fuente: Scielo- México

Con el paso del tiempo las exigencias del mercado en cuanto a calidad y reducción en

costos, ha llevado a la sistematización de las industrias, con ello se hacía más accesible el

seguimiento surgiendo de esta manera los sistemas SCADA (Supervisory Control and Data

Acquisition) o software capaz de monitorear y controlar los procesos industriales mediante una

interfaz gráfica en un computador con la gran ventaja de guardar los datos estadísticos y

tendencias de los procesos y permitir con ello una interacción entre humano – máquina de una

manera más cómoda.

Los sistemas SCADA, han dejado atrás las grandes salas de control llenas de tableros por

computadores o estaciones de trabajo computarizadas, los indicadores luminosos, por interfaces

gráficas animadas en monitores del tamaño que considere la cantidad de procesos a monitorear en

tiempo real. Con este avance, se ha cambiado la presentación y la forma de almacenar

información, pero el uso que se le da sigue siendo el mismo. El operador principal de sala de

mandos o de control como se le conoce en varias industrias, es quien toma las decisiones de

58

acuerdo a la información que está recibiendo a medida del avance del proceso. Como ejemplo, se

puede observar en la siguiente imagen:

Figura 17. Interface real de un SCADA

Fuente: VISLAM S.A.

En la actualidad, el control y supervisión de las plantas en instrumentación y control

manejan la misma filosofía, cambia es lo robusto de la sensorica de acuerdo al proceso y al

presupuesto del proyecto una vez fue planificado para su ejecución. Los sistemas SCADA, en

esencia tienen la misma finalidad, pero se diferencian de acuerdo al fabricante del software de las

tarjetas de adquisición de datos y/o PLC´s, por ejemplo, Labwiew de National Instruments,

OVATION, de Emerson, WinCC de Siemens, entre otros.

Proceso de esterilización del fruto de Palma Africana, en plantas extractoras de aceite.

Dentro del proceso industrial que maneja la extracción del aceite segregado del fruto de la palma

Africana, se destaca como uno de los más importantes, el “proceso de esterilización”, el cual

consiste en ingresar el fruto por medio de vagonetas a un horno autoclave y mediante un

procedimiento estándar en la cual cíclicamente se mezclan presiones y tiempos, se logra una

correcta cocción del fruto generando así el aceite como resultado final.

59

Para una mayor comprensión del ciclo, ver Figura 14. Picos de esterilización. La

dinámica consiste en inyección de vapor saturado no seco en un tiempo estimado hasta llegar a

una presión pico por medio de válvulas las cuales están conectadas desde la caldera, y luego

desairar o desprender vapor por medio de otra válvula para bajar presión de pico a un tiempo

determinado, y en sí así se resume el proceso. Antes de iniciar el proceso, se debe desairar

correctamente para garantizar solo vapor dentro del horno y durante el proceso se debe realizar

purga de condensados constantemente.

Un Horno autoclave, está compuesto básicamente por válvulas de entrada de vapor junto

con su Bypass con la finalidad de mantener presión constante con la válvula principal cerrada,

válvula de desfogue o de la evacuación del vapor, válvula de condensados con su Bypass para

mantener abierta en el proceso para la salida de condensados, la válvula Desaireación y válvulas

de seguridad para el caso de sobrepresiones no deseadas, proteger el horno de explosiones. Para

el ingreso y salida del fruto al horno, éste cuenta con dos compuertas y dos puentes, las cuales

normalmente son manuales.

El proceso, en plantas pequeñas es manual, y en plantas grandes que actualmente se

planean construir o algunas en proceso de construcción, pero en sí, la filosofía y el uso de un

horno autoclave es el mismo, se pretende automatizar con la finalidad de incrementar producción,

disminuir costos operacionales y lograr la calidad que no se alcanza en un proceso manual debido

a la ausencia del sincronismo en los picos del proceso.

Evolución del proceso de esterilización en plantas extractoras de aceite de palma. Al

igual que las principales industrias, la actual demanda en producción y por ende la necesidad de

automatizar, se ha apoderado de la industria palmera, es por esto que automatizar, ha pasado de

60

ser un lujo a una necesidad, con el fin de ser la más competitiva a nivel nacional entre las

principales productoras de aceite de palma y obtener certificados de calidad que la acrediten a

nivel nacional e internacional.

El proceso de esterilización, mantiene una filosofía desde sus inicios, la cual consiste en los

picos de presión anteriormente descritos; éste proceso vienen siendo realizado de manera manual

mediante un operador que apertura y cierra válvulas, otro que lleva tiempos, y uno más para la

supervisión visual del proceso en el caso de una industria pequeña con aproximadamente un

horno autoclave con capacidad de 10 Toneladas/hora. Para incrementar la capacidad, se debe

incrementar la cantidad de operadores y tamaños de autoclaves, por ellos, se hace indispensable

la automatización del proceso, hoy en día se pueden encontrar plantas como “Palnorte” con 2

hornos autoclave de capacidad de 15 Toneladas/hora para un total de 30 Toneladas/hora, las

cuales automatizadas pueden trabajar al tiempo sin ningún inconveniente.

La evolución del proceso nace, en el aprovechamiento al máximo de la capacidad del horno

autoclave, y la cantidad que se puedan implementar, para sincronizarlos y una vez automatizados,

por medio del SCADA puedan empezar a funcionar en línea y al tiempo, generando así la suma

de los hornos en producción total por hora. Como beneficio adicional, con la automatización del

proceso, se economiza la cantidad de vapor proveniente de la caldera y con ello el combustible

disminuye o es aprovechado ese vapor en otro horno autoclave.

3.2.2 Fase 2: Apertura, cierre de compuertas en hornos autoclave para el proceso de

esterilización del fruto de palma de aceite.

61

En nuestra experiencia particular en el diseño, montaje, comisionamiento y mantenimiento

de plantas extractoras de aceite de palma, se pueden reconocer, 4 tipos de accionamientos para la

apertura, cierre de compuertas y manipulación del puente en autoclaves instaladas de manera

horizontal.

