Capítulo II MARCO TEÓRICO

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CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

El presente capítulo denominado marco teórico contiene los antecedentes

de los estudios relacionados con la temática expuesta, las bases teóricas

que sustentan las teorías objeto de estudio: sistema de control automático y

el procesamiento del café; así como el sistema de variables.

1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

Entre los antecedentes relacionados con la problemática planteada, se

presentan a continuación varias investigaciones.

En primer término, se menciona la investigación realizada por Bautista y

otros (2012) titulada “Sistema de control automatizado para el proceso de

cocción del cangrejo de la empresa Procemarca C. A” realizada en la

Universidad Privada Dr. Rafael Belloso Chacín, la cual tuvo como objetivo

desarrollar un sistema de control automatizado para el proceso de cocción

del cangrejo de la empresa PROCEMARCA C.A.,

Este fue desarrollado con la ayuda de un controlador lógico programable

(PLC) y una interfaz hombre-máquina (IHM). El estudio se sustentó

teóricamente de los aportes expuestos por Creus (1997), Ogata (1993), Díaz

(2006), Domingo, Gamiz, Grau y Martínez (2003), Bello Gutiérrez (1998),

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entre otros, quienes hicieron referencia a la automatización, instrumentación,

los sistemas de control y al proceso de cocción.

La mencionada investigación fue del tipo proyectiva, descriptiva, con

modalidad de campo, no experimental. La metodología empleada se basó en

la unión de las fases dictadas por Angulo (1986) adoptando las fases que

propone este, se logró definir el propósito de la investigación, quedando

resumidas en las ocho (8) siguientes: Definición del Problema, Definición de

Especificaciones, Esquema General del Hardware, Ordinograma General,

Ordinogramas Modulares y Codificación del Programa, Depuración del

software, Implementación del hardware, y por último Integración del hardware

con el software.

Las técnicas de recolección de datos empleadas fueron la observación

directa y la entrevista estructurada, teniendo como instrumentos el guión de

observación y el cuestionario, otra herramienta utilizada fue el manual de

calidad de la empresa. Los resultados de la investigación destacaron que a

través de la implementación efectiva de un dispositivo de control remoto, y

con la ayuda de una interfaz hombre máquina, se logró cumplir con el

objetivo principal del estudio, hecho que fue evidenciado con el

funcionamiento de un prototipo, y de esta manera demostrando su viabilidad

en la empresa.

La investigación antes mencionada puede realizar aportes de gran

importancia para el desarrollo del proyecto que se está realizando, ya que

tienen similitudes en su contenido con respecto a un interfaz hombre-

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máquina (IHM) y de un controlador lógico programable, el cual permitirá

optimizar el procesamiento del café.

Por otra parte, Molero-Lea y Villasmil (2011), quien realizó un estudio

titulado “Automatización de parámetros de funcionamiento para un galpón de

una granja avícola reproductora”, desarrollada en la Universidad Privada Dr.

Rafael Belloso Chacín cuyo objetivo general fue desarrollar un sistema

automatizado para una granja de producción avícola, el cual se sustentó en

los siguientes autores Creus (2006), Ogata (2004), Cosco (2008), Dorf

(1997), Savant (2004), y Angulo (1986), los cuales hacen referencia a los

sistemas de control automatizados.

El tipo de estudio fue de campo y la técnica empleada para la recolección

de datos fue la observación directa mediante la aplicación del cuaderno de

notas junto con entrevistas no estructuradas, puesto que se trata de una

investigación que propone el desarrollo de un sistema automatizado para la

granja de producción avícola La Inmaculada.

La metodología utilizada para llevar a cabo dicha investigación está

basada en la propuesta de Angulo (1986). Los resultados de la investigación

mostraron cómo a través del programa desarrollado mediante el software de

programación ProWORX NXT para PLC’Modicom Quantum se cumple con el

objetivo principal de la optimización de los procesos, comprobado por el

correcto funcionamiento del sistema de control en el prototipo.

La investigación referida contribuye de forma metodológica, para llevar a

cabo dicha investigación está basada en la propuesta por Angulo y así

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mismos la investigación antes mencionada aporta en su tipo de estudio el

cual fue de campo y en las técnicas empleadas como son: la recolección de

datos, la aplicación de cuadernos de nota y la entrevista no estructuradas.

Así mismo, Galindo (2011), en la Universidad de Guayaquil, realizó una

investigación titulada “Producción e industrialización del café soluble caso:

solubles instantáneo” el cual tuvo como objetivo establecer y analizar los

factores dominantes y explicar qué hacer con el proceso de producción y

producto final de los elaborados de café soluble de solubles instantáneos

para mantener la calidad dentro de los parámetros establecidos por las

normas.

En dicha investigación se utilizaron métodos, técnicas y procedimientos

para posibilitar cumplir con el objetivo fundamental que es el de comprobar la

hipótesis. Para ello se realizó una revisión básica y necesaria de los

aspectos metodológicos de la macroeconomía, microeconomía, desarrollo

económico local y de la agroindustria. Además realizaron un acercamiento

adecuado sobre las tendencias generales y las características de la

macroeconomía y microeconomía. Para el desarrollo de este cometido, se

tiene que hacer uso de distintos métodos, técnicas y procedimientos de

investigación, estudio y análisis.

