Diseño y análisis de un sistema de instrumentación y automatización industrial aplicado a la pasteurización

Que se consigue con la pasteurización? La pasteurización consigue disminuir la población de microorganismos mediante la elevación y disminución de la temperatura durante un tiempo determinado. Se la considera una operación básica que consiste en un tratamiento térmico relativamente suave (temperaturas inferiores a 100°C).

Como se realiza la pasteurización En este proyecto se realizará un estudio al proceso utilizando un pasteurizador flash. Con este método se toma el caso de la cerveza, por ser un tipo de alimento líquido a granel, la pasteurización se la realizaría entre 72 y 85°C y tiempos cortos que pueden ir desde 15 a 60 segundos.

Diagrama de funcionamiento de un pasteurizador flash antes de realizar el proyecto

Con que equipos se la realiza?

Tanques de cerveza filtrada Son 2 tanques de acero inoxidable SS316, destinados a almacenar 350 Hlts de cerveza filtrada cada uno, sus dimensiones son 5 m de alto por 1,50 de diámetro. Bombas Bomba de cerveza(15818): 18.5Kw, 440 V, 34.5 A, 60 Hz Bomba de agua(15804): 3Kw, 440V, 5.5 A, 60 Hz Bomba de Cip (15835): 7.5Kw, 440V, 13.8 A, 60 Hz

Intercambiador de tubos Se encuentra ubicado en el circuito de calentamiento. Es el encargado de calentar agua por medio de vapor de agua realizando una transferencia de calor de tipo tubular. Es el más común de los medios de calentamiento.

Recipiente de balance Es un tanque cuya función es mantener el agua del circuito de calentamiento a temperatura constante , es decir que no haya transferencia de calor entre el medio ambiente y el circuito de calentamiento, tiene una capacidad de 200 Lts y puede contener el liquido a 100°C y a 3 Bar de presion como máximo.

Intercambiador de calor de placas paralelas. Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor de un fluido a otro, sea que estos estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto

Serpentín Es una tubería de 2” de diámetro donde se mantiene la cerveza a temperatura elevada durante un intervalo de tiempo fijo determinado para la esterilización de la cerveza

Sistema de enfriamiento Consiste en provocar la expansión del gas refrigerante (amoniaco) en una cámara cerrada concéntrica al tanque, realizando su compresión en un equipo exterior.

Tanques de agua y soda Son dos tanques de igual capacidad que almacenan el agua para limpieza y la soda caustica para el mismo fin, la capacidad de cada uno es de 75 Hl.

Como se hace la limpieza de los equipos? Los tres pasos básicos para el procedimiento del CIP son los siguientes: Aclarado inicial: durante un tiempo establecido en los parámetros se introducirá agua limpia en el circuito Circulación con soda: se eleva la temperatura del intercambiador al valor establecido en los parámetros y luego se hace circular la soda Aclarado intermedio: cuando se haya terminado la limpieza con la soda, esta es purgada del sistema. Aclarado final: nuevamente se ingresa agua al sistema durante un tiempo ya establecido. Con este paso se logra eliminar cualquier residuo de soda que haya quedado en el sistema. Una vez culminado el tiempo esta agua es purgada del sistema.

Se debe tener en cuenta que: La disposición de las tuberías debe permitir un drenado completo Se debe tener un alto grado de turbulencia de la soda en todas las superficies a limpiar Se debe instalar instrumentos adecuados en puntos críticos de control Se debe asegurar que no exista posibilidad de fallo por contaminación cruzada entre el CIP y la pasteurización Tener instalado un punto de drenaje Poseer suficientes reservas de soda.

Que señales vamos a tener?

Que señales vamos a tener?

Selección de instrumentación

Selección de instrumentaciónsensores de nivel

Selección de instrumentaciónsensores de temperatura Temperaturas de operación

Selección de instrumentaciónsensores de flujo Como se trata de industria alimenticia el sensor debe estar con el menor contacto posible con el producto, es decir debe tener características no invasivas, esta característica es muy útil, ya que así se evitan caídas de presion que pueden afectar al proceso, la medición de flujo es importante además porque nos dará información necesaria para cálculos de rendimiento y de producción diaria del sistema.

Selección de instrumentaciónsensores de presión La principal característica del transmisor de presión es que su funcionamiento no se vea afectado por las bajas temperaturas y por el fluido refrigerante que para el caso es el refrigerante R717 Amoniaco

Selección de instrumentaciónsensores de conductividad Esta medida es de vital importancia especialmente en el proceso de limpieza CIP, esta se va a encargar de monitorear el estado de la soda caustica, aprovechando al máximo las propiedades de esta y evitando perdidas innecesarias de este valioso y restringido producto La medición de conductividad se la realiza de la siguiente forma: el conducímetro mide la conductividad eléctrica de los iones en una sustancia. Por lo que se procede a aplicar un campo eléctrico entre dos electrodos y mide la resistencia eléctrica de la disolución. Para evitar cambios en las sustancias, efecto de capas sobre los electrodos, entre otros factores, se aplica una corriente alterna

Selección de instrumentación

Selección del PLC Se debe considerar cuales son las necesidades definidas para la solución de nuestro proyecto: Escalabilidad y flexibilidad en cuanto a configuración para el control de las variables que requiere el proceso. Facilidad de integración con la red de gestión para “process management” que se encuentra configurada en Industrial Ethernet. Debe existir gran flexibilidad para la implementación de un sistema SCADA programado en InTouch y posibilitar la interacción con un panel de control, es decir que posea los drivers de comunicación. Posibilidad de implementar redundancias que facilitan su aplicación en sistemas de enclavamientos y seguridad.