Tabla 4

Relación de los tipos de accionamientos mecánicos

Accionamiento Detalle Ventaja Desventaja

Manual El operario tiene

contacto directo con

las compuertas y el

puente, para su

accionamiento.

+Relativamente

económico.

+Fácil implementación.

+Parcialmente libre de

mantenimiento.

+Se han evidenciado

diversidad de accidentes,

debido a la mala

manipulación de

compuertas.

+No es un sistema seguro.

Unidades

Hidráulicas

+Emplean válvulas

solenoides a partir

de aceite, que

mediante émbolos

realizan la apertura

o cierre de

compuertas y/o

subir y/o bajar

puente.

+Este aceite es

enviado a los

émbolos mediante

una bomba de

levante que posee la

unidad.

+Se puede controlar ya

sea por lógica cableada

y/o PLC.

+El operador no tiene

contacto directo con las

compuertas y/o puentes.

+Se puede emplear una

unidad para varias

autoclaves, se determina

la capacidad de la

bomba y la cantidad de

válvulas solenoides.

+Con una unidad

hidráulica regular se

puede generar un

correcto cierre hermético

de la autoclave.

+Se debe verificar el nivel

de aceite periódicamente.

+Se debe realizar

mantenimiento periódico.

Unidades

Neumáticas

Emplean válvulas

solenoides a partir

de aire comprimido,

que mediante

émbolos realizan la

apertura o cierre de



y/o PLC.



+Se debe tener un

compresor independiente,

debido a la distancia de

ubicación del compresor

principal de la planta, y

sus paradas.

62

compuertas y/o

subir y/o bajar

puente.



unidad para varias

autoclaves, se determina

la capacidad del

compresor y la cantidad

de válvulas solenoides.

+Se debe realizar


+Se debe realizar

calibraciones de manera

continua para garantizar

niveles reales de presión y

ajuste de la compuerta.

+Se necesita un compresor

muy grande para lograr un

correcto cierre hermético

de la autoclave.

Accionamiento

eléctrico

motorizado

Un tablero eléctrico

independiente, con

un juego de, relés y

finales de carrera,

que permiten el

accionamiento

controlado de la

apertura, cierre de

una válvula ubicada

en la compuerta y/o

subir o bajar el

puente.



y/o PLC.

+El operador tiene

contacto parcialmente

directo con las


+Por el tipo de

accionamiento es posible

que se realice solo apertura

de la compuerta y que el

operador realice el halado

de la tapa para lograr el

100%

+Se necesitaría un PLC o

una gran cantidad de

cables independientes para

conectar a un tablero. Nota Fuente: Autores del proyecto

Figura 18. Operario realizando acción de levantamiento de puente manualmente

Fuente: Página web SENIPALMA (http://www.cenipalma.org/capacitaciones-al-personal-tecnico-de-las-

plantas-de-beneficio)

http://www.cenipalma.org/capacitaciones-al-personal-tecnico-de-las-plantas-de-beneficio

http://www.cenipalma.org/capacitaciones-al-personal-tecnico-de-las-plantas-de-beneficio

63

Apertura y cierre de válvulas en hornos autoclave para el proceso de esterilización de

fruto de palma de aceite.

Este tipo de válvulas que regulan la presión y salida de condensados en el horno autoclave

en el proceso de esterilización, se pueden controlar de manera manual y/o automática.

Tabla 5.

Relación de los tipos de Válvulas

Accionamiento Detalle Ventaja Desventaja

Válvula Manual El operario tiene

contacto directo con

las válvulas para la

apertura y cierre

+Relativamente

económico.

+Fácil implementación.

+Parcialmente libre de

mantenimiento.

+Se han evidenciado

diversidad de accidentes

como caídas,

quemaduras.

+Puede generar retardo

en el proceso.

+No es un sistema

seguro.

Válvulas

Hidráulicas

+Emplean válvulas

solenoides a partir

de aceite, que

mediante émbolos

que permiten el

paso o no del fluido.

+Este aceite es

enviado al émbolo

mediante una

bomba de levante

que posee la unidad.



y/o PLC.





unidad para varias

válvulas de la autoclave,

se determina la

capacidad de la bomba

con la cantidad de


+Se debe verificar el

nivel de aceite

periódicamente.

+Se debe realizar


+No son recomendadas

para trabajar con fluidos

a altas temperaturas por

transferencia de calor.

64

Unidades

Neumáticas

Emplean válvulas

solenoides a partir

de aire comprimido,

que mediante

émbolos que

restringen el paso

del fluido.



y/o PLC.




+Se puede emplear un

compresor para varias

válvulas de la autoclave,

se debe determinar la

capacidad del compresor

con la cantidad de


+Se debe tener un

compresor

independiente, debido a

la distancia de ubicación

del compresor principal

de la planta, y sus

paradas.

+Se debe realizar


+Se debe realizar

calibraciones de manera

continua para garantizar

niveles reales de presión

y ajuste de la válvula.

+Se necesita un

compresor muy grande

para lograr un correcto

cierre hermético de las

válvulas de la autoclave.

Accionamiento

eléctrico

(Electroválvula)

Se realiza apertura y

cierre de la válvula

(on-off) mediante

un impulso eléctrico

enviado a un relay

desde el PLC o

controlador.



y/o PLC.


contacto parcialmente

directo con las válvulas

+Es de los más

utilizados en los

sistemas con fluidos a

alta temperatura, debido

a que el accionamiento

no depende de un fluido

externo como agua,

aceito o aire.

+Se debe hacer


+Dependiendo de los

niveles de presión, se

dimensiona el actuador.

Nota Fuente: Autores del Proyecto

65

Figura 19. Operador abriendo / cerrando válvula

Fuente: http://www.atmosferis.com/wp-content/uploads/2012/01/valvula.jpg

Sistemas de supervisión y control empleados en el proceso de esterilización en plantas

extractoras de aceite de palma.