Para apreciar de una mejor forma el análisis del tema realizaron gráficas y

tablas estadísticas que permitieron mostrar de manera más explícita la

observación y comparación de los distintos estudios económicos. El proceso

de industrialización del café de solubles instantáneo es uno de los más

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tecnificados entre las productoras de café soluble del Ecuador, debido a la

inversión en la maquinaria instalada de última tecnología, el cual es uno de

los principales motivos para que la compañía produzca café soluble

instantáneo de la más alta calidad.

El resultado de dicha investigación contribuye con la fundamentación

teórica sobre el procesamiento del café, así como su industrialización y la

aplicación de maquinaria automatizada.

Por último Arrellano y Bustamante (2011), realizó un estudio en la

Universidad Autónoma del Estado Hidalgo, titulado “Automatización del

proceso del café en la comunidad de Tlacuilot epec Puebla” con el propósito

de ofrecer una alternativa costeable a los cafeticultores del municipio

Tlacuilotepec Puebla para que sean ellos mismo quienes puedan procesar el

café que cultivan, incrementando sus ganancias sin necesidad otras

alternativas tales como la migración. De tal manera que con una inversión

inicial accesible, puedan recuperarla en poco tiempo e incrementar

satisfactoriamente el margen de utilidad.

Por ello en la actualidad con los adelantos científicos en áreas como la

neumática, la hidráulica y desde luego la electrónica, es muy sencillo y

costeable pensar en la idea de un proceso que normalmente se realiza a

mano, pueda estar automatizado, reduciendo con esto los tiempos de costo y

producción.

En el mismo orden de idea el PLC es un controlador ideal para este tipo

de automatizaciones ya que con un sencillo programa diseñado según las

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necesidades del proyecto y de sus conexiones de entrada y salidas,

pudiendo contar con un sistema automatizado muy eficiente y con la ayuda

de los actuadores, los cuales son unos dispositivos que se accionaran para

desempeñar el trabajo, estos pueden ser eléctricos, hidráulicos o neumáticos

ofreciendo cada uno diferentes ventajas o desventajas según las

característica del proyecto.

Entre las expectativas logradas por esta investigación, destacan la

utilización de tecnología como son los actuadores, que se emplean según las

característica del proceso y así tendrá un mejor desempeño a la hora de

hacer un proceso óptimo en la industria del café.

Por tanto, dicha investigación presenta un aporte en las bases teóricas,

permitiendo conocer el proceso para la producción de café en forma

automática; en dicha investigación se describe cada una de las fases del

procesamiento del producto, entre los cuales se encuentran: secado, tostado,

molienda y empacamiento, las cuales coinciden con el sistema a desarrollar.

2. BASES TEÓRICAS

Las bases teóricas indican los aportes científicos en las áreas

correspondientes a las variables de la investigación como lo son los sistemas

de control, la automatización industrial y el procesamiento del café.

2.1 SISTEMAS DE CONTROL

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Según Dorf (2005, p. 2), un sistema de control es una interconexión de

componentes que forman una configuración del sistema que proporcionará

una respuesta deseada.

Además, se puede añadir que todo sistema de control posee una señal de

entrada denominada señal de referencia, sumada a un proceso en el que se

puede presentar una o varias variables; y esto genera una señal de salida a

la que se le denomina señal controlada, ésta puede ser realimentada o no

afectando así a la acción de control.

2.1.1. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL

En base a su principio de funcionamiento los sistemas de control pueden

emplear o no información acerca del ambiente en que se encuentran, por

ejemplo, información acerca del proceso que están controlando, a fin de

elaborar o no estrategias de supervisión y control. Se cuenta con dos tipos

de sistemas de control, sistema a lazo abierto y sistema a lazo cerrado.

2.1.1.1. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO

Según Ogata (2003, p. 7), los sistemas en los cuales la salida no tiene

efecto sobre la acción de control se denominan sistemas de control en lazo

abierto. Esto quiere decir que es un tipo de sistema en el cual los valores de

la entrada no se ven modificados o afectados por los valores de salida.

También para cada entrada de referencia le corresponde una condición de

operación fijada, la exactitud de la salida del sistema depende de la

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calibración del controlador y en presencia de perturbaciones estos sistemas

de control no cumplen su función adecuadamente.

2.1.1.2. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO

De acuerdo a lo señalado por Ogata (2003, p. 7), los sistemas de control

realimentados se denominan también sistemas de control en lazo cerrado. El

término control en lazo cerrado siempre aplica el uso de una acción de

control para reducir el error.

En efecto, este tipo de sistemas, al ser realimentado; es aquel en el que la

señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. Como en algunas

ocasiones ocurre, la señal controlada y la señal de referencia pueden

presentar señales de diferente naturaleza, por ejemplo neumático y eléctrica;

y para ambas señales puedan entenderse se coloca un instrumento en la

realimentación. De esta manera ocurre el efecto sobre la acción de control

emitida por la salida.

2.1.1.3. SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO

Para Dulhoste (2010, p. 11), un control automático es un arreglo de

componentes físicos conectados de tal manera que pueda comandar, regular

o dirigir a sí mismos o a otros sistemas, donde se les usa principalmente para

regular variables tales como presión, temperatura, flujo, nivel, entre otras.