Selección del PLC Para poder controlar el número de variables que se han determinado en el proyecto, y por tema de confiabilidad para la industria se ha escogido de la familia SIEMENS el modelo S7-200. El CPU como mínimo deberá ser el 224 ya que este permite comunicación vía Ethernet con la ayuda de una tarjeta de comunicación CP243-1. Sin embargo, en base a los criterios de selección antes mencionados se escogió el PLC S7 300 de la marca SIEMENS con CPU 315 2DP con una tarjeta de comunicación CP343. El CPU se lo escogió principalmente por motivos económicos ya que en planta existe en el almacén.

Selección del PLC: Capacidad de memoria La memoria total de un PLC se divide en distintas zonas de almacenaje de datos: Área de programa Tabla de E/S discretas. Tabla de E/S análogas Registros de temporizadores y contadores Registros de variables. Registros de memoria auxiliar. Firmware. Además se utilizarán los siguientes módulos para manejar las señales de entrada y salida: Módulo de 16 entradas digitales Módulo de 16 salidas digitales Módulo de 8 entradas analógicas Módulo de 4 salidas analógicas

Comunicación La CPU 315-2DP que tiene el PLC tiene dos puertos de comunicación, uno para Profibus DP y otro para MPI, pero los requerimientos de comunicación de nuestro proyecto son de un puerto para conectarse con la red industrial, un puerto para el control del operador en cuarto de control y uno para el panel de control. Por lo que se ha optado por usar dos puertos de comunicación Profibus DP para conectarse a la red industrial y panel de control y el puerto MPI para el cuarto de control.

Dimensionamiento del panel La construcción del tablero eléctrico responderá a lo siguiente: Seguridad para el personal de operación y mantenimiento Seguridades y protecciones a todos los equipos. Seguridad contra incendios Facilidad de montaje y conexión Facilidad de operación, inspección y mantenimiento

Breaker principal Bomba cerveza: Bomba de agua: Bomba de CIP: Transformador de 120Vac: Fuente 24Vdc:

Selección de cables Para señales de 24Vdc se usará cables 3x18AWG Para señales de control se usará cables 16 AWG Para el motor de la bomba de cerveza se tendrá con esto se utilizará cable de calibre 6AWG. Para el motor de la bomba de agua y CIP se tendrá con esto se utilizará cable de calibre 14AWG.

Programación del PLC En el proyecto se utilizara una forma estructurada de programación, en todo sistema están presentes 4 bloques fundamentales que son:

Desarrollo del programa

Bloques de organización OB1: Bloque ciclo libre OB100: Bloque de operación de alarmas OB81: Bloque de fallo de alimentación OB84: Bloque de fallo de CPU OB87: Bloque error de comunicación OB121: Bloque error de programación OB122: Bloque error de acceso de periferia

Bloques de seguridad Seguridad para válvulas (FC1) Seguridad para motores (FC2)

Bloque de control visual Función de estado de elemento (FC11) Función de estado entrada (FC12) Función de estado proceso (FC13) Función de estado salida(FC14) Entre las principales señales se encuentran: Activado Desactivado Problemas de sobrecarga Problemas de sobre corriente No comunicación con CPU Cantidad de material Medidas de los instrumentos

Bloques de proceso Verificación proceso puesta en marcha (FB2) Proceso del CIP (FB3) Inicio (FB11) Alarmas de proceso (FB12) Bombeo soda cáustica (FB13) Bombeo de agua (FB14) Fin (FB15) Proceso de Pasteurización (FB4) Inicio (FB21) Alarmas de proceso (FB22) Bombeo de agua (FB23) Encendido de proceso de calentamiento (FB24) Encendido de proceso de enfriamiento (FB25) Parada de bombeo de agua(FB26) Bombeo de cerveza (FB27) Fin (FB28)

SIMULACION PASTEURIZACION

SIMULACION CIP

Proyección de la inversión EQUIPOS Equipos para la automatización. Instrumentación en general Elementos finales de control (válvulas, posicionadores, motores). Elementos de protección (fusibles, seccionadores, relés térmicos). Licencias de programación.. MATERIALES Panel de control. Cajas de uniones. Borneras. Electrocanales, tuberías rígidas y tuberías flexibles. Cable de control #16 AWG shielded, fuerza 4#10 AWG. Cable de compensación para RTD’s (si la distancia entre la rtd y el transmisor lo amerita). Elementos de marcación de cables. MANO DE OBRA Cableado de instrumentación y fuerza. Nuevas acometidas a motores y válvulas. Programación y calibración de equipos.

Costos total del proyecto Los costos se proyectan con una tasa de crecimiento del 4.31% por razones de inflación

Ganancia debido a la implementación del proyecto

Análisis de la inversión Una vez hecho los cálculos de VAN se encontró que este tiene un valor, al final a los 10 periodos de $691,344.78 y un TIR del 54% Además se obtuvo una relación beneficio costo mayor a 4 y se ha calculado la recuperación del capital de inversión al noveno mes de operación.