Los sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition), o Sistemas de

supervisión, control y adquisición de datos, son empleados en diversos procesos industriales

automatizados, con el fin de ver, controlar y manipular en tiempo real las variables que

intervienen en un determinado proceso.

En plantas extractoras de aceite, generalmente, se emplea un sistema SCADA por cada

subproceso, relacionado de la siguiente manera:

Recepción y llenado de vagonetas

Esterilización

Desfrutación y extracción

Clarificación

66

Palmisteria

Caldera

En cuanto al proceso de esterilización, el SCADA puede diferir, según los parámetros del

diseño y del tipo de autómata. Su visualización se puede obtener mediante pantallas HMI

instaladas en campo o Cuarto de Control Motores (CCM), o desde un ordenador instalado en

CCM mediante un protocolo de comunicaciones compatible con el Autómata.

Tabla 6

Relación de los sistemas de Supervisión y Control

Elemento de

Visualización

Detalle Ventajas Desventajas

Pantalla HMI Human Machine

Interface (Interfaz

hombre máquina),

es un dispositivo

que permite la

comunicación con

los datos del PLC,

creando una interfaz

que le permite al

usuario ver,

controlar y

+Se puede instalar en

campo, son de fácil

manipulación,

dependiendo del tipo y de

la marca y su robustez.

+Permiten realizar

cambios en la lógica del

proceso y calibrar

sensores y/o actuadores.

+Dependiendo de la marca

se conoce realmente su

robustez.

+No son aptas para uso

exterior con ambiente

agresivo (sol y lluvia).

67

manipular las

variables de un

proceso en tiempo

real.

+El táctil de las pantallas,

suelen dañarse muy

pronto.

Ordenador (PC) +Se debe instalar en

un ordenador un

software, que

depende del

fabricante del

autómata o el

sistema de

adquisición de los

datos DCS.

+Permite la

comunicación con

los datos del PLC,

creando una interfaz

que le permite al

usuario ver,

controlar y

Se puede controlar

remotamente,

dependiendo del tipo de

software, y sistema

operativo del ordenador.

+Permite realizar cambios

en la programación en

tiempo real.

+Permite controlar

muchos procesos a la ver

en una misma pantalla.

+No se puede instalar en

campo, debido a la

limitante de uno solo

proceso y al ambiente

agresivo.

68

manipular las

variables de un

proceso en tiempo

real.

Nota Fuente: Autores del proyecto.

Con la finalidad de conocer parte de la interfaz del SCADA de una planta extractora de

aceite de palma africana, se puede ver en la figura 20.

Figura 20. SCADA Recepción y Esterilización planta AGC SAS

Fuente: AGC SAS

69

3.2.3 Fase 3: Sistema de control y los mecanismos requeridos para la automatización

de autoclaves para el proceso de esterilización del fruto en plantas extractoras de aceite de

palma.

Para el presente proyecto, se tuvo en cuenta los parámetros del actual funcionamiento de la

planta extractora Aceites y Grasas del Catatumbo S.A.S (AGC SAS), donde se tiene

automatizada parte del proceso de esterilización, donde únicamente se manipulan las variables

que intervienen en el proceso para el control de apertura y cierre de válvulas, con el fin de

obtener el ciclo de esterilización. La apertura y cierre de compuertas, se realiza de forma manual,

por lo que el presente diseño difiere del actual, en que se le adicionara este control, para evitar

realizarlo manualmente.

Accionamiento mecánico del control de apertura, cierre de compuertas y puente para

ingreso de fruto a las autoclaves. De acuerdo con la tabla 4, se puede inferir que para este

control es factible técnicamente un accionamiento con unidades hidráulicas, ya que se puede

generar un correcto cierre hermético de la autoclave, debido a la alta temperatura y gran presión

que se puede ejercer en los émbolos, contrarrestando la presión interna.

Unidad Hidráulica. Las unidades Hidráulicas son estaciones productoras de caudal y

presión, están compuestas por una o varias unidades de Bombeo, los componentes de control

direccional, de presión y de regulación necesarios en cualquier aplicación, adicionalmente,

poseen el depósito de Aceite, sistemas de filtración, refrigeración de ser necesario y demás

accesorios. Estas unidades pueden ser construidas con bombas de engranajes, paletas, pistones

axiales, etc.

70

Estas unidades generan en sí energía en función del caudal y de la presión del aceite, que es

transmitida a través de tuberías, que para nuestro caso accionarán tres cilindros actuadores

(émbolos), que mediante un control en el PLC se podrá operar desde el tablero en campo y/ó

desde el ordenador en el CCM.

Figura 21. Unidades Hidráulicas

Fuente: Página web COHA (http://www.coha.com.co/unidades_hidraulicas.html)

71

Figura 22. Unidad Hidráulica

Fuente: Página web COHA (http://www.coha.com.co/unidades_hidraulicas.html)

El horno autoclave a automatizar presentaría las siguientes características, suministradas

por parte del departamento mecánico de la planta extractora Aceites y Grasas del Catatumbo,

necesarias para realizar el diseño y selección de la unidad hidráulica:

Autoclave de cocción de fruto con capacidad de 45 Ton/hora

Longitud: 13.5 metros

Diámetro de compuerta: 1.8 metros

Peso de compuerta: 850 Kg

Diámetros de tuberías establecidos y calculados de acuerdo al flujo en m^3/min capaz de

producirse a la salida de la caldera basados en las curvas del ciclo de esterilización.

72

Para seleccionar las características de la unidad hidráulica a emplear se requiere conocer la

cantidad y tipo de émbolos a emplear, con ello se determinaría:

- Émbolos a utilizar:

+Émbolo de apertura y cierre de compuerta

+Émbolo de apertura y cierre de anillo

+Émbolo de subir y bajar puente

- Bomba de unidad hidráulica

- Motor bomba unidad hidráulica

Para realizar el diseño de este sistema mecánico, se deben tener en cuenta estas variables,

pero debido al alcance de nuestro proyecto, no los consideraremos dentro del diseño.