Así mismo, se puede decir que el control automático es el mantenimiento

de un valor deseado para una cantidad o condición física, midiendo su valor

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actual, comparándolo con el valor referencia, y utilizando la diferencia para

proceder a reducirla mediante una acción correctiva. En consecuencia, el

control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione

sin intervención humana.

2.1.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

El análisis de un sistema que se desea controlar, significa analizar el

comportamiento dinámico del mismo en el tiempo. En este sentido, partiendo

de sus características matemáticas se puede llegar a conclusiones respecto

al funcionamiento del sistema, tanto aislado como dentro de un lazo cerrado,

afectado por ruido y gobernado por un controlador. De esta forma, para

conocer dicho funcionamiento, se debe llegar a conclusiones puntuales

respecto a las siguientes características.

2.1.2.1 ESTABILIDAD

La respuesta transitoria de un sistema de control con retroalimentación o

re direccionamiento de la señal de salida hacia la entrada es de interés

primordial. Una característica muy importante del funcionamiento es su

estabilidad. En síntesis, para Kuo(1997, p. 12), se dice que un sistema es

estable cuando se tiene una respuesta limitada. De esta forma, el sistema es

estable si estando sujeto a una entrada o perturbación limitada, su respuesta

es de magnitud limitada. En contraste, un sistema se considera inestable

cuando su respuesta luego de transcurrido el tiempo de establecimiento se

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mantiene oscilando, variando entre un rango de valores periódicos o

simplemente se obtiene cualquier valor aleatorio.

2.1.2.2 CONTROLABILIDAD

El concepto de controlabilidad introducido por Ogata (2003, p. 34) indica

que el estado de un sistema, el cual es el conjunto de valores de las

variables del sistema, describe completamente el sistema en cualquier

momento dado. Es decir, ninguna información del pasado de un sistema

ayudará a predecir el futuro, si los estados en el presente son conocidos. Por

lo tanto, la controlabilidad de estado significa usualmente que es posible, por

entradas admisibles, cambiar los estados de cualquier valor inicial a cualquier

otro valor final dentro de un intervalo de tiempo.

Este juega un papel importante en el diseño de un sistema de control en el

espacio de estado, ya que las condiciones de controlabilidad pueden

gobernar la existencia de una solución completa en el problema de diseño de

sistemas de control. La solución a este problema no puede existir si el

sistema considerado no es controlable.

2.1.2.3 OBSERVABILIDAD

Según lo expuesto por Kuo (1997, p. 280), un sistema es completamente

observable si cada variable de estado del sistema afecta alguna de las

salidas. En otras palabras, con frecuencia es deseable obtener información

sobre las variables de estado de las mediciones de salida y entrada. Si

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cualquiera de los estados no se puede observar a partir de las mediciones de

salidas, se dice que el estado no es observable, y el sistema no es

completamente observable, o simplemente no observable.

2.1.2.4 TIEMPO DE RESPUESTA

Para Ogata (2003, p.120), Un sistema de control varía en el tiempo si

uno o más de sus parámetros varían en función del tiempo. Un sistema de

múltiples variables es un sistema con varias señales de entrada y salida.

Frecuentemente, es deseable obtener el tiempo de respuesta de las

variables de estado en un sistema de control para así examinar el

funcionamiento de éste. Asimismo, interesa considerar la descripción en el

dominio del tiempo de los sistemas dinámicos según su representación

mediante ecuaciones diferenciales.

2.1.3 MÉTODOS DE CONTROL

Los métodos de control clásico son aquellos que esperan a que se

produzca un error para luego realizar una acción correctiva. El error se

presenta a causa de la diferencia de lectura entre la variable de salida

censada y la señal de referencia, este error está presente en todo momento y

la finalidad es minimizarlo. Los métodos de control clásico se describen a

continuación por los autores Ogata (2003) y Smith (1991).

2.1.3.1. CONTROL DE APAGADO Y ENCENDIDO (ON/OFF)

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El sistema de control ON/OFF es un sistema donde el actuador tiene solo

dos posiciones fijas, que en muchos casos, son simplemente conectado y

desconectado. Este modo de control es relativamente económico y por esta

razón es utilizada ampliamente en sistemas, tanto industriales como

domésticos. Es importante destacar que los controladores más utilizados en

las industrias del modo de dos posiciones son: los dispositivos eléctricos,

donde habitualmente, hay una válvula accionada por un solenoide eléctrico.

En cuanto a los controladores neumáticos se tienen los proporcionarles, que

con ganancias muy altas pueden actuar como controladores neumáticos de

dos posiciones.

2.1.3.2. CONTROL PROPORCIONAL

Los controladores que son únicamente proporcionales tienen la ventaja

de que solo cuentan con un parámetro de ajuste k. Sin embargo, adolecen

de una gran desventaja ya que operan con una desviación o error de estado

estacionario en la variable que se controla. El control proporcional es, en

esencia, un amplificador con una ganancia ajustable.

2.1.3.3. CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL

En el control proporcional integral el coeficiente de la acción integral

disminuye el aumento del tiempo integral, lo cual genera una relación inversa

entre el tiempo de integración y la acción integral. Mientras que en la acción

proporcional la salida cambia inmediatamente en una magnitud igual, la

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salida de la acción del control integral no se modifica instantáneamente con

el error, sino que varía linealmente con el tiempo.

También se sostiene que la mayoría de los procesos no pueden ser

controlados con una desviación en el punto de control. En estos casos se

debe añadir un controlador proporcional integral (PI), para eliminar la

desviación. En la acción proporcional la salida cambia inmediatamente en

una magnitud igual, y la salida de acción del control integral no se modifica

instantáneamente con el error; ésta varía linealmente con el tiempo. El

control será el mismo proporcional, sin embargo a la salida se le suma la

acción integral que la corrige tomando en cuenta la magnitud del error y el

tiempo que este ha permanecido. Para ello, se le programa al control una

constante I, la cual es formalmente “la cantidad de veces que aumenta la

acción proporcional por segundo”.

La salida se corrige en una cantidad equivalente a la integral del error

multiplicada por I. la integral del error es simplemente la suma acumulada de

los errores medidos por el control cada segundo.

2.1.3.4. CONTROL PROPORCIONAL DERIVATIVO

El control proporcional derivativo también llamado “rate action” por algunos

fabricantes de controles considera la “razón de cambio” de una variable

donde la velocidad de ascenso de esta variable es multiplicada por la

constante derivativa D. Así, el tiempo derivativo se define como el tiempo

requerido para que la respuesta del modo proporcional sea igual a la

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respuesta del modo derivativo, cuando la entrada sea una función rampa.

Este controlador se utiliza en los procesos donde es posible un controlador

proporcional pero se desea cierta cantidad de anticipación.

Por otra parte, es tipo de controlador puede presentar una desventaja,

este controlador opera con una desviación en la variable que se controla.

Dicha desviación solamente se puede eliminar con la acción de integración;

sin embargo, un controlador PD puede soportar una mayor ganancia.

2.1.3.5. CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO

Este controlador es el más complejo y completo, tiene una respuesta más

rápida y estable siempre que esté bien sintonizado. El controlador combina la

estabilidad del controlador PD, y las características de eliminación del error

del controlador PI, convirtiéndolo en el principal modo de control utilizado en

la industria. Dentro de las características principales que presenta la acción

de control, se encuentra que es proporcional debido a que el flujo entrante es

equitativo al error actuante y da origen a un corrimiento en la respuesta de

entrada.

Por su parte, la acción integral derivativa brinda la posibilidad de obtener

un control con alta sensibilidad, corrigiendo las variaciones del error actuante

antes de que el valor del mismo sea excesivo. Los controladores PID se

utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas. Ejemplos

típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración.

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2.1.3.6. ENTONACIÓN DE LOS CONTROLADORES

El paso final en la implementación de un lazo de control es el ajuste de

parámetros en el controlador. A través de la programación del controlador,

éste se puede ajustar para dar una respuesta satisfactoria; de esta manera,

el lazo de control estará bien diseñado. Todo controlador requiere del ajuste

de tres parámetros que son: la ganancia, el tiempo de reajuste y el tiempo de

derivación. Cuando el controlador no puede ajustarse satisfactoriamente,

debe revisarse la selección de los demás componentes del lazo de control.

Generalmente, existen varias consideraciones que se toman en cuenta

para evaluar la respuesta de un lazo de control frente a una perturbación,

éstas son: la variable controlada debe alcanzar su valor deseado tan rápido

como sea posible, la respuesta de la variable controlada no debe ser muy

oscilatoria y la variable manipulada no debe estar sujeta a grandes cambios

ya que frecuentemente afecta a otras partes del proceso. El modo de control

PID es muy difícil de entonar debido a que trabaja en tres accionadores para

ajustarse, por tales razones requiere de una corrección continua y extensiva

para mantenerse debidamente entonado.

2.2. AUTOMATIZACIÓN

Díaz (2008, p.2) define a la automatización como “un sistema de

control automático, por el cual el sistema verifica su propio funcionamiento,

efectuando mediciones y correcciones sin la interferencia del ser humano”.

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En muchos procesos industriales la función de control es realizada por un

operario. Este operario es el que decide cuando y como manipular las

variables de modo tal que se obtenga una cadena productiva continua y

eficiente. La eficiencia productiva implica el constante aumento de los niveles

de producción de la maquinaria instalada, el mejoramiento de la calidad del

producto final, la disminución de los costos de producción, y la seguridad

tanto para el personal como para los equipos.

Para lograr esto es necesario que los procesos productivos se realicen a

la mayor velocidad posible y que las variables a controlar estén dentro de

valores constantes. Debido a estas exigencias, la industria ha necesitado de

la utilización de nuevos y más complejos procesos, que muchas veces el

operario no puede controlar debido a la velocidad y exactitud requerida,

además muchas veces las condiciones del espacio donde se lleva a cabo la

tarea no son las más adecuadas para el desempeño del ser humano.

De esta forma surge la automatización como sistema para trasferir tareas

de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos, a un

conjunto de elementos tecnológicos, logrando un incremento en la eficiencia

y seguridad de los procesos industriales, reduciendo los costos de la

producción y mejorando la calidad de la misma.