Selección del control utilizado en la apertura y cierre de válvulas que permitan una

correcta cocción del fruto. La apertura y cierre de válvulas que intervienen en el proceso de la

esterilización, se realizará de manera automática de acuerdo al diagrama de control establecido en

el diseño, para ello, es necesario contar con válvulas de control capaces de responder a estímulos

remotos. Basados en la tabla 5, se definen técnicamente factibles para el diseño, las válvulas de

accionamiento eléctrico (Electroválvula), debido a que permiten trabajar a altas temperaturas y

presiones, controladas desde el PLC mediante conexión eléctrica.

73

Electroválvulas o válvulas Solenoides. Son dispositivos diseñados para controlar el flujo

(ON-OFF) de un fluido. Están diseñadas para poder utilizarse con agua, gas, aire, gas

combustible, vapor entre otros. Estas válvulas pueden ser de dos hasta cinco vías. Pueden estar

fabricadas en latón, acero inoxidable o pvc. Dependiendo del fluido en el que se vayan a utilizar

es el material de la válvula.

En las válvulas de 2 vías, normalmente se utilizan las que funcionan con tres modalidades

diferentes, dependiendo del uso que están destinadas a operar; pueden ser de acción directa,

acción indirecta y acción mixta o combinada, además cada una de estas categorías puede ser

Normalmente Cerrada (N.C.) o Normalmente Abierta (N.A.) , esto dependiendo de la función

que va a realizar ya sea que esté cerrada y cuando reciba la señal a la solenoide abra durante unos

segundos, o que esté abierta y cuando reciba la señal la solenoide corte el flujo. Fuente:

http://www.altecdust.com/blog/item/32-como-funcionan-las-electrovalvulas-o-valvulas-

solenoides-de-uso-general

74

Figura 23. Electroválvula de Vapor de 6”

Fuente: http://img.directindustry.es/images_di/photo-m2/126177-7943483.jpg

El trabajo del control en la válvulas, será hacer cumplir la siguiente curva de esterilización

para lograr una correcta cocción del fruto de la palma, y de esta manera lograr la eficiencia del

proceso de la esterilización.

Figura 24. Ciclo de esterilización

Fuente: Autores del proyecto

75

El ciclo de esterilización, es un estándar definido el cual para algunas plantas dependiendo

del tipo de fruto puede variar un poco las presiones y tiempos, pero en sí la filosofía es la misma,

esta se basa en el tipo de fruto, para nuestro caso, las condiciones ya están establecidas en el

estudio medioambiental del diseño general de la planta AGC SAS.

Una vez seleccionado el tipo de válvula de control a utilizar, se puede realizar el diagrama

P&ID del horno autoclave.

Figura 25. Diagrama P&ID diseño autoclave

Fuente: Autores

A continuación se realiza la descripción de los elementos de control instalados en la

autoclave:

Em= Válvula de entrada de vapor. Tipo: bola - manual

E = Válvula de entrada de vapor. Tipo: Electroválvula ON-OFF. NC

76

Eb = Válvula bypass de entrada de vapor. Tipo: Electroválvula ON-OFF. NC

S= Válvula de salida de Vapor, expansiones o desfogue. Tipo: Electroválvula ON-OFF.

NO

C= Válvula de salida de condensado, desaireación y expansiones. Tipo: Electroválvula

ON-OFF. NO

Cb= Válvula bypass para salida de condensados. Tipo: Trampa de vapor de presión

diferencial, automática, totalmente mecánica.

Trampa de Vapor. Las trampas de vapor son un tipo de válvula automática que filtra el

condensado (es decir vapor condensado) y gases no condensables como lo es el aire esto sin dejar

escapar al vapor. En la industria, el vapor es regularmente usado para calentamiento o como

fuerza motriz para un poder mecánico. Las trampas de vapor son usadas en tales aplicaciones

para asegurar que no se desperdicie el vapor.

Figura 26. Representación gráfica de una válvula trampa de vapor

Fuente: http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-a-steam-trap.html

http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-a-steam-trap.html

77

Una ‘trampa’ es definida de la siguiente manera de acuerdo con la terminología de válvulas

JIS B 0100:

Nombre genérico para una válvula autónoma que automáticamente descarga condensado de

equipos, tubería, etc.

ANSI/FCI 69-1-1989

¿Para Qué Fin son Instaladas las Trampas de Vapor? El vapor se forma cuando el agua

es evaporada para formar un gas. Para que el proceso de evaporación se produzca, las moléculas

de agua deben recibir suficiente energía de tal manera que las uniones entre las moléculas

(uniones de hidrogeno, etc.) se rompan. Esta energía que se da para convertir un líquido a gas

recibe el nombre de "calor latente".

Los procesos basados en el calentamiento utilizan el calor latente y lo transfieren al

producto. Cuando se realiza este trabajo (es decir el vapor ha cedido su calor latente), el vapor se

condensa y se convierte en condensado. En otras palabras, el condensado no tiene la habilidad de

hacer el trabajo que el vapor realiza. Por lo tanto la eficiencia de calentamiento se ve afectada si

el condensado no es removido propia y rápidamente como sea posible, ya sea en una tubería para

transportar el vapor o en un intercambiador de calor.