2.2.1. CARACTERÍSTICAS DE UNA AUTOMATIZACIÓN

Para Savant (2000, p. 45), un sistema automatizado consta de dos

características principales:

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•Parte operativa: Es la parte que actúa directamente sobre la máquina.

Son los elementos que hacen que la maquina se mueva y realice la

operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los

accionadores de las maquinas como motores, cilindros, compresores y los

captadores como fotodiodos, finales de carrera entre otros

•Parte de mando: Suele ser autómata programable (tecnología

programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés

electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos

(tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el

autómata programable está en el centro del sistema. Este debe ser capaz de

comunicarse con todos los constituyentes de sistemas automatizados.

2.2.2. OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN

De acuerdo a lo descrito por Pfaffenberger (1995, p. 15) los objetivos de la

automatización se centran en un mejoramiento de la calidad de trabajo y de

los productos como tal, siendo estos objetivos los que siguen:

•Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de

producción y mejorando la calidad de la misma

•Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los

trabajos penosos e incrementando la seguridad

•Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o

manualmente

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•Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las

cantidades necesarias en el momento preciso.

2.2.3. TIPOS DE AUTOMATIZACIÓN

La automatización, según Krajewski (2000, p. 103), se divide en tres

grupos que presentan diferentes características, los cuales son: la

automatización fija, la automatización programable y la automatización

flexible.

2.2.3.1. AUTOMATIZACIÓN FIJA

La automatización fija se usa cuando el volumen de producción es alto, el

diseño del producto es estable y el ciclo de vida del producto es largo. En

este tipo de automatización se produce un tipo o parte de un producto en

una secuencia fija de operaciones simples. Tomando en cuenta a los dos

autores, se puede definir la automatización fija como la que se usa para unos

niveles de producción muy altos y la cual no es capaz de adaptarse a

cambios en el producto, es decir, que no se puede modificar el producto a

menos que se cambie todo o la mayor parte del sistema.

2.2.3.2. AUTOMATIZACIÓN PROGRAMABLE

Este tipo de automatización es usada cuando se requiere modificar

las características del producto a realizar. Este tipo de automatizaciones

puede modificarse fácilmente para manejar diversos productos, las máquinas

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suelen ser programadas para alternarse en la elaboración de los productos.

Por consiguiente, la automatización programable es la que permite realizar

cambios en el producto mediante la manipulación del programa de los

controladores que manejan el sistema, y no es usada para niveles de

producciones muy altas.

2.2.3.3. AUTOMATIZACIÓN FLEXIBLE

Este tipo de automatización ocurre cuando hay un programa para cada

producto y el operador proporciona las instrucciones apropiadas para

cambiar de proceso siempre que sea necesario. Es aquella que tiene una

fuerte inversión para equipo de ingeniería, una producción continua de

mezclas variables de producto, índices de producción media y flexibilidad

para lidiar con las variaciones en diseño del producto. Por todo lo dicho

anteriormente, se define la automatización flexible como la unión de la

automatización fija y la automatización programable, la cual tiene varios

programas para cada producto y existe la posibilidad que los operadores den

las instrucciones para cambiar el proceso si es necesario para modificar el

producto.

2.2.4. CLASES DE AUTOMATIZACIÓN

La automatización se divide, según los diferentes autores consultados,

de la siguiente forma:

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2.2.4.1. HIDRÁULICA

De acuerdo con Franquet (2003, p. 5), la hidráulica no es más que aquella

que utiliza el equilibrio Hidrostática y el movimiento o flujo Hidrodinámica de

todos y cada uno de los líquidos, para realizar un trabajo específico. Según

Díaz (2008, p. 33) son aquellas máquinas que usan los fluidos para trabajar,

utilizando la incompresibilidad de los líquidos para generar grandes

cantidades de potencia en muy poco tiempo. Por este mismo hecho se usan

máquinas neumáticas donde se requiere mucha potencia. Lo definido por

Franquet sobre el uso del equilibro y el movimiento o flujo de los líquidos

para realizar un trabajo, y lo referente a la incompresibilidad de los líquidos

para generar potencia, representan, para esta investigación, lo que es la

hidráulica.

2.2.4.2. NEUMÁTICA

Para Jiménez (2003, p. 3), es la tecnología que utiliza aire comprimido

como medio transmisor de energía, y engloba el conjunto de técnicas para su

transmisión, control y regulación. De acuerdo con Díaz (2008, p. 35) este

proceso de automatización se destaca por máquinas que utilizan el aire

comprimido para trabajar, hay que tomar en cuenta las dos máquinas que

producen el aire comprimido y aquellas que lo utilizan, aquellas que lo

producen se llaman compresores. Lo establecido por Jiménez representa,

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para los investigadores, exactamente lo que es una automatización

neumática.

2.2.4.3. ELECTRÓNICA

Según Díaz (2008, p. 34) la electrónica es el campo de la ingeniería y de

la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general

circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones

para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información,

entre otros. Esta información puede consistir en voz o música como en un

receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números

u otros datos en un computador. No es necesaria otra base teórica referente

a la electrónica, puesto que lo explicado por Díaz es claro, conciso y lo

suficientemente extenso para aclarar toda duda presente.