Para mayores detalles acerca del mecanismo de la transferencia de vapor, lea el siguiente

artículo en Transferencia de Calor del Vapor

78

La Razón por la que son Necesarias las Trampas de Vapor (Ejemplo: Hervidores

Enchaquetados, calderas, hornos autoclave)

Figura 27. Proceso de expulsión de condensados con válvula manual

Fuente: http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-a-steam-trap.html

Con la implementación de una trampa de vapor, se puede apreciar gráficamente que se

eliminan las pérdidas de vapor detalladas en la figura 27, lo que hace más eficiente el proceso de

expulsión de condensados y la hermeticidad del horno.

http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-a-steam-trap.html

79

Figura 28. Implementación de la trampa de vapor

Fuente: Fuente: http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/what-is-a-steam-trap.html

Las condiciones de control para lograr un ciclo de esterilización como el de la figura 25,

basados en el diagrama P&ID diseñado en la figura 25, se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 7

Lógica de control proceso de esterilización

PASO

N° DESCRIPCIÓN

TIEMPO

aprox. (min)

PRESION

(psi)

VALVULAS

E Eb S C

1 Desaireación 5 0 A C C A

2 1er pico (ascenso) 5 20 A C C C

3

1er pico

(expansión) 2 10 C C A A

4 2° pico (ascenso) 12 30 A C C C

5 2° pico (expansión) 3 15 C C A A

6 3er pico (ascenso) 5 40 A C C C

7 Sostenimiento 40 40 C A C C

8

3er pico

(expansión) 5 0 C C A A

9 Seguridad de 5 0 C C A A

80

apertura

10 Descargue 5 0 C C A A

Total 92 Nota fuente: Autores del proyecto

Filosofía de Control. Los equipos de control de tablero de autoclave son de la gama S7-

1200 de Siemens y son los siguientes:

Por estandarización de planta se decide trabajar con PLC de la gama Siemens S7-1200, y

se definen los siguientes elementos, instalados en un tablero, cuyas características se describirán

posteriormente.

Elementos:

- U100: CPU 1214C DC/DC/DC (Referencia: 6ES7 314-6EH04-0AB0).

- Un sistema HMI para supervisión en planta, el cual elige una pantalla Siemens KTP1200 PN

(Referencia: 6AV2 123-2MB03-0AX0), para realizar supervisión del sistema.

- El objeto de este tablero es la operación de la zona de autoclaves de fruto y salida de

producto, en el siguiente orden:

1. Operación ciclo de esterilización autoclaves.

2. Válvula de admisión gruesa de vapor E.

3. Válvula de control fino de sostenimiento entrada de vapor Eb.

4. Válvula de salida de condensados C.

5. Válvula de purga S.

6. Apertura y cierre de compuertas.

81

Para la programación del control se empleó el Software TIA Portal V13 SP1, y se realizó

una programación por bloques, y cada bloque posee su propia programación en Ladder, ya que

realizando un solo ladder hubiese sido imposible por la cantidad de variables y el orden para

generar el ciclo de esterilizado.

Bloques utilizados en el control del horno autoclave y su descripción

Bloque Main [OB1]:

Bloque de organización que se repite cíclicamente en el cual se deben agregar los demás

bloques que se van a ejecutar en el programa ya sean FC o FB. Es indispensable que exista por lo

menos un bloque OB para que se ejecuta el programa.

En el programa se agregan al Main los bloques BOTONES [FC2], ESCALIZACIÓN [FC1]

Y AUTOCLAVE [FB1]. El bloque autoclave fue utilizado dos veces, una por cada esterilizador.

Función [FC]:

Es en el que se crea la secuencia lógica en el lenguaje deseado ya sea KOP (lógica de

contactos), FUP (diagrama de funciones) o SCL (lenguaje de siemens, texto estructurado).

El programa del esterilizador está realizado en Ladder es decir en KOP, los FC que existen

son el FC2 BOTONES y el FC1 ESCALIZACIÓN.

Bloque de Función [FB]:

82

Al igual que el FC es el bloque lógico en el que se crea la secuencia del programa pero a

diferencia del anterior este va ligado a una instancia (DB) que se crea al arrastrar el bloque al

programa, esto permite crear un solo bloque y utilizarlo muchas veces creando multiinstancias

ligadas a este.

Bloque de datos [DB]:

Se utiliza para el almacenamiento y procesamiento de datos, pueden ser de dos tipos:

- Globales

Se utilizan para almacenar datos desde cualquier parte del programa (OB, FC o FB)

- Instancia

Estos están asociados a los bloques de función (FB) y almacenan los valores

correspondientes al bloque, estos se crean al ser arrastrados al programa.

En el programa de esterilizador existen dos DB de instancia (DB10 Y DB11)

correspondiente al FB autoclave.

Condiciones del control

A continuación se relacionan los elementos que se tuvieron en cuenta para realizar la

programación del control en el PLC.

83

Figura 29. Diagrama de flujo para iniciar el ciclo de esterilización en el tablero de autoclave

Nota fuente. Autores del proyecto

Para la programación se tuvo en cuenta el presente diagrama de flujo, ya que se hace

necesario ingresar estos datos al controlador programado en el PLC, adicionalmente, se tiene en

cuenta, que después del ciclo de esterilizado, para que la compuerta se pueda abrir, se debe

garantizar una presión de 0 psi.

Contemporáneamente se tuvo en cuenta el ciclo de esterilización, con el control de apertura

y cierre de válvulas, el cual se describió anteriormente.

84

Secuencia del programa. El programa tiene dos tipos de control, el manual y el

automático que son controlados desde una HMI.

- Modo manual

Se controla la apertura y cierre de válvulas directamente por el operario.

- Modo automático

El control se realiza teniendo en cuenta la secuencia programada en el bloque autoclave

Bloque Main. Primeramente se crearon las variables a utilizar, a medida que se iba

avanzando con la programación, se iban insertando más según los requerimientos, a continuación

se muestran las variables que quedaron definidas en la programación.

Figura 30.Variables 1-24 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7)

Nota fuente: Autores del proyecto

85





86

Se creó el bloque MAIN (OB1), el cual es el bloque principal y es quien representa la

interfaz del sistema operativo de la CPU regulando y controlando todo el proceso automatizado

en el horno autoclave en ejecución cíclica, en él iniciamos la programación en secuencia del

controlador, y creamos las subrutinas en el siguiente orden:

Tabla 8

Sub rutinas del bloque main

SEGMENTO BLOQUE SUBRUTINA TIPO DE BLOQUE

1 Escalización FC-1

2 Botones FC-2

3 Autoclave FB-1


Figura 33. Secuencia Bloque MAIN (OB1) 1 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) - - Segmentos 1 y 2.


87

Figura 34. Secuencia Bloque MAIN (OB1) 2 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7) - - Segmento 3.




88



Bloque Escalización

Posteriormente, y como se puede observar en el apartado anterior, se crea la subrutina de

ESCALIZACIÓN, con el bloque FC1, aquí como su nombre lo indica se realiza la Escalización

de las entradas de medición de vapor, las cuales llegarán en una señal de 4-20 mA, desde el

transmisor de presión.

89

Figura 37. Valor analógico del transmisor de presión rango de 0 a 45 psi que nos da la medida de 4 a 20 mA

– MATLAB R2015a


Debido a que las tarjetas de la CPU del PLC Siemens s7-1200 solo están disponibles en un

rango de 0 a 20 mA, se tuvo en cuenta lo siguiente:

El PLC lee valores entre [0 ; 27648], como valores dentro de un rango, por lo tanto

asumimos para realizar la programación este rango 0 para 0 mA en el límite inferior y 27648 para

20 mA, en el límite superior.

Posteriormente, se procede a realizar la programación, primeramente se convierte la

variable PRESION 1 en PRESION REAL 1, en este campo, con la ayuda del bloque CONV,

realizamos esta operación, es decir el valor recibido del presóstato en una señal de 4 a 20 mA lo

convertimos a la señal que el PLC requiere para poder trabajar, lo cual ya se explicó

anteriormente. Desarrollado esto, se procedió a escalar la señal analógica con la ayuda de los

90

bloques NORM X, SCALE X y CALCULATE y se obtiene la señal PRESION INDEXER 1, que

se utilizará en la programación.

Figura 38. Escalización señal presóstato (1) - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7)


Se realiza la Escalización de las variables PRESION 2 en PRESION INDEXER 2 y

PRESION 3 en PRESION INDEXER 3.

91





92

Bloque botones [FC2]:

Conexión a las marcas de ejecución de la HMI, como se puede observar en el apartado

anterior, se crea la subrutina de BOTONES, aquí se enuncia la programación en lenguaje ladder

de los botones de Pausa del horno autoclave, tanto físicamente como en la HMI.



Bloque Autoclave [FB1]:

Controla la secuencia de cocción, las variables a tener en cuenta serian

#ciclo : es el que lleva el conteo del ciclo que lleva la cocción estos ciclos son

93

Ciclo=1: desaireación

Ciclo =2: pico 1 subida

Ciclo=3: pico 1 bajada

Ciclo=4: pico 2 subida


Ciclo=6: pico 3 subida

Ciclo=7: cocción


Ciclo=9: descarga

#presion: presión medida en la autoclave

#salto: se utiliza para saltar de ciclo de cocción de querer realizarlo

#admision_alta: válvula de entrada de vapor gruesa (se utiliza en los picos hasta llegar a

cocción)

#admision_baja: válvula de entrada de vapor fina (se utiliza cuando está en cocción)

#salida_condensados: válvula para desalojar los condensados

94

#salida_vapor: válvula para realizar la descarga de vapor

#P_COCCION_MIN Y #P_COCCION_MAX: son los valores mínimo y máximo en los

que se mantiene la presión durante la cocción, estos se regulan con la apertura y cierre de la

válvula fina (mínimo 38 y máximo 41)

El control de apertura y cierre de las válvula se realiza por medio de comparaciones con la

presión escalizada (#presion)

El bloque también contiene los temporizadores para llevar el conteo del tiempo de apertura

y cierre de válvulas comparándolos con valores de tiempo establecidos.

En el bloque Autoclave, se describe el lenguaje de programación ladder que proporciona el

control descrito a continuación,

Figura 42. Bloque de Autoclave, segmentos 1 y 2 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7)


95





96



Figura 46. Bloque de Autoclave, segmentos 9 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7)


97

Figura 47. Bloque de Autoclave, segmento 10 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7)


Figura 48. Bloque de Autoclave, segmento 11-1 - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7)


98





99





100





101





102





103



Figura 60. Configuración de variables Bloque de Autoclave (Generación instantánea) 1 - - TIA Portal

V13 SP1 (Step 7)


104


V13 SP1 (Step 7)


Figura 62 Configuración de variables Bloque de Autoclave (Generación instantánea) 3 - - TIA Portal

V13 SP1 (Step 7)


105


V13 SP1 (Step 7)


SCADA – Sistema de supervisión y control del horno autoclave

Actualmente, el SCADA del horno autoclave en la planta extractora Aceites y Grasas del

Catatumbo se encuentra en el tablero de autoclaves ubicado en campo, debido a que debe estar el

operario en sitio para poder controlar el ingreso de autoclaves, que, aunque se realiza la

impulsión e ingreso de vagonetas con cabrestantes, es el operador quien debe asegurarse de que

realmente ingresó fruto al horno, por ende su control debe ser netamente en campo. Por lo que

para el presente diseño, se presenta una similitud en este tema.

Únicamente se presenta una imagen para el controlador y la definimos de la siguiente

manera:

106

Figura 64. SCADA HMI – Ciclo de Desaireación Autoclave - - TIA Portal V13 SP1 (Step 7)


Como se puede observar en la figura 65, el SCADA propuesto maneja diversos botones:

Figura 65. Botón Inicio SCADA HMI –


107

Este botón mostrado en la figura 66 permite dar inicio al proceso, teniendo en cuenta el

control previamente programado y mostrado con anterioridad, para poder dar inicio, es necesario

que se cumplan todos los controles previamente mencionados, en este caso para ello se debe

haber cerrado herméticamente las puertas del autoclave.

Figura 66. Leds indicadores anillos, puertas y puentes, SCADA HMI –


Estos leds indicadores presentados en la figura 67, permitirán al operador conocer si tanto

las puertas, anillos y puentes, se encuentran en la posición exacta para poder dar inicio al ciclo de

esterilización, en caso afirmativo los leds se encontrarán de color verde, como se muestra en la

imagen y el control permitirá dar inicio al ciclo, de lo contrario se encontrarán en color rojo y

sencillamente el control no funcionará.