2.2.4.4. MECÁNICA

Díaz (2008 p. 46) afirma que estás máquinas transforman la energía

eléctrica en energía mecánica para desarrollar algún trabajo para el cual

fueron diseñadas, este tipo de máquinas se usan generalmente para trabajos

que son repetitivos como los de corte, moldeo y troquelado entre otros, y

también en aquellos tipos de trabajos que ponen riesgo la vida del trabajador.

Para Kraige (2008, p. 2), la mecánica es la parte de la física que estudia el

estado de reposo o movimiento de los cuerpos bajo la acción de fuerzas,

basándose en el estudio de las vibraciones, la estabilidad, la resistencia de

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cuerpos y el control automático de la energía. Luego de lo establecido, la

presente investigación ve más cercano a lo que es la mecánica, lo dicho por

Kraige que lo establecido por Díaz.

2.3. PROCESAMIENTO DEL CAFÉ.

El grano del café, una vez recolectado, debe de pasar por una serie de

procesos para que sea apto para el consumo. Como lo que se utiliza para

elaborar la bebida es la semilla, esta debe separarse del resto del fruto, piel,

pulpa y demás membranas así como la fermentación de la semilla. Tras

estos procesos que se realizan en la misma plantación o en el área de

producción, se obtiene lo que se denomina como "café verde".

2.3.1. SECADO DE LOS GRANOS DE CAFÉ

Según la Federación Nacional de Cafeteros (2004), se emplea el proceso

seco para el café Robusta y gran parte del café Arábigo de Brasil y Etiopía.

Se secan los granos al sol y luego se muelen para eliminar la capa exterior,

el mucílago seco, la vitela y la cáscara plateada. El proceso de molienda se

realiza en las instalaciones grandes. Los desperdicios pueden servir como

combustible, o también, como alimento para los animales.

El secado se practica sobre superficies de secado, donde se rastrillan las

cerezas de café y se extienden regularmente. En algunos días, la parte

carnosa se deshidrata y se separa.

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2.3.2. TOSTADO DEL CAFÉ

Para Instituto del Café de Costa Rica (2010, p. 3) en su Manual Básico

para la Preparación de Café, al tostar café, el grano sufre una serie de

modificaciones físicas como: pérdida de peso, o aumento de volumen, en

algunos casos hasta del 100%, de igual manera se transforma químicamente

el producto, a través de la caramelización de los azúcares que confieren el

color y la degradación de proteínas entre otros. Lo más relevante del tueste

es, que a través de este, se genera el aroma y el sabor.

Es importante al comprar café tener presente que los tuestes claros

generan bebidas suaves, en términos de aroma y cuerpo, pero de alta

acidez, sobre todo, cuando se utiliza materia prima de zonas cafetaleras que

sobresalen por su acidez pronunciada. Los tuestes medios se ocuparán de

alcanzar mayor balance en la preparación de la bebida, de modo que

presentan cuerpo, acidez, y dulzura en una relación más armoniosa.

Finalmente, los tuestes tipo francés o altos generan extracción de los aceites

del grano, acelerando el proceso de degradación de estos lípidos,

obteniendo olores y sabores rancios en la infusión (oxidación),

independientemente si se emplean tuestes y moliendas frescas.

2.3.2.1. TIPOS DE TOSTADO

Para algunos autores el café se puede clasificar según su color, aroma y

textura. A continuación se presentan algunos tipos de tostado del café.

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a) TOSTADO CLARO O AMERICANO

Según Carbone (2011, p. 10), a medida que los granos comienzan a

adquirir un color comerciable, aparece el primer quiebre. En este momento

ya ha duplicado el tamaño y aparece un tostado claro. Con una temperatura

de aproximadamente 218ºC en 10 minutos se obtiene un tostado así.

Según Mcculloch (2010, p. 8), el tostado ligero, como el nombre lo implica,

es el tono más pálido y es utilizado para las variedades más suaves de café.

Un grano con tostado ligero será de un color marrón claro y no tendrá aceite

en su superficie. Esto es porque los grano no se han tostado más que unos

pocos minutos, lo que no es tiempo suficiente para que los aceites escapen.

El sabor del café utilizado para un tostado ligero será ligeramente ácido y

granoso. No hay sabores quemados o ahumados.

Se puede decir entonces, cuando se desea obtener un sabor menos

intenso, los granos se mantienen en la tostadora durante la menor cantidad

de tiempo posible. Este procedimiento produce granos ideales para preparar

café americano. Sabrosos, pero no concentrados o "intensos".

B) TOSTADO MEDIO O EUROPEO

Según Navarro (2014, p. 8) los granos tostados para preparar cafés

franceses típicos, por ejemplo, estos se tuestan en un tiempo un poco más

prolongado que los granos por tostado americano. Este procedimiento

produce un taza de café "más oscura" y con mayor sabor.

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Mcculloch (2010, p. 10), el tostado mediano tendrá un color chocolate y

tendrá un sabor más marcado que el tostado ligero. Tendrán una superficie

aceitosa y tendrán un buen balance entre acidez y aroma. El tostado medio

suele ser dulce y sabroso, sin granos, tal como el tostado ligero.