Figura 67.Indicadores SCADA HMI –


108

La figura 68 presenta unos indicadores en tiempo real de la temperatura, presión y tiempo

de cocción del fruto que en el que se encuentra el horno autoclave, adicionalmente, me presenta

el ciclo en que se encuentra.

Figura 68. Botón Pausa SCADA HMI


Este botón, mostrado en la figura 69 permite al operador pausar el ciclo de esterilización

en cualquier momento, controlando la presión existente en el horno autoclave.

Figura 69. Ciclos autoclave SCADA HMI –


109

Este diagrama, presentado en la figura 70, muestra al operador las 4 válvulas que se

controlan por medio del PLC y, en este caso podemos observar que para el proceso de

Desaireación encontramos que las válvulas C y E se observan en color verde, debido a que son

las que se encuentran abiertas, mientras que las válvulas S y Eb se encuentran cerradas y se

distinguen porque mostrarán un color rojo, ahora bien las válvulas Cb (trampa de vapor) y Em

(Entrada manual de vapor), no cambiarían de color en el SCADA debido a que no las

controlaremos medinte el PLC.

Figura 70. Compuertas autoclave SCADA HMI –


La figura 71 le permite al usuario conocer que la puerta, el anillo y el puente se encuentran

en la posición correcta para proceder a iniciar el proceso. Va ligado con los les indicadores

mencionados anteriormente. En caso contrario se verá en el SCADA una compuerta abierta

110

Figura 71. Parada de emergencia SCADA HMI –


El SCADA posee un botón de paro de emergencia, el cual le permite al operador detener el

ciclo de esterilización en caso de poseer alguna falla, impidiendo el ingreso de vapor y

despresurizando la autoclave, con el fin de obtener 0psi de presión y poder abrir el mismo.

Figura 72. Led de alarma SCADA HMI –


La figura 73 muestra el led de alarma, el cual al estar de color azul indica que el sistema

está {a trabajando correctamente, pero en el momento en que se vuelva de color rojo, quiere decir

que el sistema se encuentra en falla.

Diseño del tablero de autoclave

El presente diseño muestra el hardware a instalar, las conexiones del PLC, hacia los

instrumentos y los botones de mando paralelos a los existentes en la pantalla HMI, que le

111

permitirán al usuario iniciar, pausar, detener la autoclave y tener un paro de emergencia. Esta

programación también se encuentra adjunta.

Alimentación Tablero

Principalmente se tendrá en cuenta un control a 220 VAC, de las cuales serán dos líneas a

110 VAC cada una, y una línea para Sistema de puesta a tierra (SPT), lo cual alimentará el

sistema. Se utilizará un interruptor doble C10 de Siemens para ello, y bornas para realizar la

respectiva conexión, como se muestra en la figura 74.

Figura 73. Alimentación del tablero de autoclaves


112

Fuente de Poder

Debido a que el PLC se alimenta con corriente continua, es necesario adicionar una fuente

de poder que alimente los sistemas integrados del tablero a 24 VCC y una corriente de 2.5 A, esta

conexión debe realizar como se muestra en la figura 75.

Figura 74. Fuente de Poder 120/230VAC-24DC


Alimentación CPU PLC y módulos

113

Se necesitarán tres módulos adicionales, los cuales son descritos en la figura 76, con su

respectivo conexionado en tablero.

Figura 75. Conexión de alimentación en módulos del PLC


Conexión de botones y sensores

La conexión que se presenta en la figura 77, permite al operario manipular en modo

manual el proceso de esterilización en el horno autoclave. Los sensores inductivos instalados en

cada compuerta, envían la señal para definir el estado de la compuerta.

114

Figura 76. Conexión de botones y sensores


A continuación se puede apreciar en la figura 78 el conexionado de las bobinas de

accionamiento de las válvulas de vapor y condensados.

Figura 77. Conexión de bobinas para accionamiento de válvulas de vapor y condensado


115

En la figura 79, se puede apreciar el conexionado de las válvulas de vapor, junto con la

alarma que se activa en el momento de una falla.

Figura 78. Conexión de válvulas de vapor y alarma.


A continuación se aprecia en la figura 80 el conexionado del transmisor de temperatura y

del transmisor de presión.

116

Figura 79. Conexión de transmisor de temperatura.


Las figuras 81 y 82, muestra la distribución en tablero de los elementos que lo conforman

con medidas en mm.

117

Figura 80. Distribución interior de elementos en el tablero


Figura 81. Distribución exterior de elementos en el tablero


118

SCADA en sala de mandos

En la figura 20 se muestra el actual SCADA de todo el bloque de recepción y esterilización

de fruto, el cual es visualizado en sala de mandos. Actualmente se está operando todo lo que se

encuentra de color verde, y el presente diseño, hace referencia a lo que se encuentra en color azul

(solo la autoclave).

Cuando comienza la operación del sistema, las compuertas de las autoclaves actuales se

aprecian cerradas, y cuando el sistema no está operando estas se aprecian abiertas. De la misma

forma se visualizará en sala de mando la autoclave azul, esta conexión se realizaría mediante

protocolo de comunicaciones Profibus y conexionado mediante el bus de datos RS485.

119

Capítulo 4. Recursos

4.1 Recursos Institucionales

Se Utilizará el campus de la Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña para realizar

trámites de documentación, entrega del trabajo, correcciones y sustentación.

Se utilizará el predio de la Planta Extractora Aceites y Grasas del Catatumbo SAS, para

visitas de campo, recolección de información y consultas técnicas.

4.2 Recursos Humanos

La parte humana del proyecto se lleva a cabo por:

Ingeniero Electromecánico Roni Mauricio Jaya, profesional que labora de manera

independiente en el diseño de la ingeniería de detalle para el sistema eléctrico y automatización

de plantas extractoras de caite de palma.