De esta manera, si los granos se dejan dos minutos más, aparece el

segundo quiebre. Aquí se llega al tostado medio.

C) TOSTADO MEDIO U OSCURO

Según La Foy (2011, p.11), en el tostado oscuro se produce granos ricos,

fuertes y concentrados. Esta variedad requiere un mayor tiempo de tueste,

para lograr obtener mayor cantidad de los aceites naturales y azúcares de

los granos. Asimismo, el color oscuro proviene de los azúcares de los granos

al caramelizarse.

Por otra parte para Mcculloch (2010, p. 10), El tostado medio-obscuro

posee un color obscuro, rico y una cantidad moderada de aceite en su

superficie. Estos granos son tostados dos veces, significando que explotarán

dos veces antes de que se termine el proceso. Las notas de sabor incluyen

las agridulces, chocolate, especiadas, ahumadas y los tonos caramelo. El

tostado medio-obscuro son bajos en acidez, pero tienen un cuerpo más

fuerte en cuanto a sabor, comparado con los tostados medios y ligeros.

En conclusión Luego que aparece el segundo crack, el aceite del café

llega a la superficie. En este momento se obtiene un tostado oscuro. La

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mayoría de los granos de café no llegan a tostarse más de este nivel. Esto

equivale a dos minutos más

D) MUY OSCURO U MEZCLA DE EXPRESSO

Para La Foy (2011, p. 11) estos tipos de granos se tuestan al punto de

quemado, cuando ciertamente comienzan a ahumarse. Este tipo de tostado

produce el café más oscuro de todos, debido a que los granos se tuestan en

el tiempo indicado para ser usados en ricas bebidas de café expreso.

El tostado más oscuro del café se obtiene luego del tercer paso. Un

tostado Francés completo se obtiene luego de que el azúcar de los granos

comienza a acaramelarse. En este momento el café ya está a punto de

quemarse.

2.3.2.2. PROCESO DEL TOSTADO

Según Solá (2014, p, 1), el tueste del café es una fase vital dentro de su

cadena de elaboración. Hay quien sostiene, y no le falta razón, que un buen

tueste influye más en la calidad de una taza de café, que la bondad de la

mezcla escogida. El proceso de tostar los granos del café verde consiste en

someterlos durante un tiempo limitado a una alta temperatura, intervalo

durante el cual:

• Pierde peso, alrededor del 15/20%, debido en gran parte a la

evaporación de su humedad y en menor parte a la pirólisis de algunos

componentes.

37

• El grano aumenta de volumen, entre un 100 y un 130% en el caso del

café natural en función del tiempo de tueste y entre el 70 y el 80% para el

torrefacto.

• Su color amarillo verdoso se transforma en un marrón, más o menos

oscuro en función del grado de tueste escogido.

• La composición química del grano sufre una importante transformación,

tanto a nivel cuantitativo como cualitativo. Azúcares, grasas, proteínas,

substancias nitrogenadas no proteicas, ácidos, todo sufre una

transformación debido a las altas temperaturas a que es sometido el grano.

Al ser tostados, los granos de café sufren toda una metamorfosis: cambian

de color, se aligeran, aumentan de volumen y adquieren más aroma. Es

precisamente esta exposición a altas temperaturas la que permite a los

granos desarrollar sus cualidades aromáticas.

2.3.3. MOLIENDA

La molienda, según Instituto del Café de Costa Rica (2010, p. 4) es el

resultado de la trituración del café tostado en un molino, obteniendo

partículas de varios tamaños. Moliendas gruesas requieren de mayor tiempo

de contacto con el agua caliente, para la extracción adecuada. Moliendas

finas menor tiempo. Considerando esto, se debe calibrar el molino de

acuerdo con el equipo de extracción. Entonces, tomando en cuenta que: El

grosor de la molienda, define el tiempo de contacto con el agua caliente La

molienda se modifica según el método de preparación de café.

38

2.3.3.2. ALMACENAMIENTO

Para la empresa Coopsol(2010, p. 14) la meta del almacenamiento del

café es mantener y preservar la integridad del grano por lo más largo posible.

Un almacenamiento adecuado debe de considerar lo siguiente:

Los granos del café son entidades vivientes con una actividad

fisiológica constante dentro de ellos.

La viabilidad de usar los granos como semillas depende del

almacenamiento que se le da a los granos.

La seguridad de los alimentos son extremamente importantes. El

almacenamiento inapropiado puede resultar en el desarrollo de sustancias

toxicas que pueden ser dañinas para la salud humana.

El precio del café depende mucho de su sabor y aroma que son

altamente sensibles a contaminación. Debe de evitarse tener químicos o

especies muy olorosas cerca del café almacenado.

A veces es necesario guardar el café por periodos prolongados dado a

las fluctuaciones en los precios mundiales del café. La duración del

almacenamiento tiene un impacto en la calidad del café.