Ingeniero Electromecánico David Antonio Sánchez, profesional que labora para la

multinacional Hyundai Engineering CO, LTD; encargado de la construcción de sistemas

eléctricos y automatización de plantas térmicas a carbón para la generación de energía eléctrica

Ingeniero Electricista, especialista en Ingeniería Hospitalaria, Magister en controles

Industriales José Armando Becerra Vargas; actualmente labora como Docente Tiempo Completo

Categoría Asociado. Universidad Francisco de Paula Santander y es el Director Grupo de

Investigación en Automatización y Control GIAC. Categoría "B" de COLCIENCIAS.

4.3 Recursos Financieros

A continuación se presenta el presupuesto utilizado en el desarrollo del presente proyecto, los

120

montos están estimados en pesos colombianos.

Tabla 9

Presupuesto Global del Proyecto por fuentes de financiación

RUBROS TOTAL

ESTUDIANTE UFPSO

Efectivo Especie Efectivo Especie Efectivo

Personal 2’500.000 0 1’000.000 0 960.000 3’900.000 Equipos 2’300.000 0 0 0 2’300.000

0

Materiales 600.000 0 0 0 0 600.000 Salidas de

Campo

400.000 0 0 0 0 400.000

Otros 0 0 0 0 0 7’200.000

0

Tabla 10

Descripción de los gastos de personal

Nombre del

Estudiantes

/Directores

Función

dentro del

proyecto

Dedicación

horas/se mana

$/h #

de

seman

as

Total

Estudiante

UFPS

Roni

Jaya

Estudiante

Proyectista

10 12.500 10 1.250.000 0 1.250.000

David Sánchez Estudiante

Proyectista

10 12.500 10 1.250.000 0 1.250.000

Armando

Becerra

Director 4 35.000 10 0 1’400.000 1’400.000

Total 3’900.000

121

Tabla 11

Descripción de los equipos de uso propio

Descripción $/h Horas de

utilizació

n

Justificación

Total Estudiante UFPS Especie Especie

Computadores

Portátiles

23.00

0

100 Desarrollo de diseños,

simulaciones e informe final

2’300.000 0 2’300.000

Total 2’300.000

Tabla 12

Descripción de los materiales e insumos

Descripción Justificación Total

Estudiante UFPS

Papelería Gastos de

papelería, impresiones,

etc.

400.000 0 400.000

Otros

consumibles

Otros gastos de

ajuste para el libro

200.000 0 200.000

Total 600.00

0

Tabla 13

Salidas de Campo

Ítem Justificación Costo

Unitario

Can

tidad

Total

Estudiante UFPS

Especie Especie

Planta

Extractora Aceites

y Grasas del

Catatumbo SAS

Visitas para

recolección de

información y

estudio de áreas

100.000

4 400.000

0

400.000

Total 400.000

122

4.4 Recursos Tecnológicos

Se utilizaron 2 computadores portátiles última generación con procesadores Core I5,

memorias RAM de 8gb y tarjeta de video independiente de 2Gb para tener una mayor velocidad

en el momento de realizar simulaciones de software, cálculos, gráficas, procesadores de texto y

software TIA Portal Step 7 V13 sp1.

Se manejaron software como matlab R2015a, Cmaps tools datasheets válvulas de control,

transmisores de presión, temperatura y otros dispositivos del área de la instrumentación y control

industrial.

123

Conclusiones

El proceso de esterilización, al realizarse de manera automática con el diseño propuesto,

aumenta la eficiencia del sistema, debido al ahorro de vapor producto de las pérdidas en la

manipulación desproporcionadas de las válvulas que intervienen en el ciclo.

Se reduce el riesgo ocupacional del trabajador, al disminuir el contacto operario – autoclave

durante el proceso de esterilización.

Se mejora la calidad del aceite al optimizar el ciclo de la esterilización con la

automatización, debido a que la cocción del fruto se realiza de manera correcta y completa para el

momento del prensado, el fruto segrega mayor cantidad de aceite.

El sistema de drenaje de condensados, es una necesidad del proceso, debido a que la

calidad del vapor, está en ser lo más seco posible, con la implementación de una trampa de vapor,

en reemplazo de una válvula abierta todo el proceso, se disminuyen las pérdidas de vapor y se

asegura la hermeticidad para una correcta cocción del fruto y menor consumo de combustible en

la caldera.

El sistema SCADA del proceso de esterilización, debe controlarse desde campo mediante

una HMI; y desde sala de mando sólo la visualización del proceso, debido a las condiciones a

cumplirse en el cargue y descargue del fruto, apertura y cierre de compuertas desde el punto de

vista de la seguridad industrial para el o los operadores y el mantenimiento regular del horno

autoclave como equipo.

124

Se implementa Una válvula manual llamada Em a la entrada de vapor para labores de

mantenimiento o reparaciones en la autoclave.

125

Recomendaciones

Debido a que el presente proyecto se realiza para la ampliación a de 45 ton/hora a 90

ton/hora llamado fase 2 de la planta actual, se recomienda emplear los elementos existentes en el

tablero de autoclaves diseñado, ya que se dejaron reservas para la futura ampliación a 135

ton/hora llamada fase 3.

Para garantizar hermeticidad, se recomiendan inspecciones periódicas a los sellos de las

compuertas y mantenimiento a válvulas.

El sistema de drenaje de condensados, puede contener restos del fruto llamado raquis, para

lo cual se recomienda al departamento de diseño o mantenimiento mecánico, implementar filtros

de fácil mantenimiento a los sifones con el fin de evitar taponamientos.

Con el fin de disminuir el consumo de agua demi, se recomienda separar y almacenar los

condensados en un tanque para enviar de nuevo a la caldera formando un ciclo cerrado y por ende

lograr un sistema más eficiente.

126

Referencias Bibliográficas

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diseÑo del sistema de supervisiÓn y control para la

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