En otra perspectiva, las metas del almacenamiento del café son mantener

y retener el valor comercial del producto. Además, busca preservar la

integridad del grano por el tiempo más largo posible sin afectar de forma

severa su calidad original. Algunas consideraciones que se deben tener al

respecto son:

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(1) que la semilla de café es un organismo vivo con una actividad

fisiológica constante dentro del grano,

(2) que la seguridad del producto o alimento puede desarrollar sustancias

tóxicas que pueden ser dañinas a la salud humana (ocratoxinas)

(3) que la duración del almacenamiento tiene impacto en la calidad del

café. El almacenamiento adecuado del café es clave para conservar su

calidad. Si no se realiza correctamente puede ocasionar daños a todo lo

bueno que se haya hecho desde una recolección del grano bien hecha hasta

el procesamiento esmerado del producto. Si se almacena en condiciones

apropiadas de humedad y temperatura éste se estabiliza con el ambiente y

su deterioro es lento. Algunos de los cambios que ocurren en la fase inicial

del almacenamiento se consideran favorables para mejorar la calidad con la

desaparición del sabor frutoso que tiene el café fresco.

Los cafés almacenados por periodos prolongados de tiempo suelen

adquirir un aroma y sabor maderoso. El daño más severo causado al café en

almacenamiento proviene del ataque de hongos como el Penicillium y el

Aspergillus.

El café se almacena en entornos de atmósfera controlada, en los que el

dióxido de carbono que se forma naturalmente durante la torrefacción se

dispersa con rapidez, manteniendo intacta la fragancia del café.

2.3.4. EMPAQUE DEL CAFÉ

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El empaque, según Instituto del Café de Costa Rica (2010, p. 4) cumple

con la función de preservar, de la mejor manera, las características del café,

evitando el contacto de este con el oxígeno y la humedad relativa, presente

en el medio ambiente. Estos dos elementos, agregado al tipo de tueste y

finura de la molienda, juegan un papel importante en la vida útil del café.

El material con que se confecciona el empaque también juega un papel

sustancial en la estabilidad del producto o en su deterioro, se refiere a si es

de plástico, cartón, aluminio, papel crepe, así será su capacidad para

adicionar sabores o evitar reacciones químicas importantes, en su mayoría,

por presencia de oxígeno residual, a la hora del cierre de sus paredes.

2.3.4.1. TIPOS DE EMPAQUE

Instituto del Café de Costa Rica (2010, p. 5) hace referencia a que gracias

a las características de los empaques se pueden agrupar; por ejemplo,

algunos son rígidos como los recipientes de hojalata y plástico, otros son

bolsas de papel o de cartón, crepe o plástico laminado, estos últimos se

diferencian entre si porque algunas bolsas vienen equipadas con válvulas

para eliminar gas o se cierran al vacío. A continuación, se describen los tipos

de empaque y cuál es su importancia en la preservación de la calidad del

café.

A) EMPAQUE AL AIRE:

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En este método, el café se coloca en una bolsa o empaque rígido de

plástico o lata, en el primer caso se emplean equipos especiales para unir las

paredes de la bolsa, prensándolas con dos planchas de metal caliente

(selladora de bolsas) una desventaja de este principio de sellado es la alta

concentración de oxígeno residual presente en el empaque, lo que reduce la

vida útil del café en el anaquel.

B) EMPAQUE AL VACÍO

Se llama así porque elimina casi por completo la presencia de aire

dentro del empaque, bajando el nivel de oxígeno residual. Un consumidor de

café se da cuenta que está ante un empaque de café al vacío, porque la

forma del material es duro, semejante a un bloque.

C) EMPAQUE GAS INERTE

El nitrógeno en presentación de gas líquido aplicado en el fondo del

material de empaque se evapora, empujando allí el aire hacia fuera, de modo

que no adiciona aromas ni sabores, al contrario, contribuye en la evacuación

del oxígeno excedente en el empaque. El uso del gas inerte aumenta al

doble la vida útil del café, comparado con el empaque al vacío, ya que es

más eficiente en la eliminación de oxígeno.

D) EMPAQUE PRESURIZADO

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Este proceso industrial también es conocido como atmósfera modificada,

antes de realizar el cierre del empaque se coloca un sobre con una sustancia

química especial, que en el ambiente interno reacciona transformándose en

gas, lo que aumenta la presión interna, expulsando en un 99 % el oxígeno

presente internamente. Los envases de empaque a presión se deben hacer

de materiales rígidos, normalmente hojalata o aluminio; deben también ser

equipados de válvulas de seguridad que se abren cuando la presión es

superior a las 0.5 atmósferas, por la gran cantidad de gas que se produce.

3. SISTEMA DE VARIABLES 3.1. DEFINICIÓN NOMINAL

Sistema de control automático

3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL

Conceptualmente, un sistema de control se puede definir como una

interconexión de componentes que forman una configuración del sistema que

proporcionará una respuesta deseada. Dorf (2006, p. 2)

También se puede definir como control automático a un proceso cuya

finalidad consiste en imponer, entre dos parámetros físicos, (uno

denominado señal de entrada, y otro conocido como señal de salida) una

relación deseada, cuyo comportamiento sea independientemente de otras

variables llamadas perturbadoras. Lewis (1999, p. 1)

43

3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL

Operacionalmente, un sistema de control automático no es más que la

relación de varios componentes físicos, lo cual se adapta al procesamiento

del café cuando de alguna manera se regula el proceso como el tostado, la

molienda y el empacado, sin intervención de agentes exteriores y corrigiendo

con ello los posibles errores que se puedan presentar en su funcionamiento.